JPH0354829B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、真空中の気相の分圧示すイオン電流
を変調し、交流イオン電流として得た交流増幅、
位相検波して信号対ノイズ比を改善し、微小電流
の増幅限界の改善と安定性の向上を計つた交流検
出方式質量分析計に関するものである。

従来の質量分析計（残留ガス分析計）は、型式
の如何を問わず、いずれも気体分子を電子衝撃に
よつてイオン化し、生成イオンを電気的、もしく
は磁気的イオンの質量によつて分離して検出する
ものであるが、それらの質量分析計としてのイオ
ン源の感度は形式によつて多少異るが、ほぼ0.03
〜0.3×10^-3A／Torrの間にあるため10^-8Torr以
下の超高真空中の分圧測定を行うような場合のイ
オン電流は10^-12A以下の非常に微弱なものにな
つてしまう。この微弱な電流を増幅する方法とし
ては、従来はバラクター・ダイオード・ブリツジ
入力オペアンプなどを用いた直流増幅器によつて
いたが、このような直流増幅器ではオフセツトや
ドリフトなどが発生するだけではなく、その近く
に種々の電磁機器があつたり、あるいは遠隔測定
などを行うような場合、その周辺機器から混入す
るノイズによつて真の信号が撹乱され、正確な分
圧測定は困難であつた。特に強電界や強磁界の存
在する加速度や核融合などの装置を運動中に分圧
測定することは不可能に近かつた。

又、10^-10Torr以下の測定では２次電子増倍管
を用いて増幅し、入射荷電粒子をパルス的に求め
る計数測定法が用いられているが、この方法では
計数の絶対値効正が難かしい上、高圧電源装置や
高級計数回路が必要となり、したがつて型も大型
のものが多く、該装置が高価なものになるという
欠点があつた。

そこで本発明では、上記従来の欠点に鑑みてな
されたものであつて、その目的とするところは、
真空中で電子衝撃によつて圧力に比例して得られ
るイオン源からのイオン電流（イオンビーム）を
イオン収集電極に吸引されるまでの質量分析部を
含めた区間内で交流電界又は交流磁界（変調）の
作用によつてイオン電流を変調し、イオン収集電
極を通して得られるイオン電流を交流信号として
取り出すと共に、そのイオン電流の変調成分のみ
を交流増幅し、かつ増幅後の交流信号（変調信
号）とを同期させて検波し、その検波出力を低域
波器で平滑化することにより、前記電気的ノイ
ズを除去すると共に、増幅器に発生するオフセツ
トやドリフトなどを無くし、正確な測定を可能に
すると共に、かつ、２次電子増幅管なしで
10^-10Torr以下の分圧測定を可能にした交流検出
方式質量分析計を提供することにある。

以下、本発明を図示せる実施例に随つて説明す
る。

第１実施例 （第１図参照） この実施例では質量分析部とイオン収集電極の
間に格子状の変調電極を配置して、イオン電極を
変調するようにしたものである。

１は熱陰極電子衝撃型イオン源であつて、該イ
オン源１はNier型、BAゲージ型、冷陰極マグネ
トロン型などいずれの型でもよく、その型式は限
定されるものではなく自由に選択することができ
る。尚、該イオン源１より得られるイオン電流は
真空中のガス圧力に比例するものである。

２は質量分析部であつて、該質量分析部２に使
用する分析計は磁界偏向型、高周波共鳴加速型、
４重極型（マスフイルター）などイオンの質量に
よつて分離されるものであればいずれの型でもよ
く、その型式は限定されるものではなく、自由に
選択することができる。

３は前記質量分析部２を通り抜けたイオンを収
集するイオン収集電極であつて、該イオン収集電
極３は平円板、フアラデー箱、２次電子増倍電極
付き電極など、前記質量分析部２を通り抜けたイ
オンを収集できるものであればよく、自由に選択
することができる。

前記質量分析部２とイオン収集電極３との間に
は変調電極４が配置されている。該変調電極４は
内径約５mmのドーナツ状金属円板５に、透過率98
％の100メツシユのタングステンメツシユ６が張
られて構成されており、該変調電極４に直流成分
と交流成分（変調）を重ね合せた電圧を印加し
て、前記質量分析部２内で質量成分に分けられた
イオン電流を交流信号に変える。ここで前記直流
成分を変調器７を介して与えるバイアス電源８を
変えることによつて、変調する領域を選ぶことが
できる。又、変調器７の変調振幅を変えることに
よつて、変調率を変えることもできる。尚、該変
調電極４の形状は該実施例のものに限ることな
く、イオン電流を変調電極に与える電圧変化によ
つて変調させることができるものであればよく、
円筒状にするなどその形状、構成は自由に選択す
ることができる。

９は前記イオン収集電極３に取付けられたシー
ルド電極であつて、該シールド電極９は変調に伴
つてイオン収集電極誘起される誘導電流を低減下
されるための保護電極で、前記変調電極４に使用
したタングステンメツシユと同じ種類のタングス
テンメツシユ１０を張つたふるい型の電極で、前
記イオン収集電極３をすつぼり包むように取付け
られ、０〜−50Vの電位を与えるものである。イ
オン収集電極３に集められたイオン電流は、同軸
真空端子（図示せず）を通つて真空壁外に導き出
され、微少交流電流増幅１１によつて電圧に変換
される。さらに、その出力は交流増幅器１２によ
つて変調成分のみが増幅される。

増幅された信号は、前記変調器７からの分割し
て得た信号を、直流成分をカツトオフコンデンサ
ー１３で除き、位相器１４を通して前記増幅信号
と同位相にしてアナログ掛算器１５に入れ、その
出力を低域波器（ローパスフイルタ）１６を通
して出力とする。前記位相器１４とアナログ掛算
器１５及び低域波器１６で位相弁別検器を構成
している。

第２実施例 （第２図参照） この実施例ではイオン源１と質量分析部２の間
に、前記第１実施例と同様の変調電極４を配置し
て、イオン電流を変調するようにしたものであつ
て、この実施例の場合、変調による誘導電流がイ
オン収集電極に発生しないため、イオン収集電極
９にシールド電極は取付けなくてもよい。

その他の構成、作用は前記第１実施例と同様で
ある。

第３実施例 （第３図参照） この実施例では変調電極を用いないで質量分析
部内の電界変化によつてイオン電流の交流化を行
なうようにしたものである。

この実施例では質量分析計として４重極質量分
析器２０を使用し、該分析器２０と変調器７とを
直流成分０を与える電源２１と、交流成分
vcoswtを与える周波数−電圧変換器２２を介し
て接続したものである。

分析部のイオン入射口２３から前記分析器２０
の分析ロツド２４によつて囲まれた４重極場に入
射したイオンがイオン収集電極３に達するイオン
電流Ii（感度）は、前記分析ロツド２４に印加さ
れる高周波の周波数（通常数ＭHz）に比例し、
分解能に反比例することが知られている。よつ
て、変調（低周波）の電圧変化に応じて高周波の
周波数を変える。即ち、FM変調を行なえば、コ
レクターを通して得られるイオン電流は交流信号
となる。

前記電源２１の回路の他、前記分析ロツド２４
と電圧変換器２２を接続する別回路には高周波成
分を与える電源２５が設けられ、該高周波の周波
数は前記電圧変換器２２を通して低周波発振器で
ある変調器７によつて変調される。２６は分析部
のイオン出口である。

その他の構成、作用は第１実施例と同様であ
る。

第４実施例 （第４図参照） この実施例では変調電極を用いないで質量分析
部内の電界変化によつてイオン電流の交流化を行
なうようにした他の実施例を示すもので、前記第
３実施例で使用した高周波成分を与える電源に替
えて、交流vcoswtを与える高周波発振器２７を
使用したものである。したがつてこの実施例では
電圧変換器は不要である。

前述したように４重極場に入射したイオンがイ
オン収集電極３に達するイオン電流は、分解能に
反比例することが知られているが、その分解能は
また0.126／0.1678−Ｕ／Ｖで与えられることが知られ ている。ここでＵは２本の分析ロツド２４に加え
られる直流成分であり、又、高周波発振器は分析
ロツドに加えられる高周波の振幅の大きさを示
す。よつてＵ又はＶを変調することによつて分解
能が変調されることになり、ひいてはイオン収集
電極に到達するイオン電流が変調されることにな
る。

尚、前記第３実施例、第４実施例共に質量分析
計として４重極質量分析器をしたが、これを磁界
偏向型質量分析器を使用してもよい。

以上述べたように本発明によれば、イオン源か
ら出たイオンビームがイオン収集電極に吸引され
るまでの区間内で交流電界又は交流磁界の作用に
よつてイオン電流を変調し、イオン収集電極を通
してイオン電流を交流信号として取り出すと共
に、その交流微小電流を交流微小電流増幅器で増
幅後、変調信号と同期させて位相弁別検波器にか
け、該出力によりそのイオンに起因する気体の分
圧を測定するようにしたので、増幅器にドリフト
やオフセツトが生じず、長期間の運転が可能にな
るだけでなく、外来ノイズにも強く、ノイズにう
ずもれた微小信号であつても、高精度、高信頼性
をもつて検出できるため、加速器や核融合炉など
のシビヤなノイズ中でも運転中に測定することが
でき、100m以上の遠隔測定も可能となるなど、
今まで測定不可能であつた分野の分圧測定を可能
ならしめることができる。

又、本発明によれば、位相弁別検波方式である
ため、低域波器の時定数を大きくすれば、微小
電流の増幅限界は10^-13Torr位まで可能であるた
め、２次電子増倍管なしでも10^-10Torr以下の分
圧測定が充分に可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す分析計を示
すブロツク図、第２図は本発明の第２実施例を示
す分析計のブロツク図、第３図は本発明の第３実
施例を示す分析計のブロツク図、第４図は本発明
の第４実施例を示す分析計のブロツク図である。 １はイオン源、２は質量分析部、３はイオン収
集電極、４は変調電極、７は変調器、９はシール
ド電極、１３はカツトオフコンデンサー、２０は
４重極分析器、２１は電極、２２は電圧変換器、
２７は高周波発振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空装置内の特定種類の気体分子の分子密度
   を知るために、分子を電子衝撃によつて電離し、
   その電離によつて得られたイオンを分析部に適当
   に配置した電界や磁界の作用で、そのイオンの電
   荷対質量比に応じて分離し、そのイオン電流の大
   きさから、分子の種類及びその分子密度を求める
   ようになした質量分析計において、イオン源から
   わき出したイオン電流をイオン収集電極に到達す
   る前段階において交流電界又は交流磁界の作用に
   よつて変調し、イオン収集電極を通して得られる
   電流を交流信号として取り出すと共に、そのイオ
   ン電流の変調成分のみを交流増幅し、かつ、増幅
   後の信号と変調に用いた交流信号とを同期させて
   検波できるように、イオン源とイオン収集電極と
   の間の適宜位置に、変調電極を配置したことを特
   徴とする交流検出方式質量分析計。 ２ 前記変調電極を質量分析部とイオン収集電極
   との間に配置したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の交流検出方式質量分析計。 ３ 前記変調電極を質量分析部とイオン源との間
   に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の交流検出方式質量分析計。 ４ 真空装置内の特定種類の気体分子の分子密度
   を知るために、分子を電子衝撃によつて電離し、
   その電離によつて得られたイオンを分析部に適当
   に配置した電界や磁界の作用で、そのイオンの電
   荷対質量比に応じて分離し、その分子密度を求め
   るようになした質量分析計において、イオン源か
   らわき出したイオン電流をイオン収集電極に到達
   する前段階において交流電界又は交流磁界の作用
   によつて変調し、イオン収集電極を通して得られ
   る電極を交流信号として取り出すと共に、そのイ
   オン電流の変調成分のみを交流増幅し、かつ、増
   幅後の信号と変調に用いた交流信号とを同期させ
   て検出できるように、質量分析部と変調器との間
   に直流成分Ｕを与える電源と、交流成分vcoswt
   を与える周波数電圧変換器もしくは高周波発振器
   を配置したことを特徴とする交流検出方式質量分
   析計。 ５ 前記質量分析部を４極子型質量分析計とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
   交流検出方式質量分析計。 ６ 前記質量分析部を磁界偏向型分析計としたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の交
   流検出方式質量分析計。