JP6879908B2 - 二次イオン質量分析計のためのセシウム一次イオン源 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１４年１０月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／０６３，０２３号の利益を主張し、該出願の内容を参照により本願に援用する。
［技術分野］
本開示は、二次イオン質量分析計の一次イオン源、及びそのようなイオン源の作成方法に関する。
［背景］
二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）は、広く利用されている表面及び薄膜の分析手法であり、半導体産業、地球化学や材料研究、及び他の技術分野で幅広い用途が見出されている。５００を超える市販機器が世界中に存在している。この手法では、試料表面から原子を「スパッタする」エネルギーイオンビーム（「一次」イオンビーム）を試料に照射することによって、分析信号が生成される。５〜１５ｋｅＶの一次イオンの各々の衝突により、ターゲット表面から少数の原子が放出される。放出された原子のうちのわずかな量が放出時にイオン化され、これらの「２次」イオンが加速されて質量分析計に導入され、質量分析されることによって、試料の化学的構成や同位体構成についての情報が得られる。

二次イオン生成の効率は、ターゲット表面に注入されてその表面の化学的構造を変化させる、化学的に活性な一次イオン種を用いることによって高めることができる。一次イオン種としては、正の二次イオン収率を上げるためには酸素等の電気的陰性の一次イオン種が使用され、また、陰イオン収率（つまり、電気陰性な種の負の二次イオン）を上げるためにはセシウムイオン等の電気的陽性の一次イオン種が使用される。

ＳＩＭＳ法は、水素からウランまたはそれ以上までのほぼ全ての元素に対して極めて高い感度（例えば、多くの元素に対して検出限界がｐｐｂレベル）と、横方向分解能が高い（例えば現在では５０ｎｍまで）画像化と、高ダイナミックレンジを可能にする非常に低いバックグラウンド（例えば５ディケードより大きい）との特有の組合せをもたらす。この手法は、材料をスパッタしてイオン信号を生成することを含んでいるので、本質的に「破壊的」である。この手法は、真空下に耐えられるいかなる種類の材料（絶縁体、半導体、金属）にも適用可能である。

ＳＩＭＳ法の主な長所の１つは、微量分析手法を具体化していることである。一次イオンビームは小さいスポットに集束可能であるので、極めて小さい領域に対して化学分析を実施可能である。あるいは、イオン信号を監視しながら、集束されたビームを試料表面上でラスター化することにより、優れた空間分解能で試料表面の化学的画像や同位体画像を生成可能である。

現在、典型的な画像化の実行方法は、現在の価格が約４００万ドルである（フランスのパリにあるカメカ社によって製造された）ＮａｎｏＳＩＭＳと称される機器内で行われる。この機器は、一次イオンビームを試料表面で可能な限り小さなスポットに集束することを目的とする、精密に設計された一次イオン光学部を有している。工場製イオン源による仕様上の最小ビーム寸法は５０ｎｍであり、通常は試料での値が０．２５ピコアンペア（ｐＡ）までのビーム電流を用いて得られる。

ＮａｎｏＳＩＭＳ機器の工場製イオン源の設計を図１Ａに概略的に図示する。イオン源１は、完全に金属、主にモリブデンで製造されているが、イオン化部７の一部はタングステンで製造されている。イオン源１は、搭載柱２と、搭載柱２で支持され、セシウム塩（例えば炭酸セシウム）を保持するように配置された貯留部空洞３Ａを含む、加熱モリブデン貯留部本体３と、（貯留部の一部分として機能する幅広台部６を含む）モリブデン細管アセンブリ５と、炭酸セシウム蒸気を貯留部から細管を介して受け入れるように配置された強加熱イオン化部７とを含んでいる。細管アセンブリ５は、炭酸セシウム蒸気を加熱貯留部本体３から強加熱イオン化部７へと供給し、また、貯留部本体３とイオン化部７との間で、ある程度の熱的分離も行う。貯留部本体３の外縁部は傾斜面３Ｂを含んでいる。細管アセンブリ５の幅広台部６の境界面６Ａは、貯留部本体３の傾斜面３Ｂに当接するように配置されている。貯留部本体３は雄ネジ加工され、幅広台部６の周囲に嵌まってスエージ型封止を形成する、雌ネジ加工された封止キャップネジ４を受けるように配置されている。モリブデン幅広台部６とモリブデン貯留部本体３との間の封止はこのイオン源１にとって非常に重要な課題である。その理由は、漏れがあると電子衝撃加熱システムの性能が低くなり、最終的には画像にノイズが生じてしまうからである。工場製イオン源１で用いられているこの２つのモリブデン貯留部３，６の間のスエージ型封止は、封止力の精密な制御を必要とし、取り外し可能に設計されていないので、イオン源１は再利用できない。

ＮａｎｏＳＩＭＳ工場製イオン源のイオン化部の詳細図を図１Ｂに示す。イオン化部７の先端部１０は電極として機能し、出口開口９を画定する。タングステンイオン化平板８は、拡幅空洞５Ａ内において（底部にある）細管５と出口開口９との間に配置されている。開口９は、通常、約０．５ｍｍ（５００μｍ）の直径を有し、タングステンイオン化板８は、通常、電極として機能するとともに開口９を画定している先端部１０の内側表面１１から約０．２ｍｍ（２００μｍ）の距離だけ離間されている。

イオン化部７の上流に配置された、図１Ａに図示された構造をさらに参照して、イオン化部７の意図された（または設計目標とする）動作を図１Ｃに示す。貯留部本体３を加熱することにより、炭酸セシウム蒸気が細管５上部へと拡散し、蒸気が（例えば約１２００°Ｃまで加熱されている）強加熱イオン化部７に到達してタングステンイオン化平板８上に流入すると蒸気が分解する。イオン化部７は、（例えば、電子放出フィラメントからの電子衝撃と放射加熱との組合せによって）強加熱され、タングステンイオン化板８に衝撃を与えるセシウム原子はほぼ１００％陽イオンとして気化する。イオン源は、接地された抽出板（図示せず）の間近では高電位（ＮａｎｏＳＩＭＳ内では＋８ｋＶ）に保たれており、セシウムイオンは、イオン化板８の周囲にある電極先端部１０内で５００μｍの開口９を通り抜けている高電界によって抽出される。図１Ｃに示されるように、このような形状の電界は、イオンを静電的に加速し、そのイオンを、試料において縮小像（例えばＮａｎｏＳＩＭＳの場合は工場仕様が直径５０ｎｍ）を結ぶ一次イオンカラムの集束光学系の場合には、イオン光学「対象」を形成する小さな「交差」へと引き込むように設計されている。

実際上、イオン化部の実際の動作は、図１Ｃに概略的に示された意図された動作とは異なっている。図１Ｄは、上述のイオン化部７の実際の動作を図示している。実際上、イオン化板８のみを加熱するのは不可能であり、その代わりにイオン化の頂部全体を加熱して、イオン化部の体積全体にわたって全表面上でセシウムイオンが形成（及び抽出）される。恐らく、セシウムイオンは、直径が５００μｍで深さ２００μｍの範囲で形成及び抽出が可能である。これにより、イオン光学対象がより拡散することになり、これが今度は直径が５０ｎｍという工場仕様に限定されている試料での集束画像となってしまう。図１Ｃに概略的に図示された設計目標と比較すると、実際の動作では、当初のイオンビーム交差は大幅に妥協されている。

図１Ａに示された工場製イオン源１は、通常、（例えばセシウム塩の原材料が消耗したときに）年に１度から数度交換されるが、交換頻度はＮａｎｏＳＩＭＳ機器の使用に依存する。このような「使い捨て」イオン源は、交換ごとに約３０００ドルの費用を要する。

代替のイオン化器の設計は、２０００年頃にアリゾナ州立大学において、カメカ社のＳＩＭＳ機器ｉｍｓ ３ｆの初期型（つまりＮａｎｏＳＩＭＳ機器ではない）とともに使用するために開発された。ある型式では、外径が１／８インチ、内径が１／１６インチ、長さが約３インチのアルミナ管が使用される。管の一端は、市販のアルミナセメントプラグで封止され、微細な穴またはオリフィス（例えば直径が０．０１０インチつまり２５０μｍ）が、セメントプラグを貫通するように開けられる。多量（約０．１５ｇ）の炭酸セシウムが管の他端に装填され、その部分は、アルミナセメントで所定の位置に接着されたアルミナキャップで封止される。微細オリフィスを有する管の端部は、発熱要素を含む抵抗加熱器に挿入され、約１２００℃に加熱される。Ｃｓ_２ＣＯ_３の電荷は熱伝導によって管に沿って加熱されて、Ｃｓ_２ＣＯ_３としてか、またはＣｓ_２Ｏに分解後かのいずれかで気化する。得られた蒸気はその後オリフィスから放出していく。オリフィス内が高温であると、蒸気はセシウム原子に解離する。オリフィスを通過するセシウム原子は、ほぼ全てが熱せられたアルミナ表面と複数回衝突するので、熱表面イオン化される確率が非常に高い。イオン化器にオリフィスがあると、小さい中央領域を通って、二次イオン質量分析計の一次イオンカラムと正確に整合可能な高流束密度のセシウム原子が生成される。さらに、高価なタングステン金属から製造された従来のイオン化器と比較すると、アルミナセメントは熱硬化前は非常に容易に穴を開けることができるので、また、セメントプラグは、セメント硬化後に抜き取られる細い挿入ワイヤの周囲に形成可能であるので、アルミナ（具体的にはアルミナセメント）の使用は、イオン源の耐熱イオン化部は製造するのが非常に安価であることを意味する。上記で概説したイオン化部を有するカメカ社のＳＩＭＳ機器の初期型は、イオンビームを非常に微細なスポットに集束可能な一次イオンカラムを有してはいなかったが、総イオン電流はその時代の他のイオン源に負けないものであったことは実証されていた。

上述のアルミナをベースにしたオリフィスを有するイオン化部のグラファイトをベースにした変形がアリゾナ州立大学で開発され、そのような研究機関で２００１年頃から使用されてきた。グラファイトをベースにしたイオン化部１７の設計を図２に示す。このようなイオン化部１７は、グラファイトプラグ２０内に作製された流路またはオリフィス２９を含んでいる。グラファイトプラグ２０は、モリブデン貯留管１５内に、ネジ山２３を介して管１５の端部１５’の近位に螺装されており、管１５及びプラグ２０は、モリブデン管１５及びグラファイトプラグ２０の外側に配置された発熱要素１３を含む抵抗加熱器１２によって加熱されている。モリブデン管１５は雌ネジ加工され、グラファイトプラグ２０の雄ネジ部を受けるように配置されている。図２に示されているように、流路またはオリフィス２９は０．１２５ｍｍ（１２５μｍ）の直径を有し、プラグ２０の端面２１は貯留管１５の端面２８とほぼ同一平面である。

グラファイトを使用するといくつかの利点が得られる。グラファイトは耐熱性が高く、そのため表面イオン化に必要な高い温度に耐える。しかし耐熱性金属とは異なり、グラファイトは柔らかく、破損しやすい直径０．００５インチ（１２５ミクロン）のドリルで穴を開けることに適している。グラファイトが柔らかいことにより、穴の開いたグラファイトを金属貯留管へと挿入するという、容易な封止も可能である。図２において、グラファイトプラグ２０の傾斜台部２２が管１５の鋭利な金属縁端部１６へと押し込まれており、これによりグラファイトプラグ２０のグラファイト材料に食い込んで、蒸気の封止をもたらす。グラファイトの表面仕事関数はほぼ４．５電子ボルトであり、これはタングステンに匹敵し、セシウムのイオン化ポテンシャル（３．９電子ボルト）よりも高い。よって、加熱されたグラファイト表面上では、セシウムのイオン化効率は確実にほぼ１００％になる。

この技術は、性能の向上とコストの低減とをもたらすことが可能な、ＳＩＭＳ機器とともに使用するセシウムイオン源を求め続けている。本開示の各局面は、従来のシステム及び方法に付随する弱点に対処している。
［概要］
本開示の各局面は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された一次イオン源及び一次イオン源サブアセンブリに関する。

ある局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された一次イオン源サブアセンブリであって、イオン化管と貯留台部とを備え、イオン化管と貯留台部とは一体であり、連続するグラファイトまたはグラファイト含有の本体材料で形成されている、一次イオン源サブアセンブリに関する。ある実施形態において、貯留台部の一部分は、空洞を画定する貯留部本体の円筒形空洞の境界をなすように、及び／または、円筒形空洞内に受容されるように構成されている。ある実施形態において、貯留台部及びイオン化管の第１部分は組み合わさって、空洞を画定する貯留部本体の円筒形空洞に露出するように、及び／または、円筒形空洞内に受容されるように配置されている環状凹部を画定し、イオン化管の第２部分は、貯留台部から外側に向かって延在している。ある実施形態において、イオン化管の第２部分は、イオン化管内部の通路の公称直径または平均直径と比較して小さい直径を有しているイオン化器開口を画定している遠位端を備えている。ある実施形態において、イオン化管の遠位端は、外側に突出している円錐面または円錐台形面を備え、イオン化器開口は、円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在している。ある実施形態において、円錐面または円錐台形面は、６度から４５度の範囲の円錐の半角の余角を備えている。ある実施形態において、耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースは、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置されている。ある実施形態において、イオン化器開口は、約１２５μｍ以下の直径、または５０μｍ以下の直径を備えており、機械的穴開け加工またはレーザ穴開け加工によって画定されていてもよい。ある実施形態において、貯留台部は、（ｉ）空洞を画定する貯留部本体の外縁部と（ｉｉ）空洞を画定する貯留部本体の一部分を螺合させるように配置されている封止キャップとの間で圧縮可能に受容されるように配置された、径方向に延在するリップ部を備えている。ある実施形態において、貯留台部は、イオン化器に最も近い端部における、空洞を画定する貯留部本体の内径よりも大きい最大直径値から、イオン化器から最も離れている端部における、空洞を画定する貯留部本体の内径よりも小さい縮小した直径値まで、位置に応じて変化する外径を有するテーパー形状のグラファイト円筒部と、空洞を画定する貯留部本体の一部分を螺合させるように、かつ、テーパー形状のグラファイト円筒部を空洞を画定する貯留部本体へと押し込むように配置された封止キャップとを備えている。ある実施形態において、貯留台部の一部分は、空洞を画定する貯留部本体の雌ネジ面と嵌まり合うように配置された雄ネジ面を備えている。ある実施形態において、グラファイト粉末またはグラファイト被膜は、雄ネジ面と雌ネジ面との間に配置されている。ある実施形態において、一次イオン源は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成され、一次イオン源は、円筒形空洞を備えている貯留部本体と、一次イオン源サブアセンブリとを備え、貯留台部の一部分は円筒形空洞内に受容されている。ある実施形態において、貯留部本体はグラファイトを含んでいる。ある実施形態において、一次イオン源は、貯留部本体の一部分を螺合させるように配置され、かつ、一次イオン源サブアセンブリを貯留部本体に封止係合させるように配置された封止キャップをさらに備えている。

ある局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された一次イオン源に関し、一次イオン源は、貯留部からセシウム含有蒸気を受けるように構成された管であって、雄ネジ面を含み、内部通路を含み、第１端を含む、管と、イオン化器開口を画定している本体を含む毛細管挿入物であって、イオン化器開口が内部通路からセシウム含有蒸気を受けるように配置されている状態で、毛細管挿入物の少なくとも一部分が、第１端に沿って内部通路に受容されるように構成された、毛細管挿入物と、オリフィスを画定しているキャップであって、オリフィスがイオン化器開口に位置合わせされた状態で、毛細管挿入物の一部分を受容するように配置された空洞を含み、管の雄ネジ面を係合させて、毛細管挿入物と管との間で封止係合が生じるように配置された雌ネジ面を含む、キャップと、を備えている。ある実施形態において、毛細管挿入物の本体は、キャップ内で画定されたオリフィスを貫通するように配置された遠位端を備え、遠位端は外側に突出している円錐面または円錐台形面を備え、イオン化器開口は円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在している。ある実施形態において、円錐面または円錐台形面は、６度から４５度の範囲の円錐の半角の余角を備えている。ある実施形態において、毛細管挿入物の本体はグラファイトまたはグラファイト含有材料を含み、毛細管挿入物は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または金属シースをさらに備えている。ある実施形態において、毛細管挿入物は、（ｉ）管の製造材料と（ｉｉ）キャップの製造材料との各々よりも低い硬度を有する材料を含んでいる。ある実施形態において、毛細管挿入物はグラファイト材料で製造されている。ある実施形態において、毛細管挿入物の第１部分は、第１幅を備え、第１端に沿って内部通路に受容されるように構成され、毛細管挿入物の第２部分は、第２幅を備え、内部通路の外側に配置されるように構成され、第２幅は第１幅よりも大きい。ある実施形態において、管とキャップとのうちの少なくとも１つはモリブデンを含む。ある実施形態において、グラファイト粉末またはグラファイト被膜は、雄ネジ面と雌ネジ面との間に配置されている。ある実施形態において、イオン化器開口は約１２５μｍ以下の直径、または、約５０μｍ以下の直径を備え、機械的穴開け加工またはレーザ穴開け加工によって画定されてもよい。

ある局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された一次イオン源に関し、一次イオン源は、貯留台部と、雄ネジ面を備える貯留部本体と、貯留台部と貯留部本体との間に配置された管状ガスケットであって、グラファイトまたはグラファイト含有の本体材料を含み、第１端と第２端とを備え、中間点における最大直径値から、第１端及び第２端における縮小した直径値まで、位置に応じて変化する外径を備える、管状ガスケットと、貯留台部の一部分と、貯留部本体の一部分と、管状ガスケットとによって境界がなされた貯留部空洞と流体連通して配置されたイオン化管と、雄ネジ面を係合させるように配置された雌ネジを備える封止ナットと、を備えている。ある実施形態において、貯留台部と貯留部本体とのうちの少なくとも１つは金属を含んでいる。ある実施形態において、貯留台部と貯留部本体とのうちの少なくとも１つは、グラファイトまたはグラファイト含有材料を含んでいる。ある実施形態において、イオン化管と貯留台部とは一体であり、連続するグラファイトまたはグラファイト含有の本体材料で形成されている。ある実施形態において、イオン化管は、貯留部本体の近位にある近位端を備え、イオン化管は、イオン化管内部の通路の公称直径または平均直径と比較して小さい直径を有しているイオン化器開口を画定している遠位端を備えている。ある実施形態において、イオン化管の遠位端は、外側に突出している円錐面または円錐台形面を備え、イオン化器開口は、円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在している。ある実施形態において、一次イオン源は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースをさらに備えている。ある実施形態において、一次イオン源は、さらに、イオン化器開口を画定している本体を含む毛細管挿入物であって、毛細管挿入物の少なくとも一部分が、イオン化管に受容されるように構成された、毛細管挿入物と、オリフィスを画定しているキャップであって、オリフィスがイオン化器開口に位置合わせされた状態で、毛細管挿入物の一部分を受容するように配置された空洞を含み、イオン化管の雄ネジ面を係合させて、毛細管挿入物とイオン化管との間で封止係合を生じるように配置された雌ネジ面を含む、キャップと、を備えている。ある実施形態において、毛細管挿入物はグラファイトまたはグラファイト含有材料を含む。ある実施形態において、毛細管挿入物の本体は、キャップ内で画定されたオリフィスを貫通して延在するように配置された遠位端を備え、遠位端は、外側に突出している円錐面または円錐台形面を備え、イオン化器開口は、円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在している。ある実施形態において、毛細管挿入物の本体は、グラファイトまたはグラファイト含有材料を含み、毛細管挿入物は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜またはシースをさらに備えている。

別の局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された一次イオン源に関し、一次イオン源は、貯留部からセシウム含有蒸気を受けるように構成されたイオン化管と、外側に突出している円錐面または円錐台形面を備えている遠位端部分であって、イオン化器開口が円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在し、イオン化器開口がイオン化管からセシウム含有蒸気を受けるように配置されている、遠位端部分と、を備えている。ある実施形態において、遠位端部分とイオン化管とは、連続する本体構造を具体化している。ある実施形態において、一次イオン源は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースをさらに備えている。ある実施形態において、遠位端部分は、イオン化管に受容される毛細管挿入物を備え、毛細管挿入物は、円錐面または円錐台形面を画定し、かつ、イオン化器開口を画定し、一次イオン源は、オリフィスを画定しているキャップをさらに備え、キャップは、オリフィスがイオン化器開口に位置合わせされた状態で、毛細管挿入物の一部分を受容するように配置された空洞を含み、キャップは、イオン化管の雄ネジ面を係合させて、毛細管挿入物とイオン化管との間に封止係合を生じるように配置された雌ネジ面を含んでいる。ある実施形態において、一次イオン源は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースをさらに備えている。ある実施形態において、キャップの中央部は、円錐面または円錐台形面の少なくとも一部分上を覆うテーパー形状面を備え、テーパー形状面は、耐熱性金属シースを備えている。

別の局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成されたイオン供給アセンブリに関し、イオン供給アセンブリは、本明細書に開示されているような一次イオン源と、イオン化器開口に位置合わせされた抽出板オリフィスを画定している抽出板と、抽出板オリフィスに位置合わせされたビーム阻止板オリフィスを画定しているビーム阻止板とを備えている。ある実施形態において、イオン供給アセンブリは、イオン化器開口から直接発するセシウムイオン以外のセシウムイオンがビーム阻止板オリフィスを通過することを防ぐように配置されている。ある実施形態において、（ａ）遠位端部分の形状、（ｂ）遠位端部分の材料、及び（ｃ）ビーム阻止板オリフィスの寸法及び形状、というパラメータは、イオン化器開口から直接発するセシウムイオン以外のセシウムイオンがビーム阻止板オリフィスを通過することを防ぐように選択される。ある実施形態において、ビーム阻止板オリフィスは、一次イオン源の近位では縮小した直径部分を備え、一次イオン源の遠位では増大した直径部分を備えている。ある実施形態において、ビーム阻止板オリフィスは円錐台形の断面形状を備えている。ある実施形態において、ビーム阻止板は、円錐台形延長部を備え、縮小した直径部分は、円錐台形延長部を介して画定されている。

別の局面において、本開示は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成されたイオン供給アセンブリに関し、イオン供給アセンブリは、イオン化器開口を介してイオンを放出するように配置された一次イオン源と、イオン化器開口に位置合わせされた抽出板オリフィスを画定している抽出板と、抽出板オリフィスに位置合わせされたビーム阻止板オリフィスを画定しているビーム阻止板であって、ビーム阻止板オリフィスが、一次イオン源の近位では縮小した直径を備え、一次イオン源の遠位では増大した直径を備えている、ビーム阻止板とを備えている。ある実施形態において、ビーム阻止板オリフィスは円錐台形の断面形状を備えている。

ある実施形態において、イオン化器は、セシウムイオンが、グラファイト要素内で画定されたイオン化器開口からは高効率で放射されるように、かつ、セシウムイオンが、イオン化器開口の近位に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースからは低効率で放射されるように選択された温度で動作される。

ある局面において、本明細書に開示された前述の局面または他の特徴のうちのいずれかを、さらなる利点のために組み合わせてもよい。
当業者であれば、以下に続く好適な実施形態の詳細な説明を、添付の図面に関連付けて読めば、本開示の範囲を十分に理解し、かつ本開示のさらなる局面を実現するであろう。

ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器の工場製一次イオン源の概略断面図である。 ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器の工場製一次イオン源のイオン化部の概略断面拡大図である。 図１Ｂのイオン化部を図示し、セシウムイオンの意図された軌跡で、意図された（または設計目標とされた）動作を示している。 図１Ｂ〜１Ｃのイオン化部を図示し、実際の動作に近似させたセシウムイオンの軌跡を図示している。 ２０００年頃に二次質量分析機器とともに使用するために開発された、代替のイオン化部の設計を図示している。 一実施形態に係る、二次質量分析機器とともに使用するためのイオン化部の概略断面拡大図であって、イオン化部が、イオン化器開口を画定する、ネジ込みキャップで留められている毛細管挿入物を含んでいる、概略断面拡大図である。 図３Ａの設計と同様のイオン化部を使用している、二次質量分析機器のイオン源の分解立面図である。 工場製一次イオン源を用いたＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器を用いて（つまり図１Ｂに従って）得られた、エッチング加工されたシリコン製テスト格子の画像である。 図３Ｂに係るイオン源を用いたＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器を用いて得られた、エッチング加工されたシリコン製テスト格子の画像である。 別の実施形態に係るイオン化部の概略断面図であって、イオン化部が、イオン化器開口を画定する、図３Ａのキャップとは形状が異なるネジ込みキャップで留められている毛細管挿入物を含んでいる、概略断面図である。 図５に係るイオン化部を使用して得られた、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、工場製テスト試料におけるシリコン粒子のシリコン（^２８Ｓｉ⁻）イオンを用いた画像である。 図６に図示されている工場製テスト試料における、鋭角形状を横切るシリコン（^２８Ｓｉ⁻）イオン（つまり図６で矢印で特定されているシリコン粒子）を用いたラインスキャンである。 図５に係るイオン化部を使用して得られた、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、工場製テスト試料の酸素（^１６Ｏ⁻）イオンを用いた画像である。 図５に係るイオン化部を使用して得られた、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、工場製テスト試料のシリコン（^２８Ｓｉ⁻）イオンを用いた画像である。 図５に係るイオン化部を使用して得られた、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、工場製テスト試料の炭素（^１２Ｃ⁻）イオンを用いた画像である。 図８Ａに図示されている工場製テスト試料において矢印がついている酸素（^１６Ｏ⁻）イオン画像内の形状を横切るラインスキャンである。 ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器内で粒子状試料の支持のために使用される穴あき炭素膜の二次電子画像であって、工場製一次イオン源を使用して得られ、顕著な変位ゴースト画像を描いている、二次電子画像である。 一実施形態に係る、金属貯留部本体と、金属封止キャップと、一体構造のグラファイトイオン化管及び貯留台部を含むサブアセンブリとを含んでいる一次イオン源の概略断面図である。 図１１の設計と同様の構成要素を含む、一実施形態に係る一次イオン源の写真である。 一実施形態に係る、グラファイト貯留部本体と、一体構造のグラファイトイオン化管及び雄ネジ加工された貯留台部を含むサブアセンブリとを含んでいる、全てがグラファイトの一次イオン源の概略断面図であって、イオン化管が、外側に突出している錐面を有する遠位端を含み、イオン源には封止キャップがない、概略断面図である。 図１３Ａのイオン化管の遠位端の概略断面拡大図である。 円錐を図示し、円錐の半角αと円錐の半角の余角βとを示している。 一実施形態に係る、グラファイト貯留部本体と、雄の金属貯留部搭載柱と、一体構造のグラファイトイオン化管及び雄ネジ加工された貯留台部を含むサブアセンブリとを含む一次イオン源の概略断面図であって、イオン化管が外側に突出している錐面を有する遠位端を含んでいる、概略断面図である。 一実施形態に係る、グラファイト貯留部本体と、雌の金属貯留部搭載柱と、一体構造のグラファイトイオン化管及び雄ネジ加工された貯留台部を含むサブアセンブリとを含む一次イオン源の概略断面図であって、イオン化管が外側に突出している錐面を有する遠位端を含んでいる、概略断面図である。 抽出板及びビーム阻止部の連続して配置された開口を通ってセシウムイオンを送出するように構成されたイオン源の概略断面図であって、各矢印が、セシウムイオンの軌跡を示し、概略断面図が、ゴーストビーム生成のメカニズムを示している、概略断面図である。 抽出板及びビーム阻止板の連続して配置された開口を通ってセシウムイオンを送出するように構成された、テーパー形状の（例えば円錐形の）先端部を有するイオン源の先端部の概略断面図であって、ビーム阻止板の開口が、可変の直径を有し、図１８Ａがセシウムイオンの軌跡を示す線を含んでいる、概略断面図である。 一実施形態に係るビーム阻止板の一部分の概略断面図であって、ビーム阻止板が、上流側に沿った位置になるように配置されている円錐台形延長部を有し、かつ、延長部に位置合わせされ、前縁方向に沿って直径が小さくなり、後縁方向に沿って直径が大きくなる可変の開口を有するビーム阻止部開口を有している、概略断面図である。 別の実施形態に係るイオン化部の概略断面図であって、イオン化部が、ネジ込みキャップで留められている毛細管挿入物を含み、毛細管挿入物が、外側に突出している錐面を含み、イオン化器開口を画定している、遠位端を有していて、錐面が、ネジ込みキャップ内で画定されているオリフィスを貫通して突出している、概略断面図である。 非特異的加熱表面から気化しているセシウムイオン分率の温度関数としてのプロットである。 加熱グラファイト（Ｃ）表面とタングステン（Ｗ）表面とから気化するセシウムイオン分率の温度関数としての重ね合わせたプロットを含み、２本の縦線を追加して、好適な使用可能温度ウィンドウの範囲を定めている。 図１９のイオン化部に類似するイオン化部の概略断面図であって、さらに、毛細管挿入物の遠位端の錐面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜を含んでいる、概略断面図である。 図１９のイオン化部に類似するイオン化部の概略断面図であるが、キャップが、毛細管挿入物の遠位端の錐面の少なくとも一部分上に耐熱性金属シースを形成するように配置された先細遠位端を含んでいる、概略断面図である。 一実施形態に係る一次イオン源の概略断面図であって、貯留部分の間に配置され、二次質量分析機器とともに使用することに適した、可変直径を有する使い捨てグラファイト管ガスケットを含んでいる、概略断面図である。 可変直径のグラファイト管ガスケットの概略断面図であって、中間点にある最大外径と、２つの端部に沿った最小外径とを、直径の変化量を誇張して描いている、概略断面図である。 組み立て工程中の図２４Ａの一次イオン源の各部分の概略断面図であって、グラファイト管ガスケットが、細長い一時封止ナットを用いて、かつ、貯留部キャップ内に嵌まる円筒形テフロンスタブを用いて、貯留台部９４１内へと押圧されている、概略断面図である。

［詳細な説明］
本開示の各局面は、二次イオン質量分析計とともに使用するために構成された、一次イオン源、一次イオン源サブアセンブリ、及びイオン供給アセンブリに関する。

一実施形態に係る、二次イオン質量分析計とともに使用するための一次イオン源のイオン化部を図３Ａに示す。このような実施形態において、工場製イオン源（例えば図１Ａに示しているもの）と同じ貯留部や搭載部の構造を使用してもよいが、イオン化器（例えば先端）の部分は図１Ｂ〜１Ｄ及び図２に示された構造とは異なっている。図１Ｂ〜１Ｄに示されているようなイオン化平板８上でイオン生成を行うのではなく、図３Ａのイオン化部は、好ましくは直径が１２５μｍ以下（もしくは、より好ましくは直径が１００μｍ以下、７５μｍ以下、５０μｍ以下、２５μｍ以下、または１０μｍ以下）である開口５９で終端する微細な流路５８内でイオン生成を行う。このような開口５９及び流路５８は、グラファイト挿入物を貫通する機械的穴開け加工またはレーザ穴開け加工といった（しかしこれらに限定されない）任意の適切な手段によって形成されてもよい。レーザ穴開け加工は、機械的穴開け加工を用いて実際に形成可能であるよりも小さな開口の形成を可能にし得る。工場製イオン源の場合のように、セシウム蒸気は流路４６中を自由に流動するが、イオン生成領域は、工場製イオン源のイオン抽出口の直径５００μｍよりも大幅に小さい値に限られている。

図３Ａのイオン化部は、イオン化器開口５９を画定する、ネジ込みキャップ６０により、イオン化管４５を封止する状態で留められている、毛細管挿入物５０を含んでいる。毛細管挿入物（またはプラグ）５０は、イオン化管４５の端部に当接するように配置されている段部５７を含み、イオン化管４５の端部は、キャップ６０のネジ山６５と協働するように配置されている雄ネジ４７を含んでいる。毛細管挿入物５０は、遠位端５１と近位端５２とを含んでいる。ある実施形態において、ネジ込みキャップ６０は、モリブデン材料を含んでいてもよい。キャップ６０は、遠位端６１と、毛細管挿入物５０のイオン化器開口５９に位置合わせされたオリフィスを画定する内向きテーパー形状（または逆テーパー形状）面６４とを含んでいる。封止を保証し、かつ、加熱後にイオン源のイオン化部をより容易に取り外し可能にするために、ネジ山面４７，６５と、さらにはイオン化管４５の端部及びネジ込みキャップ６０の内側面に接触している毛細管挿入物５０の表面も、組み立て前にグラファイト粉末でコーティングされてもよい。さらに、封止を保証し、かつ取り外しを行いやすくするために、（図１Ａに示されているような）貯留部の２つの部分３，６のスエージ嵌合している金属面もグラファイトでコーティングされてもよい。図３Ａのイオン化部は容易に分解できるようになっていてもよく、グラファイト毛細管挿入物５０は、損傷を受けた場合はユーザによって交換されてもよい。

図３Ｂは、図３Ａの設計と同様のイオン化部４０を使用している、二次質量分析機器のためのイオン源の分解立面図である。イオン源は、搭載柱３２によって支持された加熱貯留部本体３３を含み、貯留部本体３３は、雄ネジ面３６と、傾斜面３５と、（搭載柱３２を受けるように配置されている）首部３４とを含んでいる。ある実施形態において、貯留部本体３３及び搭載柱３２は、連続材料から製造された単一のアセンブリ３０として構成されてもよい。イオン化部４０は、イオン化管受け口４２を有する貯留台部４１と、雄ネジ４７を含むイオン化管４５と、毛細管挿入物５０と、イオン化管４５を封止する状態で毛細管挿入物５０を固定するように配置された雌ネジ形状キャップ６０’とを含んでいる。キャップ６０’は、毛細管挿入物５０内で画定された開口（図示せず）に位置合わせされたオリフィス（図示せず）を含んでいる。ある実施形態において、毛細管挿入物５０は、グラファイトで製造されていてもよい。イオン化管４５の近位端４５Ａは、貯留台部４１のイオン化管受け口４２内に封止されていて、イオン源の動作温度で完全性を維持する真空封止を実現する。好適な封止方法では、銅金属ろう付けを使用する。ある実施形態において、貯留台部４１、ネジ込み部４２、及びイオン化管４５は、単一の連続する材料で製造されてもよい。雌ネジ加工された封止ナット７０は、貯留部本体３３の雄ネジ面３６と係合するように配置されており、これにより、貯留台部４１の表面を貯留部本体３３の傾斜面３５に押し付けることによって、貯留部本体３３と貯留台部４１とからなる貯留部を囲む。使用するときには、貯留部を加熱して、炭酸セシウム蒸気を貯留部からイオン化管４５を通り、そして毛細管挿入物５０の開口を通るように移動させ、ここで蒸気が分解及びイオン化されて、セシウムイオンを生成する。

図３Ａ〜３Ｂのイオン化部及び一次イオン源の性能パラメータを図４Ａ，４Ｂに示す。図４Ａは、工場製セシウムイオン源を用いて得られたエッチング加工されたシリコン製テスト格子の画像を表しており、図４Ｂは、図３Ａの新規のイオン化部を用いて得られたエッチング加工されたシリコン製テスト格子の画像を表している。図４Ｂは、（トレースした結果、貯留部のイオン化管の不正確な封止となるノイズレベルとともに）より鋭い形状をはっきりと示している。特に、図４Ｂの画像に点在する輝点に注目されたい。工場製一次イオン源の使用に相当する図４Ａにおいて、これらの形状はほとんど見られない。その理由は、このような形状は、工場製のビーム寸法よりも大幅に小さいからである。図４Ｂにおいて、この輝点はより強い。その理由は、ビーム寸法が形状の寸法に匹敵するようになったからである。図４Ｂでは、ビーム点寸法が大幅に小さいため、小さな輝点形状の方がより見やすく、そのビーム寸法は、図４Ａで用いたビーム寸法の場合よりも、形状寸法により近くなっている。これらの画像を取得したとき、図３Ａのイオン化部で用いられる電流は５１．４ｎＡであり、工場製イオン源で用いられる電流２０．３ｎＡの約２倍であったことに注目されたい。これらの電流は、テスト格子試料において測定したものではなく、セシウムイオンビームが一次イオンの光学カラム内での最後の開口によって減衰されたときよりも前の上流側にあるテスト点で記録された。

図５は、別の実施形態に係るイオン化部の概略断面図であり、イオン化部は、イオン化器開口１５９を画定する、図３Ａのキャップ６０とは形状が異なる（例えば図３Ａのキャップの逆テーパーがない）ネジ込みキャップ１６０で留められている毛細管挿入物１５０を含んでいる。毛細管挿入物（またはプラグ）１５０は、遠位端１５１と近位端１５２とを含んでいる。毛細管挿入物１５０はさらに、イオン化管１４５の端部に当接するように配置された段部１５７を含み、イオン化管１４５の端部は、キャップ１６０のネジ山１６５と協働するように配置された雄ネジ１４７を含んでいる。毛細管挿入物１５０は、遠位端１５１と近位端１５２とを含んでいる。毛細管挿入物１５０は、イオン化管１４５の流路１４６と狭いイオン化器開口１５９との間に介在された広流路部１５８を含んでいる。キャップ１６０は、平坦な近位端１６２と、外向き傾斜縁部１６６を有する遠位端１６１とを含んでいる。キャップ１６０はまた、イオン化器開口１５９に位置合わせされたオリフィス１６４を画定していて、毛細管挿入物１５０を収容する空洞を含んでいる。ある実施形態において、毛細管挿入物１５０は、グラファイト材料を含んでいる。

図６は、図５に係るイオン化部を使用して得られた、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、工場製テスト試料のアルミニウム基材に埋め込まれたシリコン粒子のシリコン（^２８Ｓｉ⁻）イオンを用いて得られた画像である。図７は、図５に係るイオン化部を使用した、カメカ社によって供給された、アルミニウム中にシリコンが存在するテスト試料の鋭角形状を横切るラインスキャンを示している。ビーム寸法の基準は様々である。最も一般的な基準（及び工場で使用されている基準）は、イオン信号が最大値の１６％から８４％まで変化する距離である。図７において重なり合うスケールバーは幅が２５ｎｍである。これがおおよそスキャン範囲の１６〜８４％に及ぶ。この２５ｎｍのスケールバーは、ビーム寸法がこの値に近いことを示している。特に、このスキャンのビーム電流（試料において測定）は１ｐＡ、つまり、通常の工場製製品の電流値の４倍の電流値である。このような電流の増大は複数の点で利点がある。つまり、分析速度を大きく増加（４倍）するだけでなく、より多くの電流を犠牲にすることにより、さらに小さなイオンビームが達成され得ることを示唆している。

図８Ａ〜８Ｃは、図５に係るイオン化部を用いて得られた酸素、シリコン、及び炭素の画像を提供している。図８Ａは、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、アルミニウム中にシリコンが存在する工場製テスト試料内の酸素（^１６Ｏ⁻）イオンを用いて得られた画像である。図８Ｂは、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、アルミニウム中にシリコンが存在する工場製テスト試料内のシリコン（^２８Ｓｉ）イオンを用いて得られた画像である。図８Ｃは、ＮａｎｏＳＩＭＳ二次イオン質量分析機器のビーム寸法に関する規格のために使用される、アルミニウム中にシリコンが存在する工場製テスト試料内の炭素（^１２Ｃ⁻）イオンを用いて得られた画像である。図８Ａ〜８Ｃの画像は、図６の画像の数か月後に取得された。図９は、図８Ａに図示されている工場製テスト試料の酸素（^１６Ｏ⁻）イオン画像内の小型形状を横切るラインスキャンである。図８Ａの酸素イオン画像内の小型形状を横切るラインスキャンは、またしても２５ｎｍに近い解像度を示しており、これは網掛けの縦方向スケールバーに相当する。このスケールバーの両側にある縦線は５０ｎｍの距離で離間している。

しかしながら、図８Ａ〜８Ｃの画像と図６の画像との違いに注目されたい。図８Ａ〜８Ｃの画像は全方向において鮮明であるが、図６は、各形状の右側のわずかに上側にずれた位置に「ゴースト」画像を示している。これは、主要ビームからずれている、次位の弱い「ゴースト」イオンビームの証拠である。「ゴースト」イオンビームのさらなる証拠を図１０に示す。図１０は、ＮａｎｏＳＩＭＳ内で粒子状試料の支持のために使用される「穴あき」炭素膜の二次電子画像である。二次電子は、集束されたセシウムイオンビームによって陰イオンとともに生成されており、イオンビーム寸法を同様に反映する。図１０の画像は、工場製一次イオン源を用いて得られ、大きく変位した（そして望ましくない）ゴースト画像を描いている。ゴースト画像は、隣接する形状の間にあるハローが存在する（例えばぼやけて変位している）境界として現れる。ゴーストビームの生成メカニズムは、本明細書では（以降の）図１７Ａ〜１７Ｃとともに説明するが、本明細書で説明している少なくともある特定の実施形態は、ゴーストビームの存在を低減または排除することを目的とする特徴を含んでいる。

別の実施形態に係る二次イオン質量分析計とともに使用される一次イオン源を図１１に示される。イオン源のイオン化部（またはイオン化サブアセンブリ）２４０全体は、グラファイト（または代替としてグラファイト含有材料）からなる一体構造の１つの単体で形成されていて、（貯留部の半分を具体化する）貯留台部２４１と、貯留台部２４１から外側に突出しているイオン化管２４５を含んでいる。このように一体構造で製造することにより、イオン化部２４０の様々な接合箇所でセシウム蒸気が漏れるあらゆる可能性を防ぎ、設計及び加工を簡素化する。イオン化サブアセンブリ２４０は、通路２４６を画定しているイオン化管２４５を含み、イオン化管２４５の遠位端２５１はイオン化器開口２５９を画定している。ある実施形態において、イオン化器開口２５９は、イオン化管２４５内部の通路２４６の公称直径または平均直径と比較して小さい直径を有している。イオン化器開口２５９は、好ましくは、直径が１２５μｍ以下、１００μｍ以下、７５μｍ以下、５０μｍ以下、２５μｍ以下、または１０μｍ以下であり、また、機械的穴開け加工またはレーザ穴開け加工によって画定されてもよい。ある実施形態において、イオン化器開口２５９は、管２４５の遠位端２５１を貫通する機械的穴開け加工またはレーザ穴開け加工といった（しかしこれらに限定されない）任意の適切な手段によって形成されてもよい。ある実施形態において、イオン化器開口はグラファイト毛細管挿入物（図示せず）内で画定されてもよい。イオン化管２４５の近位部２４３は、貯留台部２４１を貫通して延在し、近位部２４５Ａで終端している。イオン化管２４５の近位部２４３は、貯留台部２４１の側壁２４４と組み合わさって、貯留部本体２３３内で画定された円筒形空洞２３８に露出するように配置された環状凹部２４８の境界をなしている。貯留台部２４１はさらに、貯留部本体２３３の側壁２３７の傾斜面部２３５に当接するように配置された、径方向に延在する段部またはリップ部２４９を含んでいる。貯留部本体２３３は、ネジ切りされた外面２３６を有する側壁２３７を含んでいて、搭載柱２３２は貯留部本体２３３に取り付けられている。封止ナット２７０は、貯留台部２４１を貯留部本体２３３に留めるように配置されており、これにより、両者の間にある円筒形空洞２３８を封止する。封止ナット２７０は、貯留部本体２３３の段部またはリップ部２４９に接触するように配置された中央部２７１を含み、また、貯留部本体２３３のネジ切りされた外面２３６を係合させるように配置されたネジ切りされた内面２７７を有する側壁２７６を含んでいる。上述したように、工場製イオン源で使用されている、２つのモリブデン貯留部分の間のスエージ型封止は、封止力の精密な制御を必要とし、取り外し可能には設計されておらず、したがってイオン源は再利用できない。図１１のイオン化サブアセンブリ２４０は比較的柔らかいグラファイトで製造されているので、封止手法の改良は、図１１に示された一次イオン源を用いて可能になる。貯留部本体２３３の傾斜面部２３５の遠位端にある鋭い傾斜縁部は、封止ナット２７０を締めることによって押し込まれて、貯留台部２４１のグラファイト段部またはリップ部２４９に噛み合うことにより、良好な封止を形成する。好適な封止手法において、グラファイト貯留台部２４４の外壁は、（例えば、好ましくは１〜５度の範囲、より好ましくは２〜３度の範囲であるテーパー角を有する）テーパー形状であり、テーパー形状面の部分のみが貯留部本体２３３に簡単に挿入可能であるように寸法が定められているが、その後に封止ナット２７０を締めることによって完全に押し込まれなければならず、これにより、貯留部本体２３３をグラファイト貯留台部２４４の外壁のテーパー形状面へと食い込ませて、封止を実現することができる。

図１２は、図１１の設計と同様の構成要素を含む、一実施形態に係る一次イオン源の写真である。イオン化サブアセンブリ３４０は、イオン化管３４５と、貯留台部（図示せず）と、イオン化管端部３４５Ａと、遠位面３５９内で画定された開口３５１とを含み、全てがグラファイト材料の一体構造の単体で製造されている。一次イオン源はさらに、貯留部本体３３３に取り付けられている搭載柱３３２を含み、雌ネジ加工された封止ナット３７０が、イオン化サブアセンブリ３４０を貯留部本体３３３と係合させるように配置されている。ある実施形態において、貯留部本体３３３及び搭載柱３３２は、材料の連続する一体構造を具体化するサブアセンブリ３３０として設けられてもよい。

代替の実施形態において、グラファイトイオン化サブアセンブリは、図１Ａに示された装置と同様の、鋭い金属縁端部へと力をかけて、外側のナットを用いて圧縮力がかかっている状態で封止を形成する傾斜面を有する設計になっていてもよい。

（例えば、一体構造のグラファイトイオン化管及び貯留台部と、グラファイト貯留部本体とを含む）全てがグラファイトであるイオン源の封止は、以下の技術のうちの１つに従って実現されてもよい。

第１の封止技術では、ネジ山を２つの貯留部分（貯留台部と貯留部本体）の内側と外側とに切り込み、両者を単純にねじ込んで合わせてもよい。このような技術では、両方のグラファイト部材にかける機械的応力が比較的小さい。両者を締めたときのグラファイトネジ山の摩擦があらゆる高い箇所をこすり落とし、面対面の封止を確実に行う。ある実施形態において、ネジ山はまた、確実な封止を補助することになるグラファイト粉末で潤滑され得る。

第２の封止技術では、内側のネジ山の頂部にわずかな傾斜が形成されてもよく、また、外面の縁端は、ネジ山によってこの傾斜へと力がかけられる。
第３の封止技術では、２つの貯留部分のうちの１つを傾斜させてもよく、ネジ切りされた外側の金属部材によってこの２つの部分に一緒に力をかけてもよい。

グラファイトを構成材料として使用すると、一次イオン源の再利用性が大幅に高まる。金属でできた工場製イオン源は、再利用することを意図していない。炭酸セシウム貯留部が消耗した場合、または（例えば、一次イオンカラム内の表面を打ち当てるセシウムビームによって生成された、過度の熱または逆流イオンによって）イオン化器が損傷を受けた場合、現状ではユーザの第１の処置は、一次イオン源を廃棄して、製造業者から新たな一次イオン源を購入することである。本明細書に開示されている再利用可能な貯留部のあるイオン源は、イオン化器のオリフィスが完全なまま保たれている限りは、交換可能なグラファイト製両テーパーガスケットの出費で、ユーザはイオン源の補充及び再利用が可能であることを意図している。イオン源のオリフィス部分が損傷を受けた場合、オリフィス部分を単独で交換することができる。グラファイトイオン化器挿入物を用いた、金属を使用した設計では、挿入物及びその金属ネジ込みキャップは交換可能な部品になることになり、予備品を購入品で供給してもよい。

ある実施形態において、グラファイトイオン化サブアセンブリは、封止ナットを使用する必要なく、貯留台部を直接係合させてもよい。
図１３Ａは、一実施形態に係る、全てがグラファイトの一次イオン源を図示している。イオン化サブアセンブリ４４０は、グラファイト材料（または他のグラファイト含有材料）からなる一体構造の単体で製造された、イオン化管４４５及び貯留台部４４１を含んでいる。イオン化管４４５は通路４４６を画定し、イオン化管４４５の遠位端は、円錐面または円錐台形面４５１を含み、イオン化管４４５内部の通路４４６の公称直径または平均直径と比較して小さい直径を有しているイオン化器開口４５９を画定している。イオン化管４４５の近位部４４３は、貯留台部４４１を貫通して延在し、近位部４４５Ａで終端している。イオン化管４４５の近位部４４３は、貯留台部４４１の雄ネジ加工された側壁４４４と組み合わさって、貯留部本体４３３内で画定された円筒形空洞４３８に露出するように配置されている環状凹部４４８の境界をなしている。貯留台部４４１の雄ネジ加工された側壁４４４は、貯留部本体４３３の側壁４３７の雌ネジ面４３６を係合させるように配置されている。貯留部本体４３３及び搭載柱４３２は、グラファイト（またはグラファイト含有）材料の連続する一体構造を具体化するサブアセンブリ４３０として設けられている。２つのサブアセンブリ４３０，４４０は分離可能であり、炭酸セシウムまたは他のセシウムイオン源物質を貯留部空洞４３８内へ装填することができる。

図１３Ｂは、図１３Ａのイオン化管４４５の遠位端の概略断面拡大図であり、円錐面または円錐台形面４５１とイオン化器開口４５９とを示している。イオン化器開口４５９は、イオン化管４４５内部の通路４４６の公称直径または平均直径と比較して小さい直径を有し、円錐面または円錐台形面４５１の中心軸（または頂点）を貫通して延在している。

図１４は、円錐を図示し、円錐の半角αと円錐の半角の余角βとを示している。図１４の円錐を図１３Ｂに示されたイオン化管の遠位端と比較すると、図１３Ｂのイオン化器開口４５９は、円錐面または円錐台形面４５１の中心軸（または頂点）を貫通して延在し、このような面４５１は、図１４の円錐の側壁に相当する。ある実施形態において、図１３Ａ〜１３Ｂに描かれている円錐面または円錐台形面４５１は、６〜４５度の範囲、または１０〜４０度の範囲、または１５〜３５度の範囲、または２０〜３０度の範囲の円錐の半角の余角を含んでいる。このような角度の範囲は、本明細書に開示されているようなイオン化器開口に近位の他の円錐面または円錐台形面に適用してもよい。

図１３Ａに図示されているようなグラファイト搭載柱４３２はやや破損しやすい可能性があるので、ある実施形態において、搭載柱は、金属（例えばモリブデン）で製造されて、グラファイト貯留部本体に（例えばネジ込み接続で）取り付けられるように配置されてもよい。搭載柱と貯留部本体との間における、２種類の代替的なネジ込み接続を図１５及び図１６に示す。

図１５は、グラファイト貯留部本体５３３と、（雄の）金属貯留部搭載柱５２２と、一体構造のグラファイトイオン化管５４５と雄ネジ加工された貯留台部５４１とを含むサブアセンブリ５４０と含む一次イオン源の概略断面図であり、イオン化管５４５は、内部通路５４６を含み、また、イオン化器開口５５９を画定している、外側に突出している円錐面または円錐台形面５５１を有する遠位端を含んでいる。イオン化管５４５の近位部５４３は、貯留台部５４１を貫通して延在し、近位端５４５Ａで終端している。イオン化管５４５の近位部５４３は、貯留台部５４１の雄ネジ加工された側壁５４４と組み合わさって、貯留部本体５３３内で画定された円筒形空洞５３８に露出するように配置された環状凹部５４８の境界をなしている。貯留台部５４１の雄ネジ加工された側壁５４４は、貯留部本体５３３の側壁５３７の雌ネジ面５３６を係合させるように配置されている。搭載柱５２２は、径方向に延在するフランジ部５２３を含み、雄ネジ加工された突出部５２４は、貯留部本体５３３の雌ネジ加工された凹部５３４を係合させるように配置されている。ある実施形態において、搭載柱５２２は、金属（例えばモリブデン）で製造されていてもよく、貯留部本体５３３は、グラファイトで製造されてもよい。サブアセンブリ５４０は、貯留部本体５３３から分離可能であり、炭酸セシウムまたは他のセシウムイオン源物質を貯留部空洞５３８内へ装填することができる。

図１６は、グラファイト貯留部本体６３３と、（雌の）金属貯留部搭載柱６２２と、一体構造のグラファイトイオン化管６４５及び雄ネジ加工された貯留台部６４１を含むサブアセンブリ６４０とを含んでいる一次イオン源の概略断面図であり、イオン化管６４５は、内部通路６４６を含み、また、イオン化器開口６５９を画定している、外側に突出している円錐面または円錐台形面６５１を有する遠位端を含んでいる。イオン化管６４５の近位部６４３は、貯留台部６４１を貫通して延在し、近位端６４５Ａで終端している。イオン化管６４５の近位部６４３は、貯留台部６４１の雄ネジ加工された側壁６４４と組み合わさって、貯留部本体６３３内で画定された円筒形空洞６３８に露出するように配置された環状凹部６４８の境界をなしている。貯留台部６４１の雄ネジ加工された側壁６４４は、貯留部本体６３３の側壁６３７の雌ネジ面６３６を係合させるように配置されている。搭載柱６２２は、雌ネジ加工された凹部６２６を画定しているネジ込み部６２５を含み、雌ネジ加工された凹部６２６は、貯留部本体６３３の雄ネジ加工された突出部６３４を係合させるように配置されている。ある実施形態において、搭載柱６２２は、金属（例えばモリブデン）で製造されていてもよく、貯留部本体６３３は、グラファイトで製造されていてもよい。サブアセンブリ６４０は、貯留部本体６３３から分離可能であり、炭酸セシウムまたは他のセシウムイオン源物質を貯留部空洞６３８内へ装填することができる。

次に、ゴーストビーム生成のメカニズムを説明する。図１７Ａ〜１７Ｃは、連続して配置された抽出板７０１及びビーム阻止部７０２の開口７０１Ａ，７０２Ａを通ってセシウムイオンを送出するように構成されたイオン源７００の概略断面図であり、各矢印は、セシウムイオンの軌跡を示している。図１７Ａにおいて、イオン源７００からのＣｓ＋イオンは広がり、イオンの中には、ビーム阻止板７０２に衝突して、セシウムをビーム阻止板７０２の表面に打ち込むものもある。図１７Ｂにおいて、その後のＣｓ＋イオンのビーム阻止板７０２への衝突は、打ち込まれたＣｓを中性原子としてスパッタし、これがドリフトして高温のイオン化器へと戻ってくる。図１７Ｃにおいて、再イオン化されたＣｓ＋イオンは、ビーム阻止部開口７０２Ａを通って加速される。当初生成されたＣｓ＋イオンビームのかなりの部分は広がって、（例えばモリブデンの）ビーム阻止板７０２に当たるが、ビーム阻止板７０２は、特にこの広がるビームを妨害するとともに、下流側にあるレンズ素子（図示せず）を保護するように配置されている。これらの衝突イオンは、ビーム阻止板７０２から、加速されてイオン源７００へと戻ることが可能な陰イオンをスパッタした結果、イオン源７００の表面からの陽イオンのスパッタを生じさせる。ビーム阻止部の金属の電子親和力が低いので、この影響は恐らく小さく、よって陰イオン収率は低い。より顕著な影響は、打ち込まれたセシウムが再スパッタされることである。定常状態では、衝突イオンごとに１つのセシウムがスパッタされる。セシウムがビーム阻止板７０２の表面内に堆積することに起因して、再スパッタされたセシウムのイオン化確率は低く、５０％以下である。再スパッタされたＣｓ＋イオンは正バイアスがかかったイオン化器へは戻れないが、中性のセシウム原子は容易にイオン化器へ戻ることができる。（図１７Ｂに示されている）スパッタされたセシウムの中性流束の一部は、高温のイオン源７００の前面に再衝突可能であり、ここではほぼ１００％の効率でイオン化されることになる。これが、カラムを下方へと移動させてイオンレンズによって集束可能な（図１７Ｃに示されている）Ｃｓ＋イオンのゴーストビームを生成する。加速電界と、電界の抽出板７０１内の透過との影響は、ゴーストビームが、イオン化器の面の後ろにある虚物体面から来ているように現れるようにすることである。このビームは、試料では焦点が外れることになり、検出は難しいかもしれないが、主要ビームが衝突する小さな領域を越えてイオンを生成可能である、弱いハローを生成してしまい、誤った結果を生み出すこともある。上述の説明は、全てのイオン化器の形状にあてはまる。カメカ社の工場製イオン源における平坦面と凸面との組み合わせは、元となる点の異なる見かけの点と集光特性とを有する、いくつかのゴーストビームを生成し得る。

出願人は、二次イオン質量分析計のための一次イオン源におけるゴーストビームを低減または排除する３つの手法を開発した。第１の手法は、イオン化器表面を成形して、ゴーストイオンがビーム阻止部開口を通過するのを防ぐことを含む。第２の手法は、イオン化器にぶつかる再スパッタされたセシウム原子の生成を最少化するように、ビーム阻止部を成形することを含む。第３の手法は、再スパッタされたセシウムが衝突する領域がこれらの再スパッタされたセシウム原子の再イオン化を生じさせないように、イオン化器表面の化学的性質と温度とを調整することを含む。ある実施形態において、上記の手法は、別々に用いても、組み合わせて用いてもよい。

図１８Ａは、抽出板７１１及びビーム阻止板７１２の連続して配置されたオリフィス７１１Ａ，７１２Ｂを通ってセシウムイオンを送出するように構成された、イオン化器開口７０９を含んでいるテーパー形状の（例えば円錐形または円錐台形）表面７１０を含む遠位端を有するイオン源７００の先端部の概略断面図である。図１８Ａは、イオン化器の前面７１０を３０度のテーパー形状にする効果のイオン光学シミュレーションを含んでいる。テーパー形状面７１０上で生成されたイオンは、始めは離脱する面の法線方向に加速されるので、このテーパー形状面７１０からのイオンは（図１８Ａにあるように、円錐の先端部の間近で生成されたイオンであっても）、テーパー形状面７１０の角度が十分に大きい場合はビーム阻止板のオリフィス７１２Ｂを通過できない。ビーム阻止板のオリフィス７１２Ｂは、一次イオン源７００に近位の前縁７１３−１は直径が小さくなり、そして一次イオン源７００から遠位の後縁７１３−２は直径が大きくなる、可変の直径を有している。ある実施形態において、ビーム阻止板のオリフィス７１２Ｂは、断面形状が円錐台形である。イオン源７００のテーパー形状面７１０がテーパー形状（例えば円錐形または円錐台形）であると、テーパー形状面７１０から発するスパッタ堆積されたＣｓイオンが抽出板７１１及びビーム阻止板７１２の連続して配置されているオリフィス７１１Ａ，７１２Ｂを通過する能力が低減または排除される。テーパー形状面７１０に近い線７１９は、再スパッタされたＣｓから生成されたイオンを含む、イオン源７００から発するＣｓイオンの電位方向の接線である。ある実施形態において、円錐面または円錐台形面７１０は、６〜４５度の範囲、または１０〜４０度の範囲、または１５〜３５度の範囲、または２０〜３０度の範囲にある、円錐の半角の余角を備えている。このような角度の範囲は、本明細書に開示されている円錐面または円錐台形面にも当てはまる。

図１８Ｂは、一実施形態に係る変形したビーム阻止板７２２の断面図であり、ビーム阻止板７２２は、上流側のイオン化器（例えば図１８Ａに示されているような一次イオン源）の近似側に位置するように配置されている円錐台形延長部７２４を含んでいる。ビーム阻止板７２２は、円錐台形延長部７４４に位置合わせされた開口７２２Ｂを含み、開口７２２Ｂは、上流側の一次イオン源に近位の前縁７２３−１は直径が小さくなり、そして上流側の一次イオン源から遠位の後縁７２３−２は直径が大きくなる、可変の直径を有している。円錐台形延長部７２４は、イオン化器開口から広がるセシウムイオンが視射角で延長部表面７２４Ａに確実に当たることになるように設計されている。これらの視射角では、衝突セシウムイオンの大多数は、開口７２２Ｂに近位のビーム阻止板７２２内へは打ち込まれることにならず、むしろ、前方や外側へ散乱して、最終的には、再スパッタされたいずれのセシウムにとっても離れすぎている点で、ビーム阻止部材料の上または内部で停止し、上流側の一次イオン源の表面へと戻ることになる。最初の衝撃でビーム阻止部材料内に打ち込まれるいずれのセシウムも、前方方向に再スパッタされる確率が高く、再スパッタされたいずれのセシウムにとっても離れすぎている点で、ビーム阻止部材料の上または内部で停止し上流側の一次イオン源の表面へと戻る。さらに、最初に衝突されたビーム阻止板７２２の延長部表面７２４Ａ内に打ち込まれたセシウムの濃度が低いので、衝突された面では仕事関数の低下が最小になることになる。この高仕事関数を有する面から再スパッタされたいずれのセシウムも、大部分がセシウム陽イオンとして表面を離れることになるが、これらは、正にバイアスされた上流側の一次イオン源に戻ることはできない。

上述の図１８Ａ〜１８Ｂの説明から分かるように、以下のパラメータのうちのいくつか、または全ては、イオン化器開口から直接発するセシウムイオン以外のセシウムイオンが、ビーム阻止板のオリフィスを通過することを防ぐように選定されてもよい。パラメータとは、（ａ）イオン化器の遠位端部分の形状、（ｂ）イオン化器の遠位端部分の材料、及び（ｃ）ビーム阻止板のオリフィスの寸法及び形状、である。

イオン化管の円錐面または円錐台形面を有する遠位端を含むイオン化器サブアセンブリは、図１３Ａ，１５，１６に図示されていた。ある実施形態において、グラファイト毛細管挿入物は、イオン化器開口の近位に円錐面または円錐台形面を含んでもよい。

図１９は、一実施形態に係るイオン化部を図示し、イオン化部は、ネジ込みキャップ７６０で留められている（例えばグラファイトまたはグラファイト含有材料を含む）毛細管挿入物７５０を含み、毛細管挿入物７５０は、外側に突出している錐面７５１を含み、イオン化器開口７５９を画定している、遠位端を有していて、錐面７５１は、中央部７６１内で画定されたオリフィス７６４を貫通し、ネジ込みキャップ７６０の遠位端に沿って延在している。毛細管挿入物（またはプラグ）７５０は、遠位端（錐面）７５１と近位端７５２とを含んでいる。毛細管挿入物７５０はさらに、イオン化管７４５の端部に当接するように配置された段部７５７を含み、イオン化管７４５の端部は、キャップ７６０のネジ山７６５と協働するように配置された雄ネジ７４７を含んでいる。毛細管挿入物７５０は、イオン化管７４５の流路７４６と狭いイオン化器開口７５９との間に介在された広流路部７５８を含んでいる。キャップ７６０は、近位端部分７６２と、外向き傾斜縁部７６６とを含んでいる。キャップ７６０のオリフィス７６４は、イオン化器開口７５９に位置合わせされており、毛細管挿入物７５０を収容する空洞を含んでいる。ある実施形態において、イオン化管７４５及びキャップ７６０は、少なくとも１つの金属（例えばモリブデンまたはタングステン）を含み、毛細管挿入物７５０は、グラファイトを含んでいる。ある実施形態において、錐面７５１は、形状が円錐台形であってもよい。錐面７５１上に存在するいかなるセシウムイオンも面７５１の法線方向に加速されることになるので、外側に突出している円錐面または円錐台形面が十分な角度（例えば、６〜４５度の範囲、または１０〜４０度の範囲、または１５〜３５度の範囲、または２０〜３０度の範囲にある、円錐の半角の余角）で存在していると、このような面からイオン化されたいかなるセシウムイオンも（図１８Ａ〜１８Ｂに示されているような）ビーム阻止部開口を通って送出されることになる可能性が低減されることになる。

円錐形または円錐台形のイオン化器表面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースの存在を含む、さらなる実施形態を説明する前に、イオン化温度の調整及び制御を行うイオン化器表面材料の効果を紹介する。

図２０は、加熱表面から気化しているセシウムイオン分率（α）の温度関数としてのプロットである。イオン分率のピークは１に近い。グラファイト及びタングステンの双方は、清浄表面では４．５ｅＶ程度の電子の仕事関数（電子の脱出に対するポテンシャル障壁）を有しており、これはセシウムのイオン化ポテンシャル（３．９ｅＶ）よりも高い。よって、いずれの温度でも、セシウムがこれらの清浄で仕事関数が高い表面から陽イオンとして気化することは、エネルギー的により起こりやすい。セシウムは陽イオンとして吸着される。吸収されたセシウムイオンは表面から遠ざかるので、原子内の空の価電子準位のエネルギーは降下するが、金属内ではフェルミ準位を下回ることはなく、金属からの電子が障壁を通り抜けてセシウムイオン内に入ることによって電気的に中和する可能性はない。本来なら清浄であるはずの表面から気化するセシウムの場合、図２０における曲線は、全温度で平坦になるはずである（より正確には、中性としての気化は温度が高いほどより確実に起こる活性化プロセスであるので、温度が高くなるほど温度とともにわずかに下がっていくはずである）。このカーブにおける急な始まりの理由は、所与のセシウムの表面への流束の場合、イオンと中性原子のどちらかとそれ以外のものが表面上で蓄積するので、低温ではセシウムは十分に早く気化しないからである。これが仕事関数を急激に低下させ（単層の約１０〜２０％のセシウム被覆率での最小仕事関数は１．５ｅＶという低値であり、これはセシウムイオン化ポテンシャルよりも大幅に低い）、これにより、イオンの放出が、表面からの電子トンネル効果に起因して抑えられる。所与のセシウムの表面への流束の場合、温度は、仕事関数が３．９ｅＶよりも低くならない程度の十分に低いレベルにおいてセシウム被覆率を維持するのに十分に高くなければならない。タングステン表面の場合、イオン化の急激な始まりが起こるのは、１２００°Ｃ程度であり、清浄表面の仕事関数が存在するのに十分に低くセシウム被覆率が低下した場合である。出願人は、本明細書に開示されているグラファイトイオン化器が、タングステンイオン化器よりも低い温度（加熱電流により推定）、恐らく９００°Ｃという低さで動作することを観測した。これは、セシウムの炭素上での吸着熱がタングステン上よりも大幅に低いためであると考えられているので、タングステンイオン化器の表面をセシウムがない状態に保つためには非常に高い温度が必要である。この効果により、炭素上でイオン化を生じるには十分であるが、タングステン（または、タングステンと同様の挙動をすると考えられているモリブデン）から感知できるほどのイオン化を生じるには低すぎる温度で動作することによって、イオン化器の金属要素でのゴーストビームの形成を抑える手段を提供する。図２１は、加熱グラファイト（Ｃ）表面及びタングステン（Ｗ）表面から気化しているセシウムイオン分率の温度関数としての重ね合わせたプロットを含み、好ましくは２本の縦実線によって境界を示された、好適な使用可能温度「窓」を特定している。グラファイトのＴ_０値は９００°Ｃ程度であると推定される。

イオン化温度の調整及び制御を行うイオン化器表面材料に関する上述の説明を考慮に入れて、ある実施形態において、耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースは、円錐形または円錐台形を有することが好ましいグラファイトイオン化器表面の少なくとも一部分上に配置されていてもよい。グラファイトイオン化器の表面を９００°Ｃ程度に加熱することは、セシウムイオンをイオン化するには十分であるが、この程度の温度は、いずれの耐熱性金属（例えばタングステンまたはモリブデン）の表面上に存在しているセシウムをイオン化するのに足りるほど高くはない。

図２２は、図１９のイオン化部に類似するイオン化部の概略断面図であり、さらに、毛細管挿入物７５０の遠位端の錐面７５１の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜７６９を含んでいる。図２２の他の全ての要素は、図１９とともに説明された要素と同一であるので、簡潔にするために、このような要素のさらなる説明は省略する。耐熱性金属被膜は、スパッタリングまたは他の任意の適切な技術によって、錐面７５１上に堆積されてもよい。ある実施形態において、錐面７５１は、形状が円錐台形であってもよい。ある実施形態において、錐面７５１のほぼ全ての外側に面する（例えば露出している）部分は、耐熱性金属（例えばタングステン及び／またはモリブデン）で被膜されている。ある実施形態において、塗布された金属被膜７６９は、毛細管挿入物のグラファイトと反応して金属炭化物を形成してもよい。ある実施形態において、塗布された金属被膜７６９は、毛細管挿入物７５０の円錐形（または円錐台形）表面７５１の８０％、９０％、または９５％を超えて覆っている。

図２３は、図１９のイオン化部に類似するイオン化部の概略断面図であるが、キャップ８６０は、毛細管挿入物８５０の遠位端の外側に突出している錐面８５１の少なくとも一部分上に耐熱性金属シースを形成するように配置された先細遠位端８６６を含んでいる。毛細管挿入物８５０は、イオン化器開口８５９を画定し、錐面８５１は、中央部８６８内で画定されたオリフィス８６４を貫通し、ネジ込みキャップ８６０の遠位端に沿って延在している。毛細管挿入物（またはプラグ）８５０は、遠位端（錐面）８５１と近位端８５２とを含んでいる。毛細管挿入物８５０はさらに、イオン化管８４５の端部に当接するように配置された段部８５７を含み、イオン化管８４５の端部は、キャップ８６０のネジ山８６５と協働するように配置された雄ネジ８４７を含んでいる。毛細管挿入物８５０は、近位端部分８６２を含み、イオン化管８４５の流路８４６と狭いイオン化器開口８５９との間に介在された広流路部８５８を含んでいる。キャップ８６０のオリフィス８６４は、イオン化器開口８５９に位置合わせされており、毛細管挿入物８５０を収容する空洞を含んでいる。ある実施形態において、イオン化管８４５及びキャップ８６０は、少なくとも１つの耐熱性金属（例えばモリブデンまたはタングステン）を含み、毛細管挿入物８５０は、グラファイトを含んでいる。ある実施形態において、錐面８５１は、形状が円錐台形であってもよい。ある実施形態において、キャップ８６０は、毛細管挿入物８５０の円錐形（または円錐台形）表面８５１の８０％、９０％、または９５％を超えて覆っている。

ある実施形態は、使い捨ての管状グラファイトガスケットを用いた新規の貯留部封止システムを含む、二次イオン質量分析計とともに使用するように配置された、改良された一次イオン源を対象にしている。本明細書にて上述したように、工場製イオン源の貯留部の封止は、（貯留部の境界をなす）２つの成形されたモリブデン面を押し込んで、ネジキャップを施すことによって互いに接触させるスエージ設計を用いて行われている。モリブデンといった相当の超硬金属を用いた封止を実現するために必要なトルクはかなり高く、封止と金属の割れの防止との間の均衡をとるためには、トルクパラメータを慎重に制御しなければならない。モリブデンは貯留部の温度では脆化し、また、接合箇所に再びトルクをかけると割れが生じるので、イオン源本体は再利用できない。貯留部の金属部分を封止することに関する難点を克服するために、優れた封止特性をもたらしながら低トルクでの動作を可能にするような使い捨ての管状グラファイトガスケットが開発されてきた。

図２４Ａは、一実施形態に係る一次イオン源の概略断面図であり、金属貯留部本体９３３と金属貯留台部９４１との間に配置された可変直径を有する使い捨てグラファイト管ガスケット９１０を含んでいる。貯留部本体９３３は、貯留部空洞９３８の境界をなす側壁９３７の雄ネジ面９３６を含み、搭載柱９３２は貯留部本体９３３に取り付けられている。イオン化管９４５は、通路９４６を画定し、イオン化管９４５の遠位端は、加熱イオン化部９５１に接続され、イオン化管９４５の近位部９４５Ａは、貯留台部９４１を貫通して延在している。イオン化管９４５の遠位部９４５Ａは、貯留台部９４１の側壁９４４と組み合わさって、貯留部本体９３３内で画定された貯留部空洞９３８に露出するように配置された環状凹部９４８の境界をなしている。封止ナット９７０は、中央部９７１を含み、雄ネジ面９３６を係合させるように配置された雌ネジ面９７７を含んでいる。グラファイト管ガスケット９１０は、貯留部本体９３３の内側及び貯留台部９４１の内部で、側壁９３７，９４４の近位に配置されている。ある実施形態において、グラファイト管ガスケット９１０は、（例えば、好ましくは１〜５度の範囲、より好ましくは２〜３度の範囲のテーパー角を有する）両側テーパー形状の外面を有し、ガスケット９１０の両端部の近位では外径が小さくなり、そして、両端部の間の中間点で外径が大きくなっている。図２４Ｂは、可変直径のグラファイト管ガスケット９１０の概略断面図であり、中間点にある最大外径と、両端９１１，９１２に沿った最小外径とを、理解しやすいように直径の変化量を誇張して描いている。管ガスケット９１０は、第１テーパー形状面９１５と第２テーパー形状面９１６を含んでいる。両側テーパー形状のグラファイト管ガスケット９１０の外面は、締まりばめが行えるように寸法が定められているので、各テーパー形状面９１５，９１６の一部分のみがそれぞれの貯留台部９４１または貯留部本体９３３内へと容易に挿入可能であるが、その後に完全に押し込まなければならず、これにより金属貯留台部９４１と貯留部本体９３３とがグラファイト管ガスケットのテーパー形状面９１５，９１６へと食い込んで、封止を実現することができる。ある実施形態において、グラファイト管ガスケットは、（図２４Ｂに示すような）内部凹部９１８を画定する一定の内径を含んでいる。ある実施形態において、グラファイト管ガスケットは、（図２４Ｂに示すような）内部凹部９１８を画定している一定の内径を含んでいる。

図２４Ｃは、組み立て工程中の図２４Ａの一次イオン源の各部分の概略断面図である。組み立て中、ある実施形態において、まず、貯留部キャップ９３７内へとすきま嵌めされている円筒形テフロンスタブ９９０を用いて、グラファイト管ガスケット９１０を貯留部本体９３３へと押し込み、雄ネジ面９３６上にねじ止めされている特別に長い仮の封止ナット９８０を用いて、グラファイト管ガスケット９１０の端部に対して力をかけることで、グラファイト管ガスケット９１０の一部分を貯留台部９４１の内部に押し入れる。次に、貯留部本体９３３を片寄せしてテフロンスタブ９９０を取り外す。イオン化部９５１をイオン化管９４５に組み立てて取り付けた後、グラファイト管ガスケット９１０を内部に挿入した状態の貯留部本体９３３に、脱気した乾燥炭酸セシウムを装填する。その後、特別に長い仮の封止ナット９８０を再び用いて、貯留部本体９３３をグラファイト管ガスケット９１０の突出部に押し付ける。グラファイト管ガスケット９１０を貯留台部９４１の環状凹部９４８内へと十分に押し込んだら、特別に長い封止ナットを取り外し、最終の封止ナット９７０に取り換えて、グラファイト管ガスケット９１０が両端９１１，９１２とも底に達するまで、組立体を締めることによって、図２４Ａの組立体が得られる。グラファイト管ガスケット９１０の表面９１５，９１６がわずかにテーパー形状であり、かつ、グラファイトが柔軟で潤滑性があるために、封止を実現するには少量の力しか必要ない。好ましくは、長さが約４インチの２つの小さなレンチで手締めすることで十分である。グラファイト管ガスケット９１０は、イオン化部９５１のグラファイト毛細管挿入物とともに使い捨てであるが、図２４Ａのイオン源の残りの金属部分は再利用されてもよい。

添付の図面に鑑みて以下に続く説明を読むと、当業者であれば本開示の概念を理解し、本明細書では特に取り扱われてはいないこれらの概念の用途を認識するであろう。当業者であれば、本開示の好適な実施形態への改良や変形を認識するであろう。このような改良や変形は全て、本明細書に開示された概念や以下に続く請求項の範囲内であるとみなされる。

Claims (11)

1. 二次イオン質量分析計にイオンを供給するように構成された一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記一次イオン源サブアセンブリは、イオン化管と貯留台部とを備え、
   前記貯留台部は、貯留部本体とつながれることで、セシウム塩を収容するように構成された貯留部を囲むように構成され、前記貯留部本体は内部の空洞を画定し、
   前記イオン化管は、前記一次イオン源サブアセンブリを通る前記セシウム塩より生成されたセシウム含有蒸気の移動経路における前記貯留台部の下流に配置され、
   前記イオン化管は、前記貯留台部の近位にある近位端と、前記貯留台部の遠位にある遠位端とを含み、
   前記イオン化管は、内部通路を画定し、
   前記イオン化管の前記遠位端は、外側に突出している円錐部または円錐台形部を含み、前記内部通路の平均直径と比較して小さい直径を有するイオン化器開口を画定し、
   前記イオン化管と前記貯留台部とは一体であり、連続するグラファイトまたはグラファイト含有の本体材料で形成されている、一次イオン源サブアセンブリ。
2. 二次イオン質量分析計にイオンを供給するように構成された一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記一次イオン源サブアセンブリは、
   貯留部本体とつながれることで、セシウム塩を収容するように構成された貯留部を囲むように構成された貯留台部であって、前記貯留部本体は内部の空洞を画定する、貯留台部と、
   内部通路を画定し、前記貯留部から、前記セシウム塩より生成されたセシウム含有蒸気を受けるように構成されたイオン化管と、
   円錐面または円錐台形面を画定し、前記イオン化管の遠位端に配置される、外側に突出している円錐部または円錐台形部であって、イオン化器開口が、前記円錐面または円錐台形面の中心軸を貫通して延在し、該イオン化器開口が、前記イオン化管の前記内部通路から前記セシウム含有蒸気を受けるように配置されている、円錐部または円錐台形部と、
   を備え、
   前記イオン化管、前記貯留台部、及び前記円錐部または円錐台形部は、一体であり、連続するグラファイトまたはグラファイト含有の本体材料で形成されている、一次イオン源サブアセンブリ。
3. 請求項１または２に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記貯留台部及び前記イオン化管の第１の近位部分は、組み合わさって、前記貯留部本体の前記内部の空洞に露出するように配置された第１環状凹部を画定し、前記イオン化管の第２の遠位部分は、前記貯留台部から前記遠位端に向かって外側に延在している、一次イオン源サブアセンブリ。
4. 請求項１または２に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記貯留台部は、前記貯留部本体の雌ネジ面と係合するように構成された雄ネジ面を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
5. 請求項１または２に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記貯留台部は、（ｉ）前記貯留部本体の外縁部と（ｉｉ）前記貯留部本体の外縁部分と螺合するように配置された封止キャップとの間で圧縮可能に受容されるように配置された、径方向に延在するリップ部を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
6. 請求項１または２に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記貯留台部は、前記イオン化管に最も近い端部における、前記貯留部本体の内径よりも大きい最大直径値から、前記イオン化管から最も離れている端部における、前記貯留部本体の内径よりも小さい縮小した直径値まで、位置に応じて変化する外径を有するテーパー形状の円筒面を備え、
   前記一次イオン源サブアセンブリは、さらに、前記貯留部本体の一部分と螺合するように、かつ、前記テーパー形状の円筒面を前記貯留部本体へと押し込むように配置された封止キャップとを備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
7. 請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記外側に突出している円錐部または円錐台形部は、４度から４５度の範囲の円錐の半角の余角を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
8. 請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記外側に突出している円錐部または円錐台形部は、約６度の円錐の半角の余角を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
9. 請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
   前記イオン化器開口は、約１２５μｍ以下の直径を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
10. 請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
    前記イオン化器開口は、約５０μｍ以下の直径を備えている、一次イオン源サブアセンブリ。
11. 請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の一次イオン源サブアセンブリであって、
    前記外側に突出している円錐部または円錐台形部の外面の少なくとも一部分上に配置された耐熱性金属被膜または耐熱性金属シースをさらに備えている、一次イオン源サブアセンブリ。

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