JP7621900B2 - イオン検出器 - Google Patents

Description

本開示は、イオン検出器に関する。

正イオン及び負イオンを検出するイオン検出器が知られている。例えば、特許文献１には、陽イオン（正イオン）検出用の電子増倍管と、陰イオン（負イオン）検出用の電子増倍管と、を備えるイオン検出器が記載されている。

特開昭５２－１１９２９０号公報

特許文献１に記載のイオン検出器では、正イオン検出用の電子増倍管及び負イオン検出用の電子増倍管のそれぞれの出力に専用の増幅器等の信号処理回路が設けられている。したがって、回路規模が増大するおそれがある。本技術分野では、回路規模を縮小しつつ、両極性のイオンを検出することが望まれている。

本開示は、回路規模を縮小しつつ、両極性のイオンを検出可能なイオン検出器を説明する。

本開示の一側面に係るイオン検出器は、第１極性を有する第１イオンを検出するための第１電子増倍体と、第１極性とは異なる第２極性を有する第２イオンを検出するための第２電子増倍体と、第１電子増倍体から放出される電子を捕捉する第１アノードと、第２電子増倍体から放出される電子を捕捉する第２アノードと、第１アノードと電気的に接続されている第１入力端子、第２アノードと電気的に接続されている第２入力端子、及び出力端子を含み、第１入力端子及び第２入力端子のいずれかを選択的に出力端子に接続する切替回路と、を備える。

このイオン検出器では、第１極性を有する第１イオンを検出するための第１電子増倍体から放出される電子を捕捉する第１アノードが切替回路の第１入力端子に電気的に接続され、第２極性を有する第２イオンを検出するための第２電子増倍体から放出される電子を捕捉する第２アノードが切替回路の第２入力端子に電気的に接続されている。切替回路は、第１入力端子及び第２入力端子のいずれかを選択的に出力端子に接続するので、出力端子からは、第１イオン検出に関する信号及び第２イオン検出に関する信号が選択的に出力される。したがって、イオン検出器の後段には、第１イオン検出と第２イオン検出とで共通に用いられる信号処理回路が設けられ得るので、第１イオン検出と第２イオン検出とでそれぞれ専用の信号処理回路を設ける必要が無い。その結果、回路規模を縮小しつつ、両極性のイオンを検出することが可能となる。

上記イオン検出器は、第１方向に延びる中心軸を有する貫通孔が設けられたイオン導入部を更に備えてもよい。第１電子増倍体は、第１方向に延びる第１増倍部と、第１増倍部の第１方向における一端に設けられた第１入力電極と、第１増倍部の第１方向における他端に設けられた第１出力電極と、を備えてもよい。第２電子増倍体は、第１方向に延びる第２増倍部と、第２増倍部の第１方向における一端に設けられた第２入力電極と、第２増倍部の第１方向における他端に設けられた第２出力電極と、を備えてもよい。第１入力電極は、貫通孔を通過した第１イオンを受けてもよい。第２入力電極は、貫通孔を通過した第２イオンを受けてもよい。第１電子増倍体と第２電子増倍体とは、第１方向と交差する第２方向において互いに離間していてもよい。この場合、第１電子増倍体と第２電子増倍体とは、第２方向において互いに離間しながら、第１方向に延びるように設けられる。第１入力電極と第２入力電極とはいずれも第１方向においてイオン導入部と向かい合っている。したがって、第１入力電極及び第２入力電極が、他方の電子増倍体で発生した荷電粒子に由来するノイズを受ける可能性を低減することができる。その結果、第１イオン及び第２イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

第１入力電極は、第１方向においてイオン導入部と向かい合う第１本体部と、第１方向において第１出力電極に向かって延びる第１延長部と、を含んでもよい。第１延長部は、第１増倍部の第２増倍部と向かい合う部分を覆ってもよい。例えば、第１入力電極には負の電圧が印加され、第２入力電極には正の電圧が印加される。第１入力電極から第１出力電極に向かうにつれ、第１増倍部の電圧が増加し、第２入力電極から第２出力電極に向かうにつれ、第２増倍部の電圧が増加する。したがって、第１入力電極の印加電圧の絶対値と、第２入力電極の印加電圧の絶対値と、が等しかったとしても、出力電極に向かうにつれて、第１増倍部の電圧の絶対値と、第２増倍部の電圧の絶対値との差が大きくなる。上記構成では、第１入力電極の第１延長部が第１増倍部の第２増倍部と向かい合う部分を覆っているので、イオンが移動する領域における正の電位勾配と負の電位勾配との対称性を改善することができる。したがって、第１イオン及び第２イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

第１延長部は、筒状の形状を有してもよい。この場合、第１増倍部の一端を含む端部が第１延長部に囲まれる。第１増倍部の一端を含む端部の一部が第１延長部によって覆われる構成と比較して、イオンが移動する領域において、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が改善し得る。したがって、第１イオン及び第２イオンの検出精度を一層向上させることが可能となる。

第２入力電極は、第１方向においてイオン導入部と向かい合う第２本体部と、第１方向において第２出力電極に向かって延びる第２延長部と、を含んでもよい。第２延長部は、第２増倍部の第１増倍部と向かい合う部分を覆ってもよい。第２入力電極の第２延長部が第２増倍部の第１増倍部と向かい合う部分を覆っているので、イオンが移動する領域における正の電位勾配と負の電位勾配との対称性を改善することができる。したがって、第１イオン及び第２イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

第２延長部は、筒状の形状を有してもよい。この場合、第２増倍部の一端を含む端部が第２延長部に囲まれる。第２増倍部の一端を含む端部の一部が第２延長部によって覆われる構成と比較して、イオンが移動する領域において、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が改善し得る。したがって、第１イオン及び第２イオンの検出精度を一層向上させることが可能となる。

第１電子増倍体と中心軸との第２方向における距離は、第２電子増倍体と中心軸との第２方向における距離と等しくてもよい。この場合、第１電子増倍体及び第２電子増倍体の配置の設計を簡単化することができる。

第１イオンは、正イオンであってもよい。第２イオンは、負イオンであってもよい。第１電子増倍体と中心軸との第２方向における距離は、第２電子増倍体と中心軸との第２方向における距離よりも大きくてもよい。上述のように、イオンが移動する領域における正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が崩れることによって、第２イオンが第２方向において第１電子増倍体から離れる方向に受ける力よりも、第１イオンが第２方向において第２電子増倍体から離れる方向に受ける力が大きくなる。つまり、第２イオンよりも第１イオンの方が中心軸から離れるように移動する。上記構成によれば、第２電子増倍体よりも第１電子増倍体の方が中心軸から離れているので、第１イオンが第１入力電極に入射し、第２イオンが第２入力電極に入射する可能性を高めることができる。したがって、第１イオン及び第２イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

上記イオン検出器は、第１方向においてイオン導入部と向かい合う主面を有する基板を更に備えてもよい。第１アノード及び第２アノードは、主面に設けられてもよい。第１電子増倍体は、第１出力電極が第１アノードと第１方向において向かい合うように主面上に配置されてもよい。第２電子増倍体は、第２出力電極が第２アノードと第１方向において向かい合うように主面上に配置されてもよい。この場合、１枚の基板に第１電子増倍体及び第２電子増倍体が配置される。したがって、第１電子増倍体と第２電子増倍体との間の距離が一定になるので、イオン検出器の組立精度を向上させることができる。

切替回路は、基板に実装されてもよい。この場合、１枚の基板にイオン検出器の構成部品が実装される。したがって、部品点数を削減することが可能となる。

基板には、第１アノードと第２アノードとの間に基板を第１方向に貫通するスリットが設けられてもよい。第１アノードと第２アノードとの電位差が大きい場合には、第１アノードと第２アノードとの間で基板の主面に沿って沿面放電が生じることがある。上記構成では、第１アノードと第２アノードとの間にスリットが設けられるので、第１アノードと第２アノードとの間の沿面距離が長くなる。これにより、第１アノードと第２アノードとの間で沿面放電が生じる可能性を低減することができる。

上記イオン検出器は、主面に設けられ、イオン導入部を支持する支持部材を更に備えてもよい。この場合、支持部材によりイオン導入部が支持されるので、中心軸（貫通孔）の位置が定まる。したがって、イオン検出器の組立精度を向上させることができる。

上記イオン検出器は、第１方向においてイオン導入部と向かい合う第１主面を有する第１基板と、第１方向においてイオン導入部と向かい合う第２主面を有する第２基板と、を更に備えてもよい。第１アノードは、第１主面に設けられてもよい。第２アノードは、第２主面に設けられてもよい。第１電子増倍体は、第１出力電極が第１アノードと第１方向において向かい合うように第１主面上に配置されてもよい。第２電子増倍体は、第２出力電極が第２アノードと第１方向において向かい合うように第２主面上に配置されてもよい。この場合、第１アノードと第２アノードとは異なる基板に配置されるので、第１アノードと第２アノードとの間で沿面放電が生じる可能性を低減することができる。

本開示によれば、回路規模を縮小しつつ、両極性のイオンを検出することができる。

図１は、一実施形態に係るイオン検出器を概略的に示す構成図である。 図２は、図１に示されるイオン検出器の実装例を示す断面図である。 図３は、図２に示される基板の平面図である。 図４は、図２に示されるイオン検出器の正イオン検出時における等電位線を示す図である。 図５は、図２に示されるイオン検出器の負イオン検出時における等電位線を示す図である。 図６は、別の実装例のイオン検出器の正イオン検出時における等電位線を示す図である。 図７は、別の実装例のイオン検出器の負イオン検出時における等電位線を示す図である。 図８は、図１に示されるイオン検出器の更に別の実装例を示す断面図である。 図９は、図１に示されるイオン検出器の更に別の実装例を示す断面図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号が付され、重複する説明は省略される。

図１を参照しながら、一実施形態に係るイオン検出器の概略構成を説明する。図１は、一実施形態に係るイオン検出器を概略的に示す構成図である。図１に示されるイオン検出器１は、両極性のイオンを検出可能な装置である。イオン検出器１は、例えば、質量分析装置に適用される。イオン検出器１は、イオン導入部２と、電子増倍体３（第１電子増倍体）と、電子増倍体４（第２電子増倍体）と、アノード５（第１アノード）と、アノード６（第２アノード）と、コンデンサ７と、コンデンサ８と、切替回路９と、を備えている。

イオン導入部２は、イオン検出器１の外部からイオン検出器１の内部空間Ｓ（図２参照）にイオンを通過させる部分である。イオン導入部２は、外部ノイズを遮断するアパーチャ部材であってもよい。イオン導入部２は、イオンレンズ２１と、イオンレンズ２２と、を含む。イオンレンズ２１は、板状の導電性部材である。イオンレンズ２１には、イオンレンズ２１を貫通する開口２１ａが設けられている。イオンレンズ２１は、例えば、接地されている。

イオンレンズ２２は、板状の導電性部材である。イオンレンズ２２には、イオンレンズ２２を貫通する開口２２ａが設けられている。イオンレンズ２２は、開口２１ａの中心軸と開口２２ａの中心軸とが一致するように配置されている。つまり、イオン導入部２には、中心軸ＡＸを有する貫通孔２ａが設けられている。貫通孔２ａは、開口２１ａと開口２２ａとから構成されている。

イオンレンズ２２には、正電圧及び負電圧のいずれかが選択的に印加される。イオン検出器１が正イオン（第１極性を有する第１イオン）を検出する場合には、イオンレンズ２２には負電圧が印加される。この構成により、正イオンが、開口２１ａ及び開口２２ａを順に通過することで、収束されるとともに内部空間Ｓに導入される。イオン検出器１が負イオン（第２極性を有する第２イオン）を検出する場合には、イオンレンズ２２には正電圧が印加される。この構成により、負イオンが、開口２１ａ及び開口２２ａを順に通過することで、収束されるとともに内部空間Ｓに導入される。イオンレンズ２２に印加される正電圧は、例えば、５００Ｖ程度である。イオンレンズ２２に印加される負電圧は、例えば、－５００Ｖ程度である。

電子増倍体３は、正イオンを検出するための構造体である。電子増倍体４は、負イオンを検出するための構造体である。電子増倍体３，４の例としては、チャンネル型電子増倍体（Channel Electron Multiplier：ＣＥＭ）、電子増倍管（Electron Multiplier tube：ＥＭ管）、マイクロチャンネルプレート（Microchannel Plate：ＭＣＰ）とアバランシェダイオード（Avalanche Diode：ＡＤ）との組み合わせ、ＭＳＰ（ＭＣＰ、シンチレータ、及び光電子増倍管（ＰＭＴ）を含む）、及びこれらのうちの２つの組み合わせが挙げられる。ＣＥＭ、ＥＭ管、及びＡＤにコンバージョンダイノード（Conversion Dynode：ＣＤ）が更に設けられてもよい。本実施形態では、電子増倍体３，４として、ＣＥＭが例示される。

電子増倍体３は、増倍部３１（第１増倍部）と、入力電極３２（第１入力電極）と、出力電極３３（第１出力電極）と、を含む。増倍部３１は、一方向に延びており、例えば直方体状の形状を有する。増倍部３１は、端面３１ａ，３１ｂを有する。端面３１ａ（一端）は、増倍部３１の長手方向における一方の端面であり、イオン導入部２と向かい合う。端面３１ｂ（他端）は、増倍部３１の長手方向における端面３１ａと反対側の端面である。増倍部３１は、例えば、セラミック材料等の絶縁材料を含む。増倍部３１は、端面３１ａから端面３１ｂまで延びる複数のチャネルを有する。

入力電極３２は、貫通孔２ａを通過した正イオンを受け、正イオンを電子に変換する。入力電極３２は、端面３１ａに設けられる。入力電極３２は、導電性の金属材料によって構成されている。入力電極３２には、負の高電圧が印加される。入力電極３２には、例えば、－１０ｋＶ程度の電圧が印加される。

出力電極３３は、端面３１ｂに設けられる。出力電極３３は、導電性の金属材料によって構成されている。出力電極３３には、入力電極３２に印加されている電圧よりも大きい負の高電圧が印加される。つまり、出力電極３３の電位が入力電極３２の電位よりも高くなるように、出力電極３３に負の高電圧が印加されている。出力電極３３に印加される電圧は、入力電極３２に印加される電圧よりも２～４ｋＶ程度大きい。入力電極３２及び出力電極３３によって、端面３１ａから端面３１ｂに向かうにつれて高電位となるように、増倍部３１には、増倍部３１の長手方向に沿って電位勾配が生じている。

電子増倍体４は、増倍部４１（第２増倍部）と、入力電極４２（第２入力電極）と、出力電極４３（第２出力電極）と、を含む。増倍部４１は、一方向に延びており、例えば直方体状の形状を有する。増倍部４１は、端面４１ａ，４１ｂを有する。端面４１ａ（一端）は、増倍部４１の長手方向における一方の端面であり、イオン導入部２と向かい合う。端面４１ｂ（他端）は、増倍部４１の長手方向における端面４１ａと反対側の端面である。増倍部４１は、例えば、セラミック材料等の絶縁材料を含む。増倍部４１は、端面４１ａから端面４１ｂまで延びる複数のチャネルを有する。

入力電極４２は、貫通孔２ａを通過した負イオンを受け、負イオンを電子に変換する。入力電極４２は、端面４１ａに設けられる。入力電極４２は、導電性の金属材料によって構成されている。入力電極４２には、正の高電圧が印加される。入力電極４２には、例えば、＋１０ｋＶ程度の電圧が印加される。

出力電極４３は、端面４１ｂに設けられる。出力電極４３は、導電性の金属材料によって構成されている。出力電極４３には、入力電極４２に印加されている電圧よりも大きい正の高電圧が印加される。つまり、出力電極４３の電位が入力電極４２の電位よりも高くなるように、出力電極４３に正の高電圧が印加されている。出力電極４３に印加される電圧は、入力電極４２に印加される電圧よりも２～４ｋＶ程度大きい。入力電極４２及び出力電極４３によって、端面４１ａから端面４１ｂに向かうにつれて高電位となるように、増倍部４１には、増倍部４１の長手方向に沿って電位勾配が生じている。

アノード５は、電子増倍体３から放出される電子を捕捉する電極である。アノード５は捕捉した電子に応じた電気信号を出力する。アノード５は、コンデンサ７を介して切替回路９に電気信号を出力する。アノード６は、電子増倍体４から放出される電子を捕捉する電極である。アノード６は、捕捉した電子に応じた電気信号を出力する。アノード６は、コンデンサ８を介して切替回路９に電気信号を出力する。

コンデンサ７，８は、ＡＣ（Alternating Current）カップリングコンデンサである。コンデンサ７は、アノード５から出力された電気信号からＤＣ（Direct Current）オフセット電圧を除去する。コンデンサ８は、アノード６から出力された電気信号からＤＣオフセット電圧を除去する。

切替回路９は、アノード５及びアノード６のいずれかを選択的に後段の増幅器等の信号処理回路に接続するための回路である。切替回路９の例としては、ＲＦ（Radio Frequency）スイッチＩＣ（Integrated Circuit）、及び無接点リレーが挙げられる。無接点リレーの例としては、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が挙げられる。切替回路９は、外部からの切替信号に応じて、アノード５及びアノード６の中から測定対象のアノードを選択する。切替回路９は、入力端子９ａ（第１入力端子）と、入力端子９ｂ（第２入力端子）と、出力端子９ｃと、を有する。入力端子９ａは、アノード５と電気的に接続されている。本実施形態では、入力端子９ａは、コンデンサ７を介してアノード５と電気的に接続されている。入力端子９ｂは、アノード６と電気的に接続されている。本実施形態では、入力端子９ｂは、コンデンサ８を介してアノード６と電気的に接続されている。出力端子９ｃは、後段の信号処理回路に電気的に接続されている。

切替回路９は、入力端子９ａ及び入力端子９ｂのいずれかを選択的に出力端子９ｃに接続する。切替回路９は、外部からの切替信号によって、第１状態と第２状態との間で切り替えられる。第１状態は、入力端子９ａと出力端子９ｃとを電気的に接続するとともに入力端子９ｂと出力端子９ｃとを電気的に遮断する状態である。第２状態は、入力端子９ａと出力端子９ｃとを電気的に遮断するとともに入力端子９ｂと出力端子９ｃとを電気的に接続する状態である。

切替回路９は、スイッチ９１と、スイッチ９２と、を含む。スイッチ９１は、入力端子９ａと出力端子９ｃとの間に設けられている。スイッチ９１は、入力端子９ａと出力端子９ｃとを電気的に接続するオン状態と、入力端子９ａと出力端子９ｃとを電気的に遮断するオフ状態との間で切り替え可能に構成されている。スイッチ９２は、入力端子９ｂと出力端子９ｃとの間に設けられている。スイッチ９２は、入力端子９ｂと出力端子９ｃとを電気的に接続するオン状態と、入力端子９ｂと出力端子９ｃとを電気的に遮断するオフ状態との間で切り替え可能に構成されている。切替信号によって、スイッチ９１とスイッチ９２とは互いに反対の状態に設定される。つまり、スイッチ９１がオン状態に設定される場合には、スイッチ９２はオフ状態に設定され（第１状態）、スイッチ９１がオフ状態に設定される場合には、スイッチ９２はオン状態に設定される（第２状態）。

次に、イオン検出器１の動作を説明する。イオン検出器１が正イオンを検出する場合、スイッチ９１がオン状態に設定されるとともに、スイッチ９２がオフ状態に設定され、その後イオンレンズ２２に負電圧が印加される。正イオンがイオンレンズ２２の負電圧に引き寄せられて、開口２１ａ及び開口２２ａを順に通過し、イオン検出器１の内部空間Ｓに導入される。そして、入力電極３２に負の高電圧が印加されているので、正イオンは入力電極３２に向かって移動し、入力電極３２に入射する。入力電極３２に入射した正イオンに応じて発生した電子が、増倍部３１において増倍されて出力電極３３から放出される。そして、出力電極３３から放出された電子がアノード５に捕捉され、その電子に応じた電気信号がコンデンサ７を介して入力端子９ａに出力される。切替回路９では、入力端子９ａと出力端子９ｃとが電気的に接続されているので、電気信号は、出力端子９ｃから後段の信号処理回路に出力される。

イオン検出器１が負イオンを検出する場合、スイッチ９１がオフ状態に設定されるとともに、スイッチ９２がオン状態に設定され、その後イオンレンズ２２に正電圧が印加される。負イオンがイオンレンズ２２の正電圧に引き寄せられて、開口２１ａ及び開口２２ａを順に通過し、イオン検出器１の内部空間Ｓに導入される。そして、入力電極４２に正の高電圧が印加されているので、負イオンは入力電極４２に向かって移動し、入力電極４２に入射する。入力電極４２に入射した負イオンに応じて発生した電子が、増倍部４１において増倍されて出力電極４３から放出される。そして、出力電極４３から放出された電子がアノード６に捕捉され、その電子に応じた電気信号がコンデンサ８を介して入力端子９ｂに出力される。切替回路９では、入力端子９ｂと出力端子９ｃとが電気的に接続されているので、電気信号は、出力端子９ｃから後段の信号処理回路に出力される。

以上説明したイオン検出器１では、正イオンを検出するための電子増倍体３から放出される電子を捕捉するアノード５が切替回路９の入力端子９ａに電気的に接続され、負イオンを検出するための電子増倍体４から放出される電子を捕捉するアノード６が切替回路９の入力端子９ｂに電気的に接続されている。切替回路９は、入力端子９ａ及び入力端子９ｂのいずれかを選択的に出力端子９ｃに接続するので、出力端子９ｃからは、正イオン検出に関する電気信号及び負イオン検出に関する電気信号が選択的に出力される。したがって、イオン検出器１の後段には、正イオン検出と負イオン検出とで共通に用いられる信号処理回路が設けられるので、正イオン検出と負イオン検出とでそれぞれ専用の信号処理回路を設ける必要が無い。その結果、回路規模を縮小しつつ、両極性のイオンを検出することが可能となる。

イオン検出器１では、両極性のイオンが直接電子に変換されるので、両極性のイオンの検出効率を向上させることが可能となる。正イオン検出用の電子増倍体３と負イオン検出用の電子増倍体４とが設けられるので、１つの電子増倍体を両極性のイオンの検出に用いる構成と比較して、イオン検出器１の寿命を２倍程度に延ばすことができる。切替回路９はアノード５とアノード６とを電気的に分離するので、アノード５とアノード６とを後段の信号処理回路に直接接続する構成と比較して、他方のアノードのダークカウントを低減するとともに、他方のアノードの静電容量の影響を無くすことができる。その結果、出力波形の劣化を抑制することが可能となる。

次に、図２及び図３を参照しながら、図１に示されるイオン検出器１の一実装例を説明する。図２は、図１に示されるイオン検出器の実装例を示す断面図である。図３は、図２に示される基板の平面図である。図２に示されるように、イオン検出器１は、基板５１と、スペーサ５２と、スペーサ５３と、を更に備えている。

基板５１は、イオン検出器１の構成要素が実装される板状の部材である。基板５１は、例えば、ガラスエポキシ基板等のプリント基板である。基板５１は、主面５１ａと、主面５１ａと反対側の裏面５１ｂとを有する。主面５１ａは、方向Ｄ１（第１方向）と交差（ここでは、直交）する。

スペーサ５２，５３は、イオン導入部２を支持するための支持部材である。スペーサ５２，５３は、主面５１ａに設けられ、方向Ｄ１に延びている。イオンレンズ２１，２２は、中心軸ＡＸが方向Ｄ１に延びるように固定されている。具体的には、スペーサ５２，５３の基端は、基板５１にネジ等の固定部材によって固定される。主面５１ａが方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合うように、スペーサ５２，５３の先端にイオン導入部２が取り付けられる。より具体的には、スペーサ５２，５３の先端にイオンレンズ２１が載置され、スペーサ５２，５３によってイオンレンズ２２が挟持される。イオンレンズ２１及びイオンレンズ２２は、スペーサ５２，５３にネジ等の固定部材によって固定される。このように、スペーサ５２，５３によって、イオン導入部２が基板５１に固定される。

アノード５，６は、主面５１ａに設けられている。アノード５，６は、配線パターンとして主面５１ａ上に形成されてもよい。アノード５とアノード６とは、方向Ｄ２（第２方向）に配列されている。方向Ｄ２は、方向Ｄ１と交差（ここでは、直交）する方向であり、主面５１ａに沿っている。アノード５とアノード６とは、方向Ｄ２と直交するとともに中心軸ＡＸに沿った仮想面に対して実質的に面対称に配置される。

図３に示されるように、基板５１には、アノード５とアノード６との間に基板５１を方向Ｄ１に貫通するスリット５１ｓが設けられている。スリット５１ｓは、アノード５とアノード６との間の沿面距離を延伸するために設けられている。図３に示される例では、スリット５１ｓは、アノード５とアノード６との間において、方向Ｄ３に延びている。方向Ｄ３は、方向Ｄ１及び方向Ｄ２と交差（ここでは、直交）する方向であり、主面５１ａに沿っている。スリット５１ｓは、方向Ｄ３における基板５１の両端付近まで延びている。スリット５１ｓは、アノード５とアノード６との間だけでなく、アノード５と切替回路９との間、及びアノード６と切替回路９との間にまで延びている。

電子増倍体３は、出力電極３３がアノード５と方向Ｄ１において向かい合うように主面５１ａ上に配置されている。電子増倍体４は、出力電極４３がアノード６と方向Ｄ１において向かい合うように主面５１ａ上に配置されている。電子増倍体３，４（増倍部３１，４１）はいずれも方向Ｄ１に延びている。電子増倍体３と電子増倍体４とは、方向Ｄ２において互いに離間している。電子増倍体３と中心軸ＡＸとの方向Ｄ２における距離Ｌ１は、電子増倍体４と中心軸ＡＸとの方向Ｄ２における距離Ｌ２と実質的に等しい。言い換えると、電子増倍体３と電子増倍体４とは、上記仮想面に対して実質的に面対称に配置される。電子増倍体３及びアノード５は、空間Ｓ１に配置され、電子増倍体４及びアノード６は、空間Ｓ２に配置される。空間Ｓ１及び空間Ｓ２は、内部空間Ｓを上記仮想面によって区分することによって得られる空間である。

本実装例では、入力電極３２は、本体部３２ａ（第１本体部）と、延長部３２ｂ（第１延長部）と、を含む。本体部３２ａは、端面３１ａに設けられ、端面３１ａの全面を覆う部分である。本体部３２ａは、例えば矩形板状の形状を有しており、方向Ｄ１から見て端面３１ａよりもひと回り大きい。本体部３２ａは、方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合っている。

延長部３２ｂは、方向Ｄ１において出力電極３３に向かって延びる部分である。延長部３２ｂは、増倍部３１の側面のうち、少なくとも増倍部４１と向かい合う部分を覆っている。本実装例では、延長部３２ｂは、筒状の形状を有しており、増倍部３１の端面３１ａを含む端部を全周にわたって覆っている。延長部３２ｂは、本体部３２ａの周縁に沿って設けられ、出力電極３３に向かって延びている。延長部３２ｂは、増倍部３１の方向Ｄ１における長さの半分よりも端面３１ｂに近い位置まで延びている。延長部３２ｂは、増倍部３１の側面から離間している。

本実装例では、出力電極３３は、本体部３３ａと、支持部３３ｂと、を含む。本体部３３ａは、端面３１ｂに設けられ、端面３１ｂの全面を覆う部分である。本体部３３ａは、例えば矩形板状の形状を有しており、方向Ｄ１から見て端面３１ｂよりもひと回り大きい。本体部３３ａは、支持部３３ｂによって支持されている。支持部３３ｂは、筒状の形状を有している。支持部３３ｂの一端は、本体部３３ａに接続され、支持部３３ｂの他端はネジ又は溶接等によって基板５１の主面５１ａに固定されている。支持部３３ｂによってアノード５が囲まれる。

本実装例では、入力電極４２は、本体部４２ａ（第２本体部）と、延長部４２ｂ（第２延長部）と、を含む。本体部４２ａは、端面４１ａに設けられ、端面４１ａの全面を覆う部分である。本体部４２ａは、例えば矩形板状の形状を有しており、方向Ｄ１から見て端面４１ａよりもひと回り大きい。本体部４２ａは、方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合っている。

延長部４２ｂは、方向Ｄ１において出力電極４３に向かって延びる部分である。延長部４２ｂは、増倍部４１の側面のうち、少なくとも増倍部３１と向かい合う部分を覆っている。本実装例では、延長部４２ｂは、筒状の形状を有しており、増倍部４１の端面４１ａを含む端部を全周にわたって覆っている。延長部４２ｂは、本体部４２ａの周縁に沿って設けられ、出力電極４３に向かって延びている。延長部４２ｂは、増倍部４１の方向Ｄ１における長さの半分よりも端面４１ｂに近い位置まで延びている。延長部４２ｂは、増倍部４１の側面から離間している。

本実装例では、出力電極４３は、本体部４３ａと、支持部４３ｂと、を含む。本体部４３ａは、端面４１ｂに設けられ、端面４１ｂの全面を覆う部分である。本体部４３ａは、例えば矩形板状の形状を有しており、方向Ｄ１から見て端面４１ｂよりもひと回り大きい。本体部４３ａは、支持部４３ｂによって支持されている。支持部４３ｂは、筒状の形状を有している。支持部４３ｂの一端は、本体部４３ａに接続され、支持部４３ｂの他端はネジ又は溶接等によって基板５１の主面５１ａに固定されている。支持部４３ｂによってアノード６が囲まれる。

切替回路９は、主面５１ａに実装されている。切替回路９は、裏面５１ｂに実装されてもよい。図２には示されていないが、コンデンサ７，８は、基板５１に実装されている。コンデンサ７，８は、主面５１ａに実装されてもよく、裏面５１ｂに実装されてもよい。さらに、後段の信号処理回路に接続するための出力端子が基板５１に実装されてもよい。出力端子としては、ＳＭＡ（Sub Miniature Type A）コネクタ等が用いられる。

次に、図４～図７を参照しながら、上記実装例に係るイオン検出器１の作用効果を説明する。図４は、図２に示されるイオン検出器の正イオン検出時における等電位線を示す図である。図５は、図２に示されるイオン検出器の負イオン検出時における等電位線を示す図である。図６は、別の実装例のイオン検出器の正イオン検出時における等電位線を示す図である。図７は、別の実装例のイオン検出器の負イオン検出時における等電位線を示す図である。図６及び図７に示される別の実装例のイオン検出器は、入力電極３２が延長部３２ｂを含まない点、及び入力電極４２が延長部４２ｂを含まない点において、図４及び図５に示されるイオン検出器と相違する。

図４～図７に示される等電位線は、シミュレーションによって計算された。図４～図７には、－５０００Ｖ～＋５０００Ｖの範囲で１０００Ｖごとに等電位線が示されている。電子増倍体３及びアノード５として、本体部３２ａ、増倍部３１、出力電極３３、及びアノード５を一体化したシミュレーションモデルが用いられた。電子増倍体４及びアノード６として、本体部４２ａ、増倍部４１、出力電極４３、及びアノード６を一体化したシミュレーションモデルが用いられた。入力電極３２には－１０ｋＶの電圧が印加され、アノード５には－６．５ｋＶの電圧が印加された。入力電極４２には＋１０ｋＶの電圧が印加され、アノード６には＋１３．５ｋＶの電圧が印加された。イオンレンズ２１には接地電位が付された。図４及び図６の等電位線の計算において、イオンレンズ２２には、－５００Ｖの電圧が印加された。図５及び図７の等電位線の計算において、イオンレンズ２２には、＋５００Ｖの電圧が印加された。

図４～図７に示されるように、空間Ｓ１では、電子増倍体３に印加されている電圧によって負の電位が支配的となり、電子増倍体３に近づくほど電位が低くなる。空間Ｓ２では、電子増倍体４に印加されている電圧によって正の電位が支配的となり、電子増倍体４に近づくほど電位が高くなる。貫通孔２ａから入力電極３２に向かって正イオンは移動し、貫通孔２ａから入力電極４２に向かって負イオンは移動する。このため、イオン導入部２と入力電極３２及び入力電極４２との間の空間（イオン移動領域）における電位勾配が、イオンの軌道に影響を与え得る。

図６及び図７に示されるように、入力電極３２が延長部３２ｂを含まない場合には、増倍部３１が露出するので、増倍部３１の電圧（電位）が内部空間Ｓにおける電位に影響を与える。同様に、入力電極４２が延長部４２ｂを含まない場合には、増倍部４１が露出するので、増倍部４１の電圧（電位）が内部空間Ｓにおける電位に影響を与える。入力電極３２の印加電圧の絶対値と入力電極４２の印加電圧の絶対値とは等しいものの、増倍部４１の電圧の絶対値が増倍部３１の電圧の絶対値よりも大きくなり、それらの差は出力電極３３，４３に向かうにつれて大きくなる。したがって、正の電圧よりも負の電圧の方が内部空間Ｓにおける電位に大きな影響を与えるので、上記仮想面に対して、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が大きく崩れている。その結果、イオン移動領域において、正の電位が空間Ｓ１にも発生している。

このため、正イオン検出時には、負の電位による引き込み成分よりも正の電位による反発成分が大きくなるので、正イオンには方向Ｄ２において電子増倍体４から離れる方向に力が加わる。同様に、負イオン検出時には、負の電位による反発成分よりも正の電位による引き込み成分が大きくなるので、負イオンには方向Ｄ２において電子増倍体３から離れる方向に力が加わる。正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が高い理想的な状態に基づいて、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が設定される場合には、距離Ｌ１と距離Ｌ２とは互いに等しくなる。この場合、図６及び図７に示される例では、正イオンが入力電極３２に到達する可能性が低減し、正イオンの検出精度が低下するおそれがある。同様に、負イオンが入力電極４２に到達する可能性が低減し、負イオンの検出精度が低下するおそれがある。

一方、図４及び図５に示されるように、入力電極３２が延長部３２ｂを含む場合には、増倍部３１の端面３１ａを含む端部が延長部３２ｂによって覆われる。したがって、増倍部３１の電圧が内部空間Ｓにおける電位に与える影響が軽減され、入力電極３２の印加電圧が内部空間Ｓにおける電位に与える影響が増大する。同様に、入力電極４２が延長部４２ｂを含む場合には、増倍部４１の端面４１ａを含む端部が延長部４２ｂによって覆われる。したがって、増倍部４１の電圧が内部空間Ｓにおける電位に与える影響が軽減され、入力電極４２の印加電圧が内部空間Ｓにおける電位に与える影響が増大する。その結果、図６及び図７と比較して、イオン移動領域においては、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が改善している。このため、正イオン検出時において、反発成分と引き込み成分とのバランスが取れ、正イオンが入力電極３２に到達する可能性が増大するので、正イオンの検出精度を向上させることが可能となる。同様に、負イオン検出時において、反発成分と引き込み成分とのバランスが取れ、負イオンが入力電極４２に到達する可能性が増大するので、負イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

延長部３２ｂは筒状の形状を有しているので、増倍部３１の端面３１ａを含む端部が延長部３２ｂによって囲まれる。同様に、延長部４２ｂは筒状の形状を有しているので、増倍部４１の端面４１ａを含む端部が延長部４２ｂによって囲まれる。したがって、端面３１ａを含む端部の一部が延長部３２ｂによって覆われ、端面４１ａを含む端部の一部が延長部４２ｂによって覆われる構成と比較して、イオン移動領域において、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性が更に改善している。その結果、正イオン及び負イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

電子増倍体３と中心軸ＡＸとの方向Ｄ２における距離Ｌ１は、電子増倍体４と中心軸ＡＸとの方向Ｄ２における距離Ｌ２と等しい。したがって、電子増倍体３の配置と電子増倍体４の配置とを個別に調整する必要が無いので、電子増倍体３及び電子増倍体４の配置の設計を簡単化することができる。

電子増倍体３と電子増倍体４とは、方向Ｄ２において互いに離間しながら、方向Ｄ１に延びるように設けられる。入力電極３２と入力電極４２とはいずれも方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合っている。言い換えると、本体部３２ａと本体部４２ａとが同じ方向を向いており、入力電極３２と入力電極４２とが対面しないように構成されている。したがって、入力電極３２が電子増倍体４で発生した荷電粒子に由来するノイズを受ける可能性を低減することができる。同様に、入力電極４２が電子増倍体３で発生した荷電粒子に由来するノイズを受ける可能性を低減することができる。その結果、正イオン及び負イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

電子増倍体３と電子増倍体４とが互いに異なる基板に実装されている構成では、電子増倍体３の位置と電子増倍体４の位置とを個別に合わせる必要がある。一方、上記実装例に係るイオン検出器１では、１枚の基板５１に電子増倍体３及び電子増倍体４が配置されるので、電子増倍体３と電子増倍体４との間の距離が一定になる。したがって、電子増倍体３と電子増倍体４との間の方向Ｄ２における中心点を中心軸ＡＸ上に合わせるだけで、電子増倍体３及び電子増倍体４の方向Ｄ２における位置が定まる。その結果、イオン検出器１の組立精度を向上させることができる。

電子増倍体３，４及びアノード５，６だけでなく、コンデンサ７，８及び切替回路９も、基板５１に実装されている。この構成では、１枚の基板５１にイオン検出器１の構成部品が実装されるので、コンデンサ７，８及び切替回路９を実装するために別の基板を準備する必要が無い。したがって、部品点数を削減することが可能となる。

アノード５とアノード６との電位差が大きい場合には、アノード５とアノード６との間で基板５１の主面５１ａ又は裏面５１ｂに沿って沿面放電が生じることがある。これに対し、基板５１には、アノード５とアノード６との間に基板５１を方向Ｄ１に貫通するスリットが設けられている。したがって、アノード５とアノード６との間の沿面距離が長くなる。これにより、アノード５とアノード６との間で沿面放電が生じる可能性を低減することができる。

スペーサ５２，５３によりイオン導入部２が支持されるので、中心軸ＡＸ（貫通孔２ａ）の位置が定まる。したがって、イオン検出器１の組立精度を向上させることができる。

なお、本開示に係るイオン検出器は上記実施形態に限定されない。

入力電極３２，４２のいずれか一方が、延長部を含まなくてもよい。この場合も、入力電極３２，４２の両方が延長部を含まない構成と比較して、イオン移動領域において、正の電位勾配と負の電位勾配との対称性を改善することができる。その結果、正イオン及び負イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

電子増倍体３及び電子増倍体４の配置は、図２に示される実装例における配置に限定されない。例えば、電子増倍体３と電子増倍体４とは、中心軸ＡＸを挟んで入力電極３２と入力電極４２とが方向Ｄ２において互いに向かい合うように配置されてもよい。この場合、上記仮想面に対する正の電位勾配と負の電位勾配との対称性を維持することができる。電子増倍体３及び電子増倍体４の一方が方向Ｄ１に延びるように配置され、他方が方向Ｄ２に延びるように配置されてもよい。

入力電極３２に印加される電圧の絶対値と、入力電極４２に印加される電圧の絶対値とは、等しくなくてもよい。

次に、図８を参照しながら、図１に示されるイオン検出器１の更に別の実装例を説明する。図８は、図１に示されるイオン検出器の更に別の実装例を示す断面図である。図８に示されるように、本実装例のイオン検出器１は、基板５１に代えて基板６１（第１基板）及び基板６２（第２基板）を備える点、並びにコンデンサ７，８及び切替回路９の実装において、図２に示される実装例のイオン検出器１と主に相違している。

基板６１は、電子増倍体３が実装される板状の部材である。基板６１は、例えば、ガラスエポキシ基板等のプリント基板である。基板６１は、主面６１ａ（第１主面）と、主面６１ａと反対側の裏面６１ｂとを有する。主面６１ａ及び裏面６１ｂは、方向Ｄ１と交差（ここでは、直交）する。主面６１ａは、方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合っている。基板６２は、電子増倍体４が実装される板状の部材である。基板６２は、例えば、ガラスエポキシ基板等のプリント基板である。基板６２は、主面６２ａ（第２主面）と、主面６２ａと反対側の裏面６２ｂとを有する。主面６２ａ及び裏面６２ｂは、方向Ｄ１と交差（ここでは、直交）する。主面６２ａは、方向Ｄ１においてイオン導入部２と向かい合っている。基板６１と基板６２とは、方向Ｄ２に配列されている。基板６１と基板６２とは、方向Ｄ２と直交するとともに中心軸ＡＸに沿った仮想面に対して実質的に面対称に配置される。

アノード５は、主面６１ａに設けられている。アノード５は、配線パターンとして主面６１ａ上に形成されてもよい。アノード６は、主面６２ａに設けられている。アノード６は、配線パターンとして主面６２ａ上に形成されてもよい。アノード５とアノード６とは、上記仮想面に対して実質的に面対称に配置される。

電子増倍体３は、出力電極３３がアノード５と方向Ｄ１において向かい合うように主面６１ａ上に配置されている。本実装例では、支持部３３ｂの他端はネジ又は溶接等によって基板６１の主面６１ａに固定されている。電子増倍体４は、出力電極４３がアノード６と方向Ｄ１において向かい合うように主面６２ａ上に配置されている。本実装例では、支持部４３ｂの他端はネジ又は溶接等によって基板６２の主面６２ａに固定されている。

コンデンサ７，８及び切替回路９は、基板６１，６２とは別の基板（不図示）に実装されている。なお、コンデンサ７は、基板６１に実装されてもよく、コンデンサ８は、基板６２に実装されてもよい。

この実装例では、アノード５とアノード６とは異なる基板に配置されるので、アノード５とアノード６との間で沿面放電が生じる可能性を低減することができる。さらに、電子増倍体３と電子増倍体４とは互いに異なる基板に配置されるので、電子増倍体３及び電子増倍体４の配置の自由度を向上させることができる。

次に、図９を参照しながら、図１に示されるイオン検出器１の更に別の実装例を説明する。図９は、図１に示されるイオン検出器の更に別の実装例を示す断面図である。図９に示されるように、入力電極３２は、延長部３２ｂを含まない。入力電極４２は、延長部４２ｂを含まい。このような構成では、上述のように、正イオン検出時には、正の電位によって正イオンが反発し、正イオンには方向Ｄ２において電子増倍体４から離れる方向に力が加わる。同様に、負イオン検出時には、正の電位によって負イオンが引き込まれ、負イオンには方向Ｄ２において電子増倍体３から離れる方向に力が加わる。

これに対し、電子増倍体３と電子増倍体４とは、中心軸ＡＸに沿った仮想面に対して非対称に配置される。具体的には、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも大きくなるように、電子増倍体３及び電子増倍体４が配置される。出力電極３３に印加される電圧と出力電極４３に印加される電圧との差が大きいほど、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも大きい値に設定される。正イオンの軌道をシミュレーションによって予め計算することによって、距離Ｌ１が定められてもよい。負イオンの軌道をシミュレーションによって予め計算することによって、距離Ｌ２が定められてもよい。

この構成によれば、電子増倍体４よりも電子増倍体３の方が方向Ｄ２において中心軸ＡＸから離れているので、正イオンが入力電極３２に入射する可能性を高めることができる。同様に、電子増倍体３よりも電子増倍体４の方が方向Ｄ２において中心軸ＡＸに近いので、負イオンが入力電極４２に入射する可能性を高めることができる。したがって、正イオン及び負イオンの検出精度を向上させることが可能となる。

１…イオン検出器、２…イオン導入部、２ａ…貫通孔、３…電子増倍体（第１電子増倍体）、４…電子増倍体（第２電子増倍体）、５…アノード（第１アノード）、６…アノード（第２アノード）、９…切替回路、９ａ…入力端子（第１入力端子）、９ｂ…入力端子（第２入力端子）、９ｃ…出力端子、３１…増倍部（第１増倍部）、３２…入力電極（第１入力電極）、３２ａ…本体部（第１本体部）、３２ｂ…延長部（第１延長部）、３３…出力電極（第１出力電極）、４１…増倍部（第２増倍部）、４２…入力電極（第２入力電極）、４２ａ…本体部（第１本体部）、４２ｂ…延長部（第１延長部）、４３…出力電極（第２出力電極）、５１…基板、５１ａ…主面、５１ｓ…スリット、５２，５３…スペーサ（支持部材）、６１…基板（第１基板）、６２…基板（第２基板）、６１ａ…主面（第１主面）、６２ａ…主面（第２主面）、ＡＸ…中心軸、Ｄ１…方向（第１方向）、Ｄ２…方向（第２方向）。

Claims (10)

1. 第１極性を有する第１イオンを検出するための第１電子増倍体と、
   前記第１極性とは異なる第２極性を有する第２イオンを検出するための第２電子増倍体と、
   前記第１電子増倍体から放出される電子を捕捉する第１アノードと、
   前記第２電子増倍体から放出される電子を捕捉する第２アノードと、
   前記第１アノードと電気的に接続されている第１入力端子、前記第２アノードと電気的に接続されている第２入力端子、及び出力端子を含み、前記第１入力端子及び前記第２入力端子のいずれかを選択的に前記出力端子に接続する切替回路と、
   第１方向に延びる中心軸を有する貫通孔が設けられたイオン導入部と、
   を備え、
   前記第１電子増倍体は、前記第１方向に延びる第１増倍部と、前記第１増倍部の前記第１方向における一端に設けられた第１入力電極と、前記第１増倍部の前記第１方向における他端に設けられた第１出力電極と、を備え、
   前記第２電子増倍体は、前記第１方向に延びる第２増倍部と、前記第２増倍部の前記第１方向における一端に設けられた第２入力電極と、前記第２増倍部の前記第１方向における他端に設けられた第２出力電極と、を備え、
   前記第１入力電極は、前記貫通孔を通過した前記第１イオンを受け、
   前記第２入力電極は、前記貫通孔を通過した前記第２イオンを受け、
   前記第１電子増倍体と前記第２電子増倍体とは、前記第１方向と交差する第２方向において互いに離間しており、
   前記第１入力電極は、前記第１方向において前記イオン導入部と向かい合う第１本体部と、前記第１方向において前記第１出力電極に向かって延びる第１延長部と、を含み、
   前記第１延長部は、前記第１増倍部の前記第２増倍部と向かい合う部分を覆う、イオン検出器。
2. 前記第１延長部は、筒状の形状を有する、請求項１に記載のイオン検出器。
3. 前記第２入力電極は、前記第１方向において前記イオン導入部と向かい合う第２本体部と、前記第１方向において前記第２出力電極に向かって延びる第２延長部と、を含み、
   前記第２延長部は、前記第２増倍部の前記第１増倍部と向かい合う部分を覆う、
   請求項１又は請求項２に記載のイオン検出器。
4. 前記第２延長部は、筒状の形状を有する、請求項３に記載のイオン検出器。
5. 前記第１電子増倍体と前記中心軸との前記第２方向における距離は、前記第２電子増倍体と前記中心軸との前記第２方向における距離と等しい、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載のイオン検出器。
6. 前記第１方向において前記イオン導入部と向かい合う主面を有する基板を更に備え、
   前記第１アノード及び前記第２アノードは、前記主面に設けられ、
   前記第１電子増倍体は、前記第１出力電極が前記第１アノードと前記第１方向において向かい合うように前記主面上に配置され、
   前記第２電子増倍体は、前記第２出力電極が前記第２アノードと前記第１方向において向かい合うように前記主面上に配置される、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のイオン検出器。
7. 前記切替回路は、前記基板に実装されている、請求項６に記載のイオン検出器。
8. 前記基板には、前記第１アノードと前記第２アノードとの間に前記基板を前記第１方向に貫通するスリットが設けられている、請求項６又は請求項７に記載のイオン検出器。
9. 前記主面に設けられ、前記イオン導入部を支持する支持部材を更に備える、請求項６～請求項８のいずれか一項に記載のイオン検出器。
10. 前記第１方向において前記イオン導入部と向かい合う第１主面を有する第１基板と、
    前記第１方向において前記イオン導入部と向かい合う第２主面を有する第２基板と、
    を更に備え、
    前記第１アノードは、前記第１主面に設けられ、
    前記第２アノードは、前記第２主面に設けられ、
    前記第１電子増倍体は、前記第１出力電極が前記第１アノードと前記第１方向において向かい合うように前記第１主面上に配置され、
    前記第２電子増倍体は、前記第２出力電極が前記第２アノードと前記第１方向において向かい合うように前記第２主面上に配置される、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のイオン検出器。

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