JPH0580157A

JPH0580157A - イオン検出装置

Info

Publication number: JPH0580157A
Application number: JP23949191A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 宏山本; Junichi Nomura; 淳一野村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1993-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】低い動作電圧で高感度を確保することがで
き、しかも、二次電子増倍管の利得に応じて動作電圧を
制御することができる寿命の長いイオン検出装置を提供
することである。【構成】負イオンは、スリット２１から正の電圧が印
加された変換ダイノード２２に入射して衝突し、それに
比例した量の正イオンに変換される。変換された正イオ
ンは陰極２４に負の電圧が印加された二次電子増倍管２
３に吸引されて増倍される。この二次電子増倍管２３で
増倍された電子は、さらに電圧が印加された金属膜２６
によって加速されてシンチレータ２７に衝突する。衝突
した電子は光に変換され、光電子増倍管２８で検出され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量分析計などの測定
機器に使用されるイオン検出装置に関し、より詳しく
は、低い電圧で動作させることができ、しかも、二次電
子増倍管の利得に応じて動作電圧を制御することができ
るイオン検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、質量分析分野において、高質量数
のイオンおよび負イオンの高感度検出が要求されてい
る。

【０００３】従来のイオン検出装置としては、図４に示
すように、入射粒子１を二次電子に変換し、かつその二
次電子を増倍する増倍器２と、この増倍器２で増倍され
て出力する二次電子を光に変換するシンチレータ３と、
このシンチレータ３からの光を受光するように設けられ
た光電子増倍管４とを備えたものが周知である(たとえ
ば、特開昭６２−４４９４５号公報参照)。

【０００４】上記増倍器２は、スリット５から入射した
負イオンを、正の高電圧(＋３キロボルト)が印加された
初段ダイノード６aに衝突させ、初段ダイノード６aから
二次電子を放出させ、この二次電子を、上記初段ダイノ
ード６aよりも段階的に印加電圧が高くなった２段ダイ
ノード６b,３段ダイノード６c,…に順次入射させて、い
わゆるねずみ算式に増倍し、正の高電圧(＋４キロボル
ト)が印加された最終段ダイノード６gから出射させる。
この最終段ダイノード６gから出射した二次電子は、デ
フレクタ７を経て、上記シンチレータ３に形成された金
属膜８に印加された高電圧(＋１２キロボルト)に加速さ
れ、シンチレータ３に衝突して光に変換される。変換さ
れた光は、上記シンチレータ３が形成されたガラス板９
および光ガイド１１から光電子増倍管４に導かれ、この
光電子増倍管４で電気信号として取り出される。

【０００５】また、図５に示すように、スリット１２か
ら入射した負イオンを変換ダイノード１３に衝突させて
正イオンに変換し、変換された正イオンを二次電子増倍
管１４に入射させて吸引、増倍して出力信号として取り
出すようにしたものも周知である(たとえば、特公昭５
８−７２２９号公報参照)。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４の構成
を有する従来のイオン検出装置では、高質量数のイオン
や負イオンを高感度で検出しようとすると、増倍器２の
最終段ダイノード６gの電圧を高くしなければならず、
それに応じて必然的に金属膜８に印加する電圧が(＋１
２)キロボルトと高い電圧が必要になる。したがって、
図４のイオン検出装置では、増倍器２の動作電圧を変え
て利得を制御することは困難であり、しかも、１０キロ
ボルトを越える高電圧を発生させる電源は高価で装置も
大きくなるので、取り扱いが困難である。さらに、ＧＣ
−ＭＳなどに用いる場合、真空槽は比較的、低真空であ
るため放電の危険性もある。さらにまた、増倍器２のみ
で充分な利得が得られる場合であっても、図４に示す構
成のものでは、出力信号が高い電位にあるため、信号処
理系を高電位に浮かさなければならないので、二次電子
増倍管の出力端から出力信号をアナログ量として取り出
すことができないという問題もあった。

【０００７】また、図５の構成を有する従来のイオン検
出装置では、変換ダイノード１３の変換効率がわるく、
入射イオン数が少ない場合には、通常の動作電圧(２キ
ロボルト以下)では出力信号が小さく、感度が低いとい
う問題を有している。この感度の低さを利得で補うため
に、従来、二次電子増倍管１４の動作電圧を高くしてお
り、その結果、動作電圧は約２．８キロボルトにもな
る。一方、二次電子増倍管１４が劣化して利得が小さく
なると印加電圧を上げて、それを補っているが、上記の
ように、はじめから印加電圧が２．８キロボルトと高い
場合、汎用高電圧電源の上限が３．０キロボルトである
こと、および二次電子増倍管１４の動作電圧が一般に３
キロボルト以下であることから、電源および二次電子増
倍管１４の双方に利得の劣化を補うだけの余裕がなくな
る。そのために、高い感度を得ようとすると、相対的に
二次電子増倍管１４の寿命が短くなるという問題があっ
た。

【０００８】本願の請求項１および請求項２に係る発明
の目的は、低い動作電圧で高感度を確保することがで
き、しかも、二次電子増倍管の利得に応じて動作電圧を
制御することができる寿命の長いイオン検出装置を提供
することである。

【０００９】本願の請求項３に係る発明の目的は、請求
項１もしくは請求項２に係るイオン検出装置の目的に加
えて、二次電子増倍管の出力端から出力信号をアナログ
量として取り出すことのできるイオン検出装置を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本願の請求項
１に係る発明は、二次電子増倍管と、この二次電子増倍
管の前段側に配置されるとともに正の高電圧が印加さ
れ、入射する負イオンをそれに比例した量の正のイオン
に変換して上記二次電子増倍管に入射する変換ダイノー
ドと、上記二次電子増倍管の後段側に配置され、上記二
次電子増倍管にて増倍された二次電子が入射し、この入
射した二次電子を光に変換するシンチレータと、このシ
ンチレータの二次電子の入射面に形成された金属膜と、
上記シンチレータにて変換された光を検出する光電子増
倍管とを備え、上記二次電子増倍管から出力する二次電
子を加速して上記シンチレータに入射させるための正の
高電圧が上記金属膜に印加されていることを特徴として
いる。

【００１１】また、本願の請求項２に係る発明は、二次
電子増倍管と、この二次電子増倍管の前段側に配置され
るとともに正の高電圧が印加され、入射する負イオンを
それに比例した量の正のイオンに変換する第１変換ダイ
ノードと、この第１変換ダイノードにて変換された正の
イオンをそれに比例した量の電子に変換して上記二次電
子増倍管に入射する第２変換ダイノードと、上記二次電
子増倍管の後段側に配置され、上記二次電子増倍管にて
増倍された二次電子が入射し、この入射した二次電子を
光に変換するシンチレータと、このシンチレータの二次
電子の入射面に形成された金属膜と、上記シンチレータ
にて変換された光を検出する光電子増倍管とを備え、上
記二次電子増倍管から出力する二次電子を加速して上記
シンチレータに入射させるための正の高電圧が上記金属
膜に印加されていることことを特徴としている。

【００１２】本願の請求項３に係る発明は、上記金属膜
を正の高電圧から切り離してコレクタとして機能させ、
上記金属膜からイオン検出信号を取り出すことを特徴と
している。

【００１３】

【作用】入射する負イオンは、正の電圧が印加された変
換ダイノードに衝突し、それに比例した量の正イオンに
変換される。変換された正イオンは負の電圧が印加され
た二次電子増倍管に吸引されて増倍される。この二次電
子増倍管で増倍された電子は、さらに電圧が印加された
金属膜によって加速されてシンチレータに衝突する。衝
突した電子は光に変換され、光電子増倍管で検出され
る。

【００１４】

【発明の効果】本願の請求項１および請求項２に係る発
明によれば、変換ダイノードの存在により、二次電子増
倍管の動作電圧とシンチレータへの加速電圧を別に印
加、制御することができ、しかも、二次電子増倍管の出
力端に印加される電圧をほぼアース電位に設定すること
ができるので、シンチレータへの加速電圧も低電圧で単
独に制御することができ、二次電子増倍管に印加する電
圧も最適な値に調節することができ、しかも、必要とす
る高電圧電源の出力電圧も低くなり、高電圧電源が小型
でコストも低く取り扱いも容易になり、ＧＣ−ＭＳのよ
うに、比較的低真空のところでも使用することができ
る。

【００１５】さらに、本願の請求項３に係る発明によれ
ば、二次電子増倍管から直接、出力信号を取り出すこと
ができるので、二次電子増倍管だけで充分な出力信号を
得ることができる。

【００１６】

【実施例】以下に、添付の図面を参照して本発明の実施
例を説明する。図１に本発明に係るイオン検出装置の一
実施例の構成を示す。

【００１７】上記イオン検出装置は、二次電子増倍管２
３、入射する負のイオンを正のイオンに変換する変換ダ
イノード２２、上記二次電子増倍管２３で増倍された二
次電子を光に変換するシンチレータ２７と、このシンチ
レータ２７にて変換された光を検出する光電子増倍管２
８とを備える。

【００１８】上記二次電子増倍管２３は、二次電子放出
能を有する半導体材料を筒状に形成してなる、いわゆ
る、チャンネルエレクトロンマルチプライヤと呼ばれる
もので、そのイオンの入射側の入力端２３aはラッパ状
に拡開している。上記二次電子増倍管２３は、その入力
端２３aおよび出力端２３bにはそれぞれ陰極２４および
陽極２５を備え、陰極２４にはたとえば(−２)キロボル
トの電圧が印加され、また、陽極２５は接地される。

【００１９】上記変換ダイノード２２は、上記二次電子
増倍管２３の前段側に配置され、スリット２１を通して
入射する負のイオンを正のイオンに変換する。上記変換
ダイノード２２には、たとえば(＋５)キロボルトの正の
高電圧が印加される。

【００２０】また、上記シンチレータ２７は、上記二次
電子増倍管２３の後段側に配置され、上記二次電子増倍
管２３にて増倍された二次電子を光に変換する。このシ
ンチレータ２７は、二次電子の入射面に金属膜２６を有
する。この金属膜２６には、たとえば(＋８)キロボルト
の正の電圧が印加される。

【００２１】上記光電子増倍管２８は、光ガイド３０を
通して上記シンチレータ２６に結合され、シンチレータ
２６にて変換された光を検出して電気信号として出力す
る。

【００２２】このような構成において、スリット２１か
ら入射した負のイオンは、正の高電圧が印加された変換
ダイノード２２に衝突する。この変換ダイノード２２
は、スリット２１から入射した上記負のイオンをそれに
比例した量の正のイオンに変換する。この変換ダイノー
ド２２にて変換された正のイオンは、負の電圧が印加さ
れた二次電子増倍管２３の陰極２４に引かれて二次電子
増倍管２３の入力端２３aに入射し、二次電子増倍管２
３の内壁面に衝突して二次電子を発生する。この二次電
子は、陽極２５に引かれてこの二次電子増倍管２３内を
入力端２３aから出力端２３bに向かって移動する際に、
二次電子増倍管２３の内壁面に衝突を繰返し、衝突の度
に二次電子がいわゆるねずみ算式に発生する。これによ
り、二次電子増倍管２３では、約１００倍から１０００
倍に二次電子が増倍される。増倍された二次電子は、さ
らに、正の高電圧が印加された金属膜２６によって加速
され、シンチレータ２７に衝突する。そして、このシン
チレータ２７に衝突した二次電子は光に変換される。シ
ンチレータ２７から出射する光は、光ガイド３０を通し
て、光電子増倍管２８に導かれ、この光電子増倍管２８
で検出される。

【００２３】上記のように、変換ダイノード２２を設け
ることにより、図４において説明した従来のイオン検出
装置では、増倍器２の最終段ダイノード６gに印加され
る電圧が４キロボルトと高電位であったために、そこか
ら出てくる電子を仮に８キロボルトで加速しようとする
と、シンチレータ３に形成されている金属膜８には１２
キロボルトの電圧を印加しなければならないが、上記実
施例では、陽極２５が接地されるため、８キロボルトで
よいことになる。これにより、上記実施例のイオン検出
装置では、ＧＣ−ＭＳのように、比較的低真空のところ
でも使用することができる。また、上記実施例のイオン
検出装置では、１０数キロボルトの高電圧を発生する電
源も不要になり、コスト的にも有利である。

【００２４】また、図４において説明した従来のイオン
検出装置では、増倍器２の利得を大きくするために、そ
の動作電圧を大きくすると、必然的にシンチレータ３へ
の加速電圧も大きくなり、金属膜８には非常に高い電圧
を印加しなければならず、安全性等の理由で限界があ
る。そのため増倍器２の動作電圧は１キロボルト(＝４
キロボルト−３キロボルト)程度であるのに対し、上記
実施例では、二次電子増倍管２３の動作電圧とシンチレ
ータ２７への加速電圧を別に印加、制御することができ
るので、最適な条件が選択できる。そして、二次電子増
倍管２３の動作電圧は、通常２キロボルト程度まで可能
であり、動作電圧の使用範囲が広がる。しかも、シンチ
レータ２７への加速電圧も低電圧で単独に制御すること
ができる。上記実施例では、加速電圧はそのまま印加電
圧となるので、図４のものに比べると４キロボルトない
し５キロボルト程度、加速電圧を低くすることができ
る。

【００２５】上記実施例において、二次電子増倍管２３
だけで充分な出力が得られる場合には、シンチレータ２
７の金属膜２６をコレクタとして使用し、図２に示すよ
うにして、この金属膜２６からイオン検出信号を取り出
すことができる。すなわち、図２に示すように、シンチ
レータ２７の金属膜２６に切替スイッチＳＷを接続し、
この金属膜２６を８キロボルトの高電圧電源Ｅaと増幅
器３２とに切り替えるようにする。そして、シンチレー
タ２７で二次電子増倍管２３の出力を検出する場合は増
幅器３１から、また、二次電子増倍管２３の出力をその
まま検出する場合は、金属膜２６をコレクタとして、増
幅器３２からそれぞれイオン検出出力を得る。ただし、
上記のようにシンチレータ２７の金属膜２６をコレクタ
として使用する場合は、電子を金属膜２６に集めるため
に、二次電子増倍管２３の出力端２３bを約１００ボル
ト浮かせる必要がある。この１００ボルトの電圧を得る
ために、二次電子増倍管２３の陽極２５は抵抗Ｒを介し
てアースに接続される。

【００２６】このようにすれば、二次電子増倍管２３か
ら直接、出力信号を取り出すことができるので、ダイナ
ミックレンジが広くなり、また、二次電子増倍管２３の
出力をモニタしてシンチレータ２７への加速電圧を選ぶ
ことができる。

【００２７】図１の実施例では、一つの変換ダイノード
を用いたが、図３に示すように、２個の変換ダイノード
を用いてもよい。

【００２８】図３のイオン検出装置では、第１変換ダイ
ノード２２aにて、負イオンを正イオンに変換したの
ち、第２変換ダイノード２２bにて、正イオンを電子に
変換し、電子を二次電子増倍管２３に入射させて増倍す
る。以下、図２において説明したのと同様に、シンチレ
ータ２７で二次電子増倍管２３の出力を検出する場合は
増幅器３１から、また、二次電子増倍管２３の出力をそ
のまま検出す場合は、金属膜２６をコレクタとして、増
幅器３２からそれぞれイオン検出出力を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオン検出装置の一実施例の構
成を示す説明図である。

【図２】本発明に係るイオン検出装置のいま一つの実
施例の説明図である。

【図３】本発明に係るイオン検出装置のさらにいま一
つの実施例の説明図である。

【図４】従来の一つのイオン検出装置の構造を示す説
明図である。

【図５】従来のいま一つのイオン検出装置の構造を示
す説明図である。

【符号の説明】

２１スリット２２変換ダイノード２２a 第１変換ダイノード２２b 第２変換ダイノード２３二次電子増倍管２３a 入力端２３b 出力端２４陰極２５陽極２６金属膜２７シンチレータ２８光電子増倍管３１増幅器３２増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電子増倍管と、この二次電子増倍管
の前段側に配置されるとともに正の高電圧が印加され、
入射する負イオンをそれに比例した量の正のイオンに変
換して上記二次電子増倍管に入射する変換ダイノード
と、上記二次電子増倍管の後段側に配置され、上記二次
電子増倍管にて増倍された二次電子が入射し、この入射
した二次電子を光に変換するシンチレータと、このシン
チレータの二次電子の入射面に形成された金属膜と、上
記シンチレータにて変換された光を検出する光電子増倍
管とを備え、上記二次電子増倍管から出力する二次電子
を加速して上記シンチレータに入射させるための正の高
電圧が上記金属膜に印加されていることを特徴とするイ
オン検出装置。
【請求項２】二次電子増倍管と、この二次電子増倍管
の前段側に配置されるとともに正の高電圧が印加され、
入射する負イオンをそれに比例した量の正のイオンに変
換する第１変換ダイノードと、この第１変換ダイノード
にて変換された正のイオンをそれに比例した量の電子に
変換して上記二次電子増倍管に入射する第２変換ダイノ
ードと、上記二次電子増倍管の後段側に配置され、上記
二次電子増倍管にて増倍された二次電子が入射し、この
入射した二次電子を光に変換するシンチレータと、この
シンチレータの二次電子の入射面に形成された金属膜
と、上記シンチレータにて変換された光を検出する光電
子増倍管とを備え、上記二次電子増倍管から出力する二
次電子を加速して上記シンチレータに入射させるための
正の高電圧が上記金属膜に印加されていることを特徴と
するイオン検出装置。
【請求項３】上記金属膜を正の高電圧から切り離して
コレクタとして機能させ、上記金属膜からイオン検出信
号を取り出すことを特徴とする請求項１または２記載の
イオン検出装置。