JPS6059635A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
ものでちる。

〔発明の背景〕

第１（ａ）図は、従来のこの種のイオン源の１例（Ｓａ
ｎｄｓｔＹｏｍ　ｅｊ　ａｌ、　、Ｊ、Ｃｈｅｍ　、　
ＰｈｙＳ’＋４８．５６８３．１９６８）を示したもの
である。

ここで、１，２．３は金網状のグリッド電極、４は熱電
子放射用のタングステン製フィラメント、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。フィ
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５０表面に入射する。その結果
、リボン５０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、Ｊｌ
（ｂ）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
、フィラメント４とリボン５との間の電位差によって、
電子６と１湯イオン９の加速が同時に行なえる利点があ
る。しかし、電子衝撃によっ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、グリッド２の方
向に送り出すことは、電場の極性方向が返対のために、
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２（ａ）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、於審用大学、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ＮａＣ１の水溶
液）を保持するだめの平板電極、１２は熱電子放射用の
タングステン製フイラメ／）、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ット電極、１５は
熱電子、１６は塗布された試料（例えばＮａＣｔ）、１
７は陰イオン（例えばＣｔ−）、１Ｂはマスアナライザ
ーである。この従来例の場合、フィラメント１２と電極
１１との間の電位差によって、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１
４の方向に送−り出すことは、かなシ困難である。その
主な理由は、熱電子放射体１２ｐ；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、電子衝撃によって生
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、従って、陰イオン源
としての実用性に乏しい欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電子衝撃によっ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、きわめて困難であっ
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３（ａ）図のように改めた。ここで、１９はバ
ックシールド用電極、２０は熱電子放射用フィラメント
、２１は試料保持用有孔電極（透視性のスポンジ、メツ
シュ、すだれ、すのこ、または、多孔打抜板）、２２は
イオン引出電極（メツシュまたはスリット板）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とフィラ
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２１に入射させる。その結果、試料保持
用電極２１上の試料２４から脱離した陰イオン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
ン引出電圧によって取出したのち、マスアナライザー２
６によって、電子の分離と隙イオンの定性・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める。ここで、
２８はバックシールド用電極、２９は熱電子放射用フィ
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［４子、３３は７漬載または塗布され
た試料、３４はマスアナライザーでおる。直他３０と成
極３１との間の゛鴫位分布が紀３図の場合と異なる／ど
けで、′岨極類の、構造や配置などは同一でりる。なお
、電極３０上の小孔を通過した′成子３５は、電極３０
と′成極３１との望間内で反射されて、ついには１俟３
０の表面をｔｉ寧するので、陽イオン２７の生成及び脱
離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敲極との中間部に設置しているの
で、脱離した陽イオン、または、隙イオンの側柱でも効
率よく引出すことができる。

また、試料１極としては、目の細いメツ／ユ、透視性の
スポンジ、細密なすだれ、並列１＠Ｉ　ｎ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・
脱離に有効な狭面積が、狭い空間内で非常に広く取れる
。従って、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・湯側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シうる
。この特徴は、従来の実施例には見られなかったもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による一実施例を第５図にょシ説明する。

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５（ａ）図は第５（ｂ）図の
■−■断面図である。３６はステンレススチール製のバ
ックシールド箱、３７は熱電子放射用の螺旋形タングス
テンフィラメント（直径０．１　ｍｍ　。

全長３ｃ１ｎ）、３８は開口率５０％のステンレススチ
ール製メツシュ、３９はステンレススチール製のイオン
引出用スリット成極、４ｏはメツシュ取付枠、４１は枠
付メツシュ電極着脱用のガイドレール、４２はフィラメ
ント取付用のステム、４３と４４は共に絶縁体、４５は
固ボ用のネジである。

４６は熱電子、４７は試料、４８は陰イオン、４９は陽
イオンである。第５図（Ｃ）は、メツシュ３８とメツシ
ュ取付枠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Ｃ８２やＴｉＣｌ２　など
）の試料をメツシュ電極３８の表面に積載、または、塗
布したのち、エアーロック装置５０によってガイドレー
ル４１の部位に装着する。次に、ヒーター電源５１でフ
ィラメント３７を１９００°に程度に加熱して２〜３ｍ
Ａの熱電子を放出させ、バックシールド用′甑源５２と
共に電子加速用電源５３を用いて１５０ｅＶに加速し、
メツシュ電極３８に入射させる。脱離した陰イオン４８
、または、陽イオン４９は、極性切替スイッチ５４に接
続したイオン引出用電源５５で３００ｅ■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だめの簡便
なイオン源は、現在のところ皆無に等しい。タリえば、
水拭原子とリチウム原子の電子鏡オロカは、それぞれ０
．７５及び０．６２ｅＶで、ハロゲン原子の電子親和力
（３，０〜３．６６■）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ｌ　ｍ　ｇ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
トルが容易に見られ、しかも、試料の寿命は５時間以上
に及ぶことがわかった。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
イオンの工坏ルギー幅は比較的狭く、従って、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、従来の固体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、従って、検出感度の向上に役立つこと、
などの特徴がおる。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
どのパックグランドイオンの生成は認められなかった。

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図のメツシュ′［電極３８（サイズ０．２
　Ｘ　Ｏ，５ｃＡ　）の表面に約１０ｍｇのＮａＨを積
載後、フィラメント３７を１９００°Ｋに加熱して、約
２ｍＡの電子電流を一極３８に入射させている。脱離し
た水５＋１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、開口率が約５０％で
広さが０．　Ｌ　ｃｔ＆のメツンユ成極から、６０μＡ
の１ｉ−イオンが放射されうろことを示している。なお
、このイオン源の寿命（連続作動時間）は、例えば約１
０ｍｇのＮａＨを積載した場合、約０．１μＡのＨ−電
流を８時間以上にわたっ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／　
ｃｒｌのときに約５％であった。

第７（ａ）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ちる。第７
（ｂ）図は、第７（ａ）図の■−■断面図である。５７
はバッ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ィラメント（直径０．１　ｔ
ｅａ、全長１５０ｃｒｎ）、５９及び６０は試料保持用
の半円筒型メツシュ電極、６１はイオン引出用の平面型
メツシュ電極、６２゜６３及び６４はメツシュ取付枠、
６５は絶縁体、６６は電極類組立用のネジ、６７は半円
形の横蓋、６８はフィ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はフィ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
用スイッチでおる。

電極６２．６３．６４の間隔は何れも５飄で、電極５９
と６０の曲率半径はそれぞれ１０１＋ＩＩ＋１と２０間
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ＣａＨｚ）
を積載したのち、真空装置内でフィラメント５８を１９
００°Ｋに加熱して６００ｍＡの電流値の熱電子を放出
させ、１５０ｅｖに加速して、電極５９及び電極６０に
衝撃する。電極５９から放出される隘イオン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
大きくなるうまた、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、スイッチ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シ、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おるから、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。

Ｌｉ１（やＮ　ａ　Ｈの同体試料から１（−ビームのみ
を取出すためには、同時に生成されるＬｉ−やＮａ−ｅ
ウィーンフィルターやマスフィルターなどで分離する心
安があり、従って、この分離操作の過程で、肝心のＨ−
ビームにかなシの唄失を生じることになる。しかし、Ｃ
ａＨ２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。従って、ＣａＨ
２の電子衝撃によって生成される陰イオンはＨ−のみと
なシ、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１　ｍ　ｇ／　ｄｉのＣａＨ
２を積載後、１５０ｅＶの熱電子で衝撃したところ、５
時間以上にわたって約１μＡ／　ｃｒｌｌのＨ−イオン
電流かえられた。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３０ｃｒＡ）取シ、かつ、（２）当該イオ
ン源を多数個並列に採用することによｊ）ＣａＨｚ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。

し発明の効果〕 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シうる
だけである。従って、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０．７
５ｅＶのＨや０．６２ｅＶのＬｉ原子でも容易に陰イオ
ン化できる％徴がある。これは、固体試料自身の表面特
性（％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。従って、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金、いず
れも増大させる効果がちる。

（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
気相中で衝朶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′−極表面に電子を照射させるので、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、入射電子底流
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）単一成分の隙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晒イオンビームを生成する
ことが可能である。

例えば、ＣａＨ＋＋’に採用すると、ＣａとＨの電子親
和力はそれぞれ−１，６及び０．７５ｅＶでおるから、
Ｃａ−は決しで生成されないっ従って、このような試料
選択法を本発明のイオン源に適用すれハ、ウィーンフィ
ルターやマスフィルターなどで併用することなく、熱電
子の分離用に弱い磁界を利用するだけで、単一成分の暖
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って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に大型のに空ポ
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おる。

従って、当該イオン源を採用することＣ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多るため、全体の大きさ
をＬｃｍ３以内に小型化することも容易である。従って
、簡便な陰イオン源または陽イオン源として、比較的小
型の果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 表面電離法によっ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
°に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
用材料の採択に当っては、耐熱性や仕事関数の大小など
を考慮する必要はない。従って、イオン源の構成材料と
しては、熱電子放射用フィラメントを除いて、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１（ａ）図は従来例による陽イオン用イオン源の断面
図、第１（ｂ）図はその電位図、第２（ａ）図は従来例
による陰イオン源の断面図、＝’：Ｂｂ）図はその電位
図、第３（ａ）図は本発明による陰イオン用イオン源の
断面図、第３（ｂ）図はその電位図、第４（ａ）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５（ａ）図は第５　、、（ｂ）図のＶ−Ｖ＋祈面
図、第５（Ｃ）図は第５（ｂ）図中のメツシュを示す図
、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！　、＜＝例の断面図でお
シ、第７（ｂ）図は第７（ａ）図のＶ■−■断面図であ
る。 １９．２８，３６．５７・・・バックシールド用電極、
２０．２９，３７．５８・・・熱電子放射用フィラメン
ト、２１，３０．３Ｂ、５９．６０・・・試料保持用有
孔電極、２２，３１，３９．６１・・・イオン引第　１
　図 ％ｚ　図 ＹＪ　３　図 距　両生 Ｚ　４　図 寥巨　肉色 ”ｆ）５　図 ｑ ）５　乙　図 ’（Ｌ↓７ト０７屯゛ルトノ

Claims (1)

1. 【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、と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って陰イオン、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
   電極によってイオンビームを取シ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って、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。