JP4395584B2 - ガスサンプル分析用の飛行時間型質量分析計用のイオン源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析計での分析のために、ガスサンプルをイオン化する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析計は、ガスサンプルを電子流と衝突させ、こうして得られたイオンに運動を付与し、その軌道または速度に従ってイオンを識別することによって、ガスサンプルを分析する。
【０００３】
質量分析計の測定感度および分解能を高めるためには、ガスサンプルを強くイオン化することが有益である。
【０００４】
飛行時間型質量分析計においては、イオン源により生成されたイオンは、フライトチューブの入口に送り出され、そこで一定速度に保持される。イオンの性質は、フライトチューブからの出口で検出される、分析すべきガスサンプルのイオンのそれぞれのタイプに対応する飛行時間から推定される。これには、あらかじめ加速したイオンのパケットをフライトチューブ入口へ送り出すこと、およびイオンパケットの出発時間とフライトチューブの他端における種々のイオンの到着時間とをマーク付けすることが必要である。
【０００５】
したがって、できるだけ持続時間が短く、最大数のイオンを含む、イオンパケットを生成することが有利である。これは、パルスモードイオン源によって達成される。
【０００６】
質量分析計に通常用いられるイオン源は、電子源と、イオン流を調整するための少なくとも１つの電極の作用を受けるイオンが形成されるガスイオン化領域に向けて送られる適切な電子流を生成するように、電子流を調整する少なくとも１つの電極とを含む電子銃を含む。電子流は、一般に質量分析計のフライトチューブの方向に垂直な方向で、ガスイオン化領域に向けて送られる。その結果、全体のサイズが大きくなり、一体化が困難になる。比較的少量のイオンが生成され、そのために装置の感度が制限される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が対処する課題は、よりコンパクトでより感度が高く、質量分析計の他の構成部品と容易に一体化できる、質量分析計用の新しいイオン源構造を構成することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記およびその他の目的を達成するために、質量分析計で使用するための本発明によるイオン源は、電子源と、イオン流を調整するための少なくとも１つの電極の作用を受けるイオンを形成するガスイオン化領域に向けて送られる適切な電子流を生成するように、電子流を調整する少なくとも１つの電極とを有する電子銃を含み、電子流を調整する電極の下流側の電子流中に少なくとも１つのマイクロチャネルウエハが配置され、それによって、比較的少数の電子を含むパルス１次電子ビームから、多数の電子を含むパルス２次電子ビームが生成される。
【０００９】
マイクロチャネルウエハは、電子流を増大し、続いて起こるガスサンプルのイオン化を強める。これによって、装置の感度および分解能が著しく高まる。
【００１０】
２次電子ビームの時間特性を保持し空間特性を向上させるために、２次電子ビームを拡散させる追加電極を、マイクロチャネルウエハが占める領域の下流側に有利に配置することができる。
【００１１】
これによってガスサンプルのイオン化がさらに増強され、したがってこのイオン源を組み込んだ装置の感度が高まる。
【００１２】
ガスイオン化領域は、好ましくは、２次電子ビームを通過させ、イオンを反発することによって電子を保持する上流側の反発電極と、イオンを引き寄せる下流側の加速電極との間にある。
【００１３】
この特徴のために、イオン源は、飛行時間型質量分析計のフライトチューブの入口に、フライトチューブの軸と一直線に並べて置くことができる。これにより、イオン源をよりよく一体化することができ、装置はよりコンパクトになる。
【００１４】
２次電子ビームが、時間特性を保持し高密度に留まり、それによりイオンパケットのすべてのイオンが、実質的に同時にフライトチューブに入るようにするために、イオン化領域は、マイクロチャネルウエハに近接していることが好ましい。
【００１５】
電子源は、通常の方法で、適切な温度に熱せられ熱放出によって電子流を生成するフィラメントでよい。１次電子ビームは、次に偏向電極によってパルス変調される。
【００１６】
別法として、電子源は、パルス変調１次電子ビームを生成するマイクロポイントを備えた電界放出陰極とすると有利である。
【００１７】
本発明は、上述のようなイオン源を一体化した飛行時間型分析計の製作において具体的に応用される。
【００１８】
本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して行う、本発明の特定の実施形態についての以下の説明から明らかになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、飛行時間型質量分析計は、電子銃１、その後にイオン銃２、さらに後にフライトチューブ３を含み、フライトチューブの出口はイオン検出器４に通じている。
【００２０】
電子銃は電子源５を含む。図に示した電子源５は、加熱生成器６から電力を供給され、イオンの熱放出に十分な高温に熱せられる、タングステンフィラメントなどのフィラメントである。電子源５から放出された電子は、電子流を調整する少なくとも１つの電極７、たとえば加速電極７１、および少なくとも１つの集束電極７２の作用を受ける。
【００２１】
熱放出フィラメントの形の電子源５の場合、偏向電極７３が、送出される電子流８のパルスモード変調を可能にする。
【００２２】
代替電子源５は、導電基板を含むマイクロポイント型電界放出陰極であって、導電基板上に基板と正にバイアスされたグリッドとの間の絶縁層キャビティに収容された導電マイクロポイントが形成される。上述の種類のマイクロポイント型電界放出陰極は、偏向電極７３を必要とせずに、電子の流出それ自体を変調できる。
【００２３】
本発明は、電子流を調整する電極７の下流側の電子流８中に、少なくとも１つのマイクロチャネルウエハを提供する。図１は、ウエハ間電極１１によって互いに隔てられた、第１マイクロチャネルウエハ９、および第２マイクロチャネルウエハ１０を示している。マイクロチャネルウエハ９および１０は、比較的少数の電子を含むパルス１次電子ビーム８から、多数の電子を含むパルス２次電子ビーム１２を生成し、ゲインは１００から数千になる。
【００２４】
実際には、マイクロチャネルウエハ９および１０のゲインに応じて、１次電子ビームは、１μＡから１０μＡ程度の電流に相当することが可能であり、２次電子ビームは、数ミリアンペアの電流に相当することが可能である。
【００２５】
１次電子ビーム８および２次電子ビーム１２は、たとえば、持続時間が１ナノ秒程度のパルスで構成することが可能である。
【００２６】
マイクロチャネルウエハの構造および動作原理を、図２および図３を参照しながら説明する。図２に示すように、マイクロチャネルウエハ９は、一般に、０．５ｍｍ程度の厚さＥを有し、近接して並列する非常に多数のガラス毛管、たとえば管１３からなる平板な部材である。ガラス毛管は、非常に小さな直径を有し、ウエハ９の全体平面に垂直な軸に沿って配向されている。毛管は、約１２ミクロンの直径ｅを有することができ、向かい合う両端でウエハ９の主表面上に通じることができる。ウエハ９の主表面は、金属被覆されて、入力電極１４および出力電極１５を構成し、そこに電位差ＶＤが印加される（図３を参照）。出力電極１５の電位は、入力電極１４の電位よりも高い。毛管１３の内壁は、適切な抵抗を有するように処理され、独立した２次電子増倍管を形成する。１次電子ビーム８の電子が管１３に入ると、管１３の壁に衝突し、少なくとも１つの他の電子を分離することができ、それが入力電極１４と出力電極１５との間の電界により加速される。このようにして分離された電子は、それ自体が管１３の反対側の壁に衝突することができ、他の電子が分離されてそれ自体が加速され、これにより動いている電子の数が次第に倍増し、多数の電子を含む２次電子ビーム１２が生成される。
【００２７】
再び図１を参照すると、２次電子ビーム１２は、イオン銃２内部のイオン化領域１６まで伝播する。イオン化領域１６で、電子は分析すべきガスサンプルの原子に衝突し、ガスサンプルをイオンに変換する。ガスイオン化領域１６は、２次電子ビームを通過させ、イオンを反発することによって電子を保持する上流側の反発電極１７と、イオンを引き寄せる下流側の加速電極１８との間にある。
【００２８】
このようにして得られたイオン流１９は、フライトチューブ３の入口２０に向けて送られ、次にフライトチューブ３の全長に沿って移動し、出口２１を通ってフライトチューブから出て、イオン検出器４に入る。従って、図１に示すように、イオン源は、飛行時間型質量分析計のフライトチューブ３の入口と一直線に並ぶ。
【００２９】
イオン検出器４は、ターゲット電極２４に衝突する増幅された電子流を生成する、マイクロチャネルウエハ２２および２３を含むことができる。ターゲット電極２４によって集められた電気パルスを検出することにより、測定が行われる。
【００３０】
図１は、電子銃のマイクロチャネルウエハ９および１０が占める領域の下流側にある、２次電子ビーム１２を拡散させ、その時間特性を保持し空間特性を向上させるための、追加電極２５を示している。これにより、イオン化領域１６におけるイオン化が強められる。
【００３１】
イオン化領域１６は、マイクロチャネルウエハ１０に近接していることが好ましく、マイクロチャネルウエハ１０から短い距離、たとえば約１ｍｍから２ｍｍだけ離れている。
【００３２】
本発明は、明示的に記載された実施形態に制限されるものではなく、当業者に明白であろうそれらの変形形態および一般化を包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】飛行時間型質量分析計の図である。
【図２】電子流を増幅するためのマイクロチャネルウエハの部分切断透視図である。
【図３】図３は、電子流の増幅の原理を図示する、図２に示したマイクロチャネルウエハの１チャネルの縦断面図である。
【符号の説明】
１ 電子銃
３ フライトチューブ
４ イオン検出器
５ 電子源
７、１７、１８、２５、７３ 電極
８ １次電子ビーム
９、１０ マイクロチャネルウエハ
１２ ２次電子ビーム
１６ ガスイオン化領域
１９ イオン流

Claims (8)

1. 質量分析計用のイオン源であって、該イオン源が、電子源（５）と、イオン流を調整するための少なくとも１つの電極（１７、１８）の作用を受けるイオンが形成されるガスイオン化領域（１６）に向けて送られる適切な電子流を生成するように、電子流を調整する少なくとも１つの電極（７）とを有する電子銃（１）を含み、電子流を調整するための電極（７）の下流側の電子流（８）中に、少なくとも１つのマイクロチャネルウエハ（９、１０）が配置され、それによって、比較的少数の電子を含むパルス１次電子ビーム（８）から、多数の電子を含むパルス２次電子ビーム（１２）が生成されることを特徴とするイオン源。
2. マイクロチャネルウエハ（９、１０）が占める領域の下流側に、２次電子ビーム（１２）の時間特性を保持し空間特性を向上させるために、２次電子ビームを拡散させる追加電極（２５）を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
3. ガスイオン化領域（１６）が、２次電子ビーム（１２）を通過させ、イオンを反発することによって電子を保持する上流側の反発電極（１７）と、イオンを引き寄せる下流側の加速電極（１８）との間にあることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源。
4. イオン源が、飛行時間型質量分析計のフライトチューブ（３）の入口と一直線に並んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン源。
5. ガスイオン化領域（１６）が、マイクロチャネルウエハ（９、１０）に近接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン源。
6. 電子源（５）が、適切な温度に加熱され熱放出によって電子流を生成するフィラメントであり、１次電子ビーム（８）が偏向電極（７３）によってパルス変調されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン源。
7. 電子源（５）が、パルス変調１次電子ビームを発生するマイクロポイント型電界放出陰極であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン源。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン源を含むことを特徴とする飛行時間型質量分析計。

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