JP2001236922A

JP2001236922A - 質量分析装置

Info

Publication number: JP2001236922A
Application number: JP2000045718A
Authority: JP
Inventors: Ikutake Terakura; 生剛寺倉
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JP4206598B2; US20010017351A1; US6492640B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン化装置の不具合箇所を詳細にユーザに
報知し、点検や再調整を効率的に行えるようにする。【解決手段】制御部１６は、フィラメント４を点灯さ
せずにスイッチ１４を切替え、電流／電圧変換部９、１
３で得られるトラップ電流Ｉｒ、トータル電流Ｉｔをそ
れぞれ読み込む。そして、このＩｒ、Ｉｔが零、又は零
より大であるかを判定することにより、フィラメント４
やトラップ電極６とイオン化室１との接触による不具合
を見つける。ここで正常であると判断されると、フィラ
メント４を点灯させてフィードバック制御を行い、同様
にしてトラップ電流Ｉｒ、トータル電流Ｉｔをそれぞれ
読み込み、その値に応じてフィラメント４やトラップ電
極６の取付位置のずれ、フィラメント４の断線による不
具合を見つける。

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関
し、更に詳しくは、電子衝撃イオン化（ＥＩ）や化学イ
オン化（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によるイオン化装置が用
いられる。例えば、ＥＩでは、フィラメントに加熱電流
を供給してフィラメントから熱電子を放出させると共
に、該フィラメントとトラップ電極（電子コレクタ、タ
ーゲット等とも呼ばれる）との間に適宜の電位差を生じ
させて熱電子に運動エネルギを与える。これにより、フ
ィラメントから放射された熱電子はトラップ電極に向け
て飛行し、その途中のイオン化室内で熱電子が試料分子
に接触すると、試料分子から電子が叩き出されて該試料
分子は正イオンになる。通常、トラップ電極に捕捉され
る電子の数はフィラメントから放射された電子数に依存
している。そこで、トラップ電極に到達した熱電子によ
り流れるトラップ電流が所定値になるようにフィラメン
トに流す加熱電流をフィードバック制御することによ
り、フィラメントでの熱電子の発生量はほぼ一定にな
り、その結果、安定したイオン化が達成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような熱電子流を
利用したイオン化においては、イオン化を行うためのイ
オン化室に対して、フィラメントとトラップ電極とが所
定の位置に適切に装着されていないと、フィラメントに
最大源の加熱電流を供給してもトラップ電流が所望値に
達せず、上述したような加熱電流の制御を行うことがで
きなくなる。そこで、従来の質量分析装置では、トラッ
プ電流の大きさをモニタし、フィラメントを点灯して加
熱電流のフィードバック制御を行った状態でトラップ電
流が所定値に達しない場合には、異常状態であると判断
して例えばエラーの表示を行うようにしている。

【０００４】上述したような加熱電流の制御が異常であ
る原因としては、フィラメントやトラップ電極の取付位
置のずれの他、フィラメントやトラップ電極とイオン化
室との接触、或いはフィラメントの断線など、種々の原
因が考え得る。しかしながら、上記のような従来の質量
分析装置では、単にトラップ電流が正常でないことを検
出できるのみであって、その異常の原因を特定すること
はできない。そのため、どのような異常であるのかを確
認するには、真空状態に保たれた質量分析装置の真空チ
ャンバ内を大気圧に戻し、その内部を目視で確認すると
いう作業が必要であった。そのため、異常原因の確認作
業や再調整の作業はたいへんに面倒なものであった。

【０００５】また、上記構成では、フィラメントに加熱
電流を流さないと異常の有無の確認が行えないが、異常
の状態に依っては、フィラメントに加熱電流を供給して
フィードバック制御を行おうとすると、フィラメントや
回路の一部に過大な電流が流れ、更なる故障の原因とな
るという恐れもあった。

【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
メントに電流を流す以前にフィラメントやトラップ電極
の一部の異常を診断し、更にフィラメントに電流を流し
た状態ではより詳細な異常箇所の診断が行えるようなイ
オン化装置を備えた質量分析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】上記課題を解決するため
に成された本発明は、真空室内に配設されたイオン化室
と、該イオン化室内で気体分子をイオン化するための熱
電子を発生するフィラメントと、該フィラメントとの間
の電位差により熱電子を加速すると共に、イオン化室内
を通過した該熱電子を捕集するトラップ電極とを含むイ
オン化装置を具備する質量分析装置において、該イオン
化装置は、 a)前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流
であるトラップ電流を測定する第１電流測定手段と、 b)前記フィラメントから放射された熱電子により流れる
全電流であるトータル電流を測定する第２電流測定手段
と、 c)前記トラップ電流又はトータル電流が所定値になるよ
うに前記フィラメントに流す加熱電流を制御する電流制
御手段と、 d)前記フィラメントに通電せずに前記第１及び第２電流
測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に
基づいて異常を判定する第１異常診断手段と、 e)前記電流制御手段により所定の制御を行っている状態
で前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値
を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第２異
常診断手段と、を備えることを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明に係る質量分析装置のイオ
ン化装置において、トータル電流は、トラップ電流の他
に、フィラメントから放射された熱電子がトラップ電極
でなくイオン化室に接触することにより流れる電流を少
なくとも含んでいる。従って、第２電流測定手段は、例
えば、フィラメントをトラップ電極及びイオン化室に対
して負の電位にバイアスするバイアス電源に流れる電流
を測定することによりトータル電流を取得することがで
きる。

【０００９】第１異常診断手段は、フィラメントに通電
しない状態でトラップ電流とトータル電流とをそれぞれ
測定する。この場合、フィラメントで熱電子は発生しな
いから、トラップ電流及びトータル電流は共に零である
筈であるが、フィラメント及びトラップ電極にはイオン
化室自体の電位（通常は接地電位）と異なる所定電位が
印加されているので、フィラメント又はトラップ電極が
イオン化室と接触しているとトラップ電流又はトータル
電流が流れる。そこで、第１異常診断手段は、測定され
たトラップ電流及びトータル電流が零でない場合には、
トラップ電極又はフィラメントとイオン化室との接触に
よる異常があるものと判断を下す。

【００１０】第２異常診断手段は、フィラメントに通電
を行い電流制御手段により加熱電流の制御を行っている
状態において、トラップ電流とトータル電流とをそれぞ
れ測定する。フィラメントに供給可能な加熱電流には上
限があるが、正常な状態であれば、電流制御手段は、フ
ィラメントにその上限値よりも小さな加熱電流を供給し
た状態でトラップ電流を略所定値に安定させることがで
きる。しかしながら、フィラメントやトラップ電極の取
付位置が大きくずれていると、フィラメントから放射さ
れた熱電子がトラップ電極に到達する割合が極端に少な
くなり（つまり、多くの熱電子がイオン化室へと到達し
てしまう）、加熱電流を増加させてもトラップ電流があ
まり増加しない。そのため、フィラメントに上記加熱電
流の上限値を流したとしてもトラップ電流は上記所定値
に達しない。そこで、第２異常診断手段は、測定された
トラップ電流が例えばその所定値よりも小さいときにト
ラップ電極やフィラメントの取付位置のずれによる異常
があると判断する。また、フィラメントが断線している
場合には加熱電流が流れないから、熱電子は発生せず、
トラップ電流、トータル電流は共に零になる。そこで、
第２異常診断手段は、トラップ電流及びトータル電流が
零である場合にはフィラメントが断線しているものと判
断する。

【００１１】上記第１及び第２異常診断手段の診断結果
に基づいて、表示又は音等で異常の有無や異常箇所をユ
ーザに警告する構成としておけば、ユーザは異常箇所を
認識して必要な処置を速やかにとることができる。ま
た、第１異常診断手段により正常であると判断された場
合にのみ第２異常診断手段による異常診断を実行する構
成とすれば、フィラメント又はトラップ電極とイオン化
室とが接触している場合に、フィラメントに通電を行わ
ずに済む。

【００１２】

【発明の効果】本発明に係る質量分析装置によれば、イ
オン化装置の異常箇所やその原因が詳細に検知され、そ
の結果がユーザに報知される。従って、ユーザは異常箇
所を迅速に点検し、必要に応じて再調整や交換等の適切
な作業に取り掛かることができる。そのため、このよう
な作業を迅速に行うことができるので、分析作業の効率
化が図れる。また、本発明に係る質量分析装置によれ
ば、フィラメントを点灯させる以前に、フィラメントや
トラップ電極とイオン化室との接触による異常を検知
し、これをユーザに報知することができる。このような
異常状態でフィラメントを点灯させると回路に過大電流
が流れる恐れがあるが、フィラメントを点灯させること
なくこれら異常を見つけることができるので、そのよう
な過大電流による不所望の回路の損傷を回避することが
できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係る質量分析装置の一実施例
を図面を参照して説明する。図１は本実施例の質量分析
装置におけるイオン化装置の要部の構成図である。

【００１４】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、熱電子照射孔３に対面し
て開口した熱電子出射孔５の外側にはトラップ電極６が
配置されている。フィラメント４には加熱電流源７が接
続されており、加熱電流源７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。また、フィラメント４は第３バイア
ス電圧源１２により、接地電位に対してＶ３なる負電位
にバイアスされており、更に、この第３バイアス電圧源
１２に流れる電流（以下「トータル電流」と呼ぶ）Ｉｔ
を検出して電圧に変換する第２電流／電圧変換部１３が
接続されている。

【００１５】トラップ電極６は第１バイアス電圧源８に
よりＶ１なる正電位にバイアスされており、更に、この
第１バイアス電圧源８に流れるトラップ電流Ｉｒを検出
して電圧に変換する第１電流／電圧変換部９が接続され
ている。この第１電流／電圧変換部９の電圧出力は誤差
増幅器１０の一方の入力端子に入力されると共に、切替
スイッチ１４の端子ａに与えられている。誤差増幅器１
０の他の入力端子は第２バイアス電圧源１１により接地
電位に対してＶ２なる正の電位にバイアスされており、
誤差増幅器１０はこの電位Ｖ２と第１電流／電圧変換部
９の電圧出力との差に応じた電圧を出力し、制御電圧と
して加熱電流源７に与える。切替スイッチ１４の端子ｂ
には第２電流／電圧変換部１３の出力電圧が与えられて
おり、切替スイッチ１４により選択された電圧はＡ／Ｄ
変換器１５を介して制御部１６へと入力される。制御部
１６はＣＰＵなどを含むマイクロコンピュータ等により
構成され、加熱電流源７や切替スイッチ１４を制御する
と共に、Ａ／Ｄ変換器１５から得られる信号を後述のよ
うに処理し、表示部１７に対して所定の表示を行わせ
る。

【００１６】次いで、上記構成における熱電子流の制御
について説明する。ここでは、例えば、第１、第２、第
３バイアス電圧源８、１１、１２の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ
３をそれぞれ１０Ｖ、６Ｖ、７０Ｖであるものとする。
また、第１、第２電流／電圧変換部９、１３の変換感度
は共に１Ｖ／１０μＡであるものとし、トラップ電流Ｉ
ｒの制御目標値は６０μＡであるとする。

【００１７】加熱電流源７から供給される加熱電流によ
りフィラメント４が加熱され熱電子（図１中のｅ⁻）が
発生すると、フィラメント４とイオン化室１及びトラッ
プ電極６との間の電位差によって熱電子はトラップ電極
６に向けて加速される。試料導入管２からイオン化室１
内部へ導入された気化試料分子（又は原子）にこの熱電
子が接触すると試料分子から電子が飛び出し、該分子は
イオン化される。熱電子がトラップ電極６に到達すると
これによりトラップ電流Ｉｒが流れ、このトラップ電流
Ｉｒに応じた電圧が第１電流／電圧変換部９で発生し、
誤差増幅器１０の一方の入力端子にこの電圧が加わる。

【００１８】トラップ電流Ｉｒが６０μＡであるとき第
１電流／電圧変換部９の出力電圧は６Ｖとなり、誤差増
幅器１０の両入力端子間の電圧差は零となり、これに対
応して誤差増幅器１０は所定電圧を出力する。トラップ
電流Ｉｒが６０μＡよりも少なくなり第１電流／電圧変
換部９の出力電圧が６Ｖよりも低下すると、それに応じ
て誤差増幅器１０は出力電圧を増加させる。逆に、トラ
ップ電流Ｉｒが６０μＡを越えて第１電流／電圧変換部
９の出力電圧が６Ｖよりも上昇すると、それに応じて誤
差増幅器１０は出力電圧を減少させる。加熱電流源７は
このような電圧の増減に応じて電流値を調整し、誤差増
幅器１０の両入力端子間の電圧差が縮小するようにして
いる。而して、このようなフィードバック制御によっ
て、予め決められたトラップ電流Ｉｒ（ここでは６０μ
Ａ）になるように熱電子の発生量が制御される。

【００１９】なお、フィラメント４から放出された熱電
子の全量がトラップ電極６に到達し得るわけではなく、
その一部はイオン化室１の壁面に衝突する。従って、ト
ータル電流Ｉｔは、このようにフィラメント４から発し
てイオン化室１に到達する熱電子流により流れる電流
と、トラップ電流Ｉｒとが加算されたものとなる。

【００２０】次に、本実施例によるイオン化装置におけ
る異常診断処理を図３のフローチャートを参照して説明
する。この異常診断処理は、例えばイオン化室１、フィ
ラメント４、トラップ電極６を含むイオン化装置の組立
調整の後などに、質量分析装置で所定のキー操作が行わ
れることにより実行するようにしてもよいし、或いは、
質量分析装置の起動時に自動的に行うようにしてもよ
い。

【００２１】診断が開始されると、まず、制御部１６
は、フィラメント４を消灯した状態、つまり加熱電流源
７からフィラメント４への加熱電流の供給を停止した状
態で（ステップＳ１）、切替スイッチ１４を端子ａ側へ
倒し、第１電流／電圧変換部９の出力電圧、つまりトラ
ップ電流Ｉｒに対応する出力電圧を測定する（ステップ
Ｓ２）。次に、制御部１６は切替スイッチ１４を端子ｂ
側へ倒し、第２電流／電圧変換部１３の出力電圧、つま
りトータル電流Ｉｔに対応する出力電圧を測定する（ス
テップＳ３）。そして、制御部１６は測定されたトラッ
プ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔ（に対応する電圧）に
基づいて第１異常判定処理を実行する（ステップＳ
４）。ここでの異常判定処理は次の通りである。

【００２２】いま、フィラメント４には加熱電流が流れ
ていないから、当然、熱電子は発生せず、正常な状態で
あれば、トラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔは零に
なる筈である。しかしながら、フィラメント４がイオン
化室１に接触しているという異常があると、フィラメン
ト４はイオン化室１よりも電位が低いから、イオン化室
１からフィラメント４に向かって電流が流れ込む。その
ため、トータル電流Ｉｔは零よりも大きくなる。一方、
トラップ電極６がイオン化室１に接触しているという異
常があると、トラップ電極６はイオン化室１よりも電位
が高いから、トラップ電極６からイオン化室１に向かっ
て電流が流れ込む。そのため、トラップ電流Ｉｒは零よ
りも大きくなる。このようなことから、図２の上部に示
したように、測定されたトラップ電流Ｉｒ及びトータル
電流Ｉｔの値を判定し、フィラメント４とトラップ電極
６の何れか一方又は両方がイオン化室１に接触している
か、原因不明の異常であるか、或いは正常であるかを判
断する。

【００２３】この第１異常判定処理において正常でない
と判断された場合には（ステップＳ５で「Ｎ」）、上述
のような異常判定結果に従って予め定められたエラー状
態表示を表示部１７に行い、診断処理を終了する。従っ
て、第１異常判定処理で異常が見つかった場合には、フ
ィラメント４には加熱電流が供給されない。

【００２４】第１異常判定処理において正常であると判
断された場合には（ステップＳ５で「Ｙ」）、次に、制
御部１６は、加熱電流源７からフィラメント４への加熱
電流の供給を行い、フィラメント４を点灯させる（ステ
ップＳ６）。そして、切替スイッチ１４を端子ａ側へ倒
し、第１電流／電圧変換部９の出力電圧、つまりトラッ
プ電流Ｉｒに対応する出力電圧を測定する（ステップＳ
７）。次に、制御部１６は切替スイッチ１４を端子ｂ側
へ倒し、第２電流／電圧変換部１３の出力電圧、つまり
トータル電流Ｉｔに対応する出力電圧を測定する（ステ
ップＳ８）。制御部１６は測定されたトラップ電流Ｉｒ
及びトータル電流Ｉｔ（に対応する電圧）に基づいて第
２異常判定処理を実行する（ステップＳ９）。ここでの
異常判定処理は次の通りである。

【００２５】この場合、フィラメント４で熱電子が発生
し、上述したようにトラップ電流Ｉｒが所定値になるよ
うに加熱電流のフィードバック制御が実行される。従っ
て、正常な状態であれば、トラップ電流Ｉｒは６０μＡ
又はそれにきわめて近い値となり、トータル電流Ｉｔは
熱電子がイオン化室１に到達して流れる電流が該トラッ
プ電流Ｉｒに加わるため、６０μＡよりも大きな値とな
る筈である。これに対し、フィラメント４やトラップ電
極６の取付位置が適当でないため、フィラメント４で発
生した熱電子のうちトラップ電極６に到達する熱電子の
割合がかなり低い場合（換言すれば、イオン化室１へ到
達する熱電子の割合が高い場合）、誤差増幅器１０はト
ラップ電流Ｉｒが目標値まで増加するように出力電圧を
増加させようとするが、加熱電流源７が最大限の加熱電
流をフィラメント４に供給してもトラップ電流Ｉｒは目
標値に達しない。従って、トラップ電流Ｉｒは目標値で
ある６０μＡよりも小さくなる。更に、フィラメント４
が断線していて加熱電流自体が流れない場合には、トラ
ップ電流Ｉｒもトータル電流Ｉｔも零となる。

【００２６】このようなことから、制御部１６は、図２
の下部に記したように測定されたトラップ電流Ｉｒ及び
トータル電流Ｉｔの値を判定し、フィラメント４やトラ
ップ電極６の位置ずれであるか、フィラメント４が断線
しているか、原因不明の異常であるか、或いは正常であ
るかを判断する。なお、実際には、熱電子流のフィード
バック制御が正常であっても種々の誤差要因によりトラ
ップ電流Ｉｒは６０μＡになるとは限らないから、６０
μＡに対して所定の許容範囲を見込んでトラップ電流Ｉ
ｒがその範囲に収まっており、トータル電流Ｉｔが６０
μＡよりも所定値だけ大きな値よりも更に大きい場合に
正常であると判断すればよい。

【００２７】この第２異常判定処理において正常でない
と判断された場合には（ステップＳ１０で「Ｎ」）、上
述のような異常判定結果に従って予め定められたエラー
状態表示を表示部１７に行い（ステップＳ１２）、診断
処理を終了する。一方、正常であると判断された場合に
は（ステップＳ１０で「Ｙ」）、正常である旨の表示を
表示部１７に行い（ステップＳ１１）、この診断処理を
終了する。勿論、正常である場合には何も表示しない等
の適宜の変形は容易に行える。

【００２８】このように、本実施例によるイオン化装置
では、まずフィラメント４に通電しない状態でフィラメ
ント４及びトラップ電極６とイオン化室１との接触の有
無を診断することができ、また、そのときに正常である
と判断された場合に、フィラメント４に通電を行ってフ
ィラメント４及びトラップ電極６の位置ずれやフィラメ
ント４の断線の有無を診断することができる。従って、
フィラメント４又はトラップ電極６とイオン化室１とが
接触しているときにフィラメント４への通電を避けるこ
とができるので、回路に不所望の過大電流が流れる恐れ
がなく、無用の損傷を回避することができる。また、従
来の質量分析装置と異なり、不具合の原因、つまり異常
箇所が具体的にユーザに指示されるので、指示された箇
所を点検し、再調整又は交換等の適切な処置を迅速に行
うことができる。

【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。

【００３０】例えば、上記実施例は電子衝撃イオン化法
を用いたイオン化装置であるが、本発明は、熱電子を発
生するためのフィラメントと、この熱電子を捕集するた
めのトラップ電極を備えたイオン化装置全般に、例えば
化学イオン化法を用いたイオン化装置にも適用できる。
但し、化学イオン化法によるイオン化装置の場合、一般
にイオン化室１の密閉性が高いため、熱電子がイオン化
室１を通り抜けてトラップ電極６に到達する割合がもと
もと小さい。そのため、上述したようなトラップ電流を
用いたフィードバック制御は困難で、その代わりにトー
タル電流を利用したフィードバック制御を行うことにな
る。

【００３１】図４は、図１に示したイオン化装置の構成
を化学イオン化装置に適用するように変形した例であ
る。この構成では、第１電流／電圧変換部９と第２電流
／電圧変換部１３の出力電圧が切替スイッチ１４により
選択されて誤差増幅器１０の一方の入力端子とＡ／Ｄ変
換器１５とに入力されるようになっている。従って、フ
ィラメント４に加熱電流を供給した状態でトータル電流
Ｉｔを測定する際には、このトータル電流Ｉｔが所定値
になるように加熱電流がフィードバック制御され、上記
実施例と同様の異常診断が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の質量分析装置の一実施例によるイオ
ン化装置の要部の構成図。

【図２】本実施例のイオン化装置における異常診断の
判定内容を示す図。

【図３】本実施例のイオン化装置における異常診断処
理のフローチャート。

【図４】本発明の質量分析装置の他の実施例によるイ
オン化装置の要部の構成図。

【符号の説明】

１…イオン化室２…試料導入管３…熱電子照射孔４…フィラメント５…熱電子出射孔６…トラップ電極７…加熱電流源８、１１、１２…バイアス電圧源９…第１電流／電圧変換部１０…誤差増幅器１３…第２電流／電圧変換部１４…切替スイッチ１５…Ａ／Ｄ変換器１６…制御部１７…表示部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室内に配設されたイオン化室と、該
イオン化室内で気体分子をイオン化するための熱電子を
発生するフィラメントと、該フィラメントとの間の電位
差により熱電子を加速すると共に、イオン化室内を通過
した該熱電子を捕集するトラップ電極とを含むイオン化
装置を具備する質量分析装置において、該イオン化装置
は、 a)前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流
であるトラップ電流を測定する第１電流測定手段と、 b)前記フィラメントから放射された熱電子により流れる
全電流であるトータル電流を測定する第２電流測定手段
と、 c)前記トラップ電流又はトータル電流が所定値になるよ
うに前記フィラメントに流す加熱電流を制御する電流制
御手段と、 d)前記フィラメントに通電せずに前記第１及び第２電流
測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に
基づいて異常を判定する第１異常診断手段と、 e)前記電流制御手段により所定の制御を行っている状態
で前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値
を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第２異
常診断手段と、を備えることを特徴とする質量分析装置。