离子生成装置以及离子迁移率分析装置的制作方法

1.本发明涉及离子生成装置和离子迁移率分析装置。


背景技术：

2.电子发射元件是能够放出低能量电子的离子源，通过所放出的低能量电子的附着，能够使对象的物质负离子化。已知有利用这样的电子发射元件的离子发生装置(例如，参照专利文献1)。在该离子发生装置中，为了产生正离子，在针电极与平板电极之间施加高电压的电压而产生电晕放电。现有技术文献专利文献
3.专利文献1：日本特开2013-214443号公报


技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题
4.由于在从电子发射元件发射的低能量电子的附着中不生成正离子，因此在用作需要负离子化和正离子化这两者的分析装置(例如离子迁移率谱仪(ims，ion mobility spectrometry)等)的离子源的情况下，需要与能够正离子化的离子源(例如放射线源、电晕放电、uv光源等)组合，存在装置大型化的课题。本发明是鉴于这样的情况而完成的，提供能够使用电子发射元件生成正离子的离子生成装置。用于解决技术问题的技术方案
5.本发明提供一种离子生成装置，其具备：电子发射元件、对置电极以及控制部，所述电子发射元件包括：下部电极；表面电极；以及配置于所述下部电极与所述表面电极之间的中间层，所述对置电极以与所述表面电极相对的方式配置，所述控制部设置成：对所述表面电极、所述下部电极或者所述对置电极施加电压，使得在生成正离子的正离子模式下，所述表面电极的电位高于所述下部电极的电位以及所述对置电极的电位。有益效果
6.控制部对表面电极或者下部电极施加电压，以使表面电极的电位高于下部电极的电位，从而电子从下部电极向表面电极流动，从表面电极发射电子。此外，通过充分增大表面电极与下部电极之间的电位差，能够使从表面电极发射的电子具有比第一气体成分的电离能更高的能量，能够使表面电极附近的第一气体成分正离子化。控制部对表面电极或对置电极施加电压，使得表面电极的电位比对置电极的电位高，由此在表面电极附近生成的正离子能够向对置电极移动。由此，能够抑制在表面电极附近正离子被回收到表面电极、从电子发射元件发射的电子等附着于正离子而使正离子中性化，能够将在表面电极与对置电极之间移动的正离子用作分析对象等。此外，生成的正离子能够向第二气体成分传输正电荷，对第二气体成分进行正离子化。
附图说明
7.图1是本发明的一实施方式的离子生成装置的概要截面图。图2是本发明的一实施方式的离子生成装置的概要截面图。图3是本发明的一实施方式的离子迀移率分析装置的概略截面图。图4是本发明的一实施方式的离子迀移率分析装置的概略截面图。图5是本发明的一实施方式的离子迀移率分析装置的概略截面图。图6是本发明的一实施方式的离子迀移率分析装置的概略截面图。图7是利用正离子检测实验测定的ims光谱。图8是利用正离子检测实验测定的ims光谱。图9是利用正离子检测实验测定的ims光谱。图10是利用负离子检测实验测定的ims光谱。图11是利用负离子检测实验测定的ims光谱。图12是利用负离子检测实验测定的ims光谱。图13是利用乙醇分析实验测定的ims光谱。
具体实施方式
8.本发明的离子生成装置具备电子发射元件、对置电极和控制部，所述电子发射元件具备：下部电极、表面电极、以及配置在所述下部电极和所述表面电极之间的中间层，所述对置电极以与所述表面电极相对的方式配置，所述控制部对所述表面电极、所述下部电极和所述对置电极施加电压，使得在生成正离子的正离子模式下所述表面电极的电位比所述下部电极的电位和所述对置电极的电位更高。
9.所述控制部优选设置为在下部电极与表面电极之间施加电压，以使在正离子模式下，比表面电极与对置电极之间的气体成分的电离能更高的能量的电子从电子发射元件发射。通过该发射的电子与表面电极附近的气体成分碰撞，能够从气体成分中去除1个电子，能够生成气体成分的正离子。所述控制部优选设置成在正离子模式下向下部电极与表面电极之间施加16v以上且60v以下的电压。由此，能够在表面电极与对置电极之间生成正离子。
10.所述控制部设置成：对表面电极、下部电极或对置电极施加电压，使得在生成负离子的负离子模式下，表面电极的电位高于下部电极的电位且低于对置电极的电位。此外，所述控制部优选设置为能够切换负离子模式和正离子模式。由此，能够使用离子生成装置生成负离子和正离子两者。所述控制部优选设置为，在负离子模式下向下部电极与表面电极之间施加6v以上且60v以下的电压。由此，能够在表面电极与对置电极之间生成负离子。
11.本发明还提供具备本发明的离子生成装置、离子检测器和电场形成用电极的离子迁移率分析装置。所述离子检测器和所述控制部被设置成：对通过所述离子检测器从离子接受电荷而产生的电流进行测定并输出ims光谱。所述控制部优选设置为调节在下部电极与表面电极之间施加的电压，以使ims光谱中出现的基准峰值为规定的高度或者规定的面积。由此，能够基于ims光谱的峰面积或者峰高度对试样气体进行定量分析。
12.所述控制部优选设置为调节在下部电极与表面电极之间施加的电压，以使正离子模式下的ims光谱中出现的第一基准峰的高度或面积与负离子模式下的ims光谱中出现的第二基准峰的高度或面积实质上相同。由此，能够使用正离子模式下的ims光谱中出现的峰
和负离子模式下的ims光谱中出现的峰，进行定性分析、定量分析。所述控制部优选在切换负离子模式和正离子模式时，将表面电极的电位变更为极性相反且绝对值实质上相等的电位，将下部电极的电位变更为极性相反且绝对值不同的电位。由此，能够在将离子集电极的电位维持为0v的状态下切换负离子模式和正离子模式。此外，通过将下部电极的电位变更为极性相反且绝对值不同的电位，能够防止电子不会从电子发射元件发射。
13.以下，参照多个实施方式对本发明进行更详细的说明。附图、以下的描述中示出的构成是例示，本发明的范围并不限定于附图、以下的描述中示出的内容。
14.第一实施方式图1是正离子模式的离子生成装置的概略截面图，图2是负离子模式的离子生成装置的概略截面图。本实施方式的离子生成装置30具备电子发射元件2、对置电极6以及控制部7。电子发射元件2具备下部电极3、表面电极5以及配置于下部电极3与表面电极5之间的中间层4。对置电极6与表面电极5相对配置。控制部7设置成对表面电极5、下部电极3或对置电极6施加电压，使得在生成正离子的正离子模式下，表面电极5的电位比下部电极3的电位及对置电极6的电位高。
15.离子生成装置30是在表面电极5与对置电极6之间的空间(空气中、气体中、减压气氛中等)生成离子的装置。离子生成装置30具有生成正离子的正离子模式。此外，离子生成装置30可以具有生成负离子的负离子模式。此外，离子生成装置30能够设置成能够切换正离子模式和负离子模式。离子生成装置30也可以组装到离子迁移率分析装置中。
16.电子发射元件2是从表面电极5的电子发射区域向空气中、气体中、减压气氛中等发射电子的元件。电子发射元件2具有下部电极3、表面电极5、配置在下部电极3与表面电极5之间的中间层4。此外，电子发射元件2可以具有限定电子发射区域的绝缘层。
17.下部电极3是位于中间层4的下侧的电极。下部电极3可以是金属基板，也可以是设在绝缘性基板(或半导体基板)上的导电材料层(金属层、导电体层等)。在下部电极3由金属基板构成的情况下，下部电极3例如是铝板、不锈钢板、镍板等。下部电极3的厚度优选为200μm以上且1mm以下。在下部电极3为导电材料层而设置在绝缘性基板(或半导体基板)上的情况下，基板例如为玻璃基板、树脂基板、陶瓷基板等。基板的厚度优选为200μm以上且2mm以下。
18.在下部电极3为导电材料层的情况下，下部电极3例如能够通过溅射法、蒸镀法、电镀、cvd法等形成在基板上。下部电极3既可以是单层电极，也可以是层叠电极。下部电极3例如可以包含铝层、金层、铜层等。此外，下部电极3也可以是mo/al/mo层叠电极。下部电极3的厚度优选为200nm以上且1μm以下。
19.绝缘层是由设在下部电极3上的绝缘体构成的层。例如，当下部电极3是铝基板时，绝缘层也可以是铝基板的氧化膜。例如，在基板上设置下部电极3的情况下，绝缘层例如为氮化硅层(sin层)、氧化硅层(sio2层)、氮氧化硅膜(sion膜)、氧化铝层(al2o3)等。绝缘层的厚度优选为0.5μm以上且2μm以下。绝缘层可以使用例如光刻法、溅射或者cvd法形成。
20.绝缘层具有成为电子发射区域的开口。电子发射区域是通过在下部电极3和表面电极5之间产生的不均匀电场，使电子从下部电极3朝向表面电极5在中间层4中流动而从表面电极5向外部发射电子的区域。在该开口中设置有中间层4。由此，能够仅在与开口重叠的中间层4的区域流过电流，能够从与绝缘层的开口重叠的表面电极5的区域发射电子。因此，
能够通过绝缘层的开口来确定电子发射区域。
21.中间层4设置在下部电极3上。中间层4是通过由表面电极5和下部电极3的电位差形成的不均匀电场使电流流动的层。中间层4例如为以分散状态具有导电性微粒的绝缘性树脂层。中间层4中包含的导电性微粒可以使用例如金、银、铂或钯这样的具有导电性的金属粒子。此外，作为金属粒子以外的导电性材料，也可以使用碳、导电性高分子和/或半导电性材料。中间层4所含有的绝缘性树脂例如是将硅烷醇(r
3-si-oh)缩聚而成的硅酮树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚酯等。导电性微粒分散于绝缘性树脂中，但导电性微粒的一部分也可以凝聚。在中间层4中，导电性微粒的含量可以适当变更。通过改变导电性微粒的含量，能够调整中间层的电阻值。
22.中间层4的厚度没有特别限定，优选为0.5μm以上且2.0μm以下，更优选为0.75μm以上且1.5μm以下。由此，在下部电极3与表面电极5之间施加比较低的电压，能够使电子从电子发射元件2发射，并且，能够提高电子发射元件2的寿命特性。
23.中间层4例如通过旋涂法、刮刀法、喷涂法或浸渍法这样的涂布方法形成。说明中间层4的制作方法的一个例子。首先，将作为树脂的硅树脂3g和作为导电性微粒的ag纳米粒子0.03g放入试剂瓶中并混合。其结果，调制硅树脂与ag纳米粒子的混合液。接着，使用超声波振动器，进一步搅拌装入试剂瓶的混合液，从而调制涂布液。涂布液的粘度优选为0.8～15mpa
·
s。涂布液中的树脂成分比率优选为10～70wt％左右。涂布液涂布在下部电极3上后，通过大气中的湿气进行缩聚而成为硅树脂，形成中间层4。
24.表面电极5是位于电子发射元件2的表面的电极，配置在中间层4上以及绝缘层上。表面电极5例如是由au层构成的单层电极、由pt层构成的单层电极、或由au层和pt层构成的层叠电极。表面电极5可以具有5nm以上且100nm以下，优选为40nm以上且100nm以下的厚度。此外，表面电极5的材质例如为金、铂等金属材料、半导体、ito(indium tin oxide：铟锡氧化物)、碳等导电性高的多个导电性材料，以整体上防止过度的破坏。此外，表面电极5也可以由多个金属层构成。
25.即使在表面电极5的厚度为40nm以上的情况下，表面电极5也可以具有多个开口、间隙和/或厚度变薄至10nm以下的部分。从中间层4流出的电子能够通过或透射该开口、间隙和/或变薄的部分，能够从表面电极5释发射电子。通过对构成表面电极5的金属实施伴随一般的图案化处理的薄膜形成处理(溅射法、蒸镀法)而形成这样的开口、间隙和/或变薄的部分。此外，通过从表面电极5发射的电子，生成正离子或负离子。
26.对置电极6是用于在电子发射元件2的表面电极5与对置电极6之间形成电场的电极。通过该电场，能够抑制在表面电极5的附近生成的正离子或负离子向对置电极6移动，正离子或负离子中性化。对置电极6配置为与表面电极5相对。对置电极6既可以是金属板，也可以是金属层，还可以是导电体层，还可以是金属网电极。
27.控制部7是用于控制离子生成装置30的部分。此外，控制部7也可以是用于控制组装有离子生成装置30的装置(例如，离子迁移率分析装置)的部分。控制部7例如能够包括具有cpu、存储器、计时器、输入输出端口等的微型控制器。此外，控制部7可以包括电源部、电位控制电路等。
28.控制部7能够控制离子生成装置30以在表面电极5与对置电极6之间的空间生成正离子(正离子模式)。控制部7对表面电极5或者下部电极3施加电压，以使在正离子模式下，
表面电极5的电位比下部电极3的电位高。由此，电子从下部电极3向表面电极5流动，从表面电极5的电子发射区域释发射电子。此外，控制部7能够在下部电极3与表面电极5之间施加电压，以使在正离子模式下比表面电极5与对置电极6之间的气体成分的电离能更高的能量的电子从电子发射元件2发射。通过发射的电子与表面电极5附近的气体成分碰撞，能够从气体成分中去除1个电子，能够生成气体成分的正离子。
29.在场致电子发射的情况下，考虑从下部电极3与表面电极5之间施加的电压x(v)(元件驱动电压)减去表面电极5的金的功函数(5.3ev)而得的值(x-5.3)ev成为放射电子的最大能量。
30.例如在表面电极5与对置电极6之间存在空气的情况下，控制部7在下部电极3与表面电极5之间施加电压x(v)，使得比氮气的电离能、氧气的电离能、水的电离能、氩的电离能或者二氧化碳的电离能更高的能量的电子从电子发射元件2发射。例如，在由于从电子发射元件2发射的电子在表面电极5的附近生成水的正离子(例如，h3o

)的情况下，水的电离能为12.6ev，因此，在下部电极3与表面电极5之间施加高于(12.6 5.3)＝17.9v的电压。
31.例如，在表面电极5与对置电极6之间存在氨，通过发射电子在表面电极5的附近生成氨离子(正离子)的情况下，控制部7在下部电极3与表面电极5之间施加电压x(v)，以使得比氨的电离能更高的能量的电子被从电子发射元件2发射。由于氨的电离能为10.1ev，因此在下部电极3和表面电极5之间施加比(10.1 5.3)＝15.4v更高的电压。因此，在正离子模式下，施加在下部电极3和表面电极5之间的电压可以为16v以上且60v以下，优选为20v以上且40v以下。
32.此外，离子生成装置30也可以通过彭宁离子化来生成正离子。在该情况下，以在表面电极5的附近存在中性的原子或分子(例如he)的方式构成离子生成装置30。通过从电子发射元件2的表面电极5向中性的原子或分子发射电子而成为准稳定的激发状态，通过与对象物质碰撞而引起离子化。a* b
→
a b

e-，这里，a*是a的电子激发状态，b是原子或分子，e-是电子。例如，在使用he作为用于彭宁离子化的中性原子的情况下，优选从电子发射元件发射的电子的能量为20v以上。
33.控制部7对表面电极5或对置电极6施加电压，以使在正离子模式下，表面电极5的电位比对置电极6的电位更高。通过施加该电压而产生的电场，在表面电极5的附近生成的正离子向对置电极6移动，由发射电子生成的负离子和发射电子向表面电极5移动。因此，能够将正离子与负离子和电子分离，能够抑制正离子中性化。其结果，能够在表面电极5与对置电极6之间的空间生成正离子。此外，正离子能够向其它气体成分传递正电荷，也生成其它气体成分的正离子。
34.例如，如图1所示，将表面电极5接地连接为0v，通过电源部12(控制部7)向下部电极3和对置电极6施加电压使下部电极3为-20v，使对置电极6为-500v。这种情况下，电子从下部电极3向表面电极5流动，从表面电极5发射。发射电子与表面电极5附近的气体分子(或气体原子)x碰撞(电子碰撞)，生成x

。此外，通过表面电极5与对置电极6之间的电场，x

朝向对置电极6移动，电子向表面电极5流动。
35.控制部7能够控制离子生成装置30以在表面电极5与对置电极6之间的空间生成负离子(负离子模式)。控制部7对表面电极5或者下部电极3施加电压，以使在负离子模式下，表面电极5的电位比下部电极3的电位更高。由此，电子从下部电极3向表面电极5流动，从表
面电极5的电子发射区域发射电子。在负离子模式下，施加在下部电极3和表面电极5之间的电压(元件驱动电压)可以为6v以上且60v以下，优选为10v以上且20v以下。通过使在下部电极3与表面电极5之间施加的电压使电子加速时电子得到的能量比金的功函数大，能够从表面电极5的电子发射区域发射电子。发射电子附着(电子附着现象(非解离性电子附着、解离性电子附着))在表面电极5附近的气体分子(或气体原子)上，生成气体分子的负离子(或气体原子的负离子)。
36.控制部7对表面电极5或对置电极6施加电压，使得负离子模式下表面电极5的电位比对置电极6的电位更低。通过施加该电压而产生的电场，在表面电极5的附近生成的负离子向对置电极6移动。由此，能够在表面电极5与对置电极6之间的空间生成负离子。此外，负离子能够向其它气体成分传递负电荷，也生成其它气体成分的负离子。另外，在负离子模式中，即使在表面电极5的附近生成了正离子，也通过电场朝向表面电极5移动，因此认为发射电子附着于正离子而使正离子中性化。
37.例如，如图2所示，将表面电极5连接到地，设为0v，通过电源部12(控制部7)对下部电极3和对置电极6施加电压，使下部电极3为-20v，使对置电极6为 500v。这种情况下，电子从下部电极3向表面电极5流动，从表面电极5发射。发射电子附着在表面电极5附近的气体分子(或气体原子)x上，生成x-。此外，通过表面电极5与对置电极6之间的电场，x-朝向对置电极6移动。
38.控制部7能够设置成能够切换正离子模式和负离子模式。由此，能够使用一个电子发射元件2生成正离子和负离子。控制部7通过改变向下部电极3、表面电极5或对置电极6施加的电压，能够切换正离子模式和负离子模式。
39.第二实施方式第二实施方式涉及组装有第一实施方式的离子生成装置30的漂移管式离子迀移率分析装置。第一实施方式中说明的控制部7成为用于控制第二实施方式的离子迁移率分析装置的部分。此外，在离子生成装置30为正离子模式的情况下，离子迁移率分析装置也为正离子模式，在离子生成装置30为负离子模式的情况下，离子迁移率分析装置也为负离子模式。此外，离子迁移率分析装置能够设置成能够切换正离子模式和负离子模式。
40.图3是正离子模式的离子迀移率分析装置的概略截面图，图4是负离子模式的离子迀移率分析装置的概略截面图。本实施方式的离子迁移率分析装置40具备离子生成装置30、离子检测器8、和电场形成用电极10a～10h(10)，离子检测器8及控制部7设置成测定通过离子检测器8从离子接受电荷而产生的电流并输出ims光谱。此外，在离子迁移率分析装置40中，栅极17成为对置电极6。
41.离子迁移率分析装置40是通过离子迁移率谱仪(ims)分析试样气体的装置。离子迁移率分析装置40具有：反应室21(电子发射元件2与栅极17(对置电极6)之间)，其用于使与载气一起导入壳体20内的试样气体离子化；以及漂移区域22(栅极17与离子集电极电极9之间)，其用于使在反应室21生成的离子(正离子或负离子)朝向离子集电极电极9(离子检测器8)移动而分离。漂移区域22是由多个环状的电场形成用电极10a～10h形成电位梯度(电场)的区域，离子通过该电位梯度从栅极17向离子集电极电极9移动。反应室21和漂移区域22被栅极17(栅格电极)隔开。此外，在反应室21的与栅极17相反的一端，以表面电极5位于反应室21侧的方式配置有电子发射元件2。因此，栅极17作为电子发射元件2的对置电极6
发挥功能。此外，在漂移区域22的与栅极17相反的端部配置有离子集电极电极9。
42.当试样气体从试样入口与载气一起进入反应室21时，试样气体通过电子发射元件2与栅极17之间的反应室21，通过从电子发射元件2发射的电子引起的电荷被离子化。载气和未离子化的气体等与漂移气体一起通过配置于反应室21的侧面的排气口排出。此外，从离子集电极电极9侧的漂移气体入口除去干燥气体等杂质后的漂移气体导入到离子迁移率分析装置40的壳体20内，使漂移区域22从离子集电极电极9侧向栅极17侧流动，流入反应室21，与载气一起从排气口排出。漂移气体优选为干燥氮气或通过干燥剂的空气。此外，为了削减漂移气体的杂质，优选在导入漂移气体前通过过滤器。
43.由于在第一实施方式中说明了电子发射元件2的构成，因此在此省略。在离子生成装置30以及离子迁移率分析装置40为正离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13、电源部12)对下部电极3、表面电极5或者栅极17施加电压，以使表面电极5的电位比下部电极3的电位以及栅极17的电位更高。这样施加电压时，如在第一实施方式中说明的那样，在表面电极5的附近生成的正离子x

向栅极17并在反应室21中移动。此外，如图3所示，由于向反应室21供给试样气体y，因此正电荷从由发射电子生成的正离子x

转移到试样气体y，试样气体正离子化。然后，朝向栅极17(对置电极6)引导试样气体的正离子y

。
44.在离子生成装置30和离子迁移率分析装置40为负离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13、电源部12)向下部电极3、表面电极5或栅极17施加电压，使得表面电极5的电位比下部电极3的电位更高，表面电极5的电位比栅极17的电位更低。这样施加电压时，如在第一实施方式中说明的那样，在表面电极5的附近生成的负离子x-向栅极17并在反应室21中移动。此外，如图4所示，由于向反应室21供给试样气体，因此从由发射电子生成的负离子x-向试样气体y转移负的电荷，试样气体负离子化。然后，朝向栅极17(对置电极6)引导试样气体的负离子y-。
45.栅极17是隔开反应室21和漂移区域22的电极，是利用离子和栅极17的静电相互作用来控制在反应室21中生成的正离子或负离子向漂移区域22的注入的电极。此外，栅极17也作为对置电极6(感应电极)发挥功能。栅极17可以是环状电极，也可以是栅格电极，也可以是在环状电极的开口设置有栅格电极的电极。栅极17优选为栅格电极。栅极17能够与在漂移区域22形成电位梯度(电场)的多个环状的电场形成用电极10a～10h共同排成一列而配置。
46.在离子生成装置30和离子迁移率分析装置40为正离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13)向电场形成用电极10a～10h施加电压，使得漂移区域22的电位随着接近离子集电极9而电位逐渐降低。通过由该电压施加产生的电场，通过了栅极17的正离子能够在漂移区域22向离子集电极电极9移动。例如，如图3所示，可以使离子集电极电极9的电位为0v，使栅极17的电位(开路时)为 2500v，使表面电极5的电位为 3000v，使下部电极3的电位为 2980v。
47.在离子生成装置30和离子迁移率分析装置40为负离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13)对电场形成用电极10a～10h施加电压，使得漂移区域22的电位随着接近离子集电极9而电位逐渐变高。通过由该电压施加产生的电场，通过了栅极17的负离子能够将漂移区域22向离子集电极电极9移动。例如，如图4所示，可以使离子集电极电极9的电位为0v，使栅极17的电位(开路时)为-2500v，使表面电极5的电位为-3000v，使下部电极3的电位
为-3020v。
48.栅极17可以与控制部7(电位控制电路13、电源部12)电连接，控制部7控制栅极17的电位，使栅极17的电位变化，能够切换栅极17的开路状态和闭合状态。
49.例如，在栅极17的电位低的情况下，反应室21的负离子由于静电相互作用而不能接近栅极17(负离子作用有从栅极17排斥的方向的力)，不能通过栅极17。此外，在栅极17的电位低的情况下，反应室21的正离子以被栅极17吸引的方式移动并接触，从而正离子的电荷向栅极17移动，正离子中性化。因此，正离子不能通过栅极17。因此，栅极17成为闭合(低电位侧闭合)。
50.例如，在栅极17的电位高的情况下，反应室21的负离子以被栅极17吸引的方式移动并接触，由此，负离子的电荷向栅极17移动，负离子中性化。因此，负离子无法通过栅极13。此外，在栅极17的电位高的情况下，反应室21的正离子由于静电相互作用而不能接近栅极17(正离子作用有从栅极17排斥的方向的力)，不能通过栅极17。因此，栅极17成为闭合(高电位侧闭合)。例如，在栅极17的电位处于低电位侧闭合与高电位侧闭合的中间的情况下，反应室21的正离子或负离子能够通过栅极17，栅极17成为开路。
51.若使用控制部7(电位控制电路13)使栅极17的电位变化，以使栅极17瞬间变化为高电位侧闭合
→
开路
→
低电位侧闭合，或者使栅极17瞬间变化为低电位侧闭合
→
开路
→
高电位侧闭合，则能够使栅极17仅打开极短的时间，能够将反应室21的负离子或者正离子仅在该短的时间注入漂移区域22。因此，能够将反应室21的负离子或者正离子以单发脉冲状注入到漂移区域22中。
52.通过栅极17注入到漂移区22中的负离子或正离子，通过由电场形成用电极10a～10h形成的电位梯度，使漂移区22向离子集电极9移动，并到达离子集电极9。而且，负离子或者正离子向离子集电极9交接电荷而中性化。此外，离子检测器8(检测电路15)及控制部7测定通过离子集电极电极9接收电荷而产生的电流，并作为ims光谱输出。具体而言，通过以从瞬间打开栅极17至离子到达离子集电极电极9为止的离子的飞行时间为横轴，以信号强度(电流量、ims强度)为纵轴进行绘制，从而得到离子迁移率光谱(ims光谱)。在离子迁移率分析装置40为正离子模式的情况下，正离子到达离子集电极电极9，将正的电荷传递给离子集电极电极9。此外，在离子迁移率分析装置40为负离子模式的情况下，负离子到达离子集电极电极9，将负的电荷传递给离子集电极电极9。因此，在正离子模式和负离子模式中，流过检测电路15的电流的方向相反。因此，在切换正离子模式和负离子模式时，切换离子检测器8(检测电路15)的正负极性。
53.在漂移区域22中从离子集电极电极9向栅极17流动的漂移气体成为从栅极17向离子集电极电极9移动的正离子或负离子的电阻。该电阻的大小(离子的迁移率)根据离子种类而不同。一般而言，迁移率与离子的碰撞截面积成反比，因此，离子的碰撞截面积越大，离子到达离子集电极电极9所花费的时间越长。因此，从利用栅极17注入到漂移区域22之后至到达离子集电极电极9为止的时间(移动时间、峰值位置)根据离子种类而不同。因此，从栅极17注入到漂移区域22中的多种离子在漂移区域22移动的期间被分离，以时间差到达离子集电极电极9。
54.ims光谱的ims强度(回收电流)与到达了离子集电极电极9的离子量对应，所以在ims光谱中出现与各种离子对应的峰值。而且，能够基于峰值位置(移动时间)来确定离子。
此外，通过反复进行测定，能够监视离子的量的变化。此外，在ims光谱中出现的峰的峰强度(峰高度)或峰面积对应于离子的量。另外，在ims光谱中还出现由作为载气的空气生成的离子的峰值。此外，控制部7也可以对通过重复测定而得到的多个ims光谱进行累计平均化，计算平均ims光谱(平均化处理)。由此，能够得到稳定的ims光谱。平均化的ims光谱的数量没有特别限定，优选为10以上且200以下。例如，1次的测定所需的时间为0.1秒的情况下，控制部7能够将重复64次测定而得到的ims光谱平均化而计算平均ims光谱。在该情况下，平均化处理所需的时间为6.4秒。
55.将试样气体导入反应室21后，以正离子模式以及负离子模式分别测定，由此对于1个试样，能够得到正离子模式下的ims光谱和负离子模式下的ims光谱两者。因此，通过切换正离子模式和负离子模式以两种模式进行分析，能够提高试样气体的分析精度。
56.控制部7能够设置为，在切换负离子模式和正离子模式时，将表面电极5的电位变更为极性相反且绝对值实质上相等的电位，将下部电极3的电位变更为极性相反且绝对值不同的电位。由此，能够在将离子集电极9的电位维持在0v的状态下切换负离子模式和正离子模式。此外，通过将下部电极3的电位变更为极性相反且绝对值不同的电位，能够抑制电子不再从电子发射元件2发射。此外，在切换负离子模式和正离子模式时，控制部7能够变更下部电极3的电位和表面电极5的电位，以使下部电极3的电位低于表面电极5的电位。因此，负离子模式下的下部电极3的电位的绝对值大于正离子模式下的下部电极3的电位的绝对值。例如，在负离子模式下，在下部电极3与表面电极5之间的电位差为15v，表面电极5的电位为-3000v的情况下，能够使下部电极3的电位为-3015v。例如，在正离子模式下的下部电极3与表面电极5之间的电位差为30v，表面电极5的电位为 3000v的情况下，能够使下部电极3的电位为 2970v。
57.此外，在正离子模式下，如果是具有空气的电离能以上的能量的电子，则空气离子的种类不变。因此，如果从检测到正离子的20v到元件损坏的60v，则通过调整元件驱动电压，能够提高灵敏度和分辨率。通过提高元件驱动电压，正离子的量增加，能够提高灵敏度。另一方面，通过降低元件驱动电压，峰值宽度变细，能够提高分辨率。在调整元件驱动电压时，能够不使表面电极5的电位变化而使下部电极3的电位变化。由此，能够维持表面电极5与栅极17(对置电极6)之间的电位差。在控制部7以对通过反复进行测定而得到的多个ims光谱进行累计平均化而计算平均ims光谱的方式设置的情况下，控制部7能够设置为在每次结束平均ims光谱的计算时切换负离子模式和正离子模式。由此，能够检测从包含在试样气体中的成分生成的负离子和正离子两者。例如，1次的测定所需的时间为0.1秒的情况下，控制部7能够将重复64次负离子模式下的测定而得到的ims光谱平均化而计算平均ims光谱。其后，控制部7将测定模式从负离子模式切换为正离子模式，将重复64次正离子模式下的测定而得到的ims光谱平均化，能够算出平均ims光谱。
58.控制部7(电位控制电路13、电源部12)可以设置为调节在下部电极3与表面电极5之间施加的电压，以使ims光谱中出现的基准峰(例如，空气离子的主峰)为规定的高度或者规定的面积。由此，能够基于ims光谱的峰面积或者峰高度对试样气体进行定量分析。
59.控制部7(电位控制电路13、电源部12)也可以设置为调节在下部电极3与表面电极5之间施加的电压，以使正离子模式下的ims光谱中出现的第一基准峰(例如，空气离子的主峰)的高度或面积与负离子模式下的ims光谱中出现的第二基准峰(例如，空气离子的主峰)
的高度或面积实质上相同。由此，能够使用正离子模式下的ims光谱中出现的峰和负离子模式下的ims光谱中出现的峰，进行定性分析、定量分析。此外，关于第一实施方式的离子生成装置的记载只要没有矛盾也适用于第二实施方式的离子迁移率分析装置中包含的离子生成装置。
60.第三实施方式第三实施方式涉及组装有第一实施方式的离子生成装置30的场非对称式离子迀移率分析装置(通过场非对称方式ims(faims)进行分析的分析装置)。第一实施方式中说明的控制部7成为用于控制第三实施方式的离子迁移率分析装置的部分。此外，在离子生成装置30为正离子模式的情况下，离子迁移率分析装置也为正离子模式，在离子生成装置30为负离子模式的情况下，离子迁移率分析装置也为负离子模式。此外，离子迁移率分析装置能够设置成能够切换正离子模式和负离子模式。
61.图5是正离子模式的离子迀移率分析装置的概略截面图，图6是负离子模式的离子迀移率分析装置的概略截面图。另外，正离子模式以及负离子模式的离子迁移率分析装置可以如图5那样具有两个离子集电极电极9a、9b，也可以如图6那样具有一个离子集电极电极9。本实施方式的离子迁移率分析装置40具备离子生成装置30、离子检测器8、和电场形成用电极10a、10b，离子检测器8及控制部7设置成测定通过离子检测器8从离子接受电荷而产生的电流并输出ims光谱。
62.在本实施方式的离子迁移率分析装置40中，使用在反应室21中第一实施方式中说明的离子生成器30，将载气中包含的试样气体离子化，使该离子与平行平板电极之间的场非对称离子移动部25(电场形成用电极10a与电场形成用电极10b之间的区域)与载气一起流通。然后，检测通过配置在场非对称离子移动部25的下游侧的离子集电极电极9a、9b、9(离子检测器8)使场非对称离子移动部25移动而来的负离子或者正离子。
63.作为载气优选清洁干燥空气。从试样入口导入的试样气体以及载气进入反应室21。反应室21是电子发射元件2的表面电极5与对置电极6之间的区域。电子发射元件2能够配置在壳体20的内壁上，对置电极6能够配置在与配置有电子发射元件2的内壁相对的内壁上。此外，对置电极6以与电子发射元件2的表面电极5相对的方式配置。由于在第一实施方式中说明了电子发射元件2的构成，因此在此省略。
64.在离子生成装置30以及离子迁移率分析装置40为正离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13、电源部12)对下部电极3、表面电极5或者对置电极6施加电压，以使表面电极5的电位比下部电极3的电位以及对置电极6的电位更高。这样施加电压时，如在第一实施方式中说明的那样，在表面电极5的附近生成的正离子x

朝向对置电极6并在反应室21中移动。此外，由于试样气体y与载气一起被供给到反应室21，如图5那样，正电荷从由发射电子生成的正离子x

转移到试样气体y，试样气体正离子化。然后，试样气体的正离子y

与载气一起向场非对称离子移动部25流动。此外，也可以利用反应室21与场非对称离子移动部25的电位差使试样气体的正离子y

向场非对称离子移动部25移动。
65.在离子生成装置30和离子迁移率分析装置40为负离子模式的情况下，控制部7(电位控制电路13、电源部12)对下部电极3、表面电极5或对置电极6施加电压，以使表面电极5的电位比下部电极3的电位更高，表面电极5的电位比对置电极6的电位更低。这样施加电压时，如在第一实施方式中说明的那样，在表面电极5的附近生成的负离子x-朝向对置电极6，
并在反应室21中移动。此外，由于向反应室21供给试样气体，因此如图6那样，负电荷从通过发射电子生成的负离子x-转移到试样气体y，试样气体负离子化。然后，试样气体的负离子y-与载气一起向场非对称离子移动部25流动。此外，也可以利用反应室21与场非对称离子移动部25的电位差使试样气体的负离子y-向场非对称离子移动部25移动。
66.场非对称离子移动部25是电场形成用电极10a与电场形成用电极10b之间的区域。电场形成用电极10a能够配置在壳体20的内壁上，电场形成用电极10b能够配置在与配置有电场形成用电极10a的内壁相对的内壁上。此外，能够将电场形成用电极10b配置为与电场形成用电极10a相对。
67.从反应室21向场非对称离子移动部25移动的试样气体的离子随着向电场形成用电极10a、10b施加分散电压(非对称的高频电压)而产生的电场的变化而摇摆，同时行进方向发生变化。此外，试样气体的离子迁移率的值取决于电场强度而变化。faims中的离子的分离基于高电场强度下的离子迁移率的变化。
68.分散电压在波形的一个周期内的时间平均为0。此外，电压在电极间为
±
数千v(
±
100～
±
2000v)左右，电场强度为
±
数万v/cm(
±
5000～
±
40000v/cm左右)，频率是数百khz到数mhz(100khz～3mhz)。此外，通过在电场形成用电极10a、10b之间施加分散电压和补偿电压(cv)，从而离子迁移率改变，行进的方向改变。因此，通过以时间扫描补偿电压(cv)，能够到达离子集电极电极9、9a、9b的离子种类发生变化(到达了电场形成用电极10a、10b的离子被中性化)。因此，通过利用离子检测器8测定ims强度(回收电流)，能够得到ims光谱。这样，能够分离、检测离子。
69.补偿电压(直流电压)是
±
100v左右的范围，作为电场强度是
±
2000v/cm的范围。电场形成用电极10a与电场形成用电极10b的间隔为数十μm到数mm(0.01～2mm)，电场形成用电极10a、10b的长度(场非对称离子移动部25的长度)为数百μm到数十mm(0.1～30mm)。到达了电场形成用电极10a、10b的离子被中性化。被中性化的物质与载气一起被排气，或者被储存于电场形成用电极10a、10b或者离子集电极电极9。为了除去该储存的物质，能够通过使不含有试样气体的气体(清洁干燥空气等)从试样入口、载气入口流动来除去。此外，流动的气体可以是高温。能够通过场非对称离子移动部25的离子通过离子检测器8来检测离子，中性的物质和载气从排气口排出。
70.在负离子模式下，能够使施加于电子发射元件2的下部电极3与表面电极5之间的电压为10v～18v，将对置电极6和离子检测器8的极性设定为正，能够测定容易负离子化的物质。在正离子模式下，能够使施加于电子发射元件2的下部电极3与表面电极5之间的电压为18v～50v，将对置电极6和离子检测器8的极性设定为负，能够测定容易正离子化的物质。离子迁移率分析装置40也可以切换负离子模式和正离子模式而在两种模式下分析同一试样气体。由此，对于一个试样气体，能够得到负离子模式下的ims光谱和正离子模式下的ims光谱两者，能够提高分析精度。
71.如图5所示的离子迁移率分析装置40那样，在离子检测器8具有负离子检测用的离子集电极电极9a和正离子检测用的离子集电极电极9b的情况下，即使在切换负离子模式和正离子模式的情况下，也不需要使离子检测器8的极性反转。如图6所示的离子迁移率分析装置40那样，在离子检测器8仅具有一个离子集电极电极9的情况下，若切换负离子模式和正离子模式，则使离子检测器8的极性反转。由此，控制部7能够输出负离子模式下的ims光
谱和正离子模式下的ims光谱。这样，通过将离子集电极电极9仅设为一个，能够使离子迁移率分析装置小型化。关于第一实施方式的离子生成装置的记载只要没有矛盾也适用于第三实施方式的离子迁移率分析装置中包含的离子生成装置。此外，关于第二实施方式的记载，只要没有矛盾也适用于第三实施方式。
72.正离子检测实验使用超声波振动器搅拌硅树脂3g和ag纳米微粒0.039g(1.3％)，调制了涂布液。在玻璃基板上的mam(钼、铝、钼)电极(下部电极)上，通过旋涂法涂布该涂布液，形成厚度1.0μm的中间层。通过溅射法在该中间层上形成厚度为20nm的金电极(表面电极)。将如此制作的电子发射元件安装在如图3、图4所示漂移管式离子迀移率分析装置上，在正离子模式下进行基于离子迁移率谱仪(ims)的分析。
73.在分析中，将载气设为加湿空气(湿度：44％)，将漂移气体设为干燥空气。此外，不向分析装置内供给试样气体，即仅向分析装置内供给载气。此外，将离子集电极电极的电位设为0v，将表面电极的电位设为 3000v，将下部电极的电位设为 2981v(元件驱动电压：19v)、 2980v(元件驱动电压：20v)或 2972v(元件驱动电压：28v)。另外，孔栅18的电位为 163v。
74.图7是通过将元件驱动电压设为28v的分析而得到的ims光谱，图8是通过将元件驱动电压设为19v、20v的分析而得到的ims光谱。如图7的ims光谱那样，确认了正离子模式下ims光谱出现从加湿空气生成的正离子的峰值。此外，如图8所示，在将元件驱动电压设为19v的ims光谱中，未出现峰值，但在将元件驱动电压设为20v时，在ims光谱中出现峰值。因此，确认了以下情况：在正离子模式下将载气设为加湿空气的情况下，通过在下部电极与表面电极之间施加20v以上的电压，能够产生正离子，从而能够进行分析。认为该电压根据电子发射元件的构成(例如中间层的厚度)等而变化。此外，在正离子模式下将载气设为干燥空气的情况下，ims光谱的峰值从元件驱动电压28v出现。
75.接着，在正离子模式下，将载气作为干燥空气，将元件驱动电压设为55v(下部电极的电位： 2945v)或60v(下部电极的电位： 2940v)，通过离子迁移率谱仪(ims)进行分析。其他分析条件与上述分析相同。图9示出通过分析得到的ims光谱。在将元件驱动电压设为55v的ims光谱中，出现了从加湿空气生成的正离子大的峰值，如果将元件驱动电压设为60v，则ims光谱中出现的峰值的ims强度急剧变小。认为该峰值强度的降低是由于电子发射元件损坏而产生的。因此，在该实验中制作的电子发射元件中，元件驱动电压的上限约为60v。但是，认为该电压根据电子发射元件的构成等而变化。
76.负离子检测实验将在正离子检测实验中使用的分析装置设为负离子模式而进行了基于离子迁移率谱仪(ims)的分析。在分析中，将载气设为加湿空气(湿度：44％)，将漂移气体设为干燥空气。此外，不向分析装置内供给试样气体，即仅向分析装置内供给载气。此外，将离子集电极电极的电位设为0v，将表面电极的电位设为-3000v，将下部电极的电位设为-3009v(元件驱动电压：9v)、-3010v(元件驱动电压：10v)、-3010.5v(元件驱动电压：10.5v)、-3011v(元件驱动电压：11v)、-3011.2v(元件驱动电压：11.2v)或-3011.5v(元件驱动电压：11.5v)、-3013v(元件驱动电压：13v)、-3014.5v(元件驱动电压：14.5v)、-3015v(元件驱动电压：15v)、-3015.5v(元件驱动电压：15.5v)、-3016v(元件驱动电压：16v)、-3016.5v(元件驱动
电压：16.5v)、-3017v(元件驱动电压：17v)、-3017.5v(元件驱动电压：17.5v)、-3018v(元件驱动电压：18v)。另外，孔栅18的电位为-163v。
77.图10是通过将元件驱动电压设为13v的分析而得到的ims光谱，图11是通过将元件驱动电压设为9v～11.5v的分析而得到的ims光谱。图12是通过将元件驱动电压设为14.5v～18v的分析而得到的ims光谱。如图10的ims光谱那样，确认到在负离子模式下ims光谱中出现从加湿空气生成的负离子的峰。此外，如图11所示，如果将元件驱动电压设为9v，则在ims光谱中出现峰值，当元件驱动电压变大时，该峰值的ims强度逐渐变大。因此，确认了以下情况：在负离子模式下将载气设为加湿空气的情况下，通过在下部电极与表面电极之间施加9v以上的电压，能够产生负离子，从而能够进行分析。认为该电压根据电子发射元件的构成(例如中间层的厚度)等而变化。此外，如图12的ims光谱那样，除了约9.3毫秒的主峰值之外，约8.8毫秒内出现峰值，当元件驱动电压变为15v以上时，该峰值逐渐增大。
78.乙醇分析实验将在正离子检测实验中使用的分析装置设为正离子模式，进行乙醇(试样气体)的分析。在分析中，试样气体为0.3ppm乙醇，载气为加湿空气(湿度：44％)，漂移气体为干燥空气。此外，将离子集电极电极的电位设为0v，将表面电极的电位设为 3000v，将下部电极的电位设为 2962v(元件驱动电压：38v)。将所得到的ims光谱示于图13。在该ims光谱中，11.1毫秒的峰被认为是乙醇的峰，12.2毫秒的峰被认为是乙醇的二聚物的峰。10.6毫秒的峰值为加湿空气的峰值。这样，确认了在正离子模式下能够分析试样气体。附图标记说明
79.2：电子发射元件；3：下部电极；4：中间层；5：表面电极；6：对置电极；7：控制部；8：离子检测器；9、9a、9b：离子集电极；10、10a～10h：电场形成用电极；12：电源部；13：电位控制电路；15：检测电路；17：栅极；18：孔栅；20：壳体；21：反应室；22：漂移区域；30：离子生成装置；40：离子迁移率分析装置。