JPH0439177B2

JPH0439177B2 -

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Publication number: JPH0439177B2
Application number: JP58164993A
Authority: JP
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1992-06-26
Also published as: JPS6059635A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は陰イオン及び陽イオンを生成する装置
に係るもので、特に、極微量の固体や液体試料の
質量分析、核融合反応用水素イオンの生成、半導
体材料へのイオンの打込み、などの分野に好適な
イオン源として、利用しうるものである。

〔発明の背景〕

第１ａ図は、従来のこの種のイオン源の１例
（Sandstyom et al.，J.Chem.Phys.，48，5683，
1968）を示したものである。ここで、１，２，３
は金網状のグリツド電極、４は熱電子放射用のタ
ングステン製フイラメント、５は試料分子を吸着
させるためのタングステン製リボンである。フイ
ラメント４から放射された熱電子６は、電源７に
より電位差で加速され、リボン５の表面に入射す
る。その結果、リボン５の表面に吸着した試料８
（例えばCO）から生成・放出される陽イオン９
（例えばCO⁺）は、第１ｂ図に示すごとく、電源
７による電位差で引出される。そして、電極２の
方向へさらに加速されたのち、マスアナライザー
１０に送り込まれる。この方法によれば、フイラ
メント４とリボン５との間の電位差によつて、電
子６と陽イオン９の加速が同時に行なえる利点が
ある。しかし、電子衝撃によつて生成される陰イ
オン（例えばO^-）を、リボン５から引出して、
グリツド２の方向に送り出すことは、電場の極性
方向が反対のために、全く不可能である。

このような難点を軽減するための方策として
は、例えば第２ａ図の方法（河野博之他、日本化
学会中国四国支部・九州支部合同大会、於香川大
学、1982年11月、講演番号A217、講演予稿集101
頁）が考案されている。ここで、１１は試料（例
えばNaClの水溶液）を保持するための平板電極、
１２は熱電子放射用のタングステン製フイラメン
ト、１３は電子加速用シリンダー型電極、１４は
イオン引出用スリツト電極、１５は熱電子、１６
は塗布された試料（例えばNaCl）、１７は陰イオ
ン（例えばCl^-）、１８はマスアナライザーであ
る。この従来例の場合、フイラメント１２と電極
１１との間の電位差によつて、熱電子１５を電極
１１の方向に加速することは、きわめて容易であ
る。しかし、電極１１から陰イオン１７を効率よ
く引出して、電極１４の方向に送り出すことは、
かなり困難である。その主な理由は、熱電子放射
体１２が電極１１と電極１４との中間部に在るた
め、第２図ｂ図に示すように電子１５の加速用電
場が陰イオン１７の阻止電場として働き易いため
である。

以上のように、従来の実施例では、電子衝撃に
よつて生成される陰イオンを効率よく引出すこと
が全く不可能か、あるいは、きわめて困難であ
り、従つて、陰イオン源としての実用性に乏しい
欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電子衝撃によつて固体の表面
で生成される陽イオンは勿論のこと、陰イオンに
ついても引出効率が高く、かつ、小型で大容量の
イオン源を、提供するところにある。

〔発明の概要〕

従来の実施例では、試料保持用電極とイオン引
出用電極との中間部に熱電子放射体を設置してい
るため、陰イオンの引出しが不可能か、あるい
は、きわめて困難であつた。この難点を解消する
ために本発明では、イオン源の構造を第３ａ図の
ように改めた。ここで、１９はバツクシールド用
電極、２０は熱電子放射用フイラメント、２１は
試料保持用有孔電極（透視性のスポンジ、メツシ
ユ、すだれ、すのこ、または、多孔打抜板）、２
２はイオン引出電極（メツシユまたはスリツト
板）である。固体、または、液体の試料を試料保
持用電極２１に積載、または、塗布したのち、試
料保持用電極２１とフイラメント２０との間の電
位差で加速された熱電子２３を試料保持用電極２
１に入射させる。その結果、試料保持用電極２１
上の試料２４から離脱した陰イオン２５は、電子
とともに電極２１と電極２２との間に印加したイ
オン引出電圧によつて取出したのち、マスアナラ
イザー２６によつて、電子の分離と陰イオンの定
性・定量分析を行なう。

第４図は、本発明による上記のイオン源を用い
て、陽イオン２７を取出す場合を図示したもので
ある。ここで、２８はバツクシールド用電極、２
９は熱電子放射用フイラメント、３０は試料保持
用有孔電極、３１はイオン引出電極、３２は電
子、３３し積載または塗布された試料、３４はマ
スアナライザーである。電極３０と電極３１との
間の電位分布が第３図の場合と異なるだけで、電
極類の構造や配置などは同一である。なお、電極
３０上の小孔を通過した電子３５は、電極３０と
電極３１との空間内で反射されて、ついには電極
３０の表面を衝撃するので、陽イオン２７の生成
及び離脱の高効率化に役立つ。

本発明では、上述のごとく、試料保持用有孔電
極を熱電子放射体とイオン引出電極との中間部に
設置しているので、離脱した陽イオン、または、
陰イオンの何れでも効率よく引出すことができ
る。また、試料電極としては、目の細いメツシ
ユ、透視性のスポンジ、細密なすだれ、並列間隔
が狭くて各対向面の幅が広いすのこ、あるいは、
小さな孔を沢山開けた板などを採用するので、試
料の保持とイオンの生成・離脱に有効な表面積
が、狭い空間内で非常に広く取れる。従つて、イ
オン源全体の小型化が可能である。

以上のごとく、本発明は陰・陽何れのイオンで
も高効率で生成し、かつ、引出しうる簡便なイオ
ン源となりうる。この特徴は、従来の実施例には
見られなかつたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による一実施例を第５図により説
明する。

第５図ｂは、質量分析計用に設計・製作したイ
オン源の概略断面図である。第５ａ図は第５ｂ図
のＶ−Ｖ断面図である。３６はステンレススチー
ル製のバツクシールド箱、３７は熱電子放射用の
螺旋形タングステンフイラメント（直径0.1mm、
全長３cm）、３８は開口率50％のステンレイスチ
ール製メツシユ、３９はステンレススチール製の
イオン引出用スリツト電極、４０はメツシユ取付
枠、４１は枠付メツシユ電極着脱用のガイドレー
ル、４２はフイラメント取付用のステム、４３と
４４は共に絶縁体、４５は固定用のネジである。
４６は熱電子、４７は試料、４８は陰イオン、４
９は陽イオンである。第５図ｃは、メツシユ３８
とメツシユ取付枠４０を示す。

μgからmg程度の微量の固体（例えばLiHやKF
など）、または、液体（例えばCS₂やTiCl₄など）
の試料をメツシユ電極３８の表面に積載、また
は、塗布したのち、エアーロツク装置５０によつ
てガイドレール４１の部位に装着する。次に、ヒ
ーター電源５１でフイラメント３７を1900°K程
度に加熱して２〜3mAの熱電子を放出させ、バ
ツクシールド用電源５２と共に電子加速用電源５
３を用いて150eVに加速し、メツシユ電極３８に
入射させる。離脱した陰イオン４８、または、陽
イオン４９は、極性切替スイツチ５４に接続した
イオン引出用電源５５で300evに加速したのち、
マスアナライザー５６に送込む。

一般に、電子親和力の小さい原子や分子などの
陰イオンを、微量の固体試料から効率よく生成さ
せるための簡便なイオン源は、現在のところ皆無
に等しい。例えば、水素原子とリチウム原子の電
子親和力は、それぞれ0.75及び0.62eVで、ハロゲ
ン原子の電子親和力（3.0〜3.6eV）よりも非常に
小さなため、H^-やLi^-の生成は一般に困難であ
る。そこで、固体試料として1mgのLiHを選び、
上述の要領で当該イオン源を作動して、単収束の
質量分析計で質量スペクトルを求めてみたとこ
ろ、H^-とLi^-の鋭いピークスペクトルが容易にえ
られ、しかも、試料の寿命は５時間以上に及ぶこ
とがわかつた。この結果は、(1)スパーク放電型固
体試料用イオン源の場合とは対照的に、脱離した
イオンのエネルギー幅は比較的狭く、従つて、エ
ネルギー収束性を持たない通常の質量分析計に
も、本発明によるイオン源が十分に適用できるこ
と、また、(2)本発明によるイオン源は、従来の固
定試料用表面電極離型陰イオン源とは対照的に、
電子親和力の小さい原子の陰イオンを固体試料か
ら容易に生成できること、さらに、(3)固体試料を
真空装置内で気化させたのちに蒸気を電子衝撃す
る従来の電子衝撃型イオン源と比較すれば、本発
明によるイオン源は、イオン化しない試料の損失
が非常に少なく、従つて、検出感度の向上に役立
つこと、などの特徴がある。なお、イオン源の内
部の真空条件を良好に保つことにより、C^-，C₂
⁻，C₂H^-などのバツクグランドイオンの生成は認
められなかつた。

第６図は、本発明によるイオン源の性能を例示
したものである。第５図のメツシユ電極３８（サ
イズ0.2×0.5cm²）の表面に約10mgのNaHを積載
後、フイラメント３７を1900°Kに加熱して、約
2mAの電子電流を電極３８に入射させている。
離脱した水素陰イオン量の測定には、180度磁界
偏向型の単収束質量分析計を用いた。第６図の横
軸は試料を衝撃した電子の運動エネルギーで、縦
軸は水素陰イオンの放射電流値である。このグラ
フは、開口率が50％で広さが0.1cm²のメツシユ電
極から、60μAのH^-イオンが放射されうることを
示している。なお、このイオン源の寿命（連続作
動時間）は、例えば約10mgのNaHを積載した場
合、約0.1μAのH^-電流を８時間以上にわたつて
取出すことができる。また、積載したNaHの利
用効率は、積載密度が約1mg／cm²のときに約５％
であつた。

第７ａ図は、核融合反応装置の中性粒子加熱用
イオン源など強力なイオンビームの生成を必要と
する分野のために、本発明を応用したイオン源の
一例である。第７ｂ図は、第７ａ図の−断面
図である。５７はバツクシールド用の半円筒型電
極、５８は熱電子放射用の螺旋形タングステンフ
イラメント（直径0.1mm、全長150cm）、５９及び
６０は試料保持用の半円筒型メツシユ電極、６１
はイオン引出用の平面型メツシユ電極、６２，６
３及び６４はメツシユ取付枠、６５は絶縁体、６
６は電極類組立用のネジ、６７は半円形の横蓋、
６８はフイラメント取付用のステム、６９は絶縁
体、７０は横蓋取付用のネジである。また、７１
は熱電子、７２は陰イオン、７３は試料、７４は
電子分離用の磁石、７５はフイラメント加熱用電
源、７６は電子反射用電源、７７は電子加速用電
源、７８と７９はイオン引出用電源、８０と８１
はイオン引出電圧の極性切替用スイツチである。
電極６２，６３，６４の間隔は何れも５mmで、電
極５９と６０の極率半径はそれぞれ10mmと20mmで
ある。陰イオンビームを生成する場合には、電極
５９→６０→６１の順番に電位を次第に高くす
る。

電極５９及び６０の表面に固体試料（例えば
CaH₂）を積載したのち、真空装置内でフイラメ
ント５８を1900°Kに加熱して600mAの電流値の
熱電子を放出さら、150eVに加速して、電極５９
及び電極６０に衝撃する。電極５９から放出され
る陰イオン７２は電極６０で引出したのち、電極
６１でさらに加速・集束して引出す。一方、電極
６０から脱離した陰イオンは電極６１で加速・集
束される。本実施例によれば、陰イオンが生成さ
れる場所の表面積が、第５図の方式の場合に比べ
て非常に大きくなる。また、電子電流の利用率が
高く、さらに、陰イオンの引出しと集束も同時に
可能なので、大電流の陰イオンビームを簡単に生
成できる。

一方、陽イオンを生成する場合には、電極５９
のみに試料を積載・塗布したのち、スイツチ７８
と７９でイオン引出電圧の極性を切替えて、電極
５９→６０→６１の順番に電位を低くすることに
より、電極５９から放射された陽イオンを効率よ
く取出すことができる。イオン源の構造は陰イオ
ンを生成する場合と同じであるから、陽イオンの
場合にも陰イオンの場合と同様に、効率的なイオ
ンの生成効果がえられる。

LiHやNaHの固体試料からH^-ビームのみを取
出すためには、同時に生成されるLi^-やNa^-をウ
イーンフイルターやマスフイルターなどで分離す
る必要があり、従つて、この分離操作の過程で、
肝心のH^-ビームにかなりの損失を生じることに
なる。しかし、CaH₂を用いる場合には、Caの電
子親和力が負の値をもつため、Ca^-は全く生成さ
れない。従つて、CaH₂の電子衝撃によつて生成
される陰イオンはH^-のみとなり、弱い磁界で電
子を除去するだけで、純粋なH^-ビームが容易に
取出せることになる。そこで、第７図の電極５９
及び６０の表面に約1mg／cm²のCaH₂を積載後、
150eVの熱電子で衝撃したところ、５時間以上に
わたつて約1μA／cm²のH^-イオン電流がえられた。
この生成密度はLiH及びNaHの場合に比べると、
それぞれ約８％及び0.2％に過ぎない。しかし、
(1)第７図のように試料保持電極の有効面積を広く
（約30cm²）取り、かつ、(2)当該イオン源を多数個
並列に採用することによりCaH₂から単一成分の
強力なH^-ビームを効率的に取出せることができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以下に述べる(1)〜(6)の効果が
えられる。

(1) 試料の採択範囲の拡大固体試料から陰イオンを生成する方法として
は、例えば表面電離型イオン源が広く活用されて
いる。しかし、この方法によれば、電子親和力が
一般に2eV以上の原子や原子団のみが陰イオン化
の対象になりうるだけである。従つて、表面電離
型陰イオン源の応用範囲は狭く、威力を発揮する
のは、例えばハロゲン化合物などの特定な試料に
限られている。

ところが、本発明のイオン源には、電子親和力
が0.75eVのＨや0.62eVのLi原子でも容易に陰イ
オン化できる特徴がある。これは、固体試料自身
の表面特性（特に、仕事関数の値が小さな活性点
が、化合物の表面には一般に存在しうること）
を、有効に利用しうるためである。従つて、当該
イオン源の採用は、生成可能な陰イオンの種類及
び採択可能な固体試料の種類を、いずれも増大さ
せる効果がある。

(2) イオン化効率の向上ガスまたは蒸気を試料とする電子衝撃型イオン
源は、従来から広く使われている。しかし、気体
分子と電子とが気相中で衝突する確率は非常に小
さいので、一般に、試料の99％以上は無駄に排気
されてしまうだけである。

ところが、本発明のイオン源では、試料が２次
元的に存在する電極表面に照射させるので、電子
と試料分子との衝突確率が高い。例えば、NaH
を150eVの電子線で照射した場合のイオン収率
を、入射電子電流に対する放出イオン電流の割合
と定義すると、その値は４％に達する。このよう
に、当該イオン源は、イオンの生成効率を増大さ
せる効果がある。

(3) 単一成分の陰イオンビームの生成電子親和力の値が正の元素を１種類だけ含む化
合物を試料に選べば、当該元素のみによる単一成
分の陰イオンビームを生成することが可能であ
る。例えば、CaH₂を採用すると、CaとＨの電子
親和力はそれぞれ−1.6及び0.75eVであるから、
Ca^-は決して生成されない。従つて、このような
試料選択法を本発明のイオン源に適用すれば、ウ
イーンフイルターやマスフイルターなどを併用す
ることなく、熱電子の分離用に弱い磁界を利用す
るだけで、単一成分の陰イオンビームを容易に取
出せる効果がえられる。

(4) 排気系に対する負荷の軽減ガスを試料とする従来のイオン源の場合、例え
ば、水素ガス中でアーク放電によつてH^-を生成
させる場合には、未イオン化の水素ガスを排気す
るため大型の真空ポンプが必要である。

しかし、本発明のイオン源では、例えば、H^-
をNaHなどの固体試料から生成できるので、イ
オンビーム生成装置の真空保持用ポンプは、小型
のもので十分である。従つて、当該イオン源を採
用することにより、イオンビーム生成装置の低価
格化が実現できる。

(5) 装置の小型化本イオン源はその構造が簡単であるため、全体
の大きさを１cm³以内に小型化することも容易であ
る。従つて、簡便な陰イオン源または陽イオン源
として、比較的小型の実験装置内にも容易に組込
める利点がある。

(6) 製作材料の採択範囲の拡大表面電離法によつて陰イオンを生成する場合に
は、イオン生成用の表面材料として、仕事関数の
値が小さく（陽イオン化の場合には、大きく）、
かつ、融点が2000°K以上の耐熱性の金属、また
は、半金属などの特殊な材料を採用することが、
一般に必要である。

しかし、電子衝撃脱離法を利用する場合には、
固体試料自体の表面特性と衝撃電子の運動エネル
ギーとを利用して、イオンの生成と脱離とを行な
わせるので、試料電極用材料の採択に当つては、
耐熱性や仕事関数の大小などを考慮する必要はな
い。従つて、イオン源の構成材料としては、熱電
子放射用フイラメントを除いて、ステンレススチ
ールや銅などのように、安価で加工性に富んだ金
属材料を自由に選択できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来例による陽イオン用イオン源の
断面図、第１ｂ図はその電位図、第２ａ図は従来
例による陰イオン源の断面図、第２ｂ図はその電
位図、第３ａ図は本発明による陰イオン用イオン
源の断面図、第３ｂ図はその電位図、第４ａ図は
本発明による陽イオン用イオン源の断面図、第４
ｂ図はその電位図、第５図は本発明による実施例
の断面図であり第５ａ図は第５ｂ図のＶ−Ｖ断面
図、第５ｃ図は第５ｂ図中のメツシユを示す図、
第６図は本発明の一実施例であるイオン源の性能
の例示図、第７図は本発明の他の実施例の断面図
であり、第７ｂ図は第７ａ図の−断面図であ
る。１９，２８，３６，５７……バツクシールド用
電極、２０，２９，３７，５８……熱電子放射用
フイラメント、２１，３０，３８，５９，６０…
…試料保持用有孔電極、２２，３１，３９，６１
……イオン引出用電極。

Claims

【特許請求の範囲】１イオン引出電極と熱電子放射体との中間部に
試料保持用の有孔電極を設置し、この有孔電極の
背面方向から試料を電子衝撃することによつて陰
イオン、または、陽イオンを効率よく生成・脱離
させると共に、イオン引出電極によつてイオンビ
ームを取り出すことを特徴とするイオン源。２電子親和力の値が正の元素を１種類あるいは
数種類含む化合物を試料として電子衝撃すること
によつて、当該元素の陰イオンのみを高い効率で
生成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載のイオン源。