JPH02119040A

JPH02119040A - 光イオン化質量分析装置

Info

Publication number: JPH02119040A
Application number: JP63271634A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Maruo; 丸尾　哲也; Yoshikazu Honma; 本間　芳和
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1990-05-07
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH0654652B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、被分析物である試料にイオンビームやレーザ
ビームを照射し、その衝撃により試料表面から発生する
中性粒子をレーザ光によりイオン化し、発生した光励起
イオンの質量スペクトルを測定することで試料の質量分
析を行う光イオン化質量分析装置に関するものである。

［従来の技術］従来より、原子質量の精密測定や化学分析、原子組成（
分子式）の測定に使用される測定装置として質量分析装
置があり、そのなかに、被分析物である試料からスパッ
タされる中性粒子をレーザ光によりイオン化し、発生し
た光励起イオンの質量スペクトルを測定することで、試
料の質量分析等を行う光イオン化質量分析装置が知られ
ている。

イオンビームやレーザビームを試料に照射すると、その
衝撃により試料表面から電荷を持たない中性粒子や、電
荷を持つ二次イオンが発生する。中性粒子は、二次イオ
ンに比べ量が多い。そのため、中性粒子を検出する光イ
オン化質量分析法は、二次イオンを測定する他の質量分
析法に比べ、感度を得るのに有利である。

第５図は試料のスパッタ手段にイオンビームを用いる従
来の光イオン化質量分析装置の原理的な構成図である。

第５図において、１は一次イオン発生装置で、アルゴン
あるいは酸素等のガスを供給してこれをイオン化して一
次イオンビーム２を発生する。ついで、−次イオンビー
ム２を電子レンズ３を用いて収束した後、電極４により
パルス化して試料５表面を衝撃する。−次イオンビーム
２の衝撃により中性粒子６がイオン化領域７に飛び出す
。イオン化領域７において中性粒子６は、全反射ミラー
８、レーザ媒質９、半透過ミラー１０により構成される
レーザ共振器の半透過ミラー１０から放出される紫外レ
ーザビーム２＋こよりイオン化されて光励起イオン１２
となる。ここで光イオン化による紫外レーザビーム１１
の強度の紘衰はほとんど無い。発生した光励起イオン！
２は引き出し電極！３と収束レンズ１４により質量分析
計１５に引き出され、イオン検出器１６で分析される。

上記において、試料５からスパッタされる中性粒子６を
イオン化することが可能な強度を持つレーザ光の光源は
、高出力紫外レーザであるエキシマレーザとパルスＹＡ
Ｇレーザの２ＦＩｉのみであり、これらはパルスレーザ
であった。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来の技術における光イオン化質量
分析装置では、以下に述べるように感度を向上さけるこ
とが解決すべき課題となっていた。

従来の光イオン化質量分析装置で中性粒子６のイオン化
に使用される紫外レーザビームｌ！はＹＡＧレーザまた
はエキシマレーザであり、レーザビームはパルス状に発
光する。この発光時間はＩパルス当たり１０〜３０　ｎ
　ｓ　ｅ　ｃ、、パルスの繰り返し速度はｉ　Ｋ　Ｈｚ
以下であるため、イオン化領域７にレーザが照射される
実効時間は！秒間当たり３０μ５ｅＣ以下と非常に小さ
い値である。光励起イオンはイオン化領域７にレーザが
照射される時のみ発生ずる。実効光照射時間が上記のよ
うに非常に小さいと感度を得る点で不利である。また、
一般にレーザの共振条件を変化させることによりパルス
幅を長くさせ実効光照射時間を拡大することができるが
、この場合にはレーザの発生効率が悪くなるため、十分
なレーザ強度をとることができない問題点があって、従
来例では感度を高めることが困難であった。

本発明は、上記課題を解決するために創案されたもので
、光イオン化効率の拡大、および光照射時間の拡大を行
って、光励起イオン検出の高感度化を図ることができる
光イオン化質量分析装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するための本発明の光イオン化質量分
析装置の構成は、被分析物である試料の表面にイオンビームまたは第１の
レーザビームを照射し、それによって上記試料から放出
される中性粒子に第２のレーザビームを照射して、上記
中性粒子をイオン化した光励起イオンを発生させ、上記
光励起イオンの質量を質量分析手段により分析する光イ
オン化質量分析装置において、上記中性粒子を上記第２
のレーザビームによりイオン化する領域を上記第２のレ
ーザビームを発生させる共振器ミラーの一方とレーザ媒
質との間に設置し、上記第２のレーザビームを発生さ仕
る２枚の共振器ミラーを全反射ミラーとすることを特徴
とする。

また、他の（Ｒ成として、上記構成において、上記中性
粒子が上記第２のレーザビームによりイオン化される領
域と上記レーザ媒質との間に半透過ミラー、または、全
透過窓を設置することを特徴とする。

［作用］本発明は、中性粒子のイオン化領域を第２のレーザビー
ムの２枚の共振器ミラー間に即ち共振器内部に設置する
ことにより、共振器内部で発生する最強強度の第２のレ
ーザビームでイオン化して光イオン化効率を向上させる
。また、共振器外部にレーザ光を放出する必要がないの
で、共振器ミラーを両方とも全反射ミラーとし、レーザ
エネルギの低下を防ぐことによりレーザパスル幅の拡大
を可能にして光照射時間を拡大できるようにする。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例を示す光イオン化質量分
析装置の装置構成図である。１は被分析物である試料５
のスパッタ手段である一層イオン発生装置であり、−次
イオン発生装９１より発生した一層イオンビーム２を収
束レンズ３を用いて収束した後、電極４によりパルス化
して試料５表面を衝撃する。−次イオンビーム２の衝撃
により中性粒子６がイオン化領域７に飛び出す。本実施
例では、このイオン化領域７をイオン化のレーザ光源で
あるレーザ共振器内部に設置する。即ち、レーザ媒質１
８の一端と全反射ミラー１９とでイオン化領域７をはさ
むように設置する。レーザ媒質１８の他端側にはもう一
つの全反射ミラーを対向させて配置し、これらの全反射
ミラー１７．レーザ媒質１Ｂ、全反射ミラー１９により
レーザ共振器を形成する。このレーザ共振器内部の全反
射ミラー１７．１９の間で発生する紫外レーザビーム２
０により、中性粒子６は光イオン化された光励起イオン
！２となる。中性粒子６の密度は十分に小さいため、中
性粒子６の存在によるレーザ共振への妨害は無い。発生
した光励起イオン１２は引き出し電極１３と収束レンズ
１４により質量分析計１５に引き出され、イオン検出器
１６で分析される。

以上のように構成した第１の実施例の作用を述べる。中
性粒子をイオン化するための従来のレーザ共振器におい
ては、一方のミラーを全反射とし他方を半透過ミラーと
し、この半透過ミラーから放出される共振器内部で発生
するレーザの一部をイオン化のレーザビームとして利用
している。この方法では、共振器内部で発生する最高強
度のレーザをイオン化領域に照射することはできなかっ
た・また、−度外部に放出されイオン化領域を通過した
レーザビームは、まだ光イオン化を行う能力があるにも
係わらず再び利用することもできなかった。これに対し
、本実施例では、イオン化領域７がレーザ共振器の内部
に設置されるので、最高強度のレーザをイオン化領域７
に照射することが可能となる。しかも、紫外レーザビー
ム２０は外部へ放出する必要性がなくなるため、共振用
のミラー１７．１９は全反射ミラーとすることができ、
より一層強度を向上させることができる。即ち、紫外レ
ーザビーム２０は、完全反射に近い反射率を持ったミラ
ー１７と、ミラー１９との間で共振を繰り返すが、中性
粒子６をイオン化することによるレーザ強度の減衰はほ
とんどないため、ミラー１７．１９やレーザ媒質１８に
よる吸収によりレーザ強度が減衰するまで、紫外レーザ
ビーム２０はイオン化領域７を通過する。例えば、ミラ
ー１７．１９間の距離を２ｍ程度にすると、パルス幅１
０ｎｓｅｃ程度の光は重なりあい、その結果、イオン化
領域７を通過するレーザビーム２０の強度は向上するこ
とになり、光イオン化効率が向上して感度が向上できる
。

第２図（ａ）、（ｂ）は、本実施例の効果を示すための
本実施例によるレーザパルス（ａ）と従来例によるレー
ザパルス（ｂ）を表わす図である。

従来例ではレーザが放射されることによるエネルギの損
失が激しいために時間を追って急速にパルス強度が減衰
するのに対し、本実施例では、外部ヘレーザが放射され
ないのでエネルギの損失はミラー１７．１９やレーザ媒
質１８等の吸収のみであるため、減衰の程度が小さい。

これにより、パルス幅を拡大することができ、実効光照
射時間を拡大することができる。即ち、光励起イオン１
２の量を向上させてそ、の検出を高感度化することがで
きる。

第３図は本発明の第２の実施例を示す部分構成図である
。本実施例は、基本的には第Ｉの実施例と同様に構成す
るが、レーザ共振器を構成する２つの全反射ミラーを適
当な曲ギを持つ球面ミラー２１．２３の組み合せとする
点で相違する。本実施例では、この球面ミラー２１．２
３の組み合せにより、レーザ媒質２３と球面ミラー２１
．２２の間で発振するレーザビーム２４を光イオン化領
域７において集光させる。このレーザビーム２４の集光
によって、光イオン化領域７での光子密度を向上させる
ことができる。これにより、試料５からスパッタされる
中性粒子６の光イオン化効率を向上させ、より高感度な
測定を行うことができるようにする。

第４図は本発明の第３の実施例を示す部分構成図である
。本実施例も基本的には第１の実施例と同様に構成する
が、イオン化領域７が真空であるため、真空にできない
レーザ媒質２５を用いる場合に対応したものである。こ
の場合には、試料５からスパッタされる中性粒子６のイ
オン化領域７とレーザ媒質２５間を仕切るものとして、
イオン化領域７とレーザ媒質２５の間に光透過窓２６を
設置すれば良い。この光透過窓２６は、レーザの大部分
を透過させる全透過窓を用いても、半透過ミラーを用い
ても良い。その理由は、いずれの場合でも、全反射ミラ
ー２７．２８間からレーザビーム２９は外部に放出され
ないため、光透過窓２６、全反射ミラー２７間と光透過
窓２６、全反射ミラー２８間のレーザ強度は同一になる
ためである。本実施例は、光透過窓２６の光吸収がある
ためやや劣るが第１の実施例の構成とほぼ同等の効果を
得ることができる。

なお、第１の実施例に示す試料のスパッタ手段である一
層イオン発生装置は、レーザ発振器であっても良い。こ
のように、本発明はその主旨に沿って種々に応用され、
種々の実施態様を取り得るものである。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、本発明の光イオン質量分
析装置によれば、スパッタにより試料から飛び出した中
性粒子を光イオン化する紫外レーザの強度およびパルス
幅を広げることが可能となるから、中性粒子の光イオン
化効率を上げ、光イオン化質量分析法における分ピ感度
の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す装置構成図、第２
図（ａ）、（ｂ）は本実施例の効果を示す本実施例と従
来例のレーザパルスを表わす図、第３図は本発明の第２
の実施例を示す部分構成図、第４図は本発明の第３実施
例を示す部分構成図、第５図は従来例の原理的な構成図
である。！・・・−次イオン発生装置、２・・・−次イオンビー
ム、３・・・収束レンズ、４・・・電極、５・・・試料
、６・・・中性粒子、７・・・イオン化領域、１２・・
・光励起イオン、１３・・・引き出し電極、１４・・・
収束レンズ、１５・・・質量分析計、１６・・・イオン
検出器、１７・・・全反射ミラー　１８・・・レーザ媒
質、１９・・・全反射ミラー、２０・・・紫外レーザビ
ーム、２１・・・球面ミラー、２２・・・球面ミラー、
２３・・・レーザ媒質、２４・・・紫外レーザビーム、
２５・・・レーザ媒質、２６・・・光透過窓、２７・・
・全反射ミラー、２８・・・全反射ミラー、２９・・・
紫外レーザビーム。第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被分析物である試料の表面にイオンビームまたは
第１のレーザビームを照射し、それによって上記試料か
ら放出される中性粒子に第２のレーザビームを照射して
、上記中性粒子をイオン化した光励起イオンを発生させ
、上記光励起イオンの質量を質量分析手段により分析す
る光イオン化質量分析装置において、上記中性粒子を上記第２のレーザビームによりイオン化
する領域を上記第２のレーザビームを発生させる共振器
ミラーの一方とレーザ媒質との間に設置し、上記第２のレーザビームを発生させる２枚の共振器ミラ
ーを全反射ミラーとすることを特徴とする光イオン化質
量分析装置。
（２）請求項１記載の光イオン化質量分析装置において
、上記中性粒子が上記第２のレーザビームによりイオン化
される領域と上記レーザ媒質との間に半透過ミラー、ま
たは、全透過窓を設置することを特徴とする光イオン化
質量分析装置。