KR20210082464A - 전자 증배기 내부 영역의 개선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 검출기에 사용되는 유형의 전자 증배 장치 및 사용 수명 또는 성능을 개선하기 위한 그 변형에 관한 것이다. 본 발명은 전자 증폭 체인을 제공하도록 구성된 일련의 이산 전자 방출 표면을 포함하는 전자 증배기 형태로 구현될 수 있으며, 전자 증배기는 전자 증배기 내부로 오염 물질이 유입되는 것 또는 이를 부분적으로 또는 완전히 관통하는 것을 방지하거나 억제하도록 구성된다. 전자 증배기는 하나 이상의 배플을 구비하지 않는 전자 증배기와 동일하거나 유사한 것에 비해 전자 증배기의 진공 전도도를 감소시키도록 구성된 하나 이상의 배플을 포함할 수 있다.

Description

전자 증배기 내부 영역의 개선

본 발명은 일반적으로 과학 분석 장비의 구성품에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는, 본 발명은 이온 검출기에 사용되는 전자 증폭 유형의 장치 및 사용 수명을 연장하거나 성능을 개선하기 위한 전자 증폭 장치의 변형에 관한 것이다.

질량분석기에서, 피분석물이 이온화 되어 다양한 하전 입자(이온)를 형성한다. 그런 다음, 일반적으로 발생된 이온들을 가속 및 전기장이나 자기장에 노출시켜 이온들의 질량-대-전하 비에 따라 발생된 이온들을 분리한다. 분리된 신호 이온들은 이온 검출기 표면에 충돌하여 하나 이상의 2차 전자를 생성한다. 그 결과가, 질량-대-전하 비에 따라, 검출된 이온들의 상대 양의 스펙트럼으로 디스플레이 된다.

다른 응용 분야에서, 검출되는 입자는 이온이 아닌 중성 원자, 중성 분자 또는 전자일 수 있다. 어떤 경우에서든, 검출기 표면은 표면 위에 입자들이 충돌하게 제공된다.

검출기의 충돌 표면에 대한 입력 입자의 충돌로 인해 발생하는 2차 전자는 전자 증배기에 의해 증폭되는 것이 일반적이다. 전자 증배기는 일반적으로 2차 전자 방출 방식으로 작동하여, 증배기 충돌 표면에 대한 단일 또는 다중 입자의 충돌로 인해 충돌 표면의 원자와 관련된 단일 또는 (바람직하게는) 다중 전자가 방출된다.

전자 증배기 중 공지되어 있는 하나의 유형이 이산-다이노드 전자 증배기이다. 이 증배기에는 다이노드로 불리는 일련의 표면들이 포함되며, 일련의 각 다이노드는 양의 전압이 계속해서 증가하게 설정되어 있다. 이전의 다이노드로부터 방출된 2차 전자들이 충돌하면, 각 다이노드는 하나 이상의 전자를 방출할 수 있고, 이에 의해 입력 신호를 증폭하게 된다.

검출기에서, 증폭된 전자 신호는 터미널 애노드 위에 충돌하고, 터미널 애노드는 충돌하는 전자의 수에 비례하여 전기 신호를 출력한다. 애노드에서 출력된 신호는 컴퓨터로 전송되어, 당 업계에서 주지되어 있는 방식으로 분석된다.

당 업계에서, 시간이 경과함에 따라 전자 방출-기반 검출기의 성능이 열화된다는 것이 문제이다. 시간이 지남에 따라 2차 전자 방출이 감소하여, 전자 증배기의 이득이 감소하는 것으로 생각된다. 이 공정을 보상하여 필요한 증배기 이득을 유지하기 위해, 증배기에 적용되는 작동 전압은 주기적으로 증가되어야만 한다. 그러나 궁극적으로는 증배기를 교체하여야 할 것이다. 검출기 이득은 급격하게 그리고 만성적으로 모두 부정적으로 영향을 받을 수 있다는 점에 주목해야 한다.

이전의 장인들은 다이노드 표면적을 증가시켜 다이노드 에이징(ageing) 문제를 해결하였다. 표면적의 증가는 더 넓은 면적에 걸쳐 전자 증폭 과정의 워크-부하를 분산시켜서, 에이징 과정을 효과적으로 늦추고, 사용 수명 및 이득 안정성을 개선한다. 이 접근 방안은 사용 수명을 약간만 증가시키며, 질량 분석 기기를 사용하는 검출기 유닛의 크기 제약에 의해 제한되는 것은 물론이다.

전자 증배기 업계의 다른 문제는 이온 피드백이다. 이온 피드백은 전자 증배기 내 또는 전자 증배기 주변의(잔류 가스 분자 같은)중성 입자들이 이온화되는 것이다. 임의의 개별적인 고 에너지 전자에 의해 중성 입자들이 이온화될 수 있다. 이런 이온화는 전자 플럭스가 큰 영역에서 발생하는 경향이 크고, 중성 입자들의 고정 백그라운드에서 전자 플럭스에 비례하는 것이 일반적이다. 이에 따라, 전자 증배기 내의 어떠한 지점에서도 이온화가 발생할 수 있는 한편, 대부분의 이온화는 컬렉터 근방의 전자 증배기 체인의 배출 단부를 향해 발생할 수 있다. 중성 종(neutral species)의 이온화도 검출기 외부에서 발생한다. 이산형 다이노드 검출기는 일반적으로 로컬 환경에 상당히 '개방(open)'되어 있다. 다이노드-대-다이노드 전자 운반 효율이 100% 미만이므로, 일부 2차 전자는 로컬 환경에서 이탈하여, 2차 전자가 중성 가스 입자를 이온화시키는 진공 챔버의 외부 환경으로 이동한다.

그러나 형성된(양전하를 띠는) 이온들은, 장치에 인가된 전압으로 인해(전자 증배기 외부에서 형성된 이온을 포함하여) 전자 증배기의 유입 단부를 향해 끌린다. 이들 이온들이 충분한 에너지를 획득하면, 전자 증배기 내부의 전자 방출 표면과 충돌할 때 2차 전자가 발생하게 될 것이다. 이온 유도 2차 방출은 차례대로 단계적으로 증식되어, 장치의 성능을 저하시키는 스퓨리어스 출력 펄스(spurious output pulse)를 야기한다.

스퓨리어스 펄스는 백그라운드 노이즈, 베이스라인 구조, 스퓨리어스 피크 또는 이들의 조합으로 나타날 수 있다. 이온 피드백을 억제하는 것은, 검출기 성능에 영향을 미치고 영향을 줄 수 있는 무수히 많은 방법으로 인해 전자 증배기 설계에서 중요한 목표이다.

종래 기술의 전자 증배기에서 이온 피드백을 감소시키기 위한 두 가지 방법이 제안되었다. 첫 번째 접근 방식은 이온 차단(blocking) 또는 트래핑(trapping)이고, 두 번째 접근 방식은 이온 형성 방지이다. 첫 번째 접근 방식에서, 이온이 스퓨리어스 펄스를 유발하기에 충분한 에너지 또는 모멘텀을 얻을 확률은 채널의 물리적 또는 전기적 변형에 의해 감소된다. 일반적으로 이온 트래핑 또는 차단은 이온 피드백의 소스, 즉 이온 자체를 제거하지 않는다.

첫 번째 접근 방식 중 하나의 실제 예로서, 전자 증식의 정도를 제한하는 '차단' 다이노드를 사용하여 종래 기술의 증배기에서 이온 피드백이 억제되었다. 차단 다이노드는, 피드백 이온들이 다이노드를 칠 때, 피드백 이온의 초기 충돌 에너지를 억제하는 기능을 한다. 일반적으로, 차단 다이노드는 둘 이상의 순차 차단 다이노드 사이의 가시선(line-of-sight)을 제한하도록 구성된다.

일반적으로 전자 증폭 체인에서 3개의 다이노드 배열을 보여주는 도 1을 참고한다. 증폭 과정은, 이온/전자 충격으로 인해 다이노드 A에서 2차 전자가 방출되는 것으로 시작된다. 이렇게 방출된 전자는 다이노드 B의 확장된 섹션(최상단 섹션)을 향해 끌어당겨진다. 동시에 방출 다이노드 A의 짧은 섹션(최하단 섹션)은 타깃 다이노드 B보다 높은 전압에 있는 인접한 다이노드 C의 확장된 섹션의 영향으로부터 이들 전자를 보호한다. C의 확장된 섹션은, 다이노드 A의 짧은 섹션이 더 이상 전자 궤적에 미치는 영향을 차단하지 않도록 충분히 확장된다. 이 시점에서, 전자는 다이노드 C쪽으로 당겨져, 전자를 타깃 다이노드 B의 중간(중앙)과 짧은 섹션에 집중시킨다. 그런 다음 이 전자들이 이 과정을 반복하여, 다이노드 B는 새로운 다이노드 A가 된다.

이 과정에서 인접한 확장 및 짧은 섹션의 결합은 종래 기술의 전자 증배기에서 일반적인 다이노드 형상 및 구조를 가져왔으며, 이는 최신 기술을 대표한다. 일반적으로 효과적이지만, 이러한 구성의 바람직하지 않은 결과는 이온 피드백을 증가시키는데, 이는 다이노드-대-다이노드 전자 운반 효율이 높을수록 검출기의 중간 갭의 범위를 증가시키기 때문이다.

본 발명의 일 측면은 서비스 수명이 늘고 및/또는 성능이 개선된 전자 증배기를 제공하는 것이다. 종래 기술의 전자 증배기에 대한 유용한 대안을 제공하는 것은 종래 기술의 또 다른 측면이다.

문헌, 행위, 재료, 장치, 물품 등에 대한 논의는 오로지 본 발명에 대한 맥락을 제공할 목적으로만 본 명세서에 포함된다. 이러한 상황의 일부 또는 전부가 본 출원의 각 청구항의 우선권 날짜 이전에 존재했기 때문에, 종래 기술 기반의 일부를 형성하거나 본 발명과 관련된 분야에서 통상적인 일반 지식이라고 제안되거나 제시되지 않는다.

가장 넓은 측면은 아니지만, 제1 측면에서, 본 발명은 전자 증폭 체인을 제공하게 구성된 일련의 이산 전자 방출 표면을 포함하는 전자 증배기로, 상기 전자 증배기는 오염 물질(샘플 캐리어 가스 스트림 내에서 이동하는 오염 물질을 포함하지만 반드시 이들만으로 한정되지는 않음)이 전자 증배기 내로 유입되는 것을 방지하거나 억제하고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과하는 것을 방지하거나 억제하게 구성되는 전자 증배기를 제공한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 전자 증배기는 오염 물질이 전자 증배기 내로 유입되는 것을 방지하거나 억제하고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과하는 것을 방지하거나 억제하도록, 하나 이상의 배플을 포함한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 전자 증배기는, 하나 이상의 배플을 구비하지 않는 동일하거나 유사한 전자 증배기에 비해 진공 전도도를 감소시키도록, 하나 이상의 배플이 구성된다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 하나 이상의 배플이 없는 경우에 오염 물질이 전자 증배기 내로 유입되고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과할 수 있게 하는 선형 경로가 전자 증배기 내에 규정되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.

제1 측면의 일 실시형태에서, 일련의 이산 전자 방출 표면은 전자 증배기의 중심축 주위에 배치되고, 하나 이상의 배플은 상기 중심축에 접근하거나 인접하거나 또는 중심축과 교차한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 일련의 이산 전자 방출 표면은 전자 증배기의 중심축 영역 주위에 배치되고, 하나 이상의 배플은 상기 중심축 영역 내로 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 하나 이상의 배플이 상기 중심축 영역을 완전히 가로지른다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 하나 이상의 배플이 전자 증배기의 하우징으로부터, 또는 전자 증배기 내에 존재하는 구조로부터, 또는 전자 증배기 내 전용 구조로부터 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 일련의 이산 전자 방출 표면 각각이 다이노드이거나 또는 다이노드의 일부이고, 상기 하나 이상의 배플 중 하나는 상기 다이노드로부터 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 다이노드는 외주 영역을 구비하고, 하나 이상의 배플은 상기 외주 영역으로부터 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 상기 다이노드는 그 단면에 제1 섹션 및 제3 섹션을 구비하되, 제1 섹션 및 제3 섹션 각각은 전반적으로 중심축을 향하거나 또는 전자 증배기의 중앙 영역을 향해 연장하고, 상기 제1 섹션 및 제3 섹션은 제2 섹션에 의해 연결되고, (ⅰ) 배플은 제1 섹션 또는 제3 섹션으로부터 연장하고, (ⅱ) 제1 섹션 또는 제3 섹션은 적어도 부분적으로 배플로 기능하도록 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 제1 섹션은, 단면에서, 제3 섹션보다 길다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 제2 섹션은, 단면에서, 제1 섹션과 제3 섹션의 길이의 중간 길이를 구비한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 다이노드는 단편 재료로 제작되고, 다이노드의 제1 섹션 및 제3 섹션은 제2 섹션과의 각 계면에서 벤드에 의해 각각이 획정되고, 제1 및 제3 섹션은 전반적으로 중심축을 향해 또는 전자 증배기의 중앙 영역을 향해 연장한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 일련의 이산 전자 방출 표면 각각이 다이노드이고, 상기 일련의 다이노드는 인터리빙 방식으로 배열되어 있다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 증폭 체인 내에서 다이노드의 제1 섹션이 이웃 다이노드의 제1 섹션과 인터리빙 되어 있다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 다이노드의 제1 섹션이 전자 증배기 입력부에 가장 근접한 섹션이다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 제1 섹션과 제2 섹션 사이에 적어도 약 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜, 1.0㎜, 1.1㎜, 1.2㎜, 1.3㎜, 1.4㎜, 1.5㎜, 1.6㎜, 1.7㎜, 1.8㎜, 1.9㎜ 또는 2.0㎜의 중첩을 제공하도록, 증폭 체인 내에서 다이노드의 제1 섹션이 이웃 다이노드의 제1 섹션과 인터리빙 되어 있다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20개의 배플을 포함한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 다이노드 중 적어도 하나가 배플로 기능하도록 구성되거나 위치한다.

제1 측면의 일 실시형태에서, 하나 이상의 배플 중 적어도 하나 각각은 약 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜, 1.0㎜, 1.1㎜, 1.2㎜, 1.3㎜, 1.4㎜, 1.5㎜, 1.6㎜, 1.7㎜, 1.8㎜, 1.9㎜ 또는 2.0㎜의 거리만큼 연장한다.

제2 측면에서, 본 발명은 제1 측면의 어느 하나의 실시형태에 따른 전자 증배기, 및 전자 증배기에 의해 출력된 2차 전자를 수집하게 구성된 컬렉터를 포함하는 입자 검출기를 제공한다.

도 1은 종래 기술의 다이노드를 포함하는 전자 증배기 내에서 2차 전자들의 방향 이동을 보여주는 상당히 개략된 도면이다.
도 2는 종래 기술의 전자 증배기 내에서 2차 전자 사태(avalanche)의 발생을 보여주는 상당히 개략된 도면이다. 다이노드들에 의해 형성된 3차원의 중안 선형 공간의 경계가 점선 직사각형으로 표시되어 있다.
도 3은 전자 증배기의 일부를 보여주는 상당히 개략된 도면이다. 전자 증배기 체인의 순차적인 다이노드들 중 2개는, 상부 섹션이 하이퍼-확장되어 (ⅰ) 서로 중첩되고,(ⅱ) 증배기의 중앙 선형 공간 내로 연장하게 변형되어 있다.
도 4 내지 도 10 각각은 완전한 전자 증배기의 다이노드들을 상당히 개략적으로 나타낸 도면이다. 각 도면에서, 입력 입자(일반적으로 이온)가(도시된 바와 같이) 전자 증배기의 상부에서 유입되고, 다이노드에 의해 생성된 2차 전자 사태가가 하부에서 빠져나간다. 이 다양한 도면들은 변형되지 않은 다이노드들에 대해 수정된 부분을 변화시키고, 전자 증배기의 특정 영역에 변형된 다이노드를 위치시킨 실시형태들을 예시하고 있다.
도 11 및 도 12 각각은 배플들이 모든 다이노드에서 분리되어 있는 부분 전자 증배기의 다이노드들을 상당히 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 13은 전자 증배기에 가스 크로마토그래피 기기가 체결되어 있는 전형적인 장치를 보여주는 상당히 개략된 도면이며, 질량 분석계는 본 명세서에 기재되어 있는 유형의 진공 전도도를 최소로 하게 구성된 이온 검출기를 구비한다.
도 14는 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 단면도이다.
도 15는 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 사시도이다.
도 16은 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 단면도로, 요소들 중 하나는 형성물(formation)을 구비하고, 다른 요소는 상보적인 리세스를 구비한다.
도 17은 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 단면도로, 요소들 중 하나는 일련의 형성물을 구비하고, 다른 요소는 일련의 상보적인 리세스를 구비한다.
도 18은 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 단면도로, 요소들 중 하나는 외부 립을 구비한다.
도 19는 두 검출기 요소("A" 및 "B")의 계면에서 비선형 또는 구불구불한 경로를 형성할 수 있는 두 검출기 요소 사이의 예시적인 계면의 단면도로, 요소들 중 하나는 외부 립과 리세스를 구비하고, 다른 요소는 상보적인 형성물을 구비한다.

이 발명의 설명을 고려한 후, 본 발명이 다양한 대안적인 실시형태 및 대안적인 응용형태로 어떻게 구현되는지가 당업자에게 명백하게 될 것이다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시형태를 본 명세서에서 설명할 것이지만, 이들 실시형태는 단지 예시로서 제시된 것이며, 이들로 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다. 이와 같이, 다양한 대안적인 실시형태의 이러한 설명이 본 발명의 범위 또는 폭을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 장점 또는 다른 측면의 설명은 특정 예시적인 실시형태에 적용되며, 청구 범위에 의해 커버되는 모든 실시형태에 반드시 적용되는 것은 아니다.

본 명세서의 발명의 설명 및 청구 범위 전체에 걸쳐, "포함하는" 및 "포함한다"와 같은 단어의 사용은 다른 부가물, 컴포넌트, 정수 또는 단계를 배제하려는 의도가 아니다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시형태" 또는 "일 실시형태"에 대한 언급은, 실시형태와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 여러 곳에서 "하나의 실시형태에서" 또는 "일 실시형태에서"라는 문구는 반드시 모두 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다.

본 명세서에 기술된 본 발명의 모든 실시형태가 본 명세서에 개시된 모든 이점을 갖는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 일부 실시형태는 하나의 장점을 가질 수 있는 반면, 다른 실시형태는 전혀 장점이 없을 수 있으며 단지 종래 기술에 대한 유용한 대안일 수 있다.

본 발명은 전자 증배기의 진공 전도도(vacuum conductance)가 감소되는 경우 종래 기술의 전자 증배기의 개선이 실현된다는 본 발명자들의 발견에 적어도 부분적으로 근거한다. 이러한 진공 전도도 감소는, 오염 물질(예를 들어 캐리어 가스 스트림에서 발생하는 잔류 가스 분자)의 유입을 방지하거나 억제함으로써 달성할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 전도도의 감소는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 이동하는 것을 방지하거나 억제함으로써 달성될 수 있다. 후자의 상황에서, 오염 물질은 전자 증배기의 내부 공간에 들어갈 수 있지만, 증배기는 오염 물질이 증배기 내부 공간으로 깊숙이 침투하는 능력을 제한하도록 구성된다. 어떤 경우에는, 오염 물질이 중간 영역 또는 심지어 전자 증폭 체인의 말단 영역에 위치한 다이노드 주변 영역으로 침투하는 것이 방지된다. 어떤 상황에서는 오염 물질이 말단 다이노드에서 방출된 2차 전자를 받아들이는(양극이 되는) 컬렉터 표면 주변의 영역으로 침투하는 것이 방지된다.

본 발명의 일부 실시형태에서 전자 증배기는 내부 공간 내에 배치된 하나 이상의 물리적 장벽(barrier)을 포함한다. 용어 "배플(baffle)"은 이러한 물리적 장벽을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

전자 증배기가 배플을 포함하는 경우, 배플은 일반적으로 증배기 "내부"로 간주되도록 위치 및/또는 크기 및/또는 형상이 지정된다. 이러한 맥락에서, 용어 "내부(internal)"는 배플의 적어도 일부 또는 배플의 전부가 전자 증배기의 경계 체적 내에 있는 상황을 지칭하는 것으로 의도된다. 일부 실시형태에서, 배플의 일부 또는 전부는 전자 증폭 체인의 2개의 순차적인 다이노드와 같이 2개의 대향하는 다이노드 사이에 존재하는 공간으로 연장된다.

많은 상황에서, 전자 증배기는(컬렉터/애노드를 포함함으로써) 이온 검출기의 형태로 구현될 것입니다. 이 경우, 용어 "내부"는 검출기의 경계 체적의 내부를 의미하도록 정의될 수 있다.

일반적으로 임의의 배플은(질량 분석기 같은) 기기에 대해 어떠한 변형도 가하지 않고, 기기와 기능적으로 결합할 수 있도록 배플을 포함하는 전자 증배기 또는 이온 검출기를 허용하도록 크기, 치수 또는 위치가 지정되는 것이 바람직하다. 따라서 전자 증배기 또는 이온 검출기의 설치를 방해하는 배플은 일반적으로 피해야 한다.

전자 증배기에서, 오염 물질 수준의 감소는 이온 피드백 문제를 해결할 수 있다. 오염 물질이 이온화 될 수 있다는 점(따라서 피드백 이온 소스)을 감안하면,　 배플은 전자 증배기에서 이온 피드백 수준을 낮출 수 있다. 이해되는 바와 같이, 증배기의 이온화는 전자 플럭스가 가장 높은 전자 증폭 체인의 말단(즉, 컬렉터 애노드를 향하는 쪽으로)에서 더 많이 발생한다. 따라서, 오염 물질 종이 증배기에 들어가도록 허용하지만 그럼에도 불구하고 적어도 장치의 말단 영역으로의 오염 물질의 통과를 억제하는 본 발명의 실시형태는 이온 피드백의 실질적인 감소를 제공할 수 있다.

수명 단축 문제와 관련하여, 증배기 내 오염 물질의 감소는 내부의 전자 방출 표면이 적어도 어느 정도 오염되지 않도록 보호할 수 있다. 전자 방출 표면(일반적으로 다이노드 형태로 구현됨)은 유입되는 전자에 더 오랜 기간 동안 반응을 유지하여 서비스 수명을 연장한다. 이온 피드백을 억제하면, 검출기가 어느 정도 양의 전하만 출력할 수 있고, 이온 피드백이 해당 전하의 일부를 폐기한다는 점을 감안할 때 검출기 수명을 간접적으로 연장할 수도 있다.

전자 증배기는 일반적으로 전자 증폭 체인을 제공하도록 구성된 일련의 이산 전자 방출 표면을 포함한다. 본 발명에 따르면, 전자 증배기는 샘플 운반 기체 스트림에서 이동하는 오염 물질이 전자 증배기로 들어가거나, 부분적으로 통과하거나 또는 전자 증배기를 완전히 통과하는 것을 방지하거나 못하도록 구성될 수 있다. 종래 기술의 전자 증배기의 디자인에서, 증배기 장치 자체의 진공 전도도의 중요성에 대한 인식은 없었다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 질량 분석기에서 이온 검출기 역할을 하는 전자 증배기는 챔버에서 고진공 조건에서 작동하며, 시료 입자(예를 들어 이온)를 챔버 내로 도입하는 데에 캐리어 가스가 사용된다. 샘플 입자는 챔버 내에서 가속되고, 전자 증배기에 들어가기 전에 질량/전하 비율에 따라 분리된다. 일련의 전자 방출 표면에 의해 단일 이온을 2차 전자의 사태로 변환하는 것이 전자 증배기의 과제이다. 최종 방출 표면에서 생성된 2차 전자는 컬렉터 애노드에 충돌하여 전기 신호를 형성한다. 샘플 운반 가스도 챔버로 들어가 샘플 물질뿐만 아니라 오염 물질도 함께 운반한다. 따라서, 오염 물질이 진공 챔버를 통과하여 전자 증배기로 운반되어, 전자 증배기의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

오염 물질은 운반 가스와는 별개의 소스에서 발생할 수 있다. 오염 물질은 다양한 전자 피드스루 및 펌프 밀봉 중 임의의 곳으로부터 진공 챔버로 들어갈 수 있다. 예를 들어, 확산 펌프가 미량의 오일을 챔버로 누출하는 것은 드문 일이 아니다.

챔버 내에서 모든 오염 물질은 결국 감지기로 유입된다. 오염 물질이 언제 감지로 유입될 것인지가 문제이지, 유입되는 것이 아닌지에 대한 문제는 아니다. 배플링은 오염 물질이 검출기에 유입되면 그 이동성(mobility)을 제한한다.

본 발명에 따르면, 전자 증배기의 진공 전도도는, 전자 방출 표면 및 전반적인 내부 환경이 오염 물질에 노출되는 것을 제한하기 위해 증배기 내로 및/또는 증배기를 통한 오염물의 통과를 방지하거나 적어도 억제하도록 감소된다.

전자 증배기를 사용하여, 도 2에 도시된 바와 같이 대향하는 다이노드들 사이에 선형 경로가 정의된다. 도 2는 종래 기술의 이산 다이노드 전자 증배기(10)의 다이노드들을 매우 도식적으로 표현한 것이다. 이 전자 증배기(10)는 도 1을 참고하고, 본 명세서의 배경 섹션에서 설명된 것과 동일한 방식으로 작동한다. 전자 증폭 체인의 각 다이노드는 순차적으로 번호가 지정되어 있다(l5a 내지 l5g). 유입되는 이온(20)의 경로가 증배기(10)의 진입점에 표시되어 있으며, 후속해서 증폭되어 전자 사태(25)로 된다. 언급된 바와 같이, 좁은 선형 공간(30)은 점선 사각형으로 표시된 바와 같이 중심축을 따라 이어지고 그리고 증배기(10) 내부에 있다. 선형 공간(30)은 다이노드(15)들의 에지에 의해 정의된다(적어도 폭이). 출원인은, 선형 공간(30)이 전자 증배기의 전체 진공 전도도에 기여하고, 진공 전도도를 감소시키기 위해 선형 공간(30)을 통한 가스의 통과를 방지하거나 제한하는 일부 수단이 제공됨을 제안한다.

도 2의 종래 기술 장치에서, 각 다이노드(15)는 확장된 섹션(도면부호 35로 표시됨)을 가지고 있음을 알 수 있을 것이다. 이러한 다이노드들은 종래 기술에서 "차단 다이노드(blocking dynode)"라고 불리는데, 이는 다이노드들이 검출기를 통과하여 연장하는 중앙 선형 공간을 따르는 시선(line of sight)을 차단하는 데 사용되기 때문이다. 본 명세서의 배경 섹션에서 논의된 바와 같이, 이러한 제한의 목적은 당 업계에서 인정된 문제인 이온 피드백을 감소시키는 것이다. 차단 다이노드를 사용하면, 전자의 증식을 제한할 목적으로, 유입되는 이온의 초기 충격 에너지를 억제할 수 있다. 확장부(35)는 둘 이상의 순차적인 차단 다이노드들 사이의 탐지기를 통한 시선을 방지할 만큼 충분히 길면 된다. 차단 다이노드를 생성하기 위해 긴 섹션을 확장하는 기능적 비용은, 다이노드-대-다이노드 전자 이동의 효율성 감소이다. 이러한 이유로, 순차적인 다이노드들의 긴 섹션의 중첩(overlap)은 일반적으로 0에 가깝도록(예를 들어, 0.1㎜) 선택된다. 제조 공차를 고려하여, 이는 종종 최악의 경우 0.1㎜의 중첩을 보장하기 위해 약 0.2㎜의 공칭 중첩을 초래한다.

종래 기술의 전자 증배기는 종종 4개의 차단 다이노드로 된 1 세트 또는 3개의 차단 다이노드의 2세트를 포함한다. 차단 다이노드의 사용을 제한하면, 전체 효율 손실을 최소화하는 동시에 이온 피드백을 실질적으로 억제한다. 일반적으로 제조 공차를 처리하기 위해 두 개 이상의 차단 다이노드가 세트로 사용된다. 그러나 제조 공차를 처리하기 위해 확장 섹션을 추가로 확장할 수 있지만, 다이노드-대-다이노드 전자 전달 효율은 급격히 감소한다. 따라서 단일 세트에서 3개 또는 4개의 차단 다이노드를 사용하면, 훨씬 더 긴 섹션이 확장된 2개의 차단 다이노드론 한 세트를 사용하는 경우에 비해, 전반적인 효율성이 향상된다.

본 발명에 따르면, 선형 공간(30)을 통해 가스가 유동하는 기회를 제한하기 위해 종래 기술의 전자 증배기가 수정된다. 이러한 제한은, 증배기가 비선형(non-linear) 또는 구불구불한(tortuous) 경로를 제공하도록 설계되어, 기체가 증배기 내로 또는 증배기를 관통하여 통과하는 능력을 제한하거나 방지하도록 설계된 경우에 달성될 수 있으며, 최종적으로는 전자 증배기의 진공 전도도가 감소되는 결과를 얻는다.

이제 본 전자 증배기 내에 배치된 물리적인 배플의 다양한 배열을 고려하여, 도 3을 참조한다. 도 3은 배플들이 전자 증배기 내의 중앙 선형 공간(30) 내에서 중첩되도록 각 다이노드의 상부 섹션을 연장하게 제공되는 본 발명의 실시형태를 도시한 것이다. 도 3의 실시형태에서. 다이노드(15d) 및 다이노드(l5e)는 각각 하이퍼-확장 섹션(40a 및 40b)을 구비한다. 하이퍼-확장 섹션(40a 및 40b)은, 각각 종단이 중앙 선형 공간(30) 안으로 확장되도록, 확장 섹션(도면부호 35로 표시됨)보다 길다. 또한, 하이퍼-확장 섹션(40a 및 40b)은 전자 증폭 체인에서 순차적인 다이노드(15d 및 15e) 상에 존재하고, 선형 공간(30)에 걸쳐 중첩된다. 이해되는 바와 같이, 하이퍼-확장 섹션(40a 및 40b)은 선형 공간(30)에서 비틀림(tortuosity)을 나타내므로, 전자 배율기의 진공 전도도에 부정적인 영향을 미친다. 결국, 오염 물질이 공간(30)에 들어갈 가능성이 적어지게 된다. 오염 물질이 공간(30)과 파울 다이노드(l5b)에 유입된다고 하더라도, 오염 물질은 여전히 다이노드(15d)로 이동할 가능성이 적고, 다이노드(15e)에 도달할 가능성이 더 낮게 된다.

하이퍼-확장 섹션(40a 및 40b)은 선형 공간(30)으로의 진입 또는 통과에 대한 절대적인 장벽을 제공하지는 않는다. 그 보다는, 증배기를 통한 가스 흐름에 대한 전반적인 저항이 제공되어, 오염 물질이 공간(30)에 들어갈 기회를 줄이고, 다이노드(15b)의 첫 번째 하이퍼-확장 섹션(40a) 위의 공간(30) 영역에 들어갈 기회를 줄일 수 있다. 어떤 상황에서는, 오염 물질이 하이퍼 확장 섹션(40a) 또는 하이퍼 확장 섹션(40b)의 후방 면(상향)에 퇴적되어 다이노드들의 전자 방출 표면의 오염을 방지할 수 있다.

"상향(upward)", "하향(downward)" 등과 같은 상대적인 방향을 나타내는 용어는 편의상 다양하게 도시된 피처들을 식별하기 위해서만 사용된다는 것을 명확히 할 수 있는 기회가 주어진다. 기기(예를 들어 질량 분석기)에 설치될 때, 피처들은 본 명세서에 사용된 방향과 다르게 지정될 수 있다.

도 3의 실시형태에서. 2개의 순차적인 다이노드의 한 쌍의 하이퍼-확장 다이노드 섹션들은 인터리브 된다. 단일 다이노드를 통해 단일 배플이 하이퍼-확장 섹션으로 제공되는 경우, 일부 이점을 얻을 수 있다. 도 3의 실시형태보다 유리한 것은, 3개 이상의 배플이 제공되는 경우, 예를 들어 하이퍼-확장 섹션을 구비하는 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 제11 또는 제12 다이노드의 경우이다.

진공 전도도를 더욱 감소시키기 위해, 전자 증배기의 각 다이노드가 하이퍼-확장 섹션을 구비하여, 가능한 한 많은 배플을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 순차적인 다이노드 쌍의 상당한 소수(예를 들어, 35% 이상)가 하이퍼-확장 배플 섹션을 갖는다.

하이퍼-확장 섹션이 없는 일부 다이노드를 포함하는 본 발명의 실시형태의 경우, 하이퍼-확장 섹션을 갖는 다이노드들은 진공 전도도의 유용한 감소를 얻도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 가스가 검출기로 유입되는 것을 제한하기 위해 배플로 작용하는 다이노드 블록이 전자 증배기의 입력 측에 배치될 수 있다. 추가의 예로서, 내부 배플로서 작용하는 다이노드 블록은 가장 높은 전자 플럭스를 갖는 검출기의 영역으로의 가스 유입을 제한하기 위해 컬렉터/애노드 주위의 증배기의 출력 측에 배치될 수 있다. 추가의 다른 구성에서, 내부 배플 역할을 하는 다이노드들은 증배기를 통한 가시선의 범위를 최소화 하도록 균등하게 이격되어 배치될 수 있다.

전자 증배기에 하나 이상의 배플이 존재하면, 증폭 효율이 약간 감소할 수 있다. 내부 배플 역할을 하는 다이노드의 수 또는 배열이 사용되는 것과 관계없이, 증배기 내에서 다양한 크기의 하이퍼-확장 배플링 섹션을 사용하여 효율 비용을 적어도 부분적으로 상쇄할 수 있다. 배플에 기인하는 효율 비용(efficiency cost)은 다른 배플과 투영 중첩되는 크기에 따라 증가한다. 검출기 내에 다양한 크기의 배플을 통합함으로써, 검출기의 특정 영역에서 상대적으로 높은 수준의 배플링을 제공하는 반면 다른 영역에서는 상대적으로 낮은 수준의 배플링을 제공할 수 있다. 예를 들어, 오염 물질의 부정적인 영향이 가장 많이 나타나는 증식 체인의 말단에서 컬렉터/애노드 주위에 가장 크고 가장 유효한 배플들이 사용될 수 있다. 유사하게, 대부분의 오염 물질이 유입되는 증배기 입구에, 대형 배플을 사용할 수 있다.

전자 증배기의 맥락에서 배열될 때, 배플(예를 들어, 증폭 체인에서 2개의 순차적인 다이노드의 하이퍼-확장 섹션)은, 순차적인 다이노드들 사이에 인터리빙 구조를 생성하기 위해 중첩되도록 충분히 연장될 수 있다. 중첩(overlap)은 증배기의 축 방향 뷰로부터 고려되거나 또는 증배기의 주축에 수직인 평면을 참조하여 고려할 수 있다.

일부 실시형태에서, 약 0.05㎜, 0.1㎜, 0.15㎜, 0.2㎜, 0.25㎜, 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜ 또는 l㎜의 최소 투영 중첩이 제공된다. 일부 실시형태에서, 중첩은 약 0.25㎜이다.

자 증배기의 모든 다이노드 배열을 보여주는 도 4를 참고하여, 추가 실시형태를 설명한다. 이 실시형태에서, 증배기는 20개의 다이노드를 갖는다. 각각의 다이노드는 하이퍼-확장 상부 섹션(그 중 하나가 도면부호 50으로 표시됨)을 포함하며, 모든 하이퍼-확장 섹션은 선형 공간(30) 내로 확장되어 있다. 선형 공간(30)으로 확장하는 것 외에도, 하이퍼-확장 섹션이 중첩되어, 순차적인 다이노드들이 인터리브 된다.

이제 도 5를 참조한다. 도 5는 처음 8개의 다이노드(55)가 하이퍼-확장 상부 섹션(그 중 하나가 도면부호 50으로 표시됨)을 포함하는, 20개의 다이노드로 된 배열을 도시한다. 여기서, 모든 하이퍼-확장 섹션은 선형 공간(30)으로 연장되고 중첩 배열되어 있다. 전자 증폭 체인에서 아홉 번째 다이노드(60) 및 그 뒤의 다이노드는 섹션이 선형 공간(30) 내로 확장되지 않는 종래 기술의 다이노드이다. 이 실시형태에서, 처음 8개의 다이노드들의 하이퍼-확장 섹션은 다이노드 사이의 공간에서 구불구불한 경로를 형성하는데, 이렇게 구불구불한 경로가 형성되지 않으면 가스 흐름에 대한 저항이 거의 제공되지 않는다. 처음 8개의 다이노드들이 제공하는 가스 흐름에 대한 저항은 전체 증배기의 진공 전도도를 전체적으로 감소시킨다. 특히, 오염 입자가 증배기의 중간 영역(즉, 아홉 번째 다이노드(60) 주위)으로 침투하는 것을 방지하거나 억제한다.

도 6의 실시형태는 처음 14개의 다이노드(이들 중 마지막 다이노드가 도면부호 60으로 표시됨)가 임의의 하이퍼-확장 영역이 없는 종래 기술의 다이노드인, 20개의 다이노드의 배열을 도시한다. 이에 따라서, 가스는 하이퍼-확장 상부 섹션(50)을 포함하는 15번째 다이노드를 가스가 만날 때까지는 선형 영역(30)을 통해 상대적으로 방해받지 않으며 이동한다. 여기서, 하이퍼-확장 상부 섹션은 선형 공간(30) 내로 연장되고, 16번째에서 20번째 다이노드의 하이퍼-확장 섹션은 중첩 배열되어 있다. 이 실시형태에서, 최종 6개 다이노드의 하이퍼-확장 섹션은, 다이노드들 사이의 공간에서 구불구불한 경로를 형성한다. 구불구불한 경로가 형성되어 있지 않으면, 가스 흐름에 대한 저항이 거의 제공되지 않는다. 최종 6개의 다이노드가 제공하는 가스 흐름에 대한 저항은 전체 증배기의 진공 전도를 감소시킨다. 특히, 오염 입자는 증배기의 중간 영역으로의 침투는 허용되지만, 컬렉터/애노드 주변의 최종 영역으로의 침투는 방지되거나 억제된다.

도 7의 실시형태에서. 하이퍼-확장 섹션을 갖는 모든 다이노드는 도면부호 55로 표기되어 있고, 반면 종래 기술의 다이노드는 표시되어 있지 않다. 종래 기술의 다이노드와 하이퍼-확장 섹션을 갖는 다이노드들이 엄격하게 번갈아 배열되어 있는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 배열은, 모든 다이노드가 증배기의 전체 길이에 대해 꼬부라짐(tortuosity)을 제공한다. 다만, 그 꼬부라짐은 (예를 들어,도 4에 도시된 바와 같이) 모든 다이노드들이 하이퍼-확장 섹션을 갖는 증배기에 의해 제공되는 꼬부라짐보다는 작다.

도 8의 실시형태에서. 하이퍼-확장 섹션을 갖는 모든 다이노드는 도면부호 55로 표기되어 있고, 반면 종래 기술의 다이노드는 표시되어 있지 않다. 알 수 있는 바와 같이, 하이퍼-확장 섹션을 포함하는 처음 6개 및 최종 6개 다이노드를 통해 증배기의 입력(상단) 및 출력(하단) 영역 모두에서 가스의 통과가 제한된다. 8개의 종래 기술의 다이노드를 포함하는 중앙 영역은 효율의 손실을 일으키지 않지만, 처음 6개 및 마지막 6개 다이노드는 전체 증배기에 효율 비용을 부과한다.

도 9의 실시형태에서. 하이퍼-확장 섹션을 갖는 모든 다이노드는 도면부호 55로 표기되어 있고, 반면 종래 기술의 다이노드는 표시되어 있지 않다. 처음 3개 및 마지막 6개 다이노드는 각각 증배기의 입력 및 출력 영역에서 블록을 형성한다. 나머지 다이노드들은 순차 쌍으로 형성되는데, 제1 순차 쌍(4번째 및 5번째 다이노드)은 종래 기술의 다이노드이고, 제2 순차 쌍(6번째 및 7번째 다이노드)은 하이퍼-확장 섹션을 포함하는 다이노드이고, 제3 순차 쌍(8번째 및 9번째 다이노드) 종래 기술 다이노드이고, 제4 순차 쌍(10번째 및 11번째 다이노드)은 하이퍼 확장된 섹션을 포함하는 다이노드이고, 제5 순차 쌍(12번째 및 13번째 다이노드)은 종래 기술 다이노드이고, 제6 순차 쌍(14번째 및 15번째 다이노드)은 하이퍼 확장된 섹션을 포함하는 다이노드이며, 그리고 제7 순차 쌍(12번째 및 13번째 다이노드)은 종래 기술 다이노드이다.

도 10의 실시형태는 다음 세 가지 유형의 다이노드를 사용한다. 다른 동일한 다이노드(80)와 인터리브 될 때 약 0.25㎜의 중첩을 제공하는 하이퍼-확장 섹션을 갖는 다이노드들, 다른 동일한 다이노드(85)와 인터리브 될 때 약 0.1㎜의 중첩을 제공하는 하이퍼-확장 섹션을 갖는 다이노드들, 다른 동일한 다이노드(90)와 인터리브 될 때 약 1㎜의 중첩을 제공하는 하이퍼-확장 섹션을 갖는 다이노드들, 및 다른 동일한 다이노드(95)와 마주할 때 중첩을 제공하지 않는 종래 기술의 다이노드.

제1 세트의 다이노드(80)는 중간 수준의 꼬부라짐을 제공하고 이에 따라 오염물이 있는 가스를 배제하는 능력이 중간 정도이며, 이는 증배기의 이 영역이 임의의 가스의 진입점이라는 점을 고려할 때 바람직하다. 부정적인 측면은, 증배기의 이 부분에서 전자 증폭에 대한 효율 감소가 상대적으로 중간 수준이라는 것이다.

제2 다이노드 세트는, 상대적으로 낮은 수준의 꼬부라짐을 제공하기 위해 교대로 배열된 다이노드(85) 및 다이노드(95)를 포함함에 따라 오염물이 있는 가스를 배제하는 낮은 능력을 제공하며, 이는 이전 다이노드(80)가 이미 가스 흐름에 상당한 저항을 제공했다는 점에서 바람직하다. 이 제2 세트의 다이노드에서 낮은 중첩 정도는 전자 증폭 효율에 상대적으로 낮은 부정적인 영향을 제공한다.

제3 세트의 다이노드(90)는 비교적 높은 꼬부라짐을 제공하므로 오염물이 있는 가스를 배제하는 비교적 높은 능력을 제공한다. 이 높은 능력은, 증배기의 이 영역이 가장 높은 수준의 전자 플럭스를 가지고 있다는 점에서, 바람직하다. 이 제3 다이노드 세트에서 더 높은 정도의 중첩은 전자 증폭 효율에 상대적으로 낮은 부정적인 영향을 제공한다.

도 4 내지 도 10의 실시형태는 진공 전도도 및 전자 증폭 효율의 감소에 대한 경쟁관계의 이익이, 전자 증배기의 다른 영역에서 다른 다이노드들을 적절하게 사용함으로써 어떻게 균형을 이룰 수 있는지를 보여준다.

이 시점까지 논의된 특정 실시형태 각각은 다이노드로부터 확장된 하이퍼-확장부를 통해 물리적 배플을 제공했다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 다이노드 섹션의 하이퍼-확장부에 의해 형성된 배플에 관한 본 명세서의 모든 교시는, 이러한 방식으로 형성되지 않은 다른 형태의 물리적 배플에 적용된다는 것을 이해해야 한다. 명백한 바와 같이, 배플은 다이노드와 독립적으로 형성될 수 있으며, 이러한 실시형태에서 다이노드들과 일체로 형성된 배플에 관한 모든 교시가 적용된다. 배플은 종래 기술의 전자 증배기의 임의의 구조로부터, 또는 실제로 배플을 지지할 목적으로 전자 증배기의 디자인에 특별하게 도입된 구조로부터 전자 증배기의 선형 공간으로 연장될 수 있다.

도 11은 2개의 배플(100a) 및 배플(100b)이 선형 공간(30)으로 연장되는 실시형태를 도시하지만, 배플(100a) 및 배플(100b)은 다이노드(105)의 일부가 아니거나, 다이노드에 물리적으로 부착되어 있지 않다. 이 실시형태에서 다이노드들은 기존의 전자 증배기에서 자주 사용되는 상부 섹션으로부터 확장된 차단 섹션이 없는 종래 기술의 다이노드임을 주목해야 한다.

도 12는 도 11의 실시형태와 유사한 실시형태를 도시한다. 그러나, 도 12의 실시형태는 종래 기술의 다이노드에서 종종 사용되는 확장된 차단 섹션을 갖는 다이노드(115)를 포함한다. 이 실시형태에서, 배플(100a) 및 배플(100b)은 연장된 차단 섹션과의 충돌을 방지하도록 위치된다.

도면의 실시형태 각각은 배플이 증배기 내의 선형 공간으로 연장되지만, 그 공간을 넘어서는 것은 아니라는 것을 보여준다. 그러나 일부 상황에서는, 배플의 말단이 선형 공간을 지나쳐 확장될 수 있다.

본 전자 증배기는 종종 검출기 모듈의 일부가 될 것이다. 검출기는 컬렉터/애노드와 기능적으로 연관되어 있는 전자 증배기를 포함하는데, 터미널 다이노드에서 방출된 2차 전자 사태가 컬렉터/애노드 표면에 충돌하여, 전기 신호를 생성한다. 신호의 크기는 표면에 충돌하는 전자의 수에 비례하며, 궁극적으로 2차 전자 사태를 유발한 원래 입자를 나타낸다.

따라서, 일 측면에서, 본 발명은 본 명세서에 기술된 전자 증배기를 포함하는 검출기를 제공한다. 검출기는 이온 검출기일 수 있으며, 선택적으로 도 13에 도시된 일반적인 종래 기술 방식에 따라 이온 검출기로서 질량 분석기에서 사용되는 유형일 수 있다. 도 13은 질량 분석기에 결합된 가스 크로마토그래피 기기의 전형적인 구조를 보여준다. 샘플은 오븐과 함께 분리 매체를 통해 샘플을 추진하는 캐리어 가스와 주입되고 혼합된다. 샘플의 분리된 성분은 이송 라인의 말단에서 질량 분석기로 들어간다. 성분은 이온 트랩 질량 분석기를 통해 이온화되고 가속된다. 질량 분석기에서 나오는 이온은 검출기로 들어가고, 각 이온에 대한 신호는 내부의 개별 다이노드 전자 증배기에 의해 증폭된다(도시되지 않음). 증폭된 신호는 연결된 컴퓨터로 처리된다.

출원인은 검출기가 진공 챔버 환경과 구별되는 자체 내부 환경을 정의할 수 있음을 처음으로 인식했다. 따라서 챔버 내에 분산된 오염 물질(캐리어 가스로부터 유입되거나 또는 펌프 밀봉 및 전기 피드스루와 같은 다른 포털을 통해 유입됨)은 검출기로 이동하여 검출기 내부 환경을 오염시킬 수 있다. 또한 검출기 내부 환경 내에 오염 물질이 존재하면, 검출기 수명에 심각한 부정적인 영향을 미치며, 오염 이벤트가 자주 반복되어 검출기 수명이 만성적으로 감소하게 된다.

내부 배플링을 사용함으로써, 검출기 내의 오염 물질 이동성이 감소될 수 있으며, 이에 의해 검출기에 의해 자체 생성된 우수한 작동 조건을 보존할 수 있다.　 본 명세서의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, (i) 검출기 내에서 오염물의 유입을 억제하고 (ii) 검출기 내에서 오염물의 이동성을 억제하기 위해, 함께 작용하는 배플을 사용하여 외부 차폐 장치를 추가로 장착할 수 있다. 출원인은 또한 이것이 심각한 부정적인 영향(검출기의 성능을 일시적으로 변경시키는)과 함께 장기적인 성능 저하 및 검출기 서비스 수명의 감소를 초래하는 더 만성적인 부정적인 영향을 미친다는 것을 처음으로 인식했다. 문제의 진정한 본질을 발견한 출원인은 본 명세서에 설명된 내부 배플링 피처들을 통해 오염물의 유입을 억제하거나 방지하는 하나 이상의 피처를 구비하는 검출기를 제공한다.

본 발명의 검출기는 검출기 안팎으로 가스 또는 기타 물질의 진공 전도도를 감소시키는 기능을 할 수 있다. 본 검출기는 검출기 외부의 환경에서 검출기 내부의 환경을 분리하는 추가 효과를 가질 수 있다. 어떤 경우에도 얻어지는 바람직한 최종 결과는, 잠재적인 오염 물질이 검출기에 들어가 전자 증배기의 전자 방출 표면(예를 들어 다이노드 표면) 또는 검출기의 컬렉터/애노드 표면을 오염시킬 기회를 줄인다는 것이다.

일부 실시형태에서, 내부 배플링의 사용은 검출기가 설치된 질량 분석계의 이온화 수단으로 샘플을 전달하는 데 사용되는 캐리어 가스(예를 들어, 수소, 헬륨 또는 질소)와 관련하여 효과적으로 하기 위한 것이다. 샘플이 이온화되면, 생성된 이온의 통과는 질량 분석기의 제어를 받지만, 잔류 캐리어 가스는 질량 분석기를 지나쳐서 이온 검출기로 계속 이어진다. 종래 기술에서, 잔류 캐리어 가스가 검출기의 수명 및/또는 성능에 미치는 영향은 고려하지 않았다. 출원인은 잔류 캐리어 가스가 일반적으로 검출기의 다이노드(증폭 전자 방출 표면이 되는) 또는 검출기의 컬렉터/애노드의 작동을 오염시키거나 방해하는 오염 물질을 포함하고 있음을 발견했다. 일부 상황에서, 캐리어 가스 자체는 다이노드 또는 컬렉터/애노드에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 많은 실시형태는, 검출기의 진공 전도도를 제어함으로써 이점을 달성하며, 이는 궁극적으로 내부 및 외부 검출기 환경의 결합을 제어한다.

본 발명에 따라 전도도가 감소하는 경우, 감소되는 수준은 본 발명의 전도도-변조 피처가 없는 상태에서 측정된 전도도의 백분율로 표시될 수 있다. 전도도의 감소는 약 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 100%, 200%, 300%, 400%, 500%, 600%, 700%, 800%, 900% 또는 1000%보다 클 수 있다.

당 업자는 진공 전도도의 개념을 이해하고, 전자 증배기 또는 검출기의 전도도 또는 적어도 두 검출기의 상대적 전도도를 측정할 수 있다. 근사적으로, 검출기는 직선 원통형 파이프 또는 튜브로 간주될 수 있으며, 그 전도도는 파이프의 (전체) 길이(M) 및 반경(cm)을 참조하여 계산될 수 있다. 길이는, L/a 비율을 제공하는 반경으로 나뉘며, 전도도(예를 들어 L/초)는 참조 테이블에서 읽을 수 있다. 검출기의 형상은 직선 원통형 파이프 또는 튜브와 다소 다를 수 있으므로, 계산된 절대 전도도가 정확하지 않을 수 있다. 그러나 검출기의 전도도-변조 피처의 효과를 평가할 목적으로, 이러한 근사치가 유용할 것이다.

내부 및 외부 환경의 결합을 최소화하기 위해 검출기 진공 전도도를 감소시키면 검출기 내부 환경이 전반적으로 개선될 수 있다. 어떤 식으로든 이론에 의해 제한되지 않으면서, 이 접근법은 검출기의 전자 증배기의 전자 플럭스가 펌프 역할을 하도록 허용하여, 검출기 작동을 위한 청정 환경을 생성할 수 있다. 이 청정한 내부 환경은 주로 증배기의 서비스 수명을 연장한다. 검출기가 작동하는 방식에 따라, 이차적인 이점으로는 노이즈 감소, 감도 향상, 동적 범위 증가 및 이온 피드백 감소 등을 포함한다. 검출기의 진공 전도도 감소는 유해한 외부 환경이 검출기 성능과 수명에 미치는 영향을 제한한다. 여기에는 지속적인 효과와 급성 효과가 모두 포함된다.

또 다른 이점은, 검출기 성능 및 수명에 대한 검출기 작동의 부정적인 영향을 최소화 한다는 점이다. 출원인은 사용자가 선택한 듀티 사이클, 이온 입력 전류 및 모드가 검출기 성능과 검출기 수명에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견했다. 이러한 효과는, 외부 환경과 균등화하기 위해 검출기 내부에 실질적으로 완벽한 진공이 형성되는 데 걸리는 시간인 진공 완화 시간(vacuum relaxation time)으로 인해 발생한다. 완화 시간은 일반적으로 듀티 사이클의 '오프 시간'과 일치한다.

유사하게, 이산화 된 전하의 특성은 전형적인 이온 입력 전류에서 의사 오프 시간(pseudo off time)을 유도한다는 것이 입증되었다. 이러한 의사 오프 시간은 충분히 낮은 전류에서 특히 검출기가 TOF(time-of-flight) 모드에서 작동할 때 검출기 진공 완화 시간 정도일 수 있다. TOF 모드에서 분석물 이온은 시간 내에 함께 수집된다. 따라서 서로 다른 분석 물질의 수와 질량 분포도 TOF 모드에서 의사 오프 시간을 결정한다. 검출기의 진공 전도도를 최소화함으로써, 검출기의 진공 완화 시간이 연장된다. 이를 통해 검출기는 더 넓은 범위의 듀티 사이클 및 이온 입력 전류에서 의도한 성능과 수명을 달성할 수 있다. 진공 완화 시간의 연장은 또한 검출기 작동 모드 및 분석물 이온 혼합물이 검출기 성능 및 수명에 미치는 영향을 제한한다.

진공 전도도를 줄이는 또 다른 효과는 외부 검출기 환경의 변화로 인한 검출기 보정의 변화를 최소화하는 것이다. 여기에는 오염 물질의 급격한 도착으로 인한 갑작스러운 이득 손실과 검출기 표면에 도달하는 물 분자로 인한 일시적 이득 회복이 모두 포함된다.

본 발명은 많은 형태로 구현될 수 있으며, 검출기의 진공 전도도 감소를 유발하거나 보조하는 특징의 하나 또는 조합을 가질 수 있다. 본 발명은 밀봉된 검출기, 부분적으로 밀봉된 검출기; 하나 이상의 가스 흐름 장벽이 있는 검출기; 검출기에서 떨어져 있는 가스 흐름을 차단하는 적절하게 설계된 오프-축 입력 광학 장치와 관련된 검출기; 검출기로부터 떨어진 임의의 가스 흐름을 분로시키는 적절하게 설계된 오프-축 입력 광학 장치와 관련하여 하나 이상의 가스 흐름 장벽을 포함하는 검출기; 가시선 입력 개구를 갖는 검출기에서 가스의 국부적인 축적을 방지하기 위해 벤트, 그릴, 개구 및/또는 어퍼처와 같은 공학적 불연속부를 포함하는 탐지기; 가시선 입력 어퍼처가 있는 검출기에서 가스가 국부적으로 축적되는 것을 방지하기 위해 벤트, 그릴, 개구부 및/또는 어퍼처 같은 공학적 불연속부를 추가로 포함하는 하나 이상의 가스 흐름 장벽을 포함하는 검출기; 작동 중 전도도를 최소화하기 위해 조정 가능한 (그리고 바람직하게는 이동 가능한) 가스 흐름 장벽을 사용하는 검출기 형태로 구현될 수 있다.

전자 증배기 또는 검출기에서 내부 배플링의 사용은 진공 전도도를 감소시키기 위한 다른 수단과 결합될 수 있다. 예를 들어, 출원인은 가스 및 기타 물질(이들 중 일부는 다이노드 오염 물질 및/또는 컬렉터 오염 물질로 작용할 수 있음)이 그 주위에 설정된 진공 하에서 검출기의 임의의 인터페이스 또는 불연속부를 통해 검출기에 유입되는 능력을 변경하는 것은 사용 수명 및/또는 성능에 영향을 미칠 수 있다는 것을 추가로 발견했다. 질량 분석 및 기타 응용 분야에서 사용하기 위한 검출기를 설계할 때, 인터페이스 및 불연속성을 통해 검출기 안팎으로 가스 또는 기타 물질의 유입을 억제하거나 방지해야 하는 필요성이 이전에는 고려되지 않았다.

출원인은 기존 검출기 설계에 통합하기 위하거나 새로운 검출기 설계를 위한 기반으로 다양한 피처를 제안한다. 이들 피처는 원자나 분자 또는 더 큰 종의 검출기로의 이동을 억제하거나 방지하는 공통 기능을 가지고 있다. 이들 피처가 없는 경우, 이러한 원자, 분자 또는 더 큰 종은 검출기의 불연속부 또는 두 검출기 요소 사이의 인터페이스를 이용하여 검출기에 들어가, 전자 방출 표면 또는 애노드/컬렉터를 잠재적으로 오염시킬 수 있고 또는 다른 오작동을 일으킬 수 있다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 검출기는 다양한 압력 체제에서 작동된다. 충분히 낮은 압력에서, 검출기 내부 및 외부의 가스는 더 이상 기존의 유체처럼 흐르지 않고 대신 전이 흐름(transitional flow) 또는 분자 흐름(molecular flow)으로 작동한다. 어떤 식으로든 이론에 의해 제한되기를 바라지 않고, 출원인은, 내부 및 외부 검출기 환경이 전이 및/또는 분자 흐름 체제(즉, 비-전통적 흐름)에서 작동할 때, 요소 간의 계면 또는 요소 내의 불연속부는 오염 물질이 내부 검출기 환경으로 유입될 수 있는 경로를 제공할 수 있음을 제안한다.

이러한 발견을 감안하여, 다양한 수단에 의해 검출기로의 가스의 분자적 또는 전이 유동을 방지하거나 적어도 억제하는 해결책이 제안된다. 그러한 수단은 실질적으로 가스 불투과성이고, 검출기 요소와 함께 실질적으로 기밀 밀봉을 형성할 수 있는 재료로 구성된 실런트(sealant)의 사용을 포함한다. 다른 수단은 검출기 요소를 결합함에 있어서 가스가 검출기로 들어가는 능력을 제한하거나 방지하는 비선형 또는 구불구불한 경로를 제공할 수 있는 다양한 전략의 구현을 포함한다.

이해되는 바와 같이, 임의의 인터페이스는 사실상 3차원이며, 이에 따라 인터페이스를 통한 선형 시선이 그려질 수 있는 경우에도 분자가 인터페이스를 가로지르는 많은 경로를 사용할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 용어 "비선형 또는 구불구불한"은 2차원 단면이 고려될 때, 한 쪽에서 다른 쪽으로 경계면을 통해 선형 시선을 그릴 수 없는 임의의 배열을 포함하도록 의도된다.

검출기로의 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 방지하거나 적어도 억제하는 수단은, 가스 분자(또는 실제로 기타 다른 오염물)가 검출기 외부에서 내부로 통과하는 것을 절대적으로 방지하는 기능을 할 수 있다. 본 발명의 일부 형태에서, 이 수단은 주어진 기간 동안 검출기에 들어가는 분자의 수가 그러한 수단이 제공되지 않는 경우보다 적도록, 가스 분자의 통과를 지연시키거나 지체시키는 역할을 한다.

관련 기간은 검출기의 분석물 이온 조사의 두 에피소드 사이의 기간에 대응(선형 또는 비선형)할 수 있다. 일반적인 조건에서 작동하는 현재 모델 질량 분석기의 경우, 이 기간은 일반적으로 초 또는 밀리 초 범위이다. 많은 상황에서, 기간은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 또는 1000 밀리 초이다.

질량 분석계가 분리 장치(예를 들어 가스 크로마토그래피 장치)에 결합된 경우, 적어도 약 1시간 동안 분광계의 검출기로 시료 운반 가스가 유입되는 것을 방지하거나 방지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 기간은 크로마토그래피 매질을 통해 샘플을 통과시키고 그로부터 순차적으로 나가는 종을 검출하는 데에 필요한 시간이다. 샘플이 질량 분석기에 직접 주입되는 경우, 시간 단위는 약 10분 또는 그 미만일 수 있다.

외부 및 내부 검출기 환경의 연결을 감소시키기 위해, 검출기 하우징 인터페이스 또는 불연속부를 통한 가스 흐름의 제한과 관련하여 아래에 설명된 피처가 유용한 것으로 고려된다. 예를 들어, 검출기가 질량 분석기에 통합된 경우, 디커플링을 통해 검출기 자체가 펌프 역할을 할 수 있다. 검출기를 밀봉/차폐함으로써 이 내부 펌핑 메커니즘은 유익한 환경을 만든다. 밀봉/차폐 없이 내부 펌핑이 거의 또는 전혀 발생하지 않는데, 이는 상대적으로 약한 펌프이기 때문이다. 이 내부 펌핑은 질량 분석기의 진공 펌프에 추가적으로 작용하여 전자 방출 표면 또는 애노드/컬렉터 표면이 작동할 수 있는 우수한 작동 환경을 만든다. 더 나은 작동 환경의 주요 이점은, 검출기 작동 수명이 늘어난다는 것이다. 부차적인 이점으로는 노이즈 감소, 이온 피드백 감소, 감도 증가 및 동적 범위 증가가 있다.

검출기는 내부에 불연속부를 갖는 단일의 요소를 포함할 수 있다. 요소는 내부 검출기 환경(즉, 전자 방출 표면 또는 컬렉터/애노드 표면 주위 환경)과 외부 검출기 환경(즉, 검출기가 작동할 수 있는 진공 챔버 내의 환경) 사이의 분리를 유지하기 위한 전용 요소이거나 또는 부수적으로 책임을 지는 요소일 수 있다. 단일 요소가 제공하는 환경에서의 분리가 반드시 완전한 분리를 제공하는 것은 아니며, 많은 경우에 단지 가스 분자가 검출기 내부의 환경에 들어갈 가능성을 줄일 수 있다.

단일 검출기 요소의 불연속부는 예를 들어 검출기로의 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 허용하는 이산 어퍼처(discrete aperture)일 수 있다. 대안적으로, 불연속부는 검출기 요소가 제조되는 재료의 다공성으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 그 재료를 통해 검출기로의 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 허용한다. 임의의 경우에, 가스 또는 그와 함께 오는 다른 오염 물질의 통과에 대한 장벽 또는 부분적 장벽을 제공하기 위해, 실런트가 불연속부에 적용될 수 있다.

실런트는 또한 질량 분석기의 진공 챔버에서 일상적으로 진공이 형성되고 파손되는 과정에서 분리되는 것을 방지하기 위해, 불연속부의 표면에 용이하게 접착되게 하고 또는 재료를 둘러싸게 하는 접착 특성을 가질 수 있다.

적합한 실런트/접착제는 땜납, 폴리이미드와 같은 중합체(선택적으로 Kapton ^™ 테이프와 같은 테이프 형태)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 실런트/접착제는 일단 경화되면 진공 상태에서 액체, 증기 또는 가스를 챔버로 실질적으로 이탈시키지 않는다는 점에서 "가상 누출(virtual leak)"에 최소한으로 기여하는 것이다. 이러한 재료는 종종 당 업계에서 "진공 안전(vacuum save)"이라고 불린다.

일부 상황에서, 검출기의 구성은 복합 구조를 제공하기 위해 둘 이상의 요소의 연계를 필요로 한다. 복합 구조는 내부 검출기 환경(즉, 전자 방출 표면 또는 컬렉터/애노드 표면 주위 환경)과 외부 검출기 환경(즉, 검출기가 작동할 수 있는 진공 챔버 내의 환경) 사이의 분리를 유지하기 위한 전용이거나 또는 부수적으로 책임을 지는 것일 수 있다.

복합 구조는 검출기로 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 방지하거나 적어도 억제하는 수단을 제공할 수 있으며, 이 경우 두 검출기 요소 사이의 인터페이스는 분자 유동 또는 전이 유동을 통해 가스가 검출기에 들어갈 수 있는 잠재적인 수단을 제공한다.

복합 구조에 기여하는 검출기 요소 중 하나 또는 둘 모두는 검출기로의 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 방지하거나 적어도 억제하는 목적을 달성하기 위해 전용(dedicated) 또는 부수적인(incidental) 방식으로 구성될 수 있다. 이들 특징은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

다른 실시형태에서, 검출기로의 가스의 분자 유동 또는 전이 유동을 추가로 방지하거나 적어도 억제하기 위해 제3 요소가 복합 구조에 추가될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스를 형성하기 위해 제1 및 제2 요소가 인접하는 경우, 제3 요소가 인터페이스에 걸쳐지도록 제1 및 제2 요소 위에 적용될 수 있다. 제3 요소는 임의의 수단에 의해 제자리에 고정될 수 있지만, 바람직하게는 접착제, 더 바람직하게는 실런트 특성이 있는 접착제에 의해 고정될 수 있다. 이들 특징 중 임의의 하나 이상은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 14를 참조한다. 도 14는 제1 검출기 요소 "A" 및 제2 검출기 요소 "B"를 도시하며, 검출기 요소 "B"는 요소 "A"가 그 안에 꼭 맞도록 하는 리세스를 갖는다. "A"와 "B" 요소들 각각의 프로파일과 두 요소 사이의 "U"자형 인터페이스를 보다 명확하게 보여주기 위해 A"와 "B" 요소는 분리되어 표시된다. 실제로, 요소 "A" 및 "B"는 가스에 대한 장벽 또는 부분적 장벽을 제공하는 인터페이스를 형성하기 위해 상호 접촉할 것이다.

요소 "A"와 "B"가 서로 접촉하더라도, 가스는 분자 유동 또는 전이 유동에 의해 인터페이스를 통과하여 검출기 외부 환경에서 검출기 내부 환경으로 이동할 수 있다. 그러나 인터페이스의 두 개의 90도 코너에 의해 제공되는 비선형 또는 구불구불한 경로는 이를 통한 가스의 과도적 또는 분자 유동을 억제한다. 이들 특징 중 임의의 하나 이상은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 14의 구조는 요소 "B"에 리세스가 없고, 요소 "A"가 요소 "B"의 평면 표면에만 있는 상황과 대조적이다. 그 상황에서, 인터페이스는 엄밀히 선형적이며, 따라서 가스는 인터페이스가 비선형 또는 구불구불한 경로를 획정하고 있는 도 14의 구조와 비교하여 검출기의 외부에서 내부로 분자 또는 전이 유동에 의해 이동하기 쉽다. 이들 특징 중 임의의 하나 이상은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합 될 수 있다.

도 15는 요소 "A"가 꼭 맞물리게 되는 슬롯이 요소 "B"에 상대적으로 깊게 종 방향으로 제공되는 것을 제외하고는 도 14와 유사한 구조를 도시한다. 도 15의 요소 "A"와 "B" 사이에 형성된 인터페이스는 요소 "B"의 슬롯 깊이가 증가되었다는 점을 감안하면, 도 14에 도시된 것보다 더 길게 형성되어 있다. 추가된 길이는 가스 분자가 단위 시간에 인터페이스 전장을 이동하는 능력을 최소로 한다. 이들 특징은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 16은 도 14의 실시형태와 유사하게 요소 "A" 및 요소 "B"에 의해 형성된 인터페이스를 도시한다. 요소 "A"는 요소 "B"에 형성된 리세스와 꼭 맞물리도록 구성된 하향 연장하는 형성물을 구비한다. 이러한 구조는 도 14의 실시형태에 비해 분자 유동 또는 전이 유동에 의한 가스 이동에 대한 개선된 장벽 또는 부분 장벽을 제공한다. 인터페이스에 의해 정의된 경로의 연장과 90도 코너가 4개 있는 비선형 또는 구불구불한 경로에 의해 이러한 개선된 결과가 얻어진다. 이들 특징은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 17은 도 16의 실시형태와 유사한 요소 "A" 및 요소 "B"에 의해 형성된 인터페이스를 도시한다. 그러나, 요소 "A"는 요소 "B"의 상보적인 리세스와 꼭 맞물 리도록 구성된 일련의 하향 연장하는 형성물들을 갖는다. 이러한 구조는 도 16의 실시형태에 비해, 분자 또는 전이 유동에 의한 가스 이동에 대한 개선된 장벽 또는 부분 장벽을 제공한다. 이 개선은 경계면에 의해 정의된 경로의 연장(각 형성물은 경로 길이가 확장됨)과 또한 10개의 90도 코너와 3개의 45도 코너를 갖는 비선형 또는 구불구불한 경로에서 발생한다. 이들 특징은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 18은 요소 "B"가 요소 "A"가 그의 측면에 접하는 립을 포함하는 실시형태를 도시한다. 요소 "A"의 아래쪽을 향하는 단부 면은 요소 "B"의 위쪽을 향하는 표면과 접촉한다. 이 배열에서 인터페이스는 단일 90도 코너를 갖는 비선형 또는 구불구불한 경로를 제공한다. 이해되는 바와 같이, 립의 깊이는 더 깊은 립으로 경로 길이에 추가되어 계면을 따라 분자 또는 전이 가스 유동의 억제 또는 방지를 제공한다. 이들 특징은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

도 19는 상보적 리세스 및 요소 "B" 위에 립을 갖는 요소 "A" 상의 형성물의 사용을 포함하는 더 복잡한 구조를 도시한다. 요소 "A"의 두께(y-방향)는 인터페이스를 통한 가스의 통과를 보다 효과적으로 억제하기 위해 증가된 경로 길이를 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다.

비선형 또는 구불구불한 경로는 곡선 세그먼트 또는 다중 곡선 세그먼트에 적어도 일부로 구성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 14를 참조하면. 요소 "A"의 아래쪽을 향하는 표면은 곡선 또는 물결 모양일 수 있으며, 요소 "B"의 리세스는 2개의 요소가 서로 꼭 맞도록 상보적이다. 일반적으로, 얕은 곡선을 사용하는 것은 분자 또는 전이 유동을 기반으로 인터페이스를 통한 가스 이동을 방지하거나 억제하는 데에 90도 각도보다 덜 효과적일 수 있다.

일부 실시형태에서 비선형 또는 구불구불한 경로는 곡선 및 선형 세그먼트의 조합으로 제공된다.

위의 임의의 실시형태 및 당업자에 의해 상정되는 임의의 추가 실시형태에서, 요소 "A" 및 요소 "B"의 인터페이스를 통한 가스 흐름을 추가로 제한하기 위해 조립 전에, 실런트(접착제로서도 기능할 수 있음)가 요소 "A" 및/또는 요소 "B"의 상호 접촉 영역(들)에 적용될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 실런트/접착제는 요소 "A" 및 요소 "B"가 접하는 임의의 영역을 덮도록(예를 들어, 요소 "A"의 측면으로 향하는 표면과 요소"B"의 위쪽을 향하는 표면에 의해 형성된 선을 따라) 인터페이스 외부에 배치될 수 있다. 이들 피처들은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 특징 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합 될 수 있다.

실런트는, 두 요소의 인터페이스 내부 또는 주변에서 사용될 수 있으며, 두 요소는 검출기 외부 환경에서 검출기 내부 환경으로 선형 또는 구불구불한 경로를 제공한다. 선형 또는 구불구불한 경로가 제공되더라도, 일부 상황에서는 가스 분자가 검출기로 들어가는 것을 적절하게 억제하거나 방지하기 위해 밀봉의 존재만으로 충분할 수 있다.

본 검출기는 당업자에게 적합하다고 간주되는 모든 응용 분야에서 사용될 수 있다. 전형적인 응용 분야는 질량 분석계의 이온 검출기이다.

출원인이 외부 검출기 환경과 내부 검출기 환경을 분리하는 이점을 발견한 것을 감안할 때, 검출기 구성(construction)의 개발에는 전자 방출 표면 또는 컬렉터/애노드 표면을 진공 챔버에 본질적으로 존재하는 오염 물질로부터 보호하기 위해 보다 완전한 인클로저 및 하우징을 제공하는 것이 포함된다. 따라서, 다양한 하우징 또는 인클로저 요소가 종래 기술의 검출기에 추가될 수 있고, 그 점에서 요소들 사이에 인터페이스가 생성될 수 있다.

전술한 바와 같은 검출기 요소 인터페이스의 구성에 추가하여, 추가 구조적 피처가 검출기에 통합될 수 있다. 첫 번째 피처로, 검출기 인클로저의 외부 표면은 가능한 한 적은 수의 연속 부품(요소)으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 인클로저는 연속적인 외부 표면을 제공하기 위해 단편 재료로 제작되고, 이 경우 모든 불연속부는 실런트로 밀봉될 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 다른 피처와 결합될 수 있다.

검출기 인클로저에서 엔지니어링 된 불연속부의 크기는 가능한 한 작게(면적 측면에서) 치수를 지정할 수 있다. 이 문맥에서 사용되는 용어 "엔지니어링 된 불연속부(engineered discontinuity)"는 의도적으로 검출기 내부로 엔지니어링 된 구멍(aperture), 그레이트, 그릴, 벤트, 개구 또는 슬롯과 같이 그에 의해 가스가 검출기의 외부에서 내부로 이동할 수 있는 모든 수단을 포함한다. 이러한 불연속부는 일반적으로 기능(예를 들어, 검출기로 이온 스트림의 유입을 허용)을 가지며, 따라서 필요한 기능을 수행할 수 있을 만큼 충분히 크지만 바람직하게는 더 크지 않도록 치수를 지정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 엔지니어링 된 불연속부는 적절한 기능에 필요한 절대 최소값보다 클 수 있지만, 절대 최소 요구 크기보다 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 18%, 19% 또는 20%를 초과하지 않을 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합 될 수 있다.

검출기 인클로저에서 엔지니어링 된 불연속부는 질량 분석기에 존재하는 잔류 캐리어 가스의 흐름과 같이 검출기의 외부 환경에서 흐르는 가스로부터 멀리 향하도록 배향되거나 정렬되거나 그렇지 않으면 공간적으로 배열될 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합될 수 있다.

검출기 인클로저의 외부 표면은 둥근 형상을 사용하여 검출기 외부 환경 주위를 흐르는 임의의 가스로부터 층류 및/또는 와류를 생성할 수 있다. 이러한 층류 및/또는 와류는 잔류 캐리어 가스를 허용하는 불연속부를 효과적으로 밀봉하는 높은 가스 압력 영역을 제공할 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합 될 수 있다.

검출기 인클로저 표면의 임의의 불연속부는 잔류 캐리어 가스의 유입을 억제하기 위해 연관된 가스 유동 장벽을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 가스 유동 장벽은 다른 검출기 요소와 인터페이스를 형성할 수 있는 검출기 요소 부분이다. 이해되는 바와 같이, 가스 유동 장벽이 이점을 제공할 수 있지만, 그러한 장벽은 또한 장벽이 검출기의 다른 요소와 인터페이스를 형성하는 곳에서 검출기로 가스의 진입을 위한 추가 포털을 제공할 수 있다. 본 명세서의 이점을 감안할 때, 당업자는 그 기능에 적합한 일련의 도구(contrivance)를 생각할 수 있다.

일부 실시형태에서, 장벽은 제1 및 제2 개구를 가지는데, 개구들 중 하나는 검출기 인클로저(따라서 검출기 내부의 환경)의 불연속부와 기체 연통하고, 제2 개구는 검출기의 외부 환경과 기체 연통한다. 제2 개구는(잔류 캐리어 가스와 같은) 임의의 가스 흐름이 실질적으로 제거되도록 검출기에서 원위부에 있을 수 있다. 이들 피처 중 임의의 하나 이상은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 피처 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

일부 실시형태에서, 제2 개구는 여전히 가스 유동에 노출되지만, 장벽은 유동 가스가 검출기의 내부 환경으로 유입되는 것을 방지하거나 억제하도록 구성된다. 이 목적은 장벽으로 유입된 가스의 흐름을 억제하거나 방지하여, 유입된 가스가 검출기 내부의 환경으로 흐르지 않도록 방지함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 가스 유동 장벽은 가능한 한 길게 및/또는 가능한 한 좁게 할 수 있고, 및/또는 하나 이상의 굴곡부 또는 코너를 포함할 수 있고, 및/또는 하나 이상의 90도 굽힘을 포함할 수 있고 및/또는 내부 시선을 최소화하기 위한 내부 배플링을 포함할 수 있다. 이들 피처 중 임의의 하나 이상은 검출기에 단독으로 또는 본원에 개시된 임의의 다른 피처 중 임의의 하나 이상과 조합하여 통합될 수 있다.

가스 유동 장벽은, 질량 분석계에 의해 사용되는 잔류 캐리어 가스의 흐름과 같이 검출기 외부의 환경에서 가스로부터 먼 쪽을 향하도록 구성되거나 배치되거나 배향될 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합 될 수 있다.

가스 유동 장벽은 전기 방전을 방지하거나 억제하기 위해 둥근 외부 표면을 포함할 수 있다. 이러한 둥근 표면은, 추가로 또는 대안적으로, 검출기 외부 환경에서 흐르는 가스로부터 층류 가스 흐름 및/또는 와류를 생성할 수 있다. 이러한 층류 및/또는 와류는 본질적으로 실드의 개구를 밀봉하는 고압 영역을 제공할 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합될 수 있다.

두 개 이상의 가스 유동 장벽이 추가적으로 또는 시너지적으로 함께 작동하도록 구성 또는 배치되거나 배향되어, 검출기 외부로 흐르는 가스가 검출기의 내부 환경으로 유입되는 것을 방지하거나 억제할 수 있다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합될 수 있다.

추가 피처로서, 검출기는 검출기를 통한 일부 또는 모든 내부 시선을 제한하거나 완전히 제거하기 위한 내부 배플링을 포함할 수 있다. 이 피처는 일반적으로 입자(예를 들어 이온 및 전자)의 광학이 부정적인 영향을 받지 않는 한 적용 가능하다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합될 수 있다.

검출기는 일반적으로 입자 빔을 허용하는 입력 구멍을 포함한다. 출원인은 그러한 구멍이 일반적으로 상당한 양의 잔류 캐리어 가스 및 관련 물질을 허용하고 사실상 탐지기 내부 및 외부 환경을 연결한다는 것을 발견했다. 본 명세서의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 이러한 연결은 많은 상황에서 바람직하지 않으며, 따라서 가능한 한 입력 구멍의 크기를 최소화해야 한다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합하거나 또는 여기에 공개된 다른 피처 중 하나 이상과 결합하여 사용할 수 있다.

검출기가 2개의 구멍을 포함하는 경우, 구멍 사이에 전체 또는 부분적인 직접적인 가시선이 없도록 구멍이 배열되는 것이 바람직하다. 이러한 배열은 검출기를 통한 가스의 자유 흐름을 방해하는 역할을 하여 잔류 운반 가스가 검출기로 들어가는 것을 방지하거나 억제한다. 이 피처는 검출기에 단독으로 통합되거나 본 명세서에 개시된 임의의 다른 피처 중 하나 이상과 결합될 수 있다.

본 발명은 주로 질량 분석기에 사용되는 유형의 검출기를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 이에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 다른 응용에서 검출되는 입자는 이온이 아닐 수 있으며, 중성 원자, 중성 분자 또는 전자일 수 있다. 어떤 경우에도 입자가 충돌하는 검출기 표면이 여전히 제공된다.

당업자는 본 명세서에 설명된 본 발명이 구체적으로 설명된 것 이외의 추가 변경 및 수정에 민감하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 이러한 모든 변형 및 수정을 포함하는 것으로 이해된다.

본 발명이 상세하게 도시되고 설명된 바람직한 실시형태와 관련하여 개시되었지만, 그에 대한 다양한 수정 및 개선은 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.

따라서 본 발명의 사상 및 범위는 전술한 실시형태에 의해 한정되는 것이 아니라 법이 허용하는 가장 넓은 의미로 이해되어야 한다.

Claims (21)

1. 전자 증폭 체인을 제공하게 구성된 일련의 이산 전자 방출 표면을 포함하는 전자 증배기로, 상기 전자 증배기는 오염 물질이 전자 증배기 내로 유입되는 것을 방지하거나 억제하고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과하는 것을 방지하거나 억제하게 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
2. 제1항에 있어서,
   오염 물질이 전자 증배기 내로 유입되는 것을 방지하거나 억제하고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과하는 것을 방지하거나 억제하도록, 하나 이상의 배플이 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
3. 제2항에 있어서,
   전자 증배기는, 하나 이상의 배플을 구비하지 않는 동일하거나 유사한 전자 증배기에 비해 진공 전도도를 감소시키도록, 하나 이상의 배플이 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 배플이 없는 경우에 오염 물질이 전자 증배기 내로 유입되고 또는 오염 물질이 전자 증배기를 통해 부분적으로 또는 전자 증배기를 통해 완전히 통과할 수 있게 하는 선형 경로가 전자 증배기 내에 규정되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 일련의 이산 전자 방출 표면은 전자 증배기의 중심축 주위에 배치되고, 하나 이상의 배플은 상기 중심축에 접근하거나 인접하거나 또는 중심축과 교차하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 일련의 이산 전자 방출 표면은 전자 증배기의 중심축 영역 주위에 배치되고, 하나 이상의 배플은 상기 중심축 영역 내로 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 하나 이상의 배플이 상기 중심축 영역을 완전히 가로지르는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 하나 이상의 배플이 전자 증배기의 하우징으로부터, 또는 전자 증배기 내에 존재하는 구조로부터, 또는 전자 증배기 내 전용 구조로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 일련의 이산 전자 방출 표면 각각이 다이노드이거나 또는 다이노드의 일부이고, 상기 하나 이상의 배플 중 하나는 상기 다이노드로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 다이노드는 외주 영역을 구비하고, 상기 하나 이상의 배플은 상기 외주 영역으로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 다이노드는 그 단면에 제1 섹션 및 제3 섹션을 구비하되, 제1 섹션 및 제3 섹션 각각은 전반적으로 중심축을 향하거나 또는 전자 증배기의 중앙 영역을 향해 연장하고, 상기 제1 섹션 및 제3 섹션은 제2 섹션에 의해 연결되고, (ⅰ) 배플은 제1 섹션 또는 제3 섹션으로부터 연장하고, (ⅱ) 제1 섹션 또는 제3 섹션은 적어도 부분적으로 배플로 기능하도록 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
12. 제11항에 있어서,
    제1 섹션은, 단면에서, 제3 섹션보다 긴 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
13. 제12항에 있어서,
    제2 섹션은, 단면에서, 제1 섹션과 제3 섹션의 길이의 중간 길이를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이노드는 단편 재료로 제작되고, 다이노드의 제1 섹션 및 제3 섹션은 제2 섹션과의 각 계면에서 벤드에 의해 각각이 획정되고, 제1 및 제3 섹션은 전반적으로 중심축을 향해 또는 전자 증배기의 중앙 영역을 향해 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    일련의 이산 전자 방출 표면 각각이 다이노드이고, 상기 일련의 다이노드는 인터리빙 방식으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    증폭 체인 내에서 다이노드의 제1 섹션이 이웃 다이노드의 제1 섹션과 인터리빙 되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
17. 제16항에 있어서,
    다이노드의 제1 섹션이 전자 증배기 입력부에 가장 근접한 섹션인 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
18. 제17항에 있어서,
    제1 섹션과 제2 섹션 사이에 적어도 약 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜, 1.0㎜, 1.1㎜, 1.2㎜, 1.3㎜, 1.4㎜, 1.5㎜, 1.6㎜, 1.7㎜, 1.8㎜, 1.9㎜ 또는 2.0㎜의 중첩을 제공하도록, 증폭 체인 내에서 다이노드의 제1 섹션이 이웃 다이노드의 제1 섹션과 인터리빙 되는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
    [청구항 18]
    제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20개의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    다이노드 중 적어도 하나가 배플로 기능하도록 구성되거나 위치하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
20. 제2항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 배플 중 적어도 하나 각각은 약 0.1㎜, 0.2㎜, 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜, 1.0㎜, 1.1㎜, 1.2㎜, 1.3㎜, 1.4㎜, 1.5㎜, 1.6㎜, 1.7㎜, 1.8㎜, 1.9㎜ 또는 2.0㎜의 거리만큼 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 증배기.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 전자 증배기, 및 전자 증배기에 의해 출력된 2차 전자를 수집하게 구성된 컬렉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 검출기.

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