(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応イオン化チャンバーを区画する第一の内部スペースを有する第一の円筒状ガラス管と、イオンドリフト領域を区画する第二の内部スペースを有する第二の円筒状ガラス管と、
サンプル材料を前記反応イオン化チャンバー内に注ぎ込むための手段と、
前記反応イオン化チャンバー内でサンプル材料をイオン化させるための手段と、
前記第二の円筒状ガラス管の一端に配置されたイオンディテクターと、
前記イオンドリフト領域内で電場を発生させて、それにより前記サンプル材料のイオンが前記イオンドリフト領域を通って前記イオンディテクターに向けて加速するようにさせるための手段を有し、
前記第一および第二の円筒状ガラス管が、金属酸化ガラス材料から作られて、熱／化学処理によって半導性にされた内面を有している、イオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項２】
前記反応イオン化チャンバーから前記イオンドリフト領域へのイオンの流れをコントロールするための手段と、前記反応イオン化チャンバー内で電場を発生させて、それによりサンプル材料のイオンを前記反応イオン化チャンバーを介して加速させるための手段を有している、請求項１に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項３】
前記反応イオン化チャンバー内で電場を発生させる前記手段が、
前記第一の円筒状ガラス管の第一の端に形成された第一の電極と、
前記第一の円筒状ガラス管の第二の端に形成された第二の電極と
前記第一の電極と前記第二の電極とに作動的に接続される電圧源とを有し、
前記イオンドリフト領域内で電場を発生させるための前記手段が、
前記第二の円筒状ガラス管の第一の端に形成された第三の電極と、
前記第二の円筒状ガラス管の第二の端に形成された第四の電極と、
前記第三の電極と前記第四の電極とに作動的に接続される第二の電圧源を有する、請求項２に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項４】
前記第一、第二、第三および第四の電極が、夫々、薄い金属フィルムを含んでいる、請求項３に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項５】
前記薄い金属フィルムが、ニッケル−鉄合金，ニッケル−クロム合金，銅，銅合金及び金より成るグループから選択された金属にて形成されている、請求項４に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項６】
前記第一および第二の円筒状ガラス管が、酸化鉛ガラスから作られている、請求項１に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項７】
前記第一および第二の円筒状ガラス管が、金属珪酸塩ガラスから作られている、請求項１に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項８】
イオンの流れをコントロールするための前記手段が、前記反応イオン化チャンバーの出口端と前記イオンドリフト領域の入口端との間に配置されたシャッターグリッド電極を有している、請求項２〜７の何れかに記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項９】
前記シャッターグリッド電極にエネルギーを与える手段を有している、請求項８に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項１０】
シャッターグリッド電極にエネルギーを与える前記手段が、変調電圧源を含んでいる、請求項９に記載のイオン移動度質量スペクトロメータ。
【請求項１１】
イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法であって、
金属酸化ガラスから作られて、反応イオン化チャンバーを区画している第一の内部スペースを有する第一の円筒状ガラス管を提供する工程と、
金属酸化ガラスから作られて、イオンドリフト領域を区画している第二の内部スペースを有する第二の円筒状ガラス管を提供する工程と、
前記第一および第二の円筒状ガラス管の内面を、化学的に処理して、半導性にさせる工程と、
前記第一の円筒状ガラス管の前記半導性内面と接触するように前記第一の円筒状ガラス管の第一の端に第一の電極を設ける工程と、
前記第一の円筒状ガラス管の前記半導性内面と接触するように前記第一の円筒状ガラス管の第二の端に第二の電極を設ける工程と、
前記第二の円筒状ガラス管の前記半導性内面と接触するように前記第二の円筒状ガラス管の第一の端に第三の電極を設ける工程と、
前記第二の円筒状ガラス管の前記半導性内面と接触するように前記第二の円筒状ガラス管の第二の端に第四の電極を設ける工程と、
サンプル材料を前記反応イオン化チャンバー内に注ぎ込むための手段を前記第一の円筒状ガラス管の前記第一の端に設ける工程と、
前記反応イオン化チャンバー内に前記サンプル材料をイオン化させるための手段を配置する工程と、
前記第二の円筒状ガラス管の第二の端にイオンディテクターを設ける工程と、
前記第一の円筒状ガラス管と前記第二の円筒状ガラス管とを共軸に沿って整列配置する工程と、を含んでいる、イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法。
【請求項１２】
前記第一および第二の円筒状ガラス管を酸化鉛ガラスから形成し、前記第一および第二の円筒状ガラス管の内面を化学的に処理する前記工程が、前記第一および第二の円筒状ガラス管の前記内面を水素雰囲気中で化学的に還元させる工程を含んでいる、請求項１１に記載の、イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法。
【請求項１３】
前記第一および第二の円筒状ガラス管の前記内面を水素雰囲気中で化学的に還元させる前記工程が、
前記第一および第二の円筒状ガラス管を水素雰囲気の炉内に装填する工程と、
酸化鉛が化学的に還元されて半導性状態になる温度まで前記炉の温度を上昇させることにより、前記第一および第二の円筒状ガラス管の内面上に半導性領域を提供する工程と、
前記半導性領域において所望の伝導性を確保するのに十分な時間、前記上昇させた温度を維持する工程を含んでいる、請求項１２に記載の、イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法。
【請求項１４】
第一の電極を設ける前記工程が、前記第一の円筒状ガラス管の第一の縁上に第一の薄い金属フィルムを蒸着し、該第一の薄い金属フィルムに第一の伝導性タブを取り付ける工程を含んでいる、請求項１１〜１３の何れかに記載の、イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法。
【請求項１５】
第二の電極を設ける前記工程が、前記第一の円筒状ガラス管の第二の縁上に第二の薄い金属フィルムを蒸着し、該第二の薄い金属フィルムに第二の伝導性タブを取り付ける工程を含んでいる、請求項１４に記載の、イオン移動度質量スペクトロメータを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的同定（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）及び被分析試料の分析のために用いられるスペクトロメータに関するものである。詳述すると、本発明は、設計や組立方法を考慮したイオン移動度スペクトロメータに関するものである。特に、本発明は、イオン移動度スペクトロメータにおいて、イオンドリフト管と反応イオン化チャンバー（ｒｅａｃｔｉｏｎ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）との部品として伝導性ガラス管を用いることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度スペクトロメータは、化学種の同定及び分析、特に、リアクターのチャンバーや分析チャンバーの雰囲気のような蒸気相中で分散する微量物質を同定及び分析するための器具である。イオン移動度スペクトロメータは、１９６０年代末期及び１９７０年代初頭に開発され、今では防衛及び民間で応用されている完全に確立された技術である。この技術は、特別な軍備や実験器具からその使用が広まって開発し続けられ、環境モニタリング，法の執行，プロセス制御，産業衛生及び産業安全に係る応用を含む様々な応用に役立っている。特に、イオン移動度スペクトロメータは、爆薬類，麻薬，生物化学兵器物質の微量成分分析に頻繁に用いられている。イオン移動度スペクトロメータは、比較的低コストで、操作が簡単で信頼性があるため、ニッシュ市場（ｎｉｃｈｅ  ｍａｒｋｅｔ）において広く受け入れられている。更に、イオン移動度スペクトロメータは、小型化，携帯性及び非常に大量生産に非常に適している。サイズ，コスト及び複雑さを更に低減させることにより、イオン移動度スペクトロメータが更に広く利用されることが期待される。本発明は、イオン移動度スペクトロメータ技術の広範な基本的改良をもたらす設計及び構造面の特徴に向けられたものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、イオンドリフト管と反応イオン化チャンバーとがシングルピース（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｉｅｃｅ）の伝導性ガラス管にて作られているイオン移動度スペクトロメータを構成するための新規な方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
伝導性ガラス管は、水素雰囲気中で高い温度で実施する焼きなましを含む様々な熱処理及び化学的処理を用いて高抵抗性ガラスに伝導性表面層を形成することにより作られる。そのようにして作られたガラス管は、イオン移動度スペクトロメータ中でイオンを加速させ分離させる電場を作り出すために用いることができる。その伝導性ガラス管はその両端が金属被覆され及びその両端にタブが付けられているので、その管を横切って高電圧を付加させることができて、管内に実質的に均一な軸線方向の電場が作られる。そのようなものとして、伝導性ガラス管は、従来のイオン移動スペクトロメータにおいて採用されている金属リングとセラミックリングとの積重ね構造体に代わるものとして機能する。その伝導性ガラス管を使用することによって、従来の装置と比較して、より簡単に製造することができるばかりでなく、均一な電場を確保でき、より頑丈で、メインテナンスが少なくて済み且つ低コストのものを提供することができる。
【０００５】
上述した発明の概要及び後述する発明の詳細な説明については、添付図面を参照することにより、より明確に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明においては、表面伝導率を変えたシングルピースのガラス管が、従来のイオン移動度スペクトロメータの一つの又は複数の小組立部品と置き換えられている。特に、イオン移動度スペクトロメータのイオンドリフト管と反応イオン化チャンバーの双方は、共軸線に沿って整列して交互に積み重ねられた絶縁性環状リング（例えば、セラミック製リング）と伝導性環状リング（例えば、金属製リング）とにより成るリング組立体として一般に構成されている。本発明に依れば、そのようなリング組立体の代わりにガラス管が用いられ、そのガラス管においては、その内面が化学処理及び（又は）熱処理によって電気的に伝導性を有するように構成されている。その処理によって、ガラスが化学的に変化させられ、ガラスの浅い表面層が高い電気的絶縁材料から半導性材料へと変質する。
【０００７】
図１は、そのような器具の本質的な構造的特徴を有する公知のイオン移動度スペクトロメータ１００の概略図である。その器具の主な部品は、反応イオン化チャンバー１０２と、イオンドリフト管部１０４であり、それらは、シャッターグリッド電極１０６によって互いに分離されている。反応イオン化チャンバー１０２とイオンドリフト管１０４は、一般に筒状に形成され、端と端とを当接させてオリフィスを介して連結されている。反応イオン化チャンバー１０２とイオンドリフト管１０４は、共軸線ａ−ａ’に沿って整列している。然しながら、反応イオン化チューブ１０２とイオンドリフト管１０４の直径及び長さは実質的に相違している。反応イオン化チャンバーとイオンドリフト管との間のイオン通路は、シャッターグリッド電極１０６によってゲートされている。
【０００８】
作動中に、揮発性サンプルがサンプル入口ポート１０８を介して反応イオン化チャンバー１０２内に注ぎ込まれて、ガス入口ポート１１０を介して導入されるキャリヤーガスと混合される。放射性ニッケルのようなβ粒子ソース１１２が、反応イオン化チャンバー内に配置されていて、反応イオン化チャンバー１０２内の気相分子をイオン化させるβ粒子放射線を放出している。反応イオン化チャンバー１０２は、屡々「ガードリング（ｇｕａｒｄ  ｒｉｎｇ）」と呼ばれている金属製リングを複数積み重ねて成る筒状積重ね体１１４にて構成されている。その複数の金属製リングは、絶縁性セラミックスペーサによって互いに分離されて、電極構造を構成している。その金属製ガードリングは、高インピーダンス・レジスタ（図示せず）によって直列に接続されている。ガードリングとスペーサとの積重ね体によって区画された内部スペースは、反応・イオン化チャンバーを構成している。その積重ね体の両端を横切って電圧が付加された時に、筒状積重ね体の内部に電場が発生する。その電場は、積重ね体の内部で発生したイオンをシャッター電極１０６に向けて加速させる。シャッター電極に付加された電圧が、イオンの電荷とグリッドに付加されている電圧の極性及びマグニチュードとに基づいて、イオンのイオンドリフト管１０４への前進を許容し又は妨害する。イオンドリフト管に入ったイオンは、軸線ａ−ａ’に平行な軌道をほぼ辿る。
【０００９】
積重ね体１１４と構造上同一な、金属製ガードリングとセラミックスペーサとから成る積重ね体１２０が、軸線ａ−ａ’に沿って配置されて、ドリフト管１０４を構成している。その積重ね体１２０の両端に付加される電圧によって軸線ａ−ａ’に沿った電場が発生する。それによって、イオンは、イオンドリフト管１０４の一端に配置されているイオンディテクター１２２に向かって加速される。イオンドリフト管は、ポート１１６を介して注ぎ込まれるドリフトガスによって常に清浄される。ポート１１８は、サンプル，キャリヤー及びドリフト管ガスの排出口として機能する。電場によってイオンに力が付加され、その力は、ポート１１６に注ぎ込まれるドリフトガスの分子でイオンがランダムに撒き散らされることによって緩和される。特定の電場，特定の周囲のキャリヤーガス種，分圧及び温度によっては、イオンは、それの電荷及び有効な散乱断面積を含むイオンの性質に関連する特有なドリフト速度を獲得する。従って、シャッター１０６からイオンディテクター１２２までイオンドリフト管を通り抜けるイオンのドリフト時間は、各イオンの特性を示し、そのイオンを同定するのに役立つ。イオンディテクター１２２は、ディテクターのプレート面でイオンの衝撃が発生した時に電荷又は電流が誘導されるファラデーカップタイプの装置であることが多い。誘導された電荷又は電流は、エレクトロメータのような外部回路１２４によって検出される。
【００１０】
図２は、イオン移動度スペクトロメータのイオンドリフト管の公知の構造及び同スペクトロメータの隣接部品の配列を示した図である。このイオンドリフト管２０２は、複数の金属製ガードリング２０４と、各対のガードリング２０４の間に配置されたセラミックスペーサ２０６との積重ね体を有している。ガードリングは、例えば、ステンレス鋼を含む種々の金属から作ることができる。図２に示した構造においては、ドリフト管２０２は１０個の金属製ガードリングを有している。イオンドリフト管の一端には、コレクタープレート２０８が被せられていて、イオンを検出する。そのコレクタープレート２０８は、エレクトロメータ（図示せず）に接続されていてもよい。コレクタープレート２０８は、非伝導性のスペーサ２１０によってガードリング電極から電気的に絶縁されている。その非伝導性スペーサ２０８は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）材料（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（商標））によって構成するのが好ましい。この組立体は、ドリフトガスの流入ポート２１２と、サンプルガスの流入ポート２１４と、ガスの排出ポート２１６とを有している。ニッケル（アイソトープ６３）β粒子ソース２１８が、ドリフト管２０２の前端部に配置されているセラミック絶縁体２２０内に埋設されている。ドリフト管を通るイオン電流をコントロールする一つ又はそれ以上のゲート電極２２２，２２４，２２６が、ドリフト管２０２の軸線に沿った様々な位置に配置されている。
【００１１】
図３は、反応イオン化セクタ３０２を備えた公知のイオン移動度スペクトロメータの物理的配列を示した図で、その反応イオン化セクタ３０２は、イオンドリフトセクタ３０４と接触しているが、ドリフトセクタ３０４から分離している。複数の被削性ガラスセラミック絶縁性リング３１０によって分離された複数の金属製ガードリング３０８の積重ね体をバイアスすることによってドリフト領域の電場３０６が発生させられる。直径及び全長がより小さい電極の共軸積重ね体が反応イオン化チャンバー３０２を区画している。サンプル／キャリヤーガスの流入ポート３１４，ドリフトガスの流入ポート３１６及び排出ポート３１８が装置ケース３２０に設けられている。サンプル／キャリヤーガス流入口３０４近傍の反応イオン化管３０２の側壁には、ニッケルホィルβ放射線ソース３１２が埋設されている。ファラデー板３２２が、イオンドリフト管セクタ３０４の後端に配置され、イオンディテクターとして機能する。イオンドリフト領域と反応イオン化領域との温度を夫々モニターする熱電対３２４，３２６がスペクトロメータ３００内部に配置されている。イオンドリフト管３０４の入口端近くに配置されたシャッターグリッド３２８とイオンドリフト管３０４の後端に配置された開口グリッド３３０とによって、イオンドリフト領域内でのイオン電流をコントロールする。イオンドリフト管の環境温度をコントロールするために、イオンドリフト管領域に発熱体又は冷却体３３２を巻き付けることができる。
【００１２】
本発明によるイオン移動度スペクトロメータの新規な特徴は、公知の装置で用いられている金属製リングとセラミックスペーサとの積重ね体をシングルピースの伝導性ガラス管に代えた点にある。図４は、本発明によるイオン移動度スペクトロメータにおいて用いられるタイプのガラス管４０２を示した図である。このガラス管４０２は、後述する熱化学処理によって半導性化された内面４０４を有している。その管の両端には薄い金属フィルムが設けられて、環状の電極４０６，４０８を構成している。それら電極４０６，４０８には夫々伝導性タブ４１０，４１２が取り付けられていて、それ故、電極を高電圧源に接続することができる。管の両端を横切って付加される電圧によって、管の軸線ｂ−ｂ’に沿って整列した電場が発生する。軸線方向の電場の方向は、付加される電圧の極性を変化させることにより簡単に逆方向に変えることができる。そういうものとして、この電場は、イオン移動度スペクトロメータのイオンドリフト管部におけるイオン移動度を基礎として、サンプル混合物のイオンを分解させるために用いられるドリフト領域を構成している。
【００１３】
ガラス管４０２の両端を横切って電圧が付加された時に、管の表面層の比較的高い固有抵抗（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）が管の伝導性表面層の内部及び外部の双方で電場を維持させる。その外部電場は、キャパシタープレートの周りに作られるフリンジ場（ｆｒｉｎｇｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）に類似している。伝導性表面層が円筒状の対称になっているため、伝導性ガラス管の内部空間内の電場は、強さの点でほぼ均一で、管の軸線と平行に整列している。
【００１４】
伝導性ガラス管４０２は、イオン移動度スペクトロメータの反応イオン化チャンバーを構成するためにも用いることができる。その場合には、軸線方向の電場によって、イオン化された粒子がシャッター電極に向かって推し進められ、そこで粒子はイオンドリフト管内にゲートインする。酸化鉛，珪酸鉛又は金属珪酸塩（ｍｅｔａｌ  ｓｉｌｉｃａｔｅ）のようなガラス材料は、付加された電場に応答して誘導される電流を構成するのに必要な自由電荷キャリヤーを実質的に欠いているような元来電気的に絶縁性のものである。然しながら、ガラスの表面層は、特定の化学処理及び（又は）熱処理を施すことによって電気的に伝導性を有するものにすることができる。例えば、ガラス製品を還元水素雰囲気中で焼きなましする還元法によってガラスの表面を化学的に変化させることができる。この化学的変態は、密度の増加した自由電荷キャリヤーと必然的に高められた電気的伝導性をもたらす、何らかの非化学量論的結合や欠陥や電気的活性微量不純物を備えた浅い表面領域を作り出す。然しながら、本発明は、高絶縁性グラスの表面領域を導電率の高められた半導性表面層に変化させる特定のメカニズムに特定されるものではなく又はそれに左右されるものでもない。
【００１５】
限定されるものではないが、バーレ  インダストリーズ，インコーポレイテッド（Ｂｕｒｌｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．）によって製造販売されているＭＣＰ−１０，Ｌ２ＬＮ，ＭＣＰ−９，ＭＣＰ−１２，ＲＧＳ６５−１２，ＲＧＳ６６−４１及びＲＧＳ７４−１２のような鉛ガラスや、ジェネラル  エレクトリック  カンパニー（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．）によって製造販売されているＧＥ８２１又はコーニング  ガラス  カンパニー（Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．）によって製造販売されているＣｏｒｎｉｎｇ  ８１６１及びＣｏｒｎｉｎｇ  ８１６５のような珪酸鉛ガラスを含む多数の公知のガラスのいずれかから管を作るのが好ましい。更に、化学的処理及び（又は）熱処理によって伝導性をもたせることの可能な何らかの金属珪酸塩ガラス又はより一般的には何らかの金属酸化ガラスが、本発明を適用するための利用可能な材料である。
【００１６】
本発明の範囲内における全ての試みに共通する事柄は、ガラス管の内面に伝導性層を形成する処理を施すことである。特有な例として、ガラスを半導性にさせるために、珪酸鉛管に還元法を施すものがある。ＴＲＡＰ（Ａｃｔａ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａ  ［１９７１］１４，１  ４１−７７）には、アルカリ添加石英ガラス（ａｌｋａｌｉ−ｄｏｐｅｄ  ｓｉｌｉｃａ  ｇｌａｓｓ）を、電気的に伝導性を有するものにするために用いられる典型的な水素還元法が記載されている。この方法の詳細については、マイクロチャネルプレート，チャネル型電子増倍管及びＸ線管の製造業者によく知られている。簡単に説明すると、その水素還元法は、純粋な水素又は水素と酸素とのコントロールされた混合物で清浄された閉塞炉内にガラスワークピースを入れる工程を必然的に含んでいる。温度を室温から毎分１〜３℃の割合でゆっくりと上昇させる。温度が約２５０℃に達するにつれて、ガラスの酸化鉛類が化学的に還元されて半導性状態になる。酸化鉛類の還元状態への変化は、当初、ガラスのむき出しの表面から数百オングストロームの深さ内の領域で起こる。連続した加熱と水素暴露の結果、より深く化学的に還元した導電率の高い層と、より低いシート抵抗（ｓｈｅｅｔ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が得られる。ガラスのシート抵抗率は、炉の時間・温度スケジュール，暴露時間，周囲のガス混合物，圧力及び流量をコントロールすることによって正確に且つ再現可能なようにコントロールすることができる。こうして、この技術は、ダイオードやトランジスターのエミッターを含むような特定の導電率を有する表面層を形成するためのシリコン超小形電子技術において用いられる微量不純物拡散法に非常に類似している。
【００１７】
還元雰囲気に晒されたガラスの全表面は、更に伝導性状態に変えられる。伝導性表面領域を、ガラスの表面に伝導性を有し且つ高い抵抗性を有する領域パターンが形成されるよう、化学的エッチング又は機械的食刻によって選択的にストリップすることができる。
【００１８】
後述する特定の処理パラメータは、茲で用いられる方法にとっての典型的なものである。還元炉を室温から２００℃まで３時間ランプアップ（ｒａｍｐ  ｕｐ）し、３００℃まで１時間ランプアップし、４４５℃まで１２．５時間ランプアップし、３時間４４５℃でソーキング（温度を一定に保つ）し、その後室温まで冷却する。炉の環境圧力は、毎分４０リットル流量の水素を用いて連続的に清浄した状態で３４ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）にされている。特定のガラスに関しては、ガラスのサグポイント（ｓａｇ  ｐｏｉｎｔ）によって高い温度制限が課せられる。表面の外観変化のような何らかの認識可能な変化又はシート抵抗性が明らかな時に最小温度が選択される。
【００１９】
ガラス管の電気抵抗は、温度，暴露時間，ガス圧及び流量のような処理パラメータを変えて、六桁分大きい程度の１０５〜１０１１オームだけ変えてもよい。管への電気的接続は、好ましくは、管の両端をニッケル−クロム合金，ニッケル−鉄合金，銅，銅合金，金又はその他の好適な金属にて成る薄いフィルムで金属被覆することにより達成される。その薄いフィルム電極に伝導性タブをはんだ付け又はワイヤボンディングによって取り付けることができる。
【００２０】
シングルピースの伝導性ガラス管は、様々な態様でイオン移動度スペクトロメータに組み込むことができる。図５は、イオン移動度スペクトロメータの好ましい配列を示した図で、反応イオン化チャンバーを構成するために第一の伝導性ガラス管５０２が用いられ、第一の伝導性ガラスとは直径及び長さが相違している第二の伝導性ガラス５０４がイオンドリフト管として用いられている。その反応イオン化管とイオンドリフト管は、共軸線ｃ−ｃ’に沿ってほぼ整列配置されている。第一の伝導性管５０２の内面５０６は、熱／化学処理によって伝導性を有するよう構成されている。イオン移動度スペクトロメータにおける各管の機能を最も効果的にさせるために、各管に関して個別且つ相違した処理を行うことができるが、第二の伝導性管５０４の内面５０８も同様に熱／化学処理によって伝導性を有するように構成されている。上述したように、各管の両端５１０は、ニッケル−クロム鋼又は金のような導体の層を配置することにより金属で被覆されている。接続タブ５１２は、伝導性ガラス管の両端に電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を付加するのを可能にする。分析用のサンプル材料は、取り込みポート５１４を介して反応イオン化チャンバー内に導入される。β放出放射性物質から作られた通常ホイル形態のイオン化源５１６が、反応イオン化チャンバー内に配置されている。ディテクタープレート５１８が、イオンドラフト管の端にイオンが到達したことを検知する。イオンがディテクタープレートに衝突することにより電流パルスが発生し、その電流がディテクタープレート５１８から外部回路５２０へ流れた時に、その電流パルスは外部回路５２０によって検出される。サンプルは様々なサイズの分子５２２から成り、それ故、反応イオン化チャンバー内に閉じ込められたイオン化サンプルは、一般に異なった移動度を有するイオンから構成される。従来の装置に関連して上述したように、反応イオン化管とイオンドリフト管との間に、シャッターグリッド５２４がイオン通路のゲートを構成している。
【００２１】
正電荷イオンを分析する場合には、Ｖ１をアースし、負電圧をＶ２に付加して、所定時間、高い負電圧パルスをシャッターグリッド５２４に印加することにより、全ての正電荷イオンがイオンドリフト管内に入るのを可能にする。負電圧をＶ３に印加し、正イオンがディテクター５１８方向へ向かうのを加速させるために、よりマグニチュードの大きい負電圧をＶ４に付加する。Ｖ３とＶ４との間の電圧の相違によってイオンドリフト電場が作られる。
【００２２】
負電荷イオンを分析する場合には、Ｖ１をアースし、正電圧をＶ２に付加して、所定時間、高い正電圧パルスをシャッターグリッドに印加することにより、全ての負電荷イオンがイオンドリフト管５０４内に入るのを可能にする。正電圧をＶ３に印加し、負イオンがディテクター５１８方向へ向かうのを加速させるために、よりマグニチュードの大きい正電圧をＶ４に付加する。
【００２３】
両モードの操作においては、サンプルの小さいイオン５２６は、大きいイオンよりも高い移動度をもっていて、最初にディテクターに到着し、次に中間サイズのイオン５２８がディテクターに到着し、最後に最も大きいサイズのイオン５３０がディテクターに到着するので、各イオンはその大きさに基づいて分離する。更に、ディテクターの信号振幅は、イオンの数に比例する。
【００２４】
イオン移動度スペクトロメータの構造内に一般に組み込まれる一つ又は複数のシャッターグリッドは、イオン移動度ドリフト管として機能する伝導性ガラス管の一端又は両端に直接取り付け、同様に、反応イオン化チャンバーとして機能する伝導性ガラスチューブの一端又は両端に直接取り付けることができる。そのグリッドは、好ましくは、金属ワイヤースクリーン又は一連の穴が付形された金属シートのようなメッシュ構造体の形態に構成されている。そのようなグリッドの一例として、図６は、イオン移動度スペクトロメータを組立てた時に金属メッシュを電気リード６０６で変調電圧源（図示せず）と接続させることができるように、金属グリッド６０２が伝導性ガラス管６０４の両端に位置決めされている状態を示している。シャッターグリッドの電気リード６０６は、管６０４によって区画された内部領域の軸線方向電場を作り出す電圧バイアスを課するために用いられるリード６０８とは通常は分離され、又は場合によっては随意に、シャッターグリッドのリードと管の軸線方向電場バイアス用リードとを共通にしてもよい。シャッターグリッドは絶縁性隔離碍子６１０を用いてガラス管から絶縁させることができる。シャッターグリッドは、高真空技術やガラスブローイング技術の分野において広く知られているような、ガラスと金属とを接合させたり又はシールする数多くの技術を用いてガラス管に取り付けることができる。例えば、ガラスを加熱して柔らかくさせ、突出した絶縁性隔離碍子，タブ又は金属製シャッターグリッドの一部を柔らかくなったガラス内に押し込んで融合させて恒久的に接合する。これに代えて、伝導性ガラス管に電圧バイアスを付加するために用いられるタブと同様に構成されてガラス部材上に配置された金属パッドにグリッドの一部をはんだ付けすることによりシャッターグリッドを取り付けることができる。
【００２５】
本発明の広範な発明思想から逸脱することなく、上述した実施形態に変更や変形を加えてもよいことは当業者なら認識できるであろう。それ故、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている発明の範囲及び趣旨内で変更や変形を加えたものを含むものとして理解すべきである。
なお、本発明は以下の態様を含むことを確認的に付言しておく。
・態様１：
伝導性内面を備え、イオンドリフト領域を区画する内部スペースを有する管状ガラス部材と、サンプル材料を前記イオンドリフト領域内に注ぎ込むための手段と、前記イオンドリフト領域内でサンプル材料をイオン化させるための手段と、前記ガラス管の一端に配置されたイオンディテクターと、前記イオンドリフト領域内に電場を発生させ、それによりサンプル材料のイオンがイオンドリフト領域を通って前記イオンディテクターに向けて加速されるようになっているイオン移動度質量スペクトロメータ。
・態様２：
電場を発生させる前記手段が、前記ガラス管の第一の端に形成された第一の電極と、前記ガラス管の第二の端に形成された第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに作動的に接続される電圧源とを有する、態様１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様３：
第一の電極と第二の電極とが薄い金属フィルムを含んでいる、態様２に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様４：
前記薄い金属フィルムが、ニッケル−鉄合金，ニッケル−クロム合金，銅，銅合金及び金より成るグループから選択された金属にて形成されている、態様３に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様５：
前記ガラス管が、鉛ガラス又は金属酸化ガラスから作られている、態様１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様６：
前記金属酸化ガラスが、金属珪酸塩ガラスである、態様５に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様７：
前記ガラス管が、サンプル材料が注ぎ込まれ、サンプル材料をイオン化させる前記手段が配置された反応イオン化チャンバーを区画する第二の内部スペースを有している、態様１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様８：
前記ガラス管内の前記反応イオン化チャンバーと前記イオンドリフト領域との間に配置されているシャッターグリッド電極を有している、態様７に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様９：
前記シャッターグリッド電極にエネルギーを与える手段を有している、態様８に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１０：
伝導性表面を有し、入口端と出口端とを備えた反応イオン化チャンバーを区画する内部スペースを有する略筒状の第二のガラス管と、サンプル材料を前記反応イオン化チャンバーの前記入口端に注ぎ込む手段と、前記反応イオン化チャンバー内に配置されて前記サンプル材料をイオン化させるための手段とを有する、態様１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１１：
伝導性表面を有し、入口端と出口端とを備えた反応イオン化チャンバーを区画する内部スペースを有する略筒状の第一のガラス管と、サンプル材料を前記反応イオン化チャンバーの前記入口端に注ぎ込む手段と、前記反応イオン化チャンバー内に配置されて前記サンプル材料をイオン化させるための手段と、伝導性表面を有し、入口端と出口端とを備えたイオンドリフト領域を区画する内部スペースを有し且つその入口端が前記第一のガラス管の前記出口端に面している略筒状の第二のガラス管と、前記反応イオン化チャンバーから前記イオンドリフト領域へのイオンの流れをコントロールする手段と、前記イオンドリフト領域の前記出口端に近接して配置されたイオンディテクターと、前記反応イオン化チャンバーと前記イオンドリフト領域内に電場を発生させ、それによりサンプル材料のイオンをイオン反応チャンバーとイオンドリフト領域とを通って前記イオンディテクターに向けて加速させる手段とを有しているイオン移動度質量スペクトロメータ。
・態様１２：
電場を発生させる前記手段が、前記第一のガラス管の第一の端に形成された第一の電極と、前記第一のガラス管の第二の端に形成された第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とに作動的に接続される電圧源と、前記第二のガラス管の第一の端に形成された第三の電極と、前記第二のガラス管の第二の端に形成された第四の電極と、前記第三の電極と前記第四の電極とに作動的に接続される第二の電圧源とを有する、態様１１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１３：
前記第一，第二，第三及び第四の電極が、夫々薄い金属フィルムを含んでいる、態様１２に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１４：
前記薄い金属フィルムが、ニッケル−鉄合金，ニッケル−クロム合金，銅，銅合金及び金より成るグループから選択された金属にて形成されている、態様１３に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１５：
前記第一及び第二のガラス管が、鉛ガラス又は金属酸化ガラスから作られている、態様１１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１６：
前記金属酸化ガラスが金属珪酸塩ガラスである、態様１５に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１７：
イオンの流れをコントロールする前記手段が、前記反応イオン化チャンバーの出口端と前記イオンドリフト領域の入口端との間に配置されたシャッターグリッド電極を有している、態様１１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１８：
前記シャッターグリッド電極にエネルギーを与える手段を有している、態様１７に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様１９：
ガラス部材の一端に取り付けられ、変調電圧源と接続されるようになっている金属メッシュを有し、それにより前記金属メッシュが前記電圧源によってエネルギーを与えられた時に前記金属メッシュがイオンシャッターグリッドとして機能する、態様１に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
・態様２０：
前記反応イオン化チャンバーを区画しているガラス部材の第二の内部スペースの一端に配置された金属メッシュを有し、前記金属メッシュが変調電圧源と接続されるようになっていて、それにより前記金属メッシュが前記電圧源によってエネルギーを与えられた時に前記金属メッシュがイオンシャッターグリッドとして機能する、態様７に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】公知のイオン移動度スペクトロメータの概略図である。
【図２】イオン移動度スペクトロメータにおいて用いられるドリフト管の物理的構造を示した側断面図である。
【図３】図１に示したイオン移動度スペクトロメータの物理的構造を示した側断面図である。
【図４】本発明によるイオン移動度スペクトロメータにおいて用いられる伝導性ガラス管の概略図である。
【図５】本発明によるイオン移動度スペクトロメータにおいて用いられる、伝導性ガラス管にて成る反応イオン化チャンバーと伝導性ガラス管にて成るイオンドリフト管の配列を示した概略図である。
【図６】両端に取り付けられた金属メッシュ形態のイオンシャッターグリッドを備えた伝導性ガラス管の概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
４０２              伝導性ガラス管
４０４              ガラス管の内面
４０６，４０８      環状電極
４１０，４１２      伝導性タブ
５０２              第一の伝導性ガラス管
５０４              第二の伝導性ガラス管
５０６              第一の伝導性ガラス管の内面
５０８              第二の伝導性ガラス管の内面
５１０              第一及び第二の伝導性ガラス管の両端
５１２              接続タブ
５１４              サンプル取り込み口
５１６              イオン化源
５１８              ディテクター
５２０              外部回路
５２２              サンプルの分子
５２４              シャッターグリッド
５２６              サイズの小さいイオン
５２８              中間サイズのイオン
５３０              サイズの大きいイオン
６０２              金属グリッド
６０４              伝導性ガラス管
６０６，６０８      リード
６１０              絶縁性隔離碍子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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