JP2000187021A

JP2000187021A - 四極子質量分析計

Info

Publication number: JP2000187021A
Application number: JP10365927A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Abe; 哲也阿部; Seiji Hiroki; 成治廣木; Nobuhiko Tsuchiya; 暢彦土屋
Original assignee: TOKYO SYSTEM KAIHATSU KK; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: TOKYO SYSTEM KAIHATSU KK; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2000-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】近接した質量を有する複数の物質の分析で質
量ピーク強度の変動が小さく且つ感度の高い四極子質量
分析計を提供する。【解決手段】一定電圧発生器３２は鋸歯状波基準電圧
のオフセット部分を発生する。アナログ電圧発生部１０
は鋸歯状波基準電圧のランプ波部分より大きいランプ波
電圧を発生し、掃引信号制御減衰器３０はそれをランプ
波部分になるよう減衰させる。加算器及び緩衝増幅器３
４は、オフセット部分とランプ波部分とを加え、鋸歯状
波基準電圧を生成する。ΔＵ信号発生器５０及びΔＵ信
号制御減衰器５２は＋Ｕ電圧と−Ｕ電圧の比率を変え、
可変減衰器７０ａ、７０ｂは＋Ｅ電圧と−Ｅ電圧の比率
を変えるよう働く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、四極子質量分析計
に関する。特に、本発明は、例えば、極めて近い原子質
量単位を有するヘリウムと重水素の質量を個々に正確に
分析できるような高分解能の四極子質量分析計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は四極子質量分析計の四極子電極部
分を示し、この四極子電極部分に質量ｍ、電荷ｅのイオ
ンが入射されると、次式のような運動方程式が成立す
る。但し、ｒ₀は四極子電極内半径、Ｕは直流電圧、Ｅ
は高周波電圧、ωは角周波数をそれぞれ表す。

【０００３】

【数１】（３）式からイオンはＺ方向には等速運動する。そこ
で、

【数２】とすると、Ｘ及びＹ方向に、

【数３】が成立する。（７）と（８）式はいわゆるマシュー関数
と呼ばれており、ａとｑの組み合わせでＸ及びＹ方向の
イオンの振幅が時間とともに有限の値をとる場合（安定
解）と、無限の値をとる場合（不安定解）に区別され
る。その安定解を図示したものが図４に示すマシュー線
図である。なお、図４は原点付近の拡大図である。

【０００４】図５は、従来の四極子質量分析計の制御電
源部分のブロック回路を示したものである。図５におい
て、四極子質量分析計の四極子電極１００に必要な電圧
を与える制御電源１０２は、基準電圧発生部１０４と高
周波電源部１０６を含む。基準電圧発生部１０４は、基
準電圧をディジタル値で発生するディジタル電圧発生器
１１０、その発生されたディジタル電圧をアナログ電圧
に変換するＤ／Ａコンバータ１１２、及び所望の基準電
圧を発生するためのコントロール部１１４を含む。コン
トロール部１１４は、掃引時間、掃引開始質量、掃引停
止質量のそれぞれを設定する各設定器１１６〜１１８を
有する。高周波電源部１０６は、基準電圧発生部１０４
から与えられる基準電圧を供給ケーブル１２０を介して
受け取る緩衝増幅器１３０、基準電圧に基づいて四極子
電極１００に与えられる±Ｅ高周波電圧を生成するため
の水晶発振器１３８、平衡変調器１４０及び励振・電力
増幅器１４２、所望の±Ｅ高周波電圧を得るためのフィ
ードバック制御系を構成する同調検波器１３６及び比較
器１３２、同調検波器１３６からの検波信号を増幅して
四極子電極１００に与えられる±Ｕ直流電圧を生成する
直流電圧増幅器１３４を含む。ディジタル電圧発生器１
１０は、０〜１０Ｖの電圧を１６ビットで表したディジ
タル値を格納するＲＯＭを含む。

【０００５】図６及び図７を参照して、制御電源１０２
の動作を説明する。ディジタル電圧発生器１１０は、コ
ントロール部１１４において設定された掃引時間、掃引
開始質量及び掃引停止質量を表す信号を受け取り、これ
らの信号に基づいて図６の（Ａ）に示されるような０〜
１０Ｖの鋸歯状波電圧に対応する１６ビットのディジタ
ル値を順次発生する。Ｄ／Ａコンバータ１１２は、順次
発生された１６ビットのディジタル値を変換して図６の
（Ａ）のような０〜１０Ｖの鋸歯状波のアナログ電圧を
発生する。フルスケールの場合には、０〜１０Ｖの鋸歯
状波が発生するが、原子質量の或る一定の範囲について
測定する場合には、基準電圧発生部１０４は、図６及び
図７の（Ａ）に示されるように掃引開始質量及び掃引停
止質量に対応する電圧の範囲で鋸歯状波を発生する。高
周波電源部１０６の緩衝増幅器１３０は、基準電圧発生
部１０４からケーブル１２０を介して図７の（Ａ）に示
される鋸歯状波基準電圧を受け取る。平衡変調器１４０
は、水晶発振器１３８からの高周波電圧を緩衝増幅器１
３０からの鋸歯状波基準電圧により変調する。励振・電
力増幅器１４２は、当該変調された高周波電圧を増幅し
て、図７の（Ｃ）に示されるような±Ｅ電圧を生成し、
四極子電極１００に印加する。なお、同調検波器１３６
は、励振・電力増幅器１４２で生成された±Ｅ電圧を検
波して検波信号を生成する。比較器１３２は、緩衝増幅
器１３０からの鋸歯状波基準電圧と検波信号を比較し
て、±Ｅ電圧の包絡が所望の大きさになるよう平衡変調
器１４０に与えられる鋸歯状波基準電圧の大きさを調整
している。一方、直流電圧増幅器１３４は、同調検波器
１３６からの検波信号を増幅して所望の±Ｕ電圧（図７
の（Ｂ）参照）を生成して、四極子電極１００に印加す
る（なお、±Ｕ電圧は同調検波器１３６をスルーで通
る。）。

【０００６】なお、四極子電極１００は、製造時の組み
立て時に機構的に固定され、組み立て後、例えば測定時
に調整することはできない。また、高周波電源部１０６
は、四極子電極１００と共に測定場所に置く必要があ
り、一方基準電圧発生部１０４は測定場所に近接して置
くことができない場合があり、ケーブル１２０は３ｍか
ら１００ｍと非常に長い場合がある。

【０００７】従来の四極子質量分析計は、前述のように
構成されていて、通常の質量分析では測定上問題を生じ
なかった。しかし、これから説明するような、例えばヘ
リウムと重水素のように極めて質量が近接した物質を識
別して測定するには従来の四極子質量分析計は分解能の
上で問題が生じてきた。

【０００８】図４のマシュー線図を再び参照すると、当
該マシュー線図において、第２安定領域（図４における
ローマ数字の２で示す領域）内の点（ｑ，ａ）＝（３．
２３４，３．１６４）に相当する四極子電極への印加電
圧条件は、（４）と（５）式から、

【数４】と表される。ここで、Ｍはイオンの原子質量単位（ａｍ
ｕ）、Ｚは電荷数、ｆは周波数、ｒ₀は電極内半径であ
る。

【０００９】ところで、核融合炉において燃料ガスであ
る重水素と三重水素、及びその燃焼後の廃ガスとなるヘ
リウムのガス濃度を計測することは極めて重要である。
ヘリウムと重水素の質量はそれぞれ、４．００２６ａｍ
ｕと４．０２８２ａｍｕであり、これを図４に示すマシ
ュー線図の第２安定領域の条件を用いた四極子質量分析
計で分析するには、電圧変動のできるだけ小さい制御電
圧が必要である。

【００１０】ここで、ヘリウムと重水素の分析のため
に、３．９９００ａｍｕから４．０５５０ａｍｕの質量
範囲を分析する例について説明する。ｆ＝６ＭＨｚ、ｒ
₀＝４ｍｍとした場合、図５に示す励振・電力増幅器１
４２や同調検波器１３６の性能から分析可能な質量は第
２安定領域の条件で０ａｍｕから６．５ａｍｕとなる。
これが図５の基準電圧発生部１０４から発生される０Ｖ
から１０Ｖの鋸歯状波電圧に対応する。即ち、１．５３８Ｖ／ａｍｕ（１１）なる関係が成立する。掃引開始質量設定を３．９９００
ａｍｕとすると、図５の掃引開始質量設定器１１７で設
定される電圧は（１１）式から６．１３８５Ｖとなる。
また、掃引停止質量を４．０５５０ａｍｕとすると、掃
引停止質量設定器１１８で設定される電圧は（１１）式
から６．２１８５Ｖとなる。原子質量単位と対応する基
準電圧との関係は、図６の（Ａ）及び（Ｂ）のように示
すことができる。

【００１１】重水素とヘリウムを測定するため、前述の
ように掃引開始質量を３．９９００ａｍｕに、そして掃
引停止質量を４．０５５０ａｍｕとすると、図７の
（Ａ）に示されるように、６．１３８５Ｖから６．２３
８５Ｖまでの鋸歯状波基準電圧が基準電圧発生部１０４
から出力される。

【００１２】３．９９００ａｍｕの掃引開始質量及び
４．０５５０ａｍｕの掃引停止質量に対応して、Ｕ電圧
は（９）式から３７２．０Ｖから３７８．１Ｖまで変化
し、Ｅ電圧は（１０）式から７６０．７Ｖから７７３．
１Ｖまで変化することになり、±Ｕ電圧及び±Ｅ電圧は
それぞれ図７の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるような波形
となる。なお、±Ｅ電圧は＋側と−側とでは１８０°位
相が異なる。

【００１３】これらの±Ｕ電圧及び±Ｅ電圧が基準電圧
発生部１０４から出力される基準電圧６．１３８５Ｖか
ら６．２３８５Ｖまでの掃引電圧に同期して四極子電極
１００に印加され、図７の（Ｄ）に示されるようにヘリ
ウム（⁴Ｈｅ⁺）と重水素（Ｄ₂ ⁺）の分離した質量ピーク
が原理的には得られる。しかしながら、前述したよう
に、従来の四極子質量分析計では、０Ｖから１０Ｖの鋸
歯状波基準電圧を発生する基準電圧発生部１０４にＤ／
Ａコンバータ１１２が用いられており、このようなＤ／
Ａコンバータ１１２では出力の基準電圧に２５０ｐｐｍ
程度のドリフトが生じることを避けることができない。
従って、このドリフト成分もＵ電圧として３７２．０Ｖ
／６．１３８５Ｖ＝６０．６倍、Ｅ電圧として７６０．
７Ｖ／６．１３８５Ｖ＝１２３．９倍に拡大され、この
Ｕ電圧やＥ電圧のドリフト電圧も四極子電極１００に印
加されるためピーク強度のふらつきの大きな原因とされ
ていた。その結果、図７の（Ｄ）に示される⁴Ｈｅ⁺とＤ
₂ ⁺の質量ピークにおいて、⁴Ｈｅ⁺ピーク強度の変動は実
験では１時間あたり１０％あった。従って、必要な精度
で⁴Ｈｅ⁺とＤ₂ ⁺の質量ピークを測定することは困難であ
った。

【００１４】また、０Ｖから１０Ｖの鋸歯状波基準電圧
を発生するため、前述のとおり、ディジタル電圧発生器
１１０として１６ビット＝３２７６８段のものを用いた
場合、掃引開始電圧６．１３８５Ｖと掃引停止電圧６．
２３８５Ｖとの差電圧ΔＶ＝０．１Ｖは３２７．７段の
階段になっていることになり（図７の（Ａ）において参
照番号２００で示す電圧間隔が３２７．７段の階段とな
る。）、ここに５８．５個のピークが出てくる（図７の
（Ｄ）において参照番号２０２で示す原子質量単位の間
隔内に５８．５個のピークが現れる。）ので、１ピーク
を５．７点（＝３２７．７／５８．５）で表現する、即
ち、１ピークには５．７個の階段状の制御信号になり、
１ピークあたりの階段の段数が少ないため放物線状のイ
オン電流を再現することに無理があった。つまり、極め
て近接している⁴Ｈｅ⁺とＤ₂ ⁺の質量ピークを明確に切り
分けて検出することができなかった。

【００１５】更に、第２安定領域の電圧条件では図４に
示される第１安定領域（図４においてローマ数字の１で
示される領域）の場合より高分解能化が可能とされてい
るが、安定軌道のイオンの最大振幅が第１安定領域の場
合より大きくなるため、四極子電極内を通過できるイオ
ンの数が減って感度が低下してしまうので、この感度を
高める必要がある。

【００１６】なお、四極子質量分析計を実際に組み立て
た場合、４つの四極子電極の配置の物理的不平衡や、制
御電源における信号系のリターン経路の引き回し等に起
因して質量ピークの検出感度が大きく低下したり、放射
状の質量ピークの形状に著しい不平衡を生じ、正しい質
量分析が容易ではなかった。

【００１７】また、基準電圧発生部１０４から基準電圧
を高周波電源部１０６に供給するケーブル１２０が３〜
１００ｍと長くなることが多く、この間でノイズが侵入
し、正確な測定が困難であった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、近接
した質量を有する複数の物質の分析で質量ピーク強度の
変動が小さく且つ感度の高い四極子質量分析計を提供す
ることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の四極子質量分析計は、四極子電極と当該四
極子電極に印加される電圧を生成及び制御する制御電源
とを備え、前記制御電源は、前記四極子電極に印加され
る直流及び交流電圧の基礎となる鋸歯状波電圧を発生す
る鋸歯状波電圧発生器と、前記鋸歯状波電圧発生器によ
り発生された鋸歯状波電圧を減衰させる減衰手段とを備
え、前記制御電源は、当該減衰された鋸歯状波電圧に基
づいて前記四極子電極に印加される直流及び交流電圧を
生成することを特徴とする。

【００２０】また、上記課題を解決するため、本発明の
四極子質量分析計は、四極子電極と当該四極子電極に印
加される電圧を生成及び制御する制御電源とを備え、前
記制御電源は、前記四極子電極に印加される＋側直流電
圧と−側直流電圧との比を変える手段を備えることを特
徴とする。

【００２１】更に、上記課題を解決するため、本発明の
四極子質量分析計は、四極子電極と当該四極子電極に印
加される電圧を生成及び制御する制御電源とを備え、前
記制御電源は、前記四極子電極に印加される＋側高周波
電圧と−側高周波電圧との比を変える手段を備えること
を特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について説明する。

【００２３】図１は、本発明の好適な一実施形態による
四極子質量分析計の制御電源のブロック回路を示す。な
お、図１において図５と同一の参照番号を付された構成
要素は図５に示される構成要素と同一又は類似の構成要
素を示し、その説明は繰り返さない。

【００２４】図１において、制御電源１は、アナログ基
準電圧を発生する等の機能を有するアナログ電圧発生部
１０、及び所望の±Ｕ電圧及び±Ｅ電圧を四極子電極１
００に印加する高周波電源部１２を含む。アナログ電圧
発生部１０は、ディジタル電圧発生器１１０、Ｄ／Ａコ
ンバータ１１２及びコントロール部２０を有する。コン
トロール部２０は、掃引時間、掃引開始質量、掃引停止
質量のそれぞれを設定する各設定器２２〜２４、及びΔ
Ｕ信号の発生を指示するΔＵ信号発生指示器２５を有す
る。なお、掃引開始質量設定器２３は、スイッチ２６を
含み、該スイッチ２６を介して一定電圧発生器３２とデ
ィジタル電圧発生器１１０に選択的に接続される。

【００２５】高周波電源部１２は、アナログ電圧発生部
１０から与えられるアナログ電圧を供給ケーブル１２０
を介して受け取り或る減衰度で減衰させる掃引信号制御
減衰器３０、一定電圧を発生する一定電圧発生器３２、
掃引信号制御減衰器３０で減衰されたアナログ電圧と一
定電圧発生器３２で発生された一定電圧を加算する加算
器及び緩衝増幅器３４を含む。なお、アナログ電圧発生
部１０、掃引信号制御減衰器３０、一定電圧発生器３２
及び加算器及び緩衝増幅器３４は、図５に示される従来
の四極子質量分析計の制御電源の基準電圧発生部１０４
に対応する鋸歯状波基準電圧発生部１６を構成する。な
お、掃引信号制御減衰器３０には、アナログ電圧発生部
１０からの鋸歯状波アナログ電圧を当該掃引信号制御減
衰器３０を経ないで加算器及び緩衝増幅器３４に与える
ことができるようスイッチ３６が設けられている。

【００２６】高周波電源部１２はまた、四極子電極１０
０の＋側に印加する＋側電圧印加系４０、その−側に印
加する−側電圧印加系４２、周波数が６ＭＨｚの高周波
電圧を発生する水晶発振器１３８、及び±Ｕ電圧の比率
を変えるためのΔＵ信号発生器５０及びΔＵ信号制御減
衰器５２を含む。＋側電圧印加系４０は、加算器及び緩
衝増幅器３４からの鋸歯状波基準電圧を増幅して四極子
電極１００に印加される＋Ｕ電圧を生成する直流増幅器
６０ａ、上記鋸歯状波基準電圧に基づいて水晶発振器１
３８からの高周波電圧を変調・増幅して所望の＋Ｅ電圧
を生成するための平衡変調器６２ａ、比較器６４ａ、励
振・電力増幅器６６ａ、同調検波器６８ａ及び可変減衰
器７０ａ、及び＋Ｕ電圧と＋Ｅ電圧を加算する加算器７
２ａを含む。−側電圧印加系４２は、＋側電圧印加系４
０と構成が同一であるので、−側電圧印加系４２に含ま
れる対応構成要素には参照番号の数字の後にｂを付して
示す。なお、可変減衰器７０ａ及び７０ｂは±Ｅ電圧の
比率を調整するためのものである。また、ΔＵ信号制御
減衰器５２には、ΔＵ信号を＋側電圧印加系４０の直流
増幅器６０ａと−側電圧印加系４２の直流増幅器６０ｂ
の一方に選択的に与えるためのスイッチ５４が設けられ
ている。

【００２７】上記のように構成された制御電源１の動作
について、従来の技術の事例と同様に、ヘリウムと重水
素の分析のために３．９９００ａｍｕから４．０５５０
ａｍｕの質量範囲を分析する例で図２を参照して説明す
る。掃引開始質量として３．９９００ａｍｕが掃引開始
質量設定器２３に設定され、掃引停止質量として４．０
５５０ａｍｕが掃引停止質量設定器２４に設定される。
スイッチ類は、図１に示されるような位置に置かれ、即
ちスイッチ２６は掃引開始質量設定器２３を一定電圧発
生器３２に接続する位置に設定され、スイッチ３６はＤ
／Ａコンバータ１１２を掃引信号制御減衰器３０に接続
する位置に設定され、スイッチ５４はΔＵ信号制御減衰
器５２を＋側電圧印加系４０の直流増幅器６０ａに接続
する位置に設定されているとする。掃引信号制御減衰器
３０の減衰度はこの事例の場合０．０１、即ち入力電圧
を１００分の１にして出力するものとする。ディジタル
電圧発生器１１０は、図５に示される従来の制御電源の
ディジタル電圧発生器１１０と同様に０〜１０Ｖの電圧
に対応する１６ビットのディジタル値を発生する。掃引
開始質量設定器２３が一定電圧発生器３２に接続されて
いる場合、掃引停止質量設定器２４は、掃引開始質量設
定器２３で設定された掃引開始質量と自身に設定された
掃引停止質量との差を表す信号をディジタル電圧発生器
１１０に送る。ディジタル電圧発生器１１０は、この差
を表す信号に基づいて０Ｖに対応する１６ビットのディ
ジタル値から上記差を表す信号に対応する１６ビットの
ディジタル値まで設定された掃引時間の間順次発生す
る。掃引開始質量として３．９９００ａｍｕが設定さ
れ、掃引停止質量として４．０５５０ａｍｕが設定され
ると、ディジタル電圧発生器１１０は、フルスケール、
即ち０〜１０Ｖまでに対応する１６ビットのディジタル
値を順次発生し、次いで、Ｄ／Ａコンバータ１１２は順
次発生するディジタル値をＤ／Ａ変換して図２の（Ａ）
に示されるような０〜１０Ｖのアナログ鋸歯状波電圧を
発生する。なお、この０〜１０Ｖのアナログ鋸歯状波電
圧には、前述のように２５０ｐｐｍ程度のドリフトが含
まれている。０〜１０Ｖのアナログ鋸歯状波電圧は、ケ
ーブル１２０及びスイッチ３６を介して掃引信号制御減
衰器３０に与えられ、該掃引信号制御減衰器３０により
１００分の１に減衰させられ、図２の（Ｂ）に示される
ように０〜０．１Ｖの鋸歯状波電圧となる。ドリフトも
同様に１００分の１に減衰させられ、２５ｐｐｍ程度に
低減される。また、３〜１００ｍと長いことが多いケー
ブル１２０から侵入したノイズも掃引信号制御減衰器３
０により１００分の１に低減される。一方、一定電圧発
生器３２は、３．９９００ａｍｕの掃引開始質量を表す
信号を掃引開始質量設定器２３からスイッチ２６を介し
て受けて、それに対応するオフセット電圧６．１３８５
Ｖの一定電圧を発生する（図２の（Ｃ）参照）。このオ
フセット電圧に含まれるドリフトは、現状技術では１ｐ
ｐｍ程度に押さえることができる。加算器及び緩衝増幅
器３４は、掃引信号制御減衰器３０からの０〜０．１Ｖ
の鋸歯状波電圧と一定電圧発生器３２からのオフセット
電圧６．１３８５Ｖとを加えて、図２の（Ｃ）に示され
るような６．１３８５Ｖ〜６．２３８５Ｖの鋸歯状波基
準電圧を生成する。

【００２８】＋側電圧印加系４０の直流増幅器６０ａ
は、加算器及び緩衝増幅器３４からの６．１３８５Ｖか
ら６．２３８５Ｖの鋸歯状波基準電圧を増幅して、３．
９９００ａｍｕの掃引開始質量から４．０５５０ａｍｕ
の掃引停止質量までに対応する＋３７２．０Ｖから＋３
７８．１Ｖまでの＋Ｕ電圧（図２の（Ｄ）における−Ｕ
電圧の絶対値を参照）を生成し、加算器７２ａを介して
四極子電極１００に印加する。なお、図２の（Ｄ）にお
いては、＋Ｕ電圧にΔＵ電圧が加えられているが、これ
については後述する。平衡変調器６２ａは、水晶発振器
１３８からの６ＭＨｚの高周波電圧を、加算器及び緩衝
増幅器３４から比較器６４ａ経て受け取った鋸歯状波基
準電圧により変調する。励振・電力増幅器６６ａは、該
変調された高周波電圧を増幅して３．９９００ａｍｕの
掃引開始質量から４．０５５０ａｍｕの掃引停止質量ま
でに対応する＋７６０．７Ｖから＋７７３．１Ｖまでの
＋Ｅ電圧（図２の（Ｅ）における−Ｅ電圧の絶対値を参
照）を生成し、加算器７２ａにより＋Ｕ電圧を加えて四
極子電極１００に印加する。なお、図２の（Ｅ）におい
ては、＋Ｅ電圧にΔＥが加えられているが、これについ
ては後述する。大きさが正確なＥ電圧を得るため、フィ
ードバック制御系が設けられており、励振・電力増幅器
６６ａの出力電圧が同調検波器６８ａにより検波され、
出力電圧の大きさを表す検波信号が生成され、比較器６
４ａに与えられ、比較器６４ａにおいて鋸歯状波基準電
圧と検波信号が比較され、鋸歯状波基準電圧の大きさが
修正され、平衡変調器６２ａにおいて該修正された鋸歯
状波基準電圧で高周波電圧が変調される。

【００２９】−Ｕ電圧及び−Ｅ電圧を生成する−側電圧
印加系４２の各構成要素の動作も＋側電圧印加系４０の
ものと全く同じなので、説明を省略する。

【００３０】前述のように、鋸歯状波基準電圧に含まれ
るドリフトが２６ｐｐｍ程度に低減されているので、質
量ピークの変動は実験では１時間あたり１％と１／１０
の改善が得られた。また、掃引信号制御減衰器３０が高
周波電源部１２に設けられているので、３〜１００ｍと
長いケーブル１２０の場合にそこから侵入するノイズも
掃引信号制御減衰器３０により従来より１００分の１に
低減され、従って、ノイズによる質量ピークの変動を非
常に小さくすることができる。更に、掃引開始電圧６．
１３８５Ｖと掃引停止電圧６．２３８５Ｖとの差電圧Δ
Ｖ＝０．１Ｖが３２７６８段の階段になっており、前述
のようにここに５８．５個のピークが出てくるので、１
ピークを約５７０点（＝３２７６８／５８．５）で表現
する、即ち、１ピークには５７０個の階段状の制御信号
になり、１ピークあたりの階段の段数が非常に多い（従
来より１００倍多い）ため放物線状のイオン電流を正確
に再現することができ、従って、図２の（Ｆ）に示され
るように極めて近接している⁴Ｈｅ⁺とＤ₂ ⁺の質量ピーク
を明確に切り分けて検出することができるようになり、
感度が向上した。

【００３１】なお、３．９９００ａｍｕから４．０５５
０ａｍｕの質量範囲とは別の質量範囲を測定できるよう
に、一定電圧発生器３２は、種々の掃引開始質量に対応
する種々の一定電圧を発生できる構成を有することが好
ましい。また、掃引信号制御減衰器３０も質量ピークの
変動の所要測定限界に応じて種々の減衰度を持たせても
良い。本発明は、鋸歯状波基準電圧のうちの一定電圧
（オフセット電圧）成分を容易にドリフトの小さい一定
電圧を発生することができる一定直流電源で発生し、一
方時間変化するランプ波電圧成分をその大きさより大き
いランプ波電圧をランプ波発生回路で発生させ次いで減
衰器で所望のランプ波電圧成分の大きさまで減衰させ、
上記一定電圧成分に当該ランプ波電圧成分を重畳させる
ことにより鋸歯状波基準電圧を生成するようにするいず
れの構成を含む。また、本発明の一局面においては、上
記減衰器が、ランプ波発生回路が設けられるユニットで
はなく、該ユニットとよく長いケーブルで接続される高
周波電源部側に設けられることにある。

【００３２】本発明の別の一局面においては、＋Ｕ電圧
と−Ｕ電圧との比率を変えることにより感度や分解能を
更に高めることができる。次に、このような本発明の別
の一局面の好適な実施形態を図１を参照して説明する。
ΔＵ信号発生指示器２５により、例えば＋Ｕ電圧と−Ｕ
電圧との比率が｜＋Ｕ｜／｜−Ｕ｜＝１．００３となる
よう指示した場合、ΔＵ信号発生器５０は、設定された
掃引開始質量３．９９００ａｍｕに対応するＵ電圧の１
１０Ｖ（正確には、３７２．０×０．００３×１００
Ｖ）の電圧を発生し、またスイッチ５４の位置は、ΔＵ
信号制御減衰器５２が直流増幅器６０ａに接続される位
置に入れられる。ΔＵ信号制御減衰器５２は、掃引信号
制御減衰器３０と同じ構造のものでよく、減衰度も０．
０１と同じでよい。ΔＵ信号発生器５０で発生された１
１０Ｖは、ΔＵ信号制御減衰器５２で１００分の１に減
衰して、１．１Ｖとなり、スイッチ５４を介して直流増
幅器６０ａに与えられる。直流増幅器６０ａでは、＋Ｕ
＝３７２．０ＶとΔＵ＝１．１Ｖが加えられ、３７３．
１Ｖとなり、この電圧が四極子電極１００に印加される
（図２の（Ｆ）の＋Ｕ電圧を参照）。一方、＋Ｕ電圧と
−Ｕ電圧との比率が｜−Ｕ｜／｜＋Ｕ｜＝１．００３の
方が感度や分解能が高まる場合は、ΔＵ信号発生器５０
で発生されるΔＵは同じであるが、スイッチ５４がΔＵ
信号制御減衰器５２と直流増幅器６０ｂとを接続する位
置に切り替えられ、従って直流増幅器６０ｂで−（Ｕ＋
ΔＵ）として−３７３．１Ｖが生成され、四極子電極１
００に印加される。なお、掃引範囲内で比率を一定に保
つためには、掃引停止質量に対応する所望のΔＵは原理
的には比例的に増大させる必要があるが、掃引開始質量
に対応するＵ電圧（＝３７２．０Ｖ）と掃引停止質量に
対応するＵ電圧（＝３７８．１Ｖ）との差が６．１Ｖと
狭い場合は、ΔＵ電圧として一定の電圧を用いても十分
であるので、本実施形態においては構成の簡便さを優先
して一定電圧を発生するΔＵ信号発生器５０を用いてい
る。本発明の別の一局面によれば、＋Ｕ電圧と−Ｕ電圧
との比率を従来のように１の一定比率に固定せずに、変
えられるようにすることにより、４つの四極子電極の配
置の物理的不平衡や、制御電源における信号系のリター
ン経路の引き回し等に起因した質量ピークの検出感度の
低下を補償して、高めることができる。使用に際して
は、図２の（Ｆ）に示される原子質量単位対質量ピーク
強度の表示画面で⁴Ｈｅ⁺とＤ₂の分離ピークを見ながら
その感度や分解能が最適となるよう｜−Ｕ｜／｜＋Ｕ｜
の比率をΔＵ信号発生指示器２５により調整する。

【００３３】本発明の更に別の一局面においては、＋Ｅ
電圧と−Ｅ電圧との比率を変えることにより分解能を更
に高めることができる。次に、このような本発明の更に
別の一局面の好適な実施形態を図１を参照して説明す
る。例えば＋Ｅ電圧と−Ｅ電圧との比率が｜＋Ｅ｜／｜
−Ｅ｜＝１．００４となるようにする場合について説明
する。同調検波器６８、可変減衰器７０及び比較器６４
から成るフィードバック系は、励振・電力増幅器６６の
出力のＥ電圧が所望のＥ電圧より小さい場合、同調検波
器６８の検波信号の大きさも所望のＥ電圧に対応する検
波信号の大きさより小さくなり、このより小さい検波信
号が比較器６４に入力され、そのため比較器６４は加算
器及び緩衝増幅器３４からの鋸歯状波基準電圧をより大
きくして平衡変調器６２に与えて所望のＥ電圧を得るよ
う動作する。従って、｜＋Ｅ｜／｜−Ｅ｜＝１．００４
となるようにするため、＋側電圧印加系４０の可変減衰
器７０ａは減衰度を１．００４の逆数の０．９９６に設
定し、一方、−側電圧印加系４２の可変減衰器７０ｂは
スルー即ち減衰度１に設定する。双方の可変減衰器７０
ａ及び７０ｂを上記のように設定することにより、掃引
開始質量が３．９９００ａｍｕのとき、＋側電圧印加系
４０の励振・電力増幅器６６ａの出力に７６３．７Ｖが
生成され、一方−側電圧印加系４２の励振・電力増幅器
６６ｂの出力は変化なく、−７６０．７Ｖのままで、｜
＋Ｅ｜／｜−Ｅ｜の比率として１．００４が得られる。
掃引停止質量が４．０５５０ａｍｕの場合も、同様にし
て、＋側電圧印加系４０の励振・電力増幅器６６ａの出
力に７７６．１Ｖが生成され、一方−側電圧印加系４２
の励振・電力増幅器６６ｂの出力は−７７３．１Ｖのま
まで、｜＋Ｅ｜／｜−Ｅ｜の比率として１．００４が得
られる。本発明の更に別の一局面によれば、＋Ｅ電圧と
−Ｅ電圧との比率を従来のように１の一定比率に固定せ
ずに、変えられるようにすることにより、４つの四極子
電極の配置の物理的不平衡や、制御電源における信号系
のリターン経路の引き回し等に起因した質量ピークの検
出感度の低下を補償して、高めることができる。使用に
際しては、図２の（Ｆ）に示される原子質量単位対質量
ピーク強度の表示画面で⁴Ｈｅ⁺とＤ²の分離ピークを見
ながらその感度や分解能が最適となるよう可変減衰器７
０ａ、７０ｂの一方あるいは双方の減衰度を変えて｜−
Ｅ｜／｜＋Ｅ｜の比率を調整する。なお、可変減衰器７
０ａ、７０ｂの減衰度をアナログ電圧発生部１０のコン
トロール部２０側から遠隔で制御するようにしてもよ
い。

【００３４】なお、＋Ｕ電圧と−Ｕ電圧との比率及び＋
Ｅ電圧と−Ｅ電圧との比率を変えない、即ち１の比率で
よい場合、あるいは＋Ｅ電圧と−Ｅ電圧との比率が＋Ｕ
電圧と−Ｕ電圧との比率と同じでよい場合には、直流増
幅器６０ａ、６０ｂが、加算器及び緩衝増幅器３４から
の鋸歯状波基準電圧を受け取る代わりに、図５に示され
る従来の四極子質量分析計の制御電源と同じように、同
調検波器６８ａ、６８ｂからの検波信号、あるいは可変
減衰器７０ａ、７０ｂを経た検波信号を受け取って増幅
するようにしてもよく、更に直流増幅器６０ａ、６０ｂ
の入力側に鋸歯状波基準電圧と検波信号とを用途に応じ
て選択的に受け取ることができるようにするスイッチを
設けてもよい。

【００３５】本発明は以上説明したように構成されてい
るので、質量ピークの感度や分解能が従来より高く、且
つそれらの変動率が小さい四極子質量分析計を安価に提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施形態による四極子質量分
析計の制御電源のブロック回路を示す。

【図２】図１に示される制御電源を用いた四極子質量分
析計の動作説明図である。

【図３】従来の四極子質量分析計の四極子電極部を拡大
した斜視図である。

【図４】安定領域を示した拡大マシュー線図である。

【図５】従来の四極子質量分析計の制御電源部分のブロ
ック回路を示す。

【図６】図５に示される制御電源を用いた四極子質量分
析計の動作説明図の一部である。

【図７】図５に示される制御電源を用いた四極子質量分
析計の動作説明図の一部である。

【符号の説明】

１制御電源１０アナログ電圧発生部１２高周波電源部１６鋸歯状波基準電圧発生部２０コントロール部２２掃引時間設定器２３掃引開始質量設定器２５ ΔＵ信号発生指示器２４掃引停止質量設定器３０掃引信号制御減衰器３２一定電圧発生器３４加算器及び緩衝増幅器４０＋側電圧印加系４２ −側電圧印加系５０ ΔＵ信号発生器５２ ΔＵ信号制御減衰器６２ａ、６２ｂ平衡変調器６４ａ、６４ｂ比較器６６ａ、６６ｂ励振・電力増幅器６８ａ、６８ｂ同調検波器７０ａ、７０ｂ可変減衰器７２ａ、７２ｂ加算器１００四極子電極１１０ディジタル電圧発生器１１２Ｄ／Ａコンバータ１２０ケーブル１３８水晶発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者廣木成治茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者土屋暢彦東京都八王子市北野町507−６東京システム開発株式会社八王子センター内Ｆターム(参考） 5C038 HH16 HH26 JJ06 JJ07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四極子電極と当該四極子電極に印加され
る電圧を生成及び制御する制御電源とを備え、前記制御
電源は、前記四極子電極に印加される直流及び交流電圧
の基礎となる鋸歯状波電圧を発生する鋸歯状波電圧発生
器を含む、四極子質量分析計において、前記制御電源は、前記鋸歯状波電圧発生器により発生さ
れた鋸歯状波電圧を減衰させる減衰手段を備え、前記制御電源は、当該減衰された鋸歯状波電圧に基づい
て前記四極子電極に印加される直流及び交流電圧を生成
することを特徴とする四極子質量分析計。
【請求項２】前記減衰手段は電圧減衰度を予め任意に
設定可能であることを特徴とする請求項１記載の四極子
質量分析計。
【請求項３】前記制御電源は更に、前記四極子電極に
印加される＋側直流電圧と−側直流電圧との比を変える
手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の四
極子質量分析計。
【請求項４】前記制御電源は更に、前記四極子電極に
印加される＋側高周波電圧と−側高周波電圧との比を変
える手段を備えることを特徴とする請求項１から３のい
ずれか一項に記載の四極子質量分析計。
【請求項５】四極子電極と当該四極子電極に印加され
る電圧を生成及び制御する制御電源とを備える四極子質
量分析計において、前記制御電源は、前記四極子電極に印加される＋側直流
電圧と−側直流電圧との比を変える手段を備えることを
特徴とする四極子質量分析計。
【請求項６】四極子電極と当該四極子電極に印加され
る電圧を生成及び制御する制御電源とを備える四極子質
量分析計において、前記制御電源は、前記四極子電極に印加される＋側高周
波電圧と−側高周波電圧との比を変える手段を備えるこ
とを特徴とする四極子質量分析計。