JP2000067808A

JP2000067808A - イオン化装置

Info

Publication number: JP2000067808A
Application number: JP10238605A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Itoi; 弘人糸井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】フィラメント点灯時の変形や化学反応による
劣化を防止する。【解決手段】真空排気後に初めて点灯する場合には、
スイッチ２４、２５が共に閉鎖した状態からスイッチ２
４を開放する。これにより、演算増幅器２１、コンデン
サ２２、抵抗２３から成る積分器により徐々に出力電圧
が上昇し、電流ｉfも徐々に増加する。このためフィラ
メント４の温度上昇も緩やかで、熱歪や残留分子の急激
な気化による化学反応は抑制される。真空雰囲気に維持
した状態で点灯・消灯を行う場合には、スイッチ２５は
開いたままスイッチ２４を開閉する。このため、点灯時
にはフィラメント４に急峻に電流が流れ、迅速に分析を
開始することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析装置にお
いて気体試料をイオン化するためのイオン化装置に関
し、更に詳しくは、電子衝撃イオン化装置（ＥＩ）や化
学イオン化装置（ＣＩ）等の熱電子を利用するイオン化
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量分析装置では、気体試料をイオン化
するために電子衝撃イオン化（ＥＩ）や化学イオン化
（ＣＩ）などの各種イオン化法が用いられる。図４は電
子衝撃イオン化装置の概略構成図である。真空雰囲気中
に配設されるイオン化室１には試料導入管２が接続され
ており、ここからイオン化室１内へ気体試料分子が導入
される。イオン化室１壁面に開口した熱電子照射孔３の
外側には熱電子発生用のフィラメント４が配置されてお
り、加熱電流源５からフィラメント４に加熱電流が供給
されるとフィラメント４の温度が上昇して熱電子が放出
される。

【０００３】熱電子（図４中のｅ^-）は、フィラメント
４とトラップ電極６との間の電位差によって誘引されて
イオン化室１内に入り、更にトラップ電極６に向けて加
速される。試料分子に熱電子流が衝突すると、試料分子
から電子が叩き出されて該分子は正イオンになる。発生
したイオンはイオン出口７からイオン室１外部へ飛び出
し、図示しないイオンレンズなどによって加速されて質
量分離器（四重極フィルタなど）に導入される。トラッ
プ電極６に捕捉される電子数はフィラメント４から放出
された電子数に依存しているから、制御部８は、トラッ
プ電極６に到達した熱電子により流れるトラップ電流ｉ
bが所定値になるように加熱電流源５を制御する。これ
により、フィラメント４での熱電子の発生量がほぼ一定
になり、イオン化室１内で安定したイオン化が達成され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成のイオン化装
置では、フィラメント４の点灯直後にはトラップ電流ｉ
bは零であるから、これを所定値にしようとして加熱電
流源５から急激に大きな加熱電流がフィラメント４に供
給される。そして、フィラメント４の温度が所定温度
（１０００℃程度）以上になって熱電子が発生し始めた
後に初めて、フィラメント電流ｉfは或る一定値近傍に
制御される。

【０００５】特に、交換直後などの未使用のフィラメン
トでは、このように急激にフィラメント４の温度が上昇
するとフィラメント材料の再結晶が不均一に進行し、熱
歪によってその形状が変形することがある。また、複数
回使用して再結晶化が安定した後でも、イオン化室１を
内装する分析室内を大気圧から真空排気した後に初めて
フィラメント４を点灯させる場合、フィラメント４表面
に吸着されている残留分子が加熱により急激に気化して
放出され、その際に化学反応によってフィラメント４表
面が損傷を受けたり劣化したりすることがある。こうし
たフィラメントの変形や劣化が生じると、熱電子の放出
が不安定になってイオン化自体も安定に行えず、ひいて
は質量分析の精度を悪化させる一因となる。また、フィ
ラメント自体の寿命が短くなり、交換の手間や分析コス
トが増加することになる。

【０００６】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、フィラ
メント点灯時の急激な温度上昇を防止したイオン化装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空排気され
る真空室内に配設されたイオン化室内で熱電子を直接的
又は間接的に利用して気体試料分子をイオン化するイオ
ン化装置において、 a)加熱により熱電子を発生するフィラメントと、 b)該フィラメントに加熱電流を供給する電流供給手段
と、 c)最終的にフィラメント温度が所定温度近傍になるよう
な電流値まで加熱電流を徐々に増加させる第１のフィラ
メント点灯モードと、フィラメント温度が該所定温度近
傍になるような電流値まで加熱電流を急峻に増加させる
第２のフィラメント点灯モードとを選択的に実行して前
記電流供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】このイオン化装置では、真空室内
が略大気圧（又は低真空度）である状態から高真空度で
ある状態にまで真空排気された後に初めてフィラメント
を点灯させる場合に、制御手段は第１のフィラメント点
灯モードを実行する。また、真空室内を真空雰囲気に維
持した状態で複数の分析を繰り返し行う際に休止状態で
フィラメントを一旦消灯させた後に再びフィラメントを
点灯させる場合には、制御手段は第２のフィラメント点
灯モードを実行する。

【０００９】第１フィラメント点灯モードでは、フィラ
メントに流れる加熱電流が徐々に増加するので、フィラ
メントの温度上昇も緩やかであって、フィラメントが電
子を放出し得る温度（以下「電子放出温度」という）に
達するまでに時間を要するものの熱歪は抑制される。未
使用のフィラメントを装着した後初めて点灯する場合、
ゆっくりと温度が上昇することによってフィラメント材
料の再結晶化が均一に進行するので、変形が防止でき
る。またフィラメントに付着している残留分子は少しず
つ蒸発し、化学反応が生じるような温度に達した時点で
は殆ど全ての残留分子が蒸発し終えている。従って、化
学反応によってフィラメントの表面が損傷を受けること
も防止できる。

【００１０】一方、第２のフィラメント点灯モードで
は、点灯直後にフィラメント温度は電子放出温度に到達
するため、すぐに熱電子が発生し始める。このため、時
間を無駄にすることなく迅速に質量分析を開始すること
ができる。また、この場合、フィラメント表面には残留
分子が付着していないので、急激に温度が上昇しても表
面の劣化が生じる恐れはない。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係るイオン化装置によれば、フ
ィラメントの変形や損傷の危険性の最も高い場合、つま
り真空室内を真空排気した後の初めての点灯の際には、
フィラメントの温度上昇が制限されるので、熱歪による
変形や残留分子との化学反応による損傷が生じにくい。
このため、フィラメントでの熱電子の安定的な発生を妨
げることなく、しかも長い寿命を保つことができる。ま
た、フィラメントの変形や損傷の危険性が低い場合、つ
まり真空室内を真空雰囲気に維持した状態で消灯・点灯
を繰り返す際には、フィラメント温度は急速に立ち上が
るので、分析を速やかに始めることができ効率を妨げる
ことがない。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係るイオン化装置の一実施例
を図１、図２を参照して説明する。図１は本実施例のイ
オン化装置における熱電子発生部の構成図、図２はこの
熱電子発生部の動作を示す図である。この実施例では、
フィラメント４に流す加熱電流の制御をアナログ回路で
もって具現化している。

【００１３】熱電子発生部は大別して、フィラメント４
に直列接続された電流源１０と、電流源１０に含まれる
トランジスタ１２のベース電流を制限する電流制限部２
０と、トラップ電極６に到達した熱電子によって流れる
トラップ電流ｉbを検知するとともにフィラメント４と
トラップ電極６との間に所定の電位差を生じさせる電源
供給部３０と、電流制限部２０の動作を制御する制御部
４０とから構成されている。

【００１４】電流源１０は、直流電源線１１と、駆動用
のトランジスタ１２と、抵抗値Ｒ1の抵抗１３とを含ん
で構成されている。また、電流制限部２０は、積分器を
構成する演算増幅器２１、容量Ｃ1のコンデンサ２２及
び抵抗値Ｒ2の抵抗２３と、主スイッチ２４と、副スイ
ッチ２５と、抵抗値Ｒ3の抵抗２６とを含んで構成され
ている。更に電源供給部３０は、可変電圧を発生する第
１電圧源３１と、電圧Ｖ2の第２電圧源３２と、電圧Ｖ3
の第３電圧源３３と、抵抗値Ｒ4の抵抗３４と、抵抗値
Ｒ5の抵抗３５と、直流電流阻止用のコンデンサ３６と
を含んで構成されている。なお、第１電圧源３１の電圧
値Ｖ1は、所望の熱電子発生量を得るように適宜に設定
される。

【００１５】上記構成の熱電子発生部の動作を図２を参
照しつつ説明する。このイオン化装置を備える質量分析
装置の動作が完全に停止された状態（イオン化室を内装
する分析室内は略大気圧になっている）では、制御部４
０は主スイッチ２４、副スイッチ２５の両方を閉鎖して
いる。従って、たとえ装置自体の電源が投入されていた
としても、演算増幅器２１の両入力端子間電圧は零であ
るので出力電流は流れず、当然フィラメント電流ｉfも
流れない。

【００１６】分析室内が真空排気され分析可能な真空雰
囲気にまで達した後にフィラメント点灯が指示される
と、制御部４０はまず主スイッチ２４を開放する。する
と、演算増幅器２１の両入力端子間に電圧が印加され、
演算増幅器２１の出力電圧Ｖ(t)は、０〔Ｖ〕からＶ１
×（Ｒ2／Ｒ3）〔Ｖ〕に向かって、コンデンサ２２の容
量Ｃ1と抵抗２３の抵抗値Ｒ2との時定数で決まる速度で
緩やかに上昇する。これにより、フィラメント電流ｉf
は、ｉf＝（Ｖ(t)−Ｖf）／Ｒ1 …(1) となる。ここで、Ｖfはトランジスタ１２の順方向電圧
降下である。

【００１７】(1)式で表されるフィラメント電流ｉfは図
２（ａ）に示すように徐々に増加するので、それに伴い
フィラメント温度も徐々に上昇する。フィラメント４は
その温度が電子放出温度Ｔe以上になるまでは熱電子を
放出しないので、このようにフィラメント４の温度が徐
々に上昇する過程ではトラップ電流ｉbは流れない。

【００１８】所定時間が経過したならば、制御部４０は
副スイッチ２５を開放する。この所定時間はＣ1とＲ2と
で決まる時定数などに応じて予め適当な値に定められ
る。副スイッチ２５が開くと積分用のコンデンサ２２が
演算増幅器２１の帰還ループから切り離されるため、演
算増幅器２１の出力電圧は出力飽和電圧まで急激に上昇
し、それに応じてフィラメント電流ｉfも急峻に増加す
る。すると、フィラメント温度も急峻に上昇し電子放出
温度Ｔeを越える。これにより、フィラメント４から熱
電子が放出され始める。熱電子はフィラメント４とトラ
ップ電極６との間の直流電位差によって加速され、トラ
ップ電極６の方向に飛行する。そして、イオン化室１内
に導入された試料分子に衝突すると、該分子から電子を
叩き出して該分子をイオン化する。

【００１９】トラップ電極６に到達した電子によってト
ラップ電流ｉbが流れると、抵抗３４の両端にはＲ4・ｉ
bなる電圧降下が生じ、この電圧降下は第１電圧源３１
と逆方向の極性を有している。このため、演算増幅器２
１の両入力端子間電圧は、トラップ電流ｉbが増加する
と減少し、トラップ電流ｉbが減少すると増加する。そ
の結果、トラップ電流ｉbがＶ1／Ｒ4一定に維持される
ようにフィラメント電流ｉfは調整される。

【００２０】分析が終了してフィラメント４を消灯する
ときには、制御部４０は副スイッチ２５を開放したまま
主スイッチ２４を閉鎖する。これにより、フィラメント
電流ｉfは零になり、フィラメント温度は急速に低下す
るので、熱電子の発生は停止する。

【００２１】その後、引き続いて他の分析を行うために
フィラメント４の点灯が指示されると、制御部４０は主
スイッチ２４を開放する。このときには電流制限部２０
の積分器は機能していないので、演算増幅器２１の出力
電圧は急峻に上昇し、図２（ａ）に示すようにフィラメ
ント電流ｉfも急激に増加する。従って、フィラメント
温度も急峻に上昇し、電子放出温度Ｔeを越えて速やか
に熱電子の放出が開始される。このため、殆ど待機時間
を要せずに質量分析を始めることができる。

【００２２】上記実施例はアナログ回路によって電流の
制限を行っていたが、デジタル回路でもって実現するこ
とも可能である。図３はその場合の構成図である。電流
制御部５０は、ＣＰＵ５１、メモリ５２、Ｄ／Ａ変換器
５３、Ａ／Ｄ変換器５４などを含むマイクロコンピュー
タで構成されており、Ｄ／Ａ変換器５３の出力電圧がア
ンプ５５を介してトランジスタ１２のベースに供給され
ている。

【００２３】メモリ５２には、上記実施例で述べたよう
にフィラメント電流ｉfを徐々に増加させるような電圧
を与えるための上昇直線（又は曲線）に対応した電圧値
データが格納されている。

【００２４】分析室内が真空排気され分析可能な真空雰
囲気にまで達した後にフィラメント点灯が指示される
と、ＣＰＵ５１はメモリ５２から上記電圧値データを順
次読み出してＤ／Ａ変換器５３へと送る。これにより、
フィラメント電流ｉfはその電圧値データによって決ま
る所定の直線又は曲線に沿って上昇する。

【００２５】フィラメント温度が電子放出温度Ｔeを越
えてトラップ電流ｉbが流れ始めたならば、電流制御部
５０は電子発生量を一定に維持するような制御を実行す
る。すなわち、ＣＰＵ５１は、Ａ／Ｄ変換器５４を介し
て入力されるトラップ電流ｉbの値と予め設定されてい
る目標電流値との差分を計算し、その差に応じてその時
点でＤ／Ａ変換器５３へ送っている電圧値データを増減
する。これにより、電子発生量がほぼ一定になるように
フィラメント電流ｉfが調整される。

【００２６】分析室内を真空雰囲気に維持した状態でフ
ィラメント４の消灯・点灯を行う場合には、ＣＰＵ５１
はメモリ５２に格納してある上昇直線（又は曲線）をな
す電圧値データを順次読み出すという作業を行わず、予
め定められた電圧値データをＤ／Ａ変換器５３へ送るこ
とにより急峻にフィラメント電流ｉfを立ち上げる。

【００２７】このようなデジタル回路でもって電流を制
御する構成では、上記実施例よりも安価なコストで同様
の機能を達成することができる。

【００２８】なお、ＣＰＵ５１は上述のような上昇直線
（又は曲線）に対応した電圧値データをメモリに格納し
ておく代わりに、時間経過に伴って所定ステップ幅ずつ
加算することによって電圧値データを徐々に増加させて
ゆくようにすることも可能である。

【００２９】なお、上記実施例は一例であって、本発明
の趣旨の範囲で適宜修正や変更を行なえることは明らか
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるイオン化装置の熱電
子発生部の構成図。

【図２】この熱電子発生部の動作説明図。

【図３】本発明の他の実施例によるイオン化装置の熱
電子発生部の構成図。

【図４】従来のイオン化装置の概略構成図。

【符号の説明】

１…イオン化室４…フィラメント６…トラップ電極１０…電流源１１…直流電源線１２…トランジスタ１３、２３、２６、３４、３５…抵抗２０…電流制限部２１…演算増幅器２２、３６…コンデンサ２４、２５…スイッ
チ３０…電源供給部３１、３２、３３…
電圧源４０…制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空排気される真空室内に配設されたイ
オン化室内で熱電子を直接的又は間接的に利用して気体
試料分子をイオン化するイオン化装置において、 a)加熱により熱電子を発生するフィラメントと、 b)該フィラメントに加熱電流を供給する電流供給手段
と、 c)最終的にフィラメント温度が所定温度近傍になるよう
な電流値まで加熱電流を徐々に増加させる第１のフィラ
メント点灯モードと、フィラメント温度が該所定温度近
傍になるような電流値まで加熱電流を急峻に増加させる
第２のフィラメント点灯モードとを選択的に実行して前
記電流供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするイオン化装置。