(57)【要約】【課題】質量に応じた速度差を持つイオンやクラスターなどの荷電粒子をサイズに応じて選別して連続取り出しができる小型軽量な荷電粒子サイズ選別装置を提供する。【解決手段】同形の第１の高周波電界発生電極３２と第２の高周波電界発生電極３４を間隙を挟んで配置し出口スリット３６を設け、第１高周波電界発生電極３２は選別目的の荷電粒子が通過する時間の整数分の１の周期を持った第１高周波電界を発生し、第２高周波電界発生電極３４は第１高周波電界に対して間隙の幅を電極長で割った値と同じ位相角だけ遅れかつ位相が逆で波数と振幅が同じ第２高周波電界を発生する。出口スリット３６は荷電粒子の進行軸上に配置され、選別された荷電粒子を出口スリットから回収することを特徴とする。【選択図】  図２
2005071642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速電極で加速された荷電粒子を導入して質量に基づいて選別する交流電界形成部を備えた荷電粒子質量選別装置であって、該交流電界形成部が進行軸を共有した交流電界形成電極と出口スリットと電極電源調整器を備え、該電極電源調整器が前記交流電界形成電極に引加する交流電源を調整し、前記交流電界形成電極が荷電粒子の進行軸に垂直な偏向電界を持つ交流電界を形成し、前記出口スリットが前記荷電粒子の進行軸上に配置されて、前記周波数を前記交流電界形成電極を選別目的の荷電粒子が通過する時間の逆数の整数倍に調整することにより該荷電粒子の選別を行って、前記出口スリットから回収することを特徴とする荷電粒子質量選別装置。
【請求項２】
前記交流電界形成電極と進行軸を共有した同形の第２交流電界形成電極をさらに備えて、前記交流電界形成電極と前記第２交流電界形成電極の間に電極間隙を有し、前記電極電源調整器が前記交流電界形成電極に第１交流電界を形成させ、前記第２交流電界形成電極に第２交流電界を形成させ、該第１交流電界と該第２交流電界の位相差を調整して、前記選別目的の荷電粒子が前記第１交流電界形成電極を通過する間に作用を受ける電界と全く逆の作用を前記第２交流電界形成電極を通過する間に受けるようにすることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子質量選別装置。
【請求項３】
前記電極間隙の幅が調整可能であることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子質量選別装置。
【請求項４】
前記電極間隙の前記進行軸上に遮蔽物を配置することを特徴とする請求項２または３記載の荷電粒子質量選別装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置において、さらに、前記交流電界形成電極と第２交流電界形成電極の組を２式以上直列に配置したことを特徴とする荷電粒子質量選別装置。
【請求項６】
前記出口スリットが２個以上のスリットを前記進行軸上に配列したもので構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置。
【請求項７】
前記荷電粒子進行軸上に前記荷電粒子を進行方向に加減速する加減速電極を設置したことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンやクラスターなどの荷電粒子を質量に基づいて選別する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定の粒子を種とする微結晶の成長や、空間中に隔離した状態で粒子と反応ガスを反応させる材料処理などにおいて、特定の質量を持った粒子を選択的に捕獲したり外部に取り出したりして利用する要請がある。特に複数個の原子分子が凝集してできるクラスターは特異な物理化学的挙動を示し、広い分野に亘る利用が検討されている。
【０００３】
ガスクラスター発生装置は、加圧ガスの供給を受けて原子質量が数１０００のクラスターを発生する。ガスクラスター発生装置で発生するクラスターでは凝集するガス分子の数は確率的に分布するので質量に幅があり、利用あるいは研究の対象とするためには、たとえば質量数すなわち質量に基づいて選別する必要がある。
質量に基づいた選別を行うにはクラスターをイオン化すると便利である。
ガスクラスター発生装置から放出されるクラスターは、イオン化電極を通して荷電粒子化した後に、適当な質量選別方法を用いて、質量にしたがって分別して利用する。
【０００４】
一般的に使用されている質量選別方法あるいは質量分析方法は磁場型、四重極電界型、飛行時間型などがあり、イオン化後に加速電極で加速したイオンクラスターを導入して、その速度によって分別するものが多い。
加速電極で電界を電荷に作用させて荷電粒子を加速すると、作用力は電荷で決まるので、粒子の質量が小さければ高速になり質量が大きければ低速になる。
【０００５】
磁場型質量選別装置は、セクターマグネットで発生する磁場の中に荷電粒子を通すもので、荷電粒子の運動方向と磁場の向きに垂直な方向に力が作用するため荷電粒子の軌道が偏向する。このとき、重い粒子は曲がりにくく軽い粒子は曲がりやすいため、取り出し位置あるいは磁場強度を調整することにより所望の質量の荷電粒子を得ることができる。
【０００６】
この装置は、設計が容易で、同じ質量の荷電粒子を連続的に取り出すことができるが、装置が大型化し重量化し、またビームの軌道軸と取り出し軸が角度を持つため他の装置との取り合いが複雑になる。さらに、質量が大きくなるほど単位増し分の全体質量に対する割合が小さくなるため、分解能が質量に逆比例するという問題もある。
【０００７】
四重極電界型質量選別装置は交流と直流電場を併用して作用させるもので、その１例が特許文献１に開示されている。特許文献１記載の装置は、図８に示すように、中心軸の周りに対称的に配置された４本以上の柱状電極からなる中心電極とこれらを取り囲む外部電極で構成し、柱状電極にはそれぞれ交互に位相の反転した交流電圧を与え、さらに中心電極と外部電極の間に荷電粒子を中心電極の方に移動させるような直流バイアスを与えるようにしたものである。
【０００８】
外部電極と中心電極の間に存在する荷電粒子は中心電極に集まる方向に移動し、一方、中心電極に引加される交流電圧により時間平均した交流電界強度が中心電極から距離の増大と共に減少するため、荷電粒子は中心電極から遠ざかる方向に斥力を受ける。この交流電界による斥力は、交流の周波数をｆ、粒子の質量をｍとすると、１／ｍｆ２に比例するので、荷電粒子の平衡位置は質量が大きいほど中心に近くなる。
【０００９】
そこで、電圧や周波数を調整すると、所定の値以上の質量を持つ荷電粒子を中心電極の内側に集めて、取り出すことができる。
四重極電界型質量選別装置も連続取り出しも可能で、低エネルギー領域では最も一般的に利用されるが、質量が大きくなるほど分解能が低下する。また、電極断面形状は高い製作精度が要求される。
【００１０】
また、飛行時間型質量選別装置は、運動する荷電粒子のエネルギーと電荷が等しいときには、質量の差は飛行速度の差として現れることを利用したものある。荷電粒子の進行方向に入り口と出口の電極を設置して、それぞれに直流電圧を印加して荷電粒子を遮断しておく。ある瞬間にある一定時間だけ入り口電極の電圧を切ると、荷電粒子が直進して出口電極に到達するので、２組の電極の間を飛行する時間に合わせて出口電極の電圧を切れば、所定の質量の粒子だけが出口電極を通過するので、質量選別をすることができる。
【００１１】
飛行時間型質量選別装置は、パルス時間幅を変更することで強度や分解能を簡単に調整することができる。また、簡単な装置構成でありながら任意の質量を有する粒子を選別することができる。しかし、選別が間欠的になり、選別された粒子の連続供給はできない。
【００１２】
【特許文献１】
特開２８６９５１７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、質量が大きくても選別力が低下せず、連続取り出しができる小型軽量な荷電粒子質量選別装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の荷電粒子質量選別装置は、交流電界形成電極と出口スリットを設けた交流電界形成部を備えたものであり、交流電界形成電極には質量選別しようとする荷電粒子が通過する時間の逆数の整数倍の周波数を持った交流電界を形成する。出口スリットは荷電粒子の進行軸上に配置され、質量選別された荷電粒子を出口スリットから回収することを特徴とする。
【００１５】
本発明の荷電粒子質量選別装置は、加速電極で加速した荷電粒子の速度は質量と対応があることに基づいて質量選別するものである。
交流電界形成電極内には荷電粒子の進行軸に垂直な方向に交流電界が形成されている。荷電粒子は交流電界形成電極中を進行する間に交流電界の作用を受けて進行軸に垂直の方向に加速度を生じるので、軌道が偏向し電極の出口で進行軸から偏倚すると共に進行軸に垂直の方向の速度成分を持つようになる。
しかし、荷電粒子が電極部を通過する間に整数周期分の交流電界を横切る場合は、作用を及ぼす電界成分が正負相等しいので電極出口における荷電粒子の進行軸に垂直の速度成分は相殺されてゼロになり、進行軸に平行な速度成分のみを有するようになる。
【００１６】
そこで、選別の目的とする質量を持った荷電粒子の速度を求めて、この速度で進行すると交流電界形成電極内でちょうど整数個の交流電界を経験するように交流電界周波数を調整する。すると、交流電界形成電極通過後、目的の荷電粒子は進行軸に平行に走行し、目的外の荷電粒子は進行軸に対して角度を持って走行するので、区別が可能となる。なお、選別目的の荷電粒子が交流電界形成電極に進入してくるときに交流電界の位相がゼロでなければ電極出口における荷電粒子の軌道は進行軸と離れるが、進行軸に平行の速度成分しか持たないことは同じである。
これにより、進行軸上にスリットを設けることで、選別目的の荷電粒子のみを取り出すことができる。
【００１７】
なお、交流電界の周波数が荷電粒子が電極を通過する時間の逆数に等しい値であるときが、交流電界の作用力が最も大きくなり、選別が容易になるので好ましい。また、交流電界の周波数が大きくて選別目的より高速の荷電粒子がちょうど交流電界の周期を整数倍通過するようになると、目的の荷電粒子との選別が困難になるので、このような現象を抑制する意味からも、目的の荷電粒子がちょうど交流電界１周期分を通過するような周波数を選択することが好ましい。
【００１８】
ところで、選別対象の荷電粒子は進行軸に平行に取り出されるが進行軸から離れたものも大量に存在するため、選別対象荷電粒子の一部しかスリットを通過しない。そこで、本発明の第２の荷電粒子質量選別装置は、上記の交流電界形成電極と同形状の第２の電極を下流側の進行軸上に設置する。なお、以下の説明において、初めの交流電界形成電極を第１交流電界形成電極と呼ぶことがある。
【００１９】
第２交流電界形成電極に形成する第２交流電界の位相を調整することで、第１交流電界形成電極で選別対象荷電粒子が経験する電界と全く逆の電界を経験するようにする。すると、選別対象荷電粒子は、第１交流電界形成電極を通過後に、進行軸を中心に分布が広がった状態で進行軸に平行に進行するようになり、電極間の間隙中を進行軸と平行に飛行して、第２交流電界形成電極内で形成している第２交流電界に進行軸と平行に進入する。選別対象荷電粒子は、第２交流電界の働きで再び進行軸の方向に収束し、第２交流電界形成電極を通過後、進行軸上に集約するので、選別対象荷電粒子の回収率を大幅に向上させることができる。
【００２０】
荷電粒子発生装置の条件によっては、たとえば目的とする粒子に対して整数の２乗倍の質量を有する荷電粒子など、飛行速度が整数分の１になるため交流電界を整数倍経験して、第１交流電界形成電極を出るときに進行軸と平行の速度を有するようになった選別対象荷電粒子以外の荷電粒子が含まれる場合がある。このような荷電粒子は、第２交流電界形成電極を出たところでも進行軸に平行な速度を持ち、選別目的の荷電粒子と混ざってノイズになる可能性がある。
そこで、本願発明は、第１交流電界形成電極と第２交流電界形成電極の間隙を調整できるようにすることが好ましい。
【００２１】
選別目的の荷電粒子が間隙の幅を飛行する時間だけ第２交流電界の位相を遅らせておくと、荷電粒子が第２交流電界形成電極に到着したときの第２交流電界は第１交流電界形成電極を出たときの第１交流電界の位相と丁度同じ位相状態になっている。
したがって、選別目的の荷電粒子は第２交流電界形成電極で第１交流電界形成電極で受けたと全く逆の作用を受けるので、第２交流電界形成電極を出たときには丁度進行軸の上に戻る。すなわち、選別目的の荷電粒子は第１交流電界形成電極に進入したときの位相にかかわらず、第２交流電界形成電極を出るときには全て進行軸の上に集まることになる。
【００２２】
また、選別目的外の荷電粒子は間隙を飛行する時間が異なりまた飛行方向が進行軸に対して角度を有するため、第２交流電界形成電極に到達したときに第２交流電界の位相が異なりまた第２交流電界形成電極内で履歴する電界がずれる。このため、目的外の荷電粒子が第２交流電界形成電極を出るときには進行軸上を軸に平行に走行することにはならない。
飛行速度が特別の関係にある荷電粒子は、第２交流電界形成電極を通過した後で進行軸に平行に進行するが、それらの進行軸からの分布の広がりは、第１交流電界形成電極と第２交流電界形成電極の間隙を調整することにより調整することができる。
【００２３】
すなわち、選別対象荷電粒子以外の荷電粒子は、第１交流電界形成電極を出たときの第１交流電界の位相と第２交流電界電極に到達したときの第２交流電界の位相が適合しないため、第２交流電界形成電極を出るときの荷電粒子の速度は進行軸と平行の成分しか持たないが、軸に垂直な方向に分布して進行軸上に集合することがない。
そして、進行軸に垂直な分布状態は、電極間の間隙と２つの交流電界の位相との関係を調整することにより変化する。出口スリットは進行軸に設けられるので、進行軸上を軸に沿って走行する荷電粒子のみが出口スリットを通過し、それ以外の荷電粒子はスリットを通り抜けることができない。したがって、電極間間隙を調整することにより出口スリットを通過する選別対象荷電粒子以外の荷電粒子の量を少なくすることができる。
なお、電極間間隙を変化させても、選別対象荷電粒子は必ず進行軸上に集約するように交流電界の位相差を調整すれば、選別対象荷電粒子の回収率が変化することはない。
【００２４】
こうして、選別目的の荷電粒子をそれ以外の荷電粒子から弁別して取り出すことができる。たとえばガスクラスター発生装置で発生するクラスターをイオン化して加速器で加速した場合には、クラスターの速度は質量に反比例するので、交流電界の周期に対応する速度を持った成分とその他の成分を弁別して目的の質量を持った成分を選別して供給することができる。
このように、本発明の荷電粒子質量選別装置によれば、所定の速度の荷電粒子を選別することにより、質量のそろった荷電粒子をほぼ連続的に供給することができる。
【００２５】
なお、第１交流電界形成電極と第２交流電界形成電極の間の間隙における荷電粒子進行軸上に遮蔽物を設けてもよい。
クラスター発生装置の条件によっては、目的とする荷電粒子と異なる質量を有するにもかかわらず荷電粒子質量選別装置の出口において目的粒子と同じような偏向速度と偏向位置を持つようになる場合がある。たとえば、目的とするクラスターより重いクラスターでは、飛行速度が遅いため交流電界を何周期分もくぐって、結局元の進行軸上に戻って選別装置から出力されるものも出現する可能性がある。
【００２６】
このような重い粒子では、交流電界形成電極の電界が軸に垂直な方向の加速度に与える作用が小さいので、進行軸からの乖離が大きくないものが多く、粒子は軸の近傍に集まることになる。また、目的とする荷電粒子は第１交流電界形成電極を出た位置でゼロ加速度状態となるが、交流電界形成電極に進入するときの位相差に従って、進行軸に垂直な方向に分布する。
そこで、軸上に遮蔽板や遮蔽ブロックなどの任意の形状の遮蔽物を設けて質量の大きい不純物を捕捉して除去すれば、目的とする荷電粒子の一部は遮蔽物に捕獲されるが殆どは後段の交流電界形成電極に進入するので、選別粒子の純度を向上させることができる。
【００２７】
また、出口スリットは、２個以上のスリットを進行軸上に配列して構成するようにしてもよい。
目的の粒子が偏向速度と偏位がない状態で、すなわち進行軸上で軸に沿って飛行して出口スリットに達して外部に取り出され、目的の粒子以外は交流電界形成電極の中で中心軌道から逸れて分離される。しかし、交流電界の波と速度の異なる目的外の粒子の中には複雑な軌跡を措いて出口スリットに到達するものもあり得る。出口スリットに入射する目的外粒子は、進行軸に沿って入射することはなく進行軸に戻った荷電粒子は必ずスリットに対して斜めに入射する。
したがって、２個以上のスリットを軸上に配置すれば、斜入射する粒子は後ろのスリットを通過できないので、最後のスリットは軸上を軸に平行な速度で入射したものしか通過せず、目的の粒子のみが分別されることになる。
【００２８】
さらに、進行軸上に荷電粒子を加減速する加減速電極を備えることが好ましい。
荷電粒子の選別には荷電粒子の速度が余り大きくない方が好ましい。一方、クラスターに何らかの反応を起こさせて利用するためには、選別したクラスターのエネルギーが高いことが好ましい。そこで、クラスターを加減速する加減速電極を選別後の位置に設けることが好ましい。なお、加減速電極は粒子選別に差し障りがない場合には、選別前や選別領域の中間位置に設置してもよいことはいうまでもない。
【００２９】
なお、第１交流電界形成電極と第２交流電界形成電極を組にして、複数組を進行軸に沿って配置すれば、質量選別の繰り返しにより選別の純度が向上する効果がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の荷電粒子質量選別装置を実施の形態に基づき図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係る１実施例の荷電粒子質量選別装置をガスクラスター装置と組み合わせてクラスターイオンをプロセシングしてターゲットに作用させるようにした装置を示すブロック図、図２は本実施例の荷電粒子質量選別装置の構成を示すブロック図、図３は荷電粒子質量選別装置の作用を説明する線図、図４は進行波の位相速度と同じ速度で飛行する荷電粒子について算出した軌跡を描いた図面、図５は飛行速度の異なる荷電粒子の軌跡図、図６は入り口側の進行波形成電極と出口側の進行波形成電極の間に遮蔽物を置いた場合を示す図面、図７は遮蔽物の効果を説明する図面である。
【００３１】
本発明の荷電粒子質量選別装置は、ガスクラスター発生装置と組み合わせて利用することにより、ガスクラスター装置の効用を高めてガスクラスター装置の応用分野をますます広げることになる。
ガスクラスター発生装置は、クラスター生成部１とイオン化加速部２と質量選別部３とプロセス部４を直列に配設したものである。クラスター生成部１は本体１１と本体出口に設けられたノズル１２とクラスタ生成部１の出口に設けられたスキマー１３を主要構成要素とする。２．５ａｔｍから４ａｔｍ程度の加圧ガスを本体１１に導入すると、ガス分子同士が擬集してクラスターを形成し、０．１ｍｍ程度の細孔の後で管径を徐々に拡大させたガラスノズル１１から射出して、スキマー１２で多数の分子が擬集したクラスターを選び取って射出する。たとえば、アルゴンガスをクラスター化するときには、原子量５００から１００００程度に凝集したクラスターを豊富に発生することができる。
【００３２】
イオン化加速部２にはイオン化電極２１と加速電極２２が設けられていて、クラスター生成部１から供給されるクラスタービームに含まれるクラスターをイオン化し、加速電極２２の電界により加速して質量選別部３に供給する。クラスターは通常１価の陽イオンを持ち、直流電界で加速されるため、質量に反比例する速度を持って質量選別部３に流入することになる。
質量選別部３には本発明に係る荷電粒子質量選別装置３１が備えられて、ここで、目的の質量を有するクラスターイオンが選別されプロセス部４に供給される。プロセス部４では選別されたクラスターに対して所望のプロセスが施され、たとえばターゲット４１に堆積するようになっている。
【００３３】
荷電粒子質量選別装置３１は、図２に示すように、第１交流電界形成電極３２と第１交流電源３３、第２交流電界形成電極３４と第２交流電源３５、および出口スリット３６を備える。第１交流電源３３は、第１交流電界形成電極３２に、目的とする荷電粒子が電極を通過する時間が交流電界の周期の整数倍、好ましくは１倍になるような正弦波Ａｓｉｎ（ωｔ）の交流電界を形成させる。
図３は、交流電界の関係を説明する図面である。上段のグラフは横軸に時間を取って第１交流電界形成電極３２における電界波形を示す。また、下段のグラフは第２交流電界形成電極３４における電界波形を示す。
【００３４】
目的の荷電粒子の速度をＶｔとし、第１交流電界形成電極（ＥＬ１）３２の長さをＬｅとすると、
１／ｆ＝Ｌｅ／Ｖｔ
となるようにする。ここで、ｆは波数で、ω＝２πｆである。
すると、荷電粒子は第１交流電界を１周期分くぐって電極を通過する。したがって、丁度第１交流電界がゼロの時に電極に到達した荷電粒子は、電界による進行軸に垂直の方向の力を正負同等に受けて電極の出口に達するので、出口における荷電粒子は進行軸上にあって進行軸に沿って飛行する。
【００３５】
周波数は、荷電粒子が交流電界の周期の整数倍くぐって電極を通過するようにしてもよい。ただし、荷電粒子がくぐる周期数が大きくなるほど、荷電粒子の軸に垂直な方向に移動させる交流電界の作用力は小さくなる。
また、第１交流電界と位相差をもって進入したときにも、速度が同じであれば、同様に電界による進行軸に垂直の方向の力が相殺して電極の出口に達するので、電極の出口における荷電粒子は進行軸から離れていても進行軸に平行に飛行するようになる。なお、荷電粒子が交流電界の整数周期分をくぐっても同様に出口で進行軸に沿って飛行するようになることは言うまでもない。
【００３６】
第２交流電界形成電極中で形成する第２交流電界は、第１交流電界と位相が逆になっていて、目的の荷電粒子が間隙を飛行する時間に対応するだけの位相差を持つ。間隙の幅をＤｌ、位相差をφとすれば、
φ＝ωＤ１／Ｖｔ＝２πＤ１／Ｌｅ
また、第２交流は、
−Ａｓｉｎ（ωｔ−φ）
で表される。
【００３７】
目的の荷電粒子が第１交流電界形成電極を出たときの第１交流電界の位相位置と、第２交流電界形成電極に到達したときの第２交流電界の位相位置は同じになるので、第２交流電界形成電極を出るときには、第１交流電界形成電極で受けた作用が逆位相の第２交流電界で丁度相殺されて、進行軸上に戻り軸に垂直な速度成分もゼロになっている。
【００３８】
図４は、選択対象の速度で飛行する荷電粒子について算出した交流電界形成部における軌跡を描いた図面である。いろいろな位相で第１交流電界形成電極に進入した荷電粒子は、電極内で受ける作用の差に基づいて電極を出るところで軸に垂直な方向に分布するが、速度は軸と平行な成分しか持たない。
各荷電粒子が間隙を飛行して第２交流電界形成電極に到達すると、第１交流電界形成電極を出たときの第１交流電界と同じ位相になった第１交流電界と逆位相の第２交流電界に進入する。したがって、第２交流電界形成電極内を走行する間に第１交流電界形成電極で受けた作用を丁度相殺して、電極を出るときには荷電粒子は進行軸の位置まで戻り、軸に沿ってスリットに向けて進行する。
一方、図５は、飛行速度の異なる荷電粒子の軌跡である。いずれも発散して元の軸に戻らない。
【００３９】
図６は、入り口側の第１交流電界形成電極３２と出口側の第２交流電界形成電極３４の間に設けた隙間に遮蔽物３７を置いた場合を示す図面である。
本実施例の交流形成部３１を用いると、特に大きなクラスターでは第１交流電界形成電極３２で形成する加速度が小さく進行軸から十分に離間しないで進行軸付近を走行する場合がある。遮蔽物３７は、このような進行軸に近い位置を飛行する粒子を遮蔽するものである。目的とする質量の粒子の大部分は遮蔽物３７を回避して第２交流電界形成電極３４に入射し電界の作用で再び進行軸に集まり、出口スリット３６を通って出力される。
【００４０】
図７は遮蔽物の効果を説明する図面である。図７（ａ）に遮蔽物がないときの選別された粒子の質量分布を示し、図７（ｂ）に遮蔽ブロックを軸上に据えたときの選別結果を示す。遮蔽ブロックがないときには目的とする原子量５０００のクラスターより擬集量の大きな粒子が不純物として大量に含まれるのに対して、遮蔽ブロックがあるときは原子量の大きなクラスターが著しく減少している。
遮蔽物は、板状でも塊状でもよい。またイオンの流路に沿わせた紡錘形のものを使用することもできる。
【００４１】
なお、図５から分かるように、目的外の質量の粒子も条件によっては出口スリット３６に入射して通過することがある。
そこで、図６に点線で表したように、同様のスリット３８をスリット３６と同軸に並べて配置することにより、直進する粒子のみを出力するようにすることができる。
【００４２】
選別目的の荷電粒子以外の粒子が出口スリット３６の位置で進行軸上にあっても、荷電粒子は軸に垂直な速度成分を持っているので、進行軸に沿って離れた位置にあるスリット３８を共に通過することができない。
従って、スリットを進行軸上に並べて設けることにより、目的外の質量の粒子を排除して選択性を向上させることができる。スリットは２個に限らず３個以上適当数を設けてもよいことはいうまでもない。
【００４３】
また、本実施例の進行波形成部は、図６に点線で表したように、進行軸上に加減速電極３９を設けてもよい。
本実施例の交流電界を用いた粒子の選別では電極内における電界の作用で選別するので、荷電粒子の速度が余り大きくない方が好ましい。一方、選別したクラスターに何らかの反応を起こさせて利用するためには、クラスターのエネルギーが高いことが好ましい。そこで、イオンクラスターを加減速する加減速電極３９を第２交流電界形成電極３４の後ろに設けて、選別後のクラスターを加減速して後の工程に供給できるようにしている。
なお、加減速電極３９は、粒子選別に差し障りがない場合には、第１交流電界形成電極３２の前や第１交流電界形成電極３２と第２交流電界形成電極３６の間に設置してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の荷電粒子質量選別装置によって、目的とする質量のクラスターを選択して高純度で分離できるようになったので、クラスター発生装置と一緒に使用することにより、特殊な結晶や材料の形成その他、広い分野において任意の質量のクラスターを簡単かつ大量に供給して利用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る１実施例の荷電粒子質量選別装置をガスクラスター装置と組み合わせた装置を示すブロック図である。
【図２】本実施例の荷電粒子質量選別装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本実施例における荷電粒子質量選別装置の作用を説明する線図である。
【図４】本実施例において目的とする質量の荷電粒子について算出した軌跡図である。
【図５】本実施例において目的外の荷電粒子について算出した軌跡図である。
【図６】本実施例において入り口側の進行波形成電極と出口側の進行波形成電極の間に遮蔽物を置いた場合を示す図面である。
【図７】本実施例における遮蔽物の効果を説明する図面である。
【図８】従来の荷電粒子質量選別装置の例を示す概念図である。
【符号の説明】
１  クラスター生成部
２  イオン化加速部
３  質量選別部
４  プロセス部
１１  クラスター生成部本体
１２  ノズル
１３  スキマー
２１  イオン化電極
２２  加速電極
３１  荷電粒子質量選別装置
３２  第１交流電界形成電極
３３  第１交流電源
３４  第２交流電界形成電極
３５  第２交流電源
３６  出口スリット
３７  遮蔽物
３８  スリット
３９  加減速電極
【図１】
2005071642.tif 000003
【図２】
2005071642.tif 000004
【図３】
2005071642.tif 000005
【図４】
2005071642.tif 000006
【図５】
2005071642.tif 000007
【図６】
2005071642.tif 000008
【図７】
2005071642.tif 000009
【図８】
2005071642.tif 000010