特許 7432459 チャネル型電子増倍体およびイオン検出器

(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】2024-02-07

(45)【発行日】2024-02-16

(54)【発明の名称】チャネル型電子増倍体およびイオン検出器

(51)【国際特許分類】

   H01J 43/24 20060101AFI20240208BHJP

   H01J 49/02 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

H01J43/24

H01J49/02 500

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020121645

(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公開番号】P2022018501

(43)【公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-02-15

(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】遠藤 剛志

(72)【発明者】

【氏名】小林 浩之

【審査官】鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５８－１７８２６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０３－０５３４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５２００４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４３／２４

Ｈ０１Ｊ ４９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子が到達する入力端面と、前記入力端面に対向する出力端面と、前記入力端面と前記出力端面とを連絡する少なくとも１本のチャネルと、を有するチャネル本体であって、前記チャネルの内壁面上に第１抵抗層および電子放出層が形成されているチャネル本体と、
前記入力端面と前記チャネルの内壁面の一部を連続的に覆うように設けられた入力側導電層と、
少なくとも一部が前記チャネルの開口端に位置するように前記出力端面上に設けられた出力側導電層と、
前記入力端面に対して前記出力端面の反対側に配置された電極であって、前記入力端面に向かう前記荷電粒子を通過させるための少なくとも１つの開口を有する電極と、
を備え、
前記チャネルは、前記入力端面に一致した開口端を有するとともに前記入力端面から前記出力端面に向かって断面積が減少するよう内壁面が成形されたテーパー開口部を含み、
前記テーパー開口部の、前記入力端面に一致した開口端を含む入力側領域において、前記入力側導電層は、前記テーパー開口部内に電圧降下を生じさせるよう、前記テーパー開口部の前記内壁面と前記電子放出層の一部との間に位置した状態で、前記電極と同電位に設定される、
チャネル型電子増倍体。

【請求項2】

前記テーパー開口部の前記入力側領域において、
前記入力側導電層は、前記テーパー開口部の前記内壁面上に直接設けられている、
請求項１に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項3】

前記テーパー開口部の前記入力側領域において、
前記第１抵抗層は、前記テーパー開口部の前記内壁面上に直接設けられ、
前記電子放出層は、前記第１抵抗層上に直接設けられた第１電子放出層を含み、
前記入力側導電層は、前記第１電子放出層上に直接設けられている、
請求項１に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項4】

前記テーパー開口部の前記入力側領域において、
前記入力側導電層上に第２抵抗層が直接設けられ、
前記電子放出層は、前記第２抵抗層上に直接設けられた第２電子放出層を含む、
請求項３に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項5】

前記第２電子放出層は、高ガンマ材からなる、
請求項４に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項6】

前記第２電子放出層は、フッ化マグネシウムからなる、
請求項５に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項7】

前記入力端面から前記出力端面に向かって伸びる前記チャネル本体の中心軸に沿って定義される長さとして、前記テーパー開口部内に位置する前記入力側導電層の前記一部の長さは、前記テーパー開口部のテーパー長の１／２以下である、
請求項１～６のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項8】

前記電極は、前記入力側導電層に接触している、
請求項１～７のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項9】

前記電極は、ばね材からなる、
請求項８に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項10】

前記電極は、前記入力端面に対して前記出力端面の反対側の空間内であって、前記入力側導電層から所定距離だけ離れた位置に配置されている、
請求項１～７のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項11】

前記電極は、メッシュ構造を有する、
請求項１～１０のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体と、
前記チャネル型電子増倍体の前記出力端面から放出される電子を捕捉するためのアノードと、
を備えたイオン検出器。

【請求項13】

請求項１～１１のいずれか一項に記載のチャネル型電子増倍体と、
前記チャネル型電子増倍体が配置された空間に向けて前記荷電粒子を通過させるためのアパーチャー部材と、
前記アパーチャー部材を通過した前記荷電粒子のうち前記チャネル型電子増倍体の前記入力端面を除いた空間へ向かう荷電粒子を遮蔽するためのファラデーカップと、
前記チャネル型電子増倍体の前記出力端面から放出される電子を捕捉するためのアノードと、
を備えたイオン検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チャネル型電子増倍体および該チャネル型電子増倍体を含むイオン検出器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

質量分析装置等に適用可能な検出デバイスとして、例えば特許文献１および特許文献２に開示されたようなチャネル型電子増倍体（Channel Electron Multiplier、以下、「ＣＥＭと記す」）、該ＣＥＭの入力端面側に設けられた入力側電極（以下、「ＩＮ電極」と記す）、該ＣＥＭの出力端面側に設けられた出力側電極（以下、「ＯＵＴ電極」）、該ＣＥＭの出力端面から放出された電子を捕捉するアノードと、を有するイオン検出器が知られている。また、上述のＣＥＭは、チャネル内壁面上に抵抗層、電子放出面が順次積層された連続型（チャンネル型）のダイノード構造を有する。特に、上記特許文献１および特許文献２には、外部電極によりイオン検出器に導かれる荷電粒子（イオン）が到達するチャネル開口の面積を稼ぐため、イオンの進行方向に沿ってその断面積が徐々に小さくなるように内壁面がテーパー加工された開口部（以下、「テーパー開口部」と記す）が、チャネルの入力側端部に設けられている。

【0003】

なお、特許文献３には、上述の外部電極としてグランド電位（ＧＮＤ）に設定されたメッシュ電極が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭５２－２６１５０号公報

【文献】特開平３－５３４４３号公報

【文献】特開２０１１－１８１３３６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、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。

【0006】

すなわち、近年、カウンティング計測用の質量分析装置では、検出効率の向上が重要な要求となってきており、上述のような従来技術により得られる検出感度ではこのような要求を満たすことができなかった。

【0007】

特に、ＣＥＭにおいて、チャネル開口の面積（検出可能エリア）を稼ぐためにはチャネルの入力側端部に特殊形状の開口部（断面積が入力側から出力側に向かって徐々に小さくなるテーパー開口部）を設けることが有効である。しかしながら、外部電場に対してテーパー開口部が静電場的にむき出しであれば該外部電場の染み込みにより該テーパー開口部内の静電場の乱れが引き起こされる。この場合、テーパー開口部内で発生した電子（二次電子）をチャンネルの出力側に引き込む効率が低下し、結果、検出感度の低下が引き起こされる。加えて、ＣＥＭは抵抗膜を用いた連続型（チャンネル型）のダイノード構造を有するため、該テーパー開口部内でも電圧降下が起きている。このような状況において、テーパー開口部のうち入力側にイオンが到達する場合、増倍に寄与可能な電圧を最大限利用できるが（高感度検出）、テーパー開口部の出力側にイオンが到達する場合には、増倍に寄与可能な電圧をロスしてしまう（低感度検出）。

【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、従来よりも高感度なイオン検出を可能にするための構造を備えたＣＥＭ、および該ＣＥＭを含む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】

本実施形態に係るＣＥＭ（チャネル型電子増倍体）は、上述の課題を解決するため、チャネル本体と、入力側導電層と、出力側導電層と、電極と、を備える。チャネル本体は、荷電粒子（イオン）が到達する入力端面と、該入力端面に対向する出力端面と、該入力端面と該出力端面とを連絡する少なくとも１本のチャネルと、を有する。また、チャネルの内壁面上には、第１抵抗層および第１電子放出層が形成されている。入力側導電層は、入力端面とチャネルの内壁面の一部を連続的に覆うように設けられている。出力側導電層は、少なくとも一部がチャネルの開口端に位置するように出力端面上に設けられている。電極は、入力端面に対して出力端面の反対側に配置され、該入力端面に向かう荷電粒子を通過させるための少なくとも１つの開口を有する。特に、チャネルは、入力端面に一致した開口端を有するとともに該入力端面から出力端面に向かって断面積が減少するように内壁面が成形されたテーパー開口部を含む。また、入力側導電層と電極が同電位に設定される。本明細書において、テーパー開口部等の「断面積」は、入力端面から出力端面に向かって延びるチャネル本体の中心軸に対して直交する平面上で定義される。

【0010】

本実施形態に係るイオン検出器は、少なくとも上述のような構造を有するチャネル型電子増倍体（本実施形態に係るチャネル型電子増倍体）を含む。

【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】

本実施形態によれば、チャネルの入力側に設けられたテーパー開口部内に入力端面に設置される入力側導電層の一部（入れ込み電極）を配置することにより、ＩＮ電極（入力側電極）とＯＵＴ電極（出力側電極）との間の電圧差で定義されるＣＥＭ電圧のロスが低減可能になる（ゲインの向上）。また、入力側導電層と同電位に設定された、１以上の開口を有する電極をテーパー開口部の開口端側に配置することにより、該テーパー開口部内における十分な有効エリアの確保（外部電場の影響を回避）が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】ＣＥＭの主要部を含むシミュレーション・モデルの構造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第１構造を説明するための断面図である。

【図3】本実施形態に係るイオン検出器の第２構造を説明するための断面図である。

【図4】本実施形態に係るＣＥＭにおけるチャネル本体の構造の一例を説明するための組み立て工程図である。

【図5】本実施形態に係るＣＥＭにおけるチャネル本体の外観と種々の変形例を示す図である。

【図6】本実施形態に係るＣＥＭにおけるチャネル本体のうちテーパー開口部近傍の断面構造を示す図である。

【図7】本実施形態に係るＣＥＭに適用可能なＩＮ電極近傍の種々の断面構造を示す図である。

【図8】図３に示されたイオン検出器に適用された種々のＣＥＭ構造について、検出効率改善率および感度改善率の測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１（ａ）および図１（ｂ）は、上述の「発明が解決しようとする課題」の欄に示された発明者らの結論を得た、従来技術の検討用に用意されたＣＥＭ（チャネル型電子増倍体）の主要部を含むシミュレーション・モデルの構造を示す図である。具体的に実施されたシミュレーションでは、ＣＥＭの検出効率および感度を向上させるためのファクターとして、「入力側開口部付近の外部電位」、「入力側開口部を覆う金属メッシュ（電極）の有無」、および「入力側開口部内に設置される入れ込み電極部分（入力側導電層の一部）の有無」の３ファクターについて静電場解析が行われた。なお、図１（ａ）は、シミュレーション・モデル（基本モデル）１の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中に示されたI-I線に沿ったシミュレーション・モデル１の断面図である。

【0016】

図１（ａ）および図１（ｂ）に示されたように、シミュレーション・モデル１は、例えばセラミック材料からなるモデル本体２を備える。モデル本体２には、ＣＥＭの主要部としてチャネル２０が設けられている。このチャネル２０は、イオンが到達する入力端と、該入力端に対向するとともに、イオンの入力に応答して増倍された電子が最終的に放出される出力端を有する。また、チャネル２０の内壁面上には、抵抗層、電子放出層が順に積層されている。なお、抵抗層および電子放出層は、例えば原子堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）等により形成される。さらに、チャネル２０は、入力端に位置するテーパー開口部２０ｃと、該テーパー開口部２０ｃと出力端との間にそれぞれ設けられた第１および第２経路２０ａ、２０ｂと、により構成されている。テーパー開口部２０ｃは、入力端に一致した開口端を有するとともに、該入力端から出力端に向かって断面積が小さくなるよう内壁面が成形された構造を有する。第１および第２経路２０ａ、２０ｂは、テーパー開口部２０ｃの出力口と、チャネル２０の出力端とを連絡する２本の経路であって、それぞれの入力口が共にテーパー開口部２０ｃの出力口に接続されている。また、チャネル２０の入力端（テーパー開口部２０ｃの開口端に一致）には、所定の電位に設定するためのＩＮ電極に接続される入力側導電層２１ａが設けられ、チャネル２０の出力端（第１および第２経路２０ａ、２０ｂそれぞれの出力端に一致）には、ＯＵＴ電極と接続される出力側導電層２１ｂが設けられている。さらに、モデル本体２内には、イオンをチャネル２０のテーパー開口部２０ｃに導くための外部電極３０が設けられている。なお、図１（ｂ）に示された例において、領域４０は、テーパー開口部２０ｃの内壁面のうち入力側導電層２１ａの一部が配置可能な領域である。

【0017】

このシミュレーション・モデル１において、外部電極３０の電位はグランド電位（ＧＮＤ）に設定され、入力側導電層２１ａの電位は－２０００Ｖに設定され、出力側導電層２１ｂの電位は－１００Ｖに設定される。外部電極３０とチャネル２０の入力端（テーパー開口部２０ｃの開口端）までの距離は２ｍｍ、テーパー開口部２０ｃの開口端から該テーパー開口部２０ｃの出力口までの距離（以下、「テーパー長」と記す）は６ｍｍである。テーパー開口部２０ｃの開口端の面積（ＣＥＭの有効エリア）は８ｍｍ×７．２ｍｍである。また、テーパー角θは６４°である。

【0018】

上述のような構造を有するシミュレーション・モデル１から変形された第１～第３ＣＥＭ構造について静電場解析が行われた。なお、第１ＣＥＭ構造では、テーパー開口部２０ｃの開口端にメッシュ電極は配置されていない。また、領域４０には、入力側導電層２１ａの一部（入れ込み電極）も配置されていない。第２ＣＥＭ構造では、テーパー開口部２０ｃの開口端にメッシュ電極は配置されていない。しかしながら、領域４０には、テーパー開口部２０ｃの内壁と抵抗層との間に入力側導電層２１ａの一部（入れ込み電極）が配置されている。第３ＣＥＭ構造では、テーパー開口部２０ｃの開口端にメッシュ電極が配置されている。しかしながら、領域４０には、入力側導電層２１ａの一部（入れ込み電極）は配置されていない。

【0019】

外部電極３０が除去された環境下において、第１ＣＥＭ構造では、静電場解析により、テーパー開口部２０ｃ内でも電圧降下していることが確認できた。この場合、テーパー開口部２０ｃの出力口側にイオンが到達すると、数百Ｖの電圧ロスの発生が予想される。すなわち、チャネル２０の入力端から出力端までの電位差（以下、「ＣＥＭ電圧」と記す）のうち電子増倍に利用できる電位差が得られないため、設計値通りのゲインが得られなくなる。これに対し、外部電極３０が除去された環境下において、第２ＣＥＭ構造では、テーパー開口部２０ｃ内での電圧ロスが軽減されるため、高ゲインが期待できる。

【0020】

また、外部電極３０が配置された環境下において、第１ＣＥＭ構造では、外部電場によりテーパー開口部２０ｃ内の静電場が影響を受けるため（静電場解析の結果、テーパー開口部２０ｃ内部への外部電場の侵入を確認）、デッドエリア（テーパー開口部２０ｃ内で発生した電子を第１および第２経路２０ａ、２０ｂ内に引き込めないエリア）が拡大する一方、有効エリアが縮小してしまう（開口端の面積に対して１／４程度）。これに対し、外部電極３０が配置された環境下において、第３ＣＥＭ構造では、テーパー開口部２０ｃの開口端にメッシュ電極が配置されている。この場合、静電場解析により、外部電場の影響が排除されていることが確認できた（テーパー開口部２０ｃ全体が有効エリアとして利用可能）。すなわち、第３ＣＥＭ構造の場合、第１ＣＥＭ構造の４倍の検出効率が得られることが期待できる。

【0021】

以上の考察の結果、テーパー開口部での電圧ロスの抑制（高ゲイン化）および外部電場の遮蔽（有効エリアの確保）の組み合わせが、イオン検出器における更なる高感度検出の実現に効果的であることが確認できた。

【0022】

[本願発明の実施形態の説明]

【0023】

以下、本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

【0024】

（１）本実施形態に係るＣＥＭ（チャネル型電子増倍体）は、その一態様として、チャネル本体と、入力側導電層と、出力側導電層と、電極と、を備える。チャネル本体は、荷電粒子（イオン）が到達する入力端面と、該入力端面に対向する出力端面と、該入力端面と該出力端面とを連絡する少なくとも１本のチャネルと、を有する。また、チャネルの内壁面上には、第１抵抗層および第１電子放出層が形成されている。入力側導電層は、入力端面とチャネルの内壁面の一部を連続的に覆うように設けられている。出力側導電層は、少なくとも一部がチャネルの開口端に位置するように出力端面上に設けられている。電極は、入力端面に対して出力端面の反対側に配置され、該入力端面に向かうイオンを通過させるための少なくとも１つの開口を有する。特に、チャネルは、入力端面に一致した開口端を有するとともに該入力端面から出力端面に向かって断面積が減少する形状に成形されたテーパー開口部を含む。また、入力側導電層と電極が同電位に設定される。

【0025】

上述のように、本実施形態に係るＣＥＭでは、入力端面上に設けられる入力側導電層（ＩＮ電極を介してチャネル入力端の電位を設定するための導電体）の一部を入れ込み電極としてテーパー開口部内に配置されており、これによりＣＥＭ電圧のロスが効果的に抑制可能になる。また、テーパー開口部の開口端には、イオンを通過させるための開口を有するとともに入力側導電層と同電位に設定される電極が配置される。これにより、テーパー開口部内の静電場に対する外部電場の影響が遮蔽され、該テーパー開口部内における十分な有効エリアが確保され得る。

【0026】

（２） 本実施形態の一態様として、テーパー開口部のうち、少なくとも、入力端面に一致した開口端を含む入力側領域において、入力側導電層の一部は、テーパー開口部の内壁上に直接設けられているのが好ましい。

【0027】

（３） また、本実施形態の一態様として、テーパー開口部のうち、少なくとも、入力端面に一致した開口端を含む入力側領域において、第１抵抗層がテーパー開口部の内壁上に直接設けられ、第１電子放出層が第１抵抗層上に直接設けられ、入力側導電層の一部が第１電子放出層上に直接設けられてもよい。このような断面構成において、さらに、本実施形態の一態様として、テーパー開口部のうち、少なくとも、入力端面に一致した開口端を含む入力側領域において、入力側導電層上には第２抵抗層が直接設けられ、第２抵抗層上には第２電子放出層が直接設けられる。なお、本実施形態の一態様として、第２電子放出層は、高ガンマ材からなるのが好ましい。具体的には、本実施形態の一態様として、第２電子放出層は、フッ化マグネシウムからなるのが好ましい。なお、第１電子放出層上に入力側導電層の一部を直接設ける構成では、第１抵抗層および第１電子放出層のパターンニング等が不要となるため、当該ＣＥＭの製造が容易になる。

【0028】

（４） 本実施形態の一態様として、入力端面から出力端面に向かって伸びるチャネル本体の中心軸に沿って定義される長さとして、テーパー開口部内に位置する入力側導電層の一部の長さ（以下、「入れ込み量」と記す）は、テーパー開口部のテーパー長の１／２以下であるのが好ましい。入力側導電層の入れ込み量がテーパー長の１／２を越えると、検出効率自体が低下するためである。

【0029】

（５） 本実施形態の一態様として、電極は、入力側導電層に接触していてもよい。この場合、本実施形態の一態様として、電極は、ばね材からなるのが好ましい。一方、本実施形態の一態様として、電極は、入力端面に対して出力端面の反対側の空間内であって、入力側導電層から所定距離だけ離れた位置に配置されてもよい。係る電極は、入力側導電層と同電位に設定されるため、該電極の設置位置に依存することなくテーパー開口部内の静電場の乱れ（外部電場による影響）が回避され得る。

【0030】

（６） 本実施形態の一態様として、電極は、メッシュ構造を有するのが好ましい。特に、本実施形態に適用されるメッシュ電極の開口率（メッシュが形成された有効領域における開口の占有率）は５０％～９５％であるのが好ましい。また、メッシュ電極の開口率は、部分的に変動してもよい（例えばメッシュの中心付近と周辺で開口率が異なる構成）。

【0031】

（７） 本実施形態に係るイオン検出器は、その一態様として、上述のような構造を備えたＣＥＭ（本実施形態に係るＣＥＭ）と、該ＣＥＭの出力端面から放出される電子を捕捉するアノードと、を少なくとも備える。

【0032】

（８） また、本実施形態に係るイオン検出器は、その一態様として、上述のような構造を備えたＣＥＭと、アパーチャー部材と、ファラデーカップと、アノードと、を備えてもよい。アパーチャー部材は、ＣＥＭが配置された空間（当該イオン検出器の筐体により定義される空間）に向けてイオンを通過させる。したがって、アパーチャー部材は、当該イオン検出器の筐体の一部を構成する。また、ファラデーカップは、アパーチャー部材を通過したイオンのうちＣＥＭの入力端面を除いた空間へ向かうイオンを遮蔽するよう機能する。アノードは、ＣＥＭの出力端面から放出される電子を捕捉する電極である。

【0033】

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。

【0034】

[本願発明の実施形態の詳細]

【0035】

本願発明に係るチャネル型電子増倍体および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。また、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。

【0036】

図２は、本実施形態に係るイオン検出器の第１構造を説明するための断面図である。なお、図２には、図１（ｂ）に示された断面に相当する断面での構造が示されている。第１構造を有するイオン検出器１００Ａは、ＣＥＭ（チャネル型電子増倍体）と、アノード４００と、を含む。ＣＥＭ２００は、イオン（荷電粒子）を当該ＣＥＭ２００に導くための外部電極３００（イオンを通過させるための開口を有する）に対面するよう配置された入力端面２１０ａと、該入力端面２１０ａに対して外部電極３００の反対側に位置する出力端面２１０ｂを有する。また、ＣＥＭ２００は、チャネル本体２１０と、該チャネル本体２１０のうちイオンが到達する側（入力端面２１０ａ側）に設けられた入力側電極（以下、「ＩＮ電極」と記す）１５０と、該チャネル本体２１０のうちＩＮ電極１５０とは反対側（出力端面２１０ｂ側）に設けられた出力側電極（以下、「ＯＵＴ電極」と記す）１６０と、により構成される。アノード４００は、チャネル本体２１０の出力端側に配置される。なお、イオン検出器１００Ａが質量分析装置において用いられる場合、外部電極３００は四重極やイオントラップなどの質量分離部のイオン検出器に近接する電極、それら質量分離部とイオン検出器１００Ａの間に外部ノイズを遮蔽するために設けられたアパーチャー、質量分離部より荷電粒子をイオン検出器へ導くレンズ等である。

【0037】

チャネル本体２１０には、テーパー開口部２３０を含むチャネル２２０が作りこまれている。テーパー開口部２３０の開口端は、チャネル本体２１０の入力端面２１０ａに一致しており、テーパー開口部２３０の出力口は、チャネル本体２１０内に位置するとともに該チャネル本体２１０の出力端面２１０ｂに連絡している。

【0038】

また、入力端面２１０ａを含むチャネル本体２１０の一方の端部にはＩＮ電極１５０が取り付けられ、出力端面２１０ｂを含むチャネル本体２１０の他方の端部にはＯＵＴ電極１６０が取り付けられている。

【0039】

ＩＮ電極１５０は、金属フランジ１５１、金属キャップ１５２、メッシュ電極１５３（１以上の開口を有する電極）、金属スペーサ１５４、およびＩＮ電極１５０自体をチャネル本体２１０に固定するための金属リング（図５中に示された一対の金属部材１５５ａ、１５５ｂで構成）により構成されている。金属フランジ１５１は、チャネル本体２１０の側面に設けられた溝のうち入力端面２１０ａに近い溝（図５に示された溝２５１）に取り付けされた金属リング（一対の金属部材１５５ａ、１５５ｂにより構成）に一端が溶接され、他端が外部電極３００に向かって延びている。金属キャップ１５２は、チャネル本体２１０のうち入力端面２１０ａを含む先端部分を収納可能な形状を有するとともに金属フランジ１５１内に収納された金属スペーサ１５４に一端が溶接されている。これにより、チャネル本体２１０の入力端面２１０ａは金属キャップ１５２に接触した状態で該金属キャップ１５２に覆われる。また、金属スペーサ１５４も金属フランジ１５１の内壁に接触した状態で固定されているため、金属フランジ１５１と金属キャップ１５２が電気的に接続された状態になる。金属キャップ１５２は、チャネル２２０のテーパー開口部２３０の開口端を露出させるための開口が設けられており、この開口には、テーパー開口部２３０に向かうイオンを通過させるための１またはそれ以上の開口を有する金属部材（電極）が設置されている。外部電極３００の存在による、テーパー開口部２３０内の静電場への影響を低減するためである。なお、図２の例では、係る金属部材（電極）は、金属キャップ１５２の開口端に溶接された、ばね材からなるメッシュ電極１５３であり、その開口率は５０％～９５％であるのが好ましい。また、メッシュ電極１５３は、面積の異なる複数種類の開口を有してもよい。この場合、例えば、メッシュの中心付近での開口率を周辺領域の開口率よりも高くする構造のメッシュ電極１５３も適用可能である。

【0040】

また、ＩＮ電極１５０には、金属キャップ１５２とチャネル本体２１０の入力端面２１０ａとを電気的に接続するための入力側導電層５１０が含まれる。この入力側導電層５１０（ＩＮ電極１５０の一部を構成）は、入力端面２１０ａ上、および、テーパー開口部２３０の内壁上に設けられている。特に、入力側導電層５１０の一部（以下「入れ込み電極」と記す）は、入力端面２１０ａからテーパー開口部２３０の出力口に向かって該テーパー開口部２３０の内壁面上に連続的に延びている。なお、図２を含む複数の図に示された例では、テーパー開口部２３０内に入れ込み電極（入力側導電層５１０の一部）のみが示されているが、テーパー開口部２３０の内壁面上には、図６（ａ）または図６（ｂ）に示された具体的な積層構造（導電層、電子放出層、および抵抗層により構成）が設けられている。

【0041】

メッシュ電極１５３は、上述のようにばね材からなる電極である。金属キャップ１５２の一端が金属フランジ１５１に収納された金属スペーサ１５４に溶接されることにより、該金属キャップ１５２の開口に溶接されたメッシュ電極１５３がチャネル本体２１０の入力端面２１０ａに押し付けられる（メッシュ電極１５３と入力側導電層５１０の一部を構成する入れ込み電極部分が同電位となる）。特に、メッシュ電極１５３はばね材料からなり、メッシュ電極１５３の復元力により、該メッシュ電極１５３と入力側導電層５１０が密着する（安定した接触状態が維持され得る）。

【0042】

一方、ＯＵＴ電極１６０は、金属フランジ１６１、金属キャップ１６２、アノード４００を収納する金属容器（中空部材１６３ａおよびステム部１６３ｂにより構成）、金属スペーサ１６４、およびＯＵＴ電極１６０自体をチャネル本体２１０に固定するための金属リング（図５中に示された一対の金属部材１６５ａ、１６５ｂで構成）により構成されている。

【0043】

金属フランジ１６１は、チャネル本体２１０の側面に設けられた溝のうち出力端面２１０ｂに近い溝（図５に示された溝２５２）に取り付けされた金属リング（図５中の一対の金属部材１６５ａ、１６５ｂで構成）に一端が溶接されている。金属キャップ１６２は、チャネル本体２１０のうち出力端面２１０ｂを含む先端部分を収納可能な形状を有するとともに金属フランジ１６１に接触した状態で固定された金属スペーサ１６４に一端が溶接されている。また、金属キャップ１６２は、出力端面２１０ｂ上に位置するチャネル２２０の出力口を露出させるための開口が設けられている。さらに、金属キャップ１６２は、その一端が、出力端面２１０ｂを含むチャネル本体２１０の先端部分を収納した状態で金属フランジ１６１に固定された金属スペーサ１６４に溶接されている。これにより、出力側導電層５２０と金属キャップ１６２が密着する（出力側導電層５２０と金属キャップ１６２が同電位に設定される）。

【0044】

ＯＵＴ電極１６０の金属フランジ１６１には、アノード４００の収納空間を定義するボックスが溶接されている。このボックスは、中空部材１６３ａとステム部１６３ｂにより構成されている。中空部材１６３ａの一端は、金属フランジ１６１に直接溶接され、他端にはステム部１６３ｂが固定されている。ステム部１６３ｂは、絶縁材料１３２を介してリードピン１３１を保持しており、中空部材１６３ａ内に伸びたリードピン１３１の一端にアノード４００が溶接されている。

【0045】

図３は、本実施形態に係るイオン検出器の第２構造を説明するための断面図である。なお、図３も、図１（ｂ）に示された断面に相当する断面での構造が示されている。第２構造を有するイオン検出器１００Ｂは、アパーチャー部材１１０と、ファラデーカップ１２０と、ＣＥＭ２００と、アノード４００と、を含む。アパーチャー部材１１０は、当該イオン検出器１００Ｂの容器の一部を構成し、容器外部から容器内部へイオンを通過させるための開口を有する。ファラデーカップ１２０は、アパーチャー部材１１０を介して取り込まれたイオンが当該イオン検出器１００Ｂの外に移動するのを阻止するように機能する。ＣＥＭ２００は、ファラデーカップ１２０とアノード４００との間の空間に配置され、図２の例と同様に、ＩＮ電極１５０、チャネル本体２１０、ＯＵＴ電極１６０に構成されている。より具体的には、ＣＥＭ２００は、ＩＮ電極１５０の一部を構成する金属製のメッシュ電極１５３、チャネル本体２１０の入力端面２１０ａ上およびテーパー開口部２３０の内壁面上に設けられている入力側導電層５１０（ＩＮ電極１５０の一部を構成）、および、チャネル２２０の出力端（開口端）に接触した状態でチャネル本体２１０の出力端面２１０ｂ上設けられた出力側導電層５２０（ＯＵＴ電極１６０の一部を構成）を含む。

【0046】

なお、ファラデーカップ１２０、ＣＥＭ２００、およびアノード４００は、当該イオン検出器１００Ｂの容器（アパーチャー部材１１０を含む）内に収納される。

【0047】

図４は、本実施形態に係るＣＥＭ（図２および図３に示されたＣＥＭ２００）におけるチャネル本体２１０の構造の一例を説明するための組み立て工程図である。

【0048】

図４に示されたように、チャネル本体２１０は、例えばセラミック材料からなり、ｎ（１以上の整数）枚の平行平板２１２_１～２１２_ｎと、一対の補助部材２１０Ａ、２１０Ｂで構成されている。平行平板２１２_１～２１２_ｎと補助部材２１０Ａ、２１０Ｂが、それぞれプレスおよび焼結されることで一体化している。なお、プレスおよび焼結後、破線で示された切り出し線２５０に沿って平行平板２１２_１～２１２_ｎそれぞれの不要な周辺部分が除去される。また、平行平板２１２_１～２１２_ｎそれぞれには、テーパー開口部２３０を含むチャネル２２０のパターンが設けられている。このパターンは、一方の主面から他方の主面に向かって各平行平板を貫通する孔の断面形状により定義される。

【0049】

図５（ａ）～図５（ｅ）は、ＣＥＭ２００におけるチャネル本体２１０の外観と種々の変形例を示す図である。特に、図５（ａ）には、上述の図４に示された組み立て工程を経て得られたチャネル本体２１０を含むＣＥＭ２００の主要部が示されている。

【0050】

平行平板２１２_１～２１２_ｎと補助部材２１０Ａ、２１０Ｂが一体化されたチャネル本体２１０の側面のうち、テーパー開口部２３０の開口端が位置する入力端面２１０ａの近傍にはＩＮ電極１５０を固定するための溝２５１が設けられている。一方、チャネル本体２１０の側面のうち、出力端面２１０ｂの近傍にはＯＵＴ電極１６０を固定するための溝２５２が設けられている。ここで、溝２５１には、ＩＮ電極１５０をチャネル本体２１０に固定するための金属リングが嵌め込まれており、図５（ａ）の例では、金属リングは、一対の金属部材１５５ａ、１５５ｂで構成されている。また、溝２５２には、ＯＵＴ電極１６０をチャネル本体２１０に固定するための金属リングが嵌め込まれており、図５（ａ）の例では、金属リングは一対の金属部材１６５ａ、１６５ｂで構成されている。

【0051】

なお、チャネル本体２１０内には複数のチャネルが設けられてもよい。図５（ｂ）～図５（ｅ）は、上述の図５（ａ）に示されたチャネル本体２１０の入力端面２１０ａを見たときの正面図であって、入力端面２１０ａ上における種々のチャネル配置パターンを示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示されたようにチャネル本体２１０内に１本のチャネルが設けられた配置パターンが示されており、入力端面２１０ａ上には、１本のチャネル２２０のテーパー開口部２３０が配置されている。図５（ｂ）の例では、テーパー開口部２３０の開口端形状は矩形であるが、その形状の選択には特に技術的制限はない（形状選択は任意）。また、図５（ｃ）は、チャネル本体２１０内に２本のチャネルが設けられた配置パターンが示されており、入力端面２１０ａ上には、それぞれが正方形状の開口端を有するテーパー開口部２３１ａ、２３１ｂが配置されている。図５（ｄ）も、チャネル本体２１０内に２本のチャネルが設けられた配置パターンが示されているが、入力端面２１０ａ上には、それぞれが長方形状の開口端を有するテーパー開口部２３２ａ、２３２ｂが配置されている。さらに、図５（ｅ）には、チャネル本体２１０内に３本のチャネルが設けられた配置パターンが示されており、入力端面２１０ａ上には、それぞれが長方形状の開口端を有するテーパー開口部２３３ａ、２３３ｂ、２３３ｃが配置されている。

【0052】

図６（ａ）および図６（ｂ）は、本実施形態に係るＣＥＭにおけるチャネル本体２１０のうちテーパー開口部２３０近傍の断面構造を示す図である。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）には、図１（ｂ）に示された断面に相当する断面での構造が示されている。

【0053】

本実施形態に係るＣＥＭ２００に適用可能な第１積層構造は、図６（ａ）に示されたように、入れ込み電極（入力側導電層５１０の一部）が、入力端面２１０ａからテーパー開口部２３０の出力口に向かって、該テーパー開口部２３０の内壁上に直接設けられている。入れ込み電極の上には第１抵抗層６１０が設けられている。この第１抵抗層６１０は、入れ込み電極の先端から、出力端面２１０ｂ上に位置するチャネル２２０の出力口までの、該チャネル２２０の内壁面上にも直接設けられている。さらに、第１抵抗層６１０の上には、該第１抵抗層６１０全体を覆うように第１電子放出層６２０が設けられている。

【0054】

一方、本実施形態に係るＣＥＭ２００に適用可能な第２積層構造は、図６（ｂ）に示されたように、入力端面２１０ａから出力端面２１０ｂまでのチャネル２２０の内壁上には第１抵抗層６１０が直接設けられている。さらに、第１抵抗層６１０の上には、該第１抵抗層６１０全体を覆うように第１電子放出層６２０が設けられている。入れ込み電極（入力側導電層５１０の一部）は、入力端面２１０ａからテーパー開口部２３０の出力口に向かって、第１電子放出層６２０上に直接設けられている。入れ込み電極の上には、第２抵抗層７１０が設けられ、さらに、第２抵抗層７１０の上には第２電子放出層７２０が設けられている。ここで、第２電子放出層７２０は、例えばＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）のような高ガンマ材（高ガンマとは、所定の電圧で加速されたイオンが入射したときの値（「放出二次電子数/入射イオン数」で算出）が高いことを意味する）からなるのが好ましい。図６（ｂ）の例では、第１抵抗層６１０がチャネル２２０の内壁面全体を直接覆う構造になっている。そのため、チャネル２２０の内壁面上に設けられる層（導電層と抵抗層）のパターンニングが不要となる。結果、図６（ｂ）に示された積層構造は、図６（ａ）に示された積層構造よりも製造が容易になる。

【0055】

図６（ａ）および図６（ｂ）のいずれの例においても、入れ込み電極の入れ込み量（テーパー長と同様に、出力口を通過するテーパー開口部２３０の中心軸に沿って定義される長さ）は、テーパー長の１／２以下であるのが好ましい。なお、テーパー長は、図１（ｂ）に示されたように、テーパー開口部の開口端（チャネル本体２１０の入力端面２１０ａに一致）からテーパー開口部の出力口までの距離で定義される。

【0056】

図７（ａ）～図７（ｃ）は、本実施形態に係るＣＥＭに適用可能なＩＮ電極近傍の種々の断面構造を示す図である。なお、なお、図７（ａ）～図７（ｃ）には、図１（ｂ）に示された断面に相当する断面での構造が示されている。また、図７（ａ）の例では、実質的に図２に示されたＩＮ電極１５０近傍の構造を詳述するため、組立工程図が示されている。

【0057】

図７（ａ）には、ＩＮ電極１５０を構成する金属フランジ１５１に金属キャップ１５２を溶接する前後の状態が示されている。すなわち、入力端面２１０ａを含むチャネル本体２１０の先端部（溝２５１が設けられた位置）において、一対の金属部材１５５ａ、１５５ｂで構成された金属リングに金属フランジ１５１の一端が溶接されることにより、該金属フランジ１５１がチャネル本体２１０に固定される。このとき、金属フランジ１５１内には金属スペーサ１５４が固定されている（導通状態）。チャネル本体２１０の入力端面２１０ａおよびテーパー開口部２３０の内壁面（入力端面２１０ａからテーパー開口部２３０の内壁中央付近まで）には入力側導電層５１０が設けられており、テーパー開口部２３０の内壁上に位置する入力側導電層５１０の一部が入れ込み電極として機能する。

【0058】

金属キャップ１５２には、テーパー開口部２３０を露出させるための開口が設けられており、メッシュ電極１５３はばね材からなり、テーパー開口部２３０の出力口に向かって突出するよう湾曲させた状態で、金属キャップ１５２の開口端に溶接されている。ここで、メッシュ電極１５３の開口率は５０％～９５％であるのが好ましい。また、メッシュ電極１５３は、面積の異なる複数種類の開口を有してもよい。例えば、メッシュの中心付近での開口率を周辺領域の開口率よりも高くする構造のメッシュ電極１５３も適用可能である。さらに、このように湾曲したメッシュ電極１５３が取り付けられた金属キャップ１５２の一端が、金属フランジ１５１内に固定された金属スペーサ１５４に溶接される。このとき、金属キャップ１５２により入力端面２１０ａ上に設けられた入力側導電層５１０に押し当てられる。これによりメッシュ電極１５３は変形し、該メッシュ電極１５３の復元力によりメッシュ電極１５３と入力側導電層５１０とが密着する。

【0059】

なお、図７（ａ）の例では、メッシュ電極１５３は、入力側導電層５１０を介してチャネル本体２１０の入力端面２１０ａに直接配置されているが、メッシュ電極１５３は、チャネル本体２１０の入力端面２１０ａに直接配置されなくともよい。すなわち、図７（ｂ）の例は、メッシュ電極１５３が入力端面２１０ａから所定距離だけ離れた位置に設置される点で、図７（ａ）の例とは異なる。図７（ｂ）の例では、開口端にメッシュ電極１５３が設置された金属プレート１５６が、金属キャップ１５２の開口ではなく、金属フランジ１５１の他端に溶接される。金属フランジ１５１と金属キャップ１５２のいずれもＩＮ電極１５０の一部を構成する金属部材であるため、図７（ａ）の例と同様に、メッシュ電極１５３と入力側導電層５１０は、同電位に設定される。したがって、テーパー開口部２３０内の静電場はメッシュ電極１５３により外部電場の影響を受けにくくなっている。なお、図７（ｂ）に示されたＩＮ電極１５０の構造は、メッシュ電極１５３の配置位置を除いて、図７（ａ）に示されたＩＮ電極１５０の構造と同じである。

【0060】

図７（ｃ）の例では、図７（ａ）のメッシュ電極１５３に替え、イオンを通過させるための開口１５７ａを有するアパーチャー部材１５７が適用されている。このアパーチャー部材１５７は、金属キャップ１５２の開口を覆うように該金属キャップ１５２に溶接されており、アパーチャー部材１５７と入力側導電層５１０は、導電位に設定される。特に、テーパー開口部２３０に到達するイオンの軌道が制限されている場合（入力されるイオンビームのビーム径がテーパー開口部２３０の開口径よりも小さい場合）、メッシュ電極１５３よりもイオン透過率に優れているので、このようなアパーチャー部材１５７がＩＮ電極１５０の構造として適用されるのが好ましい。なお、図７（ｃ）に示されたＩＮ電極１５０の構造は、メッシュ電極１５３とアパーチャー部材１５７の違いを除いて、図７（ａ）に示されたＩＮ電極１５０の構造と同じである。

【0061】

図８（ａ）および図８（ｂ）は、図３に示されたイオン検出器に適用された種々の構造について、検出効率改善率および感度改善率の測定結果を示すグラフである。なお、本明細書において、「検出効率」は、出力電流／（入力イオン電流×ＣＥＭゲイン）×１００により定義される。また、「感度」は、実質的には当該イオン検出器により得られるゲインを意味する。

【0062】

図８（ａ）には、いずれも図３に示されたイオン検出器１００Ｂにおいて、テーパー開口部２３０内に入れ込み電極（入力側導電層５１０の一部）が設けられていない構造についての測定結果が示されている。図８（ａ）において、グラフＧ８１０Ａは、メッシュ電極１５３が除去された基準構造（上述の第１ＣＥＭ構造に相当）の測定結果であり、グラフＧ８１０Ｂは、メッシュ電極１５３がテーパー開口部２３０の開口端に設けられた構造（上述の第３ＣＥＭ構造に相当）の測定結果である。なお、図８（ａ）の縦軸は、グラフＧ８１０Ａで示された測定結果を基準とした倍率を示している。

【0063】

一方、図８（ｂ）には、いずれも図３に示されたイオン検出器１００Ｂにおいて、テーパー開口部２３０の開口端にメッシュ電極１５３が設けられた構造についての測定結果が示されている。図８（ｂ）において、グラフＧ８２０Ａは、メッシュ電極１５３のみが配置された基準構造（上述の第３ＣＥＭ構造に相当）の測定結果であり、グラフＧ８２０Ｂ～Ｇ８２０Ｄは、いずれも入力側導電層５１０に入れ込み電極が設けられた構造（上述の第２ＣＥＭ構造と第３ＣＥＭ構造を組み合わせた構造）についての測定結果である。特に、グラフＧ８２０Ｂは、入れ込み電極の入れ込み量がテーパー長の３／４に設定された構造の測定結果であり、グラフＧ８２０Ｃは、入れ込み電極の入れ込み量がテーパー長の１／４に設定された構造の測定結果であり、グラフＧ８２０Ｄは、入れ込み電極の入れ込み量がテーパー長の１／２に設定された構造の測定結果である。なお、図８（ｂ）の縦軸は、グラフＧ８２０Ａ（実質的に図８（ａ）のグラフＧ８１０Ｂに一致）で示された測定結果を基準とした倍率を示している。

【0064】

テーパー開口部２３０内に入れ込み電極が設けられていない構造の場合、図８（ａ）から分かるように、メッシュ電極１５３が適用された構造では、その検出効率が、メッシュ電極１５３のない構造に対して平均３．１倍改善している。また、メッシュ電極１５３が適用された構造の場合、図８（ｂ）に示されたように、入れ込み電極の入れ込み量をテーパー長の１／２に設定された構造では、その感度が、テーパー開口部２３０内に入れ込み電極が設けられていない構造に対して７．４倍改善している。以上の測定結果から、「入れ込み電極の導入」および「メッシュ電極（１以上の開口を有する電極）の採用」により、これら入れ込み電極およびメッシュ電極が採用されていない従来の構造と比較して、最大で２３倍程度の感度向上が可能になる。

【0065】

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】

【0066】

１００Ａ、１００Ｂ…イオン検出器、１１０…アパーチャー部材、１２０…ファラデーカップ、１５０…ＩＮ電極、１５３…メッシュ電極、１５７…アパーチャー部材、１６０…ＯＵＴ電極、２００…ＣＥＭ（チャネル型電子増倍体）、２１０…チャネル本体、２２０…チャネル、２３０…テーパー開口部、３００…外部電極、４００…アノード、５１０…入力側導電層、５２０…出力側導電層、６１０…第１抵抗層、６２０…第１電子放出層、７１０…第２抵抗層、７２０…第２電子放出層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】