JPH10247472A - 表面電離型イオン化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空ポンプの負荷を軽減する。 【解決手段】 ガス噴出口１４ａを開閉する開閉機構１
５をノズル１４先端に設け、固体表面を成すエミッタ２
２に向けて間欠的に試料成分分子又は原子を含むガスを
噴出させる。ガスの噴出が停止されると、その直前に噴
霧室１０、イオン化室２０に放出され真空ポンプ１１、
２１により排出しきれなかった補助ガス分子が確実に排
出され、低下した真空度が再び高まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば質量分析計
において気体試料をイオン化するイオン源として利用さ
れる表面電離型イオン化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量分析計は、気体状の試料分子又は原
子をイオン化し、そのイオンを質量数（質量ｍ／電荷数
ｚ）に応じて分離して検出する構成を有する。試料分子
又は原子をイオン化する方法としては、電子衝撃法、化
学イオン化法等種々のものが用いられている。表面電離
法はその一方法であって、適度に加熱した固体表面に超
音速領域にまで加速した試料分子又は原子を接触させ、
表面電離作用により該試料分子又は原子をイオン化す
る。

【０００３】図２は、特公平５−１２６６３号公報に記
載の、従来の表面電離型イオン化装置の構成図である。
試料ガス流路４０に導入された試料成分の分子又は原子
を含む試料ガスと補助ガス流路４１に供給された水素、
ヘリウム等の比重の軽いガスとは、合流してノズル４２
からイオン化室４３内に噴出される。ノズル４２の先端
には直径が１〜１５０μｍ程度の微小径のガス噴出口４
２ａが取り付けられると共に、ノズル４２に供給された
ガスを加熱するために加熱制御部４７に接続されたヒー
タ４２ｂがその先端周囲に設けられる。また、ノズル４
２に対向する位置には、加熱された固体表面を成すエミ
ッタ４４が配置されている。試料分子又は原子が正イオ
ンになるものである場合には、エミッタ４４は仕事関数
の高い固体表面を成すものとされ、例えば白金、レニウ
ム、タングステン等の金属又はその金属酸化物を用い
る。

【０００４】イオン化室４３内は真空ポンプ４６により
真空排気される一方、ノズル４２の先端及びエミッタ４
４は適度に加熱される。試料ガス及び補助ガスをそれぞ
れ試料ガス流路４０及び補助ガス流路４１に供給する
と、両者は混じり合ってノズル４２に到達する。ガス噴
出口４２ａは極く微小径であり且つガスは連続的に供給
されるため、ノズル４２内のガス圧は次第に高まる。イ
オン化室４３内は真空雰囲気であるため、ガス噴出口４
２ａの内側と外側とでは大きな圧力差が生じる。その結
果、軽い補助ガスは勢い良くイオン化室４３内に噴出
し、重い試料成分の分子又は原子も補助ガスの噴出流に
乗って真空中に飛び出す。そして、試料成分の分子又は
原子は二体衝突を繰り返しながら超音速領域の速度に到
達する。この超音速自由噴流となった試料成分の分子又
は原子はエミッタ４４に衝突し、表面電離作用によりイ
オン化される。発生したイオンはコレクタ４５に捕集さ
れ、イオン数に応じた電流を微小電流計４８で測定する
ことにより試料成分の濃度を順次検出する。

【０００５】また、特公平５−１２６６４号公報に記載
のように、上述の如く表面電離作用により生成したイオ
ンを加速した後に四重極フィルタ等の質量分析器に導入
し、イオンを質量数毎に分離して検出器に導く構成とす
ることもできる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のイオン化装
置によれば、軽い補助ガスの分子の助けにより重い試料
成分の分子又は原子も超音速領域まで加速してイオン化
することができる。しかしながら、多量の補助ガスをイ
オン化室４３に放出するので、イオン化室４３内の真空
雰囲気を維持するために排気能力の高い大容量の真空ポ
ンプ４６を備える必要がある。このような真空ポンプ４
６は、一般に、高価であるのみならず、大きな設置空間
を必要とし装置全体の小形化を困難にする。

【０００７】また上記構成のイオン化装置において、エ
ミッタ４４表面にて正イオンの生成を促進させるために
はその固体表面の仕事関数ができるだけ高いほうが好ま
しいが、イオン化の過程で電子がエミッタ４４に吸収さ
れたり酸化物が脱落したりして仕事関数が低下するた
め、分析の経過に伴いイオン化効率が劣化してしまう。

【０００８】本発明は上記課題を解決するために成され
たものであり、その第１の目的は、大容量の真空排気装
置を必要としない表面電離型イオン化装置を提供するこ
とである。また、第２の目的は、イオン化効率の劣化を
防止又は軽減することができる表面電離型イオン化装置
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、真空排気手段により真空排気され
る真空室内に配置した固体表面に試料成分の分子又は原
子を接触させ、表面電離作用によって該分子又は原子を
イオン化する表面電離型イオン化装置において、 a)前記固体表面に向けて、ガスの噴出口を設けたノズル
と、 b)該ノズルの噴出口を間欠的に開放する開閉手段と、 c)前記ノズルに試料成分を含むガスを供給するガス流路
と、 d)該ガス流路に軽い分子から成る補助ガスを送り込むた
めの補助ガス流路と、 を備えることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態及び発明の効果】本発明に係る表面
電離型イオン化装置では、開閉手段によりノズル先端の
噴出口は所定時間の開放と所定時間の閉塞とを交互に繰
り返す。開閉手段が噴出口を閉塞すると、ガス流路から
送り込まれるガス（補助ガスを含む）はノズル内部に溜
まる。このとき、ノズルからガスは噴射されないので内
部のガス圧は高まる。開閉手段が噴出口を開放すると、
圧力の高まったガスは噴出口から吹き出す。このとき重
い試料成分の分子又は原子も軽い補助ガスと共に飛び出
し、二体衝突を繰り返しながら超音速領域にまで加速さ
れて固体表面に到達する。そして、固体表面で表面電離
作用によりイオン化される。

【００１１】開閉手段が噴出口を開放すると、試料ガス
と比較して多量の補助ガスが真空室内に放出されるた
め、真空度が一時的に低下する。しかしながら、次に開
閉手段が噴出口を閉塞するとガスの放出は止まるので、
その期間に真空排気を行ない真空室内の真空度を再び高
めることができる。従って、従来のこの種のイオン化装
置のようにガスが真空室内に連続的に噴出される場合と
比較して、低い真空排気能力の真空排気手段を使用する
ことができる。

【００１２】また、開閉手段が噴出口を開放し固体表面
に試料成分の分子又は原子が衝突すると、該固体表面が
電子を吸収する等の理由により仕事関数が低下する。し
かしながら、次に開閉手段が噴出口を閉塞し固体表面へ
の分子又は原子の接触が停止している期間に、該固体表
面は残留している酸素分子と結合して酸化される。これ
により、固体表面の仕事関数は再び高まり、イオン化効
率が良好な状態に維持される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係る表面電離型イオン化装置
の一実施例について図１を参照して説明する。図１は、
本実施例のイオン化装置を備えた質量分析計の要部の構
成図である。この質量分析計は、試料分子又は原子を含
むガスを噴出するノズル１４を配置した噴霧室１０、固
体表面を成すエミッタ２２を配置したイオン化室２０、
イオンレンズ３２、質量分析器３３（図では四重極フィ
ルタを示しているが、磁気質量分離器等の他の質量分離
器であってもよい）及び検出器３４を配置した質量分析
室３０を備えている。噴霧室１０、イオン化室２０及び
質量分析室３０はそれぞれターボ分子ポンプ等の真空ポ
ンプ１１、２１、３１により真空排気されている。

【００１４】ノズル１４の先端には、該ノズル１４先端
の傾斜した外壁に沿って自在にスライド移動する開閉機
構１５が設けられている。この開閉機構１５はノズル１
４先端の周囲を取り囲む複数の金属片から成り、ノズル
開閉制御部１６の制御の下に、ノズル１４後方側に後退
したときには各金属片が広がってガス噴出口１４ａを開
放し、ノズル１４前方側に迫り出したときにはガス噴出
口１４ａの前方で複数の金属片が積層又は密着して該ガ
ス噴出口１４ａを閉塞する。なお、開閉機構１５の構成
はこれに限らず、種々の機械的な開閉機構を用いること
ができる。

【００１５】上記構成の質量分析計において、試料ガス
が試料ガス流路１２に供給され、補助ガス流路１３にヘ
リウム等の軽い補助ガスが供給されるとき、ノズル開閉
制御部１６は、所定の開放時間ｔ1及び閉塞時間ｔ2をも
ってガス噴出口１４ａが間欠的に開放及び閉塞されるよ
うに開閉機構１５を制御する。

【００１６】開閉機構１５によりガス噴出口１４ａが閉
塞されると、試料ガスと補助ガスとは混じり合ってノズ
ル１４内部に溜まる。試料ガスと補助ガスとは連続的に
供給されるから、ノズル１４内のガス圧は次第に高ま
る。このとき、噴霧室１０内にガスは噴出しないので、
真空ポンプ１１による排気は問題なく行なわれ、噴霧室
１０内の真空雰囲気は維持される。また、イオン化室２
０内のエミッタ２２に試料分子又は原子は接触しないの
で、エミッタ２２の表面はイオン化室２０内に残留して
いる酸素ガスにより酸化され、その仕事関数は高くな
る。

【００１７】ノズル１４内でガス圧が高まった後に、ガ
ス噴出口１４ａが開放されるように開閉機構１５が動作
すると、ガス噴出口１４ａから試料ガス分子又は原子と
補助ガス分子とが混じり合って一気に吹き出す。噴出し
たガスは噴霧室１０とイオン化室２０とを隔てる隔壁に
設けられたスキマー２３を通過してイオン化室２０へ飛
び込み、エミッタ２２に到達するまでに、試料成分の分
子又は原子は補助ガスの分子と二体衝突を繰り返して超
音速領域の速度を得る。そして、エミッタ２２に衝突し
た分子又は原子は表面電離作用によりイオン化され、発
生したイオンは進行方向を変えて質量分析室３０へ飛び
込む。このイオン流は、イオンレンズ３２により収束及
び加速されて質量分析器３３に導入され、特定の質量数
を有するイオンのみが質量分析器３３を通り抜けて検出
器３４に到達する。検出器３４は到達したイオン数に応
じた検出信号を出力する。

【００１８】このとき、噴霧室１０及びイオン化室２０
には試料分子又は原子と共に多量の補助ガスの分子も放
出されるため、室内の真空度は低下する。しかしなが
ら、次にガス噴出口１４ａが閉塞されたときにはガスの
放出は停止するので、その間に真空排気を行なうことに
より、元の真空度に戻すことができる。すなわち、真空
ポンプ１１、２１の排気能力が比較的低くても、イオン
化時に室内の真空度を充分に高い状態にすることができ
る。

【００１９】また、エミッタ２２表面でイオン化する際
にエミッタの仕事関数は低下するが、次に分子又は原子
の接触が停止した間に仕事関数が再び高まるので、良好
なイオン化効率を長く保つことができる。なお、イオン
化室２０内にイオン化の障害とならない程度に酸素ガス
を導入するようにすると、固体表面の酸化が進み仕事関
数を高めることができるので、イオン化効率の低下をよ
り効果的に防止できる。

【００２０】ところで、上記構成のイオン化装置におい
て、ガス噴出口１４ａから噴出する試料分子又は原子が
与えられる並進運動エネルギーＥ〔ｅＶ〕は次式で与え
られることが知られている。すなわち、並進運動エネル
ギーの最大値Ｅk〔ｅＶ〕を Ｅk＝（５／２）・（Ｍh／Ｍ1）・ｋ・ＴN とすると、 Ｅ＝Ｅk・｛１−ｅｘｐ（−δ・Ｐ0・ｄ）｝ ここで、Ｍhは試料分子又は原子の質量〔ｇ〕、Ｍ1は補
助ガスの分子の質量〔ｇ〕、ＴNはノズルの温度
〔Ｋ〕、Ｐ0はノズル内のガス圧〔Ｔｏｒｒ〕、ｄはノ
ズルのガス噴出口径〔ｃｍ〕、δは定数、ｋは周知のボ
ルツマン定数である。

【００２１】上式によれば、並進運動エネルギーは試料
分子又は原子の質量にほぼ比例すると共に、ノズル内の
ガス圧によっても影響を受けることがわかる。すなわ
ち、ノズル内のガス圧Ｐ0が下がると並進運動エネルギ
ーも減少する。並進運動エネルギーが小さ過ぎると、エ
ミッタ２２に接触したときに適切なイオン化が行なわれ
ない。逆に、ノズル１４内のガス圧Ｐ0が高く並進運動
エネルギーが大きくなり過ぎると、エミッタ２２に接触
した分子又は原子は分解してしまいイオン化されない。
従って、目的とする試料分子又は原子の質量を考慮し
て、噴出時に適当なガス圧が得られるようにガスの流量
及びノズル１４の間欠的な開放の時間間隔を設定するこ
とが好ましい。

【００２２】なお、上記実施例は一例であって、本発明
の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行なえることは明らか
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による表面電離型イオン化
装置を備える質量分析計の構成図。

【図２】 従来の表面電離型イオン化装置の構成図。

【符号の説明】

１０…噴霧室 １１、２１、３１…真
空ポンプ １２…試料ガス流路 １３…補助ガス流路 １４…ノズル １４ａ…ガス噴出口 １５…開閉機構 １６…ノズル開閉制御
部 ２０…イオン化室 ２２…エミッタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空雰囲気中に配置した固体表面に試料
   成分の分子又は原子を接触させ、表面電離作用によって
   該分子又は原子をイオン化するイオン化装置において、 a)前記固体表面に向けて、ガスの噴出口を設けたノズル
   と、 b)該ノズルの噴出口を間欠的に開放する開閉手段と、 c)前記ノズルに試料成分を含むガスを供給するガス流路
   と、 d)該ガス流路に軽い分子から成る補助ガスを送り込むた
   めの補助ガス流路と、 を備えることを特徴とする表面電離型イオン化装置。