(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子放出・吸収する素子の熱雑音によるＳＮ比影響を抑えた低エネルギー粒子を放出・吸収させる。【解決手段】粒子・電磁波の移動部３０を擬一次元的な構造にし、粒子源から発生した粒子・電磁波を利用される局所的ナノオーダ部分３３に強く染みださせることによって、擬一次元的な構造がもつ、熱によるＳＮ比への影響の少ない低エネルギー粒子を放出させる。あるいは粒子集団からＳＮ比のよい粒子を吸収する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子流方向の運動に略垂直方向での許容される準位間エネルギーが素子の熱エネルギーに比べ大きくなるぐらいその粒子存在可能断面積が小さく、粒子発生部位乃至粒子移動部位から粒子放出端まであるいは粒子消滅部位乃至粒子移動部位から粒子吸収端まで（以後、素子と略す）の距離があることにより、素子の熱によるＳＮ比への影響を抑え、そのＳＮ比への影響が粒子の利用部位にほとんどそのまま伝わることを特徴とする粒子放出源乃至粒子吸収部位を持つ基本素子。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子放出源において発生した低運動エネルギーでＳＮ比がよい荷電粒子により、低運動エネルギーに制御された荷電粒子を中性化することにより中性化された粒子の熱によるＳＮ比への影響が小さいことを特徴とする中性粒子発生源システム。
【請求項３】
請求項１、請求項２に記載のＳＮ比を改善する粒子放出源乃至粒子吸収部位において、発生端に至る部位に放出粒子の自由度を制御し発生粒子乃至吸収粒子の流量を調整できる、あるいは必要ならば熱を加えられる部位を持つことを特徴とする粒子放出源乃至粒子吸収デバイス。
【請求項４】
請求項１、請求項２、請求項３に記載のデバイスを最適に直・並列あるいは混生配列による入出力デバイスと接続した外系装置を最適化するシステム。
【請求項５】
請求項１、請求項３、請求項４に記載の粒子放出源乃至粒子吸収部位として粒子溜めを用い、その外的条件を制御することによって少なくとも２個の粒子溜め間で粒子を移動させることによって、エネルギーを貯蔵・放出することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、粒子放出・吸収装置において、粒子移動部をもつ素子の熱によるＳＮ比への影響を抑えた低エネルギー粒子を放出・吸収を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】  電磁波や粒子など（以後、粒子と略す）のビームは試料にビームを照射することによって試料の物理化学的な構造を解析するために、あるいは物質に照射することによって物理的、化学的に加工を行うために、あるいはエネルギー源とするために利用している。【０００３】  物質の構造解明のために走査型電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、電子ビーム露光装置、熱電子放出型電子銃、電界放出型電子銃などに電子ビームが用いられる。電界放出型電子銃では電子放出面積が小さくでき、０．４μｍ  半径の陰極先端球面を  １８００Ｋ  に加熱し、電子放出面に印加される電場が  〜１０８Ｖ／ｍ  であると熱電子放出型電子銃に比べ３桁程度高い高輝度電子ビームとなる。しかも熱電子放出型と同様に電界（ショットキー）放出型電子銃は陰極、ショットキーシールド、第一、第二陽極そして陰極の加熱が必要である。また自己収束特性を有する凹面型状のカソードを有するピアス型電子銃構造を用いると電子流は層流として集束する。ピアス型電子銃構造の加熱した陰極より放出される熱電子を、陰極と陽極の間に加速電圧を印加して、電子を陽極孔より引き出すが、凹面型状のカソードは熱電子陰極電子銃のように加熱が必要である。（非特許文献１、非特許文献２）【０００４】  非特許文献３によると、単層あるいは多層カーボンナノチューブを用いた電界（ショットキー）放出型電子銃では陰極から高さが１．６μｍで半径が７．５ｎｍ単層カーボンナノチューブの陰極面から陽極間距離が２．１３μｍで、陰極面から陽極面間に〜３０Ｖ印加されると単層カーボンナノチューブ一本当たり最大〜１０−７Ａの電流となる。【０００５】  またビームは物理的、化学的に加工を行うために利用されており、分子線エピタキシー、イオンビームリソグラフィ、イオン注入などがある。収束イオンビームではナノオーダで標的材料を加工することができる。またガスを励起したり、放電を制御したり、プラズマ点火することにも用いられる。【０００６】  原子や電子の粒子ビームは、粒子の荷電の仕方によってイオンビーム、ラジカルビームなどとよばれる。またビームとして光線などの電磁波を用いたもの考えられる。そのようなものに偏光ビームなどがある。ポジトロンも粒子ビームとなる。特許文献１では、中空の２４面体を複数個結合したイコソリッド結合体を利用してポジトロン発生させている。【０００７】  固体伝導電子による電気抵抗は温度が下がると格子振動や電子間相互作用による散乱が無視できるようになり通常は不純物散乱が支配する残留抵抗が残る。二次元以下の固体伝導電子はアンダーソン局在によって電気抵抗は絶対零度でゼロとなるが（非特許文献４）以下で述べる伝導する方向に垂直な狭い断面をもつ擬一次元系では三次元なので局在は生じない。【０００８】  系でのｃが増え絶対零度に近づくと、通常は三次元系の伝導電子波動関数が局在するのでその波動関数Ψはｅｘｐ（−ｒ／ξ（ｃ））と近似できる。ここでｒは波動関数の位置変数、ξ（ｃ）は不純物濃度ｃの減衰係数である。系のサイズＬを動く固体伝導電子はＬがξ（ｃ）よりも小さければ局在することなく電気伝導する。【０００９】  絶対零度で三次元系伝導電子の状態密度が自由電子の状態密度であるとすると��面波の伝導電子波動相関関数は球面の半径ｒの２乗で減衰するが、伝導電子波動関数が乱されることはない。擬一次元系での伝導電子波動関数も同様に全く減衰しない。ｃが大きくなると擬一次元系での伝導電子波動関数Ψはｅｘｐ（−ｘ／ξ（ｃ））と減衰する。ここで伝導する方向の変数をｘとしている。擬一次元系での伝導電子波動相関関数はΨと同様に減衰する。【００１０】  擬一次元系の温度が上昇すると電気抵抗は格子振動や電子間相互作用による散乱が効いてきて伝導電子波動相関関数に減衰が生じる。従ってξ（ｃ）は温度Ｔの関数ξ（ｃ、Ｔ）となる（非特許文献５）。その結果、固体伝導電子による電気抵抗はξ（ｃ、Ｔ）、Ｌそして伝導電子の弾性散乱長ｌ。の大小関係で大きく変化する。しかしξ（ｃ、Ｔ）には伝導電子間の弾性散乱は伝導電子相関関数を計算する式の状態密度で考慮されているので下記の場合を考えることにする。
１．Ｌ＞＞ξ（ｃ、Ｔ）であれば伝導電子による電流は減衰し伝導は生じない。
２．ξ（ｃ、Ｔ）≧Ｌであれば伝導電子は格子振動や不純物そして
伝導電子間散乱され伝導電子は拡散伝導となる。
３．ξ（ｃ、Ｔ）＞＞Ｌであれば伝導電子は格子振動や不純物そして伝導電子間散乱        されないのでバリスティック伝導である。【００１１】  電磁波を除く粒子もそれぞれに対応して不純物濃度に依存した波動関数の減衰係数をもつ。【００１２】  ビームはビーム発生装置の熱による格子振動でビーム流れが乱されＳＮ比が悪くなる。そのほかにもビーム流内の荷電粒子のクーロン相互作用や相関相互作用による乱れ、不純物、外場による乱れ、粒子ビーム周りの流体によってＳＮ比が悪くなる。このような格子振動、不純物や構成原子・分子配列の乱れによって量子力学で計算される粒子ビーム素子の各エネルギー状態に幅が生じる。ビーム発生装置の熱雑音は粒子ビーム内のエネルギー準位間遷移を惹き起す。ビーム発生装置の熱によるＳＮ比への影響は温度によって決まり低温では小さな値となる。【００１３】  低運動エネルギーのビーム内粒子は標的原子・分子などによって散乱され、標的試料表面にしか影響を及ぼさない。これを利用して表面の状態を調べるのに利用されているが粒子によって低運動エネルギーといわれるエネルギーには違いがあり、ＩＳＳでは数ｋｅＶ以下で入射方向が標的試料表面と平行に近い、ＬＥＥＤでは〜１００ｅＶ、プラズマでは〜５０ｅＶ、冷中性子では〜５ｍｅＶとなっている。【００１４】  低運動エネルギー粒子として、容易に電子を放出しやすい界面にＮＥＡ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）デバイスがある。これはＮＥＡ光電面、二次電子面、冷陰極などとして利用できる。非特許文献６によると、ＮＥＡ冷陰極は放出面積が極めて小さくし、しかも多数接近して並べて、バイアス電流で放出電子流を制御できるため、加熱した陰極より放出される熱電子を陰極と陽極の間に加速電圧を印加する部位を持つ熱電子陰極電子銃に比べ、エネルギー消費が熱陰極より大幅に少なく即動性のある制御が出来る。しかし安定したＮＥＡ表面が必要のためＮＥＡデバイスは放出効率や寿命が問題となる。【００１５】  光電面は長波長限界があるが、この長波長限界がＮＥＡデバイスはなくなり、熱陰極の場合に必要な負電圧制御電極、加速電極およびビーム制限開孔が不要となるがＮＥＡ表面を必須とするために安定なＮＥＡ表面が必要のためＮＥＡデバイスは放出効率や寿命が問題となる。高輝度・低エミッタンスのスピン偏極電子源用フォトカソードはＮＥＡ表面が必須とするために上記の欠点が問題となる。一方、ＮＥＡ表面を必要としないピラミッド型の  ＰＥＡ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）  表面のＧａＡｓ結晶を用いるスピン偏極電子源用フォトカソードがある。円偏光レーザーをピラミッド型のＰＥＡ表面のＧａＡｓ結晶に照射し、特定のスピン電子を選択的に荷電子帯から伝導帯へ励起する。この励起した特定のスピン電子集団がＰＥＡ表面から放出される前にＧａＡｓ結晶内の熱雑音で乱されるが、トンネルによって特定のスピン電子の量子効率やスピン偏極度が高められる。（非特許文献７）【００１６】  中性電荷粒子ビームはイオンを加速してガス分子と電荷交換することによって作成される。ナノオーダのデバイス製作では電荷蓄積や真空紫外光などにより欠陥が生成される。またイオンシース��よって減速されたり軌道が曲げられたりする。中性電荷粒子ビームはチャージアップしにくく照射対象に損傷を与えにくく、精度の良いデバイスを作成するのに使用されてきている。このためイオン化された粒子を中性電荷粒子と電荷交換させて中性化し中性電荷粒子ビームを作成している。特許文献２ではエネルギーと方向のそろった陽イオン粒子を作製したのち陽イオンと電子の相対速度がほとんどなくすことで効率よく再結合させ、エネルギー分布が単色な中性電荷粒子のビームを得ようとしている。ここでは陽イオンと電子との間の電荷交換散乱断面積や弾性散乱断面積のイオンエネルギーに対する依存性を示し、相対速度が小さいとき電荷交換反応又は再結合反応する確率が高くなることを用いている。非特許文献８では負イオンの方が電荷を中性化するのに必要なエネルギーが少ない事を利用して、負イオンとガス分子との電荷交換により中性電荷粒子ビームを作成している。【００１７】  電場を用いて電子やホールを制御するデバイスはトランジスタ・ダイオード・コンデンサーなど多く存在する。磁場を用いたものとしてスピン偏極率を制御した素子として特許文献３がある。ここでは格子不整合率５％以下の強磁性層と強誘電層とを接合して電圧によってスピン偏極率を変動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２０１１−５８８５６号公報
【特許文献２】特開平５−１９０２９６号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０４７５８号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】本間彰、沢村晃子、山崎初男、中田勝英、谷田弘明、沢村貞史、津守邦彦、線形加速器用低エミッタンス電子銃の設計  北海道大学工学部研究報告第１７３号（１９９５）ｐｐ．５７−６３
【非特許文献２】牧野芳明、飯吉僚、表面電荷法によるショットキー陰極の電界解析  愛知工業大学研究報告書  第４１号Ｂ（２００６）ＰＰ．３３−４０．
【非特許文献３】Ｂ．Ｊｅａｎ−Ｍａｒｃ他  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．８９（２００２）ｐｐ．１７９６２−１  −  １９７６０２−４
【非特許文献４】Ｐ．Ｗ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｖｏｌ．１０９（１９５８）１４９２
【非特許文献５】馬淵他、新居浜工業高等専門学校紀要３５巻（２００２）ｐｐ．２９−４０
【非特許文献６】テレビジョン学会誌  Ｖｏｌ．３２（１９７８）Ｎｏ．８  ｐ６７０
【非特許文献７】Ｍ．Ｋｕｗａｈａｒａ他  高輝度スピン偏極電子源の開発  第２回日本加速器学会年会・第３０回リニアック技術研究会報告集（２００５）  ｐ．１０５
【非特許文献８】Ｊ．Ｐｌａｓｍａ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｒｅｓ．  Ｖｏｌ．８５、Ｎｏ．４（２００９）１９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】  粒子ビームはある試料にあててその物性を調べたり、あるいは物質に照射することで物質の物理化学的性質・形状を変化させたりする。発生粒子の流量を調整できる部位をもつデバイス、トンネル顕微鏡のように吸い込み部位に粒子流の制御を持たせたデバイス、ある粒子放出部位と別の吸い込み部位と粒子流の制御を持たせて入出力制御するトランジスタ、入射粒子の吸収での二次粒子放出あるいはその吸い込み部位を持つ光電デバイスなどがあり、このような動作の共通部位は多くの分野の基礎素子となっている。共通素子を通過したビームのＳＮ比をよくすることで、ビームの照射対象物あるいはビーム発生元の物理化学的性質をよりさらに詳しく調べることができる。あるいはビーム照射試料の照射ダメージを少なくでき、高品質の材料の作製するために極低温にするエネルギーをより少なくできる。また粒子放出と吸い込み部位の粒子の拡散流の制御を持たせて入出力制御するトランジスタ等に比べ遥かに良い即応性、外部放射線を含む外場雑音に対する耐性さらにトランジスタ等を低温に保って動作させるのに必要なエネルギー消費をより少なくできる。本発明は熱電子線発生装置のような陰極部の過熱、複雑な陰極線の制御によるＳＮ比が悪くなることを生じさせずに低エネルギーの粒子放出あるいは吸収での粒子数、粒子線の方向や粒子運動エネルギー分布を生じさせる熱による誤差を低め、あるいは量子効率やスピン偏極度が高いといった、ＳＮ比のよい粒子線を経済的につくることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】  従来のビームはビーム発生熱源を必要とし、粒子放出端までの移動部での粒子がもつ熱の低減がなく粒子発生部や粒子ビーム吸収部の面積が大きいためビーム制御でのＳＮ比が増加するなどによって粒子ビーム流のＳＮ比が悪くなる。空間内にある粒子に許されるエネルギー状態は量子力学で決まるエネルギー準位への分布によって決まり、そのエネルギー準位間隔が広くなれば状態間を変化させにくくなる。ある方向の粒子の存在できる空間が狭くなり、その存在空間におけるエネルギー準位間隔が熱エネルギーより広くなると粒子は熱エネルギーによる状態間遷移を起こしにくくなる。粒子の運動方向に垂直方向の断面積が小さくなれば粒子移動は擬一次元的になり散乱されにくくなる。【００２２】  請求項１は図１における粒子発生部位乃至粒子移動部位１０から粒子放出端１１まであるいは粒子消滅部位乃至粒子移動部位１０から粒子吸収端１１まで（以後、素子と略す）にある粒子において、粒子の移動方向に垂直な断面１２が小さい部分を粒子が移動する部位１０に備えることによって、素子の熱によるＳＮ比への影響の少ない粒子を粒子放出端又は粒子吸収端１１から発生、他の部位に注入、あるいは粒子集団から状態のそろった粒子を吸収することを可能とする。【００２３】  ナノオーダの構造物は不純物、側面界面原子・分子配列の乱れなどによって許されるエネルギー準位が複雑に幅をもつ。ナノオーダの構造物では運動の方向に垂直は断面の周囲に構成原子・分子配列に乱れがあってもその断面空間内にある粒子流の許されるエネルギー状態は量子力学で決まる最低エネルギー準位近くでは断面中心部での存在確率が大きく断面の周囲での構成原子・分子による乱れの影響が少ない。次のエネルギー準位に至るまでのエネルギー量が素子の熱エネルギーに比べて大きいときにはナノオーダの構造物でない場合と比べるとＳＮ比のよい粒子のエネルギー状態になる。粒子移動部では格子振動や粒子等と相互作用しながら拡散伝導をするが断面積が狭くなると擬一次元的な運動となる。断面積が狭くなり断面に垂直に移動する粒子の減衰係数より一桁以上距離が短くなると擬一次元なバリスティック伝導となりうる。バリスティック伝導では不純物散乱が無視できＳＮ比がより改善する。【００２４】  擬一次元的な運動方向に垂直な断面２２は粒子の種類によって異なり、電子ではその断面周りの乱れと素子の温度に依存するためその断面積の平方根が小さくなれば素子の温度が室温でも熱雑音による電子状態間遷移が生じなくなり素子のＳＮ比が改善される。その結果、デバイスの冷却維持のエネルギー消費を削減できる。粒子が荷電粒子の場合、粒子放出部位あるいは吸収部位に突起のある構造２１とすることで対極部の電荷あるいは標的荷電粒子による粒子放出部位あるいは吸収部位近傍での電界が強くなることにより粒子が放出・吸収されやすくするという効果も持つ。粒子移動部と粒子放出・吸収部で温度差があるときには垂直な断面２２以外の部分を真空にするなどで輻射以外の熱が伝わりにくい構造にすることで荷電粒子がもつ熱エネルギー以外は粒子放出端まで、あるいは粒子吸収端から粒子消滅部位までの熱伝導が抑えられる。【００２５】  衝突粒子はそれより大きな質量��粒子との衝突によってその粒子の運動量は変えてもエネルギーを変えにくい。請求項２は素子の熱によるＳＮ比のよい低運動エネルギーの粒子を、その粒子を利用する局所的でナノオーダの場所３３に強く染みださせることによって、その場所で被標的粒子の放出源３４から放出された被標的粒子３５と相互作用させることによって、素子のＳＮ比がよい低運動エネルギー粒子とそれより大きい質量でＳＮ比が抑えられた被標的粒子３５が結合してＳＮ比がよい結合被標的粒子エネルギー状態が生じる。あるいは電荷の移動が起こり、ＳＮ比の良い結合被標的粒子ビームを造ることができる。素子のＳＮ比がよい低運動エネルギー粒子として電子を用いることで、ＳＮ比のよい質量の大きな低エネルギー荷電粒子の電荷を打ち消し、低運動エネルギーではＳＮ比のよい中性電荷低エネルギー被標的粒子を得ることを可能とする。一方、高エネルギー状態では熱エネルギーは無視できるので常にＳＮ比はよい。【００２６】  請求項３は、図４の粒子が移動する部位４０において、粒子放出・吸収端４１に至る空間的に狭い場所の近傍４２に制御電磁場を発生する部位を配すことにより粒子の物理・化学的特性を制御することを特徴とする。４２として電場発生源を用いることによって荷電粒子流の電圧電流特性を制御できる。４２として磁場発生源を用いることにより粒子流が流れる部分に磁性原子を添加し、この磁性原子のスピンを磁場で揃えることにより粒子が持つスピンの偏極率の向上によって量子効率を大きくできる。また粒子放出部と粒子吸収部とを架橋した細線の断面積が数平方ｎｍ程度で生じる濃度勾配場による粒子や粒子スピン拡散流も同様に制御できる。【００２７】  粒子放出端・粒子吸収端４１には使っているうちに荷電粒子等が付着したり変形をしたりする。近傍４２に熱を加えられる部位を配すことにより粒子放出・吸収端４１の使用による吸着原子・分子による汚れ変形を少なくすることを可能とする。【００２８】  請求項４はＳＮ比がよい粒子放出部位、粒子吸収部位あるときは粒子流を制御する部位以外は必要な部位はなく、即応性の良い、ＳＮ比が従来に比べ改善するデバイスが可能となる。またデバイスの冷却に対するエネルギー消費を低く抑えることよって、デバイスの直・並列あるいは複合配列を組み込んだものが外界との接続において効率をよくすることが可能となるシステムができる。デバイスとして光電面、熱電デバイス・トランジスタ・ダイオード・冷陰管などが考えられる。またこれらを組み込むことが考えられる。【００２９】  請求項５は粒子溜めに素子を用いることにより粒子溜めに粒子を吸収させてエネルギーを貯蔵し、あるいは粒子溜めから素子を用いて粒子を放出させ粒子のエネルギーを利用する事を可能とする。ここで用いられる素子では素子のＳＮ比がいいのでエネルギー効率がよい。
【発明の効果】
【００３０】  本発明は粒子放出・吸収断面積を小さくすることで素子の熱によるＳＮ比への影響を小さくできる。放出面積が極めて小さく、しかも多数接近して並べて、バイアス電流で放出電子流を制御できるため、システムの冷却に使うエネルギー消費が熱陰極より大幅に少なく即動性のある制御ができる。更に擬一次元系内に磁気原子・分子の添加により外部磁場による電子スピンの減偏極が少ない高スピン偏極度や高量子効率が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】  量子コンピュータで用いられる二重量子ビットは、２つの量子ドット間で過剰電子がトンネルしている安定した電荷状態である。（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ９１、２２６８０４−２（２００３））この制御はドレインパルスを印加することで行うことができる。これを高速にすることで即動性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】  粒子発生素子又は粒子放出素子。
【図２】  粒子発生素子又は粒子放出素子。
【図３】  粒子発生素子又は粒子放出素子。
【図４】  制御部を持つ粒子発生源又は粒子吸収部位。
【符号の説明】
【００３３】１０  粒子移動部位
１１  粒子放出端、粒子吸収端
１２  断面
２０  粒子移動部位
２１  粒子放出端、粒子吸収端
２２  断面
３０  粒子移動部位
３１  粒子放出端、粒子吸収端
３２  断面
３３  粒子放出・吸収端に近接する部位
３４  被標的粒子の放出源
３５  被標的粒子
４０  粒子移動部位
４１  粒子放出端、粒子吸収端
４２  制御部
【図１】
2014046451.tif 000003
【図２】
2014046451.tif 000004
【図３】
2014046451.tif 000005
【図４】
2014046451.tif 000006