JPS588550B2 - イオン源の回復方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、イオン源特に、イオン源を回復させる方法お
よび装置に関するもので、ある。

質量分析計と共によく使用される多くの電子衝撃型また
は化学的電離型イオン源の問題点の１つは、その性能が
使用するにつれて低下してくるということである。

この問題は、代表的には、イオン化室における荷電粒子
と他の物質との間の反応のためにイオン化室内に電気絶
縁性の付着物が形成されてくることによって生ずるもの
である。

例えば、分析されるべき多くの試料によりそのような絶
縁性被覆が形成されつる。

これらの絶縁性被覆は、イオン源の電極を遮蔽しイオン
源の性能を低下させてしまうので問題である。

この問題は、質量分析計の使用を停止してイオン源全体
を分析して清掃することにより容易に除かれる。

しかし、このような作業はひどく時間がかゝるものであ
る。

質量分析計の質量分析セクションにおいても、偏向電極
や４極電極等が望ましくない電気絶縁性被膜でおおわれ
るようになるので、同様の問題がある。

このような被覆が生ずると、この種のプレートに必要な
電界が歪まされて性能が低下される。

従って、本発明の目的は、イオン源を回復させる改良さ
れた方法を提供することである。

本発明の別の目的は、イオン源を回復させる改良された
装置を提供することである。

本発明の方法によれば、カソード電極アノード電極およ
び試料入口を有するイオン源は、前記イオン源に適当な
スパツタ圧力を得るために前記入口を通してイオン化ガ
スを導入し、スパツタ金属で前記アノード電極を形成し
、前記イオン化ガスをイオン化してイオンを形成し、最
後に、前記アノード電極に負電位を印加して前記イオン
源の他の部分に対して負としてそのアノード電極に前記
イオンを衝突させて前記金属を前記イオン源の内部ヘス
バッタさせることによって、回復させられうる。

本発明の好ましい方法では、前記金属は金であり、前記
イオン化ガスはアルゴンである。

真空室と、この真空室へ試料ガスを導入するためのその
真空室への入口と、前記真空室からイオンを引き出すだ
めの電極手段と、前記ガスをイオン化するだめの手段と
を有するイオン源は、前記真空室へイオン化ガスを導入
する手段と、前記イオン化ガスの存在下で前記真空室を
イオンスパツタ圧力まで排気する手段と、耐記真空室に
おける金属スパッタ電極と、前記真空室の内部表面へ前
記スパツタ電極金属をスパツタさせるためイオン加速電
位を前記真空室と前記スパツタ電極との間に加える手段
とを備えることにより、このイオン源を回復させうる能
力を有するように改良される。

本発明の好ましい装置では、スパツタ電極はイオン源の
反発電極であって金で形成され、イオン化ガスはアルゴ
ンである。

本発明の別の特徴によれば、イオン源はイオン偏向素子
を有する質量分析計の一部である。

蒸発されるべき金属のフィラメントまたは容器には、そ
の金属を蒸発させて各素子をその金属で被覆させるよう
にする手段が設けられる。

本発明の装置および方法を使用すれば、イオン源の内部
素子、実際には、質量分析計の内部素子は、性能を低下
させる絶縁被覆を除去するのでなくて、スパッタリング
または蒸着技術によってその絶縁被覆を金で被覆してし
まうことにより、容易に回復させられる。

イオン室内に関してはスパッタリングが好ましい。

何故ならば、イオン室に通常使用される各素子は実質的
に同じであり電圧およびガス圧力のみが変化されるもの
であるからである。

しかし、質量分析セクションでは、蒸着技術は簡単であ
る故に好ましい。

以下添付図面に基づいて本発明を実施例について詳細に
説明する。

前述したように、質量分析計におけるイオン源は、そこ
に通される試料物質によって汚染されてしまうことがよ
くある。

このような汚染は、イオン源内部の種々の表面に付着す
る種々の試料物質まだはそれらの反応生成物によって惹
き起される。

これらの物質の付着によりそれら表面は様々な程度に亀
気絶縁性をおびてしまい、その結果、イオン源自体の性
能が低下してしまう。

このようにイオン源の性能が低下すると、電界の歪が生
じてしまう。

室内でのイオン衝撃を利用して絶縁性付着物を除去する
ことができる。

しかしながら、不都合なことには、イオン衝撃技術は比
較的遅く、不当に時間を要するものである。

これに代る唯一の方法はイオン源を完全に分解して機械
的および化学的に清掃することである。

もちろんこの方法も、清掃した部品を操作して組み立て
る必要があるために同様に時間を要するもので望ましい
ものではない。

本発明の方法によれば、イオン源内部は、単に、その中
の電極の１つからスパッタリングすることにより導電性
金属被覆で覆われる。

スパッタリングによって付着される金属は、ターゲット
のイオン衝撃の結果である。

この場合におけるターゲットは、好ましくは金属のよう
な化学的に安定な物質で形成された電極の１つである。

従って、本発明によれば、好ましくはイオン源に通常存
在するアルゴン等の不活性ガスまたはその他の不活性ガ
ス混合体のようなイオン化し易いガスが通常のイオン源
のアノードとカソードとの間の領域へ導入される。

これらアノードおよびカソードには、通常イオン反発電
位およびイオン吸引電位が加えられている。

イオン化ガスは、電子ビームの如きイオン源のだめに通
常使用されるイオン化エネルギーによって衝撃される。

イオン源のだめのアノード捷たは反発電極は、カソード
電極および室の他の部分に対して負となるような電位に
調整される。

こうして形成されたイオン源内の修正電界にかけられる
ガスイオンは、この場合には金で形成されたターゲット
まだはアノード電極に突き当たるようにされ、ターゲッ
トの原子がそこから高速度で放出（スバツタ）されるよ
うにする。

これらの原子は、ほソカソード表面、すなわち、イオン
化室の出口スリット電極の方へ種々な方向に放出され、
露出力ンード表面上に付着する。

これら原子は、次第に汚染絶縁物質を覆い、電界が元の
状態まで回復されるような新しい回復された被覆を作り
出す。

このような方法は、第１図のブロック線図に示したよう
な通常の質量分析計に適用しうる。

この第１図に示されているように、イオン源１０は、出
力引出し電極またはカソード電極１２（代表的には複数
個の六ソード電極が電界を適正に形成するのに使用され
る）を有する通常の型式のものである。

そこで形成されるイオンビーム１４ぱ、磁気的または静
電的またはそれらを組み合せたような質量分析セクショ
ン１６を通され、それらの質量と電荷との比の関数とし
て選択的に偏向せしめられ選定されたイオンが通過せし
められる。

第１図において示した場合におｂで、これらのイオンは
、イオンの存在および量を検出する適当な変換器２０へ
向け４極型質量分析計の電極でありうる電極１８ＶＣよ
って偏向される。

質量分析セクション１６は、真空源２２１／ｃよるなど
して比較的高い真空に維持される。

イオン源も同様に真空源２４によって比較的に低圧に維
持される。

しかし、イオン源は、代表的には１０−６トルに維持さ
れる質量分析セクションよりもいく分高い範囲、代表的
には１０−６｝ルに維持される。

それらの真空源は通常のものでよく、代表的には、拡散
ポンプ等であってよい。

電極１８の如き種々の要素が絶縁性被覆で汚染されるよ
うになってしまうことが質量分析セクション１６におい
てしばしば起る。

この例では、絶縁性被覆は、単に、適当な加熱源２８か
ら電流を供給される電熱コイル２６によって金の如き適
当な導電性金属を蒸発させることにより、本発明の方法
に従ってカバーされつる。

この蒸発またはフラツシングは質量分析セクションの通
常の真空状態のもとで行なわれ、比較的急速且つ容易に
行なわれる。

このような真空添着中は、プレートからすべての電位を
除去し、被覆物質によって生ずる金属蒸気が質量分析セ
クション１６内の種々の表面に均一に付着されうるよう
にする。

こうして、それらの表面は被覆され、元の電導性状態へ
回復させられて、電界は歪まされるようなことはなくな
る。

蒸発器は、ヒータを隣接させた金属を収容した容器であ
ってもよい。

効果的に作動させるだめには、イオン源１０は、０．０
０１トルの通常のイオン源圧力に比較して高い代表的に
は０．１トル以上の範囲のスハツタ圧力に維持されねば
ならない。

これは、本発明によれば、Ｈｕｌｌ等に１９７７年４月
５日に付与された米国特許第４０１６４２１号明細書に
開示されたような通常のイオン源を変形することによっ
て達成されうる。

上記米国特許明細書に記載されているように、第２図に
例示したイオン源は、空胴４９を含むハウジング４８お
よび複数個の電極からなっている。

これらの電極の中で、アノードまたは反発電極５０が本
発明に従ってスパッタリング電極として使用されるので
以後そのように呼ぶものとする。

このスパッタリング電極５０は、好ましくは一般に安定
で非反応性の金の如き比較的に電導性の高い金属のよう
な適当な金属の被覆を有する小さな支持円板４６の形の
ものとするのがよい。

カソードまたは吸引電極５１は、互いに近接離間した一
組のプレート５２および５３からなり、第１の引出しス
リットを作り出している。

吸引電極５１および反発亀極５０は、互いに対してそれ
らの間にイオン形成領域Ｒを形成するように配設される
。

図示のように、吸引電極すなわちスリット５１は、イオ
ン化領域Ｒ内に必要とされる比較的に高いスパッタリン
グ圧力を保持しうるように比較的に小さな断面積とされ
る。

これは、マイカその他の適当な材料の絶縁プレート８０
およびイオン源にて使用するのと同様な適当な金属で形
成されたフィールドプレート８２でサンドイツチ構造と
されたプレート５２および５３からなる層状構造体を形
成することにより達成される。

シールプレートは、引出しスリット５１の長さを限定す
るように比較的小さな開口８４を有する単一プレートで
ある。

前記米国特許明載書に記載されているように、イオン源
は第２の吸引電極５４．５４′も備えており、これら電
極により第２の引出しスリット５５が形成されており、
さらに、第２の収束スリット５６が設けられている。

引出しスリット５１の場合のように、収束電極は収束ス
リット５６を作り出すように互いに対して配設された２
つのプレート５９および６０からなっている。

これらの６つの電極は順番に配設されており、引出しス
リット５１はハウジング４８の空胴に配設されている。

図示の実施例では、電極は平板状であって平行である。

しかし、その他の既知の形状構成のものを使用してもよ
い。

さらに、イオンビーム源は、第２の吸引電極５４．５４
′がなくても作動しつる。

ハウジング並びにこれらの電極のすべては、商品名二ク
ロム（Ｎｉｃｈｒｏｍｅ）Ｖとして市販されているよう
な金属または非磁性ステンレス鋼の如き適当な金属で形
成される。

イオンビーム源の電極は種々な支持ロンドおよび碍子に
支持される。

イオンビーム源は、内側にねじを切った入口１５０によ
って示されたような室４８の一方の側にガス入口手段を
備えている。

この人口１５０は、例えば、イオン化され分析されるべ
き試料ガスを受け入れるスキムノズル等に直結しうる。

人口１５０は、イオン化領域Ｒに通ずる傾斜通路を備え
ている。

さらに、イオン形成領域Ｒに電子ビームを形成する手段
が設けられる。

イオン光学の当業者にはよく知られているように、この
ビームを形成するいかなる通常の手段を使用してもよい
。

電子銃が適当であろう。

第２図において、この源は断面７３で示された電子ビー
ムとして示されてイル。

そのビームは、ハウジング４８の電子ビーム開口でハウ
ジング４８に隣接して置かれた電極（図示していない）
によって形成される。

この開口１５１は、前記米国特許明細書に記載されてい
るように、電子オリフイスを形成した適当なプレ一トで
カバーされたハウジング４８のオリフイスそのものであ
ってもよい。

この例では、電子ビーム７３は、電極をハウジング４８
に対して負電位に維持することにより形成されうる。

このビームは、トラップ（図示していない）で終端され
つる。

所望の電子ビームを形成するには約７０ボルトの電位で
十分である。

また、そのビームを柱状化するためにそのビームの縦軸
と平行な磁界をイオン形成領域Ｒに与えることが望まし
い。

このような磁界は一組の永久磁石（図示していない）に
よって与えられつる。

イオン源における種々の電極は、支持ロツドおよび絶縁
ビードを使用して通常の仕方で支持される。

反発電極５０は、ハウジング４８のチャンネル９１を通
る部分的にねじ切りされたロンド９０によって支持され
ている。

ロツド９０は、別の接続方法でもよいが、金の外側層を
溶接するなどして固定された反発電極５０に溶接される
。

ロンド９０ぱ、反発電極５０のだめの電気的絶縁を与え
、且つサファイヤの如き適当な材料で形成されつる２つ
の絶縁ワツシャ９２および９３によってハウジング４８
から絶縁される。

これらのワツシャは、チャンネル９１に形成された環状
凹部に設置される。

ロツド９０のねじ付き端へねじ込まれるナット９５と共
に金属ワツシャ９４が設けられる。

実際には、チャンネル９１は、空胴４８へねじ込まれつ
るプレート９６に形成される。

この理由は、別の反発電極またはその他のスパツタ源が
必要に応じて使用されつるようにプレートが取り外しし
つるということである。

これにより、スバツタ電極５０の交換が容易とされる。

金属プレート５２，５３、絶縁性プレート８０およびシ
ールプレート８２からなるサンドイツチ状吸引電極は、
それぞれロツド１００および１０１によって同様に支持
される。

これらのロンドの各々と各プレート５２．５３との間の
電気的接続ジョイントによってなされる。

シールプレート８２の拡大開口により、このプレートは
ロンドから絶縁されている。

ロンド１００は、ハウジング４８のチャンネル１０２を
通り、ロッド１０１ハウジングのチャンネル１０３を通
る。

これらのロツドは、ハウジング４８に形成された環状凹
部にはまり込む絶縁ワツシャ１４，１０５，１０６，１
０７のそれぞれによってハウジングから絶縁されている
。

同様に、第２の吸引電極５４および５４′、収束プレー
ト５９および６０は、ロツド１２０，１２１によりハウ
ジング４８に対して取り付けられる。

第２の吸引電極５４および５４′はロンドと電気的に接
触しない。

収束プレート５９および６０は、ロツド１２０および１
２１によって支持され、それらの電気的接続はこれらの
ロンドで溶接ジョイントによって与えられる。

ロツド１２１の電極５４からの絶縁並びにプレート５９
および６０と電極５４．５４′との間の間隔は、それぞ
れ電気絶縁性ワツシャ１２４，１２５，１２６および１
２７によって達成される。

ロツド１２１のねじ付き端にはまり込む金属ワツシャお
よびナツＮ２Ｂ．１２９により構造体が完成される。

第３図に示されるように、第２図に示したロッドの外に
、第２図のと実質的に同一である相補的ロツド組がある
。

このイオン源は、イオン化室内へ約０．１圧力で（任意
の適当なスバツタ圧力が使用される好ましくはアルゴン
の如き不活性ガスをまず導入することにより本発明の方
法に従って回復させられうる。

狭いスリット５１の断面積が限定されていて過犬な洩れ
が防止され質量分哲計１６（第１図参照）の圧力がより
低くなるようなことはないので、このような高い圧力が
可能である。

電子ビーム７３が付勢され、アルゴンガスをイオン化す
る。

通常とは反対に、スパツタ電極５０は、負電圧、代表的
にはハウジング空胴４８に対して−４００ボルトにバイ
アスされる。

このスパツタ電位により、ビームからのイオンがスパツ
タ電極５０に衝撃させられ、金がイオン在室の他の部分
の表面上ヘスパツタさせられる。

実験により、このような処理はイオン源の性能を回復さ
せるのに非常に効果的であることが示された。

別のイオン化ガスおよびスパツタ金属を必要ならば使用
してもよい。

本発明の別の実施例では、プレート９６の代りに、孔２
０２を有するプレート２００（第４図参照）が使用され
る。

この孔は、実際には、外側へ張り開くようにテーパ付け
られるとよい。

この孔２０２は、イオン化源へ固体試料を導入するのに
通常使用されるようなグローブ２０４を受け入れるよう
になっている。

そのプローブは、通常のように、適当なクランクまたは
原動機２１０によってその室内に位置決めされる。

この例では、既知の型式の絶縁材料で形成されるプロー
ブは、小さな金のロツド２０６をはめ込む中空端または
孔２０８を有している。

スバツタｔ極５０Ｋおけるように金のロンドが必要な負
電圧へバイアスされるようにプローブの内部にて電気的
接続がなされ、従って、円板４６の代りにスパツタ電極
て作用するようにしてもよい。

このプローブのだめの支持は示されていない。

何故ならば、この種のプローブは当業分野にて良く知ら
れているからである。

まだ、適当なセラミックで形成される截頭円錐形ワツシ
ャ２１４によって保持される小さな金属ワツシャ２１２
を図示のようにロツド２０６の端部へ圧着することによ
って電気的接続をなしてもよい。

ロツド２０６は、孔２０８の内側に係合する小さガ引張
りスプリングによって保持されうる。

電気接続２１２を有する室４８へねじ込まれつるワイヤ
クリップは、Ｕ字形スプリングクリップ２１６によりワ
ツシャ１１２に接触され所望の電気接続がなされる。

この固体試料プローブの構造について説明したが、その
動作は前述しだのと実質的に同一であり、この場合の唯
一の違いは、プロープ自体が別のスパツタ電極を形成す
る必要のないように所望のスパツタ金属で形成されてい
るということである。

イオン化ガス並びにスパツタ電極金属は所望のように選
黙４れうる。

スパツタ電極として固体試料プローブを使用すると多く
の利点がある。

それらの利点としては、質量分析計の真空を乱すことな
くスパツタ電極２０６およびその絶縁体を容易に取り外
して清掃することができるということがある。

イオン源を回復させるための比較的簡単な方法および装
置について説明した。

この方法および装置は、性能を回復させるため質量分析
計の作動を停止させる必要なしに、イオン化室の所定位
置を導電性金属の薄い層で被覆する簡単な技術を使用し
ている。

このような被覆はイオン化室の内側部分に施され、通常
使用につれて生ずる絶縁性付着物を覆う。

スバツタ電極自体は比較的に小さな面積のもので、ほと
んどすべての絶縁被覆がそこに生せしめられるように引
出しスリットの所で被覆を最大とするように中心をカソ
ードまだは吸引電極へ近接させることが望ましい。

もし面積の大きすぎるスパツタ電極を設けると、通常ガ
スイオンが一方の縁へ吸引されてしまって所望のように
引出しスリットの所に十分な被覆が与えられなくなって
しまう。

【図面の簡単な説明】

添付図面の第１図は本発明を適用しうる代表的な質量分
析計を示す一部ブロック概略図、第２図はイオン化源の
内部を金またはその他の金属でスパツタするだめの構成
とする方法を示している第１図の質量分析計のイオン源
の部分の横断面図、第３図は本発明によって特に変形さ
れた第２図のイオン源の部分分解図、第４図はイオン源
の内部へ金をスパツタするため第１図および第２図のイ
オン源に関連して使用されつる別のスパツタ金属源を示
す部分断面図である。 １０・・・イオン源、１２・・・カンード電極、１４・
・・イオンビーム、１６・・・質量分析セクション、１
８・・・電極、２０・・・変換器、２２．２４・・・真
空源、２６・・・電熱コイル、２８・・・加熱源、４８
・・・ハウジング、４９・・・空胴、５０・・・アノー
ド、５０・・・スパツタ電極、５１・・・カソード、５
２．５３・・・プレート、５４．５４’・・・第２の吸
引電極、５５・・・第２の引出しスリット、５６・・・
第２の収束スリット、８０・・・絶縁プレート、８２・
・・フィールドプレート、８４・・・開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ カノード電極、アノード電極および試料入口を有す
   るイオン源を回復させる方法において、前記イオン源に
   適当なスパツタ圧力を得る永め前記人口を通してイオン
   化ガスを導入し、スパツタ金属で前記アノード電極を形
   成し、前記イオン化ガスをイオン化してイオンを形成し
   、前記アノード電極へ負電位を印加して前記イオン源の
   他の部分に対して負としそのアノード電極に前記イオン
   を衝突させて前記金属を前記イオン源の内部へスパツタ
   させることを特徴とするイオン源回復方法。 ２ 前記金属が金である特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ３ 前記イオン化ガスがアルゴンである特許請求の範囲
   第１項に記載の方法。 ４ 真空室、この真空室へ試料ガスを導入するための真
   空室への入口、前記真空室からイオンを引き出すための
   電極手段および前記ガスをイオン化するための手段を有
   するイオン源において、前記真空室へイオン化ガスを導
   入する手段と、前記イオン化ガスの存在において前記真
   空室をイオンスパツタ圧力まで排気する手段と、前記真
   空室における金属スパツタ電極と、前記真空室の内部表
   面へ前記スパツタ電極金属をスパツタさせるためイオン
   を前記スバツタ電極に衝突させるようなイオン加速電位
   を前記真空室と前記スパツタ電極との間に加える手段と
   を備えたことを特徴とするイオン源。 ５ 前記スバツタ電極は前記イオン源のだめの反発電極
   である特許請求の範囲第４項に記載のイオン源。 ６ 前記真空室はこの室へ固体試料を導入するだめの試
   料プローブを有しており、該プロープは前記スパツタ電
   極を形成している特許請求の範囲第４項または第５項に
   記載のイオン源。 Ｔ 前記電極手段は前記真空室をシールし、前記真空室
   に前記スバツタ圧力を維持するように横断面積のスリッ
   トを形成する特許請求の範囲第４項、第５項または第６
   項に記載のイオン源。 ８ 前記イオン源がイオン偏向素子を有する質量分析計
   の一部益であり、前記質量分析計は、ある金属を蒸発さ
   せて前記偏向素子を前記金属で被覆するだめの電熱手段
   を有する特許請求の範囲第４項に記載のイオン源。