JP6959882B2

JP6959882B2 - イオン検出器

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Publication number: JP6959882B2
Application number: JP2018029757A
Authority: JP
Inventors: 浩之小林; 剛志遠藤; 裕樹守屋; 俊成望月
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP2019145390A; CN110189976A; US10998176B2; US20190259594A1; CN110189976B

Description

本発明は、電子増倍機構を備えた、マルチモードのイオン検出器に関するものである。

従来からＩＣＰ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ： Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）等の技術分野では、イオン検出器が利用されてきた。特に、微量イオンの検出に適用されるイオン検出器は、荷電粒子であるイオンの検出量を電気信号として検出するため、イオン入射に応答して二次電子を発生させ、発生した二次電子を検出可能なレベルまでカスケード増倍することでイオン量に応じた電気信号が生成される電子増倍機構を備える。なお、ＩＣＰ−ＭＳ装置には、イオン検出において９桁を超える広いダイナミックレンジが実現できるため、二次電子をカスケード増倍する電子増倍機構の任意の箇所から二次電子を取り出すための複数の出力ポートが設けられる（マルチモード出力）。

このようなマルチモードのイオン検出器としては、例えば、特許文献１に、電子増倍機構が２０段以上のダイノードにより構成され、該電子増倍機構の異なる位置に２つの出力ポートが設けられたデュアルモードのイオン検出器が開示されている。

特許文献１に開示されたデュアルモードのイオン検出器の２つの出力ポートのうち、電子増倍率が低い段階で電気信号を取り出す出力ポートはアナログポート（以下、「アナログモード出力端子」と記し、係る出力端子からの信号出力を「アナログモード出力」と記す）と呼ばれる。一方、更に電子増倍された後に電子信号を取り出す出力ポートはカウンティングポート（以下、「カウンティングモード出力端子」と記し、係る出力端子からの信号出力を「カウンティングモード出力」と記す）と呼ばれる。すなわち、デュアルモードのイオン検出器は、２つの電子増倍率の異なるモードの出力端子の何れかを択一的に利用することにより、検出すべきイオンの量に応じて信号出力モードを切り替えることが可能なイオン検出器である。

具体的に、特許文献１に示されたデュアルモードのイオン検出器において、アナログモード出力は、イオンの量が多い場合の信号出力であって、電子増倍率を低く抑えるために多段構成のダイノードのうち中間に位置するダイノード（以下、「中間ダイノード」と記す）に到達する二次電子の一部が隣接するアノード電極で捕獲される。一方、カウンティングモード出力は、イオンの量が少ない場合の信号出力であって、十分な電子増倍率を確保するために最終段ダイノードから出力される二次電子がアノード電極で捕獲される。

米国特許第５４６３２１９号公報

発明者らは、従来のイオン検出器、特に電子増倍機構を有するデュアルモードのイオン検出器について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、上記特許文献１に示されたデュアルモードのイオン検出器では、アナログモード出力用の中間ダイノードから最終段ダイノードの間に、カウンティングモード出力に十分な電子増倍率を確保するため、相当数のダイノードが用意される。しかしながら、初段ダイノードから中間ダイノードまでの前段部分における電子衝突と比較して、中間ダイノードから最終段ダイノードまでの後段部分における電子衝突が著しく多くなる。通常、デュアルモードのイオン検出器の電子増倍機構を構成するダイノードの段数は、一般的な電子増倍管に適用されるダイノードの段数の２倍以上（２０段以上）になる。そのため、後段部分のダイノード表面には、電子衝突に伴い大量のカーボンが付着してしまう（Carbon contamination）。このような構造上の特徴から、後段部分の電子増倍率の低下速度は、前段部分の電子増倍率の低下加速よりも早くなる（アナログモード出力の有効動作期間よりもカウンティングモード出力の有効動作期間が短くなる）。

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、電子増倍機構の経時劣化を効果的に抑制するための構造を備えたマルチモードのイオン検出器を提供することを目的としている。

本実施形態に係るイオン検出器は、複数の出力ポートを介してアナログモード出力、カウンティングモード出力などのマルチモード動作を可能にする構造を備えるとともに、電子増倍機構の経時劣化が効果的に抑制可能な構造を備える。具体的に、当該イオン検出器は、イオン入射部と、コンバージョンダイノードと、ダイノードユニットと、第１電子検出部と、第２電子検出部と、ゲート部と、を備える。イオン入射部は、荷電粒子であるイオンを当該イオン検出器内に取り込む。コンバージョンダイノードは、イオン入射部を介して取り込まれたイオンが到達する位置に配置され、イオンの入射に応答して二次電子を放出する。ダイノードユニットは、コンバージョンダイノードから放出された二次電子をカスケード増倍するため、所定の電子増倍方向に沿って配置された複数段のダイノードで構成される。なお、少なくとも、コンバージョンダイノードおよびダイノードユニットにより当該イオン検出器の電子増倍機構が構成される。第１電子検出部は、電子増倍機能を有する半導体検出器を含み、該半導体検出器が、ダイノードユニットに含まれる最終段ダイノードから放出された二次電子が到達する位置に配置される。第２電子検出部は、ダイノードユニットを構成するダイノードのうち最終段ダイノード以外の何れかの中間ダイノードに到達する二次電子の一部を捕獲するための電極を含む。ゲート部は、ダイノードユニットの一部を構成する少なくとも１つのダイノード、例えば最終段ダイノードを、ゲート電極として含む。なお、ゲート部は、ゲート電極の設定電位を任意のタイミングで変更することにより、中間ダイノードから半導体検出器へ向かう二次電子の通過と遮断の切り替えを制御する。

なお、本発明に係る各実施形態は、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、本発明を限定するものと考えるべきではない。

また、本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形態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、本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。

本発明によれば、複数段のダイノードで構成された電子増倍機構のうち後段部分の少なくとも一部を、電子増倍機能を有する半導体検出器に替えたことにより、当該電子増倍機構の経時劣化が効果的に抑制される。特に、マルチモードのイオン検出器において、電子増倍機構のうちカウンティングモード出力に寄与する部分における電子増倍率の低下（経時劣化）が改善される。

本実施形態に係るイオン検出器における主要部位の代表的な構成例を示す断面図である。本実施形態に係るイオン検出器のゲート機能を説明するための図である。本実施形態に係るイオン検出器と比較例に係るイオン検出器の時間特性として、それぞれのカウンティングモード出力の波形を示すグラフである。本実施形態に係るイオン検出器におけるベース部の代表的な構造を説明するための組み立て工程図である。本実施形態に係るイオン検出器の代表的な構成例を説明するための組み立て工程図である。図４および図５に示された工程を経て得られたイオン検出器の構造を説明するための斜視図および断面図である。本実施形態に係るイオン検出器におけるベース部（特に第１支持基板）の他の構造例を示す斜視図および該ベース部が適用されたイオン検出器の断面図である。本実施形態に適用可能な第２電子検出部（アナログモード出力）における種々の電極構造の例を示す図である。本実施形態に係るイオン検出器の種々の変形例を示す断面図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

（１）本実施形態に係るイオン検出器は、複数の出力ポートを介してアナログモード出力、カウンティングモード出力などのマルチモード動作を可能にする構造を備えるとともに、電子増倍機構の経時劣化が効果的に抑制可能な構造を備える。特に、本実施形態の一態様として、当該イオン検出器は、イオン入射部と、コンバージョンダイノードと、ダイノードユニットと、第１電子検出部と、第２電子検出部と、ゲート部と、を備える。イオン入射部は、荷電粒子であるイオンを当該イオン検出器内に取り込む。コンバージョンダイノードは、イオン入射部を介して取り込まれたイオンが到達する位置に配置され、イオンの入射に応答して二次電子を放出する。ダイノードユニットは、コンバージョンダイノードから放出された二次電子をカスケード増倍するため、所定の電子増倍方向に沿って配置された複数段のダイノードで構成される。なお、少なくとも、コンバージョンダイノードおよびダイノードユニットにより当該イオン検出器の電子増倍機構が構成される。第１電子検出部は、電子増倍機能を有する半導体検出器を含み、該半導体検出器が、ダイノードユニットに含まれる最終段ダイノードから放出された二次電子が到達する位置に配置される。第２電子検出部は、ダイノードユニットを構成するダイノードのうち最終段ダイノード以外の何れかの中間ダイノードに到達する二次電子の一部を捕獲するための電極を含む。ゲート部は、ダイノードユニットの一部を構成する少なくとも１つのダイノード、例えば最終段ダイノードを、ゲート電極として含む。なお、ゲート部は、ゲート電極の設定電位を任意のタイミングで変更することにより、中間ダイノードから半導体検出器へ向かう二次電子の通過と遮断の切り替えを制御する。

上述のように、本実施形態では、中間ダイノードから半導体検出器へ向かう二次電子の伝搬経路上に位置する少なくとも１つのケート電極を含むゲート部が設けられている。このゲート部により半導体検出器へ向かう二次電子が確実に遮蔽されるため、本実施形態では、アナログモード出力端子から確実に信号出力が得られるとともに、半導体検出器の劣化が効果的に抑制される。

（２）本実施形態の一態様として、第２電子検出部の電極は、中間ダイノードに隣接して配置されてもよい。また、本実施形態の一態様として、中間ダイノードは、中間ダイノードに到達する二次電子の一部を通過させるための開口を有するのが好ましい。一方、本実施形態の一態様として、第２電子検出部の電極は、中間ダイノードを含む構成であってもよい。

（３）本実施形態の一態様として、コンバージョンダイノードから中間ダイノードまでの電子増倍率は、中間ダイノードから最終段ダイノードまでの電子増倍率よりも大きいのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、コンバージョンダイノードから中間ダイノードへ向かう二次電子の軌道上に配置されたダイノードの段数は、中間ダイノードから最終段ダイノードへ向かう二次電子の軌道上に配置されたダイノードの段数よりも多いのが好ましい。本実施形態では、従来のダイノードユニットにおける電子増倍機能の一部がＡＤ１５０により実現される。そのため、コンバージョンダイノード１２０から中間ダイノードＤＹ１１までの前段部分（アナログモード出力）と、中間ダイノードＤＹ１１から最終段ダイノードＤＹ１５までの後段部分（カウンティングモード出力）で電子増倍能力が異なる。この場合、二次電子を捕獲する電極または入射部位までの、該二次電子の到達時間のバラツキに起因する出す力信号の時間的な広がりが抑制され、イオン検出器としての時間特性の向上が顕著になる。

（４）本実施形態の一態様として、当該イオン検出器は、最終段ダイノードから半導体検出器へ向かう二次電子の軌道上に配置されたフォーカス電極を備えてもよい。該フォーカス電極は、最終段ダイノードから放出された二次電子を通過させるための開口を有する。

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係るイオン検出器の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａにおける主要部位の代表的な構成例を示す断面図である。また、図２は、図１に示された第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａのゲート機能を説明するための図である。特に、図２（ａ）は、ゲート部２４０を含むブリーダ回路２３０の構成を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）中の領域Ａで示された部分、特にアノード電極１７０の他の構造を示し、図２（ｃ）は、ゲート機能を実現するための各電極の電位設定の一例を示すグラフである。

図１に示されたように、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａは、イオン入射部１１０、コンバージョンダイノード１２０、複数段のダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５により構成されたダイノードユニット１３０、フォーカス電極１４０、および第１電子検出部に含まれる半導体検出器としてのアバランシェダイオード（以下、「ＡＤ」と記す）１５０を備える。なお、ＡＤ１５０は、電子入射面１５１に到達した二次電子を増倍する機能を有する半導体デバイスである。更に、当該イオン検出器１００Ａは、第２電子検出部７００（図５参照）の一部を構成するアノード電極１７０を備える。第１電子検出部のＡＤ１５０からは、該ＡＤ１５０により電子増倍された電子が、カップリングコンデンサを介して電気信号として出力される（カウンティングモード出力）。また、第２電子検出部７００のアノード電極１７０からは、該アノード電極１７０により捕獲された二次電子が電気信号として出力される（アナログモード出力）。

イオン入射部１１０は、荷電粒子であるイオンを当該イオン検出器１００Ａの内部に取り込むための入射口１１０Ａと、取り込まれたイオンをコンバージョンダイノード１２０に導くための出射口１１０Ｂを備える。これら入射口１１０Ａと出射口１１０Ｂの相対位置が調整されることにより、コンバージョンダイノード１２０へ向かうイオンの軌道が制御される（イオン入射部１１０のイオン軌道制御機能）。コンバージョンダイノード１２０は、イオン入射部１１０により軌道制御されたイオンの入射に応答して二次電子を当該イオン検出器１００Ａ内に放出するよう機能する電極である。ダイノードユニット１３０は、所定の電子増倍方向ＡＸ１に沿ってそれぞれ配置された複数段のダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５により構成されている。すなわち、コンバージョンダイノード１２０から放出された二次電子は、第１段目のダイノードＤＹ１に入射した後、該ダイノードＤＹ１から最終段ダイノードＤＹ１５に向かってカスケード増倍される。フォーカス電極１４０は、最終段ダイノードＤＹ１５から放出された二次電子を、ＡＤ１５０の電子入射面１５１に導くための電極であって、該二次電子を通過させるための開口１４１を有する。

アノード電極１７０は、ダイノードユニット１３０を構成するダイノードのうち第１１段目のダイノード（以下、「中間ダイノード」と記す）ＤＹ１１に隣接配置されている。また、中間ダイノードＤＹ１１には、該中間ダイノードＤＹ１１に到達した二次電子の一部をアノード電極１７０に向けて通過させるためのメッシュ構造１３２が設けられている。一方、中間ダイノードＤＹ１１以降のダイノード、すなわち、第１２段目のダイノードＤＹ１２〜最終段ダイノードＤＹ１５の電極群は、ゲート部２４０（図２（ａ）参照）の一部を構成するゲート電極として機能するゲートダイノード群１６０を構成している。なお、ゲート部２４０は、ゲート電極の設定電位を任意のタイミングで調節することにより、中間ダイノードＤＹ１１からＡＤ１５０へ向かう二次電子の通過と遮断の切り替え制御が可能であり、当該ゲート部は、ゲート電極として少なくとも１つのダイノード（実質的には少なくとも最終段ダイノードＤＹ１５）を含んでいればよい。

図１の構成例では、上述のコンバージョンダイノード１２０、ダイノードユニット１３０を構成する複数段のダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５、およびフォーカス電極１４０により電極ユニット６００（図５参照）が構成されている。また、コンバージョンダイノード１２０から第１１段目の中間ダイノードＤＹ１１までの前段部分で１〜１０^５程度の利得が得られる。ゲート部２４０に含まれるゲートダイノード群１６０（第１２段目のダイノードＤＹ１２〜最終段ダイノードＤＹ１５）は、実質的にはゲート機能を実現するためのゲート電極であるため、利得は１〜２０程度であればよい。ＡＤ１５０の利得は、５×１０^３〜１０^４程度であればよい。このように、本実施形態では、従来のダイノードユニットにおける電子増倍機能の一部がＡＤ１５０により実現されるため、コンバージョンダイノード１２０から中間ダイノードＤＹ１１までの前段部分と、第１２段目のダイノードＤＹ１２から最終段ダイノードＤＹ１５までの後段部分（ゲートダイノード群１６０）で電子増倍能力が異なる。具体的には、コンバージョンダイノード１２０を含む前段部分の電子増倍率は、後段部分の電子増倍率（ゲートダイノード群１６０の電子増倍率）よりも大きくなる。換言すれば、コンバージョンダイノード１２０を含む前段部分のダイノードの段数は、後段部分のダイノードの段数よりも多くなる。

最終段ダイノードＤＹ１５には、壁部１３１Ａが設けられており、この壁部１３１Ａが、最終段ダイノードＤＹ１５から放出される二次電子の軌道を、電子増倍方向ＡＸ１と交差する方向に修正するよう機能する。図１の構成例では、当該イオン検出器１００Ａの小型化を考慮し、壁部１３１Ａが、電子増倍方向ＡＸ１に直交する方向に沿って延びている。フォーカス電極１４０は、開口１４１の中心を通過する法線ＡＸ２が電子増倍方向ＡＸ１と直交するように配置されている。また、ＡＤ１５０も、電子入射面１５１の中心を通過する法線ＡＸ３が電子増倍方向ＡＸ１と直交するように配置されている。また、二次電子の軌道をより正確に制御するため、フォーカス電極１４０およびＡＤ１５０は、それぞれの法線ＡＸ２、ＡＸ３が電子増倍方向ＡＸ１に沿ってずれるように配置される。

コンバージョンダイノード１２０およびダイノードユニット１３０を構成するダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５の各電位は、例えば図２（ａ）に示されたブリーダ回路２３０により設定される。すなわち、コンバージョンダイノード１２０側は、Ｖ１（＜ＧＮＤ）に設定され、最終段ダイノードＤＹ１５側がＶ２（＞ＧＮＤ）に設定される。ダイノードＤＹ１〜ＤＹ１４には、直接に接続された各抵抗の電圧降下を利用して、所定の電位が設定される。なお、ゲートダイノード群１６０を構成するダイノードＤＹ１２〜ＤＹ１５の電位設定は、ゲート部２４０により行われる。図２（ａ）の例では、第１２段目のダイノードＤＹ１２の電位はＶ３（＜Ｖ２）に設定される。ゲート部２４０は、最終段ダイノードＤＹ１５の電位を電位Ｖ２と電位Ｖ３の間で切り替えるため(モード切替)、スイッチＳＷを有する。ここで、第１１段目の中間ダイノードＤＹ１１の電位は第１２段目のダイノードＤＹ１２の電位Ｖ３よりも低いため、アノード電極１７０の電位は、Ｖ３よりも高ければよい。一例として、第１２段目のダイノードＤＹ１２が接地（ＧＮＤ）されている場合、アノード電極１７０の電位は、正電位（＞ＧＮＤ）に設定される。

カウンティングモード出力の場合、コンバージョンダイノード１２０から最終段ダイノードＤＹ１５までの各電極の電位は、図２（ｃ）中のグラフＧ２１０に示されたように設定される。なお、フォーカス電極１４０の電位は、図２（ａ）に示されたブリーダ回路２３０とは別の電源により設定される。一方、カウンティングモード出力からアナログモード出力へのスイッチＳＷによるモード切替が行われると、ゲートダイノード群１６０を構成するダイノードＤＹ１２〜ＤＹ１５の電位は全てＶ３に設定される（図２（ｃ）のグラフＧ２１１Ａ）。アノード電極１７０の電位はＶ３よりも高く設定されているため、ゲート部２４０による二次電子の遮蔽機能が実現される。なお、図２（ｃ）のグラフＧ２１１Ａは、ダイノードＤＹ１２〜ＤＹ１５は共通のＶ３に設定された場合を示しているが、第１２番目のダイノードＤＹ１２がＶ３（＝ＧＮＤ）に設定され、最終段ダイノードＤＹ１５がＶ３（＜ＧＮＤ）に設定されることで、グラフＧ２１１Ｂのような電位勾配が形成されてもよい。何れの場合であっても、本実施形態は、このような二次電子の遮蔽を実現するゲート部２４０を備えることにより、アナログモード出力端子からの確実な信号出力が得られるとともに、ＡＤ１５０の劣化が効果的に抑制される。

図３は、本実施形態に係るイオン検出器と比較例に係るイオン検出器の時間特性として、それぞれのカウンティングモード出力の波形を示すグラフである。図３において、横軸は時間（ｎｓ）、縦軸は出力電圧（ａ．ｕ．）を示す。また、グラフＧ３１０は、本実施形態に係るイオン検出器１００Ａのカウンティングモード出力の波形、グラフＧ３２０は、比較例に係るイオン検出器（上記特許文献１）のカウンティングモード出力の波形を、それぞれ示す。なお、グラフＧ３１０とグラフＧ３２０は、それぞれのピーク値が一致するよう正規化されたグラフである。

比較例に係るイオン検出器において、カウンティングモード出力を得るための各電極の設定電位は、上記特許文献１の記載に従う。一方、本実施形態に係るイオン検出器１００Ａにおいて、カウンティングモード出力を得るための各電極の設定電位は、後述する範囲に収まっている。比較例では、アナログモード出力として電子増配機構のうち前段部分で増倍された二次電子を利用し、カウンティングモード出力として前段部分とそれに続く後段部分の双方で増倍された二次電子を利用する。これに対し、本実施形態に係るイオン検出器１００Ａでは、電子増倍機構のうちアナログモード出力を得るための前段部分の構造は比較例と類似しているが、比較例の後段部分（電子増倍機能）に相当する部分は、ゲート電極として機能する一部のダイノードを除き、ＡＤ１５０が担っている。このように、カウンティングモード出力を得るための電子増倍機構のうち特に後段部分の構造的な違いが、グラフＧ３１０およびグラフＧ３２０の形状の差として、図３から分かる。

すなわち、図３において、比較例の時間特性を示すグラフＧ３２０の半値全幅が８ｎｓであるの対し、本実施形態の時間特性を示すグラフＧ３１０の半値全幅は５ｎｓである。このように、カウンティングモード出力を得るための電子増倍機構の一部（ゲート電極として機能するダイノードを除いた後段部分）の電子増倍機能を、ＡＤ１５０が担う本実施形態によれば、二次電子を捕獲する電極または入射部位までの、該二次電子の到達時間のバラツキに起因する出す力信号の時間的な広がりが抑制され、イオン検出器としての時間特性の向上が顕著になる。

次に、図４および図５を参照しながら、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａの組み立て工程を説明する。なお、図４は、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａにおけるベース部５００Ａの代表的な構造を説明するための組み立て工程図である。また、図５は、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａの代表的な構成例を説明するための組み立て工程図である。

図４に示されたように、ベース部５００Ａは、電気的に絶縁された状態で互いに固定される第１支持基板５１０Ａと第２支持基板５１０Ｂを備える。第１支持基板５１０Ａは、主に、コンバージョンダイノード１２０、ダイノードユニット１３０、およびフォーカス電極１４０を含む電極ユニット６００（図５参照）が搭載される。一方、第２支持基板５１０Ｂには、ＡＤ１５０が搭載される。

第１支持基板５１０Ａは、後方部分が垂直に立ち上がった形状を有し、第２支持基板５１０Ｂと対面する位置に開口５１３が設けられている。第１支持基板５１０Ａの前方部分には、電極ユニット６００に搭載されるイオン入射部１１０を支持するための支持部５１１が設けられるとともに、電極ユニット６００の搭載位置を規定するための位置決めスリット５１２Ａが設けられている。一方、第１支持基板５１０Ａの後方部分にも、電極ユニット６００搭載位置を規定するための位置決め孔５１２Ｂが設けられている。更に、開口５１３の周辺には、第２支持基板５１０Ｂの固定位置を規定するための固定用孔５１４が形成されている。

第２支持基板５１０Ｂの上面（電極ユニット６００に保持されるフォーカス電極１４０と対面する面）には、ＡＤ１５０が搭載されるとともに、該ＡＤ１５０を取り囲むように電圧印加用の電極パッドが形成されている。第２支持基板５２０Ｂの裏面には、カップリングコンデンサ５２５の一端が接続される一方、該カップリングコンデンサ５２５の他端は、カウンティングモード出力端子（カウンティングポート）５２１に差し込まれている。また、第２支持基板５２０Ｂの周囲には、固定用孔５１４に対応して設けられた固定用孔５１５が形成されている。

固定用孔５１５の位置と固定用孔５１４の位置を一致させた状態で、第２支持基板５１０Ｂが絶縁スペーサ５３０を介して第１支持基板５１０Ａ上に置かれる。この状態で、第２支持基板５１０Ｂの上面側から、固定用孔５１５、絶縁スペーサ５３０、固定用孔５１４を貫通するようにボルト５２０が差し込まれる。そして、第１支持基板５１０Ａの裏面側から飛び出したボルト５２０の先端にナット５４０が取り付けられることにより、第１支持基板５１０Ａと第２支持基板５１０Ｂの相対位置が固定される。

上述のように、第１支持基板５１０Ａと第２支持基板５１０Ｂは絶縁スペーサ５３０を介して電気的に絶縁されているので、沿面放電の発生を効果的に抑制することが可能になる。また、第１支持基板５１０Ａに対して第２支持基板５１０Ｂは物理的に分離可能な状態で、固定されている。そのため、電子入射面１５１へのカーボン付着により、ＡＤ１５０の交換が必要になった場合に、該ＡＤ１５０の交換が容易になる。

更に、図５に示されたように、電極ユニット６００は、イオン入射部１１０、コンバージョンダイノード１２０、ダイノードユニット１３０を構成するダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５、フォーカス電極１４０、およびアノード電極１７０を含む第２電子検出部７００を一体的に把持するための一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂを備える。

一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂのうち、絶縁性支持基板６１０Ａの後方部分には、第１支持基板５１０Ａの後方部分に設けられた位置決め孔５１２Ｂに差し込まれる固定片６１１Ｂが設けられている。また、前方部分には、第１支持基板５１０Ａの後方部分に設けられた位置決めスリット５１２Ａに差し込まれる固定片６１１Ａと、イオン入射部１１０を所定位置に固定するための位置決め用きり欠き部６１１Ｃが設けられている。更に、絶縁性支持基板６１０Ａには、イオン入射部１１０を所定位置に固定するための位置決め孔６１２Ａ、コンバージョンダイノード１２０およびダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５のそれぞれを所定位置に固定するための位置決め孔６１２Ｂ、第２電子検出部７００を所定位置に固定するための位置決めスリット６１２Ｃ、およびフォーカス電極１４０を所定位置に固定するための位置決め孔６１３が、それぞれ設けられている。なお、絶縁性支持基板６１０Ｂも、絶縁性支持基板６１０Ａと同様の構造を有する。また、コンバージョンダイノード１２０に電位Ｖ１を供給するダイノード供給ピン６６０Ａは、絶縁性支持基板６１０Ａ側に取り付けられ、最終段ダイノードＤＹ１５に電位Ｖ２を供給するゲート供給ピン６６０Ｂは、絶縁性支持基板６１０Ｂ側に取り付けられる。

ダイノードユニット１３０を構成するダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５のうち、メッシュ構造１３２か構成される中間ダイノードＤＹ１１は、図８（ａ）に示された構造を有する。すなわち、中間ダイノードＤＹ１１は、到達する二次電子を通過させるための開口６２０が設けられたダイノード本体ＤＹ１１ａと、メッシュ部６３１が形成されたメッシュ構造体ＤＹ１１ｂにより構成されている。メッシュ構造体ＤＹ１１ｂは、開口６２０とメッシュ部６３１とが一致した状態で、ダイノード本体ＤＹ１１ａに直接固定されている。

一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂによって把持される構成要素のうち、イオン入射部１１０には、入射口１１０Ａが設けられた前面に、位置決め用切欠き部６１１Ｃに嵌め込まれる固定片と、絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂそれぞれの位置決め孔６１２Ａに差し込まれる固定片１１１が設けられている。コンバージョンダイノード１２０、ダイノードＤＹ１〜ＤＹ１５にも、位置決め孔６１２Ｂに差し込まれる固定片が設けられている。フォーカス電極１４０には、位置決め孔６１３に差し込まれる固定片１４２が設けられている。第２電子検出部７００は、ＧＮＤ電位に設定される筐体と、アナログモード出力端子（アナログポート）７１０と、ハーメチック（絶縁部材）７２０と、アノード電極１７０を備える。アナログモード出力端子７１０とハーメチック７２０は、筐体上部に固定されている。なお、ハーメチック７２０は、アノード電極１７０とＧＮＤ電位を絶縁するための絶縁部材である。当該第２電子検出部７００の筐体側面には、一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂそれぞれに設けられた位置決めスリット６１２Ｃに差し込まれる固定片７３０が設けられている。最終的に、一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂの相対位置がボルトにより固定されることにより、これら構成要素が一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂに把持される。

なお、図５に示されたように、絶縁性支持基板６１０Ａの外側側面には、ブリーダ回路２３０として機能する金属板６４０が取り付けられ、ＧＮＤ配線６５０を介して、第１２段目のダイノードＤＹ１２と第１支持基板５１０Ａ（ＧＮＤ電位に設定）が電気的に接続されている。

以上の組み立て工程を経て得られた電極ユニット６００がベース部５００Ａに取り付けられることにより、図６（ａ）に示されたようなイオン検出器１００Ａが得られる。なお、図６（ａ）は、図４および図５に示された工程を経て得られたイオン検出器１００Ａの構造を説明するための斜視図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿ったイオン検出器１００Ａの断面図である。なお、図１に示された断面図も、図６（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当している。また、図６（ａ）中に示された配線６７０Ａは、ＡＤ１５０のバイアス線、配線６７０Ｂは、フォーカス電極１４０に所定電位を設定するための供給線である。

一例として、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａにおける各部位の設定電位について言及すると、イオン入射部１１０と第２電子検出部７００の筐体部分の電位はＧＮＤに設定される。ダイノード供給ピン６６０Ａにより設定されるコンバージョンダイノード１２０の電位は、０Ｖ〜−３０００Ｖの負電位である。第１２段目のダイノードＤＹ１２の電位はＧＮＤに設定される。ゲート供給ピン６６０Ｂにより設定される最終段ダイノードＤＹ１５の電位は、カウンティングモード出力の場合、＋３００Ｖ〜＋６００Ｖである。フォーカス電極１４０の電位は、＋６００Ｖ〜＋１０００Ｖである。ＡＤ１５０のバイアス電圧は＋３５００Ｖである。

（第２実施形態）
図７（ａ）は、第２実施形態に係るイオン検出器１００Ｂにおけるベース部５００Ｂ（特に第１支持基板）の他の構造例を示す斜視図であり、図７（ｂ）は、ベース部５００Ｂが適用されたイオン検出器１００Ｂの断面図である。第２実施形態に係るイオン検出器１００Ｂの構造は、図７（ａ）に示されたベース部５００Ｂを除き、第１実施形態と同様である。そのため、イオン検出器１００Ｂにおいても、最終段ダイノードＤＹ１５の壁部１３１Ｂは、電子増倍方向ＡＸ１に直交する方向に沿って延びた形状を有する。

図７（ａ）に示されたように、イオン検出器１００Ｂのベース部５００Ｂは、第１実施形態と同様に、電気的に絶縁された状態で互いに固定された第１支持基板５１０Ａおよび第２支持基板５１０Ｂにより構成されている。ただし、この第２実施形態において、第１支持基板５１０Ａには、その前方部分および後方部分のそれぞれに、前方固定用バネ５５０Ａおよび後方固定用バネ５５０Ｂが設けられている。一方、ベース部５００Ｂに搭載される電極ユニット６００には、図７（ｂ）に示されたように、前方固定用バネ５５０Ａに当接される前方固定用ポール５６０Ａと、後方固定用バネ５５０Ｂに当接される前方固定用ポール５６０Ａが設けられる。なお、この第２実施形態における電極ユニット６００も、第１実施形態と同様に、イオン入射部１１０、コンバージョンダイノード１２０、ダイノードユニット１３０、フォーカス電極１４０、および第２電子検出部７００のそれぞれが一対の絶縁性支持基板６１０Ａ、６１０Ｂにより把持された構造を有する。

上述のような構造を有するベース部５００Ｂに電極ユニット６００が搭載されると（すなわち、電極ユニット６００がベース部５００Ｂに装着されると）、ベース部５００Ｂの前方固定用バネ５５０Ａおよび後方固定用バネ５５０Ｂの弾性力により、電極ユニット６００の前方固定用ポール５６０Ａおよび後方固定用ポール５６０Ｂがベース部５００Ｂに押される。これにより、電極ユニット６００がベース部５００Ｂに安定的に固定される。

次に、第１および第２実施形態に係るイオン検出器１００Ａ、１００Ｂの何れにも適用可能な第２電子検出部７００（アナログモード出力）の電極構造を、図８（ａ）および図８（ｂ）を参照しながら詳細に説明する。なお、図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態（第１〜第４実施形態）に適用可能な第２電子検出部７００の種々の電極構造の例を示す図である。

図８（ａ）に示されたように、第１および第２実施形態に係るイオン検出器１００Ａ、１００Ｂにおいて、第２電子検出部７００のアノード電極１７０は、一端がアナログモード出力端子（アナログポート）７１０に接続される一方、他端が、アノード電極１７０とＧＮＤとを絶縁するためのハーメチック（絶縁部材）７２０に接続されている。このアノード電極１７０に隣接する中間ダイノードＤＹ１１は、互いに接触したダイノード本体ＤＹ１１ａとメッシュ構造体ＤＹ１１ｂにより構成されている（ダイノード本体ＤＹ１１ａとメッシュ構造体ＤＹ１１ｂは同電位に設定される）。ダイノード本体ＤＹ１１ａには、到達した二次電子を通過させるための開口６２０が設けられている。メッシュ構造体ＤＹ１１ｂには、メッシュ部６３１が設けられており、これら開口６２０およびメッシュ部６３１により、図１等に示された中間ダイノードＤＹ１１のメッシュ構造１３２が構成される。

図８（ａ）に示された電極構造において、中間ダイノードＤＹ１１のメッシュ開口率７０％（＝０．７）程度に設定されている。なお、メッシュ開口率は、ダイノード本体ＤＹ１１ａに設けられた開口６２０の開口面積に対する、メッシュ構造体ＤＹ１１ｂにおけるメッシュ開口の総面積の比で与えられる。

図８（ｂ）に示された電極構造では、アノード電極１７０が中間ダイノードＤＹ１１に直接接触している（中間ダイノードＤＹ１１がアノード電極１７０に含まれる）。したがって、図８（ｂ）の電極構造では、中間ダイノードＤＹ１１にメッシュ構造１３２（図１等参照）は不要である。ただし、図８（ｂ）の電極構造の場合、図２（ａ）に示されたブリーダ回路２３０の構造は、領域Ａ内の構造が図２（ｂ）に示された構造に置き換えられる。すなわち、上述の第１および第２実施形態に係るイオン検出器１００Ａ、１００Ｂに図８（ｂ）の電極構造が適用された場合、ゲート部２４０では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されたように、第１２段目のダイノードＤＹ１２に替え、Ｖ３に設定される位置が配線２３１を介して変更される。ただし、中間ダイノードＤＹ１１はアノード電極１７０に含まれるため、ブリーダ回路２３０からは電気的に分離されている。

図８（ｂ）の電極構造が採用された場合でも、カウンティングモード出力の場合、コンバージョンダイノード１２０から最終段ダイノードＤＹ１５までの各電極の電位は、図２（ｃ）中のグラフＧ２１０に平行なグラフとなる。このとき、フォーカス電極１４０の電位は、図２（ａ）に示されたブリーダ回路２３０とは別の電源により設定される。一方、カウンティングモード出力からアナログモード出力へのスイッチＳＷによるモード切替が行われると、ゲートダイノード群１６０を構成するダイノードＤＹ１２〜ＤＹ１５の電位は全てＶ３またはＶ３よりも低い負電位に設定される。なお、ダイノードＤＹ１２〜ＤＹ１５の設定電位は一致する必要はない。図２（ｃ）のグラフＧ２１１Ｂに示されたように、第１０段目のダイノードＤＹ１０と第１２段目のダイノードＤＹ１２との間に位置する、配線２３１に接続された部分（中間ダイノードＤＹ１１はブリーダ回路２３０からは電気的に分離されている）が電位Ｖ３（＝ＧＮＤ）に設定される一方、最終段ダイノードＤＹ１５が電位Ｖ３（＜ＧＮＤ）に設定されることで、図２（ｃ）のグラフＧ２１１Ｂに示されたような電位勾配が形成されてもよい。また、中間ダイノードＤＹ１１を含むアノード電極１７０の電位は正電位であるため、ゲート部２４０による二次電子の遮蔽機能が実現される。

（第３および第４実施形態）
図９（ａ）および図９（ｂ）は、本実施形態に係るイオン検出器の種々の変形例を示す断面図である。なお、図９（ａ）および図９（ｂ）の何れも、図１と同様に、本実施形態に係るイオン検出器における主要部位が示されている。また、図９（ａ）および図９（ｂ）に示された断面図は、図６（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当している。すなわち、第３および第４実施形態に係るイオン検出器１００Ｃ、１００Ｄは、何れも、最終段ダイノードＤＹ１５の壁部１３１Ｃ、１３１Ｄの構造、フォーカス電極１４０の設置位置、およびＡＤ１５０の設置位置を除き、第１実施形態に係るイオン検出器１００Ａと同様の構造を備える。

図９（ａ）に示された、第３実施形態に係るイオン検出器１００Ｃにおいて、最終段ダイノードＤＹ１５は、電子増倍方向ＡＸ１と鋭角に交差する方向に沿って延びた壁部１３１Ｃを有する。すなわち、図９（ａ）の構成例では、最終段ダイノードＤＹ１５に設けられた壁部１３１Ｃにより、最終段ダイノードＤＹ１５から放出された二次電子が電子増倍方向ＡＸ１と鋭角に交差する方向に沿って進むように、該二次電子の軌道が修正されている。フォーカス電極１４０も、開口１４１の中心を通過する法線ＡＸ２が電子増倍方向ＡＸ１と鋭角に交差するように配置されている。同様に、ＡＤ１５０も、電子入射面１５１の中心を通過する法線ＡＸ３が電子増倍方向ＡＸ１と鋭角に交差するように配置されている。また、二次電子の軌道をより正確に制御するため、フォーカス電極１４０およびＡＤ１５０は、それぞれの法線ＡＸ２、ＡＸ３が互いにずれるように配置される。

上述のように、最終段ダイノードＤＹ１５に設けられた壁部１３１Ｃが、該最終段ダイノードＤＹ１５から放出される二次電子の軌道を制御しているので、ダイノードユニット１３０に対するフォーカス電極１４０およびＡＤ１５０の設置位置を任意に設定することが可能になる。

一方、図９（ｂ）に示された、第４実施形態に係るイオン検出器１００Ｄにおいて、最終段ダイノードＤＹ１５も壁部１３１Ｄを有するが、この壁部１３１Ｄは、実質的に最終段ダイノードＤＹ１５から放出された二次電子の軌道を偏向する機能はない。すなわち、第４実施形態において、最終段ダイノードＤＹ１５に設けられた壁部１３１Ｄは実質的には不要であるが、該最終段ダイノードＤＹ１５から放出された二次電子の軌道に影響されない程度の長さであれば実用上の問題は生じない。したがって、第４実施形態におけるフォーカス電極１４０およびＡＤ１５０は、電子増倍方向ＡＸ１に沿ってそれぞれ配置される。

具体的には、第４実施形態において、フォーカス電極１４０は、開口１４１の中心を通過する法線ＡＸ２が電子増倍方向ＡＸ１と平行になるように、配置される。同様に、ＡＤ１５０も、電子入射面１５１の中心を通過する法線ＡＸ３が電子増倍方向ＡＸ１と平行になるように、配置される。また、最終段ダイノードＤＹ１５からＡＤ１５０の電子入射面１５１へ向かう二次電子の軌道を安定させるため、フォーカス電極１４０およびＡＤ１５０は、それぞれの法線ＡＸ２、ＡＸ３が互いにずれるように配置される。

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。

１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ…イオン検出器、１１０…イオン入射部、１２０…コンバージョンダイノード、１３０…ダイノードユニット（ＤＹ１〜ＤＹ１５）、ＤＹ１１…中間ダイノード、ＤＹ１５…最終段ダイノード、１３１Ａ〜１３１Ｄ…壁部（最終段ダイノードＤＹ１５の一部）、１４０…フォーカス電極、１５０…ＡＤ（アバランシェダイオード）、１６０…ゲートダイノード群（ＤＹ１２〜ＤＹ１５）、１７０…アノード電極（第２電子検出部）、２３０…ブリーダ回路、２４０…ゲート部、５００Ａ、５００Ｂ…ベース部、５１０Ａ…第１支持基板、５１０Ｂ…第２支持基板、５２１…カウンティングモード出力端子（カウンティングポート）、６００…電極ユニット、６１０Ａ、６１０Ｂ…絶縁性支持基板、６４０…金属板（ブリーダ回路２３０）、６６０Ａ…ダイノード供給ピン、６６０Ｂ…ゲート供給ピン、７００…第２電子検出部、７１０…アナログモード出力端子（アナログポート）。

Claims

イオン入射部と、
前記イオン入射部を介して取り込まれたイオンが到達する位置に配置されコンバージョンダイノードであって、前記イオンの入射に応答して二次電子を放出するコンバージョンダイノードと、
前記コンバージョンダイノードから放出された二次電子をカスケード増倍するためのダイノードユニットであって、所定の電子増倍方向に沿って配置された複数段のダイノードで構成されたダイノードユニットと、
前記ダイノードユニットに含まれる最終段ダイノードから放出された二次電子が到達する位置に配置された第１電子検出部であって、電子増倍機能を有する半導体検出器を含む第１電子検出部と、
前記ダイノードユニットを構成するダイノードのうち前記最終段ダイノード以外の何れかの中間ダイノードに到達する二次電子の一部を捕獲するための電極を含む第２電子検出部と、
ゲート電極として少なくとも前記最終段ダイノードを含むゲート部であって、前記ゲート電極の設定電位を調節することにより前記中間ダイノードから前記半導体検出器へ向かう二次電子の通過と遮断の切り替えを制御するゲート部と、
を備えたイオン検出器。
前記第２電子検出部の前記電極は、前記中間ダイノードに隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン検出器。
前記中間ダイノードは、前記中間ダイノードに到達する二次電子の一部を通過させるための開口を有することを特徴とする請求項２に記載のイオン検出器。
前記第２電子検出部の前記電極は、前記中間ダイノードを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン検出器。
前記コンバージョンダイノードから前記中間ダイノードまでの電子増倍率は、前記中間ダイノードから前記最終段ダイノードまでの電子増倍率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のイオン検出器。
前記コンバージョンダイノードから前記中間ダイノードへ向かう二次電子の軌道上に配置されたダイノードの段数は、前記中間ダイノードから前記最終段ダイノードへ向かう二次電子の軌道上に配置されたダイノードの段数よりも多いことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のイオン検出器。
前記最終段ダイノードから前記半導体検出器へ向かう二次電子の軌道上に配置されたフォーカス電極であって、前記最終段ダイノードから放出された二次電子を通過させるための開口を有するフォーカス電極を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のイオン検出器。