JP2007157529A

JP2007157529A - 四極子形質量分析計用イオン源

Info

Publication number: JP2007157529A
Application number: JP2005352073A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Matsumoto; 善和松本; Naoki Takahashi; 直樹高橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】
四極子形質量分析計の感度を向上させるためにイオンの生成効率を向上させた四極子形質量分析計用イオン源を提供する。
【解決手段】
イオン源と、質量分離部と、イオン検出器とを備え、イオン源で生成されたイオンを質量分離部に入射し、その質量と電荷の比によって分離され、イオン検出器で目的のイオンを検出するように構成した四極子形質量分析計用イオン源において、イオン源に含まれるイオン化室とイオン引出し電極の間に、イオン化室内の電位分布を最適化するイオン化室補助電極が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、四極子形質量分析計用イオン源に関するものである。

真空装置の残留ガス分析計の１つとして、四極子形質量分析計が知られている。四極子形質量分析計は通常、添付図面の図５に示すようにイオン源Ａ、質量分離部Ｂ及びイオン検出器Ｃを備え、イオン源Ａで生成されたイオンを質量分離部Ｂに入射し、その質量と電荷の比によって分離され、イオン検出器Ｃで目的のイオンを検出するように構成されている。イオン源Ａは熱陰極形のものが多く利用され、イオン化室Ｄ及びフィラメントＥを備え、イオン化室Ｄはイオン化室固定板Ｆに固定され、また支持フィラメントＥはフィラメント支持棒部材固定板Ｇに固定されたフィラメント支持棒部材Ｈに取り付けられている。イオン化室Ｄの出口側にはイオン引出し電極Ｉが配置されている。

質量分離部Ｂは、４本の棒状電極Ｊから成り、これらの棒状電極Ｊは、格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、中心軸線に対して対向して位置した棒状電極Ｊは同電位となるように配線されている。２対の棒状電極Ｊには、同じ大きさで正負が逆の直流電圧Ｕと位相が１８０度異なる交流電圧Ｖｃｏｓωｔとを重畳した電圧（＋Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ及び−Ｕ‐Ｖｃｏｓωｔ）が印加される。電圧Ｕ及びＶの大きさによって、イオン源Ａから棒状電極Ｊの一端に入射したイオンのうち、ある特定の質量と電荷の比をもつイオンのみが入射側と反対の位置に設けられたイオン検出器Ｃを成す収イオン電極まで到達し、検出される。それ以外のイオンは、棒状電極Ｊに衝突するか、棒状電極Ｊより外側の空間巣に導かれる。また、電圧ＵとＶの比を一定に保ちながら、それらの電圧の大きさを変化させることで、収イオン電極に到達するイオンの種類を、その質量と電荷の比に応じて選別することができる。

ところで、四極子形質量分析計の感度は、イオン源におけるイオンの生成動率、イオンをイオン源から質量分離部へ導く効率、質量分離部を通遇する効率などで決定される。従来の質量分析計では、イオンを引き出す効率を向上させるための引出し電極が配置されている（例えば特許文献１参照）。しかし、イオン化室内でイオンを生成する効率を向上させる手段を備えていないために、四極子形質量分析計の感度を十分に引き出せていなかった。

気体分子は、イオン化室Ａ内で電子と衝突することによってイオン化され、以下の関係式が成り立っている（非特許文献１参照）。
Ｉｉ＝ＳＩｅＰ
ここで、Ｉｉ：イオン電流（Ａ）、Ｓ：感度（Ｐａ^−１）、Ｉｅ：熱電子電流（Ａ）、Ｐ：圧力（Ｐａ）である。
また、四極子形質量分析計の感度Ｓは、非特許文献１によれば、以下の関係式で示される。
Ｓ＝ σ１／ｋＴ
ここで、σ：イオン化断面積（ｍ^２）、１：電子の飛行距離（ｍ）、ｋ：ボルツマン係数（ＪＫ^−１）、Ｔ：絶対温度（Ｋ）である。

従って四極子形質量分析計の感度はイオン化断面積に依存する。このイオン化断面積は、熱電子のエネルギーが大きい程、大きくなる。ただし、熱電子のエネルギーは１００ｅＶ以下の範囲である（非特許文献２参照）。熱電子のエネルギーは、フィラメントと、気体がイオン化する空間（熱電子と気体分子が衝突する空間）との相対的な電位離で決定される。従って、イオン化室内の電位分布の広がりを小さくし、イオン化断面積が大きい領域を増やせば、四極子形質量分析計の感度が向上する。

しかし、図５に示すような従来の四極子形質量分析計では、イオン引出し電極Ｉと、イオン化室Ｄとの電位差によって形成されるイオン化室内の電位勾配が大きく、イオン化室Ｄに設定した電位よりも低い電位の領域が圧倒的に広かった。

図６に、従来のイオン化室内部の電位分布を計算した例を示す。接地電位に対するイオン化室の電位を６０Ｖ、イオン引出し電極の電位を０Ｖとした場合の等電位線を計算した結果である。等電位線の間隔は１．２Ｖとしている。電位が、イオン化室Ｄの電位に対して９８〜１００％と、イオン化室Ｄの電位に近い領域を、斜め点線Ｋで示している。この領域は、イオン化室Ｄ全体に対して半分以下である。このことは、フィラメント電位とイオン化空間における電位との相対的な電位差で決定される熱電子のエネルギーの小さい領域が圧倒的に広いことを意味している。フィラメント‐イオン化空間の電位差が小さいことは、イオン化効率が低いことを示している。

特開平７−３７５４７号公報「実験物理学講座４真空技術」、共立出版、１９８５年、Ｐ．３４９「真空の物理と応用」、裳華房、１９８９年、Ｐ．３３０

本発明は、四極子形質量分析計の感度を向上させるためにイオンの生成効率を向上させた四極子形質量分析計用イオン源を提供することを目的とする。

本発明によれば、イオン源と、質量分離部と、イオン検出器とを備え、イオン源で生成されたイオンを質量分離部に入射し、その質量と電荷の比によって分離され、イオン検出器で目的のイオンを検出するように構成した四極子形質量分析計用イオン源において、イオン源に含まれるイオン化室とイオン引出し電極の間に、イオン化室内の電位分布を最適化するイオン化室補助電極を設けたことを特徴としている。

イオン化室補助電極には、接地電位とイオン化室との電位差の５０〜７０％の電圧が、接地電位に対して印加され得る。

好ましくは、イオン化室補助電極に印加する電圧は、接地電位とイオン化室との電位差の６０％に設定され得る。

上述のように、本発明による四極子形質量分析計用イオン源においては、イオン源に含まれるイオン化室とイオン引出し電極の間に、イオン化室内の電位分布を最適化するイオン化室補助電極を設けたことにより、イオン化室においてイオン化効率の高い領域が拡大し、生成されるイオンの数が増え、その結果四極子形質量分析計の感度を向上させることができる。

以下、添付図面の図１〜図４を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１には、本発明によるイオン源を備えた四極子形質量分析計を示し、図示四極子形質量分析計は、イオン源１、質量分離部２、及びイオン検出器３を備えている。イオン源１は、熱電子の発生源となるフィラメント４と、フィラメント４を支持するフィラメント支持棒部材５と、フィラメント支持棒部材５を空間に固定するフィラメント支持棒部材固定板６と、熱電子を気体に衝突させてイオンを生成する空間を画定するイオン化室７と、イオン化室７を固定するイオン化室固定板８と、イオン化室内の電位分布を最適化するイオン化室補助電極９と、質量分離部２ヘイオンを引き出す孔をもつイオン引出し電極１０とで構成されている。

四極子形質量分析計の質量分離部２は、４本の棒状電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄによって構成され、これらの棒状電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは格子状に対称かつ平行に配置され、そして、中心軸線を挟んで対向した対極に位置する棒状電極２ａと２ｂ、及び２ｃと２ｄは同電位となるように配線されている。イオン検出器３を構成している収イオン電極は電流計（図示していない）を介して接地され、イオンを検出すると、その検出量に応じた大きさの電流を発生するように構成されている。

このように構成した図示イオン源において、イオン化室補助電極９には、接地電位とイオン化室７の電位差の６０％に相当する電圧が印加される。これにより、従来構造の場合よりイオン化室７内の電位の高い領域が拡大される。

第２図には、イオン化室補助電極９に、このように電圧を印加したときの、イオン化室７の内部の電位分布を計算した例を示す。イオン化室７の電位に対して９８〜１００％の範囲にある領域を、斜め点線１１で示している。従来型のイオン源で計算した例（図６）と比較してその領域が広くなっていることがわかる。従って、イオン化室７においてイオン化効率の高い領域が広がり、生成されるイオンの数が増え、その結果、四極子形質量分析計の感度が向上する。

上記図示構成のイオン源を実施する際の具体的詳細形状を以下例示する。
イオン化室７は、円筒形状で直径７．５ｍｍ、高さ１１ｍｍの籠型とした。フィラメント４は、直径１０ｍｍの円形、でイオン化室７の外周に配置した。イオン化室補助電極９の孔は直径２ｍｍとした。イオン化室７、イオン化室補助電極９及び質量分離部２のそれぞれの間の間隔は１ｍｍとした。接地電位に対するイオン化室７及びフィラメント４の電位はそれぞれ６０Ｖ、２０Ｖとした。イオン化室補助電極９には、第２図で示した計算例と同じく、接地電位とイオン化室７の電位差の６０％に相当する３６Ｖを、接地電位に対して印加した。

これらの条件で、窒素を５×１０^−３Ｐａ導入した時の質量スペクトルを図３に示す。また、比較のために、イオン化室補助電極がない時の質量スペクトルも図３に示す。イオン化室補助電極がある場合は、それがない場合に比べて２倍以上のイオン電流が得られており、イオン化室補助電極９が感度の向上に有効であることが分かる。

接地電位に対するイオン化室補助電極９の電位と、四極子形質量分析計の感度との関係を図４に示す。イオン化室７の電位に対して５０％〜７０％の範囲では、０％の時、つまりイオン化室補助電極が無いのと等しい時に比べて２倍以上の感度を得ることができた。

本発明によるイオン源を備えた四極子形質量分析計の構成を示す概略斜視図。本発明によるイオン源の電位勾配を示す図。本発明によるイオン源を備えた四極子形質量分析計に窒素を導入した時の質量スペクトルを、従来の四極子形質量分析計における質量スペクトルと比較して示すグラフ。本発明によるイオン源を備えた四極子形質量分析計の感度のイオン化室補助電極電位の依存性を示すグラフ。従来のイオン源を備えた四極子形質量分析計の構成を示す概略斜視図。図５のイオン源の電位勾配を示す図。

符号の説明

１：イオン源
２：質量分離部
３：イオン検出器
４：フィラメント
５：フィラメント支持棒部材
６：フィラメント支持棒部材固定板
７：イオン化室
８：イオン化室固定板
９：イオン化室補助電極
１０：イオン引出し電極

Claims

イオン源と、質量分離部と、イオン検出器とを備え、イオン源で生成されたイオンを質量分離部に入射し、その質量と電荷の比によって分離され、イオン検出器で目的のイオンを検出するように構成した四極子形質量分析計用イオン源であって、イオン源に含まれるイオン化室とイオン引出し電極の間に、イオン化室内の電位分布を最適化するイオン化室補助電極を設けたことを特徴とする四極子形質量分析計用イオン源。
イオン化室補助電極に、接地電位とイオン化室との電位差の５０〜７０％の電圧が、接地電位に対して印加されることを特徴とする請求項２に記載の四極子形質量分析計用イオン源。
イオン化室補助電極に印加する電圧を、接地電位とイオン化室との電位差の６０％に設定したことを特徴とする請求項２に記載の四極子形質量分析計用イオン源。