JP2017016918A - 荷電粒子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイアス角を有するＭＣＰとＰＤを組み合わせた構成において、従来と比較してより応答特性を向上させる。【解決手段】 当該荷電粒子検出器１Ａは、フォーカス電極６０を挟んで配置されたＭＣＰ１０とＰＤ８０を備え、ＭＣＰ１０は、それぞれがバイアス角θだけ傾斜した複数の貫通孔１２を有し、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して電子入射面８００の中心がバイアス角方向Ｓ３に沿って所定距離だけずれるよう、ＰＤ８０が偏心配置される。【選択図】図１

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ものである。

質量分析装置等に適用可能な荷電粒子検出器、例えばイオン検出器の構成として、例えば、電子増倍管が適用された構成、マイクロチャネルプレート（以下、ＭＣＰという）が適用された構成、ＭＣＰと電子衝撃型ダイオードを組み合わせた構成等が知られている。特に、ＭＣＰと電子衝撃型ダイオードを組み合わせた構成は、装置寿命が長く、最大出力電流が大きいという特徴がある。一方で、時間応答特性については、電子衝撃型ダイオードのサイズ（電子入射面の面積）に大きく依存している。

以下の特許文献１には、上述のようなイオン検出器として、ＭＣＰ、集束リング、電子衝撃型ダイオードで構成されたイオン検出器が開示されている。また、係るイオン検出器に適応されるＭＣＰには、１〜２°程度のバイアス角だけ傾斜した状態で平行に配置された複数のチャネルが設けられている。

一方、以下の特許文献２には、試料に照射するレーザのため中心孔を有するＭＣＰ検出器と、ＭＣＰの中心孔からずれた位置に配置されたピンアノードと、を備えた飛行時間型質量分析計配列装置が開示されている。

特開平０７−０７３８４７号公報 特表２００４−５０２２７６号公報

発明者らは、従来の荷電粒子検出器について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記特許文献１には、各チャネルがバイアス角だけ傾斜しているＭＣＰが開示されているが、図３に示された電子軌道の例からも分かるように、ＭＣＰのバイアス角に起因した、電子軌道の集束に関する課題について記載も示唆もない。また、上記特許文献２には、レーザ照射用に設けられた中心孔の存在に起因して、ピンアノードがＭＣＰの中心軸に対して偏心配置されているが、この特許文献２も、ＭＣＰのバイアス角に起因した、電子軌道の集束に関する課題について記載も示唆もない。したがって、従来の荷電粒子検出器において、ＭＣＰに設定されるバイアス角の、電子軌道への影響については何ら検討されていなかった。

ＭＣＰのバイアス角は、入射荷電粒子が各チャネルの内壁に衝突することなく当該ＭＣＰを通過することを防止するために設けられるチャネルの傾斜角である。従来、ＭＣＰの用途はイメージングが多かったため、当然、上述のような課題は認識されていなかった。

また、従来のイオン検出器に適用される電子衝撃型ダイオードは、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等が含まれるが、通常のフォトダイオードとは異なり、表面に形成される酸化膜(パッシベーション膜)は極薄い、あるいは酸化膜が形成されていないという特徴がある。本明細書では、以下、「電子衝撃型ダイオード」を単にＰＤと記す。ＰＤは、電子入射面が小さいほど容量が小さくなるが、従来のイオン検出器では、ＭＣＰのバイアス角による電子軌道への影響は考慮されていないため、ＰＤの小型化が困難であり、結果、十分な応答特性が得られないという課題もあった。なお、発明者らの知見によれば、ＭＣＰから出射される電子の軌道、特に電子の集束スポットの位置は、以下に説明するバイアス角方向に出射される電子の初速度に依存して変動することが分かった。

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、所定のバイアス角を有するＭＣＰと電子衝撃型ダイオードとの組み合わせが適用された荷電粒子検出器であって、従来の荷電粒子検出器と比較して応答特性を向上させるための構造を備えた荷電粒子検出器を提供することを目的としている。

ＭＣＰとＰＤの組み合わせが適用された構成において、十分な応答特性を得るためには、該ＰＤにおける電子入射面（有効エリア）を小さくするのが好ましい。そのため、ＭＣＰから出射される電子の軌道を小さなＰＤに集束させるためには、静電レンズ（フォーカス電極）が必要になる。

本実施形態に係る荷電粒子検出器は、上述の目的を達成するため、所定のバイアス角を有するＭＣＰと、ＰＤと、フォーカス電極と、を少なくとも備えるとともに、より小型のＰＤ（より小さい電子入射面を有するダイオード）の適用が可能な構造を実現する。すなわち、ＭＣＰは、荷電粒子が入射される入力面と、二次電子が出射される出力面と、それぞれが入力面と出力面を連絡する複数の貫通孔（チャネル）を有する。各貫通孔は、その内壁上に二次電子放出面を有し、かつ、その中心軸が少なくとも出力面に対して鋭角で規定されるバイアス角だけ傾斜するよう配置されている。ＰＤは、ＭＣＰに対面するよう配置され、かつ、その面積が該ＭＣＰの有効領域の面積よりも小さい電子入射面を有する。フォーカス電極は、ＭＣＰとＰＤとの間に設けられ、ＭＣＰ側に位置する第１開口と、ＰＤ側に位置する第２開口と、ＭＣＰからＰＤへ向かう二次電子の軌道を連続的に取り囲む形状を有する。なお、本明細書において「バイアス角」とは、ＭＣＰの出力面に直交する基準軸と各貫通孔の中心軸とのなす角度（鋭角）を意味し、入射荷電粒子が貫通孔それぞれの内壁にぶつからずに当該ＭＣＰを通過することを防止するため、貫通孔それぞれが当該ＭＣＰの出力面に対して傾斜配置されている。

上述のようにＭＣＰとＰＤの組み合わせにより構成された荷電粒子検出器の場合、ＭＣＰにおいて約１０００倍の電子増倍、ＰＤにおいてさらに約１０００倍の電子増倍が可能になる。このようにＭＣＰとＰＤの組み合わせにより電子増倍が行われるため、ダイナミックレンジが拡大するという効果がある。また、ＰＤでの電子増倍は、当該ＰＤの内部で行われるため、表面の汚れ（電子入射面の汚れ）で電子増倍率が低下することがない。

特に、本実施形態に係る第１の態様では、ＰＤの電子入射面が、ＭＣＰの中心軸に対してバイアス角方向に偏心配置される。具体的に、「バイアス角方向」は、ＰＤの電子入射面に一致する基準平面において、複数の貫通孔から選択された基準貫通孔の開口のうちＭＣＰの出力面に一致する開口の中心を通りかつ該出力面に直交する基準軸と基準平面との交点から、基準貫通孔の中心軸と基準平面との交点へ向かう方向により規定される。このとき、ＭＣＰの有効領域の中心を通りかつ出力面に直交する軸であるＭＣＰの中心軸と基準平面との交点に対して、電子入射面の中心がバイアス角方向に沿って所定距離だけずれるよう、ＰＤが偏心配置される。

また、本実施形態に係る第２の態様では、ＰＤの偏心に替えて、例えばフォーカス電極の出射端開口（第２開口）など、フォーカス電極の少なくとも一部がＭＣＰの中心軸に対してバイアス角方向に偏心配置される。具体的には、有効領域の中心を通りかつ出力面に直交する軸であるＭＣＰの中心軸と基準平面との交点に対して、フォーカス電極の第２開口の中心がバイアス角方向に沿って所定距離だけずれるよう、フォーカス電極の少なくとも一部が偏心配置される。

上記第１または第２の態様に適可能な第３の態様として、フォーカス電極は、ＭＣＰの出力面と同電位に設定されてもよい。上記第１〜第３の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第４の態様として、フォーカス電極は、ＰＤの電子入射面と同電位に設定されてもよい。これら第３および第４の態様によれば、フォーカス電極の電位を、ＭＣＰの出力面またはＰＤの電位に一致させることで、より少ない電源で当該荷電粒子検出器の駆動が可能になる（給電構造の簡素化）。

上記第１〜第４の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第５の態様として、当該荷電粒子検出器は、ＭＣＰとフォーカス電極との間に設けられたメッシュ電極をさらに備えてもよい。

上記第１〜第５の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第６の態様として、ＰＤにおける電子入射面の最大幅は、３ｍｍ以下であるのが好ましい。一方、上記第１〜第６の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第７の態様として、ＭＣＰの出力面からＰＤの電子入射面に到達する二次電子のスポット径は、１ｍｍ以下であるのが好ましい。

なお、上記第１〜第７の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第８の態様として、フォーカス電極は、ＭＣＰからＰＤへ向かう二次電子の軌道を連続的に取り囲む胴体部と、第２開口の中心位置および大きさを規定するためのフランジ部材と、で構成されてもよい。上記第１〜第８の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第９の態様として、胴体部は、ＭＣＰからＰＤに向かって順に配置された複数の中空部材で構成されるのが好ましい。さらに、上記第１〜第９の態様のうち少なくとも何れかの態様に適可能な第１０の態様として、当該荷電粒子検出器は、電子衝撃型ダイオードがその主面上に搭載された基板と、ＭＣＰからＰＤに向かう二次電子を通過させるための開口を有し、フォーカス電極と基板との間に配置された樹脂フランジと、をさらに備えてもよい。

なお、本発明に係る各実施形態は、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、本発明を限定するものと考えるべきではない。

また、本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形態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、本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。

本実施形態によれば、ＭＣＰのバイアス角に起因して二次電子が軌道偏心した場合でも、該ＭＣＰの中心軸に対してＰＤが偏心配置され、または、フォーカス電極の出射端開口の中心が偏心配置されたことにより、より小さなＰＤ（例えば、電子入射面の最大幅が３ｍｍ以下）の使用が可能になり、その結果、当該荷電粒子検出器の高速応答が実現可能になる。

さらに、上述の構成は、ＭＣＰとＰＤの双方で電子増倍が行われるため、ＭＣＰのゲインを下げることができ、さらなるリニアリティの向上が図れる。また、大きなバイアス角が設定されているＭＣＰに対しても有効であり、質量分解能の向上（ジッターの低減）も期待できる。

本実施形態に係る荷電粒子検出器の概略構成および動作原理を説明するための図である。 ＰＤの電子入射面と、該電子入射面上における二次電子のスポット径（二次電子が到達する電子入射面上の領域サイズ）との関係を説明するための図である。 本実施形態に係る荷電粒子検出器に適可能なＭＣＰの構造を説明するための図である。 バイアス角方向を説明するための図である。 第１実施形態に係る荷電粒子検出器の組み立て工程図である。 第１実施形態に係る荷電粒子検出器の斜視図および断面図である。 比較例に係る荷電粒子検出器において、ＭＣＰ−ＰＤ間の位置関係と、ＭＣＰとＰＤとの間の空間における等電位線および二次電子の軌道を示す図である。 第１実施形態に係る荷電粒子検出器の一例において、ＭＣＰ−ＰＤ間の位置関係と、ＭＣＰとＰＤとの間の空間における等電位線および二次電子の軌道を示す図である。 第１実施形態に係る荷電粒子検出器の一例について、具体的な構造と、二次電子の軌道のシミュレーション結果を示す図である。 第１実施形態に係る荷電粒子検出器の他の例について、具体的な構造と、二次電子の軌道のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る荷電粒子検出器におけるフォーカス電極のうち、フランジ部の構造を説明するための図である。 第２実施形態に係る荷電粒子検出器の一例において、ＭＣＰ−ＰＤ間の位置関係と、ＭＣＰとＰＤとの間の空間における等電位線と二次電子の軌道を示す図である。 第３実施形態に係る荷電粒子検出器の断面構造を説明するための図である。

以下、本発明に係る荷電粒子検出器の種々の実施形態を、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。さらに、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。

図１は、本実施形態に係る荷電粒子検出器の概略構成および動作原理を説明するための図である。図１において、本実施形態に係る荷電粒子検出器１は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）１０と、ＭＣＰ１０から出力された二次電子を受光する電子衝撃型ダイオード（ＰＤ）８０と、ＭＣＰ１０とＰＤ８０との間に設けられ、ＭＣＰ１０から出射された二次電子の軌道を集束するためのフォーカス電極６０を備える。ＭＣＰ１０は、入射荷電粒子が到達する入力面１０ａと、該入射荷電粒子に応答して発生した二次電子を出射させる出力面１０ｂと、それぞれが所定のバイアス角だけ傾斜した状態で並列配置された複数の貫通孔を有する。フォーカス電極６０は、同電位に設定された中空胴体部６０ａと、フランジ部６０ｂにより構成されている。また、中空胴体部６０ａは、二次電子の軌道をＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１付近に集束させるための貫通孔６０ａ_１を有する。フランジ部６０ｂは、ＰＤ８０の電子入射面に一致した基準平面１００上に到達する二次電子の集束スポットのスポット径を調整するための開口６０ｂ_１を有する。

上述の装置構成において、基準平面１００上における二次電子の集束スポットの位置は、ＭＣＰ１０のバイアス角に依存してＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１からずれてしまう。すなわち、電子入射面の中心Ｃ１がＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１上に位置するようＰＤ８０が配置された構成では、例えば図７に示されたように、ＭＣＰ１０から出射された二次電子の一部がＰＤ８０の電子入射面に到達できない状態となる。そのため、ＭＣＰ１０のバイアス角による電子軌道への影響を考慮しない場合、ＰＤ８０の小型化は困難になる。

本実施形態では、上述のようなＭＣＰ１０のバイアス角による電子軌道への影響を考慮し、ＰＤ８０を基準平面１００に沿って図１中の矢印Ｓ１で示されたバイアス角方向に偏心配置する構成、および／または、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１の中心Ｃ２を図１中の矢印Ｓ２で示されたバイアス角方向に偏心配置する構成が採用されている。

図２は、ＰＤ８０の電子入射面８００と、該電子入射面８００上における二次電子の集束スポットＳＰのスポット径との関係を説明するための図である。本実施形態では、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して、ＰＤ８０（電子入射面８００の中心Ｃ１）および／またはフランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１の中心Ｃ２が、ＭＣＰ１０のバイアス角で規定されるバイアス角方向に沿って偏心配置されるため、ＰＤ８０自体の小型化が可能になる。そのため、本実施形態において、ＰＤ８０における電子入射面８００の最大幅は３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下である。また、二次電子の集束スポットＳＰの最大スポット径は１ｍｍ以下である。

次に、本実施形態に係る荷電粒子検出器１に適用されるＭＣＰ１０の具体的な構成、バイアス角、およびバイアス角方向を、図３および図４を用いて詳細に説明する。なお、図３（ａ）は、ＭＣＰ１０の構造を説明するための斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢印Ａで示された方向から見たＭＣＰ１０の断面図である。

図３（ａ）に示されたように、ＭＣＰ１０は板状の構造体（本体）を備え、複数のチャネルが規則正しく配列された電子増倍素子として知られている。すなわち、ＭＣＰ１０は、鉛ガラスを主成分とする薄型円盤状の構造体（本体）であり、環状の外周部１１を除いて厚み方向（入力面１０ａから出力面１０ｂへ向かう方向）に伸びた複数の貫通孔１２が配置され、該構造体の両面には電極１３が蒸着により形成されている。電極１３は、ＭＣＰ１０の全面をカバーするのではなく、ＭＣＰ１０の外周部１１を外周端から０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ露出させて形成されている。

複数の貫通孔１２は、図３（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂに対して所定のバイアス角だけ傾斜した状態で並列配置されており、それらの内壁（チャネル壁）面上には二次電子放出面１２１が形成されている。また、「バイアス角」は、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂに垂直な基準軸ＡＸ２と、各貫通孔１２の中心軸ＡＸ３により規定される。すなわち、複数の貫通孔１２のうちから選択された貫通孔（基準貫通孔）について、該基準貫通孔の開口のうち出力面１０ｂに一致した開口の中心Ｏ１を通る基準軸ＡＸ２を規定したとき、この開口中心Ｏ１において基準軸ＡＸ２と交差する基準貫通孔の中心軸ＡＸ３とのなす鋭角がバイアス角θである。

さらに、上述のように規定されたＭＣＰ１０のバイアス角θに基づいてバイアス角方向が特定される。具体的には、図４（ａ）に示されたように、ＰＤ８０の電子入射面８００に一致する基準平面１００において、基準貫通孔の開口のうちＭＣＰ１０の出力面１０ｂに一致する開口の中心Ｏ１を通りかつ該出力面１０ｂに直交する基準軸ＡＸ２と、基準平面１００との交点をＯ２とする。また、基準貫通孔の中心軸ＡＸ３と基準平面１００との交点をＯ３とする。この時、基準平面１００上の交点Ｏ２から交点Ｏ３へ向かう、矢印Ｓ３で示された方向がバイアス角方向となる。

具体的に、ＰＤ８０をＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して偏心させる場合、ＰＤ８０の電子入射面８００の中心Ｃ１を、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して、上述のように規定されたバイアス角方向Ｓ３に沿って移動させることにより実現される。また、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１をＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して偏心させる場合、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１の中心Ｃ２を、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して、上述のように規定されたバイアス角方向Ｓ３に沿って移動させることにより実現される。

なお、本実施形態では、荷電粒子検出器１を組み立てる際に、ＭＣＰ１０のバイアス角θで規定されるバイアス角方向の確認を可能にするため、図４（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０にバイアス角方向を示すマーカ１４が設けられている。図４（ｂ）は、ＭＣＰ１０を入力面１０ａから見た、該ＭＣＰ１０の平面図である。図４（ｂ）の平面図において、マーカ１４の先端から当該ＭＣＰ１０の中心（中心軸ＡＸ１と入力面１０ａとの交点）へ向かう方向がバイアス角方向である。また、図４（ｂ）において、斜線で示された領域Ｒは、荷電粒子が入射可能なＭＣＰ１０の有効領域であり、本実施形態では、その面積が有効領域Ｒの面積よりも小さいＰＤが適用される。

（第１実施形態）
図５は、第１実施形態に係る荷電粒子検出器１Ａの組み立て工程図であり、図６（ａ）は、図５に示された組立工程を経て得られた荷電粒子検出器１Ａの斜視図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＸ１−Ｘ１線に沿った当該荷電粒子検出器１Ａの断面図である。なお、図６（ｂ）中に示された軸ＡＸ_Ｃ１は、ＰＤ８０の電子入射面８００の中心Ｃ１を通り、該電子入射面８００に垂直な軸（ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に平行な軸）である。

当該荷電粒子検出器１Ａの組み立て工程では、ＭＣＰ１０からフォーカス電極６０へ向かう方向（ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に沿った方向）に沿って順に、金属キャップ５、ＭＣＰ入力側電極３０ａ（以下、ＭＣＰ−Ｉｎ電極という）、ＭＣＰ１０を収納する貫通孔２０ａを有するスペーサ２０、ＭＣＰ出力側電極３０ｂ（以下、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極という）、上側絶縁リング４０ａ、メッシュ電極５０、下側絶縁リング４０ｂ、および、フォーカス電極６０が配置され、これら金属キャップ５、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａ、スペーサ２０、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂ、上側絶縁リング４０ａ、メッシュ電極５０、下側絶縁リング４０ｂのそれぞれが、４本の樹脂ネジ６ａ〜６ｄにより、フォーカス電極６０に固定される。さらに、フォーカス電極６０からＰＤ８０へ向かう方向（ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に沿った方向）に沿って順に、４個のスペーサ６５ａ〜６５ｄ、および、ＰＤ８０が搭載されたブリーダ回路基板７０が配置され、これらスペーサ６５ａ〜６５ｄ、ブリーダ回路基板７０のそれぞれが、４本の樹脂ネジ９１ａ〜９１ｄによりフォーカス電極６０に固定される。

具体的に、金属キャップ５は、ＭＣＰ１０の有効領域Ｒ（図４（ｂ）参照）を規定するための窓５ａを有する金属ディスクであって、窓５ａを取り囲むように、樹脂ネジ６ａ〜６ｄを貫通させた状態で保持するための４個のネジ孔が設けられている。

ＭＣＰ１０は、ディスク形状を有するスペーサ２０の貫通孔２０ａ内に収納された状態で、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａと、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂに挟まれる。その際、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａは、ＭＣＰ１０の入力面１０ａ上に形成された電極１３に電気的に接続され、同様に、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂは、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂ上に形成された電極１３に電気的に接続される。なお、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａは、ＭＣＰ１０の入力面１０ａを露出させるための開口３０ａ_１と、当該ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａを所定電位に設定するため、所定電圧の給電ピン９２ｄに電気的に接続される給電部３０ａ_２を有する。さらに、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａは、開口３０ａ_１を取り囲むように、樹脂ネジ６ａ〜６ｄを貫通させた状態で保持するための４個のネジ孔が設けられている。一方、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂは、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂを露出させるための開口３０ｂ_１と、当該ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂを所定電位に設定するため、所定電圧の給電ピン９２ｃに電気的に接続される給電部３０ｂ_２を有する。さらに、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂは、開口３０ｂ_１を取り囲むように、樹脂ネジ６ａ〜６ｄを貫通させた状態で保持するための４個のネジ孔が設けられている。

メッシュ電極５０は、金属メッシュ５０ａが配置された開口が設けられたディスク形状を有するとともに、当該メッシュ電極５０を所定電位に設定するため、所定電圧の給電ピン９２ｂに電気的に接続される給電部５０ｂを有する。また、メッシュ電極５０は、金属メッシュ５０ａを露出させるための開口４０ａ_１が設けられた上側絶縁リング４０ａと、金属メッシュ５０ａを露出させるための開口４０ｂ_１が設けられた下側絶縁リング４０ｂにより挟まれる。なお、上側絶縁リング４０ａは、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂとメッシュ電極５０を電気的に分離するための絶縁スペーサとして機能し、下側絶縁リング４０ｂは、メッシュ電極５０とフォーカス電極６０を電気的に分離するための絶縁スペーサとして機能する。これら上側絶縁リング４０ａ、下側絶縁リング４０ｂの双方にも、それぞれ開口４０ａ_１、４０ｂ_１を取り囲むように４個のネジ孔が設けられている。

フォーカス電極６０は、全体として円筒形状を有し、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１を軸中心とする。具体的に、フォーカス電極６０は、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂからの二次電子を通過させるための貫通孔６０ａ_１（当該フォーカス電極６０の入射側開口を規定している）を有する中空胴体部６０ａと、当該フォーカス電極６０の出射側開口を規定するための開口６０ｂ_１を有するフランジ部６０ｂにより、構成されている。フランジ部６０ｂは、中空胴体部６０ａに対して同電位になるよう接触しており、当該フランジ部６０ｂを所定電位に設定するため、所定電圧の給電ピン９２ａ、９２ｃに電気的にそれぞれ接続される給電部６０ｂ_２、６０ｂ_３を有する。なお、中空胴体部６０ａの入射端側には、貫通孔６０ａ_１を取り囲むように、樹脂ネジ６ａ〜６ｄ用の４個のネジ孔が設けられる一方、出射端側にも、貫通孔６０ａ_１を取り囲むように、樹脂ネジ９１ａ〜９１ｄ用の４個のネジ孔が設けられている。フランジ部６０ｂには、開口６０ｂ_１を取り囲むように樹脂ネジ９１ａ〜９１ｄ用の４個のネジ孔が設けられている。

フランジ部６０ｂとブリーダ回路基板７０との間には、絶縁材料からなる４個のスペーサ６５ａ〜６５ｄは配置されており、これらスペーサ６５ａ〜６５ｄにも、樹脂ネジ９１ａ〜９１ｄをそれぞれ貫通させるためのネジ孔が設けられている。ブリーダ回路基板７０には、その主面上にＰＤ８０が搭載されるとともに、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａ、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂ、メッシュ電極５０、フランジ部６０ｂに所定電圧を供給するための４本の給電ピン９２ａ〜９２ｄが設けられている。なお、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂの給電部３０ｂ_２とフランジ部６０ｂの給電部６０ｂ_３には、中空胴体部６０ａとともにこれらＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂ、フランジ部６０ｂを同電位に設定するため、給電ピン９２ｃが電気的に接続されている。また、ブリーダ回路基板７０には、ＰＤ８０が搭載された面とは反対側の面にＰＤ８０からの信号を取り出すためのＳＭＡ（Sub Miniature type A）コネクタが取り付けられる一方、給電ピン９２ａ〜９２ｄそれぞれに所定の電圧を供給するためのブリーダ回路９０が作り込まれている。

第１実施形態に係る荷電粒子検出器１Ａは、金属キャップ５、ＭＣＰ−Ｉｎ電極３０ａ、ＭＣＰ１０を収納したスペーサ２０、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂ、上側絶縁リング４０ａ、メッシュ電極５０、および、下側絶縁リング４０ｂを、４本の樹脂ネジ６ａ〜６ｄにより中空胴体部６０ａ（フォーカス電極６０の一部を構成する）の入射端側に固定する一方、フランジ部６０ｂ、４個のスペーサ６５ａ〜６５ｄ、および、ブリーダ回路基板７０を、４本の樹脂ネジ９１ａ〜９１ｄにより中空胴体部６０ａの出射端側に固定することにより、得られる。なお、給電構造の複雑化を避けるため、この第１実施形態では、フォーカス電極６０が、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂと同電位に設定されているが、該フォーカス電極６０は、ＰＤ８０の電子入射面８００と同電位に設定されてもよい。このように、フォーカス電極６０の電位を、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂまたはＰＤ８０（電子入射面８００）の電位に一致させることで、より少ない電源で当該荷電粒子検出器の駆動が可能になる。

次に、上述のように組み立てられる荷電粒子検出器において、ＰＤ８０の偏心配置およびフランジ部６０ｂにおける開口６０ｂ_１の偏心配置について、図７〜図１２を用いて詳細に説明する。

まず、図７（ａ）は、比較例に係る荷電粒子検出器において、ＭＣＰ１０−ＰＤ８０間の位置関係を示す平面図（ＭＣＰ１０の入力面１０ａから見たＭＣＰ１０の平面図）である。係る荷電粒子検出器は、図５に示された組み立て工程を経て得られる。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）中のＸ２−Ｘ２線に沿った、比較例に係る荷電粒子検出器の断面図に相当し、ＭＣＰ１０とＰＤ８０との間の空間における等電位線および二次電子の軌道が示されている。

この比較例に係る荷電粒子検出器では、ＭＣＰ１０に設けられたマーカ１４により、該マーカ１４からＭＣＰ１０の中心に向かう方向がバイアス角方向であることが分かる。一方、ＰＤ１０は、電子入射面８００の中心Ｃ１とＭＣＰ１０の中心とが一致するように配置されており、ＭＣＰ１０のバイアス角による電子軌道の影響は考慮されていない。そのため、図７（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂから基準平面１００に到達した二次電子の集束スポットは、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１からずれ、基準平面１００に到達した二次電子の一部がＰＤ８０により受光されないこととなる。

これに対し、第１実施形態に係る荷電粒子検出器１Ａの一例において、ＰＤ８０をＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して偏心配置した場合が図８に示されている。すなわち、図８（ａ）は、図５に示された組み立て工程を経て得られる、この例の荷電粒子検出器１Ａの一例として、ＭＣＰ１０−ＰＤ８０間の位置関係を示す平面図（ＭＣＰ１０の入力面１０ａから見たＭＣＰ１０の平面図）である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＸ３−Ｘ３線に沿った、荷電粒子検出器１Ａの断面図に相当し、ＭＣＰ１０とＰＤ８０との間の空間における等電位線および二次電子の軌道が示されている。

この例に係る荷電粒子検出器１Ａでは、ＭＣＰ１０に設けられたマーカ１４により、該マーカ１４からＭＣＰ１０の中心に向かう方向がバイアス角方向であることが分かり、ＰＤ１０は、電子入射面８００の中心Ｃ１がマーカ１４で指示されたバイアス角方向に配置されている。そのため、図８（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂから基準平面１００に到達した二次電子の集束スポットが、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１からずれた場合であっても、基準平面１００に到達した二次電子の大部分が効率よくＰＤ８０により受光される。また、この構成は小型のＰＤの適用も可能にする。

続いて、図８に示された荷電粒子検出器１Ａ（ＰＤ８０が偏心配置された構成）の例について、より具体的なシミュレーション結果を示す。図９および図１０は、いずれもＰＤ８０がＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して偏心配置された例であるが、図９の例は、フォーカス電極６０の一部を構成する中空胴体部６０ａが単一部材で構成された荷電粒子検出器の例である。特に、図９（ａ）は、単一部材の中空胴体部６０ａを有する荷電粒子検出器の具体的な断面構造を示し、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示された荷電粒子検出器における二次電子の軌道のシミュレーション結果を示す。一方、図１０には、フォーカス電極６０の一部を構成する中空胴体部６０ａがＭＣＰ１０側に位置する第１胴体部６００ａ（中空部材）と、ＰＤ８０側に位置する第２胴体部６００ｂ（中空部材）により構成された荷電粒子検出器の例である。特に、図１０（ａ）は、中空胴体部６０ａが第１胴体部６００ａと第２胴体部６００ｂで構成された荷電粒子検出器の具体的な断面構造を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示された荷電粒子検出器における二次電子の軌道のシミュレーション結果を示す。

図９の例では、図９（ａ）に示されたように、ＭＣＰ１０における有効領域Ｒの直径は１０ｍｍである。メッシュ電極５０の厚みは０．５ｍｍである。ＭＣＰ１０とメッシュ電極５０との間隔は３ｍｍである。フォーカス電極６０において、中空胴体部６０ａの内径は２２ｍｍであり、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１の直径は１６ｍｍである。なお、フランジ部６０ｂの厚みは０．５ｍｍである。また、中空胴体部６０ａの外周径は３４ｍｍである。この例において、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対するＰＤ８０の電子入射面８００の中心Ｃ１（図中、ＡＸ_Ｃ１は電子入射面８００の中心軸）とのずれ量は０．９ｍｍである（図９（ｂ））。

一方、図１０の例では、フォーカス電極６０の中空胴体部６０ａは、ＭＣＰ１０側に配置される第１胴体部６００ａと、ＰＤ８０側に配置される第２胴体部６００ｂで構成されている。第１胴体部６００ａは、フランジ部６０ｂと電気的に接触した状態で、ＭＣＰ−Ｏｕｔ電極３０ｂと同電位に設定されている。第２胴体部６００ｂは、第１胴体部６００ａとは逆側にＰＤ８０を搭載した状態で、該ＰＤ８０と同電位に設定されている。

図１０（ａ）に示されたように、ＭＣＰ１０における有効領域Ｒの直径は２５ｍｍである。メッシュ電極５０の厚みは０．５ｍｍである。ＭＣＰ１０とメッシュ電極５０との間隔は３ｍｍである。フォーカス電極６０の中空胴体部６０ａの一部を構成する第１胴体部６００ａの内径は５０ｍｍであり、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１の直径は４０ｍｍである。なお、第１胴体部６００ａとフランジ部６０ｂを合わせた厚みは２０．５ｍｍである。また、第２胴体部６００ｂの厚みは２７ｍｍ、第１および第２胴体部６００ａ、６００ｂの外周径はともに７０ｍｍである。さらに、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対するＰＤ８０の電子入射面８００の中心Ｃ１（図中、ＡＸ_Ｃ１は電子入射面８００の中心軸）とのずれ量は１．５ｍｍである（図１０（ｂ））。

（第２実施形態）
図１１および図１２は、第２実施形態に係る荷電粒子検出器の特徴的な構造として、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１上に電子入射面８００の中心が位置するようＰＤ８０が配置された構成において、フォーカス電極６０のフランジ部６０ｂにおける開口６０ｂ_１の中心をＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して偏心させた構成を説明するための図である。なお、この第２実施形態に係る荷電粒子検出器の構成は、フォーカス電極６０におけるフランジ部６０ｂの構造を除き、上述の第１実施形態に係る荷電粒子検出器１Ａ（図５、図６）と同様である。

すなわち、図１１は、第２実施形態に係る荷電粒子検出器の特徴的な構成として、フォーカス電極６０のうち、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して開口６０ｂ_１の中心が偏心しているフランジ部６０ｂの構造を説明するための図である。通常、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１は、図１１（ａ）に示されたように、当該荷電粒子検出器が組み立てられたときに、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１と開口６０ｂ_１の中心Ｃ２が一致するよう形成される。しかしながら、この第２実施形態では、図１１（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して開口６０ｂ_１の中心Ｃ２が、ＭＣＰ１０のマーカ１４により指示されるバイアス角方向に偏心している。

上述の構成において、ＭＣＰ１０−ＰＤ８０間の位置関係が図１２（ａ）に示され、ＭＣＰ１０とＰＤ８０との間の空間における等電位線および二次電子の軌道が図１２（ｂ）に示されている。なお、図１２（ａ）は、ＭＣＰ１０の入力面１０ａ側から見たＭＣＰ１０の平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中のＸ４−Ｘ４線に沿った当該荷電粒子検出器の断面図に相当する。図１２（ｂ）から分かるように、この第２実施形態に係る荷電粒子検出器において、フランジ部６０ｂの一方（図１２（ｂ）中の左側）が中空胴体部６０ａの貫通孔６０ａ_１に長さＤ１だけ飛び出しているのに対し、フランジ部６０ｂの他方（図１２（ｂ）中の右側）が長さＤ２（＞Ｄ１）だけ飛び出す構造となっており、この結果、開口６０ｂ１の中心Ｃ２がＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に対して、ＭＣＰ１０のマーカ１４で指示されるバイアス角方向に偏心した状態が実現されている。

すなわち、図１２（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂから出射された二次電子の軌道は、一旦ＭＣＰ１０のバイアス角の影響によりバイアス角方向に大きく偏心するが、フランジ部６０ｂの開口６０ｂ_１により、二次電子の集束スポットの位置がＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１側に近づくよう調節されている。

（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態に係る荷電粒子検出器の断面構造を説明するための図であり、この第３実施形態に係る荷電粒子検出器１Ｂは、フォーカス電極６０とブリーダ回路基板７０との接続構造を除き、上述の第１実施形態に係る荷電粒子検出器１Ａと同様の構造を有する。すなわち、この第３実施形態に係る荷電粒子検出器１Ｂは、質量分析装置等の真空チャンバに固定された状況でのメンテナンス作業の向上を目的とし、ＰＤ８０のみを容易に交換できる構造を備える。なお、図１３（ａ）は、真空チャンバ２００の開口２１０に取り付けられた当該第３実施形態に係る荷電粒子検出器１Ｂの構成を示す断面図である。図１３（ｂ）は、真空チャンバ２００からＰＤ８０が搭載されたブリーダ回路基板７０だけを取り外した状態を示す、断面図である。また、図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、図６（ａ）のＸ５−Ｘ５線に沿った断面図に対応しており、図中の軸ＡＸ_Ｃ１は、ＰＤ８０の電子入射面８００の中心Ｃ１を通り、該電子入射面８００に垂直な軸（ＭＣＰ１０の中心軸ＡＸ１に平行な軸）である。

一般に荷電粒子検出器のゲイン劣化（ライフエンド）の原因は、主としてＰＤ８０の、電子打込みゲインの低下である。当該荷電粒子検出器１Ｂでイオンを検出するとＰＤ８０に照射された電子が、該ＰＤ８０上にアモルファスカーボンを堆積させる。したがって、ライフエンドとなったＭＣＰ１０とＰＤ８０の組み合わせにより構成では、ＰＤ８０のみを交換することでゲインを復活させることができる。

図１３（ａ）に示されたように、当該荷電粒子検出器１ＢのうちＭＣＰ１０とフォーカス電極６０を含む装置上段は、真空チャンバ２００の開口２１０に挿入された状態で、該開口２１０を取り囲むように当該真空チャンバ２００の外側に設置された樹脂フランジ（絶縁フランジ）３００に、４本の樹脂ネジ（図１３（ａ）では２本の樹脂ネジ９１ｂ、９１ｄのみが示されている）により固定されている。さらに、ＰＤ８０が搭載されたブリーダ回路基板７０を含む装置下段が、４本の樹脂ネジ（図中、９３ｂ、９３ｄのみ示されている）により、真空チャンバ２００の外側から樹脂フランジ３００に固定されている。なお、ブリーダ回路基板７０には、当該荷電粒子検出器１Ｂを駆動するための給電ピン９２ａ〜９２ｄや信号を出力するためのＳＭＡコネクタ９５が取り付けられており、これらが、真空フランジの役割を担っている。

上述の構成により、装置上段は、真空チャンバ２００の内側（真空側）に位置する一方、装置下段は真空チャンバ２００の外側（大気側）に位置することとなる。なお、真空チャンバ２００と樹脂フランジ３００の接触部分には、真空チャンバ２００内の気密性を維持するため、密閉用のＯリング３５０が取り付けられている。また、同様の理由で、樹脂フランジ３００とブリーダ回路基板７０との間にもＯリング３５０が取り付けられている。

上述のように当該荷電粒子検出器１Ｂが真空チャンバ２００の開口２１０に取り付けられた状態（図１３（ａ））から、ＰＤ８０を交換する場合、図１３（ｂ）に示されたように、樹脂フランジ３００から樹脂ネジ９３ｂ、９３ｄを取り外すことにより、ＰＤ８０が搭載されたブリーダ回路基板７０を真空チャンバ２００から分離することが可能になる。分離後は、上述の分離作業とは逆の手順、すなわち、取り外されたブリーダ回路基板７０に替え、正常動作可能なＰＤ８０が搭載された別のブリーダ回路基板が、樹脂ネジ９３ｂ、９３ｄにより樹脂フランジ３００に取り付けられる。

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、１Ａ、１Ｂ…荷電粒子検出器、１０…ＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）、１２…貫通孔、１２１…二次電子放出面、３０ａ…ＭＣＰ入力側電極（ＭＣＰ−Ｉｎ）、３０ｂ…ＭＣＰ出力側電極（ＭＣＰ−Ｏｕｔ）、５０…メッシュ電極、６０…フォーカス電極、６０ａ…中空胴体部、６００ａ…第１胴体部、６００ｂ…第２胴体部、６０ｂ…フランジ部、６０ｂ_１…開口、８０…ＰＤ（電子衝撃型ダイオード）、８００…電子入射面、７０…ブリーダ回路基板（基板）。

Claims (10)

1. 荷電粒子が入射される入力面と、二次電子が出射される出力面と、それぞれが前記入力面と前記出力面を連絡するとともにその内壁上に二次電子放出面を有する複数の貫通孔であって、それぞれの中心軸が少なくとも前記出力面に対して鋭角で規定されるバイアス角だけ傾斜するよう配置された複数の貫通孔と、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に対面するよう配置され、その面積が前記マイクロチャネルプレートの有効領域の面積よりも小さい電子入射面を有する電子衝撃型ダイオードと、
   前記マイクロチャネルプレートと前記電子衝撃型ダイオードとの間に設けられ、前記マイクロチャネルプレートから前記電子衝撃型ダイオードへ向かう二次電子の軌道を連続的に取り囲む形状を有するフォーカス電極と、
   を備えた荷電粒子検出器であって、
   前記電子入射面に一致する基準平面において、前記複数の貫通孔から選択された基準貫通孔の開口のうち前記出力面に一致する開口の中心を通りかつ前記出力面に直交する基準軸と前記基準平面との交点から、前記基準貫通孔の中心軸と前記基準平面との交点へ向かう方向をバイアス角方向と規定するとき、
   前記有効領域の中心を通りかつ前記出力面に直交する軸である前記マイクロチャネルプレートの中心軸と前記基準平面との交点に対して、前記電子入射面の中心が前記バイアス角方向に沿って所定距離だけずれるよう、前記電子衝撃型ダイオードが偏心配置されていることを特徴とする荷電粒子検出器。
2. 荷電粒子が入射される入力面と、二次電子が出射される出力面と、それぞれが前記入力面と前記出力面を連絡するとともにその内壁上に二次電子放出面を有する複数の貫通孔であって、それぞれの中心軸が少なくとも前記出力面に対して鋭角で規定されるバイアス角だけ傾斜するよう配置された複数の貫通孔と、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に対面するよう配置され、その面積が前記マイクロチャネルプレートの有効領域の面積よりも小さい電子入射面を有する電子衝撃型ダイオードと、
   前記マイクロチャネルプレートと前記電子衝撃型ダイオードとの間に設けられ、前記マイクロチャネルプレート側に位置する第１開口と、前記電子衝撃型ダイオード側に位置する第２開口と、前記マイクロチャネルプレートから前記電子衝撃型ダイオードへ向かう二次電子の軌道を連続的に取り囲む形状を有するフォーカス電極と、
   を備えた荷電粒子検出器であって、
   前記電子入射面に一致する基準平面において、前記複数の貫通孔から選択された基準貫通孔の開口のうち前記出力面に一致する開口の中心を通りかつ前記出力面に直交する基準軸と前記基準平面との交点から、前記基準貫通孔の中心軸と前記基準平面との交点へ向かう方向をバイアス角方向と規定するとき、
   前記有効領域の中心を通りかつ前記出力面に直交する軸である前記マイクロチャネルプレートの中心軸と前記基準平面との交点に対して、前記第２開口の中心が前記バイアス角方向に沿って所定距離だけずれるよう、前記フォーカス電極の少なくとも一部が偏心配置されていることを特徴とする荷電粒子検出器。
3. 前記フォーカス電極は、前記マイクロチャネルプレートの前記出力面と同電位に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
4. 前記フォーカス電極は、前記電子衝撃型ダイオードの前記電子入射面と同電位に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
5. 前記マイクロチャネルプレートと前記フォーカス電極との間に設けられたメッシュ電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
6. 前記電子衝撃型ダイオードにおける前記電子入射面の最大幅は、３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
7. 前記マイクロチャネルプレートの前記出力面から前記電子衝撃型ダイオードの前記電子入射面に到達する前記二次電子のスポット径は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
8. 前記フォーカス電極は、前記マイクロチャネルプレートから前記電子衝撃型ダイオードへ向かう二次電子の軌道を連続的に取り囲む胴体部と、前記第２開口の中心位置および大きさを規定するためのフランジ部材と、で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。
9. 前記胴体部は、前記マイクロチャネルプレートから前記電子衝撃型ダイオードに向かって順に配置された複数の中空部材で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子検出器。
10. 前記電子衝撃型ダイオードがその主面上に搭載された基板と、
    前記マイクロチャネルプレートから前記電子衝撃型ダイオードに向かう二次電子を通過させるための開口を有し、前記フォーカス電極と前記基板との間に配置された樹脂フランジと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子検出器。