JP3649836B2

JP3649836B2 - 漏洩検知用磁場偏向型質量分析管の分解能向上方法

Info

Publication number: JP3649836B2
Application number: JP01048597A
Authority: JP
Inventors: 直樹高橋; 俊雄林
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: JPH10206272A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウム等のプローブガスを中空の漏洩検知対象物の周囲に吹き付け、該対象物の漏洩部を検知するプローブ法に使用される漏洩検知装置の磁場偏向型質量分析管の分解能を向上させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の漏洩検知装置に使用される磁場偏向型質量分析管は、内部が真空に排気された管内に、図１に示すようにイオン化室ａと磁場偏向型分析器ｂ及び検出室ｃとを設けて構成され、該分析器ｂとして扇形の永久磁石ｄが用いられる。該イオン化室ａ内にはグリッド（エレクトロンコレクター）ｅとフィラメントｆ及びイオン引出電極ｇが設けられ、該検出室ｃにはコレクタースリットｈを介してイオンコレクターｉが設けられる。また該フィラメントｆはフィラメント電源ｊとイオン加速電源ｋに接続され、該フィラメントｆ及びイオン引出電極ｇには電子加速電源ｌが接続される。ｎはイオン電流測定器である。
【０００３】
永久磁石を用いた該分析器ｂには、代表的なもので６０度偏向、９０度偏向、１８０度偏向等があるが、いずれも
ｒ＝(1.44×１０−４√Ｍu×Ｖ)／Ｂ…式１
という基本的な式により質量分離するのが原理である。ここで、ｒ：回転半径、Ｍu：質量数、Ｂ：磁束密度である。
【０００４】
６０度偏向型の該分析管ｂの具体的構成の１例は図２に示す如くであり、気密の管の中間に永久磁石ｄを配置し、該管の一端にイオン化室ａを設け、他端に検出室ｃが設けられる。該イオン化室ａと永久磁石ｄのとの間の該管の側壁に漏洩検知対象物の中空内部及び真空ポンプへ繋がる測定管ｐの端部が接続される。該測定管ｐには、例えば図３に示すようにターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプ等の真空ポンプｑで排気されるチャンバーｒが接続され、漏洩検知対象物ｓに漏洩部が存在したとき、該対象物ｓに吹きかけたプローブガスがその内部から該分析管ｂ内へ拡散して漏洩の存在が確認される。即ち、真空の該分析管ｂ内では該フィラメントｆから放出された熱電子が電子加速電源ｌによって調整された速度でグリッドｅ内へ飛翔し、そこに存在する該対象物ｓから漏れたプローブガスを電子衝撃してこれをイオン化し、そのイオンは静電加速系やイオン加速電源ｋの電圧の力を受けてイオン引出電極ｇより引き出される。そしてイオン加速電源ｋによる加速電圧とグリッド電圧を調整すると、１式のＢが一定であるから質量数Ｍuにより回転半径が異なることを利用してある特定のイオンをイオンコレクターｉに到達させることができる。イオン加速電源ｋの電圧を変化させると、イオンコレクターｉに到達するイオンの種類が変化するから、該分析管ｂ中のガスの組成を検出することもできる。グリッド電圧はプローブガスを集めることができる電圧に調整される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の漏洩検知装置では、プローブガスとしてヘリウムガスを使用するのが一般的であるが、ヘリウムガスは価格が高いという欠点がある。また、簡便な漏洩検知装置の磁場偏向型質量分析管ではヘリウムスペクトルのみが分離できればよいのでその分解能が４〜８程度に設計されており、ヘリウムよりも質量数の大きい気体のスペクトルを分離できるようにするには、該分析管の感度を大幅に落として分解能を向上させるか、大型で高価な磁場偏向型質量分析管を使用したり、或いは漏洩検知用よりもはるかに高価な四重極質量分析管を使用しなければならず、装置価格の上昇を嫌って結局はヘリウムガスを使用することで漏洩検知の経済性を求めることが多くなっている。尚、漏洩検知の方法として、プローブガスとしてヘリウムガス以外の例えばアルゴンガスを使用することは、すでに特開昭５４−５０３９０号公報に開示されている。
【０００６】
本発明は、簡便な構成で比較的小型の漏洩検知用の磁場偏向型質量分析管の分解能を向上させ、各種のプローブガスを使用して漏洩検知を安価に行える方法を提案することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、内部を真空に排気した中空の漏洩検知対象物の周囲に、ヘリウムガス、アルゴンガス等のプローブガスを吹き付け、該対象物の漏洩部からその内部へ侵入する該プローブガスのガス原子や分子を電子衝撃によりイオン化すると共にイオン引出電極のスリットを介してイオンを引き出すイオン化室と、該イオン化室から引き出されたイオンのうちの特定のイオンを選別する永久磁石を用いた磁場偏向型分析器と、該特定のイオンの量をコレクタースリットを介して入射するイオンコレクターにより検出する検出室を備えた質量分析管に於いて、該磁場偏向型分析器を構成する永久磁石のイオン入射側の有効磁場面に対し該イオン化室から引き出されたイオンの中心軸を斜めに設定すると共に該イオン引出電極のスリット幅と該コレクタースリットの幅の少なくとも一方を狭めることにより、上記の目的を達成するようにした。該磁場偏向型分析器を、該分析器へ入射するイオンの中心軸に対して該分析器から出射するイオンの中心軸を９０度偏向させる永久磁石で構成し、該永久磁石の有効磁場面に対して２０度斜めにイオンを入射させることが好ましく、プローブガスには、ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、窒素、酸素が使用でき、通常は安価なアルゴンガスを使用して漏洩検知を行い、微少な漏洩を検知するときにヘリウムガスに交換して行える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図４に基づき説明すると、同図に於いて符号１は中空の漏洩検知対象物、２は一端が該対象物１の内部に連なり他端が磁場偏向型質量分析管３に接続された測定管、４は該測定管２及び該分析管３内を真空に排気するターボ分子ポンプとメカニカルブースターポンプで構成された排気系、５は該測定管２の中間に設けたチャンバーを示す。該磁場偏向型質量分析管３は、漏洩検知用の簡易で小型のもので、イオン化室６と永久磁石７から成る磁場偏向型分析器８を設けたイオン偏向部９及び検出室１０で構成され、該イオン化室６にはグリッド（エレクトロンコレクター）１１、フィラメント１２及びスリット状のイオン引出電極１３を設け、該検出室１０には該分析器８で選別されたイオンを通過させるコレクタースリット１４とイオン電流検出器１５に接続されたイオンコレクター１６が設けられる。
【０００９】
こうした構成は図３に示した従来の漏洩検知装置の構成と特に変わりがなく、該グリッド１１にイオン加速電源１７を接続すると共にフィラメント１２との間に電子加速電源１８を接続し、該フィラメント１２にフィラメント電源１９を接続する構成も従来のものと同様であり、排気系４を作動させてプローブガスを該対象物１に吹き付け、該対象物１の漏洩部からその内部へ漏れたプローブガスを該分析管３内のイオン化室６に於いてイオン化し、そのイオンを永久磁石７で偏向してイオンコレクター１６に入射させて漏洩部の存在を検知することも従来のものと同様である。
【００１０】
これを更に説明すると、該分析管３内へ漏れたプローブガスは電子加速電源１８により加速されたフィラメント１２からの熱電子と衝突してイオン化され、イオン引出電極１３の電位により永久磁石７に向けて引き出され、該永久磁石７により特定の質量数のイオンのみがイオンコレクター１６に入射し、イオン電流検知器に於いてイオン電流として漏れの存在が検知される。
【００１１】
しかし、該分析管３の分解能は一般には４〜８程度であり、ヘリウム以外の質量数の大きなガスをプローブガスとして使用しても、質量スペクトルとして分離ができない。該分析管３の分解能Ｒは、通常、
Ｒ＝ｒ／（Ｓ₁＋Ｓ₂＋ｒα²＋ｒΔＶ／Ｖ）…式２
で表される。ここでｒ：偏向半径、Ｓ１：イオン引出電極のスリット幅、Ｓ２：コレクタースリット幅、α：イオンの発散角、ΔＶ：イオンのエネルギー分散、Ｖ：イオンのエネルギーを示す。右辺分母の第３項は、イオン化室から引き出されたイオンが有限の発散角を持つことによって生じるイオンコレクターでの像の広がりを示し、第４項はイオン化室で生成されたイオンのエネルギー分散によって生じるイオンコレクターでの像の広がりを示す。
【００１２】
本発明は、この分解能Ｒを、該永久磁石７のイオン入射側の有効磁場面２０に対し該イオン化室６からイオン引出電極１３のスリットを介して引き出されたビーム状又は帯状イオンの中心軸２１を斜めに設定すると共に該コレクタースリット１４の幅を可能な範囲で狭めることにより向上させるようにしたもので、これにより、該分析管３の大きさを変えず、或いは該分析管３の代わりに高価な四重極質量分析管などを使用しなくても安価に分解能を向上させ得る。
【００１３】
該イオン化室６から引き出されたイオンの中心軸２１を、該永久磁石７の有効磁場面２０の垂直軸に対して例えば２０度内側へ傾斜させて設定すると、イオンはイオン出射側の有効磁場面２２の垂直軸に対しても例えば２０度内側から出射する傾向になり、イオンの質量数の差が大きくなると図６に示すように出射側で生じるイオンの収束点２３がイオンの軌道面に対し垂直方向の収束点２４へと大きな距離Ｌ₂で変化し、この距離が分解能に関与することが判明した。即ち、質量数が異なる２種のイオンを有効磁場面に垂直に入射させた場合、図７に示すように収束点２５、２６に於いて収束し、その間の距離はＬ₁となるが、その距離Ｌ₁はこれら２種のイオンを図６のように２０度斜めに入射させたときの収束点２３、２４間の距離Ｌ₂よりも短く、Ｌ₂／Ｌ₁の比は、式２から計算した垂直入射の場合の分解能と実験で求めた２０度斜め入射の場合の分解能との比に略一致することが分かった。
【００１４】
具体的には、図５の形態の９０度偏向型の磁場偏向型質量分析管３であって、式２の定数ｒ：３５ｍｍ、Ｓ₁：２．５ｍｍ、Ｓ₂：２ｍｍ、α：０．０２８ｒａｄ、ΔＶ：７Ｖ、Ｖ：２５０Ｖである場合、有効磁場面にイオンを垂直入射させたときは式２から分解能Ｒ＝７になるが、２０度斜めに入射させたときは実験では分解能Ｒ＝１１になり、またこの場合質量数の異なるイオンを垂直入射させたときと２０度斜め入射させたときの比はＬ₂／Ｌ₁＝１．５で、この値は分解能の比１１／７に略一致している。従って、Ｌ₂／Ｌ₁＝Ｌとしてイオンを有効磁場面に斜め入射させた形態の磁場偏向型質量分析管の分解能は、
Ｒ＝Ｌ・ｒ／（Ｓ₁＋Ｓ₂＋ｒα²＋ｒΔＶ／Ｖ）…式３
と表せることが分かった。そしてこの式３に基づきＳ₁、Ｓ₂のスリット幅の一方又は双方を可能な範囲で小さな値にすればより一層分解能を向上させ得る。
【００１５】
図５の形態の分析管では、分解能が低く、質量数１９のフッ素系の気体や質量数４４の二酸化炭素が多い雰囲気で例えばアルゴンガスをプローブガスとして使用すると、質量数２０のアルゴン２価イオンや質量数４０のアルゴン１価イオンのピークがフッ素系気体や二酸化炭素のピークと接近して確認したいピークを分離できず、漏洩検知を行なえないが、有効磁場面にイオンを斜め入射させ且つイオン引出電極１３のスリットの幅とコレクタースリット１４のスリット幅を例えば０．５ｍｍに狭めると、分解能Ｒを例えば２７に向上させることができる。
【００１６】
【実施例】
図４及び図５に示す偏向角９０度の永久磁石からなる磁場偏向型分析器８を設けた漏洩検知装置であって、その分析管３の式２に関する定数をｒ：３５ｍｍ、Ｓ₁：２．５ｍｍ、Ｓ₂：２ｍｍ、α：０．０２８ｒａｄ、ΔＶ：７Ｖ、Ｖ：２５０Ｖとしたときの到達圧力約１×１０^-4Ｐａでの質量スペクトルは、図８の曲線Ａで示す如くであった。また測定管２に約１０^-7Ｐａｍ³／ｓ台の流量のアルゴンガスを導入し、約６×１０^-4Ｐａとしたときの質量スペクトルは図８の曲線Ｂのようになった。尚、これらの測定中には１０^-9Ｐａｍ³／ｓ台の流量のヘリウムガスを流した。
【００１７】
同図から質量数４のヘリウムガスのピークでの分解能はＲ＝１１であり、計算値の約１．５倍になっている。また、アルゴンの１価イオンのピーク（質量数４０）、アルゴンの２価イオンのピーク（質量数２０）、さらに窒素又は一酸化炭素ピーク、酸素ピーク（質量数２８、３２）ははっきりと分離できている。また質量数４のヘリウムイオンのピークの高さは３〜４倍の値をとる。質量数１９や４４が多い雰囲気であると、質量数２０や４０は十分に分離できない。そのためイオン引出電極１３とコレクタースリット１４のスリット幅をＳ₁＝Ｓ₂＝０．５ｍｍに狭め、式３による計算上の分解能がＲ＝２７となるようにした。そして図８の測定時と同条件で質量スペクトルを測定した結果を図９に示す。図９の曲線Ｃは到達圧力約１×１０^-4Ｐａでの質量スペクトル、曲線Ｄは測定管２に約１０^-7Ｐａｍ³／ｓ台の流量のアルゴンガスを導入し、約６×１０^-4Ｐａとしたときの質量スペクトルである。図９から質量数４のヘリウムでの分解能はＲ＝２５でほぼ計算値と一致する。また、質量数４０のアルゴンの１価イオンのピークと、質量数２０のアルゴンの２価イオンのピーク、さらには窒素または一酸化炭素ピーク、酸素ピークは十分に分離されている。この場合でも二酸化炭素（質量数４４）などの多い雰囲気であると質量数４０は分離できないが、質量数２０のピークや質量数２８、３２などのピークは、その他の質量数の気体の多い雰囲気でも分離できる。従って、質量数２０のアルゴンの２価イオンのピーク、または窒素ピーク、酸素ピークを検出することで漏洩を検知することができる。また、図９のヘリウムピークの高さは、図２の従来の分析管による質量数４のヘリウムピークの高さと同等であった。比較のために図２の従来の分析管で有効磁場面にイオンを垂直入射させた場合の質量スペクトルを図１０に示した。図１０曲線Ｅは、図２の分析管でｒ：４０ｍｍ、Ｓ１：２．５ｍｍ、Ｓ２：２ｍｍ、α：０．０２８ｒａｄ、ΔＶ：７Ｖ、Ｖ：２５０Ｖの条件ときの到達圧力約１×１０^-4Ｐａの質量スペクトルで、計算上の分解能はＲ＝７．８である。また、図１０の曲線Ｆは同条件でアルゴンガスを導入し圧力を約６×１０^-4Ｐａにしたときの質量スペクトルである。
【００１８】
尚、プローブガスとしてアルゴンを選択したときには検出できないような微小な漏洩を検出することの要望があるときは、プローブガスとしてヘリウムを選択することができ、しかもその検出限界は図２で表される従来の分析管を使用した場合と同様である。
【００１９】
図９からは、通常真空中に見られる主だったピークを全て確認することができる。例えば、質量数１６、１７、１８、２８、３２等である。従って、本発明の方法は、漏洩検知ばかりでなく質量数１から５０までの簡易質量測定法としても利用できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、漏洩検知用の磁場偏向型質量分析管を構成する永久磁石の磁場偏向型分析器の有効磁場面にイオン化室から引き出されたイオンの中心軸を斜めに入射させ、更にイオン引出電極とコレクタースリットのスリット幅を可能な限り狭めて分解能を向上させるようにしたので、該有効磁場面に対するイオン入射角とスリット幅を調整するだけで簡単に分解能が向上し、従来の比較的小型で簡易な構造の分析管によりアルゴンガス等のヘリウムガス以外の安価なプローブガスを使用して漏洩検知できるから経済的であり、必要に応じてヘリウムガスを使用して微小な漏洩を検知することもでき、漏洩検知の限界も従来のものと遜色がなく、質量分析にも適用できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁場偏向型質量分析管の構成の説明図
【図２】図１の具体的構成の説明図
【図３】図１の分析管を使用した漏洩検知装置の全体の説明図
【図４】本発明の方法を適用した漏洩検知装置の全体の説明図
【図５】図４の磁場偏向型質量分析管の具体的構成の説明図
【図６】本発明の方法により２種類のイオンを永久磁石に入射させた場合の収束点の軌跡を示す線図
【図７】従来の垂直に２種類のイオンを永久磁石に入射させた場合の収束点の軌跡を示す線図
【図８】図５の磁場偏向型質量分析管の永久磁石にイオンを斜め入射させて分析した質量スペクトルの線図
【図９】図５の磁場偏向型質量分析管の永久磁石にイオンを斜め入射させると共にイオン引出電極及びコレクタースリットのスリット幅を狭めて分析した質量スペクトルの線図
【図１０】図２の磁場偏向型質量分析管の永久磁石にイオンを垂直入射させて分析した質量スペクトルの線図
【符号の説明】
１漏洩検知対象物、３磁場偏向型質量分析管、６イオン化室、７永久磁石、８磁場偏向型分析器、１０検出室、１１グリッド、１２フィラメント、１３イオン引出電極、１４コレクタースリット、１６イオンコレクター、

Claims

内部を真空に排気した中空の漏洩検知対象物の周囲に、ヘリウムガス、アルゴンガス等のプローブガスを吹き付け、該対象物の漏洩部からその内部へ侵入する該プローブガスのガス原子や分子を電子衝撃によりイオン化すると共にイオン引出電極のスリットを介してイオンを引き出すイオン化室と、該イオン化室から引き出されたイオンのうちの特定のイオンを選別する永久磁石を用いた磁場偏向型分析器と、該特定のイオンの量をコレクタースリットを介して入射するイオンコレクターにより検出する検出室を備えた質量分析管に於いて、該磁場偏向型分析器を構成する永久磁石のイオン入射側の有効磁場面に対し該イオン化室から引き出されたイオンの中心軸を斜めに設定すると共にイオン引出電極のスリット幅と該コレクタースリットの幅の少なくとも一方を狭めたことを特徴とする漏洩検知用磁場偏向型質量分析管の分解能向上方法。
上記磁場偏向型分析器は、該分析器へ入射するイオンの中心軸に対して該分析器から出射するイオンの中心軸を９０度偏向させる永久磁石で構成され、該永久磁石の有効磁場面に対して２０度斜めにイオンを入射させることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知用磁場偏向型質量分析管の分解能向上方法。
上記プローブガスは、ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、窒素、酸素であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知用磁場偏向型質量分析管の分解能向上方法。