JPH10302710A - 表面電離型イオン化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率よくイオン化を行なうと共に、エミッタ
の欠損時にも交換作業を不要とする。 【解決手段】 エミッタ１０を、水平に配置した金属板
１１とその上方に配置した軸１２に蝶着した表面電離用
の可動金属板１３とから構成する。可動金属板１３は、
自重により下がり金属板１１上面に当接して保持され
る。両者の接触部１４は電気抵抗が大きいため、その近
傍の金属板１３は他の部分よりも熱くなり、ここに接触
した分子は効率的にイオン化される。また、接触部１４
の周辺部分が焼損等により欠損した場合、可動金属板１
３は自重により更に下がり接触が維持されるので、継続
してイオン化を行なうことができる。

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ガ
ス化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５は、特公平５−１２６６４号公報に記
載の、従来の表面電離型イオン化装置を備えた質量分析
計の構成図である。真空ポンプ２１により真空排気され
る真空室２０内にはイオン化室２２、イオンレンズ２
３、質量分離器（図４では四重極フィルタとしているが
他のものでもよい）２４、検出器２５が配置されてい
る。該真空室２０の外側には試料導入部２６が設けら
れ、該試料導入部２６にて試料成分の分子（又は原子）
を含む試料ガスと水素、ヘリウム等の比重の軽い補助ガ
スとが混合されて、導管２７を通してイオン化室２２へ
導入されるようになっている。導管２７の出口には、直
径が１〜１５０μｍ程度の微小径のガス噴出口を有する
ノズル２８が取り付けられ、該ノズル２８の先端には図
示しないヒータが付設されている。また、ノズル２８に
対向して表面電離用の固体表面を成すエミッタ２９が配
置されており、該エミッタ２９は温度制御装置３０によ
り適度の温度に加熱されるようになっている。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２９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】導管２７に試料ガス及び補助ガスの混合ガ
スが送り込まれると、ノズル２８のガス噴出口は極く微
小径であり且つガスが連続的に供給されるため、ノズル
２８内のガス圧は次第に高まる。イオン化室２２内は真
空雰囲気であるためガス噴出口の内側と外側とでは大き
な圧力差が生じ、その結果、軽い補助ガスは勢い良くイ
オン化室２２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はエミッタ２９に衝突し、表面電
離作用によりイオン化される。発生したイオンはイオン
化室２２から飛び出し、イオンレンズ２３を介して質量
分離器２４に導入される。質量分離器２４は特定の質量
数を有するイオンのみを通過させ、検出器２５は到達し
たイオン数に応じた電流を出力する。

【０００５】上記構成によれば、イオン化エネルギーが
大きく、通常の表面電離法によってはイオン化されない
ような重い分子でも、軽い補助ガスの助けにより大きな
運動エネルギーをもってエミッタ２９に接触するため、
効率的にイオン化することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のような表面
電離型イオン化装置においてイオン化効率を向上する一
つの方法は、分子が衝突するエミッタ２９の温度を高温
にすることである。エミッタ２９として金属を利用する
場合（金属以外にもダイヤモンド等も利用することがで
きる）、エミッタ２９を加熱するには、該エミッタ２９
自体に電流を流して抵抗損失により発熱させるのが最も
簡単であり昇温速度も速い。発熱量を増すためには電気
抵抗を大きくする必要があるから、エミッタ２９をごく
薄い金属板としたり或いはフィラメント状に加工したり
することが行なわれる。

【０００７】しかしながら、長時間の使用によりエミッ
タ２９は酸化して徐々に薄く又は細くなってゆくため、
加熱のために大きな電流を流すと焼損する恐れがある。
また、或る特定の分子を効率的にイオン化しようとする
ときにはエミッタ２９の温度を適度に設定するために加
熱電流を調節するが、誤操作により過大な電流を供給し
てしまいエミッタ２９を焼損することもある。更には、
特に温度を高めると金属の酸化が進行して脆くなり、僅
かな機械的なストレス（例えば振動等）により損傷する
恐れがある。

【０００８】このような場合、従来は分析作業を中断し
て真空室２０を大気圧に戻し、エミッタ２９の交換作業
を行なわなければならなかった。このような作業は大変
面倒であり、分析作業が長時間中断されることになる。

【０００９】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、固体表面を高温にして効率よくイオン化
を行なうと共に、該固体表面が焼損等により欠損した場
合でも交換作業を要せず継続して分析を行なうことがで
きる表面電離型イオン化装置を提供することである。

【００１０】

【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表面電離型イオン
化装置において、 a)イオン化のための固体表面を成す第一の金属板部材
と、 b)該第一の金属板部材と線状に接触する第二の金属板部
材と、 c)前記第一の金属板部材と第二の金属板部材との接触部
を介して加熱電流を流す電流供給手段と、 d)該接触部近傍の第一の金属板部材に向けて試料分子又
は原子を放出する試料導入手段と、を備え、前記第一又
は第二の金属板部材の少なくともいずれか一方を移動可
能とし他方の金属板部材に常に接触するように付勢した
ことを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に係る表面電離型イオン化
装置では、第一及び第二の金属板部材の接触部はその他
の金属部分に比較して大きな電気抵抗を有するため、電
流供給手段により加熱電流が供給されると該接触部でよ
り大きな熱が発生し、その近傍は他の金属部分よりも温
度が高くなる。試料導入手段が高温に加熱されている第
一の金属板部材に向けて試料分子（又は原子）を放出す
ると、該第一の金属板部材に接触した試料分子は表面電
離作用によりイオン化される。

【００１２】上記表面電離型イオン化装置は、例えば、
第二の金属板部材を略水平に固設し、第一の金属板部材
を該第二の金属板部材の上方に略水平に設けた軸に蝶着
した構成とすることができる。第一の金属板部材の上記
軸から離れた箇所は自重により下がり、第二の金属板部
材の上面に当接した状態で停止する。つまり、第一の金
属板部材が移動可能とされ、重力の付勢により第二の金
属板部材に常に接触するようになっている。このような
構成において、接触部近傍の第一又は第二の金属板部材
が欠落すると、該接触部による支持が失われるから、第
一の金属板部材は更に下方に回動し、欠損した箇所に隣
接した縁端部が当接した状態で停止する。これにより、
新たな接触部が生じ、該接触部近傍の第一の金属板部材
において効率のよいイオン化が行なえる。

【００１３】

【発明の効果】本発明に係る表面電離型イオン化装置に
よれば、二枚の金属板部材の接触部近傍の固体表面が高
温となるので、この部分において効率よくイオン化を行
なうことができる。このため、質量分析の感度を向上す
ることできる。

【００１４】また、金属板部材の中で高温となる箇所は
電気抵抗が大きいため焼損や酸化による損傷が生じ易い
が、たとえその固体表面が欠損した場合でも、高温とな
る固体表面が新たに出現し効率のよいイオン化を継続す
ることができる。このため、分析を中断して固体表面を
交換する必要がなく、効率的な分析が行なえる。

【００１５】

【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及び図２を参照して説明する。
図１は、本実施例のイオン化装置の要部の構成図であ
る。図１において、ノズル２８から噴出した試料成分分
子を含むガスは、エミッタ１０に接触してイオン化さ
れ、発生したイオンは検出器２５により検出される。こ
のイオン化装置を質量分析計に用いる場合には、エミッ
タ１０と検出器２５の間に、図５に示したようにイオン
レンズ２３及び質量分離器２４を設ける構成とすればよ
い。

【００１６】本実施例のイオン化装置は、エミッタ１０
の構造に特徴を有している。すなわち、エミッタ１０
は、水平状態に固設された金属板１１と、該金属板１１
の上方に水平に設けられた軸１２に対し蝶着された可動
金属板１３とから成る。可動金属板１３は軸１２に緩く
取り付けられているため、軸１２から遠い側の縁端が自
重により下がり金属板１１上面に当接して止まってい
る。可動金属板１３は表面電離のための固体表面を成し
ており、イオンの正負に応じて適当な金属が選択され
る。一方、金属板１１は導電性を有する種々の金属を利
用することができる。

【００１７】加熱用電源１５からの配線は、金属板１１
と可動金属板１３とにそれぞれの接続されている。従っ
て、加熱用電源１５より供給される加熱電流は、金属板
１１から接触部１４を通って可動金属板１３に（又はそ
の逆方向に）流れる。該接触部１４は金属板１１、１３
よりも大きな電気抵抗を有するため、加熱電流により生
じる抵抗損失は接触部１４で最も大きくなる。つまり、
接触部１４でより多くの熱が生じるので、可動金属板１
３の中では接触部１４付近が最も高温になる。この高温
の、可動金属板１３の接触部１４に近い部分に向けてノ
ズル２８より試料分子が噴射される。固体表面の温度が
高いと表面電離作用は促進されるため、上記接触部１４
近傍において特に効率よくイオン化が進行する。

【００１８】試料ガスに含まれる特定成分の分子をイオ
ン化したい場合には、検出器２５にて所望のイオンが最
も多く得られるように加熱用電源１５より供給する電流
が調整される。例えば、このような調整の際に、誤操作
により過大電流が供給されると、接触部１４は異常に加
熱されることになり、金属板１１又は可動金属板１３の
縁端が焼損することがある。また、高温になる箇所は酸
化も促進されるため、脆くなって振動等の機械的ストレ
スにより欠損することもある。

【００１９】例えば、図２（ａ）に示すように、可動金
属板１３の縁端部１３ａが欠落すると、該可動金属板１
３は自重により更に軸１２を中心に下方向に回転し、欠
落した縁端部１３ａに隣接した縁端が金属板１１上面に
当接して、新たな接触部１４を成す。一方、図２（ｂ）
に示すように、金属板１１の縁端部１１ａが欠落したと
きにも、可動金属板１３は自重により更に軸１２を中心
に下方向に回転し、該可動金属板１３下面が欠落した縁
端部１１ａに隣接した縁端に当接して、新たな接触部１
４を成す。このように接触部１４の位置がずれると可動
金属板１３中で最もイオン化効率のよい箇所が少しずれ
るため、ノズル２８は試料分子の噴出方向を所定の角度
範囲で調整可能な構成としておき、検出器２５によりイ
オン電流をモニタしなながら最適な噴出方向を定めるよ
うにするとよい。

【００２０】なお、上記実施例では軸１２を水平に配置
しているため、該軸１２に対して可動金属板１３を緩く
蝶着しておくことにより、該可動金属板１３は自重によ
り下方向に回動し下方の金属板１１と接触する。しかし
ながら、より確実に接触させるため、或いは、金属板１
１や軸１２が水平に配置される構成でなく可動金属板１
３の自重による接触が行なえない場合には、可動金属板
１３を強制的に金属板１１へ押し付けるための機構を設
ける。

【００２１】該機構を設けたエミッタ１０の構造の一例
を図３に示す。この例では、固定部１７に一端を固定し
たバネ１６の他端を可動金属板１３に固着し、該バネ１
６の収縮力を利用して可動金属板１３を金属板１１へ押
し付けている。上述のように金属板１１又は可動金属板
１３の縁端部が欠落すると、バネ１６が更に収縮し両者
の接触が維持される。

【００２２】また、上記実施例は軸１２を中心に可動金
属板１３を回動させる構造を有していたが、他の移動機
構をもつようにしてもよい。図４は、他の実施例による
エミッタ１０の構造を示す図である。この例では、可動
金属板１３は案内溝１８ａを設けたレール１８に沿って
スライド移動自在に保持されており、可動金属板１３が
金属板１１に当接する位置迄、バネ１６の収縮力により
固定台１９方向に引っ張られている。金属板１１又は可
動金属板１３の縁端部が欠落すると、バネ１６が更に収
縮し、可動金属板１３は固定台１９の方向に平行移動し
て接触が維持される。

【００２３】なお、上記実施例では、金属板１１と可動
金属板１３との接触部１４の接触抵抗が小さいと、接触
部１４付近とそれ以外の部分との温度差があまり生じな
い。そこで、両者が確実に接触しつつ且つ接触抵抗を大
きくするためには、例えば金属板１１上面や可動金属板
１３下面（裏面）に細かな凹凸を有するような加工を施
し、実効的な接触面積が小さくなるようにするとよい。

【００２４】また、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形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
装置の要部の構成図。

【図２】 本実施例のイオン化装置におけるエミッタの
移動状態を示す図。

【図３】 本発明の他の実施例によるエミッタの構成
図。

【図４】 本発明の他の実施例によるエミッタの構成
図。

【図５】 従来の表面電離型イオン化装置を備える質量
分析計の構成図。

【符号の説明】

１０…エミッタ １１…金属板 １２…軸 １３…可動金属板 １４…接触部 １５…加熱用電源 １６…バネ １７…固定部 １８…レール １９…固定台 ２５…検出器 ２８…ノズル

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表面電離型イオン化装置
   において、 a)イオン化のための固体表面を成す第一の金属板部材
   と、 b)該第一の金属板部材と線状に接触する第二の金属板部
   材と、 c)前記第一の金属板部材と第二の金属板部材との接触部
   を介して加熱電流を流す電流供給手段と、 d)該接触部近傍の第一の金属板部材に向けて試料分子又
   は原子を放出する試料導入手段と、 を備え、前記第一又は第二の金属板部材の少なくともい
   ずれか一方を移動可能とし他方の金属板部材に常に接触
   するように付勢したことを特徴とする表面電離型イオン
   化装置。