Method and apparatus for coherent cluster formation

【発明の詳細な説明】 発明の背景 （ｉ）発明の分野 本発明は、コヒーレントクラスタ形成のための方法及び装置に関する。

（ii）従来の技術 低温状態の下では、気体は液体に凝縮され、更に固体になるよう凍結される。 ノズルから発射される分子又は原子ビームでは、温度が急激に低下する。 原子又は分子は、クラスタ（群）を形成するように互いにくっつく。
原子又は分子の数Ｎが100よりも大きい時には、それらの原子又は分子のクラスタは、超微粒子と呼ばれる。 これらの粒子は、極微と巨視の世界の境界に位置しており、盛んに研究されている。 これらの研究は、Physics
and Chemistry of Small Clusters（NATO ASI Series
B:Physics.Vol.158）、著者がP.Jena,BKRao、及びS.
N.KhanaであるPlenum,（NY1987）、著者がS.Sugano,
S.OkinishiであるMicroclusters（Spring−Verlag,Toky
o 1987）,Surface Science 156のPart 1及びPart 2（1
985）,Surface Science 106 （1981）,J.Phys.（Paris）
Ｃ−２（1977）、及びChobiryshi−Science and Applic
ations（Kagakusosetsu）（Chemical Review）Vol.48,C
hemical Society of Japan Tokyo（1985）に述べられている。

本発明の簡単な説明 本発明の第１の態様では、クラスタを発生させ、少なくともそのクラスタのうちのいくつかはコヒーレントになるようにする、コヒーレントクラスタを形成するための方法が提供される。

「クラスタ（群）」という言葉の意味は、複数の原子又は分子が一緒になった集合である。 典型的なクラスタは、数十個から数百個、更には数千個の原子又は分子で構成されている。

更に本発明は、クラスタを発生させる手段及び少なくともそのクラスタのうちのいくつかはコヒーレントであるようにするためのコヒーレンス誘導手段を備えたコヒーレントクラスタ形成のための装置も提供する。

本発明の方法及び装置により、クラスタビームを適当に制御することで、コヒーレントクラスタビームとして形成することができる。 この説明における「コヒーレントクラスタ」という言葉は、このクラスタの中の少なくともいくつかの原子又は分子がコヒーレントであることを意味する。 すなわち原子又は分子は、同一の量子状態にあり、同一の波動関数により表現される。 よってこの意味でのコヒーレントクラスタビームは、クラスタのうちのすくなくともいくつかがコヒーレントであるものである。 しかしながらこのことは、前記の量子状態が各クラスタに対して同一であるという意味においてこれらのクラスタが互いにコヒーレントであるということではない。 一般的に原子又は分子はボソンである（それぞれ整数のスピンを有している。）。

本発明の一つの態様では、ビームは誘導散乱のメカニズムによりコヒーレントにされる。 誘導散乱により、異なるコヒーレントクラスタ内の原子も同一のエネルギモーメントを有するような同一の量子状態になるという意味で、クラスタは互いにコヒーレントになる。

コヒーレントクラスタは、高圧力ガスのノズルを通過することにより、ノズルの出口のより出て、圧力の低い領域内に形成される。 コヒーレントクラスタは、中性、
正帯電、又は負帯電のいずれの状態のものもある。 正帯電されたクラスタは、形成されたビーム内の電子ビーム又は他の帯電粒子の衝突により形成することができる。
負帯電クラスタは、電子の回りの自由膨張階段中の核形成過程により形成される。 これらの電子は、レーザからの光によって起される光電効果によって発生させることができる。

図面の簡単な説明 本発明は、付属の図面を例として参照することにより更に説明される。

第１図は、本発明に基づくコヒーレントなヘリウムクラスタビームを形成するための装置の図であり、 第２図は、本発明に基づく負帯電クラスタビームを形成するための装置の図である。

詳細な説明 まず第１にこれから説明する二つの典型的な装置のうちの第１の装置においては、一般に初期のヘリウムガスは、例えば４°Ｋの温度で一気圧の高い圧力に保持されている。 次にこの気体は、ノズルを通して真空中に拡散される。 このヘリウムガスの拡散により、ガスの温度は即座に２°Ｋ以下に低下させられる。 ヘリウム原子は、
凝縮してクラスタを形成する。 クラスタのうちのいくつかは、一度臨界温度2.1°Ｋ以下に温度が低下すると、
コヒーレントなヘリウム原子を構成する。 これにより噴出流状のコヒーレントな中性クラスタビームができる。

通常の場合、温度が一度臨界温度以下に低下すると、
液体ヘリウムは超流動体成分を有するようになる。 今回の場合もこれに類似している。 違いは、コヒーレントクラスタがビームを形成し、種々の目標物に向けることができるという点である。

ヘリウム原子の異なるクラスタも、種々のクラスタ中の誘導された散乱のため、同様のコヒーレント状態になるということもかなり起きており、これは国際出願PCT/
AU86/00212号の明細書中に説明されたメカニズムに類似した形で起きている。

散乱工程は以下の通りである。

He（ｐ）＋He _m （ｐ′）＋He _n （ｐ）→He（ｋ′）＋He _n
（ｐ′）＋He _m （ｐ′） 一個のヘリウム原子は、それぞれ運動量ｐであるｎ個のヘリウム原子で形成されている一個のHe _nクラスタで散乱される。 保存の法則を満足するため、He _n （ｐ）は散乱されて、近くのヘリウムクラスタHe _m （ｐ′）として同一の最終運動量ｐ′を有するHe（ｐ′）になる可能が最も高い。 ヘリウムクラスタHe _m （ｐ′）は、それぞれの原子が運動量状態ｐ′を有している。 これらのコヒーレントクラスタの残りの構成においては、コヒーレントクラスタはビーム空間全体にわたって形成された液滴内の起流動液体としてふるまう。 すなわち、 He _n ′（ｐ′）＋He _n2 （ｐ′）＋…He _nf （ｐ′） これらのコヒーレントクラスタは、二種の方法で測定できる。

（Ａ）これらのコヒーレントクラスタ内のエネルギの広がりΔE _Cは、ビームの温度よりもはるかに小さい。 すなわちΔE _C ≪Ｔである。

中性クラスタビームのエネルギの広がりは、電子ビームでビームをイオン化することにより測定できる。 そして帯電されたクラスタは加速され、飛翔時間方法により速度が検出される。

（Ｂ）レーザでの散乱。 PCT出願PCT/AU86/00212号に言及されているように、ヘリウムとフォトンの二つのコヒーレントビーム内の誘導散乱断面は、 nHe（ｐ′）＋ｍγ（ｋ）→nHe（ｐ′）＋ｍγ（ｋ′） であり、個々のヘリウム原子とフォトン内のものよりn!
m!の係数分、すなわちはるかに大きい。 それゆえコヒーレントクラスタビーム上にレーザ光を照射することにより、コヒーレントでないクラスタビーム上にレーザ光を照射する場合より、はるかに強い散乱フォトン浸漬を検出することが可能である。

水素クラスタイオンは、弱イオン化された純水素ガスの自由噴出拡散により形成される。 この動作は、RJBe
uhlerとL.Freidmanにより著わされた文献「Cluster Io
n Formation in Free Jet Expansion Processes
at Low Temperature」、Ber.Bunsenges Phys.Che
m.88,265−270（1984）,J.Chem.Phys. 77 ,2549（198
2）、及びJ.Chem.Phys. 78 ,4669（1983）に説明されている。 Heと供給源ブロックの温度が17°Ｋで初期圧力P ₀ ＝
18cmにおいて、水素クラスタイオンは、10,000の単位の
m/e値を有する狭い質量分布で形成される。

種イオンを与えることで核形成が補助され、その場合にはより大きな形状のクラスタが形成される。

イオンを発生させるため、マイクロ波放射がイオン発生のため使用されても良い。 アーク放電を使用することも可能である。 これら両方の方法とも、液体ヘリウム温度環境に対して、許容できない熱源ができたことになる。 しかしながら電子ビームの衝撃によりノズルのすぐ外側にイオンを形成することができる。 ノズルのすぐ外側に生成されたイオンは、自由噴出拡散の間中性分子と一緒に冷却される。

コヒーレントイオンクラスタビームは、より高いエネルギまで加速可能であるため、コヒーレント中性クラスタより望ましい。 それゆえコヒーレントイオンクラスタビームは、他のコヒーレント中性ビームよりはるかに利点がある。 可視光レーザ放射は四半世紀以上前に可能になったが、Ｘ線領域でのレーザ放射を行なわせることは非常に難しい。 コヒーレントイオンクラスタビームに対して、粒子当りのエネルギを増加させることは難しくない。 これは直線加速器内で他の帯電ビームと同様に加速できるためである。

ヘリウムのコヒーレントクラスタビームを発生させるための装置は、第１図にその詳細が示されている。 低温槽10が、液体ヘリウム15を貯蔵するために使用される。
液体ヘリウムガスは、チューブ12を通じて室14内に蒸発し、その室内でヘリウムガスはほぼ大気圧の圧力で液体ヘリウム温度４°Ｋの温度に保たれる。 ノズル16は、低温槽の窓に位置しており、ヘリウムガスはノズル16を通じて真空室25の外側に自由拡散する。 電子ビーム源29
は、液体ヘリウムイオンがノズル16から出る際に、液体ヘリウムイオンに衝撃を与えるように電子のビーム31を向けるように働く。 ノズルからある距離にある一組のスキーマ20は、ビームの方向を決定すると同時に、ノズルから放出されるクラスタビーム27を平行にするように働く。 ソレノイド22は、ビームの外側に軸方向にビームを囲むように位置しており、イオンクラスタビームを制限している。 いずれにしても、ビーム27は、室25内へ開口を通って入る。

制限するという考え方は、中性の粒子が拡散して冷えることができるように、イオンクラスタの密度を維持することである。 中性原子及びイオンクラスタ内の衝突は、イオンクラスタを冷却する。 イオンクラスタは拡散後に、より温度低下することはないが、中性原子との衝突により冷却される。

別の装置では、負帯電したコヒーレントクラスタビームを発生することができる。 この装置は、第２図に概略が示されている。 この装置の部分は、第１図に示した装置と同様であり、参照番号は第１図と第２図で同じ要素を示している。 液体ヘリウム温度の４°Ｋに近い温度で一大気圧の圧力であるHeガス源（図示せず。）も同様にある。 ガスはノズル16を通り、ノズルの外側の真空室（図示せず。）に自由拡散する。 違いは、この場合はノズルが金属でできており、電子源としても働くように配置されていることである。 そしてレーザ28が備えられ、
周波数ωでレーザ光ビーム32を発生し、その光はミラ33
を経由して、ノズルの外側表面に向けられている。 電子は、エネルギEeで光電効果により放出される。 Eeは次の通りである。

帯電した電子は、ノズルから放出されたヘリウムガスのクラスタ形成のための核形成の中心として働く。 それゆえ負帯電したクラスタが生成される。 拡散の冷却効果は、ヘリウムガスクラスタがボースアインシュタイン凝縮効果から同一のコヒーレント状態にある留分原子を含むことを保証する。 留分はビームがどの程度低温であるかに依存する。 ビームが低温である程、コヒーレント粒子の留分は高くなる。

負帯電コヒーレントビームは、電源41より発生される付加抽出電圧V ₂により、より高いエネルギに更に加速できる。 ノズルのすぐ外側では、電子はより低速であること、すなわちVeの値がより小さいことが望ましい。 これは、電子の周囲でクラスタを形成するのにより長い時間がかかるようにするためである。 第２図において、抽出電圧V ₂は外側へ進むビームの経路にある二個の開口電極
30,43の間に加えられる。 もしより高いエネルギのコヒーレントビームの形成が必要ならば、抽出電圧V ₂はVeとは異なる（すなわちより高い。）桁の電圧でも良い。

第１図の装置の場合のように、放出クラスタビームは、ノズルのすぐ外側では、ソレノイド22で囲まれており、これにより帯電粒子は磁界により制限され、密度が小さくならないようにしている。

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