JP2004515037A - 無線周波数イオン源 - Google Patents

Abstract

空気中の圧力範囲にわたって低電力作動に適したｒｆイオン源が、放電電極と陰極と陽極とを含み、該陰極は、関連した結合手段によってｒｆ信号供給部に接続され、該陽極は、放電を発生させ得る該陰極の面積より実質的に大きくないプラズマ放電を発生させ得る表面積を提供するようになった。陽極及び陰極は、システムの所要電力を減少させるように互いに対して操作可能に配置され、ｒｆ放電及びイオン化を制御する手段を提供する。一連の電極対を含む拡張されたｒｆイオン源により、種々の状況において用いるための適応性が与えられる。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、無線周波数（ｒｆ）イオン源に関し、特に、空気中の大気圧を含む圧力範囲にわたって低電力作動が可能なグロー放電源に関する。
【０００２】
（背景技術）
周知の商業的に入手可能な電子衝撃（ＥＩ）イオン化源に類似した条件の下で作動することができ、より頑丈なイオン源の開発には、少なからぬ関心がよせられてきた。
ＥＩ源は、イオン化が必要とされる分析システムにおいて広く用いられる。しかしながら、ＥＩ源は、多くの不利な点を有する。特に、ＥＩ源は、酸素を多く含んでいる環境において作動することができず（従って、空気と共に用いることができない）、また、比較的エネルギッシュなイオン化プロセスにおいて正に帯電したイオンを生成するように制限されるので、汎用性を欠いている。
従って、大気圧及び酸素を多く含む環境において、効率的に作動可能なイオン源は、直接エアサンプリングのための商業的に入手可能な質量分析計を用いる重要な使用法を有する。
【０００３】
上記の問題の幾つかを克服するｒｆイオン源が、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ９５／０２９１８に説明されている。この源は、広範囲のｒｆ作動周波数、ｒｆ頂点間振幅、及び該源の圧力にわたって安定プラズマを発生させ得る正及び負生成イオン源を構成する。この源は、１つの陽極と、１つ又はそれ以上の陰極と、該陰極をｒｆ信号供給部に接続するための結合手段とを含む（注：接地電極は慣習的に陽極と呼ばれ、被駆動電極は陰極と呼ばれる）。放電の安定性を向上させるために、放電を発生させ得る電極の表面積は制限される。陰極もまた、イオン及び電子を最大限に生成するのを助けるために、陽極と該陰極との間の電場を実質的に歪ませるような形状にされる。
【０００４】
上述のｒｆ源は、１トールにおける０．１Ｗから大気圧における１Ｗまでの範囲の低電力で作動することができる。ｒｆ電力（頂点間振幅）及びｒｆ周波数を変化させる能力により、強度を変えることができ、種々の圧力領域に適合させることができる適応性のあるイオン化源がもたらされる。
ＰＣＴ／ＧＢ９５／０２９１８の発明は、プラズマ放電の最適化を可能にするために、陽極と陰極の間隔を０．５ｍｍから５ｍｍまでの範囲の値で設定することができると予想する。
【０００５】
大きな陽極／陰極の間隔において、プラズマ放電を発生させるには、システムの全所要電力が、その距離において放電を開始するのに十分なものであることを必要とする。このことは、放電を維持するのに必要とされるより多くの電力を必要とする。携帯型の（例えば、バッテリー駆動型の）装置及び他の用途の開発において、所要電力をできる限り低く保持することが有利である場合には、放電を開始するのに必要とする電力を、放電を維持するのに必要とする電力まで減少させることが好ましい。このことは、放電開始時に電極の間隔を減少させ、次に一定の所要電力を維持しながら電極の間隔を増加させることによって達成することができる。しかしながら、上記のｒｆ源は、陽極と陰極の間隔を変える前に、電源を切り装置を開けることを必要とする。これは、場の使用中には不適切であり、健康及び安全上の影響がある。
従って、本発明の目的は、上述の問題を克服するために、安定プラズマを生成し、電極の間隔に対して大幅な制御を行う正及び負イオン源を提供することである。
【０００６】
（発明の開示）
本発明によると、陰極と、放電を生じさせる陰極の面積より実質的に大きくないプラズマ放電を発生させ得る表面積をもたらすようになった陽極とを有する１対の放電電極と、該陰極をｒｆ信号供給部に結合させるように該陰極に作動的に接続された結合手段とを含むｒｆイオン源が提供され、該源は、電極の間隔を調整するように一方又は両方の電極を操作するための手段をさらに含み、作動中にプラズマ放電を制御できるようになる。
【０００７】
放電の最初の打撃は、電極の間隔を減少させることにより助けられ、このことは、操作可能な電極により助長される。一旦放電が発生すると、所望の間隔を達成するまで電極の間隔を増加させることができる。使用中に電極を操作する能力をもたない源は、より大きな間隔で放電を発生させるために、まず電源を上昇させることを必要とする。源によって０から５ｍｍまでの間隔を快適に達成することができることが見出された。
操作可能な電極のｒｆイオン源の別の利点は、作動を停止し、装置を開ける必要なく、発生されることになるプラズマ放電の最適化を可能にすることである。さらに、例えば、装置の運搬中、又は機器の振動、電極の腐食、湿度の変化などによって、予期せず生じる得る電極の間隔の如何なる変化も容易に修正することができる。
放電電力、源の圧力、放電ガス、又はｒｆ周波数が変化した場合には、安定した放電を発生させる電極の間隔もまた変化する。操作可能な電極源により、電極の間隔の制御によって補償されることになる放電特性の変化が可能になる。
【０００８】
本発明にさらに別の利点は、操作可能な電極の配置によりもたらされる所要電力の減少から生じるものである。このことは、小型化された部品を用いる源に電力を供給することを可能にし、該源をイオン移動度分光計のような手持ち式及び他の携帯型装置に接続することができるようにする。
設計上の理由のために、２つの電極（陽極／陰極）のうちの一つだけが操作可能であり、もう一方は、所定の位置に固定される。しかしながら、所望であれば、両方の電極を操作可能にすることもできる。
【０００９】
２つの電極を接合する軸をｚ軸とする場合には、プラズマ放電にわたって最大レベルの制御を提供するために、一方（又は両方の）電極が、横方向のｘ−ｙ面及びｚ方向の両方に操作可能となるように配置される。
好都合なことに、操作可能な電極システムを、完全に自動化され、均一で一定のイオン源を提供するように配置されたフィードバック機構に接続することができる。ｒｆ順電力は、発生させられた放電のゲージである。従って、一定の源を達成するために、フィードバック機構は、適切な電力計を用いてｒｆ順電力を監視し、これに応じて電極の間隔を調整することができる。
電極が、安定したままであり、放電によって生じた局所化された高温のもとで均一の放電を発生させることを必要とするので、電極材料の選択は重要である。従って、電極を形成するために選択された材料は、高融点及び優れた熱伝導率を有し、空気中における腐食が最小限でなければならない。適切な材料の例は、タンタルである。
【００１０】
好都合なことに、電極を針先状に鋭利にすることを保証することによって、所要電力をさらに減少させることができる。このことにより、増加された表面曲率及び電場の歪みがもたらされ、イオン生成を増加させる放電の強さが増すことになる。
本発明のｒｆイオン源は、大気圧からおよそ４００ミリトールまでの圧力範囲にわたって機能する。
このシステムの所要電力が相対的に小さいので（大気圧において２ワット及び１トールにおいて０．１ワットで十分である）、一連の電極対（一つの陽極と一つの陰極が各対を構成する）を用いて拡張されたイオン源を形成することができる。
【００１１】
電極対を線形の構成又は円形の構成で配置することができる。円形の構成は、大きな断面積を通って流れるガスのイオン化が必要とされる状況に有用である。
線形に構成された拡張された配置は、源が、例えば分子／超音波ビームのような高速ガス流システムと関連し、単独の源からのイオン化の機会が確実でないが、一連の源が優れたイオン化可能性を保証する場合において有用である。そのような配置において、各々の電極対は、それぞれのｒｆ信号供給部及び結合手段を有する。
線形及び円形の構成の両方において、電極対を固定することができ、又はより好都合なことに、操作可能な電極を有することができる。
【００１２】
線形に構成された拡張された配置のさらに別の利点は、異なる放電特性をもたらすように異なる電極対を構成できることであり、従って、システムを、一つの領域から別の領域に迅速に切り換えることができる。これは、システムがイオン移動度分光計のような機器に接続される場合には、利点となる。例えば、このことは、正及び負両方のイオン生成について最適条件を与えるように適応性をもたらし、或いは特定の組の条件（例えば、ＲＦ周波数、ＲＦ振幅、又はさらに電極材料）が必要とされるより具体的な場合において、特定の化合物又は化合物のクラスの生成（よって、検出）を選択的に高める。
【００１３】
ＲＦ周波数／振幅の変化は、複雑な電子機器を必要とすることがあり、これらは、費用と複雑さを付加しがちである。拡張された源に関するように、固定された振幅／周波数システムは、簡単な電子機器を必要とし、安価で、使用、維持、構成がより簡単である。
本発明のｒｆイオン源が、このような広い作業圧力範囲及び適応性を有するので、該ｒｆイオン源を、イオン移動度分光計、選択されたイオン流管又は電界イオン分光計、質量分析計及びＬＣ装置のような分析システムといった範囲のシステムに好都合に接続することができる。
【００１４】
ＰＣＴ特許出願ＷＯ９７／２８４４４（グラスビー）は、ドーパントイオンを生成するＤＣコロナ放電イオン源の使用について説明する。一般に、ドーパントイオン種は、イオン化領域において主要な反応物イオンとなり、入ってくるサンプルがイオン化されることになる場合には、ドーパントイオンによりイオン−分子反応を経なければならない。生成されたドーパントイオンにより、幾つかの種類のサンプル蒸気に効率的なイオン化を行い得るだけである場合には、該ドーパントイオンが、イオン化源の選択性を増加させる。
この用途のｒｆイオン源は、ドーパント源として好都合に用いることもでき、周波数、振幅、ＤＣオフセット、波形及びバイアスの全てを、特定のドーパント種を選択的又は任意に生成する手段として制御することができるという点で、グラスビーに優る付加的な利点を提供する。
【００１５】
（発明を実施するための最良の形態）
ここで、添付の図面を参照し、例として本発明の実施形態を説明する。
図１に示されるｒｆイオン源が、陰極１と、操作可能な陽極２とを含む。これらの放電電極（１、２）は、１ｍｍの直径のタンタル線（グッドフェロー・ケンブリッジ社から商業的に入手可能な）で製造されるが、適切な寸法にされた如何なる導体を針の先に引き込まれた該電極（１、２）の先端部と置き換え得ることが理解されるであろう。
陽極２（接地されている）は、陰極１に対して該陽極２をいずれの方向にも操作できるように手段３に接続される。フィードバック機構４が、適切な電力計を介して順電力を監視し、安定したプラズマ放電を提供するように陰極１に対して陽極２の位置を自動調整する。（注意：代替的な配置においては、陰極１を陽極２に対して動かすことができる。）
【００１６】
結合手段５が陰極１に設けられ、ｒｆ信号供給部６に作動的に接続される。結合手段５は、ｒｆ増幅器（図示せず）が、１トールにおける０．１Ｗから１大気圧における２Ｗまでに及ぶ特定のシステムに対して適切な振幅をもたらすようになったことを除いては、従来技術のイオン源において用いられるものと本質的に類似している。
ｒｆイオン源は、入口８及び出口９を有するイオン化チャンバ７内に配置される。
図１のイオン源を適合させた用途の例が、図２に示される。ここで、イオン源は、イオン移動度分光計（ＩＭＳ）に作動的に接続される。イオン移動度分光法は、微量の検出、特に爆発物及び薬物検出に対して有力な技術である。（注意：従来より、放射性源がＩＭＳにおけるイオン化源として用いられた。）図２におけるＩＭＳは、ＲＦイオン源２０、ドリフト電池３０、及びガス流システム（３８、３９、４６）の３つの主領域から成る。
【００１７】
試験されることになるサンプルが、ｒｆ源の領域内に案内されたサンプルプローブ上に配置される。電源４３に接続された電熱線４２が設けられ、サンプルを急速に気化させる。気化されたサンプルをイオン化源２０の領域内に運ぶために、ガス流システムの一つのアーム４４が、空気を源チャンバ７内に送る。（注意：図２に示されるｒｆイオン源は、図１に示されるものと同じであり、同様の符号が同様の特徴を示すように用いられる。）
【００１８】
ｒｆ放電源が、ゲートグリッド３２から約１５ｍｍのところに配置され、ｒｆイオン源２０をドリフト電池３０から分離する。使用中、ゲートグリッド３２は、電圧パルスを短時間（１ｍｓより短い）加えて該ゲートグリッド３２を開き、源において発生したイオンのサンプルをドリフト電池内に通すことを可能にする場合を除いて、イオンが該ドリフト電池３０内に流入するのを防止する。
ドリフト電池３０は、該ドリフト電池の両端に電場の勾配を生じさせる一連のリング電極３４を含む。作動において、場の勾配は、電池を通してイオンを検出器３６（ファラデーカップ検出器）に引き付ける。空気は、入口３８及び４６からドリフト電池内に案内され、出口３９から出る。逆空気流３８が、電場に反対方向の力をもたらし、イオン移動度の識別力を高める。
【００１９】
図３は、ｒｆイオン源と共に、一連のＲＤＸ及びＰＥＴＮサンプル（グラフ上に示される種々の量に対応する）について生成された負の移動度のＩＭＳスペクトラムを示す。ＲＤＸ（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）及びＰＥＴＮ（５２ａ、５２ｂ）を示すピークは、明らかに見分けられる。
図４は、ｒｆイオン源と^６３Ｎｉ放射性源の結果の比較を示す（１ｎｇのサンプルを用いて得られた結果）。２つのスペクトラムに記録されたピークが、同じイオン化領域において生成されたこと（ピーク５４ａ及び５４ｂはＲＤＸを示し、ピーク５６ａ及び５６ｂはＰＥＴＮを示す）、及びｒｆイオン源が、実行可能な放射線源の代替物であることが明らかである。
【００２０】
図５は、拡張されたイオン化領域（斜線６６で示される）を生成するために、直列に配置された一連の３つの陽極／陰極電極対（６０及び６１、６２及び６３、６４及び６５）を示す。このような拡張されたイオン化領域は、高速流又は高速サンプリングシステムに、或いは超音波ガス流を調べるためにさえ適切なものである。その使用の例は、商業的な質量分析計を用いて分析する前に、大気サンプリングのような高速ガスサンプリングシステムを用いるというものである。当業者であれば、如何なる数の電極対も互いに接続できることを理解するであろう。高速流システムの場合には、電極の各対は、同様に構成され、１つのＲＦ源、増幅器、及び整合回路だけを必要とする。異なるように使用される場合には、多数の電極対システムは、異なるイオン化領域について設定された隣接する電極対を有し、一つの領域から別の領域へと迅速に切り換える汎用性を提供する。これにより、例えば、正イオン生成モードから負イオン生成モードへと迅速に切り換えることが可能になる。実際には、このことは、それ自体を異なる材料及び異なる寸法で作ることができる電極の各対について、異なるｒｆ源、ｒｆ増幅器、及び整合回路を必要とする。
【００２１】
図６は、円形の配置で配置された多数の陽極／陰極電極対（７０及び７１、７２及び７３、７４及び７５、７６及び７７）の別の配置を示す。これにより、例えば、大きな断面積を通って流れるガスのイオン化が必要とされ、又はイオン化が必然的に相対的に穏やかであり、よって小さな領域を含んでいただけであった特定の状況のために、大きな放電領域が提供されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
操作可能な電極イオン源及びフィードバック機構を示す。
【図２】
イオン移動度分光計に接続されたときの図１の放電源を示す。
【図３】
ｒｆイオン化源を用いるＲＤＸ及びＰＥＴＮのイオン移動度スペクトラムを示す。
【図４】
ｒｆ源及び^６３Ｎｉ放射性源から得られたＲＤＸとＰＥＴＮの比較を示す。
【図５】
拡張された源配置を示す。
【図６】
拡張された源配置の異なる構成を示す。

Claims (16)

1. 陰極と陽極とを有する一対の放電電極を備え、前記陽極は、放電を生じさせる前記陰極の面積より実質的に大きくないプラズマ放電を発生させ得る表面積をもたらすようになっており、該陰極をｒｆ信号供給部に結合させるように該陰極に作動的に接続された結合手段が設けられ、前記電極の間隔を調整するために一方又は両方の電極を操作するための手段をさらに備え、作動中に前記プラズマ放電を制御することができるようになったことを特徴とするｒｆイオン源。
2. 前記一方又は両方の電極を操作するための手段が、３つの垂直な移動方向に一方又は両方の電極を操作することができることを特徴とする請求項１に記載のｒｆイオン源。
3. ０ｍｍから５ｍｍまでの隙間を間に定めるように、前記電極を動かすことができることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のｒｆイオン源。
4. 前記一方又は両方の電極を操作するための手段が、均一で一定のイオン源をもたらすように、フィードバック機構に作動的に接続されたことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のｒｆイオン源。
5. 前記電極が、高い融点と優れた熱伝導率とを有し、空気中における腐食が最小限である材料で作られたことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のｒｆイオン源。
6. 前記材料がタンタルであることを特徴とする請求項５に記載のｒｆイオン源。
7. 前記電極が、針先に形成されたことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のｒｆイオン源。
8. 前記請求項のいずれかによる一連の放電電極対と、各陰極をｒｆ信号供給部に接続するための結合手段とを備える拡張されたｒｆイオン源であって、前記一連の電極対が、線形の構成で配置されたことを特徴とする拡張されたｒｆイオン源。
9. 請求項１から請求項７までのいずれかによる一連の放電電極対と、各陰極をｒｆ信号供給部に接続するための結合手段とを備える拡張されたｒｆイオン源であって、前記一連の電極対が、円形の構成に配置されたことを特徴とする拡張されたｒｆイオン源。
10. 各々の電極対が、独自のｒｆ信号供給部と結合手段とを有することを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の拡張されたｒｆイオン源。
11. 前記一連の電極対内の異なる電極対が、異なる放電特性を提供するように配置されたことを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれかに記載の拡張されたｒｆイオン源。
12. ｒｆ周波数が固定されたことを特徴とする請求項８から請求項１１までのいずれかに記載の拡張されたｒｆイオン源。
13. 前記源が、前記電極の一部又は全てを操作するための手段をさらに備えることを特徴とする請求項８から請求項１２までのいずれかに記載の拡張されたｒｆイオン源。
14. 前記源が、イオン移動度分光計、又は選択されたイオン流管、又は電界イオン流管、又は質量分析計のような別のシステムに作動的に接続されたことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の拡張されたｒｆイオン源。
15. 前記源が、ドーパント源として用いられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のｒｆイオン源又は拡張されたｒｆイオン源。
16. 添付図面の図１から図６までに関連して実質的に以下に説明されるようなｒｆイオン源。

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