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(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】
(24)【登録日】2022-11-09
(45)【発行日】2022-11-17
(54)【発明の名称】イオン検出器
(51)【国際特許分類】
H01J 49/06 20060101AFI20221110BHJP
H01J 43/24 20060101ALI20221110BHJP
【ＦＩ】
H01J49/06 700
H01J43/24
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019069962
(22)【出願日】2019-04-01
(65)【公開番号】P2020170594
(43)【公開日】2020-10-15
【審査請求日】2022-01-19
(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】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】服部 真也
(72)【発明者】
【氏名】高塚 清香
【審査官】後藤 大思
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０１６９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５０８９０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８６１６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１０４８７７５７（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６
Ｈ０１Ｊ ４０／００－４９／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対向した状態で所定の基準軸と交差するよう配置された第１入力面および第１出力面を有するとともに前記第１入力面へのイオンの入射に応答して前記第１出力面から電子を出力するＭＣＰと、前記ＭＣＰの前記第１出力面と対面する側に配置されるとともに前記基準軸を取り囲む形状を有する第１フォーカス電極と、により構成されたＭＣＰユニットと、前記第１フォーカス電極に対して前記ＭＣＰの反対側に配置されるとともに前記基準軸と交差するよう配置された電子検出面を有する信号出力装置と、
前記ＭＣＰユニットと前記信号出力装置との間に配置されたリセットユニットと、
を備え、
前記リセットユニットは、
前記ＭＣＰユニットと前記信号出力装置との間において互いに対向した状態で前記基準軸と交差する第２入力面および第２出力面を有し、かつ、前記第２入力面が前記ＭＣＰユニットに対面するとともに前記第２出力面が前記信号出力装置に対面するよう配置されたリセット素子であって、前記第２入力面における前記電子の入射角のバラツキおよび速度のバラツキの双方を前記第２出力面においてリセットするよう構成されたリセット素子と、
前記リセット素子と前記信号出力装置との間に配置されるとともに前記基準軸を取り囲む形状を有する第２フォーカス電極と、
を含むことを特徴とするイオン検出器。
【請求項2】
前記リセット素子は、前記第２入力面および前記第２出力面を有する中間ＭＣＰを含み、前記中間ＭＣＰにおける前記第２入力面上の有効領域の面積は、前記ＭＣＰにおける前記第１入力面上の有効領域の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のイオン検出器。
【請求項3】
前記リセット素子は、前記第２入力面、前記第２出力面、前記第２入力面上に設けられた電子入力開口、および前記第２出力面上に設けられた電子出力開口を有するチャネル型電子増倍体を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン検出器。
【請求項4】
前記信号出力装置は、前記電子検出面として機能する電子捕獲面を有する電子衝撃型ダイオードを含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項5】
前記信号出力装置は、前記電子検出面として機能する第１面と前記第１面に対向する第２面とを有する蛍光体と、
前記蛍光体に対して前記第２フォーカス電極の反対側に配置された光検出器と、
を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項6】
前記ＭＣＰと前記第１フォーカス電極との間に配置された第１メッシュ電極と、前記リセット素子と前記第２フォーカス電極との間に配置された第２メッシュ電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項7】
少なくとも、前記ＭＣＰの前記第１入力面、前記ＭＣＰの前記第１出力面、前記リセット素子の前記第２入力面、および前記リセット素子の前記第２出力面のそれぞれの電位を設定するための電圧供給回路をさらに備え、前記電圧供給回路は、
前記ＭＣＰの前記第１入力面に電気的に接続された第１端子と前記リセット素子の前記第２出力面に電気的に接続された第２端子との間の電位差を確保するための起電力を生じさせる電源部と、
前記ＭＣＰの前記第１出力面の電位を調整するための第１目標電位と、前記リセット素子の前記第２入力面の電位を調整するための第２目標電位と、をそれぞれ保持する定電圧発生部と、
を含み、
前記定電圧発生部は、
前記第１端子と前記第２端子との間に配置されるとともに前記第１目標電位に設定される第１基準ノードと、
前記ＭＣＰの前記第１出力面と前記第１基準ノードとの電位差を解消する第１電位固定素子と、
前記第１基準ノードと前記第２端子との間に配置されるとともに前記第２目標電位に設定される第２基準ノードと、
前記リセット素子の前記第２入力面と前記第２基準ノードとの電位差を解消する第２電位固定素子と、
少なくとも前記第２端子と前記第２基準ノードとの間の電位差を確保するための電圧降下を生じさせる定電圧供給部と、
を含むことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項8】
前記リセットユニットから前記信号出力装置に向かって前記基準軸に沿って配置された１またはそれ以上の補助リセットユニットを、さらに備え、前記補助リセットユニットそれぞれは、
前記ＭＣＰユニットが配置された側に位置する第３入力面と前記信号出力装置が配置された側に位置する第３出力面とを有する補助リセット素子であって、前記第３入力面における前記電子の入射角のバラツキおよび速度のバラツキの双方を前記第３出力面においてリセットするための補助リセット素子と、
前記第３出力面に対して前記第３入力面の反対側に配置されるとともに前記基準軸を取り囲む形状を有する第３フォーカス電極と、
を含むことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イオン検出器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
質量分析装置（mass spectrometry）等に適用可能なイオン検出器の構成として、例えば、電子増倍管が適用された構成、マイクロチャネルプレート（以下、「ＭＣＰ」と記す）が適用された構成、ＭＣＰとアバランシェダイオード（以下、「ＡＤ」と記す）等の電子衝撃型ダイオードを組み合わせた構成等が知られている。特に、ＭＣＰと電子衝撃型ダイオードを組み合わせた構成は、装置寿命が長く、最大出力電流が大きいという特徴がある。
【0003】
例えば、特許文献１には、ＭＣＰとＡＤとの間に、メッシュ電極とフォーカス電極が設けられたイオン検出器が開示されている。特許文献２には、ＭＣＰと半導体検出素子との間にフォーカス電極が配置されたイオン検出器が開示されている。また、特許文献３には、タンデム構造を構成する第１ＭＣＰと第２ＭＣＰの間にゲート電極（メッシュ電極）が設けられたＭＣＰ検出システムが開示されており、該メッシュ電極が第１ＭＣＰから出力された電子に対して遅延電位を与えることにより、第２ＭＣＰへの電子伝達率を下げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－１６９１８号公報
【文献】特開平７－７３８４７号公報
【文献】特表２００４－５３３６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発明者らは、従来のイオン検出器について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、ＭＣＰを利用したイオン検出は、原理的には図１（ａ）に示されたように、互いに対向する入力面１０ａおよび出力面１０ｂを有するＭＣＰ１０と、電子検出面２０を有する信号出力装置と、により構成される。入力面１０ａ（ＭＣＰ１０の有効領域）にイオン（荷電粒子）が入射すると該イオンの入射に応答して出力面１０ｂから電子が放出される。出力面１０ｂ付近の電子は、ＭＣＰ１０と電子検出面２０との間の電界により加速され、軌道３０を辿って電子検出面２０に到達する。その際、電子検出面２０に到達した電子のエネルギー（実質的には速度）および入射角には大きなバラツキがある。
【0006】
これら電子の到達領域を制限する場合、図１（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１０と電子検出面２０との間には電子レンズ３０が配置されており、この電子レンズ３０がＭＣＰ１０の出力面１０ｂから放出された電子を電子検出面２０へ収束させている。なお、図１（ｂ）において、電子検出面２０の有効領域を規定するため、また、電子検出面周辺を保護するために、信号出力装置４０には、金属または絶縁材料からなるマスク部材４１が設けられてもよい。一般に、図１（ｂ）に示されたような構造を有するイオン検出器において、電子走行時間分散（Transit Time Spread、以下、「ＴＴＳ」と記す）は１５０ｐｓ（ピコ秒）程度である。ＭＣＰ１０の出力面１０ｂから放出される電子のエネルギーは０～６０ｅＶ程度であり、電子出力時の広がり角は±３０°程度である。電子検出面２０における電子群のエネルギーおよび入射角θのバラツキは、ＭＣＰ１０の出力面１０ｂ付近に存在する電子の挙動に依存するところが大きい。このことから、エネルギーおよび出力角度においてバラツキを有する電子群を直径φ＝１ｍｍ程度の有効領域を有する電子検出面２０に導くためには、ＭＣＰ１０の有効領域の直径φは２５ｍｍ程度に抑える必要があった（電子レンズ３０の収束限界）。
【0007】
一方、四重極飛行時間型質量分析装置（Quadrupole Time-of-Flight (Q-TOF) mass spectrometry）の分野において要求されるＭＣＰの有効領域は、直径φ＝４０ｍｍ以上である。この場合、従来の電子レンズ構造では、検出対象であるイオンを捕獲するためのＭＣＰの有効領域の拡大には十分に対応できないという課題があった。
【0008】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、イオンを捕獲するためのＭＣＰの有効領域の拡大に対応可能な電子レンズ構造を有するイオン検出器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述の課題を解決するため、本実施形態に係るイオン検出器は、ＭＣＰユニットと、信号出力装置と、ＭＣＰユニットと信号出力装置との間に配置されたリセットユニットと、少なくとも備える。ＭＣＰユニットは、イオン捕獲用のＭＣＰと、電子レンズとして機能する第１フォーカス電極と、により構成される。なお、ＭＣＰは、互いに対向した状態で所定の基準軸と交差するよう配置された第１入力面および第１出力面を有し、該第１入力面へのイオン（荷電粒子）の入射に応答して前記第１出力面から電子を出力する。第１フォーカス電極は、ＭＣＰの第１出力面側に配置され、基準軸を取り囲む形状を有する。信号出力装置は、第１フォーカス電極に対してＭＣＰの反対側に配置され、基準軸と交差するよう配置された電子検出面を有する。また、ＭＣＰと信号出力装置との間に配置されたリセットユニットは、リセット素子と、電子レンズとして機能する第２フォーカス電極により構成される。このように、当該イオン検出器では、隣接する２つの電子レンズ間にリセット素子が配置された電子レンズ構造が実現されている。
【0010】
特に、リセットユニットにおいて、リセット素子は、ＭＣＰユニットと信号出力装置との間において互いに対向した状態で基準軸と交差する第２入力面および第２出力面を有する。また、リセット素子は、第２入力面がＭＣＰユニットに対面するとともに第２出力面が信号出力装置に対面するよう配置される。さらに、リセット素子は、第２入力面における電子の入射角のバラツキおよび速度のバラツキの双方を第２出力面においてリセットするよう機能する。第２フォーカス電極は、リセット素子と信号出力装置との間に配置され、基準軸を取り囲む形状を有する。
【0011】
なお、本発明に係る各実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、本発明を限定するものと考えるべきではない。
【0012】
また、本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施形態を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、本発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、それぞれが個別に制御可能な電子レンズとして機能する第１および第２フォーカス電極間に、電子の入射角および速度の双方をリセットするリセット素子が配置された電子レンズ構造が実現される。これにより、イオンを捕獲するためのＭＣＰの有効領域が拡大された場合でも、所望の微小領域への電子収束が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】従来のイオン検出器の課題を説明するための図である。
【図2】本実施形態に係るイオン検出器の、電極構造体を含む主要部を説明するための図である。
【図3】本実施形態に係るイオン検出器におけるリセット素子および信号出力装置へ適用可能な構成の一例を示す図である。
【図4】本実施形態に係るイオン検出器の具体的な基本構造（電極構造体を含む主要部）の一例を示す断面図である。
【図5】本実施形態におけるＭＣＰ１１０およびリセット素子（中間ＭＣＰ２１０Ａ）の有効領域を規定するための構造の一例を示す図である。
【図6】本実施形態における信号出力装置の電子検出面の有効領域を規定するための構造の一例を示す図である。
【図7】第１実施形態に係るイオン検出器の構成例を示す図である。
【図8】第１実施形態における仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧（Ｖ）とゲイン（出力電流（Ａ））の関係を示すグラフである。
【図9】第１実施形態における仮想ＭＣＰに関して、ＤＣリニアリティ（出力電流（Ａ）と出力電流比（％）の関係）を示すグラフである。
【図10】直径の異なる有効領域を有するＭＣＰに関して、単一電子が入力された場合の応答時間特性（時間（ｎｓ）と出力電圧比（％））を示すグラフである。
【図11】第２実施形態に係るイオン検出器の構成例を示す図である。
【図12】第３実施形態に係るイオン検出器の構成例を示す図である。
【図13】第４実施形態に係るイオン検出器の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容それぞれを個別に列挙して説明する。
最初に本願発明の実施形態の内容それぞれを個別に列挙して説明する。
【0016】
（１）本実施形態に係るイオン検出器は、その一態様として、ＭＣＰユニットと、信号出力装置と、ＭＣＰユニットと信号出力装置との間に配置されたリセットユニットと、少なくとも備える。ＭＣＰユニットは、イオン捕獲用のＭＣＰと、電子レンズとして機能する第１フォーカス電極と、により構成される。なお、ＭＣＰは、互いに対向した状態で所定の基準軸と交差するよう配置された第１入力面および第１出力面を有し、該第１入力面へのイオン（荷電粒子）の入射に応答して前記第１出力面から電子を出力する。第１フォーカス電極は、ＭＣＰの第１出力面側に配置され、基準軸を取り囲む形状を有する。信号出力装置は、第１フォーカス電極に対してＭＣＰの反対側に配置され、基準軸と交差するよう配置された電子検出面を有する。また、ＭＣＰと信号出力装置との間に配置されたリセットユニットは、リセット素子と、電子レンズとして機能する第２フォーカス電極により構成される。このように、当該イオン検出器では、隣接する２つの電子レンズ間にリセット素子が配置された電子レンズ構造が実現されている。なお、第１および第２フォーカス電極のそれぞれは、互いに離間した状態で配置される複数の電極により構成されてもよい。
【0017】
特に、リセットユニットにおいて、リセット素子は、ＭＣＰユニットと信号出力装置との間において互いに対向した状態で基準軸と交差する第２入力面および第２出力面を有する。また、リセット素子は、第２入力面がＭＣＰユニットに対面するとともに第２出力面が信号出力装置に対面するよう配置される。さらに、リセット素子は、第２入力面における電子の入射角のバラツキおよび速度のバラツキの双方を第２出力面においてリセットするよう機能する。第２フォーカス電極は、リセット素子と信号出力装置との間に配置され、基準軸を取り囲む形状を有する。
【0018】
上述のような構造を備えた本実施形態に係るイオン検出器によれば、それぞれが個別に制御可能な電子レンズとして機能する第１および第２フォーカス電極間に、第２入力面における電子の入射角および速度の双方を第２出力面においてリセットするリセット素子が配置された電子レンズ構造が実現されている。この構成により、第１および第２フォーカス電極それぞれの電子レンズ能力を超えてＭＣＰユニットにおける有効領域の拡大が可能になる。
【0019】
（２）本実施形態の一態様として、リセット素子は、第２入力面および第２出力面を有する中間ＭＣＰを含んでもよい。この場合、中間ＭＣＰにおける第２入力面上の有効領域の面積は、ＭＣＰにおける第１入力面上の有効領域の面積よりも小さいのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、リセット素子は、第２入力面、第２出力面、第２入力面上に設けられた電子入力開口、および第２出力面上に設けられた電子出力開口を有するチャネル型電子増倍体（ChannelElectron Multiplier、以下、「ＣＥＭ」と記す）を含んでもよい。
【0020】
（３）一方、本実施形態の一態様として、信号出力装置は、電子検出面として機能する電子捕獲面を有する電子衝撃型ダイオードを含むものでもよい。なお、電子衝撃型ダイオードには、ＡＤ（アバランシェダイオード）等が含まれる。また、本実施形態の一態様として、信号出力装置は、電子検出面として機能する第１面と第１面に対向する第２面とを有する蛍光体と、該蛍光体に対して第２フォーカス電極の反対側に配置された光検出器と、を含んでもよい。なお、光検出器は、アバランシェホトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と記す）、光電子増倍管等を含む。
【0021】
（４）本実施形態の一態様として、当該イオン検出器は、ＭＣＰと第１フォーカス電極との間に配置された第１メッシュ電極と、リセット素子と第２フォーカス電極との間に配置された第２メッシュ電極と、さらに備えるのが好ましい。第１メッシュ電極は、ＭＣＰの第１出力面上に存在する電子（速度すなわちエネルギーはほぼ０）を第１フォーカス電極側へ引き出すための電極として機能する。また、第２メッシュ電極は、リセット素子の第２出力面上に存在する電子（速度すなわちエネルギーはほぼ０）を第２フォーカス電極側へ引き出すための電極として機能する。
【0022】
（５）本実施形態の一態様として、当該イオン検出器は、少なくとも、ＭＣＰの第１入力面、ＭＣＰの第１出力面、リセット素子の第２入力面、およびリセット素子の第２出力面のそれぞれの電位を設定するための電圧供給回路を、さらに備えるのが好ましい。電圧供給回路は、電源部と、定電圧発生部と、を含む。電源部は、ＭＣＰの第１入力面に電気的に接続された第１端子とリセット素子の第２出力面に電気的に接続された第２端子との間の電位差を確保するための起電力を生じさせる。定電圧発生部は、ＭＣＰの第１出力面の電位を調整するための第１目標電位と、リセット素子の第２入力面の電位を調整するための第２目標電位と、をそれぞれ保持する。定電圧発生部は、第１基準ノードと、第１電位固定素子と、第２基準ノードと、第２電位固定素子と、定電圧供給部と、を含む。第１基準ノードは、第１端子と第２端子との間に配置されるとともに第１目標電位に設定される。第１電位固定素子は、ＭＣＰの第１出力面と第１基準ノードとの電位差を解消する。第２基準ノードは、第１基準ノードと第２端子との間に配置されるとともに第２目標電位に設定される。第２電位固定素子は、リセット素子の第２入力面と第２基準ノードとの電位差を解消する。定電圧供給部は、少なくとも第２端子と第２基準ノードとの間の電位差を確保するための電圧降下を生じさせる。
【0023】
（６）本実施形態の一態様として、当該イオン検出器は、リセットユニットから信号出力装置に向かって基準軸に沿って配置された１またはそれ以上の補助リセットユニットを、さらに備えてもよい。補助リセットユニットそれぞれは、上述のリセットユニットと同様に、補助リセット素子と、第３フォーカス電極と、を含む。補助リセット素子は、ＭＣＰユニットが配置された側に位置する第３入力面と信号出力装置が配置された側に位置する第３出力面を有する。また、補助リセット素子は、第３入力面における電子の入射角のバラツキおよび速度のバラツキの双方を第３出力面においてリセットする。第３フォーカス電極は、第３出力面に対して第３入力面の反対側に配置され、基準軸を取り囲む形状を有する。なお、第３フォーカス電極も、互いに離間した状態で配置される複数の電極により構成されてもよい。
【0024】
以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
【0025】
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係るイオン検出器の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
本願発明に係るイオン検出器の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【0026】
図２は、本実施形態に係るイオン検出器の、電極構造体を含む主要部を説明するための図である。図２に示されたように、本実施形態に係るイオン検出器１０Ａは、基準軸ＡＸに沿って複数種類のユニットが配置されている。具体的には、ＭＣＰユニット１００と、検出ユニット４００と、ＭＣＰユニット１００と検出ユニット４００との間の基準軸ＡＸ上に配置されたリセットユニット２００が配置されている。なお、リセットユニット２００と検出ユニット４００との間の基準軸ＡＸ上には、それぞれがリセットユニット２００と同様の構造を有する、１またはそれ以上の補助リセットユニット３００（補助リセットユニット群の一部）がさらに直列配置されてもよい。
【0027】
具体的に、ＭＣＰユニット１００は、互いに対向した状態で基準軸ＡＸと交差するよう配置された第１入力面１１０ａと第１出力面１１０ｂを有するＭＣＰ１１０と、該ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂに対面する位置に配置された電子レンズ（第１フォーカス電極）１２０と、を含む。リセットユニット２００は、互いに対向した状態で基準軸ＡＸと交差するよう配置された第２入力面２１０ａと第２出力面２１０ｂを有するリセット素子２１０と、該リセット素子２１０の第２出力面２１０ｂに対面する位置に配置された電子レンズ（第２フォーカス電極）２２０と、を含む。リセット素子２１０は、第２入力面２１０ａにおける電子の速度（エネルギー）のバラツキおよび電子の入射角のバラツキの双方を第２出力面２１０ｂにおいてリセットする。検出ユニット４００は、基準軸ＡＸと交差するよう配置された電子検出面４００ａを有する信号出力装置４２０と、該電子検出面４００ａの有効領域を規定するとともに電子検出面周辺を保護するためのマスク部材４１０（金属または絶縁材料からなる）と、を含む。
【0028】
また、本実施形態では、リセットユニット２００と検出ユニット４００との間に、１またはそれ以上の補助リセットユニット３００が配置可能であり、これら補助リセットユニット３００のそれぞれは、上述のリセットユニット２００と同様の構造を備える。すなわち、補助リセットユニット３００は、互いに対向した状態で基準軸ＡＸと交差するよう配置された第３入力面３１０ａと第３出力面３１０ｂを有する補助リセット素子３１０と、該補助リセット素子３１０の第３出力面３１０ｂに対面する位置に配置され、基準軸ＡＸを取り囲む形状を有する電子レンズ（第３フォーカス電極）３２０と、を含む。この補助リセット素子３１０も、第３入力面３１０ａにおける電子の速度（エネルギー）のバラツキおよび電子の入射角のバラツキの双方を第３出力面３１０ｂにおいてリセットする。
【0029】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２に示されたイオン検出器１０Ａにおけるリセット素子２１０へ適用可能な構成の一例を示す図（電子レンズは図示せず）である。図３（ａ）の例は、リセット素子２１０として、中間ＭＣＰ２１０Ａが適用された例である。中間ＭＣＰ２１０Ａは、互いに対向するよう配置された第２入力面２１０ａと第２出力面２１０ｂを備える。また、図３（ｂ）の例は、リセット素子２１０として、ＣＥＭ２１０Ｂが適用された例である。ＣＥＭ２１０Ｂは、互いに対向するよう配置された第２入力面２１０ａと第２出力面２１０ｂを備える。第２入力面２１０ａは、ＣＥＭ２１０Ｂの電子入力開口２１１ａを含み、第２出力面２１０ｂは、ＣＥＭ２１０Ｂの電子出力開口２１１ｂを含む。これら図３（ａ）および図３（ｂ）に示されたように、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａおよびＣＥＭ２１０Ｂの電子入力開口２１１ａのいずれに到達する電子の軌道３０も、そのエネルギー（速度）および入射角のバラツキが大きい。リセット素子２１０として適用可能な中間ＭＣＰ２１０ＡおよびＣＥＭ２１０Ｂはいずれも、第２入力面２１０ａにおける電子の速度のバラツキおよび入射角のばらつきの双方を第２出力面２１０ｂにおいてリセットするよう機能する。
【0030】
図３（ｃ）は、図２に示されたイオン検出器１０Ａにおける信号出力装置４２０へ適用可能な構成の一例を示す図（電子レンズは図示せず）である。図３（ｃ）の例は、信号出力装置４２０として、蛍光体４２１と光検出器４２２が適用された例である。蛍光体４２１は、電子検出面４００ａに相当する第２入力面４２１ａと、蛍光を放出する蛍光第１出力面４２１ｂを有する。光検出器４２２としては、例えば、ＡＰＤ、光電子増倍管等が適用可能である。
【0031】
なお、以下の実施形態は、ＭＣＰユニット１００と検出ユニット４００との間にリセットユニット２００のみが配置された最も単純な構造に限定して説明するものとする。具体的には、リセット素子２１０としては、図３（ａ）に示された中間ＭＣＰ２１０Ａが適用されるものとする。信号出力装置４２０としては、ＡＤが適用されるものとする。
【0032】
図４は、本実施形態に係るイオン検出器の具体的な基本構造（電極構造体を含む主要部）の一例を示す断面図である。図５（ａ）は、図４に示されたイオン検出器のＭＣＰユニット１００において、ＭＣＰ１１０の有効領域Ａ１を規定するための構造を説明するための図である。また、図５（ｂ）は、図４に示されたイオン検出器のリセットユニット２００において、中間ＭＣＰ２１０Ａの有効領域Ａ２を規定するための構造を説明するための図である。さらに、図６の例は、ＡＤ４２０Ａ（信号出力装置４２０）における電子検出面４００ａの有効領域Ａ３を規定するための構造を説明するための図である。
【0033】
ＭＣＰユニット１００は、入力側電極１１１と出力側電極１１２で把持されたＭＣＰ１１０と、絶縁スペーサを介して出力側電極１１２に固定された第１メッシュ電極１３０と、電子レンズ１２０と、を備える。電子レンズ１２０は、それぞれが基準軸ＡＸを取り囲む形状を有する一対の第１フォーカス電極１２１、１２２により構成されている。電子レンズ１２０の一部を構成する一方の第１フォーカス電極１２１は、絶縁スペーサを介して第１メッシュ電極１３０に固定され、他方の第１フォーカス電極１２２は、絶縁スペーサを介して一方の第１フォーカス電極１２１に固定されている。このＭＣＰユニット１００において、ＭＣＰ１１０から放出される電子のＴＴＳは１８０ｐｓである。また、ＭＣＰ１１０の有効領域Ａ１は、例えば直径φ＝４２ｍｍに設定される。具体的には、図５（ａ）に示されたように、ＭＣＰ１１０は、絶縁スペーサ１１３の開口内に収納されている。絶縁スペーサ１１３の一方の面には入力側電極１１１が当接されている。入力側電極１１１にはＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａの中心部分を露出させるための開口１１１ａが設けられており、第１入力面１１０ａの外周部分は入力側電極１１１と直接接触している。一方、絶縁スペーサ１１３の他方の面は、出力側電極１１２が当接されている。この出力側電極１１２にもＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂの中心部分を露出させるための開口１１２ａが設けられており、第１出力面１１０ｂの外周部分は出力側電極１１２と直接接触している。
【0034】
リセットユニット２００は、入力側電極と出力側電極２１２で把持された中間ＭＣＰ２１０Ａと、絶縁スペーサを介して出力側電極２１２に固定された第２メッシュ電極２３０と、電子レンズ２２０と、を備える。電子レンズ２２０は、それぞれが基準軸ＡＸを取り囲む形状を有する一対の第２フォーカス電極２２１、２２２により構成されている電子レンズ２２０の一部を構成する一方の第２フォーカス電極２２１は、絶縁スペーサを介して第２メッシュ電極２３０に固定され、他方の第２フォーカス電極２２２は、絶縁スペーサを介して一方の第２フォーカス電極２２１に固定されている。このリセットユニット２００において、中間ＭＣＰ２１０Ａから放出される電子のＴＴＳは２２０ｐｓである。リセットユニット２００における入力側電極は、図５（ｂ）に示されたように、ＭＣＰ１１０における電子レンズ１２０の一部を構成する他方の第１フォーカス電極１２２が担っている。具体的には、他方の第１フォーカス電極１２２は、中間ＭＣＰ２１０Ａおよび絶縁スペーサ２１３に当接される底部１２２ａを有し、この底部１２２ａが中間ＭＣＰ２１０Ａのための入力側電極として機能する。また、底部１２２ａには中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａの中心部分を露出させるための開口１２２ｂが設けられており、第２入力面２１０ａの外周部分は底部１２２ａと直接接触している。中間ＭＣＰ２１０Ａの有効領域Ａ２は、この底部１２２ａに設けられた開口１２２ｂにより例えば直径φ＝２０ｍｍに設定される。中間ＭＣＰ２１０Ａは、絶縁スペーサ２１３の開口内に収納されている。絶縁スペーサ２１３の一方の面には入力側電極として機能する他方の第１フォーカス電極１２２の底部１２２ａが当接されている。一方、絶縁スペーサ２１３の他方の面は、出力側電極２１２が当接されている。この出力側電極２１２にも中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂの中心部分を露出させるための開口２１２ａが設けられており、第２出力面２１０ｂの外周部分は出力側電極２１２と直接接触している。
【0035】
検出ユニット４００は、電子検出面４００ａを有する信号出力装置４２０と、電子検出面４００ａの有効領域Ａ３を規定するためのマスク部材４１０と、を含む。図６は、電子検出面４００ａの有効領域Ａ３を規定するための具体的な構造が示されている。すなわち、電子レンズ２２０の一部を構成する他方の第２フォーカス電極２２２の、信号出力装置４２０側の端部には、該端部の開口を塞ぐように金属または絶縁材料からなるマスク部材４１０が固定される。このマスク部材４１０には、電子検出面４００ａの有効領域Ａ３（例えば直径φ＝１ｍｍに設定）を規定するための開口４１１が設けられている。信号出力装置４２０としてのＡＤ４２０Ａは、絶縁ディスク４３０に固定されており、絶縁ディスク４３０の一方の面の外周部分には、電子検出面４００ａを取り囲む形状を有する、金属製のマスク部材４１０と絶縁ディスク４３０の間に所定の空間を確保するための絶縁リング４３１が配置されている。
【0036】
（第１実施形態）
図７は、第１実施形態に係るイオン検出器１０Ａの構成例を示す図である。図７に示された第１実施形態に係るイオン検出器１０Ａは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。
図７は、第１実施形態に係るイオン検出器１０Ａの構成例を示す図である。図７に示された第１実施形態に係るイオン検出器１０Ａは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。
【0037】
ＭＣＰユニット１００は、電子増倍機能を有するＭＣＰ１１０と、電子レンズ１２０と、ＭＣＰ１１０と電子レンズ１２０の間に配置された第１メッシュ電極１３０と、を有する。ＭＣＰ１１０は、イオン（図７の例では正イオン）が到達する第１入力面１１０ａと、該第１入力面１１０ａと対向する第１出力面１１０ｂとを有する。また、ＭＣＰ１１０において、第１入力面１１０ａと第１出力面１１０ｂの間の抵抗値は１０ＭΩである。第１メッシュ電極１３０はグランド電位ＧＮＤに設定されており、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂ付近に存在する電子を電子レンズ１２０側へ引き出すよう機能する。電子レンズ１２０は、一対の第１フォーカス電極１２１、１２２から構成され、一方の第１フォーカス電極１２１は、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと同電位に設定される。
【0038】
リセットユニット２００は、リセット素子２１０としての中間ＭＣＰ２１０Ａと、電子レンズ２２０と、中間ＭＣＰ２１０Ａと電子レンズ２２０との間に配置された第２メッシュ電極２３０と、を有する。中間ＭＣＰ２１０Ａは、第１フォーカス電極１２２と同電位に設定された第２入力面２１０ａと、該第２入力面２１０ａと対向する第２出力面２１０ｂを有する。また、中間ＭＣＰ２１０Ａにおいて、第２入力面２１０ａと第２出力面２１０ｂとの間の抵抗値は４０ＭΩである。この構成において、リセット素子２１０としての中間ＭＣＰ２１０Ａは、第２入力面２１０ａにおける電子の速度のバラツキおよび電子の入射角のバラツキの双方を第２出力面２１０ｂにおいてリセットする。第２メッシュ電極２３０は、第１メッシュ電極１３０と同様にグランド電位ＧＮＤに設置されており、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂ付近に存在する電子を電子レンズ２２０側へ引き出すよう機能する。電子レンズ２２０は、一対の第２フォーカス電極２２１、２２２から構成され,一方の第２フォーカス電極２２１は、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂと同電位に設定される。
【0039】
検出ユニット４００は、信号出力装置４２０としてのＡＤ４２０Ａと、該ＡＤ４２０Ａの電子検出面４００ａの有効領域Ａ３を規定するためのマスク部材４１０と、を備える。ＡＤ４２０Ａは、抵抗Ｒ４を介してマイナス電位に接続された一方の端子と、容量Ｃを介してグランド電位ＧＮＤに接続された他方の端子を備える。ＡＤ４２０Ａで増幅された信号は、信号線６００から取り出される。電子レンズ２２０の一部を構成する他方の第２フォーカス電極２２２は、ＡＤ４２０Ａの一方の端子と同様に、抵抗Ｒ４を介してマイナス電位に接続される。
【0040】
第１実施形態における電圧供給回路は、電源部５００と、定電圧発生部と、を少なくとも備える。電源部５００は、第１端子Ｔ１を介してＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａの電位を設定するための第１電源Ｖ１、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａに電気的に接続された第１端子Ｔ１と中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂに電気的に接続された第２端子Ｔ２との間に所定の電位差を確保するための第２電源Ｖ２と、第３端子Ｔ３および抵抗Ｒ４を介してＡＤ４２０Ａの一方の端子に接続される第３電源Ｖ３と、を備える。第１電源Ｖ１は、グランド電位ＧＮＤと第１端子の間に配置され、例えば第１端子Ｔ１の電位を－７ｋＶに設定するための起電力を生じさせる。第２電源は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に配置された可変電源であって、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａと中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂの電位差として、例えば０～３．５ｋＶ程度の電位差を確保するよう起電力を生じさせる。第３電源Ｖ３は、グランド電位ＧＮＤと第３端子Ｔ３との間に配置され、例えば第３端子Ｔ３の電位を－３５０Ｖに設定するための起電力を生じさせる。
【0041】
定電圧発生部は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に直列配置された抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む。すなわち、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間において、第２電源Ｖ２と抵抗Ｒ１～Ｒ３は並列に配置されている。第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間において直列配置された抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗比により、第１基準ノードＮ１と第２基準ノードＮ２の電位が設定される。一例として、抵抗Ｒ１は３ＭΩ、抵抗Ｒ２は１０ＭΩ、抵抗Ｒ３は２．７ＭΩ、抵抗Ｒ４は１ｋΩである。すなわち、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間に位置する第１基準ノードＮ１は、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと一方の第１フォーカス電極１２１の双方に電気的に接続されており、この回線構造により、第１基準ノードＮ１、第１出力面１１０ｂおよび一方の第１フォーカス電極１２１のそれぞれが同電位に設定される。また、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の間に位置する第２基準ノードＮ２は、他方の第１フォーカス電極１２２と中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａの双方に電気的に接続されており、この配線構造により、第２基準ノードＮ２、他方の第１フォーカス電極１２２および第２入力面２１０ａのそれぞれが同電位に設定される。
【0042】
以下、上述のような構造を有する第１実施形態に係るイオン検出器１０Ａの動作特性として、ＭＣＰ１１０と中間ＭＣＰ２１０Ａとで構成される仮想ＭＣＰの動作特性について図８および図９を用いて説明する。また、電子レンズ単体の収束限界について図１０を用いて説明する。なお、仮想ＭＣＰの第１入力面は、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａに相当し、仮想ＭＣＰの第１出力面は、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂに相当する。仮想ＭＣＰおける第１入力面と第１出力面との電位差（「入力－出力間電圧」と記す）は、電源部５００の第２電源Ｖ２により与えられる。
【0043】
図８は、第１実施形態（図７）における仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧（Ｖ）とゲイン（出力電流（Ａ））の関係を示すグラフである。この測定では、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂと同電位に設定される一方の第２フォーカス電極２２１の電位は、－４ｋＶに設定されている。第３電源Ｖ３により第３端子Ｔ３の電位は－３５０Ｖに設定されている。図８に示されたように、仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧に対してゲインおよび出力電流の線形性が維持されることが分かる。
【0044】
一方、図９は、第１実施形態（図７）における仮想ＭＣＰに関して、ＤＣリニアリティ（出力電流（Ａ）と出力電流比（％）の関係）を示すグラフである。この測定では、中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂと同電位に設定される一方の第２フォーカス電極２２１の電位は、－４ｋＶに設定されている。第３電源Ｖ３により第３端子Ｔ３の電位は－３５０Ｖに設定されている。仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧は３３００Ｖに設定されている。なお、図９には、参考データとして仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧が２７００Ｖに設定された測定結果も同時にプロットされている。この図９の測定結果からも分かるように、仮想ＭＣＰの入力－出力間電圧の変動に関わらず、出力電流の増加に伴ってＤＣリニアリティが劣化することが分かる。
【0045】
図７に示された構造を有するイオン検出器１０Ａにおいて、２つのＭＣＰが電子レンズを介して多段配置された仮想ＭＣＰは、第１入力面（ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａ）と第１出力面（中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂ）のそれぞれにおける電位が固定されている。この構成では、図８から分かるようにゲイン制御が可能である一方、図９から分かるように、ゲインの増加に伴ってＤＣリニアリティが劣化する。これは、動作中の発熱に起因してＭＣＰ１１０および中間ＭＣＰ２１０Ａの抵抗値の低下や、出力電流の増加に伴ってＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａの双方の電位が低下（電圧降下）するためと考えられる。このようなＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａ間のゲイン増加を引き起こすため、直流電圧制御による仮想ＭＣＰのリニアリティ（ＤＣリニアリティ）が失われてしまう。
【0046】
なお、本明細書において「ＤＣリニアリティ」とは、ＭＣＰへのイオンの入力量（電流値換算）とＭＣＰの出力電流との比（以下、「入出力電流比」と記す）によって算出される当該ＭＣＰの動作特性を意味する。ＭＣＰへのイオンの入力量が少ないときには上記入出力電流比が一定値（リニアリティ）を示すが、過大な量のイオンがＭＣＰに入力された場合、上記入出力電流比が基準値を逸脱（±１０％）してしまう。この基準値（a.u.）は、ＤＣリニアリティが十分に確保できる範囲（出力電流が１～１００ｎＡ程度の低い範囲）における入出力電流比であって、以下の式（１）で与えられる。
出力電流（A）／イオンの入力量（A） …（１）
一方、ＤＣリニアリティ（％）は、以下の式（２）で与えられる。したがって、出力電流が比較的低い範囲であれば、必然的に入出力電流比は基準値にほぼ一致することとなる（ＤＣリニアリティは１００％）。ところが、出力電流が上記範囲を超えて大きくなるほど、ＭＣＰの出力端側での電圧降下が大きくなり、入出力電流比と基準値との差が顕著になる（ＤＣリニアリティが崩れる）。
出力電流（A）/イオンの入力量（A）/基準値（a.u.）×100 …（２）
ここで、「イオンの入力量」は、ＭＣＰの入力端に到達するイオンに起因した電流値で与えられ、「出力電流」は、ＭＣＰからアノードに到達する電子に起因した電流値で与えられる。
出力電流（A）／イオンの入力量（A） …（１）
一方、ＤＣリニアリティ（％）は、以下の式（２）で与えられる。したがって、出力電流が比較的低い範囲であれば、必然的に入出力電流比は基準値にほぼ一致することとなる（ＤＣリニアリティは１００％）。ところが、出力電流が上記範囲を超えて大きくなるほど、ＭＣＰの出力端側での電圧降下が大きくなり、入出力電流比と基準値との差が顕著になる（ＤＣリニアリティが崩れる）。
出力電流（A）/イオンの入力量（A）/基準値（a.u.）×100 …（２）
ここで、「イオンの入力量」は、ＭＣＰの入力端に到達するイオンに起因した電流値で与えられ、「出力電流」は、ＭＣＰからアノードに到達する電子に起因した電流値で与えられる。
【0047】
次に、図１０は、直径の異なる有効領域を有するＭＣＰに関して、単一電子が入力された場合の応答時間特性（時間（ｎｓ）と出力電圧比（％））を示すグラフである。なお、図１０において、グラフＧ１０１０は、直径φ＝２５ｍｍの有効領域を有するＭＣＰ、電子レンズ（フォーカス電極）、およびＡＤを備えた第１構成の時間応答特性を示し、グラフＧ１０２０は、直径φ＝４２ｍｍの有効領域を有するＭＣＰ、電子レンズ、およびＡＤを備えた第２構成の時間応答特性を示す。第１構成（グラフＧ１０１０）の場合、半値全幅（ＦＷＨＷ）は５５０ｐｓであった。また、第２構成（グラフＧ１０２０）の場合、ＦＷＨＷは５７０ｐｓとなり、第１構成の場合と比較して時間応答特性が悪化する結果となった。この測定結果から、単体の電子レンズのみでは収束限界があることが分かる。逆に、一定の微小領域（例えば直径φ＝１ｍｍ程度の有効領域）に電子をフォーカスする場合、適用されるＭＣＰの有効領域を拡大させることが困難になる。本実施形態は、このような課題を解決するため、ＭＣＰユニット１００と検出ユニット４００との間にリセットユニット２００が設けられている。リセットユニット２００は、中間ＭＣＰ２１０Ａ、ＣＥＭ２１０Ｂ等のリセット素子２１０を含む。このリセット素子２１０は、第２入力面２１０ａにおける電子の速度のバラツキおよび電子の入射角のバラツキの双方を第２出力面２１０ｂにおいてリセットする。このリセット素子２１０をＭＣＰ１１０と信号出力装置４２０の間に配置することにより、ＭＣＰ１１０とリセット素子２１０との間、および、リセット素子２１０と信号出力装置４２０との間のそれぞれに、電子レンズ１２０、２２０が配置された電子レンズの多段構成が実現可能になる。
【0048】
（第２実施形態）
上述のように、ＭＣＰは、鉛ガラスからなる構造体に二次電子放出層等が形成されており、安定動作を確保するために１０ＭΩ以上の抵抗値（第１入力面から第１出力面までの抵抗値）を必要とする。なお、鉛ガラスが構造体に適用された従来のＭＣＰでは、ＰｂＯの還元処理により析出された鉛の層が抵抗層として利用される。このようなＭＣＰでは、動作時の発熱に起因して当該ＭＣＰの抵抗値の低下や、出力電流の増加に伴う出力端での電圧降下が生じてしまう。このようなＭＣＰの出力電位の低下は、当該ＭＣＰのゲイン上昇を引き起こすため、直流電圧制御によるＭＣＰのリニアリティ（以下、「ＤＣリニアリティ」と記す）が失われるという課題があった。一方、製造される複数のＭＣＰ間には抵抗値に関して個体差が存在する。そのため、該ＭＣＰの出力側電位の固定には、この「抵抗値に関するＣＥＭ間の個体差」についても考慮されなければならない。
上述のように、ＭＣＰは、鉛ガラスからなる構造体に二次電子放出層等が形成されており、安定動作を確保するために１０ＭΩ以上の抵抗値（第１入力面から第１出力面までの抵抗値）を必要とする。なお、鉛ガラスが構造体に適用された従来のＭＣＰでは、ＰｂＯの還元処理により析出された鉛の層が抵抗層として利用される。このようなＭＣＰでは、動作時の発熱に起因して当該ＭＣＰの抵抗値の低下や、出力電流の増加に伴う出力端での電圧降下が生じてしまう。このようなＭＣＰの出力電位の低下は、当該ＭＣＰのゲイン上昇を引き起こすため、直流電圧制御によるＭＣＰのリニアリティ（以下、「ＤＣリニアリティ」と記す）が失われるという課題があった。一方、製造される複数のＭＣＰ間には抵抗値に関して個体差が存在する。そのため、該ＭＣＰの出力側電位の固定には、この「抵抗値に関するＣＥＭ間の個体差」についても考慮されなければならない。
【0049】
このようなＭＣＰにおける出力側電位の変動に起因したＤＣリニアリティの劣化を解消する手段としては、例えばＭＣＰの入力側電位を設定するための電源部と、ＭＣＰの出力側電位を設定するための別の電源部を用意することも考えられる。なお、電子レンズを介して複数のＭＣＰが多段配置された構成ではＭＣＰごとに複数の電源を用意する必要がある。しかしながら、このような複数の電源部を有する電圧供給回路は、電子レンズを介して複数のＭＣＰが多段配置されたイオン検出器の製造コストの増大を招くとともに、当該イオン検出器自体の小型化を困難にする。
【0050】
そこで、この第２実施形態では、ＭＣＰの出力側電位（および／または入力側電位）の変動に影響されない基準ノードに目標電位を設定しておくことにより、電源部により電位固定されない部位においても目標電位に固定することを可能にする構成を備える。特に、目標電位の固定に関しては、製造される複数のＣＥＭ間における抵抗値の個体差を考慮する必要がなくなる。
【0051】
図１１は、第２実施形態に係るイオン検出器１０Ｂの構成例を示す図である。第２実施形態に係るイオン検出器１０Ｂは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。なお、第２実施形態における主要部は、第１実施形態（図７）の主要部と同じ構造を有する。すなわち、当該第２実施形態における主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。
【0052】
第２実施形態における電圧供給回路は、電源部５００と、定電圧発生部と、を少なくとも備える。電源部５００は、第１端子Ｔ１を介してＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａの電位を設定するための第１電源Ｖ１、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａに電気的に接続された第１端子Ｔ１と中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂに電気的に接続された第２端子Ｔ２との間に所定の電位差を確保するための第２電源Ｖ２と、第３端子Ｔ３を介してＡＤ４２０Ａの一方の端子に接続される第３電源Ｖ３と、を備える。第１電源Ｖ１は、グランド電位ＧＮＤと第１端子の間に配置される。図１１の例では、正イオンをＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａで捕獲するため、例えば第１端子Ｔ１の電位を－７ｋＶに設定するための起電力を生じさせる。第２電源は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に配置された可変電源であって、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａと中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂの電位差として、例えば０～３．５ｋＶ程度の電位差を確保するよう起電力を生じさせる。第３電源Ｖ３は、グランド電位ＧＮＤと第３端子Ｔ３との間に配置され、例えば第３端子Ｔ３の電位を－３５０Ｖに設定するための起電力を生じさせる。
【0053】
定電圧発生部７００Ａは、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に直列配置された抵抗Ｒ１～Ｒ３を含み、ＭＣＰ１１０における第１出力面１１０ｂの第１目標電位と中間ＭＣＰ２１０Ａにおける第２入力面２１０ａの第２目標電位を保持する。第１目標電位は、第１出力面１１０ｂの電位変動に影響されない第１基準ノードＮ１に設定される。また、第２目標電位は、第２入力面２１０ａの電位変動に影響されない第２基準ノードＮ２に設定される。具体的に、第２端子Ｔ２と第１基準ノードＮ１との電位差は、抵抗Ｒ２と定電圧供給部８００Ａ（抵抗Ｒ３で構成される）の電圧降下により確保される。第２端子Ｔ２と第２基準ノードＮ２との電位差は、抵抗Ｒ３により構成された定電圧供給部８００Ａの電圧降下により確保される。一方の第１フォーカス電極１２１と同電位に設定されたＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと第１基準ノードＮ１との間にはＮ型ＭＯＳトランジスタ（以下、「ＮＭＯＳ」と記す）により構成された第１電位固定素子７１０が配置されている。他方の第１フォーカス電極１２２と同電位に設定された中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａと第２基準ノードＮ２との間にもＮＭＯＳにより構成された第２電位固定素子７２０が配置されている。
【0054】
なお、第１電位固定素子（ＮＭＯＳ）７１０のゲートＧは第１基準ノードＮ１に接続されている。第１電位固定素子７１０のソースＳはＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂおよび一方の第１フォーカス電極１２１に接続されている。第１電位固定素子７１０のドレインＤは第２電位固定素子７２０のソースＳに接続されている。一方、第２電位固定素子（ＮＭＯＳ）７２０のゲートＧは第２基準ノードＮ２に接続されている。第２電位固定素子７２０のソースＳは、第１電位固定素子７１０のドレインＤに接続された状態で、他方の第１フォーカス電極１２２および中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａに接続されている。第２電位固定素子７２０のドレインＤは第２端子Ｔ２に接続されている。
【0055】
この第２実施形態において、電子増倍の動作中、出力電流が増加すると（ＭＣＰ１１０から中間ＭＣＰ２１０Ａへ向けて放出される電子が増大すると）、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂおよび中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａでは電圧降下が発生する。このとき、第１電位固定素子（ＮＭＯＳ）７１０のゲートＧ－ソースＳ間の電圧ＶＧSおよび第２電位固定素子（ＮＭＯＳ）７２０のゲートＧ－ソースＳ間の電圧ＶＧSの双方が大きくなり、ＶＧSがしきい電圧を超えた時点で第１電位固定素子７１０および第２電位固定素子７２０がそれぞれオン状態となる。ＮＭＯＳがオン状態のとき、瞬間的に、第１出力面１１０ｂおよび第２入力面２１０ａそれぞれから第２端子Ｔ２に向かって電子が流れることにより、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂおよび中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａそれぞれの電圧降下が解消される。電圧降下が解消されると、ＶＧSも減少するため、第１電位固定素子７１０および第２電位固定素子７２０はそれぞれオフ状態となる。すなわち、第１出力面１１０ｂの電位が第１基準ノードＮ１の第１目標電位に固定される一方、第２出力面２１０ｂの電位か第２基準ノードＮ２の第２目標電位に固定されることなる。
【0056】
（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態に係るイオン検出器１０Ｃの構成例を示す図である。第３実施形態に係るイオン検出器１０Ｃは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。なお、この第３実施形態における主要部は、上述の第１実施形態（図７）および第２実施形態（図１１）の主要部と同じ構造を有する。すなわち、当該第３実施形態における主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。
図１２は、第３実施形態に係るイオン検出器１０Ｃの構成例を示す図である。第３実施形態に係るイオン検出器１０Ｃは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。なお、この第３実施形態における主要部は、上述の第１実施形態（図７）および第２実施形態（図１１）の主要部と同じ構造を有する。すなわち、当該第３実施形態における主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。
【0057】
第３実施形態における電圧供給回路は、電源部５００と、定電圧発生部７００Ｂと、を少なくとも備える。電源部５００の構成は、正イオンをＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａで捕獲する上述の第２実施形態（図１１）と同じである。一方、定電圧発生部７００Ｂは、第１基準ノードＮ１と第２基準ノードＮ２の間にツェナーダイオードＴＤが配置され、第１基準ノードＮ１と第２基準ノードＮ２との間の電位差が固定されており、このＴＤおよび抵抗Ｒ３により定電圧供給部８００Ｂが構成されている。この構成を除き、第３実施形態における定電圧発生部７００Ｂの構成および動作は、第２実施形態における定電圧発生部７００Ａの構成および動作と同じである。
【0058】
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態に係るイオン検出器１０Ｄの構成例を示す図である。第４実施形態に係るイオン検出器１０Ｄは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。なお、この第４実施形態における主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。第４実施形態におけるＭＣＰユニット１００およびリセットユニット２００は、第１～第３実施形態（図７、図１１～図１２）と同じ構造を有する。
図１３は、第４実施形態に係るイオン検出器１０Ｄの構成例を示す図である。第４実施形態に係るイオン検出器１０Ｄは、電極構造体を含む主要部と、電圧供給回路と、を備える。なお、この第４実施形態における主要部は、ＭＣＰユニット１００、リセットユニット２００、および検出ユニット４００により構成される。第４実施形態におけるＭＣＰユニット１００およびリセットユニット２００は、第１～第３実施形態（図７、図１１～図１２）と同じ構造を有する。
【0059】
第４実施形態における検出ユニット４００は、信号出力装置４２０としてのＡＤ４２０Ａと、該ＡＤ４２０Ａの電子検出面４００ａの有効領域Ａ３を規定するためのマスク部材４１０と、を備える。ＡＤ４２０Ａは、電子レンズ２２０の一部を構成する他方の第２フォーカス電極２２２に接続されるとともに抵抗Ｒ４を介して所定電位のノードに接続された一方の端子と、容量Ｃを介して信号出力端子に接続された他方の端子を備える。ＡＤ４２０Ａで増幅された信号は、容量Ｃ介して信号線６００から取り出される。また、ＡＤ４２０Ａと容量Ｃの間に位置するノードは抵抗Ｒ６を介して電源部５００Ａの第３端子Ｔ３に接続されている。第３端子Ｔ３と抵抗Ｒ４の間には電位差を固定するためのツェナーダイオードＴＤが配置されている。
【0060】
第４実施形態における電圧供給回路は、電源部５００Ａと、定電圧発生部と、を少なくとも備える。電源部５００Ａは、第１端子Ｔ１を介してＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａの電位を設定するための第１電源Ｖ１、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａに電気的に接続された第１端子Ｔ１と中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂに電気的に接続された第２端子Ｔ２との間に所定の電位差を確保するための第２電源Ｖ２と、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間に所定の電位差を確保するための第３電源Ｖ３と、を備える。第１電源Ｖ１は、グランド電位ＧＮＤと第１端子の間に配置される。図１３の例では、負イオンをＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａで捕獲するため、例えば第１端子Ｔ１の電位を＋７ｋＶに設定するための起電力を生じさせる。第２電源は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に配置された可変電源であって、ＭＣＰ１１０の第１入力面１１０ａと中間ＭＣＰ２１０Ａの第２出力面２１０ｂの電位差として、例えば０～３．５ｋＶ程度の電位差を確保するよう起電力を生じさせる。第３電源Ｖ３は、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間に配置され、例えば０～３．５ｋＶ程度の電位差を確保するよう起電力を生じさせる。
【0061】
定電圧発生部は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間に直列配置された抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む。また、定電圧発生部は、検出ユニット４００内の回路と抵抗Ｒ５を介して接続されている。すなわち、抵抗Ｒ５は、第２端子Ｔ２に接続された一端と、ツェナーダイオードＴＤを介して第３端子Ｔ３と電気的に接続された他端を有する。抵抗Ｒ５とツェナーダイオードとの間に位置するノードとＡＤ４２０Ａの一方の端子との間に抵抗Ｒ４が配置されている。第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間において直列配置された抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗比により、第１基準ノードＮ１と第２基準ノードＮ２の電位が設定される。一例として、抵抗Ｒ１は３ＭΩ、抵抗Ｒ２は１０ＭΩ、抵抗Ｒ３は２．７ＭΩ、抵抗Ｒ４は１ｋΩ、Ｒ５は２０ＭΩである。すなわち、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間に位置する第１基準ノードＮ１は、ＭＣＰ１１０の第１出力面１１０ｂと一方の第１フォーカス電極１２１の双方に電気的に接続されており、この回線構造により、第１基準ノードＮ１、第１出力面１１０ｂおよび一方の第１フォーカス電極１２１のそれぞれが同電位に設定される。また、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の間に位置する第２基準ノードＮ２は、他方の第１フォーカス電極１２２と中間ＭＣＰ２１０Ａの第２入力面２１０ａの双方に電気的に接続されており、この配線構造により、第２基準ノードＮ２、他方の第１フォーカス電極１２２および第２入力面２１０ａのそれぞれが同電位に設定される。
【0062】
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0063】
１０Ａ～１０Ｄ…イオン検出器、１００…ＭＣＰユニット、１１０…ＭＣＰ、１１０ａ…第１入力面、１１０ｂ…第１出力面、１２１、１２２…第１フォーカス電極（電子レンズ１２０）、１３０…第１メッシュ電極、２００…リセットユニット、２１０ａ…第２入力面、２１０ｂ…第２出力面、２２１、２２２…第２フォーカス電極（電子レンズ２２０）、２３０…第２メッシュ電極、３００…補助リセットユニット、３１０ａ…第３入力面、３１０ｂ…第３出力面、３２０…電子レンズ（第３フォーカス電極）、４００…検出ユニット、４００ａ…電子検出面、４２０…信号出力装置、５００、５００Ａ…電源部、７００Ａ、７００Ｂ…定電圧発生部、Ｎ１…第１基準ノード、Ｎ２…第２基準ノード、Ｔ１…第１端子、Ｔ２…第２端子、７１０…第１電位固定素子、７２０…第２電位固定素子、８００Ａ、８００Ｂ…定電圧供給部。
【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】