JP2014078388A - Ｍｃｐユニット、ｍｃｐ検出器および飛行時間型質量分析器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部環境に影響されることなく安定した時間応答特性を得るための構造を備えたＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）ユニット、ＭＣＰユニットを含むＭＣＰ検出器およびＭＣＰ検出器を含む飛行時間型分析器を提供する。
【解決手段】ＭＣＰユニットは、ＭＣＰのチャネル径による制限に依存することなく所望の時間応答特性を実現する構造を備えたトライオード構造を有し、ＭＣＰ群２と、第１電極１と、第２電極３と、アノード４と、加速電極５を備える。特に、ＭＣＰユニットは、ＭＣＰ群２からの二次電子の入射に応答してアノード４から放出される反射電子を、加速電極５とアノード４との間の空間内に閉じ込めるための制限構造Ｉ〜Ｖを備える。
【選択図】図１１

Description

本発明は、飛行時間型質量分析法等に利用される検出器の主要部として、電子やイオンなどの荷電粒子の増倍機能を有するＭＣＰユニット、該ＭＣＰユニットを含むＭＣＰ検出器および該ＭＣＰ検出器を含む飛行時間型分析器に関するものである。

高分子の分子量を検出する手法として飛行時間型質量分析法（ＴＯＦ−ＭＳ：Time Of Flight Mass Spectrometry）が知られている。図１は、このＴＯＦ−ＭＳによる分析装置（以下、ＴＯＦ−ＭＳ装置という）の構造を説明するための図である。

図１に示されたように、ＴＯＦ−ＭＳ装置では、真空容器１１０内の一端に検出器１００が配置され、該真空容器１１０内の他端にサンプル（イオン源）１２０が配置される。両者の間には、開口を有するリング形状の電極１３０（イオン加速器）が配置される。電極１３０は接地され、所定電圧が印加されているサンプル１２０に対してイオン抽出システム（レーザ光源を含む）からレーザビームが照射されると、サンプル１２０から放出されたイオンは、サンプル１２０と電極１３０の間に形成される電界によって加速され、検出器１００へ衝突する。サンプル１２０から電極１３０の間においてイオンに与えられる加速エネルギーは、イオン電荷により決定される。そのため、イオン電荷が同一であれば電極１３０を通過するときの速度はイオンの質量に依存する。また、電極１３０と検出器１００の間では、イオンは定速で飛行するため、電極１３０と検出器１００の間におけるイオンの飛行時間は、速度に逆比例することになる。つまり、分析部は、この電極１３０から検出器１００までの飛行時間を求めることでイオンの質量を決定する（検出器１００からの出力電圧をオシロスコープでモニタする）。視覚的には、オシロスコープ上に表示される出力電圧の時間スペクトルに現れるピークの発生時間から、イオンの質量判定が可能になる。

このようなＴＯＦ−ＭＳ装置に適用可能な検出器としては、例えば特許文献１に開示されたＭＣＰ検出器が知られている。図２は、ＴＯＦ−ＭＳ装置に適用可能なＭＣＰ検出器の一例として、特許文献１に開示されたトライオード構造（Triode-structure）を有するＭＣＰ検出器の等価回路図である。図２に示されたＭＣＰ検出器１００ａは、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり（金属筐体）、グランド電位に設定されている。ＭＣＰ検出器１００ａでは、２枚のマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ：Micro Channel Plate）２０、２１（以下、ＭＣＰ群２という）が、それぞれの中央に開口が設けられたＩＮ電極１とＯＵＴ電極３とで挟み込まれている。ＯＵＴ電極３の後方にはアノード４が配置され、さらに、ＯＵＴ電極３とアノード４との間には金属メッシュを有する加速電極５が配置されている。また、信号読み出し用のＢＮＣ端子（Bayonet Neil-Concelman connector）６のシールド側には、真空容器が接続される一方、ＢＮＣ端子６の芯線は、コンデンサ６２を介してアノード４に接続されている。このコンデンサ６２には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをＧＮＤレベルにする機能がある。さらに、ＢＮＣ端子６のシールド側とＯＵＴ電極３の間、および、ＢＮＣ端子６のシールド側と加速電極５の間にも、それぞれコンデンサ８０、９０が配置されている。加速電極５とアノード４との間隔Ｂは、ＭＣＰ群２と加速電極５との間隔Ａよりも広くなるよう設定されている。

上述のような構造を有するＭＣＰ検出器１００ａにおいて、ＩＮ電極１に設定されたマイナス電位を基準として、ＯＵＴ電極３は、ＩＮ電極１よりも高いマイナス電位に設定される。加速電極５及びアノード４は、ＯＵＴ電極３よりも高いマイナス電位に設定される。なお、加速電極５とアノード４は同一電位に設定されても良い。このように、ＭＣＰ検出器１００ａは、アノード電位がグランドされていないフローティングアノード構造を有する。

ＢＮＣ端子６の芯線を介して取り出された、アノード４からの信号は増幅器（Ａｍｐ）により増幅された後、分析部へ取り込まれる。具体的には、ＭＣＰ検出器１００ａにおいて、荷電粒子がＭＣＰ群２に入射すると、これに応じてＭＣＰ群２から多数の電子（ＭＣＰそれぞれで増倍された二次電子）が放出される。こうして放出された二次電子がアノード４に到達し、電圧又は電流変化として電気信号に変換される（ＢＮＣ端子６の芯線から信号が出力される）。この際、アノード４と芯線との間に設けられたコンデンサ６２により、検出信号は接地電位で外部に出力され、また、ＢＮＣ端子６のシールド側とＯＵＴ電極３との間、および、ＢＮＣ端子６のシールド側と加速電極５との間にそれぞれもうけられたコンデンサ８０、９０により、出力信号の波形歪みやオーバーシュート（リンギング）の発生が抑制される。

米国特許第７，５６４，０４３号

近年、ＴＯＦ−ＭＳでは、イオン化手法やイオン光学の発達に起因したイオン源から検出器までの領域における特性改善や、エレクトロニクスの発達に起因した解析システムの特性改善により、検出器の更なる特性向上が要求されるようになってきた。上述の特許文献１に開示されたトライオード構造のＭＣＰ検出器は、このような要求に応える電子デバイスとして、ＭＣＰのチャネル径による制限に依存することなく所望の時間応答特性を実現するため、時間スペクトルにおける検出ピークの立上がり時間及び立下り時間を任意に制御可能にする。しかしながら、係る優れた検出特性を有するトライオード構造のＭＣＰ検出器であっても、使用環境によってはその検出特性の安定性が損なわれる可能性があることが、発明者らの研究により発見された。

すなわち、トライオード構造のＭＣＰ検出器の時間応答特性の評価は、図３（Ａ）に示されたように、当該ＭＣＰ検出器を収納する真空容器などの外部電位源の影響を受けにくい環境下で行われる。このように、外部電位源の影響を受けにくい環境下（図３（Ａ））では、図３（Ｂ）に示されたようなアノード出力（電圧信号）の信号波形が得られる。一方、実際には、図４（Ａ）に示されたように、アノード４がマイナス電位に設定されるＭＣＰ検出器は、グランド電位に設定された金属筐体内に収納された環境下で使用される。特に、ＭＣＰ検出器の使用に際して、筐体内壁から十分に離間した状態で当該ＭＣＰ検出器を使用する場合には安定した時間応答特性が得られるが、近年の装置小型化要求から、当該ＭＣＰ検出器と筐体内壁との距離を十分に確保することは難しい状況である。したがって、ＭＣＰ検出器の近傍に外部電位源としてグランド電位に設定された金属筐体が配置された環境下（図４（Ａ））では、図４（Ｂ）に示されたようなアノード出力の信号波形が得られる。

なお、図３（Ａ）および図４（Ａ）それぞれに示された等電位線は、加速電極５とアノード４とが同電位に設定された状況下での等電位線を示す。また、外部電位源の影響を受けにくい環境下での測定結果を示す図３（Ｂ）において、グラフＧ３１０は、トライオード構造を有するＭＣＰ検出器から得られるアノード出力を示し、グラフＧ３２０は、ＭＣＰ群２とアノード４との間に加速電極が設けられていないバイポーラ構造（bipolar-structure）を有するＭＣＰ検出器から得られるアノード出力を示す。また、外部電位源の影響を受け易い環境下での測定結果を示す図４（Ｂ）において、グラフＧ４１０は、トライオード構造を有するＭＣＰ検出器から得られるアノード出力を示し、グラフＧ４２０は、参考例として、外部電位源の影響を受けにくい環境下でのトライオード構造を有するＭＣＰ検出器のアノード出力（図３（Ｂ）中のグラフＧ３１０に一致）を示す。

図３（Ｂ）中のグラフＧ３１０と図４（Ｂ）中のグラフＧ４１０の比較から分かるように、図４（Ａ）の環境下では、グラフＧ４１０の矢印Ｐで示された部分、すなわちマイナスピークを過ぎた後にオーバーシュート（リンギング）が発生している。オーバーシュートは、アノード４からの電圧信号がマイナスのピークを過ぎた後にプラスに一時的に立ち上がる現象をいう。

オーバーシュート発生のメカニズムを検証するに当たり、図３（Ａ）の環境下での電界分布と、図４（Ａ）の環境下での電界分布を比較してみると、図３（Ａ）の環境下では、ＭＣＰ検出器周辺の電界の乱れは少なく、ＭＣＰ検出器内における設定電位が安定していることが分かる。ＭＣＰ群２とアノード４との間、特に加速電極５とアノード４の間の電界が安定している場合、ＭＣＰ群２から放出された電子がアノード４に衝突することにより反射電子（主に、アノード４で弾性散乱した二次電子や電子衝突により新たに発生した二次電子を含む）が発生したとしても、発生した反射電子は等速運動でアノード４、加速電極５に吸収されるため、図３（Ｂ）中に示されたグラフＧ３１０のようなアノード出力の信号波形が得られると考えられる。一方、図４（Ａ）の環境下では、マイナス電位に設定されたアノード４とグランド電位に設定された筐体内壁が近接されているため、ＭＣＰ検出器周辺の電界が乱れ、等電位線が加速電極５とアノード４との間の空間内に浸み込んでいることが分かる。この場合、アノード４から放出された反射電子がアノード４に吸収されることなく短時間で筐体の内壁に到達する可能性が増大し、オーバーシュート発生の要因となると考えられる。すなわち、ＭＣＰ群２から放出された二次電子がアノード４に衝突すると、該アノード４から放出された反射電子が筐体の内壁へ飛び出すことによりアノード４内の電子が一時的に不足することが、オーバーシュート発生の要因の一つと考えられる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、外部環境に影響されることなく安定した時間応答特性を得るための構造を備えたＭＣＰユニット、該ＭＣＰユニットを含むＭＣＰ検出器および該ＭＣＰ検出器を含む飛行時間型分析器を提供することを目的としている。

本発明に係るＭＣＰユニットは、ＭＣＰのチャネル径による制限に依存することなく所望の時間応答特性を実現するため、時間スペクトルにおける検出ピークの立上がり時間及び立下り時間を任意に制御可能なＭＣＰユニットとして、ＭＣＰと、第１電極と、第２電極と、アノードと、加速電極を備える。特に、本発明に係るＭＣＰユニットは、ＭＣＰからの二次電子の入射に応答してアノードから放出される反射電子（二次電子）を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を、更に備える。なお、ＭＣＰは、当該ＭＣＰユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、該中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出する。また、ＭＣＰは、荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有する。第１電極は、ＭＣＰの入射面に接触した電極であって、第１電位に設定されている。第２電極は、ＭＣＰの出射面に接触した電極であって、第１電位よりも高い第２電位に設定されている。アノードは、ＭＣＰの出射面から放出された二次電子が到達する位置に配置された電極である。このアノードは、基準軸に交差した状態で配置されるとともに、第２電位よりも高い第３電位に設定されている。加速電極は、ＭＣＰとアノードとの間に配置された電極であって、第２電位よりも高い第４電位に設定されている。また、加速電極は、ＭＣＰの出射面からアノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する。

上記制限構造には、加速電極とアノードとの間の空間を、当該ＭＣＰユニット周辺空間から物理的に隔離する第１の態様と、アノードから放出される反射電子の、当該ＭＣＰユニットの中心軸に直交する方向に沿った移動を制限する第２の態様と、加速電極とアノードとの電位差を制御する第３の態様と、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する第４の態様と、アノードからの反射電子の放出自体を抑制する構造を変更する第５の態様により実現可能である。なお、上記制限構造は、第１〜第５の態様のうち２以上の態様の組合せによっても実現可能である。

第１の態様に係る制限構造は、加速電極とアノードとの間に配置されたリング部材を含む。このリング部材は、加速電極からアノードへ向かう二次電子が通過させるよう、当該ＭＣＰユニットの中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有する。リング部材は、加速電極に接触する第１面と、第１面に対向するとともにアノードに接触する第２面を有し、該リング部材の貫通孔は、第１面と第２面を連絡するよう伸びた形状を有する。

なお、アノードには、金属板のみからなる構造の他、種々の構造が採用可能である。例えば、アノードは、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなるアノード基板（絶縁性基板）を備えても良い。この場合、アノードには、絶縁性基板と、該絶縁性基板上の一部領域または全面に金属膜（箔）が設けられた構造が採用可能である。アノードには、絶縁性基板と、該絶縁性基板上の一部領域または全面に金属板が固定された構造が採用されても良い。アノードが絶縁性基板を備えた構造を有する場合、リング部材の材料は金属、絶縁材料のいずれであっても良い。ただし、アノード全体が金属板からなる構造において、リング部材は、その構成材料によって異なる機能を発揮する。例えば、加速電極とアノードとを同電位に設定する場合には、リング部材は、金属材料からなるのが好ましい。一方、加速電極の電位とアノードの電位を独立して制御する場合、リング部材は、絶縁材料からなるのが好ましい。

第２の態様に係る制限構造の一例は、荷電粒子の入射に応答して放出される二次電子の増倍に寄与する、マイクロチャネルプレートの有効領域の一部を、第１電極側から塞ぐマスク部材を含んでも良い。この場合、マスク部材は、当該ＭＣＰユニットの中心軸を取り囲む連続面により規定される貫通孔を有するのが好ましい。さらに、マスク部材は、第１電極の一部であっても良い。

第２の態様に係る制限構造の他の例は、当該ＭＣＰユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下において算出されたアノードの理論最大径であって、一旦放出された反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも、その最大径が拡大されたアノードを含んでも良い。この場合、加速電極の最大径も、アノードの最大径と略一致しているのが好ましい。

第２の態様に係る制限構造の他の例は、第２電極から加速電極までの前記中心軸に沿った第１間隔が、加速電極からアノードまでの中心軸に沿った第２間隔よりも狭く設定された状態で、第２間隔が第１間隔の２倍以下になるよう配置された加速電極とアノードの双方を含んでも良い。

第２の態様に係る制限構造の更に他の例は、当該ＭＣＰユニットからグランド電位に設定された筐体までの距離を十分に離すことにより、当該ＭＣＰユニットから該筐体までの電位勾配を弱める構造を含んでも良い。

第３の態様に係る制限構造は、加速電極とアノードとの間の空間における電位勾配が第２電極と加速電極との間の空間における電位勾配よりも小さくなるよう、第３電位が加速電極の第４電位よりも高く設定されたアノードを含んでも良い。

第４の態様に係る制限構造も一例は、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造として、マイクロチャネルプレートの入射面に対面する平坦部のエッジからアノードに向かって伸びた側壁部を有する第１電極を含んでも良い。

第４の態様に係る制限構造の他の例は、マイクロチャネルプレートの出射面に対面する平坦部のエッジからアノードに向かって伸びた側壁部を有する第２電極を含んでも良い。

第５の態様に係る制限構造は、その表面が、二次電子の発生を抑制するカーボンなどでコーティングされたアノードを含んでも良い。

本発明に係るＭＣＰ検出器は、上述のような構造を備えたＭＣＰユニット（本発明に係るＭＣＰユニット）により実現可能である。すなわち、当該ＭＣＰ検出器は、上記ＭＣＰユニットと、マイクロチャネルプレートとともにアノードを挟むよう配置された信号出力部と、を備える。信号出力部は、アノードに電気的に接続された信号線を有する。また、信号出力部は、信号線と、該信号線を包囲するシールド部とを備えた同軸ケーブルを含んでもよく、この場合、当該ＭＣＰ検出器は、さらに、シールド部と電気的に接続された一方の端子と、加速電極に電気的に接続された他方の端子とを有するコンデンサを備えるのが好ましい。

さらに、本発明に係る飛行時間型質量分析器は、真空容器（グランド電位に設定された金属筐体）と、イオン抽出システムと、イオン加速器と、上述のような構造を有するＭＣＰ検出器（本発明に係るＭＣＰ検出器）と、試料から放出されたイオンに関する情報として、少なくとも質量を判定する分析部と、を備える。真空容器は、イオン源として分析されるべき試料が内部に設置される。イオン抽出システムは、真空容器内に設置された試料からイオンを放出させる。イオン加速器は、真空容器内に配置された、試料から放出されたイオンを加速させる。ＭＣＰ検出器は、イオン加速器を試料ととともに挟むように配置される。分析部は、ＭＣＰ検出器からの検出信号に基づいてイオン加速器からＭＣＰ検出器までの飛行時間を検出することにより、該ＭＣＰ検出器に到達したイオンの質量を決定する。

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

本発明によれば、優れた時間応答特性を実現するトライオード構造のＭＣＰユニットに、ＭＣＰからの二次電子の入射に応答してアノードから放出される反射電子（二次電子）を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を設けることにより、外部電位源などの外部環境に影響されることなく安定した時間応答特性が得られる。

ＴＯＦ−ＭＳ装置の概略構造を示す図である。 ＴＯＦ−ＭＳ装置に適用されるＭＣＰ検出器の一例を示す等価回路図である。 外部電位源の影響を受けにくい環境下におけるＭＣＰ検出器近傍の電界分布と、該ＭＣＰ検出器の時間応答特性を示す図である。 外部電位源の影響を受け易い環境下におけるＭＣＰ検出器近傍の電界分布と、該ＭＣＰ検出器の時間応答特性を示す図である。 トライオード構造を有するＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造（本発明に係るＭＣＰユニット等の基本構造）を説明するための組み立て工程図である。 図５に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ１−Ｌ１線に沿った断面構造を示す図である。 トライオード構造を有するＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の時間応答特性を示すグラフである。 （Ａ）は、図７の応答特性を測定するために用意されたＭＣＰユニットの構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、測定結果を示す表である。 加速電極の構造を説明するための図である。 図８（Ａ）に示されたＭＣＰユニットに適用される加速電極の開口率（％）と立上がり時間（ｐｓ）との関係を示すグラフ及び測定条件を示す表である。 本発明に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の特徴的構造を説明するための等価回路図である。 第１実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造を説明するための組み立て工程図である。 図１２に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ２−Ｌ２線に沿った断面構造を示す図である。 第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第１の構造を説明するための組み立て工程図である。 図１４に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ３−Ｌ３線に沿った断面構造を示す図である。 第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第２の構造を説明するための組み立て工程図である。 図１６に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ４−Ｌ４線に沿った断面構造を示す図である。 第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第３の構造を説明するための組み立て工程図である。 図１８に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ５−Ｌ５線に沿った断面構造を示す図である。 第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造を説明するための等価回路図である。 第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器において、ＯＵＴ電極−アノード間の電圧印加状態および断面構造を示す図である。 第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第１の構造を説明するための組み立て工程図である。 図２２に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ６−Ｌ６線に沿った断面構造を示す図である。 第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第２の構造を説明するための組み立て工程図である。 図２４に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ７−Ｌ７線に沿った断面構造を示す図である。

以下、本発明に係るＭＣＰユニット、ＭＣＰ検出器、および飛行時間型質量分析器の各実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

本発明に係る飛行時間型質量分析器は、図１に示されたように、内部が所定の真空度まで減圧された真空容器１１０と、レーザ光源を含むイオン抽出システムと、イオン加速器であるリング形状の電極１３０と、検出器１００と、分析部を備える。本発明に係るＭＣＰ検出器は、検出器１００に好適に適用可能であり、トライオード構造が採用されている。以下の説明では、本発明に係る飛行時間型質量分析器に適用可能な検出器として、トライオード構造を有するＭＣＰユニット及びそれを含むＭＣＰ検出器の各実施形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係るＭＣＰユニット等の基本構造として、トライオード構造を有するＭＣＰユニットおよびＭＣＰ検出器について、図５〜図１０を用いて説明する。図５は、トライオード構造を有するＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の基本構造を説明するための組み立て工程図であり、上記特許文献１に開示されたトライオード構造のＭＣＰユニットの基本構造に一致している。図６は、図５に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ１−Ｌ１線に沿った断面構造を示す図である。なお、図５および図６に示されたＭＣＰ検出器の等価回路図は、図２に示された等価回路図と一致している。

図５に示されたＭＣＰ検出器は、内部が所定の真空度に維持された真空容器（グランド電位に設定された金属筐体）を備え、該真空容器の管軸ＡＸ（ＭＣＰユニットの中心軸に一致）に沿って順に、ＩＮ電極１（第１電極）、ＭＣＰ群２、ＯＵＴ電極３（第２電極）、加速電極５、アノード４が配置された構造を有する。ＭＣＰ群２は、２枚のディスク形状のＭＣＰ２０、２１により構成されている。また、ＭＣＰ群２の入射面（荷電粒子が到達する前面）側にはＩＮ電極１（第１電極）が配置される一方、出射面（後面）側にはＯＵＴ電極３（第２電極）が配置されている。このように、ＭＣＰ群２と、該ＭＣＰ群２を挟み込んだＩＮ電極１とＯＵＴ電極３によりＭＣＰアセンブリが構成される。また、図５及び図６に示されたＭＣＰ検出器では、各電極への電圧印加構造として、ＩＮ電極（第１電極）１、ＯＵＴ電極（第２電極）３、加速電極５（加速電極基板５０を含む）、アノード４（アノード基板４０を含む）のそれぞれに電圧印加用リードが設けられた４端子電圧印加構造が採用されている。

ＩＮ電極１は、中央に開口１０を有するドーナツ形状を有する、金属製（例えば、ステンレス製）の電極であり、その盤面には、管軸ＡＸを中心に９０度ごとに４つの皿ねじ９１０が挿入される孔が設けられている。ＩＮ電極１の後面には、後方から延びた棒形状を有する、導電性材料（例えばステンレス製）のＩＮリードが電気的に接続されている。ＩＮ電極１とＩＮリードの接続位置は、隣接する２つの孔の中間に位置することになる。ＩＮリードは、絶縁性材料のＩＮリード用インシュレータに挿入された状態で保持されており、この構造によりＩＮリードは、他の構造要素（部品）とは絶縁されている。ＩＮリード用インシュレータとしては、例えば加工性、耐熱性、耐衝撃性、絶縁性に優れたＰＥＥＫ（PolyEtherEtherKetone）樹脂が適している。

ＯＵＴ電極３も、ＩＮ電極１と同様に、中央に開口３０を有するドーナツ形状を有する、金属製の電極であるが、ＩＮリードを収容するＩＮリード用インシュレータと接触しないよう、その一部が切り取られた構造を有する。そして、ＯＵＴ電極３の盤面には、ＩＮ電極１の孔に対応する位置に、同様の孔が設けられている。ＯＵＴ電極３の後面には、後方から延びる棒形状を有する、導電性材料（例えばステンレス製）のＯＵＴリードが電気的に接続されている。なお、ＯＵＴリードは、正面から見てＩＮリードを管軸ＡＸを中心に左回りに９０度回転させた位置に配置されている。このＯＵＴリードも、ＩＮリードと同様に、絶縁性材料、例えばＰＥＥＫ樹脂製のＯＵＴリード用インシュレータに挿入された状態で保持されている（他の構造要素とは絶縁されている）。

なお、ＩＮ電極１とＯＵＴ電極３の間には、これらＩＮ電極１及びＯＵＴ電極３それぞれの孔に対応する位置に、ドーナツ形状を有する、絶縁性材料のＭＣＰインシュレータ９０１が配置されている。これらＭＣＰインシュレータ９０１は、例えば、ＰＥＥＫ樹脂製であり、その厚みはＭＣＰ群２より若干薄い。以上のようにＩＮ電極１とＯＵＴ電極３でＭＣＰ群２が挟み込まれたＭＣＰアセンブリは、ディスク形状のＭＣＰ２０、２１の中心がＩＮ電極１とＯＵＴ電極３のそれぞれの開口１０、３０の中心と一致するように精度よく組み立てられることにより得られる。

ＯＵＴ電極３の後方には、所定の間隔をおいて加速電極基板５０が配置されている。この加速電極基板５０は、中央に円形の開口を有する金属製の電極であるが、この開口を覆うように金属メッシュが設けられている。これら加速電極基板５０及び金属メッシュにより加速電極５が構成されている。加速電極基板５０は、ＩＮリードを収容するＩＮリード用インシュレータ、及び、ＯＵＴリードを収容するＯＵＴリード用インシュレータと接触しないよう、切り欠き構造を有する。上述のように、加速電極基板５０は、ＯＵＴ電極３に対して所定間隔をおいて配置されるため、該加速電極基板５０には、ＯＵＴ電極３の孔に対応する箇所に孔が設けられるとともに、ＯＵＴ電極３との間には、ともにドーナツ形状を有する導電性材料の薄板８０１と絶縁性材料のインシュレータ９０２が配置されている。薄板８０１は、コンデンサ８０の一端をＯＵＴ電極３とで挟み込むための金属部品である。薄板８０１としては、延性に優れた材料が適しており、例えば、りん青銅板に金又は銅メッキが施された部材が好ましい。また、インシュレータ９０２としては、例えばＰＥＥＫ樹脂が適用可能である。なお、加速電極基板５０に設けられた開口は、当該加速電極５の有効領域（ＭＣＰ群２から放出された二次電子が通過するためのメッシュ領域）を規定しており、ＭＣＰ群２の有効領域（二次電子を放出する領域）よりも広い。

さらに、加速電極基板５０の後方には、所定の間隔をおいてアノード基板４０が配置されている。このアノード基板４０は、ガラスエポキシ樹脂（絶縁材料）で成形されたディスク形状を有し、その表面及び裏面には銅等の金属薄膜の所定パターンが形成されている。また、表面の金属薄膜パターンと裏面の金属薄膜パターンは導通されている。そして、アノード基板４０は、ＩＮリードを収容するＩＮリード用インシュレータ、及び、ＯＵＴリードを収容するＯＵＴリード用インシュレータと接触しないよう、切り欠き構造を有する。上述のように、アノード基板４０は加速電極基板５０に対して所定間隔をおいて配置されるため、該アノード基板４０には、加速電極基板５０の孔に対応する箇所に孔が設けられるとともに、加速電極基板５０との間には、ともにドーナツ形状を有する導電性材料の薄板８０３と絶縁性材料のインシュレータ９０４が配置されている。薄板８０３は、コンデンサ９０の一端を加速電極板５０とで挟み込むための金属部品である。薄板８０３としては、延性に優れた材料が適しており、例えば、りん青銅板に金又は銅メッキが施された部材が好ましい。また、インシュレータ９０４としては、例えばＰＥＥＫ樹脂が適用可能である。

アノード基板４０の表面及び裏面のそれぞれに形成される金属薄膜パターンのうち、表面の金属薄膜パターンは、ＯＵＴ電極３の開口３０と形状が一致する円形であって、開口３０と表面の金属薄膜パターンとは同軸に配置されている。一方、裏面の金属薄膜パターンは、アノード基板４０の中心から径方向の一方に延びる概ね線状のパターンであり、外側の端部には後方から延びる棒形状を有する、導電性材料（例えばステンレス製）のアノードリードが電気的に接続されている。なお、アノードリードは、正面から見てＯＵＴリードを管軸ＡＸを中心に左回りに９０度回転させた位置に配置されている。つまり、ＩＮリードとは管軸ＡＸを中心に対称な位置に配置されることになる。このアノードリードも、ＩＮリード、ＯＵＴリードと同様に、絶縁性材料、例えばＰＥＥＫ樹脂製のアノードリード用インシュレータに挿入された状態で保持されることにより、他の構造要素とは絶縁される。

裏面の金属薄膜パターンの中央には、銅製のアノード端子４１がねじ止めされている。このアノード端子４１とアノード基板４０によりアノード４が構成される。なお、アノード４は、上述の構造には限定されず、例えば、絶縁材料からなるアノード基板４０と、該アノード基板４０上の一部領域または全面に固定された金属板により構成されても良い。また、アノード４全体が金属板で構成されても良い。

アノード４の後方には、後方カバー５００が配置されている。この後方カバー５００は、ドーナツ形状を有する基板５０１と、円筒部５０２と、同じくドーナツ形状を有する基板５０３により構成されている。円筒部５０２は、基板５０１、５０３間に挟み込まれ、ねじ９２０、９３０によって固定されており、後方カバー５００は、このように基板５０１の内周と基板５０３の外周が円筒部５０２を介して接続されることで、深皿状の部材となる。基板５０１、５０３、円筒部５０２は、いずれも金属製（例えばステンレス製）である。また、基板５０１には、ねじ孔が設けられており、アノード４の背面にインシュレータ９０３と薄板８０２を挟んで後方カバー５００が配置されている。このとき、ねじ孔に電気絶縁性（例えばＰＥＥＫ樹脂が適用可能である）のねじ９１０を締結することにより各電極１、３、４とＭＣＰ群２が、後方カバー５００に固定される。薄板８０２は、基板５０１とともにコンデンサ８０、９０それぞれの他端を挟み込むための金属部品である。薄板８０２も薄板８０１、８０３と同様の材料で良い。インシュレータ９０３には、例えばＰＥＥＫ樹脂が適用可能である。また、基板５０１は、各リード用インシュレータが挿入される孔を有する。

基板５０３の中央には、ねじ９４０により、信号出力部であるＢＮＣ端子６が固定されている。ＢＮＣ端子６の外側６００は、後方カバー５００の基板５０１に電気的に接続されている。一方、ＢＮＣ端子６の内側の芯線６０１は、アノード端子４１にコンデンサ６２を介して接続されている。このコンデンサ６２には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをＧＮＤレベルにする機能がある。

なお、ＯＵＴ電極３と基板５０１との間には、各端子が上述の薄板８０１と薄板８０２によりこれらＯＵＴ電極３と基板５０１のそれぞれに電気的に接続された、４つのコンデンサ８０が、管軸ＡＸを中心に等間隔離れて配置される。なお、基板５０１、円筒部５０２及び基板５０３は、それぞれ金属製であるので、コンデンサ８０の一端は、ＢＮＣ端子６の外側６００に電気的に接続されることになる。同様に、加速電極基板５と基板５０１との間には、各端子が上述の薄板８０３と薄板８０２によりこれら加速電極基板５と基板５０１のそれぞれに電気的に接続された、４つのコンデンサ９０が、管軸ＡＸを中心に等間隔離れて配置される。したがって、これらコンデンサ９０も、金属製の基板５０１と加速電極基板５０の間に取り付けられることになり、コンデンサ９０の一端は、ＢＮＣ端子６の外側６００に電気的に接続されることになる。

また、上述のようなトライオード構造のＭＣＰ検出器において、加速電極５は、図６に示されたように、アノード４までの最短距離ＢがＭＣＰ群２の出射面までの最短距離Ａよりも長くなるよう、ＭＣＰ群２とアノード４との間に配置されている。すなわち、Ａ＜Ｂの条件を満たすように加速電極５がＭＣＰ群２−アノード４間に配置されることにより、検出ピークのＦＷＨＭの大幅な短縮が可能になり、時間応答特性を向上させることができる。これは、ＭＣＰ群２、加速電極５、及びアノード４の配置条件を調整することにより、検出された時間スペクトル上に現れるピークのＦＷＨＭの低減が可能になるためである。すなわち、ＭＣＰ群２−加速電極５間の距離Ａの調整は検出ピークの立上がり時間の制御に寄与し、加速電極５−アノード４間の距離Ｂの調節は検出ピークの立下り時間の制御に寄与する。

加速電極５は、ＯＵＴ電極３よりも高い電位に設定されれば良いが、加速電極５がアノード４と同じ電位に設定されることにより、従来のバイポーラ構造のＭＣＰ検出器と比較して、ＭＣＰ群２から放出される二次電子の加速領域を任意に制限することができる（放出された時間拡がりが抑制されることから従来よりも検出ピークの立上がり時間の短縮が可能）。

図７は、トライオード構造を有するＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の時間応答特性を示すグラフである。また、図８（Ａ）は、図７の応答特性を測定するために用意されたトライオード構造のＭＣＰユニットの構造（外部電位源による影響を受けにくい理想環境下での構造）を示す断面図であり、図８（Ｂ）は、測定結果を示す表である。

用意された測定系は、図８（Ａ）に示されたように、入射面側にＩＮ電極１が設けられるとともに出射面側にＯＵＴ電極３が設けられたＭＣＰ群２と、アノード４と、これらＭＣＰ群２とアノード４との間に配置された加速電極５により構成されたＭＣＰユニットであり、外部電位源の影響を受けにくい理想環境に設置されているものとする。このような測定系のＭＣＰユニットにおいて、アノード４及び加速電極５はグランドレベルに設定され、ＯＵＴ電極３は−５００Ｖに設定され、ＩＮ電極１は−２０００Ｖに設定されている。また、加速電極５の有効領域は、開口率８１％の金属メッシュ（線幅４０μｍ、配線ピッチ０．４ｍｍ）で構成されている。

この測定は、図８（Ａ）中に示されたＭＣＰ群２−加速電極５間の最短距離Ａ、及び加速電極５−アノード４間の最短距離Ｂを変えながらアノード４から得られる出力電圧の時間変化をモニタすることにより行われた。すなわち、図８（Ｂ）に示されたように、距離Ａが１．１ｍｍで距離Ｂも１．１ｍｍのケース１、距離Ａが１．１ｍｍで距離Ｂが２．６ｍｍのケース２、距離Ａが２．６ｍｍで距離Ｂが１．１ｍｍのケース３について測定が行われた。図７中に示されたグラフＧ８１０はケース１（Ａ＝Ｂ）の時間スペクトルを示し、グラフＧ８２０はケース２（Ａ＜Ｂ）の時間スペクトルを示す。図７からも分かるように、ケース２の場合、検出ピークの立下り時間が大幅に短縮されたことに伴って検出ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）も大幅に低減されている。一方、図７には示されていないが、ケース３の場合、検出ピークのＦＷＨＭは結果的にケース１とほぼ変わりはないが、検出ピークの立下がり時間の短縮とが逆に立上がり時間が伸びてしまっている。このように、ケース３では、立下がり時間と立上がり時間が連動して変化するため、検出ピークの波形整形は困難である。

次に、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、加速電極５の構造を説明するための図である。図９（Ａ）に示されたように、加速電極５は、中央に円形の開口５ａが設けられた加速電極基板５０と、開口５ａを覆うように貼り付けられた金属メッシュ５１を備える。金属メッシュ５１は、図９（Ｂ）に示されたように、所定線幅の金属ワイヤを格子状に配列することにより得られる。線幅は製造上の制約や機械的強度の観点から４０μｍ程度が限界と考えられる。図９（Ｃ）は、線幅４０μｍで構成された金属メッシュ５１の配線ピッチと開口率との関係を示す表である。

上述のような構造を有する加速電極５の有効領域における開効率（金属メッシュの開効率）は、６０％以上９５％以下であるのが好ましい。開口率が６０％を下回ると、通過電子数（加速電極の透過率）が低下し、アノードから得られる信号量が減少するからである。一方、開口率が９５％を超えると、得られる時間スペクトルにおける検出ピークの波形整形が実質的にできなくなるからである。なお、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、図８（Ａ）に示されたＭＣＰユニットに適用される加速電極の開口率（％）と立上がり時間（ｐｓ）との関係を示すグラフ及び測定条件を示す表である。

次に、上述のような構造を有するトライオード構造のＭＣＰユニットに適用される制限構造について説明する。すなわち、本発明に係るＭＣＰユニット等は、上述のようなトライオード構造を基本構造として備え、さらに、当該ＭＣＰユニット近傍に存在する外部電位源の影響を低減するための制限構造として、種々の構造が適用可能である。

図１１は、本発明に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の特徴的構造を説明するための等価回路図であり、その主要部分は図２の等価回路図と重複している。図１１のＭＣＰ検出器もＴＯＦ−ＭＳ装置等に適用可能である。図１１に示されたＭＣＰ検出器は、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり、グランド電位に設定されている。このＭＣＰ検出器では、２枚のＭＣＰ２０、２１（ＭＣＰ群２）が、それぞれの中央に開口が設けられたＩＮ電極１とＯＵＴ電極３とで挟み込まれている。ＯＵＴ電極３の後方にはアノード４が配置され、さらに、ＯＵＴ電極３とアノードとの間には金属メッシュを有する加速電極５が配置されている。また、信号読み出し用のＢＮＣ端子６のシールド側には、真空容器が接続される一方、ＢＮＣ端子６の芯線は、コンデンサ６２を介してアノード４に接続されている。このコンデンサ６２には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをＧＮＤレベルにする機能がある。さらに、ＢＮＣ端子６のシールド側とＯＵＴ電極３の間、および、ＢＮＣ端子６のシールド側と加速電極５の間にも、それぞれコンデンサ８０、９０が配置されている。加速電極５とアノード４との間隔Ｂは、ＭＣＰ群２と加速電極５との間隔Ａよりも広くなるよう設定されている。

上述のような構造を有するＭＣＰ検出器において、ＩＮ電極１に設定されたマイナス電位を基準として、ＯＵＴ電極３は、ＩＮ電極１よりも高いマイナス電位に設定される。加速電極５及びアノード４は、ＯＵＴ電極３よりも高いマイナス電位に設定される。なお、加速電極５とアノード４は同一電位に設定されても良い。このように、ＭＣＰ検出器は、アノード電位がグランドされていないフローティングアノード構造を有する。

ＢＮＣ端子６の芯線を介して取り出された、アノード４からの信号は増幅器（Ａｍｐ）により増幅された後、分析部へ取り込まれる。具体的には、ＭＣＰ検出器１００ａにおいて、荷電粒子がＭＣＰ群２に入射すると、これに応じてＭＣＰ群２から多数の電子が放出される。こうして放出された二次電子がアノード４に到達し、電圧又は電流変化として電気信号に変換される。この際、アノード４と芯線との間に設けられたコンデンサ６２により、検出信号は接地電位で外部に出力され、また、ＢＮＣ端子６のシールド側とＯＵＴ電極３との間、および、ＢＮＣ端子６のシールド側と加速電極５との間にそれぞれ設けられたコンデンサ８０、９０により、出力信号の波形歪みやオーバーシュート（リンギング）の発生が抑制される（理想環境において）。

特に、本発明に係るＭＣＰユニットは、ＭＣＰ群２からの二次電子の入射に応答してアノード４から放出される二次電子（反射電子）を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を、更に備える。

具体的な制限構造としては、図１１中に示されたように、加速電極とアノードとの間の空間を、当該ＭＣＰユニット周辺空間から物理的に隔離する態様Ｉ（第１実施形態）と、アノードから放出される反射電子の、当該ＭＣＰユニットの中心軸に直交する方向に沿った移動を制限する態様II（第２実施形態）と、加速電極とアノードとの電位差を制御する態様III（第３実施形態）と、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する態様IV（第４実施形態）と、アノードからの反射電子の放出自体を抑制する構造を変更する態様Ｖ（第５実施形態）により実現可能である。なお、上記制限構造は、態様Ｉ〜Ｖのうち２以上の態様の組合せによっても実現可能である。

（第１実施形態）
図１２は、第１実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図１３は、図１２に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ２−Ｌ２線に沿った断面構造を示す図である。

第１実施形態における制限構造は、図１１中に示されたように、加速電極５とアノード４との間の空間を周辺空間から隔離する構造（態様Ｉ）により実現される。具体的には、第１実施形態における制限構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、スペーサとしてのインシュレータ９０４に代えて、貫通孔９０４Ａａを有するリング部材９０４Ａが適用される。

すなわち、この第１実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器は、管軸ＡＸ（ＭＣＰユニットの中心軸に一致）に沿って順に、ＩＮ電極１（第１電極）、ＭＣＰ群２、ＯＵＴ電極３（第２電極）、加速電極５、アノード４が配置された構造を有する。なお、ＩＮ電極１とＯＵＴ電極３の間には、絶縁性材料のＭＣＰインシュレータ９０１が配置されている。ＯＵＴ電極３の後方には、インシュレータ９０２を介して加速電極５が配置されている。さらに、この加速電極５の後方にはアノード４が配置されており、これら加速電極５とアノード４との間に、ＭＣＰ群２からの二次電子が通過可能な貫通孔９０４Ａａを有するリング部材９０４Ａが配置されている。アノード４の後方には、インシュレータ９０３と薄板８０２を挟んで後方カバー５００が配置されている。この後方カバー５００は、基板５０１と、円筒部５０２と、基板５０３により構成されている。基板５０３の中央には、信号出力部であるＢＮＣ端子６が固定されており、ＢＮＣ端子６の内側の芯線６０１が、アノード端子４１にコンデンサ６２を介して接続されている。

第１実施形態において、リング部材９０４Ａは、加速電極５からアノード４へ向かう二次電子が通過させるよう、管軸ＡＸを取り囲む連続面によって規定される貫通孔９０４Ａａを有する。なお、リング部材９０４Ａは、加速電極５に接触する第１面と、第１面に対向するとともにアノード４に接触する第２面を有し、該リング部材９０４Ａの貫通孔９０４Ａａは、第１面と第２面を連絡するよう伸びた形状を有する。また、リング部材９０４Ａは、金属部材、絶縁材料のいずれで構成されても良い。この構造により、加速電極５とアノード４との間の空間の、周辺空間からの隔離状態に維持される。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される（図４（Ｂ）中のグラフＧ４２０参照）。ただし、アノード４全体が金属板からなる構造において、リング部材９０４Ａは、その構成材料によって異なる機能を発揮する。すなわち、加速電極５とアノード４とを同電位に設定する場合には、リング部材９０４Ａは、金属材料からなるのが好ましい。一方、加速電極５の電位とアノード４の電位を独立して制御する場合、リング部材９０４Ａは、絶縁材料からなるのが好ましい。

（第２実施形態）
第２実施形態における制限構造は、図１１中に示されたように、アノード４から放出される反射電子の、ＭＣＰ検出器の管軸ＡＸに直交する方向に沿った移動を制限する構造（態様II）により実現される。なお、この第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造は、当該第２実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図５に示された基本構造と実質的に一致する。

すなわち、第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器は、管軸ＡＸ（ＭＣＰユニットの中心軸に一致）に沿って順に、ＩＮ電極１（第１電極）、ＭＣＰ群２、ＯＵＴ電極３（第２電極）、加速電極５、アノード４が配置された構造を有する。なお、ＩＮ電極１とＯＵＴ電極３の間には、絶縁性材料のＭＣＰインシュレータ９０１が配置されている。ＯＵＴ電極３の後方には、インシュレータ９０２を介して加速電極５が配置されている。さらに、この加速電極５の後方にはアノード４が配置されており、これら加速電極５とアノード４との間に、スペーサとしてのインシュレータ９０４が配置されている。アノード４の後方には、インシュレータ９０３と薄板８０２を挟んで後方カバー５００が配置されている。この後方カバー５００は、基板５０１と、円筒部５０２と、基板５０３により構成されている。基板５０３の中央には、信号出力部であるＢＮＣ端子６が固定されており、ＢＮＣ端子６の内側の芯線６０１が、アノード端子４１にコンデンサ６２を介して接続されている。

第２実施形態に係る制限構造は種々の構造により実現可能であるが、図１４は、第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第１の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図１５は、図１４に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ３−Ｌ３線に沿った断面構造を示す図である。

具体的に、第２実施形態における制限構造を実現する第１の構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、ＩＮ電極１に代えて、ＩＮ電極１００Ａが適用される。この第１の構造において、ＩＮ電極１００Ａは、その開口１００Ａａの直径が、図５（基本構造）に示されたＩＮ電極１の開口１０の直径よりも小さくなるようマスク部材１００Ａｂが設けられている。マスク部材１００Ａｂは、図１４に示されたように、管軸ＡＸを取り囲む連続面により規定される貫通孔を有するとともに、ＩＮ電極１００Ａの一部を構成している。この構造によれば、アノード４上では、ＭＣＰ群２から放出された二次電子の到達領域はより管軸ＡＸ近傍に制限される。そのため、アノード４から放出される反射電子の発生位置と該アノード４の端部までの距離を相対的に拡大することが可能になり、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

次に、第２実施形態における制限構造を実現する第２の構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、加速電極５およびアノード４に代えて、加速電極５００Ａおよびアノード４００が適用される。なお、図１６は、第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第２の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図１７は、図１６に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ４−Ｌ４線に沿った断面構造を示す図である。加速電極５００Ａおよびアノード４００を除き、制限構造として第２の構造を備えたＭＣＰ検出器（図１６および図１７）の構造は、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造と実質的に一致している。

すなわち、この第２の構造において、加速電極５００Ａは、中央の開口を有する加速電極基板５００Ａａと、この開口を塞ぐ金属メッシュにより構成されている。特に、加速電極５００Ａａの形状は円形を有し、図５に示された加速電極基板５０よりもその最大径が拡大されている。同様に、アノード４００においても、アノード基板４００ａの形状は円形を有し、図５に示されたアノード基板４０よりもその最大径が拡大されている。具体的には、アノード４００（アノード基板４００ａ）は、当該ＭＣＰユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下（例えば図８（Ａ）の環境）において算出されたアノードの理論最大径であって、一旦放出された反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも拡大された最大径を有する。同様に、加速電極５００Ａも、アノード４００と同程度の最大径を有する。この第２の構造によっても、アノード４００から放出された反射電子の走行距離（管軸ＡＸに直交する方向）を実質的に伸ばすことが可能になる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

次に、第２実施形態における制限構造を実現する第３の構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、加速電極５とアノード４の間に配置されるインシュレータ９０４に代えて、インシュレータ９０４Ｂが適用される。なお、図１８は、第２実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第３の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図１９は、図１８に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ５−Ｌ５線に沿った断面構造を示す図である。インシュレータ９０４Ｂを除き、制限構造として第３の構造を備えたＭＣＰ検出器（図１８および図１９）の構造は、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造と実質的に一致している。

すなわち、この第３の構造において、インシュレータ９０４Ｂは、加速電極５からアノード４までの管軸ＡＸに沿った間隔Ｂの設定に寄与する。具体的には、ＯＵＴ電極３から加速電極５までの管軸ＡＸに沿った間隔Ａが、加速電極５からアノード４までの管軸ＡＸに沿った間隔Ｂよりも狭く設定された状態で、間隔Ｂが間隔Ａの２倍以下になるよう、加速電極５とアノード４の間隔Ｂが規定される。この第３の構造によれば、通常の間隔よりも加速電極５とアノード４の間隔を狭めることにより、アノード４から放出される反射電子の移動立体角を狭めることが可能になる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

さらに、第２実施形態における制限構造を実現する第４の構造は、当該ＭＣＰ検出器自体の構造は、図５に示された基本構造と同じであるが、ＭＣＰ検出器からグランド電位に設定された筐体までの距離を十分に離されている、この第４の構造によれば、当該ＭＣＰユニットから筐体までの電位勾配を弱めることが可能になる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

（第３実施形態）
第３実施形態における制限構造は、図１１中に示されたように、加速電極５とアノード４との電位差を制御する構造（態様III）により実現される。なお、この第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の基本構造は、当該第３実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図２および図１１に示された基本構造と実質的に一致する。また、図２０は、第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造を説明するための等価回路図である。図２１は、第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器において、ＯＵＴ電極３−アノード４間の電圧印加状態および断面構造を示す図である。

すなわち、この第３実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器（図２０）は、図２および図１１と同様に、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり、グランド電位に設定されている。このＭＣＰ検出器では、２枚のＭＣＰ２０、２１（ＭＣＰ群２）が、それぞれの中央に開口が設けられたＩＮ電極１とＯＵＴ電極３とで挟み込まれている。ＯＵＴ電極３の後方にはアノード４が配置され、さらに、ＯＵＴ電極３とアノードとの間には金属メッシュを有する加速電極５が配置されている。また、信号読み出し用のＢＮＣ端子６のシールド側には、真空容器が接続される一方、ＢＮＣ端子６の芯線は、コンデンサ６２を介してアノード４に接続されている。

この第３実施形態における制限構造は、図２０に示されたように、加速電極５よりも高い電位をアノード５に設定するための構造により実現される。この場合、図２１（Ａ）に示されたように、加速電極５とアノード４との間の空間における電位勾配が、ＯＵＴ電極３と加速電極５との間の空間における電位勾配よりも小さくなるよう、所定の電位がアノード４に設定される。この第３実施形態における制限構造によれば、アノード４から放出された反射電子の軌道は、加速電極５とアノード４との間の空間に設定された電位勾配により、アノード４側へ曲げられる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

（第４実施形態）
第４実施形態における制限構造は、図１１中に示されたように、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する構造（態様IV）により実現される。なお、この第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造は、当該第４実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図５に示された基本構造と実質的に一致する。

すなわち、第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器は、管軸ＡＸ（ＭＣＰユニットの中心軸に一致）に沿って順に、ＩＮ電極１（第１電極）、ＭＣＰ群２、ＯＵＴ電極３（第２電極）、加速電極５、アノード４が配置された構造を有する。なお、ＩＮ電極１とＯＵＴ電極３の間には、絶縁性材料のＭＣＰインシュレータ９０１が配置されている。ＯＵＴ電極３の後方には、インシュレータ９０２を介して加速電極５が配置されている。さらに、この加速電極５の後方にはアノード４が配置されており、これら加速電極５とアノード４との間に、スペーサとしてのインシュレータ９０４が配置されている。アノード４の後方には、インシュレータ９０３と薄板８０２を挟んで後方カバー５００が配置されている。この後方カバー５００は、基板５０１と、円筒部５０２と、基板５０３により構成されている。基板５０３の中央には、信号出力部であるＢＮＣ端子６が固定されており、ＢＮＣ端子６の内側の芯線６０１が、アノード端子４１にコンデンサ６２を介して接続されている。

第４実施形態に係る制限構造は種々の構造により実現可能であるが、図２２は、第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第１の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図２３は、図２２に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ６−Ｌ６線に沿った断面構造を示す図である。

具体的に、第４実施形態における制限構造を実現する第１の構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、ＩＮ電極１に代えて、ＩＮ電極１００Ｂが適用される。この第２の構造において、ＩＮ電極１００Ｂは、ＭＣＰ群２からアノード４に向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造を実現する形状を有する。すなわち、ＩＮ電極１００Ｂは、開口１００Ｂａを有する平坦部（ＭＣＰ群２の入射面に対面する部分）と、該平坦部のエッジからアノード４に向かって伸びた側壁部により構成されている。この第１の構造によれば、アノード４から放出された反射電子が、管軸ＡＸに直交する方向に沿って移動する場合であっても、反射電子の軌道はアノード４側へ曲げられる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

次に、第４実施形態における制限構造を実現する第２の構造には、図５に示されたＭＣＰ検出器の基本構造のうち、ＯＵＴ電極３に代えて、ＯＵＴ電極３００が適用される。なお、図２４は、第４実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の第２の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図２５は、図２４に示されたＭＣＰ検出器の、Ｌ７−Ｌ７線に沿った断面構造を示す図である。

第４実施形態の第２の構造において、ＯＵＴ電極３００は、ＭＣＰ群２からアノード４に向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造を実現する形状を有する。すなわち、ＯＵＴ電極３００は、開口３００ａを有する平坦部（ＭＣＰ群２の出射面に対面する部分）と、該平坦部のエッジからアノード４に向かって伸びた側壁部により構成されている。この第２の構造によれば、アノード４から放出された反射電子が、管軸ＡＸに直交する方向に沿って移動する場合であっても、反射電子の軌道はアノード４側へ曲げられる。その結果、加速電極５とアノード４との間の空間から当該ＭＣＰ検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。

（第５実施形態）
第５実施形態に係るＭＣＰユニットが適用されたＭＣＰ検出器の構造は、図５および図６に示されたトライオード構造のＭＣＰ検出器の基本構造と同じである。ただし、この第５実施形態は、アノード４からの反射電子の放出自体を抑制する構造を備える。具体的には、アノード４が、その表面に、二次電子（反射電子）の発生を抑制するカーボンなどがコーティングされた構造を有する。このように、アノード４自体の構造を変更することによっても、外部電位源の影響を低減する効果が十分に期待できる。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

１、１００Ａ、１００Ｂ…ＩＮ電極（第１電極）、２…ＭＣＰ群、３、３００…ＯＵＴ電極（第２電極）、２０、２１…ＭＣＰ、４、４００Ａ…アノード、５、５００Ａ…加速電極、９０４、９０４Ｂ…インシュレータ、９０４Ａ…リング部材。

Claims (34)

1. 当該ＭＣＰユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
   前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第１電極であって、第１電位に設定された第１電極と、
   前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第２電極であって、前記第１電位よりも高い第２電位に設定された第２電極と、
   前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第２電位よりも高い第３電位に設定されたアノードと、
   前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された第１加速電極であって、前記第２電位よりも高い第４電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
   前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造と、を備えたＭＣＰユニット。
2. 前記制限構造は、前記加速電極と前記アノードとの間に配置されたリング部材であって、前記加速電極から前記アノードへ向かう二次電子が通過させるよう前記中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有するリング部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＣＰユニット。
3. 前記リング部材は、前記加速電極に接触する第１面と、前記第１面に対向するとともに前記アノードに接触する第２面を有し、
   前記リング部材の貫通孔は、前記第１面と前記第２面を連絡するよう伸びた形状を有することを特徴とする請求項２に記載のＭＣＰユニット。
4. 前記リング部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項２または３に記載のＭＣＰユニット。
5. 前記リング部材は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項２または３に記載のＭＣＰユニット。
6. 前記制限構造は、前記アノードから放出される反射電子の、前記中心軸に直交する方向に沿った移動を制限するための構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＣＰユニット。
7. 前記制限構造は、前記荷電粒子の入射に応答して放出される二次電子の増倍に寄与する、前記マイクロチャネルプレートの有効領域の一部を、前記第１電極側から塞ぐマスク部材を含むことを特徴する請求項１または６に記載のＭＣＰユニット。
8. 前記マスク部材は、前記中心軸を取り囲む連続面により規定される貫通孔を有することを特徴する請求項７に記載のＭＣＰユニット。
9. 前記マスク部材は、前記第１電極の一部を構成することを特徴する請求項７または８に記載のＭＣＰユニット。
10. 前記制限構造は、当該ＭＣＰユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下において算出された前記アノードの理論最大径であって、一旦放出された前記反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも、その最大径が拡大された前記アノードを含むことを特徴とする請求項１または６に記載のＭＣＰユニット。
11. 前記加速電極は、前記アノードの最大径と略一致した最大径を有することを特徴とする請求項１０に記載のＭＣＰユニット。
12. 前記第２電極から前記加速電極までの前記中心軸に沿った第１間隔は、前記加速電極から前記アノードまでの前記中心軸に沿った第２間隔よりも狭く、
    前記制限構造は、前記第２間隔が前記第１間隔の２倍以下になるよう配置された前記加速電極と前記アノードの双方を含むことを特徴とする請求項１または６に記載のＭＣＰユニット。
13. 前記制限構造は、前記加速電極と前記アノードとの電位差を制御するための構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＣＰユニット。
14. 前記制限構造として、前記アノードの第３電位は、前記加速電極と前記アノードとの間の空間における電位勾配が、前記第２電極と前記加速電極との間の空間における電位勾配よりも小さくなるよう、前記加速電極の第４電位よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１または１３に記載のＭＣＰユニット。
15. 前記制限構造は、前記マイクロチャネルプレートから前記アノードに向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＣＰユニット。
16. 前記制限構造として、前記第１電極は、前記マイクロチャネルプレートの入射面に対面する平坦部のエッジから前記アノードに向かって伸びた側壁部を有することを特徴とする請求項１または１５に記載のＭＣＰユニット。
17. 前記制限構造として、前記第２電極は、前記マイクロチャネルプレートの出射面に対面する平坦部のエッジから前記アノードに向かって伸びた側壁部を有することを特徴とする請求項１または１５に記載のＭＣＰユニット。
18. 当該ＭＣＰユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
    前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第１電極であって、第１電位に設定された第１電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第２電極であって、前記第１電位よりも高い第２電位に設定された第２電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第２電位よりも高い第３電位に設定されたアノードと、
    前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された第１加速電極であって、前記第２電位よりも高い第４電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
    前記加速電極と前記アノードとの間に配置されたリング部材であって、前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるよう、前記加速電極から前記アノードへ向かう二次電子が通過させるよう前記中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有するリング部材と、を備えたＭＣＰユニット。
19. 前記リング部材は、前記加速電極に接触する第１面と、前記第１面に対向するとともに前記アノードに接触する第２面を有し、
    前記リング部材の貫通孔は、前記第１面と前記第２面を連絡するよう伸びた形状を有することを特徴とする請求項１８に記載のＭＣＰユニット。
20. 前記リング部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項１８または１９に記載のＭＣＰユニット。
21. 前記リング部材は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項１８または１９に記載のＭＣＰユニット。
22. 当該ＭＣＰユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
    前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第１電極であって、第１電位に設定された第１電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第２電極であって、前記第１電位よりも高い第２電位に設定された第２電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第２電位よりも高い第３電位に設定されたアノードと、
    前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された第１加速電極であって、前記第２電位よりも高い第４電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
    前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子の、前記中心軸に直交する方向に沿った移動を制限するための制限構造と、を備えたＭＣＰユニット。
23. 前記制限構造は、前記荷電粒子の入射に応答して放出される二次電子の増倍に寄与する、前記マイクロチャネルプレートの有効領域の一部を、前記第１電極側から塞ぐマスク部材を含むことを特徴する請求項２２に記載のＭＣＰユニット。
24. 前記マスク部材は、前記中心軸を取り囲む連続面により規定される貫通孔を有することを特徴する請求項２３に記載のＭＣＰユニット。
25. 前記マスク部材は、前記第１電極の一部を構成することを特徴する請求項２３または２４に記載のＭＣＰユニット。
26. 前記制限構造は、当該ＭＣＰユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下において算出された前記アノードの理論最大径であって、一旦放出された前記反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも、その最大径が拡大された前記アノードを含むことを特徴とする請求項２２に記載のＭＣＰユニット。
27. 前記加速電極は、前記アノードの最大径と略一致した最大径を有することを特徴とする請求項２６に記載のＭＣＰユニット。
28. 前記第２電極から前記加速電極までの前記中心軸に沿った第１間隔は、前記加速電極から前記アノードまでの前記中心軸に沿った第２間隔よりも狭く、
    前記制限構造は、前記第２間隔が前記第１間隔の２倍以下になるよう配置された前記加速電極と前記アノードの双方を含むことを特徴とする請求項２２に記載のＭＣＰユニット。
29. 当該ＭＣＰユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
    前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第１電極であって、第１電位に設定された第１電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第２電極であって、前記第１電位よりも高い第２電位に設定された第２電極と、
    前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第２電位よりも高い第３電位に設定されたアノードと、
    前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された第１加速電極であって、前記第２電位よりも高い第４電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
    前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるよう、前記マイクロチャネルプレートから前記アノードに向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＣＰユニット。
30. 前記電子レンズ構造は、前記マイクロチャネルプレートの入射面に対面する平坦部のエッジから前記アノードに向かって伸びた側壁部を有する前記第１電極を含むことを特徴とする請求項２９に記載のＭＣＰユニット。
31. 前記電子レンズ構造は、前記マイクロチャネルプレートの出射面に対面する平坦部のエッジから前記アノードに向かって伸びた側壁部を有する前記第２電極を含むことを特徴とする請求項２９に記載のＭＣＰユニット。
32. 請求項１〜３１の何れか一項に記載のＭＣＰユニットと、そして、
    前記マイクロチャネルプレートとともに前記アノードを挟むよう配置された信号出力部であって、前記アノードに電気的に接続された信号線を有する信号出力部と、を備えたＭＣＰ検出器。
33. 前記信号出力部は、前記信号線と、該信号線を包囲するシールド部とを備えた同軸ケーブルを含み、そして、
    当該ＭＣＰ検出器は、さらに、前記シールド部と電気的に接続された一方の端子と、前記加速電極に電気的に接続された他方の端子とを有するコンデンサを備えることを特徴とする請求項３１に記載のＭＣＰ検出器。
34. イオン源として分析されるべき試料が内部に設置される真空容器と、
    前記真空容器内に設置された試料からイオンを放出させるためのイオン抽出システムと、
    前記真空容器内に配置された、前記試料から放出されたイオンを加速するためのイオン加速器と、
    前記イオン加速器を前記試料ととともに挟むように配置された、請求項３２または３３に記載のＭＣＰ検出器と、そして、
    前記試料から放出されたイオンに関する情報として、少なくとも質量を判定するための分析部であって、前記ＭＣＰ検出器からの検出信号に基づいて前記イオン加速器から前記ＭＣＰ検出器までの飛行時間を検出することにより、前記ＭＣＰ検出器に到達したイオンの質量を決定する分析部とを備えた飛行時間型質量分析器。
    

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