JP2005005021A

JP2005005021A - 飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JP2005005021A
Application number: JP2003164838A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Iwanaga; 岩永光恭; Tatsuji Kobayashi; 小林達次
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】イオン溜内におけるイオンビームの偏向現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供する。
【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、イオン溜の最奥部に設置され、イオン溜に導入されたイオンビームの位置をモニターする位置モニター手段とを備えた。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源により生成された試料イオンを分析する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；ｔｉｍｅｏｆｆｌｉｇｈｔＭＳ）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。直交加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＴＯＦＭＳ）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、収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１３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、丸い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、収束レンズと偏向器とから成るレンズ群６、および図示しない入射ビーム規制スリットが設置されている。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、入射ビーム規制スリットでビームの断面形状を整えられた後、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、２０〜５０ｅＶの低エネルギー状態で、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、図３に示すような、イオンの極性と同じ極性の、数ｋＶ程度の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（Ｘ軸方向）とは垂直な方向（Ｚ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１３に導入されたときのＸ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Ｚ軸方向の速度とが足し合わされるため、完全なＺ軸方向ではなく、わずかに斜めを向いたＺ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（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８０２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオン溜１７に、２０〜５０ｅＶ程度の、低い加速エネルギーのイオンが導入された際、イオン溜１７を構成しているイオン押し出しプレート１４とグリッド１５に汚れがある場合は、そこにイオンの持つ電荷が蓄積されて、帯電状態になる。そうなると、その帯電した部位に、本来のイオン光学系に想定しなかった、異常な電位が形成され、そこに生じた電界が、低速のイオンを、イオン溜の中心軸からずれた方向へと偏向し、イオン溜１７への正常なイオン導入の妨げとなってしまう。
【００１３】
また、従来、イオン押し出しプレート１４に印加される電圧は、イオン溜１７へのイオンビームの導入期間は、本来、正確に、０Ｖの値に設定されるべきものが、電気回路的に０．３〜０．６Ｖ程度のオフセット電圧が残った状態にあったため、イオン溜１７の空間が、自由飛行空間ではなくなって、イオンビームが偏向され、イオン溜の中心軸に対して、入射イオンビーム軸がずれる、という問題が起きていた。
【００１４】
この状況を、シミュレーションした例を、図３に示す。イオン押し出しプレート１４に、＋０．３Ｖ、あるいは、−０．３Ｖのオフセット電圧が印加された状態では、イオンビームの入射軌道は、ＢやＣのように曲げられてしまう。
【００１５】
もし、イオン溜１７内で、入射イオンビームの偏向が起きると、マススペクトルの分解能が低下する。この現象は、イオンの持つ加速エネルギーが、２０〜５０ｅＶ程度と低いことと関係しており、低加速エネルギーのイオンを扱う場合には、微弱な電位の異常形成に、確実に対処する必要があった。
【００１６】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオン溜内におけるイオンビームの偏向現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置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、本発明の飛行時間型質量分析装置は、
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、
イオン溜の最奥部に設置され、イオン溜に導入されたイオンビームの位置をモニターする位置モニター手段と
を備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、更に、前記イオン押し出しプレートにオフセット電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、前記オフセット電圧は、前記位置モニター手段で、イオン溜内のイオンビームの位置をモニターしながら、可変できることを特徴としている。
【００２０】
また、前記位置モニター手段は、ＭＣＰと蛍光板を組み合わせたものであることを特徴としている。
【００２１】
また、前記位置モニター手段は、イオン溜の厚さ方向に分割された分割電極であることを特徴としている。
【００２２】
また、前記位置モニター手段でモニターされたイオン溜内のイオンビームの位置情報を表示する表示手段を備えたことを特徴としている。
【００２３】
【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、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍の一実施例を示した図である。図中、２１は、図示しないイオン生成・輸送部から入射してくる、イオンビームの輪郭を規制する、入射ビーム規制スリットである。入射ビーム規制スリット２１を通過したイオンビーム（ａ）は、平行に配置された２つの電極、イオン押し出し電極２３と、第１のグリッド２４とで構成された、イオン溜２２に導入される。
【００２４】
イオン溜２２の最奥部には、イオンビーム（ａ）の軸方向と垂直に交差するように配置された、第２のグリッド２５を介して、イオンビーム（ａ）の軸方向と垂直に交差するようにして、感度を高めるため、二重に重ねられた、板状のマルチ・チャンネル・フォトディテクター（ＭＣＰ）２６が置かれている。
【００２５】
尚、第２のグリッド２５は、イオン押し出し電極２３に印加されるパルス電圧の誘導を、シールドするために、設けられているもので、通常、接地電位に設定されている。
【００２６】
イオン溜２２に入射してくるイオンビーム（ａ）は、このＭＣＰ２６で、電子流に変換された後、ＭＣＰ２６の後段の、イオンビーム（ａ）の軸方向と垂直に交差するように配置された蛍光板２７に衝突して、光に変換され、観察窓２８から、イメージとして観察される。
【００２７】
ＭＣＰ２６のイオン溜２２側表面には、イオンの極性とは逆の極性を持った、数百Ｖ程度の直流電圧が印加されており、第２のグリッド２５との間に、順方向の電界の勾配を発生させ、入射するイオンのエネルギーを高め、ＭＣＰ２６内での、電子への変換効率を高めるように、構成されている。
【００２８】
また、ＭＣＰ２６の観察窓２８側表面は、接地電位に設定されるとともに、蛍光板２７のイオン溜２２側表面には、電子の極性と同じ極性を持った数百Ｖ程度の直流電圧が印加されており、ＭＣＰ２６と第２のグリッド２５との間に、逆方向の電界の勾配を発生させ、入射する電子のエネルギーを下げ、蛍光板２７表面のスパッタリングを防止するように、構成されている。
【００２９】
観察窓２８で観察される、イオンビーム（ａ）のイメージの位置と断面形状とに基づいて、イオンビーム（ａ）のビーム軸が、イオン溜２２の中心光軸から、どの程度ずれているかをモニターし、イオン溜２２を構成している２つの電極、イオン押し出し電極２３や第１のグリッド２４の帯電の状況や、電気回路的に残ったオフセット電圧などによる、イオンビーム（ａ）の偏向の度合いを、知ることができる。
【００３０】
尚、イオン押し出し電極２３のオフセット電圧を、補正できるようにするために、イオン押し出し電極２３には、オフセット電源が設けられている。図５は、オフセット電源が、どのように設けられているかを説明する図である。通常、オフセット電圧は、イオンビームのイオン溜２２への導入期間にのみ、印加されれば良い。従って、図５（ａ）のように、オフセット電源２９と、パルス電源３０を、切り換え手段３１を介して、イオン押し出し電極２３に接続する方法が採用される。
【００３１】
イオン導入期間中は、切り換え手段３１により、イオン押し出し電極２３を、オフセット電源２９側に接続させる。逆に、イオン溜２２から、グリッド２４側に向けて、イオンを吐き出す瞬間には、切り換え手段３１の切り換えにより、イオン押し出し電極２３を、パルス電源３０側に接続させる。
【００３２】
尚、オフセット電源２９は、図５（ｂ）のように、パルス電源３０全体の電位を浮かせるように、配置しても良い。
【００３３】
もし、イオンビーム（ａ）のビーム軸に、イオン溜２２の中心光軸からの、ずれが観察される場合は、観察窓２８から、ビームの位置をモニターしながら、オフセット電源２９を使って、イオン押し出し電極２３に、オフセット電圧を印加し、イオンビーム（ａ）のビーム軸と、イオン溜２２の中心光軸とが一致するように、印加するオフセット電圧の強さを微調節する。これにより、イオン押し出し電極２３の表面電位は、第１のグリッド２４の表面電位に対して、±０．１Ｖ以下の精度に、補正することができる。
【００３４】
このような補正をした上で、パルス電源３０から、イオン押し出し電極２３に、パルス電圧を印加するようにしてやれば、マススペクトルの分解能の低下を招くことはない。
【００３５】
この様子を図示したものが、図６に示す、イオン押し出し電極２３に印加されるパルス電圧の模式図である。図６（ａ）から明らかなように、イオン溜２２にイオンビームを導入している期間中（Ｔｓ）は、ビーム軸の偏向を避けるために、イオン押し出し電極２３のオフセット電圧（ｇ）の値は、極力、小さい方が好ましい。それにもかかわらず、従来、帯電の影響や、電気回路的に残された電圧成分により、図６（ａ）のように、±０．３〜０．６Ｖ程度のオフセット電圧が残存していた。
【００３６】
そのイオン押し出し電極２３のオフセット電圧（ｇ）を、イオン溜２２の最奥部に設けられた、蛍光板２７を使って、観察窓２８から、ビーム軸をモニターしながら、補正すれば、図６（ｂ）に示すように、±０．１Ｖ以下の水準と、イオンビーム（ａ）の偏向が、極めて少ない状態になるように、制御することが可能になる。
【００３７】
図７は、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍の別の実施例を示した図である。図中、２２は、イオン溜である。イオン溜２２は、平行に配置された２つの電極、イオン押し出し電極２３と、第１のグリッド２４とで構成されている。このイオン溜２２の中心光軸に沿って、イオンビーム（ａ）が入射する。
【００３８】
イオン溜２２の最奥部には、イオンビーム（ａ）の軸方向と垂直に交差するように配置された、第２のグリッド２５を介して、イオンビーム（ａ）の軸方向と垂直に交差するように配置された、複数の検出電極３２から成る、イオン溜の厚さ方向に分割された分割電極が、置かれている。
【００３９】
尚、第２のグリッド２５は、イオン押し出し電極２３に印加されるパルス電圧の誘導を、シールドするために、設けられているもので、通常、接地電位に設定されている。
【００４０】
イオン溜２２に入射してくるイオンビーム（ａ）は、この検出電極３２の表面で、微小電流として検出された後、検出電極３２の後段の、フィードスルー３３を介して、微小電流電圧変換増幅器３４で、電圧として増幅される。この電圧の分布を、指示器３５に表示させることによって、イオンビーム（ａ）の、分割電極上での位置情報を、知ることができる。
【００４１】
その表示された位置情報をモニターしながら、イオン押し出し電極２３のオフセット電圧を補正すれば、イオン押し出し電極２３のオフセット電圧（ｇ）を、±０．１Ｖ以下に制御し、イオンビーム（ａ）のビーム軸を、イオン溜２２の中心光軸に、ほぼ一致させることが、可能になる。
【００４２】
尚、フィードスルー３３は、真空中に置かれている検出電極３２の電極部と、大気圧下に置かれている、微小電流電圧変換増幅器３４などの電気回路部とを、気密性を保って分けるために、設けられているものである。
【００４３】
また、微小電流電圧変換増幅器３４などの電気回路部は、ノイズ等を考慮して、その一部を、真空中に置いても良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の結果、イオン溜内におけるイオンビームの偏向現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】イオン溜内のイオンビームの偏向の様子を示す図である。
【図４】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置のイオン溜周辺の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置のイオン溜周辺の一実施例を示す図である。
【図６】イオン押し出し電極への印加電圧を示す図である。
【図７】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置のイオン溜周辺の別の実施例を示す図である。
【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、１６・・・加速レンズ、１７・・・イオン溜、１８・・・イオンビーム、１９・・・イオンパルス、２１・・・入射ビーム規制スリット、２２・・・イオン溜、２３・・・イオン押し出し電極、２４・・・第１のグリッド、２５・・・第２のグリッド、２６・・・ＭＣＰ、２７・・・蛍光板、２８・・・観察窓、２９・・・オフセット電源、３０・・・パルス電源、３１・・・切り換え手段、３２・・・検出電極、３３・・・フィードスルー、３４・・・微小電流電圧変換増幅器、３５・・・指示器。

Claims

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、
イオン溜の最奥部に設置され、イオン溜に導入されたイオンビームの位置をモニターする位置モニター手段と
を備えた飛行時間型質量分析装置。
更に、前記イオン押し出しプレートにオフセット電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記オフセット電圧は、前記位置モニター手段で、イオン溜内のイオンビームの位置をモニターしながら、可変できることを特徴とする請求項２記載の飛行時間型質量分析装置。
前記位置モニター手段は、ＭＣＰと蛍光板を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記位置モニター手段は、イオン溜の厚さ方向に分割された分割電極であることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記位置モニター手段でモニターされたイオン溜内のイオンビームの位置情報を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。