JP2007311111A - Tof type mass spectrometer - Google Patents

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Tatsuji Kobayashi
達次 小林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a TOF type mass spectrometer with light weight and low cost while maintaining accuracy of the interval and arrangement location of electrode plates to curve ion beams. <P>SOLUTION: Fan-type electrode parts 1-4 are constituted of a pair of first plates 30 which are installed and fixed so as to interpose an inner metallic plate 42 and an outer metallic plate 43 of thin plate shape and an ion optical system 8 is constituted of a pair of second plates 32 to interpose the pair of first plates 30 of the fan-type electrode parts 1-4. Since the first plates 30 are fixed to the second plates 32 by a plurality of rods 12 which penetrate the pair of first plates 30 and are installed and fixed to the second plates 32, the ion optical system 8 is made light weight and low cost while maintaining the interval between the inner metallic plate 42 and the outer metallic plate 43 and loction accuracy in the ion optical system 8 of the fan-type electrode parts 1-4. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、周回軌道を描くイオンビームの質量分析を行うTOF型質量分析装置に関する。   The present invention relates to a TOF mass spectrometer that performs mass analysis of an ion beam that draws a circular orbit.

近年、飛行時間型質量分析装置(以下、TOF型質量分析装置と略称する)は、高い分解能でイオンのエネルギーを測定できることから、質量分析に広く用いられている。TOF型質量分析装置は、イオンの飛行時間からイオンの速度、ひいてはエネルギーを求める。この際、イオンの飛行距離が長い程、高い分解能が得られる。   In recent years, time-of-flight mass spectrometers (hereinafter abbreviated as TOF mass spectrometers) have been widely used for mass spectrometry because they can measure ion energy with high resolution. The TOF type mass spectrometer obtains ion velocity, and hence energy, from ion flight time. At this time, the longer the ion flight distance, the higher the resolution.

ここで、TOF型質量分析装置は、高い分解能を維持し、かつ大きさをコンパクトなものにする為に、イオンに周回軌道を描かせ、小さな容積のままイオンの飛行距離を長くする。この際、TOF型質量分析装置には、イオンの軌道を曲げる複数の電極板が配設される。そして、この電極板は、一様な電界をイオンの軌道上に形成し、イオンが周回軌道を飛行する様にする(例えば、非特許文献1参照)。   Here, in order to maintain a high resolution and to make the size compact, the TOF type mass spectrometer makes the ions draw a circular orbit and increases the flight distance of the ions with a small volume. At this time, the TOF mass spectrometer is provided with a plurality of electrode plates that bend the ion trajectory. This electrode plate forms a uniform electric field on the ion trajectory so that the ions fly around the orbit (see Non-Patent Document 1, for example).

一方、イオンを検出する検出器は、数cm程度の大きさであるのに対して、イオンの総飛行距離は10m程度の長さにもおよぶ。これらイオンを、イオン源から検出器まで、曲がった軌道を描きつつ少ない損失で導く為に、電極板により形成される静電界強度および配設される電極板の相互位置は、高い精度のものとされる。
日本ジャーナルオブマススペクトラム協会(J.Mass Spectrom.Soc.Jpn.)、第51巻、第2号(Vol.51、N0.2)、2003年、p.349〜353
On the other hand, the detector for detecting ions is about several centimeters in size, whereas the total flight distance of ions is as long as about 10 m. In order to guide these ions from the ion source to the detector with a small loss while drawing a curved trajectory, the electrostatic field strength formed by the electrode plates and the mutual position of the arranged electrode plates must be highly accurate. Is done.
Japan Journal of Mass Spectrum Association (J. Mass Spectrom. Soc. Jpn.), Vol. 51, No. 2 (Vol. 51, N0.2), 2003, p. 349-353

しかしながら、上記背景技術によれば、電極板および電極板を配設する筐体は、重たく、しかもコストの高いものとなる。すなわち、静電界を形成する電極板間隔は、数十μm程度の精度を要し、複数の電極板の相互位置は、数百μm程度の精度が必要とされる。この精度を外部からの衝撃等にかかわらず維持するために、電極板は、高い強度を有するものとされ、かつこれら電極板は、強度のある筐体で囲まれて支持される。   However, according to the background art described above, the electrode plate and the casing in which the electrode plate is disposed are heavy and costly. That is, the interval between the electrode plates forming the electrostatic field requires an accuracy of about several tens of μm, and the mutual position of the plurality of electrode plates requires an accuracy of about several hundreds of μm. In order to maintain this accuracy regardless of external impact or the like, the electrode plates have high strength, and these electrode plates are surrounded and supported by a strong housing.

ところが、電極板および筐体に高い強度を持たせることは、電極板および筐体を固い材質からなる厚いものとし、重量と同時にコストが嵩む原因となる。例えば、電極板および筐体を含む重量は、200kg程度のものとなり、材料費だけでも数百万円のものとなる。   However, imparting high strength to the electrode plate and the housing makes the electrode plate and the housing thick and made of a hard material, which causes an increase in cost as well as weight. For example, the weight including the electrode plate and the housing is about 200 kg, and the material cost alone is several million yen.

これらのことから、イオンビームを曲げる電極板の間隔および配設位置の精度を維持しつつ、軽く、しかも安価なTOF型質量分析装置をいかに実現するかが重要となる。
この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、イオンビームを曲げる電極板の間隔および配設位置の精度を維持しつつ、軽く、しかも安価なTOF型質量分析装置を提供することを目的とする。
For these reasons, it is important how to realize a light and inexpensive TOF type mass spectrometer while maintaining the accuracy of the distance between the electrode plates for bending the ion beam and the arrangement position.
The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the background art, and is a light and inexpensive TOF type mass spectrometer while maintaining the accuracy of the interval and arrangement position of electrode plates for bending an ion beam. The purpose is to provide.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項1に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、イオンビームの軌道を曲げる静電界を形成する扇形電極部と、複数の前記扇形電極部を前記軌道の途中に配設し、前記軌道を周回軌道とするイオン光学系と、を備えるTOF型質量分析装置であって、前記扇形電極部は、直交する2辺の一方の辺が湾曲しつつ対向する2つ矩形状金属板および、前記2つ矩形状金属板を、前記2辺のもう一方の辺の方向から挟み込んで固定する対をなす板状の第1のプレートを有し、前記イオン光学系は、前記複数の扇形電極部を、対をなす前記第1のプレートの配列方向が前記周回軌道の軌道面と直交して並列する並列配置とし、前記並列配置される前記複数の対をなす第1のプレートを、前記配列方向から挟み込む位置に配置される対をなす第2のプレートおよび対をなす前記第1のプレートを貫通し、対をなす前記第2のプレートに固定される棒状のロッドを有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a TOF type mass spectrometer according to the first aspect of the present invention includes a fan-shaped electrode unit that forms an electrostatic field that bends an orbit of an ion beam, and a plurality of the fan-shaped electrodes. An ion optical system having an electrode portion disposed in the middle of the orbit and having the orbit as a circular orbit, wherein the sector electrode has one of two orthogonal sides Two rectangular metal plates facing each other while being curved, and a pair of plate-like first plates that sandwich and fix the two rectangular metal plates from the direction of the other side of the two sides In the ion optical system, the plurality of fan-shaped electrode portions are arranged in parallel such that the arrangement direction of the first plates forming a pair is orthogonal to the orbital surface of the orbit, and the plurality A first plate forming a pair of A pair of second plates arranged at positions sandwiched from the direction and a rod-like rod that passes through the pair of first plates and is fixed to the pair of second plates. .

この請求項1に記載の発明では、扇形電極部は、直交する2辺の一方の辺が湾曲しつつ対向する2つ矩形状金属板および、この2つ矩形状金属板を、前記2辺のもう一方の辺の方向から挟み込んで固定する対をなす板状の第1のプレートを有し、イオン光学系は、複数の扇形電極部を、対をなす前記第1のプレートの配列方向が周回軌道の軌道面と直交して並列する並列配置とし、この並列配置される複数の対をなす第1のプレートを、配列方向から挟み込む位置に配置される対をなす第2のプレートおよび対をなす第1のプレートを貫通し、対をなす第2のプレートに固定される棒状のロッドを有する。   In the first aspect of the present invention, the fan-shaped electrode portion includes two rectangular metal plates facing each other while one side of two orthogonal sides is curved, and the two rectangular metal plates. The ion optical system has a pair of plate-shaped first plates that are sandwiched and fixed from the direction of the other side, and the ion optical system has a plurality of fan-shaped electrode portions, and the arrangement direction of the first plates forming a pair circulates. A parallel arrangement is made in parallel with the orbital plane of the orbit, and a pair of second plates and a pair are arranged at positions sandwiching the plurality of first plates arranged in parallel from the arrangement direction. It has a rod-like rod that passes through the first plate and is fixed to the second plate in a pair.

また、請求項2に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、請求項1に記載のTOF型質量分析装置において、前記イオン光学系が、前記扇形電極部ごとに、2本の前記ロッドを備えることを特徴とする。   A TOF type mass spectrometer according to the invention described in claim 2 is the TOF type mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system includes two rods for each of the sector electrode parts. It is characterized by providing.

この請求項2に記載の発明では、イオン光学系に対して扇形電極部が回転することを防止する。
また、請求項3に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、請求項1または2に記載のTOF型質量分析装置において、前記扇形電極部が、前記配列方向の前記矩形状金属板および前記第1のプレートの間に絶縁体を備えることを特徴とする。
According to the second aspect of the present invention, the sector electrode portion is prevented from rotating with respect to the ion optical system.
The TOF mass spectrometer according to the invention described in claim 3 is the TOF mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the fan-shaped electrode portion includes the rectangular metal plate in the array direction and the rectangular metal plate. An insulator is provided between the first plates.

この請求項3に記載の発明では、絶縁体により、配列方向の矩形状金属板および第1のプレートの間を絶縁状態にする。
また、請求項4に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、請求項1ないし3のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置において、前記イオン光学系が、前記配列方向の前記第1のプレートおよび前記第2のプレートの間にスペーサを備えることを特徴とする。
In the invention according to claim 3, the insulation between the rectangular metal plate and the first plate in the arrangement direction is made by the insulator.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a TOF mass spectrometer according to any one of the first to third aspects, wherein the ion optical system is arranged in the array direction. A spacer is provided between one plate and the second plate.

この請求項4に記載の発明では、スペーサの長さにより、第2のプレートの間の第1のプレートの位置を変化させる。
また、請求項5に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、請求項1ないし4のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置において、前記イオン光学系が、同一形状の複数の前記扇形電極部を備えることを特徴とする。
According to the fourth aspect of the present invention, the position of the first plate between the second plates is changed according to the length of the spacer.
The TOF mass spectrometer according to the invention described in claim 5 is the TOF mass spectrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion optical system includes a plurality of the same shapes. A fan-shaped electrode part is provided.

この請求項5に記載の発明では、扇形電極部の製造工数を、軽減する。
また、請求項6に記載の発明にかかるTOF型質量分析装置は、請求項1ないし5のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置において、前記イオン光学系が、4個の前記扇形電極部を備えることを特徴とする。
In the invention according to the fifth aspect, the number of manufacturing steps of the fan-shaped electrode portion is reduced.
The TOF mass spectrometer according to the invention described in claim 6 is the TOF mass spectrometer according to any one of claims 1 to 5, wherein the ion optical system includes four fan-shaped electrodes. It comprises a part.

この請求項6に記載の発明では、周回軌道を、効率的に達成する。   In the invention according to the sixth aspect, the circular orbit is efficiently achieved.

本発明によれば、2つ矩形状金属板の間隔精度を板状の第1のプレートへの取り付け位置精度で決まるようにし、イオン光学系内での、対をなす第1のプレートの位置精度をロッドおよびロッドの第2のプレートへの取り付け位置精度で決まるようにしているので、2つの矩形状金属板の間隔精度およびイオン光学系内での位置精度を維持したまま、イオン光学系の重量を矩形状金属板、第1のプレート、第2のプレートおよびロッドで決まる軽量なものとし、ひいては材料費の削減により低いコストのものとすることができる。   According to the present invention, the accuracy of the interval between two rectangular metal plates is determined by the accuracy of the mounting position on the plate-shaped first plate, and the positional accuracy of the paired first plates in the ion optical system. Is determined by the accuracy of the mounting position of the rod and the rod on the second plate, so that the weight of the ion optical system is maintained while maintaining the accuracy of the distance between the two rectangular metal plates and the positional accuracy in the ion optical system. Can be made light in weight determined by the rectangular metal plate, the first plate, the second plate, and the rod, and the material cost can be reduced.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるTOF型質量分析装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
まず、本実施の形態にかかるTOF型質量分析装置10の構成について、図1を用いて説明する。図1は、本実施の形態にかかるTOF型質量分析装置10の構成を示す断面図である。TOF型質量分析装置10は、イオン光学系8、イオン源20および筐体9を含む。ここで、筐体9およびイオン源20は、真空容器をなし、内部は高真空状態とされる。
The best mode for carrying out a TOF mass spectrometer according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
First, the configuration of the TOF mass spectrometer 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a TOF mass spectrometer 10 according to the present embodiment. The TOF type mass spectrometer 10 includes an ion optical system 8, an ion source 20, and a housing 9. Here, the housing 9 and the ion source 20 form a vacuum container, and the inside is in a high vacuum state.

イオン源20は、試料をイオン化された気体とし、この気体が収束および加速されたイオンビーム22を形成し、イオン光学系8に注入する。イオン光学系8は、4つの扇形電極部1〜4および検出部17等を含むもので、後に詳述する。扇形電極部1〜4は、イオンビーム22に図1中の点線で示す8の字型の軌道を描いて飛行させ、イオンビーム22に含まれる異なる質量の元素を分離検出する。なお、イオンビーム22は、図1中に示すxyz座標軸のxz軸面に8の字型の軌道を描いて周回する一方で、周回ごとにxz軸面と直交するy軸方向に移動しスパイラル状の軌道を描く。   The ion source 20 uses an ionized gas as a sample, forms an ion beam 22 in which the gas is focused and accelerated, and injects the ion beam into the ion optical system 8. The ion optical system 8 includes four sector electrode portions 1 to 4 and a detection portion 17 and will be described in detail later. The fan-shaped electrode portions 1 to 4 cause the ion beam 22 to fly while drawing an 8-shaped trajectory indicated by a dotted line in FIG. 1 to separate and detect elements having different masses contained in the ion beam 22. The ion beam 22 circulates in an x-shaped orbit on the xz-axis surface of the xyz coordinate axis shown in FIG. 1 while moving in the y-axis direction orthogonal to the xz-axis surface for each lap. Draw the trajectory.

検出部17は、マイクロチャンネルプレート等が用いられ、イオンビーム22を検出する。なお、検出部17は、イオン源20とはy軸方向位置が異なり、8に字型の軌道をスパイラル状に多重周回したイオンビーム22を検出する。なお、図1に描かれているxyz座標軸は、後述する図に示されるxyz座標軸と同一のものであり、図面相互の位置関係を示している。   The detection unit 17 uses a microchannel plate or the like, and detects the ion beam 22. The detection unit 17 is different from the ion source 20 in the y-axis direction, and detects the ion beam 22 obtained by multiplying the 8-shaped trajectory in a spiral manner. Note that the xyz coordinate axes depicted in FIG. 1 are the same as the xyz coordinate axes shown in the drawings described later, and indicate the positional relationship between the drawings.

図2は、イオン光学系8を、斜め方向から見た斜視図である。イオン光学系8は、4つの扇形電極部1〜4、一対の第2のプレート32、8本のロッド12、並びに、6個のスペーサ51〜53および62〜64を含む。なお、図示されないロッド12およびスペーサ62〜64については、後に図示する。対をなす板状の第2のプレート32は、y軸方向に板面が対向する様に配置される。そして、4つの扇形電極部1〜4は、スペーサ51〜53および62〜64を介して、対をなす板状の第2のプレート32間に並列配置される。   FIG. 2 is a perspective view of the ion optical system 8 viewed from an oblique direction. The ion optical system 8 includes four fan-shaped electrode portions 1 to 4, a pair of second plates 32, eight rods 12, and six spacers 51 to 53 and 62 to 64. The rod 12 and the spacers 62 to 64 not shown will be shown later. The pair of plate-like second plates 32 are arranged so that the plate surfaces face each other in the y-axis direction. The four sector electrode portions 1 to 4 are arranged in parallel between the pair of plate-like second plates 32 via the spacers 51 to 53 and 62 to 64.

ここで、扇形電極部1〜4は、イオンビーム22が軌道を曲げる第2のプレート32の四隅に、y軸方向位置が若干のずれを持って配置される。なお、スペーサ51〜53および62〜64は、扇形電極部1〜4ごとに、このずれの大きさだけy軸方向の長さが異なる。   Here, the fan-shaped electrode portions 1 to 4 are arranged at the four corners of the second plate 32 where the ion beam 22 bends the orbit with a slight shift in the y-axis direction. The spacers 51 to 53 and 62 to 64 have different lengths in the y-axis direction for each of the sector electrode portions 1 to 4 by the magnitude of this shift.

対をなす第2のプレート32間には、各扇形電極部1〜4ごとに、平行する2本のロッド12が張られている。そして、これらロッド12は、扇形電極部1〜4、並びに、スペーサ51〜53および62〜64に設けられた、ロッド穴を貫通し、対をなす第2のプレート32に固定される。また、対をなす第2のプレート32は、筐体9に固定され、ひいては対をなす第2のプレート32に固定される扇形電極部1〜4、並びに、スペーサ51〜53および62〜64も、筐体9に対して固定された配置となる。   Between the paired second plates 32, two parallel rods 12 are stretched for each of the sector electrode portions 1 to 4. These rods 12 are fixed to the second plates 32 that pass through the rod holes provided in the sector electrode portions 1 to 4 and the spacers 51 to 53 and 62 to 64 and make a pair. Further, the second plate 32 forming a pair is fixed to the housing 9, and consequently the fan-shaped electrode portions 1 to 4 fixed to the second plate 32 forming a pair, and the spacers 51 to 53 and 62 to 64 are also provided. The arrangement is fixed to the housing 9.

図3は、扇形電極部1を、斜め方向から見た斜視図である。なお、扇形電極部1〜4は、全く同様の構造を有するので、代表例として扇形電極部1の構造のみを示す。扇形電極部1は、対をなす第1のプレート30、矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43、シャント34並びにスペーサ35を含む。なお、矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43の間には、図示しないマツダプレートが存在する。マツダプレートについては、後に断面図を用いて説明する。ここで、内側金属板42および外側金属板43は、xz断面が扇形をなすように、板状の金属板を湾曲させた円筒形状の構造を有する。そして、内側金属板42および外側金属板43間には、電圧が印加され、この間に入力されたイオンビーム22を、所定の角度だけ軌道変更させて出力する。   FIG. 3 is a perspective view of the sector electrode portion 1 as viewed from an oblique direction. In addition, since the sector electrode parts 1-4 have the completely same structure, only the structure of the sector electrode part 1 is shown as a representative example. The sector electrode portion 1 includes a pair of first plates 30, an inner metal plate 42 and an outer metal plate 43 that are rectangular metal plates, a shunt 34, and a spacer 35. A Mazda plate (not shown) exists between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 which are rectangular metal plates. The Mazda plate will be described later using a cross-sectional view. Here, the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 have a cylindrical structure in which a plate-like metal plate is curved so that the xz cross section forms a fan shape. Then, a voltage is applied between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43, and the ion beam 22 input during this time is output by changing the trajectory by a predetermined angle.

なお、イオンビーム22は、この軌道変更において、xz面内の軌道変更のみならず、z軸方向にも移動を行い、図1に示した様なxz面内の8の字型の周回軌道を、軌道面をy軸方向にずらしながら、スパイラル状の軌道を描いて移動する。   In this orbit change, the ion beam 22 moves not only in the xz plane, but also in the z-axis direction, and has an 8-shaped orbit in the xz plane as shown in FIG. Then, a spiral orbit is drawn and moved while shifting the orbital plane in the y-axis direction.

y軸方向に対向する板状の第1のプレート30は、その対向する空間内に、ガラス等からなる絶縁体のスペーサ35を介して、矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43を、ねじ止め等により固定する。この際、内側金属板42および外側金属板43の対向する面の間隔は、第1のプレート30に設けられる取り付け位置、例えばねじ穴位置等により、高い精度で一定のものとされる。なお、内側金属板42および外側金属板43間のイオンビーム22が入出力する端部には、シャント34が存在し、y軸方向位置が異なる軌道上のイオンビーム22が、相互に混入することを防止している。   The plate-like first plate 30 opposed in the y-axis direction is formed by interposing an inner spacer 42 and an outer metal plate, which are rectangular metal plates, through an insulating spacer 35 made of glass or the like in the opposed space. 43 is fixed by screwing or the like. At this time, the distance between the opposing surfaces of the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 is constant with high accuracy depending on the mounting position provided on the first plate 30, for example, the screw hole position. A shunt 34 is present at the end where the ion beam 22 is input / output between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43, and the ion beams 22 on the orbits having different positions in the y-axis direction are mixed with each other. Is preventing.

また、第1のプレート30は、複数のロッド穴13を有する。ロッド穴13は、対向する2つの第1のプレート30のxz軸面内の同一位置に存在し、上述したロッド12の短軸方向断面と同一断面形状を有する。そして、ロッド穴13は、ロッド12を、y軸方向に貫通させると共に、ロッド12、対をなす第1のプレート30の相対位置が、xz面内で固定された状態とする。なお、ロッド12は、第2のプレート32にねじ止め等により固定されるので、第1のプレート30は、ロッド12により、第2のプレート32に固定配置される。   Further, the first plate 30 has a plurality of rod holes 13. The rod hole 13 exists at the same position in the xz-axis plane of the two opposing first plates 30 and has the same cross-sectional shape as the short-axis cross section of the rod 12 described above. The rod hole 13 penetrates the rod 12 in the y-axis direction, and the relative position of the rod 12 and the first plate 30 that makes a pair is fixed in the xz plane. Since the rod 12 is fixed to the second plate 32 by screwing or the like, the first plate 30 is fixedly disposed on the second plate 32 by the rod 12.

また、ロッド12の短軸方向断面およびロッド穴13の穴断面が円形である場合には、一本のロッド12のみでは、y軸方向周りの回転による、ロッド12並びに第1のプレート30の相対位置の変化が生じうる。この回転を防止する為に、2本もしくは2本以上のロッド12を用いて回転による相対位置の変化を防止する。なお、図3には、予備も含めて第1のプレート30に、各4つのロッド穴13が設けられている。   Further, when the cross section of the rod 12 in the short axis direction and the hole cross section of the rod hole 13 are circular, the relative movement of the rod 12 and the first plate 30 due to rotation around the y axis direction can be achieved with only one rod 12. A change in position can occur. In order to prevent this rotation, two or more rods 12 are used to prevent a change in relative position due to rotation. In FIG. 3, four rod holes 13 are provided in the first plate 30 including a spare.

図4は、図3に示す扇形電極部1のCC′断面を示す断面図である。矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43は、扇形の断面を有し、これら金属板に挟まれる空間に静電界を形成する。そして、内側金属板42および外側金属板43間に入射したイオンビーム22は、静電界による力の影響で、扇形の面に沿って軌道を曲げられ、もう一方の端面から出力される。なお、第2のプレート32、並びに、扇形電極部1〜4の第1のプレート30には、軽量化のため、強度的に問題の無い範囲で打ち抜かれた円筒形の穴が存在する。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a CC ′ cross section of the sector electrode portion 1 shown in FIG. The inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 which are rectangular metal plates have a fan-shaped cross section, and form an electrostatic field in a space between the metal plates. Then, the ion beam 22 incident between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 is bent along the fan-shaped surface under the influence of the force of the electrostatic field, and is output from the other end surface. Note that the second plate 32 and the first plate 30 of the fan-shaped electrode portions 1 to 4 have cylindrical holes punched out within a range where there is no problem in strength for weight reduction.

図5は、図3に示す、扇形電極部1のDD′断面を示す断面図である。y軸方向に伸びる内側金属板42および外側金属板43間には、所定の間隔を置いてマツダプレート36が配置される。マツダプレート36は、y軸方向へのイオンビーム22の拡散を防ぐと共に、イオンビーム22をy軸方向に移動させる。なお、y軸方向に繰り返し配列されるマツダプレート36の中間位置には、イオンビーム22が位置する。ここで、y軸方向に並ぶスポット状のイオンビーム22は、xz面内で8の字型の周回軌道を描きつつ、スパイラル状にy軸方向に移動するイオンビーム22の通過位置を示している。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a DD ′ cross section of the sector electrode portion 1 shown in FIG. 3. A Mazda plate 36 is disposed between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 extending in the y-axis direction with a predetermined interval. The Mazda plate 36 prevents the ion beam 22 from diffusing in the y-axis direction and moves the ion beam 22 in the y-axis direction. The ion beam 22 is positioned at an intermediate position of the Mazda plate 36 that is repeatedly arranged in the y-axis direction. Here, the spot-like ion beams 22 arranged in the y-axis direction indicate the passing positions of the ion beam 22 moving in the y-axis direction in a spiral shape while drawing an 8-shaped orbit in the xz plane. .

図6は、図2に示す、扇形電極部1〜4を組み合わせたイオン光学系8のAA′断面を示す断面図である。各扇形電極部1〜4は、2本のロッド12により、対をなす第2のプレート32に固定される。扇形電極部2〜4と第2のプレート32間には、図中に隠れ線(点線)で示されるスペーサ62〜64が配置され、各スペーサ62〜64には、2本のロッド12が貫通させられる。扇形電極部1は、第2のプレート32との間にスペーサを配置せず、直接接続される。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing an AA ′ cross section of the ion optical system 8 in which the sector electrode portions 1 to 4 shown in FIG. 2 are combined. Each of the sector electrode portions 1 to 4 is fixed to the paired second plate 32 by the two rods 12. Spacers 62 to 64 indicated by hidden lines (dotted lines) in the figure are arranged between the fan-shaped electrode portions 2 to 4 and the second plate 32, and the two rods 12 are passed through each spacer 62 to 64. It is done. The fan-shaped electrode unit 1 is directly connected to the second plate 32 without arranging a spacer.

ここで、図2および6に示されているスペーサ51〜53および62〜64は、y軸方向の長さが異なる。スペーサ51は、扇形電極部1が存在する対をなす第2のプレート32間に入れられ,スペーサ52および62は、扇形電極部2が存在する対をなす第2のプレート32間に入れられ、スペーサ53および63は、扇形電極部3が存在する対をなす第2のプレート32間に入れられ、スペーサ64は、扇形電極部4が存在する対をなす第2のプレート32間に入れられる。スペーサのy軸方向長さは、スペーサ51単独のもの、スペーサ52および62を加算したもの、スペーサ53および63を加算したもの、並びに、スペーサ64単独のもの、各々が等しくなるようにされる。そして、対をなす第2のプレート32間に存在する扇形電極部1〜4のy軸方向位置が、y軸方向にスパイラル状に移動するイオンビーム22の移動距離に相当する長さだけ、互いに位置ずれした配置とされる。なお、第2のプレート32には、軽量化のため、強度的に問題の無い範囲で打ち抜かれた円筒形の穴が存在する。   Here, the spacers 51 to 53 and 62 to 64 shown in FIGS. 2 and 6 have different lengths in the y-axis direction. The spacer 51 is placed between the paired second plates 32 where the fan-shaped electrode portions 1 exist, and the spacers 52 and 62 are placed between the paired second plates 32 where the fan-shaped electrode portions 2 exist. The spacers 53 and 63 are placed between the paired second plates 32 where the fan-shaped electrode portions 3 exist, and the spacer 64 is placed between the paired second plates 32 where the fan-shaped electrode portions 4 exist. The length of the spacer in the y-axis direction is set such that the spacer 51 alone, the spacers 52 and 62 added, the spacers 53 and 63 added, and the spacer 64 alone are equal. The positions of the fan-shaped electrode portions 1 to 4 existing between the paired second plates 32 in the y-axis direction are equal to each other by a length corresponding to the moving distance of the ion beam 22 moving spirally in the y-axis direction. The position is shifted. The second plate 32 has a cylindrical hole punched out in a range where there is no problem in strength for weight reduction.

図7は、図2に示す、扇形電極部1〜4を組み合わせたイオン光学系8のBB′断面を示す断面図である。図7には、扇形電極部1、扇形電極部4、対をなす第2のプレート32、スペーサ51および64の断面が図示されている。さらに、扇形電極部1および扇形電極部4では、対をなす第1のプレート30、ロッド12、内側金属板42、外側金属板43およびマツダプレート36の断面が図示されている。また、図7には、スパイラル状にy軸方向へ移動するイオンビーム22の軌道、並びに、扇形電極部1および4のy軸方向位置が示されている。扇形電極部1および4のy軸方向位置は、y軸方向の異なる位置に挿入されるスペーサ51およびスペーサ64により、概ねイオンビーム22の一周期の移動距離に合致する長さだけ異なる。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing the BB ′ cross section of the ion optical system 8 in which the sector electrode portions 1 to 4 shown in FIG. 2 are combined. FIG. 7 illustrates a cross section of the sector electrode portion 1, the sector electrode portion 4, the paired second plate 32, and the spacers 51 and 64. Furthermore, in the sector electrode part 1 and the sector electrode part 4, the cross section of the 1st plate 30, the rod 12, the inner side metal plate 42, the outer side metal plate 43, and the Mazda plate 36 which make a pair is illustrated. Further, FIG. 7 shows the trajectory of the ion beam 22 moving in the y-axis direction in a spiral shape, and the positions of the fan-shaped electrode portions 1 and 4 in the y-axis direction. The position of the fan-shaped electrode portions 1 and 4 in the y-axis direction differs by a length that generally matches the moving distance of one cycle of the ion beam 22 due to the spacer 51 and the spacer 64 inserted at different positions in the y-axis direction.

また、図7には、扇形電極部1を固定する2本のロッド12が、対をなす第1のプレート30のロッド穴13およびスペーサ51を貫通し、対をなす第2のプレート32に固定される様子および扇形電極部4を固定する2本のロッド12が、対をなす第1のプレート30のロッド穴13およびスペーサ64を貫通し、対をなす第2のプレート32に固定される様子が図示されている。   Further, in FIG. 7, the two rods 12 that fix the fan-shaped electrode portion 1 pass through the rod hole 13 and the spacer 51 of the first plate 30 that makes a pair, and are fixed to the second plate 32 that makes a pair. The two rods 12 that fix the fan-shaped electrode unit 4 pass through the rod hole 13 and the spacer 64 of the first plate 30 that makes a pair, and are fixed to the second plate 32 that makes a pair. Is shown.

つぎに、本実施の形態にかかるイオン光学系8の機能および動作について説明する。イオン光学系8は、イオンビーム22にスパイラル状に移動する8の字型の軌道を描かせる。この際、イオンビーム22の軌道を決定する、内側金属板42および外側金属板43の間隔および取り付け位置は、高精度なものとされる。   Next, functions and operations of the ion optical system 8 according to the present embodiment will be described. The ion optical system 8 causes the ion beam 22 to draw an 8-shaped trajectory that moves in a spiral shape. At this time, the distance between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 and the attachment position, which determine the trajectory of the ion beam 22, are set with high accuracy.

矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43は、図3に示す様に、対向する平板状の第1のプレート30に装着される。内側金属板42および外側金属板43の第1のプレート30近傍の間隔は、第1のプレート30への取り付け位置のみで決まり、数十μm程度の誤差内に納めることができる。   As shown in FIG. 3, the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43, which are rectangular metal plates, are mounted on the opposed flat plate-like first plates 30. The distance between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 in the vicinity of the first plate 30 is determined only by the position where the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 are attached to the first plate 30, and can be within an error of about several tens of micrometers.

しかし、内側金属板42および外側金属板43は、軽量化のために厚みが薄くされ、ねじれに対して強度的に弱いものとなっている。従って、対向する2つの第1のプレート30は、対向するxz軸面内で相対位置にずれを生じ、ゆがみを生じる可能性がある。また、内側金属板42および外側金属板43を含む扇形電極部1〜4は、図2に示す様に、xz軸面に配列され、相対位置の精度を高いものとする必要がある。   However, the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 are reduced in thickness for weight reduction and are weak in strength against torsion. Therefore, the two first plates 30 facing each other may be displaced in relative positions within the facing xz-axis planes, possibly causing distortion. Further, the fan-shaped electrode portions 1 to 4 including the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 are arranged on the xz-axis surface as shown in FIG. 2, and it is necessary to increase the accuracy of the relative position.

ここで、対向する2つの第1のプレート30は、対向する同一のロッド穴13を貫通する2本のロッド12を有する。これにより、対向する2つの第1のプレート30は、xz軸面の相対位置が、ロッド穴13の穴位置が同一となる位置に固定される。また、ロッド12は、対向する2つの第2のプレート32にまで伸び、対向する2つの第2のプレート32の取り付け位置に固定される。これにより、第2のプレート32上に配列される第1のプレート30は、xz軸面内の相対位置が、ロッド12を固定する取り付け位置で決まる精度の高いものとされ、ひいては第1のプレート30に装着される内側金属板42および外側金属板43も位置精度の高いものとされる。なお、xz軸面内に配列される第1のプレート30の相対位置は、100〜200μm程度の誤差内に納めることができる。   Here, the two opposing first plates 30 have two rods 12 penetrating the same opposing rod hole 13. Thereby, the two opposing first plates 30 are fixed at positions where the relative positions of the xz-axis surfaces are the same as the hole positions of the rod holes 13. The rod 12 extends to the two opposing second plates 32 and is fixed to the mounting position of the two opposing second plates 32. As a result, the first plate 30 arranged on the second plate 32 has a high accuracy in which the relative position in the xz-axis plane is determined by the mounting position for fixing the rod 12. The inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 attached to 30 are also assumed to have high positional accuracy. The relative position of the first plate 30 arranged in the xz-axis plane can be within an error of about 100 to 200 μm.

一方、内側金属板42、外側金属板43、第1のプレート30、第2のプレート32、並びに、ロッド12からなるイオン光学系8は、内側金属板42および外側金属板43の間隔および取り付け位置精度を保ちつつ、軽量化を計ることができる。矩形状金属板である内側金属板42および外側金属板43は、金属板の厚みを薄くし、第1のプレート30は、内側金属板42および外側金属板43の取り付け位置精度を保ちつつ、板状のプレートの厚みを薄くかつ円筒形の打ち抜き穴を設けることにより、第2のプレート32は、第1のプレート30の取り付け位置精度を保ちつつ、板状のプレートの厚みを薄くかつ円筒形の打ち抜き穴を設けることにより、またロッド12は、直径を小さなものとすることにより行われる。   On the other hand, the ion optical system 8 including the inner metal plate 42, the outer metal plate 43, the first plate 30, the second plate 32, and the rod 12 has the interval between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 and the mounting position. It is possible to reduce weight while maintaining accuracy. The inner metal plate 42 and the outer metal plate 43, which are rectangular metal plates, reduce the thickness of the metal plate, and the first plate 30 is a plate that maintains the mounting position accuracy of the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43. By providing a cylindrical punching hole with a thin plate-like thickness, the second plate 32 has a thin plate-like plate thickness and a cylindrical shape while maintaining the mounting position accuracy of the first plate 30. The rod 12 is formed by providing a punching hole and by making the diameter of the rod 12 small.

なお、ロッド12の直径を小さなものとすることにより、y軸方向に対をなす第1のプレート30、あるいは、対をなす第2のプレート32間で、xz軸面内の相対位置の回転あるいはねじれが生じやすくなる。しかし、この位置ずれは、y軸方向に対をなす第1のプレート30間、あるいは、対をなす第2のプレート32間のy軸方向の中心位置に集中する。従って, この位置ずれにより、内側金属板42および外側金属板43の間隔および取り付け位置精度は変化しにくく、スパイラル状に移動しつつ8の字型をなすイオンビーム22の軌道への影響は、中心位置に限定された小さなものとなる。   By making the diameter of the rod 12 small, the relative position in the xz-axis plane can be rotated between the first plate 30 paired in the y-axis direction or the second plate 32 paired. Twist is likely to occur. However, this positional deviation is concentrated at the center position in the y-axis direction between the first plates 30 that make a pair in the y-axis direction or between the second plates 32 that make a pair. Therefore, due to this positional deviation, the distance between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 and the accuracy of the mounting position are unlikely to change, and the influence on the trajectory of the ion beam 22 that forms the figure 8 while moving in a spiral shape is central. It becomes a small thing limited to the position.

上述してきたように、本実施の形態では、扇形電極部1〜4を、薄い板状の内側金属板42および外側金属板43を挟み込む様にして取り付け、固定する一対の第1のプレート30から構成し、イオン光学系8を、扇形電極部1〜4の対をなす第1のプレート30を挟み込む対をなす第2のプレート32から構成し、一対の第1のプレート30を貫通し、第2のプレート32に取り付けて固定される複数のロッド12により、第1のプレート30を第2のプレート32に対して固定することとしているので、内側金属板42および外側金属板43の間隔および扇形電極部1〜4のイオン光学系8内での位置精度を維持したまま、イオン光学系8を軽量なものとし、ひいては安価なものにすることができる。   As described above, in the present embodiment, the fan-shaped electrode portions 1 to 4 are attached and fixed so as to sandwich the thin plate-like inner metal plate 42 and outer metal plate 43. The ion optical system 8 includes a second plate 32 that forms a pair sandwiching the first plate 30 that forms a pair of fan-shaped electrode portions 1 to 4, passes through the pair of first plates 30, Since the first plate 30 is fixed to the second plate 32 by the plurality of rods 12 attached and fixed to the second plate 32, the distance between the inner metal plate 42 and the outer metal plate 43 and the sector shape It is possible to make the ion optical system 8 light in weight while maintaining the positional accuracy of the electrode portions 1 to 4 in the ion optical system 8, and thus inexpensive.

また、本実施の形態では、イオンビーム22の軌道を曲げる扇形電極部は、4つの扇形電極部1〜4からなることとしたが、2以上の任意の個数の扇形電極部で構成することもできる。   In the present embodiment, the fan-shaped electrode part that bends the trajectory of the ion beam 22 is composed of four fan-shaped electrode parts 1 to 4. it can.

また、本実施の形態では、イオンビーム22は、xz軸面内で8の字型の周回軌道を描くこととしたが、この軌道を円形に近い周回軌道とすることもできる。   In this embodiment, the ion beam 22 draws an 8-shaped orbit in the xz-axis plane, but this orbit can be a circular orbit.

TOF型質量分析装置の全体構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the whole structure of a TOF type | mold mass spectrometer. 実施の形態のイオン光学系を、斜め方向から見た斜視図である。It is the perspective view which looked at the ion optical system of an embodiment from the slanting direction. 実施の形態の扇形電極部を、斜め方向から見た斜視図である。It is the perspective view which looked at the fan-shaped electrode part of embodiment from the diagonal direction. 扇形電極部のCC′断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows CC 'cross section of a fan-shaped electrode part. 扇形電極部のDD′断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows DD 'cross section of a fan-shaped electrode part. イオン光学系のAA′断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the AA 'cross section of an ion optical system. イオン光学系のBB′断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the BB 'cross section of an ion optical system.

符号の説明Explanation of symbols

1〜4 扇形電極部
8 イオン光学系
9 筐体
10 TOF型質量分析装置
12 ロッド
13 ロッド穴
17 検出部
20 イオン源
22 イオンビーム
30 第1のプレート
32 第2のプレート
34 シャント
35 スペーサ
36 マツダプレート
42 内側金属板
43 外側金属板
51〜53、62〜64 スペーサ
1-4 Fan-shaped electrode part 8 Ion optical system 9 Case 10 TOF type mass spectrometer 12 Rod 13 Rod hole 17 Detection part 20 Ion source 22 Ion beam 30 First plate 32 Second plate 34 Shunt 35 Spacer 36 Mazda plate 42 inner metal plate 43 outer metal plates 51-53, 62-64 spacers

Claims (6)

イオンビームの軌道を曲げる静電界を形成する扇形電極部と、
複数の前記扇形電極部を前記軌道の途中に配設し、前記軌道を周回軌道とするイオン光学系と、
を備えるTOF型質量分析装置であって、
前記扇形電極部は、直交する2辺の一方の辺が湾曲しつつ対向する2つ矩形状金属板および、前記2つ矩形状金属板を、前記2辺のもう一方の辺の方向から挟み込んで固定する対をなす板状の第1のプレートを有し、
前記イオン光学系は、前記複数の扇形電極部を、対をなす前記第1のプレートの配列方向が前記周回軌道の軌道面と直交して並列する並列配置とし、前記並列配置される前記複数の対をなす第1のプレートを、前記配列方向から挟み込む位置に配置される対をなす第2のプレートおよび対をなす前記第1のプレートを貫通し、対をなす前記第2のプレートに固定される棒状のロッドを有すること、
を特徴とするTOF型質量分析装置。
A fan-shaped electrode part that forms an electrostatic field that bends the orbit of the ion beam;
An ion optical system in which a plurality of the sector electrode portions are arranged in the middle of the orbit, and the orbit is a circular orbit;
A TOF mass spectrometer comprising:
The sector electrode part sandwiches two rectangular metal plates facing each other while curving one of two orthogonal sides from the direction of the other side of the two sides. A pair of plate-like first plates to be fixed;
In the ion optical system, the plurality of fan-shaped electrode portions are arranged in a parallel arrangement in which the arrangement direction of the first plates forming a pair is orthogonal to the orbital surface of the orbit, and the plurality of the plurality of the arranged electrode arrangements are arranged in parallel. The paired first plates are fixed to the paired second plates that pass through the paired second plates and the paired first plates disposed at positions sandwiched from the arrangement direction. Having a rod-like rod
TOF type mass spectrometer characterized by
前記イオン光学系は、前記扇形電極部ごとに、2本の前記ロッドを備えることを特徴とする請求項1に記載のTOF型質量分析装置。   The TOF mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system includes two rods for each of the fan-shaped electrode portions. 前記扇形電極部は、前記配列方向の前記矩形状金属板および前記第1のプレートの間に絶縁体を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のTOF型質量分析装置。   3. The TOF mass spectrometer according to claim 1, wherein the fan-shaped electrode unit includes an insulator between the rectangular metal plate and the first plate in the arrangement direction. 前記イオン光学系は、前記配列方向の前記第1のプレートおよび前記第2のプレートの間にスペーサを備えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置。   4. The TOF mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system includes a spacer between the first plate and the second plate in the arrangement direction. 5. . 前記イオン光学系は、同一形状の複数の前記扇形電極部を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置。   5. The TOF mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system includes a plurality of the fan-shaped electrode portions having the same shape. 前記イオン光学系は、4個の前記扇形電極部を備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載のTOF型質量分析装置。   6. The TOF mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system includes four fan electrode portions.
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