JP2000348665A - ガスサンプル分析用の飛行時間型質量分析計用のイオン源 - Google Patents

ガスサンプル分析用の飛行時間型質量分析計用のイオン源

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 よりコンパクトで、より感度が高く、質量分
析計の他の構成部品と容易に一体化できる、質量分析計
の新しいイオン源構造を提供する。 【解決手段】 本発明によれば、飛行時間型質量分析計
のイオン源は、電子源５と、電子流を調整するための少
なくとも１つの電極７、その後にパルス１次電子ビーム
８からより多くの電子を含むパルス２次電子ビーム１２
を生成するための、少なくとも１つのマイクロチャネル
ウエハ９、１０を有する電子銃１を含む。２次電子ビー
ム１２は、イオン銃のガスイオン化領域１６に入り、そ
こでイオン流１９が発生し、次にフライトチューブ３を
通過し、イオン検出器４で分析される。これにより、コ
ンパクトで、感度がよく、一体化が容易な高性能イオン
源が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析計での分
析のために、ガスサンプルをイオン化する手段に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】質量分析計は、ガスサンプルを電子流と
衝突させ、こうして得られたイオンに運動を付与し、そ
の軌道または速度に従ってイオンを識別することによっ
て、ガスサンプルを分析する。
【０００３】質量分析計の測定感度および分解能を高め
るためには、ガスサンプルを強くイオン化することが有
益である。
【０００４】飛行時間型質量分析計においては、イオン
源により生成されたイオンは、フライトチューブの入口
に送り出され、そこで一定速度に保持される。イオンの
性質は、フライトチューブからの出口で検出される、分
析すべきガスサンプルのイオンのそれぞれのタイプに対
応する飛行時間から推定される。これには、あらかじめ
加速したイオンのパケットをフライトチューブ入口へ送
り出すこと、およびイオンパケットの出発時間とフライ
トチューブの他端における種々のイオンの到着時間とを
マーク付けすることが必要である。
【０００５】したがって、できるだけ持続時間が短く、
最大数のイオンを含む、イオンパケットを生成すること
が有利である。これは、パルスモードイオン源によって
達成される。
【０００６】質量分析計に通常用いられるイオン源は、
電子源と、イオン流を調整するための少なくとも１つの
電極の作用を受けるイオンが形成されるガスイオン化領
域に向けて送られる適切な電子流を生成するように、電
子流を調整する少なくとも１つの電極とを含む電子銃を
含む。電子流は、一般に質量分析計のフライトチューブ
の方向に垂直な方向で、ガスイオン化領域に向けて送ら
れる。その結果、全体のサイズが大きくなり、一体化が
困難になる。比較的少量のイオンが生成され、そのため
に装置の感度が制限される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明が対処する課題
は、よりコンパクトでより感度が高く、質量分析計の他
の構成部品と容易に一体化できる、質量分析計用の新し
いイオン源構造を構成することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
を達成するために、質量分析計で使用するための本発明
によるイオン源は、電子源と、イオン流を調整するため
の少なくとも１つの電極の作用を受けるイオンを形成す
るガスイオン化領域に向けて送られる適切な電子流を生
成するように、電子流を調整する少なくとも１つの電極
とを有する電子銃を含み、電子流を調整する電極の下流
側の電子流中に少なくとも１つのマイクロチャネルウエ
ハが配置され、それによって、比較的少数の電子を含む
パルス１次電子ビームから、多数の電子を含むパルス２
次電子ビームが生成される。
【０００９】マイクロチャネルウエハは、電子流を増大
し、続いて起こるガスサンプルのイオン化を強める。こ
れによって、装置の感度および分解能が著しく高まる。
【００１０】２次電子ビームの時間特性を保持し空間特
性を向上させるために、２次電子ビームを拡散させる追
加電極を、マイクロチャネルウエハが占める領域の下流
側に有利に配置することができる。
【００１１】これによってガスサンプルのイオン化がさ
らに増強され、したがってこのイオン源を組み込んだ装
置の感度が高まる。
【００１２】ガスイオン化領域は、好ましくは、２次電
子ビームを通過させ、イオンを反発することによって電
子を保持する上流側の反発電極と、イオンを引き寄せる
下流側の加速電極との間にある。
【００１３】この特徴のために、イオン源は、飛行時間
型質量分析計のフライトチューブの入口に、フライトチ
ューブの軸と一直線に並べて置くことができる。これに
より、イオン源をよりよく一体化することができ、装置
はよりコンパクトになる。
【００１４】２次電子ビームが、時間特性を保持し高密
度に留まり、それによりイオンパケットのすべてのイオ
ンが、実質的に同時にフライトチューブに入るようにす
るために、イオン化領域は、マイクロチャネルウエハに
近接していることが好ましい。
【００１５】電子源は、通常の方法で、適切な温度に熱
せられ熱放出によって電子流を生成するフィラメントで
よい。１次電子ビームは、次に偏向電極によってパルス
変調される。
【００１６】別法として、電子源は、パルス変調１次電
子ビームを生成するマイクロポイントを備えた電界放出
陰極とすると有利である。
【００１７】本発明は、上述のようなイオン源を一体化
した飛行時間型分析計の製作において具体的に応用され
る。
【００１８】本発明の他の目的、特徴、および利点は、
添付の図面を参照して行う、本発明の特定の実施形態に
ついての以下の説明から明らかになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、飛行時間型質
量分析計は、電子銃１、その後にイオン銃２、さらに後
にフライトチューブ３を含み、フライトチューブの出口
はイオン検出器４に通じている。
【００２０】電子銃は電子源５を含む。図に示した電子
源５は、加熱生成器６から電力を供給され、イオンの熱
放出に十分な高温に熱せられる、タングステンフィラメ
ントなどのフィラメントである。電子源５から放出され
た電子は、電子流を調整する少なくとも１つの電極７、
たとえば加速電極７１、および少なくとも１つの集束電
極７２の作用を受ける。
【００２１】熱放出フィラメントの形の電子源５の場
合、偏向電極７３が、送出される電子流８のパルスモー
ド変調を可能にする。
【００２２】代替電子源５は、導電基板を含むマイクロ
ポイント型電界放出陰極であって、導電基板上に基板と
正にバイアスされたグリッドとの間の絶縁層キャビティ
に収容された導電マイクロポイントが形成される。上述
の種類のマイクロポイント型電界放出陰極は、偏向電極
７３を必要とせずに、電子の流出それ自体を変調でき
る。
【００２３】本発明は、電子流を調整する電極７の下流
側の電子流８中に、少なくとも１つのマイクロチャネル
ウエハを提供する。図１は、ウエハ間電極１１によって
互いに隔てられた、第１マイクロチャネルウエハ９、お
よび第２マイクロチャネルウエハ１０を示している。マ
イクロチャネルウエハ９および１０は、比較的少数の電
子を含むパルス１次電子ビーム８から、多数の電子を含
むパルス２次電子ビーム１２を生成し、ゲインは１００
から数千になる。
【００２４】実際には、マイクロチャネルウエハ９およ
び１０のゲインに応じて、１次電子ビームは、１μＡか
ら１０μＡ程度の電流に相当することが可能であり、２
次電子ビームは、数ミリアンペアの電流に相当すること
が可能である。
【００２５】１次電子ビーム８および２次電子ビーム１
２は、たとえば、持続時間が１ナノ秒程度のパルスで構
成することが可能である。
【００２６】マイクロチャネルウエハの構造および動作
原理を、図２および図３を参照しながら説明する。図２
に示すように、マイクロチャネルウエハ９は、一般に、
０．５ｍｍ程度の厚さＥを有し、近接して並列する非常
に多数のガラス毛管、たとえば管１３からなる平板な部
材である。ガラス毛管は、非常に小さな直径を有し、ウ
エハ９の全体平面に垂直な軸に沿って配向されている。
毛管は、約１２ミクロンの直径ｅを有することができ、
向かい合う両端でウエハ９の主表面上に通じることがで
きる。ウエハ９の主表面は、金属被覆されて、入力電極
１４および出力電極１５を構成し、そこに電位差ＶＤが
印加される（図３を参照）。出力電極１５の電位は、入
力電極１４の電位よりも高い。毛管１３の内壁は、適切
な抵抗を有するように処理され、独立した２次電子増倍
管を形成する。１次電子ビーム８の電子が管１３に入る
と、管１３の壁に衝突し、少なくとも１つの他の電子を
分離することができ、それが入力電極１４と出力電極１
５との間の電界により加速される。このようにして分離
された電子は、それ自体が管１３の反対側の壁に衝突す
ることができ、他の電子が分離されてそれ自体が加速さ
れ、これにより動いている電子の数が次第に倍増し、多
数の電子を含む２次電子ビーム１２が生成される。
【００２７】再び図１を参照すると、２次電子ビーム１
２は、イオン銃２内部のイオン化領域１６まで伝播す
る。イオン化領域１６で、電子は分析すべきガスサンプ
ルの原子に衝突し、ガスサンプルをイオンに変換する。
ガスイオン化領域１６は、２次電子ビームを通過させ、
イオンを反発することによって電子を保持する上流側の
反発電極１７と、イオンを引き寄せる下流側の加速電極
１８との間にある。
【００２８】このようにして得られたイオン流１９は、
フライトチューブ３の入口２０に向けて送られ、次にフ
ライトチューブ３の全長に沿って移動し、出口２１を通
ってフライトチューブから出て、イオン検出器４に入
る。従って、図１に示すように、イオン源は、飛行時間
型質量分析計のフライトチューブ３の入口と一直線に並
ぶ。
【００２９】イオン検出器４は、ターゲット電極２４に
衝突する増幅された電子流を生成する、マイクロチャネ
ルウエハ２２および２３を含むことができる。ターゲッ
ト電極２４によって集められた電気パルスを検出するこ
とにより、測定が行われる。
【００３０】図１は、電子銃のマイクロチャネルウエハ
９および１０が占める領域の下流側にある、２次電子ビ
ーム１２を拡散させ、その時間特性を保持し空間特性を
向上させるための、追加電極２５を示している。これに
より、イオン化領域１６におけるイオン化が強められ
る。
【００３１】イオン化領域１６は、マイクロチャネルウ
エハ１０に近接していることが好ましく、マイクロチャ
ネルウエハ１０から短い距離、たとえば約１ｍｍから２
ｍｍだけ離れている。
【００３２】本発明は、明示的に記載された実施形態に
制限されるものではなく、当業者に明白であろうそれら
の変形形態および一般化を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】飛行時間型質量分析計の図である。
【図２】電子流を増幅するためのマイクロチャネルウエ
ハの部分切断透視図である。
【図３】図３は、電子流の増幅の原理を図示する、図２
に示したマイクロチャネルウエハの１チャネルの縦断面
図である。
【符号の説明】
１ 電子銃 ３ フライトチューブ ４ イオン検出器 ５ 電子源 ７、１７、１８、２５、７３ 電極 ８ １次電子ビーム ９、１０ マイクロチャネルウエハ １２ ２次電子ビーム １６ ガスイオン化領域 １９ イオン流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 49/40 Ｈ０１Ｊ 49/40

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 質量分析計用のイオン源であって、該イ
    オン源が、電子源（５）と、イオン流を調整するための
    少なくとも１つの電極（１７、１８）の作用を受けるイ
    オンが形成されるガスイオン化領域（１６）に向けて送
    られる適切な電子流を生成するように、電子流を調整す
    る少なくとも１つの電極（７）とを有する電子銃（１）
    を含み、電子流を調整するための電極（７）の下流側の
    電子流（８）中に、少なくとも１つのマイクロチャネル
    ウエハ（９、１０）が配置され、それによって、比較的
    少数の電子を含むパルス１次電子ビーム（８）から、多
    数の電子を含むパルス２次電子ビーム（１２）が生成さ
    れることを特徴とするイオン源。
  2. 【請求項２】 マイクロチャネルウエハ（９、１０）が
    占める領域の下流側に、２次電子ビーム（１２）の時間
    特性を保持し空間特性を向上させるために、２次電子ビ
    ームを拡散させる追加電極（２５）を含むことを特徴と
    する請求項１に記載のイオン源。
  3. 【請求項３】 ガスイオン化領域（１６）が、２次電子
    ビーム（１２）を通過させ、イオンを反発することによ
    って電子を保持する上流側の反発電極（１７）と、イオ
    ンを引き寄せる下流側の加速電極（１８）との間にある
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源。
  4. 【請求項４】 イオン源が、飛行時間型質量分析計のフ
    ライトチューブ（３）の入口と一直線に並んでいること
    を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイ
    オン源。
  5. 【請求項５】 ガスイオン化領域（１６）が、マイクロ
    チャネルウエハ（９、１０）に近接していることを特徴
    とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン
    源。
  6. 【請求項６】 電子源（５）が、適切な温度に加熱され
    熱放出によって電子流を生成するフィラメントであり、
    １次電子ビーム（８）が偏向電極（７３）によってパル
    ス変調されることを特徴とする請求項１から５のいずれ
    か一項に記載のイオン源。
  7. 【請求項７】 電子源（５）が、パルス変調１次電子ビ
    ームを発生するマイクロポイント型電界放出陰極である
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載
    のイオン源。
  8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか一項に記載の
    イオン源を含むことを特徴とする飛行時間型質量分析
    計。
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