JPH0467549A - 質量分析装置を有するイオン源 - Google Patents
質量分析装置を有するイオン源Info
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- JPH0467549A JPH0467549A JP2179971A JP17997190A JPH0467549A JP H0467549 A JPH0467549 A JP H0467549A JP 2179971 A JP2179971 A JP 2179971A JP 17997190 A JP17997190 A JP 17997190A JP H0467549 A JPH0467549 A JP H0467549A
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Landscapes
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明はある定まった質量数のイオンのみを含む大面
積のイオンビームを生成することのできるイオン源に関
する。
積のイオンビームを生成することのできるイオン源に関
する。
【 従 来 の 技 術 】イオンを細い
ビームにして試料に当て局所的な試料の物性を調べる(
例えばSIMS)場合など、特定のイオンだけを選ばな
ければならないので質量分析装置が設けられる。1次イ
オンが試料に当たって、2次イオンが放出されるのであ
るが、1次イオンの種類、質量数が一定していないと、
2次イオンのエネルギー分析により試料の物性が分から
ないからである。 このような場合は、電磁石が作る静磁界の中をイオンが
通過するようにする。イオン源から出たイオンは加速エ
ネルギーが同じであるが質量数が違うので、同一の磁界
の中で描く円弧のラーモア半径が異なる。軌道の半径が
異なると、磁界で偏向した後、イオンの軌道が異なるの
でこれらを分離することができる。 このように細いイオンビームを偏向磁界で質量分析する
装置はよく知られている。ビーム径が小さいので、磁石
の断面積が比較的小さい。 ところがこれとは反対に大面積のイオンビームを必要と
する場合がある。半導体ウェハの上にイオンを打ち込む
場合、シート材の表面改質のためにイオンを照射する場
合などなんらかの表面処理を広い面積にわたって行う場
合である。表面処理を目的とするので、イオンビームは
大きく拡がっている方が効率的である。 このような大面積のイオンビームを作る装置は既に存在
する。しかし、これらの装置は質量分析のための機構を
備えていない。大面積のイオンビームを質量分析しよう
とすると、これらのビームの断面積の何倍もの断面積を
有する電磁石が必要である。大面積のイオンビームに対
して、このような電磁石は巨大なものとなるので、実際
には使用されていない。磁界を生ずる部分が大きいと、
コイルを巻く部分も大きく全体として極めて大きい電磁
石となり非現実的である。 大面積のイオンビームを作らず細い直径のイオンビーム
を作って、これを質量分離し、この後ビームを拡げて大
面積の平行ビームにするという事も考えられる。
ビームにして試料に当て局所的な試料の物性を調べる(
例えばSIMS)場合など、特定のイオンだけを選ばな
ければならないので質量分析装置が設けられる。1次イ
オンが試料に当たって、2次イオンが放出されるのであ
るが、1次イオンの種類、質量数が一定していないと、
2次イオンのエネルギー分析により試料の物性が分から
ないからである。 このような場合は、電磁石が作る静磁界の中をイオンが
通過するようにする。イオン源から出たイオンは加速エ
ネルギーが同じであるが質量数が違うので、同一の磁界
の中で描く円弧のラーモア半径が異なる。軌道の半径が
異なると、磁界で偏向した後、イオンの軌道が異なるの
でこれらを分離することができる。 このように細いイオンビームを偏向磁界で質量分析する
装置はよく知られている。ビーム径が小さいので、磁石
の断面積が比較的小さい。 ところがこれとは反対に大面積のイオンビームを必要と
する場合がある。半導体ウェハの上にイオンを打ち込む
場合、シート材の表面改質のためにイオンを照射する場
合などなんらかの表面処理を広い面積にわたって行う場
合である。表面処理を目的とするので、イオンビームは
大きく拡がっている方が効率的である。 このような大面積のイオンビームを作る装置は既に存在
する。しかし、これらの装置は質量分析のための機構を
備えていない。大面積のイオンビームを質量分析しよう
とすると、これらのビームの断面積の何倍もの断面積を
有する電磁石が必要である。大面積のイオンビームに対
して、このような電磁石は巨大なものとなるので、実際
には使用されていない。磁界を生ずる部分が大きいと、
コイルを巻く部分も大きく全体として極めて大きい電磁
石となり非現実的である。 大面積のイオンビームを作らず細い直径のイオンビーム
を作って、これを質量分離し、この後ビームを拡げて大
面積の平行ビームにするという事も考えられる。
細いイオンビームを質量分析するために偏向電磁石を用
いることは公知である。しかし、大面積イオンビームに
対して同様の手段を用いることはできない。もしもそう
しようとすれば巨大な電磁石が必要でイオン源全体の殆
ど全てを電磁石やその架台、冷却水系、電源によって占
められることになろう。これは非現実であり、大面積イ
オンビームを質量分析する装置は現在のところ存在しな
い。 ビームを細く絞れば偏向磁石によって質量分析できるは
ずである。しかしこのためにはビームを絞るための距離
が必要になる。また質量分析後の細いビームを拡げるた
めに距離が必要になる。 また偏向磁石による方法はイオンを「へ」の字型の軌道
に曲げるので装置全体が大きくならざるを得ない。 またイオン源を出たイオンは数10keV〜数100k
eV程度の高いエネルギーを持ち磁石で曲げようとする
と長手方向に磁石が大きいものでなければならない。結
局現在のところ大面積ビームを生ずるイオン源で質量分
析装置を備えたものは存在しない。 本発明は大面積イオンビ−ムを生ずるイオン源に於いて
、大面積性を損なうことなく質量分析できるようにした
ものを提供することを目的とする。
いることは公知である。しかし、大面積イオンビームに
対して同様の手段を用いることはできない。もしもそう
しようとすれば巨大な電磁石が必要でイオン源全体の殆
ど全てを電磁石やその架台、冷却水系、電源によって占
められることになろう。これは非現実であり、大面積イ
オンビームを質量分析する装置は現在のところ存在しな
い。 ビームを細く絞れば偏向磁石によって質量分析できるは
ずである。しかしこのためにはビームを絞るための距離
が必要になる。また質量分析後の細いビームを拡げるた
めに距離が必要になる。 また偏向磁石による方法はイオンを「へ」の字型の軌道
に曲げるので装置全体が大きくならざるを得ない。 またイオン源を出たイオンは数10keV〜数100k
eV程度の高いエネルギーを持ち磁石で曲げようとする
と長手方向に磁石が大きいものでなければならない。結
局現在のところ大面積ビームを生ずるイオン源で質量分
析装置を備えたものは存在しない。 本発明は大面積イオンビ−ムを生ずるイオン源に於いて
、大面積性を損なうことなく質量分析できるようにした
ものを提供することを目的とする。
イオン源に於いては、例えばアーク放電によってガスを
プラズマ化する。引き出し電極と呼ぶ多数の穴を穿った
電極板が、アーク放電を行うチャンバの出口に設けられ
る。これに高電位にされたチャンバに対して負の電圧を
加えて正イオンを引き出す。さらに引き出し電極の前方
に加速電極があって、ここでさらに引き出し電極に対し
て負の電圧を加えてイオンを加速する。 引き出し電極を出たイオンのエネルギーは低い。数10
0ev〜数keV程度である。また加速電極では所望の
高いエネルギーに加速される。数1Okev〜数100
keV程度である。 電極板に多数の穴が縦横にあるので、イオンは多数の穴
を通過することができ全体として大面積のイオンビーム
となる。 大面積用のイオン源は公知である。 本発明に於いては、さらに引き出し電極と加速電極との
間に、或は加速電極の後段に引き出し電極、加速電極の
穴と合致した縦横の通し穴を育する2枚の導体に取り付
けられた絶縁板と、これらの絶縁板の間に通し穴と同じ
ピッチで各人の回りに4つずつ並ぶ多数の柱状電極とよ
りなる多数の電気四重極を設け、ビームの大面積性を損
なうことな(直線的な通路を直進させることによっであ
る定まった質量数のイオンのみを取り出すことができる
ようにしている。
プラズマ化する。引き出し電極と呼ぶ多数の穴を穿った
電極板が、アーク放電を行うチャンバの出口に設けられ
る。これに高電位にされたチャンバに対して負の電圧を
加えて正イオンを引き出す。さらに引き出し電極の前方
に加速電極があって、ここでさらに引き出し電極に対し
て負の電圧を加えてイオンを加速する。 引き出し電極を出たイオンのエネルギーは低い。数10
0ev〜数keV程度である。また加速電極では所望の
高いエネルギーに加速される。数1Okev〜数100
keV程度である。 電極板に多数の穴が縦横にあるので、イオンは多数の穴
を通過することができ全体として大面積のイオンビーム
となる。 大面積用のイオン源は公知である。 本発明に於いては、さらに引き出し電極と加速電極との
間に、或は加速電極の後段に引き出し電極、加速電極の
穴と合致した縦横の通し穴を育する2枚の導体に取り付
けられた絶縁板と、これらの絶縁板の間に通し穴と同じ
ピッチで各人の回りに4つずつ並ぶ多数の柱状電極とよ
りなる多数の電気四重極を設け、ビームの大面積性を損
なうことな(直線的な通路を直進させることによっであ
る定まった質量数のイオンのみを取り出すことができる
ようにしている。
【 作 用 ]
引き出し電極、2枚の絶縁板、加速電極はほぼ同じ大き
さの多孔板で、穴が合致するように縦横に穿たれている
。イオンビームは電極板の法線方向に直進するから、引
き出し電極を通過したイオンはほとんど全て、絶縁板、
加速電極の穴をそのまま通り抜けることができる。 これは絶縁板の中間にある電気四重極をなす電極の間に
電圧をかけない場合である。 本発明に於いては、穴の回りに4つずつ、しかも穴のピ
ッチと同じピッチで存在する柱状電極を、任意の穴を中
心として右下がりの対角線方向に並ぶ電極の組と、左下
がりの対角線方向に並ぶ電極の組とを作り、この間に直
流が重畳された交流電圧を印加する。つまり柱状電極は
2組に分けられ、これらの間に 1o= U + V cosmt (1)
というような電圧を印加するのである。 すると絶縁体の穴から他の絶縁体の穴に至る通路に於い
て、イオンは通路と直角な方向に(1)のような電圧で
できる電界の作用を受けるので、通路と直角な方向に振
動する。ある特定の質量数とエネルギーを持ったイオン
だけが安定な振動をするその他のイオンは直角な方向に
発散する振動をする。従って、ある特定の質量数とエネ
ルギーを持ったイオンだけが2番目の絶縁体の穴を通り
抜ける事ができる。その他のイオンはこの穴を通り抜け
ることができない。 こうして多数の通し穴を有する2枚の絶縁体と多数の柱
状電極と電源とは電気四重極分析器を構成することにな
る。2枚の絶縁体の前後の通し穴を通過できるのはある
特定のエネルギー質量数のイオンだけだからである。 通し穴は縦横に数多くあり、通し穴の数だけ電気四重極
があるので、全ての穴に於いて質量分析作用がある。こ
のため、イオンビームはそのままの面積を保ったまま質
量分析されることになる。 つまりイオンビームの大面積が毫も損なわれることがな
い。単一の電気四重極で質量分析するというのは周知で
ある。しかし、多数の四重極分析器を縦横に並べて大面
積のイオンビームをそのまま質量分析するものはこれま
で存在しなかった。 このようにすると、1本の柱状電極が4つの穴に対して
電極として作用するので、4倍の機能を果たすことにな
る。 ひとつの電極の役割が4倍になるという事は、空間の節
約にもなるわけで電極のために必要な空間が1/4に減
少していることになる。 引き出し電極、2枚の絶縁板、加速電極の縦横の穴は軸
方向(板の法線の方向)に合致するように、寸法、配列
が同一になっている。このため本発明の質量分析器を挿
入したため、所望の質量数のイオンビーム強度が低減す
るという事はない。 つまりイオンビームの挿入損失がない。 電気四重極の分解能は柱状電極の長さに比例して大きく
なる。分解能を高めるためには柱状電極を長くし分析の
ための空間を長くしなければならない。測定装置に使わ
れる細いビームを質量分析するものは同位体分離などが
要求される。つまり質量数がひとつちがうものが分離さ
れなければならない。 しかし大面積イオン源の場合は、同位体分離など要求さ
れない。もっと粗い質量分離であって差し支えない。 例えばpn3”″とP+というようにかなり質量数の異
なるものが分離できれば良い。従って本発明の質量分析
装置の長さL(2枚の絶縁板の間隔)はあまり大きくな
い。 この多数の電気四重極からなる質量分析器を複合電気四
重極分析器という事にする。これは引き出し電極と加速
電極の間に設けることもできるし、加速電極の後段に設
けることもできる。 ただし、引き出し電極と加速電極の間の方が質量分析の
分解能は良い。ここではイオンのエネルギーが低いから
である。加速電極の後段ということになると、エネルギ
ーが高いので分解能が低くなる。 【 実 施 例 】 第1図は本発明の実施例に係るイオン源の概略断面図で
ある。これはアーク放電によって導入されたガスをプラ
ズマとし、多孔電極板によってイオンを引き出し加速し
てイオンビームとするものである。 フィラメント1はアークチャンバ2の中にあって加熱さ
れて熱電子を放出する。アークチャンバ2とフィラメン
ト1の間にはアーク電圧VARCが印加されている。こ
れは数10V−100V程度である。 ガス導入口21からガスが導入されこれが、アークチャ
ンバ2とフィラメント1の間に生ずるアーク放電によっ
てプラズマ化される。 アークチャンバ2の周囲には壁面近くにカスプ磁場を形
成するための多数の永久磁石があるが、ここでは図示を
略している。 フィラメント1は絶縁物22を通る電流導入端子によっ
てフィラメント電源23につながっている。フィラメン
ト1とアークチャンバ2の間にアーク電源24がありこ
れがアーク電圧v0゜を生じている。 アークチャンバ2は真空に引くことのできる広い空間で
あるが、この一方が開口になっており、開口には幾つか
の多孔電極板が設けられる。 絶縁物3によって、多数の縦横の穴を有する弓き出し電
極4、導入電極5が支持されている。これらの穴は軸方
向に合致している。 引き出し電極4には、アーク電源24によってアークチ
ャンバ2に対して負の電圧V□。が印加されている。正
のイオンはこの電圧によって引き出し電極4に引き寄せ
られる。そして引き出し電極4の穴を通過して、アーク
チャンバ2の外へ出る。 次の導入電極5は導入電源25によりさらに負の電圧v
eがかかっている。ここを通るイオンはさらにqv6の
運動エネルギーを得る。qはイオンの電荷である。ve
は1kV〜数にV程度である。 この実施例では、導入電極5に次いで質量分析部6が設
置されている。 質量分析部6は前後に、多孔電極板である第1スリツト
板7、第2スリツト板8を有し、これらによって挟まれ
た空間に絶縁板や柱状電極選別空間を備えている。 質量分析部6に続いて、絶縁体3によって支持され多孔
板である、加速電極9、減速電極10、接地電極11が
設けられる。 これらの電極4.5.7.8.9.10.11は全て多
孔の電極板であるが穴は寸法、位置、配列などが軸方向
に合致している。面に垂直に進むイオンは最初の引き出
し電極4を通過できれば他の電極も通過できるようにな
っている。 導入電極5と第1スリツト板7の間には補償電源26に
よりVIの正電圧がかかっている。これはイオンを減速
する作用があり、V、<Veとすることにより、第1ス
リツト板7の直前でのイオンの速さを極めて小さくする
ことができる。そうすると質量分析部6に入射するイオ
ンエネルギーが低くこれが通過する時間が長くなるので
質量分解能が良くなる。 第1スリツト板7と第2スリツト板8は加速電極9より
高電位にある。加速電極9は、大地に対し加速電源27
によりvlの高電圧に保たれている。 q(Ve+Va)が最終的にイオンが得る運動エネルギ
ーになる。目的によってこの値は適当に設定される。例
えば数10kV〜数+00kVである。 減速電極10には減速電源28によって、大地に対して
−v5の電圧が印加される。引き出し電極4と減速電極
10の間に加わる電圧は(Ve十Va十V、)であり、
減速電極を通ることによりV、だけ電位が上がるので、
結局加速エネルギーはq(Ve+Va)ということにな
る。 質量分析部6について説明する。これは導体である第1
スリツト板7、第2スリツト板8によって、第1絶縁体
12、第2絶縁体13を挟み、第1、第2絶縁体12.
13−によって、多数の柱状電極14.15の両端を挟
んだような形状になっている。 柱状電極14.15の両端を支持するために、絶縁体1
2.13の内面には、円形の凹部を設けておき、これに
電極14.15を差し込むようにすれば便利である。そ
うではなくて、柱状電極14.15を中間部で支持する
ための第3の絶縁体板を用いてもよい。 絶縁体12.13及び中間の絶縁体があればこれも含め
て、第1スリツト板7、第2スリツト板8の縦横の穴を
合致するような通し穴17.18が穿孔されている。結
局、全ての電極4.5.78.9.10.11の穴と絶
縁体12.13の通し穴は軸方向に全て合致するような
寸法、配列、個数になるようになっている。 柱状電極14.15は、絶縁体12.13の通し穴17
.18と同じ縦横のピッチで設けられるが、l/2ピツ
チずつ縦横にずれている。このためひとつの通し穴17
.18の中心軸がら見ると4方に柱状電極が存在する。 またひとつの柱状電極から見ると、4方に通[7穴が存
在するように見える。 第2図は質量分析部の横断平面図である。 柱状電極、通し穴の方向を2軸とし、これに直角なxy
平面に、これら電極や通し穴が均等に分布しているもの
とする。 通し穴、柱状電極の縦横のピッチを2pとする。 中心座標を0点とし、ここにひとつの通し穴の中心が重
なっているものとする。通し穴は±2pずつXN V方
向に配列しているので、その座標はQ 、、、fi=
(2mp12 np) ■というように表現でき
る。たたしmXnは正負の整数である。 柱状電極はこれに±pを加えたものとして表現すること
ができる。しかし、柱状電極には2種類ある。正負の電
極とするためである。任意の通し穴17.18の中心線
から見て、ある対角線方向には正の電極が、他の対角線
方向には負の電極が並ぶものとする。 つまり柱状電極に着目すれば、ひとつおきに同じ極性の
電極が並ぶという事である。 正の柱状電極Rの座標は というように表現できるし、負の柱状電極Sの座標は というように表現できる。正柱状電極はXN y軸に対
し45° の方向に並ぶ。負柱状電極も同様である。 こうして正、負の柱状電極が区別できる。ひとつの穴か
ら見れば、45° の4方向にかならず柱状電極がある
。正柱状電極14はそのXNV座標の和が4の倍数でな
い、負柱状電極15はX1y座標の和が4の倍数である
、という事によって区別できる。 そうでなくて、正柱状電極14はX%V座標の差が4の
倍数で、負柱状電極15はX1Y座標の差が4の倍数で
ないという事によって定義することもできる。 正柱状電極14は全て同一の電位を与えるために連結さ
れる。負柱状電極15も全て同一の電位を与えるために
連結される。 正柱状電極14と負柱状電極15の間には、四電極電源
16により直流を重畳した交流電圧U0が印加される。 U0= U + V cosωt (5)第3図
は簡略化した四重極の電源との接続図である。四重接電
源16の中には直流電源vbと、交流電源Vrrがあり
、それぞれ直流電圧U1交流電圧Vを発生している。 四重極の中心では電界はOである。また正電極負電極を
結ぶ線上(XNY軸と45° をなす方向)でも電界は
Oである。また電界の強さは、原点の中心近傍では原点
からの距離に比例して電界が増加する。 そこで元のXNV軸から45“回転した座標系を考える
。つまり、新しいX軸上に負電極があり、新しいX軸上
に正電極があるものとする。第3図はそのような座標系
で書いている。 この座標系でX1Y軸で電界は軸に沿う成分しかもたな
い。これは対称性のためである。また、X軸上で電界は
反対称である。Y軸上でも反対称である。また、任意の
点で位置ベクトル(X、 Y)と電界ベクトル(Exl
Ey)とは直交する。このようなことから、(X1Y)
点での電界はEx=u0x (6) Ey=−kU、Y (7) と書くことができる。ただしkは定数である。柱状電極
のピッチが2pであり、柱状電極の半径をbとすると原
点から電極までの距離は(p−b)ということになる。 これをroとして、Exを積分して J Exdx = −U、/2
(8)であるから(原点と電極の電位差はU0/2だ
から)kro”/2= 1/2
(9)となってkが求まる。 この座標系では変数分離の微分方程式になり、イオンの
運動方程式は、 MX= Q (U+Vcosωt ) X/ro”
O0MY= −q(U+Vcosωt)Y/ro”(I
I) MZ=0 ということになる。qはイオンの電荷、Mはイオンの質
量である。 ξ ωt/2 Mω2.。2 という変換を行うと、マシューの微分方程式の標準形と
なる。 dξ2 これは発散する解と安定な解を持つ。安定な解を持つa
lbの領域は既によく知られている。 もしもb=oだとすると、これは、単純な定数係数2階
線型微分方程式になる。a>0なら(17)は安定な振
動解、(IG)は発散解である。a<0ならその逆とな
る。つまりb=oであれば(IG)、(17)がともに
安定な振動解を持つことはない。 反対にa=Oであれば、b≠0で全て発散解となる。2
つの式が共に安定な振動解を持つには、a1b共にOで
あってはならない。 (17)がマシューの微分方程式の標準形である。 これは、a>Oの領域でバンド状の安定解の範囲を持つ
。a<Oの領域では僅かな安定解の範囲を持つ。(IG
)、(17)共に安定解を持つという事は、a>0の領
域とa<Oの領域の安定解を重ね合わせたものになり、
これは僅かな範囲である。albが最もOに近い部分で
、安定解を持つ範囲を第4図に示す。2重斜線の部分が
その範囲である。 パラメータa1bは直流分U1交流分Vを含むパラメー
タで、イオンの質量などは同じ形で含まれている。イオ
ン質量M1電荷qが違うとa) bは変化するが比の値
a/bは変わらない。 2重斜線の部分は、下に凸のOKL曲線と、LNlNo
で囲まれる略三角形状である。 直線OLの傾きalbは0.33 である。そこでa
/b=kが、0.33より小さい値になるようにU、V
の値を v b 設定すれば、この傾きの直線は2点R1、R2て安定領
域曲線に変わる。 どのようなイオンに対しても、albの比は一定である
が、aN bがOR,の間、R2より外側にある場合、
発散解を持つことになる。albが線分R1R2の間に
あるときたけ安定解を持つ。 R,R2のときのbの値をbl、b2として、b、<b
<b2となるbの値を持つような質量数Mのイオンは
安定な振動をするので、これは2つの通し穴1718を
通過することができる。 これらは電気四重極質量分析器の原理として既によく知
られていることである。この話は電極の長さが無限大と
しての話である。実際に測定器のイオンビームに対して
使用する場合は同位体も除く必要があるので、長い電極
を用いる。 しかし本発明の場合、多様で接近した質量数のイオンが
プラズマ中に含まれているという事は少ないし、同位体
を区別する必要もないので、分解能はあまり高くなくて
もよい。このため質量分析器の長さ(柱状電極の長さ)
Lは短くて良い。 入射イオンのエネルギーをEoとすると、これが長さし
を飛行する時間が2π/ωより長ければ良いと考えられ
る。 ω 2E。 また質量分析器の長さLが短いから、第4図でR,R2
から少しずれた所の(alb)に対してもイオンが通し
穴17.18を通過することもある。従ってN a /
bの値を0.33に近付けても、所望の質量のイオン
を通すことは十分に可能である。 a/bを0.33に近付けると、Lが短くても分析作用
が高くなる。
さの多孔板で、穴が合致するように縦横に穿たれている
。イオンビームは電極板の法線方向に直進するから、引
き出し電極を通過したイオンはほとんど全て、絶縁板、
加速電極の穴をそのまま通り抜けることができる。 これは絶縁板の中間にある電気四重極をなす電極の間に
電圧をかけない場合である。 本発明に於いては、穴の回りに4つずつ、しかも穴のピ
ッチと同じピッチで存在する柱状電極を、任意の穴を中
心として右下がりの対角線方向に並ぶ電極の組と、左下
がりの対角線方向に並ぶ電極の組とを作り、この間に直
流が重畳された交流電圧を印加する。つまり柱状電極は
2組に分けられ、これらの間に 1o= U + V cosmt (1)
というような電圧を印加するのである。 すると絶縁体の穴から他の絶縁体の穴に至る通路に於い
て、イオンは通路と直角な方向に(1)のような電圧で
できる電界の作用を受けるので、通路と直角な方向に振
動する。ある特定の質量数とエネルギーを持ったイオン
だけが安定な振動をするその他のイオンは直角な方向に
発散する振動をする。従って、ある特定の質量数とエネ
ルギーを持ったイオンだけが2番目の絶縁体の穴を通り
抜ける事ができる。その他のイオンはこの穴を通り抜け
ることができない。 こうして多数の通し穴を有する2枚の絶縁体と多数の柱
状電極と電源とは電気四重極分析器を構成することにな
る。2枚の絶縁体の前後の通し穴を通過できるのはある
特定のエネルギー質量数のイオンだけだからである。 通し穴は縦横に数多くあり、通し穴の数だけ電気四重極
があるので、全ての穴に於いて質量分析作用がある。こ
のため、イオンビームはそのままの面積を保ったまま質
量分析されることになる。 つまりイオンビームの大面積が毫も損なわれることがな
い。単一の電気四重極で質量分析するというのは周知で
ある。しかし、多数の四重極分析器を縦横に並べて大面
積のイオンビームをそのまま質量分析するものはこれま
で存在しなかった。 このようにすると、1本の柱状電極が4つの穴に対して
電極として作用するので、4倍の機能を果たすことにな
る。 ひとつの電極の役割が4倍になるという事は、空間の節
約にもなるわけで電極のために必要な空間が1/4に減
少していることになる。 引き出し電極、2枚の絶縁板、加速電極の縦横の穴は軸
方向(板の法線の方向)に合致するように、寸法、配列
が同一になっている。このため本発明の質量分析器を挿
入したため、所望の質量数のイオンビーム強度が低減す
るという事はない。 つまりイオンビームの挿入損失がない。 電気四重極の分解能は柱状電極の長さに比例して大きく
なる。分解能を高めるためには柱状電極を長くし分析の
ための空間を長くしなければならない。測定装置に使わ
れる細いビームを質量分析するものは同位体分離などが
要求される。つまり質量数がひとつちがうものが分離さ
れなければならない。 しかし大面積イオン源の場合は、同位体分離など要求さ
れない。もっと粗い質量分離であって差し支えない。 例えばpn3”″とP+というようにかなり質量数の異
なるものが分離できれば良い。従って本発明の質量分析
装置の長さL(2枚の絶縁板の間隔)はあまり大きくな
い。 この多数の電気四重極からなる質量分析器を複合電気四
重極分析器という事にする。これは引き出し電極と加速
電極の間に設けることもできるし、加速電極の後段に設
けることもできる。 ただし、引き出し電極と加速電極の間の方が質量分析の
分解能は良い。ここではイオンのエネルギーが低いから
である。加速電極の後段ということになると、エネルギ
ーが高いので分解能が低くなる。 【 実 施 例 】 第1図は本発明の実施例に係るイオン源の概略断面図で
ある。これはアーク放電によって導入されたガスをプラ
ズマとし、多孔電極板によってイオンを引き出し加速し
てイオンビームとするものである。 フィラメント1はアークチャンバ2の中にあって加熱さ
れて熱電子を放出する。アークチャンバ2とフィラメン
ト1の間にはアーク電圧VARCが印加されている。こ
れは数10V−100V程度である。 ガス導入口21からガスが導入されこれが、アークチャ
ンバ2とフィラメント1の間に生ずるアーク放電によっ
てプラズマ化される。 アークチャンバ2の周囲には壁面近くにカスプ磁場を形
成するための多数の永久磁石があるが、ここでは図示を
略している。 フィラメント1は絶縁物22を通る電流導入端子によっ
てフィラメント電源23につながっている。フィラメン
ト1とアークチャンバ2の間にアーク電源24がありこ
れがアーク電圧v0゜を生じている。 アークチャンバ2は真空に引くことのできる広い空間で
あるが、この一方が開口になっており、開口には幾つか
の多孔電極板が設けられる。 絶縁物3によって、多数の縦横の穴を有する弓き出し電
極4、導入電極5が支持されている。これらの穴は軸方
向に合致している。 引き出し電極4には、アーク電源24によってアークチ
ャンバ2に対して負の電圧V□。が印加されている。正
のイオンはこの電圧によって引き出し電極4に引き寄せ
られる。そして引き出し電極4の穴を通過して、アーク
チャンバ2の外へ出る。 次の導入電極5は導入電源25によりさらに負の電圧v
eがかかっている。ここを通るイオンはさらにqv6の
運動エネルギーを得る。qはイオンの電荷である。ve
は1kV〜数にV程度である。 この実施例では、導入電極5に次いで質量分析部6が設
置されている。 質量分析部6は前後に、多孔電極板である第1スリツト
板7、第2スリツト板8を有し、これらによって挟まれ
た空間に絶縁板や柱状電極選別空間を備えている。 質量分析部6に続いて、絶縁体3によって支持され多孔
板である、加速電極9、減速電極10、接地電極11が
設けられる。 これらの電極4.5.7.8.9.10.11は全て多
孔の電極板であるが穴は寸法、位置、配列などが軸方向
に合致している。面に垂直に進むイオンは最初の引き出
し電極4を通過できれば他の電極も通過できるようにな
っている。 導入電極5と第1スリツト板7の間には補償電源26に
よりVIの正電圧がかかっている。これはイオンを減速
する作用があり、V、<Veとすることにより、第1ス
リツト板7の直前でのイオンの速さを極めて小さくする
ことができる。そうすると質量分析部6に入射するイオ
ンエネルギーが低くこれが通過する時間が長くなるので
質量分解能が良くなる。 第1スリツト板7と第2スリツト板8は加速電極9より
高電位にある。加速電極9は、大地に対し加速電源27
によりvlの高電圧に保たれている。 q(Ve+Va)が最終的にイオンが得る運動エネルギ
ーになる。目的によってこの値は適当に設定される。例
えば数10kV〜数+00kVである。 減速電極10には減速電源28によって、大地に対して
−v5の電圧が印加される。引き出し電極4と減速電極
10の間に加わる電圧は(Ve十Va十V、)であり、
減速電極を通ることによりV、だけ電位が上がるので、
結局加速エネルギーはq(Ve+Va)ということにな
る。 質量分析部6について説明する。これは導体である第1
スリツト板7、第2スリツト板8によって、第1絶縁体
12、第2絶縁体13を挟み、第1、第2絶縁体12.
13−によって、多数の柱状電極14.15の両端を挟
んだような形状になっている。 柱状電極14.15の両端を支持するために、絶縁体1
2.13の内面には、円形の凹部を設けておき、これに
電極14.15を差し込むようにすれば便利である。そ
うではなくて、柱状電極14.15を中間部で支持する
ための第3の絶縁体板を用いてもよい。 絶縁体12.13及び中間の絶縁体があればこれも含め
て、第1スリツト板7、第2スリツト板8の縦横の穴を
合致するような通し穴17.18が穿孔されている。結
局、全ての電極4.5.78.9.10.11の穴と絶
縁体12.13の通し穴は軸方向に全て合致するような
寸法、配列、個数になるようになっている。 柱状電極14.15は、絶縁体12.13の通し穴17
.18と同じ縦横のピッチで設けられるが、l/2ピツ
チずつ縦横にずれている。このためひとつの通し穴17
.18の中心軸がら見ると4方に柱状電極が存在する。 またひとつの柱状電極から見ると、4方に通[7穴が存
在するように見える。 第2図は質量分析部の横断平面図である。 柱状電極、通し穴の方向を2軸とし、これに直角なxy
平面に、これら電極や通し穴が均等に分布しているもの
とする。 通し穴、柱状電極の縦横のピッチを2pとする。 中心座標を0点とし、ここにひとつの通し穴の中心が重
なっているものとする。通し穴は±2pずつXN V方
向に配列しているので、その座標はQ 、、、fi=
(2mp12 np) ■というように表現でき
る。たたしmXnは正負の整数である。 柱状電極はこれに±pを加えたものとして表現すること
ができる。しかし、柱状電極には2種類ある。正負の電
極とするためである。任意の通し穴17.18の中心線
から見て、ある対角線方向には正の電極が、他の対角線
方向には負の電極が並ぶものとする。 つまり柱状電極に着目すれば、ひとつおきに同じ極性の
電極が並ぶという事である。 正の柱状電極Rの座標は というように表現できるし、負の柱状電極Sの座標は というように表現できる。正柱状電極はXN y軸に対
し45° の方向に並ぶ。負柱状電極も同様である。 こうして正、負の柱状電極が区別できる。ひとつの穴か
ら見れば、45° の4方向にかならず柱状電極がある
。正柱状電極14はそのXNV座標の和が4の倍数でな
い、負柱状電極15はX1y座標の和が4の倍数である
、という事によって区別できる。 そうでなくて、正柱状電極14はX%V座標の差が4の
倍数で、負柱状電極15はX1Y座標の差が4の倍数で
ないという事によって定義することもできる。 正柱状電極14は全て同一の電位を与えるために連結さ
れる。負柱状電極15も全て同一の電位を与えるために
連結される。 正柱状電極14と負柱状電極15の間には、四電極電源
16により直流を重畳した交流電圧U0が印加される。 U0= U + V cosωt (5)第3図
は簡略化した四重極の電源との接続図である。四重接電
源16の中には直流電源vbと、交流電源Vrrがあり
、それぞれ直流電圧U1交流電圧Vを発生している。 四重極の中心では電界はOである。また正電極負電極を
結ぶ線上(XNY軸と45° をなす方向)でも電界は
Oである。また電界の強さは、原点の中心近傍では原点
からの距離に比例して電界が増加する。 そこで元のXNV軸から45“回転した座標系を考える
。つまり、新しいX軸上に負電極があり、新しいX軸上
に正電極があるものとする。第3図はそのような座標系
で書いている。 この座標系でX1Y軸で電界は軸に沿う成分しかもたな
い。これは対称性のためである。また、X軸上で電界は
反対称である。Y軸上でも反対称である。また、任意の
点で位置ベクトル(X、 Y)と電界ベクトル(Exl
Ey)とは直交する。このようなことから、(X1Y)
点での電界はEx=u0x (6) Ey=−kU、Y (7) と書くことができる。ただしkは定数である。柱状電極
のピッチが2pであり、柱状電極の半径をbとすると原
点から電極までの距離は(p−b)ということになる。 これをroとして、Exを積分して J Exdx = −U、/2
(8)であるから(原点と電極の電位差はU0/2だ
から)kro”/2= 1/2
(9)となってkが求まる。 この座標系では変数分離の微分方程式になり、イオンの
運動方程式は、 MX= Q (U+Vcosωt ) X/ro”
O0MY= −q(U+Vcosωt)Y/ro”(I
I) MZ=0 ということになる。qはイオンの電荷、Mはイオンの質
量である。 ξ ωt/2 Mω2.。2 という変換を行うと、マシューの微分方程式の標準形と
なる。 dξ2 これは発散する解と安定な解を持つ。安定な解を持つa
lbの領域は既によく知られている。 もしもb=oだとすると、これは、単純な定数係数2階
線型微分方程式になる。a>0なら(17)は安定な振
動解、(IG)は発散解である。a<0ならその逆とな
る。つまりb=oであれば(IG)、(17)がともに
安定な振動解を持つことはない。 反対にa=Oであれば、b≠0で全て発散解となる。2
つの式が共に安定な振動解を持つには、a1b共にOで
あってはならない。 (17)がマシューの微分方程式の標準形である。 これは、a>Oの領域でバンド状の安定解の範囲を持つ
。a<Oの領域では僅かな安定解の範囲を持つ。(IG
)、(17)共に安定解を持つという事は、a>0の領
域とa<Oの領域の安定解を重ね合わせたものになり、
これは僅かな範囲である。albが最もOに近い部分で
、安定解を持つ範囲を第4図に示す。2重斜線の部分が
その範囲である。 パラメータa1bは直流分U1交流分Vを含むパラメー
タで、イオンの質量などは同じ形で含まれている。イオ
ン質量M1電荷qが違うとa) bは変化するが比の値
a/bは変わらない。 2重斜線の部分は、下に凸のOKL曲線と、LNlNo
で囲まれる略三角形状である。 直線OLの傾きalbは0.33 である。そこでa
/b=kが、0.33より小さい値になるようにU、V
の値を v b 設定すれば、この傾きの直線は2点R1、R2て安定領
域曲線に変わる。 どのようなイオンに対しても、albの比は一定である
が、aN bがOR,の間、R2より外側にある場合、
発散解を持つことになる。albが線分R1R2の間に
あるときたけ安定解を持つ。 R,R2のときのbの値をbl、b2として、b、<b
<b2となるbの値を持つような質量数Mのイオンは
安定な振動をするので、これは2つの通し穴1718を
通過することができる。 これらは電気四重極質量分析器の原理として既によく知
られていることである。この話は電極の長さが無限大と
しての話である。実際に測定器のイオンビームに対して
使用する場合は同位体も除く必要があるので、長い電極
を用いる。 しかし本発明の場合、多様で接近した質量数のイオンが
プラズマ中に含まれているという事は少ないし、同位体
を区別する必要もないので、分解能はあまり高くなくて
もよい。このため質量分析器の長さ(柱状電極の長さ)
Lは短くて良い。 入射イオンのエネルギーをEoとすると、これが長さし
を飛行する時間が2π/ωより長ければ良いと考えられ
る。 ω 2E。 また質量分析器の長さLが短いから、第4図でR,R2
から少しずれた所の(alb)に対してもイオンが通し
穴17.18を通過することもある。従ってN a /
bの値を0.33に近付けても、所望の質量のイオン
を通すことは十分に可能である。 a/bを0.33に近付けると、Lが短くても分析作用
が高くなる。
【発明の効果】
大面積イオンビームを作るイオン源に於いて、初めて質
量分析器を設けたものである。イオン源から多種類のイ
オンが引き出されたとしても、単一の質量数を持つイオ
ンのみが質量分析器を通過することができる。 磁場を用いてビームを彎曲させるのではなく、直進させ
ることによって特定の質量数のイオンのみを選択する。 磁場を用いる場合は、巨大な磁石が必要になり、大面積
ビームに対しては現実的でない。また「へ」の字型にビ
ームを曲げるから、大きな空間を必要とする。−旦細い
ビームに絞ってから磁場で偏向し再びビームを拡大する
というのとは違う。大面積ビームのまま多くの通し穴を
通し、ここに設けた四重極質量分析器によってそれぞれ
の穴で質量分析する。生成されたイオンビームの大面積
性を損なうことがない。 電圧を用いて質量分析するので、強磁性体コアも嵩高い
巻線も不必要である。電極があればよいだけであるので
、空間の利用効率が良い。またひとつの電極が4つの質
量分析器の電極を兼ねており電極材料及び空間の有効利
用をはかることができる。 なお、この発明によればイオン源は大面積のビームを生
するから、高精度の均一性を必要としない場合には、被
照射物の回転を省略することも可能である。
量分析器を設けたものである。イオン源から多種類のイ
オンが引き出されたとしても、単一の質量数を持つイオ
ンのみが質量分析器を通過することができる。 磁場を用いてビームを彎曲させるのではなく、直進させ
ることによって特定の質量数のイオンのみを選択する。 磁場を用いる場合は、巨大な磁石が必要になり、大面積
ビームに対しては現実的でない。また「へ」の字型にビ
ームを曲げるから、大きな空間を必要とする。−旦細い
ビームに絞ってから磁場で偏向し再びビームを拡大する
というのとは違う。大面積ビームのまま多くの通し穴を
通し、ここに設けた四重極質量分析器によってそれぞれ
の穴で質量分析する。生成されたイオンビームの大面積
性を損なうことがない。 電圧を用いて質量分析するので、強磁性体コアも嵩高い
巻線も不必要である。電極があればよいだけであるので
、空間の利用効率が良い。またひとつの電極が4つの質
量分析器の電極を兼ねており電極材料及び空間の有効利
用をはかることができる。 なお、この発明によればイオン源は大面積のビームを生
するから、高精度の均一性を必要としない場合には、被
照射物の回転を省略することも可能である。
第1図は本発明の実施例に係るイオン源の概略縦断面図
。 第2図は第1図の装置のうち質量分析部の横断平面図。 第3図は質量分析部の柱状電極に、直流、交流電圧を印
加するための配線図。 第4図はマシューの微分方程式のパラメータabに対す
る安定解の存在領域を示すグラフ。 1・・・・・フィラメント 2・・・・・アークチャンバ 3−・1」絶 縁 物 4・・・・・引き出し電極 5・・・φ・導入電極 6 ・ ・ ・ ・ 7 ・ ・ ・ ・ 8 ・ ・ ・ ・ 9 ・ ・ ・ ・ 10拳・・ 11 ・ ・ ・ 12 ・ ・ ・ 13 ・ ・ ・ 14 ・ ・ ・ 15 ・ ・ ・ 16 ・ ・ ・ 17 ・ ・ ・ 18 ・ ・ ・ 21 ・ ・ ・ 221 ・ 23 ・ ・ ・ 24 ・ ・ ・ 2511 ・ ・ 26 ・ ・ ・ 27 ・ ・ ・ ・質量分析部 ・第1スリツ ト板 ・第2スリツト板 ・加速電極 ・減速電極 ・接地電極 ・第1絶縁体 ・第2絶縁体 ・正柱状電極 ・負柱状電極 ・四重接電源 ・通 し 穴 ・通 し 穴 ・ガス導入口 ・絶 縁 体 ・フィラメント電源 ・アーク電源 ・導入電源 ・補償電源 ・加速電源 減速電源 発明者 藤 田 秀 樹 第 図 図 交流電源 直流電源 !。、t 手続補正書 (自発) 6゜ 補正の内容 (1)明細書第23 頁第11行目 に示す式(19) を以下のように訂正する。 事件の表示 特願平2−179971号 2、発明の名称 質量分析装置を有するイオン源 3、補正をする者 事件との関係
。 第2図は第1図の装置のうち質量分析部の横断平面図。 第3図は質量分析部の柱状電極に、直流、交流電圧を印
加するための配線図。 第4図はマシューの微分方程式のパラメータabに対す
る安定解の存在領域を示すグラフ。 1・・・・・フィラメント 2・・・・・アークチャンバ 3−・1」絶 縁 物 4・・・・・引き出し電極 5・・・φ・導入電極 6 ・ ・ ・ ・ 7 ・ ・ ・ ・ 8 ・ ・ ・ ・ 9 ・ ・ ・ ・ 10拳・・ 11 ・ ・ ・ 12 ・ ・ ・ 13 ・ ・ ・ 14 ・ ・ ・ 15 ・ ・ ・ 16 ・ ・ ・ 17 ・ ・ ・ 18 ・ ・ ・ 21 ・ ・ ・ 221 ・ 23 ・ ・ ・ 24 ・ ・ ・ 2511 ・ ・ 26 ・ ・ ・ 27 ・ ・ ・ ・質量分析部 ・第1スリツ ト板 ・第2スリツト板 ・加速電極 ・減速電極 ・接地電極 ・第1絶縁体 ・第2絶縁体 ・正柱状電極 ・負柱状電極 ・四重接電源 ・通 し 穴 ・通 し 穴 ・ガス導入口 ・絶 縁 体 ・フィラメント電源 ・アーク電源 ・導入電源 ・補償電源 ・加速電源 減速電源 発明者 藤 田 秀 樹 第 図 図 交流電源 直流電源 !。、t 手続補正書 (自発) 6゜ 補正の内容 (1)明細書第23 頁第11行目 に示す式(19) を以下のように訂正する。 事件の表示 特願平2−179971号 2、発明の名称 質量分析装置を有するイオン源 3、補正をする者 事件との関係
Claims (1)
- フィラメントと容器との間にアーク放電を起こさせて導
入されたガスをプラズマ化するアークチャンバと、縦横
に多数の穴を有する多孔板であって電圧を印加すること
によりプラズマからイオンを引き出す引き出し電極と、
縦横に穴を有する多孔板であって高電圧を印加する事に
よって引き出されたイオンを加速する加速電極と、引き
出し電極と加速電極の間に挿入され或は加速電極の後に
設けられた質量分析器とよりなり、質量分析器は引き出
し電極、加速電極の孔と合致した通し穴を有する2枚の
絶縁体の板と、絶縁体の板の間に設けられ穴の縦横のピ
ッチに等しいピッチで穴のまわりに4つずつ並ぶ柱状の
電極と、柱状の電極のうち穴の対角線方向に並ぶ2つを
1組とし、他の対角線方向に並ぶ2つを他の1組とする
ように、柱状電極を2つの組に分け、これらの2組の柱
状電極間に直流電圧と交流電圧とを重畳して印加しある
定まったエネルギーに対してある定まった質量のイオン
のみが前後の通し穴を通過できるようにしたものである
ことを特徴とする質量分析装置を有するイオン源。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2179971A JP2940090B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | 質量分析装置を有するイオン源 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2179971A JP2940090B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | 質量分析装置を有するイオン源 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0467549A true JPH0467549A (ja) | 1992-03-03 |
JP2940090B2 JP2940090B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=16075185
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2179971A Expired - Fee Related JP2940090B2 (ja) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | 質量分析装置を有するイオン源 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2940090B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0734044A2 (en) * | 1995-03-23 | 1996-09-25 | Applied Materials, Inc. | Ion energy analyzer and electrically controlled geometric filter for same |
JP2002539593A (ja) * | 1999-03-17 | 2002-11-19 | ビーコ・インストゥルーメンツ・インコーポレーション | 炭素含有イオンビームを使用した反復イオンビームプロセス方法 |
US20230271485A1 (en) * | 2020-07-24 | 2023-08-31 | Brose Fahrzeugteile Se & Co. Kommanditgesellschaft, Bamberg | Vehicle door having a resonant body component for a loudspeaker, and assembly method |
-
1990
- 1990-07-06 JP JP2179971A patent/JP2940090B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0734044A2 (en) * | 1995-03-23 | 1996-09-25 | Applied Materials, Inc. | Ion energy analyzer and electrically controlled geometric filter for same |
EP0734044A3 (en) * | 1995-03-23 | 1997-07-23 | Applied Materials Inc | Ion energy analyzer and geometrically controlled filter for such an analyzer |
JP2002539593A (ja) * | 1999-03-17 | 2002-11-19 | ビーコ・インストゥルーメンツ・インコーポレーション | 炭素含有イオンビームを使用した反復イオンビームプロセス方法 |
US20230271485A1 (en) * | 2020-07-24 | 2023-08-31 | Brose Fahrzeugteile Se & Co. Kommanditgesellschaft, Bamberg | Vehicle door having a resonant body component for a loudspeaker, and assembly method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2940090B2 (ja) | 1999-08-25 |
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