CN101669027B - 带电粒子分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带电粒子分析装置，在产生用于形成旋转轨道(C)的扇形电场的主电极(11)的外侧电极(11a)上，穿透设置用于从外部沿着扇形电场入射光轴(A)将离子导入旋转轨道(C)的离子入射口(15)，为了修正由于设置了该入射口所带来的扇形电场的散乱，在扇形电场入射光轴(A)的方向上排列了3个电场修正电极(20)。通过分别适当的调整施加于该电场修正电极(20)的直流电压，能够将扇形电场中的等电位线调整至与没有离子入射口(15)时大致相同的程度。由此，可以减少沿着旋转轨道(C)飞行的离子的轨道的偏移，并且可以通过停止对电极(11)、(20)的电压施加，让离子通过离子入射口(15)载入旋转轨道(C)。

Description

带电粒子分析装置
技术领域
本发明涉及一种例如质量分析装置、电子分光装置、能量分析装置等，用于分析离子、电子这种带电粒子的带电粒子分析装置，详细来说，涉及一种具有形成用于使带电粒子以弯曲形状飞行的扇形电场的带电粒子光学系统的带电粒子分析装置。
背景技术
带电粒子光学系统，是指将离子、电子等的带电粒子通过电场或者磁场的作用，进行聚束、分散、分光、偏转、输送等的系统。下面的说明中，虽然是对作为带电粒子特别以离子为对象的光学系统进行叙述，但基本上，其它的带电粒子例如电子之类也是同样的。
作为用于使离子束偏转、或者将离子按着质量或能量进行分离的离子光学系统，多利用结构简单且通用性好的扇形电场。作为扇形电场的具体的利用例，存在例如专利文献1等所述的多重旋转飞行时间型质量分析装置。多重旋转飞行时间型质量分析装置中，通过使用多个扇形电场形成大致椭圆形、大致8字形状等的封闭轨道即离子旋转轨道，并且通过沿着该旋转轨道使离子进行多次的旋转飞行，有效确保较长的飞行距离从而提高离子的质量分离性能。
这种多重旋转飞行时间型质量分析装置中，虽然有时也在旋转轨道上设置用于离子生成的离子源，或是设置用于离子检测的离子检测器，但多数情况下，将是将在旋转轨道的外侧生成的离子导入旋转轨道中，使其进行规定次数的旋转飞行，其后使离子从旋转轨道脱离，导入旋转轨道外侧所设置的离子检测器中进行检测。为了像这样进行对旋转轨道的离子导入或是从旋转轨道的离子取出，有时需要在形成扇形电场的扇形电极上设置开口(参照专利文献1)。另外，除对旋转轨道的离子的入射和出射以外，为了监视旋转离子的状态或者形态，为了从外部将激光或者是X射线等的电磁波或粒子线导入旋转轨道，有时也需要在扇形电极中设置开口。
但是，如上所述在扇形电极上设置开口的情况下，在其开口的附近将不可避免的产生电场的散乱。若存在扇形电场的散乱，则通过该处时离子的轨道将变得不理想(或者不符设计初衷)，因此特别是进行多圈旋转时质量精度下降，或者离子透过率恶化从而检测灵敏度下降等问题将变得显著。
以往，为了减小由在扇形电极设计了开口而引起的电场散乱的影响，在开口处铺设金属制的网格(Mesh)或者金属制线束(Wire)。但是，由于这种网格或者线束也成为离子通过的障碍，因此将引起离子的透过率下降，或者激光等的电磁波、粒子线的通过效率下降。另外，就算利用金属制的网格或者线束，电场散乱的影响也仍然会残留，因此特别是在要进行高精度分析的时候不是一种合适的方法。
【专利文献1】特开11-135060号公报
发明内容
本发明是为了解决上述课题而作出的，其目的是提供一种带电粒子分析装置，具有通过减小由在形成扇形电场的电极上设置了开口引起的电场散乱，从而能够消除离子(带电粒子)的飞行轨道的偏移的带电粒子光学系统。
为了解决上述课题而完成的本发明，是如下的带电粒子分析装置，具有带电粒子光学系统，其为了形成用于使带电粒子以圆弧形状飞行的扇形电场，含有将外侧电极和内侧电极作为一对的主电极，该带电粒子分析装置，在所述外侧电极上穿透设置了用于使带电粒子通过，或者用于使用于监视带电粒子的状态的电磁波或粒子线通过的开口，其特征在于，
具有：电场修正电极，在所述开口的周围，在面临由所述外侧电极与内侧电极所夹的空间的位置上配置；
电压施加机构，其对该电场修正电极施加规定的直流电压；
通过所述电场修正电极，修正由所述的开口所带来的扇形电场的散乱。
上述带电粒子例如是离子或电子，上述带电粒子光学系统是离子光学系统或者电子光学系统。
本发明中的带电粒子分析装置中，虽然通过在形成用于使带电粒子在圆弧形状中飞行的扇形电场的电极上设置了开口，而在该开口附近扇形电场中产生散乱，但是通过由辅助设置的电场修正电极形成的直流电场的作用，能够减小扇形电场的散乱。因此，带电粒子通过由上述电极形成的扇形电场时，将通过与没有开口时大致相同的轨道沿圆弧形状的轨迹飞行。因此，即使设置了开口，离子等的带电粒子的透过率也不会下降，从而能够确保高分析灵敏度。另外，在例如质量分析装置中，通过减小离子轨道的偏移，可以抑制质量精度的下降，特别在为了延伸飞行距离而增加旋转周数的情况下，更为有效。
基于电场修正电极的电场修正的程度，可以根据所需要的性能来决定。也就是，在需要高分析精度或分析灵敏度的情况下，相应需要严格的电场修正。虽然输入电场修正电极的数量是任意的，但一般来说，数量越多能进行越灵活的调整，而且容易提高电场修正的精度。因此，本发明中的带电粒子分析装置中，可以实现如下的结构，即：所述的电场修正电极为多个，并沿着通过上述开口入射出射的带电粒子或者电磁波或粒子线的直线状的光轴排列。
另外，在该结构中，所述电压施加机构最好是可以对上述多个电场修正电极独立的施加直流电压。
由此，通过分别适当的调整施加于多个电场修正电极的直流电压，可以高精度的修正电场的散乱。另外，为了该种修正而找出适当电压的操作变得容易。
另外作为本发明中的带电粒子分析装置的一种形式，可以实现如下结构，即：所述带电粒子是离子，所述扇形电场形成使离子沿着同一轨道飞行多次的旋转轨道，所述开口使离子从外部入射至该旋转轨道，或使从该旋转轨道脱离的离子出射到外部。
这种形式是有旋转轨道的多重旋转飞行时间型质量分析装置、傅里叶变换型质量分析装置、能量分析装置等。例如多重旋转飞行时间型质量分析装置中，可以使离子源生成的离子，通过在形成扇形电场的电极上设置的开口，入射至旋转轨道，并使离子沿着旋转轨道旋转适当的周数后，通过在形成扇形电场的电极上设置的开口，从旋转轨道出射并由离子检测器进行检测。通过由电场修正电极修正电场的散乱，可以减小在旋转轨道飞行时的离子轨道的偏移，可以以高透过率将离子导入至离子检测器。由此可以实现高分析灵敏度。另外，由于轨道不会偏移，故可以实现高的质量分辨率。
另外，在上述的形式中，能够实现如下的结构，在从所述主电极的端部入射到所述扇形电场，或从所述主电极的端部射出的直线状的出入射光轴的延长线上形成开口，根据对所述主电极的施加电压，可以选择经过开口的离子的入射出射和所述扇形电场中的圆弧形状的离子的飞行。
即，例如使旋转轨道上飞行的离子从该轨道脱离并取出到外部时，若停止对形成各扇形电场的电极的电压施加，则由于离子依然在该直线的前进方向上以直线状前进，因此可以通过电极的外侧电极上形成的开口使离子出射到外部。这样，由对电极的电压施加的有无，可以简单的切换离子的轨道。
附图说明
图1是本发明的一实施例即在多重旋转型质量分析装置中形成使离子多重旋转的旋转轨道的离子光学系统的平面图。
图2是在本实施例的多重旋转质量分析装置中的离子光学系统中的离子入射口附近的平面图。
图3是在本实施例的多重旋转质量分析装置中的离子光学系统中的离子出射口附近的平面图。
图4是在本实施例的多重旋转质量分析装置中的离子光学系统中离子出射口附近的概略立体图。
图5是未使用电场修正电极的情况下的轨道计算模型的平面图。
图6是表示未使用电场修正电极的情况下的离子入射口(离子出射口)附近的等电位线的计算结果的图。
图7是如本实施例设置了电场修正电极的情况下的轨道计算模型的平面图。
图8是表示设置了电场修正电极的情况下的开口附近的等电位线的计算结果的图。
图中：1-离子光学系统；E1、E2、E3、E4-环式扇形电场；11、12、13、14-主电极；11a、12a、13a、14a-外侧电极；11b、12b、13b、14b-内侧电极；15-离子入射口；16-离子出射口；20、21-电场修正电极(FAE)；A-扇形电场入射光轴；B-扇形电场出射光轴；C-旋转轨道。
具体实施方式
作为本发明中的带电粒子分析装置的一例，对多重旋转(回旋)型质量分析装置进行说明。图1是在该多重旋转型质量分析装置中形成使离子多重旋转的旋转轨道的离子光学系统的平面图。
在该离子光学系统1中，配置4个将外侧电极和内侧电极作为组的主电极，并且由于通过对这些主电极分别施加直流电压而形成的静电场的作用，形成了大致8字形状的旋转轨道C。于是，在第1主电极11的外侧电极11a与内侧电极11b之间，形成第1环式(toroida)扇形电场E1，在第2主电极12的外侧电极12a与内侧电极12b之间，形成第2环式扇形电场E2，在第3主电极13的外侧电极13a与内侧电极13b之间，形成第3环式扇形电场E3，在第4主电极14的外侧电极14a与内侧电极14b之间，形成第4环式扇形电场E4，由于在通过各环式扇形电场E1～E4时离子呈圆弧状大幅弯曲，而在电场触及不到的自由飞行空间离子大体上进行直线前进，而形成如图示的旋转轨道C。
离子沿着该旋转轨道飞行期间，离子根据质量被分离，也就是在旋转轨道C上将产生时间差。为了从外部将离子导入该旋转轨道，在第1主电极11的外侧电极11a，穿透设置有对于离子射线通过来说足够大的离子入射口15。另外，为了从旋转轨道C取出离子，在第4主电极14的外侧电极14a，穿透设置有对于离子射线通过足够大的离子出射口16。离子入射口15设置在第1主电极11与第2主电极12之间的自由飞行空间的离子光轴延长线上。因此，通过离子入射口15让离子入射至旋转轨道C时，解除从并未图示的电源部对第1主电极所施加的电压，离子入射结束时对第1主电极施加规定的电压使得离子沿着旋转轨道C旋转即可。另外，离子出射口16设置在第3主电极13和第4主电极14之间的自由飞行空间的离子光轴延长线上。因此，通过离子出射口16从旋转轨道出射离子时，解除从未图示的电源部施加于第4主电极14的电压即可。
图2是离子入射口15附近的平面图，图3是离子出射口16附近的平面图，图4是离子入射口15附近的概略立体图。通过在外侧电极11a、14a穿透设置离子入射口15、离子出射口16，在对主电极11、14施加用于旋转规定电压情况下，在该开口15、16附近，环式扇形电场E1、E4的一部分将不可避免的发生散乱。由于该散乱，沿着旋转轨道飞行的离子将脱离理想的轨道(通常是中心轨道)。因此，在该离子光学系统1中，为了修正上述电场的散乱，在离子入射口15、离子出射口16的周围，分别配置有电场修正电极20、21。
该实施例的结构中，在离子入射口15，沿着扇形电场入射光轴A在射线的外侧(也就是以替换外侧电极11a的一部分的方式)配置有长方体形状的3个电场修正电极20。在此，将3个电场修正电极从旋转轨道C一侧起依次称为FAE1、FAE2、FAE3。不过，电场修正电极20的形状也未必一定是长方体，可以根据状况变形为合适的形状。另外，对配置的电场修正电极20的数目并没有限制，根据所要求的电场修正精度，可能只用一个就可实现必要且充分的修正，电极个数越多可以实现越灵活的调整，即电场修正的精度得到提高。另一方面，在离子出射口16，同样也沿着扇形电场出射光轴B在射线外侧配置有3个电场修正电极21。
对设置有如上所述的电场修正电极20、21的情况下的电场修正效果，利用仿真计算的结果进行说明。图5是未使用电场修正电极的情况下(就是以往的结构)的轨道计算模型的平面图，图6是表示在图5的结构中的离子入射口(或离子出射口)附近的等电位线的计算结果的图。该等电位线，是在作为由离子光轴延展的平面即中心轨道平面上的计算结果，以0V为中心将±1000V的范围以100V步进记载而成。另外，将范围定为±1000V是为了容易理解和表示等电位线的情况，实际上沿着旋转轨道C旋转的离子所通过的是，更加靠近中心轴线的狭小范围。
扇形电场中，理想来说，需要在中心轨道平面上等电位线呈圆弧形状，离子光轴上的电位为零。但是，根据图6可以看出，在离子入射口(或者离子出射口)附近让等电位线以向外侧鼓起的方式大幅歪曲，并且离子光轴上的电位也从零电位向负极性的方向偏移。据此，能够确定在设置了离子入射口(出射口)的影响下，不能形成理想的扇形电场。这种散乱的电场的影响下，离子旋转时将从理想的旋转状态偏离，不仅质量精度下降而且根据情况也有可能在途中发散。
图7是如本实施例那样，设置了电场修正电极的情况下的轨道计算模型的平面图，图8是表示该时刻的离子入射口(或者离子出射口)附近的等电位线的计算结果。在此，一个电场修正电极的幅度(在扇形电场入射光轴A或者扇形电场出射光轴B的方向的幅度)是8mm，相邻的电场修正电极的间距是2mm。另外，施加于主电极的电压，外侧电极为+1397.68V、内侧电极为-1397.68V，施加于电场修正电极的电压，FAE1为+1756V、FAE2为+2540V、FAE3为+3313V。另外，若将对主电极的施加电压设为Vc，则对FAE1、FAE2、FAE3的施加电压分别可以表示为1.256Vc、1.817Vc、2.370Vc。
根据图8可知，通过由电场修正电极所形成的电场的作用，等电位线成为大致理想的(也就是与没有离子入射口和出射口的情况相同)圆弧形状，另外，可以确认离子光轴上的电位也成为零电位。也就是说，表示出的是，通过设置了电场修正电极，由设置了离子入射口或是离子出射口而引起的电场的散乱，能够被修正为可以满意的程度。
另外，由于上述数值是进行仿真的同时，以试错的方式找出恰当值而得到，因此基于该数值的计算结果未必表示出最好的电场修正状态，实际中需要的电场修正精度各种各样，因而对应该精度可以进行适当的设计是不言而喻的。
另外，上述实施例，是以在产生构成多重旋转轨道的扇形电场的主电极，穿透设置离子通过用的开口的情况为例进行的说明，但就算不是多重旋转轨道，也可以适用于利用扇形电场使离子弯曲为弯曲形状的各种结构。
另外，在形成扇形电场的电极的外侧电极，有时会以如上述的离子入射出射以外的目的穿透设置开口。例如，有时沿着图2中的扇形电场入射光轴A或者图3中的扇形电场出射光轴B，从外部导入激光或X射线等电磁波，监视飞行的离子的状态或形态。以往，虽然在形成扇形电场的电极会成为障碍的部分，避免设置如上述的用于导入电磁波的开口，但如上述实施例那样，通过使用附加设置了电场修正电极的有开口电极，可以在不对离子光学系统带来影响的情况下，确保电磁波(或者其他的粒子线)的导入线。由此，可以期待在以往没有的新的应用中展开。作为这种应用的例子，有激光解吸附电离源(Laser Derorption Lonization)、镀膜用的激光后电离装置(Laser Post-ionnization)、基于光解离法或者电子捕获解离法的离子阱(Ion trap)、利用激光的离子冷却(Ion Cooling)、X射线光电子分析装置等。

Claims (5)

1.一种带电粒子分析装置，具有带电粒子光学系统，其为了形成用于使带电粒子以圆弧形状飞行的扇形电场，含有将外侧电极和内侧电极作为一对的主电极，该带电粒子分析装置，在所述外侧电极上穿透设置了用于使带电粒子通过，或者用于使监视带电粒子的状态的电磁波或粒子线通过的开口，其特征在于，
具有：电场修正电极，在所述开口的周围，在面向由所述外侧电极与内侧电极所夹的空间的位置上配置；
电压施加机构，其对该电场修正电极施加规定的直流电压；
通过所述电场修正电极，修正由所述开口所带来的扇形电场的散乱，
所述开口形成在从离子光轴延伸的直线上，
所述带电粒子、所述电磁波或所述粒子线沿着该直线从所述开口进行入射或出射。
2.根据权利要求1所述的带电粒子分析装置，其特征在于
所述电场修正电极有多个，沿着通过所述开口入射出射的带电粒子、电磁波或者粒子线的直线状的光轴排列。
3.根据权利要求2所述的带电粒子分析装置，其特征在于
所述电压施加机构，能对多个所述电场修正电极独立地施加直流电压。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的带电粒子分析装置，其特征在于
所述带电粒子是离子，所述扇形电场形成使离子沿着同一轨道飞行多次的旋转轨道，
所述开口使离子从外部入射至该旋转轨道，或使从该旋转轨道脱离的离子出射到外部。
5.根据权利要求4所述的带电粒子分析装置，其特征在于
在从所述主电极的端部入射至所述扇形电场或者从所述主电极的端部出射的直线状的入射出射光轴的延长线上形成所述开口，根据对所述主电极的施加电压，能够选择经过所述开口的离子的入射出射、和所述扇形电场中的圆弧形状的离子的飞行。
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