JP2000268771A - 垂直加速型飛行時間型質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】垂直加速型飛行時間型質量分析計において、イ
オンパルスが持つ運動エネルギー幅を従来よりも小さく
抑えることによって質量分解能を向上させる。 【解決手段】イオン溜３にイオンを蓄積する場合には、
押出プレート４は接地電位になされ、中間電極１１には
負の電圧Ｖ_W が印加される。これにより、イオン溜３内
ではイオンビームは、ほぼ収束された状態を保ったまま
ｙ方向に飛行する。従って、イオン溜３の内部でのイオ
ンのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能
であり、このことによって、イオン溜３からイオンパル
スとして排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの
広がりを最小限に抑えることができ、以て質量分解能を
向上させることができる。また、イオン溜３の入り口側
と出口側に第１、第２のミラー電極を配置し、押出プレ
ート４、グリッド５、中間電極１１、第１、第２のミラ
ー電極１２、１３に最適な電圧を印加すると、イオンビ
ームをイオン溜３内で複数回ジグザグに往復させ、蓄積
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、垂直加速型飛行時
間型質量分析計に係り、特に分解能を向上させるための
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、質量分析計として、試料から発生
させたイオンを飛行させることにより、試料のイオンを
質量の大きなイオンと質量の小さなイオンとに分離して
質量分析器に導入し、試料の質量分析を行う飛行時間型
質量分析計（TOFMS）が提案されている。この飛行時間
型質量分析計は、イオンに同一の運動エネルギーを与え
たとき、イオンの質量電荷比（ｍ／ｅ：Ｍは質量数、ｅ
は素電荷量）が小さいものほど、イオン検出器に早く到
達することを利用している。

【０００３】このような飛行時間型質量分析計の一つの
種類として、従来、イオンを連続的に出射する連続イオ
ン化法を用いた垂直加速型飛行時間型質量分析計（Orth
ogonal Acceleration TOFMS。以下、OA/TOFMS と称す）
が提案されている。

【０００４】図１４は、OA/TOF-MS の一構成例を模式的
に示す図である。図中、１はイオン源、２はビーム規制
スリット、３は長さｙ₀ のイオン溜、４はイオン押出プ
レート、５はイオン溜３のイオン放出口に設けられた、
金属メッシュ電極からなるグリッド、７はTOF-MS分光
部、８はイオン検出器である。

【０００５】電圧Ｖ₁ が印加されているイオン源１から
のイオンは、ｅＶ₁ の運動エネルギーでイオン規制スリ
ット２を通ってイオン溜３に導入される。そして、この
イオンが長さｙ₀ のイオン溜３に充満された状態におい
て、イオン押出プレート４に高圧パルス電圧（振幅電圧
＝Ｖ_P ）を印加すると、第１グリッド５が接地電位また
は接地電位近傍の電位に保持されているので、イオン溜
３内に充満されたイオンは、ｅＶ_P の運動エネルギーで
イオン溜３内でのイオンの飛行方向と垂直方向（TOFMS
の光軸方向で図１４のｚ方向）に加速され、イオン溜３
のグリッド５から排出される。これがイオンパルスであ
る。このとき、イオンはドリフト方向の長さｙ₀ （イオ
ン溜３の長さ）のビーム長分が排出される。

【０００６】イオン溜３から排出されたイオンパルスは
TOFMS分光部７に進入し、TOFMS分光部７内を飛行した
後、イオン検出器８に到達する。このとき、イオンはTO
FMS分光部７内の飛行中に質量分離され、質量の小さい
イオンから順次イオン検出器８に検出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、イオン源１
として連続イオン化法によるイオン源を用いた場合、イ
オン源１で生成され、イオン溜３に導入されるイオン
は、通常数十ｅＶ程度で加速されるために、図１４に示
すように、ｒ₀ の空間的な広がりを持つが、このこと
は、イオン溜３から排出されたイオンパルスは、イオン
溜３内での空間的広がりに対応した運動エネルギー幅を
有していることを意味している。

【０００８】例えば、図１４において、イオン押出プレ
ート４とグリッド５の間の距離（図の２Ｓ₀）を 6ｍ
ｍ、イオン押出プレート４に印加する高圧パルス電圧Ｖ
_P を 600Ｖとすると、イオン溜３内でのイオンビームの
ｚ方向の空間的広がりｒ₀ を 2ｍｍとしても、1.0 ｍｍ
当たり 100ｅＶの運動エネルギーの広がりとなるため、
イオンパルスが持つｚ方向の全運動エネルギー幅は 200
ｅＶに達する。

【０００９】このようにイオンパルスが運動エネルギー
幅を持つと、その運動エネルギー幅が大きければ大きい
程、必然的にTOFMS分光系７の高次のエネルギー収差が
増大し、得られるスペクトル幅が非対称になるばかりで
なく、質量分解能の低下を招いてしまうものである。

【００１０】このことは、特に、イオン源１として低加
速電子衝突型（ＥＩ）イオン源を用いた場合に顕著であ
る。即ち、上述したように、通常はイオン溜３に導入さ
れるイオンは数十ｅＶ程度で加速されるのである。その
ために、イオンパルスの持つ運動エネルギー幅の広がり
は大きなものとなるのである。

【００１１】本発明は、イオン源としてどのようなもの
を用いた場合においても、イオンパルスが持つ運動エネ
ルギー幅を従来よりも小さく抑えることによって質量分
解能を向上させることができる垂直加速型飛行時間型質
量分析計を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計
は、イオン源から出射したイオンビームをイオン溜の入
射端面近傍の位置に収束させる収束レンズと、押出プレ
ートと、イオン放出口に設けられたグリッドと、押出プ
レートとグリッドの間に配置された中間電極とで構成さ
れるイオン溜とを備え、前記中間電極には、イオン溜に
イオンを導入する場合には、イオン溜内でのイオンビー
ムの空間的広がりを抑える電圧が印加され、イオン溜か
らイオンパルスを排出する際には、押出プレートに印加
される電圧を分圧した電圧が印加されることを特徴とす
る。請求項２記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計
は、イオン源から出射したイオンビームをイオン溜の入
射端面近傍の位置に収束させる収束レンズと、押出プレ
ートと、イオン放出口に設けられたグリッドと、押出プ
レートとグリッドの間に配置された中間電極とで構成さ
れるイオン溜とを備え、収束レンズ、押出プレート、グ
リッド、及び中間電極には、イオン溜の入出射端に、イ
オン溜に導入されたイオンがイオン溜内を一往復するよ
うな非対称な電位分布が形成される適切な電位が印加さ
れることを特徴とする。請求項３記載の垂直加速型飛行
時間型質量分析計は、イオンビームを所定の入射角度α
でイオン溜に入射する入射手段と、入射手段からのイオ
ンビームをイオン溜の入射端面近傍の位置に収束させる
収束レンズと、押出プレートと、イオン放出口に設けら
れたグリッドと、押出プレートとグリッドの間に配置さ
れた中間電極とで構成されるイオン溜と、イオン溜の入
り口側と出口側に対称に配置された第１、第２のミラー
電極とを備え、押出プレート、グリッド、中間電極、及
び第１、第２のミラー電極に、イオンビームがイオン溜
内で複数回ジグザグに往復するような電圧が印加される
ことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係る垂直加
速型飛行時間型質量分析計の第１の実施形態を示す図で
あり、イオン溜３近傍の部分のみを示す部分図である。
その他については図１４に示すと同じである。図１にお
いて、１０は収束レンズ、１１は中間電極、ＳＷ₁ ，Ｓ
Ｗ₂ はスイッチを示す。なお、以下の説明においてはイ
オン源１（図１には図示せず）から出射されるイオンは
正イオンであるとする。

【００１４】図１は、イオン溜３のｙ−ｚ平面における
平面図であり、イオン源１とイオン溜３の間には収束レ
ンズ１０が配置されている。この収束レンズ１０は、ア
インツェルレンズ、または静電４重極レンズ、あるいは
円筒レンズで構成することができるが、ここでは図に示
すように、３つの電極からなるアインツェルレンズで構
成されるものとする。そして、この場合にはイオンが正
イオンであるので、中央電極には正の電圧Ｖ_L が印加さ
れ、その両側の電極は接地電位となされる。

【００１５】ここで重要なことは、収束レンズ１０によ
るイオンビームの収束点がイオン溜３の入射側端面近傍
に位置するように電圧Ｖ_L を設定することである。望ま
しくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致さ
せることである。そのためには、この中央電極に印加す
る電圧Ｖ_L を、イオン源１に印加される電圧Ｖ₁ と同極
性で、且つＶ₁ 以上の最適な電圧を与えればよい。これ
により、イオンビームをイオン溜３の入射側端面近傍に
収束させることができる。

【００１６】従って、図示しないイオン源１から出射し
たイオンビームは、収束レンズ１０によってイオン溜３
の入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に導入
し、蓄積されることになる。

【００１７】イオン溜３は、押出プレート４と、グリッ
ド５、及び中間電極１１で構成される。中間電極１１
は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されてい
る。そして、中間電極１１のイオン溜３の入射側は、押
出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致させるよ
うに取り付け支持する。この中間電極１１は、押出プレ
ート４とグリッド５の間に配置されていればよく、必ず
しも押出プレート４とグリッド５間の中央でなくてもよ
い。

【００１８】この中間電極１１に印加する電圧について
は次のようである。イオン溜３にイオンを導入し、蓄積
する場合には、イオンの電荷極性と逆の極性の電圧Ｖ_W
を印加する。従って、この場合には正イオンであるの
で、Ｖ_W は負の電圧である。正イオンの運動エネルギー
が数十ｅＶである場合には、Ｖ_W は通常負の数Ｖ〜数十
Ｖとなされる。

【００１９】イオン溜３からイオンパルスを排出する場
合には、中間電極１１には高電圧Ｖ _P を可変抵抗Ｒで分
圧した電圧Ｖ_W0を印加する。この電圧Ｖ_W0は、中間電極
１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位
置に配置されているかによって決まる電圧であり、図１
に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２
Ｓ₀ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ
（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、Ｖ_W0＝Ｖ_P
×（ａ／２Ｓ₀ ）である。従って、中間電極１１が押出
プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されて
いる場合には、Ｖ_W0＝Ｖ_P／２である。つまり、中間電
極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような
位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調
整して、Ｖ_W0を上記のような電圧に設定するのである。
なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレー
ト４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているも
のとする。

【００２０】図２に押出プレート４、グリッド５及び中
間電極１１の配置状態の斜視図を示すが、この中間電極
１１は、図２（ａ）に示すように１本の金属ワイヤ電極
で構成してもよく、図２（ｂ）に示すように複数本の金
属ワイヤ電極で構成してもよく、あるいは図２（ｃ）に
示すように格子板状のメッシュ電極で構成してもよい。

【００２１】スイッチＳＷ₁ は、押出プレート４に印加
する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３に
イオンを導入し、蓄積する場合には図１の実線で示すよ
うに接続される。従って、この場合には押出プレート４
は接地電位になされる。イオン溜３からイオンパルスを
排出する場合には、瞬間的に図１の破線で示すように接
続される。従って、この場合には押出プレート４にはイ
オンの電荷極性と同極性の高電圧Ｖ_P が印加される。

【００２２】スイッチＳＷ₂ は、中間電極１１に印加す
る電圧を切り換えるためのものであり、上述したよう
に、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、
図１の実線で示すように接続されて、中間電極１１には
負の電圧Ｖ_W が印加され、また、イオン溜３からイオン
パルスを排出する場合には、図１の破線で示すように接
続されて、中間電極１１にはイオンの電荷極性と同極性
の電圧Ｖ_W0＝Ｖ_P ／２が印加される。

【００２３】これらの二つのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ は
図示しない制御手段によって連動して切り換え制御がな
される。これらのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ としては、Ｑ
スイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の高速のスイッチン
グが可能なものを用いる。

【００２４】次に、上述した説明と重複するが、動作に
ついて説明する。まず、イオン溜３にイオンを導入し、
蓄積する場合について説明する。このとき、スイッチＳ
Ｗ₁ ，ＳＷ₂ は共に図１の実線で示すように接続される
ので、押出プレート４は接地電位になされ、中間電極１
１には負の電圧Ｖ_W が印加される。このときのイオンビ
ームの振る舞いをシミュレーションした結果を図３に示
す。このシミュレーションにおいては、収束レンズ１０
に入射するイオンビームの運動エネルギーは10ｅＶ、そ
の運動エネルギー幅は 1.0ｅＶ、イオンビームの入射角
度は±2.0 °、中間電極１１に印加される電圧Ｖ_W は−
20Ｖである。また、収束レンズ１０の中央電極に印加さ
れる電圧Ｖ_L は＋25Ｖである。

【００２５】図３においては収束レンズ１０の中央電極
に印加する電圧Ｖ_L は最適に調整されており、イオンビ
ームは、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端
面とほぼ同じ位置に収束されてイオン溜３に導入し、蓄
積される。そして、イオン溜３内ではイオンビームは、
ほぼ収束された状態を保ったままｙ方向に飛行してい
る。つまり、イオン溜３の内部でのイオンのｚ方向の空
間的広がりを最小限に抑えることが可能なのであり、こ
のことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排
出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最
小限に抑えることが可能になり、以て質量分解能を向上
させることができるのである。

【００２６】これに対して、収束レンズ１０の中央電極
に印加する電圧Ｖ_L が最適でなく、収束レンズ１０の収
束点がイオン溜３の手前になった場合のシミュレーショ
ン結果を比較のために図４に示す。このシミュレーショ
ンにおいては、収束レンズ１０に入射するイオンビーム
の運動エネルギーは10ｅＶ、その運動エネルギー幅は1.
0ｅＶ、イオンビームの入射角度は±2.0 °、中間電極
１１に印加される電圧Ｖ_W は−20Ｖと図３に示す場合と
同じであるが、収束レンズ１０の中央電極に印加される
電圧Ｖ_L は＋19Ｖである。

【００２７】図４では、イオン溜３の内部ではイオンビ
ームはｚ方向に大きく広がっており、従ってイオンの持
つ運動エネルギーの広がりも大きく、質量分解能を向上
させることは非常に難しいものである。

【００２８】次に、イオン溜３内のイオンを排出する場
合について説明する。このとき、スイッチＳＷ₁ ，ＳＷ
₂ は共に図１の破線で示すように接続されるので、押出
プレート４には高電圧Ｖ_P が印加され、中間電極１１に
はＶ_W0＝Ｖ_P ／２が印加される。これによって、イオン
溜３内のイオンはグリッド５からTOFMS分光部７に排出
される。

【００２９】以上のように、この垂直加速型飛行時間型
質量分析計によれば、イオン溜３の内部でのイオンのｚ
方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能であ
り、このことによって、イオン溜３からイオンパルスと
して排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広が
りを最小限に抑えることが可能になり、以て質量分解能
を向上させることができる。

【００３０】また、図３において説明したように、運動
エネルギーが10ｅＶ程度のイオンビームであってもイオ
ン溜３の内部で収束した状態を保持できるので、イオン
源１としてＥＩイオン源を用いた場合にも質量分解能を
向上させることができる。

【００３１】以上は、図１４に示すようにイオンがイオ
ン溜３からｚ方向に直進するリニア型のTOFMSを代表例
として説明したが、上述したようにイオン溜３の内部で
のイオンの空間的広がりを最小限に抑えることが可能で
あるということは、特に、セクタ電場を用いたTOFMSに
は大きなメリットがあり、イオンの運動エネルギーの中
心値が同じ場合には、使用する電場電極のエアギャップ
サイズが小さいものが使用できると共に、セクタ電場電
極に常時印加する電圧も小さくできるものである。ま
た、TOFMS分光部７にリフレクトロンを用いた場合は、
反射ミラー部以降のイオンビームの発散幅を狭くでき、
装置の小型化が可能となる。

【００３２】次に、本発明に係る第２の実施形態につい
て説明する。図５は本発明に係る垂直加速型飛行時間型
質量分析計の第２の実施形態を示す図であり、イオン溜
３近傍の部分のみを示す部分図である。その他について
は図１４に示すと同じである。ここでも、イオン源１
（図５には図示せず）から出射されるイオンは正イオン
であるとする。

【００３３】図５は、イオン溜３のｙ−ｚ平面における
平面図であり、この実施形態においても、イオン源１と
イオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されており、
イオン溜３は、押出プレート４と、グリッド５、及び中
間電極１１で構成されている。収束レンズ１０はアイン
ツェルレンズで構成されており、この場合にはイオンが
正イオンであるので、中央電極には正の電圧Ｖ_L が印加
され、その両側の電極は接地電位となされる。

【００３４】中間電極１１は、上記の第１の実施形態に
示すと同じであり、押出プレート４とグリッド５の間に
配置されている。中間電極１１のイオン溜３の入射側
は、押出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致さ
せるように取り付け支持されている。この中間電極１１
は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されていれ
ばよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５間の中央
でなくてもよい。また、第１の実施形態で説明したよう
に、中間電極１１は、１本の金属ワイヤ電極で構成して
もよく、複数本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、あ
るいは格子板状のメッシュ電極で構成してもよい。

【００３５】ここで重要なことは、収束レンズ１０によ
るイオンビームの収束点がイオン溜３の入射側端面近傍
に位置するように電圧Ｖ_L を設定することである。望ま
しくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致さ
せることである。そのためには、この中央電極に印加す
る電圧Ｖ_L を、イオン源１に印加される電圧Ｖ₁ と同極
性で、且つＶ₁ 以上の最適な電圧を与えればよい。これ
により、イオンビームをイオン溜３の入射側端面近傍に
収束させることができる。

【００３６】以上のように、この実施形態と、図１に示
す第１の実施形態とは、構造的には同じなのであるが、
押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加
する電圧が異なる。以下、説明するスイッチＳＷ₁ は、
押出プレート４に印加する電圧を切り換えるためのもの
であり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合に
は図５の実線で示すように接続される。従って、この場
合には押出プレート４には電圧Ｖ_G が印加される。この
電圧Ｖ_G は、イオン源１に印加される電圧Ｖ₁ と同極性
で、且つＶ₁ 以上の電圧にする。また、イオン溜３から
イオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図５の破線
で示すように接続される。従って、この場合には押出プ
レート４にはイオンの電荷極性と同極性の高電圧Ｖ_P が
印加される。

【００３７】スイッチＳＷ₂ は、中間電極１１に印加す
る電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイ
オンを導入し、蓄積する場合には、図５の実線で示すよ
うに接続されて、中間電極１１には負の電圧Ｖ_W1が印加
される。イオンが正イオンである場合には、この電圧Ｖ
_W1は、上記の電圧Ｖ_G よりも低い電圧である。また、イ
オン溜３からイオンパルスを排出する場合には、図５の
破線で示すように接続されて、中間電極１１にはイオン
の電荷極性と同極性の電圧Ｖ_W0が印加される。この電圧
Ｖ_W0は、電圧Ｖ_P を可変抵抗Ｒで分圧した電圧であり、
中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどの
ような位置に配置されているかによって決まる。図５に
示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２Ｓ
₀ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ
（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、Ｖ_W0＝Ｖ_P
×（ａ／２Ｓ₀ ）である。従って、中間電極１１が押出
プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されて
いる場合には、Ｖ_W0＝Ｖ_P／２である。つまり、中間電
極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような
位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調
整して、Ｖ_W0を上記のような電圧に設定するのである。
なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレー
ト４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているも
のとする。

【００３８】スイッチＳＷ₃ は、グリッド５に印加する
電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオ
ンを導入し、蓄積する場合には図５の実線で示すように
接続される。従って、この場合にはグリッド５には、押
出プレート４と同じ電圧Ｖ_Gが印加される。また、イオ
ン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に
図５の破線で示すように接続される。従って、この場合
にはグリッド５は接地電位となされる。

【００３９】これらの３つのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，
ＳＷ₃ は図示しない制御手段によって連動して切り換え
制御がなされる。これらのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，Ｓ
Ｗ₃としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の
高速のスイッチングが可能なものを用いる。

【００４０】次に、上述した説明と重複するが、動作に
ついて説明する。図５には図示しないイオン源１から出
射したイオンビームは、収束レンズ１０によってイオン
溜３の入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に
導入し、蓄積される。

【００４１】イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場
合は、スイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，ＳＷ₃ は何れも図５の
実線で示すように接続されるので、押出プレート４及び
グリッド５には同じ電圧Ｖ_G が印加され、中間電極１１
にはＶ_W1が印加される。このとき、収束レンズ１０の中
央電極に印加する電圧Ｖ_L を適切な値に選択すると、イ
オン溜３の入り口と出口近傍の電位分布を、イオン溜３
の入り口近傍の領域ではイオン源１に印加される電圧Ｖ
₁ 以下の電位を持たせて、イオンビームを反射させるこ
となくイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イ
オン溜３の出口近傍ではイオン源１に印加される電圧Ｖ
₁ よりも高くすることができる。これは即ち、収束レン
ズ１０の中央電極に印加する電圧Ｖ_L によって、イオン
溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布を非対称にする
ことができることを意味している。

【００４２】そして、この第２の実施形態では、イオン
溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が、上述したよ
うに、イオン溜３の入り口近傍の領域ではイオン源１に
印加される電圧Ｖ₁ 以下の電位を持たせてイオンビーム
をイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イオン
溜３の出口近傍ではイオン源１に印加される電圧Ｖ₁よ
りも高くなるように非対称になるように電圧Ｖ_L を選択
する。また、この電圧Ｖ_L は、イオンビームの収束点が
イオン溜３の入射側端面近傍に位置するような電圧でも
あることは上述した通りである。

【００４３】図６にシミュレーション例を示す。図６
は、Ｖ₁ ＝ 5Ｖ、Ｖ_L ＝10Ｖ、Ｖ_G ＝10Ｖ、Ｖ_W1＝ 0Ｖ
としたときの電位分布をシミュレーションしたものであ
り、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が非
対称になっていることがわかる。なお、図６においてＡ
はイオンビームの軌道を示す。

【００４４】以上のように、この実施形態では、イオン
溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、イオン溜３
の入り口近傍と出口近傍の電位分布は非対称になるので
あり、このときには、イオンビームは、図７に示すよう
にイオン溜３の内部をｙ方向に一往復する。即ち、イオ
ンビームは、収束レンズ１０によってイオン溜３のほぼ
入射側端面に収束されてイオン溜３の内部に入射し、イ
オン溜３の内部を飛行して出口に至り、その出口で反射
して入り口の方向に飛行するのである。図７に示すシミ
ュレーションにおける電圧の条件は図６に示すと同じで
あり、Ｖ₁ ＝ 5Ｖ、Ｖ_L ＝10Ｖ、Ｖ_G ＝10Ｖ、Ｖ_W1＝ 0
Ｖである。

【００４５】なお、Ｖ₁ ，Ｖ_L ，Ｖ_G 及びＶ_W1の値には
相似法則が成り立ち、Ｖ_L ，Ｖ_G 及びＶ_W1の値はＶ₁ の
値に比例させて増減させれば、イオンビームは同じ軌道
を描いて往復することが確認されている。

【００４６】次に、イオン溜３内のイオンを排出する場
合について説明する。このとき、スイッチＳＷ₁ ，ＳＷ
₂ ，ＳＷ₃ は何れも図５の破線で示すように接続される
ので、押出プレート４には高電圧Ｖ_P が印加され、中間
電極１１にはＶ_W0＝Ｖ_P ／２が印加され、グリッド５は
接地電位になされる。これによって、イオン溜３内のイ
オンはグリッド５からTOFMS分光部７に排出される。

【００４７】以上のように、この垂直加速型飛行時間型
質量分析計によれば、イオン源１で生成されたイオンビ
ームの運動エネルギーが 5ｅＶ程度と低い場合であって
も、イオン溜３の内部でイオンのｚ方向の空間的広がり
を最小限に抑えた状態で一往復させることができ、この
ことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排出
するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最小
限に抑えることが可能になり、以て質量分解能を向上さ
せることができる。

【００４８】また、イオン溜３の内部でイオンを一往復
させるので、イオン溜３の物理的な長さｙ₀ の範囲に蓄
積できるイオンの量は従来の２倍となるので、イオン源
１で生成されたイオンのTOFMS での検出効率は従来の２
倍となる。

【００４９】そして、このことによって、装置の小型化
が可能となる。即ち、イオン溜３に蓄積できるイオンの
量は従来の２倍となるので、イオン溜３の長さｙ0 を従
来の半分にしても同一量のイオンをイオン溜３に蓄積で
き、同一感度が得られるからである。

【００５０】以上は、図１４に示したイオンがイオン溜
３からｚ方向に直進するリニア型のTOFMSを代表例とし
て説明したが、上述したようにイオン溜３の内部でのイ
オンの空間的広がりを最小限に抑えることが可能である
ということは、特に、セクタ電場を用いたTOFMSには大
きなメリットがあり、イオンの運動エネルギーの中心値
が同じ場合には、使用する電場電極のエアギャップサイ
ズが小さいものが使用できると共に、セクタ電場電極に
常時印加する電圧も小さくできるものである。また、TO
FMS分光部７にリフレクトロンを用いた場合にも、反射
ミラー部以降のイオンビームの発散幅を狭くでき、装置
の小型化が可能となる。

【００５１】次に、本発明に係る第３の実施形態につい
て説明する。図８は本発明に係る垂直加速型飛行時間型
質量分析計の第３の実施形態を示す図であり、イオン溜
３近傍の部分のみを示す部分図である。その他について
は図１４に示すと同じである。ここでも、イオン源１
（図８には図示せず）から出射されるイオンは正イオン
であるとする。

【００５２】図８は、イオン溜３近傍のｙ−ｚ平面にお
ける図であり、この実施形態においても、イオン源１と
イオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されており、
イオン溜３は、押出プレート４と、グリッド５、及び中
間電極１１で構成されている。そして、更に、この実施
形態では、イオン溜３のイオンの入り口側には第１のミ
ラー電極１２が配置され、出口側には第２のミラー電極
１３が配置されている。

【００５３】収束レンズ１０は、アインツェルレンズ、
または静電４重極レンズ、あるいは円筒レンズで構成す
ることができるが、ここでは図に示すように、３つの電
極からなるアインツェルレンズで構成されるものとす
る。この場合にはイオンが正イオンであるので、後述す
るように、中央電極には正の電圧Ｖ_L が印加され、その
両側の電極は接地電位となされる。そして、この電圧Ｖ
_L は、収束レンズ１０によるイオンビームの収束点がイ
オン溜３の入射側端面近傍に位置するように設定され
る。望ましくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置
に一致させることである。そのためには、この中央電極
に印加する電圧Ｖ_L を、イオン源１に印加される電圧Ｖ
₁ と同極性で、且つＶ₁ 以上の最適な電圧を与えればよ
い。これにより、イオンビームをイオン溜３の入射側端
面近傍に収束させることができる。

【００５４】イオン溜３は、押出プレート４と、グリッ
ド５、及び中間電極１１で構成される。中間電極１１
は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されてい
る。中間電極１１は、図９の斜視図に示すように、複数
本の金属細線が等間隔に、ｘ軸に平行に簾状に配置され
た構成を有している。そして、これらの中間電極１１を
構成する全ての金属細線は同電位になされる。この中間
電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置さ
れていればよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５
間の中央でなくてもよい。なお、図９では第１、第２の
ミラー電極１２、１３は省略している。

【００５５】第１のミラー電極１２と第２のミラー電極
１３はイオン溜３の入り口側と出口側に対称となるよう
に配置されており、常時同一の一定電位になされてい
る。この電位は、後述するように、イオンビームをイオ
ン溜３内部でジグザグ状に往復運動させることができる
電位、即ち、イオンの加速電圧Ｖ₁ よりも若干高い電位
となされる。

【００５６】図１０は、この実施形態のｘ−ｙ平面の図
であるが、第１のミラー電極１２は、図１０に示すよう
に、イオン源１（図１０には図示せず）からのイオンビ
ームが収束レンズ１０を通過してイオン溜３に導入でき
るように、第２のミラー電極１３に対して、ｘ方向の長
さの一端はＸ₀ の長さだけカットされて短くなされてい
る。このために、イオン溜３の両端部のこのカット部分
では、第１のミラー電極による電位分布と、第２のミラ
ー電極１３による電位分布とは非対称となる。なお、図
１０では収束レンズ１０は省略している。

【００５７】この第１のミラー電極１２のカットする長
さＸ₀ は、イオン溜３のｙ方向の長さをｙ₀ 、イオンビ
ームがイオン溜３に入射するときの入射角度をαとする
とき、Ｘ₀ ＜（２ｙ₀×tanα）となるようにする。

【００５８】これに対して、第１のミラー電極１２がカ
ットされていない部分では、イオン溜３の両端部には第
１のミラー電極１２と、第２のミラー電極１３が対称に
配置されているので、電位分布は図１１に示すように対
称となる。図１１でも収束レンズ１０は省略している。

【００５９】なお、この実施形態においては、図示しな
いイオン検出器８はイオン溜３のサイズと同等以上の検
出面を持つ２次元の面型の検出器を用いる。

【００６０】さて、この実施形態においては、イオンビ
ームをｙ軸に平行にイオン溜３に入射させるのではな
く、入射手段によって図９及び図１０のＡで示すよう
に、ある入射角度α（α≠0 ）を持たせてイオン溜３に
入射させる。このようにイオンビームを入射角度αでイ
オン溜３に入射させるための入射手段としては、イオン
源１をｙ軸に対して角度αだけ傾斜させて配置するよう
にしてもよく、あるいはイオン源１からはイオンビーム
をｙ軸に平行に出射し、そのイオンビームを偏向器によ
りｙ軸に対して角度αだけ偏向させるようにしてもよ
い。その他の手法を採用してもよい。要するに、イオン
ビームをある入射角度αでイオン溜３に入射させること
ができる入射手段を設ければよいものである。

【００６１】次に、押出プレート４、グリッド５、及び
中間電極１１に印加する電圧について、図１２を参照し
て説明する。スイッチＳＷ₁ は、押出プレート４に印加
する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３に
イオンを導入し、蓄積する場合には図１２の実線で示す
ように接続される。従って、この場合には押出プレート
４には電圧Ｖ_G が印加される。この電圧Ｖ_G は、イオン
源１に印加される電圧Ｖ₁ に近い正の電圧となされる。
また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合に
は、瞬間的に図１２の破線で示すように接続される。従
って、この場合には押出プレート４にはイオンの電荷極
性と同極性の高電圧Ｖ_P が印加される。

【００６２】スイッチＳＷ₂ は、中間電極１１に印加す
る電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイ
オンを導入し、蓄積する場合には、図１２の実線で示す
ように接続されて、中間電極１１には電圧Ｖ_W1が印加さ
れる。イオンが正イオンである場合には、この電圧Ｖ_W1
は、上記の電圧Ｖ_G よりも低い電圧である。また、イオ
ン溜３からイオンパルスを排出する場合には、図１２の
破線で示すように接続されて、中間電極１１にはイオン
の電荷極性と同極性の電圧Ｖ_W0が印加される。この電圧
Ｖ_W0は、電圧Ｖ_P を可変抵抗Ｒで分圧した電圧であり、
中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどの
ような位置に配置されているかによって決まる。図１２
に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２
Ｓ₀ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ
（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、Ｖ_W0＝Ｖ_P
×（ａ／２Ｓ₀ ）である。従って、中間電極１１が押出
プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されて
いる場合には、Ｖ_W0＝Ｖ_P／２である。つまり、中間電
極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような
位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調
整して、Ｖ_W0を上記のような電圧に設定するのである。
なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレー
ト４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているも
のとする。なお、前記電圧Ｖ_W1は、接地電位でもよく、
また接地電位近傍の負の電圧でもよいものである。

【００６３】スイッチＳＷ₃ は、グリッド５に印加する
電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオ
ンを導入し、蓄積する場合には図１２の実線で示すよう
に接続される。従って、この場合にはグリッド５には、
押出プレート４と同じ電圧Ｖ _G が印加される。また、イ
オン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的
に図１２の破線で示すように接続される。従って、この
場合にはグリッド５は接地電位となされる。

【００６４】これらの３つのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，
ＳＷ₃ は図示しない制御手段によって連動して切り換え
制御がなされる。これらのスイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，Ｓ
Ｗ₃としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の
高速のスイッチングが可能なものを用いる。

【００６５】次に、上述した説明と重複するが、動作に
ついて説明する。イオン源１から出射したイオンビーム
は、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端面近
傍の位置で収束されてイオン溜３に導入し、蓄積され
る。

【００６６】イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場
合は、スイッチＳＷ₁ ，ＳＷ₂ ，ＳＷ₃ は何れも図１２
の実線で示すように接続されるので、押出プレート４及
びグリッド５には同じ電圧Ｖ_G が印加され、中間電極１
１にはＶ_W1が印加される。このとき、上述した電圧の関
係によって、イオン溜３内のｚ軸方向の電位分布は、ｚ
軸方向の中点、即ち中間電極１１の位置において図１１
に示すように井戸型となる。

【００６７】このときのイオン溜３内におけるイオンビ
ームの振る舞いのシミュレーションの結果を図１０、図
１３に示す。図１３は、ｙ−ｚ平面におけるイオンビー
ムの振る舞いを示しているが、イオン溜３の内部では、
イオンビームはｙ軸に沿ってほぼ収束された状態を保っ
たまま飛行していることが分かる。つまり、イオン溜３
の内部でのイオンのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑
えることが可能なのであり、このことによって、イオン
溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持
つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能
になり、以て質量分解能を向上させることができるので
ある。

【００６８】そして、このときのイオンビームの振る舞
いをｘ−ｙ平面で見ると図１０に示すようであり、イオ
ン溜３に入射角度αで入射したイオンビームは、イオン
溜３内を飛行してミラー電極１３で反射されて再びイオ
ン溜３内を飛行し、更にミラー電極１２で反射されるこ
とを繰り返すので、図１０に示すようにジグザグに複数
回往復運動することになる。

【００６９】ここで、イオン溜３内でイオンビームを何
往復させるかは、入射角度αにより制御できる。α＝ 0
°とすると一往復となることは明らかである。入射角度
αを小さく取ると往復回数を多くすることができるが、
イオンビームが中間電極１１に衝突して消滅する確率を
考慮すると、５往復程度が有効である。即ち、イオンビ
ームは中間電極１１の金属細線に衝突すると電荷を失
い、消滅すると考えられるが、いま、イオン溜３の長さ
をｙ₀ ＝20ｍｍ、金属細線の間隔を 2ｍｍ、金属細線の
直径を20μｍとすると、イオンビームがイオン溜３を１
回横断する間、即ち、イオンビームがイオン溜３の一端
から他端に到達するまでの間には１１本の金属細線があ
ることになり、イオン溜３に入射するイオンの個数を
ａ、１個のイオンが金属細線に衝突せずにイオン溜３を
通過する確率をｒとすると、イオン溜３を１回横断する
ときに金属細線に衝突することなく無事に通過するイオ
ンの個数はａ×ｒ¹¹となる。従って、ｒ＝0.99とし、イ
オン溜３内で５往復、即ち１０回横断させるとすると、
中間電極１１の金属細線に衝突することなく飛行できる
イオンの個数は0.33ａとなる。

【００７０】即ち、ｎ回イオン溜３を横断した場合、中
間電極１１の金属細線に一度も衝突せず、イオン溜３へ
の入射時点に有する運動エネルギーｅＶ₁ を維持した有
効なイオン溜３内のイオンの個数Ｉは次式で与えられ
る。 Ｉ＝ａ（ｒ＋ｒ²＋ｒ³＋…＋ｒ¹¹ⁿ）＝ａｒ（１−
ｒ¹¹ⁿ）／（１−ｒ） そして、一例としてｎ＝10、ｒ＝0.99とした場合、Ｉ＝
66.2ａとなり、実行横断回数ｎ＝10で、有効イオン蓄積
量ｍ（単位は回数）は、ｍ＝6.62となる。即ち、この場
合には、イオン溜３には6.62横断回相当分のイオンを蓄
積できることになる。このことから、往復回数は５往復
程度までとするのがよいのである。

【００７１】次に、イオン溜３内のイオンを排出する場
合について説明する。このとき、スイッチＳＷ₁ ，ＳＷ
₂ ，ＳＷ₃ は何れも図１２の破線で示すように接続され
るので、押出プレート４には高電圧Ｖ_P が印加され、中
間電極１１にはＶ_W0＝Ｖ_P ／２が印加され、グリッド５
は接地電位になされる。これによって、イオン溜３内の
イオンはグリッド５からTOFMS分光部７に排出される。

【００７２】以上のように、この垂直加速型飛行時間型
質量分析計によれば、イオン溜３の内部でイオンのｚ方
向の空間的広がりを最小限に抑えた状態で複数回ジグザ
グに往復させることができ、このことによって、イオン
溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持
つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能
になり、以て質量分解能を向上させることができる。

【００７３】また、イオン溜３内部でイオンビームを複
数回ジグザグに往復させるので、イオンビームをイオン
溜３内に保持蓄積できる時間が延長でき、TOFMS のデュ
ーティサイクル値を大きく取ることができ、従来より高
感度のOA/TOFMSを提供することができる。

【００７４】なお、上述した例では第１、第２のミラー
電極１２、１３はコ字形のものとしたが、弧状のミラー
電極等のミラー反射機能を持つものであれば使用できる
ものである。また、中間電極１１を構成する金属細線は
直径の小さい、細いものが望ましいことは上述したとこ
ろから明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析
計の第１の実施形態を示す図である。

【図２】 押出プレート４、グリッド５及び中間電極１
１の配置状態を示す斜視図である。

【図３】 第１の実施形態で、収束レンズ１０の中央電
極に印加する電圧Ｖ _L が最適に選択された場合において
イオン溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビ
ームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図４】 第１の実施形態で、収束レンズ１０の中央電
極に印加する電圧Ｖ _L が最適でない場合においてイオン
溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビームの
振る舞いのシミュレーション結果を示す図である。

【図５】 本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析
計の第２の実施形態を示す図である。

【図６】 第２の実施形態において、Ｖ₁ ＝ 5Ｖ、Ｖ_L
＝10Ｖ、Ｖ_G ＝10Ｖ、Ｖ_W1＝ 0Ｖとしたときのイオン溜
３近傍の電位分布のシミュレーション結果を示す図であ
る。

【図７】 第２の実施形態で、イオン溜３にイオンを導
入し、蓄積するときのイオンビームの振る舞いのシミュ
レーション結果を示す図である。

【図８】 本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析
計の第３の実施形態を示す図である。

【図９】 第３の実施形態における押出プレート４、グ
リッド５及び中間電極１１の配置状態を示す斜視図であ
る。

【図１０】 第１のミラー電極１２、第２のミラー電極
１３のｘ−ｙ平面における構成を示すと共に、イオン溜
３にイオンビームを蓄積するときのイオンビームの振る
舞いを示す図である。

【図１１】 第１のミラー電極１２がカットされていな
い部分において、イオン溜３近傍の電位分布が対称とな
ることを示す図である。

【図１２】 第３の実施形態において、押出プレート
４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧を説
明するための図である。

【図１３】 第３の実施形態において、イオンビームを
イオン溜３に蓄積するときのイオン溜３内におけるイオ
ンビームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図で
ある。

【図１４】 OA/TOF-MS の一構成例を模式的に示す図で
ある。

【符号の説明】

１…イオン源、２…ビーム規制スリット、３…長さｙ₀
のイオン溜、４…イオン押出プレート、５…グリッド、
７…TOF-MS分光部、８…イオン検出器、１０…収束レン
ズ、１１…中間電極、１２、１３…ミラー電極。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源から出射したイオンビームをイオ
   ン溜の入射端面近傍の位置に収束させる収束レンズと、 押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッド
   と、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極
   とで構成されるイオン溜とを備え、 前記中間電極には、イオン溜にイオンを導入する場合に
   は、イオン溜内でのイオンビームの空間的広がりを抑え
   る電圧が印加され、イオン溜からイオンパルスを排出す
   る際には、押出プレートに印加される電圧を分圧した電
   圧が印加されることを特徴とする垂直加速型飛行時間型
   質量分析計。
2. 【請求項２】イオン源から出射したイオンビームをイオ
   ン溜の入射端面近傍の位置に収束させる収束レンズと、 押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッド
   と、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極
   とで構成されるイオン溜とを備え、 収束レンズ、押出プレート、グリッド、及び中間電極に
   は、イオン溜の入出射端に、イオン溜に導入されたイオ
   ンがイオン溜内を一往復するような非対称な電位分布が
   形成される適切な電位が印加されることを特徴とする垂
   直加速型飛行時間型質量分析計。
3. 【請求項３】イオンビームを所定の入射角度αでイオン
   溜に入射する入射手段と、 入射手段からのイオンビームをイオン溜の入射端面近傍
   の位置に収束させる収束レンズと、 押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッド
   と、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極
   とで構成されるイオン溜と、 イオン溜の入り口側と出口側に対称に配置された第１、
   第２のミラー電極とを備え、 押出プレート、グリッド、中間電極、及び第１、第２の
   ミラー電極に、イオンビームがイオン溜内で複数回ジグ
   ザグに往復するような電圧が印加されることを特徴とす
   る垂直加速型飛行時間型質量分析計。