不要イオンを抑制した微量ガス漏れ検出用質量分析計
【課題】微量ガス漏れ検出のための質量分析計と方法との改善が必要である。
【解決手段】微量ガス漏れ検出用質量分析計と、質量分析計を動作させる方法とが提供されている。前記質量分析計は、ヘリウムのような微量ガスをイオン化するイオン源と、イオンを偏向させる磁石と、偏向イオンを検出する検出器とを含む。イオン源はフィラメントのような電子源を含む。この方法は、電離室に対して、微量ガスをイオン化するのには十分であるが三価炭素のような不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位で電子源を動作させる工程を含む。
【解決手段】微量ガス漏れ検出用質量分析計と、質量分析計を動作させる方法とが提供されている。前記質量分析計は、ヘリウムのような微量ガスをイオン化するイオン源と、イオンを偏向させる磁石と、偏向イオンを検出する検出器とを含む。イオン源はフィラメントのような電子源を含む。この方法は、電離室に対して、微量ガスをイオン化するのには十分であるが三価炭素のような不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位で電子源を動作させる工程を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漏れ検出の場合に使用される質量分析計に関し、更に詳しくは、測定を妨害するおそれのある不要イオンの形成を抑制することにより感度を向上させた質量分析計（スペクトロメータ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、本開示の譲受人に対して譲渡されかつ２００６年２月１５日に本出願と同時に出願されている、「微量ガス漏れ検出用の高感度スリットなしイオン源質量分析計」という名称の同時係属中の米国特許出願に関連している。
ヘリウム質量分光漏れ検出は、周知の漏れ検出技術である。ヘリウムは、密封試験片に於ける最小漏れ部を通過するトレーサガスとして使用される。次に、ヘリウムは漏れ検出装置内部へ引き込まれて測定される。ヘリウム量は漏れ速度に対応している。検出装置の重要構成部材は、ヘリウムを検出かつ測定する質量分析計である。入力ガスは、ヘリウム成分を分離するために分析計によりイオン化されるとともに質量分析されて、そして測定される。１つの方法として、試験片内部を漏れ検出器のテスト開口部に接合する方法がある。ヘリウムは試験片の外部に吹き付けられ、漏れ部を介して内部へ引き込まれ、漏れ検出器により測定される。
【０００３】
環境規制や、製品収量の改善と新分野への技術拡大とへの要望や、その他種々の理由により、産業界はきわめて低い漏れ速度を要求することが多い。極めて低い漏れ速度の場合のヘリウム質量分析計に於けるイオン電流は、フェムトアンペアレベルである。従来の漏れ検出分析計の場合、このような過度に小さな信号を十分な安定性で検出して漏れ検出器に於いて明白な漏れ速度信号を提供することは困難である。したがって、信号対雑音比と長期にわたる信号安定性とは、高精度な漏れ検出の場合極めて重要である。
【０００４】
質量分析計は質量対電荷比により気体種を分離し、これにより、気体を検出器で分析することができる。まちがいなく、漏れ検出業界で最も一般的に使用されるトレーサガスはヘリウムであり、これは、質量スケールでは質量４に現れる（電荷１で質量４のヘリウム）。長い間、バッククラウンド変動の未知原因により、小さなヘリウム漏れ検出信号の精密な測定が妨げられてきた。
【０００５】
したがって、微量ガス漏れ検出のための質量分析計と方法との改善が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一局面に於いて、微量ガスをイオン化するイオン源と、イオンを偏向させる磁石と、偏向されたイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法が提供され、イオン源は電子源を含んでいる。この方法は、電離室に対して、微量ガスをイオン化するのには十分であるが不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含む。
【０００７】
本発明の第二局面に於いて、ヘリウムをイオン化するイオン源と、ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法が提供され、イオン源はフィラメントを含んでいる。この方法は、電離室に対して、ヘリウムをイオン化するのには十分であるが三価炭素を形成するのには不十分な電子加速電位で前記フィラメントを動作させる工程を含む。
【０００８】
本発明の第三の局面に於いて、質量分析計は、電子源を含むイオン源と、電離室に対して、ヘリウムイオンを生成するのには十分ではあるが三価炭素を生成するのには不十分な電圧で電子源を動作させる電源と、ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照し、引用により本明細書に組み込む。
本発明の実施形態を実施するのに適した漏れ検出器は図１に概略図示されている。テスト開口部３０は逆流弁３２，３４を介して前段ポンプ３６に結合されている。漏れ検出器は更に、高真空ポンプ４０を含む。テスト開口部３０は中間弁４２，４４を介して、前段ライン４８と高真空ポンプ４０の取入口５０との間に位置する、高真空ポンプ４０の中間開口部４６に結合されている。前段ライン弁５２は、前段ポンプ３６を高真空ポンプ４０の前段ライン４８に結合している。高真空ポンプ４０の取入口５０は、質量分析計（スペクトロメータ）６０の取入口に結合されている。漏れ検出器は更に、いずれもテスト開口部３０に結合されたテスト開口部熱電対６２と、通気弁６４と、較正リーク弁６８を介して高真空ポンプ４０の中間開口部４６に結合された較正リーク部６６と、前段ポンプ３６に結合された安全弁７０とを含む。
【００１０】
動作に於いて、前段ポンプ３６はまず、前段ライン弁５２と通気弁６４とを閉鎖するとともに逆流弁３２，３４を開口することにより、テスト開口部３０と試験片（あるいは探知プローブ）とを排気する。テスト開口部３０の圧力が、高真空ポンプ４０の前段ライン圧力に対応し得るレベルに到達すると、前段ライン弁５２は開口して、テスト開口部３０を高真空ポンプ４０の前段ライン４８に露出させる。ヘリウムトレーサガスは、テスト開口部３０を介して引き込まれるとともに、高真空ポンプ４０を介して質量分析計６０に対する反対方向に於いて拡散する。前段ポンプ３６は、テスト開口部３０の圧力を、高真空ポンプ４０の中間部圧力に対応するレベルまで、低減させ続ける。その時点で、逆流弁３２，３４は閉鎖されるとともに、中間弁４２，４４が開口されて、テスト開口部３０を高真空ポンプ４０の中間開口部４６へ露出させる。ヘリウムトレーサガスはテスト開口部３０を介して引きこまれるとともに、高真空ポンプ４０の上部を介して質量分析計６０へ向かう反対方向に於いて拡散し、これにより、反対方向通路が相対的に短いのでより多くのガスを拡散させることができる。高真空ポンプ４０は、試料中のより重たい気体に対してはるかに低い逆拡散率を有しているので、質量分析計６０からのこれらの気体をブロックし、これにより、効率的にトレーサガスを分離し、トレーサガスは、高真空ポンプ４０を介して質量分析計６０に拡散し、そして測定される。
【００１１】
上述したように、バックグラウンド変動の未知原因が、長年にわたり、小さなヘリウム漏れ検出信号の精密な測定を妨げてきた。現在、バックグラウンド信号は三価炭素（Ｃ3+）として識別されており、これはまた、分析計出力に於いて質量／電荷４（電荷３の炭素質量１２）に現れるものである。本発明はこの問題を解決するものである。真空システム内部の残留ガスは一般的に、炭化水素種とＣＯとを含んでいる。これらの種は、分離およびイオン化されて直接的にＣ3+を生成することができる。更に、残留ガス種はイオン源に於いて表面に吸着し、そこで、残留ガス種はイオン化電子ビームに衝突され、そして、化学的に分解されて、長期動作後にイオン源内部で「焼け焦げ跡」としてあらわれる固体性炭素質堆積物を形成することがある。これらの炭素質堆積物に対して、続いて起こる電子衝突は、揮発性炭素含有種を解放して気体相へ戻して、電子ビームによりイオン化され、これにより、これらの堆積物は、実質的に無限のＣ3+イオン源を構成する。質量分析計に於ける三価炭素を形成する複雑なプロセスによって、Ｃ3+バックグラウンド量は時間の経過とともに不規則に変動するおそれがあり、その結果、漏れ検出較正に明らかなドリフトが生じたり、または、異常な漏れ速度信号があらわれる。動作中の分析計に於いて、質量／電荷４信号のどの部分が実際のヘリウムトレーサガスからやってきているのか、そして、どの部分がＣ3+バックグラウンドからやってきているのかを識別することは不可能である。というのも、Ｈｅ+（一価ヘリウム）とＣ3+との間の分別質量差は極めて小さく、そして、比較的大きなスリットときわめて高いイオン通過性で動作させるために質量分解能を犠牲にする漏れ検出質量分析計ではこれを分解することができないからである。
【００１２】
本明細書に記載の質量分析計構造体は、特定動作電圧で使用すると、Ｃ3+イオンから干渉されることなく高いヘリウム感度を達成する。この質量分析計の形状構造により高いヘリウム信号が提供されるとともに、特定電圧での動作によりシステムからＣ3+イオンを排除する。これにより、ヘリウム信号は、Ｃ3+バックグラウンドに起因する異常なまたは不正確な測定を懸念することなく、直接読み取ることができる。
【００１３】
Ｃ3+イオン生成の可能性は、フィラメントまたは他の電子源からイオン源室へ入ってくる電子の運動エネルギーを関数としている。主として、フィラメントとイオン源室との間の電圧差がその電子運動エネルギーを定める。以下に記載するように、フィラメントまたは他の電子源は、ヘリウムのような微量ガスをイオン化するには十分であるが三価炭素のような不要イオンを形成するには不十分な電圧差で動作させられる。このようにして、不要イオンは測定に干渉することがない。
【００１４】
本発明の実施形態に係る質量分析計１００が図２〜図５に示されている。質量分析計１００は、図２の質量分析計６０に対応している。質量分析計１００は、一般的に双極子磁石である主磁石１１０と、イオン源１２０と、イオン検出器１３０とを含む。主磁石１１０は、相互に離間した磁極片１１２，１１４（図３）を含み、これらの磁極片１１２，１１４が間隙１１６を区画している。イオン源１２０は、間隙１１６の外部に位置しており、したがって、磁極片１１２，１１４間には位置していない。イオン検出器１３０は、磁極片１１２，１１４間の間隙１１６内部に配置されて、イオン源１２０により生成されたイオンのうちの選択種を取り込む。イオン源１２０により生成されたイオンは主磁石１１０の磁極片１１２，１１４間の間隙１１６に入り、間隙１１６の磁界により偏向される。その偏向はイオンの質量対電荷比とイオンエネルギーと磁界とを関数としている。ヘリウムイオンのような選択種イオンはイオン軌道１３２を辿り、他方、その他のイオン種は別の軌道をたどる。イオン検出器１３０は、磁極片１１２，１１４間の間隙１１６内にあり、かつ、選択イオン種の自然焦点に位置している。
【００１５】
質量分析計１００は更に、スリット１３６を有するコリメータ１３４と、イオン光学レンズ１３８とを含んでいてもよい。コリメータ１３４は、イオン軌道１３２をたどるイオンがスリット１３６を通過してイオン検出器１３０に至ることを可能にするとともに、他の軌道をたどるイオンを遮断する。イオン光学レンズ１３８は、イオン源電位付近の高い陽（プラス）電位で動作するとともに、ヘリウム以外の他種の散乱イオンがイオン検出器へ到達するのを防ぐように作用する。この作用は下記のようにして引き起こされるものである。すなわち、スリット１３６へ到達する軌道を大きく変更させるような散乱衝突を、中性ガス原子または室壁に対して行った非ヘリウムイオンが、これらの衝突でエネルギーを失い、したがって、イオン光学レンズ１３８により形成されるポテンシャルエネルギー障壁を打ち破ることができない、ということである。イオン光学レンズ１３８は更に、イオン軌道１３２をたどるイオンをイオン検出器１３０に焦点合わせするよう作用する。
【００１６】
真空ハウジング１４０は真空室１４２を包囲し、真空室１４２はイオン源１２０の一部と、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４間の間隙１１６とを含む。真空ポンプ１４４は、真空ハウジング１４０に接続された取入口を有している。真空ポンプ１４４は真空室１４２を一般的に１０-5torrレベルの適切な圧力に維持して、質量分析計１００を動作させる。一般的に真空ポンプ１４４は、ターボ分子真空ポンプ、拡散ポンプ、またはその他の分子ポンプであり、図１に示す高真空ポンプ４０に対応している。漏れ検出技術に於いて周知であるように、ヘリウムのような微量ガスは真空ポンプ１４４の全部または一部を通り質量分析計１００へ向かう反対方向へ拡散して測定される。この構造は逆流漏れ検出器構造として周知である。逆流構造の場合、より重量のあるガスは真空室１４２から汲み上げられ、他方、より軽量のガスは、真空ポンプ１４４を通り質量分析計１００へ向かう反対方向に拡散する。なお、本発明は逆流漏れ検出器に於ける使用に限定されるものではないことは理解されよう。
【００１７】
イオン軌道１３２をたどるイオンは、イオン検出器１３０により検出されるとともに電気信号へ変換される。電気信号は検出器エレクトロニクス１５０に供給される。検出器エレクトロニクス１５０はイオン検出信号を増幅するとともに、漏れ速度を示す出力を供給する。
図３に示すように、イオン源１２０は、フィラメント１７０，１７２と、抽出電極１７４と、基準電極１７６と、反射電極１８０とを含み、これらの部材は全て真空ハウジング１４０内部に位置している。イオン源１２０はさらに、真空ハウジング１４０外部に位置する供給源磁石１９０を含む。この供給源磁石１９０は、相互離間した磁極片１９２，１９４を含み、これらの磁極片は真空室１４２の両側に位置している。あるいは、供給源磁石により設けられる磁界は、主磁石１１０から延びるフリンジ磁界によって設けることもできるということは理解されよう。
【００１８】
フィラメント１７０，１７２はそれぞれ螺旋コイルの形状であってもよく、また、フィラメントホルダー１９６により支持されていてもよい。ある実施形態に於いて、各フィラメント１７０，１７２は、トリウム酸化物で被覆された直径０．００６インチのイリジウム線で製造されている。各フィラメントコイルは、長さ３ｍｍ、直径０．２５ｍｍであってもよい。一度に１本のフィラメントに通電してイオン源寿命を長引かせるようにすることが好ましい。
【００１９】
抽出電極１７４に細長い抽出スリット２００を設けてもよく、また、基準電極１７６に細長い基準スリット２０２を設けてもよい。イオン光学レンズとして機能する細長いスリット２００，２０２は整列されているとともに、イオン軌道１３２に沿ってイオン源１２０からのイオン抽出路を提供する。図４に於いて、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４の内表面が示されている。更に図示されているように、抽出スリット２００の長手寸法は磁極片１１２，１１４の内表面に直交している。抽出スリット２００の長さ２０４は、イオンビーム幅が磁極片１１２，１１４間の間隙１１６を埋めるに十分な長さであり、間隙１１６の幅は、磁極片１１２，１１４間の真空室１４２の間隔として決められる。抽出スリット２００と基準スリット２０２との間の加速電場は、抽出スリットを貫通するとともに、カップ状凹部２１０に電界を形成して、抽出スリットの直上に形成されるヘリウムイオンの効率的な抽出と集束とを行う。イオン源は主磁石の外部に設けられているので、抽出スリットの長さは従来の質量分析計と比較して相対的に大きくてもよい。ある実施形態に於いて、抽出スリット２００の長さ２０４は８ｍｍであり、抽出スリット２００の幅は３ｍｍであり、間隙１１６の直径は１０ｍｍである。基準スリット２０２の寸法もまた、ビーム幅が間隙を確実に埋めるように選択されるものである。これらの構成により、所望の微量ガス種の相対的に高いイオン電流を確保することができる。
【００２０】
信号損失の潜在的原因として、抽出スリット２００と基準スリット２０２との端部付近の貫通領域の全体的な集束／焦点ぼかし効果による、抽出スリット長さ方向に於けるイオンビームの分岐があげられる。ある実施形態に於いて、外部イオン源によって、抽出スリット長さを間隙１１６の幅以上にすることができる。これにより、透過されたイオンは、抽出スリットの中央部分に形成されるイオンであり、これらのイオンは検出器に対して略一直線状に透過される。基準スリットを貫通する加速電場によって何らかの分岐はあるが、このスリットはまた、中央部分におけるイオンが実質的に分岐しないように間隙１１６の幅と同じ、またはそれ以上に長くすることができる。抽出スリットおよび/または基準スリットの長さを長くするために、イオン源の全体寸法を増大することが、必要であったり、望ましい場合がある。
【００２１】
更に図３、４に示すように、抽出電極１７４は、それぞれフィラメント１７０，１７２に近接した面取縁部２０６，２０８を備えている。面取された縁部２６６，２０８は、フィラメント１７０，１７２の近傍に電界を形成して電離領域への電子の移送を増進する。
図３に示すように、基準電極１７６は抽出電極１７４と主磁石１１０との間に位置している。反射電極１８０は抽出電極１７４の上にそれから離間して設けられている。反射電極１８０は、所望の電界分布を提供するカップ状凹部２１０を含む。あるいは、反射電極１８０は、抽出電極１７４と同電位に保持されてもよいとともに、抽出電極１７４と接触してもよく、また、抽出電極１７４とともに一体構造に形成されてもよい。
【００２２】
供給源磁石１９０の磁極片１９２，１９４は大略的に、真空室１４２に対向する、平行で相互に離間された表面を有してもよく、フィラメント１７０，１７２と抽出電極１７４と反射電極１８０との領域に於いて磁界２１２を生成している。図３に示すように、磁界２１２は、主磁石１１０のフリンジ磁界により上方に変形されている。その結果生じる磁界分布により、フィラメント１７０，１７２により放出された電子が、磁力線から電離領域２２０へ向かう方向の周りを旋回させられる。電離領域２２０は抽出スリット２００の上部に位置している（図３）。フィラメント１７０，１７２と電離領域２２０との間の領域に於ける電界と磁界とにより、イオン化電子は電離領域２２０に向けて加速される。電離領域２２０に於いて、気体分子はフィラメント１７０，１７２からの電子によりイオン化され、抽出スリット２００を介してイオン源１２０から抽出され、そして、基準スリット２０２を介して加速される。
【００２３】
イオン源１２０は主磁石１１０の外側に位置し、これにより、抽出スリット２００の長さ２０４は、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４により制限されることはない。抽出スリット２００の寸法は、高いイオン電流を送るよう選択することができる。図２に示すように、ビーム光学系は、基準スリット２０２を通る通路をたどる１３５°の角度での偏向後、焦点を設定する。質量分析計１００は、質量対電荷比に基づきイオンを分離する主磁石１００と、イオン源１２０に於けるフィラメント１７０，１７２の対向側に磁極片１９２，１９４を含む供給源磁石１９０とを含む。２つの磁石は、図３に示すように、強度と磁界形状との両方についてそれらが相互に影響しあうよう十分近接して設けられている。ある実施形態に於いて、主磁石１１０は磁極中央部で１．７Ｋガウスの磁界強度を有し、そして、供給源磁石１９０は磁極中央部で６００ガウスの磁界強度を有している。
【００２４】
イオン源１２０の磁界と電界とは、磁束線が少なくとも電離領域２２０に於いて一定電位の表面（等電位表面）とほぼ一致し、かつ平行になるように、設計されている。フィラメント１７０，１７２により生成させられるイオン化電子ビームは、磁束線に追随するよう拘束されるので、したがって、イオンは略一定電位の空間内に生成される。その結果、イオンビームのエネルギーの広がりは極めて小さく、そして、イオンビームはイオン源１２０からイオン検出器１３０へ極めて効率的に移送され、これにより、高感度を提供する。
【００２５】
磁石１１０、１９０の、イオン源１２０と、イオン検出器１３０と、相互とに関する位置関係は、イオンが効率的に生成され移送されるように選択される。主磁石１１０と供給源磁石１９０とは相互に近接している。主磁石１１０の間隙１１６を越えて延びるフリンジ磁界は、供給源磁石１９０の、本来なら均一の磁界を変形させる。
等電位表面の線は、反射電極１８０と、抽出電極１７４と、基準電極１７６と、これらの電極の開口部（スリット）と、隣接する真空室壁とを含む、イオン源１２０に於ける諸部材の形状と間隔とにより決められる。これらの部材の寸法と間隔とは、より効率的に抽出するために、供給源に於いて生成されたイオンを抽出スリット２００方向へ集束する「開口を伏せたカップ」のような電界形状を形成するように制御される。
【００２６】
反射電極１８０と抽出電極１７４との比較的厚い壁が、フィラメント径よりも少し広幅の通路を形成し、ここを電子が損失なしに通過することができ、他方、負に帯電したフィラメントからの電界浸透は制限される。これにより、電離領域２２０から、電子雲の負電位におけるフィラメント１７０，１７２へのイオン漏れを制限し、これにより、イオン源に於いて生成されたイオンの大部分が、実際のところイオン源からイオン検出器１３０へ透過されて、確実に高感度を達成する。
【００２７】
イオン源部材は、抽出電極１７４と反射電極１８０と基準電極１７６との電界が、物理的な入射スリットというよりむしろ「仮想の」イオン光学対象線を形成する電界を生成するように設計されている。物理的入射スリットと、物理的スリットに不可避なビーム損失とが排除されて、これにより、イオンビーム伝達は極めて高くなる。基準電極１７６のスリットは、イオンビームの角度的発散を制限するように作用するだけであり、入射スリットおよびイオン光学対象として作用するのではない。
【００２８】
物理的入射スリットを排除すると、感度か分解能かいずれかの損失を最少にして質量分析計を微細化することができる。質量分析計の分解能はイオンビーム半径Ｒの、像の幅と射出スリット幅との合計ＳEXに対する比として定めることができる。幅ＳEの物理的入射スリットがシステムのイオン光学対象を形成する従来の質量分析計の設計の場合、像の幅は（ＳE+Ｒα2）である。射出スリット幅は、全ての到着イオンを透過するために像の幅と等しいかそれよりも僅かに大きく設定され、これにより分解能ＲＰは次のようになる。
【００２９】
ＲＰ ＝ Ｒ/２（ＳE+Ｒα2）
本発明におけるイオン光学対象は、広幅のイオンビームにより照射されるスリットというよりむしろ無視できる幅を持つ線であるので、焦点での像の幅は、（ＳE+Ｒα2）であるよりむしろＲα2である。このようにして、分解能は次の通りとなる。
ＲＰ ＝ Ｒ/（２Ｒα2） ＝ １/（２α2）
したがって、イオン光学対象の幅が無視できるものであるかぎり、分解能はイオンビーム軌道の半径とは無関係である。この設計で、コンパクトな装置を実現するためにイオンビーム半径Ｒを低減することが望まれる場合、イオンビーム発散αが一定である限り、分解能は一定である。像の幅はイオンビーム半径に比例して低減され、そして、射出スリット幅は同程度低減されることができ、これにより像の幅を整合するとともに一定の質量分解能を維持しながら、イオン源から出てくるイオン全てを透過させる。それに反して、従来の質量分析計では、半径を低減しながら一定の質量分解能を維持するために、入射スリット幅を比例的に低減しなければならず、これによりスリット通過イオンの割合が低減するとともに、装置感度が低減する。
【００３０】
質量分析計は図５に示すように電源を含んでいてもよい。フィラメント電流供給部２３０はフィラメント電流をフィラメント１７０，１７２に対して供給してそれらを加熱する。上述したように、一度に１つのフィラメントに通電してもよい。フィラメント電圧供給部２３２はフィラメント１７０，１７２へバイアス電圧を供給する。抽出電圧供給部２３４は抽出電極１７４へバイアス電圧を供給する。反射電極電圧供給部２３６は反射電極１８０へバイアス電圧を供給する。基準電極１２６は通常は接地されている。
【００３１】
電圧がフィラメント１７０，１７２と、反射電極１８０と、抽出電極１７４と、基準電極１７６とへ印加されて、電界を提供して、上述のような動作がなされる。ヘリウムをトレーサガスとするある実施形態に於いて、反射電極１８０は２００〜２８０ボルトでバイアスされ、抽出電極１７４は２００〜２８０ボルトでバイアスされ、そして、基準電極１７６は接地される（０ボルト）。更に、フィラメント１７０，１７２は１００〜２１０ボルトでバイアスされて、エネルギ電子を提供して、微量ガスをイオン化する。ある特定の例に於いて、反射電極１８０と抽出電極１７４とは２５０ボルトで名目上バイアスされ、フィラメント１７０，１７２は１６０ボルトで名目上バイアスされ、そして、基準電極１７６は接地される。上記電圧は接地に関しては特定される。これらの値は一例としてのみ挙げたものであり本発明の範囲を限定するものではないことは理解されよう。
【００３２】
図２に示すように、イオン光学レンズ１３８は、電極２５０，２５２，２５４を含んでいてもよく、これらの電極はそれぞれ、イオンのイオン検出器１３０への通過を許容する開口部２５６を有している。各電極２５０，２５２，２５４は、イオンをイオン検出器１３０方向へ集束するアインツェルレンズを構成し、そして、電極２５２へ印加される電位は、軌道内へ散乱されるヘリウム以外の種のイオンを抑制するように作用するものであり、これらのヘリウム以外の種のイオンは、抑制されなければ検出器へ到達することが可能になるおそれがある。ある実施形態に於いて、電極２５０，２５２，２５４はそれぞれ、０ボルト、１８０ボルト、０ボルトでバイアスされる。
【００３３】
ある実施形態に於いて、イオン検出器１３０と検出器エレクトロニクス１５０とを含む検出器アセンブリは、広範囲にわたりかつ高い信号対雑音比でイオン電流を高感度で測定するよう設計することができる。イオン検出器１３０は、電位計レベルの演算増幅器の反転入力部に接続されるファラデープレートであってもよい。レンズ１３８を介してイオン軌道１３２をたどるイオンは、ファラデープレートに衝突するとともにプレート内に極めて少量の電流を発生させる。増幅器は、帯域幅制限コンデンサーを備えた反転相互コンダクタンス増幅器として構成される。フィードバック抵抗は、１ｘ１０9と１ｘ１０13との間のゲインを提供するよう選択された範囲にすることができる。コンデンサーは、検出器の特定の過渡応答は許容するが所望の過渡応答よりも大きな周波数のノイズは拒絶するよう選択される。１/ｆノイズを更に低減するために、増幅器はペルティエ式または熱電式冷却器で冷却される。冷却器は、９４℃の最大デルタＴを備えた２段階タイプである。冷却器の低温部は電位計増幅器に接合され、高温部は検出器構造柱部材に接合される。この熱的構造体に於ける電位計増幅器の極めて低い温度により、分析計本体がその最高動作温度である時に、入力バイアスおよびオフセット電流が低減され、したがって１/ｆノイズ成分は、この装置が到達できる最低レベルへまで低減される。これにより、最悪の周囲熱条件の下での検出器からのノイズを可能な限り最低レベルにする事を保証する。
【００３４】
圧力レベル、材質、寸法、電圧、および電界強度などを含むが、これらに限定されないパラメータの種々の値は、本発明の上記実施形態の説明に於いて与えられている。これらの値は単に一例としてのみあげたものであって、本発明の範囲について限定するものではないことは理解されよう。
図６は、ヘリウムなしの場合の、時間の関数としての、質量／電荷４での検出出力信号のグラフを示す。この不規則な信号は、Ｃ3+イオンの干渉に起因するものである。
【００３５】
図７は、漏れ検出システムにおける電子運動エネルギーの関数としての分析計信号のグラフを示し、このシステムは、漏れのないことが示されかつ99.99999％の純粋アルゴンで取入口から浄化され、これにより、真空ポンプを介して大気からヘリウムの逆流がないことが保証されている。電子運動エネルギーは約92eV（電子ボルト）に到達するので、ベースライン質量／電荷４信号は、ヘリウムがないにもかかわらず不規則に進展し始める。これは、分析計検出器で観察されるような分析計イオン源におけるＣ3+イオン形成の開始点である。
【００３６】
Ｃ3+イオン化閾値を下回るイオン源を作動させると、極めて感度の高い、かつ極めて安定的なヘリウム漏れ速度測定が可能になる。このことは、イオン源における空間電荷制限と分析計の非効率性とのため、従来装置では可能ではなかった。フィラメント表面のすぐ外側の低エネルギー電子に起因する空間電荷は、フィラメントから引き出すことができる最大電子電流を制限する。電離室内部の電子ビームに起因する空間電荷は、形成後にＨｅ+イオンを捉える場合があり、これにより、Ｈｅ+イオンを抽出して検出器へ移送する場合の効率を低減する。これにより、イオンを生成するために使用されることが出来る最大電子電流を制限する。漏れ検出のための従来の分析計は、高いフィラメント電圧、通常１００ボルト以上の電圧で動作され、これにより、十分な数の電子が電離室に到達して十分な量のヘリウムイオンを生成して、例えば、１Ｅ−１０以下の低い漏れ速度での測定を可能にする。従来の漏れ検出器の場合、低フィラメントバイアス電圧での動作では、実用的なレベルでの高感度な漏れ検出分析計を形成するに十分なヘリウム電離ができないであろう。Ｃ3+イオンに関する発見と組み合わされた本明細書に記載の上記イオン源形態により、炭素イオン化閾値を下回るがヘリウムに対するイオン化閾値を越える、電離室とフィラメントとの間の２５〜９２Ｖの差で、分析計を動作させることができ、これにより、安定したかつ正確な漏れ速度測定で高感度を達成する。図２〜図５の実施形態に於ける電離室は、反射電極１８０と抽出電極１７４とにより区画される。
【００３７】
要するに、質量分析計のイオン源は、イオン化電子が、微量ガス、一般的にはヘリウムをイオン化するには十分であるが、不要イオン、この場合Ｃ3+イオンを形成するには不十分なエネルギーを有するように動作される。上記例では、イオン源のフィラメントは、電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電子加速電位でバイアスされ、これにより、Ｃ3+イオンを形成するためのイオン化エネルギーよりは低いが、Ｈｅ+イオンを形成するには十分なエネルギーをイオン化電子に与える。電子加速電位は、フィラメント１７０，１７２と電離室間の電位差により定められる。電子加速電位を形成するため、フィラメント１７０，１７２は、反射電極１８０と抽出電極１７４とに対し負にバイアスされる。
【００３８】
本発明の実施形態は、種々異なる漏れ検出器構造体や種々異なる質量分析計構造体に於いて利用可能であり、安定しかつ正確な漏れ速度測定で高感度を達成することができることは理解されよう。このようにして、本発明は図１の漏れ検出器構造体や図２〜図５の分析計構造体に限定されるものではない。しかしながら、好ましい実施形態は、イオン化電子電流に対する空間電荷制限に由来する限定的な電離効率と、相対的に低い電子運動エネルギーに由来する低い電離効率とから可能な最高のＨｅ+信号を得るために、本発明を図２〜図５の高感度質量分析計と組み合わせることである。
【００３９】
本発明の少なくともある実施形態のいくつかの局面について説明してきたが、種々の変更、改変、および改良が当業者によりなされることは理解されよう。このような変更、改変、および改良は本開示の一部であるとみなされるとともに、本発明の精神および範囲内にあるものとみなされる。したがって、上記説明と図面とは単に１つの例示としてなされたものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を組み込むのに適した逆流漏れ検出器の概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る質量分析計の簡略化した概略側面図である。
【図３】図２の質量分析計の簡略した概略端面図である。
【図４】図３の線４−４に沿ったイオン源の部分断面図である。
【図５】図２の質量分析計に対する電源を示すブロック図である。
【図６】時間の関数としての、ヘリウム不在の場合の不安定なＣ3+バックグラウンド信号を示す検出信号出力のグラフである。
【図７】イオン源に於ける電子運動エネルギーを関数とする検出信号のグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漏れ検出の場合に使用される質量分析計に関し、更に詳しくは、測定を妨害するおそれのある不要イオンの形成を抑制することにより感度を向上させた質量分析計（スペクトロメータ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、本開示の譲受人に対して譲渡されかつ２００６年２月１５日に本出願と同時に出願されている、「微量ガス漏れ検出用の高感度スリットなしイオン源質量分析計」という名称の同時係属中の米国特許出願に関連している。
ヘリウム質量分光漏れ検出は、周知の漏れ検出技術である。ヘリウムは、密封試験片に於ける最小漏れ部を通過するトレーサガスとして使用される。次に、ヘリウムは漏れ検出装置内部へ引き込まれて測定される。ヘリウム量は漏れ速度に対応している。検出装置の重要構成部材は、ヘリウムを検出かつ測定する質量分析計である。入力ガスは、ヘリウム成分を分離するために分析計によりイオン化されるとともに質量分析されて、そして測定される。１つの方法として、試験片内部を漏れ検出器のテスト開口部に接合する方法がある。ヘリウムは試験片の外部に吹き付けられ、漏れ部を介して内部へ引き込まれ、漏れ検出器により測定される。
【０００３】
環境規制や、製品収量の改善と新分野への技術拡大とへの要望や、その他種々の理由により、産業界はきわめて低い漏れ速度を要求することが多い。極めて低い漏れ速度の場合のヘリウム質量分析計に於けるイオン電流は、フェムトアンペアレベルである。従来の漏れ検出分析計の場合、このような過度に小さな信号を十分な安定性で検出して漏れ検出器に於いて明白な漏れ速度信号を提供することは困難である。したがって、信号対雑音比と長期にわたる信号安定性とは、高精度な漏れ検出の場合極めて重要である。
【０００４】
質量分析計は質量対電荷比により気体種を分離し、これにより、気体を検出器で分析することができる。まちがいなく、漏れ検出業界で最も一般的に使用されるトレーサガスはヘリウムであり、これは、質量スケールでは質量４に現れる（電荷１で質量４のヘリウム）。長い間、バッククラウンド変動の未知原因により、小さなヘリウム漏れ検出信号の精密な測定が妨げられてきた。
【０００５】
したがって、微量ガス漏れ検出のための質量分析計と方法との改善が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一局面に於いて、微量ガスをイオン化するイオン源と、イオンを偏向させる磁石と、偏向されたイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法が提供され、イオン源は電子源を含んでいる。この方法は、電離室に対して、微量ガスをイオン化するのには十分であるが不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含む。
【０００７】
本発明の第二局面に於いて、ヘリウムをイオン化するイオン源と、ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法が提供され、イオン源はフィラメントを含んでいる。この方法は、電離室に対して、ヘリウムをイオン化するのには十分であるが三価炭素を形成するのには不十分な電子加速電位で前記フィラメントを動作させる工程を含む。
【０００８】
本発明の第三の局面に於いて、質量分析計は、電子源を含むイオン源と、電離室に対して、ヘリウムイオンを生成するのには十分ではあるが三価炭素を生成するのには不十分な電圧で電子源を動作させる電源と、ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照し、引用により本明細書に組み込む。
本発明の実施形態を実施するのに適した漏れ検出器は図１に概略図示されている。テスト開口部３０は逆流弁３２，３４を介して前段ポンプ３６に結合されている。漏れ検出器は更に、高真空ポンプ４０を含む。テスト開口部３０は中間弁４２，４４を介して、前段ライン４８と高真空ポンプ４０の取入口５０との間に位置する、高真空ポンプ４０の中間開口部４６に結合されている。前段ライン弁５２は、前段ポンプ３６を高真空ポンプ４０の前段ライン４８に結合している。高真空ポンプ４０の取入口５０は、質量分析計（スペクトロメータ）６０の取入口に結合されている。漏れ検出器は更に、いずれもテスト開口部３０に結合されたテスト開口部熱電対６２と、通気弁６４と、較正リーク弁６８を介して高真空ポンプ４０の中間開口部４６に結合された較正リーク部６６と、前段ポンプ３６に結合された安全弁７０とを含む。
【００１０】
動作に於いて、前段ポンプ３６はまず、前段ライン弁５２と通気弁６４とを閉鎖するとともに逆流弁３２，３４を開口することにより、テスト開口部３０と試験片（あるいは探知プローブ）とを排気する。テスト開口部３０の圧力が、高真空ポンプ４０の前段ライン圧力に対応し得るレベルに到達すると、前段ライン弁５２は開口して、テスト開口部３０を高真空ポンプ４０の前段ライン４８に露出させる。ヘリウムトレーサガスは、テスト開口部３０を介して引き込まれるとともに、高真空ポンプ４０を介して質量分析計６０に対する反対方向に於いて拡散する。前段ポンプ３６は、テスト開口部３０の圧力を、高真空ポンプ４０の中間部圧力に対応するレベルまで、低減させ続ける。その時点で、逆流弁３２，３４は閉鎖されるとともに、中間弁４２，４４が開口されて、テスト開口部３０を高真空ポンプ４０の中間開口部４６へ露出させる。ヘリウムトレーサガスはテスト開口部３０を介して引きこまれるとともに、高真空ポンプ４０の上部を介して質量分析計６０へ向かう反対方向に於いて拡散し、これにより、反対方向通路が相対的に短いのでより多くのガスを拡散させることができる。高真空ポンプ４０は、試料中のより重たい気体に対してはるかに低い逆拡散率を有しているので、質量分析計６０からのこれらの気体をブロックし、これにより、効率的にトレーサガスを分離し、トレーサガスは、高真空ポンプ４０を介して質量分析計６０に拡散し、そして測定される。
【００１１】
上述したように、バックグラウンド変動の未知原因が、長年にわたり、小さなヘリウム漏れ検出信号の精密な測定を妨げてきた。現在、バックグラウンド信号は三価炭素（Ｃ3+）として識別されており、これはまた、分析計出力に於いて質量／電荷４（電荷３の炭素質量１２）に現れるものである。本発明はこの問題を解決するものである。真空システム内部の残留ガスは一般的に、炭化水素種とＣＯとを含んでいる。これらの種は、分離およびイオン化されて直接的にＣ3+を生成することができる。更に、残留ガス種はイオン源に於いて表面に吸着し、そこで、残留ガス種はイオン化電子ビームに衝突され、そして、化学的に分解されて、長期動作後にイオン源内部で「焼け焦げ跡」としてあらわれる固体性炭素質堆積物を形成することがある。これらの炭素質堆積物に対して、続いて起こる電子衝突は、揮発性炭素含有種を解放して気体相へ戻して、電子ビームによりイオン化され、これにより、これらの堆積物は、実質的に無限のＣ3+イオン源を構成する。質量分析計に於ける三価炭素を形成する複雑なプロセスによって、Ｃ3+バックグラウンド量は時間の経過とともに不規則に変動するおそれがあり、その結果、漏れ検出較正に明らかなドリフトが生じたり、または、異常な漏れ速度信号があらわれる。動作中の分析計に於いて、質量／電荷４信号のどの部分が実際のヘリウムトレーサガスからやってきているのか、そして、どの部分がＣ3+バックグラウンドからやってきているのかを識別することは不可能である。というのも、Ｈｅ+（一価ヘリウム）とＣ3+との間の分別質量差は極めて小さく、そして、比較的大きなスリットときわめて高いイオン通過性で動作させるために質量分解能を犠牲にする漏れ検出質量分析計ではこれを分解することができないからである。
【００１２】
本明細書に記載の質量分析計構造体は、特定動作電圧で使用すると、Ｃ3+イオンから干渉されることなく高いヘリウム感度を達成する。この質量分析計の形状構造により高いヘリウム信号が提供されるとともに、特定電圧での動作によりシステムからＣ3+イオンを排除する。これにより、ヘリウム信号は、Ｃ3+バックグラウンドに起因する異常なまたは不正確な測定を懸念することなく、直接読み取ることができる。
【００１３】
Ｃ3+イオン生成の可能性は、フィラメントまたは他の電子源からイオン源室へ入ってくる電子の運動エネルギーを関数としている。主として、フィラメントとイオン源室との間の電圧差がその電子運動エネルギーを定める。以下に記載するように、フィラメントまたは他の電子源は、ヘリウムのような微量ガスをイオン化するには十分であるが三価炭素のような不要イオンを形成するには不十分な電圧差で動作させられる。このようにして、不要イオンは測定に干渉することがない。
【００１４】
本発明の実施形態に係る質量分析計１００が図２〜図５に示されている。質量分析計１００は、図２の質量分析計６０に対応している。質量分析計１００は、一般的に双極子磁石である主磁石１１０と、イオン源１２０と、イオン検出器１３０とを含む。主磁石１１０は、相互に離間した磁極片１１２，１１４（図３）を含み、これらの磁極片１１２，１１４が間隙１１６を区画している。イオン源１２０は、間隙１１６の外部に位置しており、したがって、磁極片１１２，１１４間には位置していない。イオン検出器１３０は、磁極片１１２，１１４間の間隙１１６内部に配置されて、イオン源１２０により生成されたイオンのうちの選択種を取り込む。イオン源１２０により生成されたイオンは主磁石１１０の磁極片１１２，１１４間の間隙１１６に入り、間隙１１６の磁界により偏向される。その偏向はイオンの質量対電荷比とイオンエネルギーと磁界とを関数としている。ヘリウムイオンのような選択種イオンはイオン軌道１３２を辿り、他方、その他のイオン種は別の軌道をたどる。イオン検出器１３０は、磁極片１１２，１１４間の間隙１１６内にあり、かつ、選択イオン種の自然焦点に位置している。
【００１５】
質量分析計１００は更に、スリット１３６を有するコリメータ１３４と、イオン光学レンズ１３８とを含んでいてもよい。コリメータ１３４は、イオン軌道１３２をたどるイオンがスリット１３６を通過してイオン検出器１３０に至ることを可能にするとともに、他の軌道をたどるイオンを遮断する。イオン光学レンズ１３８は、イオン源電位付近の高い陽（プラス）電位で動作するとともに、ヘリウム以外の他種の散乱イオンがイオン検出器へ到達するのを防ぐように作用する。この作用は下記のようにして引き起こされるものである。すなわち、スリット１３６へ到達する軌道を大きく変更させるような散乱衝突を、中性ガス原子または室壁に対して行った非ヘリウムイオンが、これらの衝突でエネルギーを失い、したがって、イオン光学レンズ１３８により形成されるポテンシャルエネルギー障壁を打ち破ることができない、ということである。イオン光学レンズ１３８は更に、イオン軌道１３２をたどるイオンをイオン検出器１３０に焦点合わせするよう作用する。
【００１６】
真空ハウジング１４０は真空室１４２を包囲し、真空室１４２はイオン源１２０の一部と、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４間の間隙１１６とを含む。真空ポンプ１４４は、真空ハウジング１４０に接続された取入口を有している。真空ポンプ１４４は真空室１４２を一般的に１０-5torrレベルの適切な圧力に維持して、質量分析計１００を動作させる。一般的に真空ポンプ１４４は、ターボ分子真空ポンプ、拡散ポンプ、またはその他の分子ポンプであり、図１に示す高真空ポンプ４０に対応している。漏れ検出技術に於いて周知であるように、ヘリウムのような微量ガスは真空ポンプ１４４の全部または一部を通り質量分析計１００へ向かう反対方向へ拡散して測定される。この構造は逆流漏れ検出器構造として周知である。逆流構造の場合、より重量のあるガスは真空室１４２から汲み上げられ、他方、より軽量のガスは、真空ポンプ１４４を通り質量分析計１００へ向かう反対方向に拡散する。なお、本発明は逆流漏れ検出器に於ける使用に限定されるものではないことは理解されよう。
【００１７】
イオン軌道１３２をたどるイオンは、イオン検出器１３０により検出されるとともに電気信号へ変換される。電気信号は検出器エレクトロニクス１５０に供給される。検出器エレクトロニクス１５０はイオン検出信号を増幅するとともに、漏れ速度を示す出力を供給する。
図３に示すように、イオン源１２０は、フィラメント１７０，１７２と、抽出電極１７４と、基準電極１７６と、反射電極１８０とを含み、これらの部材は全て真空ハウジング１４０内部に位置している。イオン源１２０はさらに、真空ハウジング１４０外部に位置する供給源磁石１９０を含む。この供給源磁石１９０は、相互離間した磁極片１９２，１９４を含み、これらの磁極片は真空室１４２の両側に位置している。あるいは、供給源磁石により設けられる磁界は、主磁石１１０から延びるフリンジ磁界によって設けることもできるということは理解されよう。
【００１８】
フィラメント１７０，１７２はそれぞれ螺旋コイルの形状であってもよく、また、フィラメントホルダー１９６により支持されていてもよい。ある実施形態に於いて、各フィラメント１７０，１７２は、トリウム酸化物で被覆された直径０．００６インチのイリジウム線で製造されている。各フィラメントコイルは、長さ３ｍｍ、直径０．２５ｍｍであってもよい。一度に１本のフィラメントに通電してイオン源寿命を長引かせるようにすることが好ましい。
【００１９】
抽出電極１７４に細長い抽出スリット２００を設けてもよく、また、基準電極１７６に細長い基準スリット２０２を設けてもよい。イオン光学レンズとして機能する細長いスリット２００，２０２は整列されているとともに、イオン軌道１３２に沿ってイオン源１２０からのイオン抽出路を提供する。図４に於いて、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４の内表面が示されている。更に図示されているように、抽出スリット２００の長手寸法は磁極片１１２，１１４の内表面に直交している。抽出スリット２００の長さ２０４は、イオンビーム幅が磁極片１１２，１１４間の間隙１１６を埋めるに十分な長さであり、間隙１１６の幅は、磁極片１１２，１１４間の真空室１４２の間隔として決められる。抽出スリット２００と基準スリット２０２との間の加速電場は、抽出スリットを貫通するとともに、カップ状凹部２１０に電界を形成して、抽出スリットの直上に形成されるヘリウムイオンの効率的な抽出と集束とを行う。イオン源は主磁石の外部に設けられているので、抽出スリットの長さは従来の質量分析計と比較して相対的に大きくてもよい。ある実施形態に於いて、抽出スリット２００の長さ２０４は８ｍｍであり、抽出スリット２００の幅は３ｍｍであり、間隙１１６の直径は１０ｍｍである。基準スリット２０２の寸法もまた、ビーム幅が間隙を確実に埋めるように選択されるものである。これらの構成により、所望の微量ガス種の相対的に高いイオン電流を確保することができる。
【００２０】
信号損失の潜在的原因として、抽出スリット２００と基準スリット２０２との端部付近の貫通領域の全体的な集束／焦点ぼかし効果による、抽出スリット長さ方向に於けるイオンビームの分岐があげられる。ある実施形態に於いて、外部イオン源によって、抽出スリット長さを間隙１１６の幅以上にすることができる。これにより、透過されたイオンは、抽出スリットの中央部分に形成されるイオンであり、これらのイオンは検出器に対して略一直線状に透過される。基準スリットを貫通する加速電場によって何らかの分岐はあるが、このスリットはまた、中央部分におけるイオンが実質的に分岐しないように間隙１１６の幅と同じ、またはそれ以上に長くすることができる。抽出スリットおよび/または基準スリットの長さを長くするために、イオン源の全体寸法を増大することが、必要であったり、望ましい場合がある。
【００２１】
更に図３、４に示すように、抽出電極１７４は、それぞれフィラメント１７０，１７２に近接した面取縁部２０６，２０８を備えている。面取された縁部２６６，２０８は、フィラメント１７０，１７２の近傍に電界を形成して電離領域への電子の移送を増進する。
図３に示すように、基準電極１７６は抽出電極１７４と主磁石１１０との間に位置している。反射電極１８０は抽出電極１７４の上にそれから離間して設けられている。反射電極１８０は、所望の電界分布を提供するカップ状凹部２１０を含む。あるいは、反射電極１８０は、抽出電極１７４と同電位に保持されてもよいとともに、抽出電極１７４と接触してもよく、また、抽出電極１７４とともに一体構造に形成されてもよい。
【００２２】
供給源磁石１９０の磁極片１９２，１９４は大略的に、真空室１４２に対向する、平行で相互に離間された表面を有してもよく、フィラメント１７０，１７２と抽出電極１７４と反射電極１８０との領域に於いて磁界２１２を生成している。図３に示すように、磁界２１２は、主磁石１１０のフリンジ磁界により上方に変形されている。その結果生じる磁界分布により、フィラメント１７０，１７２により放出された電子が、磁力線から電離領域２２０へ向かう方向の周りを旋回させられる。電離領域２２０は抽出スリット２００の上部に位置している（図３）。フィラメント１７０，１７２と電離領域２２０との間の領域に於ける電界と磁界とにより、イオン化電子は電離領域２２０に向けて加速される。電離領域２２０に於いて、気体分子はフィラメント１７０，１７２からの電子によりイオン化され、抽出スリット２００を介してイオン源１２０から抽出され、そして、基準スリット２０２を介して加速される。
【００２３】
イオン源１２０は主磁石１１０の外側に位置し、これにより、抽出スリット２００の長さ２０４は、主磁石１１０の磁極片１１２，１１４により制限されることはない。抽出スリット２００の寸法は、高いイオン電流を送るよう選択することができる。図２に示すように、ビーム光学系は、基準スリット２０２を通る通路をたどる１３５°の角度での偏向後、焦点を設定する。質量分析計１００は、質量対電荷比に基づきイオンを分離する主磁石１００と、イオン源１２０に於けるフィラメント１７０，１７２の対向側に磁極片１９２，１９４を含む供給源磁石１９０とを含む。２つの磁石は、図３に示すように、強度と磁界形状との両方についてそれらが相互に影響しあうよう十分近接して設けられている。ある実施形態に於いて、主磁石１１０は磁極中央部で１．７Ｋガウスの磁界強度を有し、そして、供給源磁石１９０は磁極中央部で６００ガウスの磁界強度を有している。
【００２４】
イオン源１２０の磁界と電界とは、磁束線が少なくとも電離領域２２０に於いて一定電位の表面（等電位表面）とほぼ一致し、かつ平行になるように、設計されている。フィラメント１７０，１７２により生成させられるイオン化電子ビームは、磁束線に追随するよう拘束されるので、したがって、イオンは略一定電位の空間内に生成される。その結果、イオンビームのエネルギーの広がりは極めて小さく、そして、イオンビームはイオン源１２０からイオン検出器１３０へ極めて効率的に移送され、これにより、高感度を提供する。
【００２５】
磁石１１０、１９０の、イオン源１２０と、イオン検出器１３０と、相互とに関する位置関係は、イオンが効率的に生成され移送されるように選択される。主磁石１１０と供給源磁石１９０とは相互に近接している。主磁石１１０の間隙１１６を越えて延びるフリンジ磁界は、供給源磁石１９０の、本来なら均一の磁界を変形させる。
等電位表面の線は、反射電極１８０と、抽出電極１７４と、基準電極１７６と、これらの電極の開口部（スリット）と、隣接する真空室壁とを含む、イオン源１２０に於ける諸部材の形状と間隔とにより決められる。これらの部材の寸法と間隔とは、より効率的に抽出するために、供給源に於いて生成されたイオンを抽出スリット２００方向へ集束する「開口を伏せたカップ」のような電界形状を形成するように制御される。
【００２６】
反射電極１８０と抽出電極１７４との比較的厚い壁が、フィラメント径よりも少し広幅の通路を形成し、ここを電子が損失なしに通過することができ、他方、負に帯電したフィラメントからの電界浸透は制限される。これにより、電離領域２２０から、電子雲の負電位におけるフィラメント１７０，１７２へのイオン漏れを制限し、これにより、イオン源に於いて生成されたイオンの大部分が、実際のところイオン源からイオン検出器１３０へ透過されて、確実に高感度を達成する。
【００２７】
イオン源部材は、抽出電極１７４と反射電極１８０と基準電極１７６との電界が、物理的な入射スリットというよりむしろ「仮想の」イオン光学対象線を形成する電界を生成するように設計されている。物理的入射スリットと、物理的スリットに不可避なビーム損失とが排除されて、これにより、イオンビーム伝達は極めて高くなる。基準電極１７６のスリットは、イオンビームの角度的発散を制限するように作用するだけであり、入射スリットおよびイオン光学対象として作用するのではない。
【００２８】
物理的入射スリットを排除すると、感度か分解能かいずれかの損失を最少にして質量分析計を微細化することができる。質量分析計の分解能はイオンビーム半径Ｒの、像の幅と射出スリット幅との合計ＳEXに対する比として定めることができる。幅ＳEの物理的入射スリットがシステムのイオン光学対象を形成する従来の質量分析計の設計の場合、像の幅は（ＳE+Ｒα2）である。射出スリット幅は、全ての到着イオンを透過するために像の幅と等しいかそれよりも僅かに大きく設定され、これにより分解能ＲＰは次のようになる。
【００２９】
ＲＰ ＝ Ｒ/２（ＳE+Ｒα2）
本発明におけるイオン光学対象は、広幅のイオンビームにより照射されるスリットというよりむしろ無視できる幅を持つ線であるので、焦点での像の幅は、（ＳE+Ｒα2）であるよりむしろＲα2である。このようにして、分解能は次の通りとなる。
ＲＰ ＝ Ｒ/（２Ｒα2） ＝ １/（２α2）
したがって、イオン光学対象の幅が無視できるものであるかぎり、分解能はイオンビーム軌道の半径とは無関係である。この設計で、コンパクトな装置を実現するためにイオンビーム半径Ｒを低減することが望まれる場合、イオンビーム発散αが一定である限り、分解能は一定である。像の幅はイオンビーム半径に比例して低減され、そして、射出スリット幅は同程度低減されることができ、これにより像の幅を整合するとともに一定の質量分解能を維持しながら、イオン源から出てくるイオン全てを透過させる。それに反して、従来の質量分析計では、半径を低減しながら一定の質量分解能を維持するために、入射スリット幅を比例的に低減しなければならず、これによりスリット通過イオンの割合が低減するとともに、装置感度が低減する。
【００３０】
質量分析計は図５に示すように電源を含んでいてもよい。フィラメント電流供給部２３０はフィラメント電流をフィラメント１７０，１７２に対して供給してそれらを加熱する。上述したように、一度に１つのフィラメントに通電してもよい。フィラメント電圧供給部２３２はフィラメント１７０，１７２へバイアス電圧を供給する。抽出電圧供給部２３４は抽出電極１７４へバイアス電圧を供給する。反射電極電圧供給部２３６は反射電極１８０へバイアス電圧を供給する。基準電極１２６は通常は接地されている。
【００３１】
電圧がフィラメント１７０，１７２と、反射電極１８０と、抽出電極１７４と、基準電極１７６とへ印加されて、電界を提供して、上述のような動作がなされる。ヘリウムをトレーサガスとするある実施形態に於いて、反射電極１８０は２００〜２８０ボルトでバイアスされ、抽出電極１７４は２００〜２８０ボルトでバイアスされ、そして、基準電極１７６は接地される（０ボルト）。更に、フィラメント１７０，１７２は１００〜２１０ボルトでバイアスされて、エネルギ電子を提供して、微量ガスをイオン化する。ある特定の例に於いて、反射電極１８０と抽出電極１７４とは２５０ボルトで名目上バイアスされ、フィラメント１７０，１７２は１６０ボルトで名目上バイアスされ、そして、基準電極１７６は接地される。上記電圧は接地に関しては特定される。これらの値は一例としてのみ挙げたものであり本発明の範囲を限定するものではないことは理解されよう。
【００３２】
図２に示すように、イオン光学レンズ１３８は、電極２５０，２５２，２５４を含んでいてもよく、これらの電極はそれぞれ、イオンのイオン検出器１３０への通過を許容する開口部２５６を有している。各電極２５０，２５２，２５４は、イオンをイオン検出器１３０方向へ集束するアインツェルレンズを構成し、そして、電極２５２へ印加される電位は、軌道内へ散乱されるヘリウム以外の種のイオンを抑制するように作用するものであり、これらのヘリウム以外の種のイオンは、抑制されなければ検出器へ到達することが可能になるおそれがある。ある実施形態に於いて、電極２５０，２５２，２５４はそれぞれ、０ボルト、１８０ボルト、０ボルトでバイアスされる。
【００３３】
ある実施形態に於いて、イオン検出器１３０と検出器エレクトロニクス１５０とを含む検出器アセンブリは、広範囲にわたりかつ高い信号対雑音比でイオン電流を高感度で測定するよう設計することができる。イオン検出器１３０は、電位計レベルの演算増幅器の反転入力部に接続されるファラデープレートであってもよい。レンズ１３８を介してイオン軌道１３２をたどるイオンは、ファラデープレートに衝突するとともにプレート内に極めて少量の電流を発生させる。増幅器は、帯域幅制限コンデンサーを備えた反転相互コンダクタンス増幅器として構成される。フィードバック抵抗は、１ｘ１０9と１ｘ１０13との間のゲインを提供するよう選択された範囲にすることができる。コンデンサーは、検出器の特定の過渡応答は許容するが所望の過渡応答よりも大きな周波数のノイズは拒絶するよう選択される。１/ｆノイズを更に低減するために、増幅器はペルティエ式または熱電式冷却器で冷却される。冷却器は、９４℃の最大デルタＴを備えた２段階タイプである。冷却器の低温部は電位計増幅器に接合され、高温部は検出器構造柱部材に接合される。この熱的構造体に於ける電位計増幅器の極めて低い温度により、分析計本体がその最高動作温度である時に、入力バイアスおよびオフセット電流が低減され、したがって１/ｆノイズ成分は、この装置が到達できる最低レベルへまで低減される。これにより、最悪の周囲熱条件の下での検出器からのノイズを可能な限り最低レベルにする事を保証する。
【００３４】
圧力レベル、材質、寸法、電圧、および電界強度などを含むが、これらに限定されないパラメータの種々の値は、本発明の上記実施形態の説明に於いて与えられている。これらの値は単に一例としてのみあげたものであって、本発明の範囲について限定するものではないことは理解されよう。
図６は、ヘリウムなしの場合の、時間の関数としての、質量／電荷４での検出出力信号のグラフを示す。この不規則な信号は、Ｃ3+イオンの干渉に起因するものである。
【００３５】
図７は、漏れ検出システムにおける電子運動エネルギーの関数としての分析計信号のグラフを示し、このシステムは、漏れのないことが示されかつ99.99999％の純粋アルゴンで取入口から浄化され、これにより、真空ポンプを介して大気からヘリウムの逆流がないことが保証されている。電子運動エネルギーは約92eV（電子ボルト）に到達するので、ベースライン質量／電荷４信号は、ヘリウムがないにもかかわらず不規則に進展し始める。これは、分析計検出器で観察されるような分析計イオン源におけるＣ3+イオン形成の開始点である。
【００３６】
Ｃ3+イオン化閾値を下回るイオン源を作動させると、極めて感度の高い、かつ極めて安定的なヘリウム漏れ速度測定が可能になる。このことは、イオン源における空間電荷制限と分析計の非効率性とのため、従来装置では可能ではなかった。フィラメント表面のすぐ外側の低エネルギー電子に起因する空間電荷は、フィラメントから引き出すことができる最大電子電流を制限する。電離室内部の電子ビームに起因する空間電荷は、形成後にＨｅ+イオンを捉える場合があり、これにより、Ｈｅ+イオンを抽出して検出器へ移送する場合の効率を低減する。これにより、イオンを生成するために使用されることが出来る最大電子電流を制限する。漏れ検出のための従来の分析計は、高いフィラメント電圧、通常１００ボルト以上の電圧で動作され、これにより、十分な数の電子が電離室に到達して十分な量のヘリウムイオンを生成して、例えば、１Ｅ−１０以下の低い漏れ速度での測定を可能にする。従来の漏れ検出器の場合、低フィラメントバイアス電圧での動作では、実用的なレベルでの高感度な漏れ検出分析計を形成するに十分なヘリウム電離ができないであろう。Ｃ3+イオンに関する発見と組み合わされた本明細書に記載の上記イオン源形態により、炭素イオン化閾値を下回るがヘリウムに対するイオン化閾値を越える、電離室とフィラメントとの間の２５〜９２Ｖの差で、分析計を動作させることができ、これにより、安定したかつ正確な漏れ速度測定で高感度を達成する。図２〜図５の実施形態に於ける電離室は、反射電極１８０と抽出電極１７４とにより区画される。
【００３７】
要するに、質量分析計のイオン源は、イオン化電子が、微量ガス、一般的にはヘリウムをイオン化するには十分であるが、不要イオン、この場合Ｃ3+イオンを形成するには不十分なエネルギーを有するように動作される。上記例では、イオン源のフィラメントは、電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電子加速電位でバイアスされ、これにより、Ｃ3+イオンを形成するためのイオン化エネルギーよりは低いが、Ｈｅ+イオンを形成するには十分なエネルギーをイオン化電子に与える。電子加速電位は、フィラメント１７０，１７２と電離室間の電位差により定められる。電子加速電位を形成するため、フィラメント１７０，１７２は、反射電極１８０と抽出電極１７４とに対し負にバイアスされる。
【００３８】
本発明の実施形態は、種々異なる漏れ検出器構造体や種々異なる質量分析計構造体に於いて利用可能であり、安定しかつ正確な漏れ速度測定で高感度を達成することができることは理解されよう。このようにして、本発明は図１の漏れ検出器構造体や図２〜図５の分析計構造体に限定されるものではない。しかしながら、好ましい実施形態は、イオン化電子電流に対する空間電荷制限に由来する限定的な電離効率と、相対的に低い電子運動エネルギーに由来する低い電離効率とから可能な最高のＨｅ+信号を得るために、本発明を図２〜図５の高感度質量分析計と組み合わせることである。
【００３９】
本発明の少なくともある実施形態のいくつかの局面について説明してきたが、種々の変更、改変、および改良が当業者によりなされることは理解されよう。このような変更、改変、および改良は本開示の一部であるとみなされるとともに、本発明の精神および範囲内にあるものとみなされる。したがって、上記説明と図面とは単に１つの例示としてなされたものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を組み込むのに適した逆流漏れ検出器の概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る質量分析計の簡略化した概略側面図である。
【図３】図２の質量分析計の簡略した概略端面図である。
【図４】図３の線４−４に沿ったイオン源の部分断面図である。
【図５】図２の質量分析計に対する電源を示すブロック図である。
【図６】時間の関数としての、ヘリウム不在の場合の不安定なＣ3+バックグラウンド信号を示す検出信号出力のグラフである。
【図７】イオン源に於ける電子運動エネルギーを関数とする検出信号のグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微量ガスをイオン化するイオン源と、前記イオンを偏向させる磁石と、前記偏向されたイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法であって、前記イオン源は電子源を含み、前記方法は、
電離室に対して、前記微量ガスをイオン化するには十分であるが不要イオンを形成するには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含む方法。
【請求項２】
ヘリウムをイオン化するのに十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
三価炭素を形成するのには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記電子源を動作させる工程は、前記微量ガスをイオン化するのには十分であるが不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位でフィラメントを動作させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルト範囲の電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記電子源を動作させて、前記電離室内で、２５〜９２電子ボルトのエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記電子源を動作させて、前記電離室内で、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン源から前記微量ガスイオンを抽出する工程と、磁界に於いて前記微量ガスイオンを偏向させる工程と、前記偏向された微量ガスイオンを検出する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ヘリウムをイオン化するイオン源と、前記ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、前記偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法であって、前記イオン源はフィラメントを含み、前記方法は、
電離室に対して、ヘリウムをイオン化するには十分であるが三価炭素を形成するには不十分な電子加速電位で前記フィラメントを動作させる工程を含む方法。
【請求項１０】
前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電圧で前記フィラメントを電気的にバイアスする工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記フィラメントを動作させて、前記電離室内部に、２５〜９２電子ボルトの運動エネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィラメントを動作させて、前記電離室内に、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオン源からヘリウムイオンを抽出する工程と、磁界に於いて前記抽出されたヘリウムイオンを偏向させる工程と、前記偏向されたヘリウムイオンを検出する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
電子源を含むイオン源と、
電離室に対して、ヘリウムイオンを生成するには十分であるが三価炭素を生成するには不十分な電圧で前記電子源を動作させる電源と、
前記ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、
前記偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器と
を含む質量分析計。
【請求項１５】
前記電源は、前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電圧で前記電子源を動作させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記電源は、前記電子源を動作させて、前記電離室内部に、２５〜９２電子ボルトの運動エネルギーを有する電子を生成させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１７】
前記電源は、前記電子源を動作させて、前記電離室内に、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１８】
前記電子源は、少なくとも１つのフィラメントを含み、前記電源は前記フィラメントへ電圧を供給することを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１】
微量ガスをイオン化するイオン源と、前記イオンを偏向させる磁石と、前記偏向されたイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法であって、前記イオン源は電子源を含み、前記方法は、
電離室に対して、前記微量ガスをイオン化するには十分であるが不要イオンを形成するには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含む方法。
【請求項２】
ヘリウムをイオン化するのに十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
三価炭素を形成するのには不十分な電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記電子源を動作させる工程は、前記微量ガスをイオン化するのには十分であるが不要イオンを形成するのには不十分な電子加速電位でフィラメントを動作させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルト範囲の電子加速電位で前記電子源を動作させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記電子源を動作させて、前記電離室内で、２５〜９２電子ボルトのエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記電子源を動作させて、前記電離室内で、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン源から前記微量ガスイオンを抽出する工程と、磁界に於いて前記微量ガスイオンを偏向させる工程と、前記偏向された微量ガスイオンを検出する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ヘリウムをイオン化するイオン源と、前記ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、前記偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器とを含む質量分析計を動作させる方法であって、前記イオン源はフィラメントを含み、前記方法は、
電離室に対して、ヘリウムをイオン化するには十分であるが三価炭素を形成するには不十分な電子加速電位で前記フィラメントを動作させる工程を含む方法。
【請求項１０】
前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電圧で前記フィラメントを電気的にバイアスする工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記フィラメントを動作させて、前記電離室内部に、２５〜９２電子ボルトの運動エネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィラメントを動作させて、前記電離室内に、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させる工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオン源からヘリウムイオンを抽出する工程と、磁界に於いて前記抽出されたヘリウムイオンを偏向させる工程と、前記偏向されたヘリウムイオンを検出する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
電子源を含むイオン源と、
電離室に対して、ヘリウムイオンを生成するには十分であるが三価炭素を生成するには不十分な電圧で前記電子源を動作させる電源と、
前記ヘリウムイオンを偏向させる磁石と、
前記偏向されたヘリウムイオンを検出する検出器と
を含む質量分析計。
【請求項１５】
前記電源は、前記電離室に対して、−２５〜−９２ボルトの範囲の電圧で前記電子源を動作させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記電源は、前記電子源を動作させて、前記電離室内部に、２５〜９２電子ボルトの運動エネルギーを有する電子を生成させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１７】
前記電源は、前記電子源を動作させて、前記電離室内に、三価炭素のイオン化エネルギーを下回るエネルギーを有する電子を生成させるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１８】
前記電子源は、少なくとも１つのフィラメントを含み、前記電源は前記フィラメントへ電圧を供給することを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００９−５２７０９７（Ｐ２００９−５２７０９７Ａ）
【公表日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５５２８０（Ｐ２００８−５５５２８０）
【出願日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００３３７９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９７９１９
【国際公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【出願人】（３０９００８２４０）
【出願人】（３０９００８２３９）
【出願人】（３０９００８２５１）
【出願人】（３０９００８２６２）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００３３７９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０９７９１９
【国際公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【出願人】（３０９００８２４０）
【出願人】（３０９００８２３９）
【出願人】（３０９００８２５１）
【出願人】（３０９００８２６２）
【Ｆターム（参考）】
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