JP2001283769A

JP2001283769A - Ｑポール型質量分析計

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Publication number: JP2001283769A
Application number: JP2000101056A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Shiokawa; 善郎塩川
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2001-10-12
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Abstract

(57)【要約】【課題】０．１Ｐａ以上の高圧雰囲気下で使用可能で
あって、ガス分子の連続的な質量分析を行うことがで
き、Ｑポール端面（フリンジング）付近の端電場の影響
を少なくするために高速でイオンを入射させても、正常
な質量分別を行うことのできるＱポール型質量分析計を
提供する。【解決手段】Ｑポール型質量分析計のＱポール領域内
における計測すべきイオンの径方向の動きと、軸方向の
動きとが独立していることに着目し、減圧された雰囲気
ガス中に設置されたＱポール型質量分析計において、イ
オン源側からコレクタ側に向けて前進する計測すべきイ
オンの軸方向の動きを、Ｑポール領域内において制御し
つつ、径方向の四重極高周波電界によるクーロン力によ
って前記計測すべきイオンを質量分別するＱポール型質
量分析計によって課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、減圧（真空）雰囲
気中にてガス分子の質量を計測するための質量分析計に
関する。特に、０．１Ｐａ以上の比較的高圧の雰囲気中
でも使用可能である質量分析計、および小型で高質量分
子を高感度で計測可能である質量分析計、並びに極微量
なガスを計測可能である質量分析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスフィルター、四重極型質量分析計な
どとも呼ばれるＱポール型質量分析計は、小型・シンプ
ルな構造と容易な制御にて広いダイナミックレンジを持
った高感度な計測が行えるため、ガス分子の質量を測定
する質量分析計として非常に一般的なものとなってい
る。Ｑポール型質量分析計は、ガスをイオン化するイオ
ン源、イオンの質量分別を行うＱポール、質量分別され
たイオンを検出するコレクタにより構成され、通常０．
０１Ｐａ以下の低い圧力の雰囲気中にて動作される。図
９に通常動作条件での従来のＱポール型質量分析計を示
す。

【０００３】Ｑポールは四本の棒（ポール）がミクロン
オーダの高精度で平行配置されており、通常長さが１０
０〜３００ｍｍ、対向するポールの間隔が５〜１０ｍｍ
となっている。各ポールには、１〜５ＭＨｚ程度の高周
波電圧：Ｖと直流電圧：Ｕが印加される。正確には対向
するポールに同じＶ、Ｕ電圧を、隣接するポールには−
Ｖ、−Ｕ電圧を印加する。これらによって径方向に関し
ては、特有な四重極電界（双曲電界）が形成される。こ
の四重極電界の軸上付近に存在するイオンは、クーロン
力により径方向に振動し、Ｖ、Ｕの値によって決められ
る特有な質量／電荷以外のイオンは軸外に放出される。

【０００４】一方、軸方向に関しては、どの軸方向位置
においても同じ電位となり軸方向の電界（電位の位置変
化率）はゼロとなる。そのため、イオンには軸方向のク
ーロン力は発生しない。同じ電位となるのは、ポールが
一体で同電位となりポールの軸方向位置によって電圧が
変化していないためである。すなわち、どの軸方向位置
においても軸に垂直な断面では、全く同じ電界が形成さ
れているために、軸方向の電界は発生していないのであ
る。

【０００５】通常、イオン源の電圧をＱポールの軸上電
位（四重極電界の中心電位）よりも１０Ｖ程度高くし、
イオンを１０ｅＶの直進エネルギーに対応する速度（速
度１０ｅＶ）にてＱポール内を前進させる。この時、径
方向に関しては、特定な質量／電荷を持ったイオンだけ
が安定的に振動を続ける。そこで、特定なイオンのみが
Ｑポールを通過し、コレクタにて検出され信号となる。
特定な質量／電荷を持たないイオンは、途中で散逸され
る。このように、Ｑポール内におけるイオンの径方向の
動きと軸方向の動きとは、完全に独立している。

【０００６】Ｖ、Ｕの値の比率を変化させることによ
り、計測されるイオンの質量／電荷を選択することが出
来、１〜１０００ａｍｕ（ａｔｏｍｉｃｍａｓｓｕ
ｎｉｔ：原子質量単位）程度のイオンを計測することが
可能である。しかし、質量数Ｍａｍｕのイオンを十分な
分解能で質量分別するためには、Ｑポール内で、少なく
とも（Ｍ／０．５）^0.5 の２〜４倍の振動が行われな
ければならない。つまり、２ａｍｕでは５回、５０ａｍ
ｕでは３０回、１００ａｍｕでは５０回、３００ａｍｕ
では１００回程度の振動が必要となる。すなわち、この
振動に要する時間よりも、イオンのＱポール通過時間を
長くする必要がある。そこで、Ｑポールの長さ、高周波
振動数との関係から、質量分別が達成し得るイオンの速
度が決められる。例えば、Ｑポールの長さが２００ｍ
ｍ、高周波振動数が２ＭＨｚの場合、およそ速度１５ｅ
Ｖにて、全ての質量範囲に必要な振動数をちょうど満足
する。したがって、質量分別が達成し得るイオンの速度
は約１５ｅＶが最大となり、より十分な分解能を得るた
めには５〜１０ｅＶの速度とすることが必要となる。

【０００７】Ｑポール型質量分析計は０．０１Ｐａ以下
の雰囲気にて使用されるとしたが、０．０１Ｐａ以上の
高圧雰囲気で動作されると雰囲気ガスとイオンの衝突が
発生して正常な計測が阻害される。以下、この説明を行
う。

【０００８】平均自由行程とは、イオンなどが雰囲気ガ
スに衝突せずに進むことのできる平均距離のことであ
り、雰囲気の圧力（密度）に反比例する。厳密には、雰
囲気ガスとイオンの大きさ、質量、速度にも関連するの
で、圧力だけでなくガスの種類やイオンの速度にも依存
する。０．１ＰａのＡｒ雰囲気中であれば、平均自由行
程はＨｅイオン（４ａｍｕ）で１２０ｍｍ、ＣＯ_２イオ
ン（４４ａｍｕ）で６０ｍｍとなり、３００ａｍｕの大
きなイオンでは３３ｍｍ程度となる。

【０００９】イオンの平均自由行程がＱポールの長さよ
り小さい、例えば、雰囲気圧力が１Ｐａの場合には、Ｑ
ポールを通過するイオンは統計的（平均的）には必ず雰
囲気ガスと衝突する。簡単のため、衝突は必ず軸方向で
正面衝突するものとみなす（実際には径方向の衝突成分
もあるが、平均すれば相殺されて無視することができ
る）。

【００１０】イオンが雰囲気ガスより質量が大きい場合
には、イオンは衝突時に雰囲気ガスからの圧力を受けて
速度が大幅に低下する。したがって軸方向の速度は衝突
のたびに遅くなり、最終的にはＱポール内にて停止して
しまう。ただし、径方向の振動に関しては変化はない。
この状況を図１０に示した。

【００１１】減速の割合はイオンと雰囲気ガスの質量比
がより大きいほど少ない。すなわち、重いイオンほどあ
まり減速しない。一方、イオンが雰囲気ガスより質量が
小さい場合には、衝突後には跳ね返ってイオンの進行方
向が逆になってしまう。質量が同じ場合には、一回の衝
突で停止してしまう。これらの衝突前後の速度変化は、
次式で統一的に表される。Ｖ₂＝Ｖ₁（Ｍ_i−Ｍ_g）／（Ｍ_i＋Ｍ_g）ここに、Ｖ₁：イオンの衝突前速度、Ｖ₂：衝突後速度、
Ｍ_i：イオンの質量、Ｍ_g：雰囲気ガスの質量である。

【００１２】いずれにしろ、雰囲気ガスとの衝突によ
り、停止・逆行を含めた減速が発生し、Ｑポール内での
イオンの前進が阻害される。そのために、通常は、平均
自由行程がＱポールの長さより大きくなる０．０１Ｐａ
以下の圧力で使用される。

【００１３】このため、０．０１Ｐａ以上の圧力のガス
を測定する場合には、Ｑポール型質量分析計の領域のみ
差動排気を行い圧力を下げ、そこに小さなコンダクタン
スの導入パイプを経てガスを導入しなければならなかっ
た。この複雑な構造によりコスト・信頼性の問題だけで
なく、測定すべきガスの濃度が薄くなり感度が劣化する
という問題も発生させていた。工業的には測定すべきガ
スが大気圧であるケースが圧倒的に多いが、この場合に
は２〜３段の差動排気が必要で特に問題が深刻であっ
た。

【００１４】なお、最近０．１〜１Ｐａの高圧雰囲気で
も動作が可能とする超小型のＱポール型質量分析計が開
発されている。これは、原理的には通常のＱポール型質
量分析計と同じであるが、Ｑポールの長さを１０ｍｍ
（通常の１／１０）程度と短くして、０．１〜１Ｐａで
の平均自由行程より短い距離内で質量分別してしまう方
式である。しかし、Ｑポールの長さが短いのでポール間
隔も１ｍｍ以下とする必要があり、要求されるＱポール
の位置精度が非常に厳しくなる。そのため、現状では十
分な性能が達成できず、製造での困難さとコストも増大
している。

【００１５】一方、通常のＱポール型質量分析計では、
特に高質量分子の感度を劣化させる深刻なフリンジング
問題が存在する。フリンジング問題は、Ｑポールの端面
（フリンジング）付近において電界がＱポール中央付近
より弱くかつ乱れていることにより発生するもので、端
面電界問題、端電場問題とも呼ばれる。正常な電界とな
っているＱポール内では安定的な振動となる特定なイオ
ンも、フリンジング領域では、不安定な軌道となって発
散してしまい、感度の大幅な低下が引き起こされる。

【００１６】Ｑポールの入口側（イオン源側）すなわち
入口フリンジング領域での影響は非常に大きく、出口側
（コレクタ側）すなわち出口フリンジング領域ではほと
んど影響しないことが知られている。これは、入口フリ
ンジング領域を通過するイオンは、少しでも入射方向や
位置がずれるとその後の質量分別に大きな影響を与える
が、出口フリンジング領域を通過するイオンは、その後
コレクタに入りさえすれば良いからである。

【００１７】Ｑポール端面の外側・内側それぞれでポー
ル間隔に等しい距離までは電界が乱れていると考えられ
るので、フリンジング領域は概ねポール間隔の２倍の長
さとなる。Ｑポール内で電界が乱れていないＱポール領
域は、ポールの長さからフリンジング領域を差し引いた
長さとなる。

【００１８】フリンジング問題の影響は、フリンジング
領域における振動回数に比例して大きくなる。そのた
め、悪影響の度合いはイオンの軸方向速度に逆比例する
ことになる。すなわち、イオンの速度が遅ければ、フリ
ンジング領域にイオンが滞在する時間が長くなり、不安
定な振動が繰り返され悪影響が大きくなる。実験的に
も、フリンジング領域での振動が１回以上となると悪影
響が急増することが知られている。

【００１９】同一の直進エネルギーを持ったイオンでは
高質量ほど速度が遅くなるので、フリンジング問題は高
質量で非常に深刻となる。例えば、フリンジング領域の
長さが５ｍｍ、高周波振動数が２ＭＨｚの場合であっ
て、イオンの速度が５ｅＶ、１５ｅＶ、３０ｅＶの時、
フリンジング領域における振動回数は、それぞれ、２ａ
ｍｕでは０．５回、０．２６回、０．２回、２８ａｍｕ
では１．７回、０．９８回、０．７回、５０ａｍｕでは
２．３回、１．３回、０．９回、１００ａｍｕでは３．
２回、１．７回、１回、３００ａｍｕでは５．６回、
３．２回、２．３回となる。すなわち、速度５ｅＶでは
２８ａｍｕ以上で、速度３０ｅＶでも１００ａｍｕ以上
でフリンジング問題の悪影響が出る。

【００２０】直進エネルギーを大きくすればＱポール領
域内での滞在時間が短くなり悪影響は低減するが、上述
の質量分別において振動数が不足し必要な分解能が得ら
れなくなる。そこで、実際には両方の問題が妥協できる
１０ｅＶ程度の直進エネルギーが採用されている。しか
し、この条件でも、フリンジング問題により１００ａｍ
ｕでは１／５、３００ａｍｕでは１／１００程度まで感
度が低下することが知られている。

【００２１】フリンジング問題の対策としては、従来い
ろいろな方法が考案されている。特公昭４０−１７４４
０号では高周波電圧と直流電圧の比率を変えた複数のセ
グメントのＱポールを使用している。入射側のＱポール
では、分解能を大きく設定してフリンジング問題を低減
し、順次分解能を小さくして中央のＱポールで所要の分
解能が得られるようにしている。しかし、構造が複雑と
なる上、各セグメントのＱポール間での電界の乱れによ
る性能劣化が新たに発生するという問題があった。な
お、Ｑポールは各セグメントに分かれているものの、各
Ｑポールの軸上の電位は同じである。したがって、軸上
における軸方向の電界はゼロで、イオンの軸方向速度は
一定となっている。

【００２２】特開昭４８−４１７９１号ではフリンジン
グ部にノズルを配置しているが、ノズル自体が新たに電
界を乱すという問題があった（１００ａｍｕでは１／
５、３００ａｍｕでは１／１００となるデータは、この
ノズル方式での結果である）。

【００２３】また、Ｑポール領域内での軸上の直流電位
をアース電位ではなく、例えば１００Ｖと高くすると同
時に、イオン源の電位を１１０Ｖ、イオン源とＱポール
間の電位を０Ｖとすることも行われている。この場合に
は、イオンはフリンジング領域を速度１００ｅＶの高速
で通過するので悪影響が少なくなり、またＱポール領域
内ではイオンは減速して速度１０ｅＶの低速で前進する
ので正常に質量分別がなされる、との考えである。

【００２４】しかしながら、実際にはこの方式はほとん
ど効果を挙げていない。これには二つの原因がある。ま
ず、Ｑポール内の軸上電位とＱポール外の電位に大きな
差が発生したため、直流電位成分が大きく歪みフリンジ
ングの悪影響がより強くなっているからである。つぎ
に、イオンが減速している位置は、正確にはフリンジン
グ領域内（最終端近く）であって、決してＱポール領域
内ではない。軸方向の電界が存在すればイオンは減速す
るが、その軸方向の電界が軸に垂直な断面で完全に一様
でなければ悪影響が発生する。つまり、その位置はまさ
しくフリンジング領域となる。そのため、この方式では
実際にはフリンジング領域内での振動回数は低減してい
ないからである。特に、この減速電界はＱポール側の四
重極電界と外側の一様な電界（無電界）の非対称な電界
から形成されているため、その断面は一様とはならず電
界が大きく乱れている。

【００２５】いずれにしろ、従来では有効なフリンジン
グ問題に対する対策はなく、高質量分子を高感度で計測
できるＱポール型質量分析計は存在していなかった。

【００２６】近年、Ｑポール型質量分析計に動作原理は
類似している３次元四重極型質量分析計（イオントラッ
プ）が実用化されている。イオントラップでは、Ｑポー
ル型質量分析計のようにイオンが一方向に移動しながら
質量分別されるのはなく、３次元四重極内の同じ領域に
留まりながら質量分別される。しかし、３次元四重極内
の高周波電界と直流電界によって、特定な質量／電荷を
持ったイオンのみを検出するという原理は全く同じであ
る。これらは、特公昭６０−３２３１０号、特公平４−
４９２１９号、特公平８−２１３６５号などで詳しく示
されている。

【００２７】イオントラップでは、軸方向への移動が不
要であるため０．１Ｐａの高圧雰囲気でも計測できるこ
と、フリンジング（端面）が存在しないため高質量ガス
を感度劣化なしに計測できることのメリットがある。ま
た特定ガスのイオンは蓄積し、その他は除去する濃縮機
能により、極微量なガスの計測を行えるというメリット
もある。しかし、同じ領域にイオンが留まるため、空間
電荷の影響で多くのイオンを同時に計測できることがで
きずダイナミックレンジが狭いこと、イオン溜め込みと
質量掃引を交互に行うために複雑な制御が必要であるこ
と、イオン源の拡張性がないことなどの問題がある。

【００２８】なお、イオントラップにおいて、０．１Ｐ
ａの高圧でも計測可能であることは注目に値する。すな
わち、軸方向に移動しないとしても、イオンは３次元四
重極内で振動しているので実質的には十分に長い行程を
持っている。この行程は０．１Ｐａでの平均自由行程よ
りも遥かに長くイオンは雰囲気ガスと何回も衝突してい
るが、質量分別は問題なく行われている。これは、安定
的な振動をしているイオンが、衝突によりイオンの軌道
が変更されても安定振動を維持することを示している。
磁場偏向型の質量分析計では、イオンの軌道が途中で変
われば必要な初期条件が失われ、以後の質量分別が全く
不可能となることと対称的である。

【００２９】四重極電界を利用する原理がＱポール質量
分析計と同じものとして荷電粒子の非接触的保持・輸送
を目的とした四重極レール装置が存在しており、四重極
電極を水平面から傾け、帯電粒子を、重力を利用して四
重極の中心軸上、つまり軸方向へ非接触のまま下方へ滑
降させる方法や、粒子と同極性に帯電させた絶縁物を粒
子に近づけその反発力により粒子を軸方向に移動させる
方法などが知られている。

【００３０】上記の四重極レール装置における重力を利
用した方法では、粒子（荷電粒子）の質量は、ガス分子
などと比べると非常に大きい。すなわち、四重極レール
装置は、ガス分子などの質量分別が目的ではなく、質量
の大きな粒子、例えば、結晶構造を有する物質の粒であ
るパーティクルなどの測定に用いられる装置である。仮
に、この粒子（荷電粒子）がイオン化されたガス分子
（イオン）である場合は、イオンがＱポール領域を通過
するのに要する時間が極端に長くなってしまい、計測器
として実用にほど遠いものとなる。

【００３１】上記の四重極レール装置における粒子と同
極性に帯電させた絶縁物との反発力を利用した方法で
は、Ｑポール領域に入射された帯電粒子をクーロン力の
反力を利用してＱポール領域外へ押し出さなければなら
ないので、必然的に四重極電界に乱れが生じ、正常な質
量分別が不可能となる。さらに、この方法では、駆動機
構はＱポール領域にそって往復動作するため、帯電粒子
を連続的にＱポール領域外へ輸送することができない。
したがって、質量分析器として、この方法もまた実用に
ほど遠いものとなる。

【００３２】上記のように四重極レールとＱポール質量
分析計では、四重極電界を利用する原理こそ同じである
が、研究のために大きなパーティクルの非接触保持・輸
送を主目的としている四重極レールと、計測のためにガ
ス分子の連続的な質量分別を目的としたＱポール型質量
分析計では、その用途・機能・構造はまったく異なる。
従って四重極レールの粒子輸送方法をＱポール型質量分
析計に応用するすることは性能上および実用上の観点か
ら全く不可能である。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】従来のＱポール型質量
分析計において、０．１Ｐａ以上の高圧雰囲気では、イ
オンが雰囲気ガスと衝突して軸方向の速度がゼロにな
り、Ｑポール領域内で停止し、コレクタに検出されなか
った。

【００３４】また、四重極電界内において荷電粒子を輸
送する方法として、重力や同極に帯電させた絶縁物を近
づけて、その反力を利用したものなどがあるが、いずれ
の方法によってもガス分子の連続的な質量分別を行うこ
とは不可能であった。

【００３５】また、Ｑポール型質量分析計の感度を劣化
させるＱポール端面（フリンジング）付近の端電場の影
響を少なくするためにイオンを高速入射すると、そのま
ま高速でＱポール領域内を通過するので必要な振動回数
が得られず、正常な質量分別が行われないなどの問題が
あった。

【００３６】更に、濃縮機能が行えず、極微量なガスの
計測を行えないという問題点もあった。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明では、Ｑポール内
におけるイオンの径方向と軸方向の動きが完全に独立し
ていることに注目し、径方向でのイオンの動き、すなわ
ち質量分別の機能は従来どうりとしながら、軸方向の力
を与える種々の方法によってイオンの軸方向の動きを制
御することにより上記問題を解決した。

【００３８】すなわち、Ｑポール領域内において軸方向
の速度が低下したイオン、あるいはほとんど停止するま
でに減速されたイオン（なお、これらのＱポール領域内
におけるイオンの軸方向の速度の低下、減速は、イオン
が雰囲気ガスと衝突することによって引き起こされるも
のである。）に対して、Ｑポール領域内において新たな
軸方向の力を連続的に、あるいは間欠的に与えて加速さ
せ、前進を続行させてコレクタにて検出できるようにし
た。

【００３９】また、フリンジング問題の悪影響を低減さ
せるため高速入射されたイオンを、Ｑポール領域内にお
いて新たな軸方向の力を与えて減速させ、あるいはほと
んど停止するまでに減速させ、正常な質量分別が行える
ようにした。

【００４０】また、Ｑポール領域内においてイオンの軸
方向の速度をほぼゼロとし、特定ガス（極微量なガス）
のイオンのみを蓄積し（Ｑポール領域内に滞留させ）、
その他は除去する濃縮機能を持たせ、当該蓄積（滞留）
した特定ガス（極微量なガス）のイオンをコレクタ側に
射出する工程を間欠的に行うようにした。

【００４１】軸方向でのイオンの動きを制御する手段と
して、本発明は、以下の手段を採用するものである。１）Ｑポール型質量分析計を構成する４本のＱポールが
それぞれ軸方向位置によって異なる直流電位を有し、当
該４本のＱポールの軸方向での同位置では４本とも、直
流電圧：Ｕを除けば、等しい直流電位を持つように構成
されているＱポールにより形成された電界により発生す
るクーロン力。２）計測すべきイオンの雰囲気ガスとの衝突により発生
する反力。３）計測すべきイオンが、Ｑポール領域内にて新たに軸
方向の力を受けなくても、Ｑポール領域を通過できるよ
うに、Ｑポール長さ、雰囲気ガスの種類と圧力、イオン
源とＱポールの軸上電位を設定して行う制御。４）計測すべきイオン自体によりＱポール領域内に形成
された空間電荷により発生するクーロン力。５）径方向に印加された四重極高周波電界に同期した高
周波磁場により発生するローレンツ力。６）径方向に印加された時間的に強度変化する磁場によ
り発生する電磁誘導力。

【００４２】前記の各手段は、それぞれ単独で用いても
よいし、複合させて用いることもできる。例えば、電界
により発生するクーロン力のみによって軸方向でのイオ
ンの動きを制御することもできるし、電界による制御と
空間電荷による制御とを複合させて軸方向でのイオンの
動きを制御することもできる。

【００４３】以下、本発明の好ましい実施例を添付図面
を参照して説明する。

【００４４】

【実施例１】図１は本発明の第一の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高圧の雰囲気中でも動作可能で、かつ高質量分子を
高感度で計測可能なＱポール型質量分析計であり、Ｑポ
ール領域内において計測すべきイオンの軸方向の動きの
制御を、４本のＱポールがそれぞれ軸方向で異なる直流
電位を有し、当該４本のＱポールの軸方向の同位置では
４本とも、直流電圧：Ｕを除けば、等しい直流電位を持
つように構成されているＱポールにより形成された電界
によって発生するクーロン力で行うものである。

【００４５】Ｑポール型質量分析計の基本的な構造は従
来品と同一であるので、その説明は省略する。Ｑポール
１の長さは、従来品と同じ１００〜３００ｍｍとするこ
とができるが、本実施例のＱポール型質量分析計におい
ては、Ｑポール１表面に、らせん状に抵抗薄膜３が形成
されている点が従来品と相違している。抵抗薄膜３とＱ
ポール１表面との間には絶縁薄膜２が挟まれている。図
１中、符号８で示されている部分が抵抗薄膜形成部とな
る。

【００４６】この実施例では、抵抗薄膜３の幅と下地露
出面（薄膜がなくＱポール１本来の表面が露出している
所）の幅はほぼ同じである。抵抗薄膜３の入口側には２
００Ｖ、出口側には１００Ｖの直流電位が印加されてい
る。

【００４７】４本のＱポール１とも同じ構造となってい
るので、Ｑポール１内の電位は軸方向の位置、すなわち
入口から出口の位置まで一定の率で減少している。その
ため、Ｑポール１内の軸上には軸方向に関して、イオン
が前進する方向の電界が形成されており、イオンにはク
ーロン力が働き加速される。

【００４８】なお、本実施例では、イオン源４に２００
Ｖ、コレクタ５に０Ｖが印加されている。

【００４９】一方、Ｑポール１自体には従来のＱポール
型質量分析計と同じく、Ｖ、Ｕ電圧が印加されている。
直流電位としては０Ｖとなる。そのため径方向に関して
は、下地露出面からのＶ、Ｕ電圧により四重極電界が形
成される。ただし、電界の加法法則により抵抗薄膜３か
らの直流電位が重層（重畳）するので、四重極電界の全
体の電位がＱポール１の軸方向の位置によって変化して
いる。

【００５０】そのため、イオンは軸方向には加速されな
がら、径方向では質量分別が行われる（ただし、直流電
位とＶ、Ｕ電圧の露出面は半分ずつとなるので、電界の
絶対値は、全面がＶ、Ｕ電圧の露出面である場合の半分
の大きさとなる）。

【００５１】この実施例では、雰囲気ガスの圧力は、従
来のＱポール型質量分析計が用いられる限界を大きく超
えた１Ｐａ程度となっている。

【００５２】この圧力ではイオンの平均自由行程は１０
ｍｍ以内となり、Ｑポール１内ではイオンは必ず雰囲気
ガスと衝突する。そのため、イオンは図１中、符号９で
示すように、軸方向に関して衝突直後に一旦減速する
が、本実施例のＱポール型質量分析計においては、上記
クーロン力により直ちに加速される。加速されたイオン
はふただび雰囲気ガスと衝突し減速・加速を繰り返し、
Ｑポール１内ではイオンはあまり高速にならずに前進を
続ける。

【００５３】この実施例のように両端で５０Ｖの差があ
るＱポール１内で２０回以上の衝突が発生するので、例
えば雰囲気ガスと同質量のイオンでは、前進の速度は最
大でも２．５ｅＶ（＝５０／２０）となり十分に質量分
別が行われる。重いイオンの場合には減速の割合が小さ
いが、電圧勾配を小さくしたり雰囲気ガスの質量を大き
くして前進の速度を低く抑えることができる。

【００５４】一方、平均自由行程より短い５ｍｍ程度の
長さを持つ入口フリンジング領域６では、ほとんどのイ
オンは衝突せずに１００ｅＶもの高速で通過する。その
ため、フリンジング問題の悪影響はほとんどない。出口
フリンジング領域７を５０ｅＶで通過したイオンはコレ
クタ５にて検出される。

【００５５】このようにして、高圧の雰囲気中でも動作
可能で、しかも高質量分子を高感度で計測することが可
能である。

【００５６】なお、本実施例の変形として、Ｑポール１
表面の抵抗薄膜３の面積を下地露出面よりも十分に大き
くあるいは全面薄膜とすると同時に、薄膜に直流電位だ
けでなくＶ電圧、Ｕ電圧を重層（重畳）させることによ
って同様な動作を行わせることもできる。

【００５７】

【実施例２】図２は本発明の第二の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高質量分子を高感度で計測可能なＱポール型質量分
析計であり、Ｑポール領域内において計測すべきイオン
の軸方向の動きの制御を、４本のＱポールがそれぞれ軸
方向で異なる直流電位を有し、４本のＱポールの軸方向
の同位置では４本とも、直流電圧：Ｕを除けば、等しい
直流電位を持つように構成されているＱポールにより形
成された電界によって発生するクーロン力で行うもので
ある。

【００５８】実施例１で説明した本発明のＱポール型質
量分析計とは、Ｑポール１において導電薄膜１０が追加
され電圧印加状況が異なる点、および雰囲気ガスの圧力
が０．１Ｐａ以下である点が異なるのみで、他は同様で
ある。

【００５９】この実施例のＱポール型質量分析計におい
ては、Ｑポール１の中央に、Ｑポール１表面との間に絶
縁薄膜２を介在させて、らせん状に導電薄膜１０が形成
されており、Ｑポール１の両端側には、Ｑポール１表面
との間に絶縁薄膜２を介在させて、らせん状に抵抗薄膜
３が形成されている。図２中、符号８、８で表される部
分が、らせん状に抵抗薄膜３が形成されている抵抗薄膜
形成部、符号１１で表される部分が、らせん状に導電薄
膜１０が形成されている導電薄膜形成部である。そし
て、中央の導電薄膜１０に２００Ｖ、抵抗薄膜３の最両
端に０Ｖが印加されている。イオン源４には１１０Ｖ、
コレクタ５には０Ｖが印加されている。

【００６０】図２中、左側の、入口に近い抵抗薄膜形成
部８においては、前記実施例１の場合とは逆に、Ｑポー
ル１内の電位は軸方向の位置、すなわち入口から導電薄
膜１０が形成されている位置まで一定の率で増加してい
る。そのため、Ｑポール１内の軸上には軸方向に関し
て、イオンが前進する方向と反対方向の電界が形成され
ており、イオンにはクーロン力が働き減速される。

【００６１】そこで、入口フリンジング部６で悪影響を
受けないように１１０ｅＶの高速でここを通過したイオ
ンは、入口に近い抵抗薄膜形成部８において、前進方向
とは逆の電界により、質量分別が達成され得る速度であ
る１０ｅＶまで減速される。

【００６２】この実施例のＱポール型質量分析計におい
ては、０．１Ｐａ以下の圧力のため、ほとんどのイオン
は雰囲気ガスと衝突せず中央部では１０ｅＶの低速のま
ま前進する。

【００６３】なお、通常よく使用される条件を考慮すれ
ば、イオンの速度を２０ｅＶ以下にまで減速すれば、質
量分別を達成し得る。

【００６４】図２中、右側の、出口に近い抵抗薄膜形成
部８に達したイオンは、前記実施例１の場合と同じよう
に、前進方向の電界により加速され、出口フリンジング
部７を１００ｅＶの高速で通過しコレクタ５にて検出さ
れる。

【００６５】したがって、中央部では十分な質量分別が
行われる一方、フリンジング部での悪影響はほとんどな
い。そのため、高質量分子を高感度で計測することが可
能である。

【００６６】なお、本実施例の変形として、中央の薄膜
部を実施例１と同様に抵抗薄膜３として電位勾配をつけ
れば、１Ｐａ程度の高圧の雰囲気中でも動作可能とな
る。

【００６７】

【実施例３】図３（ａ）は本発明の第三の実施例を説明
する概略図である。本実施例で説明するＱポール型質量
分析計は、高圧の雰囲気中でも動作可能なＱポール型質
量分析計であり、Ｑポール領域内において計測すべきイ
オンの軸方向の動きの制御を、雰囲気ガスとの衝突によ
る反力によって行うものである。

【００６８】本実施例のＱポール型質量分析計は、イオ
ン源４とコレクタ５が、ガスが通り抜け得る構造となっ
ており、そこをキャリアガスが流れている構造になって
いる点を除き、従来のＱポール型質量分析計と同様であ
る。

【００６９】キャリアガスとしての雰囲気ガスの圧力は
１Ｐａ程度で、キャリアガスはＱポール１内を符号１４
で示されるように、イオンの前進する方向に流れてい
る。

【００７０】この実施例のＱポール型質量分析計におい
ては、イオンはキャリアガスと衝突するたびに前進方向
の反力を受けるので、図３（ｂ）に示すように、イオン
の軌道１５は、符号１６で示す衝突と停止を繰り返しつ
つ、キャリアガスの流れに乗って前進する。

【００７１】すなわち、イオン源４で発生したイオンは
キャリアガスの流れとともにＱポール領域に入り、軸方
向に関しては質量分別が達成され得る速度である２０ｅ
Ｖを大きく下回る低速で前進し、径方向に関する四重極
電界によって質量分別が行われる。

【００７２】この実施例のＱポール型質量分析計におい
ては、図３（ａ）図示のように、細いノズル形状の入口
電極１２と出口電極１３を採用することにより、フリン
ジング領域での電界の乱れを小さくするとともに、フリ
ンジング領域でのキャリアガスの流速を早めてフリンジ
ング問題による悪影響を低減させることができる。

【００７３】

【実施例４】図４は本発明の第四の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高圧の雰囲気中でも動作可能で、かつ高質量分子を
高感度で計測可能なＱポール型質量分析計であり、Ｑポ
ール領域内において計測すべきイオンの軸方向の動きの
制御を、Ｑポールの長さ、雰囲気ガスの種類と圧力、イ
オン源とＱポールの軸上電位の各条件を設定することに
よって行うものである。

【００７４】この実施例のＱポール型質量分析計は、イ
オン源４に印加される直流電圧、Ｑポール長さ、および
雰囲気ガスの種類・圧力及び、Ｑポールの軸上電位を除
いて従来例と同様である。

【００７５】具体的には、イオン源４は６０Ｖ、Ｑポー
ル１の長さは２００ｍｍ、雰囲気ガスが１ＰａのＨｅ、
Ｑポール１の軸上電位は０Ｖとなっている。

【００７６】例えば、ボンベに充填されたＨｅを、可変
流量バルブを通して減圧された雰囲気に導入して、１Ｐ
ａのＨｅ圧力を持続させる。

【００７７】Ｑポール領域において、イオンは雰囲気ガ
スのＨｅと衝突し、図４中、符号１６で表されるよう
に、衝突、停止を繰り返しつつ、次第に減速していく。
衝突回数が少ない入口フリンジング領域６の初期段階で
はイオンの速度は速すぎるが、多数の衝突を経た出口フ
リンジング領域７の最終段階でもイオンの速度は最後ま
で残っており、イオンはコレクタ５まで到達し検出され
る。

【００７８】ただし、雰囲気ガスであるＨｅと同質量以
下であるＨｅおよびＨ₂のイオンでは衝突により完全停
止および逆行するので、本実施例では雰囲気ガスと同質
量以下のガスは原理的に測定不可能であり、雰囲気ガス
と同質量以上のガスが測定可能である。

【００７９】この動作が行われるためには、Ｑポール１
の長さ、雰囲気ガスの種類と圧力、イオン源４とＱポー
ル１の軸上電位の各条件がある関係を満足しなければな
らない。すなわち、イオンが速すぎると質量分別が不可
能で、遅すぎるとコレクタ５に達しない。必要な条件
は、上述の、衝突前後の速度変化の式｛Ｖ₂＝Ｖ₁（Ｍ_i
−Ｍ_g）／（Ｍ_i＋Ｍ_g）｝から得られる減速割合を公比
とした等比級数の式から求められる。ただし、計算の際
には、イオンの平均自由行程としては径方向での振動に
よる行程も含めることに注意しなければならない。

【００８０】実用的には多種類のガス、すなわち質量の
大きく異なるイオンを測定するので、厳密に必要な諸条
件を決めることは困難である。しかし、本実施例の条件
とすると１０〜５００ａｍｕの広範囲のガスに対して必
要な振動数を満足し正常に質量分別することができる。

【００８１】具体的には、５０ａｍｕでは４０回、１０
０ａｍｕでは６０回、３００ａｍｕでは１１０回程度の
振動回数を達成し、上述の質量分別に必要な振動回数を
満足している。この時Ｑポール内で、５０ａｍｕで５
回、１００ａｍｕで１５回、３００ａｍｕで５０回程度
の衝突が発生して適切な減速が実現している。

【００８２】さらに本実施例では、イオンは６０ｅＶの
高速で入口フリンジング領域６を通過するので、フリン
ジング問題の悪影響はほとんどなく、高質量分子を高感
度で計測することが可能である。この入口フリンジング
領域６を通過するイオンの速度は、高速であればあるほ
どフリンジング問題の悪影響を受けないこととなるが、
３０ｅＶ以上の速度で入口フリンジング領域６を通過す
るようにしておけば、フリンジング問題の悪影響をあま
り受けないようになる。

【００８３】なお、測定すべきガスを狭い質量範囲に限
定すれば、条件を最適化して分解能をより向上させるこ
ともできる。例えば雰囲気ガスを０．１ＰａのＡｒとす
ると、３００ａｍｕ程度のイオンは５０回程度衝突し、
振動回数は２５０回程度にもおよぶ。

【００８４】

【実施例５】図５は本発明の第五の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高圧の雰囲気中でも動作可能で、かつ高質量分子を
高感度で計測可能なＱポール型質量分析計であり、Ｑポ
ール領域内において計測すべきイオンの軸方向の動きの
制御を、イオン自体の空間電荷によるクーロン力によっ
て行うものである。

【００８５】本実施例のＱポール型質量分析計は、イオ
ン源４、Ｑポール１、コレクタ５にそれぞれ印加される
直流電圧を除いて従来のＱポール型質量分析計と同様で
ある。

【００８６】具体的には、イオン源４には２００Ｖ、Ｑ
ポール１には１００Ｖ、コレクタ５には０Ｖが印加され
ており、これによって図５図示のように、Ｑポール領域
内での軸上電位が、入口フリンジング領域での軸上電位
よりも低く、かつ出口フリンジング領域での軸上電位よ
りも高く設定されている。

【００８７】雰囲気ガスの種類・圧力は、衝突によって
イオンがＱポール領域内で最終的に停止する条件であれ
ばよい。この圧力としては、例えば、前記実施例で採用
した雰囲気ガスの圧力よりも少し高い圧力が考えられ、
例えば、Ｈｅの圧力を１０Ｐａに設定して行うことがで
きる。

【００８８】本実施例のＱポール型質量分析計において
は、雰囲気ガスとの衝突によりイオンはＱポール領域内
に停止・滞留するが、そのままイオンの入射を続けると
次第に自らの電荷による電位、すなわち空間電荷による
電位を形成する。初期状態であれば、停止・滞留してい
る場所を中心として丘状の空間電荷（電位）が形成され
る。

【００８９】さらにイオンの入射を続けて空間電荷（電
位）の丘の裾野が両フリンジング領域まで達すると、空
間電荷（電位）の形状はイオンの前進すべき方向に下り
勾配をもった滑り台状に変化し始める。これは、出口フ
リンジング領域７に達したイオンはコレクタ電位による
外側（図では右側）向きの軸上電界によってコレクタ５
側に流れ出るのに対して、入口フリンジング領域６に達
したイオンはイオン源電位による内側（図では右側）向
きの電界によってＱポール内に留まるからである。

【００９０】イオンは径方向には振動という形で拘束を
受けているが、軸方向には最初（空間電荷が形成される
までは）、何の拘束も受けず自由に軸上を動ける。した
がって、イオンは自らの電荷と平衡するような形に分布
する。

【００９１】このような滑り台状の空間電荷（電位）で
は、イオンは軸方向に関して前進方向のクーロン力を受
ける。そのため、新たにＱポール１内に入射し雰囲気ガ
スとの衝突により減速・停止したイオンは、このクーロ
ン力によってふただび加速され、質量分別されながらＱ
ポール１を通過し、コレクタ５にて検出される。

【００９２】なお、空間電荷によるクーロン力は径方向
にも加わるが、四重極型質量分析計の動作原理から径方
向への数ｅＶの速度成分は許容されるので測定上の問題
とはならない。また、イオンは１００ｅＶもの高速で入
口フリンジング領域６を通過するので、フリンジング問
題の悪影響はほとんどない。

【００９３】

【実施例６】図６は本発明の第六の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高圧の雰囲気中でも動作可能なＱポール型質量分析
計であり、Ｑポール領域内において計測すべきイオンの
軸方向の動きの制御を、Ｑポールへ印加されるＶ電圧と
同期した径方向磁場によるローレンツ力によって行うも
のである。

【００９４】この実施例のＱポール型質量分析計は、Ｑ
ポール１の上下位置に磁場発生用のコイル１７が設置さ
れている点を除いて従来のＱポール型質量分析計と同様
である。

【００９５】コイル１７から発生した磁場は、Ｑポール
領域において磁気力線１８が径方向の上下方向となるよ
うに形成される。そのため、径方向の左右方向に振動す
るイオンは磁場力線１８を横切ることになり、軸方向の
ローレンツ力が発生する。磁場は高速で方向が変化する
高周波磁場となっており、高周波の位相はＱポール１へ
印加されるＶ電圧と同期している。そのため、イオンが
振動で往復するたびに磁場方向が変わり、同位相で振動
しているイオンに対して加わるローレンツ力の方向は常
に一定となる。

【００９６】したがって、雰囲気ガスとの衝突により、
符号１６で表すように、減速・停止したイオンは、前進
方向の力を受け質量分別しながらＱポール領域内を通過
することとなる。

【００９７】ただし、半数のイオンの振動位相はＶ電圧
の位相と同じであるが、残りは逆位相となる。そのた
め、前進して正常に計測されるイオンは半数のみで残り
半数は逆行することになるが、測定上の大きな問題とは
ならない。

【００９８】実際上はイオンと磁場では位相のずれが考
えられるので、位相変換器を設置して最適位相に調整す
ることが望ましい。また、イオンの振動周波数は振動方
向によって異なるので、コイルの方向と周波数を最適と
するように調整することが望ましい。

【００９９】さらに、質量分別に対する磁場自体による
悪影響は２００ガウスより発生しはじめて３００ガウス
で分解能が半分に劣化するので、適用される磁場の大き
さは２００ガウス以内とすることが望ましい。

【０１００】なお、雰囲気ガスの圧力が高いことを必須
条件とした上で、イオン源４の電圧を６０〜２００Ｖと
高くしてイオンが入口フリンジング領域６を高速で通過
するようにすれば、高質量分子を高感度で計測も可能と
なる。

【０１０１】

【実施例７】図７は本発明の第七の実施例を説明する概
略図である。本実施例は、高圧の雰囲気中でも動作可能
であるＱポール型質量分析計であり、Ｑポール領域内に
おいて計測すべきイオンの軸方向の動きの制御を行うた
めに、時間変化する径方向磁場による電磁誘導力を利用
したものである。

【０１０２】この実施例のＱポール型質量分析計は、Ｑ
ポール１の左右のやや上方位置に磁場発生用のコイル１
７が設置されている点を除いて従来例と同様である。

【０１０３】コイル１７から発生した磁場は、Ｑポール
領域において磁気力線１８が径方向となるように形成さ
れる。磁場は急速な増加とゆっくりとした減衰が繰返す
鋸刃状磁場となっており、時間的に強度変化する磁場に
より発生する電磁誘導力１９がイオンに加えられる。こ
の電磁誘導力は、交流電場が加えられている導電板に発
生する渦電流の現象として知られているものである。

【０１０４】そこで、Ｑポール内のイオンは軸方向には
自由に動けるので、電磁誘導力により軸方向の力を受け
ることになる。

【０１０５】ゆっくりとした減衰で発生する電磁誘導力
の方向が前進方向となるようにしているので、イオンは
前進方向の力を長時間受けて長い行程を前進する。一
方、逆行方向となる急激な増加による電磁誘導力は加わ
る時間が短いため、逆行の実際の行程は短くなる。これ
は、前進・逆行いずれの行程も平均自由行程と衝突回数
の積で与えられるが、前進方向の方が衝突回数が多くな
るからである。

【０１０６】なお、逆行の場合には衝突する速度（エネ
ルギー）は大きいが、これは衝突により失われてしまう
行程の増加には寄与しない。このため、平均すればイオ
ンは常に前進方向の力を受けることになる。

【０１０７】そこで、イオン源４で発生したイオンは、
雰囲気ガスとの衝突により、符号１６で表すように、減
速・停止し、ここで電磁誘導力１９による前進方向の力
を受け、符号１５で表すようなイオンの軌道を経て、質
量分別されながらＱポール領域内を通過し、コレクタ５
に到達することになる。

【０１０８】本実施例では径方向内での磁場の方向や磁
場の周波数、位相は任意でよい。

【０１０９】なお、雰囲気ガスの圧力が高いことを必要
条件とした上で、イオン源の電圧を６０〜２００Ｖと高
くしてイオンが入口フリンジング領域を高速で通過する
ようにすれば、高質量分子を高感度で計測可能となる。

【０１１０】

【実施例８】図８は本発明の第八の実施例を説明する概
略図である。本実施例で説明するＱポール型質量分析計
は、高圧での雰囲気でも動作可能で、かつ極微量なガス
を計測可能であるＱポール型質量分析計であり、Ｑポー
ル領域内において計測すべきイオンの軸方向の動きの制
御を、４本のＱポールがそれぞれ軸方向で異なる直流電
位を有し、当該４本のＱポールの軸方向での同位置では
４本とも、直流電圧：Ｕを除いて、等しい直流電位を持
つように構成されているＱポールにより形成された電解
により発生するクーロン力によって行うものである。

【０１１１】Ｑポールにおいて５組の導電薄膜が設置さ
れているが、これらの導電薄膜はＱポールの全面を覆っ
ており下地露出面がなく、それぞれの導電薄膜には独立
可変の直流電圧と共通のＶ、Ｕ電圧が印加される。ま
た、Ｑポールの軸上電位は０Ｖとなっており、イオン源
には１１０Ｖ、コレクタには０Ｖが印加されている。こ
れらの点を除いて本実施例のＱポール型質量分析計の構
造は、実施例２の場合と同様な構造となっている。なお
雰囲気ガスの圧力は１Ｐａに設定されている。

【０１１２】この実施例のＱポール型質量分析計におい
ては蓄積モードと検出モードがあって、それぞれのモー
ドでは導電薄膜に印加される直流電位が異なる。蓄積モ
ードでは特定ガス（極微量なガス）のイオンが蓄積さ
れ、その他のイオンは除去される。間欠的に実行される
検出モードでは濃縮された特定ガス（極微量なガス）の
イオンが検出される。

【０１１３】図８（ａ）図示の蓄積モードでは、導電薄
膜にはＱポール先端（イオン源近く）からそれぞれ１０
０Ｖ、９０Ｖ、９０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖの直流電位が
印加されている。すなわち、Ｑポール内では電位勾配が
なく、Ｑポール内の両端付近では電位が高くなってい
る。そのため、イオン源で生成されたイオンは、入口フ
リンジング領域を１１０ｅＶの高速で通過した後に、Ｑ
ポール領域内にて減速され、質量分別が行われる。しか
し、計測すべき特定のガス（極微量なガス）の濃度は低
いので、質量分別された特定のガス（極微量なガス）の
イオンの数は非常に少なく、そのままイオンをＱポール
領域からコレクタの方向に射出しても、バックグランド
ノイズに埋もれて信号として検出することができない。

【０１１４】本実施例のＱポール型質量分析計において
は、Ｑポール内には電位勾配がないので、雰囲気ガスと
衝突を繰り返したイオンは、最終的には軸方向に関して
の動きがなくなり、完全に停止してしまう。しかし、イ
オン源からはイオンが次々にＱポール内に入射するの
で、中央付近には特定ガスのイオンが蓄積され、時間と
ともに濃度が高くなる、すなわち濃縮される。濃縮され
たイオンには自らの空間電荷による斥力が働くが、Ｑポ
ール内の両端付近では電位が高くなっているので、イオ
ンはＱポールの中央付近に留まり続ける。すなわち、計
測すべき特定のガス（極微量なガス）のイオンがＱポー
ル領域内に滞留する。

【０１１５】このようにして一定時間の蓄積（Ｑポール
領域内での計測すべき特定ガスのイオン滞留）が行われ
た後に、検出モードに切り換えられる。

【０１１６】図８（ｂ）図示の検出モードでは、導電薄
膜にはＱポール先端（イオン源近く）からそれぞれ１０
０Ｖ、８５Ｖ、７０Ｖ、５５Ｖ、４０Ｖの直流電位が印
加される。Ｑポール自体の表面の電位は段階的である
が、軸上では空間電荷や電位変化の緩和により、連続的
な電位勾配が形成される。そのため、Ｑポール内の中央
付近に蓄積されていた特定ガスのイオンは、Ｑポールか
らコレクタの方向に射出され、コレクタにて電気信号と
して検出される。

【０１１７】Ｑポールからイオンが射出される時間は、
少なくとも１０^-3秒以下となるので、その時に検出され
る信号量としては、通常の１０³以上の大きなものとな
り、バックグランドノイズの影響を無視することができ
る。ただし、バックグランドノイズは無視できても、一
回の計測ではデータとしては信号量が不十分となる場合
が多いので、検出モードを間欠的に動作させて信号量を
増加させる。すなわち、例えば、動作時間を蓄積モード
１秒、間欠的に実行する検出モード１０^-3秒として、こ
のサイクルを繰り返してデータ処理的な加算操作を行
う。

【０１１８】以上により、本実施例のＱポール型質量分
析計によれば、通常の方法では測定できないような極微
量なガスを計測することができる。

【０１１９】なお、毎回の計測において、信号がバック
グランドノイズに完全に埋もれている場合には、データ
処理的な加算操作をいくら行っても信号として区別する
ことは困難である。そこで蓄積モードの動作時間設定
は、信号が少なくともバックグランドノイズと同等レベ
ル以上に増加することを基準にして決定される。

【０１２０】本実施例では、薄膜としては導電薄膜で、
しかもＱポールの全面を覆うものを採用したが、これ
は、実施例１、２のように抵抗薄膜や螺旋状薄膜を使用
することもできる。抵抗薄膜では、電位の急激な変化を
緩和してイオンに対する攪乱を減らしたり、あるいは電
位勾配をつけて、より高圧の雰囲気で動作可能とするこ
ともできる。螺旋状薄膜では、Ｖ、Ｕ電圧の印加がＱポ
ールへの一ケ所だけで済むなどのメリットがあるが、薄
膜製作技術としては高度なものが要求される。なお、薄
膜をまったく使用せずに、複数のセグメントに分かれた
Ｑポールを使用することも、精度確保で不利があるとは
いえ、当然実行可能である。

【０１２１】以上、添付図面を参照して本発明の好まし
い実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握さ
れる技術的範囲において種々の態様に変更可能である。

【０１２２】例えば、各実施例において説明したＱポー
ル領域内におけるイオンの軸方向の動きの制御方法をそ
れぞれ単独で実行してイオンの軸方向の動きを制御する
こともできるし、各実施例において説明したイオンの軸
方向の動きの制御方法を複合させて実行し、イオンの軸
方向の動きを制御することもできる。

【０１２３】

【発明の効果】本発明によれば、Ｑポール領域内におい
て、計測すべきイオンの径方向とは独立な軸方向の動き
を、種々の方法により制御することによって、０．１Ｐ
ａ以上の高圧条件下における質量分析を可能にすること
ができ、しかも、連続的にガス分子の質量分析を行うこ
とが可能である。

【０１２４】また、フリンジング問題の影響を低減さ
せ、特に高質量のガスを高感度で計測することが可能と
なった。更にまた、特定イオンを濃縮して、極微量のガ
スを計測することが可能となった。

【０１２５】すなわち、イオンの軸方向の動きを制御す
るという本発明によって、１）高電圧動作、２）フリンジング問題の影響の低減、３）特定イオン濃縮、の３つの効果が得られることになった。

【０１２６】これらの３つの効果は、互いに非常に密接
な関係がある。そこで、これらの効果のうち、どれか一
つ、あるいはいずれかの二つ、あるいは三つを同時に得
るため、本明細書で説明した実施例をいろいろと変更
し、あるいは組み合わせることが可能である。

【０１２７】例えば、実施例１では前記１）と２）の効
果を同時に得るために、イオン源４に２００Ｖを印加
し、入口フリンジング領域を１００ｅＶの高速で通過さ
せている。しかし、これをイオン源４に１１０Ｖを印加
し、入口フリンジング領域を従来と同じ１０ｅＶで通過
させてもよい、この場合には、前記２）の効果がなくな
るが、１）の効果は維持されたままでイオン源への機械
的・電気的な負荷が軽減される。

【０１２８】また、例えば、実施例８では、前記１）、
２）、３）の効果を同時に得ており、動作圧力は１Ｐａ
で、Ｑポール中央付近の電位は９０Ｖとなっている。し
かし、動作圧力を０．１Ｐａ以下とし、Ｑポール中央付
近の電位をＱポール先端（イオン源近く）の電位（１０
０Ｖ）に近い９９Ｖとしてもよい。この場合には、前記
１）の効果がなくなるが、前記２）、３）の効果は維持
されたままとなる。なお、前記１）の効果がなくなるこ
とは、用途によっては、圧力制御を行わなくてもよいと
いう大きなメリットになる。

【０１２９】また、例えば、実施例１では、抵抗薄膜３
の出口側には１００Ｖの一定電圧が印加されており、前
記３）の効果はない。しかし、この電圧を１秒間は２０
０Ｖ、０．００１秒間は１００Ｖに繰り返し設定すれ
ば、前記３）の効果を得ることができる。

【０１３０】なお、本明細書で説明したすべての実施例
ではＱポールの長さは従来例と同様な１００ｍｍ〜３０
０ｍｍとしたが、本発明では必ずしもこの長さが必要と
いう訳ではない。Ｑポールの長さは従来のＱポール型質
量分析計では十分な振動回数を得るために不可欠である
が、本発明では適当な条件を選べば１００ｍｍ以下に短
くすることが可能である。特に、実施例３、４を除く他
の実施例による本発明では、Ｑポール領域でのイオンの
軸方向の速度を自由に制御、すなわちフリンジング領域
でのイオンの速度を高くしながらＱポール領域内での速
度は十分に低くすることが出来るので、５０ｍｍ以下の
Ｑポールでも高質量分子を十分な高感度で計測すること
が可能である。したがって、本発明では、従来より短い
Ｑポールを使用した小型のＱポール型質量分析計を実現
することができる。

【０１３１】また、従来例で示した高圧雰囲気で動作可
能な超小型Ｑポール型質量分析計は、Ｑポールの長さに
比例して間隔も狭くしなければならず位置精度が厳しく
なって実用的に大きな問題であった。これに対して本発
明では、従来例と同様の間隔、すなわち同じ位置精度で
よい。しかもＱポールの長さが数分の一と短くすること
ができるので、同じ位置精度であってもその達成は飛躍
的に容易となる。このようにして、Ｑポール型質量分析
計における性能・コスト面で大きな障害であったＱポー
ル位置精度の問題が、本発明により克服できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を説明する概略図。

【図２】本発明の第二の実施例を説明する概略図。

【図３】（ａ）本発明の第三の実施例の構造を説明す
る概略図。（ｂ）図３（ａ）の実施例におけるイオンの動きを表
す図。

【図４】本発明の第四の実施例を説明する概略図。

【図５】本発明の第五の実施例を説明する概略図。

【図６】本発明の第六の実施例を説明する概略図。

【図７】本発明の第七の実施例を説明する概略図。

【図８】（ａ）本発明の第八の実施例の蓄積モードを
説明する概略図。（ｂ）本発明の第八の実施例の検出モードを説明する
概略図。

【図９】雰囲気圧０．０１Ｐａ以下の時の従来のＱポー
ル型質量分析計を説明する概略図。

【図１０】雰囲気圧１Ｐａ程度の時の従来のＱポール型
質量分析計を説明する概略図。

【符号の説明】

１Ｑポール２絶縁薄膜３抵抗薄膜４イオン源５コレクタ６入口フリンジング領域７出口フリンジング領域８抵抗薄膜形成部１０導電薄膜１１導電薄膜形成部１２入口電極１３出口電極１４キャリアーガスの流れ１５イオンの軌道１６イオンの衝突・停止１７コイル１８磁気力線１９誘起された電界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧された雰囲気ガス中に設置されたＱ
ポール型質量分析計において、イオン源側からコレクタ
側に向けて前進する計測すべきイオンの軸方向の動きを
Ｑポール領域内において制御しつつ、径方向の四重極高
周波電界によるクーロン力によって前記計測すべきイオ
ンを質量分別することを特徴とするＱポール型質量分析
計。
【請求項２】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、計測すべきイオンが減速し
た後、質量分別が達成され得る速度の範囲内で、より高
速となるように加速されるものであることを特徴とする
請求項１記載のＱポール型質量分析計。
【請求項３】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、計測すべきイオンをＱポー
ル領域内に滞留させ、当該滞留したイオンのコレクタ側
への射出を間欠的に行うものであることを特徴とする請
求項１記載のＱポール型質量分析計。
【請求項４】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、計測すべきイオンが、Ｑポ
ール型質量分析計の入口フリンジング領域をフリンジン
グ問題の影響をあまり受けないような高速で通過した
後、質量分別が達成され得る速度以下となるようにＱポ
ール領域内で減速されるものであることを特徴とする請
求項１記載のＱポール型質量分析計。
【請求項５】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、計測すべきイオンが、Ｑポ
ール型質量分析計の入口フリンジング領域をフリンジン
グ問題の影響をあまり受けないような高速で通過した
後、Ｑポール領域内で滞留し、当該滞留したイオンのコ
レクタ側への射出が間欠的に行われるものであることを
特徴とする請求項１記載のＱポール型質量分析計。
【請求項６】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、Ｑポール型質量分析計を構
成する４本のＱポールがそれぞれ軸方向位置によって異
なる直流電位を有し、当該４本のＱポールの同位置では
４本とも直流電圧：Ｕを除けば等しい直流電位を持つよ
うに構成されているＱポールにより形成された電界によ
り発生するクーロン力を用いるものであることを特徴と
する請求項２乃至５のいずれか一項記載のＱポール型質
量分析計。
【請求項７】Ｑポール型質量分析計を構成する４本の
Ｑポールの表面の一部又は全部に薄膜を形成し、当該薄
膜に、Ｑポールの軸方向位置によって異なる前記直流電
位または、Ｑポールの軸方向位置によって異なる前記直
流電位及び高周波電圧：Ｖ、直流電圧：Ｕを印加するこ
とを特徴とする請求項６記載のＱポール型質量分析計。
【請求項８】Ｑポール領域内における計測すべきイオ
ンの軸方向の動きの制御は、前記計測すべきイオンの雰
囲気ガスとの衝突により発生する反力を用いることを特
徴とする請求項２乃至５のいずれか一項記載のＱポール
型質量分析計。
【請求項９】計測すべきイオンの雰囲気ガスとの衝突
により発生する反力を用いたＱポール領域内における計
測すべきイオンの軸方向の動きの制御は、イオン源側か
らコレクタ側に向けて前記雰囲気ガスを流して行うもの
であることを特徴とする請求項８記載のＱポール型質量
分析計。
【請求項１０】Ｑポール領域内における計測すべきイ
オンの軸方向の動きの制御は、前記計測すべきイオン
が、軸方向の力を受けなくても、Ｑポール領域を通過で
きるように、Ｑポール長さ、雰囲気ガスの種類と圧力、
イオン源とＱポールの軸上電位を設定して行うことを特
徴とする請求項２乃至５のいずれか一項記載のＱポール
型質量分析計。
【請求項１１】Ｑポール領域内における計測すべきイ
オンの軸方向の動きの制御は、前記計測すべきイオン自
体によりＱポール領域内に形成された空間電荷により発
生するクーロン力を用いるものであることを特徴とする
請求項２乃至５のいずれか一項記載のＱポール型質量分
析計。
【請求項１２】Ｑポール領域内での軸上電位を、入口
フリンジング領域での軸上電位よりも低く、かつ出口フ
リンジング領域での軸上電位よりも高くしたことを特徴
とする請求項１１記載のＱポール型質量分析計
【請求項１３】Ｑポール領域内における計測すべきイ
オンの軸方向の動きの制御は、径方向に印加された四重
極高周波電界に同期した高周波磁場により発生するロー
レンツ力を用いるものであることを特徴とする請求項２
乃至５のいずれか一項記載のＱポール型質量分析計。
【請求項１４】Ｑポール領域内における計測すべきイ
オンの軸方向の動きの制御は、径方向に印加された時間
的に強度変化する磁場により発生する電磁誘導力を用い
るものであることを特徴とする請求項２乃至５のいずれ
か一項記載のＱポール型質量分析計。