2014年9月22日月曜日

エミッター作製まとめ(FI用)

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文献
1 M. D. Migahed, et al., International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, 7(1971)1-18.
                  電圧、温度、蒸気圧が結晶成長に与える影響(詳細)
2 H. D. Beckey, et al., International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, 8(1972)169-179.
                  エミッター作製とFI測定の全般
3 J. H. Gross, 平岡賢三ら訳, マススペクトロメトリー, シュプリンガー・ジャパン, 2007

注意
エミッター作製の初期の研究はFIを念頭に置いており、FD用の検討は1970年代後半に多い。
ここでは、初期のFI用についてまとめる。FD用については別ファイルにする。

背景
針状結晶がなくても極めて細いワイヤーでFIは行えるが十分ではなく、
表面に針状結晶を成長させることで局所的に電界を強めることができる1)p1

ワイヤーの材質
初めのうちは白金が使われていた1)p2が、タングステンが丈夫で扱いやすく1)p15, 2)p169、よく使われる。

ワイヤーの太さ
2.5-5 um:細い、10 um:太い
ワイヤーが太いほど、成長は遅く、針状結晶は長くなる1)p7
太いワイヤーを使う場合、初めの電圧を高くする1)p15
10 umの太いワイヤーだと機械的に丈夫で、さらに表面積が大きいため、FDには適している1)p15
太いワイヤーだと、カソード側と土台側に同じくらいずつ結晶ができるが、細いワイヤーだと土台側により多くできる1)p9

針状結晶の長さ
針状結晶の表面の電界強度は針状結晶の長さに比例し、直径に反比例する1)p3
針状結晶の根元の部分は太く、密集しているため、ワイヤーの一部とみなすことができ、
結晶が長くなるにつれて実質的なワイヤーの太さが増していく1)p4
The field enhancement due to the increase of the needle length is compensated (or over-compensated) for by the virtual increase of the wire diameter, and hence according to eqn. by a decrease of the field strength.
F(t)=F0(h(t)/rn(t) )(r0/r(t))
10 umタングステンワイヤーでは針状結晶が3 umのときにFI感度が最大になる2)p172
とても長い(10-15 umの)針状結晶(5-10 umタングステンワイヤー上)がFDには必要である2)p172

炭素源
ベンゾニトリルは実験的にも理論的にも適している1)p2とされていたが、さらに良いものが見つかった。
これについては、FD用の別ファイルにまとめる。
インダン、インデン、インドール、ナフタレンだと短時間で、ベンゼンだと数秒間で活性化できる3)p393
純粋なベンゾニトリルやインデンを用いて、カスタム化した特性を持つエミッターが商業的に作られている3)p393

電圧
初めに高くすることで結晶成長の核を作り、途中から低くすることで針状結晶を大きくする1)p17
途中からはエミッション電流を一定にすべきであり、そのために電圧を徐々に下げていく1)p6
始めは14kVで、1時間のうちに10kVまで落とす2)p172

温度
高温で作ると、濃く、強い針状結晶ができる1)p14
高温で作ると、熱に強いエミッターになる1)p11
タングステンの酸化膜が結晶成長を阻害するため、真空中で1000℃に加熱して取り除く1)p10
800-900℃で12)p172)。導入過程については、FD用の別ファイルにまとめる。
初めの成長は温度が高いほど(600℃まで)速い。900℃以上の高温にすると成長速度が少し落ち、針状結晶の構造に不可逆的な変化が起こる。高温だと枝分かれが少なく、樹状でなくなる1)p7

蒸気圧
高い蒸気圧で作ったほうが、イオン化効率の高いエミッターができる。5×10-3より高くすると、実質的なワイヤー直径の増大が速くなりすぎるので良くない1)p9

総合的なこと
活性化効率は重合速度、架橋の度合い、針状結晶の物理的強度、形状、導電性に依存する1)p4
初めの5分は900℃、14-5kVで、その後、20℃で6時間ほど置き、最後に1分ほど900℃にする1)p17
5分以降は、エミッションが(8uAなど)一定になるように9kVくらいまで徐々に電圧を落とす1)p6,17


アクチベーター内でのイオン化効率の良し悪しと、質量分析計内でのイオン化効率の良し悪しは必ずしも一致しない2)p170。→エミッターの評価は質量分析計で行うべき