JP6163066B2 - MCP unit, MCP detector and time-of-flight mass analyzer - Google Patents

MCP unit, MCP detector and time-of-flight mass analyzer Download PDF

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本発明は、飛行時間型質量分析法等に利用される検出器の主要部として、電子やイオンなどの荷電粒子の増倍機能を有するMCPユニット、該MCPユニットを含むMCP検出器および該MCP検出器を含む飛行時間型分析器に関するものである。   The present invention provides an MCP unit having a function of multiplying charged particles such as electrons and ions, an MCP detector including the MCP unit, and the MCP detection as a main part of a detector used for time-of-flight mass spectrometry. The present invention relates to a time-of-flight analyzer including a measuring instrument.

高分子の分子量を検出する手法として飛行時間型質量分析法(TOF−MS:Time Of Flight Mass Spectrometry)が知られている。図1は、このTOF−MSによる分析装置(以下、TOF−MS装置という)の構造を説明するための図である。   Time of flight mass spectrometry (TOF-MS) is known as a technique for detecting the molecular weight of a polymer. FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of this TOF-MS analyzer (hereinafter referred to as a TOF-MS apparatus).

図1に示されたように、TOF−MS装置では、真空容器110内の一端に検出器100が配置され、該真空容器110内の他端にサンプル(試料としてのイオン源)120が配置される。両者の間には、開口を有するリング形状の電極130(イオン加速器)が配置される。電極130は接地され、所定電圧が印加されているサンプル120に対してイオン抽出システム(レーザ光源を含む)からレーザビームが照射されると、サンプル120から放出されたイオンは、サンプル120と電極130の間に形成される電界によって加速され、検出器100へ衝突する。サンプル120から電極130の間においてイオンに与えられる加速エネルギーは、イオン電荷により決定される。そのため、イオン電荷が同一であれば電極130を通過するときの速度はイオンの質量に依存する。また、電極130と検出器100の間では、イオンは定速で飛行するため、電極130と検出器100の間におけるイオンの飛行時間は、速度に逆比例することになる。つまり、分析部は、この電極130から検出器100までの飛行時間を求めることでイオンの質量を決定する(検出器100からの出力電圧をオシロスコープでモニタする)。視覚的には、オシロスコープ上に表示される出力電圧の時間スペクトルに現れるピークの発生時間から、イオンの質量判定が可能になる。   As shown in FIG. 1, in the TOF-MS apparatus, the detector 100 is arranged at one end in the vacuum vessel 110, and the sample (ion source as a sample) 120 is arranged at the other end in the vacuum vessel 110. The A ring-shaped electrode 130 (ion accelerator) having an opening is disposed between the two. When the electrode 130 is grounded, and the sample 120 to which a predetermined voltage is applied is irradiated with a laser beam from an ion extraction system (including a laser light source), ions emitted from the sample 120 are converted into the sample 120 and the electrode 130. Is accelerated by the electric field formed between the two, and collides with the detector 100. The acceleration energy imparted to the ions between the sample 120 and the electrode 130 is determined by the ionic charge. Therefore, if the ion charges are the same, the speed when passing through the electrode 130 depends on the mass of the ions. In addition, since ions fly between the electrode 130 and the detector 100 at a constant speed, the flight time of ions between the electrode 130 and the detector 100 is inversely proportional to the velocity. That is, the analysis unit determines the mass of ions by obtaining the time of flight from the electrode 130 to the detector 100 (monitors the output voltage from the detector 100 with an oscilloscope). Visually, it is possible to determine the mass of ions from the time of occurrence of a peak appearing in the time spectrum of the output voltage displayed on the oscilloscope.

このようなTOF−MS装置に適用可能な検出器としては、例えば特許文献1に開示されたMCP検出器が知られている。図2は、TOF−MS装置に適用可能なMCP検出器の一例として、特許文献1に開示されたトライオード構造(Triode-structure)を有するMCP検出器の等価回路図である。図2に示されたMCP検出器100aは、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり(金属筐体)、グランド電位に設定されている。MCP検出器100aでは、2枚のマイクロチャネルプレート(MCP:Micro Channel Plate)20、21(以下、MCP群2という)が、それぞれの中央に開口が設けられたIN電極1とOUT電極3とで挟み込まれている。OUT電極3の後方にはアノード4が配置され、さらに、OUT電極3とアノード4との間には金属メッシュを有する加速電極5が配置されている。また、信号読み出し用のBNC端子(Bayonet Neil-Concelman connector)6のシールド側には、真空容器が接続される一方、BNC端子6の芯線は、コンデンサ62を介してアノード4に接続されている。このコンデンサ62には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをGNDレベルにする機能がある。さらに、BNC端子6のシールド側とOUT電極3の間、および、BNC端子6のシールド側と加速電極5の間にも、それぞれコンデンサ80、90が配置されている。加速電極5とアノード4との間隔Bは、MCP群2と加速電極5との間隔Aよりも広くなるよう設定されている。   As a detector applicable to such a TOF-MS apparatus, for example, an MCP detector disclosed in Patent Document 1 is known. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of an MCP detector having a triode structure disclosed in Patent Document 1 as an example of an MCP detector applicable to a TOF-MS apparatus. The MCP detector 100a shown in FIG. 2 is housed in a vacuum vessel whose interior is maintained at a predetermined degree of vacuum. The vacuum vessel is made of a conductive material (metal casing) and is set to the ground potential. In the MCP detector 100a, two micro channel plates (MCP) 20 and 21 (hereinafter referred to as MCP group 2) are formed by an IN electrode 1 and an OUT electrode 3 each having an opening at the center. It is sandwiched. An anode 4 is disposed behind the OUT electrode 3, and an acceleration electrode 5 having a metal mesh is disposed between the OUT electrode 3 and the anode 4. A vacuum vessel is connected to the shield side of a BNC terminal (Bayonet Neil-Concelman connector) 6 for signal readout, while the core wire of the BNC terminal 6 is connected to the anode 4 via a capacitor 62. The capacitor 62 has a function of setting the signal output level to the GND level by insulating the output. Further, capacitors 80 and 90 are also arranged between the shield side of the BNC terminal 6 and the OUT electrode 3 and between the shield side of the BNC terminal 6 and the acceleration electrode 5, respectively. The interval B between the acceleration electrode 5 and the anode 4 is set to be wider than the interval A between the MCP group 2 and the acceleration electrode 5.

上述のような構造を有するMCP検出器100aにおいて、IN電極1に設定されたマイナス電位を基準として、OUT電極3は、IN電極1よりも高いマイナス電位に設定される。加速電極5及びアノード4は、OUT電極3よりも高いマイナス電位に設定される。なお、加速電極5とアノード4は同一電位に設定されても良い。このように、MCP検出器100aは、アノード電位がグランドされていないフローティングアノード構造を有する。   In the MCP detector 100 a having the above-described structure, the OUT electrode 3 is set to a negative potential higher than that of the IN electrode 1 with reference to the negative potential set to the IN electrode 1. The acceleration electrode 5 and the anode 4 are set to a negative potential higher than that of the OUT electrode 3. The acceleration electrode 5 and the anode 4 may be set to the same potential. Thus, the MCP detector 100a has a floating anode structure in which the anode potential is not grounded.

BNC端子6の芯線を介して取り出された、アノード4からの信号は増幅器(Amp)により増幅された後、分析部へ取り込まれる。具体的には、MCP検出器100aにおいて、荷電粒子がMCP群2に入射すると、これに応じてMCP群2から多数の電子(MCPそれぞれで増倍された二次電子)が放出される。こうして放出された二次電子がアノード4に到達し、電圧又は電流変化として電気信号に変換される(BNC端子6の芯線から信号が出力される)。この際、アノード4と芯線との間に設けられたコンデンサ62により、検出信号は接地電位で外部に出力され、また、BNC端子6のシールド側とOUT電極3との間、および、BNC端子6のシールド側と加速電極5との間にそれぞれもうけられたコンデンサ80、90により、出力信号の波形歪みやオーバーシュート(リンギング)の発生が抑制される。   The signal from the anode 4 taken out through the core wire of the BNC terminal 6 is amplified by an amplifier (Amp) and then taken into the analysis unit. Specifically, when charged particles enter the MCP group 2 in the MCP detector 100a, a large number of electrons (secondary electrons multiplied by each MCP) are emitted from the MCP group 2 accordingly. The secondary electrons thus emitted reach the anode 4 and are converted into an electric signal as a change in voltage or current (a signal is output from the core wire of the BNC terminal 6). At this time, the detection signal is output to the outside at the ground potential by the capacitor 62 provided between the anode 4 and the core wire, and between the shield side of the BNC terminal 6 and the OUT electrode 3, and the BNC terminal 6. The capacitors 80 and 90 provided between the shield side and the acceleration electrode 5 respectively suppress the waveform distortion and overshoot (ringing) of the output signal.

米国特許第7,564,043号US Pat. No. 7,564,043

近年、TOF−MSでは、イオン化手法やイオン光学の発達に起因したイオン源から検出器までの領域における特性改善や、エレクトロニクスの発達に起因した解析システムの特性改善により、検出器の更なる特性向上が要求されるようになってきた。上述の特許文献1に開示されたトライオード構造のMCP検出器は、このような要求に応える電子デバイスとして、MCPのチャネル径による制限に依存することなく所望の時間応答特性を実現するため、時間スペクトルにおける検出ピークの立上がり時間及び立下り時間を任意に制御可能にする。しかしながら、係る優れた検出特性を有するトライオード構造のMCP検出器であっても、使用環境によってはその検出特性の安定性が損なわれる可能性があることが、発明者らの研究により発見された。   In recent years, TOF-MS has further improved the characteristics of the detector by improving the characteristics in the region from the ion source to the detector due to the development of ionization techniques and ion optics, and improving the characteristics of the analysis system due to the development of electronics. Has come to be required. The triode-structured MCP detector disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 is an electronic device that meets such a requirement, and realizes a desired time response characteristic without depending on the limitation due to the channel diameter of the MCP. The rise time and fall time of the detection peak at can be arbitrarily controlled. However, it has been discovered by the inventors' research that even a triode-structured MCP detector having such excellent detection characteristics may impair the stability of the detection characteristics depending on the use environment.

すなわち、トライオード構造のMCP検出器の時間応答特性の評価は、図3(A)に示されたように、当該MCP検出器を収納する真空容器などの外部電位源の影響を受けにくい環境下で行われる。このように、外部電位源の影響を受けにくい環境下(図3(A))では、図3(B)に示されたようなアノード出力(電圧信号)の信号波形が得られる。一方、実際には、図4(A)に示されたように、アノード4がマイナス電位に設定されるMCP検出器は、グランド電位に設定された金属筐体内に収納された環境下で使用される。特に、MCP検出器の使用に際して、筐体内壁から十分に離間した状態で当該MCP検出器を使用する場合には安定した時間応答特性が得られるが、近年の装置小型化要求から、当該MCP検出器と筐体内壁との距離を十分に確保することは難しい状況である。したがって、MCP検出器の近傍に外部電位源としてグランド電位に設定された金属筐体が配置された環境下(図4(A))では、図4(B)に示されたようなアノード出力の信号波形が得られる。   That is, the evaluation of the time response characteristics of the triode-structured MCP detector is performed in an environment that is not easily affected by an external potential source such as a vacuum container that houses the MCP detector, as shown in FIG. Done. Thus, in an environment that is not easily affected by the external potential source (FIG. 3A), a signal waveform of the anode output (voltage signal) as shown in FIG. 3B is obtained. On the other hand, as shown in FIG. 4A, the MCP detector in which the anode 4 is set to a negative potential is actually used in an environment housed in a metal casing set to the ground potential. The In particular, when using the MCP detector, when the MCP detector is used in a state of being sufficiently separated from the inner wall of the housing, a stable time response characteristic can be obtained. It is difficult to secure a sufficient distance between the container and the inner wall of the housing. Therefore, in an environment (FIG. 4 (A)) in which a metal casing set to the ground potential as an external potential source is arranged in the vicinity of the MCP detector, the anode output as shown in FIG. A signal waveform is obtained.

なお、図3(A)および図4(A)それぞれに示された等電位線は、加速電極5とアノード4とが同電位に設定された状況下での等電位線を示す。また、外部電位源の影響を受けにくい環境下での測定結果を示す図3(B)において、グラフG310は、トライオード構造を有するMCP検出器から得られるアノード出力を示し、グラフG320は、MCP群2とアノード4との間に加速電極が設けられていないバイポーラ構造(bipolar-structure)を有するMCP検出器から得られるアノード出力を示す。また、外部電位源の影響を受け易い環境下での測定結果を示す図4(B)において、グラフG410は、トライオード構造を有するMCP検出器から得られるアノード出力を示し、グラフG420は、参考例として、外部電位源の影響を受けにくい環境下でのトライオード構造を有するMCP検出器のアノード出力(図3(B)中のグラフG310に一致)を示す。   In addition, the equipotential lines shown in FIG. 3A and FIG. 4A are equipotential lines in a state where the acceleration electrode 5 and the anode 4 are set to the same potential. In FIG. 3B, which shows the measurement results in an environment that is not easily affected by the external potential source, a graph G310 shows the anode output obtained from the MCP detector having the triode structure, and a graph G320 shows the MCP group. 2 shows the anode output obtained from an MCP detector having a bipolar-structure in which no accelerating electrode is provided between 2 and the anode 4. In FIG. 4B, which shows the measurement results in an environment susceptible to the influence of the external potential source, graph G410 shows the anode output obtained from the MCP detector having a triode structure, and graph G420 shows a reference example. As shown, the anode output of the MCP detector having a triode structure in an environment hardly affected by the external potential source (corresponding to the graph G310 in FIG. 3B) is shown.

図3(B)中のグラフG310と図4(B)中のグラフG410の比較から分かるように、図4(A)の環境下では、グラフG410の矢印Pで示された部分、すなわちマイナスピークを過ぎた後にオーバーシュート(リンギング)が発生している。オーバーシュートは、アノード4からの電圧信号がマイナスのピークを過ぎた後にプラスに一時的に立ち上がる現象をいう。   As can be seen from the comparison between the graph G310 in FIG. 3B and the graph G410 in FIG. 4B, in the environment of FIG. 4A, the portion indicated by the arrow P in the graph G410, that is, a negative peak. Overshoot (ringing) has occurred after passing. The overshoot is a phenomenon in which the voltage signal from the anode 4 temporarily rises positively after passing a negative peak.

オーバーシュート発生のメカニズムを検証するに当たり、図3(A)の環境下での電界分布と、図4(A)の環境下での電界分布を比較してみると、図3(A)の環境下では、MCP検出器周辺の電界の乱れは少なく、MCP検出器内における設定電位が安定していることが分かる。MCP群2とアノード4との間、特に加速電極5とアノード4の間の電界が安定している場合、MCP群2から放出された電子がアノード4に衝突することにより反射電子(主に、アノード4で弾性散乱した二次電子や電子衝突により新たに発生した二次電子を含む)が発生したとしても、発生した反射電子は等速運動でアノード4、加速電極5に吸収されるため、図3(B)中に示されたグラフG310のようなアノード出力の信号波形が得られると考えられる。一方、図4(A)の環境下では、マイナス電位に設定されたアノード4とグランド電位に設定された筐体内壁が近接されているため、MCP検出器周辺の電界が乱れ、等電位線が加速電極5とアノード4との間の空間内に浸み込んでいることが分かる。この場合、アノード4から放出された反射電子がアノード4に吸収されることなく短時間で筐体の内壁に到達する可能性が増大し、オーバーシュート発生の要因となると考えられる。すなわち、MCP群2から放出された二次電子がアノード4に衝突すると、該アノード4から放出された反射電子が筐体の内壁へ飛び出すことによりアノード4内の電子が一時的に不足することが、オーバーシュート発生の要因の一つと考えられる。   When verifying the mechanism of overshoot occurrence, comparing the electric field distribution in the environment of FIG. 3A with the electric field distribution in the environment of FIG. 4A, the environment of FIG. Below, it can be seen that there is little disturbance in the electric field around the MCP detector, and the set potential in the MCP detector is stable. When the electric field between the MCP group 2 and the anode 4, particularly between the accelerating electrode 5 and the anode 4 is stable, the electrons emitted from the MCP group 2 collide with the anode 4 to cause reflected electrons (mainly, (Including secondary electrons elastically scattered at the anode 4 and secondary electrons newly generated by electron collision), the generated reflected electrons are absorbed by the anode 4 and the accelerating electrode 5 with constant velocity motion. It is considered that an anode output signal waveform like the graph G310 shown in FIG. 3B can be obtained. On the other hand, in the environment of FIG. 4A, since the anode 4 set to a negative potential and the inner wall of the casing set to the ground potential are close to each other, the electric field around the MCP detector is disturbed, and the equipotential lines are It can be seen that it has penetrated into the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4. In this case, it is considered that the possibility that the reflected electrons emitted from the anode 4 reach the inner wall of the housing in a short time without being absorbed by the anode 4 increases the overshoot. That is, when the secondary electrons emitted from the MCP group 2 collide with the anode 4, the reflected electrons emitted from the anode 4 jump out to the inner wall of the housing, and the electrons in the anode 4 may be temporarily insufficient. This is considered one of the causes of overshoot.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、外部環境に影響されることなく安定した時間応答特性を得るための構造を備えたMCPユニット、該MCPユニットを含むMCP検出器および該MCP検出器を含む飛行時間型分析器を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an MCP unit having a structure for obtaining a stable time response characteristic without being affected by an external environment, and an MCP including the MCP unit. It is an object of the present invention to provide a detector and a time-of-flight analyzer including the MCP detector.

本発明に係るMCPユニットは、MCPのチャネル径による制限に依存することなく所望の時間応答特性を実現するため、時間スペクトルにおける検出ピークの立上がり時間及び立下り時間を任意に制御可能なMCPユニットとして、MCPと、第1電極と、第2電極と、アノードと、加速電極を備える。特に、本発明に係るMCPユニットは、MCPからの二次電子の入射に応答してアノードから放出される反射電子(二次電子)を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を、更に備える。なお、MCPは、当該MCPユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、該中心軸に沿って移動する荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出する。また、MCPは、荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有する。第1電極は、MCPの入射面に接触した電極であって、第1電位に設定されている。第2電極は、MCPの出射面に接触した電極であって、第1電位よりも高い第2電位に設定されている。アノードは、MCPの出射面から放出された二次電子が到達する位置に配置された電極である。このアノードは、中心軸に交差した状態で配置されるとともに、第2電位よりも高い第3電位に設定されている。加速電極は、MCPとアノードとの間に配置された電極であって、第2電位よりも高い第4電位に設定されている。また、加速電極は、MCPの出射面からアノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する。   The MCP unit according to the present invention is an MCP unit that can arbitrarily control the rise time and the fall time of the detection peak in the time spectrum in order to realize a desired time response characteristic without depending on the limitation due to the channel diameter of the MCP. , MCP, a first electrode, a second electrode, an anode, and an acceleration electrode. In particular, the MCP unit according to the present invention is for confining reflected electrons (secondary electrons) emitted from the anode in response to the incidence of secondary electrons from the MCP in the space between the acceleration electrode and the anode. A restriction structure is further provided. The MCP emits secondary electrons that are multiplied inside in response to the incidence of charged particles that are arranged on a plane that intersects the central axis of the MCP unit and moves along the central axis. Further, the MCP has an incident surface on which charged particles are incident, and an emission surface that faces the incident surface and emits the secondary electrons. The first electrode is an electrode in contact with the incident surface of the MCP and is set to the first potential. The second electrode is an electrode in contact with the emission surface of the MCP, and is set to a second potential that is higher than the first potential. The anode is an electrode disposed at a position where secondary electrons emitted from the emission surface of the MCP reach. The anode is disposed so as to intersect the central axis, and is set to a third potential that is higher than the second potential. The acceleration electrode is an electrode disposed between the MCP and the anode, and is set to a fourth potential that is higher than the second potential. The accelerating electrode has a plurality of openings for passing secondary electrons from the exit surface of the MCP toward the anode.

上記制限構造には、加速電極とアノードとの間の空間を、当該MCPユニット周辺空間から物理的に隔離する第1の態様と、アノードから放出される反射電子の、当該MCPユニットの中心軸に直交する方向に沿った移動を制限する第2の態様と、加速電極とアノードとの電位差を制御する第3の態様と、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する第4の態様と、アノードからの反射電子の放出自体を抑制する構造を変更する第5の態様により実現可能である。なお、上記制限構造は、第1〜第5の態様のうち2以上の態様の組合せによっても実現可能である。   In the limiting structure, the space between the accelerating electrode and the anode is physically separated from the space around the MCP unit, and the reflected electrons emitted from the anode are arranged on the central axis of the MCP unit. A second mode for limiting movement along the orthogonal direction, a third mode for controlling the potential difference between the acceleration electrode and the anode, and a fourth mode for controlling the trajectory of secondary electrons from the microchannel plate toward the anode. This can be realized by the aspect and the fifth aspect in which the structure for suppressing the emission of the reflected electrons from the anode is changed. In addition, the said restriction | limiting structure is realizable also by the combination of 2 or more aspects among the 1st-5th aspects.

第1の態様に係る制限構造は、加速電極とアノードとの間に配置されたリング部材を含む。このリング部材は、加速電極からアノードへ向かう二次電子が通過させるよう、当該MCPユニットの中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有する。リング部材は、加速電極に接触する第1面と、第1面に対向するとともにアノードに接触する第2面を有し、該リング部材の貫通孔は、第1面と第2面を連絡するよう伸びた形状を有する。   The restriction structure according to the first aspect includes a ring member disposed between the acceleration electrode and the anode. The ring member has a through hole defined by a continuous surface surrounding the central axis of the MCP unit so that secondary electrons from the acceleration electrode toward the anode pass therethrough. The ring member has a first surface that contacts the acceleration electrode, and a second surface that faces the first surface and contacts the anode, and the through hole of the ring member communicates the first surface and the second surface. It has an extended shape.

なお、アノードには、金属板のみからなる構造の他、種々の構造が採用可能である。例えば、アノードは、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなるアノード基板(絶縁性基板)を備えても良い。この場合、アノードには、絶縁性基板と、該絶縁性基板上の一部領域または全面に金属膜(箔)が設けられた構造が採用可能である。アノードには、絶縁性基板と、該絶縁性基板上の一部領域または全面に金属板が固定された構造が採用されても良い。アノードが絶縁性基板を備えた構造を有する場合、リング部材の材料は金属、絶縁材料のいずれであっても良い。ただし、アノード全体が金属板からなる構造において、リング部材は、その構成材料によって異なる機能を発揮する。例えば、加速電極とアノードとを同電位に設定する場合には、リング部材は、金属材料からなるのが好ましい。一方、加速電極の電位とアノードの電位を独立して制御する場合、リング部材は、絶縁材料からなるのが好ましい。   In addition, various structures can be employed for the anode in addition to a structure made of only a metal plate. For example, the anode may include an anode substrate (insulating substrate) made of an insulating material such as glass epoxy resin. In this case, a structure in which an insulating substrate and a metal film (foil) are provided on a partial region or the entire surface of the insulating substrate can be employed for the anode. For the anode, an insulating substrate and a structure in which a metal plate is fixed to a partial region or the entire surface of the insulating substrate may be employed. When the anode has a structure including an insulating substrate, the material of the ring member may be a metal or an insulating material. However, in a structure in which the entire anode is made of a metal plate, the ring member exhibits different functions depending on its constituent materials. For example, when the acceleration electrode and the anode are set to the same potential, the ring member is preferably made of a metal material. On the other hand, when the potential of the acceleration electrode and the potential of the anode are controlled independently, the ring member is preferably made of an insulating material.

第2の態様に係る制限構造の一例は、荷電粒子の入射に応答して放出される二次電子の増倍に寄与する、マイクロチャネルプレートの有効領域の一部を、第1電極側から塞ぐマスク部材を含んでも良い。この場合、マスク部材は、当該MCPユニットの中心軸を取り囲む連続面により規定される貫通孔を有するのが好ましい。さらに、マスク部材は、第1電極の一部であっても良い。   An example of the limiting structure according to the second aspect is to block a part of the effective region of the microchannel plate that contributes to multiplication of secondary electrons emitted in response to incident charged particles from the first electrode side. A mask member may be included. In this case, the mask member preferably has a through hole defined by a continuous surface surrounding the central axis of the MCP unit. Further, the mask member may be a part of the first electrode.

第2の態様に係る制限構造の他の例は、当該MCPユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下において算出されたアノードの理論最大径であって、一旦放出された反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも、その最大径が拡大されたアノードを含んでも良い。この場合、加速電極の最大径も、アノードの最大径と略一致しているのが好ましい。   Another example of the limiting structure according to the second aspect is the theoretical maximum diameter of the anode calculated in an ideal environment in which the electric field distribution around the MCP unit is not easily affected by the external potential source, and once released. An anode having an enlarged maximum diameter than the theoretical maximum diameter that enables absorption of reflected electrons may be included. In this case, the maximum diameter of the accelerating electrode is preferably substantially the same as the maximum diameter of the anode.

第2の態様に係る制限構造の他の例は、第2電極から加速電極までの前記中心軸に沿った第1間隔が、加速電極からアノードまでの中心軸に沿った第2間隔よりも狭く設定された状態で、第2間隔が第1間隔の2倍以下になるよう配置された加速電極とアノードの双方を含んでも良い。   In another example of the limiting structure according to the second aspect, the first interval along the central axis from the second electrode to the acceleration electrode is narrower than the second interval along the central axis from the acceleration electrode to the anode. In the set state, both the acceleration electrode and the anode arranged so that the second interval is not more than twice the first interval may be included.

第2の態様に係る制限構造の更に他の例は、当該MCPユニットからグランド電位に設定された筐体までの距離を十分に離すことにより、当該MCPユニットから該筐体までの電位勾配を弱める構造を含んでも良い。   Still another example of the limiting structure according to the second aspect is that the potential gradient from the MCP unit to the casing is weakened by sufficiently separating the distance from the MCP unit to the casing set to the ground potential. A structure may be included.

第3の態様に係る制限構造は、加速電極とアノードとの間の空間における電位勾配が第2電極と加速電極との間の空間における電位勾配よりも小さくなるよう、第3電位が加速電極の第4電位よりも高く設定されたアノードを含んでも良い。   In the limiting structure according to the third aspect, the third potential is such that the potential gradient in the space between the acceleration electrode and the anode is smaller than the potential gradient in the space between the second electrode and the acceleration electrode. An anode set higher than the fourth potential may be included.

第4の態様に係る制限構造も一例は、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造として、マイクロチャネルプレートの入射面に対面する平坦部のエッジからアノードに向かって伸びた側壁部を有する第1電極を含んでも良い。   An example of the restriction structure according to the fourth aspect is an electron lens structure for controlling the trajectory of secondary electrons from the microchannel plate to the anode, from the edge of the flat portion facing the incident surface of the microchannel plate to the anode. You may include the 1st electrode which has the side wall part extended toward.

第4の態様に係る制限構造の他の例は、マイクロチャネルプレートの出射面に対面する平坦部のエッジからアノードに向かって伸びた側壁部を有する第2電極を含んでも良い。   Another example of the limiting structure according to the fourth aspect may include a second electrode having a side wall portion extending from the edge of the flat portion facing the emission surface of the microchannel plate toward the anode.

第5の態様に係る制限構造は、その表面が、二次電子の発生を抑制するカーボンなどでコーティングされたアノードを含んでも良い。   The limiting structure according to the fifth aspect may include an anode whose surface is coated with carbon or the like that suppresses the generation of secondary electrons.

本発明に係るMCP検出器は、上述のような構造を備えたMCPユニット(本発明に係るMCPユニット)により実現可能である。すなわち、当該MCP検出器は、上記MCPユニットと、マイクロチャネルプレートとともにアノードを挟むよう配置された信号出力部と、を備える。信号出力部は、アノードに電気的に接続された信号線を有する。また、信号出力部は、信号線と、該信号線を包囲するシールド部とを備えた同軸ケーブルを含んでもよく、この場合、当該MCP検出器は、さらに、シールド部と電気的に接続された一方の端子と、加速電極に電気的に接続された他方の端子とを有するコンデンサを備えるのが好ましい。   The MCP detector according to the present invention can be realized by an MCP unit (an MCP unit according to the present invention) having the above-described structure. That is, the MCP detector includes the MCP unit and a signal output unit arranged so as to sandwich the anode together with the microchannel plate. The signal output unit has a signal line electrically connected to the anode. The signal output unit may include a coaxial cable including a signal line and a shield unit surrounding the signal line. In this case, the MCP detector is further electrically connected to the shield unit. Preferably, a capacitor having one terminal and the other terminal electrically connected to the acceleration electrode is provided.

さらに、本発明に係る飛行時間型質量分析器は、真空容器(グランド電位に設定された金属筐体)と、イオン抽出システムと、イオン加速器と、上述のような構造を有するMCP検出器(本発明に係るMCP検出器)と、試料から放出されたイオンに関する情報として、少なくとも質量を判定する分析部と、を備える。真空容器は、イオン源として分析されるべき試料が内部に設置される。イオン抽出システムは、真空容器内に設置された試料からイオンを放出させる。イオン加速器は、真空容器内に配置された、試料から放出されたイオンを加速させる。MCP検出器は、イオン加速器を試料ととともに挟むように配置される。分析部は、MCP検出器からの検出信号に基づいてイオン加速器からMCP検出器までの飛行時間を検出することにより、該MCP検出器に到達したイオンの質量を決定する。   Furthermore, a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention includes a vacuum vessel (a metal casing set at a ground potential), an ion extraction system, an ion accelerator, and an MCP detector (this book) having the above-described structure. MCP detector according to the invention, and an analysis unit for determining at least mass as information on ions emitted from the sample. In the vacuum vessel, a sample to be analyzed as an ion source is installed inside. The ion extraction system releases ions from a sample installed in a vacuum vessel. The ion accelerator accelerates ions emitted from a sample, which are arranged in a vacuum vessel. The MCP detector is arranged so as to sandwich the ion accelerator together with the sample. An analysis part determines the mass of the ion which reached | attained this MCP detector by detecting the flight time from an ion accelerator to a MCP detector based on the detection signal from a MCP detector.

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。   Each embodiment according to the present invention can be more fully understood from the following detailed description and the accompanying drawings. These examples are given for illustration only and should not be construed as limiting the invention.

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。   Further scope of applicability of the present invention will become apparent from the detailed description given below. However, the detailed description and specific examples, while indicating the preferred embodiment of the invention, are presented for purposes of illustration only and various modifications and improvements within the scope of the invention may It will be apparent to those skilled in the art from the detailed description.

本発明によれば、優れた時間応答特性を実現するトライオード構造のMCPユニットに、MCPからの二次電子の入射に応答してアノードから放出される反射電子(二次電子)を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を設けることにより、外部電位源などの外部環境に影響されることなく安定した時間応答特性が得られる。   According to the present invention, reflected electrons (secondary electrons) emitted from the anode in response to the incidence of secondary electrons from the MCP are transmitted to the triode-structured MCP unit that realizes excellent time response characteristics with the acceleration electrode. By providing a limiting structure for confining in the space between the anode and the anode, a stable time response characteristic can be obtained without being affected by an external environment such as an external potential source.

TOF−MS装置の概略構造を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a TOF-MS apparatus. TOF−MS装置に適用されるMCP検出器の一例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows an example of the MCP detector applied to a TOF-MS apparatus. (A)は、外部電位源の影響を受けにくい環境下におけるMCP検出器近傍の電界分布を示す図であり、(B)は、該MCP検出器の時間応答特性を示す図である。(A) is a figure which shows the electric field distribution of the MCP detector vicinity in the environment where it is hard to receive the influence of an external potential source, (B) is a figure which shows the time response characteristic of this MCP detector. (A)は、外部電位源の影響を受け易い環境下におけるMCP検出器近傍の電界分布を示す図であり、(B)は、該MCP検出器の時間応答特性を示す図である。(A) is a figure which shows the electric field distribution of the MCP detector vicinity in the environment where it is easy to be influenced by an external potential source, (B) is a figure which shows the time response characteristic of this MCP detector. トライオード構造を有するMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造(本発明に係るMCPユニット等の基本構造)を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the structure (basic structure of the MCP unit etc. which concern on this invention) of the MCP detector to which the MCP unit which has a triode structure was applied. 図5に示されたMCP検出器の、L1−L1線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L1-L1 line | wire of the MCP detector shown by FIG. トライオード構造を有するMCPユニットが適用されたMCP検出器の時間応答特性を示すグラフである。It is a graph which shows the time response characteristic of the MCP detector to which the MCP unit which has a triode structure was applied. (A)は、図7の応答特性を測定するために用意されたMCPユニットの構造を示す断面図であり、(B)は、測定結果を示す表である。(A) is sectional drawing which shows the structure of the MCP unit prepared in order to measure the response characteristic of FIG. 7, (B) is a table | surface which shows a measurement result. (A)〜(C)は、加速電極の構造を説明するための図である。(A)-(C) are the figures for demonstrating the structure of an acceleration electrode. (A)は、図8(A)に示されたMCPユニットに適用される加速電極の開口率(%)と立上がり時間(ps)との関係を示すグラフであり、(B)は、測定条件を示す表である。(A) is a graph showing the relationship between the aperture ratio (%) of the acceleration electrode applied to the MCP unit shown in FIG. 8 (A) and the rise time (ps), and (B) shows the measurement conditions. It is a table | surface which shows. 本発明に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の特徴的構造を説明するための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for demonstrating the characteristic structure of the MCP detector to which the MCP unit based on this invention was applied. 第1実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 1st Embodiment was applied. 図12に示されたMCP検出器の、L2−L2線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L2-L2 line | wire of the MCP detector shown by FIG. 第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第1の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the 1st structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 2nd Embodiment was applied. 図14に示されたMCP検出器の、L3−L3線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L3-L3 line | wire of the MCP detector shown by FIG. 第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第2の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the 2nd structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 2nd Embodiment was applied. 図16に示されたMCP検出器の、L4−L4線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L4-L4 line | wire of the MCP detector shown by FIG. 第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第3の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the 3rd structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 2nd Embodiment was applied. 図18に示されたMCP検出器の、L5−L5線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L5-L5 line | wire of the MCP detector shown by FIG. 第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造を説明するための等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for demonstrating the structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 3rd Embodiment was applied. (A)は、第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器において、OUT電極−アノード間の電圧印加状態を示す図であり、(B)は、MCPユニットの断面構造を示す図である。(A) is a figure which shows the voltage application state between OUT electrode-anode in the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 3rd Embodiment was applied, (B) is a figure which shows the cross-section of an MCP unit It is. 第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第1の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the 1st structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 4th Embodiment was applied. 図22に示されたMCP検出器の、L6−L6線に沿った断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the L6-L6 line | wire of the MCP detector shown by FIG. 第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第2の構造を説明するための組み立て工程図である。It is an assembly process figure for demonstrating the 2nd structure of the MCP detector to which the MCP unit which concerns on 4th Embodiment was applied. 図24に示されたMCP検出器の、L7−L7線に沿った断面構造を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 24 along the line L7-L7.

以下、本発明に係るMCPユニット、MCP検出器、および飛行時間型質量分析器の各実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of an MCP unit, an MCP detector, and a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本発明に係る飛行時間型質量分析器は、図1に示されたように、内部が所定の真空度まで減圧された真空容器110と、レーザ光源を含むイオン抽出システムと、イオン加速器であるリング形状の電極130と、検出器100と、分析部を備える。本発明に係るMCP検出器は、検出器100に好適に適用可能であり、トライオード構造が採用されている。以下の説明では、本発明に係る飛行時間型質量分析器に適用可能な検出器として、トライオード構造を有するMCPユニット及びそれを含むMCP検出器の各実施形態について詳細に説明する。   As shown in FIG. 1, the time-of-flight mass analyzer according to the present invention includes a vacuum vessel 110 whose inside is decompressed to a predetermined vacuum degree, an ion extraction system including a laser light source, and a ring that is an ion accelerator. The electrode 130 having a shape, the detector 100, and an analysis unit are provided. The MCP detector according to the present invention can be suitably applied to the detector 100 and employs a triode structure. In the following description, embodiments of an MCP unit having a triode structure and an MCP detector including the MCP unit will be described in detail as detectors applicable to the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention.

まず、本発明に係るMCPユニット等の基本構造として、トライオード構造を有するMCPユニットおよびMCP検出器について、図5〜図7および図8(A)〜図10(B)を用いて説明する。図5は、トライオード構造を有するMCPユニットが適用されたMCP検出器の基本構造を説明するための組み立て工程図であり、上記特許文献1に開示されたトライオード構造のMCPユニットの基本構造に一致している。図6は、図5に示されたMCP検出器の、L1−L1線に沿った断面構造を示す図である。なお、図5および図6に示されたMCP検出器の等価回路図は、図2に示された等価回路図と一致している。   First, an MCP unit and an MCP detector having a triode structure as a basic structure of an MCP unit or the like according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 7 and FIGS. 8 (A) to 10 (B). FIG. 5 is an assembly process diagram for explaining the basic structure of the MCP detector to which the MCP unit having the triode structure is applied, and is consistent with the basic structure of the MCP unit having the triode structure disclosed in Patent Document 1. ing. FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 5 along the line L1-L1. The equivalent circuit diagram of the MCP detector shown in FIGS. 5 and 6 is identical to the equivalent circuit diagram shown in FIG.

図5に示されたMCP検出器は、内部が所定の真空度に維持された真空容器(グランド電位に設定された金属筐体)を備え、該真空容器の管軸AX(MCPユニットの中心軸に一致)に沿って順に、IN電極1(第1電極)、MCP群2、OUT電極3(第2電極)、加速電極5、アノード4が配置された構造を有する。MCP群2は、2枚のディスク形状のMCP20、21により構成されている。また、MCP群2の入射面(荷電粒子が到達する前面)側にはIN電極1(第1電極)が配置される一方、出射面(後面)側にはOUT電極3(第2電極)が配置されている。このように、MCP群2と、該MCP群2を挟み込んだIN電極1とOUT電極3によりMCPアセンブリが構成される。また、図5及び図6に示されたMCP検出器では、各電極への電圧印加構造として、IN電極(第1電極)1、OUT電極(第2電極)3、加速電極5(加速電極基板50を含む)、アノード4(アノード基板40を含む)のそれぞれに電圧印加用リードが設けられた4端子電圧印加構造が採用されている。   The MCP detector shown in FIG. 5 includes a vacuum vessel (a metal housing set to a ground potential) whose inside is maintained at a predetermined degree of vacuum, and a tube axis AX of the vacuum vessel (a central axis of the MCP unit). In this case, the IN electrode 1 (first electrode), the MCP group 2, the OUT electrode 3 (second electrode), the acceleration electrode 5, and the anode 4 are arranged in this order. The MCP group 2 is composed of two disc-shaped MCPs 20 and 21. Further, the IN electrode 1 (first electrode) is disposed on the incident surface (front surface where the charged particles reach) of the MCP group 2, while the OUT electrode 3 (second electrode) is disposed on the emission surface (rear surface) side. Has been placed. As described above, the MCP assembly is configured by the MCP group 2 and the IN electrode 1 and the OUT electrode 3 sandwiching the MCP group 2. Further, in the MCP detector shown in FIG. 5 and FIG. 6, as the voltage application structure to each electrode, an IN electrode (first electrode) 1, an OUT electrode (second electrode) 3, an acceleration electrode 5 (acceleration electrode substrate) 50) and the anode 4 (including the anode substrate 40) are each provided with a four-terminal voltage application structure in which voltage application leads are provided.

IN電極1は、中央に開口10を有するドーナツ形状を有する、金属製(例えば、ステンレス製)の電極であり、その盤面には、管軸AXを中心に90度ごとに4つの皿ねじ910が挿入される孔が設けられている。IN電極1の後面には、後方から延びた棒形状を有する、導電性材料(例えばステンレス製)のINリードが電気的に接続されている。IN電極1とINリードの接続位置は、隣接する2つの孔の中間に位置することになる。INリードは、絶縁性材料のINリード用インシュレータに挿入された状態で保持されており、この構造によりINリードは、他の構造要素(部品)とは絶縁されている。INリード用インシュレータとしては、例えば加工性、耐熱性、耐衝撃性、絶縁性に優れたPEEK(PolyEtherEtherKetone)樹脂が適している。   The IN electrode 1 is a metal (for example, stainless steel) electrode having a donut shape having an opening 10 in the center, and four countersunk screws 910 are provided on the panel surface every 90 degrees about the tube axis AX. A hole to be inserted is provided. An IN lead made of a conductive material (for example, stainless steel) having a bar shape extending from the rear is electrically connected to the rear surface of the IN electrode 1. The connection position of the IN electrode 1 and the IN lead is positioned between two adjacent holes. The IN lead is held in a state of being inserted in an insulator for IN lead made of an insulating material, and the IN lead is insulated from other structural elements (components) by this structure. As an insulator for IN lead, for example, PEEK (PolyEtherEtherKetone) resin excellent in workability, heat resistance, impact resistance, and insulation is suitable.

OUT電極3も、IN電極1と同様に、中央に開口30を有するドーナツ形状を有する、金属製の電極であるが、INリードを収容するINリード用インシュレータと接触しないよう、その一部が切り取られた構造を有する。そして、OUT電極3の盤面には、IN電極1の孔に対応する位置に、同様の孔が設けられている。OUT電極3の後面には、後方から延びる棒形状を有する、導電性材料(例えばステンレス製)のOUTリードが電気的に接続されている。なお、OUTリードは、正面から見てINリードを管軸AXを中心に左回りに90度回転させた位置に配置されている。このOUTリードも、INリードと同様に、絶縁性材料、例えばPEEK樹脂製のOUTリード用インシュレータに挿入された状態で保持されている(他の構造要素とは絶縁されている)。   Similarly to the IN electrode 1, the OUT electrode 3 is a metal electrode having a donut shape having an opening 30 in the center, but a part of the OUT electrode 3 is cut out so as not to come into contact with the IN lead insulator that accommodates the IN lead. Have a structured. A similar hole is provided on the surface of the OUT electrode 3 at a position corresponding to the hole of the IN electrode 1. The rear surface of the OUT electrode 3 is electrically connected to an OUT lead made of a conductive material (for example, stainless steel) having a bar shape extending from the rear. The OUT lead is disposed at a position where the IN lead is rotated 90 degrees counterclockwise about the tube axis AX when viewed from the front. Similarly to the IN lead, the OUT lead is also held in an insulating material, for example, an insulator for OUT lead made of PEEK resin (insulated from other structural elements).

なお、IN電極1とOUT電極3の間には、これらIN電極1及びOUT電極3それぞれの孔に対応する位置に、ドーナツ形状を有する、絶縁性材料のMCPインシュレータ901が配置されている。これらMCPインシュレータ901は、例えば、PEEK樹脂製であり、その厚みはMCP群2より若干薄い。以上のようにIN電極1とOUT電極3でMCP群2が挟み込まれたMCPアセンブリは、ディスク形状のMCP20、21の中心がIN電極1とOUT電極3のそれぞれの開口10、30の中心と一致するように精度よく組み立てられることにより得られる。   Note that an MCP insulator 901 made of an insulating material having a donut shape is disposed between the IN electrode 1 and the OUT electrode 3 at positions corresponding to the respective holes of the IN electrode 1 and the OUT electrode 3. These MCP insulators 901 are made of, for example, PEEK resin, and are slightly thinner than the MCP group 2. In the MCP assembly in which the MCP group 2 is sandwiched between the IN electrode 1 and the OUT electrode 3 as described above, the centers of the disk-shaped MCPs 20 and 21 coincide with the centers of the respective openings 10 and 30 of the IN electrode 1 and the OUT electrode 3. It is obtained by assembling with high accuracy.

OUT電極3の後方には、所定の間隔をおいて加速電極基板50が配置されている。この加速電極基板50は、中央に円形の開口を有する金属製の電極であるが、この開口を覆うように金属メッシュが設けられている。これら加速電極基板50及び金属メッシュにより加速電極5が構成されている。加速電極基板50は、INリードを収容するINリード用インシュレータ、及び、OUTリードを収容するOUTリード用インシュレータと接触しないよう、切り欠き構造を有する。上述のように、加速電極基板50は、OUT電極3に対して所定間隔をおいて配置されるため、該加速電極基板50には、OUT電極3の孔に対応する箇所に孔が設けられるとともに、OUT電極3との間には、ともにドーナツ形状を有する導電性材料の薄板801と絶縁性材料のインシュレータ902が配置されている。薄板801は、コンデンサ80の一端をOUT電極3とで挟み込むための金属部品である。薄板801としては、延性に優れた材料が適しており、例えば、りん青銅板に金又は銅メッキが施された部材が好ましい。また、インシュレータ902としては、例えばPEEK樹脂が適用可能である。なお、加速電極基板50に設けられた開口は、当該加速電極5の有効領域(MCP群2から放出された二次電子が通過するためのメッシュ領域)を規定しており、MCP群2の有効領域(二次電子を放出する領域)よりも広い。   An accelerating electrode substrate 50 is disposed behind the OUT electrode 3 at a predetermined interval. The acceleration electrode substrate 50 is a metal electrode having a circular opening in the center, and a metal mesh is provided so as to cover the opening. The acceleration electrode 5 is configured by the acceleration electrode substrate 50 and the metal mesh. The acceleration electrode substrate 50 has a notch structure so as not to come into contact with an IN lead insulator that accommodates an IN lead and an OUT lead insulator that accommodates an OUT lead. As described above, since the acceleration electrode substrate 50 is disposed at a predetermined interval with respect to the OUT electrode 3, the acceleration electrode substrate 50 is provided with holes at positions corresponding to the holes of the OUT electrode 3. A thin plate 801 made of a conductive material and an insulator 902 made of an insulating material, both having a donut shape, are disposed between the OUT electrode 3 and the OUT electrode 3. The thin plate 801 is a metal part for sandwiching one end of the capacitor 80 with the OUT electrode 3. As the thin plate 801, a material having excellent ductility is suitable. For example, a member obtained by applying gold or copper plating to a phosphor bronze plate is preferable. Further, as the insulator 902, for example, PEEK resin can be applied. The opening provided in the acceleration electrode substrate 50 defines an effective area of the acceleration electrode 5 (mesh area for passing secondary electrons emitted from the MCP group 2). It is wider than the region (region that emits secondary electrons).

さらに、加速電極基板50の後方には、所定の間隔をおいてアノード基板40が配置されている。このアノード基板40は、ガラスエポキシ樹脂(絶縁材料)で成形されたディスク形状を有し、その表面及び裏面には銅等の金属薄膜の所定パターンが形成されている。また、表面の金属薄膜パターンと裏面の金属薄膜パターンは導通されている。そして、アノード基板40は、INリードを収容するINリード用インシュレータ、及び、OUTリードを収容するOUTリード用インシュレータと接触しないよう、切り欠き構造を有する。上述のように、アノード基板40は加速電極基板50に対して所定間隔をおいて配置されるため、該アノード基板40には、加速電極基板50の孔に対応する箇所に孔が設けられるとともに、加速電極基板50との間には、ともにドーナツ形状を有する導電性材料の薄板803と絶縁性材料のインシュレータ904が配置されている。薄板803は、コンデンサ90の一端を加速電極基板50とで挟み込むための金属部品である。薄板803としては、延性に優れた材料が適しており、例えば、りん青銅板に金又は銅メッキが施された部材が好ましい。また、インシュレータ904としては、例えばPEEK樹脂が適用可能である。   Further, an anode substrate 40 is disposed behind the acceleration electrode substrate 50 at a predetermined interval. The anode substrate 40 has a disk shape formed of glass epoxy resin (insulating material), and a predetermined pattern of a metal thin film such as copper is formed on the front and back surfaces thereof. The metal thin film pattern on the front surface and the metal thin film pattern on the back surface are electrically connected. The anode substrate 40 has a notch structure so as not to come into contact with an IN lead insulator that accommodates an IN lead and an OUT lead insulator that accommodates an OUT lead. As described above, since the anode substrate 40 is disposed at a predetermined interval with respect to the acceleration electrode substrate 50, the anode substrate 40 is provided with holes at positions corresponding to the holes of the acceleration electrode substrate 50, and Between the accelerating electrode substrate 50, a thin plate 803 made of a conductive material and an insulator 904 made of an insulating material both having a donut shape are disposed. The thin plate 803 is a metal part for sandwiching one end of the capacitor 90 with the acceleration electrode substrate 50. As the thin plate 803, a material excellent in ductility is suitable. For example, a member obtained by applying gold or copper plating to a phosphor bronze plate is preferable. Further, as the insulator 904, for example, PEEK resin can be applied.

アノード基板40の表面及び裏面のそれぞれに形成される金属薄膜パターンのうち、表面の金属薄膜パターンは、OUT電極3の開口30と形状が一致する円形であって、開口30と表面の金属薄膜パターンとは同軸に配置されている。一方、裏面の金属薄膜パターンは、アノード基板40の中心から径方向の一方に延びる概ね線状のパターンであり、外側の端部には後方から延びる棒形状を有する、導電性材料(例えばステンレス製)のアノードリードが電気的に接続されている。なお、アノードリードは、正面から見てOUTリードを管軸AXを中心に左回りに90度回転させた位置に配置されている。つまり、INリードとは管軸AXを中心に対称な位置に配置されることになる。このアノードリードも、INリード、OUTリードと同様に、絶縁性材料、例えばPEEK樹脂製のアノードリード用インシュレータに挿入された状態で保持されることにより、他の構造要素とは絶縁される。   Of the metal thin film patterns formed on the front surface and the back surface of the anode substrate 40, the metal thin film pattern on the front surface is a circle having the same shape as the opening 30 of the OUT electrode 3, and the metal thin film pattern on the opening 30 and the front surface. Are arranged coaxially. On the other hand, the metal thin film pattern on the back surface is a substantially linear pattern extending in the radial direction from the center of the anode substrate 40, and a conductive material (for example, made of stainless steel) having a rod shape extending from the rear at the outer end. ) Anode lead is electrically connected. The anode lead is disposed at a position obtained by rotating the OUT lead 90 degrees counterclockwise about the tube axis AX when viewed from the front. That is, the IN lead is disposed at a symmetrical position with respect to the tube axis AX. Similarly to the IN lead and OUT lead, the anode lead is insulated from other structural elements by being held in an insulating material, for example, an insulator for anode lead made of PEEK resin.

裏面の金属薄膜パターンの中央には、銅製のアノード端子41がねじ止めされている。このアノード端子41とアノード基板40によりアノード4が構成される。なお、アノード4は、上述の構造には限定されず、例えば、絶縁材料からなるアノード基板40と、該アノード基板40上の一部領域または全面に固定された金属板により構成されても良い。また、アノード4全体が金属板で構成されても良い。   A copper anode terminal 41 is screwed to the center of the metal thin film pattern on the back surface. The anode 4 is configured by the anode terminal 41 and the anode substrate 40. The anode 4 is not limited to the above-described structure, and may be constituted by, for example, an anode substrate 40 made of an insulating material and a metal plate fixed to a partial region or the entire surface of the anode substrate 40. Moreover, the whole anode 4 may be comprised with the metal plate.

アノード4の後方には、後方カバー500が配置されている。この後方カバー500は、ドーナツ形状を有する基板501と、円筒部502と、同じくドーナツ形状を有する基板503により構成されている。円筒部502は、基板501、503間に挟み込まれ、ねじ920、930によって固定されており、後方カバー500は、このように基板501の内周と基板503の外周が円筒部502を介して接続されることで、深皿状の部材となる。基板501、503、円筒部502は、いずれも金属製(例えばステンレス製)である。また、基板501には、ねじ孔が設けられており、アノード4の背面にインシュレータ903と薄板802を挟んで後方カバー500が配置されている。このとき、ねじ孔に電気絶縁性(例えばPEEK樹脂が適用可能である)のねじ910を締結することにより各電極1、3、4とMCP群2が、後方カバー500に固定される。薄板802は、基板501とともにコンデンサ80、90それぞれの他端を挟み込むための金属部品である。薄板802も薄板801、803と同様の材料で良い。インシュレータ903には、例えばPEEK樹脂が適用可能である。また、基板501は、各リード用インシュレータが挿入される孔を有する。   A rear cover 500 is disposed behind the anode 4. The rear cover 500 includes a substrate 501 having a donut shape, a cylindrical portion 502, and a substrate 503 having the same donut shape. The cylindrical portion 502 is sandwiched between the substrates 501 and 503 and fixed by screws 920 and 930. The rear cover 500 thus connects the inner periphery of the substrate 501 and the outer periphery of the substrate 503 via the cylindrical portion 502. By doing so, it becomes a deep dish-shaped member. The substrates 501 and 503 and the cylindrical portion 502 are all made of metal (for example, stainless steel). Further, the substrate 501 is provided with a screw hole, and the rear cover 500 is disposed on the back surface of the anode 4 with the insulator 903 and the thin plate 802 interposed therebetween. At this time, the electrodes 1, 3, 4 and the MCP group 2 are fixed to the rear cover 500 by fastening screws 910 that are electrically insulating (for example, PEEK resin is applicable) into the screw holes. The thin plate 802 is a metal part for sandwiching the other ends of the capacitors 80 and 90 together with the substrate 501. The thin plate 802 may be the same material as the thin plates 801 and 803. For the insulator 903, for example, PEEK resin is applicable. Further, the substrate 501 has a hole into which each lead insulator is inserted.

基板503の中央には、ねじ940により、信号出力部であるBNC端子6が固定されている。BNC端子6の外側600は、後方カバー500の基板501に電気的に接続されている。一方、BNC端子6の内側の芯線601は、アノード端子41にコンデンサ62を介して接続されている。このコンデンサ62には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをGNDレベルにする機能がある。   A BNC terminal 6 that is a signal output unit is fixed to the center of the substrate 503 by a screw 940. The outer side 600 of the BNC terminal 6 is electrically connected to the substrate 501 of the rear cover 500. On the other hand, the core wire 601 inside the BNC terminal 6 is connected to the anode terminal 41 via a capacitor 62. The capacitor 62 has a function of setting the signal output level to the GND level by insulating the output.

なお、OUT電極3と基板501との間には、各端子が上述の薄板801と薄板802によりこれらOUT電極3と基板501のそれぞれに電気的に接続された、4つのコンデンサ80が、管軸AXを中心に等間隔離れて配置される。なお、基板501、円筒部502及び基板503は、それぞれ金属製であるので、コンデンサ80の一端は、BNC端子6の外側600に電気的に接続されることになる。同様に、加速電極基板50と基板501との間には、各端子が上述の薄板803と薄板802によりこれら加速電極基板50と基板501のそれぞれに電気的に接続された、4つのコンデンサ90が、管軸AXを中心に等間隔離れて配置される。したがって、これらコンデンサ90も、金属製の基板501と加速電極基板50の間に取り付けられることになり、コンデンサ90の一端は、BNC端子6の外側600に電気的に接続されることになる。   Note that, between the OUT electrode 3 and the substrate 501, four capacitors 80, each terminal of which is electrically connected to each of the OUT electrode 3 and the substrate 501 by the thin plate 801 and the thin plate 802, are connected to the tube axis. Arranged at equal intervals around AX. Since the substrate 501, the cylindrical portion 502, and the substrate 503 are each made of metal, one end of the capacitor 80 is electrically connected to the outside 600 of the BNC terminal 6. Similarly, between the acceleration electrode substrate 50 and the substrate 501, there are four capacitors 90 in which each terminal is electrically connected to each of the acceleration electrode substrate 50 and the substrate 501 by the thin plate 803 and the thin plate 802 described above. These are arranged at equal intervals around the tube axis AX. Therefore, these capacitors 90 are also attached between the metal substrate 501 and the acceleration electrode substrate 50, and one end of the capacitor 90 is electrically connected to the outside 600 of the BNC terminal 6.

また、上述のようなトライオード構造のMCP検出器において、加速電極5は、図6に示されたように、アノード4までの最短距離BがMCP群2の出射面までの最短距離Aよりも長くなるよう、MCP群2とアノード4との間に配置されている。すなわち、A<Bの条件を満たすように加速電極5がMCP群2−アノード4間に配置されることにより、検出ピークのFWHMの大幅な短縮が可能になり、時間応答特性を向上させることができる。これは、MCP群2、加速電極5、及びアノード4の配置条件を調整することにより、検出された時間スペクトル上に現れるピークのFWHMの低減が可能になるためである。すなわち、MCP群2−加速電極5間の距離Aの調整は検出ピークの立上がり時間の制御に寄与し、加速電極5−アノード4間の距離Bの調節は検出ピークの立下り時間の制御に寄与する。   Further, in the MCP detector having the triode structure as described above, the acceleration electrode 5 has the shortest distance B to the anode 4 longer than the shortest distance A to the emission surface of the MCP group 2 as shown in FIG. It is arranged between the MCP group 2 and the anode 4 so as to be. That is, by arranging the acceleration electrode 5 between the MCP group 2 and the anode 4 so as to satisfy the condition of A <B, the detection peak FWHM can be significantly shortened, and the time response characteristic can be improved. it can. This is because the peak FWHM appearing on the detected time spectrum can be reduced by adjusting the arrangement conditions of the MCP group 2, the acceleration electrode 5, and the anode 4. That is, the adjustment of the distance A between the MCP group 2 and the acceleration electrode 5 contributes to the control of the rise time of the detection peak, and the adjustment of the distance B between the acceleration electrode 5 and the anode 4 contributes to the control of the fall time of the detection peak. To do.

加速電極5は、OUT電極3よりも高い電位に設定されれば良いが、加速電極5がアノード4と同じ電位に設定されることにより、従来のバイポーラ構造のMCP検出器と比較して、MCP群2から放出される二次電子の加速領域を任意に制限することができる(放出された時間拡がりが抑制されることから従来よりも検出ピークの立上がり時間の短縮が可能)。   The acceleration electrode 5 may be set to a higher potential than the OUT electrode 3, but the acceleration electrode 5 is set to the same potential as the anode 4, so that the MCP can be compared with the conventional bipolar MCP detector. The acceleration region of the secondary electrons emitted from the group 2 can be arbitrarily limited (spreading time can be reduced, so that the rise time of the detection peak can be shortened compared to the conventional case).

図7は、トライオード構造を有するMCPユニットが適用されたMCP検出器の時間応答特性を示すグラフである。また、図8(A)は、図7の応答特性を測定するために用意されたトライオード構造のMCPユニットの構造(外部電位源による影響を受けにくい理想環境下での構造)を示す断面図であり、図8(B)は、測定結果を示す表である。   FIG. 7 is a graph showing time response characteristics of an MCP detector to which an MCP unit having a triode structure is applied. FIG. 8A is a cross-sectional view showing the structure of a triode-structured MCP unit prepared in order to measure the response characteristics of FIG. 7 (structure in an ideal environment that is hardly affected by an external potential source). Yes, FIG. 8B is a table showing the measurement results.

用意された測定系は、図8(A)に示されたように、入射面側にIN電極1が設けられるとともに出射面側にOUT電極3が設けられたMCP群2と、アノード4と、これらMCP群2とアノード4との間に配置された加速電極5により構成されたMCPユニットであり、外部電位源の影響を受けにくい理想環境に設置されているものとする。このような測定系のMCPユニットにおいて、アノード4及び加速電極5はグランドレベルに設定され、OUT電極3は−500Vに設定され、IN電極1は−2000Vに設定されている。また、加速電極5の有効領域は、開口率81%の金属メッシュ(線幅40μm、配線ピッチ0.4mm)で構成されている。   As shown in FIG. 8A, the prepared measurement system includes an MCP group 2 in which an IN electrode 1 is provided on the incident surface side and an OUT electrode 3 is provided on the output surface side, an anode 4, It is assumed that the MCP unit includes an acceleration electrode 5 disposed between the MCP group 2 and the anode 4 and is installed in an ideal environment that is not easily affected by an external potential source. In such a measurement system MCP unit, the anode 4 and the acceleration electrode 5 are set to the ground level, the OUT electrode 3 is set to -500V, and the IN electrode 1 is set to -2000V. The effective area of the acceleration electrode 5 is composed of a metal mesh having an aperture ratio of 81% (line width 40 μm, wiring pitch 0.4 mm).

この測定は、図8(A)中に示されたMCP群2−加速電極5間の最短距離A、及び加速電極5−アノード4間の最短距離Bを変えながらアノード4から得られる出力電圧の時間変化をモニタすることにより行われた。すなわち、図8(B)に示されたように、距離Aが1.1mmで距離Bも1.1mmのケース1、距離Aが1.1mmで距離Bが2.6mmのケース2、距離Aが2.6mmで距離Bが1.1mmのケース3について測定が行われた。図7中に示されたグラフG810はケース1(A=B)の時間スペクトルを示し、グラフG820はケース2(A<B)の時間スペクトルを示す。図7からも分かるように、ケース2の場合、検出ピークの立下り時間が大幅に短縮されたことに伴って検出ピークの半値全幅(FWHM)も大幅に低減されている。一方、図7には示されていないが、ケース3の場合、検出ピークのFWHMは結果的にケース1とほぼ変わりはないが、検出ピークの立下がり時間の短縮とが逆に立上がり時間が伸びてしまっている。このように、ケース3では、立下がり時間と立上がり時間が連動して変化するため、検出ピークの波形整形は困難である。   In this measurement, the output voltage obtained from the anode 4 while changing the shortest distance A between the MCP group 2 and the acceleration electrode 5 and the shortest distance B between the acceleration electrode 5 and the anode 4 shown in FIG. This was done by monitoring the time change. That is, as shown in FIG. 8B, the case 1 in which the distance A is 1.1 mm and the distance B is 1.1 mm, the case 2 in which the distance A is 1.1 mm and the distance B is 2.6 mm, and the distance A Was measured for Case 3 with a distance of 2.6 mm and a distance B of 1.1 mm. A graph G810 shown in FIG. 7 shows a time spectrum of case 1 (A = B), and a graph G820 shows a time spectrum of case 2 (A <B). As can be seen from FIG. 7, in the case 2, the full width at half maximum (FWHM) of the detection peak is greatly reduced as the fall time of the detection peak is significantly shortened. On the other hand, although not shown in FIG. 7, in the case 3, the FWHM of the detection peak is almost the same as the case 1 as a result, but the rise time is increased in contrast to the reduction of the fall time of the detection peak. It has been. Thus, in case 3, since the fall time and the rise time change in conjunction with each other, it is difficult to shape the waveform of the detected peak.

次に、図9(A)〜図9(C)は、加速電極5の構造を説明するための図である。図9(A)に示されたように、加速電極5は、中央に円形の開口5aが設けられた加速電極基板50と、開口5aを覆うように貼り付けられた金属メッシュ51を備える。金属メッシュ51は、図9(B)に示されたように、所定線幅の金属ワイヤを格子状に配列することにより得られる。線幅は製造上の制約や機械的強度の観点から40μm程度が限界と考えられる。図9(C)は、線幅40μmで構成された金属メッシュ51の配線ピッチと開口率との関係を示す表である。   Next, FIG. 9A to FIG. 9C are views for explaining the structure of the acceleration electrode 5. As shown in FIG. 9A, the acceleration electrode 5 includes an acceleration electrode substrate 50 provided with a circular opening 5a at the center, and a metal mesh 51 attached so as to cover the opening 5a. As shown in FIG. 9B, the metal mesh 51 is obtained by arranging metal wires having a predetermined line width in a grid pattern. The limit of the line width is considered to be about 40 μm from the viewpoint of manufacturing restrictions and mechanical strength. FIG. 9C is a table showing the relationship between the wiring pitch and the aperture ratio of the metal mesh 51 configured with a line width of 40 μm.

上述のような構造を有する加速電極5の有効領域における開効率(金属メッシュの開効率)は、60%以上95%以下であるのが好ましい。開口率が60%を下回ると、通過電子数(加速電極の透過率)が低下し、アノードから得られる信号量が減少するからである。一方、開口率が95%を超えると、得られる時間スペクトルにおける検出ピークの波形整形が実質的にできなくなるからである。なお、図10(A)は、図8(A)に示されたMCPユニットに適用される加速電極の開口率(%)と立上がり時間(ps)との関係を示すグラフであり、図10(B)は、測定条件を示す表である。   The open efficiency (open efficiency of the metal mesh) in the effective region of the accelerating electrode 5 having the above-described structure is preferably 60% or more and 95% or less. This is because when the aperture ratio is less than 60%, the number of passing electrons (transmittance of the accelerating electrode) decreases, and the amount of signal obtained from the anode decreases. On the other hand, when the aperture ratio exceeds 95%, the waveform shaping of the detection peak in the obtained time spectrum is substantially impossible. FIG. 10 (A) is a graph showing the relationship between the aperture ratio (%) of the acceleration electrode applied to the MCP unit shown in FIG. 8 (A) and the rise time (ps). B) is a table showing measurement conditions.

次に、上述のような構造を有するトライオード構造のMCPユニットに適用される制限構造について説明する。すなわち、本発明に係るMCPユニット等は、上述のようなトライオード構造を基本構造として備え、さらに、当該MCPユニット近傍に存在する外部電位源の影響を低減するための制限構造として、種々の構造が適用可能である。   Next, the restriction structure applied to the triode structure MCP unit having the above-described structure will be described. That is, the MCP unit or the like according to the present invention includes the triode structure as described above as a basic structure, and various structures as a limiting structure for reducing the influence of an external potential source existing in the vicinity of the MCP unit. Applicable.

図11は、本発明に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の特徴的構造を説明するための等価回路図であり、その主要部分は図2の等価回路図と重複している。図11のMCP検出器もTOF−MS装置等に適用可能である。図11に示されたMCP検出器は、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり、グランド電位に設定されている。このMCP検出器では、2枚のMCP20、21(MCP群2)が、それぞれの中央に開口が設けられたIN電極1とOUT電極3とで挟み込まれている。OUT電極3の後方にはアノード4が配置され、さらに、OUT電極3とアノードとの間には金属メッシュを有する加速電極5が配置されている。また、信号読み出し用のBNC端子6のシールド側には、真空容器が接続される一方、BNC端子6の芯線は、コンデンサ62を介してアノード4に接続されている。このコンデンサ62には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをGNDレベルにする機能がある。さらに、BNC端子6のシールド側とOUT電極3の間、および、BNC端子6のシールド側と加速電極5の間にも、それぞれコンデンサ80、90が配置されている。加速電極5とアノード4との間隔Bは、MCP群2と加速電極5との間隔Aよりも広くなるよう設定されている。   FIG. 11 is an equivalent circuit diagram for explaining the characteristic structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the present invention is applied, and its main part overlaps with the equivalent circuit diagram of FIG. The MCP detector shown in FIG. 11 is also applicable to a TOF-MS device or the like. The MCP detector shown in FIG. 11 is housed in a vacuum container whose interior is maintained at a predetermined degree of vacuum. The vacuum vessel is made of a conductive material and is set to the ground potential. In this MCP detector, two MCPs 20 and 21 (MCP group 2) are sandwiched between an IN electrode 1 and an OUT electrode 3 each having an opening at the center thereof. An anode 4 is disposed behind the OUT electrode 3, and an acceleration electrode 5 having a metal mesh is disposed between the OUT electrode 3 and the anode. Further, a vacuum vessel is connected to the shield side of the BNC terminal 6 for signal readout, while the core wire of the BNC terminal 6 is connected to the anode 4 via a capacitor 62. The capacitor 62 has a function of setting the signal output level to the GND level by insulating the output. Further, capacitors 80 and 90 are also arranged between the shield side of the BNC terminal 6 and the OUT electrode 3 and between the shield side of the BNC terminal 6 and the acceleration electrode 5, respectively. The interval B between the acceleration electrode 5 and the anode 4 is set to be wider than the interval A between the MCP group 2 and the acceleration electrode 5.

上述のような構造を有するMCP検出器において、IN電極1に設定されたマイナス電位を基準として、OUT電極3は、IN電極1よりも高いマイナス電位に設定される。加速電極5及びアノード4は、OUT電極3よりも高いマイナス電位に設定される。なお、加速電極5とアノード4は同一電位に設定されても良い。このように、MCP検出器は、アノード電位がグランドされていないフローティングアノード構造を有する。   In the MCP detector having the above-described structure, the OUT electrode 3 is set to a higher negative potential than the IN electrode 1 with the negative potential set to the IN electrode 1 as a reference. The acceleration electrode 5 and the anode 4 are set to a negative potential higher than that of the OUT electrode 3. The acceleration electrode 5 and the anode 4 may be set to the same potential. Thus, the MCP detector has a floating anode structure in which the anode potential is not grounded.

BNC端子6の芯線を介して取り出された、アノード4からの信号は増幅器(Amp)により増幅された後、分析部へ取り込まれる。具体的には、MCP検出器100aにおいて、荷電粒子がMCP群2に入射すると、これに応じてMCP群2から多数の電子が放出される。こうして放出された二次電子がアノード4に到達し、電圧又は電流変化として電気信号に変換される。この際、アノード4と芯線との間に設けられたコンデンサ62により、検出信号は接地電位で外部に出力され、また、BNC端子6のシールド側とOUT電極3との間、および、BNC端子6のシールド側と加速電極5との間にそれぞれ設けられたコンデンサ80、90により、出力信号の波形歪みやオーバーシュート(リンギング)の発生が抑制される(理想環境において)。   The signal from the anode 4 taken out through the core wire of the BNC terminal 6 is amplified by an amplifier (Amp) and then taken into the analysis unit. Specifically, when charged particles enter the MCP group 2 in the MCP detector 100a, a large number of electrons are emitted from the MCP group 2 accordingly. The secondary electrons thus emitted reach the anode 4 and are converted into an electric signal as a change in voltage or current. At this time, the detection signal is output to the outside at the ground potential by the capacitor 62 provided between the anode 4 and the core wire, and between the shield side of the BNC terminal 6 and the OUT electrode 3, and the BNC terminal 6. Occurrence of waveform distortion and overshoot (ringing) of the output signal is suppressed (in an ideal environment) by the capacitors 80 and 90 provided respectively between the shield side and the acceleration electrode 5.

特に、本発明に係るMCPユニットは、MCP群2からの二次電子の入射に応答してアノード4から放出される二次電子(反射電子)を、加速電極とアノードとの間の空間内に閉じ込めるための制限構造を、更に備える。   In particular, the MCP unit according to the present invention causes secondary electrons (reflected electrons) emitted from the anode 4 in response to the incidence of secondary electrons from the MCP group 2 to enter the space between the acceleration electrode and the anode. A restriction structure for confinement is further provided.

具体的な制限構造としては、図11中に示されたように、加速電極とアノードとの間の空間を、当該MCPユニット周辺空間から物理的に隔離する態様I(第1実施形態)と、アノードから放出される反射電子の、当該MCPユニットの中心軸に直交する方向に沿った移動を制限する態様II(第2実施形態)と、加速電極とアノードとの電位差を制御する態様III(第3実施形態)と、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する態様IV(第4実施形態)と、アノードからの反射電子の放出自体を抑制する構造を変更する態様V(第5実施形態)により実現可能である。なお、上記制限構造は、態様I〜Vのうち2以上の態様の組合せによっても実現可能である。   As a specific restricting structure, as shown in FIG. 11, an aspect I (first embodiment) in which the space between the acceleration electrode and the anode is physically isolated from the peripheral space of the MCP unit, Aspect II (second embodiment) for limiting the movement of reflected electrons emitted from the anode along a direction perpendicular to the central axis of the MCP unit, and an aspect III (second) for controlling the potential difference between the acceleration electrode and the anode 3), an aspect IV for controlling the trajectory of secondary electrons from the microchannel plate to the anode (fourth embodiment), and an aspect V for changing the structure for suppressing the emission of reflected electrons from the anode itself (first embodiment). 5 embodiment). In addition, the said restriction | limiting structure is realizable also by the combination of two or more aspects among aspect IV.

(第1実施形態)
図12は、第1実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図13は、図12に示されたMCP検出器の、L2−L2線に沿った断面構造を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 12 is an assembly process diagram for explaining the structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the first embodiment is applied. FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 12 along the line L2-L2.

第1実施形態における制限構造は、図11中に示されたように、加速電極5とアノード4との間の空間を周辺空間から隔離する構造(態様I)により実現される。具体的には、第1実施形態における制限構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、スペーサとしてのインシュレータ904に代えて、貫通孔904Aaを有するリング部材904Aが適用される。   The restriction structure in the first embodiment is realized by a structure (mode I) that isolates the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 from the peripheral space, as shown in FIG. Specifically, in the limiting structure in the first embodiment, a ring member 904A having a through hole 904Aa is applied instead of the insulator 904 as a spacer in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. The

すなわち、この第1実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器は、管軸AX(MCPユニットの中心軸に一致)に沿って順に、IN電極1(第1電極)、MCP群2、OUT電極3(第2電極)、加速電極5、アノード4が配置された構造を有する。なお、IN電極1とOUT電極3の間には、絶縁性材料のMCPインシュレータ901が配置されている。OUT電極3の後方には、インシュレータ902を介して加速電極5が配置されている。さらに、この加速電極5の後方にはアノード4が配置されており、これら加速電極5とアノード4との間に、MCP群2からの二次電子が通過可能な貫通孔904Aaを有するリング部材904Aが配置されている。アノード4の後方には、インシュレータ903と薄板802を挟んで後方カバー500が配置されている。この後方カバー500は、基板501と、円筒部502と、基板503により構成されている。基板503の中央には、信号出力部であるBNC端子6が固定されており、BNC端子6の内側の芯線601が、アノード端子41にコンデンサ62を介して接続されている。   That is, the MCP detector to which the MCP unit according to the first embodiment is applied includes an IN electrode 1 (first electrode), an MCP group 2 in order along the tube axis AX (corresponding to the central axis of the MCP unit), It has a structure in which an OUT electrode 3 (second electrode), an acceleration electrode 5 and an anode 4 are arranged. Note that an MCP insulator 901 made of an insulating material is disposed between the IN electrode 1 and the OUT electrode 3. The acceleration electrode 5 is disposed behind the OUT electrode 3 via an insulator 902. Further, an anode 4 is disposed behind the acceleration electrode 5, and a ring member 904 </ b> A having a through-hole 904 </ b> Aa through which secondary electrons from the MCP group 2 can pass between the acceleration electrode 5 and the anode 4. Is arranged. A rear cover 500 is disposed behind the anode 4 with the insulator 903 and the thin plate 802 interposed therebetween. The rear cover 500 includes a substrate 501, a cylindrical portion 502, and a substrate 503. A BNC terminal 6 serving as a signal output unit is fixed at the center of the substrate 503, and a core wire 601 inside the BNC terminal 6 is connected to the anode terminal 41 via a capacitor 62.

第1実施形態において、リング部材904Aは、加速電極5からアノード4へ向かう二次電子が通過させるよう、管軸AXを取り囲む連続面によって規定される貫通孔904Aaを有する。なお、リング部材904Aは、加速電極5に接触する第1面と、第1面に対向するとともにアノード4に接触する第2面を有し、該リング部材904Aの貫通孔904Aaは、第1面と第2面を連絡するよう伸びた形状を有する。また、リング部材904Aは、金属部材、絶縁材料のいずれで構成されても良い。この構造により、加速電極5とアノード4との間の空間の、周辺空間からの隔離状態に維持される。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される(図4(B)中のグラフG420参照)。ただし、アノード4全体が金属板からなる構造において、リング部材904Aは、その構成材料によって異なる機能を発揮する。すなわち、加速電極5とアノード4とを同電位に設定する場合には、リング部材904Aは、金属材料からなるのが好ましい。一方、加速電極5の電位とアノード4の電位を独立して制御する場合、リング部材904Aは、絶縁材料からなるのが好ましい。   In the first embodiment, the ring member 904 </ b> A has a through hole 904 </ b> Aa defined by a continuous surface surrounding the tube axis AX so that secondary electrons from the acceleration electrode 5 toward the anode 4 can pass therethrough. The ring member 904A has a first surface that contacts the accelerating electrode 5 and a second surface that faces the first surface and contacts the anode 4, and the through hole 904Aa of the ring member 904A has a first surface. And has a shape extended to communicate with the second surface. Further, the ring member 904A may be made of either a metal member or an insulating material. With this structure, the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 is maintained in an isolated state from the surrounding space. As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced (see graph G420 in FIG. 4B). . However, in the structure in which the entire anode 4 is made of a metal plate, the ring member 904A exhibits different functions depending on its constituent materials. That is, when the acceleration electrode 5 and the anode 4 are set to the same potential, the ring member 904A is preferably made of a metal material. On the other hand, when the potential of the acceleration electrode 5 and the potential of the anode 4 are controlled independently, the ring member 904A is preferably made of an insulating material.

(第2実施形態)
第2実施形態における制限構造は、図11中に示されたように、アノード4から放出される反射電子の、MCP検出器の管軸AXに直交する方向に沿った移動を制限する構造(態様II)により実現される。なお、この第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造は、当該第2実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図5に示された基本構造と実質的に一致する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 11, the limiting structure in the second embodiment is a structure that limits the movement of the reflected electrons emitted from the anode 4 along the direction perpendicular to the tube axis AX of the MCP detector (mode). II). The structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the second embodiment is applied substantially matches the basic structure shown in FIG. 5 except for the structure corresponding to the restriction structure in the second embodiment. To do.

すなわち、第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器は、管軸AX(MCPユニットの中心軸に一致)に沿って順に、IN電極1(第1電極)、MCP群2、OUT電極3(第2電極)、加速電極5、アノード4が配置された構造を有する。なお、IN電極1とOUT電極3の間には、絶縁性材料のMCPインシュレータ901が配置されている。OUT電極3の後方には、インシュレータ902を介して加速電極5が配置されている。さらに、この加速電極5の後方にはアノード4が配置されており、これら加速電極5とアノード4との間に、スペーサとしてのインシュレータ904が配置されている。アノード4の後方には、インシュレータ903と薄板802を挟んで後方カバー500が配置されている。この後方カバー500は、基板501と、円筒部502と、基板503により構成されている。基板503の中央には、信号出力部であるBNC端子6が固定されており、BNC端子6の内側の芯線601が、アノード端子41にコンデンサ62を介して接続されている。   That is, the MCP detector to which the MCP unit according to the second embodiment is applied has an IN electrode 1 (first electrode), an MCP group 2, OUT in order along the tube axis AX (coincident with the central axis of the MCP unit). The electrode 3 (second electrode), the acceleration electrode 5 and the anode 4 are arranged. Note that an MCP insulator 901 made of an insulating material is disposed between the IN electrode 1 and the OUT electrode 3. The acceleration electrode 5 is disposed behind the OUT electrode 3 via an insulator 902. Further, an anode 4 is disposed behind the acceleration electrode 5, and an insulator 904 as a spacer is disposed between the acceleration electrode 5 and the anode 4. A rear cover 500 is disposed behind the anode 4 with the insulator 903 and the thin plate 802 interposed therebetween. The rear cover 500 includes a substrate 501, a cylindrical portion 502, and a substrate 503. A BNC terminal 6 serving as a signal output unit is fixed at the center of the substrate 503, and a core wire 601 inside the BNC terminal 6 is connected to the anode terminal 41 via a capacitor 62.

第2実施形態に係る制限構造は種々の構造により実現可能であるが、図14は、第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第1の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図15は、図14に示されたMCP検出器の、L3−L3線に沿った断面構造を示す図である。   Although the restriction structure according to the second embodiment can be realized by various structures, FIG. 14 illustrates an assembly process for explaining the first structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the second embodiment is applied. FIG. FIG. 15 is a view showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 14 along the line L3-L3.

具体的に、第2実施形態における制限構造を実現する第1の構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、IN電極1に代えて、IN電極100Aが適用される。この第1の構造において、IN電極100Aは、その開口100Aaの直径が、図5(基本構造)に示されたIN電極1の開口10の直径よりも小さくなるようマスク部材100Abが設けられている。マスク部材100Abは、図14に示されたように、管軸AXを取り囲む連続面により規定される貫通孔を有するとともに、IN電極100Aの一部を構成している。この構造によれば、アノード4上では、MCP群2から放出された二次電子の到達領域はより管軸AX近傍に制限される。そのため、アノード4から放出される反射電子の発生位置と該アノード4の端部までの距離を相対的に拡大することが可能になり、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   Specifically, instead of the IN electrode 1 in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. 5, the IN electrode 100A is applied to the first structure that realizes the limiting structure in the second embodiment. . In the first structure, the IN electrode 100A is provided with a mask member 100Ab so that the diameter of the opening 100Aa is smaller than the diameter of the opening 10 of the IN electrode 1 shown in FIG. 5 (basic structure). . As shown in FIG. 14, the mask member 100Ab has a through hole defined by a continuous surface surrounding the tube axis AX, and constitutes a part of the IN electrode 100A. According to this structure, the arrival region of the secondary electrons emitted from the MCP group 2 is more limited on the anode 4 in the vicinity of the tube axis AX. Therefore, it is possible to relatively increase the distance between the generation position of the reflected electrons emitted from the anode 4 and the end of the anode 4, and the MCP detection from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4. The possibility of reflected electrons jumping out of the device is effectively reduced.

次に、第2実施形態における制限構造を実現する第2の構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、加速電極5およびアノード4に代えて、加速電極500Aおよびアノード400が適用される。なお、図16は、第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第2の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図17は、図16に示されたMCP検出器の、L4−L4線に沿った断面構造を示す図である。加速電極500Aおよびアノード400を除き、制限構造として第2の構造を備えたMCP検出器(図16および図17)の構造は、図5に示されたMCP検出器の基本構造と実質的に一致している。   Next, the second structure for realizing the limiting structure in the second embodiment includes an acceleration electrode 500A and an anode in place of the acceleration electrode 5 and the anode 4 in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. 400 is applied. FIG. 16 is an assembly process diagram for explaining a second structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the second embodiment is applied. FIG. 17 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 16 along the line L4-L4. Except for the acceleration electrode 500A and the anode 400, the structure of the MCP detector (FIGS. 16 and 17) having the second structure as the limiting structure is substantially the same as the basic structure of the MCP detector shown in FIG. I'm doing it.

すなわち、この第2の構造において、加速電極500Aは、中央の開口を有する加速電極基板500Aaと、この開口を塞ぐ金属メッシュにより構成されている。特に、加速電極基板500Aaの形状は円形を有し、図5に示された加速電極基板50よりもその最大径が拡大されている。同様に、アノード400においても、アノード基板400aの形状は円形を有し、図5に示されたアノード基板40よりもその最大径が拡大されている。具体的には、アノード400(アノード基板400a)は、当該MCPユニット周辺の電界分布が外部電位源の影響を受けにくい理想環境下(例えば図8(A)の環境)において算出されたアノードの理論最大径であって、一旦放出された反射電子の吸収を可能にする理論最大径よりも拡大された最大径を有する。同様に、加速電極500Aも、アノード400と同程度の最大径を有する。この第2の構造によっても、アノード400から放出された反射電子の走行距離(管軸AXに直交する方向)を実質的に伸ばすことが可能になる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   That is, in this second structure, the acceleration electrode 500A is configured by an acceleration electrode substrate 500Aa having a central opening and a metal mesh that closes the opening. Particularly, the acceleration electrode substrate 500Aa has a circular shape, and its maximum diameter is larger than that of the acceleration electrode substrate 50 shown in FIG. Similarly, also in the anode 400, the shape of the anode substrate 400a is circular, and the maximum diameter is larger than that of the anode substrate 40 shown in FIG. Specifically, the anode 400 (anode substrate 400a) is the anode theory calculated in an ideal environment (for example, the environment of FIG. 8A) in which the electric field distribution around the MCP unit is not easily affected by the external potential source. It has a maximum diameter that is larger than the theoretical maximum diameter that allows the backscattered electrons once absorbed. Similarly, the acceleration electrode 500A has the same maximum diameter as the anode 400. This second structure also makes it possible to substantially extend the travel distance of reflected electrons emitted from the anode 400 (in the direction orthogonal to the tube axis AX). As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced.

次に、第2実施形態における制限構造を実現する第3の構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、加速電極5とアノード4の間に配置されるインシュレータ904に代えて、インシュレータ904Bが適用される。なお、図18は、第2実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第3の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図19は、図18に示されたMCP検出器の、L5−L5線に沿った断面構造を示す図である。インシュレータ904Bを除き、制限構造として第3の構造を備えたMCP検出器(図18および図19)の構造は、図5に示されたMCP検出器の基本構造と実質的に一致している。   Next, the third structure for realizing the restriction structure in the second embodiment includes an insulator 904 arranged between the acceleration electrode 5 and the anode 4 in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. Instead, the insulator 904B is applied. FIG. 18 is an assembly process diagram for explaining a third structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the second embodiment is applied. FIG. 19 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 18 taken along line L5-L5. Except for the insulator 904B, the structure of the MCP detector (FIGS. 18 and 19) having the third structure as the limiting structure substantially matches the basic structure of the MCP detector shown in FIG.

すなわち、この第3の構造において、インシュレータ904Bは、加速電極5からアノード4までの管軸AXに沿った間隔Bの設定に寄与する。具体的には、OUT電極3から加速電極5までの管軸AXに沿った間隔Aが、加速電極5からアノード4までの管軸AXに沿った間隔Bよりも狭く設定された状態で、間隔Bが間隔Aの2倍以下になるよう、加速電極5とアノード4の間隔Bが規定される。この第3の構造によれば、通常の間隔よりも加速電極5とアノード4の間隔を狭めることにより、アノード4から放出される反射電子の移動立体角を狭めることが可能になる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   In other words, in this third structure, the insulator 904B contributes to the setting of the interval B along the tube axis AX from the acceleration electrode 5 to the anode 4. Specifically, the interval A along the tube axis AX from the OUT electrode 3 to the acceleration electrode 5 is set to be narrower than the interval B along the tube axis AX from the acceleration electrode 5 to the anode 4. The interval B between the acceleration electrode 5 and the anode 4 is defined so that B is not more than twice the interval A. According to the third structure, the solid angle of movement of the reflected electrons emitted from the anode 4 can be narrowed by narrowing the distance between the acceleration electrode 5 and the anode 4 than the normal distance. As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced.

さらに、第2実施形態における制限構造を実現する第4の構造は、当該MCP検出器自体の構造は、図5に示された基本構造と同じであるが、MCP検出器からグランド電位に設定された筐体までの距離を十分に離されている、この第4の構造によれば、当該MCPユニットから筐体までの電位勾配を弱めることが可能になる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   Further, the fourth structure for realizing the limiting structure in the second embodiment is the same as the basic structure shown in FIG. 5 except that the structure of the MCP detector itself is set to the ground potential from the MCP detector. According to the fourth structure in which the distance to the casing is sufficiently separated, the potential gradient from the MCP unit to the casing can be weakened. As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced.

(第3実施形態)
第3実施形態における制限構造は、図11中に示されたように、加速電極5とアノード4との電位差を制御する構造(態様III)により実現される。なお、この第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の基本構造は、当該第3実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図2および図11に示された基本構造と実質的に一致する。また、図20は、第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造を説明するための等価回路図である。図21(A)は、第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器において、OUT電極3−アノード4間の電圧印加状態を示す図であり、図21(B)は、MCPユニットの断面構造を示す図である。
(Third embodiment)
The restriction structure in the third embodiment is realized by a structure (mode III) for controlling the potential difference between the acceleration electrode 5 and the anode 4 as shown in FIG. The basic structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the third embodiment is applied is the same as the basic structure shown in FIGS. 2 and 11 except for the structure corresponding to the restriction structure in the third embodiment. Substantially match. FIG. 20 is an equivalent circuit diagram for explaining the structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the third embodiment is applied. FIG. 21A is a diagram illustrating a voltage application state between the OUT electrode 3 and the anode 4 in the MCP detector to which the MCP unit according to the third embodiment is applied, and FIG. 21B is a diagram illustrating the MCP unit. FIG.

すなわち、この第3実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器(図20)は、図2および図11と同様に、内部が所定の真空度に維持された真空容器内に収納されている。なお、真空容器は、導電性材料からなり、グランド電位に設定されている。このMCP検出器では、2枚のMCP20、21(MCP群2)が、それぞれの中央に開口が設けられたIN電極1とOUT電極3とで挟み込まれている。OUT電極3の後方にはアノード4が配置され、さらに、OUT電極3とアノードとの間には金属メッシュを有する加速電極5が配置されている。また、信号読み出し用のBNC端子6のシールド側には、真空容器が接続される一方、BNC端子6の芯線は、コンデンサ62を介してアノード4に接続されている。   That is, the MCP detector (FIG. 20) to which the MCP unit according to the third embodiment is applied is housed in a vacuum container whose interior is maintained at a predetermined degree of vacuum, as in FIGS. Yes. The vacuum vessel is made of a conductive material and is set to the ground potential. In this MCP detector, two MCPs 20 and 21 (MCP group 2) are sandwiched between an IN electrode 1 and an OUT electrode 3 each having an opening at the center thereof. An anode 4 is disposed behind the OUT electrode 3, and an acceleration electrode 5 having a metal mesh is disposed between the OUT electrode 3 and the anode. Further, a vacuum vessel is connected to the shield side of the BNC terminal 6 for signal readout, while the core wire of the BNC terminal 6 is connected to the anode 4 via a capacitor 62.

この第3実施形態における制限構造は、図20に示されたように、加速電極5よりも高い電位をアノード4に設定するための構造により実現される。この場合、図21(A)に示されたように、加速電極5とアノード4との間の空間における電位勾配が、OUT電極3と加速電極5との間の空間における電位勾配よりも小さくなるよう、所定の電位がアノード4に設定される。この第3実施形態における制限構造によれば、アノード4から放出された反射電子の軌道は、加速電極5とアノード4との間の空間に設定された電位勾配により、アノード4側へ曲げられる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される(図21(B)参照)。   The limiting structure in the third embodiment is realized by a structure for setting a potential higher than that of the acceleration electrode 5 to the anode 4, as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 21A, the potential gradient in the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 is smaller than the potential gradient in the space between the OUT electrode 3 and the acceleration electrode 5. Thus, a predetermined potential is set at the anode 4. According to the limiting structure in the third embodiment, the trajectory of the reflected electrons emitted from the anode 4 is bent toward the anode 4 by the potential gradient set in the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4. As a result, the possibility that reflected electrons jump out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced (see FIG. 21B).

(第4実施形態)
第4実施形態における制限構造は、図11中に示されたように、マイクロチャネルプレートからアノードに向かう二次電子の軌道を制御する構造(態様IV)により実現される。なお、この第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造は、当該第4実施形態における制限構造に相当する構造を除き、図5に示された基本構造と実質的に一致する。
(Fourth embodiment)
The restriction structure in the fourth embodiment is realized by a structure (mode IV) for controlling the trajectory of secondary electrons from the microchannel plate toward the anode, as shown in FIG. The structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the fourth embodiment is applied substantially matches the basic structure shown in FIG. 5 except for the structure corresponding to the restriction structure in the fourth embodiment. To do.

すなわち、第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器は、管軸AX(MCPユニットの中心軸に一致)に沿って順に、IN電極1(第1電極)、MCP群2、OUT電極3(第2電極)、加速電極5、アノード4が配置された構造を有する。なお、IN電極1とOUT電極3の間には、絶縁性材料のMCPインシュレータ901が配置されている。OUT電極3の後方には、インシュレータ902を介して加速電極5が配置されている。さらに、この加速電極5の後方にはアノード4が配置されており、これら加速電極5とアノード4との間に、スペーサとしてのインシュレータ904が配置されている。アノード4の後方には、インシュレータ903と薄板802を挟んで後方カバー500が配置されている。この後方カバー500は、基板501と、円筒部502と、基板503により構成されている。基板503の中央には、信号出力部であるBNC端子6が固定されており、BNC端子6の内側の芯線601が、アノード端子41にコンデンサ62を介して接続されている。   That is, the MCP detector to which the MCP unit according to the fourth embodiment is applied has an IN electrode 1 (first electrode), an MCP group 2, OUT in order along the tube axis AX (matching the central axis of the MCP unit). The electrode 3 (second electrode), the acceleration electrode 5 and the anode 4 are arranged. Note that an MCP insulator 901 made of an insulating material is disposed between the IN electrode 1 and the OUT electrode 3. The acceleration electrode 5 is disposed behind the OUT electrode 3 via an insulator 902. Further, an anode 4 is disposed behind the acceleration electrode 5, and an insulator 904 as a spacer is disposed between the acceleration electrode 5 and the anode 4. A rear cover 500 is disposed behind the anode 4 with the insulator 903 and the thin plate 802 interposed therebetween. The rear cover 500 includes a substrate 501, a cylindrical portion 502, and a substrate 503. A BNC terminal 6 serving as a signal output unit is fixed at the center of the substrate 503, and a core wire 601 inside the BNC terminal 6 is connected to the anode terminal 41 via a capacitor 62.

第4実施形態に係る制限構造は種々の構造により実現可能であるが、図22は、第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第1の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図23は、図22に示されたMCP検出器の、L6−L6線に沿った断面構造を示す図である。   Although the restriction structure according to the fourth embodiment can be realized by various structures, FIG. 22 illustrates an assembly process for explaining the first structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the fourth embodiment is applied. FIG. FIG. 23 is a view showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 22 along the line L6-L6.

具体的に、第4実施形態における制限構造を実現する第1の構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、IN電極1に代えて、IN電極100Bが適用される。この第2の構造において、IN電極100Bは、MCP群2からアノード4に向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造を実現する形状を有する。すなわち、IN電極100Bは、開口100Baを有する平坦部(MCP群2の入射面に対面する部分)と、該平坦部のエッジからアノード4に向かって伸びた側壁部により構成されている。この第1の構造によれば、アノード4から放出された反射電子が、管軸AXに直交する方向に沿って移動する場合であっても、反射電子の軌道はアノード4側へ曲げられる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   Specifically, instead of the IN electrode 1 in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. 5, the IN electrode 100B is applied to the first structure that realizes the limiting structure in the fourth embodiment. . In this second structure, the IN electrode 100B has a shape that realizes an electron lens structure for controlling the trajectory of secondary electrons from the MCP group 2 toward the anode 4. That is, the IN electrode 100B includes a flat part having an opening 100Ba (a part facing the incident surface of the MCP group 2) and a side wall part extending from the edge of the flat part toward the anode 4. According to this first structure, even when the reflected electrons emitted from the anode 4 move along the direction orthogonal to the tube axis AX, the trajectory of the reflected electrons is bent toward the anode 4 side. As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced.

次に、第4実施形態における制限構造を実現する第2の構造には、図5に示されたMCP検出器の基本構造のうち、OUT電極3に代えて、OUT電極300が適用される。なお、図24は、第4実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の第2の構造を説明するための組み立て工程図である。また、図25は、図24に示されたMCP検出器の、L7−L7線に沿った断面構造を示す図である。   Next, instead of the OUT electrode 3 in the basic structure of the MCP detector shown in FIG. 5, the OUT electrode 300 is applied to the second structure that realizes the limiting structure in the fourth embodiment. FIG. 24 is an assembly process diagram for explaining a second structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the fourth embodiment is applied. FIG. 25 is a diagram showing a cross-sectional structure of the MCP detector shown in FIG. 24 taken along line L7-L7.

第4実施形態の第2の構造において、OUT電極300は、MCP群2からアノード4に向かう二次電子の軌道を制御するための電子レンズ構造を実現する形状を有する。すなわち、OUT電極300は、開口300aを有する平坦部(MCP群2の出射面に対面する部分)と、該平坦部のエッジからアノード4に向かって伸びた側壁部により構成されている。この第2の構造によれば、アノード4から放出された反射電子が、管軸AXに直交する方向に沿って移動する場合であっても、反射電子の軌道はアノード4側へ曲げられる。その結果、加速電極5とアノード4との間の空間から当該MCP検出器の外部に向かって反射電子の飛び出す可能性が、効果的に低減される。   In the second structure of the fourth embodiment, the OUT electrode 300 has a shape that realizes an electron lens structure for controlling the trajectory of secondary electrons from the MCP group 2 toward the anode 4. That is, the OUT electrode 300 includes a flat portion having an opening 300a (a portion facing the emission surface of the MCP group 2) and a side wall portion extending from the edge of the flat portion toward the anode 4. According to this second structure, even when the reflected electrons emitted from the anode 4 move along a direction orthogonal to the tube axis AX, the trajectory of the reflected electrons is bent toward the anode 4 side. As a result, the possibility of reflection electrons jumping out from the space between the acceleration electrode 5 and the anode 4 toward the outside of the MCP detector is effectively reduced.

(第5実施形態)
第5実施形態に係るMCPユニットが適用されたMCP検出器の構造は、図5および図6に示されたトライオード構造のMCP検出器の基本構造と同じである。ただし、この第5実施形態は、アノード4からの反射電子の放出自体を抑制する構造を備える。具体的には、アノード4が、その表面に、二次電子(反射電子)の発生を抑制するカーボンなどがコーティングされた構造を有する。このように、アノード4自体の構造を変更することによっても、外部電位源の影響を低減する効果が十分に期待できる。
(Fifth embodiment)
The structure of the MCP detector to which the MCP unit according to the fifth embodiment is applied is the same as the basic structure of the triode-structured MCP detector shown in FIGS. However, the fifth embodiment includes a structure that suppresses the emission of reflected electrons from the anode 4 itself. Specifically, the anode 4 has a structure in which the surface thereof is coated with carbon or the like that suppresses the generation of secondary electrons (reflected electrons). Thus, the effect of reducing the influence of the external potential source can be sufficiently expected by changing the structure of the anode 4 itself.

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。   From the above description of the present invention, it is apparent that the present invention can be modified in various ways. Such modifications cannot be construed as departing from the spirit and scope of the invention, and modifications obvious to one skilled in the art are intended to be included within the scope of the following claims.

1、100A、100B…IN電極(第1電極)、2…MCP群、3、300…OUT電極(第2電極)、20、21…MCP、4、400…アノード、5、500A…加速電極、904、904B…インシュレータ、904A…リング部材。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100A, 100B ... IN electrode (first electrode), 2 ... MCP group, 3,300 ... OUT electrode (second electrode), 20, 21 ... MCP, 4,400 ... anode, 5,500A ... acceleration electrode, 904, 904B: Insulator, 904A: Ring member.

Claims (12)

荷電粒子の増倍機能を有するMCPユニットにおいて、
当該MCPユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する前記荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第1電極であって、第1電位に設定された第1電極と、
前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第2電極であって、前記第1電位よりも高い第2電位に設定された第2電極と、
前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第2電位よりも高い第3電位に設定されたアノードと、
前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された加速電極であって、前記第2電位よりも高い第4電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
前記加速電極と前記アノードとの間に配置されたリング部材であって、前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるよう、前記加速電極から前記アノードへ向かう二次電子が通過させるよう前記中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有するリング部材と、を備え
前記リング部材は、前記加速電極に接触する第1面と、前記第1面に対向するとともに前記アノードに接触する第2面を有し、
前記リング部材の貫通孔は、前記第1面と前記第2面を連絡するよう伸びた形状を有することを特徴とするMCPユニット。
In an MCP unit having a charged particle multiplication function,
Arranged on a plane intersecting the central axis of the MCP unit, a microchannel plate which emits secondary electrons multiplication internally in response to incidence of the charged particles moving along said central axis A microchannel plate having an incident surface on which the charged particles are incident and an exit surface facing the incident surface and emitting the secondary electrons;
A first electrode in contact with an incident surface of the microchannel plate, the first electrode set at a first potential;
A second electrode in contact with the emission surface of the microchannel plate, the second electrode being set to a second potential higher than the first potential;
An anode disposed in a state intersecting with the central axis at a position where secondary electrons emitted from the emission surface of the microchannel plate reach, and is set to a third potential higher than the second potential. An anode,
An accelerating electrode disposed between the microchannel plate and the anode, set to a fourth potential higher than the second potential, and secondary from the emission surface of the microchannel plate toward the anode An accelerating electrode having a plurality of apertures for passing electrons; and
A ring member disposed between the accelerating electrode and the anode, wherein reflected electrons emitted from the anode in response to incident secondary electrons from the microchannel plate are converted into the accelerating electrode and the anode. as to confine the space between the, and a ring member having a through hole secondary electrons flowing from the accelerating electrode to the anode is defined by a continuous surface surrounding the central shaft to pass,
The ring member has a first surface that contacts the acceleration electrode, and a second surface that faces the first surface and contacts the anode,
The MCP unit according to claim 1, wherein the through hole of the ring member has a shape extending so as to connect the first surface and the second surface .
前記リング部材は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項1に記載のMCPユニット。The MCP unit according to claim 1, wherein the ring member is made of an insulating material. 前記リング部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項1に記載のMCPユニット。 The MCP unit according to claim 1, wherein the ring member is made of a metal material. 荷電粒子の増倍機能を有するMCPユニットにおいて、
当該MCPユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する前記荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、
前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第1電極であって、第1電位に設定された第1電極と、
前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第2電極であって、前記第1電位よりも高い第2電位に設定された第2電極と、
前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第2電位よりも高い第3電位に設定されたアノードと、
前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された加速電極であって、前記第2電位よりも高い第4電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、
前記加速電極と前記アノードとの間に配置されたリング部材であって、前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるよう、前記加速電極から前記アノードへ向かう二次電子が通過させるよう前記中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有するリング部材と、を備え、
前記リング部材は、絶縁材料からなることを特徴とするMCPユニット。
In an MCP unit having a charged particle multiplication function,
A microchannel plate disposed on a plane intersecting with the central axis of the MCP unit and emitting secondary electrons multiplied inside in response to incidence of the charged particles moving along the central axis. A microchannel plate having an incident surface on which the charged particles are incident and an exit surface facing the incident surface and emitting the secondary electrons;
A first electrode in contact with an incident surface of the microchannel plate, the first electrode set at a first potential;
A second electrode in contact with the emission surface of the microchannel plate, the second electrode being set to a second potential higher than the first potential;
An anode disposed in a state intersecting with the central axis at a position where secondary electrons emitted from the emission surface of the microchannel plate reach, and is set to a third potential higher than the second potential. An anode,
An accelerating electrode disposed between the microchannel plate and the anode, set to a fourth potential higher than the second potential, and secondary from the emission surface of the microchannel plate toward the anode An accelerating electrode having a plurality of apertures for passing electrons; and
A ring member disposed between the accelerating electrode and the anode, wherein reflected electrons emitted from the anode in response to incident secondary electrons from the microchannel plate are converted into the accelerating electrode and the anode. A ring member having a through hole defined by a continuous surface surrounding the central axis so that secondary electrons from the accelerating electrode toward the anode pass so as to be confined in a space between
It said ring member, M CP unit you characterized in that it consists of an insulating material.
前記リング部材は、前記加速電極に接触する第1面と、前記第1面に対向するとともに前記アノードに接触する第2面を有し、The ring member has a first surface that contacts the acceleration electrode, and a second surface that faces the first surface and contacts the anode,
前記リング部材の貫通孔は、前記第1面と前記第2面を連絡するよう伸びた形状を有することを特徴とする請求項4に記載のMCPユニット。The MCP unit according to claim 4, wherein the through hole of the ring member has a shape extending so as to connect the first surface and the second surface.
請求項1〜5の何れか一項に記載のMCPユニットと、そして、
前記マイクロチャネルプレートとともに前記アノードを挟むよう配置された信号出力部であって、前記アノードに電気的に接続された信号線を有する信号出力部と、を備えたMCP検出器。
The MCP unit according to any one of claims 1 to 5 , and
An MCP detector comprising: a signal output unit arranged to sandwich the anode together with the microchannel plate, the signal output unit having a signal line electrically connected to the anode.
前記信号出力部は、前記信号線と、該信号線を包囲するシールド部とを備えた同軸ケーブルを含み、そして、
当該MCP検出器は、さらに、前記シールド部と電気的に接続された一方の端子と、前記加速電極に電気的に接続された他方の端子とを有するコンデンサを備えることを特徴とする請求項に記載のMCP検出器。
The signal output unit includes a coaxial cable including the signal line and a shield unit surrounding the signal line, and
Claim the MCP detector is further characterized in that it comprises a capacitor having electrically connected to one terminal and the shield portion, and the other terminal electrically connected to the acceleration electrode 6 The MCP detector according to 1.
荷電粒子の増倍機能を有するMCPユニットと、信号出力部と、を備えるMCP検出器において、In an MCP detector comprising an MCP unit having a charged particle multiplication function, and a signal output unit,
前記MCPユニットは、The MCP unit is
前記MCPユニットの中心軸と交差する平面上に配置された、前記中心軸に沿って移動する前記荷電粒子の入射に応答して内部で増倍された二次電子を放出するマイクロチャネルプレートであって、該荷電粒子が入射される入射面と、該入射面に対向するとともに該二次電子を出射する出射面とを有するマイクロチャネルプレートと、A microchannel plate disposed on a plane intersecting with the central axis of the MCP unit and emitting secondary electrons multiplied inside in response to incidence of the charged particles moving along the central axis. A microchannel plate having an incident surface on which the charged particles are incident and an exit surface facing the incident surface and emitting the secondary electrons;
前記マイクロチャネルプレートの入射面に接触した第1電極であって、第1電位に設定された第1電極と、A first electrode in contact with an incident surface of the microchannel plate, the first electrode set at a first potential;
前記マイクロチャネルプレートの出射面に接触した第2電極であって、前記第1電位よりも高い第2電位に設定された第2電極と、A second electrode in contact with the emission surface of the microchannel plate, the second electrode being set to a second potential higher than the first potential;
前記マイクロチャネルプレートの出射面から放出された二次電子が到達する位置に、前記中心軸に交差した状態で配置されたアノードであって、前記第2電位よりも高い第3電位に設定されたアノードと、An anode disposed in a state intersecting with the central axis at a position where secondary electrons emitted from the emission surface of the microchannel plate reach, and is set to a third potential higher than the second potential. An anode,
前記マイクロチャネルプレートと前記アノードとの間に配置された加速電極であって、前記第2電位よりも高い第4電位に設定されるとともに、前記マイクロチャネルプレートの出射面から前記アノードへ向かう二次電子を通過させるための複数の開口を有する加速電極と、そして、An accelerating electrode disposed between the microchannel plate and the anode, set to a fourth potential higher than the second potential, and secondary from the emission surface of the microchannel plate toward the anode An accelerating electrode having a plurality of apertures for passing electrons; and
前記加速電極と前記アノードとの間に配置されたリング部材であって、前記マイクロチャネルプレートからの二次電子の入射に応答して前記アノードから放出される反射電子を、前記加速電極と前記アノードとの間の空間内に閉じ込めるよう、前記加速電極から前記アノードへ向かう二次電子が通過させるよう前記中心軸を取り囲む連続面によって規定される貫通孔を有するリング部材と、を含み、A ring member disposed between the accelerating electrode and the anode, wherein reflected electrons emitted from the anode in response to incident secondary electrons from the microchannel plate are converted into the accelerating electrode and the anode. A ring member having a through hole defined by a continuous surface surrounding the central axis so that secondary electrons from the accelerating electrode to the anode pass so as to be confined in a space between
前記信号出力部は、前記マイクロチャネルプレートとともに前記アノードを挟むよう配置されるとともに、前記アノードに電気的に接続された信号線と、該信号線を包囲するシールド部とを備えた同軸ケーブルを含み、The signal output unit includes a coaxial cable that is disposed so as to sandwich the anode together with the microchannel plate, and that includes a signal line electrically connected to the anode and a shield unit surrounding the signal line. ,
当該MCP検出器は、さらに、前記シールド部と電気的に接続された一方の端子と、前記加速電極に電気的に接続された他方の端子とを有するコンデンサを備えることを特徴とするMCP検出器。The MCP detector further includes a capacitor having one terminal electrically connected to the shield part and the other terminal electrically connected to the acceleration electrode. .
前記MCPユニットの前記リング部材は、前記加速電極に接触する第1面と、前記第1面に対向するとともに前記アノードに接触する第2面を有し、かつ、前記リング部材の貫通孔は、前記第1面と前記第2面を連絡するよう伸びた形状を有することを特徴とする請求項8に記載のMCP検出器 The ring member of the MCP unit has a first surface that contacts the acceleration electrode, and a second surface that faces the first surface and contacts the anode, and the through-hole of the ring member includes: The MCP detector according to claim 8, wherein the MCP detector has a shape extending so as to connect the first surface and the second surface . 前記MCPユニットの前記リング部材は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項8または9に記載のMCP検出器。The MCP detector according to claim 8 or 9, wherein the ring member of the MCP unit is made of an insulating material. 前記MCPユニットの前記リング部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項8または9に記載のMCP検出器。The MCP detector according to claim 8 or 9, wherein the ring member of the MCP unit is made of a metal material. イオン源として分析されるべき試料が内部に設置される真空容器と、
前記真空容器内に設置された試料からイオンを放出させるためのイオン抽出システムと、
前記真空容器内に配置された、前記試料から放出されたイオンを加速するためのイオン加速器と、
前記イオン加速器を前記試料ととともに挟むように配置された、請求項6〜11の何れか一項に記載のMCP検出器と、そして、
前記試料から放出されたイオンに関する情報として、少なくとも質量を判定するための分析部であって、前記MCP検出器からの検出信号に基づいて前記イオン加速器から前記MCP検出器までの飛行時間を検出することにより、前記MCP検出器に到達したイオンの質量を決定する分析部とを備えた飛行時間型質量分析器。
A vacuum container in which a sample to be analyzed as an ion source is installed;
An ion extraction system for releasing ions from a sample installed in the vacuum vessel;
An ion accelerator arranged in the vacuum vessel for accelerating ions emitted from the sample;
The MCP detector according to any one of claims 6 to 11 , arranged so as to sandwich the ion accelerator together with the sample, and
An analysis unit for determining at least a mass as information on ions emitted from the sample, and detects a flight time from the ion accelerator to the MCP detector based on a detection signal from the MCP detector. it allows analysis unit and time-of-flight mass spectrometer equipped with determining the mass of ions reaching the MCP detector.
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