JP2022091471A - イオン生成装置およびイオン移動度分析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電子放出素子を用いてプラスイオンを生成することができるイオン生成装置を提供する。【解決手段】電子放出素子２と、対向電極６と、制御部７とを備え、電子放出素子は、下部電極３と、表面電極５と、下部電極と表面電極との間に配置された中間層４とを備え、対向電極は、表面電極と対向するように配置され、制御部は、プラスイオンモードにおいて表面電極の電位が下部電極の電位および対向電極の電位よりも高くなるように表面電極、下部電極又は対向電極に電圧を印加するように設けられる。【選択図】図１
Description
本発明は、イオン生成装置およびイオン移動度分析装置に関する。
電子放出素子は低エネルギー電子の放出が可能なイオン源であり、放出した低エネルギー電子の付着により、対象の物質をマイナスイオン化することができる。このような電子放出素子を利用したイオン発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このイオン発生装置では、プラスイオンを発生させるために針電極と平板電極の間に高圧の電圧を印加しコロナ放電を発生させている。
電子放出素子から放出された低エネルギー電子の付着ではプラスイオンが生成しないため、マイナスイオン化とプラスイオン化の両方を必要とする分析装置（例えばイオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）など）のイオン源として用いる場合は、プラスイオン化が可能なイオン源（例えば、放射線源、コロナ放電、ＵＶ光源など）と組みわせる必要があり、装置が大型化してしまうという課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電子放出素子を用いてプラスイオンを生成することができるイオン生成装置を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電子放出素子を用いてプラスイオンを生成することができるイオン生成装置を提供する。
本発明は、電子放出素子と、対向電極と、制御部とを備え、前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層とを備え、前記対向電極は、前記表面電極と対向するように配置され、前記制御部は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位および前記対向電極の電位よりも高くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられたことを特徴とするイオン生成装置を提供する。
表面電極の電位が下部電極の電位よりも高くなるように制御部が表面電極又は下部電極に電圧を印加することにより、下部電極から表面電極に向かって電子が流れ、表面電極から電子が放出される。また、表面電極と下部電極の間の電位差を十分大きくすることにより、表面電極から放出される電子が第１気体成分のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーを有することができ、表面電極近傍の第１気体成分をプラスイオン化することができる。
表面電極の電位が対向電極の電位よりも高くなるように制御部が表面電極又は対向電極に電圧を印加することにより、表面電極近傍で生成したプラスイオンが対向電極に向かって移動することができる。このことにより、表面電極近傍において、プラスイオンが表面電極に回収されることや電子放出素子から放出された電子などがプラスイオンに付着しプラスイオンが中性化することを抑制することができ、表面電極と対向電極との間に移動したプラスイオンを分析対象などとして利用することができる。また、生成したプラスイオンが第２気体成分にプラスの電荷を渡し、第２気体成分をプラスイオン化することができる。
表面電極の電位が対向電極の電位よりも高くなるように制御部が表面電極又は対向電極に電圧を印加することにより、表面電極近傍で生成したプラスイオンが対向電極に向かって移動することができる。このことにより、表面電極近傍において、プラスイオンが表面電極に回収されることや電子放出素子から放出された電子などがプラスイオンに付着しプラスイオンが中性化することを抑制することができ、表面電極と対向電極との間に移動したプラスイオンを分析対象などとして利用することができる。また、生成したプラスイオンが第２気体成分にプラスの電荷を渡し、第２気体成分をプラスイオン化することができる。
本発明のイオン生成装置は、電子放出素子と、対向電極と、制御部とを備え、前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層とを備え、前記対向電極は、前記表面電極と対向するように配置され、前記制御部は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位および前記対向電極の電位よりも高くなるように前記表面電極、前記下部電極及び前記対向電極に電圧を印加するように設けられたことを特徴とする。
前記制御部は、プラスイオンモードにおいて表面電極と対向電極との間の気体成分のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が電子放出素子から放出されるように下部電極と表面電極との間に電圧を印加するように設けられることが好ましい。この放出された電子が表面電極の近傍の気体成分に衝突することにより、気体成分から１個の電子を取り去ることができ、気体成分のプラスイオンを生成することができる。
前記制御部は、プラスイオンモードにおいて下部電極と表面電極との間に１６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられることが好ましい。このことにより、表面電極と対向電極との間にプラスイオンを生成することができる。
前記制御部は、プラスイオンモードにおいて下部電極と表面電極との間に１６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられることが好ましい。このことにより、表面電極と対向電極との間にプラスイオンを生成することができる。
前記制御部は、マイナスイオンを生成するマイナスイオンモードにおいて表面電極の電位が下部電極の電位よりも高く対向電極の電位よりも低くなるように表面電極、下部電極又は対向電極に電圧を印加するように設けられる。また、前記制御部は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えることができるように設けられることが好ましい。このことにより、イオン生成装置を用いて、マイナスイオンとプラスイオンの両方を生成することができる。
前記制御部は、マイナスイオンモードにおいて下部電極と表面電極との間に６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられることが好ましい。このことにより、表面電極と対向電極との間にマイナスイオンを生成することができる。
前記制御部は、マイナスイオンモードにおいて下部電極と表面電極との間に６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられることが好ましい。このことにより、表面電極と対向電極との間にマイナスイオンを生成することができる。
本発明は、本発明のイオン生成装置と、イオン検出器と、電界形成用電極とを備えたイオン移動度分析装置も提供する。前記イオン検出器及び前記制御部は、前記イオン検出器がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられる。
前記制御部は、ＩＭＳスペクトルに現れる基準ピークが所定の高さ又は所定の面積となるように下部電極と表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられることが好ましい。このことにより、ＩＭＳスペクトルのピーク面積又はピーク高さに基づき試料ガスを定量分析することが可能になる。
前記制御部は、ＩＭＳスペクトルに現れる基準ピークが所定の高さ又は所定の面積となるように下部電極と表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられることが好ましい。このことにより、ＩＭＳスペクトルのピーク面積又はピーク高さに基づき試料ガスを定量分析することが可能になる。
前記制御部は、プラスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れる第１基準ピークの高さ又は面積と、マイナスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れる第２基準ピークの高さ又は面積とが実質的に同じになるように下部電極と表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられることが好ましい。このことにより、プラスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れるピークと、マイナスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れるピークとを用いて、定性分析や定量分析を行うことが可能になる。
前記制御部は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替える際、表面電極の電位を極性が逆で絶対値が実質的に等しい電位に変更し、下部電極の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更するように設けられることが好ましい。このことにより、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖに維持したままマイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えることができる。また、下部電極の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更することにより、電子放出素子から電子が放出されなくなることを防止することができる。
前記制御部は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替える際、表面電極の電位を極性が逆で絶対値が実質的に等しい電位に変更し、下部電極の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更するように設けられることが好ましい。このことにより、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖに維持したままマイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えることができる。また、下部電極の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更することにより、電子放出素子から電子が放出されなくなることを防止することができる。
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
第１実施形態
図１はプラスイオンモードのイオン生成装置の概略断面図であり、図２はマイナスイオンモードのイオン生成装置の概略断面図である。
本実施形態のイオン生成装置３０は、電子放出素子２と、対向電極６と、制御部７とを備える。電子放出素子２は、下部電極３と、表面電極５と、下部電極３と表面電極５との間に配置された中間層４とを備える。対向電極６は、表面電極５と対向するように配置される。制御部７は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位および対向電極６の電位よりも高くなるように表面電極５、下部電極３又は対向電極６に電圧を印加するように設けられる。
図１はプラスイオンモードのイオン生成装置の概略断面図であり、図２はマイナスイオンモードのイオン生成装置の概略断面図である。
本実施形態のイオン生成装置３０は、電子放出素子２と、対向電極６と、制御部７とを備える。電子放出素子２は、下部電極３と、表面電極５と、下部電極３と表面電極５との間に配置された中間層４とを備える。対向電極６は、表面電極５と対向するように配置される。制御部７は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位および対向電極６の電位よりも高くなるように表面電極５、下部電極３又は対向電極６に電圧を印加するように設けられる。
イオン生成装置３０は、表面電極５と対向電極６との間の空間（空気中、気体中、減圧雰囲気中など）にイオンを生成する装置である。イオン生成装置３０は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードを有する。また、イオン生成装置３０は、マイナスイオンイオンを生成するマイナスイオンモードイオンモードを有することができる。また、イオン生成装置３０は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。
イオン生成装置３０は、イオン移動度分析装置に組み込まれていてもよい。
イオン生成装置３０は、イオン移動度分析装置に組み込まれていてもよい。
電子放出素子２は、表面電極５の電子放出領域から空気中、気体中、減圧雰囲気中などに電子を放出する素子である。電子放出素子２は、下部電極３と、表面電極５と、下部電極３と表面電極５との間に配置された中間層４とを有する。また、電子放出素子２は、電子放出領域を規定する絶縁層を有することができる。
下部電極３は、中間層４の下側に位置する電極である。下部電極３は、金属基板であってもよく、絶縁性基板（又は半導体基板）上に設けられた導電材料層（金属層、導電体層など）であってもよい。
下部電極３が金属基板からなる場合、下部電極３は、例えば、アルミニウム板、ステンレス鋼板、ニッケル板などである。下部電極３の厚さは、好ましくは２００μｍ以上１ｍｍ以下である。
下部電極３が導電材料層であり絶縁性基板（又は半導体基板）上に設けられる場合、基板は、例えば、ガラス基板、樹脂基板、セラミックス基板などである。基板の厚さは、好ましくは２００μｍ以上２ｍｍ以下である。
下部電極３が金属基板からなる場合、下部電極３は、例えば、アルミニウム板、ステンレス鋼板、ニッケル板などである。下部電極３の厚さは、好ましくは２００μｍ以上１ｍｍ以下である。
下部電極３が導電材料層であり絶縁性基板（又は半導体基板）上に設けられる場合、基板は、例えば、ガラス基板、樹脂基板、セラミックス基板などである。基板の厚さは、好ましくは２００μｍ以上２ｍｍ以下である。
下部電極３が導電材料層である場合、下部電極３は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、めっき、ＣＶＤ法などにより基板上に形成することができる。下部電極３は、単層電極であってもよく、積層電極であってもよい。下部電極３は、例えば、アルミニウム層、金層、銅層などを含むことができる。また、下部電極３は、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ積層電極であってもよい。下部電極３の厚さは、好ましくは２００ｎｍ以上１μｍ以下である。
絶縁層は、下部電極３上に設けられる絶縁体からなる層である。例えば、下部電極３がアルミニウム基板である場合、絶縁層は、アルミニウム基板の酸化皮膜であってもよい。例えば、基板上に下部電極３を設けている場合、絶縁層は、例えば、窒化シリコン層（ＳｉＮ層）、酸化シリコン層（ＳｉＯ2層）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）、酸化アルミニウム層（Ａｌ2Ｏ3層）などである。絶縁層の厚さは、好ましくは、０．５μｍ以上２μｍ以下である。絶縁層は、例えば、フォトリソグラフィ法、スパッタリング又はＣＶＤ法を用いて形成することができる。
絶縁層は、電子放出領域となる開口を有する。電子放出領域は、下部電極３と表面電極５との間に生じさせた不均一電界により電子が下部電極３から表面電極５に向かって中間層４を流れ表面電極５から電子が外部へと放出される領域である。この開口中に中間層４が設けられる。このことにより、開口と重なる中間層４の領域にだけ電流が流れることができ、絶縁層の開口と重なる表面電極５の領域から電子を放出させることができる。従って、絶縁層の開口により電子放出領域を定めることができる。
中間層４は、下部電極３上に設けられる。中間層４は、表面電極５と下部電極３との電位差により形成される不均一電界により電流が流れる層である。中間層４は、例えば、導電性微粒子を分散状態で有する絶縁性樹脂層である。
中間層４に含まれる導電性微粒子は、例えば、金、銀、白金、又はパラジウムのような導電性を有する金属粒子を用いてもよい。また、金属粒子以外の導電性材料としては、カーボン、導電性高分子、及び／又は半導電性材料を用いてもよい。中間層４に含まれる絶縁性樹脂は、例えば、シラノール（Ｒ3－Ｓｉ－ＯＨ）を縮合重合したシリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエステルなどである。導電性微粒子は、絶縁性樹脂中に分散しているが、導電性微粒子の一部は凝集していてもよい。中間層４において、導電性微粒子の含有量は、適宜変更することができる。導電性微粒子の含有量を変更することで、中間層の抵抗値を調整することができる。
中間層４に含まれる導電性微粒子は、例えば、金、銀、白金、又はパラジウムのような導電性を有する金属粒子を用いてもよい。また、金属粒子以外の導電性材料としては、カーボン、導電性高分子、及び／又は半導電性材料を用いてもよい。中間層４に含まれる絶縁性樹脂は、例えば、シラノール（Ｒ3－Ｓｉ－ＯＨ）を縮合重合したシリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエステルなどである。導電性微粒子は、絶縁性樹脂中に分散しているが、導電性微粒子の一部は凝集していてもよい。中間層４において、導電性微粒子の含有量は、適宜変更することができる。導電性微粒子の含有量を変更することで、中間層の抵抗値を調整することができる。
中間層４の厚さは、限定されないが、好ましくは、０．５μｍ以上２．０μｍ以下であり、より好ましくは０．７５μｍ以上１．５μｍ以下である。このことにより、下部電極３と表面電極５との間に比較的低い電圧を印加して電子放出素子２から電子を放出させることができ、かつ、電子放出素子２の寿命特性を向上させることができる。
中間層４は、例えば、スピンコート法、ドクターブレード法、スプレー法、又はディッピング法のような塗布方法によって形成される。
中間層４の作成方法の一例を説明する。まず、樹脂であるシリコーン樹脂３ｇと、導電性微粒子であるＡｇナノ粒子０．０３ｇとが試薬瓶に入れられて混合される。その結果、シリコーン樹脂とＡｇナノ粒子との混合液が調製される。次に、超音波振動器を用いて、試薬瓶に入れた混合液がさらに攪拌されることで、塗布液が調製される。塗布液の粘度は、好ましくは、０．８～１５ｍＰａ・ｓである。塗布液中の樹脂成分比率は、好ましくは、１０～７０ｗｔ％程度である。塗布液は、下部電極３上に塗布された後、大気中の湿気によって縮合重合してシリコーン樹脂となり、中間層４を形成する。
中間層４の作成方法の一例を説明する。まず、樹脂であるシリコーン樹脂３ｇと、導電性微粒子であるＡｇナノ粒子０．０３ｇとが試薬瓶に入れられて混合される。その結果、シリコーン樹脂とＡｇナノ粒子との混合液が調製される。次に、超音波振動器を用いて、試薬瓶に入れた混合液がさらに攪拌されることで、塗布液が調製される。塗布液の粘度は、好ましくは、０．８～１５ｍＰａ・ｓである。塗布液中の樹脂成分比率は、好ましくは、１０～７０ｗｔ％程度である。塗布液は、下部電極３上に塗布された後、大気中の湿気によって縮合重合してシリコーン樹脂となり、中間層４を形成する。
表面電極５は、電子放出素子２の表面に位置する電極であり、中間層４上及び絶縁層上に配置される。表面電極５は、例えば、Ａｕ層から構成される単層電極、Ｐｔ層から構成される単層電極又はＡｕ層とＰｔ層から構成される積層電極である。
表面電極５は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。また、表面電極５の材質は、全体としては過剰な破壊が防止されるように、例えば、金、白金などの金属材料、半導体、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、カーボン等のように電気伝導性の高い複数の導電性材料である。また、表面電極５は、複数の金属層から構成されてもよい。
表面電極５は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。また、表面電極５の材質は、全体としては過剰な破壊が防止されるように、例えば、金、白金などの金属材料、半導体、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、カーボン等のように電気伝導性の高い複数の導電性材料である。また、表面電極５は、複数の金属層から構成されてもよい。
表面電極５の厚さが、４０ｎｍ以上の場合であっても、表面電極５は、複数の開口、すき間、及び／又は、１０ｎｍ以下の厚さに薄くなった部分を有してもよい。中間層４から流れてきた電子がこの開口、すき間、及び／又は、薄くなった部分を通過又は透過することができ、表面電極５から電子を放出することができる。このような開口、すき間、及び／又は、薄くなった部分は、一般的なパターニング処理を伴った薄膜形成処理（スパッタ法、蒸着法）を、表面電極５を構成する金属に施すことによっても形成される。また、表面電極５から放出された電子により、プラスイオン又はマイナスイオンが生成される。
対向電極６は、電子放出素子２の表面電極５と対向電極６との間に電界を形成するための電極である。この電界により、表面電極５の近傍で生成されたプラスイオン又はマイナスイオンが対向電極６へ向けて移動し、プラスイオン又はマイナスイオンが中性化することを抑制することができる。対向電極６は、表面電極５と対向するように配置される。対向電極６は、金属板であってもよく、金属層であってもよく、導電体層であってもよく、金属メッシュ電極であってもよい。
制御部７は、イオン生成装置３０を制御するための部分である。また、制御部７は、イオン生成装置３０が組み込まれた装置（例えば、イオン移動度分析装置）を制御するための部分であってもよい。制御部７は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、タイマー、入出力ポートなどを有するマイクロコントローラを含むことができる。また、制御部７は、電源部、電位制御回路などを含むことができる。
制御部７は、表面電極５と対向電極６との間の空間にプラスイオンを生成するようにイオン生成装置３０を制御することができる（プラスイオンモード）。
制御部７は、プラスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなるように表面電極５又は下部電極３に電圧を印加する。このことにより、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５の電子放出領域から電子が放出される。
また、制御部７は、プラスイオンモードにおいて表面電極５と対向電極６との間の気体成分のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が電子放出素子２から放出されるように下部電極３と表面電極５との間に電圧を印加することができる。この放出された電子が表面電極５の近傍の気体成分に衝突することにより、気体成分から１個の電子を取り去ることができ、気体成分のプラスイオンを生成することができる。
制御部７は、プラスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなるように表面電極５又は下部電極３に電圧を印加する。このことにより、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５の電子放出領域から電子が放出される。
また、制御部７は、プラスイオンモードにおいて表面電極５と対向電極６との間の気体成分のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が電子放出素子２から放出されるように下部電極３と表面電極５との間に電圧を印加することができる。この放出された電子が表面電極５の近傍の気体成分に衝突することにより、気体成分から１個の電子を取り去ることができ、気体成分のプラスイオンを生成することができる。
電界電子放出の場合、下部電極３と表面電極５との間に印加した電圧Ｘ（Ｖ）（素子駆動電圧）から表面電極５の金の仕事関数（５．３ｅＶ）を引いた値（Ｘ－５．３）ｅＶが放出電子の最大エネルギーになると考えられる。
例えば、表面電極５と対向電極６との間に空気が存在する場合、制御部７は、窒素ガスのイオン化エネルギー、酸素ガスのイオン化エネルギー、水のイオン化エネルギー、アルゴンのイオン化エネルギー又は二酸化炭素のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が電子放出素子２から放出されるように下部電極３と表面電極５との間に電圧Ｘ（Ｖ）を印加する。
例えば、電子放出素子２から放出された電子により、表面電極５の近傍で水のプラスイオン（例えば、Ｈ3Ｏ+）が生成する場合、水のイオン化エネルギーは１２．６ｅＶであるため、（１２．６＋５．３）＝１７．９Ｖよりも高い電圧を下部電極３と表面電極５との間に印加する。
例えば、電子放出素子２から放出された電子により、表面電極５の近傍で水のプラスイオン（例えば、Ｈ3Ｏ+）が生成する場合、水のイオン化エネルギーは１２．６ｅＶであるため、（１２．６＋５．３）＝１７．９Ｖよりも高い電圧を下部電極３と表面電極５との間に印加する。
例えば、表面電極５と対向電極６との間にアンモニアが存在し、放出電子により表面電極５の近傍でアンモニアイオン（プラスイオン）を生成する場合、制御部７は、アンモニアのイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が電子放出素子２から放出されるように下部電極３と表面電極５との間に電圧Ｘ（Ｖ）を印加する。アンモニアのイオン化エネルギーは１０．１ｅＶであるため、（１０．１＋５．３）＝１５．４Ｖよりも高い電圧を下部電極３と表面電極５との間に印加する。従って、プラスイオンモードにおいて、下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧は、１６Ｖ以上６０Ｖ以下とすることができき、好ましくは２０Ｖ以上４０Ｖ以下とすることができる。
また、イオン生成装置３０は、ペニングイオン化によりプラスイオンを生成してもよい。この場合、表面電極５の近傍に中性の原子又は分子（例えばＨｅ）が存在するようにイオン生成装置３０が構成される。電子放出素子２の表面電極５から中性の原子または分子に電子を放出することで準安定な励起状態とし、それが対象の物質と衝突することでイオン化が起こる。
A* + B → A + B+ + e-、ここでA*はAの電子励起状態、Bは原子あるいは分子、e- は電子である。
例えば、ペニングイオン化に用いる中性原子としてＨｅを用いる場合は、電子放出素子から放出する電子のエネルギーは２０Ｖ以上とすることが好ましい。
A* + B → A + B+ + e-、ここでA*はAの電子励起状態、Bは原子あるいは分子、e- は電子である。
例えば、ペニングイオン化に用いる中性原子としてＨｅを用いる場合は、電子放出素子から放出する電子のエネルギーは２０Ｖ以上とすることが好ましい。
制御部７は、プラスイオンモードにおいて表面電極５の電位が対向電極６の電位よりも高くなるように表面電極５又は対向電極６に電圧を印加する。この電圧を印加することにより生じる電界により、表面電極５の近傍で生成したプラスイオンが対向電極６に向けて移動し、放出電子により生成したマイナスイオン及び放出電子は表面電極５に向けて移動する。従って、プラスイオンと、マイナスイオン及び電子とを分離することができ、プラスイオンが中性化することを抑制することができる。この結果、表面電極５と対向電極６との間の空間にプラスイオンを生成することができる。また、プラスイオンが他の気体成分にプラスの電荷を渡し、他の気体成分のプラスイオンも生成することができる。
例えば、図１に示したように、表面電極５をグラウンドに接続して０Ｖとし、電源部１２（制御部７）により下部電極３及び対向電極６に電圧を印加して下部電極３を－２０Ｖとし、対向電極６を－５００Ｖとすることができる。この場合、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５から放出される。放出電子は、表面電極５の近傍の気体分子（又は気体原子）Ｘに衝突し（電子衝突）、Ｘ+を生成する。また、表面電極５と対向電極６との間の電界により、Ｘ+は対向電極６に向けて移動し、電子は表面電極５へと流れる。
制御部７は、表面電極５と対向電極６との間の空間にマイナスイオンを生成するようにイオン生成装置３０を制御することができる（マイナスイオンモード）。
制御部７は、マイナスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなるように表面電極５又は下部電極３に電圧を印加する。このことにより、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５の電子放出領域から電子が放出される。マイナスイオンモードにおいて、下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧（素子駆動電圧）は、６Ｖ以上６０Ｖ以下とすることができ、好ましくは１０Ｖ以上２０Ｖ以下とすることができる。下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧で電子が加速されるときに電子が得るエネルギーを金の仕事関数よりも大きくすることにより、表面電極５の電子放出領域から電子を放出させることができる。放出電子は、表面電極５の近傍の気体分子（又は気体原子）に付着し（電子付着現象（非解離性電子付着、解離性電子付着））、気体分子のマイナスイオン（又は気体原子のマイナスイオン）が生成される。
制御部７は、マイナスイオンモードにおいて表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなるように表面電極５又は下部電極３に電圧を印加する。このことにより、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５の電子放出領域から電子が放出される。マイナスイオンモードにおいて、下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧（素子駆動電圧）は、６Ｖ以上６０Ｖ以下とすることができ、好ましくは１０Ｖ以上２０Ｖ以下とすることができる。下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧で電子が加速されるときに電子が得るエネルギーを金の仕事関数よりも大きくすることにより、表面電極５の電子放出領域から電子を放出させることができる。放出電子は、表面電極５の近傍の気体分子（又は気体原子）に付着し（電子付着現象（非解離性電子付着、解離性電子付着））、気体分子のマイナスイオン（又は気体原子のマイナスイオン）が生成される。
制御部７は、マイナスイオンモードにおいて表面電極５の電位が対向電極６の電位よりも低くなるように表面電極５又は対向電極６に電圧を印加する。この電圧を印加することにより生じる電界により、表面電極５の近傍で生成したマイナスイオンが対向電極６に向けて移動する。このことにより、表面電極５と対向電極６との間の空間にマイナスイオンを生成することができる。また、マイナスイオンが他の気体成分にマイナスの電荷を渡し、他の気体成分のマイナスイオンも生成することができる。
なお、マイナスイオンモードでは、表面電極５の近傍においてプラスイオンが生成したとしても、電界により表面電極５に向けて移動するため、放出電子がプラスイオンに付着しプラスイオンが中性化すると考えられる。
なお、マイナスイオンモードでは、表面電極５の近傍においてプラスイオンが生成したとしても、電界により表面電極５に向けて移動するため、放出電子がプラスイオンに付着しプラスイオンが中性化すると考えられる。
例えば、図２に示したように、表面電極５をグラウンドに接続して０Ｖとし、電源部１２（制御部７）により下部電極３及び対向電極６に電圧を印加して下部電極３を－２０Ｖとし、対向電極６を＋５００Ｖとすることができる。この場合、下部電極３から表面電極５に向かって電子が流れ、表面電極５から放出される。放出電子は、表面電極５の近傍の気体分子（又は気体原子）Ｘに付着し、Ｘ-を生成する。また、表面電極５と対向電極６との間の電界により、Ｘ-は対向電極６に向けて移動する。
制御部７は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。このことにより、１つの電子放出素子２を用いて、プラスイオンとマイナスイオンとを生成することができる。制御部７は、下部電極３、表面電極５、又は対向電極６に印加する電圧を変更することにより、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができる。
第２実施形態
第２実施形態は、第１実施形態のイオン生成装置３０が組み込まれたドリフトチューブ式イオン移動度分析装置に関する。第１実施形態で説明した制御部７は第２実施形態のイオン移動度分析装置を制御するための部分となる。また、イオン生成装置３０がプラスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もプラスイオンモードとなり、イオン生成装置３０がマイナスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もマイナスイオンモードとなる。また、イオン移動度分析装置は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。
第２実施形態は、第１実施形態のイオン生成装置３０が組み込まれたドリフトチューブ式イオン移動度分析装置に関する。第１実施形態で説明した制御部７は第２実施形態のイオン移動度分析装置を制御するための部分となる。また、イオン生成装置３０がプラスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もプラスイオンモードとなり、イオン生成装置３０がマイナスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もマイナスイオンモードとなる。また、イオン移動度分析装置は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。
図３はプラスイオンモードのイオン移動度分析装置の概略断面図であり、図４はマイナスイオンモードのイオン移動度分析装置の概略断面図である。
本実施形態のイオン移動度分析装置４０は、イオン生成装置３０と、イオン検出器８と、電界形成用電極１０ａ～１０ｈ（１０）とを備え、イオン検出器８及び制御部７は、イオン検出器８がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられる。また、イオン移動度分析装置４０では、ゲート電極１７が対向電極６となる。
本実施形態のイオン移動度分析装置４０は、イオン生成装置３０と、イオン検出器８と、電界形成用電極１０ａ～１０ｈ（１０）とを備え、イオン検出器８及び制御部７は、イオン検出器８がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられる。また、イオン移動度分析装置４０では、ゲート電極１７が対向電極６となる。
イオン移動度分析装置４０は、イオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）により試料ガスを分析する装置である。イオン移動度分析装置４０は、キャリアガスと共に筐体２０内に導入される試料ガスをイオン化するための反応室２１（電子放出素子２とゲート電極１７（対向電極６）との間）と、反応室２１で生成されたイオン（プラスイオン又はマイナスイオン）をイオンコレクタ電極９（イオン検出器８）向けて移動させ分離するためのドリフト領域２２（ゲート電極１７とイオンコレクタ電極９との間）とを有する。ドリフト領域２２は複数の環状の電界形成用電極１０ａ～１０ｈにより電位勾配（電場）が形成される領域であり、イオンはこの電位勾配によりゲート電極１７からイオンコレクタ電極９に向けて移動する。
反応室２１とドリフト領域２２とは、ゲート電極１７（格子電極）により仕切られる。また、反応室２１のゲート電極１７と逆の端には、表面電極５が反応室２１側となるように電子放出素子２が配置される。このため、ゲート電極１７は、電子放出素子２の対向電極６として機能する。また、ドリフト領域２２のゲート電極１７と逆の端には、イオンコレクタ電極９が配置される。
反応室２１とドリフト領域２２とは、ゲート電極１７（格子電極）により仕切られる。また、反応室２１のゲート電極１７と逆の端には、表面電極５が反応室２１側となるように電子放出素子２が配置される。このため、ゲート電極１７は、電子放出素子２の対向電極６として機能する。また、ドリフト領域２２のゲート電極１７と逆の端には、イオンコレクタ電極９が配置される。
試料ガスが試料入口からキャリアガスともに反応室２１に入ると、試料ガスは、電子放出素子２とゲート電極１７との間の反応室２１を通り、電子放出素子２から放出された電子に起因する電荷によりイオン化される。キャリアガスとイオン化されていないガス等はドリフトガスとともに反応室２１の側面に配置されている排気口を通って排気される。
また、イオンコレクタ電極９側のドリフトガス入口から、乾燥ガス等の不純物を取り除いたドリフトガスがイオン移動度分析装置４０の筐体２０内に導入され、ドリフト領域２２をイオンコレクタ電極９側からゲート電極１７側に向かって流れ、反応室２１に流入しキャリアガスともに排気口から排気される。ドリフトガスは乾燥窒素、あるいは、乾燥剤を通した空気であることが好ましい。また、ドリフトガスの不純物を削減するために、ドリフトガスを導入前にフィルターを通すことが好ましい。
また、イオンコレクタ電極９側のドリフトガス入口から、乾燥ガス等の不純物を取り除いたドリフトガスがイオン移動度分析装置４０の筐体２０内に導入され、ドリフト領域２２をイオンコレクタ電極９側からゲート電極１７側に向かって流れ、反応室２１に流入しキャリアガスともに排気口から排気される。ドリフトガスは乾燥窒素、あるいは、乾燥剤を通した空気であることが好ましい。また、ドリフトガスの不純物を削減するために、ドリフトガスを導入前にフィルターを通すことが好ましい。
電子放出素子２の構成については、第１実施形態で説明したため、ここでは省略する。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、表面電極５の電位が下部電極３の電位及びゲート電極１７の電位よりも高くなるように、下部電極３、表面電極５又はゲート電極１７に電圧を印加する。このように電圧を印加すると、第１実施形態で説明したように、表面電極５の近傍で生成したプラスイオンＸ+がゲート電極１７に向けて反応室２１を移動する。また、図３に示したように、反応室２１には、試料ガスＹが供給されるため、放出電子により生成したプラスイオンＸ+から試料ガスＹにプラスの電荷が移り、試料ガスがプラスイオン化する。そして、試料ガスのプラスイオンＹ+は、ゲート電極１７（対向電極６）に向かって誘導される。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、表面電極５の電位が下部電極３の電位及びゲート電極１７の電位よりも高くなるように、下部電極３、表面電極５又はゲート電極１７に電圧を印加する。このように電圧を印加すると、第１実施形態で説明したように、表面電極５の近傍で生成したプラスイオンＸ+がゲート電極１７に向けて反応室２１を移動する。また、図３に示したように、反応室２１には、試料ガスＹが供給されるため、放出電子により生成したプラスイオンＸ+から試料ガスＹにプラスの電荷が移り、試料ガスがプラスイオン化する。そして、試料ガスのプラスイオンＹ+は、ゲート電極１７（対向電極６）に向かって誘導される。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がマイナスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなり表面電極５の電位がゲート電極１７の電位よりも低くなるように下部電極３、表面電極５又はゲート電極１７に電圧を印加する。このように電圧を印加すると、第１実施形態で説明したように、表面電極５の近傍で生成したマイナスイオンＸ-がゲート電極１７に向けて反応室２１を移動する。また、図４に示したように、反応室２１には、試料ガスが供給されるため、放出電子により生成したマイナスイオンＸ-から試料ガスＹにマイナスの電荷が移り、試料ガスがマイナスイオン化する。そして、試料ガスのマイナスイオンＹ-は、ゲート電極１７（対向電極６）に向かって誘導される。
ゲート電極１７は、反応室２１とドリフト領域２２とを仕切る電極であり、反応室２１において生成したプラスイオン又はマイナスイオンのドリフト領域２２への注入をイオンとゲート電極１７との静電相互作用を利用して制御する電極である。また、ゲート電極１７は、対向電極６（誘導電極）としても機能する。
ゲート電極１７は、リング状電極であってもよく、グリッド電極であってもよく、リング状電極の開口にグリッド電極を設けた電極であってもよい。ゲート電極１７は、好ましくはグリッド電極である。ゲート電極１７は、ドリフト領域２２に電位勾配（電場）を形成する複数の環状の電界形成用電極１０ａ～１０ｈと共に一列に並べて配置することができる。
ゲート電極１７は、リング状電極であってもよく、グリッド電極であってもよく、リング状電極の開口にグリッド電極を設けた電極であってもよい。ゲート電極１７は、好ましくはグリッド電極である。ゲート電極１７は、ドリフト領域２２に電位勾配（電場）を形成する複数の環状の電界形成用電極１０ａ～１０ｈと共に一列に並べて配置することができる。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３）は、ドリフト領域２２の電位がイオンコレクタ電極９に近づくにつれ徐々に電位が低くなるように電界形成用電極１０ａ～１０ｈに電圧を印加する。この電圧印加により生じる電界により、ゲート電極１７を通過したプラスイオンがドリフト領域２２をイオンコレクタ電極９に向けて移動することができる。例えば、図３に示したように、イオンコレクタ電極９の電位を０Ｖとし、ゲート電極１７の電位（オープン時）を＋２５００Ｖとし、表面電極５の電位を＋３０００Ｖとし、下部電極３の電位を＋２９８０Ｖとすることができる。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がマイナスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３）は、ドリフト領域２２の電位がイオンコレクタ電極９に近づくにつれ徐々に電位が高くなるように電界形成用電極１０ａ～１０ｈに電圧を印加する。この電圧印加により生じる電界により、ゲート電極１７を通過したマイナスイオンがドリフト領域２２をイオンコレクタ電極９に向けて移動することができる。例えば、図４に示したように、イオンコレクタ電極９の電位を０Ｖとし、ゲート電極１７の電位（オープン時）を－２５００Ｖとし、表面電極５の電位を－３０００Ｖとし、下部電極３の電位を－３０２０Ｖとすることができる。
ゲート電極１７は制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）と電気的に接続することができ、制御部７は、ゲート電極１７の電位を変化させてゲート電極１７のオープン状態とクローズ状態とを切り替えることができるようにゲート電極１７の電位を制御する。
例えば、ゲート電極１７の電位が低い場合、反応室２１のマイナスイオンは、静電相互作用によりゲート電極１７に近づくことができず（マイナスイオンにはゲート電極１７から反発する向きの力が働く）、ゲート電極１７を通過することはできない。また、ゲート電極１７の電位が低い場合、反応室２１のプラスイオンは、ゲート電極１７に吸い寄せられるように移動し接触することで、プラスイオンの電荷がゲート電極１７へと移動しプラスイオンが中性化する。このため、プラスイオンはゲート電極１７を通過することはできない。このため、ゲート電極１７はクローズ（低電位側クローズ）となる。
例えば、ゲート電極１７の電位が高い場合、反応室２１のマイナスイオンは、ゲート電極１７に吸い寄せられるように移動し接触することで、マイナスイオンの電荷がゲート電極１７へと移動しマイナスイオンが中性化する。このため、マイナスイオンはゲート電極１３を通過することができない。また、ゲート電極１７の電位が高い場合、反応室２１のプラスイオンは、静電相互作用によりゲート電極１７に近づくことができず（プラスイオンにはゲート電極１７から反発する向きの力が働く）、ゲート電極１７を通過することはできない。このため、ゲート電極１７はクローズ（高電位側クローズ）となる。
例えば、ゲート電極１７の電位が低電位側クローズと高電位側クローズの中間である場合、反応室２１のプラスイオン又はマイナスイオンはゲート電極１７を通過することができ、ゲート電極１７はオープンとなる。
例えば、ゲート電極１７の電位が低電位側クローズと高電位側クローズの中間である場合、反応室２１のプラスイオン又はマイナスイオンはゲート電極１７を通過することができ、ゲート電極１７はオープンとなる。
制御部７（電位制御回路１３）を用いて、ゲート電極１７が高電位側クローズ→オープン→低電位側クローズと瞬間的に変化するように、又はゲート電極１７が低電位側クローズ→オープン→高電位側クローズと瞬間的に変化するように、ゲート電極１７の電位を変化させると、ゲート電極１７をごく短い時間だけオープンとすることができ、反応室２１のマイナスイオン又はプラスイオンをこの短い時間にだけドリフト領域２２に注入することができる。従って、反応室２１のマイナスイオン又はプラスイオンを単発パルス状にドリフト領域２２に注入することができる。
ゲート電極１７によりドリフト領域２２に注入されたマイナスイオン又はプラスイオンは、電界形成用電極１０ａ～１０ｈにより形成される電位勾配によりドリフト領域２２をイオンコレクタ電極９へと向かって移動し、イオンコレクタ電極９へ到達する。そして、マイナスイオン又はプラスイオンは、イオンコレクタ電極９に電荷を受け渡し中性化する。
また、イオン検出器８（検出回路１５）及び制御部７は、イオンコレクタ電極９が電荷を受け取ることにより生じる電流を測定し、ＩＭＳスペクトルとして出力する。具体的には、ゲート電極１７を瞬間的にオープンにしてからイオンがイオンコレクタ電極９に到達するまでのイオンの飛行時間を横軸に、信号強度（電流量、ＩＭＳ強度）を縦軸にプロットすることによりイオン移動度スペクトル（ＩＭＳスペクトル）が得られる。
イオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードの場合、プラスイオンがイオンコレクタ電極９に到達し、プラスの電荷をイオンコレクタ電極９に渡す。また、イオン移動度分析装置４０がマイナスイオンモードの場合、マイナスイオンがイオンコレクタ電極９に到達し、マイナスの電荷をイオンコレクタ電極９に渡す。このため、プラスイオンモードとマイナスイオンモードでは、検出回路１５に流れる電流の向きが逆になる。このため、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替える際、イオン検出器８（検出回路１５）の正負極性を切り替える。
また、イオン検出器８（検出回路１５）及び制御部７は、イオンコレクタ電極９が電荷を受け取ることにより生じる電流を測定し、ＩＭＳスペクトルとして出力する。具体的には、ゲート電極１７を瞬間的にオープンにしてからイオンがイオンコレクタ電極９に到達するまでのイオンの飛行時間を横軸に、信号強度（電流量、ＩＭＳ強度）を縦軸にプロットすることによりイオン移動度スペクトル（ＩＭＳスペクトル）が得られる。
イオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードの場合、プラスイオンがイオンコレクタ電極９に到達し、プラスの電荷をイオンコレクタ電極９に渡す。また、イオン移動度分析装置４０がマイナスイオンモードの場合、マイナスイオンがイオンコレクタ電極９に到達し、マイナスの電荷をイオンコレクタ電極９に渡す。このため、プラスイオンモードとマイナスイオンモードでは、検出回路１５に流れる電流の向きが逆になる。このため、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替える際、イオン検出器８（検出回路１５）の正負極性を切り替える。
ドリフト領域２２においてイオンコレクタ電極９からゲート電極１７に向かって流れるドリフトガスは、ゲート電極１７からイオンコレクタ電極９へと向かって移動するプラスイオン又はマイナスイオンの抵抗となる。この抵抗の大きさ（イオンの移動度）はイオン種により異なる。一般的に移動度はイオンの衝突断面積に反比例するため、イオンの衝突断面積が大きいほどイオンがイオンコレクタ電極９に到達するためにかかる時間が長くなる。従って、ゲート電極１７によりドリフト領域２２に注入されてからイオンコレクタ電極９へと到達するまでの時間（移動時間、ピーク位置）がイオン種により異なる。このため、ゲート電極１７からドリフト領域２２に注入された複数種のイオンは、ドリフト領域２２を移動する間に分離され、時間差でイオンコレクタ電極９へ到達する。
ＩＭＳスペクトルのＩＭＳ強度（回収電流）はイオンコレクタ電極９に到達したイオン量に対応するため、ＩＭＳスペクトルには、各種イオンに対応するピークが現われる。そして、ピーク位置（移動時間）に基づき、イオンを特定することが可能になる。また、測定を繰り返すことにより、イオンの量の変化をモニタリングすることができる。また、ＩＭＳスペクトルに現れるピークのピーク強度（ピーク高さ）又はピーク面積がイオンの量に対応する。なお、ＩＭＳスペクトルには、キャリアガスである空気から生成したイオンのピークも現れる。
また、制御部７は、測定を繰り返すことにより得られる複数のＩＭＳスペクトルを積算平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出してもよい（平均化処理）。このことにより、安定したＩＭＳスペクトルを得ることができる。平均化するＩＭＳスペクトルの数は特に限定されないが、好ましくは、１０以上２００以下である。
例えば、１回の測定に要する時間が０．１秒である場合、制御部７は、測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。この場合、平均化処理に要する時間は６．４秒間となる。
また、制御部７は、測定を繰り返すことにより得られる複数のＩＭＳスペクトルを積算平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出してもよい（平均化処理）。このことにより、安定したＩＭＳスペクトルを得ることができる。平均化するＩＭＳスペクトルの数は特に限定されないが、好ましくは、１０以上２００以下である。
例えば、１回の測定に要する時間が０．１秒である場合、制御部７は、測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。この場合、平均化処理に要する時間は６．４秒間となる。
試料ガスを反応室２１に導入した後、プラスイオンモード及びマイナスイオンモードでそれぞれ測定することにより、１つの試料について、プラスイオンモードでのＩＭＳスペクトルとマイナスイオンモードでのＩＭＳスペクトルの両方を得ることができる。従って、プラスイオンモードとマイナスイオンモードを切り替えて両方のモードで分析を行うことにより、試料ガスの分析精度を向上させることができる。
制御部７は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替える際、表面電極５の電位を極性が逆で絶対値が実質的に等しい電位に変更し、下部電極３の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更するように設けることができる。このことにより、イオンコレクタ電極９の電位を０Ｖに維持したままマイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えることができる。また、下部電極３の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更することにより、電子放出素子２から電子が放出されなくなることを抑制することができる。
また、制御部７は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替える際、下部電極３の電位が表面電極５の電位よりも低くなるように下部電極３の電位及び表面電極５の電位を変更することができる。従って、マイナスイオンモードにおける下部電極３の電位の絶対値は、プラスイオンモードにおける下部電極３の電位の絶対値よりも大きくなる。
例えば、マイナスイオンモードにおいて、下部電極３と表面電極５との間の電位差が１５Ｖであり、表面電極５の電位が－３０００Ｖである場合、下部電極３の電位は－３０１５Ｖとすることができる。例えば、プラスイオンモードにおける下部電極３と表面電極５との間の電位差が３０Ｖであり、表面電極５の電位が＋３０００Ｖである場合、下部電極３の電位は＋２９７０Ｖとすることができる。
また、制御部７は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替える際、下部電極３の電位が表面電極５の電位よりも低くなるように下部電極３の電位及び表面電極５の電位を変更することができる。従って、マイナスイオンモードにおける下部電極３の電位の絶対値は、プラスイオンモードにおける下部電極３の電位の絶対値よりも大きくなる。
例えば、マイナスイオンモードにおいて、下部電極３と表面電極５との間の電位差が１５Ｖであり、表面電極５の電位が－３０００Ｖである場合、下部電極３の電位は－３０１５Ｖとすることができる。例えば、プラスイオンモードにおける下部電極３と表面電極５との間の電位差が３０Ｖであり、表面電極５の電位が＋３０００Ｖである場合、下部電極３の電位は＋２９７０Ｖとすることができる。
また、プラスイオンモードでは、空気のイオン化エネルギー以上のエネルギーを持った電子であれば空気イオンの種類は変わらない。そのため、プラスイオンが検出される２０Ｖから素子が壊れる６０Ｖまでであれば、素子駆動電圧を調整することで、感度と分解能を上げることができる。素子駆動電圧を上げることにより、プラスイオンの量が増加し、感度を上げることができる。一方、素子駆動電圧を下げることにより、ピーク幅が細くなり、分解能を上げることができる。
素子駆動電圧を調整する際、表面電極５の電位を変化させずに下部電極３の電位を変化させることができる。このことにより、表面電極５とゲート電極１７（対向電極６）との間の電位差を維持することができる。
制御部７が測定を繰り返すことにより得られる複数のＩＭＳスペクトルを積算平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出するように設けられている場合、制御部７は、平均ＩＭＳスペクトルの算出を終える毎にマイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えるように設けることができる。このことにより、試料ガスに含まれる成分から生成されるマイナスイオンとプラスイオンの両方を検出することが可能になる。
例えば、１回の測定に要する時間が０．１秒である場合、制御部７は、マイナスイオンモードでの測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。その後、制御部７は、測定モードをマイナスイオンモードからプラスイオンモードに切り替えて、プラスイオンモードでの測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。
素子駆動電圧を調整する際、表面電極５の電位を変化させずに下部電極３の電位を変化させることができる。このことにより、表面電極５とゲート電極１７（対向電極６）との間の電位差を維持することができる。
制御部７が測定を繰り返すことにより得られる複数のＩＭＳスペクトルを積算平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出するように設けられている場合、制御部７は、平均ＩＭＳスペクトルの算出を終える毎にマイナスイオンモードとプラスイオンモードとを切り替えるように設けることができる。このことにより、試料ガスに含まれる成分から生成されるマイナスイオンとプラスイオンの両方を検出することが可能になる。
例えば、１回の測定に要する時間が０．１秒である場合、制御部７は、マイナスイオンモードでの測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。その後、制御部７は、測定モードをマイナスイオンモードからプラスイオンモードに切り替えて、プラスイオンモードでの測定を６４回繰り返して得られるＩＭＳスペクトルを平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出することができる。
制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、ＩＭＳスペクトルに現れる基準ピーク（例えば、空気イオンの主ピーク）が所定の高さ又は所定の面積となるように下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧を調節するように設けられてもよい。このことにより、ＩＭＳスペクトルのピーク面積又はピーク高さに基づき試料ガスを定量分析することが可能になる。
制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、プラスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れる第１基準ピーク（例えば、空気イオンの主ピーク）の高さ又は面積と、マイナスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れる第２基準ピーク（例えば、空気イオンの主ピーク）の高さ又は面積とが実質的に同じになるように下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧を調節するように設けられてもよい。このことにより、プラスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れるピークと、マイナスイオンモードにおけるＩＭＳスペクトルに現れるピークとを用いて、定性分析や定量分析を行うことが可能になる。
また、第１実施形態のイオン生成装置についての記載は、矛盾がない限り第２実施形態のイオン移動度分析装置に含まれるイオン生成装置についても当てはまる。
また、第１実施形態のイオン生成装置についての記載は、矛盾がない限り第２実施形態のイオン移動度分析装置に含まれるイオン生成装置についても当てはまる。
第３実施形態
第３実施形態は、第１実施形態のイオン生成装置３０が組み込まれたフィールド非対称式イオン移動度分析装置（フィールド非対称方式ＩＭＳ（ＦＡＩＭＳ）で分析する分析装置）に関する。第１実施形態で説明した制御部７は第３実施形態のイオン移動度分析装置を制御するための部分となる。また、イオン生成装置３０がプラスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もプラスイオンモードとなり、イオン生成装置３０がマイナスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もマイナスイオンモードとなる。また、イオン移動度分析装置は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。
第３実施形態は、第１実施形態のイオン生成装置３０が組み込まれたフィールド非対称式イオン移動度分析装置（フィールド非対称方式ＩＭＳ（ＦＡＩＭＳ）で分析する分析装置）に関する。第１実施形態で説明した制御部７は第３実施形態のイオン移動度分析装置を制御するための部分となる。また、イオン生成装置３０がプラスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もプラスイオンモードとなり、イオン生成装置３０がマイナスイオンモードとなる場合イオン移動度分析装置もマイナスイオンモードとなる。また、イオン移動度分析装置は、プラスイオンモードとマイナスイオンモードとを切り替えることができるように設けることができる。
図５はプラスイオンモードのイオン移動度分析装置の概略断面図であり、図６はマイナスイオンモードのイオン移動度分析装置の概略断面図である。なお、プラスイオンモード及びマイナスイオンモードのイオン移動度分析装置は、図５のように、２つのイオンコレクタ電極９ａ、９ｂを有してもよく、図６のように、１つのイオンコレクタ電極９を有してもよい。
本実施形態のイオン移動度分析装置４０は、イオン生成装置３０と、イオン検出器８と、電界形成用電極１０ａ、１０ｂとを備え、イオン検出器８及び制御部７は、イオン検出器８がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられる。
本実施形態のイオン移動度分析装置４０は、イオン生成装置３０と、イオン検出器８と、電界形成用電極１０ａ、１０ｂとを備え、イオン検出器８及び制御部７は、イオン検出器８がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられる。
本実施形態のイオン移動度分析装置４０では、反応室２１において第１実施形態で説明したイオン生成器３０を用いてキャリアガスに含まれる試料ガスをイオン化し、このイオンを平行平板電極間のフィールド非対称イオン移動部２５（電界形成用電極１０ａと電界形成用電極１０ｂとの間の領域）にキャリアガスと共に流通させる。そして、フィールド非対称イオン移動部２５の下流側に配置したイオンコレクタ電極９ａ、９ｂ、９（イオン検出器８）によりフィールド非対称イオン移動部２５を移動してきたマイナスイオン又はプラスイオンを検出する。
キャリアガスとしては清浄乾燥空気が好ましい。試料入口から導入された試料ガス及びキャリアガスは反応室２１に入る。反応室２１は、電子放出素子２の表面電極５と、対向電極６との間の領域である。電子放出素子２は、筐体２０の内壁上に配置することができ、対向電極６は、電子放出素子２を配置した内壁に対向する内壁上に配置することができる。また、対向電極６は、電子放出素子２の表面電極５に対向するように配置される。電子放出素子２の構成については第１実施形態で説明したため、ここでは省略する。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がプラスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、表面電極５の電位が下部電極３の電位及び対向電極６の電位よりも高くなるように、下部電極３、表面電極５又は対向電極６に電圧を印加する。このように電圧を印加すると、第１実施形態で説明したように、表面電極５の近傍で生成したプラスイオンＸ+が対向電極６に向けて反応室２１を移動する。また、反応室２１には、キャリアガスと共に試料ガスＹが供給されるため、図５のように、放出電子により生成したプラスイオンＸ+から試料ガスＹにプラスの電荷が移り、試料ガスがプラスイオン化する。そして、試料ガスのプラスイオンＹ+は、キャリアガスと共にフィールド非対称イオン移動部２５へと流れていく。また、反応室２１とフィールド非対称イオン移動部２５との電位差を利用して試料ガスのプラスイオンＹ+をフィールド非対称イオン移動部２５へと移動させてもよい。
イオン生成装置３０及びイオン移動度分析装置４０がマイナスイオンモードである場合、制御部７（電位制御回路１３、電源部１２）は、表面電極５の電位が下部電極３の電位よりも高くなり表面電極５の電位が対向電極６の電位よりも低くなるように下部電極３、表面電極５又は対向電極６に電圧を印加する。このように電圧を印加すると、第１実施形態で説明したように、表面電極５の近傍で生成したマイナスイオンＸ-が対向電極６に向けて反応室２１を移動する。また、反応室２１には、試料ガスが供給されるため、図６のように、放出電子により生成したマイナスイオンＸ-から試料ガスＹにマイナスの電荷が移り、試料ガスがマイナスイオン化する。そして、試料ガスのマイナスイオンＹ-は、キャリアガスと共にフィールド非対称イオン移動部２５へと流れていく。また、反応室２１とフィールド非対称イオン移動部２５との電位差を利用して試料ガスのマイナスイオンＹ-をフィールド非対称イオン移動部２５へと移動させてもよい。
フィールド非対称イオン移動部２５は、電界形成用電極１０ａと、電界形成用電極１０ｂとの間の領域である。電界形成用電極１０ａは、筐体２０の内壁上に配置することができ、電界形成用電極１０ｂは、電界形成用電極１０ａを配置した内壁に対向する内壁上に配置することができる。また、電界形成用電極１０ｂを、電界形成用電極１０ａに対向するように配置することができる。
反応室２１からフィールド非対称イオン移動部２５へと移動した試料ガスのイオンは、電界形成用電極１０ａ、１０ｂに分散電圧（非対称の高周波電圧）を印加することにより生じる電場の変化によって揺れ動きながら進行方向が変化する。また、試料ガスのイオン移動度は、電界強度に依存してその値が変化する。ＦＡＩＭＳでのイオンの分離は高電場強度でのイオン移動度の変化に基礎を置いている。
分散電圧は波形の１周期間での時間平均は０となるようにしている。また電圧は電極間で±数千Ｖ（±１００～±２０００Ｖ）くらいで、電界強度は±数万Ｖ／ｃｍ（±５０００～±４００００Ｖ／ｃｍくらい）、周波数は数百ＫＨｚから数ＭＨｚ（100ｋＨｚ～３ＭＨｚ）である。また、電界形成用電極１０ａ、１０ｂの間に分散電圧と共に補償電圧（ＣＶ）印加することにより、イオン移動度が変わり、進行する方向が変わる。したがって、補償電圧（ＣＶ）を時間によって走査することにより、イオンコレクタ電極９、９ａ、９ｂへと到達することができるイオン種が変化する（電界形成用電極１０ａ、１０ｂに到達したイオンは中性化する）。このため、イオン検出器８によりＩＭＳ強度（回収電流）を測定することによりＩＭＳスペクトルを得ることができる。このように、イオンを分離し、検出することが可能となる。
補償電圧（直流電圧）は、±１００Ｖ程度の範囲であり、電界強度としては±２０００Ｖ／ｃｍの範囲である。電界形成用電極１０ａと電界形成用電極１０ｂとの間隔は、数十μｍから数ｍｍ（０．０１～２ｍｍ）であり、電界形成用電極１０ａ、１０ｂの長さ（フィールド非対称イオン移動部２５の長さ）は数百μｍから数十ｍｍ（０．１～３０ｍｍ）である。電界形成用電極１０ａ、１０ｂに到達したイオンは中性化される。中性化された物質は、キャリアガスとともに排気されるか、電界形成用電極１０ａ、１０ｂ又はイオンコレクタ電極９に貯まる。この貯まった物質を除去するために、試料ガスの含まれないガス（清浄乾燥空気等）を試料入口やキャリアガス入り口から流すことにより取り除くことができる。また、流すガスは高温であると尚よい。
フィールド非対称イオン移動部２５を通過することができたイオンは、イオン検出器８によりイオンが検出され、中性の物質やキャリアガスは排気口から排気される。
フィールド非対称イオン移動部２５を通過することができたイオンは、イオン検出器８によりイオンが検出され、中性の物質やキャリアガスは排気口から排気される。
マイナスイオンモードでは、電子放出素子２の下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧を１０Ｖ～１８Ｖとすることができ、対向電極６とイオン検出器８の極性が正に設定されており、マイナスイオン化されやすい物質を測定することができる。
プラスイオンモードでは、電子放出素子２の下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧が１８Ｖ～５０Ｖとすることができ、対向電極６とイオン検出器８の極性が負に設定されており、プラスイオン化されやすい物質を測定することができる。
イオン移動度分析装置４０は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードを切り替えて両方のモードで同一の試料ガスを分析してもよい。このことにより、１つの試料ガスについて、マイナスイオンモードでのＩＭＳスペクトルと、プラスイオンモードでのＩＭＳスペクトルとの両方を得ることができ、分析精度を向上させることができる。
プラスイオンモードでは、電子放出素子２の下部電極３と表面電極５との間に印加する電圧が１８Ｖ～５０Ｖとすることができ、対向電極６とイオン検出器８の極性が負に設定されており、プラスイオン化されやすい物質を測定することができる。
イオン移動度分析装置４０は、マイナスイオンモードとプラスイオンモードを切り替えて両方のモードで同一の試料ガスを分析してもよい。このことにより、１つの試料ガスについて、マイナスイオンモードでのＩＭＳスペクトルと、プラスイオンモードでのＩＭＳスペクトルとの両方を得ることができ、分析精度を向上させることができる。
図５に示したイオン移動度分析装置４０のように、イオン検出器８がマイナスイオン検出用のイオンコレクタ電極９ａと、プラスイオン検出用のイオンコレクタ電極９ｂとを有する場合、マイナスイオンモードとプラスイオンモードを切り替えた場合でもイオン検出器８の極性を反転させる必要はない。
図６に示したイオン移動度分析装置４０のように、イオン検出器８が１つのイオンコレクタ電極９のみを有する場合、マイナスイオンモードとプラスイオンモードを切り替えると、イオン検出器８の極性を反転させる。このことにより、制御部７は、マイナスイオンモードでのＩＭＳスペクトルと、プラスイオンモードでのＩＭＳスペクトルとを出力することができる。このように、イオンコレクタ電極９を１つのみにすることによりイオン移動度分析装置を小型化することができる。
第１実施形態のイオン生成装置についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態のイオン移動度分析装置に含まれるイオン生成装置についても当てはまる。また、第２実施形態についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
図６に示したイオン移動度分析装置４０のように、イオン検出器８が１つのイオンコレクタ電極９のみを有する場合、マイナスイオンモードとプラスイオンモードを切り替えると、イオン検出器８の極性を反転させる。このことにより、制御部７は、マイナスイオンモードでのＩＭＳスペクトルと、プラスイオンモードでのＩＭＳスペクトルとを出力することができる。このように、イオンコレクタ電極９を１つのみにすることによりイオン移動度分析装置を小型化することができる。
第１実施形態のイオン生成装置についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態のイオン移動度分析装置に含まれるイオン生成装置についても当てはまる。また、第２実施形態についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
プラスイオン検出実験
シリコーン樹脂３ｇとＡｇナノ微粒子０．０３９ｇ（１．３％）とを超音波振動器を用いて攪拌し、塗布液を調製した。ガラス基板上のＭＡＭ（モリブデン、アルミニウム、モリブデン）電極（下部電極）上にこの塗布液をスピンコート法により塗布し、厚さ１．０μｍの中間層を形成した。この中間層の上にスパッタリング法により厚さ２０ｎｍの金電極（表面電極）を形成した。このようにして作製した電子放出素子を図３、４に示したようなドリフトチューブ式イオン移動度分析装置に取り付け、イオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）による分析をプラスイオンモードで行った。
シリコーン樹脂３ｇとＡｇナノ微粒子０．０３９ｇ（１．３％）とを超音波振動器を用いて攪拌し、塗布液を調製した。ガラス基板上のＭＡＭ（モリブデン、アルミニウム、モリブデン）電極（下部電極）上にこの塗布液をスピンコート法により塗布し、厚さ１．０μｍの中間層を形成した。この中間層の上にスパッタリング法により厚さ２０ｎｍの金電極（表面電極）を形成した。このようにして作製した電子放出素子を図３、４に示したようなドリフトチューブ式イオン移動度分析装置に取り付け、イオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）による分析をプラスイオンモードで行った。
分析では、キャリアガスを加湿空気（湿度：４４％）とし、ドリフトガスを乾燥空気とした。また、試料ガスを分析装置内に供給していない、つまり、キャリアガスのみを分析装置内に供給した。また、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖとし、表面電極の電位を＋３０００Ｖとし、下部電極の電位を＋２９８１Ｖ（素子駆動電圧：１９Ｖ）、＋２９８０Ｖ（素子駆動電圧：２０Ｖ）又は＋２９７２Ｖ（素子駆動電圧：２８Ｖ）とした。なお、アパーチャグリッドの電位は＋１６３Ｖであった。
図７は、素子駆動電圧を２８Ｖとした分析により得られたＩＭＳスペクトルであり、図８は、素子駆動電圧を１９Ｖ、２０Ｖとした分析により得られたＩＭＳスペクトルである。図７のＩＭＳスペクトルのように、プラスイオンモードにおいてＩＭＳスペクトルに、加湿空気から生成したプラスイオンのピークが現れることが確認された。また、図８のように、素子駆動電圧を１９ＶとしたＩＭＳスペクトルではピークが現れなかったが、素子駆動電圧を２０ＶとするとＩＭＳスペクトルにピークが出現した。従って、プラスイオンモードにおいてキャリアガスを加湿空気とした場合、下部電極と表面電極との間に２０Ｖ以上の電圧を印加することにより、プラスイオンを発生させることができ分析できることが確認された。この電圧は、電子放出素子の構成（例えば、中間層の厚さ）などにより変わると考えられる。
また、プラスイオンモードにおいてキャリアガスを乾燥空気とした場合、ＩＭＳスペクトルのピークは素子駆動電圧２８Ｖから出現した。
また、プラスイオンモードにおいてキャリアガスを乾燥空気とした場合、ＩＭＳスペクトルのピークは素子駆動電圧２８Ｖから出現した。
次に、プラスイオンモードにおいてキャリアガスを乾燥空気とし素子駆動電圧を５５Ｖ（下部電極の電位：＋２９４５Ｖ）又は６０Ｖ（下部電極の電位：＋２９４０Ｖ）としてイオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）による分析を行った。他の分析条件は上述の分析と同じである。
分析により得られたＩＭＳスペクトルを図９に示す。素子駆動電圧を５５ＶとしたＩＭＳスペクトルでは加湿空気から生成したプラスイオンの大きいピークが現れたが、素子駆動電圧を６０Ｖとすると、ＩＭＳスペクトルに現れるピークのＩＭＳ強度は急激に小さくなった。このピーク強度の低下は、電子放出素子が壊れたため生じたと考えられる。従って、この実験で作製した電子放出素子では、素子駆動電圧の上限は約６０Ｖであった。ただし、この電圧は、電子放出素子の構成などにより変わると考えられる。
分析により得られたＩＭＳスペクトルを図９に示す。素子駆動電圧を５５ＶとしたＩＭＳスペクトルでは加湿空気から生成したプラスイオンの大きいピークが現れたが、素子駆動電圧を６０Ｖとすると、ＩＭＳスペクトルに現れるピークのＩＭＳ強度は急激に小さくなった。このピーク強度の低下は、電子放出素子が壊れたため生じたと考えられる。従って、この実験で作製した電子放出素子では、素子駆動電圧の上限は約６０Ｖであった。ただし、この電圧は、電子放出素子の構成などにより変わると考えられる。
マイナスイオン検出実験
プラスイオン検出実験で用いた分析装置をマイナスイオンモードにしてイオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）による分析を行った。
分析では、キャリアガスを加湿空気（湿度：４４％）とし、ドリフトガスを乾燥空気とした。また、試料ガスを分析装置内に供給していない、つまり、キャリアガスのみを分析装置内に供給した。また、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖとし、表面電極の電位を－３０００Ｖとし、下部電極の電位を－３００９Ｖ（素子駆動電圧：９Ｖ）、－３０１０Ｖ（素子駆動電圧：１０Ｖ）、－３０１０．５Ｖ（素子駆動電圧：１０．５Ｖ）、－３０１１Ｖ（素子駆動電圧：１１Ｖ）、－３０１１．２Ｖ（素子駆動電圧：１１．２Ｖ）又は－３０１１．５Ｖ（素子駆動電圧：１１．５Ｖ）、－３０１３Ｖ（素子駆動電圧：１３Ｖ）、－３０１４．５Ｖ（素子駆動電圧：１４．５Ｖ）、－３０１５Ｖ（素子駆動電圧：１５Ｖ）、－３０１５．５Ｖ（素子駆動電圧：１５．５Ｖ）、－３０１６Ｖ（素子駆動電圧：１６Ｖ）、－３０１６．５Ｖ（素子駆動電圧：１６．５Ｖ）、－３０１７Ｖ（素子駆動電圧：１７Ｖ）、－３０１７．５Ｖ（素子駆動電圧：１７．５Ｖ）、－３０１８Ｖ（素子駆動電圧：１８Ｖ）とした。なお、アパーチャグリッドの電位は－１６３Ｖであった。
プラスイオン検出実験で用いた分析装置をマイナスイオンモードにしてイオンモビリティースペクトリメトリー（ＩＭＳ）による分析を行った。
分析では、キャリアガスを加湿空気（湿度：４４％）とし、ドリフトガスを乾燥空気とした。また、試料ガスを分析装置内に供給していない、つまり、キャリアガスのみを分析装置内に供給した。また、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖとし、表面電極の電位を－３０００Ｖとし、下部電極の電位を－３００９Ｖ（素子駆動電圧：９Ｖ）、－３０１０Ｖ（素子駆動電圧：１０Ｖ）、－３０１０．５Ｖ（素子駆動電圧：１０．５Ｖ）、－３０１１Ｖ（素子駆動電圧：１１Ｖ）、－３０１１．２Ｖ（素子駆動電圧：１１．２Ｖ）又は－３０１１．５Ｖ（素子駆動電圧：１１．５Ｖ）、－３０１３Ｖ（素子駆動電圧：１３Ｖ）、－３０１４．５Ｖ（素子駆動電圧：１４．５Ｖ）、－３０１５Ｖ（素子駆動電圧：１５Ｖ）、－３０１５．５Ｖ（素子駆動電圧：１５．５Ｖ）、－３０１６Ｖ（素子駆動電圧：１６Ｖ）、－３０１６．５Ｖ（素子駆動電圧：１６．５Ｖ）、－３０１７Ｖ（素子駆動電圧：１７Ｖ）、－３０１７．５Ｖ（素子駆動電圧：１７．５Ｖ）、－３０１８Ｖ（素子駆動電圧：１８Ｖ）とした。なお、アパーチャグリッドの電位は－１６３Ｖであった。
図１０は、素子駆動電圧を１３Ｖとした分析により得られたＩＭＳスペクトルであり、図１１は、素子駆動電圧を９Ｖ～１１．５Ｖとした分析により得られたＩＭＳスペクトルである。図１２は、素子駆動電圧を１４．５Ｖ～１８Ｖとした分析により得られたＩＭＳスペクトルである。
図１０のＩＭＳスペクトルのように、マイナスイオンモードにおいてＩＭＳスペクトルに、加湿空気から生成したマイナスイオンのピークが現れることが確認された。また、図１１のように、素子駆動電圧を９Ｖとすると、ＩＭＳスペクトルにピークが出現し、このピークのＩＭＳ強度は、素子駆動電圧が大きくなると、徐々に大きくなった。従って、マイナスイオンモードにおいてキャリアガスを加湿空気とした場合、下部電極と表面電極との間に９Ｖ以上の電圧を印加することにより、マイナスイオンを発生させることができ分析できることが確認された。この電圧は、電子放出素子の構成（例えば、中間層の厚さ）などにより変わると考えられる。
また、図１２のＩＭＳスペクトルのように、約９．３ミリ秒の主ピークの他に約８．８ミリ秒にピークが現れ、素子駆動電圧が１５Ｖ以上になるとこのピークが徐々に大きくなった。
図１０のＩＭＳスペクトルのように、マイナスイオンモードにおいてＩＭＳスペクトルに、加湿空気から生成したマイナスイオンのピークが現れることが確認された。また、図１１のように、素子駆動電圧を９Ｖとすると、ＩＭＳスペクトルにピークが出現し、このピークのＩＭＳ強度は、素子駆動電圧が大きくなると、徐々に大きくなった。従って、マイナスイオンモードにおいてキャリアガスを加湿空気とした場合、下部電極と表面電極との間に９Ｖ以上の電圧を印加することにより、マイナスイオンを発生させることができ分析できることが確認された。この電圧は、電子放出素子の構成（例えば、中間層の厚さ）などにより変わると考えられる。
また、図１２のＩＭＳスペクトルのように、約９．３ミリ秒の主ピークの他に約８．８ミリ秒にピークが現れ、素子駆動電圧が１５Ｖ以上になるとこのピークが徐々に大きくなった。
エタノール分析実験
プラスイオン検出実験で用いた分析装置をプラスイオンモードにして、エタノール（試料ガス）の分析を行った。
分析では、試料ガスを０．３ｐｐｍエタノールとし、キャリアガスを加湿空気（湿度：４４％）とし、ドリフトガスを乾燥空気とした。また、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖとし、表面電極の電位を＋３０００Ｖとし、下部電極の電位を＋２９６２Ｖ（素子駆動電圧：３８Ｖ）とした。得られたＩＭＳスペクトルを図１３に示す。
このＩＭＳスペクトルにおいて、１１．１ミリ秒のピークはエタノールのピークと考えられ、１２．２ミリ秒のピークはエタノールのダイマーのピークと考えられる。１０．６ミリ秒のピークは加湿空気のピークである。
このように、プラスイオンモードにおいて試料ガスを分析することができることが確認された。
プラスイオン検出実験で用いた分析装置をプラスイオンモードにして、エタノール（試料ガス）の分析を行った。
分析では、試料ガスを０．３ｐｐｍエタノールとし、キャリアガスを加湿空気（湿度：４４％）とし、ドリフトガスを乾燥空気とした。また、イオンコレクタ電極の電位を０Ｖとし、表面電極の電位を＋３０００Ｖとし、下部電極の電位を＋２９６２Ｖ（素子駆動電圧：３８Ｖ）とした。得られたＩＭＳスペクトルを図１３に示す。
このＩＭＳスペクトルにおいて、１１．１ミリ秒のピークはエタノールのピークと考えられ、１２．２ミリ秒のピークはエタノールのダイマーのピークと考えられる。１０．６ミリ秒のピークは加湿空気のピークである。
このように、プラスイオンモードにおいて試料ガスを分析することができることが確認された。
２：電子放出素子 ３：下部電極 ４：中間層 ５：表面電極 ６：対向電極 ７：制御部 ８：イオン検出器 ９、９ａ、９ｂ：イオンコレクタ電極 １０、１０ａ～１０ｈ：電界形成用電極 １２：電源部 １３：電位制御回路 １５：検出回路 １７：ゲート電極 １８：アパーチャグリッド ２０：筐体 ２１：反応室 ２２：ドリフト領域 ３０：イオン生成装置 ４０：イオン移動度分析装置
Claims (11)
- 電子放出素子と、対向電極と、制御部とを備え、
前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層とを備え、
前記対向電極は、前記表面電極と対向するように配置され、
前記制御部は、プラスイオンを生成するプラスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位および前記対向電極の電位よりも高くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられたことを特徴とするイオン生成装置。 - 前記制御部は、前記プラスイオンモードにおいて前記表面電極と前記対向電極との間の気体成分のイオン化エネルギーよりも高いエネルギーの電子が前記電子放出素子から放出されるように前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加するように設けられた請求項１に記載のイオン生成装置。
- 前記制御部は、前記プラスイオンモードにおいて前記下部電極と前記表面電極との間に１６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられた請求項１又は２に記載のイオン生成装置。
- 前記制御部は、マイナスイオンを生成するマイナスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位よりも高く前記対向電極の電位よりも低くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられ、かつ、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替えることができるように設けられた請求項１～３のいずれか１つに記載のイオン生成装置。
- 前記制御部は、前記マイナスイオンモードにおいて前記下部電極と前記表面電極との間に６Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧を印加するように設けられた請求項４に記載のイオン生成装置。
- 前記制御部は、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替える際、
前記プラスイオンモードにおける前記表面電極と前記下部電極との間の電位差が前記マイナスイオンモードにおける前記表面電極と前記下部電極との間の電位差よりも大きくなるように切り替えるように設けられた請求項４又は５に記載のイオン生成装置。 - 請求項１～６のいずれか１つに記載のイオン生成装置と、イオン検出器と、電界形成用電極とを備え、
前記イオン検出器及び前記制御部は、前記イオン検出器がイオンから電荷を受け取ることにより生じる電流を測定しＩＭＳスペクトルを出力するように設けられたイオン移動度分析装置。 - 前記制御部は、前記ＩＭＳスペクトルに現れる基準ピークが所定の高さ又は所定の面積となるように前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられた請求項７に記載のイオン移動度分析装置。
- 前記制御部は、マイナスイオンを生成するマイナスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位よりも高く前記対向電極の電位よりも低くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられ、かつ、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替えることができるように設けられ、
前記制御部は、前記プラスイオンモードにおける前記ＩＭＳスペクトルに現れる第１基準ピークの高さ又は面積と、前記マイナスイオンモードにおける前記ＩＭＳスペクトルに現れる第２基準ピークの高さ又は面積とが実質的に同じになるように前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられた請求項７又は８のイオン移動度分析装置。 - 前記制御部は、マイナスイオンを生成するマイナスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位よりも高く前記対向電極の電位よりも低くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられ、かつ、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替えることができるように設けられ、
前記制御部は、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替える際、前記表面電極の電位を極性が逆で絶対値が実質的に等しい電位に変更し、前記下部電極の電位を極性が逆で絶対値が異なる電位に変更するように設けられた請求項７～９のいずれか１つに記載のイオン移動度分析装置。 - 前記制御部は、マイナスイオンを生成するマイナスイオンモードにおいて前記表面電極の電位が前記下部電極の電位よりも高く前記対向電極の電位よりも低くなるように前記表面電極、前記下部電極又は前記対向電極に電圧を印加するように設けられ、かつ、前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替えることができるように設けられ、
前記制御部は、測定を繰り返すことにより得られる複数の前記ＩＭＳスペクトルを積算平均化して平均ＩＭＳスペクトルを算出するように設けられ、かつ、前記平均ＩＭＳスペクトルの算出を終える毎に前記マイナスイオンモードと前記プラスイオンモードとを切り替えるように設けられた請求項７～１０のいずれか１つに記載のイオン移動度分析装置。
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