JP5350679B2 - イオン検出器 - Google Patents

Description

本発明は、強度の異なるイオンを検出するイオン検出器に関するものである。

従来のイオン検出器として、高圧電源に接続されたＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）の入射面の中央部分に貫通孔を形成し、この貫通孔にファラデーカップ（イオン検出素子）を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このイオン検出器によれば、直進して来るイオンをファラデーカップで検出し、イオンの強度が弱い場合はＭＣＰに高圧な負の電圧を印加することによってイオンの軌道を曲げ、ＭＣＰで増倍させた状態で検出することができる。
特開昭６３−４０８９３号公報

ここで、上記イオン検出器にあっては、ＭＣＰに貫通孔を形成するなどの特別な加工を施す必要があり、更に検出器全体の構成が複雑となるため、組み付け作業が困難になると共に部品点数も増加し検出器が大型化してしまうという問題があった。一方、検出器全体を簡単な構成とした場合は、部品同士の位置精度が十分に確保できないという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、部品同士の位置精度を十分に確保しつつ、部品点数を減らし、組み付け作業を容易とし、小型化を図ることができるイオン検出器を提供することを目的とする。

本発明に係るイオン検出器は、絶縁性を有し、互いに対向する一対の基板と、基板同士の間の空間へイオンを導入する開口部と、開口部と対向するように基板で挟持され、導入したイオンを検出するイオン検出素子と、イオン検出素子に隣接するように基板で挟持され、イオンを入射させる入射面が、開口部からイオン検出素子へ向かう軸線に沿って延在するマイクロチャンネルプレートと、を備えることを特徴とする。

このイオン検出器では、イオンを検出するイオン検出素子と、強度の弱いイオンを増倍するマイクロチャンネルプレートとをそれぞれ一対の基板で挟持している。このような構成とすることにより、各部品を一対の基板で両側から固定することによって十分な位置精度を確保することができると共に、簡単な構成とすることで部品点数を少なくすることができる。また、基板で挟み込むだけの作業で各部品の位置決め作業と固定作業とを同時に行うことができるため、組み付け作業を容易に行うことができる。更に、マイクロチャンネルプレートの入射面が、開口部からイオン検出素子へ向かう軸線に沿って延在するように配置されているため、イオン検出素子の幅方向に沿うように配置された場合に比してスペースを有効に活用することができ、イオン検出器の小型化を図ることができる。以上によって、部品同士の位置精度を十分に確保しつつ、部品点数を減らし、組み付け作業を容易とし、小型化を図ることができる。

また、本発明に係るイオン検出器において、基板はそれぞれ貫通孔を有し、マイクロチャンネルプレートは、基板の対向方向に沿って延在する電極に連結され、電極が貫通孔に挿入されることによって基板に支持されていることが好ましい。また、イオン検出素子も、基板の対向方向に沿って延在する電極を有し、電極が貫通孔に挿入されることによって基板に支持されていることが好ましい。これらによって、基板の貫通孔に電極を挿入するだけの簡単な作業で部品の位置決め作業と固定作業とを同時に行うことができる。また、基板を貫通した電極を外部電極と接続させるための電極として直接用いることができる。従って、外部接続用電極を別途設けることを不要とし、部品点数を減らすと共に外部接続用電極の引き出し作業を省略することができる。

また、本発明に係るイオン検出器において、イオン検出素子は、ファラデーカップであることが好ましい。ファラデーカップにおいては、開口部と対向する検出面でイオンを検出する際に二次電子が放出されるため、検出面を取り囲むように開口部へ向かって延びる壁面部を設けることによって二次電子を検出する構成とされている。従って、ファラデーカップは軸線方向に沿って長尺な形状となるため、マイクロチャンネルプレートの入射面を軸線に沿う配置とすることによって、特にスペースを有効活用することができる。

本発明によれば、部品同士の位置精度を十分に確保しつつ、部品点数を減らし、組み付け作業を容易とし、小型化を図ることができる。

以下、本発明に係るイオン検出器の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態においては、イオンが入射してくる方向を「前側」とすると共に、基板で各部品を挟み込む方向、すなわち図１，２における紙面上下を「上下方向」として、「前」「後」「上」「下」の語を用いる。

図１は本発明の実施形態に係るイオン検出器の斜視図、図２は図１に示すイオン検出器の展開図、図３は図１に示すIII−III線に沿った断面図である。イオン検出器１は、例えば質量分析計などに適用され、異なる強度のイオンを検出するものである。図１〜図３に示すように、イオン検出器１は、イオンを内部空間に導入させるための開口部２を有するケース３と、開口部２と対向配置され、開口部２から導入されたイオンを検出するファラデーカップ（イオン検出素子）４と、ファラデーカップ４に隣接配置され、高電圧によって軌道変更されたイオンを増倍するＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）６と、ＭＣＰ６で増倍されたイオンを検出するアノード７とを備えている。

ケース３は、ファラデーカップ４、ＭＣＰ６及びアノード７を収容する直方体状の箱体であり、三方向の側面壁を構成するコ字状電極８に上面壁及び下面壁を構成する基板９，１１を固定することによって形成されている。コ字状電極８は、イオンの進行方向で互いに向かい合う前面壁８ａ及び後面壁８ｂと、前面壁８ａ及び後面壁８ｂを連結する側面壁８ｃとを有しており、前面壁８ａには、イオンをケース３の内部空間（基板同士の間の空間）３ａに導入するための開口部２が設けられている。開口部２から導入されるイオンは、開口部２からファラデーカップ４に向かう軸線Ａ上を直進する。

ケース３の基板９，１１は、セラミックスなどからなる絶縁性の板状部材であり、ファラデーカップ４、ＭＣＰ６及びアノード７を上下から挟み込むことによって位置決めすると共に支持する機能を有している。基板９，１１には、それぞれ複数のスリット状の貫通孔１２，１３が形成されており、この貫通孔１２，１３に各部品の電極を挿入させることによって各部品を支持している。

ファラデーカップ４は、ケース３の開口部２と対向するように、基板９、１１に挟持されたイオン検出素子である。ファラデーカップ４は、軸線Ａ上で開口部２と対向すると共にケース３の後面壁８ｂ付近に立設された矩形状の検出面４ａと、検出面４ａの四方の縁部から開口部２へ向かって延びる壁面部４ｂとを備えることによって、長尺に構成されている。また、壁面部４ｂの内部には開口部２へ向かって延びると共に検出面４ａと接触するＬ字状壁面部４ｃが設けられている。

このファラデーカップ４は、開口部２側の開口部分から内部にイオンを取り込むと共に、取り込んだイオンが検出面４ａに衝突する際に発生する電流を電流計（不図示）で計測することによってイオンを検出する。また、検出面４ａを取り囲む壁面部４ｂでイオンから放出された二次電子を受けることによって、正確にイオンを検出することができる。ＭＣＰ６側の壁面部４ｂは、軌道変更によりＭＣＰ６へ向かうイオンを阻害しないように短くされている。更に、Ｌ字状壁面部４ｃが設けられているため、二次電子の収集効率を更に向上させることができ、二次電子がファラデーカップ４の外に出てノイズとなることを防止することができる。ファラデーカップ４には、基板９，１１の対向方向、すなわち上下方向に沿って延在する電極１４，１６が設けられている。ファラデーカップ４は、これらの電極１４，１６が上端側及び下端側で貫通孔１２，１３に挿入されることによって基板９，１１に支持されている。電極１４，１６のうち基板９，１１を貫通した部分は、外部接続用の電極として用いることができる。

ＭＣＰ６は、強度の弱いイオンを高電圧によって軌道変更して入射させ、その内部で増倍させる矩形板状の増倍素子である。ＭＣＰ６は、厚み方向に貫通する微細なチャンネルを多数有し、入射面６ａに設けられた図示しないＩＮ電極と出射面６ｂに設けられた図示しないＯＵＴ電極を介して入射面６ａと出射面６ｂ間に電圧を印加することで入射面６ａから入射したイオンをチャンネル内部で繰り返し二次電子増倍させることによって、出射面６ｂから増倍した電子を取り出すことができる。本実施形態においては、２枚のＭＣＰを重ね合わせたものを適用している。ＭＣＰ６は、ファラデーカップ４を挟んでケース３の側面壁８ｃと対向するように、基板９，１１に挟持される。これによって、ＭＣＰ６は、入射面６ａがファラデーカップ４の隣接位置で軸線Ａに沿って延在するように配置されることとなる。ＭＣＰ６の入射面６ａ側の前端部には、上下方向へ沿って延在する入力電極１７が接続され、出射面６ｂ側の後端部には、上下方向へ沿って延在する出力電極１８が接続されている。ＭＣＰ６は、入力電極１７及び出力電極１８が上端側及び下端側で貫通孔１２，１３に挿入されることによって基板９，１１で支持されている。入力電極１７及び出力電極１８のうち基板９，１１を貫通した部分は、外部接続用の電極として用いることができる。また、入力電極１７及び出力電極１８を介してＭＣＰ６に高圧の負の電圧を印加することによって、イオンの軌道を図３における軌道Ｂに変更することができる。

なお、ＭＣＰ６の入射面６ａ側の前端部にＭＣＰ６のＩＮ電極と電気的に接続するよう固着され上下方向に沿って延在する入力電極１７と、出射面６ｂ側の（前端部とは反対側の）後端部にＭＣＰ６のＯＵＴ電極と電気的に接続するよう固着され上下方向へ沿って延在する出力電極１８とを備えているため、一対の絶縁性の基板９，１１の貫通孔１２，１３に挿入することにより、一対の基板９，１１にＭＣＰ６を容易に組み立てることが出来ると共に強固に固定することが可能となる。

アノード７は、ＭＣＰ６で増倍された電子を検出する板状の電極である。このアノード７は、ＭＣＰ６の出射面６ｂ側で、この出射面６ｂと対向するように基板９，１１に挟持されている。アノード７には、上下方向に沿って延在する電極１９，２１が設けられている。アノード７は、これらの電極１９，２１が上端側及び下端側で貫通孔１２，１３に挿入されることによって基板９，１１で支持されている。電極１９，２１のうち基板９，１１を貫通した部分は、外部接続用の電極として用いることができる。

ここで、本実施形態に係るイオン検出器１の回路構成について説明する。図４は、本実施形態に係るイオン検出器の回路構成の例を示す図であり、（ａ）はＭＣＰで増倍させてイオン検出を行う場合の図であり、（ｂ）はファラデーカップでイオン検出を行う場合の図である。

図４（ａ）に示すように、イオンの強度が弱い場合は、ＭＣＰ６に−１０００Ｖ程度の高圧の負の電圧を印加することでイオンの軌道を曲げ、ＭＣＰ６に入射させて増倍することによって、アノード７で検出する。例えば、ストリップ電流（ＭＣＰ６の表面に流れる固有電流）の１％以下の入力の場合に、ＭＣＰ６を用いて検出する。

一方、入力がストリップ電流の１％より大きい場合は、図４（ｂ）に示すように、ＭＣＰ６の電圧の印加を解除して、導入したイオンを直進させることによってファラデーカップ４で検出する。このように、ストリップ電流値に対する入力の割合に基づいて検出動作を切り替えることにより、経年によってゲイン劣化したＭＣＰ６のゲインを維持するべく印加電圧を増加させた場合も、一定の条件で動作の切り替えを行うことができる。

次に、本実施形態に係るイオン検出器１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係るイオン検出器１では、イオンを検出するファラデーカップ４と、ＭＣＰ６とをそれぞれ一対の基板９，１１で挟持している。このような構成とすることにより、各部品を一対の基板９，１１で両側から固定することによって十分な位置精度を確保することができると共に、簡単な構成とすることで部品点数を少なくすることができる。また、基板９，１１で挟み込むだけの作業で各部品の位置決め作業と固定作業とを同時に行うことができるため、組み付け作業を容易に行うことができる。更に、ＭＣＰ６の入射面６ａが、開口部２からファラデーカップ４へ向かう軸線Ａに沿って延在するように配置されているため、ファラデーカップ４の幅方向に沿うように配置した場合に比してスペースを有効に活用することができ、イオン検出器１の小型化を図ることができる。以上によって、部品同士の位置精度を十分に確保しつつ、部品点数を減らし、組み付け作業を容易とし、小型化を図ることができる。

また、ＭＣＰ６は、貫通孔１２，１３へ入力電極１７及び出力電極１８が挿入されることによって基板９，１１で支持され、ファラデーカップ４は、貫通孔１２，１３へ電極１４，１６が挿入されることによって基板９，１１で支持されている。これによって、基板９，１１の貫通孔１２，１３に各電極を挿入するだけの簡単な作業で部品の位置決め作業と固定作業とを同時に行うことができる。また、基板９，１１を貫通した電極を外部電極と接続させるための電極として直接用いることができる。従って、外部接続用電極を別途設けることを不要とし、部品点数を減らすと共に外部接続用電極の引き出し作業を省略することができる。

また、イオン検出素子として、軸線Ａに沿って長尺の形状となるファラデーカップ４を用いているため、ＭＣＰ６の入射面６ａを軸線Ａに沿うような配置とすることによって、特にスペースを有効活用することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態においては、ファラデーカップ４、ＭＣＰ６及びアノード７の全てについて基板９，１１を貫通する電極が設けられているが、いずれかの部品、あるいは全ての部品について貫通しない電極を有していてもよい。また、基板９，１１の一方のみで貫通していてもよい。

また、本実施形態においては、イオン検出素子としてファラデーカップ４を用いているが、これに限定されず、荷電粒子を検出できる他の検出素子を用いてもよい。

また、本実施形態においては、イオン検出素子であるファラデーカップ４が開口部２と対向するように配置されているが、イオン検出素子の検出面（ファラデーカップ４における検出面４ａ）が開口部２と対向している必要はない。具体的には、ファラデーカップ４に検出面４ａが設けられず、壁面部４ｂでイオンを検出するような構成としてもよい。あるいは、ファラデーカップ４を用いる代わりに、壁面部４ｂに対応する位置に平板状の検出板を立設させることによってイオンを検出してもよい。

また、本実施形態においては、ＭＣＰ６の入射面６ａがファラデーカップ４の隣接位置で軸線Ａに沿って延在して軸線Ａと平行となるように配置されているが、「軸線Ａに沿って延在する」とは、軸線Ａと平行をなすように延在する場合に限らず、軸線Ａに対して所定の角度をなすように延在する場合も含まれている。従って、図５に示すように、ＭＣＰの入射面６ａが軸線Ａに対して所定の角度をなすように配置されていてもよい。図５に示すイオン検出器３１において、ＭＣＰ３６は、その入射面３６ａが軸線Ａに沿って延在すると共に、開口部２から後側へ延びるにつれて軸線Ａから離間するように配置される。これによって入射面３６ａと軸線Ａとの間で所定の角度が形成される。また、ＭＣＰ３６の配置に対応して、入力電極３７、出力電極３８及びアノード２７も、軸線Ａに対して所定の角度をなすように配置される。以上によって、ＭＣＰ３６の入射範囲（有効面）を大きくすることができる。これにより、イオンのＭＣＰ３６への入射範囲が広がり、イオンを大面積で受けることが可能となるので、単位面積当たりの電荷量が低減されるためＭＣＰのライフを向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るイオン検出器の斜視図である。 図１に示すイオン検出器の展開図である。 図１に示すIII−III線に沿った断面図である。 本実施形態に係るイオン検出器の回路構成の例を示す図であり、（ａ）はＭＣＰで増倍させてイオン検出を行う場合の図、（ｂ）はファラデーカップでイオン検出を行う場合の図である。 変形例に係るイオン検出器の断面図であり、図３に対応する図である。

符号の説明

１…イオン検出器、２…開口部、３ａ…内部空間（基板同士の間の空間）、４…ファラデーカップ（イオン検出素子）、６，３６…ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）、６ａ…入射面、９，１１…基板、１２，１３…貫通孔、１４，１６，１７，１８，３７，３８…電極。

Claims (4)

1. 絶縁性を有し、互いに対向する一対の基板と、
   前記基板同士の間の空間へイオンを導入する開口部と、
   前記開口部と対向するように前記基板で挟持され、導入した前記イオンを検出するイオン検出素子と、
   前記イオン検出素子に隣接するように前記基板で挟持され、前記イオンを入射させる入射面が、前記開口部から前記イオン検出素子へ向かう軸線に沿って延在するマイクロチャンネルプレートと、
   前記マイクロチャンネルプレートの出射面と平行に対向するように前記基板で挟持され、前記軸線に沿って延在するアノードと、を備え、
   前記基板はそれぞれ貫通孔を有し、
   前記マイクロチャンネルプレートは、前記基板の対向方向に沿って延在する入力電極及び出力電極に連結され、当該入力電極及び出力電極が前記貫通孔に挿入されることによって前記基板に支持され、
   前記入力電極は、前記マイクロチャンネルプレートの入射面において、前記軸線が延びる方向における一方の端部で前記基板の対向方向に沿って延在すると共に、前記一方の端部で前記マイクロチャンネルプレートのＩＮ電極と電気的に接続され、
   前記出力電極は、前記マイクロチャンネルプレートの出射面において、前記軸線が延びる方向における前記一方の端部と反対側の端部で前記基板の対向方向に沿って延在すると共に、前記一方の端部と反対の端部で前記マイクロチャンネルプレートのＯＵＴ電極と電気的に接続されていることを特徴とするイオン検出器。
2. 前記基板はそれぞれ貫通孔を有し、
   前記イオン検出素子は、前記基板の対向方向に沿って延在する電極を有し、当該電極が前記貫通孔に挿入されることによって前記基板に支持されていることを特徴とする請求項１記載のイオン検出器。
3. 前記イオン検出素子は、ファラデーカップであることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン検出器。
4. 前記マイクロチャンネルプレート及び前記アノードは、前記軸線に対して所定の角度をなすように延在することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のイオン検出器。

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