JP2014524111A - 窓なしイオン化装置 - Google Patents

Abstract

イオン化装置は、プラズマを発生させるように構成されたプラズマ源を備える。プラズマは光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含む。プラズマ源は、光の少なくとも一部がアパーチャを通過してガス試料に入射するように配置された、アパーチャを含む。イオン化装置はさらに、イオン化領域と、電界を確立するように構成された複数の電極を含むプラズマ偏向装置を備え、電界はプラズマイオンがイオン化領域に入ることを実質的に防止する。
【選択図】図２Ａ

Description

ソフトイオン化および光開裂などの光化学の応用を介して未知のガスの組成の検査を促進するために、電磁エネルギを使用することができる。ＶＵＶ光子のエネルギ（一般的に６〜１２４ｅＶ）はほとんどの化学種の電子励起およびイオン化エネルギに相応するので、電磁スペクトルの真空紫外（ＶＵＶ）領域は、これらの応用において特に有用である。真空紫外（ＶＵＶ）光は一般的に、１０〜２００ナノメートルの領域の波長を有する光と定義される。

ほとんどの既存のシステムは、例えば共鳴ランプ、周波数逓倍レーザ、またはシンクロトロンを用いて、暴露される領域から離れてＶＵＶ光を発生させること、および典型的にはＶＵＶ光が窓を通過することにより、この光が関心領域に到達するように試みることを含む。しかし、この波長範囲の窓材および屈折光学は稀であるか存在しないので、ＶＵＶ光を方向付けあるいは集光させることは往々にして非現実的である。使用される窓は典型的にはこの波長スペクトルの光の大部分を吸収し、かつ反射光学系は、完全にクリーンとは言えない環境では汚染されることがあり得る。加えて、レーザおよびシンクロトロンは極めて高価になることがあり得、かつ大量の電力および空間を必要とすることがあり得る。

いわゆる「窓なし」光イオン化装置（「イオン化装置」）は、光スペクトルのより大きい部分を試料に入射させる。しかし、公知の窓なしイオン化装置では、プラズマの光が通過することが望ましいアパーチャ中を、プラズマの陽イオン（「プラズマイオン」）およびプラズマの電子（「プラズマ電子」）が移動することができる。イオン化領域におけるプラズマイオンの存在は、結果的に試料の分析物イオンとピーク干渉し、最終的に関心対象の分析物イオンの検出の信頼性を低下させ得る。プラズマ電子およびプラズマイオンは、電子衝撃イオン化またはイオン分子電荷移動反応のいずれかを介して、試料の分析物イオンのハードイオン化を制御不能に引き起こすおそれがあり、望ましくない。

したがって、必要とされるのは、ＶＵＶ光を発生させかつＶＵＶ光を関心領域に送達する、より優れたシステムおよび方法である。

代表的実施形態では、イオン化装置は、プラズマを発生させるように構成されたプラズマ源を備える。プラズマは光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含む。プラズマ源は、光の少なくとも一部がアパーチャを通過してガス試料に入射するように配置されたアパーチャを含む。イオン化装置はさらに、イオン化領域と、電界を確立するように構成された複数の電極を含むプラズマ偏向装置とを備え、ここで電界は、プラズマイオンがイオン化領域に入ることを実質的に防止する。

別の代表的実施形態では、試料ガスを励起光に暴露させる方法を開示する。該方法は、光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含むプラズマを発生させるステップと、プラズマからの光の少なくとも一部分を、アパーチャを介してイオン化領域内に通すステップと、ガス試料がイオン化領域を通過するステップと、プラズマイオンがイオン化領域に入ることを実質的に防止するように電界を発生させるステップとを含む。

別の代表的実施形態では、イオン化装置は、入口端および出口端を有し、入口端がガス試料を受け取るように構成されたチャネルと、光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を発生させるように構成されたプラズマ源であって、光の少なくとも一部がアパーチャを通過して、チャネルの出口端から放出されたガス試料に入射するように配置された、アパーチャを含むプラズマ源と、電界を確立してプラズマイオンを誘導するように構成された複数の電極とを備える。電界は、プラズマイオンがアパーチャを通り抜けることを実質的に防止する。イオン化装置は、磁界を確立してプラズマ電子を誘導するように構成された磁石を備える。磁界は、プラズマのプラズマ電子がアパーチャを通り抜けることを実質的に防止し、電界および磁界は直交する。

代表的実施形態は、以下の詳細な説明を添付の図面に照らして読むと、最もよく理解される。様々な特徴は必ずしも一定の縮尺では描かれていないことを強調しておく。実際、寸法は、説明を分かり易くするために、恣意的に拡大または縮小することがある。該当し実際的である場合、同様の参照番号は同様の要素を示す。

代表的実施形態に係る質量分析計の簡略概要図を示す。 代表的実施形態に係るイオン化装置の簡略概要図を示す。 代表的実施形態に係るイオン化装置の簡略概要図を示す。 代表的実施形態に係るイオン化装置の断面図を示す。 図３Ａに示したイオン化装置の部分拡大図を示す。 代表的実施形態に係るイオン化装置の断面図を示す。 代表的実施形態に係るイオン化装置の部分分解組立部分断面図を示す。 代表的実施形態に係る試料ガスを励起光に暴露させる方法のフローチャートを示す。

以下の詳細な説明では、限定ではなく説明を目的として、本教示に係る実施形態の完全な理解をもたらすために、特定の詳細を開示する代表的実施形態を記載する。しかし、本書に開示する特定の詳細から逸脱する本教示に係る他の実施形態が添付の特許請求の範囲内にとどまることは、本開示から利益を得た当業者には明白である。さらに、代表的実施形態の説明を曖昧にしないために、周知の装置および方法の説明は省くことができる。そのような方法および装置は、明らかに本教示の範囲内である。

光化学の応用のためにガス試料に照射するための効果的な戦略は、試料ガスの流れと結合するのに便利な形状に高密度の光を生成することである。以下に記載するのは、所望の波長の光子（例えば真空紫外（ＶＵＶ）光）を流動するガス試料に効果的に結合することを可能にする、イオン化装置の代表的実施形態である。

代表的実施形態では、プラズマは構造内で生成され、構造内のアパーチャはイオン化領域内の試料イオンに入射する光子（例えばＶＵＶ光子）の窓なし放出を可能にする。アパーチャとイオン化領域との間にプラズマ偏向装置が設けられる。プラズマ偏向装置は、アパーチャとイオン化領域との間の領域に静電界を発生させる偏向電極を含む。電界はアパーチャ中を移動するプラズマの陽イオンを（引力または反発力を介して）偏向させ、これらのイオンがイオン化領域に到達することを実質的に防止する。一実施形態では、プラズマ偏向装置はまた、アパーチャとイオン化領域との間の領域に静磁界を発生させる磁石をも含む。静磁界は、電子がイオン化領域に到達することを実質的に防止する。磁界の大きさは、プラズマ電子の運動に影響を及ぼすのに充分大きいが、比較的大きいプラズマイオンの運動に影響を及ぼすほど大きくない。

磁界は電界に直交するか、あるいは電界と平行に向き付けられる。以下でさらに詳述する通り、磁界が電界に対して直交する場合、アパーチャ中を移動するプラズマ電子は、電界および磁界の両方に直交する方向に、いわゆるＥＸＢ（「Ｘ」は外積を表す）ドリフト状態に、ドリフトする。磁界の向きは、プラズマ電子がイオン化領域内にドリフトしないように選択される。磁界が電界と平行（または逆平行）に向き付けられる場合、アパーチャ中を移動するプラズマ電子はローレンツ力を受ける。磁界の向きは、プラズマ電子がイオン化領域から遠ざかるように偏向されるように選択される。

別の代表的実施形態では、プラズマは、半径方向内向きに流動ガス状試料に向けられた光子（例えばＶＵＶ光子）の窓なし放出を可能にするアパーチャが、キャビティの内面または内壁に沿って方向付けられるように構築された、トロイド状のキャビティ内で生成される。代表的実施形態では、静電界および静磁界はソースガスからプラズマを形成させる。代表的実施形態では、電界および磁界はイオン化装置内のいずれの場所でも直交する。これは、電界ベクトルおよび磁界ベクトルの外積（ＥＸＢ）の方向にプラズマ電子のドリフトを引き起こす。ＥＸＢドリフトの結果として、プラズマ電子の移動は、一点（一般的に旋回中心と呼ばれる）を中心とする比較的高速の円運動と、イオン化装置の形状に従った円運動中のこの点の比較的低速のドリフトとの重ね合わせになる。対照的に、それらの比較的大きい質量および比較的弱い静磁界の選択のため、プラズマイオンはＥＸＢドリフトによって著しく影響されず、むしろ静電界内で軸線方向に加速される。以下でさらに詳述する通り、代表的実施形態に係る静電界および静磁界の向きおよび大きさは、プラズマイオンおよびプラズマ電子がイオン化装置のイオン化領域内に向かうことを防止するのに役立つ。

図１は代表的実施形態に係る質量分析計１００の簡略概要図を示す。本教示は種々の異なるタイプの質量分析計に適用することができるので、ブロック図はより一般的な形で描かれている。この説明が進むにつれて認識される通り、代表的実施形態の装置および方法は、質量分析計１００に関連して使用することができる。このため、質量分析計１００は、代表的実施形態の装置および方法の機能および用途についてより包括的な理解を得るのに有用であるが、これらの機能および用途の限定を意図するものではない。質量分析計１００はイオン源１０１、質量分析器１０２、および検出器１０３を含む。イオン源１０１は、ガス試料（図１には図示せず）をイオン化しかつ質量分析器１０２にイオンを提供するように構成されたイオン化装置１０４を含む。イオン化装置１０４の詳細は、以下で代表的実施形態に従って記載する。質量分析計１００の他の構成要素は当業者には公知の装置を含むが、代表的実施形態の説明を曖昧にすることを避けるため、詳細には説明しない。例えば、質量分析器１０２は、とりわけ四重極型質量分析器、イオントラップ型質量分析器、または飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析器を含むことができる。

図２Ａは、代表的実施形態に係るイオン化装置２００の簡略概要図を示す。イオン化装置２００は、イオン化装置１０４と同様にイオン源１０１内に実現することができる。イオン化装置２００は、プラズマ源２０１、イオン化領域２０２、およびプラズマ源２０１とイオン化領域２０２との間に配置されたプラズマ偏向装置２０３を備える。以下でさらに詳述する通り、プラズマ偏向装置２０３は、静電界２０４を発生させるプラズマイオン偏向電極（図２Ａには図示せず）を含む。注目すべきことに、電源（図示せず）がプラズマ偏向電極間に接続され、プラズマ偏向電極間に静電電圧が印加されて静電界が確立される。静電界は、プラズマイオンおよびプラズマ電子をイオン化領域２０２から遠ざけるように偏向させる（反発させるか引き寄せる）。任意選択的に、静磁界２０５の源は、プラズマ電子をイオン化領域２０２から遠ざけるように偏向させるように設けられる。特定の実施形態では、源は永久磁石とすることができ、他の実施形態では、源は電磁石とすることができる。

プラズマ源２０１からの光は、プラズマ源２０１の端部２０６からアパーチャ（図２Ａには図示せず）を介して放出され、イオン化領域２０２内の試料（図示せず）の分析物分子に入射する。光は分析物分子をイオン化し、それらは次いで質量分析計１００の質量分析器１０２に提供される。代表的実施形態では、プラズマ源２０１は、Ｊａｍｅｓ Ｅ．Ｃｏｏｌｅｙ、他の「Ｍｉｃｒｏｐｌａｓｍａ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ Ｃａｖｉｔｙ ｆｏｒ Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｉｒｒａｄｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と称する、本願と同一出願人による米国特許出願第１２／６１３，６４３号に記載されている通りとすることができる。米国特許出願公開第２０１１０１０９２２６号として公開されたこの特許出願の開示内容を特に引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。

プラズマイオンおよびプラズマ電子は、望ましくないことであるが、プラズマ源２０１の端部２０６からアパーチャを介して放出されることができる。上述の通り、プラズマイオンおよびプラズマ電子がイオン化領域２０２に入ることは望ましくない。代表的実施形態では、端部２０６から放出されたプラズマイオンは、静電界２０４によってイオン化領域から遠ざかる方向（図２Ａの座標系でｙ方向）に偏向され、プラズマ電子は静電界２０４によって反対方向に変向される。

プラズマ源２０１の端部２０６でアパーチャから放出されたプラズマイオンおよびプラズマ電子は、準中性プラズマ様環境を形成することがあり得る。プラズマ偏向装置２０３の偏向電極のごく近傍におけるそのような準中性プラズマ様環境の形成は、静電界２０４を遮蔽してプラズマイオンに対するその影響を弱めるように働くことができる。プラズマイオンおよびプラズマ電子がプラズマ偏向装置２０３の偏向電極に印加される静電電位を有効に遮蔽する長さが、偏向電極間の距離未満である場合、プラズマイオンがイオン化領域２０２に到達するのを防止する静電界２０４の有用性は、望ましくないほど減少する。

代表的実施形態では、プラズマ偏向装置２０３内に静電界２０４が設けられる。プラズマイオンは静電界２０４によって影響され、イオン化領域から遠ざかるように偏向される。例えば、図２Ａに示す静電界２０４の例示的向きにより、プラズマイオンはｙ方向に向けられる。プラズマイオンは比較的大きく、静磁界２０５の大きさは、プラズマイオンの運動が静磁界２０５によって著しく影響されないように選択される。しかし、プラズマ電子はＥＸＢドリフトにさらされ、図２Ａに示す座標系のｚ方向（すなわちページの平面外）に偏向される。このため、図２Ａに示すプラズマ偏向装置２０３における静電界２０４および静磁界２０５の印加は、プラズマイオンおよびプラズマ電子の分離を可能にし、それによってプラズマ源２０１の端部２０６における準中性プラズマ様環境の形成を防止し、最終的にプラズマイオンおよびプラズマ電子のイオン化領域２０２から遠ざかる偏向の改善を可能にする。

図２Ｂは、別の代表的実施形態に係るイオン化装置２００の簡略概要図を示す。イオン化装置２００は、イオン化装置１０４と同様にイオン源１０１内に実現することができる。イオン化装置２００は、プラズマ源２０１、イオン化領域２０２、およびプラズマ源とイオン化領域との間に配置されたプラズマ偏向装置２０３を備える。プラズマ偏向装置２０３はプラズマイオン偏向電極（図示せず）を含む。以下でさらに詳述する通り、プラズマ偏向装置２０３は、静電界２０４を発生させるプラズマイオン偏向電極（図２Ｂには図示せず）を含む。注目すべきことに、電源（図示せず）がプラズマ偏向電極間に接続され、プラズマ偏向電極間に静電電圧が印加されて静電界が確立される。静電界は、プラズマイオンおよびプラズマ電子をイオン化領域２０２から遠ざけるように偏向させる。任意選択的に、静磁界２０５の源は、プラズマ電子をイオン化領域２０２から遠ざけるように偏向させるように設けられる。特定の実施形態では、源は永久磁石とすることができ、他の実施形態では、源は電磁石とすることができる。

現在記載している実施形態では、静電界２０４および静磁界２０５は互いに平行に向き付けられる。静電界２０４および静磁界２０５は互いに逆平行に向き付けられるように企図される。

プラズマイオンは静電界２０４によって影響され、イオン化領域から遠ざかるように（再びｙ方向に）偏向される。静磁界２０５に直交する速度成分を有するプラズマ電子は、ローレンツ力（ｑ（Ｅ＋ｖＸＢ））の磁気成分（ｑｖＸＢ）にさらされる。ここでｖは電子の速度、ｑは電子の電荷、Ｅは電界、Ｂは磁界である。磁気成分はｘ方向のプラズマ電子の運動を有益に減速させる。最終的に、プラズマ源２０１の端部２０６から放出されるプラズマ電子のかなりの部分が、プラズマ偏向装置２０３によってイオン化領域から遠ざかるように偏向される。このため、図２Ｂに示すプラズマ偏向装置２０３における静電界２０４および静磁界２０５の印加は、プラズマイオンおよびプラズマ電子の分離を可能にし、それによってプラズマ源２０１の端部２０６における準中性プラズマ様環境の形成を防止し、最終的にプラズマイオンおよびプラズマ電子のイオン化領域２０２から遠ざかる偏向を改善する。

図３Ａは、代表的実施形態に係るイオン化装置３００の断面図を示す。イオン化装置３００は、イオン化装置１０４と同様にイオン源１０１内に実現することができる。イオン化装置３００は対称軸３０１を中心に配置される。入口３０２が設けられ、分析物分子を含む試料ガス（図示せず）を受け取るように構成される。試料ガスは入口３０２で対称軸３０１と平行な方向に向けられる。

導電性であることが有用であるイオン化装置３００の様々な構成要素は、ステンレス鋼のような適切な導電性材料から作成される。電気絶縁性であることが要求されるイオン化装置３００の様々な構成要素は、高温プラスチック（例えばＶｅｓｐｅｌ（登録商標））のような適切な電気絶縁体、または適切な快削性セラミック材（例えばＭａｃｏｒ（登録商標）、アルミナ、または窒化ホウ素）から作成される。代表的実施形態の磁石は例証として、当業者には公知の希土類磁石である。

イオン化装置３００は、第１プラズマ源３０３と、任意選択的に第２プラズマ源３０４とを備える。第１および第２プラズマ源３０３、３０４は例証として、上記の引用により本明細書の一部をなすものとする米国特許出願公開第２０１１０１０９２２６号に記載されている通りである。注目すべきことに、第２プラズマ源３０４は第１プラズマ源３０３に冗長機能をもたらし、その機能についてはこれ以上詳述しない。

イオン化装置３００は、プラズマ３０６からの光が透過するアパーチャ（図３Ａには図示せず）に隣接して配置された偏向装置３０５を備える。プラズマからの光は、イオン化領域３０７で試料ガスに入射する。イオン化後に、分析物イオンはイオン光学系３０８によって出口３０９および質量分析器（図３Ａには図示せず）に向かって送られる。上述し、かつ本実施形態に関連して以下でさらに詳述する通り、偏向装置３０５は、静電界および任意選択的に静磁界を提供するように構成される。静電界は一般的に、以下に記載されている偏向電極間に約１０Ｖから１００Ｖの範囲の電圧差を生成することによって確立される。上述の通り、磁界強度は、プラズマ電子を偏向させるが、プラズマ電子より大きい質量を有するプラズマイオンを偏向させないように選択される。例えば静磁界は約５０００ガウスである。

特定の実施形態では、電界は磁界に直交する。このため、プラズマイオンは静電界によって影響され、イオン化領域３０７から遠ざかるように偏向される。プラズマ電子はＥＸＢドリフトにさらされ、図３Ａに示す座標系のｚ方向（すなわちページの平面外）に偏向される。

他の実施形態では、静電界は静磁界と平行（または逆平行）である。プラズマイオンは静電界によって影響され、イオン化領域３０７から遠ざかるように偏向される。静磁界に直交する速度成分を有するプラズマ電子はローレンツ力の磁気成分にさらされ、イオン化領域から遠ざかるように偏向される。

図３Ｂは、図３Ａに示したイオン化装置３００の拡大部分を示す。注目すべきことに、図３Ｂは偏向装置３０５を詳細に示す。偏向装置３０５は第１偏向電極３１０および第２偏向電極３１１を含む。特定の実施形態では、第１および第２偏向電極３１０、３１１は、第１プラズマ源３０３および第２プラズマ源３０４の両方からのプラズマイオンおよびプラズマ電子を偏向させて、プラズマイオンおよびプラズマ電子がイオン化領域３０７に到達することを実質的に防止する、電界を生成するように配置される。例示的実施形態では、第１および第２偏向電極３１０、３１１は、プラズマイオンおよびプラズマ電子がｚ方向にイオン化領域３０７内に移動するのを実質的に逸らすように、ｘ次元に向き付けられたそれぞれの電界を確立する。

偏向装置３０５は任意選択的に、第１磁石３１２および第２磁石３１３を含む。第１および第２磁石３１２、３１３は極性が逆であり、半径方向の磁界を生成する。第１および第２磁石３１２、３１３は、当業者にとって公知の永久磁石または電磁石を含むことができる。第１および第２偏向電極３１０、３１１のように、第１および第２磁石３１２、３１３は、第１および第２磁石３１２、３１３の各々が第１プラズマ源３０３および第２プラズマ源３０４の両方からのプラズマ電子を偏向させるように、対称軸３０１を中心に環状に配置される。

第１プラズマ源３０３とイオン化領域３０７との間に第１アパーチャ３１４が設けられ、第２プラズマ源３０４とイオン化領域３０７との間に第２アパーチャ３１５が配置される。代表的実施形態では、第１および第２アパーチャ３１４、３１５は、幅（図示する座標系のｚ方向）が約６００μｍであり、高さ（図示する座標系のｘ方向）が約２５０μｍである。第１および第２偏向電極３１０、３１１は（ｘ方向に）約１．０ｍｍだけ分離され、イオン化領域３０７は（ｙ−ｚ面内に）約３．０ｍｍの半径を有する。構成要素の絶対寸法およびそれらの間隔は、単なる例証にすぎないことに留意されたい。しかし、寸法の尺度は、イオンおよび電子のイオン化領域３０７から遠ざかる偏向を確実にするために必要な充分な電磁界強度を適切に確保するように制御される。

第１および第２アパーチャ３１４、３１５は、発生したプラズマからの光による試料ガスの窓なし照射をもたらす。プラズマイオンおよびプラズマ電子は第１および第２アパーチャ３１４、３１５を通過し、垂直方向（図３Ｂの座標系でそれぞれ−ｙ方向およびｙ方向）に移動することができる。プラズマイオンおよびプラズマ電子が偏向されないと、プラズマイオンおよびプラズマ電子はイオン化領域３０７に入り、上述の通り試料ガスを汚染する。第１および第２アパーチャ３１４、３１５に隣接する領域において、第１および第２偏向電極３１０、３１１は、プラズマイオンおよびプラズマ電子をイオン化領域３０７から遠ざける方向に（すなわち±ｘ方向に）偏向させるために、ｘ方向に静電界を確立するように構成される。有益なことに、第１および第２偏向電極３１０、３１１、ならびに第１および第２磁石の組込みを通して、イオン化領域３０７におけるプラズマイオン電流は、公知のイオン化装置と比較して１０００分の１に低減される。

特定の実施形態では、第１および第２磁石３１２、３１３は、第１および第２偏向電極３１０、３１１間に確立された静電界の方向に対して直交する静磁界を提供するように構成される。このため、図３Ｂに示す座標系で、静磁界は−ｙ方向になる。−ｙ方向に（すなわち第１プラズマ源３０３からイオン化領域３０７に向かって）移動する電子は、ＥＸＢドリフトによって−ｚ方向（ページの平面内）に偏向される。同様に、＋ｙ方向に（すなわち第２プラズマ源３０４からイオン化領域３０７に向かって）移動する電子は、ＥＸＢドリフトによって＋ｚ方向（ページの平面外）に偏向される。有益なことに、プラズマイオンおよびプラズマ電子はイオン化領域３０７から遠ざかるように偏向され、試料ガスの汚染が実質的に防止される。有益なことに、第１および第２偏向電極３１０、３１１、ならびに第１および第２磁石３１２、３１３の組込みを通して、イオン化領域３０７におけるプラズマイオン電流およびプラズマ電子電流は各々、公知のイオン化装置と比較して１０００分の１に低減される。

特定の実施形態では、第１および第２磁石３１２、３１３は、第１および第２偏向電極３１０、３１１間に確立される静電界の方向と平行（または逆平行）な静磁界を提供するように構成される。このため、図３Ｂに示す座標系で、静磁界はｘ方向になる。−ｙ方向に（すなわち第１プラズマ源３０３からイオン化領域３０７に向かって）移動する電子は、ローレンツ力の磁気成分によってｚ方向（ページの平面外）に偏向される。同様に、＋ｙ方向に（すなわち第２プラズマ源３０４からイオン化領域３０７に向かって）移動する電子は、ローレンツ力の磁気成分によって＋ｚ方向（ページの平面内）に偏向される。有益なことに、第１および第２偏向電極３１０、３１１、ならびに第１および第２磁石３１２、３１３の組込みを通して、イオン化領域３０７におけるプラズマイオン電流およびプラズマ電子電流は各々、公知のイオン化装置と比較して１０００分の１に低減される。

図４Ａは、代表的実施形態に係るイオン化装置４００の断面図を示す。イオン化装置４００は、イオン化装置１０４と同様にイオン源１０１内に実現することができる。イオン化装置４００は、チャネル４０２を受容するように構成された筐体４０１を備える。チャネル４０２は入口４０３および出口４０４を含む。ガス試料４０５は入口４０３でもたらされる。導電性であることが有用であるイオン化装置４００の様々な構成要素は、ステンレス鋼のような適切な導電性材料から作成される。電気絶縁性であることが要求されるイオン化装置４００の様々な構成要素は、高温プラスチック（例えばＶｅｓｐｅｌ（登録商標））のような適切な電気絶縁体、または適切な快削性セラミック材（例えばＭａｃｏｒ（登録商標）、アルミナ、または窒化ホウ素）から作成される。代表的実施形態の磁石は例証として、当業者には公知の希土類磁石である。

プラズマ４０６は、チャネル４０２を実質的に包囲するキャビティ４０７内で生成される。キャビティ４０７は、構造体の内壁４０９’に沿ってアパーチャ４０８を含む構造体４０９内に形成される。以下でさらに詳述する通り、内壁４０９’に沿ったアパーチャ４０８は、プラズマ４０６内で生成された光子（例えばＶＵＶ光子）がチャネル４０２の出口４０４でガス試料４０５に入射し、かつガス試料４０５の光イオン化を引き起こすことを可能にする。

プラズマ陽極４１０はキャビティ４０７の一端に配置され、プラズマ陰極４１１はキャビティ４０７の反対側の端に配置される。外側磁石４１２が筐体４０１の凹所４１３に設けられ、キャビティ４０７を実質的に包囲する。内側磁石４１４は、図示する通り、チャネル４０２を実質的に包囲する。注目すべきことに、外側および内側磁石４１２、４１４は極性が逆であり、半径方向の磁界を形成する。外側および内側磁石４１２、４１４は、当業者にとって公知の永久磁石または電磁石を含むことができる。代表的実施形態では、外側および内側磁石４１２、４１４は、２０００ガウスから約１００００ガウスの範囲の磁界強度をもたらす。

任意選択的プラズマ電子偏向電極４１５がチャネル４０２の出口４０４付近に配置される。プラズマ電子偏向電極４１５は、図４Ａに示す通りチャネル４０２の出口４０４付近を実質的に包囲する。任意選択的プラズマイオン偏向電極４１６がチャネルの出口４０４付近に配置され、チャネル４０２の出口４０４とプラズマイオン偏向電極４１６との間にイオン化領域４１７が形成される。以下でさらに詳述する通り、プラズマ４０６を生成するために使用される確立された電界および磁界によって、プラズマイオンおよびプラズマ電子はキャビティ４０７内に閉じ込められるので、プラズマ電子偏向電極４１５およびプラズマイオン偏向電極４１６は省くことができる。代表的実施形態では、約３０Ｖから約１２０Ｖの範囲の電圧がプラズマ電子偏向電極４１５とプラズマイオン偏向電極４１６との間にもたらされ、それらの間に必要不可欠な静電界が確立される。

プラズマイオン偏向電極４１６に隣接してイオン抽出光学系４１８が設けられる。イオン化されたガス試料４１９が、イオン化装置４００の出口４２０でもたらされる。質量分析計１００において、出口４２０は質量分析器１０２に接続される。代表的実施形態では、イオン化領域４１７および質量分析器１０２からのイオンの移動を確実にするために、イオン抽出光学系の間に適切な電圧差が維持される。

イオン化装置４００は、本教示の軸線方向を画定する対称軸４２１を中心に配置される。下記のように、プラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間に軸線方向に静電電圧差が確立される。外側および内側磁石４１２、４１４によって、図４Ａに矢印４２２で示す通り、半径方向内向きに（すなわち軸線方向に直交して）磁界が確立される。

入口ポート（図４Ａには図示せず）がキャビティ４０７に接続され、プラズマ４０６を発生させるためのソースガス（図示せず）を受け取るように構成される。一部の実施形態では、ソースガスは希ガス、例えばクリプトン、ネオン、アルゴン、またはヘリウムを含む。一部の実施形態では、ソースガスは水素を含む。ソースガスは、ガス試料４０５に対するイオン化装置４００の所望の出力光子波長に対応するガス混合物またはガス組成として選択することができる。ソースガスの適切な選択を通して、プラズマ４０６の種々の発光波長を選択することができる。例えばヘリウム（Ｈｅ）は５８．４３ｎｍに共鳴発光線を有し、２１．２２ｅＶのエネルギを持つ光子を放出する一方、クリプトン（Ｋｒ）は１１６．４９ｎｍおよび１２３．５８ｎｍに線を有し、１０．６４ｅＶおよび１０．０３ｅＶの対応する光子エネルギを持つ。このようにして発光波長を所望の用途に適切に一致させることができる。このため、フラグメンテーションを減らして大きい分子をイオン化するために、比較的低エネルギの光子を使用することができる。代替的に、分子フラグメンテーションのために比較的高エネルギの光子を使用することができ、あるいは他の化合物をイオン化することなく特定の化合物を選択的にイオン化するように、光子エネルギを選択することができる。

プラズマ陽極４１０およびプラズマ陰極４１１はエネルギ源（図示せず）に接続される。エネルギ源は、プラズマを発生させかつ維持するために、ＲＦまたはマイクロ波のような適切な周波数のＤＣ電圧、パルス電圧、または振動信号の形で、エネルギをソースガスにもたらすように構成される。

代表的実施形態では、キャビティ４０７は例証としてトロイドである。動作中、プラズマ４０６を発生させるためにソースガスが入口ポート（図４Ａには図示せず）に供給される。静電電圧、ＤＣ電圧、パルス電圧、および／または適切な周波数（例えばＲＦまたはマイクロ波）の振動電圧のいずれかが、プラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間に送達される。結果的に生じる電界は、実質的にキャビティ４０７内に閉じ込められたプラズマ４０６内に放電を維持する。キャビティ４０７の内壁４０９’に沿ったアパーチャ４０８は、チャネル４０２の入口４０３と出口４０４との間に圧力差を維持することができるように、プラズマ４０６からのソースガスの流動を制限しながら、半径方向内向きの窓なし光（例えばＶＵＶ）放出を可能にする。さらに、軸線方向に確立された電界は、プラズマ４０６のプラズマイオンをキャビティ４０７内（すなわちプラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間）に閉じ込めるのを助ける。

磁界は半径方向内向きになる（すなわち、矢印４２２で示される通り、対称軸４２１に直交する）。静電界および静磁界のこの直交配向はＥＸＢドリフトを生成し、プラズマ４０６の電子の移動は、旋回中心周りの比較的高速の円運動と、ＥＸＢ方向（すなわち、矢印４２３で示される通り、対称軸４２１を中心とする回転方向）のこの点の比較的低速のドリフトとの重ね合わせになる。少し表現を変えると、プラズマ４０６のプラズマ電子の運動は、対称軸４２１を中心に円弧状の略一定速度の方位角運動となる。磁界は、対称軸４２１を中心とするＥＸＢドリフト軌道上のプラズマ４０６の電子を捕捉する。プラズマ電子はキャビティ４０７内に導入されたソースガスをイオン化し、プラズマ４０６を維持するのを助ける。プラズマ電子によって生成されたプラズマイオンは、比較的弱い磁界によって著しく影響されず、むしろプラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間の軸線方向静電気力によって加速され、プラズマ４０６をさらに維持する。

以下でさらに詳述する通り、プラズマの生成に加えて、プラズマ陽極４１０およびプラズマ陰極４１１は、プラズマイオンおよびプラズマ電子をキャビティ４０７に閉じ込め、プラズマイオンおよびプラズマ電子がアパーチャ４０８を介してイオン化領域４１７内に移動するのを実質的に防止するのに役立つ。同様に、プラズマの生成に加えて、内側および外側磁石４１４、４１２は、電子をキャビティに閉じ込め、プラズマ電子がアパーチャを介してイオン化領域内に移動するのを実質的に防止するのに役立つ。このため、プラズマ陽極４１０およびプラズマ陰極４１１は内側および外側磁石４１４、４１２と共に、代表的実施形態に係る偏向装置として機能する。

イオン化装置４００の直交する電界および磁界の相対的向きは、プラズマ４０６を生成しかつ維持するように機能するだけでなく、プラズマ４０６の電子およびイオンをキャビティ４０７内に実質的に閉じ込めるように機能する。アパーチャ４０８には窓が無いので、イオンおよび電子がアパーチャ４０８を介して、イオン化領域４１７内およびチャネル４０２内に漏出する可能性がある。そのようなイオンおよび電子は試料ガス／イオンを汚染し、最終的に質量分析計１００による測定が不正確になるおそれがある。有益なことに、上述の通り、プラズマ４０６のイオンはプラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間の電界によって強力に誘導され、アパーチャ４０８から出て行くことが実質的に防止される。プラズマ４０６の電子は、対称軸を中心に回転するＥＸＢドリフトに閉じ込められ、同様にアパーチャ４０８を介して出て行くことが実質的に防止される。

図４Ｂは、図４Ａに示したイオン化装置４００の部分分解組立部分断面図を示す。イオン化装置４００は、チャネル４０２を受容するように構成された筐体４０１を備える。筐体４０１およびチャネル４０２はステンレス鋼のような導電性材料を含む。

ガス試料４０５は入口４０３に提供される。プラズマ４０６は、チャネル４０２を実質的に包囲する構造体４０９のキャビティ４０７内で生成される。構造体４０９は例証として、キャビティ４０７における電界が軸線方向（すなわち対称軸４２１と平行）になることを確実にするように、プラズマイオンおよびプラズマ電子を偏向させるために発生させた電界からかつイオン抽出光学系４１８からキャビティ４０７を分離する、電気絶縁体（例えば高温プラスチックまたは適切な快削性セラミック材）である。内壁４０９’に沿ったアパーチャ４０８は、プラズマ４０６内に生成された光子（例えばＶＵＶ光子）がチャネル４０２の出口４０４でガス試料４０５に入射し、かつガス試料４０５の光イオン化を引き起こすことを可能にする。

図４Ｂに示す通り、キャビティ４０７は例証としてトロイドである。動作中、キャビティ４０７内でプラズマを発生させるためにソースガスが入口ポート（図４Ｂには図示せず）に供給される。静電電圧、ＤＣ電圧、パルス電圧、および／または適切な周波数（例えばＲＦまたはマイクロ波）の振動電圧のいずれかが、プラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間に送達される。結果的に生じる電界は、実質的にキャビティ４０７内部に閉じ込められたプラズマ４０６内の放電を維持する。キャビティ４０７のアパーチャ４０８は、チャネル４０２の入口４０３と出口４０４との間に圧力差を維持することができるように、プラズマ４０６からのソースガスの流動を制限しながら、半径方向内向き（矢印４２２の方向）の窓なし光（例えばＶＵＶ）放出を可能にする。さらに、軸線方向に確立された電界は、プラズマ４０６のプラズマイオンをキャビティ４０７内（すなわちプラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間）に閉じ込めるのを助ける。

磁界は半径方向内向きになる（すなわち、矢印４２２で示される通り、対称軸４２１に直交する）。静電界および静磁界のこの直交配向はＥＸＢドリフトを生成し、プラズマ４０６の電子の移動は、旋回中心周りの比較的高速の円運動と、ＥＸＢ方向（すなわち、矢印４２３で示される通り、対称軸４２１を中心とする回転方向）のこの点の比較的低速のドリフトとの重ね合わせになる。少し表現を変えると、プラズマ４０６のプラズマ電子の運動は、対称軸４２１を中心に円弧状の略一定速度の方位角運動となる。磁界は、対称軸４２１を中心とするＥＸＢドリフト軌道上のプラズマ４０６の電子を捕捉する。プラズマ電子はキャビティ４０７内に導入されたソースガスをイオン化し、プラズマ４０６を維持するのを助ける。プラズマ電子によって生成されたプラズマイオンは、比較的弱い磁界によって著しく影響されず、むしろプラズマ陽極４１０とプラズマ陰極４１１との間の軸線方向静電気力によって加速され、プラズマ４０６をさらに維持する。

任意選択的プラズマ電子偏向電極４１５がチャネル４０２の出口４０４付近に配置される。プラズマ電子偏向電極４１５は、図４Ｂに示す通りチャネル４０２の出口４０４付近を実質的に包囲する。任意選択的プラズマイオン偏向電極４１６がチャネル４０２の出口４０４付近に配置され、チャネル４０２の出口４０４とプラズマイオン偏向電極４１６との間にイオン化領域４１７が形成される。上述の通り、プラズマ４０６を生成するために使用される確立された電界および磁界によって、プラズマイオンおよびプラズマ電子はキャビティ４０７内に閉じ込められるので、プラズマ電子偏向電極４１５およびプラズマイオン偏向電極４１６は省くことができる。

図５は、代表的実施形態に係る試料ガスを励起光に暴露する方法５００のフローチャートを示す。方法５００は、図１〜図４Ｂに関連して説明した代表的実施形態に係るイオン化装置を使用して実現することができる。５０１で、該方法は、光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含むプラズマを発生させるステップを含む。５０２で、該方法は、プラズマからの光の少なくとも一部分を、アパーチャを介してイオン化領域に通すステップを含む。５０３で、該方法は、ガス試料がイオン化領域を通過するステップを含む。５０４で、該方法は、プラズマイオンがイオン化領域に入るのを実質的に防止するように、電界を発生させるステップを含む。

本書に代表的実施形態を開示したが、本教示に従う多くの変形例が可能であり、かつ添付する特許請求の範囲内であることを、当業者は理解する。したがって本発明は、添付の特許請求の範囲による場合を除き、限定されない。

Claims (20)

1. 光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含むプラズマを発生させるように構成されたプラズマ源であって、光の少なくとも一部がアパーチャを通過しかつガス試料に入射するように配置されたアパーチャを含むプラズマ源と、
   イオン化領域と、
   電界を確立するように構成された複数の電極を含むプラズマ偏向装置であって、前記プラズマイオンが前記イオン化領域に入るのを前記電界が実質的に防止するようにしたプラズマ偏向装置と
   を備えるイオン化装置。
2. 前記プラズマ偏向装置がさらに、磁界を確立するように構成された磁石を含み、前記プラズマの電子が前記イオン化領域に入るのを前記磁界が実質的に防止する、請求項１に記載のイオン化装置。
3. 前記電界および前記磁界が実質的に直交する、請求項２に記載のイオン化装置。
4. 前記電界および前記磁界が実質的に平行である、請求項２に記載のイオン化装置。
5. 前記電界および前記磁界が実質的に逆平行である、請求項２に記載のイオン化装置。
6. 前記電界が軸線方向に向き付けられ、かつ前記磁界が半径方向に向き付けられた、請求項２に記載のイオン化装置。
7. 前記電界および前記磁界が半径方向に向き付けられた、請求項２に記載のイオン化装置。
8. 質量分析器と、検出器と、イオン源とを備えた質量分析計であって、前記イオン源が請求項１に記載のイオン化装置を含む、質量分析計。
9. 試料ガスを励起光に暴露させる方法であって、
   光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を含むプラズマを発生させるステップと、
   前記プラズマからの前記光の少なくとも一部分を、アパーチャを介してイオン化領域に通すステップと、
   ガス試料がイオン化領域を通過するステップと、
   前記プラズマイオンが前記イオン化領域に入るのを実質的に防止するように電界を発生させるステップと
   を含む方法。
10. 前記プラズマ電子が前記イオン化領域に入るのを実質的に防止するように磁界を発生させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記電界および前記磁界が実質的に直交する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記電界および前記磁界が実質的に平行である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記電界および前記磁界が実質的に逆平行である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記電界が軸線方向に向き付けられ、かつ前記磁界が半径方向に向き付けられた、請求項１０に記載の方法。
15. 入口端および出口端を有し、前記入口端がガス試料を受け取るように構成されて成るチャネルと、
    光、プラズマイオン、およびプラズマ電子を発生するように構成されたプラズマ源であって、前記光の少なくとも一部がアパーチャを通過しかつ前記チャネルの前記出口端から放出された前記ガス試料に入射するように配置されたアパーチャを含むプラズマ源と、
    電界を確立して前記プラズマイオンを誘導するように構成された複数の電極であって、前記プラズマイオンが前記アパーチャから出るのを前記電界が実質的に防止するようにした複数の電極と、
    磁界を確立して前記プラズマ電子を誘導するように構成された磁石であって、前記プラズマ電子が前記アパーチャから出るのを前記磁界が実質的に防止し、かつ前記電界および前記磁界が直交するようにした磁石と
    を備えたイオン化装置。
16. 前記磁石が、前記プラズマ源を実質的に包囲する外側磁石と、前記チャネルを実質的に包囲する内側磁石とを含む、請求項１５に記載のイオン化装置。
17. 前記電界が軸線方向に向き付けられ、かつ前記磁界が半径方向に向き付けられた、請求項１５に記載のイオン化装置。
18. 前記アパーチャと前記チャネルとの間に配置され、前記アパーチャを通過したプラズマイオンを引き寄せるかあるいは反発するように構成された、プラズマイオン偏向電極をさらに備える、請求項１５に記載のイオン化装置。
19. 前記アパーチャと前記チャネルとの間に配置され、前記アパーチャを通過したプラズマ電子を引き寄せるかあるいは反発するように構成された、プラズマ電子偏向電極をさらに備える、請求項１５に記載のイオン化装置。
20. 質量分析器と、検出器と、イオン源とを備えた質量分析計であって、前記イオン源が請求項１５に記載のイオン化装置を含む、質量分析計。

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