(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つまたは複数のカソード、一つのアノード、および関連するカソードをｒｆ信号供給部に結合するための各関連カソードに動作可能に接続された結合手段を含むｒｆイオン源であって、アノードとカソードとが実質的に５ｍｍ以下に分離されており、放電の発生が可能なアノードの表面積が、放電の発生が可能な一つまたは複数のカソードの対応する全面積より小さい、前記ｒｆイオン源。
【請求項２】
放電の発生が可能なアノードの表面積が、イオン源の作動中に発生する放電の断面積より実質的に大きくない、請求項１に記載のｒｆイオン源。
【請求項３】
アノードと一つまたは複数のカソードとを電線で製造した、請求項１または２に記載のｒｆイオン源。
【請求項４】
一つまたは複数のカソードの各々を針先形状に形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載のｒｆイオン源。
【請求項５】
一つまたは複数のカソードの各々を、アノードからほぼ等間隔に配置して、アノードと各カソードとの間のギャップを０．５ｍｍ〜５ｍｍに画定する、請求項１から４のいずれか一項に記載のｒｆイオン源。
【請求項６】
一つまたは複数のカソードの各々とアノードが、互いに相対的に移動可能で、これらの間の可変ギャップを画定する、請求項５に記載のｒｆイオン源。
【請求項７】
結合手段が、その関連するカソードをｒｆ信号供給部に容量性結合するように適合された、請求項１から６のいずれか一項に記載のｒｆイオン源。
【請求項８】
結合手段が、ｒｆ電力増幅器と作動可能に接続された可変キャパシタンス整合回路を含む、請求項７に記載のｒｆイオン源。
【請求項９】
ｒｆ電力増幅器が低電力線形応答増幅器である、請求項８に記載のｒｆイオン源。
【請求項１０】
カソードの個数が一つである、請求項１から９のいずれか一項に記載のｒｆイオン源。
【請求項１１】
放電電極を収納する電離箱をさらに含み、この電離箱は、試料を担持する気体の通過流を提供するように構成された入口と出口、およびイオン化された粒子を電離箱から外に通過させるように適合されたインタフェース・オリフィスを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のｒｆイオン源。
【請求項１２】
プラズマと放電電極とを通る軸に対するある角度で放射されるイオンのみがインタフェース・オリフィスを通過できるように、放電電極がインタフェース・オリフィスと協同的に構成された、請求項１１に記載のｒｆイオン源。
【請求項１３】
協同的構成が、前記の軸にほぼ垂直に放射されるイオンのみがインタフェース・オリフィスを通過できるようになっている、請求項１２に記載のｒｆイオン源。
【請求項１４】
入口に近くてこれを横切るプラズマ放電を提供することができるように、放電電極が電離箱の内部に位置付けられている、請求項１１、１２または１３に記載のｒｆイオン源。
【発明の詳細な説明】
本発明は、高周波（ｒｆ）イオン源に関し、特に大気圧を含むある空気圧範囲にわたって低電力作動が可能なグロー放電源に関する。
市販の電子衝撃イオン源と同様の条件の下で作動可能であるが、このイオン源よりもさらに用途が広くてさらに丈夫なイオン源の開発に、大きな関心が寄せられている。電子衝撃イオン源は、蒸気分析システムの中で質量分析計と結合されて、広範囲に使用されている。このイオン源では、電子の形状の電離粒子が、加熱されたタングステン線から、１０-4〜１０-3トルの範囲まで空気を抜いた低圧空洞の中に放射される。この空洞の中の電子は、電子の試料分子との衝撃がこの分子の電離を引き起こすようなエネルギーになるまで、電界と磁界の両方によって加速される。電子衝撃イオン源は、高圧においては作動できず、また酸素に富む環境の中では燃える傾向があるという欠点を有し、このイオン源を、大気圧またはこれに近い空気中で作動する分析システムにおける使用においては不適当なものにしている。
これに加えて、このイオン源は、これが比較的活発な電離過程（いわゆる「ハードな」電離）において正に荷電したイオンの発生に実際上制限され、通常これに関連して試料分子の分裂があるという理由で、使用の融通性がないというさらなる欠点を有する。
プラズマが維持される放電気体としての空気のある大気圧で有効に作動可能で、市販の質量分析計とインタフェース可能なイオン源の開発にも大きな関心が寄せられている。これにより、例えばいくつかの薬物またはＴＮＴ、ＲＤＸ、およびＰＥＴＮなどの爆薬から放出される気体不純物の存在を監視するために、空気の直接試料採取が可能になろう。
大気圧の空気中で作動可能な周知の装置の一つは、ＺｈａｏとＬｕｂｍａｎによって記述されたもので（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ誌、第６４巻第１３号１４２７〜１４２８ページ、および第６５巻第７号８６６〜８７６ページ）、これは絶縁タングステン・ロッド励振電極を含み、この電極の直径は０．０４インチであり、端部が研磨されて鋭利な先端となっており、この先端はプラズマ放電が起こることができる作動端である。この電極はｒｆ源に結合され、有効な「板」電極を形成する接地された１インチ×０．８インチ（直径）の真鍮セルの中に延びている。一般には、ロッドの作動端とセルの壁との間にプラズマ放電が起こる。イオンを発生させてこれを検出する元である試料を、試料を運ぶ放電気体の中に液体として導き、気体によって真鍮セルの中に運び、この真鍮セルにおいて試料はイオン化される。しかしながらこの装置は、大気圧の空気中でプラズマの形成と維持を誘導するために、約１６ワット（Ｗ）の比較的高い順電力を供給することのできる電源を必要とする。この装置は、電源が比較的高価でかさばるという欠点を有する。
さらにまた、比較的高い順電力においても、このイオン源は弱い（低エネルギー）電離しか起こさず、したがって電子衝撃イオン源にとって代わることはできない。ハードな（高エネルギー）電離が必要とされる場合には、より高い電力のｒｆ源が必要となる。これは、ハードな電離源を提供するために、先に検討したものより高い順電力を供給することのできる電源が必要となるので、上述の欠点を倍加させることになる。さらにまた、Ｌｕｂｍａｎのイオン源によって発生するプラズマは１２５〜３７５キロヘルツ（ＫＨｚ）の限られたｒｆ範囲にわたってのみ安定であるから、比較的大きなイオン・エネルギー分布は質量分析計を組み込んだどの分析システムの解像度も実際上低下させる、という結果になりやすいのはさらなる欠点である。これは、当業者には容易に認識されるように、イオン化された粒子によってｒｆ電界から得られるエネルギーは、一部分はこのｒｆ電界の周波数に依存するからである。イオン化された粒子がｒｆ電界のいくつかの振動を受けるのに十分な長さの電界に存在する場合には、その結果として生ずるエネルギーはゼロに近づくことになり、逆にこれらの粒子がｒｆ周期のタイムスケール内でプラズマから形成されて放出される場合には、これらのエネルギーは、その形成と放出との間の電界電位差の変化に依存することになる。こうして、高周波放電によって作られたイオンの所定の残留時間については、ｒｆ電界の周波数が低下するにつれて、放出されるイオン化された粒子のエネルギー分布は増加する。
一般にｒｆイオン源においては、陽イオンと電子の両方がプラズマの中で発生する。これらの荷電した粒子の可動性の差は、ｒｆ電源に容量性結合された電極に自己バイアスを発生させる原因となる。この自己バイアスの度合いは、イオン源の形状寸法によって、特にプラズマがその間で形成される複数の放電電極の比表面積によって決定される。従来の技術による装置では、イオン源の形状寸法は、励振電極の作動端の表面積が、電離セルの接触壁を含むことが多い接地（または浮動）電極の作動端の表面積と比較して小さいようなものである。この結果は負の自己バイアスの発生となる。この理由で、励振電極を習慣的に「カソード」と呼び、接地（または浮動）電極を「アノード」と呼び、したがってこの文書全体にわたって用語カソードおよびアノードは、それぞれ励振電極および接地（または浮動）電極を指すことにする。
本発明の目的は、ｒｆ動作周波数、ｒｆピークピーク振幅、およびイオン発生源圧力の広い範囲にわたって安定したプラズマを発生させることのできる、陽イオンと陰イオンを発生させる源を提供することである。
本発明によって、一つまたは複数のカソード、一つのアノード、および関連するカソードをｒｆ信号供給部に結合するための各関連カソードに動作可能に接続された結合手段とを含むｒｆイオン源であって、アノードとカソードが実質的に５ｍｍ以下に分離されており、放電の発生が可能なアノードの面積が放電の発生が可能な一つまたは複数のカソードの対応する全面積より実質的に大きくなく、一つまたは複数のカソードが、イオン源の作動中は、アノードと（一つまたは複数の）カソードとの間の空間における電界がイオンとその中の電子の最大形成を促進するように実質的にゆがめられるように構成される、ｒｆイオン源が提供される。
（一つまたは複数の）カソードのための構成、特にその（一つまたは複数の）端部における高い表面曲率度を採用することによって、コロナ効果（すなわち電極間の電子の流れ）は高められて、ゆがみのない電界における場合よりも大きな電子流が電極間を流れることになる。当業者には容易に認識されるように、このような効果は、例えば（一つまたは複数の）カソードのための非常に細い電極、一般的には線電極を使用することによって達成される。導体の表面の電荷密度は導体の表面における曲率半径に反比例するので、負に荷電された針電極の上では、電子は電極の先端に集中することになり、その結果、同じ所定の印加電圧において作動する、より鈍い電極から放射されるよりも多くの電子流が、針電極の先端から放射されることになる。換言すれば、コロナ効果が強化されることになる。これは、電離を起こさせるために必要な印加ｒｆ電力を他のカソード形状寸法に関して減少させることができる。
（一つまたは複数の）カソードの露出した縁部の周りと電極間ギャップの中のかなりゆがんだ電界に通ずる、（一つまたは複数の）カソードのための構成を採用することによって、イオンと電子の対の発生が高められる。これは、このようにひどくゆがめられた電界の中を動く双極モーメントを持つ中性粒子が、動的エネルギーまたは内部エネルギーもしくはその両方に変換されることのできる位置エネルギーを急速に得て、前記のいずれの変換の場合でも、電離（「電界電離」）の確率の増加につながる。本発明によって注目されたさらなる効果は、各カソードの露出した長さに沿った周囲気体の有用な電離が比較的細長いカソードによって発生し、これが、プラズマ放電を起こして維持するために必要な印加電力を減らすのに再び役立つ、追加の電子とイオンの源を提供することである。
さらにまた、本来、コロナ効果を増すことによって電極間の電子流を増加するために設計された、針電極の先端における電荷の集中はそれ自体、電極間ギャップにおける電界でのゆがみのさらなる原因であり、結果として、イオンと電子の対の発生がさらに強化される。
利用可能な電流の全体的増加は、プラズマを起こすためとこれを維持するための両方に必要な電圧（したがって電力）を著しく低下させる。電力需要もさらに、電極間ギャップを５ｍｍ以下の分離間隔にすることによって最小になる。しかしながら、放電電極が互いに近すぎる場合にはプラズマの大きさが有用な電離を発生させるには小さくなりすぎることは、当業者には容易に認識されよう。したがって、一つまたは複数のカソードの各々がアノードからほぼ等距離に配置されて、一般的には０．５ｍｍ以上の間隔にギャップを決定すれば、有利である。
プラズマ放電の発生が可能なアノードの表面積がプラズマ面積に比較して大きい場合には、プラズマは表面全体にわたって遊走し、これが従来の技術によるイオン源によって発生したプラズマの不安定さを助長することがわかった。これは一部では、プラズマが形成するとプラズマの近くのアノードの表面状態を変化させるので、他の部分の状態はプラズマ形成により好ましくなるという事実に起因すると思われる。代わりに、プラズマ放電の発生が可能なアノードの前記の面積が放電の発生が可能な一つまたは複数のカソードの対応する全面積より実質的に大きくなくなるように、アノードを構成することによって、プラズマ放電の遊走能力は減少する。プラズマ放電の発生が可能なアノードの表面積を放電の発生が可能な（一つまたは複数の）カソードの対応する全面積よりいくらか小さくすることが好ましく、特に、プラズマ放電の発生が可能なアノードの表面積を、イオン源の作動中に発生する放電の断面積より実質的に大きくなくすることが望ましい。
プラズマ放電の発生が可能な面積が、最も近くにあるアノードおよび（一つまたは複数の）カソードのそれぞれの面積に本質的に限定されることは、当業者には認識されよう。しかしながら、上述の形式の従来の技術によるイオン源では、カソードに近接するアノードの面積は、実質的に電離箱の壁の全体がアノードとして作用するので非常に広くなる。本発明による電極構成の結果である向上したプラズマ安定性は、従来の技術によるイオン源と比較して、本発明によるイオン源の極めて有利な特徴をもたらすものである。
プラズマ放電の発生が可能なアノードの前記の面積を放電の発生が可能な一つまたは複数のカソードの対応する全面積よりも実質的に大きくすべきではないこと、および放電自体の断面積より実質的に大きくしないことが望ましいことを先に述べたが、アノードが有効に持つことのできる最小面積は、アノードを作る金属の熱伝導率に依存する。すなわちアノードの最小面積は、プラズマ放電面から熱を取り去ってアノードの損傷とゆがみとを防止するアノードの能力に依存する。この面積は一般的には、放電が発生可能な全カソード面積の０．５倍以上である。
一般には、ｒｆイオン源は、いわゆる正常グロー放電様式で、すなわち通常は、イオン源がいかなる所定の作動条件の下においても最大面積のプラズマ放電を確実に発生させるように、いわゆる異常グロー放電の開始のために必要とされる作動電力のすぐ下の作動電力で作動される。これを達成するために必要な電力は、（一つまたは複数の）カソードの全表面積が増加するにつれて増加するので、またイオン源の作動において必要な電力を低減するために、カソードの面積を（および結果的にアノードも）できるだけ小さくして、なお有用なプラズマ放電の提供が可能であるようにすることが有利である。この理由で、また電極間ギャップにおける電界のひどいゆがみの要件に留意して、本発明のイオン源の放電電極をすべて市販の電線、細いロッドまたはバーを使用して便利に形成できることは明白であろう。このような材料はまた、初期費用の面と適当な電極への製造の面の両方において安いという利点がある。
本発明のイオン源は広範囲のｒｆ周波数、特にＭＨｚ領域までの範囲において作動可能であるが、周波数効果に関する上述の検討から、ｒｆ周波数が高くなるにつれてイオン化された粒子のエネルギー分布は減少し、これによって、本発明のイオン源に作動可能に結合された質量分析計を組み込む分析システムの分解能を向上させることが明らかであるので、高いｒｆ周波数の使用は、特に有利である。
最も便利な事として、電離を起こさせるために必要な印加されるｒｆ電力を、関連するカソードをｒｆ電力増幅器を通じてｒｆ源に容量性結合するための結合手段を有することによって、さらに低下させることもできるが、これは、この配置ではシステムを通るどの正味電流の流れも実質的に減少し、これによってカソードの各々とアノードとの間の電圧低下が増加できるようにするからである。
プラズマの形成と維持に必要なｒｆ電力の減少によって、イオン源は、１トルで作動するときには、試料を担持する放電気体として空気の場合に、一般的にはわずか０．１Ｗの低い領域のｒｆ電力で作動することができ、大気圧で作動するときには１Ｗの領域で作動することができる。この比較的低い所要電力は、大量生産を容易にする回路板上の小型化された構成部分を使用して、大気圧で作動する多重カソード式イオン源にも電力を供給することが可能であるという利点を有する。さらにまた、このイオン源はこのような低電力で作動可能であるから、ハードな電離を必要とする場合、例えばイオン源を電子衝撃イオン源の代わりに使用するときには、小型化された構成部分を使用して追加の所要電力に対処することもできる。各結合手段が個別の可変電力ｒｆ増幅器と作動可能に連結された可変キャパシタンス整合回路を含むことは、最も好ましい。この構成では、各カソードにおける順電力を個別に最大にしてもよく、またｒｆ電圧増幅の大きさを各プラズマ放電気体について個別に調節してもよい。
さらに、多重カソード配置を使用すると、アノードと特性がエネルギー的に最も好ましいカソード、たとえば、アノードとカソードの分離が各カソードについて同一でない場合には、最も近いカソードとの間に選好プラズマの形成が起こることがある。この結果、他の一つまたは複数のカソードにおけるプラズマ放電がｒｆ電力の増幅のかなりの増加によってのみ達成されるという問題が生ずる。この問題は、各カソードがそれ自体の可変電力ｒｆ増幅器と整合回路とを有する場合に軽減される。
アノードと一つまたは複数のカソードとの間の分離が、プラズマ放電の最適化を可能にするように可変であることもまた便利である。複数のカソードを採用すると、ｒｆ信号供給部が各カソードに一つずつ複数のｒｆ信号発生器を含むことは便利である。これには、各カソードへの各ｒｆ信号の位相を変えることができるという利点がある。特に好ましい実施形態では、本発明によるイオン源は単一のカソードとアノードの配置を含む。これには、多重カソード・イオン源と比較して製造と作動が容易であるという利点がある。
本発明のイオン源によって、試料を担持する放電気体の圧力と流量に関するある範囲の作動条件を、プラズマ放電の安定性を不当に低下させることなく採用できることがわかった。これと対照的に、直流グロー放電イオン源は、１トル付近の狭い圧力範囲の中でのみ安定した様式で作動可能である。
放電電極を物理的損傷から保護するために、およびイオン化すべき試料、特に空気以外の気体の中への導入を容易にするために、または気体の圧力が電離条件を最適化するために大気圧以上または以下のいずれかであることが必要である場合に、本発明のイオン源が、試料を担持する気体の通過流を準備するために適合され、中に放電電極が置かれている電離箱をさらに含むことは便利である。この電離箱を、試料を担持する気体の通過流を提供するための入口と出口、およびイオン化された粒子の試料が通過できるインタフェース・オリフィスを有するように構成することもできる。この構成では、入口と出口の両方に近くてこれらを横切るプラズマ放電を提供できるように、放電電極を電離箱の内部に位置付けることもできる。
軸方向すなわち放電電極の一つの方向に、ｒｆプラズマを離れる荷電粒子は、カソードまたはアノードに関連する加速電位域において可変量のエネルギーを得る。これは、これらの粒子の広範囲のエネルギー分布を引き起こす。したがって、イオン化された粒子試料のエネルギー分布を最小にすることが重要である状況では、例えば試料を質量分析計によって分析するという状況では、ある角度で、好ましくは放電電極をつなぐプラズマの軸にほぼ垂直に、プラズマを離れるイオン化された粒子のみがオリフィスを通過するように、インタフェース・オリフィスと放電電極を配置することが好ましい。この配置を使用すると、イオン化された粒子は電極近くの高い電界領域を通過しない。
試料を担持する気体の流量を加速するための手段、例えばポンプまたはファンを入口と出口のいずれかまたは両方に組み込み、これによって電離のための試料の利用可能性を効果的に増すことは有用である。例えば狭いエネルギー分布が要求され、イオンがプラズマ内に残留する時間が長くなるはずで、したがって流量はこの要求がないときよりも低くなるはずである場合には、実際の流量は、イオン源の使用にある程度は依存するが、空気中で物質を試料採取するときには一般的に６ｃｍ3／秒の流量が使用できることは、当業者には認識されよう。
本発明によるｒｆイオン源の実施形態を、図面を参照して例示としてのみ以下に説明する。添付の図は次の通りである。
第１図は、本発明によるイオン源の３カソード構成の概略図である。
第２図は、本発明によるイオン源の中での使用に適する結合手段の概略図である。
第３図は、電離箱の内部に置かれた単一カソード構成の概略図である。
第４図は、市販のイオントラップ質量分析計とインタフェース連結された第３図の実施形態の概略図である。
第５図は、９６０ｍトルの空気中で作動する第４図に示す構成を使用して水クラスタについて得られた代表的スペクトルを示す図であり、ここでａ）は２．１ＭＨｚで収集されたもの、ｂ）は１．６ＭＨｚで収集されたものである。
第６図は、２ＭＨｚのｒｆ周波数で９６０ｍトルの空気中において作動する第４図に示す構成を使用してＦＣ−４３について得られた代表的スペクトルを示す図であり、ここでａ）は０．１Ｗの印加電力を使用し、ｂ）は０．４Ｗの印加ｒｆ電力を使用している。
第７図は、約２ＭＨｚのｒｆ周波数で８００ｍトルの空気中において高周波放電を発生させて、放電から陰イオンを選択することによって生じた代表的な陰イオン質量スペクトルを示す図である。（ａ）はｍ／ｚ４５０までのスペクトルを示し、（ｂ）は低質量イオンを詳細に示し、（ｃ）は高質量イオンを詳細に示す。
第１図と第２図に示すｒｆイオン源は、単一アノード２から２ｍｍの間隔で等距離に配置された３つのカソード１を含む。これらの放電電極１、２は直径０．９ｍｍのＦｅｃｒａｌｌｏｙ線（英国ケンブリッジＣａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＰａｒｋにあるＧｏｏｄｆｅｌｌｏｗ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄから市販［製品記号：ＦＥ０８５２４０］）で製造されているが、針先に引かれるカソード１の先端を有する適当に寸法決めされた導電体であれば何でも代用できることが認識されよう。
カソード１は、絶縁ブロック３の中に取り付けられることによって、互いに電気的に絶縁され、この絶縁ブロック３は、プラズマ放電の熱からの損傷を受けないようにカソード１に接して位置している。各カソード１のために個別の結合手段４が設けられ、これは線形応答ｒｆ増幅器５を含み、この線形応答ｒｆ増幅器５は、電力計６および関連する可変キャパシタンス整合回路７を通じてぞれぞれのカソード１に結合されている。可変キャパシタンス整合回路７は、カソード１をＣにおいて電気回路に接続することができ、またｒｆ信号供給部８を点Ｓにおいて増幅器５の前の電気回路に接続することができるように、構成されている。こうして、結合手段は、ｒｆ増幅器が１Ｗ以下の増幅領域で作動するように適合されていることを除いて、従来の技術のイオン源で使用されているものと本質的に類似している。
各低電力線形応答ｒｆ増幅器５はｒｆ信号供給部８に作動可能に接続されている。ｒｆ信号供給部８は、イオン源が使用される適用例に応じて、共通のｒｆ信号発生器を含んでもよく、または３つのこのような発生器を含んでもよく、その一つは各カソードに接続されることは、当業者には認識されよう。
次に第３図を見ると、イオン源は、やはり直径０．９ｍｍのＦｅｃｒａｌｌｏｙ線または別の適当に寸法決めされた導電体で形成された単一の平端カソード３１とアノード３２とを含む。これらの放電電極３１、３２は、プラズマ放電が、電離箱９の壁を通る試料を担持する気体のための直径２００μｍの入口１０を通ってこれから約０．５ｃｍの所で起こるように、位置している。カソード３１とアノード３２は各々、絶縁セラミック・ブリッジ支持物３３によってこの位置に維持され、カソード３１は、電離箱９を通過し、電離箱９から絶縁されて、ｒｆ信号供給部８に接続する。ｒｆ信号供給部８は単一のｒｆ信号発生器を含み、結合手段４を介してカソードに接続されるが、アノード３２は電離箱９の壁を通じてアースに接続されている。電離箱９はさらに一つの出口１２を備え、この出口１２を通じて気体がポンプ１３で引き出される。インタフェース・オリフィス１４も電離箱９の壁の入口１０の反対側に設けられ、放電電極３１、３２を連結するプラズマ軸Ａにほぼ垂直に放射されるイオンの試料のみを収集することができるように、位置付けられている。
第３図のイオン源が特に適当とされる一適用例を、第４図に概略的に示す。ここで電離箱９は、インタフェース・オリフィス１４が静電レンズ・システム１５に作動可能に接続され、つぎに英国ハーツ、Ｈｅｍｅｌ  Ｈｅｍｐｓｔｅａｄ、ＰａｒａｄｉｓｅのＦｉｎｎｉｇａｎ  ＭＡＴ  Ｌｉｍｉｔｅｄから市販されているイオントラッブ質量分析計などの通常の質量分析計１６に作動可能に接続されている。この配置は、本発明によるイオン源が大気圧を含む圧力領域にわたって空気中での低電力作動が可能であるから、大気に含まれる極めて微少の量の不純物を確認するために大気を連続的に試料採取して分析するためには、特に好適である。
第４図に示す配置に類似の配置を使用して得られた、原子質量／原子電荷比（ｍ／ｚ）に対するイオン強度の質量スペクトル表示の例を、第５図から第７図までに示す。これらのスペクトルは、０．１〜０．５Ｗ程度の印加ｒｆ電力によって大気圧以下の空気中で発生したプラズマ放電を使用して発生したもので、空気と不純物の両方のピーク特性を含む（第５図、第６図）。空気中に故意に入れた不純物は、水クラスタまたは少量のＦＣ−４３（過フルオロトリ−ｎ−ブチルアミン、Ｃ12Ｆ27Ｎ）蒸気のいずれかであり、これは、空気流を入口１０に通す前にこの空気流を、一般的には０．１ｍｌの水またはＦＣ−４３液体を含むガラス匙の上を通過させることによって入れられる。第７図に示すスペクトルの場合には不純物は入れなかった。
第５図のａとｂは、ａ）２．１ＭＨｚのｒｆ電界とｂ）１．６ＭＨｚのｒｆ電界とを使用して、両方とも０．１Ｗの電力と９６０ミリトルの圧力で収集された水クラスタ不純物についての質量スペクトルを示す。水クラスタ、Ｈ3Ｏ+（Ｈ2Ｏ）nは、これらを分離するためには極くわずかのエネルギーしか必要とせず、したがって、断片化すなわち電離を起こすためのプラズマ放電の能力の有用な表示器である。さまざまなｎの値に関するピークを第５図の（ａ）と（ｂ）に示す。２．１ＭＨｚで発生したスペクトルでは、クラスタをｎ＝１〜９で記録したが、ｒｆ周波数を１．６ＭＨｚに低下させたときには、ｎ＞３のクラスタは失われた。より低い周波数におけるより大きな断片化は、イオン源からの電離粒子がｒｆ周波数は低くなるにつれてハードになっていることを示す。
第６図のａとｂは、ＦＣ−４３から発生したイオンの代表的な質量スペクトルと、印加ｒｆ電力によるイオン強度の変化を示す。第６図のａとｂは、ａ）０．１Ｗとｂ）０．４Ｗを使用して得られた質量スペクトルを示し、ＣＦ3（ｍ／ｚ＝６９）、Ｃ3Ｆ5（ｍ／ｚ＝１３１）、およびＣ5Ｆ10Ｎ（ｍ／ｚ＝２６４）として識別される陽イオンの存在を示している。これらのスペクトルは、有効電離がこれらの低い電力でも起こること、および高電力の従来技術のイオン源と同様に、電離は電力が増すほどハードになることを示している。
第７図は、陰イオン収集様式におけるｒｆイオン源の作動を示す。これらのスペクトルは、８００ｍトルのイオン源圧力で収集されたもので、空気流の中にどのような不純物も故意に入れることなく、空気中で行われたｒｆ放電によって発生したものである。
【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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【図７】
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