JP2002117802A

JP2002117802A - 垂直加速型飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JP2002117802A
Application number: JP2000308631A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Suzuki; 鈴木貴之; Satoshi Kitamura; 敏北村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-19
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP3830344B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン溜を構成するイオン押し出しプレートや
グリッドが帯電しても、マススペクトルの分解能や感度
が低下するのを防止することができるＯＡ−ＴＯＦＭＳ
を提供する。【解決手段】外部イオン源と、外部イオン源で発生した
イオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス
的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置さ
れるイオン押し出しプレートとグリッドにより構成され
るイオン溜と、グリッドを介して取り出されたイオンを
質量分離する飛行時間型分光部と、質量分離されたイオ
ンを検出するイオン検出器とを備えた垂直加速型飛行時
間型質量分析装置において、前記イオン押し出しプレー
トおよび／またはグリッドにオフセット電圧を印加する
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、垂直加速型飛行時
間型質量分析装置に関し、特に、イオン溜を構成するイ
オン押し出しプレートやグリッドの帯電によってマスス
ペクトルの分解能が低下するのを、未然に防止すること
ができる垂直加速型飛行時間型質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量分析装置は、試料から生成するイオ
ンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオ
ンを分離して、スペクトルとして記録する装置である。
質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散
を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて
質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせ
る四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの
飛行時間の違いを利用してイオンを分離する飛行時間型
質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight ＭＳ）な
どが知られている。

【０００３】これらの質量分析装置の内、磁場型質量分
析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプの
イオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パル
ス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合してい
る。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しよ
うとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要であ
る。垂直加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦ
ＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続
型のイオン源からパルス状のイオンを射出することがで
きるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。

【０００４】図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成
を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン
源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）
イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高
速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオ
ン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空
ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排
気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス
２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３
と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けら
れた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた
中間室１１と、集束レンズおよび偏向器から成るレンズ
群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッ
ド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレク
ター８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構
成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。

【０００５】このような構成において、外部イオン源１
において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１
のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。
そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオン
は、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束さ
れ、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入され
る。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で
運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する
高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真
空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１
３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられ
ている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、
この第３のオリフィス１２によって、一定の径を持った
イオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。

【０００６】測定室１３の入口には、集束レンズと偏向
器とから成るレンズ群６が設置されている。測定室１３
に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビーム
の拡散や偏向を是正され、ランチャー７に導入される。
ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッ
ドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方
向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置され
ている。

【０００７】イオンビームは、最初、図２に示すよう
に、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５および
加速レンズ１６によって挟まれたイオン溜１７に向けて
平行に進入する。イオン溜１７内を平行に移動する一定
の長さを持ったイオンビーム１８は、イオン押し出しプ
レート１４にパルス状の加速電圧を印加することによ
り、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｙ軸方向）とは垂
直な方向（Ｘ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパ
ルス１９となって、イオン溜１７と対向する位置に設け
られた図示しないリフレクターに向けて飛行を開始す
る。

【０００８】垂直方向に加速されたイオンは、測定室１
３に導入されたときのＹ軸方向の速度と、それとは垂直
な方向にイオン押し出しプレート、グリッド、及び加速
レンズによって与えられたＸ軸方向の速度とが足し合わ
されるため、完全なＸ軸方向ではなく、わずかに斜めを
向いたＸ軸方向に飛行し、リフレクター８で反射され
て、イオン検出器９に到達する。

【０００９】イオンの加速の過程では、イオンの質量の
大小にかかわらず、同じ電位差がイオンに作用するた
め、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速
度が遅くなる。その結果、イオンの質量の違いがイオン
検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現
れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとし
て分離することができる。

【００１０】このようにして、連続型のイオン源１から
生成したイオンビームを、イオン押し出しプレート、グ
リッド、及び加速レンズから成るランチャー７によって
パルス状に加速することにより、連続型のイオン源を、
パルス状のイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに
適用することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、ＯＡ
−ＴＯＦＭＳでは、イオンをイオン溜に導入する際のイ
オンの運動エネルギーが５０ｅＶ以下と非常に小さく設
定されている。従って、磁場型質量分析装置と比較した
場合、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの方が、電極その他の帯電の影
響をはるかに受けやすい。その結果、イオン溜を構成す
る電極その他に帯電がわずかでも発生すると、イオン溜
に導入されたイオンビームは、図３に示すように、偏向
を受けて傾くことになり、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの分解能や
感度に低下をもたらすことになる。このような帯電は、
試料イオンの残骸の有機物などが電極の表面などに付着
することによって、極めて容易に起こり得る。

【００１２】これを是正するための処置として、従来
は、ＯＡ−ＴＯＦＭＳのイオン溜の直前の位置に、集束
レンズと共に偏向器が設けてあった。あるいはまた、電
極その他の帯電の影響を小さくするために、イオン溜に
導入されるイオンビームのエネルギーを大きめに取った
りしていた。

【００１３】偏向器を設ければ、確かにイオンビームの
偏向を是正することには効果があるが、それは、設けた
偏向器よりも手前でイオンビームが偏向している場合に
限られる。イオン溜のイオン押し出しプレートや加速レ
ンズ（グリッド）が帯電してしまったときには、偏向器
で偏向を矯正しようとしてもほとんど効果はない。

【００１４】また、イオン溜に導入されるイオンビーム
のエネルギー（インジェクション・エネルギー）を大き
くすることは、偏向器を設けるよりも効果がある。イオ
ン押し出しプレートの帯電電圧よりも相対的に大きいイ
ンジェクション・エネルギーのイオンならば、イオン押
し出しプレートの帯電によってもほとんど偏向されず
に、イオンビームは直進することができる。しかし、装
置全体の大きさを制限する要求が出たり、省スペースの
要求があることなどを考慮すると、イオン溜に導入され
たイオンを、できるだけイオン溜の導入軸に対して直交
する方向に加速することが望ましく、そのためには、高
いインジェクション・エネルギーに対して、より高い押
し出しのための加速電圧をイオン押し出しプレートに印
加する必要がある。

【００１５】しかし、いくらインジェクション・エネル
ギーを上昇させることが効果があると言っても、実用上
の限界があるし、また、帯電の影響は必ずしも恒常的な
ものではなく、装置の汚染度や時間経過などによって変
化しがちである。更に、帯電対策として、高圧電源や高
圧対応の検出器を採用すれば、それだけコストが高くな
るという問題を生じる。

【００１６】本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオ
ン溜を構成するイオン押し出しプレートやグリッドが帯
電しても、マススペクトルの分解能や感度が低下するの
を防止することができるＯＡ−ＴＯＦＭＳを提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかるＯＡ−ＴＯＦＭＳは、外部イオン源
と、外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間
と、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すた
めに該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレ
ートとグリッドにより構成されるイオン溜と、グリッド
を介して取り出されたイオンを質量分離する飛行時間型
分光部と、質量分離されたイオンを検出するイオン検出
器とを備えた垂直加速型飛行時間型質量分析装置におい
て、前記イオン押し出しプレートおよび／またはグリッ
ドにオフセット電圧を印加するようにしたことを特徴と
している。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかるＯＡ−
ＴＯＦＭＳの一実施例を表わしたものである。本実施例
は、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）
イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプ
レイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオ
ン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２
の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される
差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に
設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内
に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成
する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、
イオンガイド５が置かれた中間室１１と、集束レンズお
よび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレー
トと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イ
オンを反射するリフレクター８、およびイオン検出器９
などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室
１３とを備えている。また、ランチャー７内のイオン押
し出しプレートには、直流電源２０が接続されている。

【００１９】このような構成において、外部イオン源１
において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１
のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。
そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオン
は、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束さ
れ、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入され
る。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で
運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する
高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真
空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１
３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられ
ている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、
この第３のオリフィス１２によって、一定の径を持った
イオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。

【００２０】測定室１３の入口には、集束レンズと偏向
器とから成るレンズ群６が設置されている。測定室１３
に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビーム
の拡散や偏向を是正され、ランチャー７に導入される。
ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッ
ドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方
向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置され
ている。また、イオン溜の一方の壁部を構成するイオン
押し出しプレートには、任意の直流電圧（オフセット電
圧）を印加でき、極性の向きを自由に変更可能な直流電
源２０が接続されている。このイオン溜の周辺を拡大し
て示すと、図５の通りである。

【００２１】さて、この直流電源２０は、以下のように
して用いられる。まず、イオンビームが、図６に示すよ
うに、イオン押し出しプレート１４やグリッド１５の帯
電によって偏向され、ＯＡ−ＴＯＦＭＳのマススペクト
ルの分解能や感度に対して深刻な影響を与えるような状
況になった場合には、直流電源２０から適切な強度の直
流電圧をオフセット電圧としてイオン押し出しプレート
１４に印加し、これによって、試料イオンの残骸の有機
物などが付着して起きた帯電の電圧を相殺させる。その
結果、イオン溜１７内でのイオンビームの偏向は是正さ
れ、イオンビームは、図７に示すように、イオン溜１７
の軸方向（Ｙ軸方向）に沿ってまっすぐに導入されるよ
うになる。

【００２２】この直流電源２０のチューニングは、イオ
ン検出器９によって検出されるマススペクトルのピーク
強度を指標に用い、マススペクトルのピーク強度が最大
となるようにオフセット電圧を設定することによって、
容易になされる。すなわち、コンピューターなどの制御
装置によって、マススペクトルのピーク強度をモニター
しながら、直流電源２０の極性と出力電圧とを変化さ
せ、ピーク強度が最大となる値に出力電圧を設定するよ
うに動作させれば、直流電源２０のチューニングを自動
的に行なわせることが可能である。

【００２３】こうして、イオン溜１７にまっすぐに導入
されるようになったイオンビーム１８は、イオン押し出
しプレート１４にパルス状の加速電圧を印加することに
より、図７のように、イオンビーム１８の進入軸方向
（Ｙ軸方向）とは垂直な方向（Ｘ軸方向）にパルス状に
加速され、イオンパルス２０となって、イオン溜と対向
する位置に設けられた図示しないリフレクターに向けて
飛行を開始する。そして、リフレクターで反射されてイ
オン検出器に到達し、質量分析が行なわれる。

【００２４】尚、本発明には変形例が考えられる。すな
わち、本実施例では、イオン溜にオフセット電圧を印加
するための直流電圧２０をイオン押し出しプレート１４
に接続するように構成したが、この直流電源２０は、図
８に示すように、グリッド１５の側に接続しても良く、
あるいは、図９に示すように、イオン押し出しプレート
１４とグリッド１５の両方にそれぞれ接続しても良い。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明のＯＡ−ＴＯ
ＦＭＳによれば、イオン溜の壁部を構成するイオン押し
出しプレートおよび／またはグリッドにオフセット電圧
を印加できる直流電源を接続したので、イオン押し出し
プレートやグリッドが有機物などの付着により帯電し
て、マススペクトルの分解能や感度が低下する状態にな
っても、その帯電電圧を相殺して、マススペクトルの分
解能や感度の低下を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示
す図である。

【図２】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイ
オン溜近傍を示す図である。

【図３】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイ
オン溜近傍を示す図である。

【図４】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置の一実施例を示す図である。

【図５】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置のイオン溜近傍を示す図である。

【図６】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置のイオン溜近傍を示す図である。

【図７】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置のイオン溜近傍を示す図である。

【図８】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置の変形例を示す図である。

【図９】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析
装置の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１・・・外部イオン源、２・・・第１のオリフィス、３・・・リ
ングレンズ、４・・・第２のオリフィス、５・・・イオンガイ
ド、６・・・レンズ群、７・・・ランチャー、８・・・リフレク
ター、９・・・イオン検出器、１０・・・差動排気壁、１１・・
・中間室、１２・・・第３のオリフィス、１３・・・測定室、
１４・・・イオン押し出しプレート、１５・・・グリッド、１
６・・・加速レンズ、１７・・・イオン溜、１８・・・イオンビ
ーム、１９・・・イオンパルス、２０・・・直流電源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部イオン源と、外部イオン源で発生した
イオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス
的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置さ
れるイオン押し出しプレートとグリッドにより構成され
るイオン溜と、グリッドを介して取り出されたイオンを
質量分離する飛行時間型分光部と、質量分離されたイオ
ンを検出するイオン検出器とを備えた垂直加速型飛行時
間型質量分析装置において、前記イオン押し出しプレー
トおよび／またはグリッドにオフセット電圧を印加する
ようにしたことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。