(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の優勢なスピン配向を有する粒子線（Ｔ）中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分を検出するためのスピン検出器構成であって、
−  切替え可能なコイル（５）を有するスピン回転子（１）であって、前記切替え可能なコイル（５）が、軸方向を有しており、前記軸方向に沿って前記切替え可能なコイル（５）を前記粒子線（Ｔ）が通過するように位置合わせされている、スピン回転子（１）と、
−  前記スピン回転子（１）の下流に接続されて、前記粒子線（Ｔ）の経路を偏向角だけ静電的に偏向させる偏向デバイス（７）と、
−  前記偏向デバイス（７）の下流に接続されて、前記粒子線（Ｔ）の動きの方向に垂直な、前記粒子線（Ｔ）中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分の検出を可能にするスピン検出器（９）と、
−  前記切替え可能なコイル（５）に接続されて、前記コイル（５）の励起状態の切替えを可能にする切替えユニット（１５）と、を備える、
前記スピン検出器（９）が、切替えユニット（１５）を用いてスピン回転子（１）のコイル（５）を一方の測定では第１の励起状態に、他方の測定では第２の励起状態に切り替えて、優勢なスピンベクトルの２つのベクトル成分のそれぞれを連続して測定する、スピン検出器構成。
【請求項２】
前記スピン回転子（１）が、前記切替え可能なコイル（５）によって囲まれた静電レンズ（３）を備えている、請求項１に記載のスピン検出器構成。
【請求項３】
前記スピン回転子（１）の下流に接続された前記偏向デバイス（７）が、電界偏向を引き起こす偏向デバイスである、請求項１または２に記載のスピン検出器構成。
【請求項４】
前記スピン回転子（１）の下流に接続された前記偏向デバイス（７）が、前記粒子線（Ｔ）の前記経路を静電的に９０°偏向させる偏向デバイスである、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のスピン検出器構成。
【請求項５】
前記切替え可能なコイル（５）を通って流れる電流強度および／または電流の符号を、前記切替えユニット（１５）を用いて調整することができる、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載のスピン検出器構成。
【請求項６】
前記スピン回転子（１）の前記切替え可能なコイル（５）をヨーク（１７）が囲んでいる、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載のスピン検出器構成。
【請求項７】
前記スピン検出器（９）が、互いに直交する２つのベクトル成分を同時に検出する検出器である、請求項１から６のうちのいずれか一項に記載のスピン検出器構成。
【請求項８】
前記スピン検出器（９）がモット検出器である、請求項６に記載のスピン検出器構成。
【請求項９】
請求項１から８のうちのいずれか一項に記載のスピン検出器構成を使用して、粒子線（Ｔ）中において優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を検出するための方法。
【請求項１０】
前記コイルの前記第１の励起状態と前記第２の励起状態とは、前記コイルを通って流れる電流強度および／または電流の符号が異なっている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
特定の電流強度の電流が前記第１の励起状態の前記コイル（５）を通って流れ、前記第２の励起状態では、電流強度は前記第１の励起状態と同じであるが、前記第１の励起状態とは符号が逆である電流が前記コイルを通って流れる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の励起状態では、特定の電流強度の電流が０よりも大きい量で前記コイル（５）を通って流れ、前記第２の励起状態では、前記コイルを通って電流が流れない、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子の優勢なスピン配向を有する粒子線中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分を検出するための、スピン検出器構成に関する。さらに、本発明は、粒子の優勢なスピン配向を有する粒子線中において優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を検出するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、独国特許出願公開第１０  ２００５  ０４５  ６２２号、独国特許出願公開第２６  ４６  ３９４号、独国特許第１９８  ４２  ４７６号、欧州特許出願公開第４９０  １７０号、米国特許第４，７６０，２５４号、米国特許出願公開第２０１０／０１５５５９８号、および特開昭６１−２８３８９０号により、優勢なスピンベクトルのベクトル成分を検出するためのスピン検出器構成が知られている。
【０００３】
引用文献独国特許出願公開第１０  ２００５  ０４５  ６２２号、独国特許第１９８  ４２  ４７６号および独国特許出願公開第２６  ４６  ３９４号には、３つの成分すべてを検出することなく、電子線のスピン偏光ベクトルの成分を検出するための方法および構成について記載されている。
【０００４】
欧州特許出願公開第４９０  １７０号には、特定の偏光配向を有する強磁性ターゲットを使用するスピン検出器構成について記載されている。回転装置を用いて、測定すべき電子線の偏光ベクトルを一定の角速度で回転させる。ログイン増幅器の助けをかりて、交流［Ａ／Ｃ］信号は、使用されている回転装置に参照として供給される鋸歯電流信号を用いて、ターゲットにおいて検出される。ターゲットに衝突する電子線の偏光ベクトルとターゲットの磁化ベクトルとの間の角度は、鋸歯参照信号と検出されたＡ／Ｃ信号との間の位相差から判断される。偏光ベクトルの３つの成分すべてを判断するためにこの方法を使用するときには、４つのターゲットを備える検出器が使用される。
【０００５】
米国特許第４，７６０，２５４号には、スピン偏光ベクトルの３つの成分すべてを測定することができる、電子ビームのスピン偏光ベクトルを測定するためのデバイスおよび方法が記載されている。そのために、デバイスは、入射する電子ビームの見通し線中に開口を有する球形コンデンサを有する。コンデンサがチャージされているか否かに応じて、第１のターゲットまたは第２のターゲットに電子ビームが供給される。一方のターゲットがｘ成分およびｙ成分を測定するために使用され、他方のターゲットがｙ成分およびｚ成分を測定するために使用される。
【０００６】
特開昭６１−２８３８９０号には、電子ビームのスピン偏光ベクトルの３つの成分すべてを測定するためのデバイスについて記載されている。そのために、電子ビームは２つのターゲットを連続して通過し、球形ディフレクタが、第１のターゲットと第２のターゲットとの間に電子ビームを偏向させる。
【０００７】
したがって、従来技術は、スピン偏光ベクトルの３つの成分すべてを測定するために複数のターゲットを使用する。
【０００８】
また、米国特許出願公開第２０１０／０１５５５９８号には、スピン偏光ベクトルの３つの成分すべてを判断するための電子スピン検出器について記載されている。特定の方向のスピンの検出を可能にする磁気フィルムを使用して検出が実行される。スピン偏光ベクトルの３つの成分すべてを判断するために、このデバイスは、スピン偏光ベクトルの任意の成分を、検出可能な方向に配向することができる２つのスピン回転子を有する。
【０００９】
本発明によって達成すべき１つの目的は、粒子線中において優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を検出するための有利なスピン検出器構成を提供することである。本発明の別の目的は、粒子線中において優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を検出するための代替的な方法を提供することである。
【発明の概要】
【００１０】
第１の目的は、請求項１に記載のスピン検出器構成を用いて達成され、第２の目的は、請求項９に記載の方法を用いて達成される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態を含んでいる。
【００１１】
粒子の優勢なスピン配向を有する粒子線中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分を検出するための本発明によるスピン検出器構成は、スピン回転子と、スピン回転子の下流に接続された偏向デバイスであって、粒子線の経路を、たとえば偏向角だけ静電的に偏向させる、偏向デバイスと、静電偏向デバイスの下流に接続されたスピン検出器であって、粒子線の動きの方向に直交する、スピンベクトルのベクトル成分の検出を可能にする、スピン検出器とを備える。スピン回転子は、軸方向に沿って切替え可能なコイルを粒子線が通過するように位置合わせされる、軸方向を有する少なくとも１つの切替え可能なコイルを備える。切替え可能なコイルに接続された切替えユニットは、コイルの励起状態、およびそれによりコイルによって発生された磁界の切替えを容易にする。さらに、スピン回転子は、任意選択で、静電レンズまたは磁気レンズを備えることができる。
【００１２】
ターゲット上の粒子を散乱させることによって、たとえば、モット検出器、具体的には、マイクロモット検出器とすることができる検出器は、ターゲットに衝突したときに粒子線の動きの方向に直交する、粒子線中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分を検出することができる。切替え可能なコイルを用いると、粒子線中において優勢なスピンベクトルの空間的配向を、偏向デバイスを通過する前の粒子線の動きの「古い」方向について回転させることができる。動きの「古い」方向についてのこの回転により、粒子線中において優勢なスピンベクトルのどのベクトル成分が、動きの「新しい方向、すなわち、偏向デバイスを通過した後に検出器のターゲットに衝突したときの動きの方向に直交する平面に配置されるかが分かる。したがって、コイルを切り替えることは、動きの「新しい」方向に直交する平面にあるそれらのベクトル成分の変化に影響を与えることができる。したがって、どのようにしてコイルを切り替えるかに応じて、検出器は、粒子線中に優勢なスピンベクトルの異なるベクトル成分を検出する。全体として、優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を、このようにして検出することができる。
【００１３】
前述した従来技術のスピン検出器と比較すると、本発明は、ターゲットを１つしか必要しないという利点を有する。
【００１４】
粒子線中において優勢なスピンベクトルのすべてのベクトル成分を検出するための本発明による方法を実施するために、本発明によるスピン検出器構成を使用することができる。この方法を用いて、検出器は、切替えユニットを用いてスピン回転子のコイルを第１の測定では励起の第１の状態に、他方の測定では励起の第２の状態におき、優勢なスピンベクトルの２つのベクトル成分のそれぞれを連続して測定する。コイルの励起の第１状態と第２の状態とは、コイルを通って流れる電流強度および／または電流の符号に関して異なっていてもよい。
【００１５】
第１の例において、第１の励起状態では、特定の強度の電流がコイルを通って流れることができ、第２の励起状態では、電流の電流強度は第１の励起状態と同じであるが、符号は第１の励起状態と比較して反転している。本実施形態には、コイルのレンズ効果は、電流の符号によってではなく、コイルを通って流れる電流の強度によってのみ影響を受けるので、切替えはスピン回転子の粒子光学特性には影響を与えないという利益がある。
【００１６】
本方法の第２の例において、第１の励起状態では、０よりも大きい特定の強度の電流がコイルを通って流れることができ、第２の励起状態では、電流強度０の電流がコイルと通って流れることができる。換言すると、この例において、第２の励起状態では、電流はコイルを通って流れない。コイルを通って流れる電流をオン／オフすることしか必要ではないので、切替えユニットをシンプルなままにしておくことができる。
【００１７】
コイルを通って流れる電流の強度により、コイル中で発生した磁界の磁束密度が分かり、次いで、スピンベクトルが動きの「古い」方向について回転する速度が分かる。したがって、所与のコイル長さにおいて、コイルを通って流れる電流の強度により、優勢なスピンベクトルが動きの「古い」方向について回転する角度が分かる。スピン回転子の切替え可能なコイルを通って流れる電流強度および電流の符号を設定することによって、磁界の強度および配向、したがって、スピンベクトルが動きの「古い」方向について回転する角度、ならびに回転方向を、コイルの励起状態によって調整することができる。
【００１８】
スピン回転子の切替え可能なコイルをヨークが囲んでいる場合、同じ電流強度でより強い磁界を発生させることができる。次いで、ヨークのないコイルと比較してより短いコイルを用いて、優勢なスピンベクトルの特定の回転を得ることができる。代替的には、より低い電流強度を用いて、ヨークのないコイルを用いた場合とおなじ同じコイル長さで、優勢なスピンベクトルの特定の回転を引き起こすというオプションがある。さらに、ヨークは散乱フィールドを低減し、それにより、スピン回転子のイメージングプロパティの干渉を、磁界の切替えによって最小限に抑えることができる。
【００１９】
添付の図面を参照すると、下記の実施形態に関する記載から、本発明のさらなる特徴、特性および利点が分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるスピン検出器構成の一実施形態の概略図である。
【図２】磁界におけるスピンの回転を示す図である。
【図３】本発明によるスピン検出器構成の特定の実施形態を示す断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照して、本発明によるスピン検出器構成の一実施形態について以下に記載する。必須の要素として、この構成は、図示の実施形態では切替え可能なコイル５をもつ静電レンズ３を備えるスピン回転子１と、本例ではスピン回転子の下流に接続され、静電的にのみ動作する偏向デバイス７と、本実施形態では静電偏向デバイスの下流に接続され、マイクロモット検出器として展開されるスピン検出器９とを備える。さらに、本発明によるスピン検出器構成は、図示の実施形態のように、追加の静電エレメントまたは磁気エレメント１１を備えることができる。たとえば、これらは、スピン検出器構成を通過する荷電粒子の粒子線の経路を操作するために使用することができる追加の静電レンズ、ドリフトチューブまたはコンデンサとしてもよい。上述のように、本例では、スピン回転子１は静電レンズを備える。ただし、静電レンズの存在は、スピン回転子の動作のための要件でない。最も単純なケースでは、スピン回転子はコイル５のみを備え、当該コイルの磁界によりスピン回転が引き起こされる。スピン回転子が、コイル５に加えて他のエレメントを備えている場合、静電レンズ３の代わりに、または、静電レンズ３に加えて、磁界レンズ、ドリフトチューブなどのような他の静電エレメントおよび／または磁気エレメントが存在していることもある。
【００２２】
粒子線Ｔは、入射孔１３を通ってスピン検出器構成に入り、スピン回転子１および静電偏向エレメント７を連続して通過して、最終的に、マイクロモット検出器９に達する。粒子線Ｔには、スピンしている粒子が含まれており、粒子線中の粒子のスピンの配向は好適な方向である。この好適な方向は、３つのスピンベクトル成分によって判断されるスピンベクトルによって表される。ただし、これは、粒子線Ｔのすべての粒子のスピンの配向が好適な方向であるという意味ではない。そうではなく、個々の粒子のスピン配向の分布が存在し、当該分布は、スピン配向が好適な方向に対応するときに最大値となる。最大値の先鋭度、すなわち、高さ対幅は、粒子線中の偏光度に依存し、つまり、偏光を生じるプロセスに依存している。
【００２３】
マイクロモット検出器では、ターゲット平面の粒子の偏光方向に依存する散乱が生じ、粒子線の基準配向に直交して進むターゲット平面を有する平坦なターゲットの助けをかりて、粒子線Ｔの動きの方向に直交して進む粒子線Ｔ中において優勢なスピンベクトルのベクトル成分が判断することができる。たとえば、粒子線の粒子のスピンに結合された座標系において、粒子線Ｔが入射孔１３を通ってスピン検出器構成に入る方向を図１のＺ方向として定義した場合、Ｘ方向とＹ方向とが直交する方向である。図示の実施形態では、静電偏向エレメント７は、そのスピンの配向を変更することなく、粒子線の方向を９０°偏向させる。したがって、本実施形態では、その動きの方向は、偏向エレメント７を通過した後に、参照符号Ａで標示された座標軸によって示されるように、Ｘ方向とは反対に進む。次いで、スピン回転子１が粒子線中の粒子のスピンを回転させない限り、優勢なスピン配向を表すスピンベクトルのＹ成分およびＺ成分が、マイクロモット検出器９において検出される。スピン回転子１がスピンを回転させない限り、粒子線におけるスピンの好適な方向、したがって、それに結合された座標系の配向には影響がない。
【００２４】
本実施形態では、スピン回転子１は、静電レンズ３に加えて、粒子線が軸方向にコイルを通過するように粒子線Ｔの動きの方向に対して配向された切替え可能なコイル５も有しており、すなわち、本実施形態では、コイルの軸方向は、粒子線のスピンベクトルに結合された座標系のＺ方向に進んでいる。コイル５を切り替えるために、スピン検出器構成は、スピン回転子１のコイル５に接続された切替えユニット１５を有する。本実施形態においてコイル５をオンに切り替えた場合、コイル５を通る電流の流れはコイルの内側に磁界を発生させる。磁束密度Ｂの磁界線を備えるコイル５が図２に示されている。さらに、図２には、コイル５を通過する粒子線Ｔの動きの方向Ｚと、動きの方向Ｚに直交して進むスピンベクトル成分ｓとが示されている。粒子線の動きの方向Ｚに対して平行にコイル５の内部を進む磁界線を有する本実施形態の磁界では、スピンベクトル成分ｓには、歳差運動、たとえば、粒子線Ｔの動きの方向Ｚを中心する回転が生じる。スピン成分ｓが回転する角度は、磁界の強度ならびに磁界を通って進む経路に依存する。所与の経路で磁界がより強くなると、スピンの回転はより高速に回転し、磁界を通過した後の回転角はより大きくなる。
【００２５】
本実施形態では、コイル５の内部における磁界が均一磁界として示されている。ただし、コイル５の内部における均一磁界の存在は、スピン回転子の機能のための要件ではない。スピンの回転は、均一磁界だけでなく、不均一磁界を用いても引き起こすことができる。コイルが不均一磁界を使用して粒子線光学関数を実行することもできるときには、たとえば、磁気レンズとして、粒子線のフォーカシングまたはデフォーカシングを引き起こすことができる。
【００２６】
本実施形態では、磁界を通過した後に、スピンベクトル成分ｓが動きの方向を中心として９０°回転するように、粒子線Ｔが磁界を通って進まなければならない経路と磁界の強度とを調整する。スピンベクトルに結合された座標系では、これは、Ｚ軸を中心として座標系を９０°回転させることを意味する。したがって、スピンベクトルは、座標系Ａにおける特定の配向を有する場合、スピン回転子を通過した後に磁界がオンになったとき、座標系Ｂにおいてその配向を有することになる。換言すると、スピンベクトルは、依然として、同じ値のＸ座標とＹ座標とＺ座標によって表されるが、それに結合された座標系は、Ｚ座標を中心として９０°回転している。本実施形態では、スピン回転子１の磁界を通過した後に電界偏向しか生じないので、粒子線Ｔの動きの方向は、スピンベクトルの配向に影響を与えず、静電偏向エレメント７を通過した後のスピンベクトルにリンクされた座標系のＹ方向に対応する。したがって、マイクロモット検出器９において、Ｘ成分およびＺ成分が測定される。スピンベクトルの配向に対していかなる影響もないことにより、特に、本発明の説明が単純になるが、影響がないことは本発明の働きのために必要ではない。磁気偏向または粒子線に対する他の影響が、スピン回転子１を通過した後の配向に対して影響を与える場合であっても、スピン回転子１によって引き起こされた回転が再び完全に補償される磁気効果において、スピンが元の動きの方向を中心として遠くまで回転しない限り、依然として本発明を実施することができる。ただし、スピン回転子１を通過した後、粒子線上で動きの元の方向（図１のＺ方向）を中心としてスピンを回転させることができる磁気効果がもはやない場合が有利である。一方、偏向デバイス７を通過した後の粒子線の「新しい」動きの方向（コイルがオフにされたときに座標系Ａに示すＸ方向、およびコイルがオンされたときに座標系Ｂに示すＹ方向）を中心とするスピンの回転は、その平面における動きの方向に直交する平面上にあるスピンベクトル成分を残すので重要ではない。ただし、スピンの配向に対する磁界の望ましくない影響を確実に除外することができるように、粒子線が、検出器９までの経路上で静電的にのみ影響されると特に有利である。
【００２７】
したがって、スピン回転子１のコイル５がオフにされたときに本実施形態にしたがってスピンベクトルのＹ成分およびＺ成分を最初に検出することによって、本実施形態に示されるスピン検出器構成の助けをかりて、粒子線Ｔ中において優勢なスピンベクトルの３つの成分すべてを判断することができる。次いで、切替えユニット１５を用いてコイル５の磁界をオンにし、スピンベクトルのＸ成分およびＺ成分を検出する。
【００２８】
本実施形態では、コイル５をヨーク１７が囲んでいる。これにより、スピン回転子の粒子光学特性に悪影響を与え得る散乱界が低減される。さらに、コイルの内部における磁界の密度の増加につながり、したがって、より低い強度の電流をコイル５を通して流すことで、コイルの内部において規定値の磁束密度を取得することができる。
【００２９】
具体的には、粒子線は電子線とすることができる。しかし、荷電粒子から構成される粒子線におけるスピン配向の好適な方向、特に、イオンビームにおけるスピン配向の好適な方向は、３つの成分すべてを備える上述のスピン検出器構成を用いて検出することもできる。
【００３０】
図３を参照して、スピン検出器構成の特定の実施形態について以下に説明する。
【００３１】
図に示した計器は、典型的には、半球形の光電子スペクトロメータの出口において電子のスピンを測定する。電子は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の成分を備えるスピン偏極（「スピン」）で、入射孔１３を通って検出器に入る。９０°ディフレクタ７を含む静電レンズシステムは、電子をマイクロモット検出器９に誘導する。ここで、３つのスピンベクトル成分のうちの２つが測定される。
【００３２】
（「回転子のない」）完全に静電界、あるいは（「回転子のある」）追加の規定された磁界のいずれかである「スピン回転子レンズ」として使用されるレンズエレメント１を適用することができる。この追加の磁界の場合、電子スピンは、ｚ軸を中心として９０°の量だけ回転する。
【００３３】
スピン回転子１における磁界がオフにされた（「回転子のない」）場合、マイクロモット検出器は、スピンのｙ成分およびｚ成分を判断することができる。
【００３４】
スピン回転子１における磁界がオンにされた（「回転子がある」）場合、マイクロモット検出器は、スピンのｘ成分およびｚ成分を判断することができる。
【００３５】
したがって、スピン回転子をオン／オフすることによって、電子スピンの３つの成分すべてを連続して判断することができる。スピン回転子１がない場合、ｙ成分およびｚ成分のみを判断することができる。
【００３６】
スピン検出器構成全体は、真空チャンバに配列される。マイクロモット検出器は、平坦な散乱ターゲットと、４つのチャネルトロンとを有する。スピン回転子１により、マイクロモット検出器９を用いて検出されるスピンベクトル成分間での迅速な切替えが可能になる。スピン検出器構成は、Ｅ（ｋ）空間中の正確な１つの点からの粒子スピン、詳細には電子スピンを測定する。異なるスピン成分の検出におけるエネルギーシフトがなくなる。
【００３７】
例示のために、特定の実施形態を使用して、本発明について説明した。しかしながら、当業者には、前記実施形態からの変更が可能であるということが分かるであろう。たとえば、これらの実施形態では、１つの切替え状態では、９０°のスピンの回転を引き起こす磁界を発生させ、別の切替え状態では、磁界を発生しないように、コイル５の切替え状態が選択された。しかしながら、代替的には、１つの切替え状態では、４５°のスピンの回転を引き起こす磁界を発生させ、別の切替え状態では、−４５°のスピンの回転を引き起こす磁界を発生させるように、切替え状態を選択することも可能である。この実施形態には、符号によってではなく、コイル中を流れる電流によってのみ影響を受けるレンズ効果は、両方の切替え状態で同じであるという利点がある。しかしながら、全体として、両方の切替え状態における重要なクリテリアは、スピンが異なる角度（すなわち、１つの切替え状態ではほぼ０°で、他の切替え状態では９０°、あるいは１つの切替え状態では４５°で、他の切替え状態では−４５°）について回転されるということであるだけである。２つの回転角の差が９０°であることも必要ではない。ただし、９０°の角度差は、３つの成分を最も簡単に検出するという利点を有する。同様に、偏向エレメント７は、必ずしも、粒子線を９０°偏向させなければならないわけではなく、より小さい偏向もまた十分である。しかしながら、ここでは、角度９０°も、３つの成分を最も簡単に検出する利点を有する。
【符号の説明】
【００３８】
１  スピン回転子
３  静電レンズ
５  切替え可能なコイル
７  静電偏向エレメント
９  検出器
１１  静電エレメント
１３  入射孔
１５  切替えユニット
１７  ヨーク
Ｂ  磁束密度の磁界線
【図１】
0005998149.tif 000002
【図２】
0005998149.tif 000003
【図３】
0005998149.tif 000004