JP5208429B2

JP5208429B2 - Mass spectrometer

Info

Publication number: JP5208429B2
Application number: JP2007020982A
Authority: JP
Inventors: 善和松本
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP2008186765A

Description

本発明は、質量分析計に関するものである。 The present invention relates to a mass spectrometer.

従来から、真空装置の残留ガス分析計の一つとして、質量分析計が知られている。その中で最も広く一般に知られている四極子形質量分析計は、通常、イオン源、質量分離部およびイオン検出器から構成される。四極子形質量分析計の一般的な構成の概略図を図９に示す。図９に示すように、四極子形質量分析計１００は、電子源であるカソード電極１０１から、カソード電極１０１に対して正の電位に制御されたアノード電極１０２に向けて電子が放出される。その電子の一部は、アノード電極１０２に到達する前に気体分子と衝突し、気体をイオン化しイオンを生成する。アノード電極１０２で区切られたイオン化室１０３で生成されたイオンの一部は、引き出し電極１０４により質量分離部１０５に導入され、イオンの質量と電荷の比によって分離され、集イオン電極１０７で目的のイオンを検出する。なお、イオン源は電子源であるカソード電極１０１と電子を捕捉するアノード電極１０２とで構成されている。 Conventionally, a mass spectrometer is known as one of the residual gas analyzers of a vacuum apparatus. The most widely known quadrupole mass spectrometer is usually composed of an ion source, a mass separator and an ion detector. A schematic diagram of a general configuration of a quadrupole mass spectrometer is shown in FIG. As shown in FIG. 9, the quadrupole mass spectrometer 100 emits electrons from a cathode electrode 101 that is an electron source toward an anode electrode 102 that is controlled to a positive potential with respect to the cathode electrode 101. Some of the electrons collide with gas molecules before reaching the anode electrode 102, ionize the gas and generate ions. A part of the ions generated in the ionization chamber 103 separated by the anode electrode 102 is introduced into the mass separation unit 105 by the extraction electrode 104 and separated by the ratio of the ion mass to the charge. Detect ions. The ion source includes a cathode electrode 101 that is an electron source and an anode electrode 102 that captures electrons.

質量分離部１０５は、四本の棒状電極１０６が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向に位置する棒状電極１０６が同電位となるように配線されている。二対の棒状電極１０６には、同じ大きさで正負が逆の直流電圧Ｕと位相が１８０度異なる交流電圧Ｖｃｏｓωｔとが重畳した電圧が印加される（＋Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔおよび−Ｕ−Ｖｃｏｓωｔ）。ＵおよびＶの大きさによって、イオン源（カソード電極１０１およびアノード電極１０２）から棒状電極１０６の一端に入射したイオンのうち、ある特定の質量と電荷の比を持つイオンのみが入射側と反対の位置にある集イオン電極１０７まで到達し、検出される。それ以外のイオンは、棒状電極１０６に衝突するか、棒状電極１０６より外側の空間に導かれる。 The mass separation unit 105 has a shape in which four rod-like electrodes 106 are arranged symmetrically and in parallel in a lattice shape, and the rod-like electrodes 106 positioned opposite to each other are wired so as to have the same potential. The two pairs of rod-shaped electrodes 106 are applied with a voltage (+ U + Vcosωt and −U−Vcosωt) in which a DC voltage U having the same magnitude and opposite in polarity and an AC voltage Vcosωt having a phase difference of 180 degrees are superimposed. Depending on the size of U and V, only ions having a specific mass-to-charge ratio out of the ions incident on one end of the rod-like electrode 106 from the ion source (cathode electrode 101 and anode electrode 102) are opposite to the incident side. It reaches the collector electrode 107 at the position and is detected. Other ions collide with the rod-shaped electrode 106 or are guided to a space outside the rod-shaped electrode 106.

また、ＵとＶの比を一定に保ちながら、それらの電圧の大きさを変化させることで、集イオン電極１０７に到達するイオンの種類をその質量と電荷の比に応じて選別することができる。 Further, by changing the voltage magnitude while keeping the ratio of U and V constant, the type of ions that reach the ion collection electrode 107 can be selected according to the mass-to-charge ratio. .

さらに、四極子形質量分析計１００が使用される圧力領域（一般に１Ｐａ以下）で全圧を測定する手段として、電離真空計が知られている。電離真空計の一般的な構成の概略図を図１０に示す。図１０に示すように、電離真空計は、電子源であるカソード電極１２１、電子を捕捉するアノード電極１２２、イオンを捕捉する集イオン電極１２３を備えている。カソード電極１２１から、それに対して正電位に制御されたアノード電極１２２に向けて放出された電子が気体分子と衝突すると、気体分子がイオン化され、それらの一部が集イオン電極１２３に到達し、イオン電流が発生する。イオン電流はイオン電流検出器によって検出され、その大きさが通常では気体分子密度と比例することから、気体分子の密度に比例する気体圧力を知ることができる。 Furthermore, an ionization vacuum gauge is known as a means for measuring the total pressure in a pressure region (generally 1 Pa or less) in which the quadrupole mass spectrometer 100 is used. A schematic diagram of a general configuration of an ionization gauge is shown in FIG. As shown in FIG. 10, the ionization vacuum gauge includes a cathode electrode 121 that is an electron source, an anode electrode 122 that captures electrons, and an ion collection electrode 123 that captures ions. When electrons emitted from the cathode electrode 121 toward the anode electrode 122 controlled to have a positive potential collide with gas molecules, the gas molecules are ionized, and some of them reach the ion collecting electrode 123, An ion current is generated. The ion current is detected by an ion current detector, and the magnitude of the ion current is usually proportional to the gas molecule density, so that the gas pressure proportional to the density of the gas molecules can be known.

従来は、上述の分圧測定と全圧測定とを別々の測定装置を用いて測定をおこなっていたが、近年、四極子形質量分析計の中には、分圧を測定するだけでなく、全圧を測定する機能を有するものが知られている。このような四極子形質量分析計の多くは、分圧測定のために構成されているイオン源の一部と、電離真空計を構成するイオン源の一部とを共通化し、加えて適切な位置に全圧測定用の集イオン電極を設置することで、全圧測定機能を付加している。電離真空計が不要となることで、構成が小さくなることや、経済的な利点がある。 Conventionally, the above partial pressure measurement and total pressure measurement have been performed using separate measuring devices, but in recent years, in a quadrupole mass spectrometer, not only the partial pressure is measured, Those having the function of measuring the total pressure are known. Many of these quadrupole mass spectrometers share a part of the ion source configured for partial pressure measurement and a part of the ion source that constitutes the ionization vacuum gauge. A total pressure measurement function is added by installing a collector electrode for measuring the total pressure at the position. By eliminating the need for an ionization vacuum gauge, the configuration is reduced and there are economic advantages.

しかし、全圧測定用集イオン電極を設置したことによって、分圧の測定を阻害する場合がある。その一つの原因として、全圧を測定するために付加された全圧測定用集イオン電極にイオンが衝突することで発生する二次電子や、イオン化工程に伴い発生する光が全圧測定用集イオン電極に照射されることにより発生する二次電子が、分圧測定用集イオン電極に到達し、質量スペクトルのベースラインを低下させる問題がある。これは、質量分析計のイオンが正の荷電粒子であり、それが分圧測定用集イオン電極に到達すると、正の電流が流れ、その電流の大きさを気体分圧に換算するが、二次電子つまり負の荷電粒子が分圧測定用集イオン電極に到達すると、負の電流が流れ、正イオンや脱励起光によって流れる正の電流と打ち消しあってベースラインを低下させることとなる。
ここで、ベースラインは測定対象の気体の種類や量に関わらず、分圧測定用集イオン電極に流れてしまう電流を指す。ベースラインはゼロであることが望ましいが、様々な状況でベースラインは変化する。したがって、ベースラインが全ての質量電荷比ｍ／ｚに亘って一定量変化するのであれば、相対的な電流値の変化を測定することが可能となる。逆に、質量電荷比ｍ／ｚに応じてベースラインの変化が異なると、測定が困難となる。 However, the measurement of partial pressure may be hindered by the installation of the ion collecting electrode for measuring the total pressure. One reason for this is that secondary electrons generated when ions collide with the total pressure measurement ion collection electrode added to measure the total pressure, and light generated during the ionization process are collected. There is a problem that secondary electrons generated by irradiating the ion electrode reach the ion collecting electrode for partial pressure measurement and lower the baseline of the mass spectrum. This is because when the ions of the mass spectrometer are positively charged particles and reach the ion collecting electrode for partial pressure measurement, a positive current flows and the magnitude of the current is converted into a gas partial pressure. When the secondary electrons, that is, negatively charged particles reach the ion collecting electrode for partial pressure measurement, a negative current flows and cancels the positive current flowing by positive ions or deexcitation light to lower the baseline.
Here, the baseline refers to the current that flows to the partial pressure measurement collector electrode regardless of the type and amount of the gas to be measured. The baseline is preferably zero, but the baseline changes in various situations. Therefore, if the baseline changes by a certain amount over the entire mass-to-charge ratio m / z, it is possible to measure a relative change in current value. Conversely, if the change in the baseline varies according to the mass to charge ratio m / z, the measurement becomes difficult.

このベースライン低下の問題は、圧力が高くなるに伴い、全圧測定用集イオン電極の表面にイオンが衝突する頻度が高くなり、また、イオン化頻度が高まることに起因して発生する。つまり、この問題は圧力が高いときに顕著に表れる。その例を、図１１および図１２に示す。図１１および図１２は、全圧測定用集イオン電極としてステンレスの板を用いた場合に、それぞれ０．００５Ｐａおよび０．５Ｐａのアルゴンを測定したときの質量スペクトルである。アルゴンが０．００５Ｐａのときは、アルゴン（ｍ／ｚ＝４０）に起因するピーク以外の部分（以下、ベースラインという）で質量スペクトルは略平らであるが、アルゴンが０．５Ｐａのときは、質量電荷比ｍ／ｚ＝１〜２０、ｍ／ｚ＝２６．３５付近などでベースラインが局所的に低下している。これは、圧力が高くなるに伴い、上述した二次電子の発生量が増加したことを示している。 The problem of the decrease in the baseline occurs because the frequency of collision of ions with the surface of the total pressure measurement ion collecting electrode increases as the pressure increases, and the ionization frequency increases. That is, this problem becomes prominent when the pressure is high. Examples thereof are shown in FIGS. 11 and 12. FIG. 11 and FIG. 12 are mass spectra when measuring argon of 0.005 Pa and 0.5 Pa, respectively, when a stainless steel plate is used as the total pressure measuring ion collecting electrode. When argon is 0.005 Pa, the mass spectrum is substantially flat at a portion other than the peak due to argon (m / z = 40) (hereinafter referred to as the baseline), but when argon is 0.5 Pa, The baseline is locally lowered at a mass-to-charge ratio of m / z = 1 to 20, near m / z = 26.35. This indicates that the amount of secondary electrons generated increases as the pressure increases.

上述の問題の解決にあたり、高精度の圧力測定を行い、かつ高精度のガス分析も同時に行うことができる四重極質量分析計が示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２６６８５４号公報 In solving the above problems, a quadrupole mass spectrometer capable of performing highly accurate pressure measurement and simultaneously performing highly accurate gas analysis is disclosed (for example, see Patent Document 1).
JP 2006-266854 A

ところで、上述の特許文献１の質量分析計は、ワイヤー状のコレクタを用いているため、質量分離部へのイオンの引き出し効率を低下させる虞がある。つまり、分圧感度が低下するという虞がある。これを解決するには、分圧測定を行う際に、ワイヤーコレクタを一時的にグリッド電極（アノード電極）と同電位にする必要があると共に、微小電流の計測を阻害するようなノイズおよび漏れ電流が発生しないようにする必要があり、手間がかかる。さらに、ワイヤーコレクタは、変形しやすく、組立て時やイオン源交換時の取り扱いに注意が必要である。つまり、ワイヤーコレクタが変形すると、全圧／分圧感度低下の原因になる。 By the way, since the mass spectrometer of the above-mentioned patent document 1 uses a wire-shaped collector, there exists a possibility of reducing the extraction efficiency of the ion to a mass separation part. That is, there is a possibility that the partial pressure sensitivity is lowered. To solve this, it is necessary to temporarily set the wire collector to the same potential as the grid electrode (anode electrode) when performing partial pressure measurement, and noise and leakage current that hinder measurement of minute currents It is necessary to prevent this from occurring, which is troublesome. Furthermore, wire collectors are easily deformed and care must be taken during assembly and ion source replacement. That is, if the wire collector is deformed, it causes a reduction in total pressure / partial pressure sensitivity.

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高精度な全圧および分圧測定を容易に実現することができる質量分析計を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a mass spectrometer that can easily realize high-precision total pressure and partial pressure measurement.

本発明の質量分析計は、被測定ガスの分子をイオン化するイオン源と、前記イオン源で生成されたイオンの進路を質量電荷比ごとに決定する質量分離部と、前記質量分離部を通過した特定の質量電荷比のイオンを捕捉する分圧測定用集イオン電極とを備えた質量分析計であって、
前記イオン源を挟んで前記質量分離部の反対側に、前記イオン源で生成された全種類のイオンを捕捉する全圧測定用集イオン電極を設け、
前記全圧測定用集イオン電極が板状に形成され、かつ開口が形成されており、
前記開口による前記全圧測定用集イオン電極の開口率が４０％以上であるとともに、前記開口の一つ当たりの面積が０．５ｍｍ ^２以上１ｍｍ ^２以下であることを特徴とする。
本発明は、被測定ガスの分子をイオン化するイオン源と、前記イオン源で生成されたイオンの進路を質量電荷比ごとに決定する質量分離部と、前記質量分離部を通過した特定の質量電荷比のイオンを捕捉する分圧測定用集イオン電極とを備えた質量分析計であって、前記イオン源を挟んで前記質量分離部の反対側に、前記イオン源で生成された全種類のイオンを捕捉する全圧測定用集イオン電極を設け、前記全圧測定用集イオン電極が板状に形成され、かつ開口が形成されていることができる。
このように構成することで、全圧測定用集イオン電極の外径を小さくしなくても、開口を形成することで全圧測定用集イオン電極の表面積を小さくすることができる。これにより、ベースラインが低下する問題を軽減しつつ、開口部を設けない場合と略同等に、イオン化室からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することができ、外形を小さくした場合に比べて、全圧感度を高くすることができる。また、全圧測定時に、感度がイオン源内の電極間の電位の微妙な調整や圧力領域で変化することを防ぐことができる。さらに、全圧測定用集イオン電極を板状としたことで、組立て時やイオン源交換時に変形しにくくなるため、全圧／分圧感度の低下を引き起こすことなく、安定した測定を行うことができる。 The mass spectrometer of the present invention passes through an ion source that ionizes molecules of a gas to be measured, a mass separation unit that determines a path of ions generated in the ion source for each mass-to-charge ratio, and the mass separation unit. A mass spectrometer comprising a partial pressure measuring ion collecting electrode for capturing ions of a specific mass to charge ratio,
On the opposite side of the mass separation unit across the ion source, a total pressure measuring ion collecting electrode for capturing all types of ions generated by the ion source is provided.
The total pressure measuring ion collecting electrode is formed in a plate shape, and an opening is formed,
An opening ratio of the total pressure measurement collector ion electrode by said opening is 40% or more, the area per one of the openings is equal to or is 0.5 mm ² or more 1 mm ² or less.
The present invention includes an ion source that ionizes molecules of a gas to be measured , a mass separation unit that determines a path of ions generated by the ion source for each mass-to-charge ratio, and a specific mass charge that has passed through the mass separation unit. A mass spectrometer equipped with a partial pressure measurement ion collecting electrode for capturing ions of a specific ratio, and all types of ions generated by the ion source on the opposite side of the mass separation unit across the ion source the total pressure measurement collector ion electrode for capturing provided, wherein the total pressure measuring current ion electrode is formed in a plate shape, and Ru can opening is formed.
By comprising in this way, even if it does not make the outer diameter of the ion electrode for total pressure measurement small, the surface area of the ion electrode for total pressure measurement can be made small by forming an opening. As a result, the electric field sufficient to draw and collect ions from the ionization chamber can be formed, and the outer shape can be reduced, almost the same as when no opening is provided, while reducing the problem of lowering the baseline. Compared to the case, the total pressure sensitivity can be increased. In addition, when measuring the total pressure, it is possible to prevent the sensitivity from being finely adjusted in the potential between the electrodes in the ion source or changing in the pressure region. Furthermore, since the collector electrode for measuring the total pressure is made into a plate shape, it becomes difficult to be deformed at the time of assembly or ion source replacement, so that stable measurement can be performed without causing a decrease in total pressure / partial pressure sensitivity. it can.

本発明は、前記開口による前記全圧測定用集イオン電極の開口率が４０％以上であることができる。
このように構成することで、全圧測定用集イオン電極で発生する二次電子を低減することが可能になり、二次電子が分圧測定用集イオン電極に到達して質量スペクトルのベースラインを低下させるのを抑制することができる。したがって、質量スペクトルを安定させることができる。 The present invention, the aperture ratio of the total pressure measurement collector ion electrode by said opening Ru can be 40% or more.
With this configuration, it becomes possible to reduce secondary electrons generated in the total pressure measurement ion collecting electrode, and the secondary electrons reach the partial pressure measuring ion collecting electrode and reach the baseline of the mass spectrum. Can be suppressed. Therefore, the mass spectrum can be stabilized.

本発明は、前記開口の一つ当たりの面積が１ｍｍ^２以下であることができる。
このように構成することで、イオン化室からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することが可能になり、全圧感度を高くすることができる。
The present invention, the area per one of the openings Ru can be 1 mm ² or less.
With this configuration, it is possible to form an electric field sufficient to extract and collect ions from the ionization chamber, and to increase the total pressure sensitivity .

全圧測定用集イオン電極の表面積を小さくすることは、開口部を設けずに外径を小さくすることでも可能であるが、そのような場合はイオン化室からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することが困難となり、全圧感度が低下する。したがって、全圧測定用集イオン電極の外径を小さくすることなく、開口を形成して表面積を小さくすることで、外形を小さくした場合に比べて、全圧感度を高くすることができる。
また、全圧測定用集イオン電極を板状としたことで、組立て時やイオン源交換時に変形しにくいため、全圧／分圧感度の低下を引き起こすことがなくなる。
また、上述した二次電子の発生原因から、全圧測定用集イオン電極の面積が大きくなるほど二次電子の放出面が増えることになる。したがって、二次電子の放出量も増加し、分圧測定における質量スペクトルのベースライン低下を引き起こしやすくなる。そのため、全圧集イオン電極の表面積を小さくする、すなわち開口率が高いほど質量スペクトルを安定させることができ、分圧測定に有利となる。
また、一つ当たりの開口の面積が大きくなるにつれて、イオン化室からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することが困難となり、全圧感度が低下する。したがって、一つ当たりの開口が小さいほど全圧感度を高くすることができる。
よって、高精度の全圧測定を行い、かつ高精度の分圧測定（ガス分析）を容易に行うことができる効果がある。 Although it is possible to reduce the surface area of the ion collection electrode for measuring total pressure, it is possible to reduce the outer diameter without providing an opening. In such a case, it is sufficient to extract ions from the ionization chamber and collect them. It is difficult to form a strong electric field, and the total pressure sensitivity is lowered. Accordingly, by forming the opening and reducing the surface area without reducing the outer diameter of the ion collecting electrode for measuring total pressure, the total pressure sensitivity can be increased as compared with the case where the outer shape is reduced.
Further, since the ion collecting electrode for measuring the total pressure is formed into a plate shape, the total pressure / partial pressure sensitivity is not lowered because it is not easily deformed during assembly or ion source replacement.
In addition, due to the generation of the secondary electrons described above, the secondary electron emission surface increases as the area of the total pressure measurement ion collecting electrode increases. Therefore, the amount of secondary electrons emitted is also increased, and the baseline of the mass spectrum in the partial pressure measurement is likely to be lowered. Therefore, the mass spectrum can be stabilized as the surface area of the total pressure collection ion electrode is reduced, that is, the aperture ratio is higher, which is advantageous for the partial pressure measurement.
Also, as the area of each aperture increases, it becomes difficult to form an electric field sufficient to draw and collect ions from the ionization chamber, and the total pressure sensitivity decreases. Therefore, the smaller the opening per one, the higher the total pressure sensitivity.
Therefore, there is an effect that high-precision total pressure measurement can be performed and high-precision partial pressure measurement (gas analysis) can be easily performed.

次に、本発明の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１に示すように、質量分析計１１は、四極子形質量分析計１０と全圧測定用集イオン電極８とを備えている。四極子形質量分析計１０は、電子源であるカソード電極１と、カソード電極１に対して正の電位に制御された略円筒状のアノード電極２と、アノード電極２で区切られたイオン化室３と、イオン化室３で生成されたイオンの一部を質量分離部５へと導く引き出し電極４と、質量分離部５に格子状に対称かつ平行に配置された四本の棒状電極６と、ある特定の質量と電荷の比を持つイオンのみが到達する分圧測定用集イオン電極７とを備えて構成されている。また、アノード電極２の軸方向の近傍で、引き出し電極４が設けられている側の反対側に全圧測定用集イオン電極８が設けられている。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In each drawing used for the following description, the scale of each member is appropriately changed to make each member a recognizable size.
As shown in FIG. 1, the mass spectrometer 11 includes a quadrupole mass spectrometer 10 and a collection electrode 8 for measuring total pressure. The quadrupole mass spectrometer 10 includes a cathode electrode 1 that is an electron source, a substantially cylindrical anode electrode 2 that is controlled to a positive potential with respect to the cathode electrode 1, and an ionization chamber 3 that is partitioned by the anode electrode 2. And an extraction electrode 4 for guiding some of the ions generated in the ionization chamber 3 to the mass separation unit 5, and four rod-like electrodes 6 arranged symmetrically and parallel to the mass separation unit 5 in a lattice shape. A partial pressure measuring ion collecting electrode 7 to which only ions having a specific mass to charge ratio reach is configured. Further, a total pressure measuring ion-collecting electrode 8 is provided in the vicinity of the anode electrode 2 in the axial direction on the side opposite to the side where the extraction electrode 4 is provided.

カソード電極１は、略円筒状のアノード電極２の円周面を略半周強程度囲うように線状に形成されている。
アノード電極２は、グリッド状に形成されており、その内部はイオン化室３として構成され、アノード電極２の一端の近傍には引き出し電極４が配置され、他端の近傍には全圧測定用集イオン電極８が配置されている。
なお、イオン源９は、カソード電極１、アノード電極２、イオン化室３および引き出し電極４とで構成されている。 The cathode electrode 1 is formed in a linear shape so as to surround the circumferential surface of the substantially cylindrical anode electrode 2 by a little over a half circumference.
The anode electrode 2 is formed in a grid shape, and the inside thereof is configured as an ionization chamber 3. An extraction electrode 4 is disposed near one end of the anode electrode 2, and a total pressure measurement collection is disposed near the other end. An ion electrode 8 is disposed.
The ion source 9 includes a cathode electrode 1, an anode electrode 2, an ionization chamber 3, and an extraction electrode 4.

質量分離部５は、四本の棒状電極６が格子状に対称かつ平行に配置された形状をしており、対向に位置する棒状電極６が同電位となるように配線されている。二対の棒状電極６には、同じ大きさで正負が逆の直流電圧Ｕと位相が１８０度異なる交流電圧Ｖｃｏｓωｔとが重畳した電圧が印加される（＋Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔおよび−Ｕ−Ｖｃｏｓωｔ）。ＵおよびＶの大きさによって、イオン源（カソード電極１およびアノード電極２）から棒状電極６の一端に入射したイオンのうち、ある特定の質量と電荷の比を持つイオンのみが入射側と反対の位置にある分圧測定用集イオン電極７まで到達し、そのイオン数に応じたイオン電流が検出されるように構成されている。それ以外のイオンは、棒状電極６に衝突するか、棒状電極６より外側の空間に導かれる。 The mass separation unit 5 has a shape in which four rod-shaped electrodes 6 are arranged symmetrically and in parallel in a lattice shape, and the rod-shaped electrodes 6 positioned opposite to each other are wired so as to have the same potential. The two pairs of rod-shaped electrodes 6 are applied with a voltage (+ U + Vcosωt and −U−Vcosωt) in which a DC voltage U of the same magnitude and opposite in polarity and an AC voltage Vcosωt having a phase difference of 180 degrees are superimposed. Of the ions incident on one end of the rod-shaped electrode 6 from the ion source (cathode electrode 1 and anode electrode 2), only ions having a specific mass to charge ratio are opposite to the incident side, depending on the size of U and V. It reaches the partial pressure collecting ion electrode 7 at the position and is configured to detect an ion current corresponding to the number of ions. Other ions collide with the rod-shaped electrode 6 or are guided to a space outside the rod-shaped electrode 6.

また、直流電圧Ｕと交流電圧Ｖの比を一定に保ちながら、それらの電圧の大きさを変化させることで、分圧測定用集イオン電極７に到達するイオンの種類をその質量と電荷の比に応じて選別することができるように構成されている。 Further, by changing the magnitude of the voltage while keeping the ratio of the DC voltage U and the AC voltage V constant, the type of ions that reach the partial pressure measurement ion collecting electrode 7 can be determined by the ratio of the mass to the charge. It is configured so that it can be selected according to.

図２に示すように、全圧測定用集イオン電極８は、略円形の板状部材で形成されている。また、全圧測定用集イオン電極８には、略メッシュ状に開口２１が複数形成されている。
さらに、分圧測定用集イオン電極７および全圧測定用集イオン電極８は、図示しない電流計に接続されている。 As shown in FIG. 2, the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is formed of a substantially circular plate-like member. The total pressure measuring ion collecting electrode 8 has a plurality of openings 21 in a substantially mesh shape.
Furthermore, the partial pressure measuring ion collecting electrode 7 and the total pressure measuring ion collecting electrode 8 are connected to an ammeter (not shown).

次に、作用について説明する。
質量分析計１１は、図示しない真空装置内に収容されており、真空装置内を図示しない真空ポンプなどにより排気し、四極子形質量分析計１０を動作させられる圧力以下にする。その後、電子源であるカソード電極１からアノード電極２に向けて電子を放出する。また、カソード電極１およびアノード電極２をある一定の電位に設定すると、ある一定の割合でイオンが生成される。 Next, the operation will be described.
The mass spectrometer 11 is housed in a vacuum device (not shown), and the inside of the vacuum device is exhausted by a vacuum pump (not shown) or the like, so that the pressure is reduced to a pressure at which the quadrupole mass spectrometer 10 can be operated. Thereafter, electrons are emitted from the cathode electrode 1, which is an electron source, toward the anode electrode 2. When the cathode electrode 1 and the anode electrode 2 are set to a certain potential, ions are generated at a certain rate.

全圧測定を行う場合は、全圧測定用集イオン電極８に到達したイオンにより発生するイオン電流をイオン電流検出器によって検出し、その大きさが通常では気体分子密度と比例することから、気体分子の密度に比例する気体圧力を知ることができる。
また、分圧測定を行う場合は、イオン化室３で生成されたイオンの一部が、引き出し電極４により質量分離部５に導入され、イオンの質量と電荷の比によって分離され、分圧測定用集イオン電極７に目的のイオンのみが到達する。到達したイオンにより発生するイオン電流をイオン電流検出器により検出することで分圧測定を行う。 When measuring the total pressure, the ion current generated by the ions reaching the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is detected by an ion current detector, and its magnitude is usually proportional to the gas molecule density. The gas pressure proportional to the density of the molecule can be known.
When performing partial pressure measurement, some of the ions generated in the ionization chamber 3 are introduced into the mass separation unit 5 by the extraction electrode 4 and separated by the ratio of ion mass to electric charge. Only target ions reach the ion collection electrode 7. The partial pressure measurement is performed by detecting the ion current generated by the reached ions with an ion current detector.

つまり、質量分析計１１において、幾何学的な構造によって分離されない単一のイオン化室３で、全圧を測定するためのイオンと、分圧を測定するためのイオンの両方を生成することができる。 That is, in the mass spectrometer 11, it is possible to generate both ions for measuring the total pressure and ions for measuring the partial pressure in the single ionization chamber 3 that is not separated by the geometric structure. .

（実施例）
次に、質量分析計１１を用いて測定を行う場合について説明する。
アノード電極２の形状は直径７．５ｍｍ、高さが１２ｍｍの円筒形状のものでモリブデンのメッシュで構成したものを採用する。また全圧測定用集イオン電極８は、直径が７ｍｍの円板で、一辺１ｍｍの正方形になるように開口２１を複数設け、各開口２１を形成している線２２の幅は０．１ｍｍとしている。つまり、開口２１の一つ当たりの面積は１ｍｍ^２であり、開口率は約８３％である。ここで、開口率とは、全圧測定用集イオン電極８に開口２１が形成される前の面積に対して、開口２１を形成した場合の開口の面積の割合をいう。また、イオン化室３と全圧測定用集イオン電極８との距離は２ｍｍとしている。さらに、分圧測定用集イオン電極７は接地電位とし、アノード電極２およびカソード電極１は、接地電位に対してそれぞれ＋６０Ｖ、＋２０Ｖに設定し、電子電流は、０．４ｍＡで一定となるように調整している。 (Example)
Next, a case where measurement is performed using the mass spectrometer 11 will be described.
The anode electrode 2 has a cylindrical shape with a diameter of 7.5 mm and a height of 12 mm, and is composed of a molybdenum mesh. Further, the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is a disc having a diameter of 7 mm, and a plurality of openings 21 are provided so as to be a square having a side of 1 mm, and the width of the line 22 forming each opening 21 is 0.1 mm. Yes. That is, the area per opening 21 is 1 mm ² and the opening ratio is about 83%. Here, the aperture ratio refers to the ratio of the area of the opening when the opening 21 is formed to the area before the opening 21 is formed in the total pressure measurement ion collecting electrode 8. The distance between the ionization chamber 3 and the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is 2 mm. Further, the partial pressure measuring ion collecting electrode 7 is set to the ground potential, the anode electrode 2 and the cathode electrode 1 are set to +60 V and +20 V, respectively, with respect to the ground potential, and the electron current is constant at 0.4 mA. It is adjusted.

上述の構成の質量分析計１１を用いて、０．００５Ｐａおよび０．５Ｐａのアルゴンを測定して得られた質量スペクトルをそれぞれ図３および図４に示す。
図４では、図１２に見られるような、質量スペクトルのベースライン低下がほとんど見られなくなっていることが分かる。 FIGS. 3 and 4 show mass spectra obtained by measuring 0.005 Pa and 0.5 Pa argon using the mass spectrometer 11 having the above-described configuration, respectively.
In FIG. 4, it can be seen that almost no decrease in the baseline of the mass spectrum as seen in FIG.

また、図５および図６は、全圧測定用集イオン電極８の開口２１の一つ当たりの面積を０．１６ｍｍ^２とし、開口率を約６４％とした場合に、同じく０．００５Ｐａおよび０．５Ｐａのアルゴンを測定して得られた質量スペクトルを示したものである。図６と図４を比較すると、開口率が約６４％であった場合より開口率が約８３％であった場合の方が、質量スペクトルのベースライン低下が改善されていることが分かる。 FIGS. 5 and 6 are also 0.005 Pa and 0 when the area per opening 21 of the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is 0.16 mm ² and the opening ratio is about 64%. The mass spectrum obtained by measuring argon at 0.5 Pa is shown. Comparing FIG. 6 with FIG. 4, it can be seen that the baseline decrease in mass spectrum is improved when the aperture ratio is about 83% than when the aperture ratio is about 64%.

図７は、開口率とベースラインの低下量との関係を示したグラフである。開口率４０％を境にして、ベースラインの低下量が減少しているのが分かる。つまり、開口率を大きくするほど、ベースラインが安定することとなる。したがって、開口率としては４０％以上が好ましいが、開口率が０の場合よりベースラインの低下量が１／１０以下となる開口率７０％以上がより好ましい。なお、このグラフの開口面積は一定ではなく、０ｍｍ^２（開口率０％）〜１ｍｍ^２（開口率８４％）である。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the aperture ratio and the amount of decrease in the baseline. It can be seen that the amount of decrease in the baseline decreases with an aperture ratio of 40% as a boundary. That is, the larger the aperture ratio, the more stable the baseline. Therefore, the aperture ratio is preferably 40% or more, but more preferably 70% or more, where the amount of decrease in the baseline is 1/10 or less than when the aperture ratio is 0. Incidentally, the opening area of the graph is not constant, a 0 mm ² (aperture ratio 0%) ~ 1 mm ² (aperture ratio 84%).

なお、開口２１の一つ当たりの面積は小さければ小さいほど全圧感度が高くなるが、その下限は製作技術で制約され、開口率を８０％以上得るには、一般的な加工（フォトエッチング加工）では、開口２１の一つ当たりの面積は０．５ｍｍ^２程度が下限となる。
また、開口２１の一つ当たりの面積を１ｍｍ^２以下にしようとすると、製造技術的に開口率の上限は９０％程度となる。 The smaller the area per opening 21 is, the higher the total pressure sensitivity is. However, the lower limit is limited by the manufacturing technology, and in order to obtain an opening ratio of 80% or more, general processing (photoetching processing) is required. ), The lower limit of the area per opening 21 is about 0.5 mm ² .
If the area per opening 21 is 1 mm ² or less, the upper limit of the opening ratio is about 90% in terms of manufacturing technology.

さらに、図８に示すように、本実施例での全圧感度は、開口部面積が１ｍｍ^２であるため、約１．６×１０^−６（Ａ／Ｐａ）であり、全圧測定用集イオン電極８に開口２１を設けない場合（開口面積０ｍｍ^２）の感度、約１．９×１０^−６（Ａ／Ｐａ）と略同等の感度が得られている。なお、このグラフの開口率は一定ではなく、０％（開口面積０ｍｍ^２）〜９１％（開口面積４ｍｍ^２）である。全圧感度は、形成された電場に依存するため、開口率には依存しない。これは、開口率が変化しても、マクロ的に見れば電場は大きく変化しないためである。 Furthermore, as shown in FIG. 8, the total pressure sensitivity in this example is about 1.6 × 10 ⁻⁶ (A / Pa) because the opening area is 1 mm ² , and the total pressure measurement collection is The sensitivity in the case where the opening 21 is not provided in the ion electrode 8 (opening area 0 mm ² ), approximately the same sensitivity as about 1.9 × 10 ⁻⁶ (A / Pa) is obtained. Note that the aperture ratio of this graph is not constant, and is 0% (opening area 0 mm ² ) to 91% (opening area 4 mm ² ). Since the total pressure sensitivity depends on the electric field formed, it does not depend on the aperture ratio. This is because even if the aperture ratio changes, the electric field does not change greatly when viewed macroscopically.

本実施形態によれば、電子源であるカソード電極１と、カソード電極１に対して正の電位に制御された略円筒状のアノード電極２と、アノード電極２で区切られたイオン化室３と、イオン化室３で生成されたイオンの一部を質量分離部５へと導く引き出し電極４と、質量分離部５に配置された四本の棒状電極６と、ある特定の質量と電荷の比を持つイオンのみが到達する分圧測定用集イオン電極７とを備えた四極子形質量分析計１０に、アノード電極２の軸方向の近傍で、引き出し電極４が設けられている側のアノード電極２を介した反対側に全圧値を得るための全圧測定用集イオン電極８を設け、全圧測定用集イオン電極８を板状に形成し、かつ開口２１を複数形成した質量分析計１１とした。 According to the present embodiment, the cathode electrode 1 as an electron source, the substantially cylindrical anode electrode 2 controlled to a positive potential with respect to the cathode electrode 1, the ionization chamber 3 partitioned by the anode electrode 2, The extraction electrode 4 that leads a part of the ions generated in the ionization chamber 3 to the mass separation unit 5, the four rod-shaped electrodes 6 arranged in the mass separation unit 5, and a specific mass / charge ratio A quadrupole mass spectrometer 10 having a partial pressure measuring ion collecting electrode 7 to which only ions reach is connected to the anode electrode 2 on the side where the extraction electrode 4 is provided in the vicinity of the axial direction of the anode electrode 2. A mass spectrometer 11 having a total pressure measurement ion electrode 8 for obtaining a total pressure value on the opposite side, a total pressure measurement ion electrode 8 formed in a plate shape, and a plurality of openings 21; did.

このように構成することで、全圧測定用集イオン電極８の外形寸法を小さくすることなく、表面積を小さくすることができるため、イオン化室３からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することができ、外形を小さくした場合に比べて、全圧感度を高くすることができる。
また、全圧測定用集イオン電極８を引き出し電極４と質量分離部５との間に設けるのではなく、アノード電極２を介して引き出し電極４と反対側に設けたことにより、全圧測定時に、全圧感度がイオン源内の電極間の電位の微妙な調整や圧力領域で変化することを防ぐことができる。
さらに、全圧測定用集イオン電極８を板状にしたため、ワイヤー状のものと比較して、質量分離部５へのイオンの引き出し効率を、手間をかけずに向上させることができると共に、ワイヤー状のものと比較して、変形しにくいため、組立て時やイオン源交換時の取り扱いが容易になると共に、全圧／分圧感度の低下を引き起こすことなく確実に全圧／分圧測定を行うことができる。 By configuring in this way, the surface area can be reduced without reducing the external dimensions of the ion collecting electrode 8 for measuring the total pressure, so that an electric field sufficient to extract and collect ions from the ionization chamber 3 can be obtained. The total pressure sensitivity can be increased as compared with the case where the outer shape is reduced.
Further, the total pressure measuring ion collecting electrode 8 is not provided between the extraction electrode 4 and the mass separation unit 5 but is provided on the side opposite to the extraction electrode 4 via the anode electrode 2, so that the total pressure measurement can be performed. Further, it is possible to prevent the total pressure sensitivity from changing in a fine adjustment of the potential between the electrodes in the ion source or in the pressure region.
Furthermore, since the ion collecting electrode 8 for measuring the total pressure is formed in a plate shape, the efficiency of extracting ions to the mass separation unit 5 can be improved without taking time compared to the wire shape, and the wire Compared to the shape, it is less likely to deform, making it easier to handle when assembling or replacing the ion source, and reliably measure the total pressure / partial pressure without causing a decrease in total pressure / partial pressure sensitivity. be able to.

また、開口２１を複数設け、全圧測定用集イオン電極８の開口率を４０％以上（実施例では約８３％）としたため、質量スペクトルを安定させることができる。これは、上述した二次電子の発生原因から、全圧測定用集イオン電極８の面積が大きくなるほど二次電子の放出面が増えることになり、二次電子の放出量が増加し、分圧測定における質量スペクトルのベースライン低下を引き起こしやすくなる。そのため、全圧測定用集イオン電極８の表面積を小さくする、すなわち開口率が高いほど質量スペクトルを安定させることができる。 In addition, since a plurality of openings 21 are provided and the aperture ratio of the total pressure measurement ion collecting electrode 8 is set to 40% or more (about 83% in the embodiment), the mass spectrum can be stabilized. This is because, due to the generation of the secondary electrons described above, the emission surface of the secondary electrons increases as the area of the total pressure measurement ion collecting electrode 8 increases, and the amount of secondary electron emission increases, resulting in partial pressure. It tends to cause a decrease in the baseline of the mass spectrum in the measurement. Therefore, the mass spectrum can be stabilized as the surface area of the ion collecting electrode 8 for total pressure measurement is reduced, that is, the aperture ratio is higher.

さらに、開口２１の一つ当たりの面積を１ｍｍ^２以下（実施例では１ｍｍ^２）としたため、イオン化室３からイオンを引き出して収集するために十分な電場を形成することが可能となり、全圧感度を高くすることができる。
したがって、上述の質量分析計１１を用いれば、高精度の全圧測定を行い、かつ高精度の分圧測定（ガス分析）を容易に行うことができる。 Furthermore, since the area per one opening 21 1 mm ² or less (in the embodiment 1 mm ²⁾ was, it is possible to form a sufficient electrical field to collect pull the ions from the ionization chamber 3, the total pressure sensitivity Can be high.
Therefore, by using the mass spectrometer 11 described above, it is possible to perform highly accurate total pressure measurement and easily perform highly accurate partial pressure measurement (gas analysis).

尚、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態における、全圧測定用集イオン電極の構成や形状寸法などは上述と略同等の性能を発揮するものであれば適宜変更してもよい。 It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific materials, configurations, and the like given in the embodiment are merely examples, and can be changed as appropriate.
For example, in the present embodiment, the configuration, shape, and the like of the total pressure measurement ion collecting electrode may be appropriately changed as long as they exhibit substantially the same performance as described above.

本発明の実施形態における質量分析計の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the mass spectrometer in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における全圧測定用集イオン電極の平面図である。It is a top view of the collection electrode for total pressure measurement in the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における全圧測定用集イオン電極に、一つ当たり１ｍｍ^２の開口を開口率が８３％となるように複数設けた場合に、アルゴン０．００５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。The mass spectrum when measuring 0.005 Pa of argon when a plurality of 1 mm ² openings are provided in the ion collecting electrode for measuring total pressure in the embodiment of the present invention so that the opening ratio is 83%. is there. 本発明の実施形態における全圧測定用集イオン電極に、一つ当たり１ｍｍ^２の開口を開口率が８３％となるように複数設けた場合に、アルゴン０．５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。The mass spectrum when measuring 0.5 Pa of argon when a plurality of apertures of 1 mm ² are provided in the total pressure measurement ion collecting electrode in the embodiment of the present invention so that the aperture ratio is 83%. is there. 本発明の実施形態における全圧測定用集イオン電極に、一つ当たり１ｍｍ^２の開口を開口率が６４％となるように複数設けた場合に、アルゴン０．００５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。In a mass spectrum when argon is measured at 0.005 Pa when a plurality of openings of 1 mm ² are provided so that the aperture ratio is 64% in the ion collecting electrode for measuring total pressure in the embodiment of the present invention. is there. 本発明の実施形態における全圧測定用集イオン電極に、一つ当たり１ｍｍ^２の開口を開口率が６４％となるように複数設けた場合に、アルゴン０．５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。The mass spectrum when measuring 0.5 Pa of argon when a plurality of 1 mm ² openings are provided in the ion collecting electrode for measuring total pressure in the embodiment of the present invention so that the aperture ratio is 64%. is there. 本発明の実施形態における開口率とベースライン低下量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the aperture ratio and baseline fall amount in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における開口部一つ当たりの面積と全圧感度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the area per one opening part in embodiment of this invention, and a total pressure sensitivity. 従来の四極子形質量分析計の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional quadrupole mass spectrometer. 従来の電離真空計の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional ionization vacuum gauge. 全圧測定用集イオン電極に開口部を設けなかった場合に、アルゴン０．００５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。It is a mass spectrum when measuring 0.005 Pa of argon, when an opening part is not provided in the collection electrode for total pressure measurement. 全圧測定用集イオン電極に開口部を設けなかった場合に、アルゴン０．５Ｐａを測定したときの質量スペクトルである。It is a mass spectrum when argon 0.5Pa is measured when an opening is not provided in the ion collecting electrode for total pressure measurement.

符号の説明Explanation of symbols

１…カソード電極２…アノード電極３…イオン化室４…引き出し電極５…質量分離部６…棒状電極７…分圧測定用集イオン電極８…全圧測定用集イオン電極９…イオン源１０…四極子形質量分析計１１…質量分析計２１…開口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cathode electrode 2 ... Anode electrode 3 ... Ionization chamber 4 ... Extraction electrode 5 ... Mass separation part 6 ... Rod-shaped electrode 7 ... Collecting electrode for partial pressure measurement 8 ... Collecting electrode for total pressure measurement 9 ... Ion source 10 ... Four Pole-type mass spectrometer 11 ... Mass spectrometer 21 ... Opening

Claims

被測定ガスの分子をイオン化するイオン源と、前記イオン源で生成されたイオンの進路を質量電荷比ごとに決定する質量分離部と、前記質量分離部を通過した特定の質量電荷比のイオンを捕捉する分圧測定用集イオン電極とを備えた質量分析計であって、
前記イオン源を挟んで前記質量分離部の反対側に、前記イオン源で生成された全種類のイオンを捕捉する全圧測定用集イオン電極を設け、
前記全圧測定用集イオン電極が板状に形成され、かつ開口が形成されており、
前記開口による前記全圧測定用集イオン電極の開口率が４０％以上であるとともに、前記開口の一つ当たりの面積が０．５ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下であることを特徴とする質量分析計。 An ion source that ionizes molecules of the gas to be measured, a mass separation unit that determines the path of ions generated in the ion source for each mass-to-charge ratio, and an ion having a specific mass-to-charge ratio that has passed through the mass separation unit A mass spectrometer having a collecting ion electrode for measuring partial pressure to be captured,
On the opposite side of the mass separation unit across the ion source, a total pressure measuring ion collecting electrode for capturing all types of ions generated by the ion source is provided.
The total pressure measuring ion collecting electrode is formed in a plate shape, and an opening is formed,
An opening ratio of the total pressure measurement collector ion electrode by said opening is 40% or more, mass analysis you wherein the area per one of the opening is 0.5 mm ² or more 1 mm ² or less Total.