特許 7477673 ＭＣＰ検出器及び分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-22

(45)【発行日】2024-05-01

(54)【発明の名称】ＭＣＰ検出器及び分析装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/02 20060101AFI20240423BHJP

   H01J 43/24 20060101ALI20240423BHJP

   H01J 49/00 20060101ALI20240423BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

H01J49/02 500

H01J43/24

H01J49/00 040

H01J37/244

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023026149

(22)【出願日】2023-02-22

【審査請求日】2024-04-01

【早期審査対象出願】

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(72)【発明者】

【氏名】林 雅宏

【審査官】右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２８９６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３９６０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４９

Ｈ０１Ｊ ４３

Ｈ０１Ｊ ３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子が入力される入力面と、前記荷電粒子の入力に応じて発生した電子を増倍する増倍部と、前記増倍部によって増倍された電子を出力する出力面とを有するマイクロチャネルプレートと、
前記出力面から分離して前記出力面に略平行に配置され、前記出力面から出力された電子を増倍する平面状の第１のダイノードと、
前記出力面と前記第１のダイノードとの間において、前記出力面及び前記第１のダイノードと分離して配置され、前記第１のダイノードによって増倍された電子を収集するアノードと、
前記アノードと前記第１のダイノードとの間において、前記アノード及び前記第１のダイノードと分離して配置され、前記第１のダイノードによって増倍された電子をさらに増倍して前記アノードに向けて通過させる第２のダイノードと、
を備える、
ＭＣＰ検出器。

【請求項2】

前記第２のダイノードの電位は前記出力面の電位よりも高く、かつ、前記アノードの電位は前記第２のダイノードの電位よりも高くされている、
請求項１に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項3】

前記第２のダイノードの電位は前記第１のダイノードの電位よりも高くされている、
請求項２に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項4】

前記アノードは、前記平面に沿った方向に延びる金属細線を含み、
前記第２のダイノードは、前記平面に沿った方向に延びる金属細線を含む、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項5】

前記第２のダイノードと前記第１のダイノードとの距離は、前記アノードと前記第２のダイノードとの距離より大きい、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項6】

前記アノードは、前記出力面と前記第１のダイノードとの中間の位置と、前記第１のダイノードとの中間の位置よりも、前記第１のダイノード寄りに配置されている、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項7】

前記第２のダイノードは、前記第２のダイノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、
前記支持部材は、前記第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、前記出力面から見て外側に設けられている、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項8】

前記アノードは、前記アノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、
前記支持部材は、前記第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、前記出力面から見て外側に設けられている、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器。

【請求項9】

請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＣＰ検出器を備える分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態の一側面は、ＭＣＰ検出器及び分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ：Microchannel Plate）を備えたＭＳ装置（Mass Spectrometry）等の分析装置では、当該マイクロチャネルプレートの出力リニアリティの向上が求められている。マイクロチャネルプレートの出力リニアリティの向上のためにマイクロチャネルプレートの低抵抗化を図ることが検討されていたが、低抵抗化による出力リニアリティの改善は既に限界に近付いている。

【0003】

従来から、マイクロチャネルプレートにアノード及びダイノードを組み合わせた三極菅構造が検討されている。三極菅構造を有する従来の荷電粒子検出器として、例えば下記特許文献１に記載の電子増倍装置が知られている。この電子増倍装置は、ＭＣＰと、ＭＣＰの出力面に平行に配置されたダイノードおよび格子状アノードとを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭５７－１９６４６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したような従来の電子増倍装置においては、ＭＣＰを搭載した検出器の検出性能がＭＣＰ固有の出力リニアリティの限界によって頭打ちとなってきている。そのため、ＭＣＰを搭載した検出器の検出性能の向上が望まれている。

【0006】

そこで、実施形態の一側面は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ＭＣＰを搭載した検出器の検出性能を向上させることが可能なＭＣＰ検出器及び分析装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の第一の側面に係るＭＣＰ検出器は、荷電粒子が入力される入力面と、荷電粒子の入力に応じて発生した電子を増倍する増倍部と、増倍部によって増倍された電子を出力する出力面とを有するマイクロチャネルプレートと、出力面から分離して出力面に略平行に配置され、出力面から出力された電子を増倍する平面状の第１のダイノードと、出力面と第１のダイノードとの間において、出力面及び第１のダイノードと分離して配置され、第１のダイノードによって増倍された電子を収集するアノードと、アノードと第１のダイノードとの間において、アノード及び第１のダイノードと分離して配置され、第１のダイノードによって増倍された電子をさらに増倍してアノードに向けて通過させる第２のダイノードと、を備える。

【0008】

あるいは、実施形態の第二の側面に係る分析装置は、上記のＭＣＰ検出器を備える。

【0009】

上記第一の側面あるいは上記第二の側面によれば、マイクロチャネルプレート（以下、「ＭＣＰ」ともいう。）の入力面に入力する荷電粒子に応じてＭＣＰの出力面から出力された電子のうちアノード及び第２のダイノードを通過した電子が、第１のダイノードによって増倍され、増倍された電子が第２のダイノードによって再び増倍されてアノードに向けて通過する。そして、第２のダイノードによって増倍された電子がアノードによって捕獲される。これにより、アノードの獲得電子を基にした出力信号において、ＭＣＰの出力電子を２つのダイノードによって繰り返し増倍した電子数を反映することができる。その結果、ＭＣＰ検出器全体の出力リニアリティを改善することができ、ＭＣＰ検出器あるいはそれを備える分析装置の検出性能を向上させることができる。

【0010】

上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、前記第２のダイノードの電位は前記出力面の電位よりも高く、かつ、前記アノードの電位は前記第２のダイノードの電位よりも高くされている、ことが好適である。このように設定されることにより、出力面から出力された電子を効率的に第２のダイノードに到達させることができ、第２のダイノードによって増倍された電子をアノードによって効率的に捕獲させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器あるいはそれを備える分析装置の検出性能を大幅に向上させることができる。

【0011】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、前記第２のダイノードの電位は前記第１のダイノードの電位よりも高くされている、ことも好適である。この場合、第１のダイノードによって増倍された電子を第２のダイノードに効率よく到達させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器あるいはそれを備える分析装置の検出性能をさらに向上させることができる。

【0012】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、アノードは、平面に沿った方向に延びる金属細線を含み、第２のダイノードは、平面に沿った方向に延びる金属細線を含む、ことも好適である。この場合、ＭＣＰの出力電子を第１のダイノードに向けて低損失で通過させることができ、第１のダイノード及び第２のダイノードによって増倍された電子をアノードにおいて低損失で獲得させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器あるいはそれを備える分析装置の検出性能をさらに大幅に向上させることができる。

【0013】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、第２のダイノードと第１のダイノードとの距離は、アノードと第２のダイノードとの距離より大きい、ことも好適である。この場合、第２のダイノードと第１のダイノードとの距離を確保することができ、第１のダイノードにおけるゲインを大きくために第２のダイノードと第１のダイノード間の電位差を高く設定した場合であっても耐電圧を高くすることができる。

【0014】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、アノードは、出力面と第１のダイノードとの中間の位置と、第１のダイノードとの中間の位置よりも、第１のダイノード寄りに配置されている、ことも好適である。こうすれば、ＭＣＰの出力面から出力された電子の第１のダイノードへの入射効率が改善され、ＭＣＰ検出器の検出性能をさらに向上させることができる。

【0015】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、第２のダイノードは、第２のダイノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、支持部材は、第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、出力面から見て外側に設けられている、ことも好適である。かかる構成を採れば、第１のダイノードによって増倍された電子の収集効率を向上させ、ＭＣＰ検出器の検出性能をさらに向上させることができる。

【0016】

また、上記第一の側面あるいは上記第二の側面においては、アノードは、アノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、支持部材は、第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、出力面から見て外側に設けられている、ことも好適である。かかる構成を採れば、第１のダイノードによって増倍された電子の収集効率を向上させ、ＭＣＰ検出器の検出性能をさらに向上させることができる。

【0017】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［１］「荷電粒子が入力される入力面と、前記荷電粒子の入力に応じて発生した電子を増倍する増倍部と、前記増倍部によって増倍された電子を出力する出力面とを有するマイクロチャネルプレートと、前記出力面から分離して前記出力面に略平行に配置され、前記出力面から出力された電子を増倍する平面状の第１のダイノードと、前記出力面と前記第１のダイノードとの間において、前記出力面及び前記第１のダイノードと分離して配置され、前記第１のダイノードによって増倍された電子を収集するアノードと、前記アノードと前記第１のダイノードとの間において、前記アノード及び前記第１のダイノードと分離して配置され、前記第１のダイノードによって増倍された電子をさらに増倍して前記アノードに向けて通過させる第２のダイノードと、を備える、ＭＣＰ検出器」である。

【0018】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［２］「前記第２のダイノードの電位は前記出力面の電位よりも高く、かつ、前記アノードの電位は前記第２のダイノードの電位よりも高くされている、上記［１］に記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0019】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［３］「前記第２のダイノードの電位は前記第１のダイノードの電位よりも高くされている、上記［２］に記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0020】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［４］「前記アノードは、前記平面に沿った方向に延びる金属細線を含み、前記第２のダイノードは、前記平面に沿った方向に延びる金属細線を含む、上記［１］～［３］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0021】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［５］「前記第２のダイノードと前記第１のダイノードとの距離は、前記アノードと前記第２のダイノードとの距離より大きい、上記［１］～［４］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0022】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［６］「前記アノードは、前記出力面と前記第１のダイノードとの中間の位置と、前記第１のダイノードとの中間の位置よりも、前記第１のダイノード寄りに配置されている、上記［１］～［５］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0023】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［７］「前記第２のダイノードは、前記第２のダイノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、前記支持部材は、前記第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、前記出力面から見て外側に設けられている、上記［１］～［６］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0024】

実施形態のＭＣＰ検出器は、［８］「前記アノードは、前記アノードを支持する絶縁性の支持部材をさらに有し、前記支持部材は、前記第１のダイノードの面上の二次電子放出膜が設けられた領域よりも、前記出力面から見て外側に設けられている、上記［１］～［７］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器」であってもよい。

【0025】

実施形態の分析装置は、［９］「上記［１］～［８］のいずれかに記載のＭＣＰ検出器を備える分析装置」であってもよい。

【発明の効果】

【0026】

本開示のいずれかの側面によれば、ＭＣＰを搭載した検出器の検出性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、実施形態に係るＭＣＰ検出器１の構成を示す断面図である。

【図2】図２は、アノード８の具体的な構成を示す平面図である。

【図3】図３は、アノード８及びダイノード７の支持構造を示す断面図である。

【図4】図４は、制御部９によって電位が設定されたＭＣＰ３の増倍部１１Ａ，１１Ｂの１つのチャネルにおける二次電子の増倍状態を示す断面図である。

【図5】図５は、制御部９の信号処理部９ａの構成を示すブロック図である。

【図6】図６は、ＭＣＰ検出器１においてダイノード７の電位を変化させた際の各電極におけるゲインの測定結果を示すグラフである。

【図7】図７は、ＭＣＰ検出器１におけるゲインの測定結果を示すグラフである。

【図8】図８は、ＭＣＰ検出器１におけるゲインの測定結果を示すグラフである。

【図9】図９は、アノード８の変形例の構成を示す平面図である。

【図10】図１０は、アノード８から出力されたパルス信号を基にした信号処理部９ａによる入力位置の演算方法を説明するための図である。

【図11】図１１は、信号処理部９ａによって生成された画像の表示例を示す図である。

【図12】図１２は、信号処理部９ａによって生成された画像の表示例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0029】

図１は、実施形態に係るＭＣＰ検出器１の構成を示す断面図である。図１中において、回路部はブロックで図示されている。ＭＣＰ検出器１は、入力される荷電粒子を検出する装置である。検出対象の荷電粒子には、電子或いはイオンなどが含まれうる。本実施形態では、ＭＣＰ検出器１の検出対象として電子を例示する。

【0030】

図１に示すように、ＭＣＰ検出器１は、ＭＣＰ３と、ダイノード（第１のダイノード）５と、ダイノード（第２のダイノード）７と、アノード８と、制御部９とを備える。これらのＭＣＰ３、ダイノード５、ダイノード７、及びアノード８は、それぞれ、全体として略平面状をなしており、互いに略平行になるように配置される。以下、ＭＣＰ検出器１の各構成要素の構成について説明する。

【0031】

ＭＣＰ３は、電子が入力される入力面３ａと、入力面３ａに対する電子の二次元的な位置を維持しながら電子の入力に応じて発生する二次電子の増倍（二次電子増倍）を行う一対の増倍部１１Ａ，１１Ｂと、増倍部１１Ａ，１１Ｂによって増倍された電子を出力する出力面３ｂとを備えて構成されている。増倍部１１Ａ，１１Ｂのそれぞれは、互いに独立した複数のマイクロチャネル構造を有する二次電子増倍部である。増倍部１１Ａ，１１Ｂでは、複数のマイクロチャネル構造が二次元配列されている。

【0032】

増倍部１１Ａ，１１Ｂの各チャネルは、１０μｍ程度の内径を有し、入力面３ａの法線方向（電子の入力方向）に対して１０°程度傾斜している。増倍部１１Ａと増倍部１１Ｂとでは、各チャネルの傾斜方向が反転している。増倍部１１Ａ，１１Ｂでは、入力面３ａ側に対して出力面３ｂ側が高電位に設定されている。入力面３ａへの電子の到達に応じて発生した二次電子は、増倍部１１Ａ，１１Ｂで増倍され、当該増倍された二次電子が出力面３ｂから出力される。

【0033】

ダイノード５は、ＭＣＰ３から出力された電子を増倍する電極である。ダイノード５は、ＭＣＰ３の出力面３ｂから分離して出力面３ｂに略平行に配置された略平板状の電極である。すなわち、ダイノード５は、平板状のステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料からなる支持部材５ａと支持部材５ａのＭＣＰ３寄りの面上に形成された二次電子放出膜５ｂとを有している。二次電子放出膜５ｂは、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＢｅＯ、ＬｉＦ、ＭｇＦ２、ＭｇＯ、ＣｓＢｒ、ＮａＣｌ、あるいは結晶ダイヤモンド等の二次電子放出材料を含んで構成される。また、支持部材５ａは、絶縁体材料からなる平板状部材上に導体層を積層したものであってもよく、その場合、二次電子放出膜５ｂは支持部材５ａの導体層上に形成される。

【0034】

アノード８は、ＭＣＰ３の出力面３ｂと、ダイノード５との間において、ＭＣＰ３及びダイノード５と分離して配置され、ダイノード５の二次電子放出膜５ｂによって増倍されて出力面３ｂに向けて放出された電子を収集（捕獲）する電極である。アノード８は、出力面３ｂとダイノード５との間の中心位置よりもダイノード５寄りに配置される。アノード８は、出力面３ｂに略平行な平面に沿った第１の方向Ｘに延びるワイヤアノード８ａを含んで構成される。

【0035】

ワイヤアノード８ａは、銅、ニッケル、クロム、ＳＵＳ等の金属細線（金属ワイヤ）１３に酸化防止用のコーティング（金メッキ）１５が施されたものである。例えば、ワイヤアノード８ａの線幅は５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲である。ワイヤアノード８ａは、第１の方向Ｘに垂直な第２の方向Ｙにおける所定の間隔（例えば、２００μｍ以上１ｍｍ以下の間隔）を空けた複数の位置でＸ方向に延びており、全体が電気的に接続されている。

【0036】

図２は、ワイヤアノード８ａの具体的な構成を示す平面図である。ワイヤアノード８ａは、図２の（ａ）部に示すように、枠状の絶縁性の支持部材（図示せず）の対向する１対の辺の間を橋渡しするようにジグザグパターンで金属細線を配置した構成を取りうる。また、ワイヤアノード８ａは、図２の（ｂ）部に示すように、枠状の絶縁性の支持部材（図示せず）の対向する１辺に互いに重ならないように金属細線を巻き付けた構成であってもよい。なお、ワイヤアノード８ａは、図２の（ａ）部あるいは（ｂ）部に示した構成を２層有し、２層の金属細線が互いに電気的に絶縁された状態で直交する第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに延びるように形成されたものであってもよい。

【0037】

また、ワイヤアノード８ａは、図２の（ｃ）部に示すように、平板状の絶縁性の支持部材（図示せず）上に、一定周期で複数回折り返され、三角形の接続パッドによって電気的に接続された金属細線が、２本並列に配置された構成であってもよい。

【0038】

また、ワイヤアノード８ａは、図２の（ｄ）部に示すように、複数の直線状の金属細線が所定の間隔で配置され、それらの複数の金属細線がジグザグの金属パターンで相互に電気的に接続された層が２層で形成された構成であってもよい。この場合も、２層の金属細線は、絶縁部材（図示せず）を挟んで互いに電気的に絶縁されて直交する第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに延びるように形成される。

【0039】

上記構成のワイヤアノード８ａは、その両端が制御部９に電気的に接続される。ワイヤアノード８ａは、２層で形成された構成を有する場合、それぞれの層の金属細線の両端が電気的に独立に制御部９に接続される。

【0040】

ダイノード７は、ダイノード５とアノード８との間においてダイノード５及びアノード８から出力面３ｂに対して垂直な方向に分離して配置され、ダイノード５によって増倍されてアノード８に向かう電子をさらに増倍してアノード８に向けて通過させる電極である。ダイノード７は、出力面３ｂに略平行な平面に沿った第２の方向Ｙに延びる金属細線２３と、金属細線２３全体を覆うように形成された二次電子放出膜２５とを含んで構成される。金属細線２３は、ダイノード５の支持部材５ａと同様に、金属材料によって構成される。二次電子放出膜２５は、アノード８の金属細線１３と同様に、二次電子放出材料を含んで構成される。ダイノード７を構成する金属細線２３は、第１の方向Ｘにおける所定の間隔（例えば、２００μｍ以上１ｍｍ以下の間隔）を空けた複数の位置でＹ方向に延びており、全体が電気的に接続されている。ダイノード７は、例えば、図２の（ａ）部及び（ｂ）部に示したような構成を採りうる。

【0041】

ここで、ダイノード７とダイノード５との距離Ｄ２は、ダイノード７とアノード８との距離Ｄ１よりも大きく設定されている。また、アノード８は、出力面３ｂとダイノード５の二次電子放出膜５ｂとの間の中間の位置と、ダイノード５の二次電子放出膜５ｂとの間の中間の位置に相当する仮想面５０よりも、全体として、ダイノード５寄りに配置されている。

【0042】

図３を参照して、アノード８及びダイノード７の支持構造について説明する。図３は、アノード８及びダイノード７の支持構造を示す断面図である。ダイノード７は、ダイノード７を支持する絶縁性材料からなる支持部材５３を有し、アノード８は、アノード８を支持する絶縁性材料からなる支持部材５５を有する。これらの支持部材５３，５５は、出力面３ｂからダイノード５を見たときに、ダイノード５のＭＣＰ３寄りの面上の二次電子放出膜５ｂが設けられた領域よりも外側に位置するように設けられている。なお、支持部材５３と支持部材５５とは、共通化された部材とされてもよい。

【0043】

制御部９は、ＭＣＰ３の入力面３ａ及び出力面３ｂと、ダイノード５と、ダイノード７と、アノード８と電気的に接続され、各々の電位を設定するとともに、アノード８から出力されたパルス信号を処理する回路である。制御部９は、アノード８から出力されたパルス信号を処理して、ＭＣＰ３の入力面３ａに入力される電子に関する検出処理を行う信号処理部９ａが内蔵されている。

【0044】

すなわち、制御部９は、出力面３ｂの電位が入力面３ａの電位よりも高く、ダイノード５及びダイノード７の電位が出力面３ｂの電位よりも高く、アノード８の電位がダイノード７の電位よりも高くなるように、かつ、ダイノード７の電位がダイノード５の電位よりも高くなるように、入力面３ａ、出力面３ｂ、ダイノード５、ダイノード７、及びアノード８に電圧を印加する。言い換えれば、制御部９は、入力面３ａ、出力面３ｂ、ダイノード５、ダイノード７、及びアノード８の順で電位が高くなるようにそれぞれの電位を設定する。例えば、制御部９は、入力面３ａの電位を０Ｖとして、出力面３ｂの電位を＋１，９２０Ｖ、ダイノード５の電位を＋２，１１２Ｖ、アノード８の電位を＋２，４００Ｖ、ダイノード７の電位を＋２，１１２Ｖより高く＋２，４００Ｖ未満の電位に設定する。

【0045】

図４は、制御部９によって電位が設定されたＭＣＰ３の増倍部１１Ａ，１１Ｂの１つのチャネルにおける二次電子の増倍状態を示す断面図である。増倍部１１Ａ，１１Ｂの入力面３ａ側のチャネル１７の端部には電極１９が設けられ、増倍部１１Ａ，１１Ｂの出力面３ｂ側のチャネル１７の端部には電極２１が設けられ、増倍部１１Ａの各チャネル１７の電極２１と増倍部１１Ｂの各チャネル１７の電極１９とが電気的に接続される。制御部９は、増倍部１１Ａの電極１９と増倍部１１Ｂの電極２１との間に電極１９の電位が低くなるような電圧を供給する。その結果、それぞれの増倍部１１Ａ，１１Ｂのチャネル１７の両端部間に電圧Ｖ_Ｄが印加され、チャネル１７の内壁部には出力面３ｂ側の端部から入力面３ａ側の端部に向けてストリップ電流Ｉ_Ｓが発生する。このような状態でチャネル１７の入力面３ａ側の端部から電子ｅ１が入力されると、電子ｅ１がチャネル１７の内壁部に衝突することにより電子が増倍され、チャネル１７の内壁部で電子の増倍を繰り返すことにより発生した二次電子ｅ２がチャネル１７の出力面３ｂ側の端部から出力される。増倍部１１Ａ，１１Ｂの出力電子はストリップ電流Ｉ_Ｓの一部を取り出すことにより発生しており、そのため、ＭＣＰ３の出力リニアリティはストリップ電流Ｉ_Ｓの値の７％程度となる。このことから、ＭＣＰ３自体の出力リニアリティの向上にはチャネル１７の内壁部の抵抗値を低くする必要がある。なお、出力リニアリティとは、入力電子数と出力電子数とを線形の関係を保ちながら出力できる時間当たりの出力電子数の上限を意味する。

【0046】

制御部９の信号処理部９ａは、アノード８の金属細線１３の端部から、アノード８で収集した電子に応じて出力されたパルス信号を処理して、ＭＣＰ３の入力面３ａへ入力する電子数の検出処理を実行する。具体的には、信号処理部９ａは、所定時間内に出力されたパルス信号を処理して、パルスハイトディストリビューション（ＰＨＤ：Pulse Hight Distribution）特性を取得することで入力電子数をカウントする。

【0047】

図５は、信号処理部９ａの構成を示すブロック図である。信号処理部９ａは、プリアンプ３１、リニアアンプ３３，Ａ／Ｄ変換器３５、及びメモリ３７を含んでいる。プリアンプ３１は、ＭＣＰ３に入力された電子ｅ１に応じてアノード８から出力された電荷信号であるパルス信号を基に、電圧信号を生成して出力するチャージアンプである。リニアアンプ３３は、プリアンプ３１から出力された電圧信号の波形をパルス状の信号に整形する。Ａ／Ｄ変換器３５は、リニアアンプによって整形された電圧信号の波高値を検出し、所定時間内で検出した波高値の頻度を波高値ごとに積算する。メモリ３７は、Ａ／Ｄ変換器３５によって積算された波高値ごとの頻度を記憶する。メモリ３７に記憶された波高値ごとの頻度の分布は、外部のディスプレイ装置３９等に出力される。信号処理部９ａによって生成されるＰＨＤ特性のピークはＭＣＰ検出器１の平均ゲイン（ピークチャンネル数）を意味し、ＭＣＰ３への印加電圧が大きくなると平均ゲインは大きくなる。信号処理部９ａは、ダイノード５及びダイノード７のそれぞれにも電気的に接続され、ダイノード５及びダイノード７のそれぞれにおけるＰＨＤ特性を生成することもできる。これにより、ダイノード５あるいはダイノード７における平均ゲインも出力電子数として解析することができる。

【0048】

次に、実施形態に係る分析装置について説明する。実施形態に係る分析装置は、上述したＭＣＰ検出器１を備える。例えば、分析装置は、質量分析装置（ＭＳ：Mass Spectrometry）、あるいは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）等である。また、分析装置は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ：Photoemission Electron Microscopy）、アトムプローブトモグラフィー（ＡＰＴ：Atom Probe Tomography）、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectroscopy）等であってもよい。

【0049】

本実施形態の作用効果について説明する。

【0050】

本実施形態に係るＭＣＰ検出器１及びそれを含む分析装置においては、入力面３ａに入力する電子ｅ１に応じて出力面３ｂから出力された電子ｅ２のうちアノード８及びダイノード７を通過した電子が、ダイノード５によって増倍され、増倍された電子ｅ３がダイノード７によって再び増倍されてアノード８に向けて通過する。そして、ダイノード７によって増倍された電子ｅ４がアノード８によって捕獲される。これにより、アノード８の獲得電子を基にしたパルス信号において、ＭＣＰ３の出力電子を２つのダイノード５，７によって繰り返し増倍した電子数を反映することができる。その結果、ＭＣＰ検出器全体の出力リニアリティを改善することができ、ＭＣＰ検出器１あるいはそれを備える分析装置の検出性能を向上させることができる。

【0051】

ＸＰＳ装置のようなＭＣＰ検出器を搭載した従来の分析装置の検出性能は、ＭＣＰ固有の出力リニアリティによって頭打ちとなっている。近年、ＸＰＳ装置においては、Ｘ線プローブの高輝度化、帯電対策等が行われることにより、スループットの向上が図られてきている。そのため、ＭＣＰ検出器のカウンティングレートが高くできれば分析装置全体でのスループットの向上が可能となる。ＭＣＰ検出器の出力リニアリティは、ＭＣＰゲインとカウンティングレートの積で表現され、ＭＣＰゲインとカウンティングレートとはトレードオフの関係にある。また、ＭＰＣ検出器に内蔵されるＭＣＰ固有の出力リニアリティはＭＣＰのチャネルの低抵抗化によって向上するが、現状ではＭＣＰの発熱時の性能維持の観点から低抵抗化には限界がある。本実施形態によれば、ＭＣＰ検出器における出力リニアリティが改善されているので、ＭＣＰゲインを維持したままカウンティングレートを改善することができる。

【0052】

本実施形態においては、ダイノード７の電位は出力面３ｂの電位よりも高く、かつ、アノード８の電位はダイノード７の電位よりも高くされている。このように設定されることにより、出力面３ｂから出力された電子ｅ２を効率的にダイノード７に到達させることができ、ダイノード７によって増倍された電子ｅ３をアノード８によって効率的に捕獲させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器１の出力リニアリティを改善することができ、ＭＣＰ検出器１あるいはそれを備える分析装置の検出性能を大幅に向上させることができる。

【0053】

また、本実施形態においては、ダイノード７の電位はダイノード５の電位よりも高くされている。この場合、ダイノード５によって増倍された電子ｅ３をダイノード７に効率よく到達させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器１あるいはそれを備える分析装置の検出性能をさらに向上させることができる。

【0054】

また、本実施形態においては、アノード８は、平面に沿った第１の方向Ｘに延びる金属細線１３を含み、ダイノード７は、平面に沿った第２の方向Ｙに延びる金属細線２３を含んでいる。この場合、ＭＣＰ３の出力電子ｅ２をダイノード５に向けて低損失で通過させることができ、ダイノード５及びダイノード７によって増倍された電子ｅ３，ｅ４をアノード８において低損失で獲得させることができる。その結果、ＭＣＰ検出器１あるいはそれを備える分析装置の検出性能をさらに大幅に向上させることができる。

【0055】

また、本実施形態においては、ダイノード７とダイノード５との距離Ｄ２は、アノード８とダイノード７との距離Ｄ１より大きくされている。アノード８とダイノード７との間の電位差をＶ１、ダイノード７とダイノード５との電位差をＶ２とすると、Ｖ１は数十Ｖで、Ｖ２は１００～５００Ｖに設定する必要があり、Ｖ１＜Ｖ２となる。それは、全体のゲインを大きくするためには出力面３ｂとダイノード５との電位差Ｖａを大きくする必要があることと、ダイノード５のゲインを大きくするためにはＶ２≒Ｖａとする必要があるためである。この場合、ダイノード７とダイノード５との距離を確保することができ、ダイノード５におけるゲインを大きくためにダイノード７とダイノード５間の電位差を高く設定した場合であっても耐電圧を高くすることができる。

【0056】

また、本実施形態においては、アノード８は、仮想面５０よりも、ダイノード５寄りに配置されている。こうすれば、ＭＣＰ３の出力面３ｂから出力された電子のダイノード５への入射効率（透過率）が改善され、ＭＣＰ検出器１の検出性能をさらに向上させることができる。

【0057】

また、本実施形態においては、ダイノード７は、ダイノード７を支持する絶縁性の支持部材５３をさらに有し、支持部材５３は、ダイノード５の面上の二次電子放出膜５ｂが設けられた領域よりも、出力面３ｂから見て外側に設けられている。かかる構成を採れば、ダイノード５によって増倍されて拡散される電子ｅ３のダイノード７における収集効率を向上させ、ＭＣＰ検出器１の検出性能をさらに向上させることができる。

【0058】

また、本実施形態においては、アノード８は、アノード８を支持する絶縁性の支持部材５５をさらに有し、支持部材５５は、ダイノード５の面上の二次電子放出膜５ｂが設けられた領域よりも、出力面３ｂから見て外側に設けられている。かかる構成を採れば、ダイノード５によって増倍されて拡散されてダイノード７を経由した電子ｅ４のアノード８における収集効率を向上させ、ＭＣＰ検出器１の検出性能をさらに向上させることができる。

【0059】

図６は、ＭＣＰ検出器１においてダイノード７の電位のみを変化させ、その他の電極の電位を固定した際の各電極におけるゲイン（パルス信号内に含まれる電子の数）の測定結果を示すグラフである。ここで、縦軸は各電極において得られたゲインの絶対値、横軸はダイノード７の電位を表している。各ゲインの数値において、電極から電子が放出される場合は正の値と定義され、電極に電子が吸収される場合は負の値と定義されている。また、この測定系においてＭＣＰ３から出力された電子に対するダイノード５の二次電子増倍率は２倍程度であった。つまり、ダイノード５は吸収した２倍の電子を放出するが、吸収と放出した電子の差がゲインとして測定されるため、測定結果は実際のゲインに対して１／２となっている。この測定結果から、ダイノード７の電位をアノード８に等しい電位＋２，４００Ｖから低下させた場合、ダイノード５のゲインは変化しない一方で、アノード８のゲインが増大する。ここで、ダイノード７が電子を増倍する機能を有しないと仮定した場合、ダイノード５から出力された電子は、ダイノード７及びアノード８に吸収される。ダイノード５からダイノード７及びアノード８に向けて出力される電子の総和、すなわち、ダイノード７によって吸収される電子の数とアノード８によって吸収される電子の数との和は、測定原理上、常にダイノード５のゲインの２倍（破線）に等しくなると想定され、ダイノード７の電位に関わらずほぼ一定となるはずである。ところが、ダイノード７のゲインは、ダイノード７の電位が＋２，３５０Ｖ以上の場合には電子を吸収していることを意味する負の値になっている一方で、ダイノード７の電位が＋２，３５０Ｖより低い＋２，１００Ｖ～＋２３００Ｖの範囲においては電子を放出していることを意味する正の値になるとともに、アノード８のゲインは測定原理上の出力である破線よりも大きくなっている。したがって、ダイノード５から出力される電子の総和（ダイノード５のゲインの２倍）よりもさらに多くの電子がアノード８に吸収されていることが分かり、その増分はダイノード７の正のゲインの数値に概ね対応している。一方で、ダイノード７の電位がダイノード５の電位＋２，１１２Ｖより低い値となると、電子放出能が低下することも明らかとされた。このことから、ダイノード７の電位が＋２，１１２Ｖ～＋２，３００Ｖの範囲においてダイノード７が電子を増倍しており、これに応じてアノード８のゲインも向上していることが分かる。

【0060】

図７は、ＭＣＰ検出器１におけるＰＨＤ特性の測定結果を示すグラフである。図７に示すグラフの横軸はゲイン、縦軸は検出カウント数を示している。ゲインは1カウントのパルス信号内に含まれる電子の数のことであり、測定結果において波高分布のピーク位置と定義する。グラフＧ１、Ｇ２は、本実施形態においてダイノード７の電位をアノード８と同電位＋２，４００Ｖに設定し、かつダイノード５の電位を＋２，１１２Ｖに設定した際のダイノード７、アノード８の出力測定結果を示している。また、図８のグラフＧ３、グラフＧ４は、本実施形態においてダイノード７の電位をアノード８の電位＋２，４００Ｖよりも低い＋２，３０４Ｖに設定し、かつダイノード５の電位を＋２，１１２Ｖに設定した際のダイノード７、アノード８の出力測定結果を示している。これらの測定結果により、アノード８のゲインがダイノード７の電位をアノード８の電位よりも低く設定することによりさらにゲインが改善されていることが分かる。

【0061】

以上、本発明の種々の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く、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

【0062】

図９は、アノードの変形例の構成を示す平面図である。図９に示すアノード１０７は、第１の方向Ｘに沿って所定の間隔で互いに平行に延びる複数の絶縁体１０９上に形成された金属パターンである線状アノード１０７ａと、第２の方向Ｙに沿って所定の間隔で互いに平行に延びる複数の金属パターンである線状アノード１０７ｂとを含んで構成される。複数の線状アノード１０７ａと複数の線状アノード１０７ｂとは絶縁体１０９を挟んで互いに絶縁されている。ただし、複数の線状アノード１０７ａと複数の線状アノード１０７ｂとは空間を隔てることにより互いに絶縁されてもよい。また、複数の線状アノード１０７ａ及び複数の線状アノード１０７ｂは、それぞれが電気的に独立して制御部９に接続される。本変形例においては、制御部９の信号処理部９ａは、複数の線状アノード１０７ａ及び複数の線状アノード１０７ｂ毎にパルス信号を検出し、それぞれのパルス信号を基に、複数の線状アノード１０７ａのライン及び複数の線状アノード１０７ｂのライン毎の電荷量の分布を計測することでＭＣＰへの電子の入力位置を算出する。

【0063】

また、ＭＣＰ検出器１の信号処理部９ａは、アノード８が、図２の（ａ）部あるいは（ｂ）部に示したようなワイヤアノード８ａの構成を２層で有する場合、図２の（ｄ）部に示すような構成を有する場合、次のようにして、二次元ヒストグラムを生成する機能を有していてもよい。

【0064】

図１０は、２層のワイヤアノード８ａから出力されたパルス信号を基にした信号処理部９ａによる入力位置の演算方法を説明するための図である。ＭＣＰ３からの出力電子雲Ｃｅが２層のワイヤアノード８ａによって捕獲されると、一方のワイヤアノード８ａにおける捕獲量に応じたパルス信号Ｐ_ｘ１が、出力電子雲Ｃｅの位置からワイヤアノード８ａの一端Ｘ１に伝搬すると同時に、その捕獲量に応じたパルス信号Ｐ_ｘ２が出力電子雲Ｃｅの位置からワイヤアノード８ａの他端Ｘ２に伝搬する。それと同時に、他方のワイヤアノード８ａにおける捕獲量に応じたパルス信号Ｐ_ｙ１が、出力電子雲Ｃｅの位置からワイヤアノード８ａの一端Ｙ１に伝搬すると同時に、その捕獲量に応じたパルス信号Ｐ_ｙ２が出力電子雲Ｃｅの位置からワイヤアノード８ａの他端Ｙ２に伝搬する。

【0065】

信号処理部９ａは、所定のカウンティングレートで、上記のパルス信号Ｐ_ｘ１，Ｐ_ｘ２，Ｐ_ｙ１，Ｐ_ｙ２を検出し、それらのパルス信号の検出タイミングｔ_ｘ１，ｔ_ｘ２，ｔ_ｙ１，ｔ_ｙ２を基に、下記式（１），（２）を用いて伝搬時間差を利用して出力電子雲Ｃｅの入力位置を示す二次元座標（ｘ、ｙ）を算出する。ここで、Ｃ_ｘ，Ｃ_ｙは既定の定数である。
ｘ＝Ｃ_ｘ・（ｔ_ｘ１－ｔ_ｘ２） …（１）
ｙ＝Ｃ_ｙ・（ｔ_ｙ１－ｔ_ｙ２） …（２）
信号処理部９ａにおける二次元座標の算出のカウンティングレートは、１つの出力電子雲Ｃｅの検出中に次の出力電子雲が捕獲されないような値が、ＭＣＰ３の特性に応じて予め設定される。

【0066】

また、信号処理部９ａは、所定時間において上述した方法によって算出した二次元座標をカウントすることにより二次元ヒストグラムを算出し、算出した二次元ヒストグラムを表した画像を生成する。この画像により、所定時間内にＭＣＰ３に入力された電子の二次元的な位置分布が把握可能となる。

【0067】

図１１および図１２は、信号処理部９ａによって生成された画像の表示例を示す図である。図１１は、二次元ヒストグラムをビンサイズ２５０ｐｓ（ピコ秒）で生成した場合の画像表示例であり、図１２は、次元ヒストグラムをビンサイズ５０ｐｓで生成した場合の画像表示例である。このように、ビンサイズを大きくしたほうがカウント数は大きくなり、ビンサイズを小さくしたほうが画像の解像度は高くなる。

【0068】

上述した変形例にかかるＭＣＰ検出器１によれば、ＭＣＰゲインを維持したままカウンティングレートを改善することができ、ＭＣＰゲインを維持することによって、入力電子雲が跨るワイヤアノードの本数を保つことができる。その結果、ＭＣＰ検出器１で生成される電子の二次元座標を表す画像における解像度（位置精度、空間分解能）を維持することができる。

【0069】

本実施形態では、ＭＣＰ検出器１の検出対象の荷電粒子が電子である場合を例示したが、ＭＣＰ検出器１をイオン検出器として用いる場合、検出器に入力される荷電粒子はイオンである。入力されたイオンは、ＭＣＰの入力面近傍において二次電子に変換され、結果としてＭＣＰの出力面から出力されるのは電子である。

【符号の説明】

【0070】

１…ＭＣＰ検出器、３…ＭＣＰ、３ａ…入力面、３ｂ…出力面、５…ダイノード（第１のダイノード）、７…ダイノード（第２のダイノード）、８，１０７…アノード、８ａ，１０７ａ，１０７ｂ…ワイヤアノード、線状アノード（金属細線）、２３…金属細線（金属ワイヤ）、９…制御部、９ａ…信号処理部、１１Ａ，１１Ｂ…増倍部、１３…金属細線（金属ワイヤ）、ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４…電子、Ｘ…第１の方向、Ｙ…第２の方向。

【要約】

【課題】ＭＣＰを搭載した検出器の検出性能を向上させる。
【解決手段】ＭＣＰ検出器１は、電子ｅ１が入力される入力面３ａと、電子ｅ１の入力に応じて発生した電子を増倍する増倍部１１Ａ，１１Ｂと、増倍部１１Ａ，１１Ｂによって増倍された電子ｅ２を出力する出力面３ｂとを有するＭＣＰ３と、出力面３ｂから分離して出力面３ｂに略平行に配置され、出力面３ｂから出力された電子ｅ２を増倍する平面状のダイノード５と、出力面３ｂとダイノード５との間において、出力面３ｂ及びダイノード５と分離して配置され、ダイノード５によって増倍された電子ｅ３を収集するアノード８と、アノード８とダイノード５との間において、アノード８及びダイノード５と分離して配置され、ダイノード５によって増倍された電子ｅ３をさらに増倍してアノード８に向けて通過させるダイノード７と、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】