JPH0418423B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば質量分析計などの測定機器に
おいて使用され、＋イオンや−イオンなどを検出
する検出器に関するものである。

（従来の技術） 質量分析計などにおいて、微小なイオン電流や
電子電流を検出する検出器として二次電子増倍管
やチヤンネルトロンなどが広く使用されている。

また、イオン−電子コンバータに対向させてシ
ンチレータを設置し、そのシンチレータから発生
する光を受光する光電子増倍管を設けたダリー
（Daly）型二次イオン検出器も使用されている。

ダリー型二次イオン検出器では、イオン−電子
コンバータから発生した電子はシンチレータとの
間の電界により引き込まれてシンチレータに衝突
し、シンチレータから発生した光が光電子増倍管
で検出される。

また、コレクタスリツトと二次電子増倍管の間
にさらに二次電子増倍管を挿入し、コレクタスリ
ツトを通つてきたイオンをその挿入された二次電
子増倍管で加速することにより感度を上げた検出
器が報告されている（マス・スペクトロスコピー
（MASS SPECTROSCOPY）誌、第33巻、第２
号、第145〜147頁（1985）参照）。

その検出器によれば、従来の二次電子増倍管の
みを用いた検出器に比べて約３倍の検出感度が得
られると報告されている。

しかしながら、これらの検出器の場合、生体成
分の分析や公害分析などにおける微量分析におい
ては、検出感度の点で限界があり、例えばpg／
1μ程度が限界である。

二次電子増倍管でダイノードの印加電圧を高く
すると利得は増大するが、信号とともにノイズも
増幅されるためＳ／Ｎ比（信号対ノイズの比）が
改善されず、したがつて感度は増大しない。

（発明が解決しようとする問題点） そこで、本発明らは、従来の二次電子増倍管に
比べて例えば約10倍以上というように大幅に検出
限界を向上させることのできる検出器として、第
３図に示される構造の検出器を開発した。

第３図において、１４は増倍器としての二次電
子増倍管であり、７段のダイノードDy₁〜Dy₇が
設けられている。ダイノードの段数は適当に変更
することができる。ダイノードDy₁〜Dy₇の間に
は各段で発生する二次電子を増幅するように電圧
が印加されている。増倍器として二次電子増倍管
１４に代えてチヤンネルトロンを使用することも
できる。

二次電子増倍管１４の出口側にはシンチレータ
２２が設けられている。シンチレータ２２は例え
ばガラス板２０の表面に形成されており、そのシ
ンチレータ２２の表面には金属膜２４が形成され
ている。金属膜２４を有するシンチレータ２２は
二次電子増倍管１４の出口にその二次電子増倍管
１４の内側を向くように配置され、絶縁物２６を
介して二次電子増倍管１４に一体的に固着されて
いる。シンチレータ２２はまた、二次電子増倍管
１４とは別体のものとすることもできる。

シンチレータ２２の背面側には、光ガイド２８
を介して光電子増倍管３０が設けられている。光
ガイド２８は合成樹脂や石英ガラスなどで形成さ
れ、光を効率よく通すような構造に構成されてい
る。

なお、１６は第１段目のダイノードDy₁に入射
する荷電粒子の方向を制御するデフレクタであ
り、１８は最終段のダイノードDy₇から放出され
る二次電子の方向を制御してシンチレータ２２に
導くデフレクタである。

シンチレータ２２としては種々の材料が使用さ
れるが、一例としてはRMA番号でP46の螢光体
Y₃Al₅O₁₂；Ceを挙げることができる。金属膜２
４は例えばアルミニウム蒸着膜である。

第３図の検出器において、二次電子増倍管１４
の１段目のダイノードDy₁に荷電粒子または中性
粒子が入射すると、ダイノードDy₁から二次電子
が発生する。その二次電子は２段目のダイノード
Dy₂で増幅され、その増幅された二次電子がさら
に３段目のダイノードDy₃で増幅されるというよ
うに、ダイノードDy₄，Dy₅，Dy₆，Dy₇で順次増
幅され、最終段のダイノードDy₇で発生した二次
電子はシンチレータ２２に入射する。シンチレー
タ２２で発生した光は光ガイド２８を通つて光電
子増倍管３０に導かれて検出される。

増倍管１４からの二次電子を一旦シンチレータ
２２により光に変換することにより、ノイズが減
少してＳ／Ｎ比が向上するものと考えられる。

第３図の検出器で、シンチレータ２２の表面の
金属膜２４に電圧を印加して最終段のダイノード
Dy₇で発生した二次電子を加速してシンチレータ
２２に入射させることができるようになつてい
る。

ところで、二次電子増倍管やチヤンネルトロン
のような増倍管、シンチレータ及び光電子増倍管
などの構成部品は長期間の使用で劣化する。特に
シンチレータは劣化しやすい。

本発明は、第３図に示されたような検出器にお
いて、高感度測定の場合にのみシンチレータと光
電子増倍管を使用し、通常感度で測定可能な場合
にはシンチレータと光電子増倍管を使用しないよ
うにすることによつてシンチレータを保護できる
ようにするとともに、劣化の起こる部品を増倍器
に限定して保守を容易にすることを目的とするも
のである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の検出器では、入射粒子を二次電子に変
換し増幅する増倍器の最終段ダイノード又は出口
近傍に電子を光に変換するシンチレータが設けら
れ、このシンチレータの表面には金属膜が形成さ
れているとともに、このシンチレータからの光を
受光する位置に光電子増倍管が設けられており、
前記金属膜には前記増倍管の最段ダイノード又は
出口から発生する二次電子を加速して前記シンチ
レータに導く電圧が印加されない状態で前記増倍
器の出力が取り出される第１の測定モードと、前
記金属膜に前記増倍器の最終段ダイノード又は出
口から発生する二次電子を加速して前記シンチレ
ータに導くように電圧が印加され前記光電子増倍
管の出力が取り出される第２の測定モードとの間
で、切り換えて使用できるようになつている。入
射粒子は荷電粒子又は中性粒子（これらを総称し
て荷電粒子等という）である。

実施例 １ 第１図は増倍器として二次電子増倍管を使用し
た実施例を表わしている。なお、第３図と同一の
部分には同一の記号を付して説明を省略する。

Dy₁〜Dynは二次電子増倍管のダイノードであ
る。初段のダイノードDy₁から（ｎ−１）段目の
ダイノードDyn−₁までの各ダイノード間には抵
抗ｒが設けられている。初段のダイノードDy₁に
はダイノード間で二次電子を増幅させるための高
圧電源（−Vd）３２が接続されている。（ｎ−
１）段目のダイノードDyn−₁にはスイツチS₁が
接続され、そのスイツチS₁のａ接点は抵抗ｒと抵
抗Ｒの直列回路を介して接地され、スイツチS₁の
ｂ接点は抵抗ｒを介して接地されている。最終段
のダイノードDynにはスイツチS₂が接続され、そ
のスイツチS₂のａ接点はスイツチS₁のａ接点の抵
抗ｒと抵抗Ｒの直列回路の節点Ｎに接続されてい
る。

二次電子増倍管の最終段のダイノードDynの出
口に対向してシンチレータ２２が設けられてい
る。シンチレータ２２は例えばガラス板２０上に
設けられており、シンチレータ２２上には金属膜
２４が形成されている。金属膜２４には高圧電源
３４が接続されており、高圧電源３４から金属膜
２４を介してシンチレータ２２に電圧が印加され
るようになつている。

シンチレータ２２の背面側には光ガイド２８を
介して光電子増倍管３０が設けられている。光電
子増倍管３０には光電子増倍管３０内での信号増
幅用の高圧電源３６が接続されている。

光電子増倍管３０の出力端子はスイツチS₃のａ
接点に接続され、スイツチS₃はプリアンプ３８に
接続され、プリアンプ３８の出力は信号処理系へ
と接続されている。スイツチS₂のｂ接点とスイツ
チS₃のｂ接点は互いに接続されている。

スイツチS₁，S₂，S₃としては例えばリレーを用
い、外部信号でリレーを駆動してスイツチS₁，
S₂，S₃を切り換えるようにすることができる。

４０は真空装置の壁面である。シンチレータ２
２、光ガイド２８及び光電子増倍管３０が一体化
されており、光ガイド２８が真空装置の壁面４０
で支持されている。そして、図に表わされるよう
に、ダイノードDy₁〜Dynをもつ二次電子増倍管
と、シンチレータ２２が真空内に収容され、光電
子増倍管３０、高圧電源３２，３４，３６、スイ
ツチS₁，S₂，S₃、及びプリアンプ３８は大気側に
設けられている。

本実施例の動作を＋イオンを検出する場合につ
いて説明する。スイツチS₁，S₂，S₃の切換えによ
り、二次電子増倍管から出力電流を取り出すモー
ド（モード１）と、光電子増倍管３０から出力電
流を取り出すモード（モード２）とに切り換える
ことができる。

まず、モード１として使用する場合を説明す
る。

スイツチS₁，S₂，S₃はｂ接点側に切り換えられ
る。このとき、ダイノードDy₁〜Dynには抵抗ｒ
によつて分割された電圧が印加される。最終段の
ダイノードDynには分割抵抗から切り離されてプ
リアンプ３８に接続される。シンチレータ２２に
は高圧電源３４から−Vsの電圧が印加され、最
終段のダイノードDynから飛び出してくる電子を
そのダイノードDynへ追い返す。

このモード１の場合にダイノードDy₁〜Dyn−
_１、シンチレータ２２に印加される電圧の一例を
示すと、 −Vd＝−500V〜−4kV −Vs＝−1kV である。なお、−Vdは入射イオン量に応じて設定
される。

モード１の場合、初段のダイノードDy₁に入射
したイオンはダイノードDy₁〜Dyn間で電子電流
として増幅された後、最終段のダイノードDynに
集められ、プリアンプ３８を経て信号処理系へ送
られる。

次に、モード２として使用する場合を説明す
る。

スイツチS₁，S₂，S₃は図に示されるようにａ接
点側に接続される。このとき、高圧電源３２から
ダイノードDy₁に−Vdの電圧が印加され、各ダ
イノードDy₁〜Dynには抵抗ｒ及びＲによつて分
割された電圧が印加される。最終段のダイノード
Dynには −Vd・Ｒ／｛（ｎ−１）ｒ＋Ｒ｝ の電圧が印加される。ここで、ｒとＲの比は、印
加されるVdの範囲でダイノードDy₁〜Dyn間の電
位差が１〜3kVになるように設定されている。シ
ンチレータ２２には高圧電源３４から＋Vsの電
圧が印加される。

ここで、ダイノードDy₁〜Dyn、シンチレータ
２２に印加される電圧の一例を示すと、 −Vd＝−3kV〜−6kV ＋Vs＝０〜6kV である。

初段のダイノードDy₁に入射したイオンはダイ
ノードDy₁〜Dyn間で電子電流として増幅された
後、最終段のダイノードDynとシンチレータ２２
の間の電位差で加速され、シンチレータ２２で光
に変換され、光電子増倍管３０で電子電流として
増幅される。光電子増倍管３０からの出力信号は
プリアンプ３８を経て信号処理系へ送られる。

モード１とモード２は測定しようとする電流量
に応じて使い分けられる。通常はモード１で使用
し、極微小の電流を検出しようとする場合にのみ
モード２で使用する。

本実施例では二次電子増倍管の軸と光電子増倍
管３０の軸が直交しているが、両者の軸が平行に
なるように変更してもよい。

実施例 ２ 第２図に増倍器として連続ダイノード型のチヤ
ンネルトロンを用いた実施例を示す。

４２はチヤンネルトロンであり、その入口と出
口の両端間には高圧電源３２から電圧が印加され
ている。チヤンネルトロン４２の出口に対向して
コレクタ４４が設けられている。コレクタ４４に
はスイツチS₄が接続され、スイツチS₄のａ端子は
高圧電源４６に接続されている。

シンチレータ２２もコレクタ４４に対向して設
けられている。シンチレータ２２の表面に金属膜
２４が形成され、その金属膜２４を介して高圧電
源３４からシンチレータ２２に電圧が印加される
ようになつており、シンチレータ２２の背面側に
は光ガイド２８を介して光電子増倍管３０が設け
られている点は第１図の実施例と同様である。

光電子増倍管３０の出力端子は、プリアンプ３
８に接続されたスイツチS₅のａ接点に接続されて
いる。スイツチS₄のｂ接点とスイツチS₅のｂ接点
は互いに接続されている。

本実施例において、モード１又はモード２での
使用時の高圧伝源３２，３４からの印加電圧は第
１図の場合と同様である。

モード１で測定する場合、スイツチS₄，S₅はと
もにｂ接点側に接続される。チヤンネルトロン４
２の出口からの電子電流はコレクタ４４に集めら
れてプリアンプ３８に導かれる。

モード２で測定する場合、スイツチS₄，S₅はと
もに図に示されているようにａ接点側に接続され
る。コレクタ４４には高圧電源４６から電圧が印
加されることにより、チヤンネルトロン４２の出
口からの電子はコレクタ４４によつて偏向されて
シンチレータ２２に入射する。シンチレータ２２
からの光は光電子増倍管３０で検出され、光電子
増倍管３０からの出力がプリアンプ３８に導かれ
る。

（発明の効果） 本発明によれば、以下に示されるような効果を
達成することができる。

(1) 通常は増倍器（二次電子増倍管やチヤンネル
トロン）のみで使用されることが多く、劣化は
増倍器で起こりやすくなる。したがつて、保守
上、劣化部分の判断が容易になる。

(2) シンチレータが電子衝撃を受けるのは、モー
ド２の場合のみである。そのため、シンチレー
タの寿命を延ばすことができる。

(3) モード１とモード２で切り換えて測定を行な
うことにより、広範囲のダイナミツクレンジで
の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す概略図、
第２図は本発明の第２の実施例を示す概略図、第
３図は本発明者らによつて開発された検出器を示
す概略断面図である。 ２２……シンチレータ、２４……金属膜、３０
……光電子増倍管、Dy₁〜Dyn……ダイノード、
S₁〜S₅……スイツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入射粒子を二次電子に変換し増幅する増倍器
   の最終段ダイノード又は出口近傍に電子を光に変
   換するシンチレータが設けられ、このシンチレー
   タの表面には金属膜が形成されているとともに、
   このシンチレータからの光を受光する位置に光電
   子増倍管が設けられており、前記金属膜には前記
   増倍管の最終段ダイノード又は出口から発生する
   二次電子を加速して前記シンチレータに導く電圧
   が印加されない状態で前記増倍管の出力が取り出
   される第１の測定モードと、前記金属膜に前記増
   倍管の最終段ダイノード又は出口から発生する二
   次電子を加速して前記シンチレータに導くように
   電圧が印加され前記光電子増倍管の出力が取り出
   される第２の測定モードとの間で、切り換えて使
   用できるようにしたことを特徴とする荷電粒子等
   の検出器。