JPH0354828B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、真空中の気相の分圧を求める交流検
出方式質量分析計に関するものである。従来の質
量分析計（残留ガス分析計）は、型式の如何を問
わず、いずれも気体分子を電子衝撃によつてイオ
ン化し、生成イオンを電気的、もしくは、磁気的
にイオンの質量によつて分離して検出するもので
あるが、特に残留ガス圧力10^-12Torr（10^-10Pa）
以下の超高真空域で使用される残留ガス分析計に
おいては、１）小型軽量で全圧型電離真空計と同
時に使用できると、２）全体を400℃内外でくり
返し加熱脱ガスができること、３）分析計を
10^-10Torr以下に排気できること、４）イオン源
は電子衝撃脱ガスが容易であること、５）気体放
出が極力小さくできること、６）高感度であるこ
と、７）分解能Ｍ／AMは50〜100程度の範囲に
あること、８）最小検出可能分圧が10^-10Torr以
下であること、９）電子衝撃脱離イオンの成分が
ないこと、10）イオン源の排気速度が小さいこ
と、等の条件を具備することが必要である。

しかしながら超高真空における残留ガス圧等を
測定するためには、先ずイオン源の感度が問題と
なるが、前記４項と５，10項の条件を同時に満足
させることは困難である。なぜならば、イオン源
の電子電流を増幅して感度を増大させると、ガス
放出速度も排気速度も共に増加して測定対象を乱
してしまうためである。又、マグネトロン型等の
イオン源においては、超高感度を得ることができ
るが、前記２，４，10項の条件を満足させること
ができない。

最近の質量分析計は、分解能も可変で電界の変
化だけで使えるマスフイルター型（４極子型）が
大勢をしめつつあるが、このマスフイルター型質
量分析計は分析用磁石が不用なばかりか、イオン
のエネルギー分散が大きくとも分析精度に影響を
与えないという特徴を持つもので、前記１〜10項
の条件に比較的適合するイオン源として電子衝撃
型のBAゲージ型イオン源が主流となつている。
このイオン源は陰極から飛び出した熱電子が円筒
状カゴ状陽極に吸引されて、内外に振動すると
き、このカゴ内部でガス分子と衝突してガス分子
をイオン化することを利用したものであるが、こ
のイオン化されたイオンの一部は引き出し電極の
小孔を通つて外部に飛び出すようにしたものであ
る。そしてこのイオン流を分析計にかけてやるこ
とにより、イオンの質量を分析するようにしたも
のである。

分析計の分析方式としては、磁界偏向型、安定
軌道型、飛行時間型、高周波共鳴加速型等細かく
分類すると非常に多種類のものがあるが、現在は
前述のような理由からマスフイルター型が主流と
なつている。該マスフイルター型による分析法
は、イオン源よりのイオンを４本の分析ロツドで
囲まれた分析空間に入射する。（この分析ロツド
には直流電圧と高周波電圧が重ねて加えられてい
る。）該分析空間をイオンが飛行するとき、イオ
ンはその質量に応じて周期振動を行なうが、電気
条件に合わないイオンは時間の経過と共に発散し
て振幅を増大しつづけ、ロツドに衝突して通過を
阻まれる。すなわち、前記電気条件を変えること
によつて、その条件に合つた質量のイオンだけを
イオン入射口の反対側から取出すことができる。
このことからマス（質量）フイルターの名が生ま
れた。マスフイルター通過後のイオン流は、イオ
ン収集電極でとらえられ、直流微小電流計で読取
られ圧力に換算され、分圧が求められる。このイ
オン流は超高真空域の残留ガス分析などの場合
は、10^-12A以下10^-14〜10^-15A程度になることが
多いので、イオン流の検出器に２次電子増信管が
使用されることが多い。

しかしながら、このマスフイルター型質量分析
計においては、イオン源として比較的高感度で脱
ガスできるBA型イオン源を使用しているが、分
析計に入射するイオン量はイオン源で生成されて
いる全イオン量の10〜20％であり、しかも、イオ
ン源は金属円筒で囲まれていることが多いため、
電子衝撃脱ガスも充分ではない上、放出ガスが多
く、したがつてイオン源自体の出す放出ガスまで
分析してしまうことになる。又、超高真空におけ
る残留ガス質量スペクトルに関して電子衝撃型イ
オン源を用いた場合、イオン源の陽極の表面に吸
着している分子が電子衝撃されて生じる電子衝撃
脱離イオンが気相イオンに混入して正確な分圧測
定を困難にしているという大きな問題もあり、従
つて、現在の質量分析計の主たる問題は、そのイ
オン源にあるといつてよい。

又、分析通過後のイオン電流は10^-13〜10^-15A
程度の微少電流を増幅することになる。この位の
微少電流を直流増幅器で増幅すると、ドリフトや
オフセツトの問題が生じてくる上、外来雑音に弱
く、強電界や強磁界の存在する加速器や刻融合炉
などの装置を運転中に分圧測定することは不可能
に近く、このため、高級な微少直流増幅器が必要
となるだけではなく、その測定には高度の技術を
要する。

又、10^-14Torr以下の測定などでは、２次電子
増倍管を用いて増幅し、入射荷電類子をパルス的
にはかる計数方式が用いられる。しかしながら、
如何なる方式であつても、その圧力（分圧）の校
正は10^-8以上の高い圧力で行わなければならない
ため、計数方式では10^-8以下の圧力で絶対値較正
することは、計数が多くなつて計数しきれなくな
るため、難かしくなつているのが現状である。

そこで本発明では、上記従来の実情に鑑みてな
されたものであつて、真空中の気相の分圧を求め
る場合、気相イオンに固体表面から生じる電子衝
撃脱離イオンが混入して誤差を生じても、これを
除去すると共に、高感度、かつ、脱ガスが容易な
電子衝撃イオン源を用いてガス放出をおさえ、交
流増幅・位相検出によつて電子増倍管なしで
10^-11Torr以下の分圧測定を可能にしたものであ
る。

そのため本発明では、電子衝撃型イオン源の、
略半球面状に形成された陽極の外周に沿つて熱陰
極を配設し、かつ、前記陽極の開放端に対向し、
該開放端方向に行くに従つて漸次拡開するラツパ
状イオン引き出し電極を設けると共に、該イオン
源と分析計の分析部の間に変調電極を配置した交
流検出方式質量分析計を提供することにより所期
の目的を達成するようにしたものである。

以下、本発明を図示せる１実施例に随て説明す
る。

ａは交流検出方式質量分析計Ａのイオン源であ
つて、陽極１、熱陰極２、電子リフレクター３及
びシールド電極４とから構成されている。陽極１
はモリブデン金網によりプレス加工によつて略半
球面状に形成され、その直径を14mmとし、又、金
網の透過率は90％以上としている。熱陰極２は酸
化ナトリウムを被覆したイリジウム線により円環
状に形成され、２ｍＡの電子電流のときの陰極加
熱電力は３ワツト以下で非常に小さいもので、前
記陽極１の外周に沿つて配置されている。イオン
引き出し電極である電子リフレクター３は、モリ
ブデンによつて漸次拡開するラツパ状に形成さ
れ、その中央の孔径を約４mmとしている。該電子
リフレクター３は、その拡開された開放端を前記
陽極１の開放端に対向するようにして設けられて
いる。シールド電極４は前記陽極１と同様にモリ
ブデン金網によりプレス加工によつて略半球面状
に形成され、前記陽極１及び熱陰極２を覆うよう
にして取付けられている。これによりイオン源ａ
は静電的にシールドされ、電子の振動を安定化し
た高感度のイオン源となる。

このイオン源ａの動作について説明すれば、負
の電位に置かれた熱陰極２を飛びだした電子は、
陽極に引かれ、その半球の内側に入射するが、フ
イラメントより負の電位に置かれた電子リフレク
ター３に反射され、再び陽極１に引かれ加速され
て該陽極１を飛び出し、今度は電子リフレクター
３と同じ電位に置かれたシールド電極４に反射さ
れることにより、前記陽極の内外に振動をくり返
すことになる。ところが、これらの電極の組合せ
によつて生じる電界は、この電子振動をこれらの
電極の中心軸上に集中させる働きをもつため、振
動電子の多くは中心軸上に集中、すなわち、第１
図に示すｘ−ｙ方向に振動するため、イオンの生
成もこの軸上に集中する。この軸上に生成された
イオンのうち、陽極１と電子リフレクター３の間
に生じたものは該電子リフレクター３に加速され
て容易に電子リフレクター３のイオン出口を飛び
出しうるが、陽極１の金網はメツシユをプレスし
たものであるから、軸上の電子透過率は非常に高
く著しく感度を高めることができる。このため陽
極が半径14mmの非常に小型ながら感度はイオン源
ａのイオン出口で13Torr^-1と従来のこのタイプ
のイオン源の体積の1/10〜1/20と小型にすること
ができた。又、小型であるため、陰極１、電子リ
フレクター３、シールド電極４の３つの電極を電
気的に結合して電子衝撃脱ガスを行つた場合でも
600V，100mAの比較的低電力で1200℃〜1300℃
高温脱ガスができ、従来のイオン源に比して、こ
のイオン源ａの放出ガスは無視できる程小さく、
10^-12Torr台の圧力でも邪魔にならなかつた。
又、イオン源ａは真空側Ｐにラツパ状に180゜の立
体角をもつて開いているので気体の分圧測定に非
常に適している。

このイオン源ａでさらに特筆すべきことは、イ
オンがｘ−ｙ線上に集中ため、従来不可能に近か
つた気相イオンと電子衝撃脱離イオンが完全に分
離することができることである。すなわち、電子
衝撃脱離イオンは振動電子が沢山回振動後ついに
は陽極１に補獲されてしまうが、その時この電極
１に化学吸着している気体分子があるとこの電子
衝撃によつてイオン化され固体表面からイオンが
飛び出すことになり、これが電子衝撃脱離イオン
と呼ばれるものである。ところが、この電極配置
では、脱離イオンは陽極１、電子リフレクター３
の２つの電極で構成される最も高い電位から加速
されてイオン源ａの出口から飛び出す。この時脱
離イオンは前記２つの電極ですでに7eVの運動エ
ネルギーも持つて飛び出しているので、その平均
エネルギーは気相に比べて非常に高くなつている
ので、これに比して気相イオンはｘ−ｙ線上の陽
極１と電子リフレクター３の２つの電極の間で作
られるので、電子リフレクター３に向つて加速さ
れるイオンの平均の運動エネルギーは前述のもの
よりも小さい。

そのために、前記イオン源ａと質量分析計Ａの
分析部であるマスフイルター分析計５の間にフオ
ーカス電極６を介して変調電極７を配置させ、該
変調電極７の電位を正にして、電位の低に方から
高い方へ上昇させてやると、先ず運動エネルギー
の小さい気相イオンが該変調電極７で反射されて
通れなくなり、（イオンのフイルターの役目をも
つ）次に電子衝撃脱離イオンが通過できなくな
る。さらに、前記変調電極７を円筒状に形成する
と、この電極の効果により、イオンビームは細く
なり、マスフイルター分析計５に入射しやすくな
る。５′は分析ロツドである。このため、変調電
極７の中心電位を気相イオンの阻止電位よりわず
かに小さいところにセツトし、これを中心に小さ
な振幅で変調させてやると、気相イオンのみが変
調される。尚、脱離イオンは通過してしまうので
変調されない。又、電子衝撃脱離イオンの阻止電
圧よりわずかに小さい電位に中心をセツトすれ
ば、陽極１表面の気体分子の吸着状態も知ること
ができる。

マスフイルター分析計５に入つたイオンはイオ
ンの電荷比に応じたイオンの質量に分けられて反
対側に出て、イオン収集電極８に集められ、導線
を通してイオン電流として計られる。このイオン
電流は、微少交流電流増幅器９によつて電圧に変
換され、さらに、変調成分のみを交流増幅器１０
によつて増幅される。増幅された信号は変調器１
１から分割して得た信号を直流成分カツトオフ用
コンデンサー１２で直流分をカツトし、位相器１
３を通して前記増幅信号と同位相にしてアナログ
掛算器１４に入れ、その出力を低域波器（ロー
パスフイルター）１５を通して出力とする。前記
位相器１３とアナログ掛算器１４及び低域波器
１５で位相弁別検波器を構成している。１６は変
調電極７の中心電位を決める電池である。

第２図はＸ−Ｙレコーダーによる変調電極７の
出口での気相イオンと脱離イオンの分離効果を見
たもので、変調に用いたのは、変調振幅10Vpp、
変調周波数12Hz、電子電流2mAの正弦波で行つ
たもので、縦軸は変調電極を出たイオン電流の変
調成分だけを増幅して直流に整流した出力であ
る。

尚、上記実施例において、イオンの分析計には
マスフイルター型を用いて説明したが、該分析計
はマスフイルター型に限つたものではなく、磁界
偏向型、安定軌道型、飛行時間型、高周波共鳴加
速型等すべてに適合させることができるものであ
る。又、変調電極７は上述のように円筒状にした
方が好ましいが、該円筒状に限つたものではな
く、メツシユ状のものでもよい。イオン源ａも上
記実施例のように半球面状のものに限つたもので
はなく、BA型の円筒状の金網でもよい。

以上述べたように本発明によれば、イオン源の
出口にイオン流を変調する変調電極を配置して、
イオン源からの電子衝撃脱離イオンと気相イオン
とを、変調域を変えることによつて完全に分離で
きるようにしてから分析計に送り込むようにし、
かつ、分析計を通過後のイオン電流は交流微小電
流増幅器で増幅後、変調信号と同期させて位相弁
別検波器にかけ、該検波出力を低域波器で平滑
にした後、該出力によりそのイオに起因する気体
の分圧を測定するようにしたので、増幅器のドリ
フトやオフセツトが生じることがないので、長期
運転が可能になるだけではなく、位相弁別検波を
行なうので、外来ノイズにうずもれた微小信号で
あつても、高精度、高信頼性をもつて検出できる
ため、加速器や核融合炉等のシビヤなノイズ中で
も運転中に測定することができ、100m以上の遠
隔測定も可能となる。

又、本発明によれば、位相弁別検波方式である
ため、低域波器の時定数を大きくすれば、微小
電流の増幅限界は10^-13Torrまで可能となり、２
次電子増倍管を用いなくとも10^-10Torr以下の分
圧測定が充分に可能となる。

又、本発明によれば、イオン源を小型で脱ガス
容易なものとすることができるだけではなく、該
分析計をいかなる場所に取り付けても、感度を一
定にすることができるイオン源のシールド電極で
信頼性を著しく高めることができる等の効果を有
するものである。

さらに本発明によれば、今まで不可能に近かつ
た気相イオン（分圧）と電子衝撃脱離イオンを分
離し、どちらのイオンも質量分析できる等非常に
画期的なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は質量分析計とイオン源との関係を示す
ブロツク図、第２図は変調電極の出口での気相イ
オンと脱離イオンの分離効果を表わしたグラフ図
である。 Ａは質量分析計、ａはイオン源、１は陽極、２
は熱陰極、３は電子リフレクター、４はシールド
電極、５は分析計、７は変調電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空装置内の特定の種類の気体分子の分子密
   度を知るために、分子を電子衝撃によつて電離
   し、その電離によつて得られたイオンを、分析部
   に適当に配置した電界や磁界の作用でそのイオン
   の電荷対質量比に応じて分離し、そのイオン電流
   の大きさから、分子の種類及びその分子密度を求
   める質量分析計において、前記分析部に入る前段
   階で、イオン源からのイオン電流を変調し、前記
   分析部通過後の分離されたイオン電流の変調成分
   のみを交流増幅し、かつ増幅後の信号と変調信号
   とを同期させて位相検波できるように、前記分析
   部と電子衝撃型イオン源の間に変調電極を配置す
   ると共に、前記イオン源の、略半球面状に形成さ
   れた陽極の外周に沿つて熱陰極を配設し、かつ、
   前記陽極の開放端に対向し、該開放端方向に行く
   に従つて漸次拡開するラツパ状イオン引き出し電
   極を設けたことを特徴とする交流検出方式質量分
   析計。 ２ イオン源のイオン生成の安定化と信頼性向上
   のために、前記イオン源全体を金網からなる格子
   状のシールド電極で静電シールドしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の交流検出方
   式質量分析計。