(57)【要約】  化学分析システム（１０）に関する。このシステムでは、ＲＦ駆動プラズマ・イオン化器（１１）が間隔を空けたプラズマから遮断された1対の電極（１４，１６）を有する。これら電極（１４，１６）は電源（２２）に接続されており、電極（１４，１６）は共振回路（２２ｃ）のキャパシタのプレートとして作用し、ガス（Ｓ）が電気的に放電して正イオンおよび負イオンの両方のプラズマを生成する。電圧は、連続する交番波形またはパケット波形のような一連のパルスとして印加される。
2005512274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙により間隔を空けている少なくとも２つの電極を有する容量放電器と、
ＲＦ信号を発生する手段であって、この信号を前記電極に印加して前記間隙に電界を生成する手段と、
前記電界にガスを供給する手段であって、このガスが前記電界によりイオン化され、前記間隙にイオンのプラズマを生成する手段と、
前記イオンと前記電極の少なくとも１つの少なくとも一部との接触を最少にする手段と、
前記イオンをさらに利用するために、前記間隙の外に前記イオンを移送する手段とを備えた、プラズマを生成するプラズマ・イオン化源。
【請求項２】
請求項１において、さらに、大気圧またはほぼそれに近い圧力を含む圧力において空気中に、前記プラズマを生成できる手段を備えた、プラズマ・イオン化源。
【請求項３】
請求項１において、前記ＲＦ信号を発生する手段がさらに共振回路を有し、前記電極がこの共振回路の一部である、プラズマ・イオン化源。
【請求項４】
請求項３において、プラズマを生成する前記手段が前記プラズマ温度を安定化する回路を有する、プラズマ・イオン化源。
【請求項５】
請求項３において、プラズマを生成する前記手段が前記プラズマ電流を安定化する負帰還回路を有する、プラズマ・イオン化源。
【請求項６】
請求項３において、前記共振回路が負帰還回路と前記電極とを有する、プラズマ・イオン化源。
【請求項７】
請求項３において、さらに、前記電極を駆動して前記プラズマを生成するように、パケット波形を発生する手段を備えた、プラズマ・イオン化源。
【請求項８】
請求項１において、さらに、前記容量放電器内の前記ガスを移送する手段を備え、さらに、前記ガスを導入する流入口と、下流で利用するために前記イオンを流し出す流出口とを有し、この移送手段によって前記イオンが前記間隙から前記流出口に移送される、プラズマ・イオン化源。
【請求項９】
請求項１において、イオンと電極との接触を最少にする前記手段が、前記電極の少なくとも１つの上に絶縁体を有することにより、前記プラズマと前記少なくとも１つの電極との接触を防ぐ、プラズマ・イオン化源。
【請求項１０】
請求項９において、前記電極が前記イオンとの接触を遮断されている、プラズマ・イオン化源。
【請求項１１】
請求項１０において、前記絶縁体が誘電体材料である、プラズマ・イオン化源。
【請求項１２】
効率的なプラズマ・イオン化性能を有するシステムであって、
ガスを受入れ、このガスからイオンのプラズマを生成する容量放電器であって、この放電器が少なくとも１対の電極を有し、この電極が電極間に電界を発生し、この電界中を前記ガスの少なくとも一部が通過し、前記ガスが前記電界によってイオン化されて前記プラズマを生成する、容量放電器と、
前記プラズマを安定化する手段とを備えた、システム。
【請求項１３】
請求項１２において、プラズマを安定化する前記手段が、前記電界を調節するように前記プラズマ生成の効率を制御する負帰還回路を有する、システム。
【請求項１４】
請求項１２において、前記電極がキャパシタのプレートを形成し、さらに、前記プラズマを発生するために前記プレートに接続された共振回路を備えた、システム。
【請求項１５】
請求項１４において、前記電極が前記共振回路の一部である、システム。
【請求項１６】
請求項１４において、プラズマを安定化する前記手段が前記共振回路と前記キャパシタとを有し、前記共振回路が前記電極にＲＦ電圧を印加する、システム。
【請求項１７】
請求項１２において、プラズマを安定化する前記手段がプラズマ温度を安定化する回路を有する、システム。
【請求項１８】
請求項１４において、前記電極を駆動して前記プラズマを生成するように、前記共振回路がパケット波形を発生する回路を有する、システム。
【請求項１９】
請求項１２において、プラズマを安定化する前記手段が、少なくとも１つの電極の少なくとも１つの面を前記プラズマから遮断する遮断手段を有する、システム。
【請求項２０】
請求項１９において、プラズマを安定化する前記手段が、前記電極の表面を前記プラズマとの接触から遮断する遮断手段を有する、システム。
【請求項２１】
請求項１９において、前記遮断手段が前記電極の少なくとも１つを絶縁する絶縁媒体を有する、システム。
【請求項２２】
請求項２１において、前記絶縁媒体が絶縁体材料を含む、システム。
【請求項２３】
請求項２１において、前記絶縁媒体が誘電体材料を含む、システム。
【請求項２４】
請求項１２において、さらに、大気圧またはほぼそれに近い圧力を含む圧力において空気中に、前記プラズマを生成できる手段を備えた、システム。
【請求項２５】
請求項１２において、プラズマを安定化する前記手段が、前記プラズマを前記電極の少なくとも１つから分離する遮断部分を含む、システム。
【請求項２６】
請求項１２において、少なくとも１つの電極が曲面形、平板形、成型品、尖頭形、または線形である、システム。
【請求項２７】
請求項１２において、さらに、前記プラズマ中に正および負イオンを同時に生成する手段を備えた、システム。
【請求項２８】
請求項１２において、さらに、分光計と前記プラズマ中でイオン化するサンプルを受け入れる手段とを備え、さらに、前記イオン化されたサンプルを前記間隙から前記分光計の流入口に送る手段を有する、システム。
【請求項２９】
請求項１８において、前記分光計がイオン移動度に基づきイオンを測定する、システム。
【請求項３０】
請求項１において、さらに、前記プラズマ中に正および負イオンを同時に生成する手段を備えた、プラズマ・イオン化源。
【請求項３１】
請求項１において、さらに、分光計と前記プラズマ中でイオン化するサンプルを受け入れる手段とを備え、さらに、前記イオン化されたサンプルを前記間隙から前記分光計の流入口に送る手段を有する、プラズマ・イオン化源。
【請求項３２】
請求項１において、前記分光計がイオン移動度に基づきイオンを測定する、プラズマ・イオン化源。
【請求項３３】
ガスを受入れ、このガスからプラズマ・イオンを生成する容量放電手段であって、この手段が間隙により分離される少なくとも１対の電極を有し、この電極が前記間隙中に電界を発生し、この電界中を前記ガスの少なくとも一部が通過し、前記ガスが前記電界によってイオン化されて前記間隙中に前記プラズマを生成する容量放電手段と、
前記間隙中の前記プラズマを安定化する安定化器とを備えた、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３４】
請求項３３において、前記安定化器が前記電極の少なくとも１つに結合された材料バリヤーである、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３５】
請求項３３において、前記電極が間隙により分離され、前記安定化器が前記間隙中のプラズマ温度を制御する共振回路である、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３６】
請求項３３において、さらに、毛細管を備え、第１および第２電極がこの毛細管の表面に配置され、サンプルが前記毛細管内を流れる、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３７】
請求項３３において、前記電極が対応する基板に取り付けられた平板電極であり、この基板が絶縁体であって、一体に取り付けられることにより、この基板間にプラズマを流す流路を形成する、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３８】
請求項３４において、前記材料バリヤーがさらに、前記電極の少なくとも１つをカバーする絶縁層を備えた、プラズマ・イオン化装置。
【請求項３９】
請求項３８において、前記電極の少なくとも１つが基板の表面に取り付けられている、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４０】
請求項３３において、さらに、毛細管を備え、第１電極が毛細管内に毛細管の長手方向に沿って配置された導線であり、第２電極が毛細管の周囲に巻かれた第２導線である、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４１】
請求項３３において、さらに、１対の毛細管を備え、第１電極がこの毛細管の一方内に毛細管の長手方向に沿って配置された導線であり、第２電極が第２導線であり、この第２導線が第２毛細管内に延び、これら導線が前記電極を形成し、さらに、前記毛細管を結合して前記電極間に前記間隙を形成するカラーを備えた、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４２】
請求項３３において、前記電極が誘電体内に収納される線フィラメントとして形成される、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４３】
請求項４２において、前記誘電体が前記電極のそれぞれの上にチューブを形成する、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４４】
請求項４３において、さらに、前記チューブのそれぞれ上に取り付けられた隣接するカラーを備え、この隣接するカラーが並置状態を保っている、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４５】
請求項３３において、１つの前記電極がニードル電極である、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４６】
請求項３３において、少なくとも１つの前記電極が平板電極である、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４７】
請求項３３において、さらに、少なくとも１つの化学サンプル分子を前記プラズマ中に導入するサンプル導入部分を有し、前記プラズマが前記少なくとも１つの分子をイオン化する、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４８】
請求項４７おいて、さらに、検出器を備え、前記イオン化された分子が前記検出器に到達して分析および検出される、プラズマ・イオン化装置。
【請求項４９】
請求項４８において、さらに、ハウジングに結合され流路を形成する基板を備え、前記容量放電手段および前記検出器が前記ハウジング内で協働して機能し、前記イオン化された分子が前記流路を通り容量放電手段から検出器に到達する、プラズマ・イオン化装置。
【請求項５０】
容量放電プラズマを生成する装置であって、
１対の基板を有し、ハウジングを形成するマイクロチップ・パッケージであって、前記基板が前記ハウジングに結合され、流路を形成する、マイクロチップ・パッケージと、
前記基板上に形成されるプラズマ発生器であって、この発生器が電界を発生し、この電界中を供給物質の少なくとも一部が通過し、この電界が供給物質をイオン化してイオンのプラズマを生成し、前記基板上で相互に対向し、かつ、間隙により分離している少なくとも２つの電極を備え、前記電界が前記間隙中に生成される、プラズマ発生器と、
前記流路と接続しているサンプル導入部であって、この導入部が少なくとも１つの化学サンプル分子を前記プラズマ内に導入し、このプラズマが前記少なくとも１つの分子をイオン化してこのイオンを下流で利用されるようにする、サンプル導入部とを備えたプラズマ生成装置。
【請求項５１】
請求項５０において、さらに、前記ハウジング内に検出器を有し、前記イオン化された分子が前記流路を通り前記プラズマ発生器から前記検出器に到達して、下流で検出されるようにする、プラズマ生成装置。
【請求項５２】
請求項５１において、さらに、前記電界の少なくとも一部を前記イオンおよび電子との接触から遮断する遮断手段を有する、プラズマ生成装置。
【請求項５３】
請求項５２において、少なくとも１対の電極が、少なくとも１対の枝状電極を形成し、前記少なくとも１対の電極が散在する枝状電極により係合し、前記プラズマを形成する、プラズマ生成装置。
【請求項５４】
請求項５２において、さらに、前記発生器を駆動し、かつ前記電界を発生するＲＦ共振回路駆動手段を有する、プラズマ生成装置。
【請求項５５】
請求項５４において、さらに、プラズマ温度を安定化する帰還回路を有する、プラズマ生成装置。
【請求項５６】
イオンの容量放電を生成する方法であって、
第１電極と第２電極を組み合わせて発生するＲＦ電界に、流れる供給物質を通過させ、これにより、両電極間にプラズマが生成されるようし、前記プラズマはイオン化された分子を含み、
前記プラズマが前記電極の一部または全部と接触するのを防止し、
前記イオン化された分子を前記電界の外部に通過させる、放電生成方法。
【請求項５７】
請求項５６において、前記流れる供給物質がガス流を含む、放電生成方法。
【請求項５８】
請求項５７において、前記ガスが空気である、放電生成方法。
【請求項５９】
請求項５８において、さらに、大気圧を含む圧力において前記プラズマを生成する工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６０】
請求項５６において、さらに、共振回路により前記ＲＦ電界を駆動して、前記プラズマを生成する工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６１】
請求項６０において、さらに、前記共振回路に負帰還を提供することにより、前記プラズマのエネルギ・レベルを安定化する工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６２】
請求項６１において、さらに、前記電極が前記共振回路の一部として形成される工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６３】
請求項５６において、さらに、ＲＦ駆動回路を設けてパケット波形を発生し、前記電極を駆動して前記プラズマを生成する工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６４】
請求項５６において、さらに、前記プラズマ中に正および負イオンを同時に生成する工程を備えた、放電生成方法。
【請求項６５】
サンプル中の少なくとも１つの化合物を決定する分光計であって、
イオンの容量放電を生成するイオン化源であって、
１）電界を発生する電極であって、この電界中をキャリヤ供給物質の少なくとも一部が通過し、これによりイオンを有するプラズマを生成する、電極、
２）前記電極の少なくとも１つの少なくとも一部が、前記イオンと接触するのを遮断する遮断物、および、
３）少なくとも１つの化合物をイオン化のために前記プラズマ中に導入する手段を有する、イオン化源と、
前記プラズマによりイオン化された前記少なくとも１つの化合物の成分を決定する装置とを備えた、分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン化源に関し、さらに詳細にはガス放電イオン化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン化粒子の生成は、多くの用途の中でも、レージング（レーザ光の発生）の誘導または化学分析の支援などの多くの用途における有効なツールである。装置によっては、αまたはβ粒子の高エネルギ放射性源を利用してイオン化処理を行う。しかし、これら装置が健康被害を引き起こす可能性がある理由から、放射性イオン化源を用いる装置の多方面での利用は制限される。したがって、他の装置の中でも、放射性源を用いるガス分析器のような装置は利用を制限される。煙探知器によっては放射性源を利用するものもあるが、イオン化量は少なく、さらに政府による規制を必要とする。
【０００３】
放射性イオン化源を利用する代替方法として、光イオン化およびＵＶイオン化技術が用いられる。これらのイオン化技術は比較的低エネルギ、一般に８〜１１ｅＶであるため、イオン化される分子の種類が限定される。またこれら機器は一般に壊れやすくもろいので、一般には、過酷な環境または多くの手作業を必要とする用途で作動するのに適さない。さらに、ＵＶ器は特定のメンテナンスを必要とし、イオン強度が経時的に低下する。このことから、光イオン化およびＵＶイオン化器は一般に放射性イオン化源に比べて安全に作動するとしても、一般装置用またはガス分析器用のいずれについても、これらイオン化器は多くの環境で実用性または対費用効果性を持たない。
【０００４】
コロナ放電は別の非放射性イオン化源である。これは小型パッケージで高エネルギを提供する。しかしこの方式は不安定で、サンプルを汚染することが多く、分析結果に影響を与える。さらに、生成されるイオン種が印加電圧に左右される。
【０００５】
ＲＦ（高周波）放電イオン化は、これらの不都合な作用のいくつかを低減する。ＲＦ放電は誘導放電および容量放電に分けられ、放電の方法が異なる。
【０００６】
誘導放電は電磁誘導に基づいており、生成電界は渦巻状の閉じた電気力線である。誘導放電は、例えば耐火材料、研磨粉等の生成のような高電力放電に利用される。ＰＣＴ公開番号WO01/69220では、誘導結合プラズマ・イオン化技術が開示されている。プラズマ源内で生成されるイオンは、質量分析装置の低圧チャンバ内の、イオンを受け入れるためにプラズマ源と流動的に連通している高電界非対称波イオン移動度分光（ＦＡＩＭＳ）分析計に提供される。イオンはＦＡＩＭＳ内で分離され、分離後、イオンの少なくとも一部は質量分析計に提供される。ＰＣＴ公開番号WO01/69220に記載されるような誘導結合イオン化源は電力を大量に消費する傾向があり、さらに、比較的複雑で、大型かつ高価である。
【０００７】
約１〜１００トールの中圧および約１０−３〜１トールの低圧においてＲＦ放電を維持するために、容量放電方法が用いられる。これら条件下でのプラズマは、コロナ放電と同様に、弱イオン化され、不均質である。中圧放電はレーザ技術においてＣＯ２レーザを励起するのに利用されてきており、一方、低圧放電は材料のイオン処理および他のプラズマ技術において利用される。さまざまな高周波容量放電が、Raizer、SchneiderおよびTatsenkoによる、タイトール「高周波容量放電（Radio-Frequency Capacitive Discharges）」 (c) 1995 CRC Press LLC,１〜３ページの一般背景で論議されている。
【０００８】
ＰＣＴ公開番号WO/19822では、容量結合イオン化を実現するＲＦイオン源が記載されている。ＲＦイオン源は一定範囲の圧力の空気中における低電力作動に適する。このイオン源はＲＦ信号供給源に接続された陽極および陰極を有する。陽極はプラズマ放電が発生する表面領域を提供するように構成される。このようにして、陽極はプラズマ放電に最適な領域を提供し、プラズマが逸れ出てしまうのを防止して公知のイオン源よりも放電の安定性を向上させるのに必要とされるよりも広い、放電に有用な表面を提供しない。このイオン源は大気圧においてさえも低電力で効率的な放電を可能にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＰＣＴ公開番号WO96/19822に記載されるような容量結合イオン化源は、誘導結合イオン化源に比べて効率は高いが、電極表面がガス・サンプルおよびプラズマと接触するため、サンプルを汚染し、結果として２次イオン放出を招く。ガス・サンプルは電極表面を腐食し、電極間の電界とガス・サンプルとの相互作用により生成され、プラズマ分子から遊離した電子が、電極プレートに衝突して、プラズマから取り除かれる。その結果、プラズマが正味の正電荷を有し、プレートに対して相対的な平均電位を有するようになる。これによりイオンは高速度で電極方向に駆動され、電極表面から電極プレートの分子を放出させる。また、ガス・サンプルまたはプラズマ内の化学物質は、電極と化学的に反応するか、または電極を腐食させ、サンプルを汚染することがある。これにより化学分析誤差が発生する可能性がある。
【００１０】
前述の説明より、小型、軽量および廉価で、さらに比較的高いレベルのイオン化エネルギを発生し、大気圧を含む種々の圧力においてガス(例えば、空気)の分析に応用できる、クリーンで安定したイオン化源の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって本発明の目的は、クリーンで安定した、非放射性イオン化源を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、分析システム等に適するクリーンで安定した、非放射性の耐久性のあるイオン化源を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、小型、軽量および低価格であって、大気圧を含む圧力におけるガス（例えば空気）の分析システムなどに比較的高レベルのイオン化エネルギを提供する、クリーンで安定した、非放射性の耐久性のあるイオン化源を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、同時に正および負イオンを提供する、クリーンで安定した、非放射性の耐久性のあるイオン化源を提供することである。
【００１５】
本発明は、非放射性イオン化源の必要性に適合する。さらに詳細には、高エネルギ、かつクリーンで安定したプラズマを生成してサンプルをイオン化する、ＲＦ駆動容量放電方法および装置を見出した。本発明の好ましい実施形態は、化学分析および他の用途に対するイオン化源として有効であり、大気圧を含む圧力におけるガス(例えば、空気)中で作動できる。
【００１６】
本発明の一実施形態は、大気圧または大気圧に近い圧力においてガス(例えば、空気)中にクリーンで安定したプラズマを生成する容量放電装置を提供する。この装置は、間隙により間隔を空けた２つの電極を有する。プラズマはこの間隙内に生成される。
【００１７】
本発明のさまざまな実施形態では、電極の一方または両方がプラズマ環境から遮断されている。さらに詳細には、電極表面での分子放電を減少させるかまたは防止し、イオン汚染を制限または防止するために、絶縁体または誘電体のような低導電性または非導電性の材料を用いて電極を遮断する。これにより、電極を汚染や電子衝突から保護する。
【００１８】
したがって、本発明のプラズマ生成装置は、電極表面分子放電からの汚染およびイオン汚染を受けずに広範囲の化合物をイオン化できる。本発明の好ましい実施形態では、プラズマ環境から絶縁された両方の電極を有するクリーンで安定したプラズマ発生器を提供する。ただし、良好な結果は、本発明の具体化において、電極の一方だけが絶縁されているときにも得ることもできる。
【００１９】
前述に加えて、高電力ＲＦ電界を電極に印加して、共振回路を利用することによって間隙中にプラズマを生成する。ＲＦ駆動され、かつ遮断された電極は、安定したプラズマを生成し、また長い耐用年数を有し、プラズマ中にほとんど汚染物質を発生しないかまたは全く発生しない。
【００２０】
作動中は、キャリヤ・ガスおよび化学サンプルがプラズマ中に導入され、空気などの前記ガスおよびサンプルがイオン化され、下流方向に通過してさらに処理される。本発明のさらなる利点は、正および負イオンの両方を有するプラズマを生成できることである。
【００２１】
本発明により、プラズマに与えられるエネルギの制御が可能になる。１つの例では、好ましくは「ソフトな」大気圧イオン化（ＡＰＩ）によりプラズマを発生できる。また別の例では、プラズマのエネルギを増加して、ハードなイオン化を実行できる。イオン化は、ガス放電に注入される電界エネルギに依存して、「ソフト」または「ハード」のように特徴付けされることは理解されるであろう。ソフト・イオン化は、電荷が引き寄せあう工程と、移動反応工程とを有し、分子イオンを生成し、非破壊的である。ハード・イオン化は電子衝突により発生し、フラグメント・イオン（開裂したイオン）を生成する。両タイプのイオン化は、本発明の具体化において有用である。例えば、ソフト・イオン化は損傷のないイオン化分子の分析用に選択でき、一方、フラグメントは、複雑な混合物を分析する場合に追加の有益なデータを生成できる。
【００２２】
好ましい実施形態では、高効率駆動回路を用いてプラズマを安定化する。一実施形態では、共振駆動回路を用いて高周波数（ＲＦ）高電圧を生成することにより、放電安定性を高め、かつ電力消費を低減する。好ましい実施形態では、負帰還により実現されるシステム安定性を有する共振回路を使用する。別の実施形態では、パルス化高周波数高電圧駆動を用いることにより作動効率の向上が得られる。
【００２３】
平板形、円筒形、曲面形状、成型品、線形、およびニードル形状を含む、さまざまな電極構成が本発明の精神および範囲内であり、これら電極は任意のさまざまな平坦または曲線状イオン化表面を提供する。電極は相互に平行または角度をなしていてもよい。一実施形態では、ガス・サンプルは電極間を流れ、また別の実施形態では、ガス・サンプルは電極周囲を流れる。
【００２４】
多くの利点の中でも特に、本発明の容量結合イオン化器はクリーンで安定、強固、軽量、小型であり、また、大気圧以上および以下の圧力で作動できる。このイオン化器は高効率かつ低コストであり、ガス分析のような（ただし、これに限定されない）広範囲の用途に有用な大きいイオン化強度を提供し、同時に消費電力が少ない。遮断された電極は安定したプラズマを生成し、また長い耐用年数を有し、ガス・サンプル中にほとんど汚染物質を発生しないかまたは全く発生しない。
【００２５】
このイオン化器は通常のＲＦ周波数範囲内で作動でき、非放射性源であるため、放射性源におけるような政府による規制の必要がなく、したがって、広範囲の用途で便利に使用できる。したがって、本発明のこのような実施形態は、非放射性イオン源の必要性に適合し、公知の誘導および容量イオン化源の欠点を克服することにより、ガス分析および他の用途において有用な、帯電粒子を生成するクリーンで安定したイオン化源を提供する。
【００２６】
本発明は、代理人ファイル番号M008、2001年8月8日出願の米国仮出願第60/310,902号のRassan A. MillerおよびEvgeny Krylovによる発明の名称“Miniature Atmospheric Pressure Capacitive Discharge Ionization Source（小型大気圧容量放電イオン化源）”、および代理人ファイル番号M018、2001年10月25日出願の米国仮出願第60/335,219号のRassan A. MillerおよびErkinjon G. Nazarovによる発明の名称“Radio Frequency Capacitive Discharge Ionizer for Analyzer（分析計用の高周波容量放電イオン化装置）”、および代理人ファイル番号M031Ｒ、2001年12月12日出願の米国仮出願第60/340,815号のRassan A. Miller、Erkinjon G. NazarovおよびEvgeny Krylovによる発明の名称“Radio Frequency Capacitive Discharge Ionizer for Analyzer（分析計用の高周波容量放電イオン化装置）”、として参照される、同一出願人により所有される仮出願の発明内容を含む。これら仮出願のすべては参照により本明細書に引用したものとする。
【００２７】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、ならびに利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１Ａは、ガス・サンプルＳ中の化合物の成分を分析するのに用いられる、本発明のシステム１０の一般化ブロック図である。システム１０は、容量放電プラズマ・イオン化器１１および検出器２０を有する。検出器は、質量分析計（ＭＳ）、イオン移動度分光計（ＩＭＳ）、高電界非対称波イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）、飛行時間型分析計（ＴＯＦ）等であってもよい。本実施形態では、容量放電プラズマ・イオン化源１１は分光計２０から分離しているが、連通している。別の実施形態では、イオン化源１１を分光計に組み込んで一体化システム１０を形成してもよい。
【００２９】
容量放電プラズマ・イオン化器１１は１対の電極１４，１６を有する。これら電極１４，１６は、以下に詳細に述べるように、好ましくは遮断または絶縁されている。電極１４，１６の両端間に十分な電圧を印加すると、放電電界が形成される。ここで、ガスを電極間の間隙Ｇ内の電界中に流入させる。ガスは電極間の容量放電によりイオン化される。この放電イオン化により、空気から、図１Ｇ（２）および図１Ｈ（１）に示すような正および負イオンの両方を有するプラズマ４０を生成する。このプラズマ中には一般に、(H20)n、H＋、O−、O2−、O3−、(NxOn)＋、および(NxOy)−(H2O)nを含む。
【００３０】
作動中、ガスおよびサンプルＳは流入口１３を通してイオン化領域３６に図示しない移送手段により供給される。ガスは、プラズマ・イオンを形成する電極間のＲＦ電界Ｆ内の放電により再度イオン化される。次にプラズマはサンプルＳをイオン化し、イオンＭ＋、ＭＨ＋、Ｍ−を形成する。イオン化領域３６内に存在するすべての生成されたイオンは、流出口通路３７を通過して出て、さらに利用される。本発明の分析用の実施形態では、これらイオンは次に、通路３７から分光計２０に入り、分析される。
【００３１】
好ましい制御および駆動回路２２を図１Ａに示し、さらに詳細には図１Ｂに示す。制御および駆動回路２２は、パルス発生器２２ａ、共振発生器２２ｂ、および共振回路２２ｃを有する。共振回路２２ｃは、間隙Ｇで分離した電極１４，１６およびインダクタＬを有する。当業者には明らかなように、マイクロチップまたは他の論理デバイスすなわちコントローラ・デバイス２２ｄを備えて駆動回路と通信し、また別のシステムからのフィードバックからまたはデータ・ソースからの入力を得ることにより、全体のシステム制御に影響を与えることもできる。
【００３２】
共振駆動回路２２を利用して高周波（ＲＦ）高電圧を生成することにより、放電安定性を向上させ、電力消費を低減できることを見出した。好ましい実施形態では、共振駆動回路２２はまた、負帰還によりシステムの安定性を実現している。詳細には、プラズマ励起エネルギは電界強度に大きく依存することが理解されるであろう。印加電圧（対応して電界）が上昇すると、放電エネルギは増加する。この結果、イオン化率は増加し、これに応じて放電導電率も増加する。この増加を抑制しない場合、プラズマ・エネルギの過剰な増加および過熱を招くことがある。
【００３３】
しかし、電極１４，１６をＬ−Ｃ共振回路２２ｃのキャパシタとして構成することにより、安定性を得ることができる。キャパシタの導電性が増加すると、共振回路のＱ値が減少する。印加電圧はＱ値に比例するため、電圧もまた減少する。このように電極１４，１６は負帰還ループの一部であり、所定の駆動電圧および周波数に対してプラズマを所望のエネルギ・レベルに維持し、急激なプラズマの増加と過熱を防止する。
【００３４】
当業者には明らかであるように、特定の駆動回路２２の設計は、特に、目標のプラズマ・レベル、電極および間隙寸法に依存する。それでも、大気圧状態で放電を開始して維持するには、一般に、数百ボルトの振幅を有する高周波電圧が必要となる。メガヘルツの周波数範囲における無効電力は、数十ピコファラッドの容量性負荷に対して数十ワットとなる。したがって、当業者には明らかなように、本発明は、好ましくは、出力ＬＣ回路の構成要素として容量性負荷を有する共振発振器を使用する。
【００３５】
本発明の具体化では、電界は、標準または特別な形状（例えば、正弦波、バイアス・オフセット、パルス幅変調など）であってもよいＲＦ成分を有する。例えば、本発明の実施形態は、図１Ｃに示すように、電極１４，１６に正弦波高周波高電圧波形を印加して作動する。好ましくは、図１Ｄに示すように、パルス（「パケット」）波形を用いることにより、さらに高い効率が得られる。
【００３６】
パケット波形を用いることにより、放電の安定性が増加し、電力消費が低減し、さらに、イオン化効率を制御できる。詳細には、パルス化された設計は、プラズマの不安定性が大きいレベルに達するのに有限の時間が必要とされるという認識から来ている。したがって、エネルギは、短い高周波（ＲＦ）高電圧高強度パルスにより放電間隙に供給されるため、不安定性が増長する時間が無くなる。イオン化はエネルギに大きく依存するため、この場合には高密度のプラズマが形成される。パルスが一旦オフになると、エネルギ散逸作用が不安定性の増長を抑制する。パルス繰り返し周期がプラズマのエネルギ緩和時間と同等になると、イオン化率を含むこの周期の平均化パラメータはある程度安定になる。例示としての一実施形態では、パルスは約１〜２０ＭＨｚの周波数で、約１ｍｓｅｃの継続時間、約１０００−１００００ボルトのピーク・ツー・ピーク電圧を有する。パケット波形のデューティ・サイクル（ｔ１／ｔ２）は約１／１１であった。
【００３７】
いずれの場合にも、パケット波形の使用は有利である。プラズマ・イオン化器１１のイオン化の効率は供給電圧のデューティ・サイクルに正比例するので、連続波形に対比して、パルス波形を提供するのに、駆動回路２２は少ない電力（デューティ・サイクルに比例）を消費する。さらに、イオン化器１１をパルス化パケット波形で駆動すると、耐用年数が５〜１０倍に延びる。
【００３８】
連続またはパケット波形のいずれにおいても、十分なＲＦ電圧を電極１４，１６間に印加し、その場所のガスを電気的に放電させ、プラズマを生成する。図１Ｅおよび図１Ｆは、ＦＡＩＭＳ（高電界非対称波イオン移動度）分光計を用いて検出された、大気圧でのクリーンな実験室空気中で生成された正および負スペクトルを示す。
【００３９】
図１Ｅ（１）は、本発明の別の実施形態における、絶縁された２つの電極１４，１６を有する容量放電プラズマ・イオン化により生成できる正および負スペクトルを示す。図１Ｅ（２）は、比較として、放射性イオン化源（１０ｍＣｕの６３Ｎｉ）を用いて生成される正および負スペクトルを示す。図１Ｅで明らかなように、本発明の非放射性イオン化源（図１Ｅ（１））は放射性源（図１Ｅ（２））と置き換わって、基本的に同一性能を提供できることを示している。
【００４０】
図１Ｆでは、電極１４，１６の一方のみが絶縁されている本発明の実施形態に対して図１Ｆ（１）で図１Ｅ（２）と同一の放射性源の比較を示した。いずれにせよ、正スペクトルは、図１Ｆ（１）の６３Ｎｉ源と図１Ｆ（２）の本発明の実施形態とはほぼ一致している。
【００４１】
以下に遮断された電極の利点の説明を述べるが、ここでは、図１Ｆ（２）の負スペクトルは図１Ｆ（１）の負スペクトルに対して幾分劣化していたことに言及しておく。しかし、負スペクトルは有用である十分な情報を保有している。例えば、図１Ｆ（１）の負スペクトルのピークｐ１で示される化学種は、図１Ｆ（２）の負スペクトルのピークｐ２として明瞭に認識される。
【００４２】
前述の内容に加えて、本発明のプラズマ源は、多くの用途において適正なイオン化エネルギを提供することができ、わずか数ワット（例えば、一実施形態では２ワット）で作動可能であることが判明した。さらに、図１Ｅと図１Ｆを比較すると、β源は最大４ｐＡのイオン電流の発生が可能であり、一方、本発明では最大１２ｐＡを発生した。したがって、本発明の具体化において、クリーンで高効率、かつ強力なプラズマ・イオン化源を実現できることは明らかである。
【００４３】
ここまで、放射性プラズマ源に対する置換装置として、本発明の有用性を明瞭に立証してきた。さらに詳細には、図１Ｇは、低プレナム・ガス流（すなわち、ＭＳ（質量分析計）内への実験室空気の侵入を防止するための遮断層となる清浄ガスの逆流）を用いる質量分析計により検出された、（１）放射性源からと、（２）本発明の一実施形態からとのスペクトルの比較である。図１Ｇ（１）は、４，０００イオン／秒を生成した装置における６３Ｎｉについてのバックグラウンド質量スペクトルを示す。図１Ｇ（２）は、５０，０００イオン／秒のイオン生成率を有する装置において、同一または同等のスペクトルを再現した本発明の実施形態である。したがって、本発明は広範な用途に対して十分な量のイオン源であることは明らかである。（なお、図１Ｇは低プレナム・ガス流におけるＭＳ結果を示すが、本発明は、プラズマ電離装置（サンプルおよびキャリヤ・ガス）またはＦＡＩＭＳ分析計（イオン流）またはＭＳの前端部（プレナム）のいずれにおいても、特定の流量に限定されない。）
【００４４】
図１Ｈは、本発明の具体化におけるプラズマ・イオン化後の、（１）純粋空気と、（２）純粋空気に２０ｐｐｍのＳＦ６（Ｍ＝１４６ａｍｕ）を加えた場合の負モード質量分析計スペクトルを示す。全く明らかなように、図１Ｈ（１）と図１Ｈ（２）を比べると、バックグラウンド・スペクトルがその強度を維持するのに対して、ＳＦ６（Ｍ＝１４６ａｍｕ）ピークは突出し、明らかに識別される。
【００４５】
他の検出器を用いて、特別な検出結果を得ることもできる。例えば、図１Ｉでは、ＦＡＩＭＳ（ＲＦＩＭＳとしても公知）分光計が、本発明の容量ガス放電プラズマ発生器の一実施形態により出力される、メルカプタン・サンプルおよび純粋空気のイオン化出力を受け入れた。負および正メルカプタン（＋／−ｍｅｒ）ピークおよびバックグラウンド・スペクトルは明確に識別される。
【００４６】
したがって本発明のプラズマ発生器は、さまざまな用途に対して有用で汎用性の高い非放射性プラズマ・イオン化源であることは明らかである。別の図示による、この有用性の別の根拠は図１Ｊで示されており、この図では、本発明のソフト・イオン化の具体化におけるアセトンのイオン化により、アセトンの質量スペクトルが生成され、再現されている。本発明の具体化において、この質量スペクトルはアセトンの識別に利用できることは理解されるであろう。このように、本発明の簡潔性および有用性は極めて広範なものと理解されるべきである。
【００４７】
プラズマ環境からの電極１４，１６の遮断は有益な効果をもたらす。したがって、本発明の実施形態では、一方または両方の電極が遮断される。好ましくは両電極が遮断される。しかし、一般的ではないが、本発明の一実施形態ではいずれの電極も遮断せずに使用することもできる。これは、例えば、安定性が第１の目的である場合に起こり得ることである。
【００４８】
いずれにせよ、本発明の好ましい実施形態では、絶縁材料を用いて両電極１４，１６を遮断する。絶縁体を用いて、電極間にプラズマ電界Ｆを生成するのに用いられる電極表面からイオン化されたガス・サンプルを分離する。
【００４９】
好ましくは、絶縁体は誘電体材料である。誘電体は電気伝導性が乏しいが、静電電界を効率よく保持する。誘電体材料の例には、磁気（セラミック）、マイカ、ガラス、プラスチック、各種金属の酸化物、ならびに特定の液体およびガスが挙げられ、これらのすべては、本発明の実施形態における電極１４，１６上、あるいはその周辺またはその間の絶縁体として利用できる。
【００５０】
誘電体材料は２つの機能を果たす。第１は、誘電体材料がプラズマから電荷を捕獲し、電極に対するプラズマの平均電位を低下させる。これは重要なことである。なぜなら、電極とプラズマとの間の電位差が、電極表面または誘電体にいかなる程度のイオン衝撃を与えるのかを決定するからである（したがって、電極の腐食を低減する）。電位差が大きければ、衝撃も大きくなる。このイオン衝撃が望ましくないのは、電極材料からのイオン組成物がサンプル・プラズマ中に混入し、サンプル・スペクトルを汚染するからである。第２に、誘電体材料は不活性であることが多く、その結果、反応ガスを電極との相互作用なしにイオン化できることである。この結果、クリーンなプラズマ・イオン化環境が実現する。
【００５１】
さらに、一実施形態では、ガラスまたはクリスタル製チューブがイオン化領域を囲み、この領域では、生成プラズマ（および分離した電子）を電極間の電界中に封入している。サンプルおよびキャリヤ・ガスはこの環境内に流れ込み、イオン化される。さらに別の実施形態では、電極は絶縁した流路を形成する絶縁構造体の外側に形成され、プラズマはこの絶縁した流路内の絶縁電極間に生成される。
【００５２】
当業者には本発明のこれらおよび他の実施形態が想定されると思われるが、次に、図示（限定を目的とするものではない）により本発明の別の実施形態を開示する。いずれにせよ、これらおよびさらに別の変形形態も本発明の精神および範囲内にあるものとする。
【００５３】
例えば、図２Ａを参照すると、装置１０は流路１２内に配置されたプラズマ・イオン化器（容量放電器）１１を有する。イオン化器１１は周りにイオン化領域３６を形成する。流路１２は上側および下側の平板２４，２６によって形成される平板型外形を有する。または、代わりに、イオン化器１１は図２Ｂのような円筒形流路内に配置できる。
【００５４】
図２Ａのイオン化器１１は、絶縁性の毛細管１８内に配置された第１電極１４と、毛細管１８のまわりに巻かれた第２電極１６とを有する。２つの電極は間隙Ｇにより隔てられている。電極１４および１６のそれぞれの一端はＲＦ駆動電圧源２２に接続され、それにより、両電極は、両端にＲＦ電圧を印加された状態で、間隙Ｇで隔てられたキャパシタのプレートとして作用する。
【００５５】
本発明の別の実施形態では、図２Ｂに示すように、イオン化器１１は金属化層２３でコーティングされたガラス毛細管１８のような絶縁体からなる支持体を有する。この層２３は「ｘ」で分割され、本発明のプラズマ発生器の電極１４’、１６’を形成する２つの金属化領域を形成している。これら電極の内面１４’’、１６’’は、毛細管１８の絶縁表面上に形成され、毛細管１８を通して、毛細管１８の開口中心部１８ｃ全体にわたり相互に対向している。駆動電圧源２２からのＲＦ信号はこれら電極に印加され、毛細管１８内に電界を生成する。
【００５６】
この実施形態では、電極を隔てる間隙は毛細管１８の直径により決定される。毛細管１８内では、開口中心部１８ｃ全体はイオン化領域として利用できる。作動中、ガスおよびサンプルＳは移送手段によって移送され、流入口１３を通り毛細管１８の中心流路１８ｃに流れこむ。キャリヤ・ガスはイオン化され、プラズマ電界Ｆを生成し、次に電極１４，１６間のサンプルＳをイオン化する。プラズマは正および負イオンの両方を有するため、サンプルは正および負イオンの両方にイオン化される。その後、イオンは流出口１５を通過して出て、さらに、例えばイオン移動度分光計において利用される。
【００５７】
図２Ａおよび図２Ｂに示すような実施形態では、流路１２は約０．００１〜０．００２インチ（約０．０２５〜０．０５ｍｍ）の直径ｄ１を有する。毛細管１８の長さλ１は約０．０１〜０．０５インチ（約０．２５〜１．２５ｍｍ）で、直径ｄ２は約０．００１〜０．１インチ（約０．０２５〜２．５４ｍｍ）である。絶縁体である毛細管１８は石英、ガラス、または他の任意の適正な誘電体材料で製作される。電極１４および１６は一般に、金、プラチナ、クロム、または他の任意の適正な化学的に不活性な導電材料で製作される。
【００５８】
図２Ｃおよび図２Ｄに示す本発明の別の実施形態では、導電電極８２，８４がチューブ形状の誘電体外装８６，８８（ガラス、石英、セラミック、または他の適正な材料）内に配置される。好ましくは、これら外装は、電極間の間隙がイオン化領域３６内で一定となるようにして固定される。この間隙は、誘電体外装同士が接触するものから、５ｍｍ以上の間隙にまでできる。
【００５９】
図２Ｄの実施形態における電極８２，８４は、カラー９２，９４により保持および結合されていることが示されている。カラー９４を少し超えたところで、電極が分岐するのに伴い、イオン化領域が実質的に終端している。この配置により、イオン化領域の長さを決定でき、したがって、性能特性の予測を可能にする。さらに、隣接するカラー９６，９８はカラー９４の後のチューブ８６，８８のそれぞれに取り付けられ、この分岐チューブを固定する。さまざまな実施形態において、電極は従来の細線フィラメントで形成でき、チューブ内に収容するかあるいは誘電体または他の絶縁材料でコーティングされる。
【００６０】
電極は、間隙Ｇで隔たっており、誘電体材料内に埋め込まれて一体に組み合わされるか、または隣接する絶縁チューブ内に置かれる。当業者には明らかなように、電極の直径ならびに誘電体コーティング材料の種類および直径の選択は、電極間に生成される電界がガス流に影響を及ぼすことができるように選択される。図２Ｃは単純化した例であり、ガスは電極間、したがって電極間のプラズマ生成電界を通って流れる。図２Ｄはさらに複雑であり、空気はチューブの周辺に沿って流れ、電極間に生成された電界はこの周辺流れ内にまで達する必要がある。したがって、印加信号、フィラメント、およびコーティング直径はすべて、この外側周辺電界Ｆに適応する必要がある。
【００６１】
図３は本発明の容量放電構造の別の実施形態であり、イオン化器１１は平板型装置１０として構成されている。第1電極１４は第1基板２４の下面に接した平板電極であり、第２電極１６は第２基板２６の上面に接した平板電極である。第１電極１４および第２電極１６は、それぞれ導電性端子パッド３０および３２を用いて、１対のリード線２８ａ，２８ｂを介して同一電圧源２２に接続される。
【００６２】
図３の実施形態の別の具体化においては、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＳｉＯ２等で製作される絶縁層３４が、電極１４，１６の一方または両方の上に形成されて、プラズマとの接触を遮断する遮断手段となる。図３に示す実施形態では、イオン化器１１は、絶縁物３４の内面が約１００ｍｍの距離ｄ５間隔を空けて対向するように配置され、イオン化領域３６として間隙Ｇを形成している。さらに、図４に示す本発明の実施形態では、ニードル電極１７０を絶縁物１７２でコーティングし、平板電極１７４と組み合わせて本発明のプラズマ発生器を形成している。代わりに、平板電極１７４を第２ニードル電極と置き換えることもできる。
【００６３】
図３に示すイオン化器では、電極１４，１６は相互に平行に配置されているが、イオン化器１１の作動に対して、このような構成は必ずしも必要としないことは理解されるであろう。したがって、本発明の実施形態の範囲内において、電極は平行または角度をなしていてもよく、平板または曲面状であってもよい。
【００６４】
図７では、電極１４，１６を一定の角度をなして配置することにより、イオン化領域が狭い領域と広い領域とを有するようにする。電極１４，１６はそれぞれ、角度αをなして配置された上側基板２４および下側基板２６上に形成される。角度αを１０度〜９０度にすることにより、イオン化領域３６が狭い領域４１ａと広い領域４１ｂとを有するようにできる。イオン化領域に入るガスは最初に狭い領域４１ａでイオン化される。この理由は、狭い領域は電極が接近しているため、高電界強度を生成し、したがってイオン化電界が強いためである。電界は狭い領域から広い領域に発散し、イオン化作用は狭い領域から広い領域に進行して、プラズマ（＋＋，−−）を生成する。このとき、サンプルのイオン化は前述のように進行する。
【００６５】
これまで、平板電極１４および１６（図３および図７）は、各電極をカバーするそれぞれの内側絶縁物３４を有するものとして示してきた。しかし、本発明のプラズマ・イオン化器１１は、両電極上の内側絶縁物３４を使用せずに機能することができる。例えば、図８に示す別の実施形態では、第２電極は絶縁材料でカバーされていない。さらに、第１電極も絶縁物でカバーしなくてもよい。すなわち、両電極１４，１６はプラズマ・ガス中に直接露出してもよい。
【００６６】
代わりに、図９に示すように、電極１４，１６を基板２４，２６のそれぞれの外側に取り付けることができる。図９で明らかなように、いずれの電極も絶縁材料でカバーされていない。図１０に示すさらに別の実施形態では、電極１６は基板２６に取り付けられ、電極１４は片側を金属層５２ａでコーティングされた誘電体基板５０で形成されている。誘電体基板５０の反対側も追加の金属層５２ｂでコーティングできる。いずれの場合も、電極１４は基板２４にロウ付けされるか、または例えばエポキシ接着剤のような任意の別の適正な取付機構で取り付けられる。
【００６７】
次に図１１を参照すると、イオン化器１１の別の実施形態は加速電極６０を有し、この電極はそれぞれ独自の電位を有し、電極１４をカバーする絶縁物層３４に取り付けられている。代わりに、電極１４および加速電極６０を、図１２に示すように、基板２４の反対側に取り付けることができる。
【００６８】
前記の実施形態のいずれにおいても、加速電極６０は、導線６４により相互に接続された多数の小さい電極６２（図１３Ａ）にするか、または相互接続された水平導線６６および垂直導線６８のメッシュ（図１３Ｂ）にすることができる。代わりに、図１３Ｃに示すように、加速電極６０は、例えば特定の金属のような導電材料６３のリングで囲まれた小さい導電電極６１の集合体にできる。
【００６９】
前述のイオン化器１１のさまざまな実施形態は、多くの種類のガス分析計および検出器での使用に適している。例えば、図１４Ａには、平板型高電界非対称波イオン移動度分光計装置７０を示しており、この装置では、イオン化器１１を用いてイオンを生成し、キャリヤ・ガスＣＧ中のサンプルＳを化学分析する。
【００７０】
装置７０は、イオン化源１０と、フィルタ電極７６，７８間にフィルタ領域７４を形成するフィルタ７２と、検出器電極８４，８６間の検出領域８２を形成する検出器８０とを有する。非対称電界および補償バイアスが、制御ユニット９０内の駆動回路８８によりフィルタ電極７６，７８に印加される。検出器電極８４，８６もまた、駆動回路８８および制御ユニット９０に管理される。
【００７１】
簡略化して説明すると、作動中は、キャリヤ・ガスＣＧはプラズマ領域３６内でイオン化され、プラズマ・イオン＋＋，−−を生成し、またサンプルＳはイオン化されて、正および負イオン分子Ｍ＋およびＭ−を生成する。ＦＡＩＭＳイオン濾過技術に基づいて、特定のイオン種のみがフィルタ領域を通過し、他のイオン種はフィルタで除去される。通過したイオン種は検出器電極８４，８６で検出される。装置７０の好ましい構成およびその動作は、1999年7月21日出願の米国特許出願第09/358,312号に詳細に記載されている。この出願の内容は参照により本明細書に引用したものとする。
【００７２】
図１４Ａに示すように、電極１４，７６および８４は同一平面上にあり、また電極１６，７８および８６は同一平面上にある。代わりに、図１４Ｂに示すように、装置７０は狭窄した領域９９を有し、この領域にイオン化器１１および電極１４，１６が置かれている。この構成では、電極１４，１６は約１００μｍの間隔ｄ４を空けており、また、フィルタ電極７６，７８間は間隔ｄ５を有する。
【００７３】
図１４Ｃに示すさらに別の実施形態では、イオン化器１１は外側の１対の基板１００，１０２により形成される流路１０１内に配置される。この配置では、キャリヤ・ガスＣＧは分流し、一部はイオン化領域内を流れ、そこでイオン化されプラズマ＋＋，−−を生成し、また一部は外側基板１００，１０２に囲まれたイオン化器１１の外側を流れる。次に、サンプルＳはイオン化領域３６内のプラズマ・イオン＋＋，−−に流れ込み、イオン化される。キャリヤ・ガスはイオン化器１１の流出口１５からフィルタ７２のフィルタ領域７４にイオンを運び、そこでさらに分析を行なう。
【００７４】
図１４Ｄを参照すると、装置７０の別の実施形態を示しており、この装置はイオン化器１１と分離したサンプル源７１を有する。キャリヤ・ガスＣＧはイオン化され、イオン＋＋，−−を生成し、このイオンが次にサンプルＳと相互作用し、サンプルＳをイオン化する。その後、これらがフィルタ領域７４に流れ込む。このような構成を用いると、サンプル・ガスと異なるさまざまなガスを混合して、イオンを生成できる。
【００７５】
別の実施形態では、図７の実施形態の改良として、電極１４，１６が強いイオン化領域を生成するように配置される。例えば、図１５Ａに示す実施形態では、平行でない電極を有する１対のイオン化器１１，１１が装置７０内で使用される。イオン化器１１，１１は、プラズマ・イオン化装置７０の上側基板１００、下側基板１０２、第１スペーサ・プレート１０４、および第２スペーサ・プレート１０６により形成される流路１１０内に配置される。サンプルがイオン化領域３６内に入ると、イオン化作用が各スペーサ・プレートに近い狭い領域４０内で発生し、その後流路１１０の中心に近い広い領域４２に向かって進行する。
【００７６】
これらの強いイオン化領域は、概念的には図１５Ａに示す実施形態の延長である、図１５Ｂに示すイオン化器を用いて形成することもできる。図１５Ｂを参照すると、イオン化器１１は上側基板１００に取り付けられた第１電極１１４と、下側基板１０２の内側に取り付けられた第２電極１１６とを有する。さらに、側面のスペーサ基板１０４，１０６の内側にそれぞれ取り付けられた第３電極１１８および第４電極１２０を有する。
【００７７】
電極１１４，１１６，１１８および１２０は、電圧源２２（図示せず）に接続され、本発明の範囲内である、一方のキャパシタ・プレートを形成するように電極１１４および１１８が配置され、他方のキャパシタ・プレートを形成するように電極１１６および１２０が配置されている。電極１１４と１１６は同一の極性を有し、一方、電極１１６と１２０は反対の極性を有する。この構成によれば、４つの強いイオン化領域１４０，１４２，１４４および１４６が電極のコーナー近くに形成される。ガスがイオン化領域３６内に入ると、イオン化作用がこれらの強いイオン化領域で開始し、その後イオン化領域３６の中心１５０に向かって進行し、所望のプラズマを生成する。
【００７８】
図１６は本発明の別の実施形態を示し、容量放電イオン化源１１が分析システム１０のＦＡＩＭＳ装置と一体化されている。イオン化器１１は電極１４，１６を備えて図示されており、これら電極により、電極間の高エネルギ電界Ｆから正および負に帯電したイオンのプラズマを生成する。この実施形態では、電極１４，１６の少なくとも一方および好ましくは両方が誘電体Ｄでコーティングされる。別の実施形態では、誘電体は、コーティングではなく、電極１４，１６から機械的に分離している。
【００７９】
引き続き図１６を参照して、システム１０はさらに、基板２３８，２３９上に形成されたフィルタ２５０および検出器２６０を有するＦＡＩＭＳ装置２４０を備える。フィルタ２５０は補償された高電界非対称波形を、高電界をその間に生成する１対のフィルタ電極２５２，２５４に印加する。フィルタ電界中を通過するイオンのイオン移動度特性に従って、イオン種は１対の検出電極２６２，２６４を有する検出器２６０に到達して検出される。一般的なＦＡＩＭＳの方式では、検出イオン種を特徴づけるために、検出結果を印加駆動電圧および既知の駆動性能と相互に関連付ける。ここでは、分析システム制御の全体に対して、検出結果をイオン化器１１の駆動および制御と相互に関連付けできる。
【００８０】
作動中、化合物のサンプルを伴うキャリヤ・ガスが流入口２６５から流入し、ＦＡＩＭＳ装置を通って、排出口２６６に流れる。ガス流量および圧力は、例えば、排出口２６６に取り付けられたポンプ２６８により制御できる。ＦＡＩＭＳシステムは、プラズマ・コントローラと駆動回路２２とに組み込まれ一体化された、コントローラおよび駆動回路２２２により駆動および制御される。さらに、プラズマ生成電極１４，１６、フィルタ電極２５２，２５４、および検出器電極２６２，２６４はすべて、分離および個別構造にでき、または例えば、基板２３８，２３９の表面上の電極として形成できる。プラズマの生成は制御されて適正なエネルギを供給し、化合物をイオン化できる。
【００８１】
図１４Ｃの実施形態では、サンプルのイオン化効率は、イオン化領域内のキャリヤ・ガス量を減少させることにより高くなる。図１６にも示される、本発明の別の実施形態では、キャリヤ・ガスに対するサンプルＳの割合を増加し、これによりサンプルのイオン化効率を高めるために、サンプルＳは最小量のキャリヤ・ガスと共にイオン化領域に導入される。キャリヤ・ガスはイオン化されてプラズマを生成し、このプラズマがサンプルＳをイオン化する。次に、キャリヤ・ガスＣＧの第２の流れを別の流入口２４１から導入し、さらなる分析のために引き続きイオンを移送する。イオン化されるバックグラウンド・ガスは少量であり、これによってキャリヤ・ガスに対するサンプルの割合を相対的に増加させてイオン化される。したがって、イオン化効率を高め、分析計のＲＩＰを減少させる。
【００８２】
次に図１７Ａを参照すると、電極１４，１６は単一の基板２４’上に形成されている。電極はそれぞれくし歯状に延びて、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂのような複数の枝状電極を形成する。これらのくし歯状構造により電極は相互にかみ合い、プラズマ発生器１１を形成する。電極１４，１６はＲＦ電源２２により駆動される。図１７Ｂはこれと類似であるが、枝状電極を９０度回転させたものである。
【００８３】
好ましい実施形態では、これらの電極はガス流から遮断されている。このような遮断は遮断層または絶縁層を利用し、例えば図１７Ｂの点線で示すように、各露出電極（および枝状電極）表面に、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）またはＳｉＯ２のような誘電体コーティング３４を形成するのが好ましい。（本発明のさまざまな実施形態は、前述と同様および図１７Ｂと同様の遮断の利用を含み、さらにこの遮断が図１７Ａおよび図１７Ｃに図示されていないのは、単に表示を簡単にするためであることは理解されるであろう。）
【００８４】
単一の基板２４’をハウジングＨで形成された流路１２内に封入し、流入口２６５からサンプルを取入れて流出口２６６から排出させる、本発明の全体プラズマ発生器１１を実現できる。
【００８５】
本発明のプラズマ発生器１１は、ＦＡＩＭＳ装置を組み込んでいるのと同一の基板上に形成できる。図１７Ｃに示すように、マイクロチップ２９０が本発明のプラズマ発生器１１を組み込んで形成され、同一、つまり互いに合致した形状の相対向する基板２２４，２２６を有する。さまざまな実施形態では、図１７Ａに示すような、分離したプラズマ発生器を対向する基板のそれぞれの上に形成するか、または図１６のように、対向する基板により１つのプラズマ発生器を形成できる。また、同一のマイクロチップ構造体２９０内に、フィルタ２５０および随意に検出器２６０を有するＦＡＩＭＳ器２４０を形成できる。
【００８６】
同等の基板上へのＦＡＩＭＳ器の形成は、2001年6月15日出願の同時係属の米国特許出願第09/882,883号、発明の名称「分光計チップ・アセンブリ」に記載されている。この出願内容は参照により本明細書に引用したものとする。このような分光計チップ・アセンブリの前縁部または前端部を延長することにより、図１７Ｃのマイクロチップ２９０内に示すように、内部にプラズマ発生器１１を形成するのに適合させることができる。
【００８７】
本発明の実施形態の具体化において、基板の分離および電極の正確な間隔設定が望ましく、これらは、図１７Ｃのマイクロチップ構造体２９０にスペーサ部品２９２，２９４を使用するなどして、必要に応じて達成できる。基板２２４，２２６は、一対のスペーサ２９２，２９４に保持されて形成され、これら基板は、必要に応じて、基板もしくはハウジングの一体化した延長部分、または分離した構成部品であってもよい。
【００８８】
図１７Ｃに示す分析システム１０では、キャリヤ・ガスおよびサンプルＳは流入口２６５へ導かれ、発生器１１でプラズマ作用によりイオン化される。イオン化された粒子はＦＡＩＭＳ器２４０（ＦＡＩＭＳフィルタ２５０を経て）で分析される。フィルタ出力は、質量分析計もしくは他の検出器の流入口、または図示のような単にオンボード検出器２６０の流入口に向かい、その後、流出口２６６から排出される。
【００８９】
本発明は新規、低価格、非放射性、高効率、クリーンで安定した、高周波プラズマ・イオン源に関するものである。このイオン源は、広範囲のプラズマ・レベルを提供でき、また空気中で大気圧を含む圧力全体に渡り低電力で作動できる。本発明は広範囲の化合物をイオン化でき、例えばさまざまな化合物の中でも特に、低イオン化ポテンシャルを有する化合物（アセトンなど）から高イオン化ポテンシャルを有する化合物（ＳＦ６など）の範囲に渡りイオン化できる。
【００９０】
本発明がイオンおよびイオン種の生成の制御で作動することは、当業者には明らかであろう。説明したように、プラズマのエネルギ量は、例えば駆動回路２２から供給するエネルギを制御することにより、制御できる。ガスに与えるエネルギ量の制御およびその結果得られるプラズマがプラズマ中に発生するイオン種を制御することは、明らかであろう。このエネルギを制御することにより、イオンの生成を制御できる。さらに、この制御により、不要なイオン、例えば、他の負イオンの検出を妨げる可能性のある窒素イオン（ＮＯｘ種）の生成を防止することもできる。さらに、ガス流量を調節することにより、プラズマ内に生成されるイオン種を制御することもできることは、当業者には明らかであろう。
【００９１】
前述の説明および図示により、本発明のプラズマ源はサンプル・イオン化を必要とする広範囲のシステムに有用であることは理解されるであろう。本発明は独立型機器として実現でき、または大型システムに組み込むこむことにより、クリーンで安定したイオン源の利点を得ることができる。このようなシステムの例には、特に、ＦＡＩＭＳ、イオン移動度分光計、および大気化学圧イオン化分光計が挙げられる。実際に、本発明は、本明細書に示すには多すぎるほどの、多くの実用用途を有する。
【００９２】
本発明を実例となる好ましい実施形態により図示し、説明してきた。当業者には、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態または細部にさまざまな変更を加えるのが可能であることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１Ａ】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置を使用している装置の一般化ブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の例示的な共振ＲＦ駆動回路の図である。
【図１Ｃ】本発明のＲＦ駆動回路によって印加される新しい波形を示す。
【図１Ｄ】本発明のＲＦ駆動回路によって印加される新しい波形を示す。
【図１Ｅ】本発明の別の実施形態であり、（１）２つの絶縁電極を有する本発明の容量放電プラズマ・イオン化源により生成できる正および負ＦＡＩＭＳスペクトルと、（２）放射性源を用いて生成される正および負スペクトルを比較して示している。
【図１Ｆ】（１）放射性源についての図１Ｅ（２）のＦＡＩＭＳスペクトルと、（２）１つのみ絶縁電極を備えた本発明による容量放電プラズマ・イオン化源において生成された正および負スペクトルとの比較である。
【図１Ｇ】低プレナム・ガス流を用いる質量分析計により検出された、（１）放射性源からの質量正スペクトルと、（２）本発明の一実施形態からの質量正スペクトルとの比較である。
【図１Ｈ】（１）純粋空気の負モード質量分析計スペクトルと、（２）本発明におけるプラズマ・イオン化後の、純粋空気に２０ｐｐｍのＳＦ６（Ｍ＝１４６）を加えたサンプルの負モード質量分析計スペクトルとについて示す。
【図１Ｉ】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の一実施形態においてイオン化された、メルカプタンおよび純粋空気のＦＡＩＭＳ検出を示す。
【図１Ｊ】本発明におけるアセトンのイオン化により生成され、再現された質量スペクトルを示す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による容量放電プラズマ・イオン化装置の構造を示す。
【図２Ｂ】本発明の別の実施形態による容量放電プラズマ・イオン化装置の構造を示す。
【図２Ｃ】本発明の他の実施形態による容量放電プラズマ・イオン化装置の構造を示す。
【図２Ｄ】本発明のさらに他の実施形態による容量放電プラズマ・イオン化装置の構造を示す。
【図３】本発明の容量放電構造の平板型の実施形態である。
【図４】本発明の容量放電構造のニードル電極の実施形態である。
【図５】なし
【図６】なし
【図７】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の一実施形態を示す。
【図８】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の別の実施形態を示す。
【図９】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の他の実施形態を示す。
【図１０】本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置のさらに他の実施形態を示す。
【図１１】加速電極を有する本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の別の実施形態を示す。
【図１２】加速電極を有する本発明の容量放電プラズマ・イオン化装置の別の実施形態を示す。
【図１３Ａ】図１１および図１２の実施形態の加速電極の第１変形例を示す。
【図１３Ｂ】図１１および図１２の実施形態の加速電極の第２変形例を示す。
【図１３Ｃ】図１１および図１２の実施形態の加速電極の第３変形例を示す。
【図１４Ａ】本発明のイオン化器を組み込んでいる、平板型高電界非対称波イオン移動度分光計の第１構成を示す。
【図１４Ｂ】本発明のイオン化器を組み込んでいる、平板型高電界非対称波イオン移動度分光計の第２構成を示す。
【図１４Ｃ】本発明のイオン化器を組み込んでいる、平板型高電界非対称波イオン移動度分光計の第３構成を示す。
【図１４Ｄ】本発明のイオン化器を組み込んでいる、平板型高電界非対称波イオン移動度分光計の第４構成を示す。
【図１５Ａ】本発明のプラズマ・イオン化器を備えた分光計装置の端面図である。
【図１５Ｂ】本発明の別のプラズマ・イオン化器の各電極が隣接する電極に対して直交するように配置された４つの電極を有する分光計装置の端面図である。
【図１６】化学サンプル中の化合物をイオン化する容量放電プラズマ・イオン化源を組み込み、さらに、イオン化化合物の受入れ、分析および識別のためのＦＡＩＭＳ分析計を有する、本発明のシステムを示す。
【図１７Ａ】本発明の単一基板上に形成されたプラズマ発生器の相互にかみ合った電極を示す。
【図１７Ｂ】図１７Ａの基板面を９０度回転させた別の実施形態を示す。
【図１７Ｃ】本発明によるプラズマ・イオン化および分析のための複数電極を有する、対向する基板を備えたマイクロチップ機器を示す。
【符号の説明】
【００９４】
１１  容量放電プラズマ・イオン化器（容量放電器）
１３  流入口
１４  電極
１５  流出口
１６  電極
１８  支持体（絶縁体）
３４  絶縁層（遮断手段）
Ｆ  電界
Ｇ  間隙
【図１Ａ】
2005512274.tif 000003
【図１Ｂ】
2005512274.tif 000004
【図１Ｃ】
2005512274.tif 000005
【図１Ｄ】
2005512274.tif 000006
【図１Ｅ】
2005512274.tif 000007
【図１Ｆ】
2005512274.tif 000008
【図１Ｇ】
2005512274.tif 000009
【図１Ｈ】
2005512274.tif 000010
【図１Ｉ】
2005512274.tif 000011
【図１Ｊ】
2005512274.tif 000012
【図２Ａ】
2005512274.tif 000013
【図２Ｂ】
2005512274.tif 000014
【図２Ｃ】
2005512274.tif 000015
【図２Ｄ】
2005512274.tif 000016
【図３】
2005512274.tif 000017
【図４】
2005512274.tif 000018
【図７】
2005512274.tif 000019
【図８】
2005512274.tif 000020
【図９】
2005512274.tif 000021
【図１０】
2005512274.tif 000022
【図１１】
2005512274.tif 000023
【図１２】
2005512274.tif 000024
【図１３Ａ】
2005512274.tif 000025
【図１３Ｂ】
2005512274.tif 000026
【図１３Ｃ】
2005512274.tif 000027
【図１４Ａ】
2005512274.tif 000028
【図１４Ｂ】
2005512274.tif 000029
【図１４Ｃ】
2005512274.tif 000030
【図１４Ｄ】
2005512274.tif 000031
【図１５Ａ】
2005512274.tif 000032
【図１５Ｂ】
2005512274.tif 000033
【図１６】
2005512274.tif 000034
【図１７Ａ】
2005512274.tif 000035
【図１７Ｂ】
2005512274.tif 000036
【図１７Ｃ】
2005512274.tif 000037
【国際調査報告】
2005512274.tif 000038