JP 6086587 B2 2017.3.1(57)【 特 許 請 求 の 範 囲 】【請求項１】
測定対象の物質をイオン源によりイオン化し、該イオンを加速器によって加速させ、該加速されたイオンを分別装置によって運動量及びエネルギーによる物質の分別を行う加速器質量分析による妨害核種分別方法であって、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせることによって、前記妨害核種を前記目的核種と分別することを特徴とする加速器質量分析による妨害核種分別方法。
【請求項２】
前記イオンは、前記加速器によって、測定対象物質に対応して予め定められた多価変換

10基準に従って加速変換されることを特徴とする請求項１に記載の加速器質量分析による妨害核種分別方法。
【請求項３】
前記イオンを単結晶薄膜に透過させることによって、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせることを特徴とする請求項
１又は２に記載の加速器質量分析による妨害核種分別方法。
【請求項４】
前記イオンを前記単結晶薄膜に透過させるときに、前記イオンの入射角度を前記単結晶
薄膜の単晶原子面と平行な平面内で調整することによって、前記イオンの目的核種及び妨
害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせるように、該イオンか

20

(2)

JP 6086587 B2 2017.3.1

らみた見掛け上の原子間隔ｄを調整することを特徴とする請求項３に記載の加速器質量分
析による妨害核種分別方法。
【請求項５】
前記単結晶薄膜は、前記加速器と前記分別装置との間に配置されることを特徴とする請求項３又は４に記載の加速器質量分析による妨害核種分別方法。
【請求項６】
前記目的核種と前記妨害核種が、それぞれ１ ０ Ｂｅと１ ０ Ｂ、３ ２ Ｓｉと３ ２ Ｓ、３ ６
Ｃｌと３ ６ Ｓ、４ １ Ｃａと４ １ Ｋ、及び５ ３ Ｍｎと５ ３ Ｃｒの組み合わせの何れかである
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の加速器質量分析による妨害核種分別方法
10。
【請求項７】
測定対象の物質をイオン化するイオン源と、該イオンを加速させる加速器と、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせる
手段と、前記加速されたイオンの運動量及びエネルギーによる物質の分別を行う分別装置とを有することを特徴とする加速器質量分析による妨害核種分別装置。
【請求項８】
前記加速器は、前記イオンを測定対象物質に対応して予め定められた多価変換基準に従って加速変換するものであることを特徴とする請求項７に記載の加速器質量分析による妨害核種分別装置。
【請求項９】

20

前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段は、前記イオンを透過する単結晶薄膜を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の加速器質量分析による妨害核種分別装置。
【請求項１０】前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段は、前記イオンを透過する単結晶薄膜と、該単結晶薄膜を安定に支持するための支持台と、該単結晶薄膜のイオン通過軸に対して３次元の位置調整を行うための位置決めステージとで構成される薄膜システムであることを特徴とする請求項９に記載の加速器質量分析による妨害核種分別装置。
【請求項１１】
前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段は、前記加速器と前記分別装置との間に配置されることを特徴とする請求項７〜１０の何れかに記載の加速器質量分析による妨害核30

種分別装置。
【請求項１２】
前記目的核種と前記妨害核種が、それぞれ１ ０ Ｂｅと１ ０ Ｂ、３ ２ Ｓｉと３ ２ Ｓ、３ ６
Ｃｌと３ ６ Ｓ、４ １ Ｃａと４ １ Ｋ、及び５ ３ Ｍｎと５ ３ Ｃｒの組み合わせの何れかである
ことを特徴とする請求項７〜１１の何れかに記載の加速器質量分析による妨害核種分別装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
加 速 器 質 量 分 析 （ Accelerator Mass Spectrometry 以 下 、 Ａ Ｍ Ｓ と 称 す 。 ） に お け る 分

40

析目的核種（以下、目的核種と称す。）と妨害核種の分別に関する。詳しくは、イオンビームを所定の入射角度で結晶薄膜に通した時に発生するコヒーレント共鳴励起の現象を利用して目的各種と妨害核種との電荷を異ならせることで分別性能を向上させる分析に関する。
【背景技術】【０００２】
一般的に、ＡＭＳの分析対象は、１ ０ Ｂｅ、１ ４ Ｃ、３ ６ Ｃｌ、５ ３ Ｍｎ等のごく微量の同位体（放射性核種であることが多く、さらに、宇宙線によって生成される核種である場合が多い）と安定同位体との比（通常１０− １ ０ 〜１０− １ ５ といった比となる）を測定する技術として利用されている。（非特許文献１、２、３）

50

(3)

JP 6086587 B2 2017.3.1【０００３】
加速器では、イオンに核子あたりＭｅＶ程度のエネルギーを与えることができるため、通常の質量分析では実現困難な次のような利点が得られる。（非特許文献１）
１）加速されたイオンを薄いガスや膜に通すと、分子イオンを壊すことができる。このため、分析する際に妨害となる同量分子イオンの影響を防ぐことができる。
２）イオンのエネルギーをエネルギー検出器により精密に測定することにより、イオンの同定ができる。
３）媒体中のエネルギー損失を測定することにより、同位体を分離することができる。
【０００４】
ただ、この方法は、サンプル中の極微量同位体の絶対量を求めることは不可能ではない

10が、その場合、様々な不確定要素によって精度は悪くなる。同位体比の測定の場合には、これら不確定要素の大部分は共通ファクターとしてキャンセルできるため、きわめて高精度の測定を実現することができる。とはいえ、その技術的な要は、極微量の目的核種を妨害核種からいかに分離して検出するか、にかかっている。
【０００５】
特に、目的核種と等しい質量をもつ安定した同重体が存在する場合、例えば、１ ０ Ｂｅ
に対する１ ０ Ｂ、３ ６ Ｃｌに対する３ ６ Ｓ、５ ３ Ｍｎに対する５ ３ Ｃｒ等、これらの同重体は目的核種の測定を著しく妨害する核種（妨害核種）となり、極微量の目的核種を妨害核種からいかに分離して検出するかが大きなポイントである。
20【０００６】
そのような妨害核種に対する従来の分別方法には大きく分けて２つの方法が用いられている。
１つは、重イオン検出器中のガスあるいはその前段に設置した薄膜と入射イオンの相互作用を利用する方法である。ガスあるいは薄膜の原子と衝突したイオンは、その運動エネ
ルギーを失うが、そのエネルギーの減衰は原子番号のおよそ２乗に比例する（ベーテの式）。入射イオンの原子番号の違いを利用するこの原理によって、通過した目的核種と妨害核種の運動エネルギーの間に差を作り出し、この差を持って両者を分別する。この方法を利用して分別機能を持たせた検出器は、その簡素な構造のため廉価であり最も広く使用されている基本的なものである。この方式の検出器は、一般的に分割電極型ΔＥ電離箱、あ30

るいは単にΔＥ検出器などと呼ばれる。
【０００７】
しかしながら、衝突が確率的に発生するため、衝突後のイオンの運動エネルギーのスペクトル幅が広がる現象（エネルギー

ストラグリング）が発生し、双方のスペクトルが重なり分別性能が制限される。この現象は、入射イオンの運動エネルギーが低いほど著しい。このため、より高い加速電圧を有する大形の加速器を用いて入射イオンの運動エネルギ
ーを高める方法をとる必要がある。さらに、原子番号が大きい核種ほど、双方の原子番号の相対的な差が小さくなるため、より高い加速電圧が必要になる。現状、同重体の有する核種に必要な加速器の加速電圧については、例えば、３ ６ Ｃｌの場合で最低６ＭｅＶ程度といわれている。５ ３ Ｍｎの測定では、その実用化に向けた試験において１０ＭｅＶ超の40加速器が使用されている。
【０００８】
もう１つの方法は、重イオン検出器を構成するガス容器を磁界中に置いたものであり、ガ ス フ ィ ル ド マ グ ネ ッ ト （ Gas Filled Magnet： Ｇ Ｆ Ｍ ） 方 式 と 呼 ば れ る 。 こ の 方 法 は 、ガス中を通過するイオンの平衡電荷が原子番号に依存することに基づき、磁界中の軌道半径が目的核種と妨害核種との間で異なるということを利用したものである。原子の分別能
力は、従来の型ΔＥ検出器に比べて２０倍程度高いことが知られている。しかし、第１の方法と同じように、ガス中の原子との衝突を利用しているため、本質的にエネルギース

トラグリングが発生し、これが分別性能を制限している。また、ＧＦＭ方式では、電離箱の前段に、この電離箱の大きさの１０倍程度の大きさを持つ電磁石を取り付けており、この 空 間 規 模 は １ ｍ ３ 、 重 量 は 数 tに 達 す る 。 そ の た め 、 こ の 導 入 に つ い て は 、 上 記 Δ Ｅ 検

50

(4)

JP 6086587 B2 2017.3.1

出器と比較して制限が著しく大きい。
【先行技術文献】【特許文献】【０００９】【特許文献１】特表２００８−５４１４０６号公報【非特許文献】【００１０】【非特許文献１】「加速器質量分析装置（ＡＭＳ）」

ＡＭＳ詳細｜日本原子力研究開発

機構青森研究開発センター【非特許文献２】「加速器質量分析の原理」
データベース

松崎浩之氏

放射線利用技術澄氏

放射線利用技術10

データ番号：０４０２９１【非特許文献３】「加速器質量分析法の進歩」
データベース

東京大学
東京大学

川面

データ番号：０４０１９８【非特許文献４】「イオンビーム工学（イオン・固体相互作用編）」

藤本文範、小牧研

一郎、内田老鶴圃１９９５第４章」【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【００１１】
前述の従来技術の問題点に鑑み、本発明は、ＡＭＳにおいて目的核種の分析を妨害する
同比電荷の同重体（以下、妨害核種と称す。）の分別を、低加速電圧加速器においても分20

別精度を向上させることを課題とする。
【００１２】
具体的には、ＡＭＳ装置において発生させたイオンビームを結晶薄膜に通し、そのときに 発 生 す る 「 コ ヒ ー レ ン ト 共 鳴 励 起 （ Resonant Coherent Excitation、 以 下 、 Ｒ Ｃ Ｅ と 称す。）」なる現象を利用し、目的核種あるいは妨害核種のみ電離段階を上げ、目的核種と妨害核種の比電荷を異ならせることによって、その後の電磁界による分別を容易にするものである。すなわち、エネルギーの差のみを作り出す従来方法と異なり、分別性能を阻害するエネルギー

ストラグリングの影響を本質的に排除するものである。

【課題を解決するための手段】【００１３】

30

本発明の第１の発明は、測定対象の物質をイオン源によりイオン化し、該イオンを加速器によって加速させ、該加速されたイオンを分別装置によって運動量及びエネルギーによる物質の分別を行う加速器質量分析による妨害核種分別方法であって、前記イオンの目的
核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせることによって、前記妨害核種を前記目的核種と分別する加速器質量分析による妨害核種分別方法である。
【００１４】
第２の発明は、前記第１の発明に付加して、前記イオンが、前記加速器によって、測定対象物質に対応して予め定められた多価変換基準に従って加速変換される加速器質量分析による妨害核種分別方法である。

40【００１５】
第３の発明は、前記第１又は第２の発明に付加して、前記イオンを単結晶薄膜に透過させることによって、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせる加速器質量分析による妨害核種分別方法である。
【００１６】
第４の発明は、前記第３の発明に付加して、前記イオンを前記単結晶薄膜に透過させる
ときに、前記イオンの入射角度を前記単結晶薄膜の単晶原子面と平行な平面内で調整することによって、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレン
ト共鳴励起を起こさせるように、該イオンからみた見掛け上の原子間隔ｄを調整する加速器質量分析による妨害核種分別方法である。

50

(5)

JP 6086587 B2 2017.3.1【００１７】
第５の発明は、前記第３又は第４の発明に付加して、前記単結晶薄膜が、前記加速器と前記分別装置との間に配置される加速器質量分析による妨害核種分別方法である。
【００１８】
第６の発明は、前記第１乃至第４の発明に付加して、前記目的核種と前記妨害核種が、それぞれ１ ０ Ｂｅと１ ０ Ｂ、３ ２ Ｓｉと３ ２ Ｓ、３ ６ Ｃｌと３ ６ Ｓ、４ １ Ｃａと４ １ Ｋ、及び５ ３ Ｍｎと５ ３ Ｃｒの組み合わせの何れかである加速器質量分析による妨害核種分別方法である。
【００１９】
第７の発明は、測定対象の物質をイオン化するイオン源と、該イオンを加速させる加速10器と、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少なくとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせる手段と、前記加速されたイオンの運動量及びエネルギーによる物質の分別を行う分別装置とを有する加速器質量分析による妨害核種分別装置である。
【００２０】
第８の発明は、前記第７の発明に付加して、前記加速器が、前記イオンを測定対象物質に対応して予め定められた多価変換基準に従って加速変換する加速器質量分析による妨害
核種分別装置である。
【００２１】
第９の発明は、前記第７又は第８の発明に付加して、前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段が、前記イオンを透過する単結晶薄膜を有する加速器質量分析による妨害核種20

分別装置である。
【００２２】
第１０の発明は、前記第９の発明に付加して、前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる
手段が、前記イオンを透過する単結晶薄膜と、該単結晶薄膜を安定に支持するための支持台と、該単結晶薄膜のイオン通過軸に対して３次元の位置調整を行うための位置決めステ
ージとで構成される薄膜システムである加速器質量分析による妨害核種分別装置である。
【００２３】
第１１の発明は、前記第７乃至第１０の発明に付加して、前記コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段が、前記加速器と前記分別装置との間に配置される加速器質量分析による
30

妨害核種分別装置である。
【００２４】
第１２の発明は、前記第７乃至第１１の発明に付加して、種が、それぞれ
１

Ｋ、及び

５ ３

１ ０

Ｂｅと

Ｍｎと

５ ３

１ ０

Ｂ、

３ ２

Ｓｉと

３ ２

Ｓ、

３ ６

前記目的核種と前記妨害核Ｃｌと３ ６ Ｓ、４ １ Ｃａと４Ｃｒの組み合わせの何れかである加速器質量分析による妨害核種分別装置である。
【発明の効果】【００２５】
本発明により、目的核種と妨害核種の関係である１ ０ Ｂｅと１ ０ Ｂ、３ ２ Ｓｉと３ ２ Ｓ、

３ ６Ｃｌと３ ６ Ｓ、４ １ Ｃａと４ １ Ｋ、５ ３ Ｍｎと５ ３ Ｃｒとの分別、測定を、５ＭＶ以下の加速電圧で行うことが可能であるため、大型の加速器を使用せず、小型の加速器と40することが可能性あり、安価な設備構成とすることができる。
また、５ＭＶ以上の加速電圧が印加可能な大型加速器の場合には、測定限界は従来技術に比較して１桁程度の測定限界を良くすることができ、測定精度を向上することができる。
また、結晶薄膜の安定な支持と該結晶薄膜のイオン通過軸に対する３次元の位置調整を行う位置決めステージとを採用することで、高精度に、かつ迅速に位置調整が可能である。
【図面の簡単な説明】【００２６】【図１】本発明のＲＣＥを利用した分別の概念を示す模式図である。

50

(6)

JP 6086587 B2 2017.3.1【図２】本発明のシステム機器構成の一実施例を示す図である。
【図３】本発明に使用するＲＣＥの発生メカニズムを示す図である。
【図４】本発明に使用する薄膜システムの位置決めステージの構成及びその配置を示す図である。
【図５】真空チャンバに載置したときの本発明の薄膜システムの動作を示す図である。
【図６】本発明による目的核種と妨害核種との分別方法を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】【００２７】
本発明は、測定対象の物質をイオン源によりイオン化し、該イオンを加速器によって加速させ、該加速されたイオンを分別装置によってエネルギーによる物質の分別を行う加速10

器質量分析による妨害核種分別方法であって、前記イオンの目的核種及び妨害核種の少な
くとも何れか一方にコヒーレント共鳴励起を起こさせることによって、前記妨害核種を前記目的核種と分別することを特徴とする加速器質量分析による妨害核種分別方法である。
さらに、加速器では、測定対象物質に対応して予め定められた多価変換基準に従って加速変換させるものである。
【００２８】
ここで、ＲＣＥについて、図３により説明する。
ＲＣＥは、イオンが結晶の原子列あるいは原子面と平行に入射する際にイオンがほぼ無衝突で結晶を通過する現象であるチャネリング状態において、その時通過するチャネリン
20

グイオンに属する電子が共鳴的に励起される現象である。
ＲＣＥを発生させるためには、まずそのチャネリング状態を作り出すことが必要である。図３には、イオンが左側から原子面にほぼ平行に入射した場合のチャネリング状態を描いている。ある入射角の範囲では、イオンは上あるいは下の原子面に近づくと結晶の原子とイオンの間に作用するクーロン斥力で反射する。したがって、上下の原子面の間を行き
来 し な が ら 結 晶 を 通 過 す る 。 な お 座 標 軸 の 方 向 に つ い て は 後 に 示 す 図 4に 記 載 し て い る 座
標軸の方向に一致させており、実際は、ｘは上下方向、ｙ軸は左右方向、ｚ軸はイオンの進行方向を示す。
【００２９】
このようなチャネリングが発生する入射角度の範囲（図３ではθ（ベクトルｖ０ をｙ−ｚ平面に射影したベクトルのｚ軸となす角度））は、加速器の仕様を基にすると、±０．

30２°程度と推定され、核種に対して大きな変化はない。したがって、角度の制御精度としては、その１／２０程度、すなわち０．０１°程度が求められる。チャネリングイオンは、図３のように原子面の間を進んでいるとき、結晶原子の電場の影響を周期的に受ける。
この周期電場は、イオンにとっては、光子を受けたことによる変動電場と同じである。光子エネルギーｈνがイオンの励起／電離エネルギーに等しくなると、イオンは共鳴励起／
電離する。一般的に、励起／電離エネルギーは元素やその励起状態、すなわち電子配置によって異なるため、着目した核種に対しＲＣＥを選択的に発生さることができる。したがって、目的核種あるいは妨害核種のどちらかの電離段階を上げることが可能となる。
【００３０】
ＲＣＥの発生・制御は、図３に示した入射角度φ（速度ベクトルｖ０ をｘ−ｚ平面に射40

影したベクトルのｚ軸となす角度）を調節することで行う。ＲＣＥの発生条件は前述のよ
うに、光子のエネルギーが電離エネルギーＥｉに等しくなることである。この条件は、近似的には、次の式（１）で表される。
Ｅｉ＝ｈ（ｖ／ｄ ）（１）

ここで ｈとｄは、それぞれプランク定数と原子間隔を表す。原理的には、加速器のエネルギーを変化させ速度ｖを調節し、式（１）を満足させてＲＣＥを発生することは可能であるが、加速器での速度変化に合わせてビームラインに沿った沢山の偏向機器の設定を変更する必要が生じるため非常に複雑となる。そこで、結晶の角度φを後述する薄膜シス
テムの位置決めステージで変化させ、イオンからみた見かけ上の原子間隔ｄを調節してＲＣＥを発生・制御する。

50

(7)

JP 6086587 B2 2017.3.1【００３１】
それらの構成は、図２に示すように、イオン創生装置１０としての測定対象物質の負イ
オンビームを作り出すスパッタ式のイオン源２、発生したイオンを磁力によって測定対象物質のイオンを選択する入射電磁石３、測定対象物質のイオンに静電界を用してイオンを加速するタンデム型加速器４、目的核種とその安定同位体を運動量の違いより選別する分析電磁石５、到達したイオンを電流値として計測するファラデーカップ６と、分別装置２０としての選択されたイオンと単結晶の結晶格子の位置調整によってＲＣＥを発生させる
薄膜システム２１、イオンビームを収束させ静電アナライザの分解能を向上させる磁気レンズ２２、入射したイオンが持つ運動エネルギーによって特定エネルギーを持つイオンを通過させる静電アナライザ２３、イオンの到着をパルス測定し到着数を検出する重イオン10

検出器２４、とからなる。このように、図２に示す各装置機器が、本発明の妨害核種分別方法を実施するためのシステム機器であるＡＭＳ装置１の基本構成となる。
【００３２】
本発明の概念を、図１の模式図を基に、分析対象の目的核種として３ ２ Ｓｉ、妨害核種として３ ２ Ｓ、加速器としてタンデム加速器の例を用いて説明する。
まず、イオン源によって目的核種の３ ２ Ｓｉをイオン化し３ ２ Ｓｉ− とする。このとき、好ましくない同重体である３ ２ Ｓも同時にイオン化され３ ２ Ｓ− となって混在することとなる。
【００３３】
つぎに、イオン化された３ ２ Ｓｉ− と３ ２ Ｓ− とを、加速器によって予め定められた多価変換基準にしたがい多価イオン、この例では５価のイオンである
５ ＋

３ ２

Ｓｉ

５ ＋

と

３ ２

20

Ｓ

に変換、加速させる。

【００３４】
つぎに、３ ２ Ｓｉ５ ＋ と３ ２ Ｓ５ ＋ を薄膜システムに入射させる。
薄膜システムに内蔵した結晶薄膜では、イオンが結晶薄膜の原子列あるいは原子面と平行に入射させ、ほぼ無衝突で結晶薄膜を通過する状態にすることで、通過するイオンにＲＣＥを発生させる。
本例では、３ ２ Ｓ５ ＋ にＲＣＥを発生させることで電離段階が１つ上昇し３ ２ Ｓ６ ＋ となる。一方、３ ２ Ｓｉ５ ＋ はチャネリングのみ発生し、その電離段階を保ったまま結晶薄膜を通過する。

30【００３５】
さらに、静電アナライザ（静電分析器）によって、従来技術では比電荷の同じものの分
別はできなかったが、ＲＣＥを発生させることにより目的核種あるいは妨害核種の電離段階が増加することから、目的核種と妨害核種の電離段階の差を検出し、妨害核種である３２Ｓ６ ＋ を除去する。最後にイオン検出器によって目的核種の３ ２ Ｓｉ５ ＋ を検出する。

【００３６】
本発明を実施するためのＡＭＳ装置の構成について、図２に示す各構成機器の要点を下記の表１にまとめ、本発明の特徴となる点を太枠網掛けで示した。以下その内容を説明する。
【００３７】40

(8)JP 6086587 B2 2017.3.1

【表１】

10

20

30

40

【００３８】
イオン創生装置１０の加速器４では、イオン源２から加速器に入射した負イオンを数Ｍ
ｅＶまで加速し加速器中央のストリッパーと呼ばれる装置において正イオンに変換する。
正イオンの価数の選択は、予め定められた多価変換基準に従う。すなわち、目的核種とその妨害核種のイオン半径および＋１ｑの電離電圧との間に可能な限り大きな差を与える電離段階（例えば、Ｈ様とＨｅ様、あるいはＮａ様とＮｅ様など）に成らしめることが分別

50

(9)

JP 6086587 B2 2017.3.1

効率を高める上で重要である。したがって、加速電圧は、その基準を満たす電離段階に効率よく変換し得る値であることが所望される。実際には加速器の規模により最大加速電圧が制限されるが、この場合、出力可能な電圧範囲より、上記変換基準に合うような電離段
階を定めることになる。一方、ＲＣＥ現象を際立たせようとする観点からは、ＲＣＥを発生させる単結晶薄膜において同時に発生する確率的相互作用（入射イオンと価電子との衝突）を可能な限り低減させるため、加速電圧は高いほうが望ましい。また、加速器で加速されたイオンの速度が、入手しやすい信頼性の高い単結晶の格子間隔でＲＣＥが発生可能であるという条件も課せられる。以上を総合的に考慮して加速電圧が選択される。
【００３９】
分別装置２０の薄膜システム２１は、入射するイオンの位置と薄膜システム２１に内蔵10する単結晶薄膜２１１の結晶格子の位置を３次元で位置調整し、目的核種イオンあるいは妨害核種イオンのいずれかのイオンにＲＣＥを発生させる。すなわち、イオンをチャネリング状態に保持し、かつ、単結晶薄膜２１１内でイオンが感じる周期電場の周波数を調整
し、ＲＣＥを発生させる状態となるようにする。
【００４０】
静電分析器２３は、従来技術で比電荷の同じものの区別はできなかったが、本発明では、いずれか一方にＲＣＥを発生させると、ＲＣＥを発生させた核種の電離段階が変わることから、目的核種イオンを選択抽出でき、次の重イオン検出器における妨害核種イオンの検出を防止することができる。例えば、図１に示すように、従来技術では３ ２ Ｓｉ５ ＋ と
３ ２

Ｓ５ ＋ の区別はできなかったが、本発明によって３ ２ Ｓ５ ＋ にＲＣＥを発生させるとはそのままで３ ２

選択抽出できるようになる。

３ ２

、

３ ２

Ｓｉ

５ ＋

Ｓ

５ ＋

Ｓｉ

が

５ ＋

３ ２

と

Ｓ

３ ２

６ ＋

Ｓ

20

となることから、目的核種イオンを５ ＋との組合せを含めて、ＲＣＥの発生によって区別できる核種イオンの組合せの例を下記の表２に示す。表２において、ＲＣ
Ｅ発生の欄に（◎）の符号が付されている核種イオンがＲＣＥを発生する。
【００４１】【表２】30【００４２】
このように、あらかじめ定められた多価変換基準に従って、目的核種イオンあるいは妨
害核種イオンのいずれかにＲＣＥを発生させるように薄膜システムでの位置調整を行うことによって、低電圧の加速器の採用、ならびに妨害核種を除去した高精度の目的核種の質量分析が実現できる。

40【００４３】
本発明で使用する薄膜システム２１の構成について説明する。
薄膜システム２１は、コヒーレント共鳴励起を起こさせる手段であり、イオンを透過す
る結晶薄膜と、該結晶薄膜の安定な支持と、該結晶薄膜のイオン通過軸に対する３次元の位置調整を行う位置決めステージとで構成する。
【００４４】
結晶薄膜の材質は、Ｓｉ、ＡｇおよびＡｕのいずれかで、好ましくは単結晶薄膜であり、厚さは０．２〜１．０μｍで構成する。結晶薄膜がその厚さを増すことによってイオンを感じる周期電場の回数が増えＲＣＥが明瞭になる、一方、厚みを増すことによって結晶内の価電子との確率的相互作用が増加しＲＣＥが不明瞭となる相反する影響を考慮して適

50

(10)

JP 6086587 B2 2017.3.1

宜決定する。
【００４５】
図４に本発明で使用する薄膜システムの位置決めステージの構成及びその配置を、また、図５に真空チャンバに載置したときの本発明の薄膜システムの動作を示す。
【００４６】
位置決めステージは、図４のｘ−ｙ平面で示すように、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．
４ｍｍのフレーム２１２に、結晶薄膜２１１を取り付けて結晶薄膜アセンブリ２１３とし、該結晶薄膜アセンブリ２１３を薄膜ホルダ２１４にストッパ２１５を介して保持する。
その後、位置決めステージ２１６に取り付け薄膜システム２１とする構成である。
10【００４７】
さらに、薄膜システム２１の載置は、図５のｘ−ｚ平面で示すように、ファラデーカッ
プ６の下流側に配設したイオンが通過する真空チェンバ２１７に載置する。なお、ｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれは図３に記載のｘ、ｙ、ｚ軸と同じである。

この薄膜システム２１は、ｚ軸をφ、ｘ軸をθ、ｙ軸をωとして角度の調整を行い、チャネリングとＲＣＥの発生に適した状態を実現する。
【００４８】
つぎに、単結晶薄膜を通過したイオンに見られるＲＣＥおよびチャネリング影響についてエネルギースペクトルを用いて説明する。
図６は、目的核種に対してＲＣＥを発生させた場合の、薄膜システム２１を通過後（すなわちＲＣＥ発生後）の目的核種および妨害核種のエネルギー分布関数の概念図である。

20【００４９】
図６では、入射粒子のエネルギーを基準（０）としたとき、いわゆる結晶薄膜に入射する前のエネルギー分布関数を破線で描いている。さらに目的核種のイオンが結晶薄膜を通ると、図６（ａ）に示すように、その多くはＲＣＥにより電離段階が一つだけ上昇し、実戦で示す＋１ｑの分布関数をもつようになる（現象〈１〉）。これと同時に、その電離や結晶に付与するエネルギー損失により、平均エネルギーは低下する（現象〈２〉）。さらに、エネルギー

ストラグリングも発生し、分布関数は広がる（現象〈３〉）。一方、妨害核種についても現象〈１〉〜〈３〉が発生するが、現象〈１〉については、ＲＣＥの発生条件が大きく異なるため、図６（ｂ）に示すように目的核種と比べ極めて小さくなる。
【００５０】

30

結晶薄膜を透過した後に、目的核種に合わせたエネルギー選別を行うが、このエネルギ
ー範囲に混入する妨害核種の粒子数によって分別性能が決定される。ここで、図６に示す
検出領域は、測定の目的により随時変更が可能である。図６の縦軸は対数表示であり、見かけよりは目的核種に対する妨害核種の混入する比率は非常に小さくなる。
なお、この図６の検出領域の設定については、静電アナライザ２３への印加電圧及び通過幅の設定に応じて最適化して行う。
【００５１】［実施例］
本発明の実施例として、１ ０ Ｂｅ、３ ２ Ｓｉ、３ ６ Ｃｌ、４ １ Ｃａについての分別測定
を、タンデム型加速器およびＳｉ単結晶薄膜を使用して、イオン半径、＋１ｑの電離電圧

40、ＲＣＥに関する公知の実験事例（非特許文献４）等に基づき、質量分析結果の推定を行った。その結果を下記の表３に示し、本発明と従来技術とを併記して両者の差異を明確にした。ここで、本発明の欄に示す「１．代表的な加速電圧」とは、最高５ＭＶの加速器を持つＡＭＳ装置において本方法を適用した場合の、上記多価変換基準に従った電離段階への変換効率を有効に高めるために使用した加速電圧を意味する（この目的において最高電圧５ＭＶ超が望ましい場合、実際には加速電圧の安定性も考慮され、本表にあるように最高電圧の９０％程度が使用される）。一方、従来技術の欄に示す「１．代表的な加速電圧」とは、該当する核種の測定において広く用いられる加速電圧を意味する。その多くの場
合、加速電圧は４ＭＶ程度から１０ＭＶ程度に渡るが、本表では、本発明と従来技術との比較を容易にするため、従来技術の欄の左列に、本発明の代表的な加速電圧５ＭＶに近い

50

(11)

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場合の結果を記載している。また、参考のため、その右列には加速電圧が高い場合や加速
電圧が５ＭＶ程度であっても付加的な分別機能の追加により検出限界を低減（向上）している場合（１ ０ Ｂｅの場合に該当）を付記している。表３より、一般に、加速電圧が高いと検出の測定限界が低減されることが理解される。
【００５２】
次に、「４．測定限界」とは、同位体比（ここでは、目的核種の単位時間当たりの検出数と、ＡＭＳ測定で同時に得られる安定核種の単位時間当たりの検出数との比）でもって規定される量であり、妨害核種による誤った検出で制限される同位体比の下限（すなわち、有意な同位体比を与える下限）を示したものである。したがって、検出の測定限界は、低い値ほど妨害核種の分別性能が高くなることを意味し、分析精度の高さを表す指標とな10っている。本発明と従来技術との間で測定限界を比較する場合は、本発明の代表的な加速電圧である５ＭＶに近い値で両者の対比を行うことに意味がある。そのため、従来技術については、左列に記載する測定限界（下線で表示）を比較対象とした。この従来技術の測定限界の値は、丸め幅を５とした。
【００５３】
表３に示す「３．分別方法」については、本発明の場合、分別機能を備えた最も基本的な検出器（ΔＥ検出器）の前段にＲＣＥ方式を連結したものとした。ただしＢｅ測定の場
合のみ、従来技術との比較を容易にするため、従来技術の分別方法（ガスセル＋ΔＥ検出器）をベースとした。ガスセル自体は簡素な構造を持ち、ΔＥ検出器と同様に多用される
ため、基本的な検出機器として位置づけられる。なお、本方式の併用については、従来の分別技術の内、薄膜アブソーバを使用する方式を除いて競合する技術はなく、例えば、本方式とＧＦＭとの連結も可能である。この場合、ＧＦＭを単独に使用した場合の検出限界
よりも有意に低い検出限界が得られると見込まれる。
【００５４】

20

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【表３】

10

20

30

【００５５】
表３に示すように、１ ０ Ｂｅでは、ＲＣＥを水素様１ ０ Ｂｅ３ ＋ に発生させる。比較対象の従来技術（ガスセルとΔＥ検出器）に対して、測定限界を一桁近く低減できる。この値は、従来技術の右列に示す薄膜アブソーバ方式に匹敵するが、この薄膜アブソーバ方式
では薄膜の後に分析電磁石（上記の段落［００３１］に記載）と同規模の電磁石を併用する必要がある。したがって、同程度の測定限界を得る場合、本発明は、薄膜アブソーバ方式と異なり、容量・重量ともに大きい付加的機器を除去することができる。

40【００５６】
３ ２

Ｓｉでは、ＲＣＥをＮａ様３ ２ Ｓ５ ＋ に発生させる。したがって従来技術に対して、価数を＋７価から＋５価とすることができる。価数が小さくなるほどその価数へ変換する最も高い効率を与える加速電圧は低下するため、価数の低下により加速電圧を必然的に低減することができる。ただし、比較対象については、従来技術において５ＭＶ以下でＳ
ｉ測定が実施された例はなく、従来技術の左列で示すように６ＭＶであり、さらにＧＦＭを使用した場合となる。そのため、他の核種に比べ精密な比較は難しくなるが、本発明における検出限界は、ＧＦＭを使用せずとも従来技術のそれに匹敵すると期待される。ＧＦ
Ｍを使用する必要がない本発明は規模縮小に大きく役立つ。なお、前述の通りＧＦＭと本方式を連結することも可能であり、この場合さらに低い測定限界が得られると期待できる

50

(13)

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【００５７】
３ ６

Ｃｌでは、ＲＣＥをＮａ様３ ２ Ｃｌ６ ＋ に発生させる。従来技術に対して、価数を＋７から＋６価とすることができ、前述と同じ理由により加速電圧を低減することができる。測定限界については、従来技術であるＧＦＭを使用せずとも、それと同程度の値が得られる。ＧＦＭが不必要になる利点は３ ２ Ｓｉ測定の場合に同じである。
【００５８】
４ １

Ｃａでは、ＲＣＥをＳｉ様４ １ Ｋ５ ＋ に発生させる。検出限界は従来技術と比較し有意に低減できる。ただし、４ １ Ｃａあるいは４ １ ＫのどちらかをＮａ様の電離段階に高効率で変換する場合は、加速電圧が５ＭＶをはるかに超える（従来技術１１ＭＶにおける

10＋８価の４ １ Ｋ８ ＋ がＮａ様となる）。このため、本発明によるＲＣＥの分別効果は、これまで述べた核種の分別効果と比較して高く望めない。当クラスのＡＭＳ装置においてＮａ様の電離段階に変換させるためには、薄膜システムの入射前にセカンドストリッパーと呼ばれる薄膜と電磁石をビームラインに組み入れ、イオンの薄膜通過によっていろいろな
高い電離段階に変換されたものから、Ｎａ様になっている電離段階の核種をその電磁石で選別する必要がある。とは言え、従来技術の１１ＭＶの場合において本方式を適用すれば、上述の通り４ １ Ｋ８ ＋ がＮａ様となり、これにＲＣＥを発生させることにより、本方式を効果的に用いることが期待でき、測定限界の数値が有意に低下し、精度の向上が期待できる。
【００５９】
５ ３

20

Ｍｎについては、従来技術で使用される加速電圧が１０ＭＶを超えるものしか存在せず、比較に用いた加速電圧に対し著しく高く、本発明の代表的な加速電圧５ＭＶ程度における測定限界の対比は困難であるため、本表に掲載しなかった。しかしながら、５ ３ Ｍ
ｎについても本方式を従来技術に上乗せすることにより４ １ Ｃａ測定の場合と同様、測定限界の数値低減に対し有利に働くと考えられる。
【００６０】
以上のように、本発明は、比較の一例として加速電圧５ＭＶ程度の下でΔＥ検出器による基本的な分別方法をもつ従来技術に対して、さらに本方式のＲＣＥを上乗せした場合、
従来技術よりも検出限界を数分の１未満に低減できる。これは、上述の段落［００５１］に記載したように一般に加速電圧が高いと検出限界の数値が下がることを踏まえると、本30

発明は、同程度の測定限界を得る場合、従来よりも加速電圧を低減できるという効果を奏する。次に、同程度の加速電圧でＧＦＭに代表される付加的な分別機能が備わる従来技術と比較した場合、本発明は、従来技術の検出限界と同程度の値を与える。これは、検出部の重量・容量を数倍大きくするＧＦＭなしで同程度の分別効果が得られるというところに意義がある。また、加速電圧が１０ＭＶ程度を超すような大型のＡＭＳ装置に本発明を適用すれば、検出限界の向上に対する一定の効果が得られる。
【符号の説明】【００６１】
１‥‥ＡＭＳ装置
２‥‥イオン源

40

３‥‥入射電磁石
４‥‥加速器５‥‥分析電磁石
６‥‥ファラデーカップ
１０‥‥イオン創生装置
２０‥‥分別装置
２１‥‥薄膜システム
２２‥‥磁気レンズ
２３‥‥静電アナライザ
２４‥‥重イオン検出器

50

(14)
３０‥‥制御装置
３１‥‥多価変換基準
２１１‥‥結晶薄膜
２１２‥‥フレーム
２１３‥‥結晶薄膜アセンブリ
２１４‥‥薄膜ホルダ
２１５‥‥ストッパ
２１６‥‥位置決めステージ
２１７‥‥真空チェンバ

【図１】

【図３】

【図４】
【図２】

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(15)
【図５】

【図６】

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(16)JP 6086587 B2 2017.3.1

フロントページの続き(56)参考文献 米国特許第０５７８３８２３（ＵＳ，Ａ）
Masanobu Nakamura et al.，Accelerator mass spectrometry at the Kyoto University tandem
accelerator，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，１９９７年，Vol.1
23，pp.43‑46
C.D. Moak et al.，Resonant coherent excitation of channeled ions，Physical Review A，
１９７９年 ３月，Vol.19, No.3，pp.977‑993
東俊行，結晶場による相対論的重イオンのコヒーレント共鳴励起の観測，日本物理学会誌，２００１年，Vol.56, No. 7，pp.502‑509
樽本洋，イオンチャネリング現象を利用した材料解析，放射線と産業，１９９１年 ６月 １日，vol.50，pp.50‑55(58)調査した分野(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ２７／６０−２７／７０
２７／９２
Ｈ０１Ｊ２７／００−２７／２６
３７／００−３７／１８
３７／２１
３７／２４−４９／４８
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＣｉＮｉｉ
Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ