(57)【要約】【課題】  マクロンの供給量を精確に制御することができ、かつ、マクロンにダイヤモンド等の絶縁性物質(半絶縁性物質を含む)を使用した場合でもターゲットに多量のマクロンを照射できるマクロン加速装置の電極構造を提供すること。【解決手段】  マクロン加速装置のマクロン供給機構Ｓを、前記ベース板Ｂの裏側に固定され、かつ、筒壁に微粒子の投入口11を有する円筒電極１と；この円筒電極１の内側に固定され、かつ、投入口11の下方からベース板Ｂに向けて下方に傾斜した樋型のスロープ部21を有する浮遊電極２とを含んで構成し、前記円筒電極１の投入口11から筒内部に投入された微粒子が、前記浮遊電極２のスロープ部21上を滑り落ちてベース板Ｂの近傍に落下するようにした。【選択図】  図６
2011198656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速電極Ｅ1・Ｅ2…を備えたダクトＤ内でマクロンをターゲットＴに向けて加速させるマクロン加速機構Ａと；このマクロン加速機構Ａのダクト入り口傍に設けられた対向する電極の内、ダクト方向を向いた針状電極Ｎの先端近傍でマクロンを極性変換してこれをダクト内に引き込むマクロン導入機構Ｐと；このマクロン導入機構Ｐの針状電極Ｎのベース板Ｂの裏側から、電極周辺に設けられた小孔Ｈを通して針状電極Ｎ側にマクロンを供給するマクロン供給機構Ｓとを備えて成り、更に、
前記マクロン供給機構Ｓは、前記ベース板Ｂの裏側に固定され、かつ、筒壁に微粒子の投入口11を有する円筒電極１と；この円筒電極１の内側に固定され、かつ、投入口11の下方からベース板Ｂに向けて下方に傾斜した樋型のスロープ部21を有する浮遊電極２とを含んで構成され、
前記円筒電極１の投入口11から筒内部に投入された微粒子を、前記浮遊電極２のスロープ部21上を滑り落としてベース板Ｂの近傍に落下させ、円筒電極１と浮遊電極２間に惹起した電場で微粒子を静電浮遊せしめることを特徴とするマクロン加速装置の電極構造。
【請求項２】
浮遊電極２を取り付けた支持ロッド３が装置フレームＦに回転自在に固定されていることを特徴とする請求項１記載のマクロン加速装置の電極構造。
【請求項３】
浮遊電極２が支持ロッド３のボルト部31にナット部材32・32の配置により位置調節可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のマクロン加速装置の電極構造。
【請求項４】
浮遊電極２のスロープ部21の先端が上側に折り返された形状で、かつ、この折返し部22に落下孔22aが設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のマクロン加速装置の電極構造。
【請求項５】
円筒電極１の内径がベース板Ｂに向かい拡径するテーパ状となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のマクロン加速装置の電極構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクロン加速装置の改良、詳しくは、マクロン(直径が0.01〜10μｍ程度の微粒子イオン)に絶縁性物質(半絶縁性物質も含む)を使用した場合でもターゲットに充分な量のマクロンを照射できるマクロン加速装置の電極構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微粒子イオンを静電加速してターゲットとなる固体表面に衝突させることのできるマクロン加速装置が開発され、この装置を表面改質技術や成膜技術に応用する研究が行われている。また、当該装置は微粒子が音速の数倍のスピードで固体に衝突した際に起こる反応そのものの研究にも利用されている。
【０００３】
ちなみに、上記マクロン加速装置は、マクロンをターゲットに向けて静電加速させるための加速機構、マクロンを加速機構へと引き入れるための導入機構、およびマクロンを導入機構に送り出す供給機構から主に構成されている。
【０００４】
ところで、上記加速装置を使用する際、ＴＯＦ(飛行時間を計測することにより対象の質量を測定する分析計)を用いて分析を行うには、加速粒子を一つずつ識別できるように加速機構に供給するマクロンを一秒間に数個レベルに抑える必要がある。
【０００５】
その一方で、上記加速装置を成膜技術に用いる際には、ターゲット表面に多くの微粒子を堆積させる必要があるため、加速機構に多量のマクロンを供給する必要がある。そのため、加速機構へのマクロンの供給量を制御する供給機構の役割が非常に重要となる。
【０００６】
そこで、本件出願人は、上記加速装置の供給機構に関し、微粒子を投入する漏斗を加振板に固定し所定振幅及び速度の振動を与えることにより、漏斗から導入機構に所定量の微粒子が落下する構造を従来提案しているが(特許文献１参照)、この構造では、漏斗を揺らした際に微粒子が固まって落下してしまうなど、供給量を精確に制御することが難しかった。
【０００７】
他方、従来においては、上記供給機構を、微粒子を投入する円筒電極と筒内部に固定する舌状電極とから構成し、円筒電極に高電圧をかけた状態で舌状電極にパルス電圧をかけて電極間の電位を経時的に変化させることにより、帯電させた微粒子イオン(マクロン)を筒内で上下左右に揺さぶって、筒側壁の小孔に入り込んだマクロンを導入機構側に送り出す構造も公知となっている(非特許文献１参照)。
【０００８】
しかしながら、上記従来の供給機構では、マクロンの供給量を比較的精確に制御できるものの、ダイヤモンド等の絶縁性物質を微粒子に使用すると導入機構側に充分な量のマクロンが供給されず、ターゲットに多量のマクロンを照射することができなかった。これは円筒電極の上部中央付近から投入した微粒子が、そのまま円筒電極の底部に落下して、ベース板から遠い位置に堆積していたことが原因であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２００５８０号公報（第１−６頁、第１図）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「微粒子の超高速加速と宇宙・惑星科学への応用」柴田裕美  タンデム加速器による粒子線科学  2000.12.12 p135
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、上記の如き問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、マクロンの供給量を精確に制御することができ、かつ、マクロンにダイヤモンド等の絶縁性物質(半絶縁性物質を含む)を使用した場合でもターゲットに多量のマクロンを照射できるマクロン加速装置の電極構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。
【００１３】
即ち、本発明は、加速電極Ｅ1・Ｅ2…を備えたダクトＤ内でマクロンをターゲットＴに向けて加速させるマクロン加速機構Ａと；このマクロン加速機構Ａのダクト入り口傍に設けられた対向する電極の内、ダクト方向を向いた針状電極Ｎの先端近傍でマクロンを極性変換してこれをダクト内に引き込むマクロン導入機構Ｐと；このマクロン導入機構Ｐの針状電極Ｎのベース板Ｂの裏側から、電極周辺に設けられた小孔Ｈを通して針状電極Ｎ側にマクロンを供給するマクロン供給機構Ｓとを備えたマクロン加速装置において、
前記マクロン供給機構Ｓを、前記ベース板Ｂの裏側に固定され、かつ、筒壁に微粒子の投入口11を有する円筒電極１と；この円筒電極１の内側に固定され、かつ、投入口11の下方からベース板Ｂに向けて下方に傾斜した樋型のスロープ部21を有する浮遊電極２とを含んで構成し、
前記円筒電極１の投入口11から筒内部に投入された微粒子を、前記浮遊電極２のスロープ部21上を滑り落としてベース板Ｂの近傍に落下させた点に特徴がある。
【００１４】
また本発明は、必要に応じて上記手段に加えて、浮遊電極２を取り付けた支持ロッド３を装置フレームＦに回転自在に固定することにより、微粒子を供給する際、支持ロッド３を回転させてベース板Ｂ近傍に微粒子を撒布可能にするという技術的手段を採用することもできる。
【００１５】
そしてまた、本発明では上記手段に加え、支持ロッド３のボルト部31に浮遊電極２をナット部材32・32の配置により位置調節可能に取り付けることにより、微粒子の落下位置を調節可能にするという技術的手段を採用することもできる。
【００１６】
また本発明では、上記手段に加えて、浮遊電極２のスロープ部21の先端を上側に折り返した形状とし、かつ、この折返し部22に落下孔22aを設けることにより、前記スロープ部21の先端部の端面とベース板Ｂとの間で放電現象が起こらないようにするという技術的手段を採用することもできる。
【００１７】
そしてまた、本発明では上記手段に加え、円筒電極１の内径をベース板Ｂに向かい拡径するテーパ状とすることにより、電圧印加時に円筒電極１内で揺さぶられるマクロンが筒内面を反射してベース板Ｂ側へと移動し易くするという技術的手段を採用することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、マクロン加速装置の供給機構を、導入機構の針状電極のベース板を側方に固定した円筒電極と、この円筒電極の内部に固定するスロープ部を備えた浮遊電極とから構成したことにより、円筒電極の上部中央から投入した微粒子をスロープ部を滑らせてベース板の近くに落下させることができるため、電圧印加時に静電浮遊させたマクロンを従来よりもベース板の小孔に入れ易くなる。
【００１９】
そのため、円筒電極内で大きな揺さぶりが起き難い絶縁性物質を微粒子に使用した場合でも、ベース板の小孔を通して導入機構側に充分量のマクロンを供給することができ、それによって多量のマクロンをターゲットに照射することが可能となる。
【００２０】
ちなみに、上記「静電浮遊」とは、電極周囲に形成された電場により帯電した微粒子イオンが、上下の電極間に働くクーロン力の影響によって空中を浮遊する現象であり、この際、両電極間の電位を経時的に変化させることにより微粒子イオンを筒内部で揺さ振ることができる。
【００２１】
また、上記円筒電極の側方に固定されたベース板の小孔からマクロンを送り出す構造では、マクロンが固まって導入機構側に送り出される心配もないことから、供給量の制御の精確性が損なわれることもない。
【００２２】
したがって、本発明により、ターゲットへのマクロン照射量の緻密な制御を行うことができ、しかも、静電加速させる微粒子イオンにダイヤモンド等の絶縁性物質を使用しても成膜実験や衝突実験の際に必要な照射量を確保できるマクロン加速装置を提供できることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１におけるマクロン加速装置を表す全体概略図である。
【図２】本発明の実施例１におけるマクロン加速機構を表す構造説明図である。
【図３】本発明の実施例１におけるマクロン加速機構の使用状態を表す状態説明図である。
【図４】本発明の実施例１におけるマクロン導入機構の使用状態を表す状態説明図である。
【図５】本発明の実施例１におけるマクロン導入機構の針状電極を表す拡大斜視図である。
【図６】本発明の実施例１におけるマクロン供給機構を表す部分断面図である。
【図７】本発明の実施例１におけるマクロン供給機構の浮遊電極を表す全体斜視図である。
【図８】本発明の実施例１におけるマクロン供給機構の使用状態を表す状態説明図である。
【図９】本発明の実施例１における支持ロッドの固定構造を表す構造説明図である。
【図１０】本発明の実施例１における支持ロッドを回転させた際の円筒電極内の微粒子の状態を表す状態説明図である。
【図１１】本発明の実施例１における浮遊電極の位置調節機構を表す状態説明図である。
【図１２】本発明の実験例１におけるターゲット表面の状態を写した顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
『実施例１』
本発明の実施例１について、図１から図１２に基いて説明する。同図において、符号１で指示するものは円筒電極であり、符号２で指示するものは浮遊電極である。また、符号３で指示するものは支持ロッドである。
【００２５】
［マクロン加速機構］
まずこの実施例１では、加速電極Ｅ1・Ｅ2…を所定の間隔で配置したダクトＤを、前後に検出器Ｍ1・Ｍ2を配置したＴＯＦ計測管、及びターゲットＴを固定する試料室Ｒに接続してマクロン加速機構Ａを構成している(図１参照)。
【００２６】
なお、上記マクロン加速機構Ａの加速電極Ｅ1・Ｅ2…は、図２に示すように円板中央に孔が空いた環状となっており、使用時にはこの加速電極Ｅ1・Ｅ2…に、ターゲットＴ側にいくに従い低く設定した電圧を印加し、これにより生じた電極間の電場を利用してマクロンを電極を通過するごとに順次加速させることができる(図３参照)。
【００２７】
また、上記マクロン加速機構Ａのダクト入り口側には、マクロンを集束するためのアインツェルレンズＬ1・Ｌ2・Ｌ3を配置しており、入り口側と出口側のレンズＬ1・Ｌ3の電位を揃えた上で、この電位よりも中央のレンズＬ2の電位が高くなるように印加電圧を設定することで集束作用を得ることができる。なお、実施例１では、アインツェルレンズの出口側のレンズＬ3にダクト入り口側の加速電極Ｅ1を使用している。
【００２８】
そしてまた、上記ＴＯＦ計測管の検出器Ｍ1・Ｍ2には、マクロンが通過したとき、検出器Ｍ1・Ｍ2から測定装置に流れる微弱な電流を拡大するためのアンプ(ＣＳＡ)を接続している。また上記試料室Ｒには、複数のターゲットＴ・Ｔ…を取り付けた固定板を回転させターゲットＴの変更を行えるターゲットホルダを設置している。
【００２９】
［マクロン導入機構］
そして次に、上記マクロン加速機構ＡのダクトＤの入り口傍には、中央に穴部を有し、かつ、半球状の凹部を有する凹型電極Ｈと、これに対向して配置され、先端がダクト方向を向いた針状電極Ｎとを設けてマクロン導入機構Ｐを構成している(図４参照)。
【００３０】
なお、実施例１では、上記凹型電極Ｈがアインツェルレンズの入り口側のレンズＬ1を兼ねている。また、上記マクロン導入機構Ｐの針状電極Ｎを固定したベース板Ｂには、図５に示すように針状電極Ｎの周囲に小孔Ｈ・Ｈ…を円周上に配設されており、この小孔Ｈ・Ｈ…からマクロンが供給される。
【００３１】
ちなみに、上記ベース板Ｂの小孔Ｈから放出されたマクロンは、凹型電極Ｈの半球状の凹部を衝突反射して針状電極Ｎの近くに移動した後、針状電極Ｎの先端近傍で帯電して極性変換され、その際の静電反発作用で凹型電極Ｈ側に射出され、凹型電極Ｈの穴部を通ってマクロン加速機構ＡのダクトＤ内へと引き出される。
【００３２】
［マクロン供給機構］
そして最後に、上記マクロン導入機構Ｐの針状電極Ｎのベース板Ｂの裏側には、上部に微粒子の投入口11を有する円筒電極１と、この円筒電極１の内側に配置された板状の浮遊電極２とを設けてマクロン供給機構Ｓを構成している(図６参照)。
【００３３】
なお、上記マクロン供給機構Ｓの浮遊電極２には、円弧型の断面形状を有する樋状で、かつ、円筒電極１の投入口11の下方からベース板Ｂに向けて下方に傾斜したスロープ部21を設けている(図７参照)。
【００３４】
そして使用時には、まず図８(a)に示すように円筒電極１の投入口11から投入した微粒子を、浮遊電極２のスロープ部21上を滑り落としてベース板Ｂの近傍に落下させた後、図８(b)に示すように円筒電極１の底部に微粒子が堆積した状態で装置内を真空引きし、その後、図８(c)に示すように浮遊電極２にパルス電圧を印加して微粒子を静電浮遊させれば、マクロンをベース板Ｂの小孔Ｈ・Ｈ…から針状電極Ｎ側に送り出すことができる。
【００３５】
ちなみに、上記マクロンを針状電極Ｎ側に供給する際には、浮遊電極２に印加するパルス電圧の大きさ及び周波数を調整することにより供給量の調節を行うことができるが、印加電圧が小さ過ぎると静電浮遊が起きないため注意が必要である。
【００３６】
また実施例１では、円筒電極１の形状を内径がベース板Ｂに向かい拡径するテーパ状としているため、帯電した微粒子イオン(マクロン)を円筒電極１内で揺さぶった際、筒内面での反射により微粒子イオンをベース板Ｂ側に移動させ易くなる。
【００３７】
そしてまた、実施例１においては、浮遊電極２のスロープ部21の先端を上側に折り返すと共に、この折返し部22に落下孔22aを設ける形状としているため、浮遊電極２の先端とベース板Ｂとの間で放電現象が起き難くなる。
【００３８】
また他にも、実施例１では、図９に示すように浮遊電極２を取り付けた支持ロッド３を装置フレームＦに回転自在に固定しているため、図１０(a)に示すように、浮遊電極２のスロープ部21上を微粒子が滑り落ちる際に、支持ロッド３を回転操作すればベース板Ｂの近傍に微粒子を撒布することができる。
【００３９】
そして、上記のように微粒子を撒布することで、図１０(b)のように円筒電極１の底部に微粒子がうずたかく堆積するようなことがなくなるため、絶縁性物質を微粒子に用いた際に堆積した山の頂部側が下部側の微粒子に帯電を阻害される問題も解消できる。
【００４０】
他方、実施例１においては、上記浮遊電極２を支持ロッド３のボルト部31に一対のナット部材32・32で挟み込んで固定しているため、図１１(a)及び(b)に示すようにナット部材32・32の位置を変えて浮遊電極２の位置を調節することができ、これにより微粒子の落下位置を調節することが可能となる。
【００４１】
なお、上記浮遊電極２の位置を調節する際には、微粒子の落下位置をベース板Ｂにできるだけ近付けるのが好ましいが、あまり近付け過ぎると浮遊電極２の先端部とベース板Ｂとの間に微粒子が詰まって不具合を生じる虞れがあるため、ある程度の隙間を残しておくのが好ましい。
【００４２】
［実験例１］
次に、上記装置を用いて行った微粒子の帯電、加速実験について説明する。この実験例１では、半絶縁性のダイヤモンド微粒子を円筒電極１に供給した後、装置の真空引きを行い、帯電・加速実験を開始した。なお、実験開始時の真空度は2.0×10-5Paであった。
【００４３】
また、上記ダイヤモンド微粒子の粒径分布は、直径範囲が0.09〜0.7μmで、0.3〜0.4μmの微粒子が最も多く、直径が小さくなるにつれて個数が少しずつ減少する分布であった。また、ターゲットＴには表面に金(Au)を2μm蒸着したステンレス板を使用した。
【００４４】
そして、上記実験時には浮遊電極２(材質；銅)に0〜20kV、周波数1.0Hzのパルス電圧を印加し、針状電極Ｎに40kVの電圧を印加した。また加速電極Ｅ1・Ｅ2…には、0〜−70kVの電圧を印加し、アインツェルレンズの中央のレンズＬ2には15kVの電圧を印加した。円筒電極１と凹型電極Ｈは印加電圧0kVとした。
【００４５】
次に、上記実験終了後のターゲット表面を電子顕微鏡により表面垂直方向から観察して得られた写真を図１２(a)に示す。左が低倍率（10,000倍）の写真であり、下が高倍率（60,000倍）の写真である。また比較のため、実験に使用していないターゲット表面の写真も図１２(b)に示す。
【００４６】
上記写真の比較から、実験を行ったターゲット表面には多くのダイヤモンド微粒子が付着し、更にダイヤモンド微粒子の衝突痕も多数存在していることが確認できる。これにより、本装置では使用する微粒子が絶縁性物質であっても多量のマクロンを照射できることが実証された。
【００４７】
本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は図示の実施形態に限定されるものではなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、浮遊電極２のスロープ部21は、微粒子が側方にこぼれ落ちない樋型であれば、Ｖ字型やコ字型の断面形状も採用できる。
【００４８】
また、円筒電極１に高電圧を印加した状態で浮遊電極２にパルス電圧を印加できるようにしてもよく、何れのものも本発明の技術的範囲に属する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
近年、表面改質技術や成膜技術を用いた新しい機能性材料の創製や、宇宙空間を飛び交う微粒子によって引き起こされる宇宙ステーションの損傷メカニズムの解明に、高性能のマクロン加速装置が求められている。
【００５０】
そのような中で、本発明のマクロン加速装置の電極構造は、導電性物質だけでなく絶縁性物質も含めた様々な微粒子を用いた実験を可能にして、装置の高性能化を図れる有用な技術であるため、市場における需要は大きく、その産業上の利用価値は非常に高い。
【符号の説明】
【００５１】
１  円筒電極
11  投入口
２  浮遊電極
21  スロープ部
22  折返し部
22a  落下孔
３  支持ロッド
31  ボルト部
32  ナット部材
Ａ  マクロン加速機構
Ｐ  マクロン導入機構
Ｓ  マクロン供給機構
Ｄ  ダクト
Ｅ  加速電極
Ｌ  アインツェルレンズ
Ｔ  ターゲット
Ｒ  試料室
Ｍ  検出器
Ｎ  針状電極
Ｈ  凹型電極
Ｂ  ベース板
Ｈ  小孔
Ｆ  装置フレーム
【図１】
2011198656.tif 000003
【図２】
2011198656.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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