JP6320197B2 - イオン発生装置およびガス分析器 - Google Patents

Description

本発明は、試料ガスが導入されたイオンチャンバー内にフィラメントへの通電により発生する電子ビームを放出して、試料ガスをイオン化するイオン発生装置およびイオン発生装置で発生したイオンを分析するガス分析器に関する。

従来から、気密性を要求される容器や配管等に漏れが生じているか否かをチェックするための装置があり、このような装置の中に、試料ガスをイオン化することによって所定の被検出ガスの有無や量を分析するガス分析器がある（例えば、特許文献１参照）。この分析計（ガス分析器）は、ヘリウムガスを電子衝撃することによりイオンを生成するイオン源、イオン分離器として機能する逆Ｔ字形の断面を有する隔壁部材およびヘリウムイオン検出電極を備えている。そして、隔壁部材には、加速スリット、ヘリウムイオン分離スリットおよびヘリウムイオン検出スリットが形成され、さらに隔壁部材の近傍には、全圧測定電極が設けられている。

このように構成された分析器では、イオン源から出射された各種のイオンは、まず、隔壁部材の加速スリットを通過する。その後、ヘリウムイオンのみがヘリウムイオン分離スリットおよびヘリウムイオン検出スリットを通過して、ヘリウムイオン検出電極に捕らえられる。そして、ヘリウムイオン検出電極によってヘリウムイオンの計測が行われる。また、ヘリウム以外の質量の大きなガスは、全圧測定電極に衝突し、全圧測定電極により全圧が測定される。

また、イオン発生装置の中には、フィラメントへの通電により発生する電子ビームをチャンバー内に放出するものがある（例えば、特許文献２参照）。このイオンビーム装置（イオン発生装置）は、絶縁筒の一方にフィラメントを設けるとともに、絶縁筒の他方に孔を有する引き出し電極を設けて構成されている。そして、絶縁筒内にヘリウムガスを導入し、フィラメントから放出されるイオンビームでそのヘリウムガスをイオン化して、引き出し電極の孔から外部のターゲットに向けて放出する。

このような、フィラメントへの通電により電子ビームを発生するイオン発生装置では、フィラメントが老朽化等により断線した場合に、作業中にフィラメントを交換することはできないため、フィラメントを２個対向させて配置し、一方のフィラメントに代えて他方のフィラメントを作動させるようにしたイオン発生装置もある。

特許第３６４０４７０号公報 特開平７−２１９５５号公報

しかしながら、前述した２個のフィラメントを１個ずつ作動させるイオン発生装置では、一方のフィラメントに通電して電子ビームを放出する際、その電子ビームが他方のフィラメント側に放出されるので他方のフィラメントに当り、その電子衝撃によって他方のフィラメント、イオンチャンバーの内壁および引き出し電極等に酸化または変質した不動態膜が形成される。このため、一方のフィラメントが老朽化して、他方のフィラメントを作動させる際には、他方のフィラメントから良好な電子ビームを発生させることができず、適正なガス分析ができなくなることがある。

また、電子ビームによってイオン化されたヘリウムイオンの一部が他方のフィラメント側にいってしまうことにより分析器に備わっている分析管内のヘリウムイオン濃度が上がってしまい、検査していないときでもヘリウムイオンが検出されるようになる。また、他方のフィラメントとその近傍の不動態膜が形成されてないイオンチャンバーの壁面との間で放電して、プラズマ（電離気体）状態が形成されるとスパッタ（叩き出し）やデポジット（堆積）が繰り返されて、イオンチャンバーの内外や引き出し電極面の孔周辺が汚染されて電気的ショートが生じることもある。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、一方のフィラメントから発生する電子ビームの影響を他方のフィラメントやイオンチャンバー内壁、引き出し電極面が受けることを防止できる一対のフィラメントを備えたイオン発生装置およびそれを備えたガス分析器を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係るイオン発生装置の構成上の特徴は、フィラメントへの通電により発生した電子ビームを、イオンチャンバーに設けた引き出し電極面に形成した電子ビーム放出孔を介してイオンチャンバー内に放出し、イオンチャンバー内に導入された試料ガスをイオン化するイオン発生装置であって、イオンチャンバーの対向する両面にそれぞれ引き出し電極面を設けるとともに、両引き出し電極面のイオンチャンバー外側部分にそれぞれフィラメントを設けて、フィラメントへの通電を切り替えることにより選択された一方にみが通電されるようにし、一方のフィラメントが通電状態のとき、他方のフィラメント側の引き出し電極面を電子ビームから遮蔽する遮蔽板を設けたことにある。

前述のように構成した本発明のイオン発生装置では、遮蔽板でイオンチャンバー内を二つの空間に分けることにより、二つの独立したイオン化室を形成している。そして、各イオン化室に対応させてそれぞれフィラメントを設置している。したがって、一方のフィラメントを作動させて一方のイオン化室で試料ガスをイオン化させる際に、他方のフィラメントや他方のイオン化室は、一方のフィラメントの作動によって発生する電子ビームの影響を受けなくなる。

このため、一方のフィラメントが老朽化したときに、一方のフィラメントに代えて他方のフィラメントを作動させる際には、他方のフィラメントは電子ビームの影響を受けてないため、新しい状態を維持できる。すなわち、他方のフィラメントは、新しい状態からスタートできる。この場合の遮蔽板の形状、大きさ、設置位置等は、少なくとも電子ビームを放出するフィラメントと反対側のフィラメントおよび引き出し電極面を電子ビームから遮蔽できるものにしておく。

また、本発明に係るイオン発生装置の他の構成上の特徴は、遮蔽板をチャンバーの体積を２等分する位置に設けたことにある。これによると、一方のフィラメントに断線等が生じて、他方のフィラメントに切り替えるときに、電圧を調整することなく、イオン化効率を同等の状態にしてイオン化を継続させることができる。すなわち、このようなイオン発生装置では、イオンチャンバーの体積と電圧との関係でイオン化効率が決まるため、二つのイオン化室の体積を同じにしておくことが好ましい。

また、本発明に係るイオン発生装置は、ガス分析器に設けることが好ましく、これによると、良好なイオン発生装置を備えたガス分析器を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るガス分析器を示した構成図である。 ガス分析器に備わったイオン発生装置を示した断面図である。 イオンチャンバーの平面図である。 イオン発生装置が備える一対のフィラメントの通電切り換え状態を示した断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は同実施形態に係るガス分析器Ａを示し、図２はガス分析器Ａが備えるイオン発生装置Ｂを示している。ガス分析器Ａは、試料ガスを導入するための分析管１０の内部に、イオンチャンバー１１、隔壁２１およびイオン検出器２２等を配置して構成されている。イオンチャンバー１１は、図２に示したように、分析管１０の壁部１０ａ，１０ｂ間に配置されており、略矩形の箱状に形成されている。

そして、イオンチャンバー１１の内部における長手方向の中央にはイオンチャンバー１１内をチャンバー１１ａとチャンバー１１ｂとの同体積のイオン化室に二分割する耐久性のある導電体からなる遮蔽板１２が設けられている。この遮蔽板１２は、イオンチャンバー１１内に固定されたものであってもよいし、イオンチャンバー１１に対して着脱できるものであってもよい。また、イオンチャンバー１１の長手方向に沿った一方の面（図１および図２では上面）には、スリット１３が形成されている。このスリット１３は、図３に示したように、遮蔽板１２を中心として両側方向に延びる細長い孔で構成されている。以下、イオンチャンバー１１のスリット１３が設けられた方を上方、スリット１３が設けられた面に対向する面側を下方として説明する。

また、イオンチャンバー１１における壁部１０ａ，１０ｂに対向する面は、それぞれ引き出し電極面１９ａ，１９ｂで構成されており、その中央には、それぞれ本発明に係る電子ビーム放出孔としてのスリット１４ａ，１４ｂが形成されている。そして、イオンチャンバー１１におけるスリット１４ａが形成された引き出し電極面１９ａには、それぞれスリット１４ａの上下から外部に向って平行して延びる一対の水平板状片からなるフィラメント収容部１５ａが形成され、イオンチャンバー１１におけるスリット１４ｂが形成された引き出し電極面１９ｂには、それぞれスリット１４ｂの上下から外部に向って平行して延びる一対の水平板状片からなるフィラメント収容部１５ｂが形成されている。

フィラメント収容部１５ａにフィラメント１６ａが設置され、フィラメント収容部１５ｂにフィラメント１６ｂが設置されている。フィラメント１６ａ，１６ｂは、図４に示したように、スイッチ１７ａを備えた配線１７を介してフィラメント電源１８に接続されており、スイッチ１７ａを切り換えることにより、フィラメント１６ａに通電したり、フィラメント１６ａへの通電を中止してフィラメント１６ｂに通電したりすることができる。なお、図１では、配線１７におけるフィラメント１６ｂに接続された部分やスイッチ１７ａの図示を省略している。

フィラメント１６ａへの通電により電子ビームが発生し、その電子ビームは、引き出し電極面１９ａに向かい、スリット１４ａを通過してチャンバー１１ａ内に放出される。また、フィラメント１６ｂへの通電により電子ビームが発生し、その電子ビームは、引き出し電極面１９ｂに向かい、スリット１４ｂを通過してチャンバー１１ｂ内に放出される。この電子ビームと衝突することによって、チャンバー１１ａ，１１ｂ内のガスは、電子を飛ばされることによってイオン化される。また、イオンチャンバー１１内は、エミッション電源１８ａによって電圧が負荷されるように構成され、この電圧の負荷によって電子ビームは加速する。

イオン検出器２２は、イオンチャンバー１１と水平方向に間隔を保って配置されており、隔壁２１は、イオンチャンバー１１とイオン検出器２２との上方に、イオンチャンバー１１とイオン検出器２２との上部空間を分割するようにして配置されている。すなわち、隔壁２１は、イオンチャンバー１１の上方からイオン検出器２２の上方に水平に延びる水平部２１ａと、水平部２１ａの上面におけるイオンチャンバー１１とイオン検出器２２との間に対応する部分から上方に延びる垂直部２１ｂとで構成されている。そして、水平部２１ａにおけるスリット１３の上方に位置する部分には、チャンバー１１ａ，１１ｂ内で発生するイオン化されたガスを通過させるスリット２３が形成されている。

また、垂直部２１ｂの上部側部分には、スリット２３を通過するイオン化されたガスのうちの被検出ガスイオン（本実施形態ではヘリウムイオンとする）を分離して通過させるスリット２３ａが形成されている。水平部２１ａの上方におけるイオンチャンバー１１の上方に対応する部分と、垂直部２１ｂとで図１に矢印で示した方向に磁界が形成されており、この磁界によって、チャンバー１１ａ，１１ｂから放出される各イオンは重さと電荷に応じて分離される。この場合、軽いイオンほど小さな半径で円弧を描くように曲がりながら進み、重いイオンほど大きな半径で円弧を描くように曲がりながら進んでいく。

図１では、イオンの軌跡ａは、ヘリウムイオンの軌跡を示し、軌跡ｂはヘリウムイオンよりも軽い水素イオンの軌跡を示している。また、軌跡ｃは、ヘリウムイオンよりも重いその他のイオンの軌跡を示している。チャンバー１１ａ，１１ｂから放出された水素イオンは、スリット２３を通過したのちに垂直部２１ｂに衝突してイオン検出器２２側に進むことはできない。この場合、水素イオンは、垂直部２１ｂとの衝突によって中性化される。このため、チャンバー１１ａ，１１ｂ内でイオン化され、スリット１３およびスリット２３を通過した各イオンのうちヘリウムイオンだけがスリット２３ａを通過する。

水平部２１ａにおけるヘリウムイオンが進んで軌跡上の流路となる部分には、スリット２３ｂが形成されており、スリット２３ａを通過したヘリウムイオンは、このスリット２３ｂを通過してイオン検出器２２に到達する。すなわち、被検出ガスイオンとなるヘリウムイオンは、所定のエネルギーを備えるように加速され、隔壁２１は、ヘリウムイオンの特性および設定されたエネルギーを備えたヘリウムイオンだけをイオン検出器２２に到達させるように構成されている。

イオン検出器２２に到達したヘリウムイオンは、電気出力に変換される。そして、アンプ２７によって増幅される。また、分析管１０には、試料ガスを取り込むための取込口１０ｃも備わっており、図１に矢印ｄで示したように分析管１０内を真空排気することにより、矢印ｅのように試料ガスを逆拡散により内部に引き込む。なお、フィラメント１６ａ，１６ｂは、タングステンで構成され、分析管１０、イオンチャンバー１１、引き出し電極面１９ａ，１９ｂはステンレス鋼で構成されている。

つぎに、図４を用いてイオン発生装置Ｂの動作を説明する。イオン発生装置Ｂにおいては、まず、スイッチ１７ａを、一方、例えば、フィラメント１６ａ側に切り換えて、フィラメント電源１８からフィラメント１６ａに通電すると電子ビームが発生する。この電子ビームは、引き出し電極面１９ａに向かい、スリット１４ａからチャンバー１１ａ内に放出される。また、エミッション電源１８ａによってチャンバー１１ａ内に電圧を付与することにより、チャンバー１１ａ内の電子ビームを加速させる。

この場合、フィラメント１６ａから発生する電子ビームは、遮蔽板１２によってチャンバー１１ｂ内に進入することを防止され、チャンバー１１ａ内だけで飛散する。この電子ビームに衝突することによって、試料ガスに含まれる酸素ガス、水素ガスおよびヘリウムガス等の各種のガスはイオン化されて、スリット１３およびスリット２３を通過して上方に円弧を描くように流れていく。そして、各イオンのうちのヘリウムイオンだけが、さらに、スリット２３ａ，２３ｂを通過して、イオン検出器２２に到達する。

そして、長時間、フィラメント電源１８からフィラメント１６ａへ通電し、フィラメント１６ａが老朽化または断線した場合には、スイッチ１７ａを、フィラメント１６ａ側からフィラメント１６ｂ側に切り換えて、フィラメント電源１８からフィラメント１６ｂに通電する。この場合、フィラメント１６ｂは、フィラメント１６ａから発生する電子ビームの影響を全く受けていないため、新品の状態から作動させることができる。また、チャンバー１１ａ，１１ｂの体積が同じであるため、フィラメント電源１８の電圧は同じ値に維持したままですむ。

このように、本実施形態によるイオン発生装置Ｂを備えたガス分析器Ａでは、遮蔽板１２でイオンチャンバー１１内を二つの空間に分けることにより、チャンバー１１ａとチャンバー１１ｂとの二つの独立したイオン化室を形成している。そして、チャンバー１１ａとチャンバー１１ｂとに対応させてそれぞれフィラメント１６ａ，１６ｂを設置している。したがって、フィラメント１６ａを作動させてチャンバー１１ａ内で試料ガスをイオン化させる際に、フィラメント１６ｂ、チャンバー１１ｂ内およびスリット１４ｂの縁部等は、フィラメント１６ａの作動によって発生する電子ビームによる不動態膜の生成等の影響を受けなくなる。

このため、フィラメント１６ａが老朽化もしくは断線したときに、フィラメント１６ａに代えてフィラメント１６ｂを作動させる際には、フィラメント１６ｂはフィラメント１６ａと略同条件で適正に作動することができる。この場合の他方のフィラメント１６ｂにおける緒特性は、先に使用されたフィラメント１６ａにおける緒特性と略同じになる。すなわち、フィラメント１６ａ，１６ｂの使用時にそれぞれ略同特性、同条件となり、このように特性等が揃うことが重要な点であり、本発明が目的とするものである。

また、本発明に係るイオン発生装置およびガス分析器は、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することが可能である。例えば、前述した実施形態では、被検出ガスとして、ヘリウムガスを用いているが、この被検出ガスとしては、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガス等の種々のガスを用いることができる。また、ヘリウムガス以外のガスを被検出ガスとして用いる場合には、必要に応じて、ガス分析器を構成する各部分の構成をその被検出ガスの分析に適した構成に本発明の技術的範囲内で代えることができる。

さらに、前述した実施形態では、一つのイオンチャンバー１１の内部を遮蔽板１２で仕切っているが、二つのチャンバーを遮蔽板を介して接続してもよい。また、スリット１３は、一つのもので構成することに限らず、各チャンバーにそれぞれ形成してもよい。さらに、本発明に係るイオン発生装置およびガス分析器を構成する各部分の構造や材質についても本発明の技術的範囲内で適宜変更することができる。

１１…イオンチャンバー、１１ａ，１１ｂ…チャンバー、１２…遮蔽板、１４ａ，１４ｂ…スリット、１６ａ，１６ｂ…フィラメント、Ａ…ガス分析器、Ｂ…イオン発生装置。

Claims (3)

1. フィラメントへの通電により発生した電子ビームを、イオンチャンバーに設けた引き出し電極面に形成した電子ビーム放出孔を介して前記イオンチャンバー内に放出し、前記イオンチャンバー内に導入された試料ガスをイオン化するイオン発生装置であって、
   前記イオンチャンバーの対向する両面にそれぞれ前記引き出し電極面を設けるとともに、前記両引き出し電極面の前記イオンチャンバー外側部分にそれぞれ前記フィラメントを設けて、前記フィラメントへの通電を切り替えることにより選択された一方にみが通電されるようにし、一方のフィラメントが通電状態のとき、他方のフィラメント側の前記引き出し電極面を前記電子ビームから遮蔽する遮蔽板を設けたことを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記遮蔽板を前記チャンバーの体積を２等分する位置に設けた請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 請求項１または２に記載のイオン発生装置を備えたガス分析器。

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