しきい光電子分光装置およびしきい光電子分光方法
【課題】しきい光電子分光を効率的に行うことができる装置および方法を提供する。
【解決手段】しきい光電子分光装置１は、第１光源１０、第２光源２０、照射光学系３０、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行う。続く測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定する。
【解決手段】しきい光電子分光装置１は、第１光源１０、第２光源２０、照射光学系３０、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行う。続く測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しきい光電子分光装置およびしきい光電子分光方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電子分光技術は、被測定試料にパルス光（一般にＵＶ光〜Ｘ線）を入射させたときに該被測定試料から放出される光電子のエネルギスペクトルを分析することにより、その被測定試料の表面近傍領域の元素組成や元素の結合情報を得ることができる。このような光電子分光技術は、例えば生体分子や有機分子の電子状態を計測することができる。光電子分光技術の一方式として、しきい光電子分光技術が知られている。
【０００３】
図８は、しきい光電子分光技術の基本的原理を説明する図である。この図は、電子のエネルギレベルを模式的に示している。エネルギｈνの光１０１が被測定試料に照射されて、その被測定試料中の元素の電子１０２が励起されると、その元素がイオン化されるとともに、光電子１０３ａ，１０３ｂが放出される。放出される光電子１０３ａ，１０３ｂの運動エネルギＥは下記式で表される。ここで、ｈはプランク定数であり、νは光周波数であり、IPは真空準位１０４までのイオン化エネルギである。
Ｅ＝ｈν−IP
【０００４】
運動エネルギＥが０超である光電子１０３ａは、イオン化点を中心にして散逸する。その散逸の速さは、光電子１０３ａの運動エネルギＥにより定まる。一般的な光電子分光技術は、このような散逸する光電子１０３ａの運動エネルギＥのスペクトルを分析することで、被測定試料の分子内の電子準位を求めるものである。
【０００５】
一方、照射光１０１のエネルギｈνがイオン化エネルギIPと一致した場合、放出された光電子１０３ｂは、運動エネルギＥが０であるので、イオン化点に留まる。このような光電子１０３ｂは、しきい光電子と呼ばれる。しきい光電子分光技術は、照射光１０１のエネルギｈνの各値について、しきい光電子を選択的に検出して、エネルギスペクトルを求めることで、被測定試料の分子内の電子準位を求めるものである。
【０００６】
このようなしきい光電子分光技術は、一般的な光電子分光技術と比較すると、装置構成がコンパクトであり、エネルギ分解能が優れ、感度が高い、という利点を有している。また、一般的な光電子分光技術では被測定試料は主に固体試料であるのに対して、しきい光電子分光技術では被測定試料は液体試料や気体試料も可能である。したがって、しきい光電子分光技術では、タンパク質やＤＮＡ等の生体試料の観測も容易である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しきい光電子分光技術は、高速バルブにより真空容器内に被測定試料の分子線を生成し、その分子線にパルス光を照射して光電子を生成させ、その光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する。しかし、分子線生成タイミングに対するパルス光出力タイミングや分子線へのパルス光照射位置によっては、しきい光電子の発生および検出を効率的に行うことが困難である。パルス光出力タイミングおよびパルス光照射位置それぞれを走査することで最適条件を探索することも可能であるが、これでは長時間を要し非効率的である。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、しきい光電子分光を効率的に行うことができる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のしきい光電子分光装置は、(1) 真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、(2) 分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、(3) 分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、(4) 第１光源から出力される第１パルス光と第２光源から出力される第２パルス光とを真空容器内に導いて分子線に照射する照射光学系と、(5) 第１光源から出力される第１パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、(6) 第２光源から出力される第２パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明のしきい光電子分光装置は、(a) 準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行い、(b) 測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定して、第２パルス光の各波長について、分子線生成部による分子線生成，第２光源による第２パルス光出力および検出部によるしきい光電子検出を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明のしきい光電子分光装置では、第１光源および第２光源が共通の光源であってもよい。また、第１光源および第２光源が別個の光源であってもよく、照射光学系が、第１光源から出力される第１パルス光および第２光源から出力される第２パルス光の一方を選択的に分子線に照射してもよい。
【００１２】
本発明のしきい光電子分光方法は、(1) 真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、(2) 分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、(3) 分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、(4) 第１光源から出力される第１パルス光と第２光源から出力される第２パルス光とを真空容器内に導いて分子線に照射する照射光学系と、(5) 第１光源から出力される第１パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、(6) 第２光源から出力される第２パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、を用いることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のしきい光電子分光方法は、(a) 準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行い、(b) 測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定して、第２パルス光の各波長について、分子線生成部による分子線生成，第２光源による第２パルス光出力および検出部によるしきい光電子検出を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明のしきい光電子分光方法では、第１光源および第２光源として共通の光源を用いてもよい。また、第１光源および第２光源として別個の光源を用いてもよく、第１光源から出力される第１パルス光および第２光源から出力される第２パルス光の一方を照射光学系により選択的に分子線に照射してもよい。
【００１５】
また、本発明のしきい光電子分光方法では、準備段階において、蛍光物質を混入させた被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよいし、蛍光分子で標識された被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよいし、また、自ら蛍光を発生させる被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、しきい光電子分光を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。
【図３】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作例を示すフローチャートである。
【図４】撮像部６０により得られた蛍光像の一例を示す写真である。
【図５】第１実施形態のしきい光電子分光装置１における第２パルス光Ｌ２の出力タイミングおよび検出部７０の電極７３，７１，７２の各電圧値の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図６】第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成を示す断面図である。
【図７】第３実施形態のしきい光電子分光装置３の構成を示す断面図である。
【図８】しきい光電子分光技術の基本的原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
【００２０】
図１および図２は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。第１実施形態のしきい光電子分光装置１は、第１光源１０、第２光源２０、照射光学系３０、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図１は、分子線生成部５０により生成される分子線Ｍの飛行方向にしきい光電子分光装置１を見た断面図である。図２は、その分子線Ｍに照射されるパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射方向にしきい光電子分光装置１を見た断面図である。分子線Ｍの飛行方向と、分子線Ｍに照射されるパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射方向とは、互いに直交している。
【００２１】
分子線生成部５０は、真空容器４０内に被測定試料Ｓの分子線Ｍを生成するものであって、高速バルブ５１およびスキマ５２を含む。高速バルブ５１は試料Ｓを噴出する。スキマ５２は、高速バルブ５１が噴出した試料Ｓをコリメートし、これを分子線Ｍとして真空容器４０内に導入する。
【００２２】
第１光源１０は、分子線生成部５０により生成された分子線Ｍから蛍光Ｆを発生させるための第１パルス光Ｌ１を出力する。第１光源１０は、例えば、キセノンフラッシュランプ１１を含み、このキセノンフラッシュランプ１１から出力されるパルス光をレンズ１２によりコリメートして出力する。
【００２３】
第２光源２０は、分子線生成部５０により生成された分子線Ｍをイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光Ｌ２を出力する。第２光源２０として例えばエキシマレーザ光源が用いられる。
【００２４】
照射光学系３０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１を真空容器４０内に導いて分子線Ｍに照射するとともに、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２を真空容器４０内に導いて分子線Ｍに照射する。照射光学系３０は、アパーチャ３１、ミラー３２およびレンズ３３を含む。これらのうちミラー３２およびレンズ３３それぞれは、所定位置への配置と待避とが自在である。
【００２５】
照射光学系３０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１を真空容器４０内に導くときには、ミラー３２を所定位置に配置するとともにレンズ３３を待避させて、第１パルス光Ｌ１をミラー３２により反射させて真空容器４０内に導く。一方、照射光学系３０は、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２を真空容器４０内に導くときには、ミラー３２を待避させるとともにレンズ３３を所定位置に配置して、第２パルス光Ｌ２をアパーチャ３１によりビーム整形しレンズ３３により収斂させて真空容器４０内に導く。
【００２６】
真空容器４０は、内部を減圧下に維持することができる容器であって、パルス光Ｌ１，Ｌ２を内部に導入するための入射窓４１と、パルス光Ｌ１が照射された分子線Ｍで発生した蛍光Ｆを外部へ出力する出射窓４２と、出射窓４２に設けられたフィルタ４３とを含む。出射窓４２は、入射窓４１を経て内部に導入されたパルス光Ｌ１，Ｌ２が到達し得る位置に設けられる。フィルタ４３は、パルス光Ｌ１，Ｌ２を遮断し、蛍光Ｆを選択的に透過させることができる。また、フィルタ４３は、パルス光Ｌ１，Ｌ２の照射により蛍光を発生させることはない。フィルタ４３は、例えばポリスチレン等のプラスチックにより構成されるのが好適である。
【００２７】
撮像部６０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１が分子線Ｍに照射されたときに分子線Ｍで発生した蛍光Ｆを撮像する。
【００２８】
検出部７０は、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２が分子線Ｍに照射されたときに分子線Ｍで発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する。検出部７０は真空容器４０内に設けられている。検出部７０は電極７１〜７５および電子検出器７６を含む。
【００２９】
加速用電極７１，７２は、分子線Ｍへのパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射位置を挟んで対向して設けられていている。加速用電極７１，７２のうち電子検出器７６に近い位置に設けられている加速用電極７２を加速用電極７１に対して正電圧として、両者間に電界（例えば電位勾配１.０〜１０Ｖ／ｃｍ程度）を形成することにより、しきい光電子をイオン化点から電子検出器７６へ向けて移動させることができる。加速用電極７２は、メッシュ電極となっており、しきい光電子をイオン化点から電子検出器７６へ向けて透過させることができる。
【００３０】
遮蔽用電極７３，７４は、加速用電極７２と電子検出器７６との間のしきい光電子移動経路を挟んで対向して設けられている。遮蔽用電極７３，７４は、両者間に電界（例えば電位勾配１０Ｖ／ｃｍ程度）を形成することにより、運動エネルギＥを有する光電子が電子検出器７６に到達することを防止することができる。
【００３１】
電場漏洩防止用電極７５は、電子検出器７６の前面に設けられ、接地電位とされることにより、電子検出器７６の電位の漏れを防ぐことができる。電場漏洩防止用電極７５は、メッシュ電極となっており、しきい光電子を電子検出器７６へ透過させることができる。
【００３２】
電子検出器７６は、電場漏洩防止用電極７５を透過したしきい光電子を検出し、その検出した光電子量に応じた値の電気信号を出力する。電子検出器７６は例えばチャンネルトロンである。
【００３３】
次に、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作について説明するとともに、第１実施形態のしきい光電子分光方法について説明する。図３は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作例を示すフローチャートである。しきい光電子分光装置１では、準備段階の動作の後に測定段階の動作が行われる。
【００３４】
準備段階において、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、分子線生成部５０による分子線生成，第１光源１０による第１パルス光出力および撮像部６０による蛍光撮像が行われる。具体的には準備段階ではステップＳ１〜Ｓ６の各工程が順次に行われる。
【００３５】
ステップＳ１では、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１の照射により励起されて蛍光を発する蛍光物質が試料Ｓに混入される。或いは、このような蛍光分子で試料Ｓが標識される。或いは、試料Ｓが第１パルス光Ｌ１の照射により励起されて蛍光を発する場合には、試料Ｓそのままでもよい。
【００３６】
ステップＳ２では、第１パルス光Ｌ１の光路上の所定位置にミラー３２が配置されるとともに、第１パルス光Ｌ１の光路上からレンズ３３が待避される。
【００３７】
ステップＳ３では、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。
【００３８】
ステップＳ４では、分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、第１光源１０から第１パルス光Ｌ１が出力される。その第１パルス光Ｌ１は、ミラー３２により反射され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間に照射される。この照射時の第１パルス光Ｌ１のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。もし、第１パルス光Ｌ１の照射時に分子線Ｍが存在していれば、その分子線Ｍで蛍光Ｆが発生する。
【００３９】
ステップＳ５では、分子線Ｍで発生し出射窓４２およびフィルタ４３を経て外部に出力された蛍光Ｆは、撮像部６０により撮像される。このとき、撮像部６０の焦点は分子線Ｍの位置になるよう調整されている。撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像（すなわち、蛍光物質の発光形状や強度分布）は分子線Ｍの形状や濃度を反映しているので、分子線Ｍの状態が観測され得る。なお、第１パルス光Ｌ１はフィルタ４３により遮断され、また、第１パルス光Ｌ１が入射したフィルタ４３において蛍光が発生することがないので、低ノイズの蛍光像が撮像部６０により得られる。
【００４０】
図４は、撮像部６０により得られた蛍光像の一例を示す写真である。ここでは、試料Ｓとして蛍光物質ＰＰＯが用いられ、スキマ５２が設けられることなく、高速バルブ５１から直接に真空容器４０内に分子線Ｍが生成された。この例の場合、分子線Ｍは幾つかのクラスタになっていることが判る。
【００４１】
ステップＳ６では、撮像部６０により得られた蛍光像が解析される。この解析では、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切であるか否かが判断される。もし、第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切であると判断されれば測定段階に移行し、適切でないと判断されればステップＳ１〜Ｓ６が繰り返される。この繰り返しに際して、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切なものとなるまで、第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が種々に設定される。なお、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射位置の設定は、第１光源１０を移動させることにより行われてもよいし、分子線生成部５０のバルブ５１やスキマ５２を移動させることにより行われてもよい。
【００４２】
このようにして準備段階において分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置の適切な条件が決定されると、測定段階に移行する。測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定されて、第２パルス光Ｌ２の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，第２光源２０による第２パルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。具体的には測定段階ではステップＳ７〜Ｓ１０の各工程が順次に行われる。
【００４３】
ステップＳ７では、準備段階で蛍光物質が試料Ｓに混入されたり蛍光分子で試料Ｓが標識されたりした場合に、蛍光物質が混入されていない試料Ｓが用意され、或いは、蛍光標識されていない試料Ｓが用意される。
【００４４】
ステップＳ８では、第２パルス光Ｌ２の光路上からミラー３２が待避されるとともに、第２パルス光Ｌ２の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。
【００４５】
ステップＳ９では、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。また、分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが適正値に設定されて、第２光源２０から第２パルス光Ｌ２が出力される。その第２パルス光Ｌ２は、アパーチャ３１によりビーム整形され、レンズ３３により収斂され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間における分子線Ｍに照射される。
【００４６】
このとき、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定される。
【００４７】
ステップＳ１０では、検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。以上のようなステップＳ９，Ｓ１０の工程は、第２パルス光Ｌ２の各波長について行われる。これにより、エネルギスペクトルが求められて、被測定試料Ｓの分子内の電子準位が求められる。
【００４８】
次に、検出部７０によるしきい光電子検出について図１，図２および図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１における第２パルス光Ｌ２の出力タイミングおよび検出部７０の電極７３，７１，７２の各電圧値の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【００４９】
第２パルス光Ｌ２の出力タイミングより前の時刻から、その出力タイミングから時間Ｔｄ経過後の時刻まで、電極７３に電圧値Ｖ７３が与えられる。電圧値Ｖ７３の極性は正負いずれであってもよい。また、電極７４は常に接地電位とされている。したがって、この期間に電極７３と電極７４との間に電界が形成される。これにより、分子線Ｍに第２パルス光Ｌ２が照射されて発生した光電子のうち運動エネルギを有しイオン化点から散逸する光電子は、電極７３または電極７４により捕捉されて、電子検出器７６に到達することが防止される。このとき、しきい光電子はイオン化点に留まっている。
【００５０】
その後の時間Ｔｃの期間、電極７１に負の電圧値Ｖ７１が与えられるとともに、電極７２に正の電圧値Ｖ７２が与えられる。したがって、この期間に電極７１と電極７２との間に電界が形成され、これにより、イオン化点に留まっていたしきい光電子は電子検出器７６へ向けて移動する。しきい光電子は、メッシュ電極７２およびメッシュ電極７５を透過して電子検出器７６へ到達する。そして、その到達したしきい光電子の量に応じた値の電気信号が電子検出器７６から出力される。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、準備段階において、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、分子線生成部５０による分子線生成，第１光源１０による第１パルス光出力および撮像部６０による蛍光撮像が行われる。そして、この準備段階に続く測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定されて、第２パルス光Ｌ２の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，第２光源２０による第２パルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。これにより、しきい光電子分光を効率的に行うことができる。
【００５２】
なお、測定段階の処理の前に必ず準備段階の処理が行われてもよい。準備段階の処理が１度行われた後に測定段階の処理が繰り返し行われてもよい。また、測定段階の処理が繰り返し行う間に定期的に測定段階の処理が行われてもよい。
【００５３】
（第２実施形態）
【００５４】
図６は、第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成を示す断面図である。第２実施形態のしきい光電子分光装置２は、光源２０、照射光学系３０Ａ、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図１に示された第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態のしきい光電子分光装置２は、第１光源１０が設けられていない点、光源２０が第１実施形態における第１光源および第２光源の双方を兼ねる点、および、照射光学系３０に替えて照射光学系３０Ａを備える点、で相違する。照射光学系３０Ａは、アパーチャ３１、ミラー３２、レンズ３３およびビームエクスパンダ３４を含む。
【００５５】
準備段階において、光源２０から出力されるパルス光の光路上の所定位置にビームエクスパンダ３４が配置されるとともに、該パルス光の光路上からレンズ３３が待避される。この状態で、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、光源２０によるパルス光出力タイミングが各値に設定されて、光源２０からパルス光が出力される。
【００５６】
光源２０から出力されたパルス光は、アパーチャ３１によりビーム整形され、ビームエクスパンダ３４によりビーム径が調整され、ミラー３２により反射され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間に照射される。この照射時のパルス光のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。もし、パルス光の照射時に分子線Ｍが存在していれば、その分子線Ｍで蛍光Ｆが発生する。
【００５７】
分子線Ｍで発生し出射窓４２およびフィルタ４３を経て外部に出力された蛍光Ｆは、撮像部６０により撮像される。このとき、撮像部６０の焦点は分子線Ｍの位置になるよう調整されている。撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像（すなわち、蛍光物質の発光形状や強度分布）は分子線Ｍの形状や濃度を反映しているので、分子線Ｍの状態が観測され得る。なお、パルス光はフィルタ４３により遮断され、また、パルス光が入射したフィルタ４３において蛍光が発生することがないので、低ノイズの蛍光像が撮像部６０により得られる。
【００５８】
そして、撮像部６０により得られた蛍光像が解析される。この解析では、分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切であるか否かが判断される。もし、パルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切であると判断されれば測定段階に移行し、適切でないと判断されれば以上の工程が繰り返される。この繰り返しに際して、分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切なものとなるまで、パルス光の照射タイミングおよび照射位置が種々に設定される。なお、分子線Ｍへのパルス光の照射位置の設定は、光源２０を移動させることにより行われてもよいし、分子線生成部５０のバルブ５１やスキマ５２を移動させることにより行われてもよい。
【００５９】
このようにして準備段階において分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置の適切な条件が決定されると、測定段階に移行する。測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する光源２０によるパルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへのパルス光の照射位置が設定されて、パルス光の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，光源２０によるパルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。このとき、光源２０から出力されるパルス光の光路上からビームエクスパンダ３４が待避されるとともに、該パルス光の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。以降の工程は第１実施形態と同様である。
【００６０】
第２実施形態でも、第１実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、第１実施形態では２つの光源１０，２０の間の光軸調整が必要であったのに対して、第２実施形態では、光源２０が第１実施形態における第１光源および第２光源の双方を兼ねることから、上記のような光軸調整が不要であり、装置の組み立てが容易である。
【００６１】
（第３実施形態）
【００６２】
図７は、第３実施形態のしきい光電子分光装置３の構成を示す断面図である。第３実施形態のしきい光電子分光装置３は、光源２０Ｂ、照射光学系３０Ｂ、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図６に示された第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成と比較すると、この図７に示される第３実施形態のしきい光電子分光装置３は、光源２０に替えて光源２０Ｂを備える点、および、照射光学系３０Ａに替えて照射光学系３０Ｂを備える点、で相違する。照射光学系３０Ｂは、ミラー３２、レンズ３３およびレンズ３５を含む。
【００６３】
第１および第２の実施形態では光源２０は指向性を有するレーザ光源であったが、第３実施形態では光源２０Ｂは指向性を有しないＵＶ光源である。光源２０Ｂは、指向性を有していなくても、分子線Ｍを照射したときに光電子を放出させるだけの強度を有していればよい。
【００６４】
照射光学系３０Ｂのミラー３５は、光源２０Ｂから出力されたパルス光をコリメートすることで、適当なビーム径を有する平行光とする。このとき、パルス光のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。なお、光源２０Ｂから出力されたパルス光が充分な強度を有している場合には、ミラー３５は不要である。
【００６５】
準備段階では、光源２０Ｂから出力されるパルス光の光路上からレンズ３３が待避される。測定段階では、光源２０Ｂから出力されるパルス光の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。その他の動作は第１および第２の実施形態の場合と同様である。第３実施形態でも、第１および第２の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【００６６】
（変形例）
【００６７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１〜第３の実施形態において測定段階時にレンズ３３を照射光路中に挿入されたが、光源２０から出力されるパルス光が充分な強度を有していればレンズ３３は不要である。
【符号の説明】
【００６８】
１〜３…しきい光電子分光装置、１０…第１光源、２０，２０Ｂ…第２光源、３０，３０Ａ，３０Ｂ…照射光学系、３１…アパーチャ、３２…ミラー、３３…レンズ、３４…ビームエクスパンダ、３５…レンズ、４０…真空容器、４１…入射窓、４２…出射窓、４３…フィルタ、５０…分子線生成部、５１…高速バルブ、５２…スキマ、６０…撮像部、７０…検出部、７１〜７５…電極、７６…電子検出器、Ｌ１…第１パルス光、Ｌ２…第２パルス光、Ｆ…蛍光、Ｓ…被測定試料、Ｍ…分子線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しきい光電子分光装置およびしきい光電子分光方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電子分光技術は、被測定試料にパルス光（一般にＵＶ光〜Ｘ線）を入射させたときに該被測定試料から放出される光電子のエネルギスペクトルを分析することにより、その被測定試料の表面近傍領域の元素組成や元素の結合情報を得ることができる。このような光電子分光技術は、例えば生体分子や有機分子の電子状態を計測することができる。光電子分光技術の一方式として、しきい光電子分光技術が知られている。
【０００３】
図８は、しきい光電子分光技術の基本的原理を説明する図である。この図は、電子のエネルギレベルを模式的に示している。エネルギｈνの光１０１が被測定試料に照射されて、その被測定試料中の元素の電子１０２が励起されると、その元素がイオン化されるとともに、光電子１０３ａ，１０３ｂが放出される。放出される光電子１０３ａ，１０３ｂの運動エネルギＥは下記式で表される。ここで、ｈはプランク定数であり、νは光周波数であり、IPは真空準位１０４までのイオン化エネルギである。
Ｅ＝ｈν−IP
【０００４】
運動エネルギＥが０超である光電子１０３ａは、イオン化点を中心にして散逸する。その散逸の速さは、光電子１０３ａの運動エネルギＥにより定まる。一般的な光電子分光技術は、このような散逸する光電子１０３ａの運動エネルギＥのスペクトルを分析することで、被測定試料の分子内の電子準位を求めるものである。
【０００５】
一方、照射光１０１のエネルギｈνがイオン化エネルギIPと一致した場合、放出された光電子１０３ｂは、運動エネルギＥが０であるので、イオン化点に留まる。このような光電子１０３ｂは、しきい光電子と呼ばれる。しきい光電子分光技術は、照射光１０１のエネルギｈνの各値について、しきい光電子を選択的に検出して、エネルギスペクトルを求めることで、被測定試料の分子内の電子準位を求めるものである。
【０００６】
このようなしきい光電子分光技術は、一般的な光電子分光技術と比較すると、装置構成がコンパクトであり、エネルギ分解能が優れ、感度が高い、という利点を有している。また、一般的な光電子分光技術では被測定試料は主に固体試料であるのに対して、しきい光電子分光技術では被測定試料は液体試料や気体試料も可能である。したがって、しきい光電子分光技術では、タンパク質やＤＮＡ等の生体試料の観測も容易である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しきい光電子分光技術は、高速バルブにより真空容器内に被測定試料の分子線を生成し、その分子線にパルス光を照射して光電子を生成させ、その光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する。しかし、分子線生成タイミングに対するパルス光出力タイミングや分子線へのパルス光照射位置によっては、しきい光電子の発生および検出を効率的に行うことが困難である。パルス光出力タイミングおよびパルス光照射位置それぞれを走査することで最適条件を探索することも可能であるが、これでは長時間を要し非効率的である。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、しきい光電子分光を効率的に行うことができる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のしきい光電子分光装置は、(1) 真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、(2) 分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、(3) 分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、(4) 第１光源から出力される第１パルス光と第２光源から出力される第２パルス光とを真空容器内に導いて分子線に照射する照射光学系と、(5) 第１光源から出力される第１パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、(6) 第２光源から出力される第２パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明のしきい光電子分光装置は、(a) 準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行い、(b) 測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定して、第２パルス光の各波長について、分子線生成部による分子線生成，第２光源による第２パルス光出力および検出部によるしきい光電子検出を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明のしきい光電子分光装置では、第１光源および第２光源が共通の光源であってもよい。また、第１光源および第２光源が別個の光源であってもよく、照射光学系が、第１光源から出力される第１パルス光および第２光源から出力される第２パルス光の一方を選択的に分子線に照射してもよい。
【００１２】
本発明のしきい光電子分光方法は、(1) 真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、(2) 分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、(3) 分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、(4) 第１光源から出力される第１パルス光と第２光源から出力される第２パルス光とを真空容器内に導いて分子線に照射する照射光学系と、(5) 第１光源から出力される第１パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、(6) 第２光源から出力される第２パルス光が照射光学系を経て分子線に照射されたときに分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、を用いることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明のしきい光電子分光方法は、(a) 準備段階において、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、分子線生成部による分子線生成，第１光源による第１パルス光出力および撮像部による蛍光撮像を行い、(b) 測定段階において、準備段階で撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部による分子線生成タイミングに対する第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、分子線への第２パルス光の照射位置を設定して、第２パルス光の各波長について、分子線生成部による分子線生成，第２光源による第２パルス光出力および検出部によるしきい光電子検出を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明のしきい光電子分光方法では、第１光源および第２光源として共通の光源を用いてもよい。また、第１光源および第２光源として別個の光源を用いてもよく、第１光源から出力される第１パルス光および第２光源から出力される第２パルス光の一方を照射光学系により選択的に分子線に照射してもよい。
【００１５】
また、本発明のしきい光電子分光方法では、準備段階において、蛍光物質を混入させた被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよいし、蛍光分子で標識された被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよいし、また、自ら蛍光を発生させる被測定試料の分子線を分子線生成部により生成させてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、しきい光電子分光を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。
【図３】第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作例を示すフローチャートである。
【図４】撮像部６０により得られた蛍光像の一例を示す写真である。
【図５】第１実施形態のしきい光電子分光装置１における第２パルス光Ｌ２の出力タイミングおよび検出部７０の電極７３，７１，７２の各電圧値の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図６】第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成を示す断面図である。
【図７】第３実施形態のしきい光電子分光装置３の構成を示す断面図である。
【図８】しきい光電子分光技術の基本的原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
【００２０】
図１および図２は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成を示す断面図である。第１実施形態のしきい光電子分光装置１は、第１光源１０、第２光源２０、照射光学系３０、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図１は、分子線生成部５０により生成される分子線Ｍの飛行方向にしきい光電子分光装置１を見た断面図である。図２は、その分子線Ｍに照射されるパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射方向にしきい光電子分光装置１を見た断面図である。分子線Ｍの飛行方向と、分子線Ｍに照射されるパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射方向とは、互いに直交している。
【００２１】
分子線生成部５０は、真空容器４０内に被測定試料Ｓの分子線Ｍを生成するものであって、高速バルブ５１およびスキマ５２を含む。高速バルブ５１は試料Ｓを噴出する。スキマ５２は、高速バルブ５１が噴出した試料Ｓをコリメートし、これを分子線Ｍとして真空容器４０内に導入する。
【００２２】
第１光源１０は、分子線生成部５０により生成された分子線Ｍから蛍光Ｆを発生させるための第１パルス光Ｌ１を出力する。第１光源１０は、例えば、キセノンフラッシュランプ１１を含み、このキセノンフラッシュランプ１１から出力されるパルス光をレンズ１２によりコリメートして出力する。
【００２３】
第２光源２０は、分子線生成部５０により生成された分子線Ｍをイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光Ｌ２を出力する。第２光源２０として例えばエキシマレーザ光源が用いられる。
【００２４】
照射光学系３０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１を真空容器４０内に導いて分子線Ｍに照射するとともに、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２を真空容器４０内に導いて分子線Ｍに照射する。照射光学系３０は、アパーチャ３１、ミラー３２およびレンズ３３を含む。これらのうちミラー３２およびレンズ３３それぞれは、所定位置への配置と待避とが自在である。
【００２５】
照射光学系３０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１を真空容器４０内に導くときには、ミラー３２を所定位置に配置するとともにレンズ３３を待避させて、第１パルス光Ｌ１をミラー３２により反射させて真空容器４０内に導く。一方、照射光学系３０は、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２を真空容器４０内に導くときには、ミラー３２を待避させるとともにレンズ３３を所定位置に配置して、第２パルス光Ｌ２をアパーチャ３１によりビーム整形しレンズ３３により収斂させて真空容器４０内に導く。
【００２６】
真空容器４０は、内部を減圧下に維持することができる容器であって、パルス光Ｌ１，Ｌ２を内部に導入するための入射窓４１と、パルス光Ｌ１が照射された分子線Ｍで発生した蛍光Ｆを外部へ出力する出射窓４２と、出射窓４２に設けられたフィルタ４３とを含む。出射窓４２は、入射窓４１を経て内部に導入されたパルス光Ｌ１，Ｌ２が到達し得る位置に設けられる。フィルタ４３は、パルス光Ｌ１，Ｌ２を遮断し、蛍光Ｆを選択的に透過させることができる。また、フィルタ４３は、パルス光Ｌ１，Ｌ２の照射により蛍光を発生させることはない。フィルタ４３は、例えばポリスチレン等のプラスチックにより構成されるのが好適である。
【００２７】
撮像部６０は、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１が分子線Ｍに照射されたときに分子線Ｍで発生した蛍光Ｆを撮像する。
【００２８】
検出部７０は、第２光源２０から出力される第２パルス光Ｌ２が分子線Ｍに照射されたときに分子線Ｍで発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する。検出部７０は真空容器４０内に設けられている。検出部７０は電極７１〜７５および電子検出器７６を含む。
【００２９】
加速用電極７１，７２は、分子線Ｍへのパルス光Ｌ１，Ｌ２の照射位置を挟んで対向して設けられていている。加速用電極７１，７２のうち電子検出器７６に近い位置に設けられている加速用電極７２を加速用電極７１に対して正電圧として、両者間に電界（例えば電位勾配１.０〜１０Ｖ／ｃｍ程度）を形成することにより、しきい光電子をイオン化点から電子検出器７６へ向けて移動させることができる。加速用電極７２は、メッシュ電極となっており、しきい光電子をイオン化点から電子検出器７６へ向けて透過させることができる。
【００３０】
遮蔽用電極７３，７４は、加速用電極７２と電子検出器７６との間のしきい光電子移動経路を挟んで対向して設けられている。遮蔽用電極７３，７４は、両者間に電界（例えば電位勾配１０Ｖ／ｃｍ程度）を形成することにより、運動エネルギＥを有する光電子が電子検出器７６に到達することを防止することができる。
【００３１】
電場漏洩防止用電極７５は、電子検出器７６の前面に設けられ、接地電位とされることにより、電子検出器７６の電位の漏れを防ぐことができる。電場漏洩防止用電極７５は、メッシュ電極となっており、しきい光電子を電子検出器７６へ透過させることができる。
【００３２】
電子検出器７６は、電場漏洩防止用電極７５を透過したしきい光電子を検出し、その検出した光電子量に応じた値の電気信号を出力する。電子検出器７６は例えばチャンネルトロンである。
【００３３】
次に、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作について説明するとともに、第１実施形態のしきい光電子分光方法について説明する。図３は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１の動作例を示すフローチャートである。しきい光電子分光装置１では、準備段階の動作の後に測定段階の動作が行われる。
【００３４】
準備段階において、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、分子線生成部５０による分子線生成，第１光源１０による第１パルス光出力および撮像部６０による蛍光撮像が行われる。具体的には準備段階ではステップＳ１〜Ｓ６の各工程が順次に行われる。
【００３５】
ステップＳ１では、第１光源１０から出力される第１パルス光Ｌ１の照射により励起されて蛍光を発する蛍光物質が試料Ｓに混入される。或いは、このような蛍光分子で試料Ｓが標識される。或いは、試料Ｓが第１パルス光Ｌ１の照射により励起されて蛍光を発する場合には、試料Ｓそのままでもよい。
【００３６】
ステップＳ２では、第１パルス光Ｌ１の光路上の所定位置にミラー３２が配置されるとともに、第１パルス光Ｌ１の光路上からレンズ３３が待避される。
【００３７】
ステップＳ３では、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。
【００３８】
ステップＳ４では、分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、第１光源１０から第１パルス光Ｌ１が出力される。その第１パルス光Ｌ１は、ミラー３２により反射され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間に照射される。この照射時の第１パルス光Ｌ１のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。もし、第１パルス光Ｌ１の照射時に分子線Ｍが存在していれば、その分子線Ｍで蛍光Ｆが発生する。
【００３９】
ステップＳ５では、分子線Ｍで発生し出射窓４２およびフィルタ４３を経て外部に出力された蛍光Ｆは、撮像部６０により撮像される。このとき、撮像部６０の焦点は分子線Ｍの位置になるよう調整されている。撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像（すなわち、蛍光物質の発光形状や強度分布）は分子線Ｍの形状や濃度を反映しているので、分子線Ｍの状態が観測され得る。なお、第１パルス光Ｌ１はフィルタ４３により遮断され、また、第１パルス光Ｌ１が入射したフィルタ４３において蛍光が発生することがないので、低ノイズの蛍光像が撮像部６０により得られる。
【００４０】
図４は、撮像部６０により得られた蛍光像の一例を示す写真である。ここでは、試料Ｓとして蛍光物質ＰＰＯが用いられ、スキマ５２が設けられることなく、高速バルブ５１から直接に真空容器４０内に分子線Ｍが生成された。この例の場合、分子線Ｍは幾つかのクラスタになっていることが判る。
【００４１】
ステップＳ６では、撮像部６０により得られた蛍光像が解析される。この解析では、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切であるか否かが判断される。もし、第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切であると判断されれば測定段階に移行し、適切でないと判断されればステップＳ１〜Ｓ６が繰り返される。この繰り返しに際して、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が適切なものとなるまで、第１パルス光Ｌ１の照射タイミングおよび照射位置が種々に設定される。なお、分子線Ｍへの第１パルス光Ｌ１の照射位置の設定は、第１光源１０を移動させることにより行われてもよいし、分子線生成部５０のバルブ５１やスキマ５２を移動させることにより行われてもよい。
【００４２】
このようにして準備段階において分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置の適切な条件が決定されると、測定段階に移行する。測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定されて、第２パルス光Ｌ２の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，第２光源２０による第２パルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。具体的には測定段階ではステップＳ７〜Ｓ１０の各工程が順次に行われる。
【００４３】
ステップＳ７では、準備段階で蛍光物質が試料Ｓに混入されたり蛍光分子で試料Ｓが標識されたりした場合に、蛍光物質が混入されていない試料Ｓが用意され、或いは、蛍光標識されていない試料Ｓが用意される。
【００４４】
ステップＳ８では、第２パルス光Ｌ２の光路上からミラー３２が待避されるとともに、第２パルス光Ｌ２の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。
【００４５】
ステップＳ９では、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。また、分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが適正値に設定されて、第２光源２０から第２パルス光Ｌ２が出力される。その第２パルス光Ｌ２は、アパーチャ３１によりビーム整形され、レンズ３３により収斂され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間における分子線Ｍに照射される。
【００４６】
このとき、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定される。
【００４７】
ステップＳ１０では、検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。以上のようなステップＳ９，Ｓ１０の工程は、第２パルス光Ｌ２の各波長について行われる。これにより、エネルギスペクトルが求められて、被測定試料Ｓの分子内の電子準位が求められる。
【００４８】
次に、検出部７０によるしきい光電子検出について図１，図２および図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態のしきい光電子分光装置１における第２パルス光Ｌ２の出力タイミングおよび検出部７０の電極７３，７１，７２の各電圧値の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【００４９】
第２パルス光Ｌ２の出力タイミングより前の時刻から、その出力タイミングから時間Ｔｄ経過後の時刻まで、電極７３に電圧値Ｖ７３が与えられる。電圧値Ｖ７３の極性は正負いずれであってもよい。また、電極７４は常に接地電位とされている。したがって、この期間に電極７３と電極７４との間に電界が形成される。これにより、分子線Ｍに第２パルス光Ｌ２が照射されて発生した光電子のうち運動エネルギを有しイオン化点から散逸する光電子は、電極７３または電極７４により捕捉されて、電子検出器７６に到達することが防止される。このとき、しきい光電子はイオン化点に留まっている。
【００５０】
その後の時間Ｔｃの期間、電極７１に負の電圧値Ｖ７１が与えられるとともに、電極７２に正の電圧値Ｖ７２が与えられる。したがって、この期間に電極７１と電極７２との間に電界が形成され、これにより、イオン化点に留まっていたしきい光電子は電子検出器７６へ向けて移動する。しきい光電子は、メッシュ電極７２およびメッシュ電極７５を透過して電子検出器７６へ到達する。そして、その到達したしきい光電子の量に応じた値の電気信号が電子検出器７６から出力される。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、準備段階において、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第１光源１０による第１パルス光出力タイミングが各値に設定されて、分子線生成部５０による分子線生成，第１光源１０による第１パルス光出力および撮像部６０による蛍光撮像が行われる。そして、この準備段階に続く測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する第２光源２０による第２パルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへの第２パルス光Ｌ２の照射位置が設定されて、第２パルス光Ｌ２の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，第２光源２０による第２パルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。これにより、しきい光電子分光を効率的に行うことができる。
【００５２】
なお、測定段階の処理の前に必ず準備段階の処理が行われてもよい。準備段階の処理が１度行われた後に測定段階の処理が繰り返し行われてもよい。また、測定段階の処理が繰り返し行う間に定期的に測定段階の処理が行われてもよい。
【００５３】
（第２実施形態）
【００５４】
図６は、第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成を示す断面図である。第２実施形態のしきい光電子分光装置２は、光源２０、照射光学系３０Ａ、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図１に示された第１実施形態のしきい光電子分光装置１の構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態のしきい光電子分光装置２は、第１光源１０が設けられていない点、光源２０が第１実施形態における第１光源および第２光源の双方を兼ねる点、および、照射光学系３０に替えて照射光学系３０Ａを備える点、で相違する。照射光学系３０Ａは、アパーチャ３１、ミラー３２、レンズ３３およびビームエクスパンダ３４を含む。
【００５５】
準備段階において、光源２０から出力されるパルス光の光路上の所定位置にビームエクスパンダ３４が配置されるとともに、該パルス光の光路上からレンズ３３が待避される。この状態で、分子線生成部５０において、試料Ｓが高速バルブ５１からスキマ５２を介して真空容器４０内に噴出されて分子線Ｍが形成される。分子線生成部５０による分子線生成タイミング（すなわち高速バルブ５１動作タイミング）に対して、光源２０によるパルス光出力タイミングが各値に設定されて、光源２０からパルス光が出力される。
【００５６】
光源２０から出力されたパルス光は、アパーチャ３１によりビーム整形され、ビームエクスパンダ３４によりビーム径が調整され、ミラー３２により反射され、入射窓４１を経て真空容器４０内に導入され、電極７１と電極７２との間の空間に照射される。この照射時のパルス光のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。もし、パルス光の照射時に分子線Ｍが存在していれば、その分子線Ｍで蛍光Ｆが発生する。
【００５７】
分子線Ｍで発生し出射窓４２およびフィルタ４３を経て外部に出力された蛍光Ｆは、撮像部６０により撮像される。このとき、撮像部６０の焦点は分子線Ｍの位置になるよう調整されている。撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像（すなわち、蛍光物質の発光形状や強度分布）は分子線Ｍの形状や濃度を反映しているので、分子線Ｍの状態が観測され得る。なお、パルス光はフィルタ４３により遮断され、また、パルス光が入射したフィルタ４３において蛍光が発生することがないので、低ノイズの蛍光像が撮像部６０により得られる。
【００５８】
そして、撮像部６０により得られた蛍光像が解析される。この解析では、分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切であるか否かが判断される。もし、パルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切であると判断されれば測定段階に移行し、適切でないと判断されれば以上の工程が繰り返される。この繰り返しに際して、分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置が適切なものとなるまで、パルス光の照射タイミングおよび照射位置が種々に設定される。なお、分子線Ｍへのパルス光の照射位置の設定は、光源２０を移動させることにより行われてもよいし、分子線生成部５０のバルブ５１やスキマ５２を移動させることにより行われてもよい。
【００５９】
このようにして準備段階において分子線Ｍへのパルス光の照射タイミングおよび照射位置の適切な条件が決定されると、測定段階に移行する。測定段階においては、準備段階で撮像部６０による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、分子線生成部５０による分子線生成タイミングに対する光源２０によるパルス光出力タイミングが設定されるとともに、分子線Ｍへのパルス光の照射位置が設定されて、パルス光の各波長について、分子線生成部５０による分子線生成，光源２０によるパルス光出力および検出部７０によるしきい光電子検出が行われる。このとき、光源２０から出力されるパルス光の光路上からビームエクスパンダ３４が待避されるとともに、該パルス光の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。以降の工程は第１実施形態と同様である。
【００６０】
第２実施形態でも、第１実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、第１実施形態では２つの光源１０，２０の間の光軸調整が必要であったのに対して、第２実施形態では、光源２０が第１実施形態における第１光源および第２光源の双方を兼ねることから、上記のような光軸調整が不要であり、装置の組み立てが容易である。
【００６１】
（第３実施形態）
【００６２】
図７は、第３実施形態のしきい光電子分光装置３の構成を示す断面図である。第３実施形態のしきい光電子分光装置３は、光源２０Ｂ、照射光学系３０Ｂ、真空容器４０、分子線生成部５０、撮像部６０および検出部７０を備える。図６に示された第２実施形態のしきい光電子分光装置２の構成と比較すると、この図７に示される第３実施形態のしきい光電子分光装置３は、光源２０に替えて光源２０Ｂを備える点、および、照射光学系３０Ａに替えて照射光学系３０Ｂを備える点、で相違する。照射光学系３０Ｂは、ミラー３２、レンズ３３およびレンズ３５を含む。
【００６３】
第１および第２の実施形態では光源２０は指向性を有するレーザ光源であったが、第３実施形態では光源２０Ｂは指向性を有しないＵＶ光源である。光源２０Ｂは、指向性を有していなくても、分子線Ｍを照射したときに光電子を放出させるだけの強度を有していればよい。
【００６４】
照射光学系３０Ｂのミラー３５は、光源２０Ｂから出力されたパルス光をコリメートすることで、適当なビーム径を有する平行光とする。このとき、パルス光のビーム径は、入射窓４１の径と同程度とされる。なお、光源２０Ｂから出力されたパルス光が充分な強度を有している場合には、ミラー３５は不要である。
【００６５】
準備段階では、光源２０Ｂから出力されるパルス光の光路上からレンズ３３が待避される。測定段階では、光源２０Ｂから出力されるパルス光の光路上の所定位置にレンズ３３が配置される。その他の動作は第１および第２の実施形態の場合と同様である。第３実施形態でも、第１および第２の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【００６６】
（変形例）
【００６７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１〜第３の実施形態において測定段階時にレンズ３３を照射光路中に挿入されたが、光源２０から出力されるパルス光が充分な強度を有していればレンズ３３は不要である。
【符号の説明】
【００６８】
１〜３…しきい光電子分光装置、１０…第１光源、２０，２０Ｂ…第２光源、３０，３０Ａ，３０Ｂ…照射光学系、３１…アパーチャ、３２…ミラー、３３…レンズ、３４…ビームエクスパンダ、３５…レンズ、４０…真空容器、４１…入射窓、４２…出射窓、４３…フィルタ、５０…分子線生成部、５１…高速バルブ、５２…スキマ、６０…撮像部、７０…検出部、７１〜７５…電極、７６…電子検出器、Ｌ１…第１パルス光、Ｌ２…第２パルス光、Ｆ…蛍光、Ｓ…被測定試料、Ｍ…分子線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、
前記分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、
前記分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、
前記第１光源から出力される第１パルス光と前記第２光源から出力される第２パルス光とを前記真空容器内に導いて前記分子線に照射する照射光学系と、
前記第１光源から出力される第１パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、
前記第２光源から出力される第２パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、
を備え、
準備段階において、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、前記分子線生成部による分子線生成，前記第１光源による第１パルス光出力および前記撮像部による蛍光撮像を行い、
測定段階において、前記準備段階で前記撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、前記分子線への前記第２パルス光の照射位置を設定して、前記第２パルス光の各波長について、前記分子線生成部による分子線生成，前記第２光源による第２パルス光出力および前記検出部によるしきい光電子検出を行う、
ことを特徴とするしきい光電子分光装置。
【請求項２】
前記第１光源および前記第２光源が共通の光源であることを特徴とする請求項１に記載のしきい光電子分光装置。
【請求項３】
前記第１光源および前記第２光源が別個の光源であり、
前記照射光学系が、前記第１光源から出力される第１パルス光および前記第２光源から出力される第２パルス光の一方を選択的に前記分子線に照射する、
ことを特徴とする請求項１に記載のしきい光電子分光装置。
【請求項４】
真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、
前記分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、
前記分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、
前記第１光源から出力される第１パルス光と前記第２光源から出力される第２パルス光とを前記真空容器内に導いて前記分子線に照射する照射光学系と、
前記第１光源から出力される第１パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、
前記第２光源から出力される第２パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、
を用いて、
準備段階において、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、前記分子線生成部による分子線生成，前記第１光源による第１パルス光出力および前記撮像部による蛍光撮像を行い、
測定段階において、前記準備段階で前記撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、前記分子線への前記第２パルス光の照射位置を設定して、前記第２パルス光の各波長について、前記分子線生成部による分子線生成，前記第２光源による第２パルス光出力および前記検出部によるしきい光電子検出を行う、
ことを特徴とするしきい光電子分光方法。
【請求項５】
前記第１光源および前記第２光源として共通の光源を用いることを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項６】
前記第１光源および前記第２光源として別個の光源を用い、
前記第１光源から出力される第１パルス光および前記第２光源から出力される第２パルス光の一方を前記照射光学系により選択的に前記分子線に照射する、
ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項７】
前記準備段階において、蛍光物質を混入させた前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項８】
前記準備段階において、蛍光分子で標識された前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項９】
前記準備段階において、自ら蛍光を発生させる前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項１】
真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、
前記分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、
前記分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、
前記第１光源から出力される第１パルス光と前記第２光源から出力される第２パルス光とを前記真空容器内に導いて前記分子線に照射する照射光学系と、
前記第１光源から出力される第１パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、
前記第２光源から出力される第２パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、
を備え、
準備段階において、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、前記分子線生成部による分子線生成，前記第１光源による第１パルス光出力および前記撮像部による蛍光撮像を行い、
測定段階において、前記準備段階で前記撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、前記分子線への前記第２パルス光の照射位置を設定して、前記第２パルス光の各波長について、前記分子線生成部による分子線生成，前記第２光源による第２パルス光出力および前記検出部によるしきい光電子検出を行う、
ことを特徴とするしきい光電子分光装置。
【請求項２】
前記第１光源および前記第２光源が共通の光源であることを特徴とする請求項１に記載のしきい光電子分光装置。
【請求項３】
前記第１光源および前記第２光源が別個の光源であり、
前記照射光学系が、前記第１光源から出力される第１パルス光および前記第２光源から出力される第２パルス光の一方を選択的に前記分子線に照射する、
ことを特徴とする請求項１に記載のしきい光電子分光装置。
【請求項４】
真空容器内に被測定試料の分子線を生成する分子線生成部と、
前記分子線生成部により生成された分子線から蛍光を発生させるための第１パルス光を出力する第１光源と、
前記分子線生成部により生成された分子線をイオン化して光電子を発生させるための波長可変の第２パルス光を出力する第２光源と、
前記第１光源から出力される第１パルス光と前記第２光源から出力される第２パルス光とを前記真空容器内に導いて前記分子線に照射する照射光学系と、
前記第１光源から出力される第１パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した蛍光を撮像する撮像部と、
前記第２光源から出力される第２パルス光が前記照射光学系を経て前記分子線に照射されたときに前記分子線で発生した光電子のうちしきい光電子を選択的に検出する検出部と、
を用いて、
準備段階において、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第１光源による第１パルス光出力タイミングを各値に設定して、前記分子線生成部による分子線生成，前記第１光源による第１パルス光出力および前記撮像部による蛍光撮像を行い、
測定段階において、前記準備段階で前記撮像部による蛍光撮像により得られた蛍光像に基づいて決定されるタイミングおよび照射位置となるように、前記分子線生成部による分子線生成タイミングに対する前記第２光源による第２パルス光出力タイミングを設定するとともに、前記分子線への前記第２パルス光の照射位置を設定して、前記第２パルス光の各波長について、前記分子線生成部による分子線生成，前記第２光源による第２パルス光出力および前記検出部によるしきい光電子検出を行う、
ことを特徴とするしきい光電子分光方法。
【請求項５】
前記第１光源および前記第２光源として共通の光源を用いることを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項６】
前記第１光源および前記第２光源として別個の光源を用い、
前記第１光源から出力される第１パルス光および前記第２光源から出力される第２パルス光の一方を前記照射光学系により選択的に前記分子線に照射する、
ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項７】
前記準備段階において、蛍光物質を混入させた前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項８】
前記準備段階において、蛍光分子で標識された前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【請求項９】
前記準備段階において、自ら蛍光を発生させる前記被測定試料の分子線を前記分子線生成部により生成させる、ことを特徴とする請求項４に記載のしきい光電子分光方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−８８１１１（Ｐ２０１２−８８１１１Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３３６７８（Ｐ２０１０−２３３６７８）
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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