JPS6245423Y2 - - Google Patents

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JPS6245423Y2
JPS6245423Y2 JP4182181U JP4182181U JPS6245423Y2 JP S6245423 Y2 JPS6245423 Y2 JP S6245423Y2 JP 4182181 U JP4182181 U JP 4182181U JP 4182181 U JP4182181 U JP 4182181U JP S6245423 Y2 JPS6245423 Y2 JP S6245423Y2
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ion
multiplier plate
secondary electron
image sensor
electron multiplier
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は質量分析装置等における高感度イオン
検出器に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a highly sensitive ion detector in a mass spectrometer or the like.

従来の質量分析装置の概略を第1図に示してあ
る。図中1はイオン源で被検試料をイオン化し、
所望の加速電圧を加速してイオンビームIを形成
する。2は電場で前記イオンビームIを速度分散
し、均一な速度をもつイオンを分析磁場3に入射
せしめる。この磁場により質量分散を受け質量対
電荷比に応じて分離されたイオンは磁場外の収束
面上に収束する。この収束面上には微小スリツト
4が固定され、その後方にイオンコレクタ5が設
置され、スリツトを通過したイオンが検出され
る。
A conventional mass spectrometer is schematically shown in FIG. 1 in the figure ionizes the test sample with an ion source,
An ion beam I is formed by accelerating at a desired acceleration voltage. 2 disperses the velocity of the ion beam I using an electric field, and makes ions with uniform velocity incident on the analysis magnetic field 3. Ions that are subjected to mass dispersion by this magnetic field and are separated according to their mass-to-charge ratio are focused on a focusing surface outside the magnetic field. A minute slit 4 is fixed on this converging surface, and an ion collector 5 is installed behind it, and ions passing through the slit are detected.

この様な構成において、磁場3の強度を一定範
囲にわたり掃引すればスリツト4を通して異つた
質量対電荷比のイオンがコレクタ5に入射するの
で、このコレクタの出力信号を適宜信号処理して
記録計に記録すれば質量スペクトルが得られる。
In such a configuration, if the strength of the magnetic field 3 is swept over a certain range, ions with different mass-to-charge ratios will enter the collector 5 through the slit 4, and the output signal of this collector will be processed appropriately and sent to the recorder. If recorded, a mass spectrum can be obtained.

しかし乍ら、従来の装置ではコレクタ5の前段
にスリツト4を必要とするが、このスリツトの幅
を大きくすると分解能が低下するため、通常100
μm以下の微小幅のものを使用しなくてはならな
い。この様なスリツトは高精度の加工が困難であ
るという問題の他に、到来するイオンの大半を遮
断しているので検出系の感度を向上できない最大
の原因となつている。
However, conventional devices require a slit 4 in front of the collector 5, but increasing the width of this slit lowers the resolution;
It is necessary to use one with a minute width of less than μm. In addition to the problem that such slits are difficult to process with high precision, they also block most of the incoming ions, which is the biggest reason why the sensitivity of the detection system cannot be improved.

而して、本考案は検出系の感度を飛躍的に向上
することを目的とするもので、その構成はイオン
ビームの収束面近傍にこの収束面と平行に多チヤ
ンネル2次電子増倍プレートを置き、イオンを電
子に変換すると共に増倍せしめ、該プレートより
出射した電子を加速して多数の微小検出素子から
なるイメージセンサ上に結像せしめ、該イメージ
センサの各検出素子から順次信号を取り出すよう
になしたイオン検出器に特徴を有するものであ
る。
Therefore, the purpose of this invention is to dramatically improve the sensitivity of the detection system, and its configuration includes a multi-channel secondary electron multiplier plate near the ion beam convergence plane and parallel to the convergence plane. ion, converts the ions into electrons and multiplies them, accelerates the electrons emitted from the plate, forms an image on an image sensor consisting of a large number of minute detection elements, and sequentially extracts signals from each detection element of the image sensor. This ion detector is characterized by the following characteristics.

以下本考案を図面に示した実施例に基づいて説
明する。
The present invention will be described below based on embodiments shown in the drawings.

第2図は主要部の図であり、6は第1図と同様
分析場3による収束面の近傍(実際には収束面の
後方)に配置された多チヤンネルの2次電子増倍
プレートで、そのイオン入射側には−15KV〜−
20KV(第4図では−15KV)の負の高電圧が印加
されている。該2次電子増倍プレートの前方には
第3図に示す如く、複数のスリツト状電極7a,
7b,7c,7dが収束面と平行に置かれてお
り、その少なくともアース電位の電極7aは収束
面より前方に置かれている。各電極には電源8よ
り所定の電圧が印加され、従つて収束面を挟んで
該収束面と直角な方向に均一なイオン加速電界が
形成される。この様な一様電界によりイオンを加
速すると、各イオンは実質的に同一の放物線を描
いて元の収束面と平行な新しい面に収束するよう
になる。従つて、この新しい収束面に前記多チヤ
ンネル2次電子増倍プレートのイオン入射面が置
かれる。イオンは多チヤンネル2次電子増倍プレ
ートの各チヤンネル(細管)に入射し、電子に変
換される。このとき増倍プレートの前面にイオン
−電子変換面を形成しても良い。2次電子増倍プ
レートの出射側には例えば1KV程度の電子加速電
圧が印加されているので前記変換された電子は細
管内の電場により加速され、管壁に衝突するごと
に増倍され、その出口では約1000倍の利得をも
つ。第4図では2次電子増倍プレートの入射面を
−15KV、出射面を−14KVにしたときの電位傾度
を示してある。前記細管の内径は10μm程度であ
り、出射電子は入射イオンの像を保つたまま、他
端より出射することになる。9a,9b,9c,
9dは出射電子の加速電極であり、アース電位に
置かれたイメージセンサ10と多チヤンネル2次
電子増倍プレート6との間に均一な加速電界を形
成する。加速された電子は収束コイル11の作る
レンズ磁場によつてセンサ10上にイオンの像に
対応する電子像を結像する。イメージセンサ10
は光や電子に対して感度をもつた多数の微小なダ
イオード列(第5図)からなつており、その表面
には薄い(1μm程度)保護膜が形成されてい
る。各ダイオード検出素子の間隔τは20μm〜25
μmであり、その個数は512個或いは1024個位の
ものが使用される。今、512素子を用いた場合、
τが20μmとしてもセンサの長さLは10mm以上に
なる。又、素子の長さ、つまりセンサの幅Wは約
2.5mmである。この様なイメージセンサ上に一定
エネルギー(12KeV)以上の電子が入射すると、
該電子は保護膜を通過してダイオードに到達し、
例えば15KVの電子では1個の入射電子に対し、
約1000個の電子を生ずる。そこで、各ダイオード
に積算された電子を電荷として順次取り出せば多
チヤンネル2次電子増倍プレート上に展開された
質量スペクトルを電気信号として送り出すことが
できるわけである。
Figure 2 is a diagram of the main part, and 6 is a multi-channel secondary electron multiplier plate placed near the convergence plane (actually behind the convergence plane) by the analysis field 3, as in Figure 1. -15KV~- on the ion incidence side
A negative high voltage of 20KV (-15KV in Figure 4) is applied. In front of the secondary electron multiplier plate, as shown in FIG. 3, there are a plurality of slit-shaped electrodes 7a,
7b, 7c, and 7d are placed parallel to the convergence surface, and at least the electrode 7a at ground potential is placed in front of the convergence surface. A predetermined voltage is applied to each electrode from a power source 8, so that a uniform ion accelerating electric field is formed across the converging surface in a direction perpendicular to the converging surface. When ions are accelerated by such a uniform electric field, each ion follows a substantially identical parabola and converges to a new plane parallel to the original convergence plane. Therefore, the ion incidence surface of the multi-channel secondary electron multiplier plate is placed on this new focusing surface. Ions enter each channel (capillary) of a multichannel secondary electron multiplier plate and are converted into electrons. At this time, an ion-electron conversion surface may be formed on the front surface of the multiplication plate. Since an electron accelerating voltage of, for example, about 1 KV is applied to the output side of the secondary electron multiplier plate, the converted electrons are accelerated by the electric field inside the tube, and are multiplied each time they collide with the tube wall. At the exit, the gain is approximately 1000 times. FIG. 4 shows the potential gradient when the incident surface of the secondary electron multiplier plate is set at -15 KV and the exit surface at -14 KV. The inner diameter of the thin tube is approximately 10 μm, and the emitted electrons are emitted from the other end while maintaining the image of the incident ions. 9a, 9b, 9c,
Reference numeral 9d denotes an emitted electron accelerating electrode, which forms a uniform accelerating electric field between the image sensor 10 placed at ground potential and the multichannel secondary electron multiplier plate 6. The accelerated electrons form an electron image corresponding to the ion image on the sensor 10 by the lens magnetic field created by the converging coil 11. Image sensor 10
consists of a large number of tiny diode arrays (Fig. 5) that are sensitive to light and electrons, and a thin (about 1 μm) protective film is formed on the surface. The spacing τ between each diode detection element is 20 μm to 25
μm, and the number used is about 512 or 1024. Now, when using 512 elements,
Even if τ is 20 μm, the sensor length L will be 10 mm or more. Also, the length of the element, that is, the width W of the sensor is approximately
It is 2.5mm. When electrons with a certain energy (12KeV) or more are incident on such an image sensor,
The electrons pass through the protective film and reach the diode,
For example, for 15KV electrons, for one incident electron,
Generates about 1000 electrons. Therefore, by sequentially extracting the electrons accumulated in each diode as charges, the mass spectrum developed on the multichannel secondary electron multiplier plate can be sent out as an electrical signal.

以上の検出器を用いて質量スペクトルを得る場
合、分析磁場3の強度を掃引していくと多チヤン
ネル2次電子増倍プレート6上に入射する特定の
質量対電荷比をもつイオンは右から左(又は左か
ら右)に移動する。そこで、分析磁場の微小掃引
毎にイメージセンサ10の各素子にチヤージした
信号(電荷)を高速で順次測定し、これを記憶素
子の各質量対電荷比に対応する番地に繰り返し積
算・記憶せしめる。その結果、記憶素子の各番地
には、丁度従来のスリツト4がイメージセンサ1
0の長さ(第5図のL)に広がつたときと同じ強
度の信号が蓄積されることになる。前述の如く、
スリツト4の幅は100μm以下であり、イメージ
センサ10の長さLは10mm以上であるから、本実
施例の検出器の感度は従来のものに比べ100倍以
上向上することになる。
When obtaining a mass spectrum using the above detector, as the intensity of the analysis magnetic field 3 is swept, ions with a specific mass-to-charge ratio that are incident on the multichannel secondary electron multiplier plate 6 are distributed from right to left. (or from left to right). Therefore, the signals (charges) charged in each element of the image sensor 10 are sequentially measured at high speed for each minute sweep of the analytical magnetic field, and this is repeatedly integrated and stored in the address corresponding to each mass-to-charge ratio of the storage element. As a result, at each address of the memory element, a conventional slit 4 is inserted into the image sensor 1.
A signal of the same intensity as when spread over a length of 0 (L in FIG. 5) will be accumulated. As mentioned above,
Since the width of the slit 4 is 100 μm or less and the length L of the image sensor 10 is 10 mm or more, the sensitivity of the detector of this embodiment is improved by more than 100 times compared to the conventional one.

以上詳述した如き構成により本考案は分解能を
何等犠性にすることなく感度を従来に比し2桁以
上向上でき、高速、高性能の質量分析装置を提供
できる。
With the configuration described in detail above, the present invention can improve sensitivity by more than two orders of magnitude compared to the conventional method without sacrificing resolution in any way, and can provide a high-speed, high-performance mass spectrometer.

尚、上記は本考案の例示であり、その変更は
種々可能である。特に電極7a,7b,7c,7
dや9a,9b,9c,9dの形状、更にはイメ
ージセンサ10の構造は図示のものに限定される
ものではない。
Incidentally, the above is an illustration of the present invention, and various modifications thereof are possible. Especially electrodes 7a, 7b, 7c, 7
The shapes of d, 9a, 9b, 9c, and 9d, and the structure of the image sensor 10 are not limited to those shown in the drawings.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の質量分析装置を示す概略図、第
2図は本考案の一例を示す主要部を示す図、第3
図は第2図におけるイオン加速電界を形成する為
の電極を示す図、第4図は第2図における各部の
電位を示す図、第5図は第2図のイメージセンサ
の例示である。 6:多チヤンネル2次電子増倍プレート、7
a,7b,7c,7d:スリツト状電極、9a,
9b,9c,9d:加速電極、10:イメジセン
サ、11:収束コイル。
Fig. 1 is a schematic diagram showing a conventional mass spectrometer, Fig. 2 is a diagram showing the main parts of an example of the present invention, and Fig. 3 is a schematic diagram showing a conventional mass spectrometer.
This figure shows electrodes for forming the ion accelerating electric field in FIG. 2, FIG. 4 shows the potentials of various parts in FIG. 2, and FIG. 5 shows an example of the image sensor shown in FIG. 2. 6: Multi-channel secondary electron multiplier plate, 7
a, 7b, 7c, 7d: slit-shaped electrode, 9a,
9b, 9c, 9d: acceleration electrode, 10: image sensor, 11: convergence coil.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 分析場より出射したイオンビームの収束面近傍
に該収束面に平行して多チヤンネル2次電子増倍
プレートを置き、該2次電子増倍プレートのイオ
ン入射側に前記収束面に垂直な方向のイオン加速
電界を形成するための負の高電圧を印加し、該増
倍プレートの電子出射側にはイオン入射側に対し
正の電圧を印加し、前記増倍プレートより出射し
た電子を所定エネルギー以上に加速し、且つ結像
して多数の微小検出素子からなるイメージセンサ
上に投射し、該イメージセンサの各検出素子から
順次信号を取り出すように構成した質量分析装置
等用イオン検出器。
A multi-channel secondary electron multiplier plate is placed near the convergence plane of the ion beam emitted from the analysis field and parallel to the convergence plane, and a multichannel secondary electron multiplier plate is placed on the ion incidence side of the secondary electron multiplier plate in the direction perpendicular to the convergence plane. A negative high voltage is applied to form an ion accelerating electric field, and a positive voltage is applied to the electron exit side of the multiplier plate relative to the ion input side, so that the electrons emitted from the multiplier plate have an energy higher than a predetermined energy. An ion detector for use in a mass spectrometer, etc., configured to accelerate the ion beam, form an image, project it onto an image sensor consisting of a large number of minute detection elements, and sequentially extract signals from each detection element of the image sensor.
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