特許 6076729 イオン検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6076729

(24)【登録日】2017年1月20日

(45)【発行日】2017年2月8日

(54)【発明の名称】イオン検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/06 20060101AFI20170130BHJP

【ＦＩ】

   H01J49/06

【請求項の数】10

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2012-282857(P2012-282857)

(22)【出願日】2012年12月26日

(65)【公開番号】特開2013-175440(P2013-175440A)

(43)【公開日】2013年9月5日

【審査請求日】2015年8月26日

(31)【優先権主張番号】特願2012-13067(P2012-13067)

(32)【優先日】2012年1月25日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2012-13068(P2012-13068)

(32)【優先日】2012年1月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】小林 浩之

(72)【発明者】

【氏名】須山 本比呂

(72)【発明者】

【氏名】小谷 政弘

(72)【発明者】

【氏名】大村 孝幸

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０６０２５５９０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０７３８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１０２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２７６８６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ １／００ − １／１６

Ｇ０１Ｔ １／１６７− ７／１２

Ｈ０１Ｊ ３７／００ −３７／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／０９ −３７／１８

Ｈ０１Ｊ ３７／２１

Ｈ０１Ｊ ３７／２４ −３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ３７／２５２−３７／２９５

Ｈ０１Ｊ ４０／００ −４９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正イオンを検出するイオン検出装置であって、
前記正イオンを進入させるイオン進入口が設けられた筐体と、
前記筐体内に配置され、負電位が印加されるコンバージョンダイノードと、
前記筐体内に配置され、前記コンバージョンダイノードと対向しかつ前記コンバージョンダイノードから放出された二次電子が入射する電子入射面を有する半導体電子検出素子と、
を備え、
前記電子入射面は、接地された前記筐体において前記半導体電子検出素子を支持する部分に対して前記コンバージョンダイノード側に位置し、
前記半導体電子検出素子を支持する部分は、前記コンバージョンダイノードと対向する前記筐体の底壁に設けられると共に、前記コンバージョンダイノードとの間において前記二次電子が加速されるような電位を有する、イオン検出装置。

【請求項2】

前記半導体電子検出素子を支持する部分では、前記底壁の表面から突出するように設けられた位置決め部が、前記位置決め部に配置されたステムを介して前記半導体電子検出素子を支持し、
前記半導体電子検出素子は、前記ステムに取り付けられている、請求項１記載のイオン検出装置。

【請求項3】

前記半導体電子検出素子は、前記二次電子が入射する側の表面上に形成された環状の電極を有し、
前記電子入射面は、前記環状の電極の内側領域から前記二次電子が入射する側に露出した領域である、請求項１又は２記載のイオン検出装置。

【請求項4】

前記筐体内に配置され、前記コンバージョンダイノードから前記半導体電子検出素子に進行する前記二次電子が通過する電子通過口を有するカバー電極を更に備え、
前記半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードである、請求項１〜３のいずれか一項記載のイオン検出装置。

【請求項5】

前記電子入射面は、前記コンバージョンダイノードと前記電子入射面とが対向する方向から見た場合に、前記電子通過口を含んでいる、請求項４記載のイオン検出装置。

【請求項6】

前記カバー電極は、前記半導体電子検出素子を収容するパッケージの一部である、請求項４又は５記載のイオン検出装置。

【請求項7】

前記カバー電極は、接地される前記筐体と電気的に接続されている、請求項４〜６のいずれか一項記載のイオン検出装置。

【請求項8】

前記イオン進入口には、負電位が印加される第１のメッシュが張られている、請求項１〜７のいずれか一項記載のイオン検出装置。

【請求項9】

前記イオン進入口には、前記第１のメッシュに対して外側に位置するように第２のメッシュが張られており、
前記第２のメッシュには、前記第１のメッシュに印加される電位よりも絶対値が小さくなるように正電位が印加される、請求項８記載のイオン検出装置。

【請求項10】

正イオンを検出するイオン検出装置であって、
前記正イオンを進入させるイオン進入口が設けられた筐体と、
前記筐体内に配置され、負電位が印加されるコンバージョンダイノードと、
前記筐体内に配置され、前記コンバージョンダイノードと対向しかつ前記コンバージョンダイノードから放出された二次電子が入射する電子入射面を有する半導体電子検出素子と、
を備え、
前記電子入射面は、接地された前記筐体において前記半導体電子検出素子を支持する部分に対して前記コンバージョンダイノード側に位置し、
前記筐体内には、前記コンバージョンダイノード及び前記電子入射面に対して前記イオン進入口側に位置するように、かつ、前記イオン進入口側から見た場合に、前記コンバージョンダイノードと前記電子入射面とが対向する方向に略直交する方向において前記イオン進入口を挟むように、前記筐体と同電位とされる一対の電極部材が配置されている、イオン検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、正イオンを検出するイオン検出装置と、正イオン及び負イオンを検出するイオン検出装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

従来のイオン検出装置として、イオンの衝突により二次電子を放出するコンバージョンダイノードと、コンバージョンダイノードから放出された二次電子の入射により光を発するシンチレータと、シンチレータで発せられた光を検出する光検出器と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０−１８８８７８号公報

【特許文献2】特開昭６３−２７６８６２号公報

【特許文献3】特許第４６３９３７９号公報

【特許文献4】特許第４６０８５７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述したようなイオン検出装置については、検出精度の向上に加え、構造の単純化が求められている。特に、シンチレータ（蛍光体）による二次電子変換過程において生じる残光（アフターグロー）が検出精度の向上にとって大きな課題となっている。

【0005】

そこで、本発明は、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることができるイオン検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のイオン検出装置は、正イオンを検出するイオン検出装置であって、正イオンを進入させるイオン進入口が設けられた筐体と、筐体内に配置され、負電位が印加されるコンバージョンダイノードと、筐体内に配置され、コンバージョンダイノードと対向しかつコンバージョンダイノードから放出された二次電子が入射する電子入射面を有する半導体電子検出素子と、を備え、電子入射面は、接地された筐体において半導体電子検出素子を支持する部分に対してコンバージョンダイノード側に位置している。

【0007】

このイオン検出装置では、シンチレータ（蛍光体）を使用しないため残光が生じることがない。そして、このイオン検出装置では、イオン進入口を介して筐体内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、半導体電子検出素子の電子入射面に入射し、半導体電子検出素子で検出される。ここで、電子入射面は、半導体電子検出素子を支持する部分に対してコンバージョンダイノード側に位置しているので、コンバージョンダイノードと電子入射面との間の距離がより短くされている。従って、コンバージョンダイノードから放出された二次電子の収束性を高めることができる。更に、二次電子の収束性が高まるので、二次電子を受け入れるための電子入射面の面積を縮小することが可能となり、半導体電子検出素子を小型化することができる。半導体電子検出素子の小型化により、半導体電子検出素子の応答特性を高めることができると共に、低ノイズ化を図ることができる。よって、このイオン検出装置によれば、検出精度の向上を図ることが可能となる。

【0008】

また、本発明のイオン検出装置は、筐体内に配置され、コンバージョンダイノードから半導体電子検出素子に進行する二次電子が通過する電子通過口を有するカバー電極を更に備え、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードであってもよい。

【0009】

このイオン検出装置では、イオン進入口を介して筐体内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、カバー電極の電子通過口を介してアバランシェフォトダイオードの電子入射面に入射し、アバランシェフォトダイオードで検出される。このように、アバランシェフォトダイオードを用いることにより、二次電子を光に変換するシンチレータや、当該光を例えば光電子増倍管に導光するライトガイド等が不要となるため、構造の単純化を図ることができる。しかも、アバランシェフォトダイオードは、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少なく、検出可能なイオンの数が多いため、信号対雑音比（以下、「ＳＮ比」という）の向上及びダイナミックレンジ（以下、「Ｄレンジ」という）の拡大を図ることができる。よって、このイオン検出装置によれば、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることが可能となる。

【0010】

ここで、電子入射面は、コンバージョンダイノードと電子入射面とが対向する方向から見た場合に、電子通過口を含んでいてもよい。この構成によれば、半導体電子検出素子のうちの電子入射面以外の部分に二次電子が衝突して半導体電子検出素子が劣化するのを抑制することができる。

【0011】

なお、カバー電極を更に備え、半導体電子検出素子がアバランシェフォトダイオードである場合には、アバランシェフォトダイオードのうちの電子入射面以外の部分に二次電子が衝突してアバランシェフォトダイオードが劣化するのを抑制することができる。

【0012】

また、カバー電極は、半導体電子検出素子を収容するパッケージの一部であってもよい。この構成によれば、パッケージの一部をカバー電極として有効利用して、更なる構造の単純化を図ることができる。

【0013】

また、カバー電極は、接地される筐体と電気的に接続されていてもよい。この構成によれば、筐体及びカバー電極の電気的安定化を図ることができる。

【0014】

また、イオン進入口には、負電位が印加される第１のメッシュが張られていてもよい。この構成によれば、イオン進入口内への正の電界の形成を抑制して、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率を向上させることができる。

【0015】

このとき、イオン進入口には、第１のメッシュに対して外側に位置するように第２のメッシュが張られており、第２のメッシュには、第１のメッシュに印加される電位よりも絶対値が小さくなるように正電位が印加されてもよい。この構成によれば、エネルギーの比較的低い正イオンが追い返されて、エネルギーの比較的高い正イオンのみがイオン進入口を通過することになる。このとき、負イオンは、負電位が印加された第１のメッシュによって追い返される。ノイズとなる正イオンのエネルギーは、検出すべき正イオンのエネルギーに比べて低いことが多いため、エネルギーの比較的低い正イオンの筐体内への進入を防止することで、イオン検出装置のＳＮ比を向上させることができる。

【0016】

また、筐体内には、コンバージョンダイノード及び電子入射面に対してイオン進入口側に位置するように、かつ、イオン進入口側から見た場合に、コンバージョンダイノードと電子入射面とが対向する方向に略直交する方向においてイオン進入口を挟むように、筐体と同電位とされる一対の電極部材が配置されていてもよい。この構成によれば、例えば一対の電極部材が対向する方向を長手方向とする断面形状を有するようにイオン進入口が形成されていても、コンバージョンダイノードへの正イオンの軌道を収束し、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率を向上させることができる。

【0017】

また、本発明のイオン検出装置は、正イオン及び負イオンを検出するイオン検出装置であって、正イオン及び負イオンを進入させるイオン進入口が設けられた筐体と、筐体内に配置され、負電位が印加されるコンバージョンダイノードと、筐体内に配置され、コンバージョンダイノードと対向しかつコンバージョンダイノードから放出された二次電子が入射する電子入射面を有する半導体電子検出素子と、筐体内に配置され、コンバージョンダイノードから半導体電子検出素子に進行する二次電子が通過する電子通過口を有するカバー電極と、を備え、少なくともカバー電極には、正電位が印加され、電子入射面は、接地された筐体において半導体電子検出素子を支持する部分に対してコンバージョンダイノード側に位置している。

【0018】

このイオン検出装置では、シンチレータ（蛍光体）を使用しないため残光が生じることがない。そして、このイオン検出装置では、イオン進入口を介して筐体内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、半導体電子検出素子の電子入射面に入射し、半導体電子検出素子で検出される。一方、イオン進入口を介して筐体内に負イオンが進入すると、当該負イオンは、正電位が印加されたカバー電極に向かって進行し、カバー電極に衝突する。この負イオンの衝突によりカバー電極から正イオンが放出され、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、半導体電子検出素子の電子入射面に入射し、半導体電子検出素子で検出される。ここで、電子入射面は、半導体電子検出素子を支持する部分に対してコンバージョンダイノード側に位置しているので、コンバージョンダイノードと電子入射面との間の距離がより短くされている。従って、コンバージョンダイノードから放出された二次電子の収束性を高めることができる。更に、二次電子の収束性が高まるので、二次電子を受け入れるための電子入射面の面積を縮小することが可能となり、半導体電子検出素子を小型化することができる。半導体電子検出素子の小型化により、半導体電子検出素子の応答特性を高めることができると共に、低ノイズ化を図ることができる。よって、このイオン検出装置によれば、検出精度の向上を図ることが可能となる。

【0019】

また、カバー電極及び前記電子入射面には、正電位が印加され、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードであってもよい。

【0020】

このイオン検出装置では、イオン進入口を介して筐体内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、カバー電極の電子通過口を介してアバランシェフォトダイオードの電子入射面に入射し、アバランシェフォトダイオードで検出される。一方、イオン進入口を介して筐体内に負イオンが進入すると、当該負イオンは、正電位が印加されたカバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面に向かって進行し、カバー電極及び電子入射面に衝突する。この負イオンの衝突によりカバー電極及び電子入射面から正イオンが放出され、当該正イオンは、負電位が印加されたコンバージョンダイノードに向かって進行し、コンバージョンダイノードに衝突する。この正イオンの衝突によりコンバージョンダイノードから二次電子が放出されると、当該二次電子は、カバー電極の電子通過口を介してアバランシェフォトダイオードの電子入射面に入射し、アバランシェフォトダイオードで検出される。このように、アバランシェフォトダイオードを用いることにより、二次電子を光に変換するシンチレータや、当該光を例えば光電子増倍管に導光するライトガイド等が不要となるため、構造の単純化を図ることができる。しかも、アバランシェフォトダイオードは、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少なく、検出可能なイオン数が多いため、信号対雑音比（以下、「ＳＮ比」という）の向上及びダイナミックレンジ（以下、「Ｄレンジ」という）の拡大を図ることができる。よって、このイオン検出装置によれば、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることが可能となる。

【0021】

ここで、コンバージョンダイノードと電子入射面とを結ぶ基準線に略直交する所定の面がイオン進入口の中心線を含むように、イオン進入口に対してコンバージョンダイノード及び電子入射面が位置しており、コンバージョンダイノードによって形成される負の等電位面と少なくともカバー電極によって形成される正の等電位面とが所定の面に関して略対称となるように、コンバージョンダイノードに負電位が印加されると共に少なくともカバー電極に正電位が印加されてもよい。この構成によれば、コンバージョンダイノードへの正イオンの軌道、カバー電極への負イオンの軌道、並びに半導体電子検出素子の電子入射面への二次電子の軌道を収束し、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率、カバー電極における負イオンの入射効率、並びに半導体電子検出素子の電子入射面における二次電子の入射効率を向上させることができる。

【0022】

なお、カバー電極及び前記電子入射面には、正電位が印加され、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードである場合には、コンバージョンダイノードへの正イオンの軌道、カバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面への負イオンの軌道、並びにアバランシェフォトダイオードの電子入射面への二次電子の軌道を収束し、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率、カバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面における負イオンの入射効率、並びにアバランシェフォトダイオードの電子入射面における二次電子の入射効率を向上させることができる。

【0023】

また、電子入射面は、コンバージョンダイノードと電子入射面とが対向する方向から見た場合に、電子通過口を含んでいてもよい。この構成によれば、半導体電子検出素子のうちの電子入射面以外の部分に二次電子が衝突して半導体電子検出素子が劣化するのを抑制することができる。

【0024】

なお、カバー電極及び前記電子入射面には、正電位が印加され、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードである場合には、アバランシェフォトダイオードのうちの電子入射面以外の部分に二次電子が衝突してアバランシェフォトダイオードが劣化するのを抑制することができる。

【0025】

また、カバー電極は、半導体電子検出素子を収容するパッケージの一部であってもよい。この構成によれば、パッケージの一部をカバー電極として有効利用して、更なる構造の単純化を図ることができる。

【0026】

また、カバー電極は、接地される筐体と電気的に絶縁されていてもよい。この構成によれば、筐体の電気的安定化を図ることができる。

【0027】

また、イオン進入口には、正電位及び負電位が選択的に印加される第１のメッシュが張られていてもよい。この構成によれば、筐体内に正イオンを進入させて当該正イオンを検出する場合には、第１のメッシュに負電位を印加することで、イオン進入口内への正の電界の形成を抑制して、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率を向上させることができる。一方、筐体内に負イオンを進入させて当該負イオンを検出する場合には、第１のメッシュに正電位を印加することで、イオン進入口内への負の電界の形成を抑制して、カバー電極おける負イオンの入射効率を向上させることができる。

【0028】

なお、カバー電極及び前記電子入射面には、正電位が印加され、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードである場合には、筐体内に正イオンを進入させて当該正イオンを検出する場合には、第１のメッシュに負電位を印加することで、イオン進入口内への正の電界の形成を抑制して、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率を向上させることができる。一方、筐体内に負イオンを進入させて当該負イオンを検出する場合には、第１のメッシュに正電位を印加することで、イオン進入口内への負の電界の形成を抑制して、カバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面における負イオンの入射効率を向上させることができる。

【0029】

このとき、イオン進入口には、第１のメッシュに対して外側に位置するように第２のメッシュが張られており、第２のメッシュには、第１のメッシュに印加される電位よりも絶対値が小さくなるように、かつ第１のメッシュに印加される電位と極性が逆となるように、正電位及び負電位が選択的に印加されてもよい。この構成によれば、筐体内に正イオンを進入させて当該正イオンを検出する場合には、第２のメッシュに正電位を印加することで、エネルギーの比較的低い正イオンを追い返して、エネルギーの比較的高い正イオンのみを通過させることができる。このとき、負イオンは、負電位が印加された第１のメッシュによって追い返される。一方、筐体内に負イオンを進入させて当該負イオンを検出する場合には、第２のメッシュに負電位を印加することで、エネルギーの比較的低い負イオンを追い返して、エネルギーの比較的高い負イオンのみを通過させることができる。このとき、正イオンは、正電位が印加された第１のメッシュによって追い返される。ノイズとなるイオンのエネルギーは、検出すべきイオンのエネルギーに比べて低いことが多いため、エネルギーの比較的低いイオンの筐体内への進入を防止することで、イオン検出装置のＳＮ比を向上させることが可能となる。

【0030】

また、筐体内には、コンバージョンダイノード及び電子入射面に対してイオン進入口側に位置するように、かつ、イオン進入口側から見た場合に、コンバージョンダイノードと電子入射面とが対向する方向に略直交する方向においてイオン進入口を挟むように、筐体と同電位とされる一対の電極部材が配置されていてもよい。この構成によれば、例えば一対の電極部材が対向する方向を長手方向とする断面形状を有するようにイオン進入口が形成されていても、コンバージョンダイノードへの正イオンの軌道、並びにカバー電極への負イオンの軌道を収束し、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率、並びにカバー電極における負イオンの入射効率を向上させることができる。

【0031】

なお、カバー電極及び前記電子入射面には、正電位が印加され、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオードである場合には、例えば一対の電極部材が対向する方向を長手方向とする断面形状を有するようにイオン進入口が形成されていても、コンバージョンダイノードへの正イオンの軌道、並びにカバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面への負イオンの軌道を収束し、コンバージョンダイノードにおける正イオンの入射効率、並びにカバー電極及びアバランシェフォトダイオードの電子入射面における負イオンの入射効率を向上させることができる。

【発明の効果】

【0032】

本発明によれば、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることができるイオン検出装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の第１実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図2】第１実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図3】本発明の第２実施形態及び第３実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図4】第２実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図5】第３実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図6】本発明の第４実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図7】第４実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図8】本発明の第５実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図9】第５実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図10】等電位面並びにイオン及び二次電子の軌道が表されたイオン検出装置の縦断面図である。

【図11】本発明の第６実施形態及び第７実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図12】第６実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図13】第７実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【図14】本発明の第８実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。

【図15】第８実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0035】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図２は、第１実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0036】

図１に示されるように、イオン検出装置１Ａは、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）からなる直方体箱状のチャンバ（筐体）２を備えている。チャンバ２の側壁２ａには、正イオンを進入させる断面円形状（例えば直径１０ｍｍ程度）のイオン進入口３が設けられている。側壁２ａと対向するチャンバ２の側壁２ｂには、側壁２ａと側壁２ｂとが対向する方向から見た場合にイオン進入口３を含む開口５が設けられており、開口５には、側壁２ｂの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ６が張られている。チャンバ２の天壁２ｃの外表面には、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）樹脂からなる絶縁部材７が配置されており、チャンバ２の底壁２ｄの外表面には、ＰＥＥＫ樹脂からなる絶縁部材８が配置されている。絶縁部材８の外表面には、ガラスエポキシ樹脂からなるブリーダー基板１７が配置されている。ブリーダー基板１７は、絶縁部材８の外表面の略全面を覆うように配置されている。

【0037】

イオン検出装置１Ａは、支持台（不図示）上に支持されている。支持台は、ＰＥＥＫ樹脂からなる台座と、イオン検出装置１Ａと台座との間に配置された脚部１８とを備えている。脚部１８の一端は、ブリーダー基板１７の外表面に取り付けられている。脚部１８の他端は、支持台に取り付けられている。

【0038】

チャンバ２内には、ＳＵＳ３０４といった高イオン―電子変換材料からなる円柱状（例えば直径１２ｍｍ程度）のコンバージョンダイノード９（以下、「ＣＤ９」という）が配置されている。ＣＤ９は、チャンバ２の天壁２ｃに設けられた開口１１を介して、ＰＥＥＫ樹脂からなるスペーサを挟んで、絶縁部材７にねじ１９等により固定されている。ねじ１９は、ＳＵＳ３０４からなり、ＣＤ９へ電圧を供給する端子としても用いられる。

【0039】

更に、チャンバ２内には、ステム２１上に配置された状態でアバランシェフォトダイオード３０（以下、「ＡＰＤ３０」という）が配置されている。ＡＰＤ３０は、裏面照射型の半導体電子検出素子である。ＡＰＤ３０は、ＣＤ９と対向しかつＣＤ９から放出された二次電子が入射する電子入射面３０ａを有している。

【0040】

チャンバ２の底壁２ｄ及び絶縁部材８のそれぞれには、連続するように開口１２及び開口１３が設けられており、開口１２及び開口１３は、チャンバ２の内側からステム２１によって塞がれている。また、開口１２及び開口１３は、絶縁部材８の外表面からブリーダー基板１７によって塞がれている。

【0041】

チャンバ２内には、コバールからなる円板状のステム２１が配置されている。チャンバ２の底壁２ｄの内表面には、当該内表面から突出するように環状の位置決め部１４が一体的に設けられており、ステム２１の外縁部は、位置決め部１４の内側に嵌められた状態で底壁２ｄに気密に接合されている。位置決め部１４は、チャンバ２と一体的に設けられているため、電気的にチャンバ２と同電位である。

【0042】

位置決め部１４は、ステム２１の裏面２１ａと接触する支持面１４ａを有している。支持面１４ａは、チャンバ２の底壁２ｄよりもＣＤ９側に位置している。このような位置決め部１４に配置されたステム２１は、チャンバ２の底壁２ｄよりもＣＤ９側に位置している。従って、ステム２１に配置されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａは、接地されたチャンバ２において、ステム２１を介してＡＰＤ３０を支持する部分である位置決め部１４に対してＣＤ９側に位置している。ここで、接地されたチャンバ２においてＡＰＤ３０を支持する部分は、チャンバ２の位置決め部１４である。位置決め部１４は、ステム２１を介して間接的にＡＰＤ３０を支持している。この位置決め部１４は、チャンバ２の底壁２ｄと一体化されている。また、位置決め部１４は、接地されたチャンバ２と同電位である。チャンバ２に一体化又は固定され、チャンバ２と電気的に同電位である部分は、チャンバ２の一部であるとする。

【0043】

ここで、ＣＤ９とステム２１との配置について詳細に説明する。チャンバ２の底壁２ｄと対面するＣＤ９の主面９ａは、チャンバ２の天壁２ｃから、基準線ＲＬに沿った方向に５ｍｍ〜１５ｍｍだけ離間している。例えば、ＣＤ９の主面９ａは、チャンバ２の天壁２ｃから１２ｍｍだけ離間している。一方、ＣＤ９の主面９ａと対面するステム２１の主面２１ｂは、チャンバ２の底壁２ｄから、基準線ＲＬに沿った方向に５ｍｍ〜１５ｍｍだけ離間している。例えば、ステム２１の主面２１ｂは、チャンバ２の底壁２ｄから１２ｍｍだけ離間している。後述するように、チャンバ２は、接地電位に接続されるため、チャンバ２の電位は０Ｖに維持される。従って、本実施形態では、ＣＤ９の主面９ａからステム２１の主面２１ｂまでの距離は、１０ｍｍ〜２５ｍｍに設定され、例えば１７．８ｍｍである。

【0044】

また、ＣＤ９の中心点とＡＰＤ３０の電子入射面３０ａの中心点とを結ぶ基準線ＲＬは、イオン進入口３の中心線ＣＬと略直交している。換言すれば、基準線ＲＬに略直交しかつ中心線ＣＬを含む所定の面を基準面ＲＰとすると、基準線ＲＬに略直交する基準面ＲＰが中心線ＣＬを含むように、イオン進入口３に対してＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａが位置している。なお、ＣＤ９において電子入射面３０ａと対向する凹曲面の曲率半径は例えば８．５ｍｍ程度である。

【0045】

図２に示されるように、ＡＰＤ３０は、矩形板状の低濃度ｐ型シリコン基板３１を有している。シリコン基板３１の電子入射側の表面層には、高濃度ｐ層３２が形成されている。シリコン基板３１の電子入射側と反対側の表面層には、ｐ層３３及び高濃度ｎ層３４が電子入射側からこの順序で形成されており、ｐｎ接合が実現されている。高濃度ｐ層３２の電子入射側の表面には、高濃度ｐ層３２と電気的に接続されたｐ電極３５が環状に形成されている。ＡＰＤ３０においては、ｐ電極３５の内側領域から電子入射側に露出する高濃度ｐ層３２の表面が電子入射面３０ａとなっている。高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、高濃度ｎ層３４と電気的に接続されたｎ電極３６が環状に形成されている。なお、高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、ｎ電極３６の外側領域を覆うようにシリコン酸化膜３７が形成されている。

【0046】

ＡＰＤ３０は、ステム２１上に配置されたインターポーザ基板３８の配線３９に対し、環状に配置された複数のバンプ４１を介して電気的に接続されると共に固定されている。ステム２１には、ガラス等からなる絶縁部材４２を介して複数のリードピン４３，４４が貫通している。リードピン４３は、逆バイアス電圧印加用のピンであり、ワイヤ４５を介してＡＰＤ３０のｐ電極３５と電気的に接続されている。リードピン４４は、信号出力用のピンであり、ワイヤ４５を介してインターポーザ基板３８の配線３９と電気的に接続されている。なお、リードピン４３の外側の端部は、チャンバ２の底壁２ｄの開口１２及び絶縁部材８の開口１３を介してブリーダー基板１７の逆バイアス電圧印可用の端子に接続されている。リードピン４４の外側の端部は、開口１２及び開口１３を介してブリーダー基板１７の信号出力用の端子に接続されている。

【0047】

また、ステム２１には、リードピン４６が貫通している。リードピン４６は、絶縁部材４２を介することなく、ステム２１に直接に固定されている。すなわち、リードピン４６は、ステム２１と電気的に接続されている。一方、リードピン４３，４４は、絶縁部材４２を介してステム２１に固定されているため、リードピン４３，４４とステム２１とは電気的に絶縁されている。リードピン４６は、ステム２１を接地電位接続用のピンである。リードピン４６の外側の端部は、チャンバ２の底壁２ｄの開口１２及び絶縁部材８の開口を介してブリーダー基板１７の接地電位端子に接続されている。なお、本実施形態のイオン検出装置１Ａでは、ステム２１がチャンバ２に直接固定されているので、ステム２１は接地電位に接続されている。このため、リードピン４６は必要に応じてステム２１に配置すればよい。リードピン４６が配置された構成によれば、ステム２１をより確実に接地電位へ接続することができる。一方、リードピン４６を配置しない構成によれば、イオン検出装置１Ａの構造を単純化することができる。

【0048】

以上のように構成されたイオン検出装置１Ａは、例えば真空引きされる装置内（質量分析装置内等）の所定の位置に取り付けられて、正イオンを検出する。その際、イオン検出装置１Ａでは、チャンバ２が接地されて０Ｖに維持される。このとき、ステム２１がチャンバ２の底壁２ｄに接合され、且つステム２１には接地用のリードピン４６が設けられているので、ステム２１も０Ｖに維持される。また、０Ｖのチャンバ２及びステム２１に対して、ＣＤ９には負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加される。更に、ＡＰＤ３０では、リードピン４４を介してｎ電極３６が０Ｖとされるのに対し、リードピン４３を介してｐ電極３５に負電位（例えば−４００Ｖ）が逆バイアス電圧として印加される。

【0049】

この状態で、イオン進入口３を介して、チャンバ２内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。より詳細には、ＣＤ９から放出された二次電子は、メッシュ等の部材を貫通することなく、直接にＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射する。例えば、ＣＤ９とステム２１との電位差（加速電圧）が１０ｋＶであれば、ＡＰＤ３０に入射する電子のエネルギーは１０ｋｅＶとなる。このとき、ＡＰＤ３０では、シリコン基板３１において入射した１個の電子から２０００個程度の電子−正孔対が生成され（ゲイン２０００倍程度）、更に、アバランシェ層であるｐ層３３及び高濃度ｎ層３４において５０倍程度のゲインが得られる（トータルゲイン１０万倍程度）。

【0050】

このイオン検出装置１Ａでは、電子入射面３０ａが、電子入射面３０ａを有するＡＰＤ３０を支持する位置決め部１４に対してＣＤ９側に位置しているので、ＣＤ９と電子入射面３０ａとの間の距離がより短くされている。従って、ＣＤ９から放出された二次電子の収束性を高めることができる。更に、二次電子の収束性が高まるので、二次電子を受け入れるための電子入射面３０ａの面積を縮小することが可能となり、ＡＰＤ３０を小型化することができる。ＡＰＤ３０の小型化により、ＡＰＤ３０の応答特性を高めることができると共に、低ノイズ化を図ることができる。よって、このイオン検出装置１Ａによれば、検出精度の向上を図ることが可能となる。

【0051】

また、ステム２１が、接地されるチャンバ２と電気的に接続されている。これにより、チャンバ２及びステム２１の電気的安定化を図ることができる。

【0052】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図３は、本発明の第２実施形態及び第３実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図４は、第２実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0053】

第２実施形態に係るイオン検出装置１Ｂは、ステム２１がチャンバ２に対して直接に接触せず、チャンバ２と電気的に絶縁されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図３参照）。また、イオン検出装置１Ｂは、リードピン４４がステム２１と電気的に接続されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図４参照）。

【0054】

図３に示されるように、イオン検出装置１Ｂのチャンバ２内には、ステム２１が配置されている。ステム２１は、チャンバ２の底壁２ｄに設けられた開口１２の穴径及び絶縁部材８に設けられた開口１３の穴径よりも小さい外形を有している。ステム２１は、ステム２１の裏面２１ａがチャンバ２の底壁２ｄよりも内側に位置するようにチャンバ２内に配置されている。ステム２１は、リードピン４３，４４により支持されている。ここで、接地されたチャンバ２においてＡＰＤ３０を支持する部分は、チャンバ２の底壁２ｄである。チャンバ２の底壁２ｄは、絶縁部材８、ブリーダー基板１７、リードピン４３，４４及びステム２１を介して間接的にＡＰＤ３０を支持している。

【0055】

図４に示されるように、リードピン４４は、ステム２１に直接に固定されることにより、ステム２１と電気的に接続されている。リードピン４４は、ｎ電極３６に電気的に接続されたピンである。従って、リードピン４４と電気的に接続されたステム２１は、ｎ電極と同電位になる。

【0056】

このイオン検出装置１Ｂは、リードピン４４とステム２１とを電気的に接続している。この構成によれば、ステム２１を接地するためのリードピン４６を必要としないので、ステム２１に設けられるリードピンの数を少なくすることができる。従って、イオン検出装置１Ｂの構造を単純化することができる。

【0057】

また、ステム２１の電位が、チャンバ２の接地電位に対して電気的に絶縁しているのでチャンバ２から混入するおそれのあるノイズの影響を低減することができる。

【0058】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図５は、第３実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0059】

第３実施形態に係るイオン検出装置１Ｃは、ステム２１がチャンバ２と電気的に絶縁されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図３参照）。また、イオン検出装置１Ｃは、リードピン４３がステム２１と電気的に接続されている点でイオン検出装置１Ｂと相違する（図５参照）。

【0060】

リードピン４３は、ステム２１に直接に固定されることにより、ステム２１と電気的に接続されている。リードピン４３は、ｐ電極３５に接続されたピンである。従って、リードピン４３と電気的に接続されたステム２１は、ｐ電極と同電位になる。

【0061】

このイオン検出装置１Ｃによれば、第２実施形態に係るイオン検出装置１Ｂと同様に、ステム２１の電位がチャンバ２の接地電位に対して電気的に絶縁しているのでチャンバ２から混入するおそれのあるノイズの影響を低減することができる。

【0062】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図６は、本発明の第４実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図７は、第４実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0063】

第４実施形態に係るイオン検出装置１Ｄは、ステム２１がチャンバ２と電気的に絶縁されている点でイオン検出装置１Ａと相違する。また、イオン検出装置１Ｄは、ステム２１上にキャップ２２が設けられている点でイオン検出装置１と相違する（図６参照）。また、イオン検出装置１Ｄは、リードピン４４がステム２１と電気的に接続されている点でイオン検出装置１Ａと相違する。また、イオン検出装置１Ｄは、裏面入射型のＡＰＤ３０に代えて表面入射型のＡＰＤ３０Ｄである点で、イオン検出装置１Ａと相違する（図７参照）。

【0064】

図６に示されるように、イオン検出装置１Ｄのチャンバ２内には、パッケージ２０が配置されている。パッケージ２０は、チャンバ２内にリードピン４３，４４により支持されている。より詳細には、ステム２１の裏面２１ａがチャンバ２の底壁２ｄよりもＣＤ９側に位置するようにチャンバ２内に配置されている。ここで、接地されたチャンバ２においてＡＰＤ３０Ｄを支持する部分は、チャンバ２の底壁２ｄである。チャンバ２の底壁２ｄは、絶縁部材８、ブリーダー基板１７、リードピン４３，４４及びステム２１を介して間接的にＡＰＤ３０Ｄを支持している。

【0065】

パッケージ２０は、ステム２１、及びＳＵＳからなる円筒状のキャップ２２を有している。キャップ２２のステム２１側の端部は外向きフランジ２２ａとなっており、キャップ２２のステム２１と反対側の端部は内向きフランジ２２ｂとなっている。キャップ２２の外形は、ステム２１の外形と略同じ形状を有している。パッケージ２０は、ステム２１の裏面２０ａがチャンバ２の底壁２ｄよりも内側に位置するようにチャンバ２内に配置されている。パッケージ２０のキャップ２２は、キャップ２２の内向きフランジ２２ｂの内側領域は、ＣＤ９からＡＰＤ３０Ｄに進行する二次電子が通過する断面円形状（例えば直径３ｍｍ程度）の電子通過口１６として機能する。電子入射面３０ａは、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向から見た場合に、電子通過口１６を含んでいる（図７の二点鎖線参照）。なお、キャップ２２は、ＡＰＤ３０Ｄと同様に、ステム２１を介して絶縁部材８、ブリーダー基板１７及びリードピン４３，４４により支持された部材である。従って、キャップ２２は、ＡＰＤ３０Ｄを支持する部分には該当しない。

【0066】

図７に示されるように、ＡＰＤ３０Ｄは、表面入射型の半導体電子検出素子である。ＡＰＤ３０Ｄは、矩形板状の高濃度ｎ型シリコン基板５１を有している。シリコン基板５１の電子入射側の表面層には、ｎ層５２及びｐ層５３がこの順に形成されており、ｐｎ接合が実現されている。すなわち、ＡＰＤ３０Ｄでは、ｐｎ接合部が電子入射側に位置している。さらに、ｐ層５３の上には高濃度ｐ型シリコン層５４が形成されている。また、ｐ層５３及び高濃度ｐ型シリコン層５４の上には、酸化シリコン膜５５が環状に形成されている。そして、高濃度ｐ型シリコン層５４及び酸化シリコン膜５５の上には、高濃度ｐ型シリコン層５４と電気的に接続されたｐ電極５６が環状に形成されている。ＡＰＤ３０Ｄにおいては、ｐ電極５６の内側領域から電子入射側に露出する高濃度ｐ型シリコン層５４の表面が電子入射面３０ａとなっている。シリコン基板５１の電子入射側と反対側の表面層には、ｎ電極５７が形成されている。ｎ電極５７は、インターポーザ基板３８の配線３９と電気的に接続されている。また、ＡＰＤ３０Ｄには、酸化シリコン膜５５を囲む溝５８が形成されている。溝５８は、ｐ層５３及びｎ層５２を経て高濃度ｎ型シリコン基板５１に至る深さを有している。この溝５８によれば、ｐｎ接合部における耐圧を上昇させることができる。このＡＰＤ３０Ｄでは、電子入射面３０ａに電子が入射すると、高濃度ｐ型シリコン層５４及びｐ層５３において電子―正孔対が生成される。生成された電子は、ｐｎ接合部の界面（アバランシェ層）において増倍されて出力される。

【0067】

リードピン４３は、ワイヤ４５を介してＡＰＤ３０Ｄのｐ電極５６と電気的に接続されている。リードピン４４は、ワイヤ４５を介してインターポーザ基板３８の配線３９と電気的に接続されている。リードピン４４は、ステム２１に直接に固定されることにより、ステム２１と電気的に接続されている。リードピン４４は、ｎ電極５７に接続されたピンである。従って、リードピン４４と電気的に接続されたステム２１は、ｎ電極５７と同電位になる。更に、ステム２１に固定されたキャップ２２は、ステム２１と同電位、すなわち、ｎ電極３６と同電位になる。ｎ電極３６には、リードピン４４を介して０Ｖが印加される。従って、ステム２１及びキャップ２２の電位は、０Ｖになる。

【0068】

このイオン検出装置１Ｄは、キャップ２２を備えているので、ＡＰＤ３０Ｄのうちの電子入射面３０ａ以外の部分に二次電子が衝突してＡＰＤ３０Ｄが劣化するのを抑制することができる。

【0069】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図８は、本発明の第５実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図９は、第５実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0070】

図８に示されるように、第５実施形態に係るイオン検出装置１は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなる直方体箱状のチャンバ（筐体）２を備えている。チャンバ２の側壁２ａには、正イオンを進入させる断面円形状（例えば直径１０ｍｍ程度）のイオン進入口３が設けられており、イオン進入口３には、側壁２ａの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ（第１のメッシュ）４が張られている。側壁２ａと対向するチャンバ２の側壁２ｂには、側壁２ａと側壁２ｂとが対向する方向から見た場合にイオン進入口３を含む開口５が設けられており、開口５には、側壁２ｂの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ６が張られている。チャンバ２の天壁２ｃの外表面には、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）樹脂からなる絶縁部材７が配置されており、チャンバ２の底壁２ｄの外表面には、ＰＥＥＫ樹脂からなる絶縁部材８が配置されている。

【0071】

チャンバ２内には、ＳＵＳからなる円柱状（例えば直径１２ｍｍ程度）のコンバージョンダイノード９（以下、「ＣＤ９」という）が配置されている。ＣＤ９は、チャンバ２の天壁２ｃに設けられた開口１１を介して、絶縁部材７にねじ等により固定されている。更に、チャンバ２内には、パッケージ２０に収容された状態でアバランシェフォトダイオード３０（以下、「ＡＰＤ３０」という）が配置されている。チャンバ２の底壁２ｄ及び絶縁部材８のそれぞれには、連続するように開口１２及び開口１３が設けられており、開口１２及び開口１３は、チャンバ２の内側からパッケージ２０によって塞がれている。

【0072】

パッケージ２０は、コバールからなる円板状のステム２１、及びＳＵＳからなる円筒状のキャップ２２を有している。キャップ２２のステム２１側の端部は外向きフランジ２２ａとなっており、キャップ２２のステム２１と反対側の端部は内向きフランジ２２ｂとなっている。チャンバ２の底壁２ｄの内表面には、当該内表面から突出するように環状の位置決め部１４が一体的に設けられており、ステム２１の外縁部とキャップ２２の外向きフランジ２２ａとの接合部は、位置決め部１４の内側に嵌められた状態で底壁２ｄに気密に接合されている。

【0073】

ＡＰＤ３０は、ＣＤ９と対向しかつＣＤ９から放出された二次電子が入射する電子入射面３０ａを有している。これに対し、パッケージ２０のキャップ２２は、カバー電極１５として機能し、キャップ２２の内向きフランジ２２ｂの内側領域は、ＣＤ９からＡＰＤ３０に進行する二次電子が通過する断面円形状（例えば直径３ｍｍ程度）の電子通過口１６として機能する。つまり、ＡＰＤ３０を収容するパッケージ２０の一部が、チャンバ２内に配置されたカバー電極１５となっている。電子入射面３０ａは、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向から見た場合に、電子通過口１６を含んでいる（図９の二点鎖線参照）。

【0074】

ここで、ＣＤ９の中心点とＡＰＤ３０の電子入射面３０ａの中心点とを結ぶ基準線ＲＬは、イオン進入口３の中心線ＣＬと略直交している。換言すれば、基準線ＲＬに略直交しかつ中心線ＣＬを含む所定の面を基準面ＲＰとすると、基準線ＲＬに略直交する基準面ＲＰが中心線ＣＬを含むように、イオン進入口３に対してＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａが位置している。なお、ＣＤ９において電子入射面３０ａと対向する凹曲面の曲率半径は例えば８．５ｍｍ程度であり、当該凹曲面の底部とカバー電極１５の電子通過口１６との距離（基準線ＲＬに沿った距離）は例えば２０ｍｍ程度である。

【0075】

図９に示されるように、ＡＰＤ３０は、矩形板状の低濃度ｐ型シリコン基板３１を有している。シリコン基板３１の電子入射側の表面層には、高濃度ｐ層３２が形成されている。シリコン基板３１の電子入射側と反対側の表面層には、ｐ層３３及び高濃度ｎ層３４が電子入射側からこの順序で形成されており、ｐｎ接合が実現されている。高濃度ｐ層３２の電子入射側の表面には、高濃度ｐ層３２と電気的に接続されたｐ電極３５が環状に形成されている。ＡＰＤ３０においては、ｐ電極３５の内側領域から電子入射側に露出する高濃度ｐ層３２の表面が電子入射面３０ａとなっている。高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、高濃度ｎ層３４と電気的に接続されたｎ電極３６が環状に形成されている。なお、高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、ｎ電極３６の外側領域を覆うようにシリコン酸化膜３７が形成されている。

【0076】

ＡＰＤ３０は、ステム２１上に配置されたインターポーザ基板３８の配線３９に対し、環状に配置された複数のバンプ４１を介して電気的に接続されると共に固定されている。ステム２１には、ガラス等からなる絶縁部材４２を介して複数のリードピン４３，４４が貫通している。リードピン４３は、逆バイアス電圧印加用のピンであり、ワイヤ４５を介してＡＰＤ３０のｐ電極３５と電気的に接続されている。リードピン４４は、信号出力用のピンであり、ワイヤ４５を介してインターポーザ基板３８の配線３９と電気的に接続されている。なお、各リードピン４３，４４の外側の端部は、チャンバ２の底壁２ｄの開口１２及び絶縁部材８の開口１３を介してチャンバ２の外側に延在している（図８参照）。

【0077】

以上のように構成されたイオン検出装置１は、例えば真空引きされる装置内（質量分析装置内等）の所定の位置に取り付けられて、正イオンを検出する。その際、イオン検出装置１では、チャンバ２が接地されて０Ｖに維持される。このとき、パッケージ２０がチャンバ２の底壁２ｄに接合されているので、チャンバ２と電気的に接続されたカバー電極１５も０Ｖに維持される。０Ｖのチャンバ２及びカバー電極１５に対して、メッシュ４には負電位（例えば−２００Ｖ）が印加される。また、０Ｖのチャンバ２及びカバー電極１５に対して、ＣＤ９には負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加される。更に、ＡＰＤ３０では、リードピン４４を介してｎ電極３６が０Ｖとされるのに対し、リードピン４３を介してｐ電極３５に負電位（例えば−４００Ｖ）が逆バイアス電圧として印加される。

【0078】

この状態で、イオン進入口３、及び負電位（例えば−２００Ｖ）が印加されたメッシュ４を介して、チャンバ２内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、０Ｖのカバー電極１５の電子通過口１６を介してＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。例えば、ＣＤ９とカバー電極１５との電位差（加速電圧）が１０ｋＶであれば、ＡＰＤ３０に入射する電子のエネルギーは１０ｋｅＶとなる。このとき、ＡＰＤ３０では、シリコン基板３１において入射した１個の電子から２０００個程度の電子−正孔対が生成され（ゲイン２０００倍程度）、更に、アバランシェ層であるｐ層３３及び高濃度ｎ層３４において５０倍程度のゲインが得られる（トータルゲイン１０万倍程度）。

【0079】

以上説明したように、イオン検出装置１では、ＡＰＤ３０を用いることにより、二次電子を光に変換するシンチレータや、当該光を例えば光電子増倍管に導光するライトガイド等が不要となるため、構造の単純化を図ることができる。しかも、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少なく、検出可能なイオンの数が多いため、ＳＮ比の向上及びＤレンジの拡大を図ることができる。よって、イオン検出装置１によれば、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることが可能となる。

【0080】

なお、上述したＳＮ比の向上に関し、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少ないため、出力信号の波高値からＣＤ９で変換された電子数を判別することも可能となる。これにより、質量の大きいイオン（ＣＤ９での生成電子数が少ないイオン）が衝突したか、質量の小さいイオンが衝突したかを見分けることができる。これは、質量分析装置においてノイズを低減する効果に繋がる。質量分析装置内等において質量の小さいイオンをスキャンした場合には、波高の低いパルスがノイズとなり、波高の高いパルスが信号となる。一方、質量分析装置内等において質量の大きいイオンをスキャンした場合には、波高の低いパルスが信号となり、波高の高いパルスがノイズとなる。

【0081】

また、上述したＤレンジの拡大に関し、イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入したイオンの数が多い場合には、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、より多くの電流を出力することが可能となる。一方、イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入したイオンの数が少ない場合にも、例えば光電子増倍管と同様に、イオンの数を計数することが可能である。

【0082】

また、イオン検出装置１では、ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａが、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向（すなわち、基準線ＲＬに平行な方向）から見た場合に、カバー電極１５の電子通過口１６を含んでいる。これにより、ＡＰＤ３０のうちの電子入射面３０ａ以外の部分に二次電子が衝突してＡＰＤ３０が劣化するのを抑制することができる。

【0083】

また、ＡＰＤ３０を収容するパッケージ２０の一部（より詳細には、キャップ２２の内向きフランジ２２ｂ）がカバー電極１５となっている。このように、パッケージ２０の一部がカバー電極１５として有効利用されているので、この点も、イオン検出装置１の構造の単純化に寄与している。

【0084】

また、カバー電極１５が、接地されるチャンバ２と電気的に接続されている。これにより、チャンバ２及びカバー電極１５の電気的安定化を図ることができる。

【0085】

また、イオン進入口３に、負電位が印加されるメッシュ４が張られている。これにより、イオン進入口３内への正の電界の形成を抑制して、ＣＤ９における正イオンの入射効率を向上させることができる。

【0086】

なお、イオン検出装置１では、良好な時間特性を得る観点から、ＡＰＤ３０の小型化が図られている。そこで、二次電子をできる限り小さく収束できるよう、ＣＤ９の凹曲面の曲率半径が小さくされてレンズとしてのパワーが上げられ、更に、ＣＤ９とＡＰＤ３０との距離が縮められている。

【0087】

また、イオン検出装置１では、イオン進入口３と対向する位置に開口５が設けられており、開口５の内側に張られたメッシュ６が０Ｖに維持される。これにより、ＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに収束する静電レンズが形成されるので、ニュートラル等に起因したノイズの発生が防止される。

【0088】

次に、ＣＤ９における正イオンの入射効率、ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａにおける二次電子の入射効率、及びイオン検出装置１における正イオンの検出効率の解析結果について説明する。上述したイオン検出装置１については、図１０に示されるような解析結果が得られた。図１０において、チャンバ２内に広がる破線は負の等電位面であり、イオン進入口３からＣＤ９に至る実線は正イオンの軌道であり、ＣＤ９からＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに至る実線は二次電子の軌道である。このとき、０Ｖのチャンバ２及びカバー電極１５に対して、メッシュ４には−２００Ｖを印加し、ＣＤ９には−１０ｋＶを印加した。更に、ＡＰＤ３０では、０Ｖのｎ電極３６に対して、ｐ電極３５に−４００Ｖを印加した。

【0089】

その結果、ＣＤ９における正イオンの入射効率は９９．２％となり、ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａにおける二次電子の入射効率は９９．０％となり、イオン検出装置１における正イオンの検出効率は９９．２％となった。このように、イオン検出装置１では、いずれの入射効率及び検出効率も９９％を超えるという、極めて良好な解析結果が得られた。なお、ＣＤ９における正イオンの入射効率とは、「イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入した正イオン」に対する「ＣＤ９に到達した正イオン」の割合である。ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａにおける二次電子の入射効率とは、「ＣＤ９から放出された二次電子」に対する「電子入射面３０ａに到達した二次電子」の割合である。イオン検出装置１における正イオンの検出効率とは、「イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入した正イオン」に対する「電子入射面３０ａに到達した二次電子」の割合である。

【0090】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、イオン検出装置１の構成部品の形状及び材料としては、上述したものに限定されず、様々な形状及び材料を適用することができる。また、電子通過口１６を有するカバー電極１５は、パッケージ２０の一部ではなく、パッケージ２０とは別体で設けられてもよい。

【0091】

また、イオン進入口３に、メッシュ４に対して外側に位置するように別のメッシュ（第２のメッシュ）が張られており、当該別のメッシュに、メッシュ４に印加される電位よりも絶対値が小さくなるように正電位（例えば＋２０Ｖ）が印加されてもよい。この構成によれば、エネルギーの比較的低い正イオンが追い返されて、エネルギーの比較的高い正イオンのみがイオン進入口３を通過することになる。このとき、負イオンは、負電位が印加されたメッシュ４によって追い返される。ノイズとなる正イオンのエネルギーは、検出すべき正イオンのエネルギーに比べて低いことが多いため、エネルギーの比較的低い正イオンのチャンバ２内への進入を防止することで、イオン検出装置１のＳＮ比を向上させることができる。ただし、イオン進入口３に何らメッシュが張られていなくても、従来に比べれば、ＡＰＤ３０においてＳＮ比の向上及びＤレンジの拡大を図ることができる。

【0092】

また、チャンバ２内には、ＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに対してイオン進入口３側に位置するように、かつ、イオン進入口３側（すなわち、中心線ＣＬに平行な方向）から見た場合に、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向に略直交する方向においてイオン進入口３を挟むように、チャンバ２と同電位とされる一対の電極部材が配置されていてもよい。この構成によれば、例えば一対の電極部材が対向する方向を長手方向とする断面形状を有するようにイオン進入口３が形成されていても、ＣＤ９への正イオンの軌道を収束し、ＣＤ９における正イオンの入射効率を向上させることができる。

【0093】

（第６実施形態）
次に、第６実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図１１は、本発明の第６実施形態及び第７実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図１２は、第６実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0094】

イオン検出装置１Ｅは、正イオンの検出に加え、更に負イオンを検出する点で第１実施形態に係るイオン検出装置１Ａと相違する。イオン検出装置１Ｅは、ステム２１がチャンバ２と電気的に絶縁されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図１１参照）。また、イオン検出装置１Ｅは、リードピン４４がステム２１と電気的に接続されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図１２参照）。

【0095】

図１１に示されるように、イオン検出装置１Ｅのイオン進入口３には、側壁２ａの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ（第１のメッシュ）４が張られている。チャンバ２の開口１２及び絶縁部材８の開口１３は、チャンバ２の外側から回路基板１０によって塞がれている。回路基板１０は、絶縁部材８の開口１３内に気密に固定されている。また、イオン検出装置１Ｅでは、回路基板１０に対し、ＰＥＥＫ樹脂からなるスペーサを介して回路基板１０Ｂが設けられている。

【0096】

パッケージ２０は、チャンバ２内に配置されており、チャンバ２と電気的に絶縁された状態で回路基板１０上に支持されている。より詳細には、イオン検出装置１Ｅは、ＰＥＥＫ樹脂からなる絶縁部材１９を備えている。絶縁部材１９は、絶縁部材８の外表面上に配置された基部１９ａと、開口１２及び開口１３の内壁に沿って配置された起立部１９ｂとを有している。基部１９ａから立設した起立部１９ｂの一端部は、チャンバ２の内部まで延びている。チャンバ２の内部側の一端部には、パッケージ２０を支持するための位置決め部１４Ｅが設けられており、ステム２１の外縁部は、位置決め部１４Ｅの内側に嵌められた状態で底壁２ｄに気密に接合されている。

【0097】

位置決め部１４Ｅは、ステム２１の裏面２１ａと接触する支持面１４Ｅａを有している。支持面１４Ｅａは、チャンバ２の底壁２ｄよりもＣＤ９側に位置している。このような位置決め部１４Ｅに配置されたステム２１は、チャンバ２の底壁２ｄよりもＣＤ９側に位置している。従って、ステム２１に配置されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａは、接地されたチャンバ２において、ステム２１を介してＡＰＤ３０を支持する部分に対してＣＤ９側に位置している。ここで、接地されたチャンバ２においてＡＰＤ３０を支持する部分は、チャンバ２の底壁２ｄである。チャンバ２の底壁２ｄは、絶縁部材８，１９及びステム２１を介して間接的にＡＰＤ３０を支持している。なお、絶縁部材１９は、チャンバ２に間接的に固定されているが、チャンバ２と同電位ではない。従って、絶縁部材１９は、接地されたチャンバ２においてＡＰＤ３０を支持する部分には該当しない。また、キャップ２２は、ＡＰＤ３０と同様に、ステム２１を介して支持された部材である。従って、キャップ２２は、ＡＰＤ３０を支持する部分には該当しない。

【0098】

ここで、ＣＤ９とパッケージ２０との配置について詳細に説明する。チャンバ２の底壁２ｄと対面するＣＤ９の主面９ａは、チャンバ２の天壁２ｃから、基準線ＲＬに沿った方向に５ｍｍ〜１５ｍｍだけ離間している。例えば、ＣＤ９の主面９ａは、チャンバ２の天壁２ｃから１２ｍｍだけ離間している。一方、ＣＤ９の主面９ａと対面するキャップ２２のフランジ２２ｂは、チャンバ２の底壁２ｄから、基準線ＲＬに沿った方向に５ｍｍ〜１５ｍｍだけ離間している。例えば、キャップ２２のフランジ２２ｂは、チャンバ２の底壁２ｄから１２ｍｍだけ離間している。従って、本実施形態では、ＣＤ９の主面９ａからキャップ２２のフランジ２２ｂまでの距離は、１０ｍｍ〜２５ｍｍに設定され、例えば１９．５ｍｍである。

【0099】

図１２に示されるように、リードピン４４は、ステム２１に直接に固定されることにより、ステム２１と電気的に接続されている。リードピン４４は、ｎ電極３６に電気的に接続されたピンである。従って、リードピン４４と電気的に接続されたステム２１は、ｎ電極と同電位になる。

【0100】

以上のように構成されたイオン検出装置１Ｅは、例えば真空引きされる装置内（質量分析装置内等）の所定の位置に取り付けられて、正イオン及び負イオンを検出する。その際、イオン検出装置１Ｅでは、チャンバ２が接地されて０Ｖに維持される。０Ｖのチャンバ２に対して、メッシュ４には正電位（例えば＋２００Ｖ）及び負電位（例えば−２００Ｖ）が選択的に印加される。また、０Ｖのチャンバ２に対して、ＣＤ９には負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加される。更に、ＡＰＤ３０では、リードピン４４を介してｎ電極３６に正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加される。このとき、０Ｖのチャンバ２と電気的に絶縁されたパッケージ２０（すなわち、ステム２１及びキャップ２２（カバー電極１５））には、リードピン４４を介して正電位（＋１０ｋＶ）が印加される。また、リードピン４３を介してｐ電極３５に正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が逆バイアス電圧として印加される。

【0101】

これにより、ＣＤ９によって形成される負の等電位面とカバー電極１５及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａによって形成される正の等電位面とが基準面ＲＰの面に関して略対称とされる。つまり、少なくとも基準面ＲＰと基準線ＲＬとの交点近傍（すなわち、イオン進入口３の中心線ＣＬと基準線ＲＬとの交点近傍）は、略０Ｖとされる。

【0102】

イオン検出装置１Ｅにおいて正イオンを検出する場合には、メッシュ４に負電位（例えば−２００Ｖ）が印加される。そして、イオン進入口３、及び負電位（例えば−２００Ｖ）が印加されたメッシュ４を介して、チャンバ２内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５の電子通過口１６を介して、正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。例えば、ＣＤ９とカバー電極１５との電位差（加速電圧）が２０ｋＶであれば、ＡＰＤ３０に入射する電子のエネルギーは２０ｋｅＶとなる。このとき、ＡＰＤ３０では、シリコン基板３１において入射した１個の電子から４０００個程度の電子−正孔対が生成され（ゲイン４０００倍程度）、更に、アバランシェ層であるｐ層３３及び高濃度ｎ層３４において５０倍程度のゲインが得られる（トータルゲイン２０万倍程度）。

【0103】

一方、イオン検出装置１Ｅにおいて負イオンを検出する場合には、メッシュ４に正電位（例えば＋２００Ｖ）が印加される。そして、イオン進入口３、及び正電位（例えば＋２００Ｖ）が印加されたメッシュ４を介して、チャンバ２内に負イオンが進入すると、当該負イオンは、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５、及び正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに向かって進行し、カバー電極１５及び電子入射面３０ａに衝突する。この負イオンの衝突によりカバー電極１５及び電子入射面３０ａから正イオンが放出され、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５の電子通過口１６を介して、正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。

【0104】

このイオン検出装置１Ｅによれば、電子入射面３０ａは、ＡＰＤ３０を支持する部分に対してコンバージョンダイノード９側に位置しているので、コンバージョンダイノード９と電子入射面３０ａとの間の距離がより短くされている。従って、第１実施形態に係るイオン検出装置１Ａと同様の効果を得ることができる。

【0105】

また、このイオン検出装置１Ｅによれば、ステム２１及びキャップ２２に対してリードピン４４が電気的に接続されている。これにより、ステム２１に所定の正電位を印加するためのだけのリードピンを設けることなく、ｎ電極３６と同じ電位を印加することができる。従って、イオン検出装置１Ｅの構造を単純化することができる。更に、回路基板１０にスペーサを介して回路基板１０Ｂが設けられることで回路基板が二段構造となり、耐圧が向上する。

【0106】

（第７実施形態）
次に、第７実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図１４は、第７実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0107】

イオン検出装置１Ｆは、正イオンの検出に加え、更に、負イオンを検出する点で第１実施形態に係るイオン検出装置１Ａと相違する。イオン検出装置１Ｆは、ステム２１がチャンバ２と電気的に絶縁されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図１１参照）。また、イオン検出装置１Ｆは、リードピン４３がステム２１と電気的に接続されている点でイオン検出装置１Ａと相違する（図１３参照）。

【0108】

図１３に示されるように、イオン検出装置１Ｆのリードピン４３は、ステム２１に直接に固定されることにより、ステム２１と電気的に接続されている。リードピン４３は、ｐ電極３５に接続されたピンである。従って、リードピン４３と電気的に接続されたステム２１は、ｐ電極と同電位になる。このイオン検出装置１Ｆによれば、第６実施形態に係るイオン検出装置１Ｅと同様に、ステム２１の電位がチャンバ２の接地電位に対して電気的に絶縁しているのでチャンバ２から混入するおそれのあるノイズの影響を低減することができる。

【0109】

（第８実施形態）
次に、第８実施形態に係るイオン検出装置について説明する。図１４は、本発明の第８実施形態のイオン検出装置の縦断面図である。図１５は、第８実施形態のイオン検出装置のアバランシェフォトダイオードに対する電気的な接続状態を示す拡大図である。

【0110】

図１４に示されるように、イオン検出装置１Ｇは、ＳＵＳ（ステンレス鋼）からなる直方体箱状のチャンバ（筐体）２を備えている。チャンバ２の側壁２ａには、正イオン及び負イオンを進入させる断面円形状（例えば直径１０ｍｍ程度）のイオン進入口３が設けられており、イオン進入口３には、側壁２ａの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ（第１のメッシュ）４が張られている。側壁２ａと対向するチャンバ２の側壁２ｂには、側壁２ａと側壁２ｂとが対向する方向から見た場合にイオン進入口３を含む開口５が設けられており、開口５には、側壁２ｂの内表面に沿うように、ＳＵＳからなるメッシュ６が張られている。チャンバ２の天壁２ｃの外表面には、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）樹脂からなる絶縁部材７が配置されており、チャンバ２の底壁２ｄの外表面には、ＰＥＥＫ樹脂からなる絶縁部材８が配置されている。

【0111】

チャンバ２内には、ＳＵＳからなる円柱状（例えば直径１２ｍｍ程度）のコンバージョンダイノード９（以下、「ＣＤ９」という）が配置されている。ＣＤ９は、チャンバ２の天壁２ｃに設けられた開口１１を介して、絶縁部材７にねじ等により固定されている。更に、チャンバ２内には、パッケージ２０に収容された状態でアバランシェフォトダイオード３０（以下、「ＡＰＤ３０」という）が配置されている。チャンバ２の底壁２ｄ及び絶縁部材８のそれぞれには、開口１２及び開口１３が設けられており、開口１２及び開口１３は、チャンバ２の外側から回路基板１０によって塞がれている。回路基板１０は、絶縁部材８の外表面に気密に固定されている。

【0112】

パッケージ２０は、コバールからなる円板状のステム２１、及びＳＵＳからなる円筒状のキャップ２２を有している。キャップ２２のステム２１側の端部は外向きフランジ２２ａとなっており、キャップ２２のステム２１と反対側の端部は内向きフランジ２２ｂとなっている。パッケージ２０は、チャンバ２内に配置されており、チャンバ２と電気的に絶縁された状態で回路基板１０上に支持されている。

【0113】

ＡＰＤ３０は、ＣＤ９と対向しかつＣＤ９から放出された二次電子が入射する電子入射面３０ａを有している。これに対し、パッケージ２０のキャップ２２は、カバー電極１５として機能し、キャップ２２の内向きフランジ２２ｂの内側領域は、ＣＤ９からＡＰＤ３０に進行する二次電子が通過する断面円形状（例えば直径３ｍｍ程度）の電子通過口１６として機能する。つまり、ＡＰＤ３０を収容するパッケージ２０の一部が、チャンバ２内に配置されたカバー電極１５となっている。電子入射面３０ａは、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向から見た場合に、電子通過口１６を含んでいる（図１５の二点鎖線参照）。

【0114】

ここで、ＣＤ９の中心点とＡＰＤ３０の電子入射面３０ａの中心点とを結ぶ基準線ＲＬは、イオン進入口３の中心線ＣＬと略直交している。換言すれば、基準線ＲＬに略直交しかつ中心線ＣＬを含む所定の面を基準面ＲＰとすると、基準線ＲＬに略直交する基準面ＲＰが中心線ＣＬを含むように、イオン進入口３に対してＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａが位置している。なお、ＣＤ９において電子入射面３０ａと対向する凹曲面の曲率半径は例えば８．５ｍｍ程度であり、当該凹曲面の底部とカバー電極１５の電子通過口１６との距離（基準線ＲＬに沿った距離）は例えば２０ｍｍ程度である。

【0115】

図１５に示されるように、ＡＰＤ３０は、矩形板状の低濃度ｐ型シリコン基板３１を有している。シリコン基板３１の電子入射側の表面層には、高濃度ｐ層３２が形成されている。シリコン基板３１の電子入射側と反対側の表面層には、ｐ層３３及び高濃度ｎ層３４が電子入射側からこの順序で形成されており、ｐｎ接合が実現されている。高濃度ｐ層３２の電子入射側の表面には、高濃度ｐ層３２と電気的に接続されたｐ電極３５が環状に形成されている。ＡＰＤ３０においては、ｐ電極３５の内側領域から電子入射側に露出する高濃度ｐ層３２の表面が電子入射面３０ａとなっている。高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、高濃度ｎ層３４と電気的に接続されたｎ電極３６が環状に形成されている。なお、高濃度ｎ層３４の電子入射側と反対側の表面には、ｎ電極３６の外側領域を覆うようにシリコン酸化膜３７が形成されている。

【0116】

ＡＰＤ３０は、ステム２１上に配置されたインターポーザ基板３８の配線３９に対し、環状に配置された複数のバンプ４１を介して電気的に接続されると共に固定されている。ステム２１には、ガラス等からなる絶縁部材４２を介して複数のリードピン４３，４４が貫通している。リードピン４３は、逆バイアス電圧印加用のピンであり、ワイヤ４５を介してＡＰＤ３０のｐ電極３５と電気的に接続されている。リードピン４４は、信号出力用のピンであり、ワイヤ４５を介してインターポーザ基板３８の配線３９と電気的に接続されている。また、ステム２１には、パッケージ２０（すなわち、ステム２１及びキャップ２２）に所定の電位を印加するためのリードピン４６が固定されている。なお、各リードピン４３，４４，４６の外側の端部は、回路基板１０と電気的に接続されており、パッケージ２０は、これらのリードピン４３，４４，４６によって回路基板１０上に支持されている（図１４参照）。

【0117】

以上のように構成されたイオン検出装置１Ｇは、例えば真空引きされる装置内（質量分析装置内等）の所定の位置に取り付けられて、正イオン及び負イオンを検出する。その際、イオン検出装置１Ｇでは、チャンバ２が接地されて０Ｖに維持される。このとき、０Ｖのチャンバ２と電気的に絶縁されたパッケージ２０（すなわち、ステム２１及びキャップ２２（カバー電極１５））には、リードピン４６を介して正電位（＋１０ｋＶ）が印加される。０Ｖのチャンバ２に対して、メッシュ４には正電位（例えば＋２００Ｖ）及び負電位（例えば−２００Ｖ）が選択的に印加される。また、０Ｖのチャンバ２に対して、ＣＤ９には負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加される。更に、ＡＰＤ３０では、リードピン４４を介してｎ電極３６に正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加され、リードピン４３を介してｐ電極３５に正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が逆バイアス電圧として印加される。

【0118】

これにより、ＣＤ９によって形成される負の等電位面とカバー電極１５及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａによって形成される正の等電位面とが基準面ＲＰの面に関して略対称とされる。つまり、少なくとも基準面ＲＰと基準線ＲＬとの交点近傍（すなわち、イオン進入口３の中心線ＣＬと基準線ＲＬとの交点近傍）は、略０Ｖとされる。

【0119】

イオン検出装置１Ｇにおいて正イオンを検出する場合には、メッシュ４に負電位（例えば−２００Ｖ）が印加される。そして、イオン進入口３、及び負電位（例えば−２００Ｖ）が印加されたメッシュ４を介して、チャンバ２内に正イオンが進入すると、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５の電子通過口１６を介して、正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。例えば、ＣＤ９とカバー電極１５との電位差（加速電圧）が２０ｋＶであれば、ＡＰＤ３０に入射する電子のエネルギーは２０ｋｅＶとなる。このとき、ＡＰＤ３０では、シリコン基板３１において入射した１個の電子から４０００個程度の電子−正孔対が生成され（ゲイン４０００倍程度）、更に、アバランシェ層であるｐ層３３及び高濃度ｎ層３４において５０倍程度のゲインが得られる（トータルゲイン２０万倍程度）。

【0120】

一方、イオン検出装置１Ｇにおいて負イオンを検出する場合には、メッシュ４に正電位（例えば＋２００Ｖ）が印加される。そして、イオン進入口３、及び正電位（例えば＋２００Ｖ）が印加されたメッシュ４を介して、チャンバ２内に負イオンが進入すると、当該負イオンは、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５、及び正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに向かって進行し、カバー電極１５及び電子入射面３０ａに衝突する。この負イオンの衝突によりカバー電極１５及び電子入射面３０ａから正イオンが放出され、当該正イオンは、負電位（例えば−１０ｋＶ）が印加されたＣＤ９に向かって進行し、ＣＤ９に衝突する。この正イオンの衝突によりＣＤ９から二次電子が放出されると、当該二次電子は、正電位（例えば＋１０ｋＶ）が印加されたカバー電極１５の電子通過口１６を介して、正電位（例えば＋９．６ｋＶ）が印加されたＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに入射し、ＡＰＤ３０で検出される。

【0121】

以上説明したように、イオン検出装置１Ｇでは、ＡＰＤ３０を用いることにより、二次電子を光に変換するシンチレータや、当該光を例えば光電子増倍管に導光するライトガイド等が不要となるため、構造の単純化を図ることができる。しかも、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少なく、検出可能なイオンの数が多いため、ＳＮ比の向上及びＤレンジの拡大を図ることができる。よって、イオン検出装置１Ｇによれば、検出精度の向上及び構造の単純化を図ることが可能となる。

【0122】

なお、上述したＳＮ比の向上に関し、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、増倍揺らぎが少ないため、出力信号の波高値からＣＤ９で変換された電子数を判別することも可能となる。これにより、質量の大きいイオン（ＣＤ９での生成電子数が少ないイオン）が衝突したか、質量の小さいイオンが衝突したかを見分けることができる。これは、質量分析装置においてノイズを低減する効果に繋がる。質量分析装置内等において質量の小さいイオンをスキャンした場合には、波高の低いパルスがノイズとなり、波高の高いパルスが信号となる。一方、質量分析装置内等において質量の大きいイオンをスキャンした場合には、波高の低いパルスが信号となり、波高の高いパルスがノイズとなる。

【0123】

また、上述したＤレンジの拡大に関し、イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入したイオンの数が多い場合には、ＡＰＤ３０は、例えば光電子増倍管に比べ、より多くの電流を出力することが可能となる。一方、イオン進入口３を介してチャンバ２内に進入したイオンの数が少ない場合にも、例えば光電子増倍管と同様に、イオンの数を計数することが可能である。

【0124】

また、イオン検出装置１Ｇでは、ＣＤ９によって形成される負の等電位面とカバー電極１５及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａによって形成される正の等電位面とが基準面ＲＰの面に関して略対称とされる。これにより、ＣＤ９への正イオンの軌道、カバー電極１５及び電子入射面３０ａへの負イオンの軌道、並びに電子入射面３０ａへの二次電子の軌道を収束し、ＣＤ９における正イオンの入射効率、カバー電極１５及び電子入射面３０ａにおける負イオンの入射効率、並びに電子入射面３０ａにおける二次電子の入射効率を向上させることができる。

【0125】

また、ＡＰＤ３０の電子入射面３０ａが、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向（すなわち、基準線ＲＬに平行な方向）から見た場合に、カバー電極１５の電子通過口１６を含んでいる。これにより、ＡＰＤ３０のうちの電子入射面３０ａ以外の部分に二次電子が衝突してＡＰＤ３０が劣化するのを抑制することができる。

【0126】

また、ＡＰＤ３０を収容するパッケージ２０の一部（より詳細には、キャップ２２の内向きフランジ２２ｂ）がカバー電極１５となっている。このように、パッケージ２０の一部がカバー電極１５として有効利用されているので、この点も、イオン検出装置１Ｇの構造の単純化に寄与している。

【0127】

また、カバー電極１５が、接地されるチャンバ２と電気的に絶縁されている。これにより、チャンバ２の電気的安定化を図ることができる。

【0128】

また、イオン進入口３に、正電位及び負電位が選択的に印加されるメッシュ４が張られている。これにより、チャンバ２内に正イオンを進入させて当該正イオンを検出する場合には、メッシュ４に負電位を印加することで、イオン進入口３内への正の電界の形成を抑制して、ＣＤ９における正イオンの入射効率を向上させることができる。一方、チャンバ２内に負イオンを進入させて当該負イオンを検出する場合には、メッシュ４に正電位を印加することで、イオン進入口３内への負の電界の形成を抑制して、カバー電極１５及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａにおける負イオンの入射効率を向上させることができる。

【0129】

なお、イオン検出装置１Ｇでは、良好な時間特性を得る観点から、ＡＰＤ３０の小型化が図られている。そこで、二次電子をできる限り小さく収束できるよう、ＣＤ９の凹曲面の曲率半径が小さくされてレンズとしてのパワーが上げられ、更に、ＣＤ９とＡＰＤ３０との距離が縮められている。

【0130】

また、イオン検出装置１Ｇでは、イオン進入口３と対向する位置に開口５が設けられており、開口５の内側に張られたメッシュ６が０Ｖに維持される。これにより、ＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに収束する静電レンズが形成されるので、ニュートラル等に起因したノイズの発生が防止される。

【0131】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、イオン検出装置１Ｇの構成部品の形状及び材料としては、上述したものに限定されず、様々な形状及び材料を適用することができる。また、電子通過口１６を有するカバー電極１５は、パッケージ２０の一部ではなく、パッケージ２０とは別体で設けられてもよい。ただし、いずれの場合にも、カバー電極１５の材料として負イオンから正イオンへの変換効率の高い材料を使用することが可能である。

【0132】

また、イオン進入口３に、メッシュ４に対して外側に位置するように別のメッシュ（第２のメッシュ）が張られており、当該別のメッシュに、メッシュ４に印加される電位よりも絶対値が小さくなるように、かつメッシュ４に印加される電位と極性が逆となるように、正電位（例えば＋２０Ｖ）及び負電位（例えば−２０Ｖ）が選択的に印加されてもよい。この構成によれば、チャンバ２内に正イオンを進入させて当該正イオンを検出する場合には、当該別のメッシュに正電位（例えば＋２０Ｖ）を印加することで、エネルギーの比較的低い正イオンを追い返して、エネルギーの比較的高い正イオンのみを通過させることができる。このとき、負イオンは、負電位（例えば−２００Ｖ）が印加されたメッシュ４によって追い返される。一方、チャンバ２内に負イオンを進入させて当該負イオンを検出する場合には、当該別のメッシュに負電位（例えば−２０Ｖ）を印加することで、エネルギーの比較的低い負イオンを追い返して、エネルギーの比較的高い負イオンのみを通過させることができる。このとき、正イオンは、正電位（例えば＋２００Ｖ）が印加されたメッシュ４によって追い返される。ノイズとなる正イオンのエネルギーは、検出すべき正イオンのエネルギーに比べて低いことが多いため、エネルギーの比較的低い正イオンのチャンバ２内への進入を防止することで、イオン検出装置１ＧのＳＮ比を向上させることができる。ただし、イオン進入口３に何らメッシュが張られていなくても、従来に比べれば、ＡＰＤ３０においてＳＮ比の向上及びＤレンジの拡大を図ることができる。

【0133】

また、チャンバ２内には、ＣＤ９及びＡＰＤ３０の電子入射面３０ａに対してイオン進入口３側に位置するように、かつ、イオン進入口３側（すなわち、中心線ＣＬに平行な方向）から見た場合に、ＣＤ９と電子入射面３０ａとが対向する方向に略直交する方向においてイオン進入口３を挟むように、チャンバ２と同電位とされる一対の電極部材が配置されていてもよい。この構成によれば、例えば一対の電極部材が対向する方向を長手方向とする断面形状を有するようにイオン進入口３が形成されていても、ＣＤ９への正イオンの軌道、並びにカバー電極１５及び電子入射面３０ａへの負イオンの軌道を収束し、ＣＤ９における正イオンの入射効率、並びにカバー電極１５及び電子入射面３０ａにおける負イオンの入射効率を向上させることができる。

【0134】

また、半導体電子検出素子は、アバランシェフォトダイオード３０に限定されることはない。半導体電子検出素子には、増倍機能を有していない一般的なフォトダイオード（以下「ＰＤ」という）であってもよい。ＰＤを備えたイオン検出装置１，１Ａ〜１Ｇは、電子の入射による電流を得る、いわゆるアナログ式の検出方式とすることができる。また、ＰＤは、ＡＰＤに対して温度変化に伴うゲインの変動が安定している。従って、ＡＰＤが有する高いゲインを要求されない場合やイオンのシングルカウンティングが不要である場合（例えばフィールド用途）には、半導体電子検出素子としてＰＤを用いてもよい。このようなＰＤには、例えば、浜松ホトニクス株式会社製の電子線検出用Ｓｉフォトダイオード（Ｓ１１１４１，Ｓ１１１４２）等を用いることができる。また、半導体電子検出素子には、ＡＰＤやＰＤと同等の構造を有する半導体素子も含まれる。

【0135】

また、上記第４〜第８実施形態において、半導体電子検出素子（ＡＰＤやＰＤ）は、表面入射型、裏面入射型のいずれであってもよい。

【0136】

また、上記第１〜第８実施形態において、ＡＰＤ３０を支持する部分は、ステム２１を介して間接的にＡＰＤ３０を支持していたが、この構成に限定されない。ＡＰＤ３０を支持する部分は、ステム２１を介することなく直接的にＡＰＤ３０を支持してもよい。

【符号の説明】

【0137】

１，１Ａ〜１Ｇ…イオン検出装置、２…チャンバ（筐体）、３…イオン進入口、４…メッシュ（第１のメッシュ）、９…コンバージョンダイノード、１５…カバー電極、１６…電子通過口、２０…パッケージ、３０…アバランシェフォトダイオード、３０ａ…電子入射面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】