JPS6264042A - 荷電粒子等の検出器 - 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】 （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ャンネルト
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−（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、コレクタスリッ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、コレクタスリットを通ってき
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・
スペクト口スコピー（ＭＡＳＳ　５ＰＥＣＴＲＯ５ＣＯ
ＰＹ）誌、第３３巻、第２号、第１４５〜１４７頁（１
９８５）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／ｌμＱ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、したがっ
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Ｄｙ＋〜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Ｄｙ＋〜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に代えてチャンネルトロンを
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ぃる。

なお、１６は第１段目のダイノードＤｙ＋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、
−例としてはＲＭＡ番号でＰ４６の蛍光体Ｙ３ＡＱｓＯ
＋　２　；Ｃ８を挙げることができる。

金属膜２４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Ｄｙｌに荷電粒子または中性粒子が入射す
ると、ダイノードＤｙ＋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Ｄ３１
３で増幅されるというように、ダイノードＤＶ４．Ｄｙ
５．Ｄｙｅ。

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を通って光電子
増倍管３０に導かれて検出される。

増倍器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２
４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っている。

ところで、二次電子増倍管やチャンネルトロンのような
増倍器、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ってシンチ
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っている。

（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。

Ｄｙ＋〜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Ｄｙ＋から（ｎ　−１）段目のダイノ
ードＤｙｎ−＋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Ｄｙ＋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３２が接続され
ている。（ｎ　−１）段目のダイノードＤｙｎ−ｒには
スイッチＳｌが接続され、そのスイッチ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、スイッチ
Ｓ＋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にはスイッチＳ２が接続され
、そのスイッチＳ２のａ接点はスイッチ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３
４から金属膜２４を介してシンチレータ２２に電圧が印
加されるようになっている。

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の出力端子はスイッチＳ３のａ接点に
接続され、スイッチ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
。スイッチＳ２のｂ接点とスイッチＳ３のｂ接点は互い
に接続されている。

スイッチＳｔ　、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ッチＳ１．８２．
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２２、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Ｄｙ＋〜Ｄｙ
ｎをもつ二次電子増＝８− 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、スイッチ８１
　、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。スイッチＳ＋　、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。

スイッチ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
って分割された電圧が印加される。

最終段のダイノードＤｙｎ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Ｄｙ＋〜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Ｄｙ＋に入射したイ
オンはダイノードＤｙｌ”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。

スイッチＳｔ　、８２．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Ｄｙ＋に−Ｖｄの電圧が印加され、各ダイノードＤ
ｙ＋〜Ｄｙｎには抵抗ｒ及びＲによって分割された電圧
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Ｄｙ＋−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Ｄｙ＋〜Ｄ　ｙ　ｎ、シンチレータ
２２に印加される電圧の一例を示すと、−Ｖｄ＝−３ｋ
Ｖ　〜−６ｋＶ ＋　Ｖ　ｓ　＝　Ｏ〜６　ｋ　Ｖ である。

初段のダイノードＤｙ＋に入射したイオンはダイノード
Ｄｙ＋−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ャンネルト
ロンを用いた実施例を示す。

４２はチャ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。チャン
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にはスイッチＳ４が接続され、
スイッチ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っており、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。

−１２＝ 光電子増倍管３０の出力端子は、プリアンプ３８に接続
されたスイッチＳ５のａ接点に接続されている。スイッ
チＳ４のｂ接点とスイッチ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
高圧電源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、スイッチＳ４．Ｓ５はともに
ｂ接点側に接続される。チャンネルトロン４２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３
８に導かれる。

モード２で測定する場合、スイッチ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、チャンネルトロン４２の出口からの電子はコレクタ
４４によっ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ャンネルトロ
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。したがって、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、広範囲のダイナミッ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
らによっ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、 Ｄｙ＋〜Ｄｙｎ・・・・・・ダイノード、５ｉ−８５・
・・・・・スイッチ。

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
   るようにしたことを特徴とする荷電粒子等の検出器。