JPS6226142B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はパノラマイオン検出器に関するもので
ある。この検出器は特に質量分析術において帯電
粒子の検出に使用することができる。

（従来の技術） 長い間、パノラマ集束を有する唯一の帯電粒子
検出器は写真板であつた。この種の検出器は10ミ
クロン以下の良好な空間分解能および10⁶イオ
ン／cm程度の比較的良好な検出感度等の利点を有
する。

しかしながらこの写真検出器は特に製作および
使用が困難であるという重大な欠点を有し、写真
板の現像、記録、目盛曲線には相当の時間を要す
る。

帯電粒子を発生するある物理現像は継続時間が
非常に短い。ある場合にはこれらの現像の研究に
は非常に応答の早い粒子検出器を使用する必要が
ある。この場合は非常に応答の早い光電子増倍管
を使用することが知られている。この光電子増倍
管は直接光子衝撃にのみ感応する集束検知窓を有
している。従つてこの場合これら帯電粒子源と光
電子増倍管間に帯電粒子−光子変換装置を挿入す
る必要がある。この変換装置は一般に非常な短時
間（およそ１ナノ秒）で変換を行うシンチレータ
を有している。従つてこの変換は光電子増倍管の
応答速度を著しく変えることはないが、明らかに
検出される粒子が電子の時にしか使用できない。

帯電粒子が例えば正イオンの場合には正イオン
を電子に変換可能な補助変換装置が必要であり、
これによつてシンチレータは電子−光子変換を行
うことができる。

いろいろな方法でイオンを電子に変換すること
が知られているが、全て正イオンを衝撃された表
面からの電子の再放出方法を使用している。以下
はこれらの方法の例である。

− 吸収電界を通過する正イオンを捕捉しこの衝
撃の結果２次電子を再放出する変換線を使用し
た検出器。

− 両端に大きな電位差を有するマイクロチヤネ
ル板を使用した検出器。

これらのマイクロチヤネルはイオンを捕捉して
電子に変換し、電子を増幅する効果をも有する。
このような板により高速パノラマイオン−電子−
光子変換装置が可能となる。マイクロチヤネルは
板に並置されており、イオン−電子変換は検出さ
れるイオンが板チヤネルの内壁に衝突する時に行
われる。一般にこのマイクロチヤネル板はイオン
ビームに対し20゜の入射角とされている。この板
は例えば12ミクロン径の非常に小さな数千のチヤ
ネルを有する。これらのチヤネルは互いに非常に
接近しているがこの接近にもかかわらずイオンビ
ームに対して閉された接合部が各チヤネル間に存
在する。こうして情報損失の他にイオンを電子に
変換する面が不連続となり、空間分解能損失が生
じる。チヤネルの内壁を衝撃したイオンは電子に
変換され、チヤネル内をはね返つて増倍される。
電子はマイクロチヤネルの入力面と出力面間に存
在する電位差ΔＶによりチヤネルから吸引され
る。一般に入力面は大地電位に引上げられており
出力面は数KV（例えば＋3KV）の正電位とされ
ている。電子の増幅率は特にマイクロチヤネルに
印加される電位差ΔＶ、対応するチヤネルに関す
るイオン飛跡位置、入射イオンビームの局部強度
等に依存する。チヤネル内の電子飛跡の形状は電
位差ΔＶに依存する。電子とチヤネル壁間の衝撃
数もこの電位差ΔＶに依存する。従つて増幅自体
がΔＶに依存する。最大検出を行うため従来最大
増幅率を有する板が使用されている。従つて１個
のイオンかもしくは同一信号振幅の数個のイオン
かにかかわらず板は飽和状態で動作する。チヤネ
ルの存在により既存の磁界は空間分解能を変えな
い。しかしながらその非均等な空間分布と時間非
再現性によりこれは増幅において重要な役割を演
ずる。従つてこのような板型変換器ではイオンの
電子への比例変換ができない。しかしながらこれ
は１イオン検出能力に対応する非常に高い感度を
有する。一般に板型変換器の後に燐光層を設けて
マイクロチヤネルからの電子を光子に変換するの
が標準的な方法である。この燐光層は絶対値がマ
イクロチヤネルの出力面の電位よりも高い正電位
とされる。前記燐光層に続いて光フアイバ等の光
線案内装置が燐光層の放出する光子を捕捉して読
取窓へ送る。光子のスペクトル検査は光フアイバ
の終端で行われる。これらのフアイバは実際最初
のイオン現象の空間分解能を維持するように配設
されている。スペクトルの読取りは例えばビジコ
ン感知カメラで行われる。しかしながらイオンビ
ームは検出器入力においてゆるやかに反復値で連
続もしくは少くとも半連続的に集束してカメラに
感知させるようにする必要がある。

イオンから電子への変換は比例せず、得られる
光子スペクトル線の強さや完全なパノラマ検出器
も比例応答を有しない。イオンを電子に変換でき
続いて電子を光子に変換するもう一つの既知の検
出器は、負電位とされイオンから電子への変換を
行う電気テープもしくは電線を有する。各電線も
しくはテープはマイクロシンチレータに結合され
ており電子を光子に変換することができる。前例
と同様この検出装置も不連続変換面を有する。こ
うしてここでもイオン検出に空間分解能損失が生
じる。更にこの装置は複数個の光電子増倍管を要
しその結果複数個の無窓電子増倍管を使用したマ
イクロチヤネル検出器を有する従来技術装置に較
べてほとんど有利ではなく、従つて増倍管の寸法
により実用的に実現することは非常に困難であ
る。

検出器の空間分解能のこの不連続性を解消する
ため、ユニポーラで連続構造を有する変換電極を
実現する方法が知られている。この電極は一般に
負電位とされ、イオンは規定空間で予め加速され
ずにこれを衝撃する。この負電位によりイオン捕
捉現象を加速し、前記イオンが変換電極を衝撃し
ている間跳動現象をなくすことができる。衝撃の
結果放出される２次電子はイオンビームの入射面
に直角な電界により運ばれる。次にこれらの電子
は大地電位とされたダイアフラムを通過した後写
真板上へ集束される。

このような装置により連続空間分解能は得られ
るが写真板は必要である。この板はシンチレータ
と光電子増倍管を有する検出器に置換できるが、
磁界を生成するコイルと両立不能な増倍素子の全
体寸法により質量分析術特に電子−光子変換にお
いて増倍検出器を使用することは不可能である。

もう一つの既知の検出器では単一イオンビーム
経路に円板状シンチレータが設けられている。こ
の検出器ではシンチレータには金属薄膜がほどこ
されている。シンチレータは高エネルギ電子にの
み感応し、分析対象の正イオンには感応しない。
イオン源とシンチレータ間に開孔を有する加速電
極が設けられており、イオンから電子への変換を
可能としている。

残念ながらこの検出器は直接イオン−電子変換
から来ない電子の入力を阻止できず、いくつかの
イオンビームの空間分析も行うことができない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的はこれらの欠点を取除き、特にイ
オンから電子への変換が可能で分析対象イオンビ
ームに対するのと同じ空間分布を形成された電子
ビームに対しても維持するパノラマ回路器を提供
することである。

（問題を解決するための手段） 本発明によれば、この目的は、イオンビームを
通過させる開孔部を備え大地電位を与えられた面
対称ダイアフラムと、前記ダイアフラム開孔部に
対面する開孔部を備え大地電位に対して負の電位
を与えられ同じ面対称の面をもつ、イオンを電子
に変換する電極と、前記変換電極に対面しそれに
対して正の電位を与えられた平面電極とを有し、
前記平面電極に対面する変換電極の面は形成され
た電子ビームが印加磁界の存在のもとで検出され
るイオンビームと同じ空間分布を維持するような
所定形状を有する、異なるビームに空間分布され
たイオンのパノラマ検出器により達成される。

一つの特徴によれば、変換電極は銅−ベリリウ
ム合金でできており、変換電極に対面する平面電
極は電子を光子へ変換可能なシンチレータ上に配
置されている。

（実施例） 図示する検出器はシンチレータおよび光子を光
子検出器に向つて案内する装置に結合されてい
る。

図において検出器は例えば質量分析で放出され
るビーム２の形で示すイオン取入ダイアフラム１
を有しており、そのうち同じイオン源からのイオ
ンの磁気分析を行う電磁石の磁極片３と４のみが
示されている。この電磁石の生成する磁界Ｈを矢
印で示す。同じ質量のイオンから形成された各ビ
ームは図面に直角なこれら磁極片３，４の中間面
に実質的に包含されている。検出器はイオンを電
子に変換する装置５をも有し、前記装置は連続面
対称構造を有している。グイアフラム１は大地６
電位とされイオンを電子へ変換する装置５は大地
電位に対して負の電位とされる。これらのイオン
から電子への変換装置は銅−ベリリウム合金製の
平面電極形状をしている。ダイアフラムとこれら
電極間の電界Ｅは一般にイオンビームに平行して
いる。その強さはイオンが電極端間を通過し大地
に対して正電位とされた平面電極９に対面する電
極面を衝撃する程度とする。電極９は電子から光
子への変換を行うシンチレータ７上に配置されて
いる。シンチレータ７は平面構造でありパノラマ
検出器に含まれて変換電極５に対面しアルミニユ
ーム薄膜９を被覆されたプラスチツク支持部８を
有している。この膜は大地電位に対して正電位
V₂とされた平面電極を構成している。例えば電
子への変換装置の電極の負電圧V₁はおよそ15KV
である。シンチレータの正電圧V₂はおよそ＋10
〜＋20KVである。プラスチツク支持部８を被覆
しているアルミニユーム薄膜９の厚さは200Å以
下である。

実施例においてシンチレータ７のプラスチツク
部材８はシンチレータ７の放出する光子を案内す
る装置１０に対面している。前記仏国特許出願の
主題を形成する質量分析で本検出器を使用する時
は、これらの光子案内装置は単ブロツク構造であ
り例えば無臭透明な樹脂でできている。合成樹脂
はプレクシグラス（plexiglass）の商標で知られ
ているメチルメタクリレート重合体である。その
入力面１１はシンチレータ７に対面しており出力
面１２は光子検出器１３に対面している。本実施
例において光子検出器１３は２個の光電子増倍管
１４，１５を有しており、一方は比較的低利得で
他方は非常に高利得であるため第１光電子増倍管
は強度の制限された線に対応するイオンを処理す
ることができ、第２光電子増倍管は強い線に対応
するイオンを処理することができる。光電子増倍
管の出力信号は光子スペクトルを可視とする装置
１６へ加えられる。これらの可視化装置は陰極管
オツシロスコープもしくはデイスプレイを有する
アナログ−デイジタル変換器とすることができ
る。

シンチレータから光電子増倍管へ光子を送信す
る単ブロツク光子案内装置１０は光電子増倍管の
方向へ収束している。

こうして本発明の検出器によりイオンは連続的
に電子へ変換される。イオンの方向には空間的不
連続性がない。本実施例では光子の方向にも空間
的不連続性がない。

集束検出されるイオンはダイアフラムおよびイ
オンを電子へ変換する電極との間に印加される電
界Ｅにより加速され、イオンはイオンと電子を分
離する空間にのみ導入される。イオンはこの空間
に到達すると減速偏向され、シンチレータ７に対
面する側面から高い運動エネルギで変換電極面を
衝撃する。明らかにこの飛跡は大地に対する負電
圧を電極５に、大地に対する正電圧を電極９に印
加することによつて得られる。ある運動エネルギ
でイオン−電子変換電極を衝撃するイオンは前記
電極から２次電子を放出する。これらの２次電子
は加速されてシンチレータを衝撃する。２次電子
の衝撃によりシンチレータにシンチレーシヨン現
象が生じ光子が放出される。

電極９に対面する変換電極の開孔部の脚１７，
１８は凹状をしており、変換電極と平面電極９間
に生じる電界により各電子ビームの空間分布は検
出器入口の各イオンビームの空間分布に対応する
ようになつている。電子は変換電極を離れた後磁
力線がこの領域まで延在している磁界Ｈの作用を
受け、次に電界によりシンチレータの電極方向に
加速される。変換電極を離れると電気力線は最初
全方向に放出された電子が磁界Ｈにより平行飛跡
群とされるような向きとなる。こうして所与のイ
オンビームに対応する電子の図面に直角な方向へ
の発散は最小となる。

光子案内装置１０の表面１１はイオンを電子へ
変換する電極の面積と等しい面積にわたつてシン
チレータのプラスチツク支持部と直接接触してい
る。シンチレータから放出された光子は運ばれ各
光電子増倍管１４，１５の適切な開孔窓上に収束
し、その結果前記光子検出器に連結された可視化
装置１６により全ての輝度情報の読取りが可能と
なる。単ブロツク構造の光線案内装置１０により
全ての光子情報の空間的混合が可能となり、その
結果同じ光線案内装置上に配設された符号１４，
１５等の１個以上の利得の異なる光電子増倍管に
より同時に光子情報の読取りも可能となる。

前記した検出器は非常に高速な分析応答度を有
するという利点を有する。この検出器により質量
スペクトルの判断は簡単となる。結果の精度は著
しく向上する。こうして第１変換中に放出される
電子は戻されてイオン−電子変換電極を衝撃する
ことはなく、その結果質量分析術に使用される前
記検出器は前記従来技術の多チヤネル検出器の場
合に存在する飽和の危険性がない。しかも本発明
による検出器は写真検出器のおよそ1000倍高い検
出限界を有する。

変換電極５の下流面１７，１８は前記電極に作
用する磁力線に直交する形状となつている。こう
して電気力線と磁力線とは同一像となり、磁力は
静電力および最小発散に較べて小さくなる。変換
電極の上流面は実質的に下流面と同じ形状であ
る。この形状により変換電極の舌部間での焦点合
せが可能となる。

検出器の周りを磁気遮へいして第１段階で電子
の発散効果を低下することが望ましく、こうすれ
ば本発明による検出器は残留効果を消去しさえす
ればよい。

更にダイアフラムと変換電極間の印加電圧によ
りイオンから電子への変換からではなく前記変換
による電子との混合から生じる電子を阻止して、
望ましくない不正確な情報の生成を防止すること
ができる。

この構成および利点の応用は複数個のイオンビ
ームに感応するイオン検出器に限定されるもので
はない。これは単検出器にも応用できこの場合に
はダイアフラムおよび変換電極は円形開孔を有
し、電極およびシンチレータは例えば円板形状を
有している。

（発明の効果） 本発明によるパノラマ検出器は空間分離および
飛行時間測定を伴う質量分析に応用することがで
きる。イオンビームおよび２次電子ビームの空間
分布を維持することはこのような分析では欠くこ
とができない。こうして前記仏国特許出願のよう
な飛行時間測定を伴う分析において、本発明によ
る検出器が開発されていなければ２次放出電極に
より再放出される電子の飛跡は前記電子の初期速
度に従つて広範にわたり、その結果電子がシンチ
レータに到達するのに要する時間も広範にわた
る。これによつて所与の質量に対応する電子パル
スが広くなり時間分解能が低下する。

明らかに前記検出器に使用した装置は本発明の
範囲内で同等の装置と変換することができる。例
えばパノラマ検出器において単構造を有するよう
に選定された光子案内装置は複数個の光フアイバ
で置換できる。この構造は前記仏国特許出願に記
載された質量分析に応用することができ、この場
合光ビームの空間分離は無用となる。利得の異な
る複数個の光電子増倍管を使用する時は所与の質
量のイオンビームに対応する各シンチレーシヨン
領域を各光電子増倍管の入力面に接続する必要が
ある。

【図面の簡単な説明】

添付図は本発明の一実施例を示す図である。 参照符号の説明、１……イオン取入ダイアフラ
ム、３，４……磁石極片、５……イオン−電子変
換装置、７……シンチレータ、８……プラスチツ
ク支持部、９……平面電極、１０……光子案内装
置、１３……光子検出器、１４，１５……光電子
増倍管、１６……可視化装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 異なるビームに分布されたイオンのパノラマ
   イオン検出器であつて、前記ビームを通過させる
   開孔部を備え大地電位を与えられた面対称ダイア
   フラムと、該ダイアフラム開孔部に対面する開孔
   部を備え大地電位に対して負の電位を与えられ同
   じ面対称の面をもつ、イオンを電子に変換する電
   極と、前記変換電極に対面しそれに対して正の電
   位を与えられた平面電極とを有し、該平面電極に
   対面する前記変換電極の面は形成された電子ビー
   ムが印加磁界の存在のもとで検出されるイオンビ
   ームと同じ空間分布を維持するような所定形状を
   有している、パノラマイオン検出器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の検出器におい
   て、前記変換電極は銅−ベリリウム合金でできて
   いるパノラマイオン検出器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の検出器におい
   て、前記面対称の面の方向に沿つて並置された変
   換電極の異なる領域で放出された電気信号を差動
   処理する装置を有する、パノラマイオン検出器。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の検出器におい
   て、前記処理装置はシンチレータと複数個の光線
   案内装置とを有し、該案内装置はそれぞれ前記面
   対称の面方向に沿つて並置された前記シンチレー
   タの異なる領域の１つに結合されている、パノラ
   マイオン検出器。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の検出器におい
   て、前記処理装置はまた各々が前記光線案内装置
   の１つに結合された複数個の光電子増倍管を有す
   る、パノラマイオン検出器。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の検出器におい
   て、前記変換電極から放出される電気光学信号の
   時間処理装置を有する、パノラマイオン検出器。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の検出器におい
   て、前記処理装置はシンチレータおよびシンチレ
   ータアセンブリを付随する光線案内装置を有す
   る、パノラマイオン検出器。 ８ 特許請求の範囲第６項記載の検出器におい
   て、前記処理装置は前記光線案内に結合された少
   なくとも１個の光電子増倍管を有する、パノラマ
   イオン検出器。