JP2009289693A - 荷電粒子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 応答速度が速くリニアリティを維持できる出力範囲を広くすることが可能なイオン検出器を提供する。
【解決手段】 このイオン検出器は、ＭＣＰ１３と、複数のスリットをそれぞれ有する複数の平板状ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９とを備えている。複数の平板状ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９は、ＭＣＰ１３の電子出力面１３ｓに対して平行に、スペーサＳを介して積層され、初段の平板状ダイノードＤＹ１は電子出力面１３ｓに平行に対向している。このイオン検出器によれば、ｍＶに至るリニアリティを有する出力信号が得られ、そのパルス幅は６００ｐｓ程度に短くすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、質量分析装置等の真空チャンバ内に配置されイオンや電子を検出する荷電粒子検出器に関する。

質量分析装置は、特定の場の中を飛行するイオンの軌跡又は速度が、質量によって異なることを利用して、イオンの質量分析を行っている。すなわち、イオンを電界及び／又は磁界によって偏向した場合には、偏向量は質量に応じて異なるので、イオン検出器へのイオンの入射位置が質量毎に異なり、また、イオンを電界中で加速した場合には、加速されたイオンの飛行速度が質量によって異なるので、イオン検出器へのイオンの入射タイミングが質量毎に異なる。

後者の原理を利用した質量分析装置は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）型の質量分析装置と言われている。ＴＯＦ型の質量分析装置では、質量が異なっているために、その飛行速度の異なるイオンをイオン検出器で検出し、イオン検出器にイオンが到達するまでの時間を計測している。このようなＴＯＦ型の質量分析装置は、例えば特許文献１に記載されており、イオン検出器としてはマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）が用いられている。
米国特許５，７７０，８５８号明細書

しかしながら、従来のイオン検出器では、出力のリニアリティが維持できる出力範囲が制限されている。これはＭＣＰが高抵抗であるため、ＭＣＰからの出力電子量が所定値を超えると、ＭＣＰから単位時間当り出力される電子が枯渇し、リニアリティを維持できなくためである。特に、ＭＣＰの高速応答性を維持した状態でリニアリティの高い出力が得られるイオン検出器があれば、イオンの到達時間を更に精密に分離することができるので、高精度な質量分析器に適用できる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、応答速度が速くリニアリティを維持できる出力範囲を広くすることが可能なイオン検出器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る荷電粒子検出器は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と、複数のスリットをそれぞれ有する複数の平板状ダイノードと、を備え、複数の平板状ダイノードは、ＭＣＰの電子出力面に対して平行に、スペーサを介して積層され、初段の平板状ダイノードは電子出力面に平行に対向していることを特徴とする。

従来のＭＣＰでは、ＭＣＰから単位時間当りに出射される電子量が増加すると、ＭＣＰ内の電子が枯渇し、ＭＣＰに入射するイオン量に対する出力電子量のリニアリティを維持できなくなる傾向がある。一方、ＭＣＰから出力される電子量が枯渇しないように、ＭＣＰの増倍率を低く設定しておけば、リニアリティを維持することができる。本発明では、ＭＣＰの後段には、平板状のダイノードを積層して電子を更に増倍することとしたため、電子が十分に増倍されつつも、広いダイナミックレンジにおいてリニアリティを維持することができる。

特に、積層された平板状のダイノードのそれぞれは、複数のスリットを有しており、スリットの内面で電子は増倍され、初段の平板状ダイノードはＭＣＰの電子出力面に平行に対向している。したがって、平板状ダイノードの面内における各位置における電子は一緒に進行し、電子はスリットの内面に衝突しつつも、大きく蛇行することなく、ダイノードの厚み方向に沿って進行するので、本発明の荷電粒子検出器によれば、出力のリニアリティを維持しつつも応答速度を速くすることが可能となる。

また、初段の前記ダイノードの対向するＭＣＰの各チャンネルは、ＭＣＰの厚み方向に対して傾斜しており、各チャンネルの中心を通る直線を第１直線とし、スリットの長手方向及び平板状ダイノード厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とし、初段の平板状ダイノードのスリットにおける電子入射面側の開口の幅方向の中点と、電子出射側の開口の幅方向の中点を結ぶ直線を第２直線とすると、第１直線の傾きと、第２直線の傾きとは、厚み方向に対して互いに逆向きであることが好ましい。

この場合、第１及び第２直線の傾きが互いに逆であるため、第1直線に沿ってＭＣＰから出射した電子は、第２直線に沿うことになるスリットの内面に効率的に入射することになるため、初段のダイノードにおける電子の収集効率を向上させることができる。

また、上述の荷電粒子検出器は、ＭＣＰの電子出力面側の電極が、その開口端に固定された金属筒体と、金属筒体に電気的に接続された導電性固定材と、導電性固定材に固定され、抵抗を介して初段の平板状ダイノードに接続されるリードピンと、導電性固定材が埋め込まれた絶縁材料とを備えることが好ましい。

ＭＣＰのイオン入射面側の電極と、ＭＣＰの電子出力面側の電極との間には、バイアス電圧が印加される。電子出力面側の電極は、金属筒体、導電性固定材、抵抗を介して、初段の平板状のダイノードに接続されているので、簡易な構造で、ＭＣＰと初段の平板状のダイノードとを電気的に接続することができ、これらの間の電圧を抵抗によって容易に設定することができる。

また、上述の荷電粒子検出器において、金属筒体のＭＣＰに隣接する部分の外径は、この外径に平行なＭＣＰの外径よりも小さいことが好ましい。この場合、ＭＣＰのイオン入射面側の電極と、金属筒体のＭＣＰに隣接する部分とは、直接的に対面しないので、これらの間の放電が抑制される。

また、上述の荷電粒子検出器において、金属筒体は、その側壁に開口を有しており、この開口を介して金属筒体の内部と外部とが連通していることが好ましい。この荷電粒子検出器は、質量分析装置のチャンバ内などのように、イオンが直線的に飛行できる程度の真空中（１気圧よりも低い減圧環境）に配置されるので、チャンバ内と金属筒体内が上記開口を介して十分に連通しており、金属筒体内部を真空状態まで十分に減圧し、また、チャンバ内と金属筒体内との気圧差の発生を抑制することができる。

本発明に係る荷電粒子検出器によれば、広いダイナミックレンジにおいて、リニアリティを維持した状態で高速の応答速度を有することができる。

以下、実施の形態に係る荷電粒子検出器についてイオン検出器を例に説明する。なお、同一要素には同一符合を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、実施の形態に係るイオン検出器の平面図である。

このイオン検出器は、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１３を備えている。ＭＣＰ１３の本体はガラス等の絶縁体からなり、その厚み方向に対して若干傾斜して延びた複数の貫通孔１３Ｈを有している。電子入射面（電子増倍面）として機能する貫通孔１３Ｈの内壁は二次電子放出材料が形成されている。貫通孔１３Ｈが形成された領域は、ＭＣＰ１３の有効領域１３ａであり、その外側に位置する環状の周辺領域１３ｘにはカソード電極Ｋが固定されている。カソード電極Ｋは、周辺領域１３ｘに固定される環状電極Ｋａと、環状電極Ｋａの外周面から外側に向けて一体的に延びたタブ電極Ｋｂとを有している。タブ電極Ｋｂにはカソード電位（−ＨＶ_１）が与えられる配線が接続される。

図２は、図１に示した荷電粒子検出器のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。

ＭＣＰ１３は、周辺領域１３ｘの外側面上に外側電極１３ｂ、内側面上に内側電極１３ｃを備えている。有効領域１３ａの外側に位置するＭＣＰ１３の外側電極１３ｂは、熱可塑性導電性接着剤ＡＤによって、カソード電極Ｋに接着されている。同様にＭＣＰ１３の内側電極１３ｃは熱可塑性導電性接着剤（図示せず）によって金属筐体Ｋ２の一方の端面に接着されている。金属筒体Ｋ２の形状は円筒形であり、側壁には内部と外部を連通させる開口ＯＰ１，ＯＰ２が設けられている。金属筒体Ｋ２の外径はＭＣＰ外径よりも僅かに小さく、また、内径はＭＣＰ有効領域１３ａとほぼ同じである。金属リング１５の金属筒体Ｋ２側の部分は、外側に折れ曲がっており、この金属リング１５の一方の開口端面は、金属筒体Ｋ２の他方の端面に固定されている。金属リング１５は、好ましくはコバール金属（ＦｅＮｉＣｏ合金）からなる。

なお、金属筒体Ｋ２と金属リング１５は抵抗溶接されている。本イオン検出器の各部品は脱ガスの少ない接着剤及び抵抗溶接のみで接着されるため、ネジ止めによって組み立てられる装置に比べて、部品点数が少なく組立工程が簡素である。

なお、金属筒体Ｋ２と金属リング１５は抵抗溶接されている。本イオン検出器の各部品は脱ガスの少ない接着剤及び抵抗溶接のみで接着されるため、ネジ止めによって組み立てられる装置に比べて、部品点数が少なく組立工程が簡素である。

金属リング１５内には、絶縁性ガラスからなる絶縁材料１６が充填されており、絶縁材料１６の内には絶縁リング１４，１７が管軸方向に離間して埋設され、絶縁リング１４，１７の外周面は金属リング１５の内面に固定されている。絶縁リング１４，１７は好ましくはガラスセラミックスからなる。ガラスセラミックスは熱膨張係数が小さく、遮光性を有する。

金属筒体Ｋ２内には、複数のダイノードを有する二次電子増倍装置が配置されている。この二次電子増倍装置は、平板状の最終段ダイノードＤＹ１０上にスペーサＳを介して積層された平板状ダイノードＤＹ９，ＤＹ８，ＤＹ７，ＤＹ６，ＤＹ５，ＤＹ４，ＤＹ３，ＤＹ２，ＤＹ１及びグリッド電極ＧＲを有している。最終段ダイノードＤＹ１０と前段のダイノードＤＹ９との間にはアノードＰが配置されている。最終段ダイノードＤＹ１０は、絶縁リング１４上に位置しており、スリットは設けられておらず、リードピンＴ（ＤＹ１０）に電気的に接続されている。他のダイノードＤＹ１〜ＤＹ９は、紙面に垂直な方向に延びた複数のスリットＳＬを有しており、それぞれリードピンＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ９）に電気的に接続されている。なお、グリッド電極ＧＲは、リードピンＴ（Ｋ）に接続してもよい。

アノードＰは、網目状であって複数の開口を有しており、ダイノードＤＹ９から出射された電子の一部はアノードＰを通過して最終段ダイノードＤＹ１０に到達するが、最終段ダイノードＤＹ１０で反射された電子はアノードＰで収集される。アノードＰはリードピンＴ（Ｐ）に電気的に接続されている。各リードピンの下部は、絶縁材料１６内に埋設されており、絶縁材料１６はダイノードＤＹ１〜ＤＹ１０及びアノードＰを物理的に支持し、絶縁材料１６は金属リング１５と共にステムを構成している。なお、リードピンはコバール金属からなる。

このように、ステムのＭＣＰ側には、電子を増倍するための多数のスリットを有した金属板が１０段積層され、二次電子増倍装置を構成しているが、金属板からなるダイノードＤＹ１〜ＤＹ９に形成されたスリットＳＬは、金属板をエッチングすることにより形成される。ダイノードＤＹ１〜ＤＹ１０及びアノードＰを構成する各金属板の周辺部には開口が設けられており、この開口内にはスペーサＳとしてセラミックボールが嵌っており、各金属板が厚み方向及びこれに垂直な二次元方向において位置決めされている。

各ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９のスリットＳＬの対向する内面は、紙面に垂直な軸を中心にそれぞれ湾曲しており、これらの湾曲面には薄い酸化アルミニウムを含む二次電子増倍材料が堆積されている。なお、紙面は金属筒体Ｋ２の管軸に平行であり、ＭＣＰ１３の電子出力面１３ｓに垂直である。各ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９はメタルチャンネルダイノード又はベネシアンブラインド型ダイノードを構成している。

上記イオン検出器を真空チャンバ内に配置して陽イオンを飛行させると、陽イオンがイオン検出器の負電位に引かれてＭＣＰ１３のイオン入射面１３ｔに入射する。ＭＣＰ１３はイオンを電子に変換し、かつ電子を増倍して後段の電子増倍装置に輸送する。電子増倍装置は、ＭＣＰ１３で増倍された電子をさらに増倍し、アノードＰから出力する。

以上のように、このイオン検出器は、ＭＣＰ１３と、複数のスリットをそれぞれ有する複数の平板状ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９とを備え、複数の平板状ダイノードＤＹ１〜ＤＹ９は、ＭＣＰ１３の電子出力面１３ｓに対して平行に、スペーサＳを介して積層され、初段の平板状ダイノードＤＹ１は電子出力面１３ｓに平行に対向している。平板状ダイノードの各スリットには電子入射面すなわち電子増倍面が形成されている。

図３は、図２に示したイオン検出器の領域ＩＩＩにおける拡大図である。平板状ダイノードＤＹ1のスリットＳＬの傾斜はＭＣＰ１３のチャンネル（貫通孔１３Ｈ）の傾斜に対して互い違いとなるように配置されている。このように配置することで、ＭＣＰ１３の貫通孔１３Ｈから出射した電子は、平板状ダイノードＤＹ１の有効部分（スリット内）に適切に入射するので電子の収集効率が向上する。以下、詳説する。

初段の平板状ダイノードＤＹ１の対向するＭＣＰ１３の各貫通孔１３Ｈは、ＭＣＰ１３の厚み方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜している。各貫通孔１３Ｈの中心を通る直線を第１直線Ｂ１とする。第１直線Ｂ１は、貫通孔１３Ｈの軸を通る直線である。図３では、第1直線Ｂ１は、貫通孔１３イオン入射面１３ｔの位置における開口のＸ軸方向の中点ｍ１と、電子出射面１３ｓの位置における開口のＸ軸方向の中点ｍ２を結ぶ直線である。

ＭＣＰ１３の内壁で増倍され、電子出射面１３ｓから出射した電子群は、若干の広がり角度を有して発散しようとするが、初段の平板状ダイノードＤＹ１の手前に存在するグリッド電極ＧＲによって集束され、平板状ダイノードＤＹ１の内面に衝突する。ここで、平板状ダイノードＤＹ１のスリットＳＬの長手方向（Ｙ軸方向）、及び平板状ダイノードＤＹ１の厚み方向（Ｚ軸方向）の双方に垂直な方向を、幅方向（Ｘ軸方向）とする。図３はＸＺ平面における装置の断面を示している。

初段の平板状ダイノードＤＹ１のスリットＳＬ１における電子入射面側の開口の幅方向の中点Ｍ１と、電子出射側の開口の幅方向の中点Ｍ２を結ぶ直線を第２直線Ｂ２とする。第１直線Ｂ１と第２直線Ｂ２とは、鋭角ａで交差している。第１直線Ｂ１の傾きと、第２直線Ｂ２の傾きとは、厚み方向（Ｚ軸方向）に対して互いに逆向きである。ＺをＸの関数とすると、ＸＺ平面における第１直線Ｂ１の傾きは負であり、第２直線Ｂ２の傾きは正である。

この場合、第１直線Ｂ１及び第２直線Ｂ２の傾きが互いに逆であるため、第1直線Ｂ１に沿ってＭＣＰ１３から出射した電子は、第２直線Ｂ２に沿うことになるスリットＳＬの内面ＤＳ１に効率的に入射することになるため、初段のダイノードＤＹ１における電子の収集効率を向上させることができる。スリットＳＬの内面ＤＳ１は、内面ＤＳ２に対して向き合っており、内面ＤＳ１において増倍して反射された電子群は、内面ＤＳ２において反射され、次段のダイノードの内面に入射する。

内面ＤＳ１は中心軸Ｇ１を中心として湾曲した湾曲面から構成され、内面ＤＳ２は中心軸Ｇ２を中心として湾曲した湾曲面から構成されている。中心軸Ｇ１，Ｇ２は、いずれもＹ軸に平行である。これらの湾曲面はＸＺ平面内において直線を構成する平面とすることもでき、その傾斜は第２直線Ｂ２に沿うことができる。

なお、残りのダイノードＤＹ２〜ＤＹ９における上記と同一定義の直線の傾きは、偶数番目が負であり、奇数番目が正となり、効率的な電子収集と電子増倍が行われる。

また、平板状ダイノードＤＹ１と電子出力面１３ｓとの間の離隔距離（隙間）ｄは、面内利得均一性（Ｇａｉｎ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を高くし走行時間拡がり（Ｔ．Ｔ．Ｓ．）を抑制する観点から、１〜５ｍｍが好ましく、２〜４ｍｍ（本例では３ｍｍ）が更に好ましい。

距離ｄが小さい場合、ＭＣＰの１点から出力した電子が全てダイノードの不感領域に入る可能性が増し、結果としてイオンの検出効率を下げてしまう。距離ｄが３ｍｍの場合、１点から出力した電子の少なくとも一部は有感領域へ入射して増倍される。シミュレーションの結果、この構成における面内利得均一性は８０％以上であった。なお、距離ｄが３ｍｍにおいて不感領域に入射した電子は有効に増倍されないが、これは単にゲインが下がったように作用し、イオンの検出効率には影響しない。

一方、この距離ｄが大きいとＭＣＰとダイノード間での電子走行時間広がりが増大し、イオン検出器としての応答時間特性が劣化する。

上述のイオン検出器では、ＭＣＰ１３から出力される電子量が枯渇しないように、ＭＣＰ１３の増倍率を１０００倍程度に低く設定しておけば、リニアリティを維持することができる。ＭＣＰ１３の後段には、平板状のダイノードＤＹ１〜ＤＹ１０を積層して電子を更に増倍することとしたため、電子が十分に増倍されつつも、広いダイナミックレンジにおいて、入射イオン量に対する出力電子量のリニアリティを維持することができる。

特に、積層された平板状のダイノードＤＹ１〜ＤＹ９のそれぞれは、複数のスリットＳＬを有しており、スリットＳＬの内面で電子は増倍され、初段の平板状ダイノードＤＹ１、そして残りのダイノードＤＹ２〜ＤＹ１０も、ＭＣＰ１３の電子出力面１３ｓに平行に対向している。したがって、平板状ダイノードの面内における各位置における電子は一緒に進行し、電子はスリットＳＬの内面に衝突しつつも、大きく蛇行することなく、ダイノードの厚み方向に沿って進行する。このように、このイオン検出器によれば、出力のリニアリティを維持しつつも応答速度を速くすることが可能となる。

また、金属筒体Ｋ２のＭＣＰ１３に隣接する部分の外径ＤＫ２は、この外径ＤＫ２に平行なＭＣＰ１３の外径Ｄ１３よりも僅かに小さい。また、カソード電極Ｋの環状電極Ｋａの外径ＤＫも、この外径ＤＫに平行なＭＣＰ１３の外径Ｄ１３よりも僅かに小さい。Ｄ１３−ＤＫ＝Δ（図１参照）＝Ｄ１３−ＤＫ２である。この場合、ＭＣＰ１３のイオン入射面１３ｔ側の電極Ｋａと、金属筒体Ｋ２のＭＣＰ１３に隣接する部分とは、直接的に対面しないので、これらの間の放電が抑制される。

また、金属筒体Ｋ２は、その側壁に開口ＯＰ１，ＯＰ２を有しており、この開口ＯＰ１，ＯＰ２を介して金属筒体Ｋ２の内部と外部とが連通している。このイオン検出器は、質量分析装置のチャンバ内などのように、イオンが直線的に飛行できる程度の真空中（１気圧よりも低い減圧環境）に配置されるので、真空装置としてのチャンバ内と金属筒体Ｋ２内が開口ＯＰ１，ＯＰ２を介して十分に外部と連通しており、チャンバ内と金属筒体Ｋ２内との気圧差の発生を抑制することができ、また、金属筒体Ｋ２内部の真空度を良好に保つことができる。

図４は、イオン検出器の底面図である。

絶縁リング１７は、リードピンＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ１０）、Ｔ（Ｋ）、Ｔ（Ｐ）が貫通する孔１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１２をそれぞれ有している。絶縁リング１４の構造も絶縁リング１７の構造と同一であり、同様にリードピンが貫通している。また、絶縁材料１６内は、複数のリードピンＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ１０）、Ｔ（Ｐ）が貫通している。

ＭＣＰ１３の電子出力面側の電極１３ｃは、金属筒体Ｋ２の開口端に固定されており、金属筒体Ｋ２の下部に位置する金属リング１５の内面に、導電性固定材（導電性ガラス）２０に固定されており、これらの電極１３、金属筒体Ｋ２、金属リング１５、及び導電性固体材２０は電気的に接続されている。導電性固定材２０にはリードピンＴ（Ｋ）が固定されており、リードピンＴ（Ｋ）は、初段の平板状ダイノードＤＹ１に抵抗Ｒ１（図５参照）を介して接続されている。なお、導電性固定材２０は絶縁材料１６内に埋め込まれている。

ＭＣＰ１３のイオン入射面１３ｔ側の電極１３ｂと、ＭＣＰ１３の電子出力面１３ｓ側の電極１３ｃとの間には、バイアス電圧が印加される。電子出力面１３ｓ側の電極１３ｃは、金属筒体Ｋ２、導電性固定材２０、リードピンＴ（Ｋ）、抵抗Ｒ１、リードピンＴ（ＤＹ１）を介して、初段の平板状のダイノードＤＹ１に電気的に接続されている。したがって、簡易な構造で、ＭＣＰ１３と初段の平板状のダイノードＤＹ１とを電気的に接続することができ、これらの間の電圧を抵抗Ｒ１によって容易に設定することができる。

図５は、各リードピン（端子）に接続されるブリーダ回路の平面図であり、図６は、リードピンに接続される各種電極とダイノードの接続関係を示す図である。

図５に示す絶縁性の配線基板１００上には、複数の電極パッドＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ１０）Ｔ（Ｐ）、Ｔ（Ｋ）と、印刷配線ＰＬが形成されている。ここでは、便宜上、リードピンＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ１０）Ｔ（Ｐ）、Ｔ（Ｋ）と、これらが接続される電極パッドＴ（ＤＹ１）〜Ｔ（ＤＹ１０）Ｔ（Ｐ）、Ｔ（Ｋ）とは同一符号を用いることとし、いずれも端子と呼称することとする。配線基板１００はポリイミド製であり、各種抵抗及びコンデンサも配線基板１００上に配置されている。

電源（−ＨＶ_１）の電圧は、−５ｋＶであり、これがカソード電極Ｋのタブ電極Ｋｂに接続され、これはＭＣＰ１３の一方の電極に接続されている。ＭＣＰ１３の他方の電極に接続された金属筒体Ｋ２は、端子Ｔ（Ｋ）及び抵抗ＲＭＣＰを介して電源（−ＨＶ_１）の負極に接続されている。したがって、カソード電極Ｋと金属筒体Ｋ２との間には、抵抗ＲＭＣＰを介して、バイアス電圧が印加される。端子Ｔ（Ｋ）の電位は−４ｋＶに設定しておき、ＭＣＰのバイアス電圧は１ｋＶとする。

金属筒体Ｋ２をカソードの端子Ｔ（Ｋ）とすると、これは抵抗Ｒ１を介して端子Ｔ（ＤＹ１）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ１）は抵抗Ｒ２を介して端子Ｔ（ＤＹ２）に接続され、同様に、端子Ｔ（ＤＹ２）は抵抗Ｒ３を介して端子Ｔ（ＤＹ３）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ３）は抵抗Ｒ４を介して端子Ｔ（ＤＹ４）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ４）は抵抗Ｒ５を介して端子Ｔ（ＤＹ５）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ５）は抵抗Ｒ６を介して端子Ｔ（ＤＹ６）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ６）は抵抗Ｒ７を介して端子Ｔ（ＤＹ７）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ７）は抵抗Ｒ８を介して端子Ｔ（ＤＹ８）に接続されている。端子Ｔ（ＤＹ８）は抵抗Ｒ９及び抵抗Ｒ９に並列なコンデンサＣ１を介して端子Ｔ（ＤＹ９）に接続され、端子Ｔ（ＤＹ９）は抵抗Ｒ１０及び抵抗Ｒ１０に並列なコンデンサＣ２を介して端子Ｔ（ＤＹ１０）に接続されている。各端子は、それぞれダイノードに接続されている。

端子Ｔ（ＤＹ１０）は抵抗Ｒ１１及び抵抗Ｒ１１に並列なコンデンサＣ３、更に抵抗ＲＡを介して端子Ｔ（Ｐ）に接続されている。なお、ダイノード列の後段においてはコンデンサが抵抗に対して並列に挿入されている。このようにコンデンサを接続すると、瞬時的な電流をコンデンサからダイノードへ提供できるので、パルス状の入力信号に対して、より高いリニアリティーを実現できる。

また、端子Ｔ（Ｐ）はアノードＰに接続されているが、端子Ｔ（Ｐ）は、コンデンサ（結合コンデンサ）Ｃ４を介して出力端子Ｔ（Ｖ_ＯＵＴ）に接続されている。コンデンサＣ４は、アノードＰから出力された信号のうち直流成分をカットする。出力端子Ｔ（Ｖ_ＯＵＴ）は、同軸ケーブル（コネクタ）Ｘの内部導体Ｘ１を介して電圧計Ｖの一端に接続されている。電圧計Ｖの他方端はグランドに接続され、電圧計Ｖの両端間には負荷抵抗ＲＬが接続されている。本例では、同軸ケーブルＸを用いているため、ノイズが信号に混入しにくい。アノードＰにはコンデンサＣ４が接続されているので、アノードＰからの出力信号をＧＮＤレベルに変換して出力することができる。

なお、最終段ダイノードＤＹ１０の接続される端子Ｔ（ＤＹ１０）はコンデンサＣ５を介してグランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。このグランド端子（ＧＮＤ）は、同軸ケーブルＸの外部導体Ｘ２に接続されている。また、別のコンデンサＣ５が、最終段ダイノードＤＹ１０と同軸ケーブルＸの外側導体（グランド電位）Ｘ２との間に接続され、高周波特性を改善している。また、端子Ｔ（Ｐ）と端子（ＤＹ１０）はそれぞれ抵抗を介して第２電源（−ＨＶ_２）に接続されている。第２電源(−ＨＶ_２)の負電位の値は−３ｋＶである。

以上、説明したように、ＭＣＰ１３の外側電極（カソード電極Ｋ）１３ｂと、ＭＣＰの内側電極１３ｃとの間にブリーダ回路から、バイアス電圧が与えられる。ＭＣＰ１３およびダイノードの各段には、抵抗で分割して電圧が供給されている。バイアス電圧が供給されたイオン検出器に入射したイオンは、ＭＣＰ１３によって電子へ変換され、発生した二次電子はＭＣＰ１３によって１０００倍に増倍される。この電子は次にダイノードＤＹ１〜ＤＹ１０に入射し、さらに１０００倍に増倍されて出力される。出力信号はコンデンサＣ４で直流成分がカットされ、交流成分のみが出力される。このような構成により、入射したイオン１個、１個を高い時間分解能で計測することが可能となる。

本荷電粒子イオン検出器では、陽イオンだけでなく陰イオンの検出も可能である。例えば、第１、２電源（−ＨＶ_１）（−ＨＶ_２）にそれぞれ５ｋＶ，７ｋＶ印加することで、ＭＣＰの入射面側が正の電位となり陰イオンが引きつけることができるため、同様に計測することができる。また、同じ手法で、電子の検出も可能となる。

上記のイオン検出器は、時間応答特性が高い。ＭＣＰに単一のイオンが入射したときにＭＣＰのみから出力される電子流のパルス幅は３００ｐｓ以下である。また、積層した金属よりなるダイノードＤＹ１〜ＤＹ１０のみからの出力信号のパルス幅は１ｎｓ以下が期待される。このイオン検出器の構成で、シミュレーションを行ったところ、出力信号のパルス幅として６００ｐｓが得られた。なお、ＴＯＦ型の質量分析装置で用いられるイオン検出器には２ｎｓ以下の上昇時間が必要である。このような時間応答特性は、単に高速な２つの電子増倍器を組み合わせただけでは実現できない。特に、ダイノードが板状でＭＣＰと平行に対面していることが重要である。これにより、ＭＣＰから出力した電子がダイノードに入るまでの時間差を最小にすることができるので、高速応答特性が得られる。さらに、両者を正確に平行に配置するため、ＭＣＰはステムを基準に金属筒体によって固定されている。一方、ダイノードもステムを基準に正確に固定される。

また、上述のイオン検出器は、入射イオンに対する出力信号のリニアリティが高い。一般にＭＣＰは高速性を有するもののダイナミックレンジの上限が５μＡほどに制限される。これは、ＭＣＰのチャンネル壁が高抵抗であるため、入射電流が大きくなると電荷が枯渇し、電子を増倍できなくなることによる。本検出器は、大量の電子を増倍する部分がダイノードから構成されているため、ｍＡに至る範囲で高いリニアリティを確保することが可能である。

なお、仮に、光電子増倍管におけるライン型ダイノードのみでイオン検出器を構成した場合、イオン入射面が平坦でないために、出力信号の応答時間特性は１０ｎｓを超えてしまうものと推測される。このような応答特性では、十分に質量分離をすることができないため、これをＴＯＦ型の質量分析装置には適用することができない。また、２枚のＭＣＰを積層して用いると、ｎｓ以下の高速応答特性が確保されるものの、上述のようにダイナミックレンジは依然として小さいままである。したがって、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ（マトリックス支援レーザ脱イオン化飛行時間）型の質量分析装置のように、広いダイナミックレンジを要求する装置では、その利用が制限されることとなる。

一方、本イオン検出器に用いた積層した金属よりなるダイノードのみを用いてイオン検出器を構成することも可能だが、この場合は検出効率が課題となる。すなわち、金属板よりなる典型的なダイノードでは、イオンを有効に電子へ変換し増倍できる領域は全面積の３０％ほどであり検出効率が低い。本イオン検出器では、ＭＣＰをイオン−電子変換面としているため、６０％を超える検出効率が得られる。

また、ダイノードのみで１０^６のゲインを得るためには、１７段ほどのダイノードを積層する必要がある。このように積層数を増やすと、組み立て精度が確保しにくくなり、出力信号の波形が訛るために、応答速度が若干低くなる。本イオン検出器は、ＭＣＰで１０００倍のゲインを得ているため、ダイノードは１０段で必要なゲインを得ることができる。もちろん、本発明では、ダイノードの数が限定されるものではない。

なお、本イオン検出器のＭＣＰとダイノードの順番を変え、ダイノードにイオンが入射する構成にすると、イオンの検出効率が低く、また、リニアリティの低いイオン検出器となる。本イオン検出器の増倍部の順番は重要である。さらに、本イオン検出器は、ライン型ダイノードのみで構成されたイオン検出器に比べて小型という特徴を有する。

以上のように、本イオン検出器は一般的なダイノードよりなるイオン検出器に比べて高速な応答特性を示し、かつ小型である。さらに、ＭＣＰよりなるイオン検出器に比べてダイナミックレンジが高いといおう特徴を有する。上述のシミュレーションによれば、このイオン検出器では、数ｍＶに至るリニアリティを有する出力信号が得られ、そのパルス幅は６００ｐｓ程度に短くすることができる。なお、上述のイオンは電子などの荷電粒子に読み替えることもできる。

実施の形態に係るイオン検出器の平面図である。 図１に示したイオン検出器のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。 図２に示したイオン検出器の領域ＩＩＩにおける拡大図である。 イオン検出器の底面図である。 各リードピン（端子）に接続されるブリーダ回路の平面図である。 リードピンに接続される各種電極とダイノードの接続関係を示す図である。

符号の説明

１３・・・ＭＣＰ、ＳＬ・・・スリット、ＤＹ１〜ＤＹ１０・・・ダイノード、１３ｓ・・・電子出力面、Ｓ・・・スペーサ。

Claims (5)

1. マイクロチャンネルプレートと、
   複数のスリットをそれぞれ有する複数の平板状ダイノードと、
   を備え、
   複数の前記平板状ダイノードは、前記マイクロチャンネルプレートの電子出力面に対して平行に、スペーサを介して積層され、初段の前記平板状ダイノードは前記電子出力面に平行に対向していることを特徴とする荷電粒子検出器。
2. 初段の前記ダイノードの対向するマイクロチャンネルプレートの各チャンネルは、前記マイクロチャンネルプレートの厚み方向に対して傾斜しており、各チャンネルの中心を通る直線を第１直線とし、
   前記スリットの長手方向及び前記平板状ダイノード厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とし、初段の前記平板状ダイノードのスリットにおける電子入射面側の開口の幅方向の中点と、電子出射側の開口の幅方向の中点を結ぶ直線を第２直線とすると、
   前記第１直線の傾きと、前記第２直線の傾きとは、前記厚み方向に対して互いに逆向きであることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子検出器。
3. 前記マイクロチャンネルプレートの電子出力面側の電極が、その開口端に固定された金属筒体と、
   前記金属筒体に電気的に接続された導電性固定材と、
   前記導電性固定材に固定され、抵抗を介して初段の前記平板状ダイノードに接続されるリードピンと、
   前記導電性固定材が埋め込まれた絶縁材料と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子検出器。
4. 前記金属筒体の前記マイクロチャンネルプレートに隣接する部分の外径は、この外径に平行な前記マイクロチャンネルプレートの外径よりも小さいことを特徴する請求項３に記載の荷電粒子検出器。
5. 前記金属筒体は、その側壁に開口を有しており、この開口を介して前記金属筒体の内部と外部とが連通していることを特徴とする請求項３又は４に記載の荷電粒子検出器。
   
   
   
   
   

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