JPH11345590A - 表面電離型イオン化検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負イオン検出時の感度や精度を改善する。 【解決手段】 表面電離作用により試料分子を負イオン
化するエミッタ１４と、負イオンを電場により引き出し
て検出するコレクタ１５との間の飛行空間に所定の磁場
を形成する磁気発生器２０を設ける。エミッタ１４から
コレクタ１５へ進行する負イオン及び電子は該磁場によ
り横方向の力を受けるが、質量の小さな電子は特にその
軌道が湾曲するため、コレクタ１５に到達しない。これ
により負イオンを検出する一方、背景雑音となる電子の
影響を排除することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスクロマトグラ
フ装置等において、表面電離作用により試料分子をイオ
ン化しこれを検出する表面電離型イオン化検出器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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ものである。

【０００３】図３は、特公平５−１２６６３号公報に記
載の、従来知られている表面電離型イオン化検出器の構
成図である。試料ガス流路１１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１２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１３からイオン化室１０内に噴出される。ノズ
ル１３の先端には直径が１〜１５０μｍ程度の微小径の
ガス噴出孔１３１が形成されるとともに、ノズル１３に
供給されたガスを加熱するために加熱制御部１８に接続
されたヒータ１３２が先端周囲に設けられる。また、ノ
ズル１３の前方には、加熱された固体表面を成すエミッ
タ１４が配置されている。

【０００４】イオン化室１０内は真空ポンプ１７により
真空排気され、またノズル１３の先端及びエミッタ１４
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１１及び補助ガス流路１２に供給すると、
両者は混じり合ってノズル１３に到達する。ガス噴出孔
１３１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１３内のガス圧は次第に高まる。一方、
イオン化室１０内は真空雰囲気であるため、ガス噴出孔
１３１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１０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
乗って飛び出す。そして、試料成分の分子又は原子は補
助ガス分子と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１４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１５に
捕集され、イオン数に応じた電流を電流計１６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】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のイオン化検
出器では、エミッタ１４として、例えばＰｔ、Ｒｅ、Ｗ
等の金属又はその金属酸化物等の仕事関数の高いものを
用いると、試料分子又は原子がエミッタ１４に接触した
際に該試料分子又は原子から電子が奪われて正イオンに
なる。一方、エミッタ１４として、ＣａＣＯ3とＳｒＣ
Ｏ3とＢａＣＯ3との３種混合物、ＳｒＣＯ3とＢａＣＯ3
との２種混合物、ＬａＢ6、Ｗ又はＩｒにＴｈＯ2薄膜を
蒸着したもの等、仕事関数の低いものを用いると、試料
の種類（例えば電子親和性の高い物質等）によっては、
エミッタ１４から放出された電子を収受して負イオンと
なる。

【０００６】コレクタ１５で負イオンを検出する場合に
は、エミッタ１４に対して相対的に正である電圧をコレ
クタ１５に印加し、その正の電場によって負イオンを誘
引する。しかしながら、エミッタ１４の近傍には固体表
面から放出された多くの電子が存在するため、上記電場
によってこの電子も誘引されてコレクタ１５に到達す
る。このような電子によってコレクタ１５に流れる電流
は、イオン電流に対して背景雑音となる。このようなこ
とから、負イオンの検出は正イオンの検出に比べて感度
や精度が劣るものであった。

【０００７】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、負イオ
ン検出において電子による背景雑音の影響を除去するこ
とができる表面電離型イオン化検出器を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る表面電離型イオン化検出器は、 a)真空排気手段により真空排気される真空室と、 b)該真空室内に試料分子又は原子を高速で噴射する噴射
手段と、 c)前記真空室内でノズルの前方に配置され、表面電離作
用により試料分子又は原子を負イオン化する固体表面
と、 d)該固体表面よりも相対的に正である電圧により前記負
イオンを収集して検出する検出手段と、 e)前記固体表面と検出器との間の空間に所定の磁場を発
生させる磁場発生手段と、を備えることを特徴としてい
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】この構成では、固体表面として仕
事関数が低い金属や金属化合物等が用いられる。このよ
うな固体表面では内部の電子に対する束縛が弱いため、
噴射手段により噴射されて固体表面に接触した試料分子
又は原子は、該固体表面から電子を収受して負イオンに
なる。また、該固体表面近傍には試料分子又は原子に取
り込まれなかった多くの電子が存在している。検出手段
と固体表面との電位差は負イオンと電子との両方に運動
エネルギを与え、それらは検出手段の方向に飛行する。
負イオンと電子とは、その飛行途中で磁場発生手段によ
り形成されている磁場による力を受けるが、電子は負イ
オンよりもその質量が格段に小さいため、より大きな影
響を受ける。すなわち、電子は負イオンよりもその飛行
軌道が大きく曲げられて、結局検出手段に到達せずに発
散し、真空排気されたり、検出手段以外の真空室壁面等
に接触して消滅する。一方、相対的に質量の大きな負イ
オンは磁場の影響が小さく、直進又は所定の軌道を通っ
て検出手段に到達する。

【００１０】

【発明の効果】このように本発明に係る表面電離型イオ
ン化検出器では、負イオンにあまり影響を与えることな
く電子のみを排除することができるので、検出器におい
て電子による背景雑音が減少し、負イオンを高感度且つ
高精度に検出することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る表面電離型イオン化検出
器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検出器の要部の構成図である。
試料ガス流路１１に供給された試料ガスと補助ガス流路
１２に供給された補助ガスとを混合してノズル１３のガ
ス噴出孔１３１からイオン化室１０内へ噴射し、固体表
面を成すエミッタ１４に接触させてイオン化し、発生し
たイオンをコレクタ１５により検出する、という基本的
な構成は図３に示した従来のイオン化検出器と同様であ
る。エミッタ１４としては上述のような仕事関数の低い
ものが用いられ、エミッタ１４からコレクタ１５に向か
って電位が高くなる電位勾配が形成されるように、エミ
ッタ１４及び／又はコレクタ１５に電圧が印加されてい
る。

【００１２】このイオン化検出器では、エミッタ１４と
コレクタ１５との間の空間に所定の磁場を形成するため
に、ソレノイド等の電磁石又は永久磁石から成る磁気発
生器２０が配設されている。該磁気発生器２０による磁
力線は、エミッタ１４からコレクタ１５に向かって進む
負イオンの飛行方向とほぼ直交している。

【００１３】エミッタ１４に衝突した試料分子は、該エ
ミッタ１４から電子を受け取って負イオンになる。ま
た、エミッタ１４近傍には、該エミッタ１４から放出さ
れたものの試料分子に取り込まれない電子が多数存在し
ている。これら負イオン及び電子は、エミッタ１４とコ
レクタ１５との間の電位勾配によってコレクタ１５の方
向に進行する運動エネルギを付与される。負イオンと電
子とは混じり合って進むが、磁気発生器２０により形成
されている磁場を通過する際に、垂直方向にローレンツ
力が作用する。このとき、質量の大きな負イオンはあま
り影響を受けずにその直進軌道を保つが、質量の小さな
電子の飛行軌道は大きく湾曲する。

【００１４】そこで、磁場の強さを適宜に設定しておく
ことにより、電子の飛行軌道は図１に破線矢印で示すよ
うに湾曲してコレクタ１５に到達せず、一方負イオンは
ほぼ真っ直ぐ進んでコレクタ１５に到達するようにする
ことができる。これにより、電流計１６によって負イオ
ンによる電流のみを得ることができる。

【００１５】次に、本発明に係る表面電離型イオン化検
出器の他の実施例について図２を参照して説明する。図
２に示すイオン化検出器は基本的な構成は上記実施例と
同様であって、一部の構成要素の形状や配置が相違して
いる。

【００１６】すなわち、真空排気されているイオン化室
１０内において、円筒形状のコレクタ１５内の略中心軸
上にノズル１３及びエミッタ１４が配設されている。そ
して、磁気発生器２０は該コレクタ１５の外周側に周回
して設けられている。エミッタ１４表面で発生した負イ
オンや電子は放射状に周囲に放出される。一方、磁気発
生器２０による磁力線はコレクタ１５の両開放端面を貫
通してコレクタ１５内部を通過するから、図１の例と同
様に、負イオン及び電子の進行方向に対してほぼ垂直に
ローレンツ力が作用することになる。

【００１７】磁場の強さを適宜に設定しておくと、電子
は図２に示すような円軌道上を周回し続け、一方負イオ
ンは飛行軌道を湾曲させつつも周囲を取り囲むコレクタ
１５内面に到達するようにすることができる。エミッタ
１４はコレクタ１５の中心線上に配置されているため、
同一時刻にエミッタ１４近傍から放射状に飛行を開始し
た負イオンは、ほぼ同一時刻にコレクタ１５に到達す
る。

【００１８】上記実施例についても同様であるが、磁場
の強さは、エミッタ１４とコレクタ１５との離間距離、
該両者の電位差、コレクタ１５の大きさ（イオン捕集部
分の面積）等の、種々の要因を考慮して予め適切に決め
ておくことが好ましい。具体的には、本願発明者らの実
験によれば、コレクタ１５の直径を１５ｍｍとし、コレ
クタ１５を接地電位にするとともにノズル１３及びエミ
ッタ１４に−１００〜−３００Ｖの電圧を印加した状態
では、３００〜３０００ガウス程度の強さの磁場を発生
させることにより、ほぼ負イオンのみをコレクタ１５に
到達させるようにすることができる。なお、イオン化室
１０内は常に高真空状態に維持されているので、上述の
ようにエミッタ１４とコレクタ１５との間の空間で周回
する電子も、不所望のガス分子等と一緒にイオン化室１
０外に排気されることになる。

【００１９】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
検出器の構成図。

【図２】 本発明の他の実施例による表面電離型イオン
化検出器の構成図。

【図３】 従来知られている表面電離型イオン化検出器
の構成図。

【符号の説明】

１０…イオン化室 １１…試料ガス流路 １２…補助ガス流路 １３…ノズル １３１…ガス噴出孔 １４…エミッタ １５…コレクタ １７…真空ポンプ ２０…磁気発生器

フロントページの続き (71)出願人 599089310 岸 浩 小山市中久喜771番地 小山工業高等専門 学校内 (72)発明者 颯田 秀雄 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所三条工場内 (72)発明者 岸 浩 小山市中久喜771番地 小山工業高等専門 学校内 (72)発明者 藤井 敏博 つくば市小野川16番２号 国立環境研究所 内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 a)真空排気手段により真空排気される真
   空室と、 b)該真空室内に試料分子又は原子を高速で噴射する噴射
   手段と、 c)前記真空室内でノズルの前方に配置され、表面電離作
   用により試料分子又は原子を負イオン化する固体表面
   と、 d)該固体表面よりも相対的に正である電圧により前記負
   イオンを収集して検出する検出手段と、 e)前記固体表面と検出器との間の空間に所定の磁場を発
   生させる磁場発生手段と、 を備えることを特徴とする表面電離型イオン化検出器。