(57)【要約】【課題】より高分解能で、かつ、正確に、原子の内部構造の観測ができるようにする。【解決手段】標的としての物質Ｍにパルスレーザを照射することにより発生する光電子が電子検出器３３で検出され、演算装置２７に供給される。また、発生した光電子の運動量の大きさｐと直線偏光方位角θが演算装置２７に供給される。演算装置２７は、光電子が発生する直前（再散乱直前）の光電子の運動量（ｐｒ，θｒ）を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量（ｐｉ，θｊ）のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化した弾性散乱断面積の比Ｅｉｊと、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊの誤差が最小となるパラメータΞを探索して検出する。本発明は、例えば、原子を観測する超高精度・実時間顕微鏡に適用できる。【選択図】図３
2011220948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的としての物質にパルスレーザを照射することにより発生する光電子の光電子スペクトルと、前記光電子の運動量の大きさと方位角を取得する取得手段と、
取得された前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、
前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、
前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出する弾性散乱断面積演算手段と
を備える演算装置。
【請求項２】
前記標的として想定される複数の物質の前記パラメータの理論値を記憶する記憶手段と、
検出された前記パラメータの値を、記憶されている前記パラメータの理論値と比較し、前記標的である物質を同定する同定手段と
をさらに備える
請求項１に記載の演算装置。
【請求項３】
前記物質の性質を表すパラメータは、GSZポテンシャルの有効電荷分布の関数のパラメータである
請求項２に記載の演算装置。
【請求項４】
取得される所定のデータの演算を行う演算装置の演算方法であって、
標的としての物質にパルスレーザを照射することにより発生する光電子の光電子スペクトルと、前記光電子の運動量の大きさと方位角を取得し、
取得された前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、
前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、
前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出する
ステップを含む演算方法。
【請求項５】
パルスレーザを出力するパルスレーザ発振手段と、
前記パルスレーザを直線偏光に偏光する偏光手段と、
前記パルスレーザが標的としての物質に照射されることにより発生する光電子が、所定の距離だけ離れた２点間の飛行時間を測定するとともに、前記光電子の光電子スペクトルを検出する光電子検出手段と、
前記飛行時間と前記所定の距離から算出される前記光電子の運動量の大きさと、前記直線偏光の方位角を取得する取得手段と、
前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、
前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、
前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出する弾性散乱断面積演算手段と
を備える観測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、演算装置、演算方法、および観測システムに関し、特に、より高分解能で、かつ、正確に、原子の内部構造の観測ができるようにする演算装置、演算方法、および観測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の元素を特定するとともに、その試料の表面を2次元映像化して観測する観測方法の１つとして、X線光電子分析装置がある。
【０００３】
図１は、特許文献1で提案されている、従来のX線光電子分析装置の一例を示している。
【０００４】
図１のX線光電子分析装置では、X線源１からX線が試料SXの表面に照射され、走査される。アナライザ４は、X線の走査に同期して試料SXから発生する光電子を分光する。電子検出器５は、分光された光電子を検出する。CPU６は、試料ホルダ駆動装置７およびスリット円板駆動装置８を駆動制御するとともに、検出された光電子の信号強度を基に、元素を特定し、面分析（マップ）などを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１６７２５２号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１のような従来のX線光電子分析装置では、時間分解能が１乃至１０フェムト秒程度まではないため、原子内部での状態遷移を観測できなかった。また、検出される光電子の信号強度は、試料自身の情報だけでなくレーザ（X線）の情報（強度、波長など）も含んでいるので、試料自身の情報のみを抽出する信号処理が別途必要であった。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より高分解能で、かつ、正確に、原子の内部構造の観測ができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面の演算装置は、標的としての物質にパルスレーザを照射することにより発生する光電子の光電子スペクトルと、前記光電子の運動量の大きさと方位角を取得する取得手段と、取得された前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出する弾性散乱断面積演算手段とを備える。
【０００９】
本発明の第１の側面の演算方法は、取得される所定のデータの演算を行う演算装置の演算方法であって、標的としての物質にパルスレーザを照射することにより発生する光電子の光電子スペクトルと、前記光電子の運動量の大きさと方位角を取得し、取得された前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出するステップを含む。
【００１０】
本発明の第２の側面の観測システムは、パルスレーザを出力するパルスレーザ発振手段と、前記パルスレーザを直線偏光に偏光する偏光手段と、前記パルスレーザが標的としての物質に照射されることにより発生する光電子が、所定の距離だけ離れた２点間の飛行時間を測定するとともに、前記光電子の光電子スペクトルを検出する光電子検出手段と、前記飛行時間と前記所定の距離から算出される前記光電子の運動量の大きさと、前記直線偏光の方位角を取得する取得手段と、前記光電子スペクトル、および、前記光電子の運動量の大きさと方位角から、実験値の弾性散乱断面積の比として、前記光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比を演算するとともに、前記所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比を、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定して演算し、前記実験値の弾性散乱断面積の比と、前記理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となる前記パラメータの値を探索して検出する弾性散乱断面積演算手段とを備える。
【００１１】
本発明の第１および第２の側面においては、標的としての物質にパルスレーザを照射することにより発生する光電子の光電子スペクトルと、光電子の運動量の大きさと方位角が取得され、実験値の弾性散乱断面積の比として、光電子が発生する直前の光電子の運動量を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した弾性散乱断面積の比が演算されるとともに、所定の離散化運動量の円周方向成分で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比が、物質の性質を表すパラメータを所定の値に決定されて演算され、実験値の弾性散乱断面積の比と、理論値の弾性散乱断面積の比の誤差が最小となるパラメータの値が探索して検出される。
【００１２】
演算装置は、独立した装置であっても良いし、１つの装置を構成している内部ブロックであっても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１および第２の側面によれば、より高分解能で、かつ、正確に、原子の内部構造の観測ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のX線光電子分析装置の一例を示す図である。
【図２】光電子の発生原理について説明する図である。
【図３】本発明を適用した観測システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【図４】図３の観測システムで得られる光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を示す図である。
【図５】図３の観測システムで得られる有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の理論値と実験値を示す図である。
【図６】図３の観測システムによる物質同定処理を説明するフローチャートである。
【図７】図６のステップＳ２の詳細な処理を示すフローチャートである。
【図８】図６のステップＳ３の詳細な処理を示すフローチャートである。
【図９】図３の観測システムによる処理結果である有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）を示す図である。
【図１０】図３の観測システムによる処理結果である光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を示す図である。
【図１１】図３の観測システムによる処理結果である弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）を示す図である。
【図１２】演算装置の機能的構成例を示すブロック図である。
【図１３】演算装置としてのコンピュータのハードウエア構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について説明する。
【００１６】
本発明の観測システムは、観測対象の物質（標的）にパルスレーザを照射することにより発生する光電子を検出し、検出された光電子の強度（光電子スペクトル）から、物質を同定し、観測する。
【００１７】
［光電子の発生原理］
そこで、最初に、図２を参照して、光電子の発生原理について説明する。
【００１８】
図２Aは、再衝突過程におけるレーザ電場とレーザベクトルポテンシャルを示している。図２Aにおいて、実線はレーザ電場を示し、破線はレーザベクトルポテンシャルを示す。
【００１９】
図２Bは、再衝突過程の後方散乱成分による分子のイメージングの概念図を示している。
【００２０】
強いレーザ電場を物質Ｍに加えると、そのパルスレーザ１周期内の時刻aにおいて、電子がイオン化し、時刻ａ’において、その電子が図２B中の左方向に加速される。そして、時刻ｂにおいて、物質Ｍに再結合するときに光電子が発生（再散乱）し、そのときの光電子の収量Ｓとしての光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）が電子検出器で観測される。ここで、ｐ,θは、時刻ｂにおける再散乱直後の光電子の運動量の動径方向成分と円周方向成分を表す。
【００２１】
測定される光電子から、（I）実時間(フェムト秒程度)の分解能、および（II）電場なし（レーザ電場が0である時刻ｂにおける物質の情報を得ることができる。
【００２２】
［本発明の原理］
次に、本発明の原理について説明する。
【００２３】
本発明の観測システムでは、レーザに依存しない観測対象の物質固有の物理量を、実験値として取得し、それを候補となる複数の物質の理論値と比較して、一致する物質の理論値を検出することにより、物質を同定する。
【００２４】
図２の電子検出器で検出される光電子の収量Ｓとしての光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）は、再衝突電子波束Ｗ（ｐｒ）と、イオン化された自由電子の弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）の積で表されることが、「Z. Chen, A-T. Le, T. Morishita, and C. D. Lin, Phys. Rev. A 79, 033409 (2009).」で発表されている。即ち、光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）には、次式（１）の分離公式が成り立つ。
Ｓ（ｐ,θ）＝Ｗ（ｐｒ）×σ（ｐｒ，θｒ）    ・・・・・・（１）
【００２５】
式（１）の再衝突電子波束Ｗ（ｐｒ）は、物質に照射するレーザのみに依存し、弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）は、物質のみに依存する。また、ｐｒとθｒは、図２の時刻ｂにおける再散乱直前の光電子の運動量の動径方向成分と円周方向成分であり、再散乱の前後の光電子の運動量の動径方向成分と円周方向成分、即ち、ｐｒおよびθｒとｐおよびθには、レーザ強度に拠らない式（２）および式（３）の関係がある。
【数１】
2011220948.tif 000003
【００２６】
ここで、ｐｒおよびθｒとｐおよびθには、式（２）および式（３）の関係があることから、Ｓ（ｐ,θ）の引数を（ｐｒ，θｒ）にしたものを、Ｓｒ（ｐｒ,θｒ）で定義する。
【００２７】
再散乱直前の光電子の動径方向成分と円周方向成分の運動量（ｐｒ，θｒ）を離散化して、有限個数（それぞれＮｉ，Ｎｊ個）の離散化運動量（ｐｉ，θｊ）で表す。ここで、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎｉ，ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎｊである。
【００２８】
式（１）は、どんなｉ，ｊについても成り立つので、式（４）のように書くことができる。
Ｓｒ（ｐｉ,θｊ）＝Ｗ（ｐｉ）×σ（ｐｉ，θｊ）    ・・・・・・（４）
また、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０に注目し、離散化運動量の円周方向成分θ０と、動径方向成分ｐｉとの組み合わせについても、式（１）が成り立つので式（５）のように書くことができる。
Ｓｒ（ｐｉ,θ０）＝Ｗ（ｐｉ）×σ（ｐｉ，θ０）    ・・・・・・（５）
【００２９】
式（４）を式（５）で除算した、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化（基準化）した光電子スペクトルの比Ｅｉｊは、次式（６）のように表すことができる。
【数２】
2011220948.tif 000004
【００３０】
式（６）では、物質に照射するレーザに依存する項である再衝突電子波束Ｗ（ｐｉ）が消去されている。所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化された光電子スペクトルの比Ｅｉｊは、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化された弾性散乱断面積の比に置き換えることができる。以下では、電子検出器から得られる弾性散乱断面積σ（ｐｉ，θｊ）の比を、後述する理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ）の比と区別して、弾性散乱断面積σexp（ｐｉ，θｊ）と記述する。
【００３１】
次に、物質の理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ）について説明する。
【００３２】
理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ）の比Ｔｉｊも、式（６）と同様に、次式（７）で表すことができる。
【数３】
2011220948.tif 000005
ここで、Ξ（大文字のクシー）は、次式（８）で表される有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の３つのパラメータ｛Ｚ，ξ，η｝のセットを表し、弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ）が有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）を用いて表現されていることを意味している。
【数４】
2011220948.tif 000006
【００３３】
式（８）は、Green，Sellin，and Zachorのポテンシャル(GSZポテンシャル)として知られているものであり、様々な物質の性質を表すパラメータΞ＝｛Ｚ，ξ，η｝は既知である。
【００３４】
本発明の観測システムでは、電子検出器で検出された実験値の弾性散乱断面積σexp（ｐｉ，θｊ）の比Ｅｉｊとなるような、パラメータΞ＝｛Ｚ，ξ，η｝で表される理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ；Ξ）の比Ｔｉｊが探索される。
【００３５】
換言すれば、最初に、実験値の弾性散乱断面積σexp（ｐｉ，θｊ）の比Ｅｉｊと、理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ；Ξ）の比Ｔｉｊの差（誤差）が最も小さくなるようなパラメータΞ＝｛Ｚ，ξ，η｝が探索される。そして、探索結果のパラメータΞを既知の様々な物質についてのパラメータΞと比較し、一致する物質のパラメータΞを検出することで、物質が同定される。
【００３６】
具体的には、次式（９）が最小となるパラメータΞを最小二乗法により求める。
【数５】
2011220948.tif 000007
式（９）は、離散化運動量の円周方向成分θ０での弾性散乱断面積σ（ｐｉ，θ０）で規格化（基準化）された各離散化運動量の弾性散乱断面積σ（ｐｉ，θｊ）の実験値と理論値の差を、光電子の２次元運動量分布に関して和をとった式である。
【００３７】
［本発明の観測システムの構成例］
以上説明した本発明の原理を実現する観測システムの構成について説明する。即ち、図３は、本発明を適用した観測システムの一実施の形態の構成例を示している。
【００３８】
図３の観測システム２０は、パルスレーザ発振器２１、ソースチャンバ２４、標的発生装置２５、電子エネルギー分析装置２６、演算装置２７、およびディスプレイ２８などにより構成される。
【００３９】
パルスレーザ発振器２１は、レーザ源２１ａを有し、レーザ源２１ａが発生させた所定波長のレーザ光を所定のパルス幅にパルス化したパルスレーザを出力する。レーザ源２１ａが出力するレーザとしては、例えば、800［nm］または1300［nm］の波長で、強度が１０１４Ｗ／cm２程度のものを採用することができる。
【００４０】
方位角制御装置２２は、λ／２波長板２２Ａを回転制御し、直線偏光の方位角θを制御する。また、方位角制御装置２２は、回転制御したλ／２波長板２２Ａが通過させる直線偏光の方位角θを演算装置２７に出力する。方位角制御装置２２は、演算装置２７から供給される分点数ｍで３６０度を除算した刻み角度△θ（＝３６０／ｍ）ずつ回転制御し、最終的には、ｍ個の方位の直線偏光を通過させるように制御する。
【００４１】
λ／２波長板２２Ａは、パルスレーザ発振器２１から出力されたパルスレーザに対し、方位角制御装置２２の制御によって決定される方位角θの直線偏光のみを通過させる。
【００４２】
集光レンズ（凸レンズ）２３は、λ／２波長板２２Ａを通過した直線偏光のパルスレーザを、ソースチャンバ２４内の物質Ｍの位置に集光させる。集光レンズ２３の焦点距離ｆは、例えば、６０［mm］とすることができる。
【００４３】
ソースチャンバ２４は、内部を真空状態に保持する装置であり、その内部に、標的発生装置２５が設けられている。標的発生装置２５は、パルスレーザの光路上に物質Ｍを噴射する。本実施の形態において、物質Ｍは、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかの希ガスであるとする。パルスレーザと物質Ｍが衝突することにより、図２を参照して説明したように、光電子が発生する。図３では、パルスレーザを破線で、光電子を実線で示している。
【００４４】
電子エネルギー分析装置２６は、飛行時間型の電子エネルギー分析装置であり、光電子が通過したときの時刻を検出する２つのセンサ３１ａおよび３１ｂと、その検出結果から運動量の大きさｐを演算する運動量演算部３２、および、光電子を検出する電子検出器３３を有している。
【００４５】
運動量演算部３２は、２つのセンサ３１ａおよび３１ｂが光電子を検出した時刻の差から、光電子の飛行時間△ｔを測定し、測定された飛行時間△ｔとセンサ間の距離Ｌとから、光電子の運動量の大きさｐ＝Ｌ／△ｔを演算して演算装置２７に出力する。なお、本実施の形態において、センサ３１ａとセンサ３１ｂの距離Ｌは、例えば、２６４［mm］に設定されている。
【００４６】
電子検出器３３は、発生した光電子の光電子スペクトルＳを検出し、演算装置２７に出力する。電子検出器３３が検出する光電子スペクトルＳは、後述するように、方位角θと運動量ｐのときの光電子スペクトルであるので、以下では、光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）と記述する。電子検出器３３の検出面のX方向は、パルスレーザの照射方向に垂直で、かつ、紙面に垂直な方向であり、Y方向は、パルスレーザの照射方向と同方向であり、Z方向は、XY平面に垂直な方向とする。
【００４７】
演算装置２７は、電子エネルギー分析装置２６から供給される光電子の運動量の大きさｐと光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）、および、方位角制御装置２２から供給される直線偏光方位角θ（光電子の運動量の方位角θ）を取得して、取得された３つの値から、有効な光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を演算する。
【００４８】
演算装置２７は、λ／２波長板２２Ａを通過したｍ個の方位角の直線偏光の全てについて、光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を取得し、内部メモリに記憶する。これにより、すべてのｉ＝０，１，２，・・・，Ｎｉ，ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎｊについて、実験値の弾性散乱断面積σexp（ｐｉ，θｊ）が得られる。
【００４９】
演算装置２７は、予め記憶されている理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｉ，θｊ；Ξ）の比Ｔｉｊと、実験値の弾性散乱断面積σexp（ｐｉ，θｊ）の比Ｅｉｊの誤差が最も小さくなるようなパラメータΞ＝｛Ｚ，ξ，η｝を求め、標的である物質Ｍを同定する。
【００５０】
さらに、演算装置２７は、同定した物質Ｍの構造などを示すイメージ（画像）を生成し、ディスプレイ２８に表示させる。物質の構造などを示すイメージとして、例えば、探索されたパラメータΞで表される物質の有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）、物質の弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ；Ξ）などの画像がディスプレイ２８に表示される。
【００５１】
［ネオンの検出例］
図４は、観測システム２０において、標的の物質Ｍとしてネオンを検出させた場合に得られた光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を示している。
【００５２】
図４の横軸は運動量ｐのｚ成分（ｐｚ）を表し、縦軸は運動量ｐのｘ成分（ｐｘ）を表す。なお、図４以降における単位の［a.u.］は原子単位（atomic unit）を表す。
【００５３】
図４に示す光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）において、円中央の白い領域は、観測システム２０で得られた光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）のうち、物質情報の抽出を妨げる成分である前方散乱成分を含む領域である。従って、電子検出器３３で検出される光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）のうち、この円中央の白い領域は、式（６）の演算には含めないようにする必要がある。
【００５４】
一方、図４に示す光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）において、円中央の白い領域の左右外側に薄いグレーの領域、即ち、左右一対の半円環の稜線構造（後方再衝突円環：Back Rescattering Ridge、以下、BRRと称する。）が見られ、この領域が式（６）の演算の対象とすべき領域となる。BRRの領域は、再衝突電子の後方散乱成分の半古典的な運動量の領域（中心座標（−Ａｒ，０）、半径ｐｒの円）とよく一致する。ここで、（−Ａｒ，０）は再衝突時刻でのベクトルポテンシャル、ｐｒは再衝突電子の運動量の大きさであり、Ａｒとｐｒは、レーザ電場エネルギーと古典的な運動エネルギーとの保存則から、
【数６】
2011220948.tif 000008
の関係を持つ。
【００５５】
従って、（−Ａｒ，０）とｐｒはレーザ強度の平方根に比例する量であるため、レーザ強度は円中央の白い領域とBRRを特定する要因となるが、得られる光電子スペクトルから経験的に設定することができる。
【００５６】
図５は、観測システム２０が標的の物質Ｍとしてネオンを検出したときの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の理論値と実験値（測定値）を示している。
【００５７】
即ち、実線が、ネオンの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の理論値（Theory）を示し、破線が、観測システム２０で得られたネオンの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の実験値（Exp）を示す。
【００５８】
図５の横軸は関数Ｚeff（ｒ）の観測位置の動径方向成分を表す変数ｒであり、縦軸は有効電荷（Effective charge）を表す。
【００５９】
図５の横軸のフルスケールの３［a.u.(lenght)］は、１．５８４オングストロームに相当する。従って、観測システム２０では、オングストローム程度の空間分解能でネオンの有効電荷密度分布が観察できているということが言える。
【００６０】
［物質同定処理のフローチャート］
次に、図６のフローチャートを参照して、観測システム２０による物質同定処理について説明する。
【００６１】
初めに、ステップＳ１において、パルスレーザ発振器２１は、パルスレーザを標的である物質Ｍに対して出力する。
【００６２】
ステップＳ２において、電子エネルギー分析装置２６は、物質Ｍが再結合するときに発生する光電子の２次元運動量分布を検出し、演算装置２７に出力する。即ち、ステップＳ２では、電子検出器３３が、パルスレーザ発振器２１により出力されたパルスレーザが、方位角制御装置２２の制御によって方位角θに設定されたλ／２波長板２２Ａによっての直線偏光のみとされて物質Ｍに照射されることにより発生した、運動量の大きさｐの光電子の光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を検出する。光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）に対応する方位角θと運動量の大きさｐは、それぞれ、方位角制御装置２２と、運動量演算部３２によって決定される。
【００６３】
なお、ステップＳ２では、方位角制御装置２２が方位角θを０度から３６０度の範囲内で所定の刻み角度△θで順次設定し、３６０度の全方向の直線偏光に対する光電子の光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）＝Ｓｒ（ｐｉ,θｊ）（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎｉ，ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎｊ）が検出される。
【００６４】
ステップＳ２の処理の詳細については、図７を参照して後述する。
【００６５】
ステップＳ３において、演算装置２７は、電子エネルギー分析装置２６から供給された光電子の２次元運動量分布に基づいて、物質Ｍの有効な光電子スペクトルＳｒ（ｐｉ,θｊ）を演算する。ステップＳ３の処理の詳細については、図８を参照して後述する。
【００６６】
ステップＳ４において、演算装置２７は、全てのｉ，ｊ（ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎｉ，ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎｊ）に対して、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０を基準とする、実験値の弾性散乱断面積の比Ｅｉｊを演算する。
【００６７】
ステップＳ５において、演算装置２７は、最小となるパラメータΞの候補としての、有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の所定のパラメータΞ（以下、候補パラメータΞと称する。）を決定する。
【００６８】
候補パラメータΞの決定（選択）するアルゴリズムには、遺伝的アルゴリズムやパウエルの方法などを採用することができる。また、最小二乗法で最適なパラメータΞを探索する場合、３つのパラメータＺ，ξ，ηそれぞれを、１≦Ｚ≦１００，０．５≦ξ≦６．５，−１≦η≦Ｚ０．４＋１の範囲で探索すると、最も効率的に探索できることが経験的に知られているが、これに限定されず、どのような方法で候補パラメータΞを決定してもよい。例えば、パラメータＺについては、存在が確認されている最大の原子核電荷を持つ元素より十分大きい範囲、例えば、１≦Ｚ≦１０００に設定したり、他のパラメータについても１ケタ程度大きい範囲で設定するなどしてもよい。
【００６９】
ステップＳ６において、演算装置２７は、全てのｉ，ｊに対して、候補パラメータΞにおける、理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊ（Ξ）を演算する。
【００７０】
ステップＳ７において、演算装置２７は、ステップＳ４で演算された実験値の弾性散乱断面積の比Ｅｉｊと、ステップＳ６で演算された理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊ（Ξ）を用いて、式（９）のχ２誤差を算出し、最小かを判定する。ここで、算出されたχ２誤差が最小とみなせる所定の閾値以下である場合に、演算装置２７は、最小であると判定する。
【００７１】
ステップＳ７で、現在の候補パラメータΞが最小となるパラメータではないと判定された場合、処理はステップＳ５に戻り、上述したステップＳ５乃至Ｓ７の処理が再度実行される。即ち、式（９）のχ２誤差が最小となる候補パラメータΞが検出されるまで、ステップＳ５乃至Ｓ７の処理が繰り返し実行される。
【００７２】
そして、ステップＳ７で、現在の候補パラメータΞが最小となるパラメータであると判定された場合、処理はステップＳ８に進み、演算装置２７は、最小とされた候補パラメータΞと、内部メモリに記憶されている各種の元素のパラメータの真値とを比較して、物質Ｍの元素を同定（特定）する。
【００７３】
ステップＳ９において、演算装置２７は、物質Ｍの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の画像など、同定した物質Ｍの構造などを示すイメージ（画像）を生成し、ステップＳ１０において、ディスプレイ２８に表示させて、処理を終了する。
【００７４】
［ステップＳ２の詳細処理］
図７は、図６のステップＳ２の詳細な処理を示すフローチャートである。
【００７５】
初めに、ステップＳ２１において、演算装置２７は、λ／２波長板２２Ａを回転制御するための分点数ｍを設定し、方位角制御装置２２に供給する。
【００７６】
ステップＳ２２において、方位角制御装置２２は、演算装置２７から供給された分点数ｍに基づいて、刻み角度△θ（＝３６０／ｍ）を演算する。
【００７７】
ステップＳ２３において、方位角制御装置２２は、分点数をｍまでカウントするためのカウンタｕを０にセットし、ステップＳ２４において、カウンタｕを１だけインクリメントする。
【００７８】
ステップＳ２５において、方位角制御装置２２は、λ／２波長板２２Ａの偏光方位角を刻み角度△θだけ回転させるとともに、回転後の方位角θを演算装置２７に供給する。
【００７９】
ステップＳ２６において、演算装置２７は、方位角制御装置２２から供給された、運動量の角度成分である方位角θを取得する。
【００８０】
ステップＳ２７において、運動量演算部３２は、２つのセンサ３１ａおよび３１ｂが光電子を検出した時刻の差から、光電子の飛行時間△ｔを測定する。
【００８１】
ステップＳ２８において、運動量演算部３２は、測定された飛行時間△ｔとセンサ間の距離Ｌとから、光電子の運動量の大きさｐ＝Ｌ／△ｔを演算して、演算装置２７に出力する。
【００８２】
ステップＳ２９において、電子検出部３３は、光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）を検出し、演算装置２７に供給する。
【００８３】
ステップＳ３０において、電子検出部３３は、全ての光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）を検出したかを判定する。全ての光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）を検出したかは、例えば、予め設定した所定時間が経過したか否かにより判定される。
【００８４】
ステップＳ３０で、全ての光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）が検出されていないと判定された場合、処理はステップＳ２７に戻り、ステップＳ２７乃至Ｓ３０の処理が繰り返し実行される。
【００８５】
一方、ステップＳ３０で、全ての光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）が検出されたと判定された場合、処理はステップＳ３１に進み、方位角制御装置２２は、カウンタｕが分点数ｍに等しいかを判定し、カウンタｕが分点数ｍに等しくないと判定された場合、処理がステップＳ２４に戻される。そして、ステップＳ２４以降の処理が再び実行され、λ／２波長板２２Ａを刻み角度△θだけ回転させた次の方位角θの直線偏光についての光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）が検出される。
【００８６】
一方、ステップＳ３１で、カウンタｕが分点数ｍに等しいと判定された場合、即ち、３６０度の全方向の直線偏光に対する光電子スペクトルＳ（ｐ，θ）が検出された場合、ステップＳ２の処理が終了し、処理が図６に戻って、ステップＳ３に進む。
【００８７】
［ステップＳ３の詳細処理］
図８は、図６のステップＳ３の詳細な処理を示すフローチャートである。
【００８８】
初めに、ステップＳ４１において、演算装置２７は、電子エネルギー分析装置２６から供給された光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）のなかから、物質情報の抽出を妨げる成分である前方散乱成分を含む領域を除外する。例えば、演算装置２７は、電子エネルギー分析装置２６から供給された光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）のなかから、０．５乃至０．６pmaxの半径を持つ円内の領域を、物質情報の抽出を妨げる成分と判断して除外する。ここで、pmaxは、光電子収量が得られる最大運動量を表し、０．５乃至０．６pmaxは、経験的に得られた値である。
【００８９】
ステップＳ４２において、演算装置２７は、ステップＳ４１で前方散乱成分を含む領域が除外された光電子スペクトルＳｒ（ｐｉ,θｊ）に対し、光電子が再衝突、後方再散乱し得る領域であるBRRを設定する。例えば、BRRは、上述したように、再衝突電子の後方散乱成分の半古典的な運動量の領域（中心（−Ａｒ，０）、半径ｐｒの円）と一致するので、演算装置２７は、再衝突電子の後方散乱成分の半古典的な運動量の領域をレーザ強度などから推定し、BRRとする。ここで設定されたBRRが、有効な光電子スペクトルＳｒ（ｐｉ,θｊ）とされ、図６のステップＳ４以降の処理で使用される。
【００９０】
ステップＳ４３の後、処理は図６に戻る。
【００９１】
以上のように、観測システム２０の物質同定処理によれば、式（１）の分離公式に基づいて、ある離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化された、実験値の弾性散乱断面積の比Ｅｉｊと理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊ（Ξ）の誤差が最小となるようなパラメータΞを検出することで、標的である物質Ｍを同定することができる。
【００９２】
［ネオン以外の物質の観測結果］
次に、観測システム２０で、ネオン以外の物質を標的とした場合の処理結果について説明する。
【００９３】
図９は、観測システム２０において、標的の物質Ｍをアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）とした場合に得られた有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）を示している。
【００９４】
図５に示した物質Ｍがネオンの場合も含めた４つの物質の有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）を比較すると、実験値として得られたＺのフィッティング値（ｒ＝０のときの有効電荷）は、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンが、それぞれ、１０．６，１５．１，３８．８，５０．１となっており、実際の原子核電荷に２０％の誤差範囲内で一致している。
【００９５】
また、フルスケールでの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）も、理論値と実験値とで、非常によく近似している。
【００９６】
以上より、観測システム２０では、オングストローム程度の空間分解能でネオンの有効電荷密度分布が観察できているということが言える。
【００９７】
なお、検証実験では、標的としての物質を希ガスのネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンとし、それらの有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の理論値は、図９に示されるＺのフィッティング値からもわかるように明らかに差異があるので、観測システム２０は、実験値として得られたＺのフィッティング値に基づいて標的の物質を同定した。しかしながら、有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）の理論値と実験値とを、さらにフィッティングすることで、標的の物質を同定するようにしてもよい。
【００９８】
図１０は、標的の物質Ｍがネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）であるとき、観測システム２０で得られた光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を示している。
【００９９】
図１１は、標的の物質Ｍがネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）であるとき、観測システム２０で得られた実験値の弾性散乱断面積σexp（ｐｒ，θｒ）と、理論値の弾性散乱断面積σtheory（ｐｒ，θｒ）を示している。
【０１００】
弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）で比較しても、理論値と実験値とで、非常によく近似していることがわかる。
【０１０１】
以上のように、観測システム２０は、検出された光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）から、レーザのパラメータに依存せず、標的固有の物理量である、弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）を抽出することで、従来のX線光電子分析装置より、高分解能で、かつ、正確に、原子の内部構造の観測が可能である。
【０１０２】
換言すれば、観測システム２０は、検出された光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）から、弾性散乱断面積σ（ｐｒ，θｒ）を抽出することで、光電子の運動量の２次元情報を元に、物質のイメージを生成（復元）するための安価で堅牢なシステムを提供できる。
【０１０３】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１０４】
例えば、上述した実施の形態では、電子エネルギー分析装置２６の運動量演算部３２で運動量の大きさｐが演算されて演算装置２７に供給されていたが、電子エネルギー分析装置２６から飛行時間△ｔが供給されて、演算装置２７が運動量の大きさｐを演算するようにしてもよい。
【０１０５】
また、上述した実施の形態では、有効電荷分布の関数Ｚeff（ｒ）として、GSZポテンシャルとして知られる３つのパラメータ｛Ｚ，ξ，η｝で表される有効電荷分布関数を用いたが、それ以外の有効電荷分布関数を採用してもよい。それ以外の有効電荷分布関数としては、例えば、次式（１０）で表されるTongのポテンシャルと呼ばれる有効電荷分布関数があり、この分布関数を採用した場合、実験値の弾性散乱断面積の比Ｅｉｊと理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊ（Ξ）の誤差が最小となるような７つのパラメータ｛Ｚ，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６｝が探索される。
【数７】
2011220948.tif 000009
【０１０６】
さらに、上述した実施の形態では、希ガスの原子を同定する例について説明したが、本発明の観測システムは、希ガス以外の原子、分子、その他の物質の同定も可能である。但し、上述した、GSZポテンシャルやTongのポテンシャルの有効電荷分布関数のような、比較参照される理論値が既知であることが条件である。
【０１０７】
［演算装置２７の構成ブロック図］
演算装置２７は、上述した処理専用のハードウエアとして構成してもよいし、上述した処理をプログラムを実行することで実現するコンピュータで構成してもよい。
【０１０８】
図１２は、演算装置２７の機能的構成例を示すブロック図である。
【０１０９】
演算装置２７は、光電子スペクトル取得部５１、弾性散乱断面積演算部５２、理論値記憶部５３、物質同定部５４、およびイメージ生成部５５により構成される。
【０１１０】
光電子スペクトル取得部５１は、標的としての物質Ｍにパルスレーザを照射することにより発生する光電子の運動量の大きさｐと光電子スペクトルＳ（ｐ,θ）を電子エネルギー分析装置２６から取得するとともに、直線偏光方位角θ（光電子の運動量の方位角θ）を、方位角制御装置２２から取得する。
【０１１１】
弾性散乱断面積演算部５２は、実験値の弾性散乱断面積の比として、光電子が発生する直前（再散乱直前）の光電子の運動量（ｐｒ，θｒ）を動径方向成分と円周方向成分で離散化した離散化運動量（ｐｉ，θｊ）のうちの所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化した弾性散乱断面積の比Ｅｉｊを演算するとともに、所定の離散化運動量の円周方向成分θ０で規格化した理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊを、物質の性質を表すパラメータΞを所定の値に決定して演算し、実験値の弾性散乱断面積の比Ｅｉｊと、理論値の弾性散乱断面積の比Ｔｉｊの誤差が最小となるパラメータΞを探索して検出する。
【０１１２】
理論値記憶部５３は、標的として想定される複数の物質のパラメータΞの理論値を記憶する。本実施の形態では、理論値記憶部５３は、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのパラメータΞの理論値を記憶する。
【０１１３】
物質同定部５４は、検出されたパラメータΞを、理論値記憶部５３に記憶されているパラメータΞの理論値と比較し、標的である物質Ｍを同定する。
【０１１４】
イメージ生成部５５は、同定した物質Ｍの構造などを示すイメージ（画像）を生成し、ディスプレイ２８に表示させる。
【０１１５】
図１３は、演算装置２７をコンピュータで構成する場合のハードウエア構成例を示すブロック図である。
【０１１６】
演算装置２７としてのコンピュータは、CPU（Central Processing Unit）１０１，ROM（Read Only Memory）１０２，RAM（Random Access Memory）１０３を含み、それらはバス１０４により相互に接続されている。
【０１１７】
バス１０４には、さらに、入出力インタフェース１０５が接続されている。入出力インタフェース１０５には、入力部１０６、出力部１０７、記憶部１０８、通信部１０９、及びドライブ１１０が接続されている。
【０１１８】
入力部１０６は、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる。出力部１０７は、ディスプレイ、スピーカなどよりなる。記憶部１０８は、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる。通信部１０９は、ネットワークインタフェースなどよりなる。ドライブ１１０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体１１１を駆動する。
【０１１９】
なお、観測システム２０のディスプレイ２８は、出力部１０７の一部として組み込まれていてもよい。
【０１２０】
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU１０１が、例えば、記憶部１０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１０５及びバス１０４を介して、RAM１０３にロードして実行することにより、上述した処理が行われる。
【０１２１】
コンピュータ（CPU１０１）が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブル記録媒体１１１に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。
【０１２２】
コンピュータでは、プログラムは、リムーバブル記録媒体１１１をドライブ１１０に装着することにより、入出力インタフェース１０５を介して、記憶部１０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部１０９で受信し、記憶部１０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１０２や記憶部１０８に、あらかじめインストールしておくことができる。
【０１２３】
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
【０１２４】
本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【符号の説明】
【０１２５】
２０  観測システム，  ２１  パルスレーザ発振器，  ２２  方位角制御装置，  ２２Ａ  λ／２波長板，  ２６  電子エネルギー分析装置，  ２７  演算装置，  ２８  ディスプレイ，  ５１  光電子スペクトル取得部，  ５２  弾性散乱断面積演算部，  ５３  理論値記憶部，  ５４  物質同定部，  ５５  イメージ生成部
【図１】
2011220948.tif 000010
【図２】
2011220948.tif 000011
【図３】
2011220948.tif 000012
【図４】
2011220948.tif 000013
【図５】
2011220948.tif 000014
【図６】
2011220948.tif 000015
【図７】
2011220948.tif 000016
【図８】
2011220948.tif 000017
【図９】
2011220948.tif 000018
【図１０】
2011220948.tif 000019
【図１１】
2011220948.tif 000020
【図１２】
2011220948.tif 000021
【図１３】
2011220948.tif 000022