JP2020020746A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号強度を向上することができる検出装置を提供する。【解決手段】検出装置１００は、対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を有し、通過するイオンの移動度を制御するイオンフィルタ１１０と、イオンフィルタ１１０を通過したイオンが接触し、該接触した強さに応じた電気特性値を出力する出力部１２０と、イオンフィルタ１１０に導入されるイオンを含む流体の流れを調整する流体調整部１３０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置に関する。

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる化学物質の検出及び分析について種々の検討が行われている。ＦＡＩＭＳシステムは、非対称の交流信号が印加される１対の電極を備えたイオンフィルタを有しており、イオン化した化学物質をイオンフィルタに流すと、その移動度の差によって選別される。イオンフィルタを通過した化学物質をイオン検出電極に衝突させ、イオン検出電極で発生した電流を検出することで、化学物質を特定できる。

従来、ＦＡＩＭＳシステムに関し、分析性能の向上等を目的として種々のイオン移動度分光計が提案されている。

しかしながら、従来のＦＡＩＭＳシステムでは、イオンフィルタへ導入されるイオンの量に見合った十分な信号強度が得られないことがある。

開示の技術は、信号強度を向上することができる検出装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一態様によれば、検出装置は、対向する第１の電極及び第２の電極を有し、通過するイオンの移動度を制御するイオンフィルタと、前記イオンフィルタを通過したイオンが接触し、該接触した強さに応じた電気特性値を出力する出力部と、前記イオンフィルタに導入されるイオンを含む流体の流れを調整する流体調整部と、を有する。

開示の技術によれば、信号強度を向上することができる。

第１の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。 イオン検出装置の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。 イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。 イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。 流体調整部の内部での流体の流れを示す模式図である。 第１の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。 第２の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。 第３の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。 二重開口レンズを示す模式図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。 第４の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図及び断面図である。 第６の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。 第６の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図及び断面図である。 第７の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。 第７の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図及び断面図である。 第８の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。 第８の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す断面図である。

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。

第１の実施形態に係るイオン検出装置１００は、イオンフィルタ１１０、イオン検出電極（イオン検出部）１２０及び流体調整部１３０を含む。イオンフィルタ１１０は、対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を有し、通過するイオンの移動度を制御する。イオン検出電極１２０には、イオンフィルタ１１０を通過した通過イオンが衝突する。すなわち、通過イオンはイオン検出電極１２０に接触する。そして、イオン検出電極１２０は通過イオンを検出し、該接触した強さに応じた電気特性値を出力する。電気特性値としては、例えば、電流値、電圧値及び抵抗値等が挙げられる。イオン検出電極１２０は出力部の一例である。流体調整部１３０は、イオンフィルタ１１０に導入されるイオンを含む流体１３５の流れを調整する。流体調整部１３０は、例えば、流体１３５の流れのレイノルズ数を、流体調整部１３０に供給されたときよりも低下させてイオンフィルタ１１０に供給する。好ましくは、流体調整部１３０は、流体１３５の流れを層流にして流体１３５をイオンフィルタ１１０に供給する。なお、レイノルズ数とは、流体力学において、粘性の流体の流れにおける粘性力と慣性力の比を表している（式は後述）。一般的に、レイノルズ数が小さい流れでは、流体の粘性力が支配的であるため、流れは安定する（層流となる）。一方、レイノルズ数が大きい流れでは、慣性力が支配的であるため、流れは不安定となる（乱流となる）。そこで、本開示においては、上述の通り、流体調整部１３０に供給されたときよりもレイノルズ数を低下させてイオンフィルタに供給する事で、効果的に層流状態にする事が可能となる。

図２は、イオン検出装置１００の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。図３は、イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。図４は、イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。

図２に示すように、上記のように、イオン検出装置１００は、互いに対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を備えたイオンフィルタ１１０と、イオンフィルタ１１０を通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極１２０とを有する。イオン検出装置１００がイオン検出電極１２０を第１の電極１１１及び第２の電極１１２から電気的に絶縁する固体の絶縁材を含んでもよい。

イオン検出装置１００は、イオン検出電極１２０にイオン電流検出回路を接続して用いられる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被分析分子の進行方向を＋Ｚ方向とし、第２の電極１１２から第１の電極１１１が見える方向を＋Ｙ方向とする。

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ・・・ （１）

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図３には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図３では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。

３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオン１１の移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、正の高電界（Ｅｍａｘ）で最大となる。イオン１２の移動度は電界強度によらずほとんど変化しない。イオン１３の移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ１１０は、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。

図２には、イオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との間における３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、第１の電極１１１及び第２の電極１１２を導電体でできた平行平板としている。

第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図２では、イオン１２）のみをイオン検出電極１２０に到達させることができる。なお、図２では第１の電極１１１が接地されているが、第１の電極１１１に非対称の電圧が印加されてもよい（例えば、図６参照）。

図４には、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２との比は１：３〜１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （２）

すなわち、図４における領域２１の面積と領域２２の面積が一致するように設定されている。

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ・・・ （３）

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｕｐ）は、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ・・・ （４）

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、イオン毎に移動度が異なるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｕｐ）は三者三様に異なる。すなわち、図１に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｕｐ）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ・・・ （５）

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｄｏｗｎ）は、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ・・・ （６）

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、移動度がほぼ同一であるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｄｏｗｎ）はほぼ同一である。すなわち、図２に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｄｏｗｎ）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ・・・ （７）

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間（ｔ１）の間に＋Ｙ方向に移動し、期間（ｔ２）の間に−Ｙ方向に移動する。

そこで、図２に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら第１の電極１１１に向かうもの（イオン１１）と、ジグザグ運動を繰り返しながら第２の電極１１２に向かうもの（イオン１３）と、＋Ｙ方向の変位と−Ｙ方向の変位とが釣り合い、イオン検出電極１２０に向かうもの（イオン１２）とに分類される。

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位（ΔｙＲＦ）は、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２
・・・ （８）

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）｝ ・・・ （９）

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ・・・ （１０）

βは第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位（Ｙ）は、次の（１１）式で示される。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ１１０におけるイオンパスの断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ１１０の容積（＝Ａ×Ｌ）である。

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）式を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。

非対称電界波形における高電界（Ｅｍａｘ）、イオンフィルタ１１０におけるイオンパスの容積（Ｖ）、非対称電界波形のデューティ（Ｄ）、及びキャリアガスの容積流量（Ｑ）について、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位（Ｙ）は、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。

なお、図２ではイオン１２の変位（Ｙ）が最小であり、イオン１２のみがイオン検出電極１２０に到達しているが、デューティ（Ｄ）を変化させることによってイオン１２とは異なるΔＫを有するイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができる。さらに、デューティ（Ｄ）を小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

デューティ（Ｄ）を一定としながら、高電界（Ｅｍａｘ）と低電界（Ｅｍｉｎ）との差である分散電圧（ＶＤＦ）を変化させることでも、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

また、イオン検出装置１００において、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出する方法として、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳する方法がある。この方法によると、期間（ｔ１）及び期間（ｔ２）でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触せずにイオン検出電極１２０に到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（compensation voltages：ＣＶ）とよばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。

前述の分散電圧（ＶＤＦ）及び補償電圧（ＣＶ）を様々な値で組み合わせた条件でイオン検出量のデータを取ることによって、様々なイオン種の有無をより正確に分析することが可能となる。

ところで、イオン検出電極１２０に到達する前に第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。

このようにして、イオン検出装置１００により、イオンを選択的に検出することができる。

なお、電界の波形が適切に制御された場合であっても、それだけでは、イオン検出電極１２０に到達させるべきイオン（上記の例ではイオン１２）が第１の電極１１１又は第２の電極１１２に衝突し、イオンの量に対応する適切な大きさの電流が得られないことがある。

その一方で、本実施形態では、流体調整部１３０が、イオンを含む流体の流れを層流にして流体をイオンフィルタ１１０に供給するため、イオン検出電極１２０に到達させるべきイオンを適切にイオン検出電極１２０に到達させることができる。

ここで、流体調整部１３０について詳細に説明する。流体調整部１３０は、例えば、Ｙ方向で互いに対向する導電性の第１の電極１３１及び第２の電極１３２を備える。第１の電極１３１は、イオン検出電極１２０とは反対側で第１の電極１１１に並び、かつ第１の電極１１１から離間して配置されている。第２の電極１３２は、イオン検出電極１２０とは反対側で第２の電極１１２に並び、かつ第２の電極１１２から離間して配置されている。例えば、第１の電極１３１と第２の電極１３２との距離は、第１の電極１１１と第２の電極１１２との距離に等しい。また、Ｙ方向において、第１の電極１３１と第２の電極１３２との間隙の中心は、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間隙の中心と一致する。また、例えば、Ｘ方向において、流体調整部１３０及びイオンフィルタ１１０における流体１３５の流路は壁等（図示せず）により塞がれ、イオンフィルタ１１０における流路の断面積は流体調整部１３０における流路の断面積に等しい。例えば、第１の電極１３１及び第２の電極１３２の電位は互いに等しく、第１の電極１３１及び第２の電極１３２が導電性の筒体の一部であってもよい。

図５は、流体調整部１３０の内部での流体の流れを示す模式図である。図５に示すように、イオンを含む流体１３５が流体調整部１３０に供給されると、流体調整部１３０内で下流に向かうにつれて境界層１３６が発達する。そして、境界層１３６の発達につれて流れの速度分布は放物線状に変化する。流体調整部１３０は、イオンを含む流体１３５の流れを発達した流れ（層流）１３７とし、イオンフィルタ１１０に導く。従って、イオンフィルタ１１０に導かれる流体１３５の流れは、イオンフィルタ１１０の奥行き方向（＋Ｚ方向）と平行になる。また、Ｙ方向において、第１の電極１３１と第２の電極１３２との間隙の中心が第１の電極１１１と第２の電極１１２との間隙の中心と一致していれば、層流となった流体１３５の流れは第１の電極１１１と第２の電極１１２との中心に集中する。

なお、流体調整部１３０における発達した流れ１３７に至るまでの助走区間の長さＸは次の（１４）式で示される。（１４）式において、Ｒｅはレイノルズ数、ｄは管の半径（ここでは、第１の電極１１１と第２の電極１１２との距離の１／２）であり、レイノルズ数Ｒｅは次の（１５）式で示される。（１５）式において、Ｖは流速、νは動粘度であり、例えば、空気の動粘度は１．５１２×１０^−５ｍ^２／ｓである。
Ｘ＝（０．０６５）×Ｒｅ×ｄ ・・・ （１４）
Ｒｅ＝Ｖ×ｄ／ν ・・・ （１５）

図６は、第１の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。図６に示すように、流体調整部１３０に供給されたイオンを含む流体１３５の流れは、流体調整部１３０において層流にされ、第１の電極１３１と第２の電極１３２との中心近傍からイオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との中心近傍に供給される。また、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ１１０の奥行き方向（＋Ｚ方向）と平行になる。従って、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間の電界を調整することにより、イオン検出電極１２０に導くべきイオンの第１の電極１１１又は第２の電極１１２への衝突の頻度を著しく低減することができる。

このように、本実施形態では、流体調整部１３０が流体１３５を第１の電極１１１と第２の電極１１２との中央近傍に導くため、イオン検出電極１２０に到達させるべきイオンを適切にイオン検出電極１２０に到達させることができる。つまり、イオンフィルタ１１０におけるイオンの損失を低減することができる。このため、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

また、流体調整部１３０の第１の電極１３１及び第２の電極１３２に電圧を印加することでイオンレンズの効果を得ることができ、流体１３５をイオンフィルタ１１０の中央近傍により集中させやすい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図７は、第２の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。

第２の実施形態に係るイオン検出装置２００は、第１の実施形態と同様に、イオンフィルタ１１０、イオン検出電極１２０及び流体調整部１３０を含む。イオン検出装置２００は、更に、流体調整部１３０を第１の電極１１１及び第２の電極１１２から電気的に絶縁する固体の絶縁体２４０を含む。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

図８は、第２の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。図８に示すように、流体調整部１３０に供給されたイオンを含む流体１３５の流れは、流体調整部１３０において層流にされ、第１の電極１３１と第２の電極１３２との中心近傍から第１の電極１１１と第２の電極１１２との中心近傍に供給される。また、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ１１０の奥行き方向（＋Ｚ方向）と平行になる。従って、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間の電界を調整することにより、イオン検出電極１２０に導くべきイオンの第１の電極１１１又は第２の電極１１２への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、第１の実施形態と同様に、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

また、イオン検出装置２００では、イオンフィルタ１１０と流体調整部１３０との間に固体の絶縁体２４０が設けられているので、イオンフィルタ１１０と流体調整部１３０との距離を短くしても、これらを確実に互いから絶縁することができる。従って、流体調整部１３０の電位を確実にイオンフィルタ１１０の電位から独立させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図９は、第３の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。

第３の実施形態に係るイオン検出装置３００は、第２の実施形態と同様に、イオン検出電極１２０、流体調整部１３０及び絶縁体２４０を含む。イオン検出装置３００は、更に、イオンフィルタ１１０に代えて、流体調整部１３０よりも流路の開口面積が小さいイオンフィルタ３１０を含む。例えば、イオンフィルタ３１０は第１の電極３１１及び第２の電極３１２を含み、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間の距離が、第１の電極１３１と第２の電極１３２との距離よりも小さい。また、例えば、Ｘ方向において、流体調整部１３０及びイオンフィルタ３１０における流体１３５の流路は壁等（図示せず）により塞がれ、イオンフィルタ３１０における流路の断面積は流体調整部１３０における流路の断面積よりも小さい。その他の構成は第２の実施形態と同様である。

図１０は、第３の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。図１０に示すように、流体調整部１３０に供給されたイオンを含む流体１３５の流れは、流体調整部１３０において層流にされ、第１の電極１３１と第２の電極１３２との中心近傍から第１の電極３１１と第２の電極３１２との中心近傍に供給される。また、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ３１０の奥行き方向（＋Ｚ方向）と平行になる。従って、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間の電界を調整することにより、イオン検出電極１２０に導くべきイオンの第１の電極３１１又は第２の電極３１２への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、第２の実施形態と同様に、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

また、イオン検出装置３００では、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間の距離が、第１の電極１３１と第２の電極１３２との距離よりも小さい。このため、二重開口レンズの効果と同様の効果を得ることもできる。

ここで、二重開口レンズについて説明する。図１１は、二重開口レンズを示す模式図である。

二重開口レンズには、中心軸が一致する２つの円筒状の電極３１及び３２が含まれる。電極３１に電位Ｖ１が付与され、電極３２に電位Ｖ２が付与されるとすると、電極３１及び３２の間隙直下に電位差Ｖ１−Ｖ２による等電界が形成され、図１１に示すように、左右対称の等電位線３３の分布が得られる。このような二重開口レンズ中を荷電粒子が左から右へと加速されながら進む場合、荷電粒子は電界による力を受け、結果的に円筒状の電極３１及び３２の中心軸に収束していく。

このような現象は、大気圧下で、電極３１内での移動速度よりも電極３２内での移動速度が高い場合にも生じる。例えば、電極３２の開口面積が電極３１の開口面積より小さい場合は、荷電粒子の移動速度が電極３２内にて電極３１内よりも高くなる。流路内での流量（Ｌ／ｍｉｎ）は場所に寄らず一定であり、流速（移動速度）（ｍ／ｓ）は流量を流路の断面積（ｍ^２）で割った値となるからである。

第３の実施形態では、第１の電極３１１と第２の電極３１２との距離が、第１の電極１３１と第２の電極１３２との距離よりも小さいため、流体１３５の流速はイオンフィルタ３１０内にて流体調整部１３０内よりも高くなる。従って、上記のように、二重開口レンズの効果と同様の効果を得ることができる。従って、流体１３５をイオンフィルタ１１０の中央近傍により一層集中させることができる。

なお、流体調整部１３０に印加される電圧は、イオンフィルタ３１０に印加される電圧以上であることが好ましい。二重開口レンズにおける電圧差に起因する流体１３５の収束の効果を得るためである。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図１２は、第４の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す模式図である。

第４の実施形態に係るイオン検出装置４００は、第３の実施形態と同様に、第１の電極３１１及び第２の電極３１２を備えたイオンフィルタ３１０を含む。イオン検出装置４００は、更に、絶縁体２４０に代えて絶縁体４４０を、流体調整部１３０に代えて流体調整部４３０を含む。流体調整部４３０は導電性の第１の電極４３１及び第２の電極４３２を含む。Ｙ方向において、第１の電極４３１と第２の電極４３２との間隙の中心は、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間隙の中心と一致する。また、第１の電極４３１と第２の電極４３２との間隙のイオンフィルタ３１０側端部における大きさは、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間隙の大きさと一致する。更に、第１の電極４３１と第２の電極４３２との間隙の大きさは、イオンフィルタ３１０から離間するほど大きくなっている。つまり、第１の電極４３１と第２の電極４３２との間隙は、Ｘ方向から見たときにテーパ形状になっている。絶縁体４４０は流体調整部４３０を第１の電極３１１及び第２の電極３１２から電気的に絶縁する。また、例えば、Ｘ方向において、流体調整部４３０及びイオンフィルタ３１０における流体１３５の流路は壁等（図示せず）により塞がれ、イオンフィルタ３１０における流路の断面積は流体調整部４３０における流路の断面積よりも小さい。更に、流体調整部４３０における流路は、イオンフィルタ３１０から離間するほど広がっている。例えば、第１の電極４３１及び第２の電極４３２の電位は互いに等しく、第１の電極４３１及び第２の電極４３２が導電性の筒体の一部であってもよい。その他の構成は第３の実施形態と同様である。

図１３は、第４の実施形態におけるイオンを含む流体の流れを示す模式図である。図１３に示すように、流体調整部４３０に供給されたイオンを含む流体１３５の流れは、流体調整部４３０において層流にされ、第１の電極４３１と第２の電極４３２との中心近傍から第１の電極３１１と第２の電極３１２との中心近傍に供給される。また、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ３１０の奥行き方向（＋Ｚ方向）と平行になる。従って、第１の電極３１１と第２の電極３１２との間の電界を調整することにより、イオン検出電極１２０に導くべきイオンの第１の電極３１１又は第２の電極３１２への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、第３の実施形態と同様に、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

また、イオン検出装置３００では、絶縁体２４０の流路の大きさとイオンフィルタ３１０の流路の大きさとが不連続に変化している。これに対し、イオン検出装置４００では、流体調整部４３０から絶縁体４４０を経てイオンフィルタ３１０にかけて、流路の大きさが連続的に変化している。従って、第４の実施形態によれば第３の実施形態よりもイオンの損失を低減することができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図１４は、第５の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。図１５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第５の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図、断面図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

第５の実施形態に係るイオン検出装置５００は、図１４〜図１５に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５５０を有する。ＳＯＩ基板５５０は、例えば、導電性を具備したＳｉの支持層５６０、支持層５６０上のＳｉＯ_２の絶縁層５７０、及び絶縁層５７０上の導電性を具備したＳｉの活性層５８０を含む。支持層５６０の中央部に、平面視で蛇行する開口部５６１が形成されている。言い換えると、支持層５６０は、その中央部に櫛歯状のパターンを有する。絶縁層５７０の中央部に、平面視で開口部５６１を取り囲むように開口部５７１が形成されている。活性層５８０の中央部に、平面視で開口部５６１を取り囲むように開口部５８１が形成されている。例えば、開口部５７１と開口部５８１とは平面視で互いに重なり合う。支持層５６０はイオンフィルタの一例であり、絶縁層５７０は絶縁体の一例であり、活性層５８０は流体調整部の一例である。支持層５６０に開口部５６１に繋がる２つの溝５６２が形成されており、開口部５６１及び溝５６２により支持層５６０が２分割されている。分割された支持層５６０の一方が第１の電極の一例であり、他方が第２の電極の一例である。

また、ＳＯＩ基板５５０の支持層５６０に接するようにしてイオン検出電極５９０が設けられる。図１５では、イオン検出電極５９０を省略してある。

ここで、イオン検出装置５００の使用方法について説明する。例えば、支持層５６０の一方を接地電位等に固定し、他方に非対称の交流信号源を接続する。また、イオン検出電極５９０にイオン電流検出回路を接続する。そして、イオンを含む流体１３５を活性層５８０の上方から開口部５８１に通流させる。この結果、開口部５８１を通過する間に流体１３５の流れが層流となり、支持層５６０を通過する間にイオンが分類され、イオン検出電極５９０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。

第５の実施形態によっても、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ（支持層５６０）の奥行き方向と平行になる。従って、イオン検出電極５９０に導くべきイオンの支持層５６０の側面への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

また、第５の実施形態に係るイオン検出装置５００はＳＯＩ基板を用いて、イオンフィルタの電極間の距離を狭くすることが容易で、かつ、イオンフィルタの開口面積を広くすることができる。従って、より大きな検出信号を得やすく、ガスの検出感度を向上することができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。図１６は、第６の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。図１７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第６の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図、断面図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

第６の実施形態に係るイオン検出装置６００は、図１６〜図１７に示すように、ＳＯＩ基板６５０を有する。ＳＯＩ基板６５０は、第５の実施形態における絶縁層５７０及び活性層５８０に代えて、ＳｉＯ_２の絶縁層６７０及び導電性を具備したＳｉの活性層６８０を含む。絶縁層６７０の中央部に複数の矩形の開口部６７１が並んで形成され、活性層６８０の中央部に複数の矩形の開口部６８１が並んで形成されている。例えば、開口部６７１及び開口部６８１は平面視で開口部５６１に重なるように形成されている。絶縁層６７０は絶縁体の一例であり、活性層６８０は流体調整部の一例である。他の構成は第５の実施形態と同様である。

第６の実施形態によっても、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ（支持層５６０）の奥行き方向と平行になる。従って、イオン検出電極５９０に導くべきイオンの支持層５６０の側面への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

更に、第６の実施形態では、開口部６７１及び開口部６８１が平面視で開口部５６１に重なるように形成されているため、流体１３５の流れの平行化及び中央への集中の効果が高い。従って、より一層イオンの損失を低減し、より大きな検出信号を得やすく、ガスの検出感度を向上することができる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。図１８は、第７の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。図１９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第７の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す上面図、断面図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

第７の実施形態に係るイオン検出装置７００は、図１８〜図１９に示すように、ＳＯＩ基板７５０を有する。ＳＯＩ基板７５０は、第５の実施形態における絶縁層５７０及び活性層５８０に代えて、ＳｉＯ_２の絶縁層７７０及び導電性を具備したＳｉの活性層７８０を含む。絶縁層７７０の中央部に、平面視で蛇行する開口部７７１が形成され、活性層７８０の中央部に、平面視で蛇行する開口部７８１が形成されている。例えば、開口部７７１及び開口部７８１は平面視で開口部５６１と一致する形成されている。絶縁層７７０は絶縁体の一例であり、活性層７８０は流体調整部の一例である。他の構成は第５の実施形態と同様である。

第７の実施形態によっても、流体１３５の流れの方向は、イオンフィルタ（支持層５６０）の奥行き方向と平行になる。従って、イオン検出電極５９０に導くべきイオンの支持層５６０の側面への衝突の頻度を著しく低減することができる。このため、イオンの量に対応する適切な大きさの電流を得ることができ、イオンの源となるガスを高感度で検出することができる。

更に、第７の実施形態では、開口部７７１及び開口部７８１が平面視で開口部５６１と一致するように形成されているため、流体１３５の流れの平行化及び中央への集中の効果が高く、また、イオン検出電極５９０まで到達するイオンの量が第６の実施形態よりも多くなる。従って、より一層イオンの損失を低減し、より大きな検出信号を得やすく、ガスの検出感度を向上することができる。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について説明する。図２０は、第８の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す分解斜視図である。図２１は、第８の実施形態に係るイオン検出装置の構成を示す断面図である。

第８の実施形態に係るイオン検出装置８００は、第５の実施形態におけるＳＯＩ基板５５０及びイオン検出電極５９０を有する。イオン検出電極５９０は回路基板８１０に含まれている。回路基板８１０上にポゴピン８３０によりＳＯＩ基板５５０が取り付けられている。支持層５６０（イオンフィルタ）には、ポゴピン８３０を介して回路基板８１０から制御電圧が供給される。また、活性層５８０上にチップホルダ８２０が取り付けられている。チップホルダ８２０には、開口部５８１よりも大きい開口部８２１が形成されている。例えば、チップホルダ８２０は導電性であり、チップホルダ８２０は導電性ペーストにより活性層５８０に接着されている。活性層５８０には、チップホルダ８２０から電位を供給できる。

ここで、測定例について説明する。この測定例では、イオナイザによりガスをイオン化し、これを種々の条件下で測定した。この結果を表１に示す。なお、この測定例では、第５の実施形態と同様の形態にイオンフィルタの平面形状は櫛歯状とした。

イオンフィルタの電圧を０Ｖにするとイオンはイオンフィルタに衝突しやすい。従って、イオンフィルタの両電極にイオンと同じ極性の電位を、電極間に電位差がつくように印加することが好ましい。また、流体調整部にも、イオンと同じ極性の電位を印加することが好ましい。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ イオン検出装置
１１０、３１０ イオンフィルタ
１１１、３１１ 第１の電極
１１２、３１２ 第２の電極
１２０、５９０ イオン検出電極
１３０、４３０ 流体調整部
１３１、４３１ 第１の電極
１３２、４３２ 第２の電極
１３５ 流体
２４０、４４０ 絶縁体
５５０、６５０ ＳＯＩ基板
５６０ 支持層
５６１ 開口部
５７０、６７０、７７０ 絶縁層
５７１、６７１、７７１ 開口部
５８０、６８０、７８０ 活性層
５８１、６８１、７８１ 開口部
８１０ 回路基板
８２０ チップホルダ
８２１ 開口部
８３０ ポゴピン

特開２０１４−１９４４２７号公報

Claims (10)

1. 対向する第１の電極及び第２の電極を有し、通過するイオンの移動度を制御するイオンフィルタと、
   前記イオンフィルタを通過したイオンが接触し、該接触した強さに応じた電気特性値を出力する出力部と、
   前記イオンフィルタに導入されるイオンを含む流体の流れを調整する流体調整部と、
   を有することを特徴とする検出装置。
2. 前記流体調整部は、前記流体の流れのレイノルズ数を、当該流体調整部に供給されたときよりも低下させて前記イオンフィルタに供給することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記流体調整部は、前記流体の流れを層流にして前記流体を前記イオンフィルタに供給することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
4. 前記流体調整部が導電性であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出装置。
5. 前記流体調整部と前記イオンフィルタとの間に絶縁体を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検出装置。
6. 前記流体調整部における前記流体の流路の断面積よりも、前記イオンフィルタにおける前記流体の流路の断面積が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 前記流体調整部における前記流体の流路は、前記イオンフィルタから離間するほど広がっていることを特徴とする請求項６に記載の検出装置。
8. 前記流体調整部、前記絶縁体、前記イオンフィルタが層状に積層されており、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、櫛歯状に形成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の検出装置。
9. 前記流体調整部及び前記絶縁体に、積層方向に貫通する複数の開口部が形成され、
   前記複数の開口部の各々は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の間隙と重なることを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
10. 前記流体調整部及び前記絶縁体は、櫛歯状に形成され、
    前記流体調整部及び前記絶縁体は、積層方向において前記第１の電極及び前記第２の電極は前記流体調整部及び前記絶縁体と重なり合うこと特徴とする請求項８に記載の検出装置。

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