JPS6121692B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、質量を異にするか、大きさを異にす
るか、又はその両者を異にする分子線の各成分を
空間的に分離するための方法に関する。

〔従来の技術〕

質量、気体運動上の断面積（運動エネルギーの
相違に基づく相互作用の大きさの度合、および反
作用、吸収、散乱などのミクロ的な物理現象のお
こる確率の度合）、又はその両者を異にする成分
から構成される分子線は、科学或は技術の分野に
おいてしばしば用いられる。例えば軽い成分と重
い成分との混合物から成る分子線が、重い成分を
軽い成分の速度に加速する目的で生成される。そ
の場合、軽い成分を再び十分に分離することが望
まれる。この課題は従来分子線の中心部を遮断す
ることによつて解決されてきた（エル、クリンゲ
ルヘーフア（R.Klingelhｏ¨fer）ペー、ローゼ
（P.Lohse）著「ガス状混合物を使用した高速分
子ビームの生成（Production of Fast Molecular
Besams Using Gaseous Mixtures）」雑誌「ザ
フイジクス オブ フルイズ（The Physics
of Fluids）」第７巻第３号、第379〜381頁参
照）。しかしこの場合両成分の飛行経路の方向分
布の軸が一致するため、原理的に重い成分が中心
部分で豊富になるに過ぎない。

他の実際上重要な場合として、分子線が種々の
大きさの分子集団（クラスタ）から成り、その分
子集団においては分子ないし原子が原子間力によ
つてくつつき合つている（これを凝縮された分子
線という）場合がある。このような分子集団は、
ガスを真空中に膨脹させることにより分子線を作
る場合に部分的な凝縮により生じ得るか、或は既
に出発ガス中に存在している。後者は、例えばほ
こりを含む雰囲気を分析しなければならない場合
に存在する。その場合、粒子の半径がナノメータ
領域にある場合には真空中へ移すことが必要であ
る。分子線を作る場合の部分的な凝縮という前者
の場合は、例えばクラスタイオンビームにより薄
層を作る場合に存在する（高木、山田、佐々木
「イオン源に関する第２回国際会議議事録（T.
Takagi，I.Yamada，A.Sasaki，Proc.2nd
International Conference on Ion Sources）、ウ
イーン、1972年）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、分子線をそのガスの種類に無
関係に、その粒子の質量ないしは大きさに従つて
分離し、しかもとりわけ分離すべき粒子が中間圧
縮されない場合でも一段階で既にできるだけ高い
分離効果が得られるような方法を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は本発明によれば、分子線に一つ又は
複数の補助ガス噴流を横噴流として、分子線およ
び補助ガス噴流の成分を含まない雰囲気中で交差
させることにより、分子線の成分を補助ガス噴流
の成分により偏向させ、分子線をその成分の質量
および大きさ、またはそのいずれか一方に従つて
分離することにより達成される。分子線の各成分
の運動エネルギーと、それに交差させる補助ガス
噴流の運動エネルギーが異なることにより、分子
線の各成分と補助ガス噴流との各相互作用が異な
り、分子線の各成分は偏向する。分子線と補助ガ
ス噴流との交差は、真空中で行なうことが好まし
い、本発明方法の一実施形態においては、分子線
を作る際軽い添加ガスを使用することができ、こ
の添加ガスは、一つ又は複数の補助ガス噴流と出
合う前にコリメータにより再び十分に分離され
る。この場合、本発明方法の特にすぐれた実施形
態においては、一つ又は複数の横噴流の各主軸
を、分子線の主軸に対し、両者が90゜以内の角度
で交差するように調整することができる。

又上述の目的を達成するため、ノズルとコリメ
ータによる分割とにより分子線が生成され、一つ
又は複数の横噴流が一つ又は複数のノズルにより
低圧室内に注入され、その際ノズルの開口及び横
噴流の主軸は分子線と最も多く交差する点に向く
ように調節することができ、更に一つ又は複数の
交差点の後方に捕集装置が配置され、この捕集装
置は少くとも一つの流入絞りを有し、しかもこの
捕集装置は分子線の主軸に対し位置を調整するこ
とができるような装置を用いることができる。

本発明による装置のすぐれた実施例において
は、横噴流のためにノズルが冷却され、横噴流の
主軸の方向において交差点の後方に横噴流捕集器
が配置されるようにすることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面について説明する。

図では特に凝縮された分子線を用いた実施例が
示されている。図において第１図は分離装置の概
略構成配置図、第２図は直接の分子線の断面形と
その最大値が横噴流の方向に移動する有様を示す
線図、第３図は直接の分子線と偏向された分子線
の平均の大きさの粒子の分布図、第４図は分子線
と横噴流との混合点領域における断面図を示す。

凝縮された分子線は、部分的に凝縮された超音
速流の中心部分を高真空中へ移すことによつて発
生される。この分子線は原子又は分子集団の形で
凝縮された物質を含み、高い物質流密度と空間的
に明確な境界とを有する点で特色がある。

本発明による方法を実施するための装置が第１
図に概略的に示されている。この装置は、分子線
発生系１、横噴流系２、及び分子線４の粒子を捕
集するため、又はその粒子の大きさ若しくは速度
を決定するため、又は分子流密度を測定するため
の捕集装置３から構成されている。

凝縮されたN₂分子線４を発生するための系１
においては、分子線４（主軸によつて示す）はポ
ンプ２４により排気される第一の圧力段６内に円
錐ノズル５を通して流入する。部分的に凝縮され
た超音速流の中心部分は、同様にポンプ２５によ
り排気される高真空室８内へコリメータ７を通し
て導かれる。この分子線４は種々の大きさの分子
集団を含んでおり、本発明においてはその所望の
大きさの分子集団の成分が分離される。

この実施例においては、ガス分子線４として、
クライオスタツト（図示せず）内のにおいて大気
圧の下で液体窒素により予冷却される、したがつ
て例えば78Kの純粋な液体窒素が用いられる。ノ
ズル５の前の圧力は例えば500Torrに設定され
る。ノズル５とコリメータ７とは共通の銅製回転
部分９内に設けられ、この回転部分９は同様に電
気銅から作られたクライオスタツトの底部（図示
せず）にフランジ結合されている。この場合ノズ
ル５へのガス導入部は、インジウムリングにより
圧力段６に対し密封されている。連続的な分子線
でもつて動作しうるように、コリメータ７の開口
１０は僅か005mmφのものが使用される。分子線
発生系１の全体は窒素冷却トラツプによつて囲ま
れるようにすると有利である。

横噴流１１（同じく主軸で示されている）を発
生させるために先細ノズル１２が用いられ、この
ノズル１２はキヤリツジ１３（図には概略的に示
されている）によつて横噴流１１に対し横方向、
垂直及び平行に動かされるようになつており、そ
の結果横噴流が動作中分子線４と交差する度合が
最大になるように調整されることが可能である。
横噴流１１が流れている際真空室８内の真空度が
下らないように圧力をできるだけ低く保持するた
めに、この実施例においては、横噴流ガスとして
CO₂が用いられ、このガスは分子線４を通過した
後開口１５を有する容器１４内部の壁において凍
結される。N₂分子線の場合には、その分子線の
窒素分子から成る分子集団は少くとも２個の窒素
分子を含んでいるから、横噴流ガスのCO₂粒子は
分子線のN₂粒子より常に軽い。容器１４は発生
系１の外部冷却トラツプ（図示せず）と結合する
ことができる。容器１４は分子線４と横噴流１１
との混合点１６の直後に設けられると有利であ
る。

横噴流１１のノズルの前の圧力は、ガス導管１
７に並列におかれた圧力測定導管（図示せず）を
介して例えばダイアフラム式圧力計により測定さ
れる。更に横噴流１１の個々の粒子の小さな運動
量を保持するためその速度が小さく保たれるよう
に、ノズル１２は冷却される。横噴流１１の粒子
と分子線４の粒子とが交差点１６（或は交差面、
交差容積）の領域において衝突する際、分子線の
粒子が多数回の衝突によつてのみ偏向されるよう
に、横噴流の粒子は更に軽くなければならない。

分子線４の粒子を集めるため、或は粒子の大き
さ及び速度を決定するための捕集装置３は、場合
によつては集められた粒子を排出するための吸引
管１９を有する蓄積容器１８から構成される。捕
集装置３は横送り台２０のようなもの（図には矢
印で概略に示されている）の上を例えば分子線４
の主軸に対して直角なｘ―ｙ面内で変位し得るよ
うになつている。捕集装置３は又ｘ軸及びｙ軸の
周りに回転することができ、その場合捕集装置の
先端部（流入絞り２２の開口２１）は定点に留ま
る。又蓄積容器１８の代りに冷却面を使用し、こ
の冷却面上に分けられた分子線４を凍結すること
もできる。

分子線４の質量と分子流密度とを測定するため
に、断続板を有する引抜領域走行時間検出器と、
円錐状流入絞りを有する電離真空計とを横送り台
上には固定することができる。この場合電離真空
計は蓄積容器１８と同様に、分子線がそれを貫通
するように動かすことができる。

分子線４がそれに直角に交差する横噴流１１に
よつてどのように偏向するかが第２図に示されて
いる。図において曲線２３は、ノズルの前の圧力
がP₀−500Torrの場合の横噴流１１の軸方向にお
ける分子線４の分子流密度Ｉの分布を示し、白丸
点は横噴流がない場合、黒丸点はノズル前圧力が
15Torrの横噴流が存在する場合を示す。横噴流
系は293Kの周囲温度にある。横噴流ノズルはこ
の場合多チヤネル系に形成され、その矩形断面は
１mmの幅と分子線の軸方向に５mmの高さを有して
いる。個々のチヤネルの直径は0.051mm、チヤネ
ル長さは3.5mm、系の透過率（断面積の開放部
分）は、41％である。横噴流１１を使用すると、
分子流液度の最大値Ｍはずれることが認められ
る。このずれはこの場合横噴流１１のノズルの前
の圧力に比例し、従つて横噴流強度にも比例す
る。

第２図の条件下で測定された分子線４の分子が
凝縮されている分子集団（クラスタ）の平均の大
きさを第３図に示す。図においては分子集団当
りの分子の平均の数を示す。図から、この平均の
分子集団の大きさが、横噴流を使用した場合ｘ座
標の増大とともに著しく減少することがわかる
（黒丸点）。このことは、分子線の種々の大きさの
分子集団が分離することに基くもので、これは大
きな分子集団が小さな分子集団より横噴流１１に
よる偏向の度合が少ないことにより生じるもので
ある。横噴流１１を使用しない場合には、分子集
団の平均の大きさが偏向されない分子線４の幅に
わたつて僅か変化するだけである（白丸点）。

第４図は、偏向されない分子線４（白点）と偏
向された分子線４（黒点）との各分子流密度Ｉの
等しい点をプロツトしたものである。各線は、内
側から外側に向かつて、それぞれ最大分子流密度
の0.8倍、0.6倍、0.4倍および0.2倍に対応してい
る。偏向された分子線は横噴流に垂直なｙ方向に
若干広がつている。図に示す直線束は、横噴流の
流線を示し、偏向された分子線のｙ方向の広がり
は分子線１１の限られた発散にのみに基づいてい
ることを示している。

分子線４４の横噴流１１による方向転換は多数
の個々の衝突によるもので、その衝突が合成され
た結果、分子線４と横噴流１１との間の相対運動
の方向に運動量の伝達が生ずる。それは周囲を流
れる物体が流れに与える抵抗の決定を介して得ら
れる。

本発明方法によれば、凝縮された分子線内の集
団を、それに交差する超音速自由噴流によりその
質量に応じて分離することができる。その場合実
際上集団を形成する物質には全く損失を生じな
い。分子線４と横噴流１１の両者に垂直な方向に
おける凝集された分子線４の僅かな拡大は、使用
された超音速自由噴流の発散に帰因し、できるだ
け平行な流線を有する横噴流１１を使用すること
によつて減少ないし阻止することができる。即ち
ノズル１２が収斂性であるを良とする。このこと
は、十分長い多チヤネル系（多チヤネルノズル）
を使用し、横噴流１１のノズルの前の圧力を低く
した場合に得られる。しかし又この発散は分子線
４の分離された粒子を集束するために有利に利用
することができる。集団の分離は本来運動量に従
つて行なわれる。質量分離の理論的限界は特定の
分子線質量の速度分布の幅によつてのみ与えられ
る。

分子線４の粒子の分離は、横噴流１１による衝
突法の多量利用によつて増大させることができ
る。そのためには、分子線４の主軸の方向におい
て、特にその主軸に常に垂直に、順次複数のノズ
ル（ノズル１２に類似したもの）を配置すれば十
分である。勿論これらのノズルにはそれぞれ横噴
流捕集器１４が属し、捕集器は、横噴流１１の粒
子を分子線４の貫通後再び捕集する。これらの捕
集装置は分子線４の主軸の周りにリング状に配置
することもでき、又冷却トラツプとして構成する
こともできる。その場合分子線４の主軸の方向は
環状線又はねじ線に従うようになる。しかし常に
一つ又は複数の横噴流１１の各主軸の方向が分子
線４の主軸と90゜以外の角度で交差し得るようで
なければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を実施するための装
置の構成配置図、第２図、第３図及び第４図は本
発明の作用を説明するための線図である。 １…分子線発生系、２…横噴流系、３…分子線
捕集装置、４…分子線、１１…横噴流、１４…横
噴流捕集器、１６…交差点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 分子線に一つ又は複数の補助ガス噴流を横噴
   流として、分子線および補助ガス噴流の成分を含
   まない雰囲気中で交差させることにより、分子線
   の成分を補助ガス噴流の成分により偏向させ、分
   子線をその成分の質量および大きさ、またはその
   いずれか一方に従つて分離することを特徴とする
   分子線の分離方法。