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JPH07122229A - Mass spectrometer - Google Patents

Mass spectrometer

Info

Publication number
JPH07122229A
JPH07122229A JP5266483A JP26648393A JPH07122229A JP H07122229 A JPH07122229 A JP H07122229A JP 5266483 A JP5266483 A JP 5266483A JP 26648393 A JP26648393 A JP 26648393A JP H07122229 A JPH07122229 A JP H07122229A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electron beam
mass spectrometer
energy
gas
ionization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP5266483A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Kinoshita
修 木下
Naoki Kubota
尚樹 久保田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kawasaki Steel Corp filed Critical Kawasaki Steel Corp
Priority to JP5266483A priority Critical patent/JPH07122229A/en
Publication of JPH07122229A publication Critical patent/JPH07122229A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】質量分析により検出されるイオンの生成源とし
て複数の成分が存在する場合でも、その中の特定成分を
正確に測定することができる質量分析装置を提供する。 【構成】2枚の電子ビーム遮蔽板34,36により熱電
子の一部が通過する隙間38を形成し、この隙間の間隔
を自在に制御する。また、可変電源45a,45bによ
ってフィラメント32と電子ビーム遮蔽板34,36と
の間の電位差を制御する。これにより、試料ガスをイオ
ン化する電子ビームのエネルギ及びエネルギー分布幅を
変更する。
(57) [Summary] [Object] To provide a mass spectrometer capable of accurately measuring a specific component in a plurality of components as an ion generation source detected by mass spectrometry. [Structure] A gap 38 through which a part of thermoelectrons passes is formed by two electron beam shield plates 34 and 36, and the gap is freely controlled. Further, the variable power sources 45a and 45b control the potential difference between the filament 32 and the electron beam shield plates 34 and 36. As a result, the energy of the electron beam that ionizes the sample gas and the energy distribution width are changed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、試料ガスの原子や分子
の質量を分析して試料ガスの成分を検出する質量分析装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass spectrometer for detecting the components of a sample gas by analyzing the mass of atoms or molecules of the sample gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】質量分析装置は、一般に、試料ガスの原
子や分子をイオン化して一定方向に加速するイオン源
部、生成したイオンを質量に応じて分離(質量分離)す
る分離部、及び質量分離されたイオンを検出する検出部
を備えて構成されている。この質量分析装置において、
原子や分子をイオン化するためのイオン源(イオン化手
段)としては、多種多様のものが開発されているが、通
常いわゆる電子衝撃型イオン源が最もよく用いられてい
る。電子衝撃型イオン源では、熱電子放出用のフィラメ
ントから放出された熱電子が加速され、イオン化室に導
入されてきた試料ガスにこの熱電子を衝突させることに
より試料ガスの原子や分子のイオン化が行なわれてい
る。
2. Description of the Related Art Generally, a mass spectrometer is an ion source section for ionizing atoms and molecules of a sample gas to accelerate them in a certain direction, a separation section for separating generated ions according to mass (mass separation), and a mass. The detector is configured to detect the separated ions. In this mass spectrometer,
Although various types of ion sources (ionizing means) for ionizing atoms and molecules have been developed, so-called electron impact type ion sources are usually most often used. In the electron impact ion source, the thermoelectrons emitted from the filament for thermionic emission are accelerated, and the thermoelectrons collide with the sample gas introduced into the ionization chamber to ionize the atoms and molecules of the sample gas. Has been done.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ここで、フィラメント
から放出される熱電子により、例えばXで表される原子
ラジカルと、XYで表される分子または分子ラジカルと
をイオン化する場合を考えると、いづれもX+ というイ
オンが生成される。通常、XとXYのイオン化エネルギ
ーの間には数eVの差がある。ところが、フィラメント
から放出される電子ビームは、フィラメント自身の電圧
降下に起因するエネルギー分布を有しており、このエネ
ルギー分布の幅は、一般にイオン化エネルギーの差より
も大きい。
Here, considering the case where the thermoelectrons emitted from the filament ionize the atomic radicals represented by X and the molecules or molecular radicals represented by XY, respectively. Also produces an ion of X + . Usually, there is a difference of several eV between the X and XY ionization energies. However, the electron beam emitted from the filament has an energy distribution due to the voltage drop of the filament itself, and the width of this energy distribution is generally larger than the difference in ionization energy.

【0004】従って、前述した電子衝撃型イオン源を有
する質量分析装置を用いて試料ガスを分析してX+ とい
うイオンを検出した場合、そのイオンがXで表される原
子ラジカルのイオン化に由来するものか、XYで表され
る分子または分子ラジカルの解離イオン化に起因するも
のかを区別することは困難である。このため、例えば原
子ラジカルX(特定成分)を正確に検出することができ
ないという問題がある。
Therefore, when the sample gas is analyzed using the above-described mass spectrometer having the electron impact ion source to detect the ion X + , the ion is derived from the ionization of the atomic radical represented by X. It is difficult to distinguish between the one represented by XY and the one caused by dissociative ionization of the molecule or molecular radical represented by XY. Therefore, for example, there is a problem that the atomic radical X (specific component) cannot be accurately detected.

【0005】また、電子衝撃型イオン源の電子ビーム源
として用いられている熱電子放出用フィラメントの近傍
は非常に高温になることが知られている。この高温のた
め、例えばCl2 ガスのような解離に要するエネルギー
が小さいガスは、フィラメント近傍で容易に熱解離して
Clラジカルを生成することになる。従って、フィラメ
ント近傍で熱解離により生成したラジカルと、放電等に
より解離して生成した試料ガス中に存在する検出対象の
ラジカルとを分離して検出することは困難であるという
問題がある。
Further, it is known that the temperature in the vicinity of the thermionic emission filament used as the electron beam source of the electron impact ion source becomes extremely high. Due to this high temperature, a gas, such as Cl 2 gas, which requires a small amount of energy for dissociation, is easily thermally dissociated in the vicinity of the filament to generate a Cl radical. Therefore, there is a problem that it is difficult to separate and detect the radicals generated by thermal dissociation in the vicinity of the filament and the radicals to be detected existing in the sample gas generated by dissociation by discharge or the like.

【0006】なお、これらの問題を解決するために特公
昭62−57069号公報には、加速電子ではなく、一
定のエネルギー、即ち一定波長の光を利用してイオン化
する方法を採用した質量分析装置が開示されている。と
ころが、この装置では、光源として用いることのできる
波長が限られているため、イオン化できる分子あるいは
ラジカルが限定されるという問題がある。
In order to solve these problems, Japanese Patent Publication No. 62-57069 discloses a mass spectrometer which adopts a method of ionizing using light having a constant energy, that is, a constant wavelength, instead of accelerating electrons. Is disclosed. However, this device has a problem in that molecules or radicals that can be ionized are limited because the wavelength that can be used as a light source is limited.

【0007】本発明は、上記事情に鑑み、試料ガスの種
々の成分を従来よりも正確に検出できる質量分析装置を
提供することを目的とする。
In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a mass spectrometer capable of detecting various components of a sample gas more accurately than before.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第1の質量分析装置は、熱電子を放出する電
子ビーム源と、該電子ビーム源から放出された熱電子が
導入されると共に分析対象となる試料ガスが導入される
イオン化室とを備えた質量分析装置において、 (1)前記電子ビーム源及び前記イオン化室の間に設け
られた、互いの間隔を自在に制御して熱電子が通過する
隙間を形成する2枚の電子ビーム遮蔽板 (2)前記電子ビーム源及び前記電子ビーム遮蔽板の間
の電位差を制御する電位差制御手段 を備えたことを特徴とするものである。
A first mass spectrometer according to the present invention for achieving the above object has an electron beam source for emitting thermoelectrons and a thermoelectron emitted from the electron beam source. And an ionization chamber into which a sample gas to be analyzed is introduced, (1) The distance between the electron beam source and the ionization chamber, which is provided between the electron beam source and the ionization chamber, is freely controlled. Two electron beam shield plates that form a gap through which thermoelectrons pass (2) A potential difference control unit that controls the potential difference between the electron beam source and the electron beam shield plate is provided.

【0009】ここで、電子ビーム遮蔽板の熱電子放出方
向前方に、隙間を通過した電子ビームのエネルギを計測
するエネルギ計測手段を備えることが好ましい。また、
上記目的を達成するための本発明の第2の質量分析装置
は、熱電子を放出する電子ビーム源と、該電子ビーム源
から放出された熱電子が導入されると共に分析対象とな
る試料ガスが導入されるイオン化室とを備えた質量分析
装置において、前記電子ビーム源から放出された熱電子
が通過する開口を有する、前記電子ビーム源を密封して
収容した容器を備えたことを特徴とするものである。
Here, it is preferable that an energy measuring means for measuring the energy of the electron beam passing through the gap is provided in front of the electron beam shield plate in the thermionic emission direction. Also,
A second mass spectrometer according to the present invention for achieving the above object, comprises: an electron beam source for emitting thermoelectrons; and a sample gas to be analyzed, into which thermoelectrons emitted from the electron beam source are introduced. A mass spectrometer equipped with an ionization chamber to be introduced, characterized in that it comprises a container in which the electron beam source is hermetically housed, having an opening through which thermoelectrons emitted from the electron beam source pass. It is a thing.

【0010】ここで、上記容器にガスを供給するガス供
給手段、または上記容器内を排気する排気手段を備える
ことが好ましい。
Here, it is preferable to provide gas supply means for supplying gas to the container or exhaust means for exhausting the inside of the container.

【0011】[0011]

【作用】図1を参照して本発明の質量分析装置を用いて
試料ガスを分析する原理を説明する。図1は、電子ビー
ムエネルギに対する電子ビームのフラックス及び電子衝
突電離断面積の関係を示すグラフであり、横軸は電子ビ
ームエネルギを表し、縦軸は電子衝突電離断面積及び電
子ビームのフラックスを表す。
The principle of analyzing a sample gas using the mass spectrometer of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a graph showing the relationship between electron beam energy and electron beam flux and electron impact ionization cross section, where the horizontal axis represents electron beam energy and the vertical axis represents electron impact ionization cross section and electron beam flux. .

【0012】電子衝突によるイオン化を原子ラジカルX
と分子又は分子ラジカル(以下、分子等という)XYと
について検討する。反応式(1)に示した原子ラジカル
Xをイオン化してイオンX+ を生成するためのイオン化
反応のエネルギ閾値をElとし、反応式(2)に示した
分子等XYをイオン化してイオンX+ を生成させるため
のイオン化反応エネルギ閾値をE2とすると、通常、E
l<E2の関係にある。図1の曲線(I)と曲線(I
I)はこの関係を示したものである。
Atom radicals X
And molecules or molecular radicals (hereinafter referred to as molecules) XY will be examined. The energy threshold of the ionization reaction for ionizing the atomic radical X shown in the reaction formula (1) to generate the ion X + is set to El, and the molecule XY shown in the reaction formula (2) is ionized to generate the ion X +. Let E2 be the ionization reaction energy threshold value for generating
The relationship is l <E2. Curve (I) and curve (I
I) shows this relationship.

【0013】 X+e- →X+ +2e- …(1) XY+e- →X+ +Y+2e- …(2) イオン化のために用いられる電子ビームのエネルギをE
eとし、この電子ビームのエネルギ分布を曲線(II
I)としてその分布状態を概念的に示す。図1に示され
るように、El<Ee<E2の関係を精密に設定できれ
ば、(1)式の反応のみを起こさせてイオンX+ を生成
でき、これにより、目的とする原子ラジカルXだけを選
択的に検出し測定できる。
X + e → X + + 2e (1) XY + e → X + + Y + 2e (2) The energy of the electron beam used for ionization is E
and the energy distribution of this electron beam is represented by the curve (II
The distribution state is conceptually shown as I). As shown in FIG. 1, if the relationship of El <Ee <E2 can be precisely set, only the reaction of the formula (1) can be caused to generate the ion X +, and thus only the target atomic radical X can be generated. It can detect and measure selectively.

【0014】上記原理を考慮して本発明はなされたもの
であり、本発明の第1の質量分析装置には、熱電子が通
過する隙間が2枚の電子ビーム遮蔽板により形成されて
おり、この隙間の間隔は自在に制御できる。このため、
生成する電子ビームのフラックスが制御され、これによ
り電子ビームのエネルギ分布幅を精密に制御できる。さ
らに、電位差制御手段により電子ビーム源と電子ビーム
遮蔽板との間の電位差を制御できるため、電子ビームの
エネルギ(図1の曲線(III)のピークに対応する
値)をこの電位差に基づいて制御し設定することができ
る。
The present invention has been made in consideration of the above principle. In the first mass spectrometer of the present invention, a gap through which thermoelectrons pass is formed by two electron beam shield plates. The distance of this gap can be freely controlled. For this reason,
The flux of the generated electron beam is controlled, and thus the energy distribution width of the electron beam can be precisely controlled. Furthermore, since the potential difference between the electron beam source and the electron beam shield plate can be controlled by the potential difference control means, the energy of the electron beam (the value corresponding to the peak of the curve (III) in FIG. 1) is controlled based on this potential difference. Can be set.

【0015】従って、試料ガスをイオン化する電子ビー
ムのエネルギ及びエネルギ分布幅を変更でき、例えば、
電子ビームエネルギを、図1の曲線(III)の分布と
なるように制御することにより、(1)式の反応だけで
イオン化を起こさせることができる。この結果、イオン
+ の共通の生成源X及びXYが存在しても、いずれか
一方の生成源である原子ラジカルXだけを検出できる。
Therefore, the energy and the energy distribution width of the electron beam that ionizes the sample gas can be changed.
By controlling the electron beam energy so as to have the distribution of the curve (III) in FIG. 1, ionization can be caused only by the reaction of the equation (1). As a result, even if the common generation sources X and XY of the ion X + are present, only the atomic radical X, which is one of the generation sources, can be detected.

【0016】ここで、エネルギ計測手段を備えた場合
は、隙間を通過した電子ビームのエネルギを計測でき、
この計測結果に応じて隙間の間隔及び電子ビーム源と電
子ビーム遮蔽板との間の電位差を制御できる。このた
め、隙間の間隔及び電子ビーム源と電子ビーム遮蔽板と
の間の電位差を制御して所望のエネルギの電子ビームを
イオン化室に導入できる。
When the energy measuring means is provided, the energy of the electron beam passing through the gap can be measured,
It is possible to control the gap interval and the potential difference between the electron beam source and the electron beam shield plate according to the measurement result. Therefore, the electron beam having a desired energy can be introduced into the ionization chamber by controlling the gap distance and the potential difference between the electron beam source and the electron beam shield plate.

【0017】また、本発明の第2の質量分析装置の電子
ビーム源は容器に密封して収容されているため、電子ビ
ーム源の近傍への試料ガスの侵入をほぼ防止できる。こ
の結果、試料ガス中に熱解離を起こし易い成分が含まれ
ていても、この成分は電子ビーム源の近傍へほとんど侵
入できないこととなるため、この成分の熱解離は防止さ
れ、試料ガスの成分を従来よりも正確に検出できる。
Further, since the electron beam source of the second mass spectrometer of the present invention is hermetically housed in the container, it is possible to substantially prevent the sample gas from entering the vicinity of the electron beam source. As a result, even if the sample gas contains a component that easily causes thermal dissociation, this component hardly penetrates into the vicinity of the electron beam source, so that thermal dissociation of this component is prevented and the component of the sample gas Can be detected more accurately than before.

【0018】ここで、容器にガス供給手段を接続した場
合は、ガス供給手段から容器にガスを供給してイオン化
室と電子ビーム源との間に圧力差をつけることができ
る。これにより、電子ビーム源の近傍への試料ガスの侵
入を一層確実に防止できる。この結果、試料ガス中に熱
解離を起こし易い成分が含まれていても、この成分は電
子ビーム源の近傍へ侵入できないこととなるため、この
成分の熱解離は防止され、試料ガスの成分を従来よりも
正確に検出できる。
Here, when the gas supply means is connected to the container, the gas can be supplied from the gas supply means to the container so as to make a pressure difference between the ionization chamber and the electron beam source. This can more reliably prevent the sample gas from entering the vicinity of the electron beam source. As a result, even if the sample gas contains a component that easily causes thermal dissociation, this component cannot enter the vicinity of the electron beam source, so that thermal dissociation of this component is prevented and the component of the sample gas is It can be detected more accurately than before.

【0019】また、容器に排気手段を接続した場合は、
電子ビーム源の近傍に試料ガスが侵入しても、この試料
ガスは排気されて再度イオン化室に戻らないため、試料
ガスの成分を従来よりも正確に検出できる。
When an exhaust means is connected to the container,
Even if the sample gas enters the vicinity of the electron beam source, the sample gas is exhausted and does not return to the ionization chamber again, so that the components of the sample gas can be detected more accurately than before.

【0020】[0020]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図2は質量分析装置とプラズマチャンバとを示す
概略構成図、図3はプラズマチャンバから試料ガスをサ
ンプリングする際の試料ガスの導入経路とその電位分布
を示す説明図、図4はイオン源部の要部を拡大して示す
概略構成図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a mass spectrometer and a plasma chamber, FIG. 3 is an explanatory diagram showing a sample gas introduction path and its potential distribution when sampling the sample gas from the plasma chamber, and FIG. 4 is an ion source section. It is a schematic block diagram which expands and shows a principal part.

【0021】質量分析装置10は四重極質量分析装置で
あり、試料ガスをイオン化するためのイオン化室12
と、イオン化室12で生成されたイオンを質量に基づい
て分離するための四重極電極14と、円錐形のサンプリ
ング管16とを備えている。質量分析装置10はプラズ
マチャンバ18に接続されており、プラズマチャンバ1
8で発生したプラズマガスの一部をサンプリング管16
を介してイオン化室12へ取り込むように構成されてい
る。プラズマチャンバ18内には、平行平板電極20
A、20Bが設けられており、両電極間に高周波(R
F)電圧が印加されるように構成されている。
The mass spectrometer 10 is a quadrupole mass spectrometer, and has an ionization chamber 12 for ionizing a sample gas.
And a quadrupole electrode 14 for separating the ions generated in the ionization chamber 12 based on mass, and a conical sampling tube 16. The mass spectrometer 10 is connected to the plasma chamber 18 and
Part of the plasma gas generated in No. 8 sampling tube 16
It is configured to be taken into the ionization chamber 12 via. A parallel plate electrode 20 is provided in the plasma chamber 18.
A and 20B are provided, and high frequency (R
F) The voltage is applied.

【0022】プラズマチャンバ18内に挿入されたサン
プリング管16の先端には直径0.15mmの微細孔
(図示せず)が形成されており、この微細孔を通して、
差動排気による差圧でプラズマガスの一部を質量分析装
置10内にサンプリングできるように構成されている。
サンプリングする際、サンプリング管16からイオン化
室12までのガスの経路は、図3に示すような電位分布
となっている。このため、電子、負イオン、正イオン等
の荷電粒子はイオン化室12に導入されない。イオン化
室12に導入された中性粒子は、電子ビームを照射さ
れ、電子衝突によりイオン化される。このようにしてイ
オン化室12で生成されたイオンは、イオン化室12か
ら引き出され、四重極電極14で質量分離されると同時
に、検出対象のイオンだけが四重極電極14を通過し、
二次電子倍増管22に入射し、信号が増幅されて検出さ
れるようになっている。
A fine hole (not shown) having a diameter of 0.15 mm is formed at the tip of the sampling tube 16 inserted into the plasma chamber 18, and through this fine hole,
A part of the plasma gas can be sampled in the mass spectrometer 10 by the differential pressure generated by the differential exhaust.
During sampling, the gas path from the sampling tube 16 to the ionization chamber 12 has a potential distribution as shown in FIG. Therefore, charged particles such as electrons, negative ions, and positive ions are not introduced into the ionization chamber 12. The neutral particles introduced into the ionization chamber 12 are irradiated with an electron beam and ionized by electron collision. The ions thus generated in the ionization chamber 12 are extracted from the ionization chamber 12 and are mass-separated by the quadrupole electrode 14, and at the same time, only ions to be detected pass through the quadrupole electrode 14,
The signal is incident on the secondary electron multiplier 22, and the signal is amplified and detected.

【0023】質量分析装置10には、熱電子を放出し電
子ビーム32aを形成するフィラメント32と、フィラ
メント32から放出される熱電子の加速方向(電子放出
方向)に対して直交する一平面上に配置された2枚の電
子ビーム遮蔽板34,36が設けられている。電子ビー
ム遮蔽板34,36同士は互いに離れており隙間38が
形成されている。フィラメント32から放出された熱電
子はこの隙間38を通過することにより、エネルギが狭
い範囲に絞り込まれ、電子ビーム32bが形成される。
電子ビーム遮蔽板34,36は、厚さ0.5mmのタン
タル(Ta)からなる薄板で作成されている。材料とし
てタンタルを用いたのは、分析ガスとの反応性が低いた
めである。電子ビーム遮蔽板36はイオン化室12の壁
(図示せず)に固定されている。一方、電子ビーム遮蔽
板34は、ピエゾ素子を層状に連ねたピエゾスタック4
0に連接棒41を介して接続されている。連接棒41の
端部それぞれには、ピエゾスタック40に接続された棒
40a、及び電子ビーム遮蔽板34に接続された棒34
aが取り付けられている。また、この連接棒41は、軸
41aを中心にして回転するように構成されている。従
って、ピエゾスタック40に印加する電位を変えること
により連接棒41が回転し、隙間38の幅が精密に制御
される。隙間38の幅は狭いほど電子ビームエネルギの
分解能は向上するが、幅を狭くすると得られる電子ビー
ムのフラックスが低下するため検出感度は低下する。測
定対象になる試料ガスの種類に応じて、必要十分なエネ
ルギ分解が得られる最大幅に隙間38の幅を調整するこ
とにより、検出感度を最大にできる。
In the mass spectrometer 10, a filament 32 which emits thermoelectrons to form an electron beam 32a and a plane which is orthogonal to the acceleration direction (electron emission direction) of thermoelectrons emitted from the filament 32 are arranged. Two electron beam shield plates 34 and 36 arranged are provided. The electron beam shield plates 34 and 36 are separated from each other and a gap 38 is formed. The thermoelectrons emitted from the filament 32 pass through the gap 38, so that the energy is narrowed down to a narrow range and an electron beam 32b is formed.
The electron beam shield plates 34 and 36 are thin plates made of tantalum (Ta) having a thickness of 0.5 mm. Tantalum was used as the material because it has low reactivity with the analysis gas. The electron beam shield plate 36 is fixed to the wall (not shown) of the ionization chamber 12. On the other hand, the electron beam shield plate 34 is a piezo stack 4 in which piezo elements are arranged in layers.
0 through a connecting rod 41. At each end of the connecting rod 41, a rod 40 a connected to the piezo stack 40 and a rod 34 connected to the electron beam shield plate 34 are provided.
a is attached. Further, the connecting rod 41 is configured to rotate about the shaft 41a. Therefore, by changing the electric potential applied to the piezo stack 40, the connecting rod 41 rotates and the width of the gap 38 is precisely controlled. The narrower the width of the gap 38, the higher the resolution of the electron beam energy, but the narrower the width, the lower the flux of the electron beam obtained and the lower the detection sensitivity. The detection sensitivity can be maximized by adjusting the width of the gap 38 to the maximum width at which necessary and sufficient energy decomposition can be obtained according to the type of sample gas to be measured.

【0024】隙間38の幅の最適化は、電子ビームのエ
ネルギを計測するエネルギ計測装置42を用いて行う。
エネルギ計測装置42は、電子ビーム遮蔽板34,36
と同様に、厚さ0.5mmのタンタルからなる薄板で作
成されており、可変電源44によって電位を変化させる
ことができ、これにより、電子ビーム32bのエネルギ
分布を計測できる。従って、所望のエネルギ分布が得ら
れるように、この計測結果をフィードバックして隙間3
8の幅を設定できる。通常は、隙間38の幅とエネルギ
分布幅とを一対一に対応させることができるが、フィラ
メント32の形状や表面状態等の経時変化に起因して電
子ビームのエネルギ分布にずれが生じることがあるた
め、質量分析測定を行う前に電子ビームエネルギ分布を
実測しておくことが望ましい。また、電子ビームエネル
ギの分解能を向上させるために、フィラメント32の長
手方向に対して直交する方向に隙間38が形成されるよ
うに電子ビーム遮蔽板34,36を配置する方がよい。
The width of the gap 38 is optimized by using an energy measuring device 42 for measuring the energy of the electron beam.
The energy measuring device 42 includes electron beam shield plates 34, 36.
Similarly, it is made of a thin plate made of tantalum having a thickness of 0.5 mm, and the potential can be changed by the variable power source 44, whereby the energy distribution of the electron beam 32b can be measured. Therefore, in order to obtain the desired energy distribution, this measurement result is fed back to the gap 3
You can set a width of 8. Normally, the width of the gap 38 and the energy distribution width can be made to correspond one-to-one, but the energy distribution of the electron beam may deviate due to the change over time in the shape and surface condition of the filament 32. Therefore, it is desirable to actually measure the electron beam energy distribution before performing the mass spectrometry measurement. Further, in order to improve the resolution of the electron beam energy, it is better to arrange the electron beam shield plates 34 and 36 so that the gap 38 is formed in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the filament 32.

【0025】電子ビームのエネルギ(図1の曲線(II
I)のピークに対応する値)は、電子ビーム遮蔽板3
4,36とフィラメント32との間の電位差に応じて制
御される。従って、この電位差を可変電源45a,45
bによって変えることにより電子ビームのエネルギの設
定値を変えることができる。但し、この設定値と実効値
とは厳密には一致しないため、エネルギ計測装置42を
用いて、実効値を確認しておく必要がある。
Electron beam energy (curve (II
The value corresponding to the peak of I) is the electron beam shield 3
It is controlled according to the potential difference between 4, 36 and the filament 32. Therefore, this potential difference is controlled by the variable power sources 45a, 45.
It is possible to change the set value of the electron beam energy by changing it according to b. However, since the set value and the effective value do not exactly match, it is necessary to confirm the effective value using the energy measuring device 42.

【0026】以上のように、本実施例によれば、イオン
化室12に導入されたラジカルや分子のイオン化に用い
る電子ビームのエネルギを、測定対象に応じて必要十分
な分布幅に設定すると共に、そのエネルギ値を広い範囲
に亘って変化・調整することができる。従って、例え
ば、図1の曲線(III)のエネルギ分布の位置に電子
ビームエネルギを設定でき、この場合には原子ラジカル
Xを選択的に測定できる。また、電子ビームのエネルギ
分布幅が図1のE1とE2の間に入るという条件のもと
で、隙間38の幅を最大に設定することにより、検出感
度を最大にできる。
As described above, according to this embodiment, the energy of the electron beam used for ionizing radicals and molecules introduced into the ionization chamber 12 is set to a necessary and sufficient distribution width according to the object to be measured. The energy value can be changed and adjusted over a wide range. Therefore, for example, the electron beam energy can be set at the position of the energy distribution of the curve (III) in FIG. 1, and in this case, the atomic radical X can be selectively measured. Further, the detection sensitivity can be maximized by setting the width of the gap 38 to the maximum under the condition that the energy distribution width of the electron beam falls between E1 and E2 in FIG.

【0027】次に、プラズマチャンバ18内で生成した
プラズマ中のラジカルの検出を質量分析装置10を用い
て行った例について説明する。プラズマチャンバ18内
にプラズマ原料ガスを所定圧力の下で導入し、平行平板
電極20A、20Bの間にRF放電を起こさせることに
よりプラズマを発生させた。
Next, an example in which radicals in plasma generated in the plasma chamber 18 are detected by using the mass spectrometer 10 will be described. A plasma source gas was introduced into the plasma chamber 18 under a predetermined pressure, and an RF discharge was generated between the parallel plate electrodes 20A and 20B to generate plasma.

【0028】この例では、プラズマ原料ガスとしてテト
ラフルオロメタンCF4 を使用し、プラズマチャンバ1
8内にCF4 ガスを導入し、RF放電させる。このと
き、プラズマ中にはCF3 ラジカルが発生するが、この
CF3 ラジカルを検出するためには、CF3 ラジカルか
ら生じるCF3 + イオンと、親ガスCF4 から生じるC
3 + イオンを区別する必要がある。
In this example, tetrafluoromethane CF 4 is used as the plasma source gas and the plasma chamber 1
CF 4 gas is introduced into the chamber 8 for RF discharge. In this case, although the plasma CF 3 radicals are generated, in order to detect the CF 3 radical, a CF 3 + ions arising from CF 3 radicals, C resulting from the parent gas CF 4
It is necessary to distinguish the F 3 + ions.

【0029】電子衝突によりCF3 ラジカルからの電離
及び親ガスCF4 からの電離によりそれぞれイオン(C
3 + )が生成する場合の反応式と、反応エネルギの閾
値を次の(3)、(4)式に示す。 CF3 +e- →CF3 ++2e- (ラジカルからの電離):10.4eV …(3) CF4 +e- →CF3 ++F+2e- (親ガスからの電離):16.0eV …(4) (3)、(4)式から、CF4 プラズマ中のCF3 ラジ
カルのみを選択的に検出するためには、電子ビームのエ
ネルギEeを、10.4eV<Ee<16.0eV、と
なるように設定すればよいことがわかる。
Ions (C) are generated by ionization from CF 3 radicals and ionization from parent gas CF 4 by electron collision.
The reaction equation when F 3 + ) is generated and the threshold value of the reaction energy are shown in the following equations (3) and (4). CF 3 + e → CF 3 + + 2e (ionization from radical): 10.4 eV (3) CF 4 + e → CF 3 + + F + 2e (ionization from parent gas): 16.0 eV (4) (4) From the equations (3) and (4), in order to selectively detect only CF 3 radicals in CF 4 plasma, the electron beam energy Ee is set to 10.4 eV <Ee <16.0 eV. You know what you need to do.

【0030】そこで、CF4 に起因するイオン検出量に
対応する信号と、CF3 に起因するイオン検出量に対応
する信号とが分離される様子を示すために、電子ビーム
のエネルギEeを9.35〜20.35eVまで変化さ
せる測定を、以下のように行った。まず、プラズマチャ
ンバ18(図2参照)にCF4 ガスを導入し、圧力が4
mTorrとなるようにガス流量を調整すると共に、周
波数13.56MHz、電力50W(0.25W/cm
2 )でRF放電を起こしてCF4 プラズマを生成させ
た。
Therefore, in order to show how the signal corresponding to the detected amount of ions caused by CF 4 and the signal corresponding to the detected amount of ions caused by CF 3 are separated, the energy Ee of the electron beam is set to 9. The measurement changing from 35 to 20.35 eV was performed as follows. First, CF 4 gas was introduced into the plasma chamber 18 (see FIG. 2) and the pressure was adjusted to 4
The gas flow rate was adjusted to mTorr, the frequency was 13.56 MHz, and the power was 50 W (0.25 W / cm).
In 2 ), an RF discharge was generated to generate CF 4 plasma.

【0031】生成したプラズマガスの一部を差動排気に
よって質量分析装置10に導入し、CF3 + (m/e=
69)の検出を行った。測定に際しては、プラズマガス
中のイオン及び電子を除去するために、図3に示すよう
にイオン化室12には正のバイアス(150V)を印加
し、サンプリング管16には負のバイアス(−30V)
を印加した。
A part of the generated plasma gas is introduced into the mass spectrometer 10 by differential evacuation, and CF 3 + (m / e =
69) was detected. At the time of measurement, in order to remove ions and electrons in the plasma gas, a positive bias (150 V) is applied to the ionization chamber 12 and a negative bias (-30 V) is applied to the sampling tube 16 as shown in FIG.
Was applied.

【0032】以上の条件の下でCF3 + を測定した結果
を、図5に〇印で示す。また、比較のために、放電させ
ない点以外は同一条件の下でCF3 + を検出した結果
を、同じく図5に△印で示す。図5のグラフの横軸は電
子ビームのエネルギを示し、縦軸は質量分析装置の出力
値を示す。この出力値は、具体的には一定時間内に一定
閾値(ここでは1V)以上のパルスがいくつ検出された
かを表している。
The result of measuring CF 3 + under the above conditions is shown by a circle in FIG. For comparison, the results of CF 3 + detection under the same conditions except that no discharge is performed are also shown by Δ marks in FIG. The horizontal axis of the graph of FIG. 5 shows the electron beam energy, and the vertical axis shows the output value of the mass spectrometer. Specifically, this output value represents how many pulses having a certain threshold value (here, 1 V) or more are detected within a certain period of time.

【0033】図5から、放電させない場合にはCF3
ジカルは存在しないため、親ガスであるCF4 からの電
離による信号だけが検出されることがわかる。一方、放
電させた場合には、CF3 ラジカルが存在するため、こ
のCF3 ラジカルからの電離による信号も同時に検出さ
れることがわかる。また、図5には、電子ビームのエネ
ルギEeが10.4eV<Ee<16.0eVの範囲の
とき、CF3 ラジカルからの電離に起因する信号が検出
されている様子が明確に示されている。
It can be seen from FIG. 5 that since no CF 3 radical is present when no discharge is made, only a signal due to ionization from CF 4, which is the parent gas, is detected. On the other hand, when discharged, since CF 3 radicals are present, it can be seen that a signal due to ionization from the CF 3 radicals is also detected. Further, FIG. 5 clearly shows that when the electron beam energy Ee is in the range of 10.4 eV <Ee <16.0 eV, a signal resulting from ionization from CF 3 radicals is detected. .

【0034】図6は図5に示したCF3 ラジカルのデー
タを整理したものである。 CF3 +e- →CF3 + +2e- (ラジカルからの電
離) のデータは、電子ビームのエネルギEeが、Ee<1
6.0eVにおける放電オン、放電オフの信号の差をと
ったものであり、 CF4 +e- →CF3 ++F+2e- (親ガスからの電
離) のデータは、放電オフの場合の信号のデータである。
FIG. 6 is a summary of the CF 3 radical data shown in FIG. The data of CF 3 + e → CF 3 + + 2e (ionization from radicals) shows that the electron beam energy Ee is Ee <1.
This is the difference between the discharge on and discharge off signals at 6.0 eV. The data of CF 4 + e → CF 3 + + F + 2e (ionization from the parent gas) is the data of the signal when discharge is off. is there.

【0035】図6から、ラジカルからの直接電離と親ガ
スからの電離それぞれの閾値エネルギの差を利用し、プ
ラズマ中のラジカルに起因する信号だけを選択的に検出
できることがわかる。ラジカルに起因する信号だけを選
択的に検出する場合の電子ビームエネルギの設定は以下
のように行う。プラズマチャンバ18内及び質量分析装
置10内を真空排気し、質量分析装置内の圧力を10-6
Torr以下にし、CF4 ガスを導入せずに、電子ビー
ムのエネルギを14eV、隙間38の幅を約0.5mm
に設定して電子ビームを発生させた。ここで可変電源4
4(図4参照)の電位Vを0Vから−20Vまで変化さ
せつつ、抵抗46に流れた電流Iを測定したところ、図
7(a)に示すような特性曲線が得られた。この特性曲
線を電位Vで微分することにより、図7(b)に示すよ
うな電子ビームのエネルギ分布曲線が得られた。このエ
ネルギ分布曲線より、電子ビームのエネルギ及びエネル
ギ分布幅を読み取ることができるため、この読み取り結
果から隙間38の幅を設定できる。このようにして電子
ビームのエネルギEeを10.4eV<Ee<16.0
eVの範囲になるように設定した。この設定のための操
作は手動で行ってもよいが、パソコンにプログラムして
自動化することも可能である。
It can be seen from FIG. 6 that only the signals due to the radicals in the plasma can be selectively detected by utilizing the difference in threshold energy between the direct ionization from the radicals and the ionization from the parent gas. The electron beam energy is set as follows when selectively detecting only the signal caused by radicals. The inside of the plasma chamber 18 and the mass spectrometer 10 are evacuated to reduce the pressure in the mass spectrometer to 10 −6.
The energy of the electron beam is 14 eV, and the width of the gap 38 is about 0.5 mm without introducing CF 4 gas to Torr or less.
And an electron beam was generated. Variable power source 4
When the current I flowing through the resistor 46 was measured while changing the potential V of 4 (see FIG. 4) from 0 V to −20 V, a characteristic curve as shown in FIG. 7A was obtained. By differentiating this characteristic curve by the potential V, an energy distribution curve of the electron beam as shown in FIG. 7B was obtained. Since the energy of the electron beam and the energy distribution width can be read from this energy distribution curve, the width of the gap 38 can be set from this reading result. Thus, the electron beam energy Ee is set to 10.4 eV <Ee <16.0.
It was set so as to fall within the range of eV. The operation for this setting may be performed manually, but it is also possible to program it in a personal computer and automate it.

【0036】上記のようにして、電子ビームエネルギ値
を、ラジカルだけが検出される条件下で一定にしておけ
ば、ラジカル密度の位置変化、経時変化、放電条件によ
る変化を質量分析装置の出力値によって相対値で比較で
きる。また、本実施例の質量分析装置を用いることによ
り、ラジカルの絶対密度をも、電子衝突電離断面積のデ
ータが揃っている場合には算出することができる。
As described above, if the electron beam energy value is kept constant under the condition that only radicals are detected, the radical density changes with time, changes with time, and changes with discharge conditions are output by the mass spectrometer. Can be compared by relative value. Further, by using the mass spectrometer of the present embodiment, the absolute density of radicals can also be calculated when the data of the electron impact ionization cross section are available.

【0037】以上説明したように、フィラメント32か
ら放出される電子ビームを、隙間38を形成した電子ビ
ーム遮蔽板34,36で遮蔽する構成としたことによ
り、放出された電子ビームのエネルギ及びエネルギ分布
幅を精密に制御できるので、ラジカルとラジカルの発生
源である安定分子等を判別して測定できる。さらに、本
実施例によれば、放出電子ビームのエネルギ及びエネル
ギ分布幅を精密に制御できるので、同一ラジカルの電子
励起状態の異なるもの(基底状態と準安定状態)を判別
して測定できる。
As described above, the electron beam emitted from the filament 32 is shielded by the electron beam shield plates 34 and 36 having the gap 38, so that the energy and the energy distribution of the emitted electron beam. Since the width can be precisely controlled, radicals and stable molecules that are the source of radicals can be distinguished and measured. Furthermore, according to the present embodiment, the energy of the emitted electron beam and the energy distribution width can be precisely controlled, so that different radicals (ground state and metastable state) of the same radical can be determined and measured.

【0038】次に、図8を参照して電子ビーム源とイオ
ン化室の他の構造を説明する。図8は、電子ビーム源と
イオン化室の他の構造を示す概略構成図であり、図4と
同じ要素は同じ符号で示す。電子ビーム源とイオン化室
から構成されるイオン源部は、熱電子発生手段としての
フィラメント32、このフィラメント32を収納してい
る差圧チャンバ50、及びイオン化室12を備えて構成
されている。差圧チャンバ50を構成する壁のうち、フ
ィラメント32から放出される熱電子の加速方向(電子
放出方向)に配置された側壁は金属製の遮蔽板50aか
らなり、他の側壁50bは、耐熱性を有する石英ガラス
製の絶縁体から構成されている。遮蔽板50aには開口
部50cが形成されており、この開口部50cは,フィ
ラメント32から放出された熱電子を通過させる機能
と、差圧チャンバ50内外に圧力差をつける機能を有す
る。遮蔽板50aは、厚さ0.5mmのタンタル(T
a)からなる薄板で作成されている。材料としてタンタ
ルを用いたのは、分析ガスとの反応性が低いからであ
る。また、側壁50bにはガス導入口50dが形成され
ており、このガス導入口50dからは質量分析測定に影
響を与えないようなガスが極微小流量だけ導入されるよ
うに構成されている。
Next, another structure of the electron beam source and the ionization chamber will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing another structure of the electron beam source and the ionization chamber, and the same elements as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. The ion source section including an electron beam source and an ionization chamber is configured to include a filament 32 as a thermoelectron generating means, a differential pressure chamber 50 accommodating the filament 32, and an ionization chamber 12. Among the walls forming the differential pressure chamber 50, the side wall arranged in the acceleration direction (electron emission direction) of the thermoelectrons emitted from the filament 32 is made of a metal shielding plate 50a, and the other side wall 50b is heat resistant. It is composed of an insulator made of quartz glass. An opening 50c is formed in the shielding plate 50a, and the opening 50c has a function of passing the thermoelectrons emitted from the filament 32 and a function of making a pressure difference between the inside and outside of the differential pressure chamber 50. The shield plate 50a is made of tantalum (T
It is made of a thin plate consisting of a). Tantalum was used as the material because it has low reactivity with the analysis gas. Further, a gas inlet 50d is formed in the side wall 50b, and a gas that does not affect the mass spectrometric measurement is introduced from the gas inlet 50d at a very small flow rate.

【0039】電子ビーム32aのエネルギは、遮蔽板5
0aとフィラメント32との電位差により制御され、設
定される。但し、この設定値と実効値とは厳密には一致
しないため通常は較正が必要であり、この較正は電子衝
突電離の閾値エネルギが既知のガス、例えば電子衝突電
離断面積が電子ビームエネルギの低エネルギ側で直線性
の良いArガス(閾値:15.75eV)を用いて行う
ことができる。
The energy of the electron beam 32a is the shielding plate 5
It is controlled and set by the potential difference between 0a and the filament 32. However, since this set value and the effective value do not strictly match, calibration is usually required.This calibration requires a gas whose electron impact ionization threshold energy is known, for example, electron impact ionization cross-section is low when the electron beam energy is low. This can be performed using Ar gas (threshold value: 15.75 eV) having good linearity on the energy side.

【0040】以上のように本実施例によれば、イオン化
室12と、電子ビーム源である熱電子放出用のフィラメ
ント32を収納している差圧チャンバ50との間に圧力
差をつけることにより、イオン化室12内の試料ガス
が、フィラメント32近傍に侵入できないこととなる。
このため、試料ガス中に熱解離を起こし易い成分が含ま
れている場合でも、熱解離を起こさせることなく、試料
ガスを測定できる。
As described above, according to the present embodiment, by providing a pressure difference between the ionization chamber 12 and the differential pressure chamber 50 accommodating the filament 32 for emitting thermions which is an electron beam source. Therefore, the sample gas in the ionization chamber 12 cannot enter the vicinity of the filament 32.
Therefore, even when the sample gas contains a component that easily causes thermal dissociation, the sample gas can be measured without causing thermal dissociation.

【0041】次に、差圧チャンバ50を備えた質量分析
装置を用いて、プラズマチャンバ18(図2参照)内で
生成したプラズマ中のラジカルの検出を行った例につい
て説明する。プラズマチャンバ18内にプラズマ原料ガ
スを所定圧力の下で導入し、平行平板電極20A、20
Bの間にRF放電を起こさせることによりプラズマを発
生させた。ここでは、プラズマ原料ガスとしてCl2
使用し、プラズマチャンバ18内にCl2 ガスを導入
し、RF放電させた。このとき、プラズマ中にはClラ
ジカルが発生するが、このClラジカルを検出するため
には、Clラジカルから生じるCl+ イオンと、Cl2
から生じる同イオンとを区別する必要がある。
Next, an example in which radicals in the plasma generated in the plasma chamber 18 (see FIG. 2) are detected by using the mass spectrometer equipped with the differential pressure chamber 50 will be described. A plasma source gas is introduced into the plasma chamber 18 under a predetermined pressure, and the parallel plate electrodes 20A, 20
Plasma was generated by causing an RF discharge during B. Here, Cl 2 was used as the plasma source gas, Cl 2 gas was introduced into the plasma chamber 18, and RF discharge was performed. At this time, Cl radicals are generated in the plasma. To detect the Cl radicals, Cl + ions generated from the Cl radicals and Cl 2 ions are generated.
It is necessary to distinguish it from the same ion generated from.

【0042】電子衝突によりClラジカルからの電離及
び親ガスCl2 からの電離によりそれぞれイオン(Cl
+ )が生成する場合の反応式と、反応エネルギの閾値を
次の(5)、(6)に示す。 Cl+e- →Cl+ +2e- (ラジカルからの電離):12.97ev …(5) Cl2 +e- →Cl+ +2e- (親ガスからの電離):16.67ev …(6) (5)、(6)式から、Cl2 プラズマ中のClラジカ
ルだけを選択的に検出するためには、電子ビームのエネ
ルギEeを、12.97eV<Ee<16.67eVと
なるように設定すればよいことがわかる。
Ions (Cl) are generated by ionization from Cl radicals and ionization from the parent gas Cl 2 by electron collision.
The reaction formula and the threshold value of the reaction energy when + ) is generated are shown in the following (5) and (6). Cl + e → Cl + + 2e (ionization from radical): 12.97 ev (5) Cl 2 + e → Cl + + 2e (ionization from parent gas): 16.67 ev (6) (5), ( From the equation (6), it is understood that the electron beam energy Ee should be set to 12.97 eV <Ee <16.67 eV in order to selectively detect only Cl radicals in Cl 2 plasma. .

【0043】そこで、Cl2 に起因するイオン検出量に
対応する信号と、Clに起因するイオン検出量に対応す
る信号とが分離される様子を示すために、電子ビームの
エネルギEeを12.25〜22.25eVまで変化さ
せる測定を、以下のように行った。まず、プラズマチャ
ンバ18(図2参照)にCl2 ガスを導入し、圧力が4
mTorrとなるようにガス流量を調整すると共に、周
波数13.56MHz、電力50W(0.25W/cm
2 )でRF放電を起こしてCl2 プラズマを生成させ
た。
Therefore, in order to show how the signal corresponding to the detected amount of ions caused by Cl 2 and the signal corresponding to the detected amount of ions caused by Cl are separated, the energy Ee of the electron beam is 12.25. Measurements up to -22.25 eV were made as follows. First, Cl 2 gas was introduced into the plasma chamber 18 (see FIG. 2) and the pressure was adjusted to 4
The gas flow rate was adjusted to mTorr, the frequency was 13.56 MHz, and the power was 50 W (0.25 W / cm).
2 ) RF discharge was generated to generate Cl 2 plasma.

【0044】生成したプラズマガスの一部を差動排気に
よって質量分析装置10内に導入し、Cl+ (m/e=
35)を検出した。このとき、質量分析装置10内のイ
オン化室の圧力は5×10-7Torrであった。差圧チ
ャンバ50内部の圧力が、イオン化室の圧力より3桁程
度真空度が悪くなるように、ガス導入口50dからAr
ガスを0.1sccm流した。ここでArガスを用いた
のは、Cl2 との反応性が低く、また、その一部がイオ
ン化されたとしても、Ar+ とCl+ とでは質量が異な
るために、Cl+ の検出には影響を与えないからであ
る。
A part of the generated plasma gas was introduced into the mass spectrometer 10 by differential evacuation, and Cl + (m / e =
35) was detected. At this time, the pressure of the ionization chamber in the mass spectrometer 10 was 5 × 10 −7 Torr. Ar so that the pressure inside the differential pressure chamber 50 is lower than the pressure inside the ionization chamber by about three orders of magnitude, so that the Ar gas is introduced from the gas inlet 50d.
The gas was flowed at 0.1 sccm. Here the Ar gas was used, the low reactivity with the Cl 2, also, that even when a part has been ionized, for mass in Ar + and Cl + capital differs, the detection of the Cl + is This is because it has no effect.

【0045】測定に際しては、プラズマ中のイオン及び
電子を除去するために、図3に示すように、イオン化室
には正のバイアス(150V)を印加し、サンプリング
管には負のバイアス(−30V)を印加した。以上の条
件の下でCl+ を測定した結果を、図9に〇印で示し
た。また、比較のために放電させない以外は同一条件の
下でCl+ を検出した結果を同じく図9に△印で示し
た。図9のグラフの横軸は電子ビームのエネルギを示
し、縦軸は質量分析装置の出力値を示す。この出力値
は、具体的には一定時間内に一定閾値(ここでは1V)
以上のパルスがいくつ検出されたかを表している。
In the measurement, in order to remove the ions and electrons in the plasma, a positive bias (150 V) is applied to the ionization chamber and a negative bias (-30 V is applied to the sampling tube, as shown in FIG. ) Was applied. The result of measuring Cl + under the above conditions is shown by a circle in FIG. Further, for comparison, the results of detecting Cl + under the same conditions except that no discharge is performed are also shown by Δ in FIG. The horizontal axis of the graph in FIG. 9 represents the electron beam energy, and the vertical axis represents the output value of the mass spectrometer. This output value is specifically a constant threshold value (here, 1 V) within a constant time.
It shows how many of the above pulses were detected.

【0046】図9から、放電させない場合にはClラジ
カルは存在しないため、親ガスであるCl2 からの電離
による信号だけが検出されることがわかる。一方、放電
させた場合には、Clラジカルが存在するため、このラ
ジカルからの電離による信号も同時に検出されることが
わかる。なお、放電させない場合(△印)の16.67
eV以下における質量分析装置の出力値は、装置に起因
するバックグラウンドの値である。比較のために、前述
と同様のClラジカルの分析を、差圧チャンバ50を持
たない従来の装置構成で行ったところ、放電の有無に関
わらず熱分解によって生成したと考えられるClラジカ
ルが検出され、図9にみられるような放電の有無による
差異は認められなかった。
It can be seen from FIG. 9 that when no discharge is made, Cl radicals do not exist, so that only the signal due to ionization from the parent gas Cl 2 is detected. On the other hand, when discharged, since Cl radicals are present, it can be seen that a signal due to ionization from these radicals is also detected. 16.67 when not discharged (marked with Δ)
The output value of the mass spectrometer at eV or lower is the value of the background caused by the instrument. For comparison, the same Cl radical analysis as described above was performed using a conventional apparatus configuration without the differential pressure chamber 50. As a result, Cl radicals that were considered to have been generated by thermal decomposition were detected regardless of the presence or absence of discharge. No difference due to the presence or absence of discharge as shown in FIG. 9 was observed.

【0047】以上詳述した本実施例によれば、イオン化
室12と差圧チャンバ50との間に圧力差をつけること
により、試料ガスがフィラメント32近傍に侵入しない
ようにできるため、試料ガス中に熱解離を起こし易い成
分が含まれている場合でも、熱解離を起こさせることな
く、試料ガスを測定できる。次に、差圧チャンバ50を
真空室として利用する例を説明する。上記の例では、ガ
ス導入口50dから差圧チャンバ50にガスを導入した
が、ここではガス導入口50dに真空ポンプ(図示せ
ず)を接続し、差圧チャンバ50内を真空にする。これ
により、開口部50cは、フィラメント32から放出さ
れた熱電子を通過させる機能と、イオン化室12内の試
料ガスがフィラメント32の近傍に侵入する割合を制限
する機能を有することとなる。
According to the present embodiment described in detail above, the sample gas can be prevented from entering the vicinity of the filament 32 by providing a pressure difference between the ionization chamber 12 and the differential pressure chamber 50. Even if the component contains a component that easily causes thermal dissociation, the sample gas can be measured without causing thermal dissociation. Next, an example in which the differential pressure chamber 50 is used as a vacuum chamber will be described. In the above example, the gas was introduced into the differential pressure chamber 50 through the gas introduction port 50d, but here, a vacuum pump (not shown) is connected to the gas introduction port 50d to create a vacuum inside the differential pressure chamber 50. As a result, the opening 50c has a function of passing the thermoelectrons emitted from the filament 32 and a function of limiting the ratio of the sample gas in the ionization chamber 12 entering the vicinity of the filament 32.

【0048】差圧チャンバ50を真空室として利用する
場合は、差圧チャンバ50内にフィラメント32が配置
されているので、試料ガスがフィラメント32近傍に侵
入する割合が制限される。また、差圧チャンバ50を差
動排気したことにより、差圧チャンバ50内に侵入した
試料ガスがイオン化室12に再度戻らないようにした。
このため、試料ガス中に熱解離を起こし易い成分が含ま
れている場合でも、熱解離の影響なく、試料ガスを測定
できる。
When the differential pressure chamber 50 is used as a vacuum chamber, since the filament 32 is arranged in the differential pressure chamber 50, the rate at which the sample gas enters the vicinity of the filament 32 is limited. Further, the differential pressure chamber 50 is differentially evacuated so that the sample gas that has entered the differential pressure chamber 50 does not return to the ionization chamber 12 again.
Therefore, even if the sample gas contains a component that easily causes thermal dissociation, the sample gas can be measured without being affected by the thermal dissociation.

【0049】差圧チャンバ50を真空室として利用し
て、図9のデータを得た実験と同じ条件で実験を行っ
た。但し、イオン化室圧力は5×10-6Torrであ
り、差圧チャンバ50内の圧力が、イオン化室の圧力と
同一あるいは1桁程度低くなるように、ガス導入口50
dから差動排気を行った。実験結果は、上記と同様にな
った。
Using the differential pressure chamber 50 as a vacuum chamber, an experiment was conducted under the same conditions as the experiment in which the data of FIG. 9 was obtained. However, the pressure in the ionization chamber is 5 × 10 −6 Torr, and the pressure in the differential pressure chamber 50 is equal to or lower than the pressure in the ionization chamber by about one digit.
Differential evacuation was performed from d. The experimental results were the same as above.

【0050】次に、本発明の質量分析装置を、中性ビー
ムのビーム構成種を検出する中性ビーム検出装置として
適用した実施例を説明する。図10は、中性ビーム検出
装置を示す概略構成図である。本実施例の中性ビーム検
出装置60に適用した質量分析装置は、磁場型質量分析
装置であり、図10に示すように、試料ガスをイオン化
するためのイオン化室62と、このイオン化室62で生
成したイオンを質量分離するための質量分析部64と、
検出信号を増幅するための2次電子増倍管66とを備え
て構成されている。また中性ビーム検出装置60は、ポ
ンプ67による差動排気により独立に圧力調整できるよ
うに構成されている。
Next, an embodiment in which the mass spectrometer of the present invention is applied as a neutral beam detector for detecting the beam constituent species of the neutral beam will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a neutral beam detection device. The mass spectrometer applied to the neutral beam detector 60 of this embodiment is a magnetic field type mass spectrometer, and as shown in FIG. 10, an ionization chamber 62 for ionizing a sample gas and an ionization chamber 62 are provided. A mass spectrometric section 64 for mass-separating the generated ions,
And a secondary electron multiplier 66 for amplifying the detection signal. Further, the neutral beam detection device 60 is configured so that the pressure can be adjusted independently by differential pumping by the pump 67.

【0051】中性ビーム検出装置60は、中性ビーム生
成装置(図示せず)に接続されており、中性ビーム生成
装置で生成した中性ビーム68の一部をアパーチャー7
0を通してイオン化室62へ取り込むように構成されて
いる。イオン化室62に取り込まれた中性ビームには、
電子ビーム源72から電子ビーム74が照射され、電子
衝突によりその一部がイオン化される。電子ビーム源7
2は、イオン化室62に多段に設けられており、中性ビ
ームのイオン化率を大きくすることにより、検出感度を
向上させることができる。ここでは、3段のものを用い
た。
The neutral beam detector 60 is connected to a neutral beam generator (not shown), and a part of the neutral beam 68 generated by the neutral beam generator is used for the aperture 7.
It is configured to be taken into the ionization chamber 62 through 0. In the neutral beam taken into the ionization chamber 62,
An electron beam 74 is emitted from the electron beam source 72, and a part thereof is ionized by electron collision. Electron beam source 7
2 is provided in multiple stages in the ionization chamber 62, and the detection sensitivity can be improved by increasing the ionization rate of the neutral beam. Here, a three-stage one was used.

【0052】上記のようにしてイオン化室62で生成さ
れたイオンは、イオン化室62から引き出され、質量分
析部64で質量分離されると同時に、検出対象のイオン
のみが質量分析部64を通過し、二次電子倍増管66に
入射する。これにより、検出対象のイオンを表す信号が
増幅されて検出される。次に、本実施例の中性ビーム検
出装置60を用いて、中性ビーム中の構成種の検出を実
際に行った例について説明する。
The ions generated in the ionization chamber 62 as described above are extracted from the ionization chamber 62 and are mass-separated by the mass spectrometric section 64. At the same time, only ions to be detected pass through the mass spectrometric section 64. , Enters the secondary electron multiplier 66. As a result, the signal representing the ion to be detected is amplified and detected. Next, an example of actually detecting the constituent species in the neutral beam using the neutral beam detection device 60 of the present embodiment will be described.

【0053】ここでは、N2 中性ビームを用い、N2
性ビーム中のNラジカルを分別検出した。Nラジカルを
検出するためには、Nラジカルから生じるN+ イオン
と、N 2 から生じる同イオンとを区別する必要がある。
電子衝突によるNラジカルからの電離及び親ガスN2
らの電離によりそれぞれイオン(N+ )が生成する場合
の反応式と、反応エネルギ閾値を次の(7)、(8)式
に示す。
Here, N2 Use neutral beam, N2 During ~
The N radicals in the sexual beam were separately detected. N radical
In order to detect, N generated from N radicals+ ion
And N 2 It is necessary to distinguish it from the same ion generated from.
Ionization from N radical by electron collision and parent gas N2 Or
Ionization (N+ ) Produces
And the reaction energy threshold are expressed by the following equations (7) and (8)
Shown in.

【0054】 N+e- →N+ +2e- (ラジカルからの電離) :14.5eV …(7) N2 +e- →N+ +N+2e- (親ガスからの電離):24.3eV …(8) (7)、(8)式から、N2 中子ビーム中のNラジカル
のみを選択的に検出するためには、電子ビームのエネル
ギEeを、14.5eV<Ee<24.3eVとなるよ
うに設定すればよいことがわかる。
N + e → N + + 2e (ionization from radicals): 14.5 eV (7) N 2 + e → N + + N + 2e (ionization from parent gas): 24.3 eV (8) (7) ), (8), in order to selectively detect only the N radicals in the N 2 core beam, the electron beam energy Ee should be set to 14.5 eV <Ee <24.3 eV. I understand that it is good.

【0055】そこで、N2 に起因するイオン検出量に対
応する信号と、Nに起因するイオン検出量に対応する信
号とが分離される様子を示すために、電子ビームのエネ
ルギEeを10.0〜30.0eVまで変化させる測定
を、以下のように行った。中性ビーム生成装置(図示せ
ず)の圧力が4mTorrとなるように中性ビーム生成
装置のガス流量を調整し、ビームエネルギ300eVの
中性ビームを生成させた。ビームの一部をアパーチャー
70を通して中性ビーム検出装置60に導入し、N+
(m/e=14)の検出を行った。このとき、中性ビー
ム検出装置60内の圧力は、差動排気により5×10-6
Torrに設定した。
Therefore, in order to show how the signal corresponding to the detected ion amount due to N 2 and the signal corresponding to the detected ion amount due to N 2 are separated, the energy Ee of the electron beam is set to 10.0. Measurements varying from ˜30.0 eV were made as follows. The gas flow rate of the neutral beam generator was adjusted so that the pressure of the neutral beam generator (not shown) was 4 mTorr, and a neutral beam with a beam energy of 300 eV was generated. Part of the beam is introduced into the neutral beam detector 60 through the aperture 70, and N +
(M / e = 14) was detected. At this time, the pressure inside the neutral beam detector 60 is 5 × 10 −6 due to the differential exhaust.
It was set to Torr.

【0056】以上の条件の下でN+ を測定した結果を、
図11に〇印で示した。また、比較のために、N2 ガス
を流すだけで中性ビームを生成させない以外は同一の条
件の下でN+ を検出した結果を、同じく図11に△印で
示した。図11のグラフの横軸は電子ビームのエネルギ
を示し、縦軸は磁場型質量分析装置の出力値を示す。こ
の出力値は、N2 からの解離イオン化が生じている3
0.0eVの値で規格化した相対値である。
The results of measuring N + under the above conditions are
It is indicated by a circle in FIG. Further, for comparison, the result of detecting N + under the same conditions except that a neutral beam is not generated only by flowing N 2 gas is also shown by a triangle mark in FIG. 11. The horizontal axis of the graph of FIG. 11 represents the electron beam energy, and the vertical axis represents the output value of the magnetic field mass spectrometer. This output value indicates that dissociative ionization from N 2 is occurring 3
It is a relative value standardized with a value of 0.0 eV.

【0057】図11から、中性ビームを生成させない場
合にはNラジカルは存在しないため、親ガスであるN2
からの電離による信号のみが検出されていることがわか
る。一方、中性ビームを生成させた場合にはNラジカル
が存在するため、このNラジカルからの電離による信号
も同時に検出されることがわかる。なお、中性ビームを
生成させない場合(△印)の24.3eV以下における
質量分析装置の出力値は、装置に起因するバックグラウ
ンドの値である。
From FIG. 11, since N radicals do not exist when the neutral beam is not generated, the parent gas N 2
It can be seen that only the signal due to ionization from is detected. On the other hand, when the neutral beam is generated, N radicals are present, so it is understood that a signal due to ionization from the N radicals is also detected at the same time. The output value of the mass spectrometer at 24.3 eV or less when the neutral beam is not generated (marked with Δ) is the background value due to the instrument.

【0058】以上詳述した本実施例によれば、中性ビー
ム検出装置として質量分析装置を用い、質量分析装置の
イオン源として、ビームエネルギが制御可能な電子ビー
ム源を多段に設置したことにより、特定の種(ここでは
Nラジカル)を選択的に高イオン化率でイオン化するこ
とができるため、特定の種を高感度で検出することがで
きる。
According to this embodiment described in detail above, a mass spectrometer is used as a neutral beam detector, and electron beam sources whose beam energy can be controlled are installed in multiple stages as ion sources of the mass spectrometer. Since a specific species (here, N radical) can be selectively ionized at a high ionization rate, the specific species can be detected with high sensitivity.

【0059】ここで、中性ビーム検出装置の具体的装置
構成は、上記実施例に示したものに限られるものでな
く、質量分析装置も磁場型質量分析装置に限定されな
い。また、本発明が適用可能な中性ビームは、前記実施
例に示したN2 中性ビームに限定されるものではなく任
意に変更可能である。例えばAr中性ビームのような単
原子分子中性ビームを用いた場合には、準安定状態Ar
を分別検出することも可能である。
Here, the specific device configuration of the neutral beam detection device is not limited to that shown in the above embodiment, and the mass spectrometer is not limited to the magnetic field type mass spectrometer. Further, the neutral beam to which the present invention can be applied is not limited to the N 2 neutral beam shown in the above embodiment, but can be arbitrarily changed. For example, when a monoatomic molecule neutral beam such as Ar neutral beam is used, a metastable state Ar is used.
It is also possible to separately detect.

【0060】以上、本発明について具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に示したものに限られるもの
でなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であ
る。例えば、本発明の質量分析装置の具体的装置構成
は、前記実施例に示したものに限られるものでなく、ま
た、四重極質量分析装置に限定されない。熱電子発生手
段もフィラメントに限定されない。また、本発明が適用
可能な試料ガスは、前記実施例に示したCF4 、Cl2
に限定されるものでなく任意に変更可能であり、例え
ば、CH4 、F2 等に適用できる。
The present invention has been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the specific device configuration of the mass spectrometer of the present invention is not limited to that shown in the above-mentioned embodiment, and is not limited to the quadrupole mass spectrometer. The thermoelectron generating means is not limited to the filament. Further, the sample gas to which the present invention is applicable is CF 4 , Cl 2 shown in the above embodiment.
The present invention is not limited to the above and can be arbitrarily changed, and can be applied to, for example, CH 4 , F 2 and the like.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上説明したように本発明の第1の質量
分析装置によれば、2枚の電子ビーム遮蔽板により熱電
子の一部が通過する隙間が形成されこの隙間の間隔は自
在に制御でき、また、電位差制御手段により電子ビーム
源と電子ビーム遮蔽板との間の電位差を制御できる。こ
のため、試料ガスをイオン化する電子ビームのエネルギ
及びエネルギー分布幅を変更できるので、質量分析によ
り検出されるイオンの生成源として複数の成分が存在す
る場合でも、その中の特定成分を正確に検出できる。
As described above, according to the first mass spectrometer of the present invention, a gap through which a part of thermoelectrons pass is formed by the two electron beam shield plates, and the gap can be freely set. The potential difference between the electron beam source and the electron beam shield plate can be controlled by the potential difference control means. Therefore, the energy of the electron beam that ionizes the sample gas and the energy distribution width can be changed, so that even if there are multiple components as the ion generation source detected by mass spectrometry, the specific component among them can be accurately detected. it can.

【0062】また、本発明の第2の質量分析装置によれ
ば、電子ビーム源が容器に密封して収容されており、こ
の容器には熱電子が通過する開口が形成されている。こ
のため、電子ビーム源の近傍への試料ガスの侵入をほぼ
防止できる。この結果、試料ガス中に熱解離を起こし易
い成分が含まれていても、この成分は電子ビーム源の近
傍へ侵入できないこととなるため、この成分の熱解離を
起こさせることなく、試料ガス中の特定成分を正確に検
出できる。
Further, according to the second mass spectrometer of the present invention, the electron beam source is hermetically housed in the container, and the container is formed with an opening through which thermoelectrons pass. Therefore, it is possible to substantially prevent the sample gas from entering the vicinity of the electron beam source. As a result, even if the sample gas contains a component that easily causes thermal dissociation, this component cannot enter the vicinity of the electron beam source, so that thermal dissociation of this component does not occur in the sample gas. The specific component of can be accurately detected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】電子ビームエネルギに対する電子ビームのフラ
ックス及び電子衝突電離断面積の関係を示すグラフであ
る。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between electron beam flux and electron impact ionization cross section with respect to electron beam energy.

【図2】本発明の一実施例の質量分析装置を示す概略構
成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.

【図3】プラズマチャンバから試料ガスをサンプリング
する際の試料ガスの導入経路とその電位分布を示す説明
図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a sample gas introduction path and its potential distribution when the sample gas is sampled from the plasma chamber.

【図4】イオン源部の要部を拡大して示す概略構成図で
ある。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an enlarged main part of an ion source unit.

【図5】図1に示す質量分析装置を用いてCF3 + を測
定した結果を示すグラフである。
5 is a graph showing the results of measuring CF 3 + using the mass spectrometer shown in FIG.

【図6】図5に示したCF3 ラジカルのデータを整理し
たグラフである。
FIG. 6 is a graph in which data of CF 3 radicals shown in FIG. 5 is arranged.

【図7】(a)は図4に示す可変電源の電位Vと抵抗に
流れる電流Iとの関係を示すグラフ、(b)は可変電源
の電位Vと電子ビームフラックスとの関係を示すグラフ
である。
7A is a graph showing the relationship between the potential V of the variable power supply shown in FIG. 4 and the current I flowing through the resistor, and FIG. 7B is a graph showing the relationship between the potential V of the variable power supply and the electron beam flux. is there.

【図8】電子ビーム源とイオン化室の他の構造を示す概
略構成図である。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing another structure of an electron beam source and an ionization chamber.

【図9】図8に示す電子ビーム源とイオン化室を備えた
質量分析装置を用いてCl+ を測定した結果を示すグラ
フである。
9 is a graph showing the results of measuring Cl + using the mass spectrometer equipped with the electron beam source and the ionization chamber shown in FIG. 8.

【図10】本発明の質量分析装置を適用した中性ビーム
検出装置を示す概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a neutral beam detection device to which the mass spectrometer of the present invention is applied.

【図11】図10に示す中性ビーム検出装置を用いてN
+ を測定した結果を示すグラフである。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of the neutral beam detection apparatus shown in FIG.
It is a graph which shows the result of having measured + .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 質量分析装置 12 イオン化室 14 四重極電極 18 プラズマチャンバ 20A、20B 平行平板電極 22 二次電子増倍管 32 フィラメント 34,36 電子ビーム遮蔽板 38 隙間 40 ピエゾスタック 42 エネルギ計測装置 45a,45b 可変電源 50 差圧チャンバ 50d ガス導入口 10 Mass Spectrometer 12 Ionization Chamber 14 Quadrupole Electrode 18 Plasma Chamber 20A, 20B Parallel Plate Electrode 22 Secondary Electron Multiplier Tube 32 Filament 34, 36 Electron Beam Shielding Plate 38 Gap 40 Piezo Stack 42 Energy Measuring Device 45a, 45b Variable Power supply 50 Differential pressure chamber 50d Gas inlet

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 熱電子を放出する電子ビーム源と、該電
子ビーム源から放出された熱電子が導入されると共に分
析対象となる試料ガスが導入されるイオン化室とを備え
た質量分析装置において、 前記電子ビーム源及び前記イオン化室の間に設けられ
た、互いの間隔を自在に制御して熱電子が通過する隙間
を形成する2枚の電子ビーム遮蔽板と、 前記電子ビーム源及び前記電子ビーム遮蔽板の間の電位
差を制御する電位差制御手段とを備えたことを特徴とす
る質量分析装置。
1. A mass spectrometer comprising an electron beam source that emits thermoelectrons, and an ionization chamber into which the thermoelectrons emitted from the electron beam source are introduced and a sample gas to be analyzed is introduced. Two electron beam shields provided between the electron beam source and the ionization chamber to freely control the distance between them to form a gap through which thermoelectrons pass, the electron beam source and the electrons A mass spectroscope comprising: a potential difference control means for controlling a potential difference between the beam shield plates.
【請求項2】 前記電子ビーム遮蔽板の前記熱電子放出
方向前方に設けられ、前記隙間を通過した電子ビームの
エネルギを計測するエネルギ計測手段を備えたことを特
徴とする請求項1記載の質量分析装置。
2. The mass according to claim 1, further comprising energy measuring means which is provided in front of the electron beam shielding plate in the thermionic emission direction and which measures the energy of the electron beam passing through the gap. Analysis equipment.
【請求項3】 熱電子を放出する電子ビーム源と、該電
子ビーム源から放出された熱電子が導入されると共に分
析対象となる試料ガスが導入されるイオン化室とを備え
た質量分析装置において、 前記電子ビーム源から放出された熱電子が通過する開口
を有する、前記電子ビーム源を密封して収容した容器を
備えたことを特徴とする質量分析装置。
3. A mass spectrometer comprising an electron beam source that emits thermoelectrons, and an ionization chamber into which the thermoelectrons emitted from the electron beam source are introduced and a sample gas to be analyzed is introduced. A mass spectrometer, comprising: a container that has an opening through which thermoelectrons emitted from the electron beam source pass and that hermetically houses the electron beam source.
【請求項4】 前記容器にガスを供給するガス供給手段
を備えたことを特徴とする請求項3記載の質量分析装
置。
4. The mass spectrometer according to claim 3, further comprising gas supply means for supplying gas to the container.
【請求項5】 前記容器内を排気する排気手段を備えた
ことを特徴とする請求項3記載の質量分析装置。
5. The mass spectrometer according to claim 3, further comprising exhaust means for exhausting the inside of the container.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019061829A (en) * 2017-09-26 2019-04-18 株式会社東芝 Mass spectrometer and mass spectrometry method
JP2021522650A (en) * 2018-04-20 2021-08-30 パーキンエルマー・ヘルス・サイエンシーズ・カナダ・インコーポレイテッドPerkinelmer Health Sciences Canada, Inc. Mass spectrometers including ion sources and reaction cells and systems and methods using them
JP2024501279A (en) * 2020-12-23 2024-01-11 エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド Monitoring radical particle concentrations using mass spectrometry

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