JP2004200130A

JP2004200130A - 四重極質量分析計の電圧制御方法及び電圧制御回路装置

Info

Publication number: JP2004200130A
Application number: JP2002370810A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamamuro; 和弘山室; Junpei Yuyama; 純平湯山; Tomonao Hayashi; 友直林; Junji Matsushita; 凖二松下
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】比較回路や検波回路などの追加的手段を要さず、高精度の測定を行い得る四重極質量分析計の電圧制御方法及びこの制御方法のために四重極質量分析計に搭載する電圧制御回路装置を提供する。
【解決手段】基準交流信号を発生させる発振回路５４と、ＣＰＵ５１により制御されて基準交流信号の増幅率を増幅させる可変増幅率増幅回路５５と、可変増幅率増幅回路５５から出力される交流電圧のための交流電圧増幅回路５６と同調回路５７とを備えると共に、ＣＰＵ５１からのデジタル制御信号を鋸波状のアナログ直流信号に変換するＤＡコンバータ５２と、アナログ直流信号のための直流電圧増幅回路５３とを備え、発振回路５４と可変増幅率増幅回路５５と交流電圧増幅回路５６と同調回路５７とを順に経由して出力される高周波電圧と、ＤＡコンバータ５２と直流電圧増幅回路５３とを順に経由して出力される直流電圧とによる重畳電圧を四重極電極に印加する際に、ＣＰＵ５１により、可変増幅率増幅回路５５の増幅率制御を行うと共にＤＡコンバータ５２へのデジタル制御信号の出力制御を行う。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四重極質量分析計の電圧制御方法及びこの制御方法のために四重極質量分析計に搭載する電圧制御回路装置に関する。
【０００２】
四重極質量分析計において、四重極電極に印加される重畳電圧の交流電圧（高周波電圧）成分と直流電圧成分との組合せにより、測定対象たる気体分子イオンの分析管内通過を確保する安定領域が複数形成される。ところが、例えば、第I安定領域に関し、互いに最隣接する質量スペクトルに対応する安定領域同士が近接して存在するため、高性能の四重極質量分析計を得るためには、高精度に制御された直流電圧と交流電圧とを連続的に変化させながら四重極電極に安定的に印加することが要望されている。
【０００３】
【従来の技術】
四重極電極に印加する重畳電圧の交流電圧成分と直流電圧成分との制御を行うものとして、従来、図１に示す回路ブロック図に基づく制御回路装置を搭載した四重極質量分析計が知られている。（例えば、特許文献１乃至３参照。）
図１において、直流電圧成分は、ＣＰＵ１からのデジタル制御信号によりＤＡコンバータ２から、安定領域に外挿して得られる掃引線に対応する鋸波状の直流信号を出力し、この鋸波状直流信号を直流電圧増幅回路３にて所定倍率に増幅して出力される。一方、高周波電圧成分は、発振回路４にて作成した基準交流信号に対して、変調回路５にて、ＣＰＵ１に制御されたＤＡコンバータ２からの制御信号に基づいて振幅変調を行い、その後、交流電圧増幅回路６、同調回路７を経由して出力される。そして、直流電圧増幅回路３から出力される直流電圧成分と同調回路７から出力される高周波電圧成分とによる重畳電圧が四重極電極８に印加される。ここで、発振回路４からの基準交流信号に対して変調回路５で振幅変調を行うのは、上記の安定領域の掃引線に対応して重畳電圧中の高周波電圧を連続的に変化させるためである。
【０００４】
また、精度の良い質量分析のためには、重畳電圧中の高周波電圧成分の振幅がＤＡコンバータ２からの制御信号に正確に比例することが必要である。ところが、変調回路素子（ダブルバランスドミキサやトランジスタ）は非線形型のものを用いることが多いため、制御信号をそのまま振幅変調に反映することが難しい。そこで、図１の回路ブロック図においては、比較回路９と検波回路１０とを用いて高周波電圧成分の比較、修正を行うようにしている。
【０００５】
即ち、四重極電極８に印加されている重畳電圧中の高周波電圧成分の一部を検波回路１０で整流した後に、比較回路９においてＤＡコンバータ２からの制御信号と比較する。そして、比較回路９において二つの入力が等しくなるように制御し、所望の振幅変調が得られるような負帰還制御を行う。
【０００６】
また、より高い精度での質量分析を行う場合には、通常の第I安定領域以外に第II安定領域での測定を行うことにより質量スペクトル値を補完することがあり、この場合は、図２に示す回路ブロック図に基づく制御回路装置を搭載することになる。図２のブロック図が図１と異なるのは、図１の直流電圧増幅回路３を、第I安定領域用直流電圧増幅回路３ａ、第II安定領域用直流電圧増幅回路３ｂ及び両増幅回路３ａ、３ｂの切替回路３ｃに置き換えたことであり、負帰還制御により、高周波電圧成分の制御を行う点は本質的に同じものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７-２４０１７０号公報（第３−４頁、図１及び図５）
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０-２７５７０号公報（第３頁、図１）
【０００９】
【特許文献３】
特開２０００-７７０２５号公報（第３−４頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来例における負帰還制御に用いる検波回路１０自体、非線形型素子を用いることが多いため、完璧な制御を行うことは難しい。
【００１１】
また、負帰還制御用に比較回路９や検波回路１０を組み込むことにより、回路を複雑にさせるだけでなく、これによる制御信号遅延が別の問題を生じさせる。即ち、制御信号の増減が行われるまでの所望電圧からの乖離と、遅行する制御信号による所望電圧への復帰とにより、単調であるはずの安定領域の掃引線が波打つようになる。この際、得られる高周波電圧の振幅は、所望のもの（図３）と異なり変動を伴うものとなる（図４）。そして、質量スペクトルのピークの尖度が低下したり、テーリングが生じたりして、四重極質量分析計の分解能が悪化する要因となり、良好な精度での測定を阻害することになる。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑み、比較回路や検波回路などの追加的手段を要さず、高精度の測定を行い得る四重極質量分析計の電圧制御方法及びこの制御方法のために四重極質量分析計に搭載する電圧制御回路装置を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の四重極質量分析計の電圧制御方法は、基準交流信号を発生させる発振手段と交流電圧増幅手段と交流電圧同調手段とを順に経由して出力される高周波電圧と、制御系からのデジタル制御信号を鋸波状のアナログ直流信号に変換するＤＡ変換手段と直流電圧増幅手段とを順に経由して出力される直流電圧とによる重畳電圧を四重極電極に印加する際に、上記した発振手段と交流電圧増幅手段との間に、発振手段からの基準交流信号の増幅率を可変とする可変増幅率増幅手段を設けている。
【００１４】
これによれば、比較回路や検波回路などの追加的手段が不要であり、これらの回路素子の非線形性に起因する問題が回避でき、また、制御用回路が簡素化される。
【００１５】
そして、電圧を制御するに際し、制御系により、可変増幅率増幅手段の増幅率制御を行うと共にＤＡ変換手段へのデジタル制御信号の出力制御を行う。これにより、高周波電圧成分に対して、線形性を反映した制御系による正確な増幅率制御を行うことができ、したがって、重畳電圧中の高周波電圧成分及び直流電圧成分を高精度に制御しながら連続的に変化させることができる。
【００１６】
また、上記した直流電圧増幅手段として、制御系により、第I安定領域用と第II安定領域用とのいずれか一方を選択可能であるものを用いることで、第I及び第IIの安定領域に対応した、さらに高精度の質量分析を行うことができる。
【００１７】
そして、これらの電圧制御方法を行うため、基準交流信号を発生させる発振手段と、制御系により制御されて基準交流信号の増幅率を増幅させる可変増幅率増幅手段と、可変増幅率増幅手段から出力される交流電圧のための交流電圧増幅手段と交流電圧同調手段とを備えると共に、制御系からのデジタル制御信号を鋸波状のアナログ直流信号に変換するＤＡ変換手段と、このアナログ直流信号のための直流電圧増幅手段とを備えた四重極質量分析計の電圧制御回路装置を構成し、このもので、発振手段と可変増幅率増幅手段と交流電圧増幅手段と交流電圧同調手段とを順に経由して出力される高周波電圧と、ＤＡ変換手段と直流電圧増幅手段とを順に経由して出力される直流電圧とによる重畳電圧を四重極電極に印加することにより、高精度の質量分析を行うことができる。
【００１８】
この際に、直流電圧増幅手段として、制御系により、第I安定領域用と第II安定領域用とのいずれか一方を選択可能として構成した電圧制御回路装置は、第I及び第IIの安定領域に対応した、さらに高精度の質量分析を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の四重極質量分析用電圧制御回路装置の概要を示す回路ブロック図である。重畳電圧の直流電圧成分は、ＣＰＵ５１からのデジタル制御信号によりＤＡコンバータ５２から、安定領域に外挿して得られる掃引線に対応する鋸波状の直流信号を出力し、この鋸波状直流信号を直流電圧増幅回路５３にて所定倍率に増幅して出力される。一方、高周波電圧成分は、発振回路５４にて作成した基準交流信号に対して、可変増幅率増幅器（Variable Gain Amplifier：ＶＧＡとも言う。）５５にて、ＣＰＵ５１からの倍率指定デジタル制御信号に基づいて所定倍率に正確に増幅される。さらに、その後、交流電圧増幅回路５６、同調回路５７を経由して出力される。そして、直流電圧増幅回路５３から出力される直流電圧成分と同調回路５７から出力される高周波電圧成分とによる重畳電圧が四重極電極５８に印加される。
【００２０】
この電圧制御回路装置では、従来例において設けられていた比較回路や検波回路などの制御用追加手段が不要となるうえに、線形性を確保したＣＰＵ５１による正確な制御のもとで高周波電圧成分及び直流電圧成分を連続的に変化させることができる。
【００２１】
また、例えば、核融合生成物の重水素分子とヘリウムなど同じ質量数のスペクトルの識別を必要とする超精密測定に際しては、上記したように、第I及び第IIの両安定領域での測定を行うことがあるが、ＣＰＵ５１内のパラメータ変更により、直流電圧増幅回路５３を、第I及び第IIの両安定領域のいずれか一方に対応する直流電圧増幅回路に切替えるようにすることで、従来例に設けられていた物理的な切替回路が不要となる。
【００２２】
【実施例】
[実施例１]
図５に示す電圧制御回路を搭載した四重極質量分析計を用い、該分析計の試験用チャンバ内を１．０×１０^-5Ｐａの到達圧力まで排気した後に、Ｘｅ単体ガスを導入して２．０×１０^-5Ｐａのプロセス圧力に保った状態で、この質量分析計によりＸｅ⁺の質量スペクトルを測定したところ、図６に示すスペクトルチャートが得られた。最隣接する質量スペクトルの裾部同士がほとんど重複せずに、スペクトルの裾部での幅が質量数１に対応する間隔（ΔＭ＝１）を確保して、十分な分解能が得られていることを示す。
【００２３】
[実施例２]
Ｘｅ⁺の替りにＸｅ²⁺の質量スペクトルを測定対象とする以外は、[実施例１]と同様の条件で測定を行ったところ、図７に示すスペクトルチャートが得られた。図１の電圧制御回路を搭載した四重極質量分析計では、隣接する大強度のスペクトル（Ｍ/Ｚ＝１２９/２及び１３１/２）に埋没して識別できなかった、Ｍ/Ｚ＝１３０/２のピークを明確に識別することができる。これは、図５に示す電圧制御回路を搭載した四重極質量分析計が高分解能であることを示している。
【００２４】
[実施例３]
図５に示す電圧制御回路を搭載した四重極質量分析計を用い、該分析計の試験用チャンバ内を１．０×１０^-5Ｐａの到達圧力まで排気した後に、⁴ＨｅとＤ₂（重水素分子）とを成分とする混合ガスを導入して２．０×１０^-4Ｐａのプロセス圧力に保つ。この状態で、ＣＰＵ５１のパラメータ変更により、第II安定領域用を選択した直流電圧増幅回路５３を作動させて、⁴Ｈｅ⁺及びＤ₂ ⁺の質量スペクトルを測定したところ、図８に示すスペクトルチャートが得られた。なお、このとき用いた試験用混合ガスは、³Ｈｅ、ＨＤ、⁴Ｈｅ及びＤ₂を１：１：１：１で混合したものである。
【００２５】
質量数が非常に近接している⁴Ｈｅ（４．００２６ａｍｕ）及びＤ₂（４．０２８２ａｍｕ）を独立したピークとして識別できることは、四重極質量分析計の性能を示す重要な指標であるが、図８により、本発明の電圧制御回路装置を搭載した四重極質量分析計が優れた分解能を有することが分る。
【００２６】
なお、図２に示す従来の電圧制御回路装置を搭載した四重極質量分析計で、[実施例３]と同程度の高分解能を得るためには、高周波電圧の周波数を５ＭＨｚ以上にする必要があるが、本実施例に要する周波数は２ＭＨｚに留まる。高周波電圧値は、周波数の二乗に比例して増大するため、従来例では強大な高周波電圧が必要となり、電源制御などの点で本発明の優位性が際立つことになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来の電圧制御回路装置における、比較回路や検波回路や切替回路などの追加的手段の機能を、線形性を確保したＣＰＵにて受け持たせているため回路が簡素化されるうえに、これら追加的手段に用いる回路素子の非線形性を原因として、高周波電圧成分に対する制御の正確性が損なわれることを回避できる。
【００２８】
さらに、従来装置における負帰還制御時の制御信号遅延に起因する性能低下を回避できるので、十分な分解能を確保した高精度の質量分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の四重極質量分析計用電圧制御回路装置の回路ブロック図
【図２】従来の四重極質量分析計用電圧制御回路装置（安定領域切替対応）の回路ブロック図
【図３】所望の振幅の高周波電圧を示すグラフ図
【図４】振幅変動が生じた高周波電圧を示すグラフ図
【図５】本発明の四重極質量分析計用電圧制御回路装置の回路ブロック図
【図６】[実施例１]により得られるスペクトルチャート図
【図７】[実施例２]により得られるスペクトルチャート図
【図８】[実施例３]により得られるスペクトルチャート図
【符号の説明】
１５１ＣＰＵ
２５２ＤＡコンバータ（ＤＡ変換手段）
３５３直流電圧増幅回路（直流電圧増幅手段）
３ａ第I安定領域用直流電圧増幅回路
３ｂ第II安定領域用直流電圧増幅回路
３ｃ切替回路
４５４発振回路（発振手段）
６５６交流電圧増幅回路（交流電圧増幅手段）
７５７同調回路（交流電圧同調手段）
８５８四重極電極
５５可変増幅率増幅器（可変増幅率増幅手段）

Claims

基準交流信号を発生させる発振手段と交流電圧増幅手段と交流電圧同調手段とを順に経由して出力される高周波電圧と、制御系からのデジタル制御信号を鋸波状のアナログ直流信号に変換するＤＡ変換手段と直流電圧増幅手段とを順に経由して出力される直流電圧とによる重畳電圧を四重極電極に印加する四重極質量分析計の電圧制御方法において、前記発振手段と前記交流電圧増幅手段との間に、該発振手段からの基準交流信号の増幅率を可変とする可変増幅率増幅手段を設け、前記制御系により、前記可変増幅率増幅手段の増幅率制御を行うと共に前記ＤＡ変換手段へのデジタル制御信号の出力制御を行うことを特徴とする四重極質量分析計の電圧制御方法。
前記直流電圧増幅手段は、前記制御系により、第I安定領域用と第II安定領域用とのいずれか一方を選択可能であることを特徴とする請求項１に記載の四重極質量分析計の電圧制御方法。
請求項１に記載の電圧制御方法を行うため、基準交流信号を発生させる発振手段と、制御系により制御されて該基準交流信号の増幅率を増幅させる可変増幅率増幅手段と、該可変増幅率増幅手段から出力される交流電圧のための交流電圧増幅手段と交流電圧同調手段とを備えると共に、前記制御系からのデジタル制御信号を鋸波状のアナログ直流信号に変換するＤＡ変換手段と、該アナログ直流信号のための直流電圧増幅手段とを備え、前記発振手段と前記可変増幅率増幅手段と前記交流電圧増幅手段と前記交流電圧同調手段とを順に経由して出力される高周波電圧と、前記ＤＡ変換手段と前記直流電圧増幅手段とを順に経由して出力される直流電圧とによる重畳電圧を四重極電極に印加することを特徴とする四重極質量分析計の電圧制御回路装置。
請求項２に記載の電圧制御方法を行うため、前記直流電圧増幅手段が、前記制御系により、第I安定領域用と第II安定領域用とのいずれか一方を選択可能としたことを特徴とする請求項３に記載の四重極質量分析計の電圧制御回路装置。