JPH1131473A

JPH1131473A - 質量分光計において分圧の測定を訂正する方法

Info

Publication number: JPH1131473A
Application number: JP10074686A
Authority: JP
Inventors: David H Holkeboer; エイチ．ホルクボアーデイビッド; Robert E Ellefson; イー．エレフソンロバート
Original assignee: Leybold Inficon Inc
Current assignee: Leybold Inficon Inc
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-02-02
Also published as: US5889281A; USRE38138E1; GB2323469B; GB9806048D0; GB2323469A

Abstract

(57)【要約】【課題】センサが高圧領域内のガスの分圧をより正確に
記録し得るように、四極子質量分光系の感度を線形にす
る方法を提供する。【解決手段】センサが高圧領域内のガスの分圧をより
正確に記録し得るように、四極子質量分光系の感度を線
形にする方法であって、記録されたデータは多くの損失
メカニズムによって得られる。本発明によれば、訂正フ
ァクタは経験的に適用され得るか、または四極子質量分
析系のソフトウェアに訂正ソフトウェアを組み込んで、
質量分光計の有用範囲を拡張し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、四極子質量分析器
の分野に関する。詳しくは、四極子ガス分析器における
イオン流を線形にする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願は、１９９７年３月２１日出願の
米国特許出願第60/041,027号（弁理士登録番号247-116P
RO/946108号）の仮出願に基づく。

【０００３】質量分光計は、ガス試料をイオン化し、得
られるイオンビームを質量対電荷比によって分離し、次
にフィルタ処理されたイオンを電気信号として検出する
計器を包含する。物質により異なる質量により、そのイ
オンを生成したガス分子が識別される。使用されるこの
ような質量フィルタの１つは、四極子と呼ばれ、正方形
のアレイ状に配置された４つの並列の電極または極より
なる。双曲線形状の電界が形成されるように、対向する
極同士が電気的に接続される。これらの極に印加される
電位は、一般に固定ＲＦ周波数の可変ＤＣおよびＲＦ電
圧の重ね合わせである。

【０００４】上記の機器は好ましくは高真空の環境で作
動する。何故なら、イオンが生成されると、これらのイ
オンは、機器を通って移動する他のガス分子と衝突して
はならないからである。さもなくば、いくつかの分子は
検出されなくなる。高真空とは、１．３Ｅ−２パスカル
より低いか、または約１−０Ｅ−４トル以上の圧力を意
味する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】四極子質量分光計での
イオンの伝導によるいくつかの影響により、高作動圧領
域において損失が生じる。最も顕著な影響としては、イ
オンと中性ガス分子との間の衝突、イオンの分散、およ
びクーロン反発がある。上記の影響により、圧力とイオ
ン流との間に非線形が感知される。このような非線形欠
陥を訂正し得るセンサを提供すること、または測定され
たイオン流データを訂正して、現在用いられているもの
より高い圧力条件において四極子質量分析器の性能を拡
張する方法を提供することが望ましい。

【０００６】本発明の主な目的は、質量四極子センサ系
のイオン検出器の線形化を、従来の同様の分析器より高
い圧力にわたって拡張させることである。

【０００７】本発明の別の主な目的は、高圧でのイオン
の影響を考慮に入れるために、広い範囲のガス圧にわた
ってイオン流データを訂正し得ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】従って、本発明の１つの
好適な局面によれば、測定分圧および測定全圧の両方を
ミリトル領域の高真空範囲において測定する質量分光計
において分圧の測定を訂正する方法が提供される。この
方法は、測定全圧イオン流を得るために、全圧イオン流
を測定するステップと、該測定全圧イオン流に基づいて
該測定全圧を決定するステップと、測定分圧イオン流を
得るために、分圧イオン流を測定するステップと、該測
定全圧イオン流に基づいて訂正ファクタを決定するステ
ップと、訂正分圧を得るために、該訂正ファクタを用い
て該測定分圧を訂正するステップとを包含する。

【０００９】好ましくは、訂正ファクタは、測定イオン
流を、圧力依存またはイオン強度依存スケーリングファ
クタによりスケーリングすることにより、質量分析され
たイオン流からの線形分圧測定のための圧力範囲を拡張
するために適用され得る。

【００１０】より好ましくは、圧力依存訂正ファクタ
は、イオンの経路長にわたる検出されたビームからのイ
オンの分散による既知の機能的依存性を有する。損失は
以下の関係によって決定され得る。

【００１１】Ｉ_corrected ＝Ｉ_m ⁺ ＊ｅ^bP ここで、Ｉ_m ⁺は、経験的に決定された定数によって訂正
される測定イオン流であり、ｂおよびＰは全圧である。

【００１２】圧力依存ファクタは非ガス分散による別の
成分を有し、イオン密度に依存する別の訂正ファクタも
また、線形応答からの測定された偏差により決定され
る。各訂正ファクタは、測定イオン流、全ガス圧および
／またはイオン密度に依存して経験的にまたは数学的に
決定され得る。

【００１３】イオンビーム分散による訂正ファクタは、
以下の関係、Ｉ_corrected ＝Ｉ_measured ｅ^-KLPに
基づいて決定され、ここで、Ｌは測定イオン距離であっ
てもよい。

【００１４】非ガス分散に基づく基づく訂正ファクタ
は、Ｉ_corrected ＝Ｉ_measured＊Ｆ^-1（Ｐ）によ
って決定され、ここで、Ｆ^-1（Ｐ）は訂正ファクタで
あってもよい。

【００１５】クーロン反発に基づく訂正ファクタは、Ｉ
_corrected ＝Ｉ_measured ＊Ｆ^-1（Ｉ_m ⁺）によって
決定され、ここで、Ｆ^-1はイオン密度に依存する訂正
ファクタであってもよい。

【００１６】全訂正ファクタは以下の関係、Ｉ
_corrected ＝ｅ^PKL ＊Ｆ₁（Ｐ）＊Ｆ₂（Ｉ_m ⁺）
に基づいて決定され、ここで、Ｐは、ガスの全圧、Ｋ
は、分散による損失定数、Ｌは、移動した全イオン距
離、Ｆ₁（Ｐ）は、非ガス分散による圧力依存訂正ファ
クタ、およびＦ₂（Ｉ_m ⁺）は、クーロン反発によるイオ
ン密度訂正ファクタであってもよい。

【００１７】前記訂正ファクタｅ^-PLKは、Ｉｎ（Ｓ）対
系全圧によって決定されるラインの勾配を測定すること
によって決定され、該勾配はＫＬに等しく、また、Ｓ
＝（ＰＰ_m）／Ｉ_m ⁺であり、ここで、ＰＰ_mは分圧、
およびＩ_m ⁺は測定イオン流であってもよい。

【００１８】本発明の１つの利点は、ガス分析器の圧力
範囲を拡張するために線形ファクタが適用され得ること
である。

【００１９】本発明の別の利点は、各訂正ファクタは、
適切なガス分析系に含まれるソフトウェアを用いて直接
適用され得る。もしくは、補間テーブルを用いて適用さ
れるか、または計算され経験データに直接適用され得
る。

【００２０】本発明の他の目的、特徴、および利点は、
添付図面を参照して以下の記述を読むことにより明らか
となり得る。図面において、類似の参照番号は同じ構成
要素を示す。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下の説明は、本発明による方法
を用いて高圧で使用するための訂正ファクタを規定す
る、特定のガス分析センサシステムに関する。しかし、
本願に記載する概念が他のシステムにも適切に適用でき
ることは当業者に容易に明らかとなる。

【００２２】図面、特に図１を参照すると、四極子質量
分光計１０は、それぞれがハウジング（不図示）内に配
置されている、イオンソース２と、四極子質量フィルタ
６と、イオン検出器８とを有する。本実施態様によるイ
オンソース２は、加熱されたフィラメントなどの電子エ
ミッタ３と、イオンレンズアセンブリ４とを有する。加
熱されたフィラメントによって形成される電子は、規定
されたアノード９を有するイオン化体積（volume）５に
排出される。アノード９内の電位は、電子リペラ（不図
示）に対して正である。

【００２３】イオン化体積５の領域内に形成されるイオ
ンは、イオンレンズアセンブリ４に提供される反対の電
位によって引っ張られ、ビームを形成する。イオンレン
ズアセンブリ４は、アノード９に対して反対の電位を有
するフォーカスプレート１７を有する一連の同心プレー
トまたはディスクを有する。アノード９は、電界を操作
することによって形成されたイオンを励起するように作
用し、それによって、イオンビームを隣接するソース出
口レンズ内の穴にフォーカスするように作用する。この
場合、陽イオンを引きつけるために、フォーカスプレー
ト１７は、アノード９に対して負にバイアスされてい
る。

【００２４】ソース出口レンズ１９における電位も、ア
ノード９に対して負である。イオンビームの一部は、出
口レンズ１９内の穴を通過し、四極子質量フィルタ６に
注入される。ビームの残りの部分は、出口レンズの内部
に衝突し、中和され、電流フローとなる。この電流の大
きさは、以下に記載するように、イオンソース２の圧力
に関連するので、全圧の測定単位として用いられ得る。
あるいは、全圧コレクタ１１（想像線で示す）は、イオ
ン収集面２１に方向づけられる二次イオンビームを同様
に収束するフォーカスプレート１５（これも想像線で示
す）を用いて、イオンソース２の対向端に設けられ得
る。

【００２５】全圧力コレクタ１１は、目的のガス混合物
の全圧を計算する。ドルトンの法則によって規定される
ように、分圧の合計は、ガス混合物の全圧に等しい。全
圧コレクタ１１は、当業者に公知の様式で、通常、較正
された真空ゲージ３０（図４）を用いて較正される。本
願に記載するデュアルイオンソースに関連するさらなる
詳細は、１９９６年５月３日付けで提出された、同時係
属中の同一譲受人に譲渡された米国出願第０８／６４
２，４７９号（特許弁護士による登録番号第２４７＿０
９６号）に提供されている。本願では、その全内容を参
考のために援用する。

【００２６】再び図１を参照すると、イオンソース２内
で生成されたイオンは、四極子質量フィルタ６にフォー
カスビームとして注入される。四極子質量フィルタ６
は、特定の質量対電荷比を有するイオン以外のイオンを
拒否する。大抵のイオンは、１種類の電荷のみ（only o
ne unit of charge）を有する。四極子質量フィルタ６
は、正方形アレイで形成された４つの細長いロッド（不
図示）を有し、これらの４つのロッドは、交互に帯電さ
れ、特定の質量のイオンを中央を通して下方に方向づ
け、これらのイオンがフィルタの長さ方向を横切る前に
この特定の質量よりも大きなおよび小さな質量のイオン
をすべて極に偏向させる。正方形アレイ（不図示）の中
央と、最も近いロッド面（不図示）との間の距離は、四
極子半径として知られている。理想的には、ロッドのそ
れぞれは、双曲的な形状を有する。

【００２７】四極子質量フィルタ６の対向して配置され
たロッドは、共に電気的に接続されている。イオンは、
ロッドの長さ寸法に通常平行な方向に、極間の空間に方
向づけられる。ここで、イオンは、極に印加される電位
から生じる横方向の力によって質量対電荷比に応じて分
離される。

【００２８】印加された電位は、ＲＦ成分およびＤＣ成
分とからなる。１セットのロッドにおけるＲＦ電位は、
他のセットのロッドに対して１８０度位相がずれている
が、同一の振幅である。ＤＣ電位およびＲＦ電位は、中
央電圧（極ゼロと呼ばれることもある）と呼ばれる。

【００２９】ＲＦ成分は、低質量イオンを電子ビームか
ら除去する。十分に低い質量のイオンのモーションは、
印加されたＲＦの位相と同位相のままである。これらの
イオンは、電界からエネルギーを得て、振幅がますます
大きくなるように振動する。最後に、これらのイオン
は、ロッドの長さに沿って移動するにつれて、ロッドの
１つに衝突し、中和される。他方、高質量イオンは、Ｒ
Ｆ成分によって、四極子の長軸に近接した領域にフォー
カスされる。ＤＣ成分は、ＲＦ成分上に重畳され、ビー
ムから高質量イオンを除去する。

【００３０】適切なＤＣ対ＲＦ比によって、四極子質量
フィルタは、高質量イオンおよび低質量イオンを所望の
程度に区別し得る。本実施態様によると、２ａｍｕと４
４ａｍｕとの間の質量を有するイオンは、四極子質量フ
ィルタを通過することができるが、これよりも高いおよ
び低い質量を有するイオン、および収束イオンビームの
形成中にアノード９内に形成される二次電子は、拒否さ
れる。

【００３１】本実施態様（不図示）によるイオン検出器
８は、ファラデーカップ、電子乗算器、またはそれぞれ
の組合せであり得る。四極子質量フィルタ、イオン検出
器、および特定の四極子ガス分析システムの他の主要な
構成要素に関連するさらなる詳細は、Ｌｅｙｂｏｌｄ
Ｉｎｆｉｃｏｎ，Ｉｎｃ．によって１９９７年３月に公
開されたＴＲＡＮＳＰＥＣＴＯＲＧａｓＡｎａｌｙ
ｓｉｓＳｙｓｔｅｍＭａｎｕａｌに提供されている。
本願では、その全内容を参考のために援用する。

【００３２】使用時には、上記のデバイスは、真空圧力
の範囲にわたって用いられ、質量スペクトルは、イオン
化体積内に保持され、イオン化されるガス混合物に対し
て得られ得る。さらに特定的には、質量の範囲は、図２
に示す質量スペクトルとしてグラフで表示され得るイオ
ン流と共に出力される。

【００３３】適切なガス分析システムに関する上記の背
景および説明について、このようなシステムに対するイ
オン伝導は、多くの個別の損失機構によって、高作動圧
力領域（ミリトル範囲）で損失すると言える。ここで、
３つの個別のゾーンのそれぞれが、イオンのイオン検出
器への伝導に影響を与える損失機構のそれぞれを図１を
参照しながら簡単に説明する。

【００３４】ゾーンＩにおいて、陽イオンが蓄積される
と、以下の数式によって示されるように、イオンソース
２からのイオンの伝導ファクタＴ１が変化する。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、Ｆ１は関数であり、ｉ₁ ⁺は、試料
ガス圧力Ｐに比例する陽イオン密度と等しく、ＩＥはイ
オンエネルギーであり、Ｖ_focusは、フォーカス電位で
あり、Ｉ_eは、電子流密度である。ＩＥ、Ｖ_focus、およ
びＩ_eなどのパラメータは、一定に保持され得るが、ｉ₁
⁺の値は、Ｐに比例する。従って、イオンソース２の実
際のモデリングは、伝導Ｔ１の関数変化をＴ１＝Ｆ１
（Ｐ）として形成する。

【００３７】イオンレンズアセンブリ４と四極子質量フ
ィルタ６との間の領域を含むゾーンＩＩでは、伝導ファ
クタはＴ２であり、このファクタは以下の数式で表され
る。

【００３８】

【数２】

【００３９】ここで、ｉ₂ ⁺は、イオンソース２から排出
するイオン流密度であり、ＩＥは、四極子質量フィルタ
６の長軸に沿ってイオン速度成分を規定するイオンエネ
ルギーと等しく、Ｖ_focusは、半径方向速度成分に影響
を与えるフォーカス電位であり、Ｄは、イオンソース２
と四極子質量フィルタ６との間の分離距離である。これ
らのパラメータはそれぞれ、四極子質量フィルタ６に入
る正イオンの角度の位置および範囲を規定する。イオン
流密度ｉ₂ ⁺は、試料ガスの圧力Ｐの関数である。Ｔ２の
可変部は、主として高圧によって変化し、関連するイオ
ン流密度は大きく、クーロン反発はドリフト距離Ｄ内で
可能である。従って、Ｔ２＝Ｆ２（Ｐ）である。

【００４０】四極子質量フィルタ６を通ってイオン検出
器８に伝導されるイオンのドリフト領域であるゾーンＩ
ＩＩにおいて、伝導ファクタはＴ３である。Ｔ３の機能
的依存性は以下の数式で表される。

【００４１】

【数３】

【００４２】ここで、Ｉ_m ⁺は伝導された質量のイオン流
に等しく、λは、圧力Ｐを有するガス内のイオンの平均
自由経路であり、Ｌは、イオンソース２内で形成され、
四極子質量フィルタ６を通してイオン検出器８に到達す
るまでの質量ｍのイオンの経路長である。即ち、Ｌは、
ゾーンＩ、ＩＩ、およびＩＩＩまで延びる。伝導変化
は、イオンガス分散による衝突損失および四極子質量フ
ィルタ６内の強力イオンビームのクーロン反発に対する
電位によって特に影響される。第１のファクタに関して
は、周囲ガス分子とのイオンの相互作用は、ガス環境の
平均自由経路特性によって説明される。平均自由経路
は、イオンがガス分子と相互作用する前に移動する平均
距離のことである。平均自由経路の値は、イオンのタイ
プ、ガス雰囲気のタイプ、およびガス圧力に依存する。

【００４３】

【数４】

【００４４】ここで、λは、平均自由経路であり、Ｋ
は、イオンおよびガス種に依存する定数であり、Ｐは、
ガスの圧力である。

【００４５】平均自由経路は、質量分光計１０のガス圧
力が増加するにつれて、比例して短くなる。イオンはガ
ス分子と衝突すると、イオンがイオン検出器８に到達し
て、測定されることがないようにする効果が得られる。
従って、質量分光計１０の出力は、測定されるガス種の
濃度とはもはや正比例しない。

【００４６】失われるイオン流の割合は、予想可能であ
る。ガス内で距離ｌを移動し得るイオンの割合は、以下
の数式で表される。

【００４７】

【数５】

【００４８】ここで、ｎは、イオンの残りの数であり、
ｎ₀は、イオンの元の数であり、λは、平均自由経路で
ある。従って、

【００４９】

【数６】

【００５０】であり、イオンソース２から移動するイオ
ンビーム内のイオンの割合は、圧力の増加とイオン経路
の長さの増加と共に減少する。従って、Ｔ３は、以下の
数式のようにまとめられる。

【００５１】

【数７】

【００５２】ここで、Ｘ_mは、ガス全圧Ｐにおける質量
ｍのガス種のモルと等しい。

【００５３】質量ｍのすべてのイオンに対する蓄積伝導
ファクタは、ゾーンファクタＴ１、Ｔ２、およびＴ３の
積である。

【００５４】

【数８】

【００５５】測定されたイオン流（イオンの流れに関連
する電荷の流量）は、以下の一般の作動式によって分圧
（ガス混合物の特定の化学成分の圧力）に関連づけられ
る。

【００５６】

【数９】

【００５７】ここで、ＰＰ_mは、質量ｍを有するガス混
合物のある成分の分圧であり、Ｉ_m ⁺は、測定イオン流で
あり、Ｓ_mは、質量ｍの成分に対する感度（ａｍｐｓ／
ｔｏｒｒで測定される）である。

【００５８】感度は、特定のガスからの特定の質量にお
けるイオン流の、背景に対して適切に訂正されたこの特
定のガスの分圧に対する比である。特定のガスは、通
常、２８ａｍｕで測定される窒素である。但し、用いる
ガス分析器によっては、４０ａｍｕで測定されるアルゴ
ンが用いられることもある。

【００５９】図２を参照すると、分圧ガス分析器の線形
応答は、Ｓ_mが一定である圧力範囲にわたって発生す
る。非線形性は、５×１０^-4トルよりも大きい圧力に対
して図２において「Ｍ４０Ｓｅｎｓ」と表示されてい
る応答によって示されるように、一定の値からのＳ_mの
偏差によって示される。線形性からの偏差は、真のイオ
ン流Ｉ_m,0 ⁺についての圧力によるイオン伝導の変化によ
るものである。これは、以下の数式で表される。

【００６０】

【数１０】

【００６１】ここで、Ｆ^-1（Ｐ）＝Ｉ／Ｆ（Ｐ）および
Ｆ^-1（Ｉ_m ⁺）＝１／Ｆ３（Ｉ_m ⁺）イオン流の線形化の目
的は、訂正ファクタを測定されたイオン流に適用し（括
弧内の関係）、分圧測定に対する較正をより高い圧力に
拡張することである。線形化されたイオン流Ｉ
_correctedは、以下の関係を用いて測定されたパラメー
タＩ_m ⁺およびＰから計算され得る。

【００６２】

【数１１】

【００６３】ファクタＫＬは、以下に記載するように、
少なくとも２つの異なる圧力におけるイオン流の変化を
経験的に測定することによって決定され得、Ｆ^-1（Ｐ）
およびＦ^-1（Ｉ_m ⁺）の機能的依存性については、既知の
場合には、個別に決定される。Ｆ（Ｐ）の関数適合も満
たされ得る。

【００６４】上記の議論に基づくと、線形分圧測定に対
する圧力範囲は、測定されたイオン流を圧力依存スケー
リングファクタまたはイオン強度依存スケーリングファ
クタを用いてスケーリングすることによって、質量分光
計で質量分析されたイオン流から拡張され得る。

【００６５】

【数１２】

【００６６】圧力依存訂正ファクタは、検出されたビー
ムからイオンがその経路長にわたって分散することによ
る、例えば、所定の圧力におけるイオン流の指数損失な
どの既知の機能的依存性を有し得る。従って、分散によ
るこの損失に対する既知の機能的訂正は、以下の数式に
よって表される。

【００６７】

【数１３】

【００６８】ここで、ｂは、経験的に決定された定数で
あり、Ｐは、イオンが移動する局部ガス圧力である。Ｐ
は、好ましくは、全圧ゲージによって独立して測定され
る。

【００６９】図１を参照すると、中性ガスの分子との衝
突によって出口デバイスまたは検出器から損失されたま
たは偏向されたイオンの数を決定するためのＫＬまたは
ｂ（数式１１、１３）は、以下のように決定され得る。

【００７０】ガス通路の単位長さ当たりで損失したイオ
ンの数は、以下の数式によって表される。

【００７１】

【数１４】

【００７２】ここで、Ｉ＝イオン流、Ｐ＝ガス圧力、Ｌ
＝長さ寸法、Ｋ_L＝損失定数である。変数を分離するこ
とによって、上記の数式は積分で解くことができ、

【００７３】

【数１５】

【００７４】以下の数式が得られる。

【００７５】

【数１６】

【００７６】ここで、Ｉ_R＝出口に残っているイオン
流、Ｉ_F＝イオンソースによって形成されるイオン流で
ある。

【００７７】イオンソースによって形成され、ガス体積
に注入される電流は、ガス圧力に比例する。

【００７８】

【数１７】

【００７９】ここで、Ｋ_F＝イオン形成定数。

【００８０】さらに、出力において示される感度（Ｓ）
は、以下のように定義される。

【００８１】

【数１８】

【００８２】数式（１６）、（１７）、および（１８）
を組み合わせると、以下の数式が得られる。

【００８３】

【数１９】

【００８４】数式（１９）は、ｌｎ（Ｓ）とＰとの間の
線形関係を示す。ｌｎ（Ｓ）とＰとの関係を示すライン
の勾配は、損失の度合いを示し、切片は、低圧力感度の
対数である。従って、勾配は、非線形性の測定数値であ
る。

【００８５】感度損失ファクタは、既知の場合、上記の
損失機構による損失後に残っていて観察されるイオン流
に対応する完全なイオン流を計算するのに用いられ得
る。第１に、一般化のために、すべてのガス成分（Ｐ）
に対する全圧と、所定の成分の分圧（Ｐ_p）との間が区
別される。数式（１６）は、全圧に適切に関連するが、
数式（１７）および（１８）はさらに、分圧に対しても
用いられ得る。

【００８６】従って、数式（１９）は、以下のように書
き換えられ得る。

【００８７】

【数２０】

【００８８】この数式はさらに、以下のようにも書き換
えられ得る。

【００８９】

【数２１】

【００９０】ここで、ｍは負の値を有することが認識さ
れなければならない。

【００９１】

【数２２】

【００９２】ここで、訂正ファクタを決定する方法を、
特定の電子エネルギー（４０ｅＶ）におけるアルゴンガ
ス（質量＝４０ａｍｕ）を用いて、図４に示すシステム
を参照しながら説明する。システムは、一般に図１に従
って説明したように、センサ３４を有し、真空テストチ
ャンバ３２と整列する較正された全圧ゲージ３０をさら
に有する。真空テストチャンバ３２は、前記のようにイ
オン化体積９（図１）を規定し、本実施態様により、ソ
ース４０からの所定量の実質的に純粋なアルゴンをテス
トチャンバに入れるための制御弁３８を有するガス入口
を有する。四極子質量センサ６（図１）およびイオン検
出器８（図１）を有するセンサ３４は、通常公知の様式
で、真空テストチャンバ３２および真空ポンプ３６に対
して配置されている。

【００９３】まず、全圧ゲージ３０は、特定の電子エネ
ルギーで較正される。本実施態様によると、４０電子ボ
ルトの値が適切であることに留意されたい。低圧較正設
定点は、Ａｒ流弁を調整し、較正された参照ゲージ（不
図示）を用いて示数を記録することによって、本実施態
様により、３×１０^-6トルのＡｒに確立される。

【００９４】次に、５×１０^-3トルのＡｒに設定する高
圧較正は、Ａｒ流弁を調整し、較正された参照ゲージを
用いて示数を記録することによって同様に確立される。
これらの値を用いて、より高い圧力における線形化ファ
クタは、以下のように決定され得る。

【００９５】まず、背景圧力が測定される。センサ３４
を用いて、質量（４０）イオン流は、約１６ｅＶの規定
フォーカス電位を用いて、背景圧力および４０電子ボル
トの規定電子エネルギーで測定される。本実施態様によ
ると、次に、背景圧力は、１０^-4トルのＡｒだけ増加さ
れ、第１テスト圧力を得る。次に、質量（４０）イオン
流は、第１テスト圧力および４０電子ボルトで測定され
る。

【００９６】次に、感度Ｓは、関係式［Ｉ（４０）−Ｉ
₀（４０）］／［Ｐ_test−Ｐ₀］を用いて計算され得る。

【００９７】次に、５ミリトルのＡｒにおける標的イオ
ン流は、Ｉ_expected＝Ｓ＊５×１０^-3トルを用いて計算
される。ステップｅよりＳ＝感度である。

【００９８】次に、圧力は、第２テスト圧力に調整され
る。本実施態様によると、第２テスト圧力は５ミリトル
である。

【００９９】質量（４０）におけるイオン流は測定さ
れ、較正線形化定数Ｋは、測定されたイオン流（Ｉ_m）
が標的イオン流と等しくなるように調整される。

【０１００】

【実施例】

実施例１以下の実施例は、図１または図４に示す四極子感知装置
を用いる、窒素のガス試料に対するイオン流の線形化の
訂正に関する。

【０１０１】５００、２００、および１００マイクロア
ンペア放出電流において伝導されるセンサ出力信号を、
上記の数学的関係を用いて線形化した。図５から図９
は、テストから生成された線形性を示す。

【０１０２】Ｍ２８、ＵＮＬＩＮで表示される曲線（図
５）は、図１に示すセンサシステムの通常の窒素線形性
を示す。５００マイクロアンペア放出において、非線形
化質量２８信号は、約３×１０^-4トルにおける線形
（１：１）関係から低下し始め、信号は約４ミリトルで
平坦になる。

【０１０３】全イオンソース流（ＩＴＣで表示される）
曲線は、各圧力設定における全イオンソース圧力を計算
するのに用いられる。イオンソース圧力は、以下のよう
に決定される。各圧力設定における感度（Ｓ）は、分圧
および数式（）当たりの電流を測定することによって
計算され、すべてのデータ点に対する感度数は、共に平
均化される。次に、平均感度は、平均感度によって各点
におけるイオン圧力流を除算することによってイオン圧
力を計算するのに用いられる。

【０１０４】質量２８、ＬＩＮ曲線は、上記の線形化式
を用いて訂正された質量（２８）出力である。図示する
ように、線形化質量２８信号（ＬＩＮ）は、約３１０
−４トルで１：１関係よりもわずかに上回り、約６ミリ
トルにおいて平坦になる。

【０１０５】同様の訂正は、図６および図７に示すよう
に、同様にグラフ形式で、２００マイクロアンペアおよ
び１００マイクロアンペア放出に対して実施され得る。

【０１０６】実施例２ガス混合物に対する線形性テストからの出力信号も、数
式（２１）を用いる上記の数学関係を用いて線形化し
た。テストガス混合物の線形性を、１００マイクロアン
ペアの放出電流において行った。ガス全圧に対してプロ
ットされたガスセンサによって検出されたガス混合物の
個々の成分の分圧（非線形化）を図８に示す。この特定
の線形化テストに対して用いられるガス混合物は、ＲＧ
Ａセンサの調子を合わせるのに通常用いられる標準的な
混合物である。ガス混合物は、以下の成分からなる。

【０１０７】水素（Ｍ２）、ヘリウム（Ｍ４）、ネオン
（Ｍ２０）、窒素（Ｍ２８）、アルゴン（Ｍ４０）、ク
リプトン（Ｍ８４）、およびキセノン（四極子質量フィ
ルタの設定によって検出することができない）。

【０１０８】図８を参照すると、Ｍ＃、ＵＮＬＩＮと表
示される曲線は、イオン検出器によって検出されるテス
ト混合物成分の非線形化出力を示す。曲線（ＩＴＣ）
は、ガス混合物に対する各圧力設定において検出される
全イオンソース流を示す。全イオン流は、各圧力設定に
おけるガス混合物のイオンソース圧力を計算するために
用いられる。全イオンソース流曲線からのすべてのデー
タ点を用いて、前述したようにソース圧力を計算した。

【０１０９】テスト混合物成分に対する出力信号を、上
記の数学的関係を用いて線形化した。図９は、テストガ
ス混合物の質量（２０）成分に対する線形性データを示
す。このグラフは、線形化式における（テスト混合物お
よび純粋な窒素からの）異なる勾配を用いて計算した非
線形化センサ出力を含む。

【０１１０】Ｍ２０、ＵＮＬＩＮで表示される曲線は、
イオン検出器からの質量（２０）の非線形化出力を示
す。非線形化（ＵＮＬＩＮ）質量（２０）信号は、約５
ｅ−４トルで線形（１：１）関係（勾配）から低下し始
め、信号は、約９ミリトルで平坦になる。

【０１１１】前記の議論は、訂正ファクタ−ｍＰに限定
したが、他の損失効果も存在することが数式（１１）か
ら理解されなければならない。非ガス分散全圧力効果に
よる訂正ファクタは、測定された圧力に依存する線形応
答からの偏差から決定され得る。訂正ファクタＦ
^-1（Ｐ）は、数学関数または挿入ルックアップテーブル
から得られ得る。

【０１１２】

【数２３】

【０１１３】高イオン流密度におけるクーロン反発によ
る訂正ファクタは、強度の低い（ガスソースにおける少
数成分）イオンビームと比較して強力なイオンビームに
対する線形応答からの測定された偏差から決定され得
る。訂正ファクタＦ^-1（Ｉ_m ⁺）は、数学関数、または電
流密度のインジケータとして測定されたイオン流Ｉ_m ⁺に
依存する挿入ルックアップテーブルから得られ得る。

【０１１４】

【数２４】

【０１１５】次に、上記の数式は、ファクタを共に乗算
することによって上記のファクタのそれぞれを組み合わ
せることによって全線形化効果を計算し得る。

【０１１６】添付の図面を参照しながら本発明の好まし
い実施態様を記載したが、言うまでなく、本発明は、こ
れらの実施態様にはそのまま限定されず、添付の請求の
範囲に規定される本発明の範囲または精神から逸脱せず
に当業者によって様々な変更および改変がなされ得る。

【０１１７】

【発明の効果】本発明によれば、質量四極子センサ系の
イオン検出器の線形化を、従来の同様の分析器より高い
圧力にわたって拡張させることができる。

【０１１８】また、本発明によれば、高圧でのイオンの
影響を考慮に入れるために、広い範囲のガス圧にわたっ
てイオン流データを訂正し得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法が適用され得る質量分光計の一部
概略図である。

【図２】本発明による方法に従って得られた、訂正曲線
を有するより高い圧力レベルでイオン流の非線形性を示
す、イオン流対プロセス圧力のグラフ出力図である。

【図３】図２と同一の圧力範囲にわたる感度の非線形性
を示すグラフである。

【図４】本発明による線形化方法に有用なガス分析シス
テムの概略図である。

【図５】本発明による方法に従って図４のシステムを用
いる、特定の高圧線形化のグラフである。

【図６】本発明による方法に従って図４のシステムを用
いる、特定の高圧線形化のグラフである。

【図７】本発明による方法に従って図４のシステムを用
いる、特定の高圧線形化のグラフである。

【図８】本発明による方法に従って図４のシステムを用
いる、特定の高圧線形化のグラフである。

【図９】本発明による方法に従って図４のシステムを用
いる、特定の高圧線形化のグラフである。

【符号の説明】

２イオンソース３電子エミッタ４イオンレンズアセンブリ５イオン化体積６四極子フィルタ８イオン検出器９アノード１１全圧コレクタ３０真空ゲージ３２真空テストチャンバ３４センサ３６真空ポンプ３８制御弁４０ソース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598042323 ＴｗｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｌａｃｅ，ＥａｓｔＳｙｒａｃｕｓｅ，ＮｅｗＹｏｒｋ 13057−9714，Ｕ．Ｓ. Ａ. (72)発明者ロバートイー．エレフソンアメリカ合衆国ニューヨーク 13104, マンリウス，ドリンクウォーターズレーン 8266

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定分圧および測定全圧の両方をミリト
ル領域の高真空範囲において測定する質量分光計におい
て分圧の測定を訂正する方法であって、測定全圧イオン流を得るために、全圧イオン流を測定す
るステップと、該測定全圧イオン流に基づいて該測定全圧を決定するス
テップと、測定分圧を得るために、分圧イオン流を測定するステッ
プと、該測定全圧イオン流に基づいて訂正ファクタを決定する
ステップと、訂正分圧を得るために、該訂正ファクタを用いて該測定
分圧を訂正するステップとを包含する方法。
【請求項２】イオンビーム分散による訂正ファクタ
は、以下の関係、Ｉ_corrected ＝Ｉ_measured ｅ^-KLP に基づいて決定され、ここで、Ｌは測定イオン距離であ
る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】非ガス分散に基づく基づく訂正ファクタ
は、Ｉ_corrected ＝Ｉ_measured ＊Ｆ^-1（Ｐ）によって決定され、ここで、Ｆ^-1（Ｐ）は訂正ファク
タである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】クーロン反発に基づく訂正ファクタは、Ｉ_corrected ＝Ｉ_measured ＊Ｆ^-1（Ｉ_m ⁺）によって決定され、ここで、Ｆ^-1はイオン密度に依存
する訂正ファクタである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】全訂正ファクタは以下の関係、Ｉ_corrected ＝ｅ^PKL ＊Ｆ₁（Ｐ）＊Ｆ₂（Ｉ
_m ⁺）に基づいて決定され、ここで、Ｐは、ガスの全圧、Ｋは、分散による損失定数、Ｌは、移動した全イオン距離、Ｆ₁（Ｐ）は、非ガス分散による圧力依存訂正ファク
タ、およびＦ₂（Ｉ_m ⁺）は、クーロン反発によるイオン
密度訂正ファクタである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記訂正ファクタｅ^-PLKは、Ｉｎ（Ｓ）
対系全圧によって決定されるラインの勾配を測定するこ
とによって決定され、該勾配はＫＬに等しく、また、Ｓ＝（ＰＰ_m）／Ｉ_m ⁺ であり、ここで、ＰＰ_mは分圧、およびＩ_m ⁺は測定イオ
ン流である、請求項２に記載の方法。