JP2016157523A - イオン化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度化と感度の安定性とを共に達成する。【解決手段】イオン化室３１の内部にイオンをイオン出射口３１１に向けて押す押し出し電場を生成するリペラー電極３２を設けたイオン源３において、電子導入口３１２とフィラメント３４との間、及び、電子排出口３１３と対向フィラメント３５との間に、イオン収束電極３６、３７を配置する。イオン収束電極３６、３７に所定の電圧を印加することで生成される電場は電子導入口３１２、電子排出口３１３を通してイオン化室３１内に入り込み、イオンをイオン光軸Ｃ方向に押す収束電場となる。イオン化室３１内の中央部を外れた位置にあるイオンは押し出し電場による力と収束電場による力を合成した力を受けて、イオン光軸Ｃに近づきつつイオン出射口３１１に向かう。これにより、イオン出射口から送り出されるイオンの量が増加するとともに、帯電現象が起きてもイオン軌道が変化しにくく感度の安定性が高まる。【選択図】図２

Description

本発明は、試料分子や原子をイオン化するためのイオン化装置に関し、更に詳しくは、電子イオン化（ＥＩ＝Electron Ionization））法や化学イオン化（ＣＩ＝Chemical Ionization）法など、熱電子を利用するイオン化装置に関する。なお、本発明に係るイオン化装置は、例えば質量分析装置のイオン源として利用できるほか、イオン注入装置などイオンを用いた各種装置にも利用することができる。

質量分析装置において気体試料をイオン化する際には、電子イオン化法や化学イオン化法など、熱電子を利用したイオン化法が一般に用いられる。図６及び図７は従来の一般的なＥＩイオン源の構成図である。なお、ここでは、正イオンを分析する場合を例示しているが、負イオンを分析対象とする場合でも電圧の極性が逆になるだけで基本的な動作は同じである。

高真空に維持される真空チャンバ（図示せず）の内部に設置された箱状のイオン化室３１には、試料ガスが供給される試料導入口３１４、イオンが出射されるイオン出射口３１１、さらには、熱電子が導入される電子導入口３１２、熱電子が排出される電子排出口３１３が形成されている。電子導入口３１２の外側にはフィラメント室３４１に内装されたフィラメント３４が配置されており、図示しない加熱電流源からフィラメント３４に加熱電流Ifが供給されるとフィラメント３４の温度が上昇し、その表面から熱電子が放出される。一方、電子排出口３１３の外側にはトラップ電極として、フィラメント室３５１に内装された対向フィラメント３５が配置されている。例えばフィラメント３４には例えば−７０[Ｖ]の電圧Ｖ１、フィラメント室３４１には電圧Ｖ１よりも僅かに低い例えば−７１[Ｖ]の電圧Ｖ２、対向フィラメント３５には例えば＋１０[Ｖ]程度の正の電圧Ｖ３が印加されている。また、イオン化室３１は接地電位（０[Ｖ]）となっている。

フィラメント３４で発生した熱電子は、フィラメント室３４１とイオン化室３１との間の電位差（−７１[Ｖ]→０[Ｖ]）によって加速されて電子導入口３１２を経てイオン化室３１内に導入される。イオン化室３１内には試料導入口３１４から試料ガスが導入されており、イオン化室３１内で試料分子Ｍと熱電子ｅ^-が接触すると、Ｍ＋ｅ^-→Ｍ^+・＋２ｅ^- という電子放出が起こる。それによって、試料分子イオン又は試料原子イオンが生成される。対向フィラメント３５に印加されている正の電圧Ｖ３に引かれて電子は該対向フィラメント３５に到達し、対向フィラメント３５にはトラップ電流Ibが流れる。対向フィラメント３５に捕捉される電子数はフィラメント３４から放出された電子数に依存するため、例えば制御回路（図示せず）は、トラップ電流Ibが所定値になるように加熱電流Ifを制御する。これによって、フィラメント３４での熱電子の発生量がほぼ一定になり、イオン化室３１内で安定したイオン化が達成される。

また、フィラメント３４及び対向フィラメント３５の外側には一対の磁石３８が設置されており、この磁石３８によってイオン化室３１内及びその周囲には磁場が形成されている。この磁場によって、フィラメント３４で発生した熱電子は螺旋状に旋回する軌道を描きながらイオン化室３１内を通過して対向フィラメント３５へと向かう。それにより、電子が単に直線的に飛行する場合に比べて、電子と試料分子との接触の機会が増加し、それによってイオン化効率を向上させることができる。

図６及び図７に示した構成のいずれでも、上記のようにしてイオン化室３１内で試料由来のイオンが生成される。こうして生成された試料由来のイオンはイオン出射口３１１を通してイオン化室３１の外側へと取り出され質量分析に供されるが、そのイオン取り出しのメカニズムが図６と図７とで相違する。

図６に示すイオン源では、イオン出射口３１１の外側に配置されている引き出し電極４１に負の直流電圧Ｖ５を印加する。この引き出し電極４１とイオン化室３１との電位差によって形成される電場はイオン出射口３１１を通してイオン化室３１の内部に入り込む。この電場の作用によって、イオン化室３１内で生成されたイオンを図６において右方へと引き出し（以下、この動作を「引き出しモード」という）、図示しない四重極マスフィルタ等の質量分析器へと送り込む。

一方、図７に示すイオン源では、イオン化室３１内にあってイオン出射口３１１と対向する位置にリペラー電極３２が配置されており、このリペラー電極３２に正の直流電圧Ｖ６を印加する。これにより形成する電場の作用によって、イオン化室３１内で生成されたイオンを図７において右方へと押し出し（以下、この動作を「押し出しモード」という）、イオン出射口３１１を通過させて図示しない質量分析器へと送り込む。なお、リペラー電極３２によるイオンの押し出しと引き出し電極４１によるイオンの引き出しとの両方の作用を利用する場合もある。

質量分析装置において高い分析感度を達成するには、イオン化室３１内で生成されたイオンのうち、分析対象であるイオンをできるだけ少ない損失で質量分析器にまで導くことが望ましい。また、定量に利用される検量線の信頼性を維持するには、連続的な装置の使用における検出感度の低下（変化）ができるだけ小さいこと、つまり感度の安定性が高いことが望ましい。しかしながら、以下に述べるように、従来のイオン化装置において、高感度と感度の安定性とを両立させることは困難であった。

図７に示した押し出しモードを採るイオン源の場合、イオン出射口３１１から離れた位置にあるリペラー電極３２への印加電圧によって形成される電場によってイオンが押し出されるため、イオン出射口３１１に近づくほど電位勾配は緩やかになる。そのため、イオン化室３１の中央部付近の領域で生成されたイオンは十分なエネルギーを受けてイオン出射口３１１へ向かって移動しイオン出射口３１１から送り出されるものの、イオン化室３１内でイオン出射口３１１側のコーナー付近で生成されたイオンはイオン出射口３１１を通過しにくく、多くがその周りのイオン化室３１壁面に接触して消滅する。また、電子導入口３１２や電子排出口３１３の近くで生成されたイオンは電子導入口３１２や電子排出口３１３を通して流出し易い。その結果、押し出しモードでは、専らイオン化室３１の中央付近の比較的狭い領域で生成されたイオンしか質量分析に利用することができず、高い分析感度を達成することが難しい。

一方、図６に示した引き出しモードを採るイオン源の場合、引き出し電極４１への印加電圧によってイオン化室３１の外側に形成された電場がイオン出射口３１１を通してイオン化室３１内部へと入り込んで形成された引き出し電場によってイオンが引き出される。イオン出射口３１１を通して入り込んだ引き出し電場はイオン化室３１の中央付近にまで達するため、イオン化室３１の中央付近で生成されたイオンは良好にイオン化室３１から引き出される。また、引き出し電極４１に近いイオン出射口３１１の周りの電場は強いため、上述した押し出しモードに比べれば、イオン化室３１内でイオン出射口３１１側のコーナー付近で生成されたイオンをより多く引き出すことができる。したがって、引き出しモードは押し出しモードに比べて、イオン化室３１内で生成されたイオンをより効率良くイオン出射口３１１から送り出すことができ、分析感度を上げるうえで有利である。

引き出しモードでも、イオン化室３１内の電子導入口３１２付近や電子排出口３１３付近にまでは引き出し電場が届きにくいため、この付近で生成されたイオンは電子導入口３１２や電子排出口３１３を通して流出するおそれがある。それに対し、特許文献１に記載のイオン化装置では、フィラメント３４と電子導入口３１２との間、及び、電子排出口３１３と対向フィラメント３５との間にそれぞれ、電子が通過可能な開口を有するイオン漏出防止用電極を配置し、電子導入口３１２及び電子排出口３１３からそれぞれ該イオン漏出防止用電極へ向かうに従いイオンにとって上り傾斜となる電場を形成するように各イオン漏出防止用電極に所定の電圧を印加している。それによって、電子導入口３１２及び電子排出口３１３から外部に流出しようとするイオンはイオン化室３１内へと押し戻され、イオンの損失が抑えられるため、分析感度を上げるにはさらに有利である。

このように引き出しモードは押し出しモードに比べて高感度化という点では有利であるものの、本願発明者の検討によれば、感度の安定性という点では引き出しモードは押し出しモードよりも不利である。
即ち、上述したように引き出しモードでは、イオンを移動させる電位勾配がイオン化室３１の外側に配置された引き出し電極４１への印加電圧によって形成される電場の入り込みによって与えられるため、押し出しモードにおいてイオン化室３１内に形成される電場に比べてイオン化室３１の中央付近での電位勾配は緩やかである。イオン化室３１は導電体から成るが、長期間の装置の使用に伴い帯電（チャージアップ）現象が生じることがあり、そうなるとイオン化室３１内に形成される電場の状態が変化する。イオン化室３１での電位勾配が緩やかであるほうが、こうしたいわば外乱による電場の変化の影響を受け易い。そのため、引き出しモードは初期的には押し出しモードよりも分析感度が高くても、長期間の装置の使用に伴い帯電現象が生じるとイオンが適切な軌道で引き出されなくなり、質量分析器にまで到達するイオンの量が大きく減少して押し出しモードよりも分析感度が低下することになる。

特開２００５−２５９４８２号公報

上述したように、引き出しモードと押し出しモードとを比較すると、前者は感度の高さで有利であるものの感度の安定性の点で劣り、後者は感度の安定性は優るものの感度自体は相対的に低い。つまり、感度の高さと感度の安定性という観点でみると、引き出しモードと押し出しモードとでは一長一短があり、高い感度を安定的に維持することは困難である。これは、引き出しモードと押し出しモードとを併用しても同様である。何故なら、リペラー電極３２への印加電圧及び引き出し電極４１への印加電圧の最適な値が高感度を達成するときと感度の安定性を達成するときとで同じではないからである。

本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオン化室内で生成されたイオンをできるだけ少ない損失で後段へと送出することができるとともに、装置の長期間の使用に伴う帯電現象の発生時にもその影響を最小限に抑えることによって、高い分析感度と感度の高い安定性とを両立することができるイオン化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、所定の試料分子又は原子をイオン化するイオン化装置であって、
a)熱電子を内部空間に導入する電子導入口、その内部空間を通過した熱電子を排出する電子排出口、及びその内部空間で生成された試料由来のイオンを外部に取り出すためのイオン出射口、を有するイオン化室と、
b)前記電子導入口の外側に配置され、熱電子を発生する熱電子源と、
c)前記電子排出口の外側に配置され、該電子排出口を通して排出された熱電子を捕捉する電子捕捉部と、
d)前記イオン化室内にあって前記イオン出射口と対向して配置され、該イオン化室内で生成された試料由来のイオンを前記イオン出射口側に向けて押し出す押し出し電場を該イオン化室内に形成するためのリペラー電極と、
e)前記熱電子源と前記電子導入口との間、又は、前記電子排出口と前記電子捕捉部との間、のいずれか一方又は両方に配置され、前記イオン化室内で生成された試料由来のイオンが前記押し出し電場により押し出されることで形成されるイオン流の中心軸付近に該イオンを収束させる収束電場を該イオン化室内に形成するためのイオン収束電極と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るイオン化装置では、イオン化室内に導入された試料ガス中の試料分子又は原子が熱電子に接触することによって、又は、試料ガスに含まれる若しくは別途供給されるバッファガスが熱電子に接触することにより生成されるバッファイオンと試料分子又は原子との化学反応によって、該試料分子又は原子はイオン化される。こうしてイオン化室内で生成された試料由来のイオンは、イオン化室内にイオン出射口と対向して配置されたリペラー電極に所定の電圧が印加されることで該イオン化室内に形成される押し出し電場の作用によって、イオン出射口に向かって移動する。即ち、本発明に係るイオン化装置では、試料由来のイオンは押し出しモードによってイオン出射口から送出される。

本発明に係るイオン化装置では、押し出し電場がイオンに作用する力に加え、イオン化室の外側に配置されたイオン収束電極に所定の電圧が印加されることで形成される収束電場が電子導入口及び／又は電子排出口を通してイオン化室内部に入り込み、該収束電場は、電子導入口や電子排出口に向かう方向に拡散するイオンをイオン化室の中央部側に収束させるようにイオンに力を与える。典型的には、電子導入口を通してイオン化室内に熱電子が導入される方向と略直交する方向にイオンが出射するようにイオン出射口は設けられる。この場合、イオン化室内において収束電場がイオンを押す方向は押し出し電場によるイオンの押し出し方向と略直交する方向である。そのため、イオン化室内で電子導入口や電子排出口に比較的近い位置にあるイオンには、押し出し電場による力と収束電場による力とが合成された力が加わり、それによって、イオンはイオン出射口方向に進行しつつそのイオン流の中心軸付近に収束するように移動する。その結果、押し出し電場による作用だけではイオン出射口周りのイオン化室壁面などに接触して消滅してしまっていたイオンがイオン出射口を通り抜け易くなり、より多くのイオンを後段へと送ることが可能となる。

また、本発明に係るイオン化装置では、帯電現象等の外乱の影響を受けにくい押し出し電場によってイオンをイオン出射口から送り出し、さらに電子導入口や電子排出口を通してイオン化室内に入り込む収束電場の電位勾配もイオン出射口周りの帯電現象の影響を受けにくい。そのため、帯電現象が起こった場合でも、試料由来のイオンがイオン出射口を経て送り出される際の軌道が変化しにくく、イオンの損失が少ない状態を持続することができる。こうしたことから、本発明に係るイオン化装置を質量分析装置のイオン源として用いれば、高い分析感度を実現できるとともに、長期間の装置の使用時にもそうした高い分析感度を維持することができる。

本願発明者の検討によれば、上記のように高い分析感度と感度の高い安定性を確保するために、本発明に係るイオン化装置では、リペラー電極に試料由来のイオンと極性が同じである直流電圧Ｖｒを印加するとともにイオン収束電極に試料由来のイオンと極性が同じである直流電圧Ｖｓを印加する電圧印加部をさらに備え、直流電圧Ｖｒは１〜２０[Ｖ]、より好ましくは１〜８[Ｖ]、直流電圧Ｖｓは５〜５０[Ｖ]、より好ましくは５〜２０[Ｖ]とするとよい。これら印加電圧は、イオン化室をはじめとする各部のサイズや間隔などに応じて適宜の値に定めればよい。

本発明に係るイオン化装置では、イオン化室内に配置されたリペラー電極によるイオンの押し出し作用と、イオン化室の外側に配置されたイオン収束電極によるイオンの収束作用との両方の作用を利用して、イオン化室内で生成されたイオンをイオン出射口まで導き、イオン出射口を通して後段へと送り出すようにしている。それによって、従来の押し出しモードを用いたイオン化装置に比べてイオンの損失を抑え、より多くのイオンをイオン出射口から送り出すことができるうえに、長期間の装置の使用等による帯電現象の発生時にも、イオン軌道の変化を抑えることができる。その結果、本発明に係るイオン化装置を質量分析装置のイオン源として用いれば、質量分析対象のイオンの量が増加し分析感度の向上を図ることができ、しかもその高い感度を長期間に亘り維持することができる。

本発明の一実施例によるイオン源を用いた質量分析装置の概略構成図。 本実施例によるイオン源の構成図。 従来のイオン源におけるリペラー電極使用時（押し出しモード）のイオン軌道のシミュレーション結果を示す図であり（ａ）は帯電なしの場合、（ｂ）は帯電ありの場合。 従来のイオン源における引き出し電極使用時（引き出しモード）のイオン軌道のシミュレーション結果を示す図であり（ａ）は帯電なしの場合、（ｂ）は帯電ありの場合。 本発明によるイオン源でのイオン軌道のシミュレーション結果を示す図であり（ａ）は帯電なしの場合、（ｂ）は帯電ありの場合。 従来のイオン源（押し出しモード）の構成図。 従来のイオン源（引き出しモード）の構成図。

本発明の一実施例であるイオン源について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例によるイオン源を用いた質量分析装置の概略構成図、図２は本実施例のイオン源の構成図である。すでに説明した図６、図７に示した従来のイオン源と同じ構成要素には同じ符号を付してある。

まず図１を参照して、本実施例のイオン源が用いられる質量分析装置について説明する。真空ポンプ２により真空排気されるチャンバ１の内部には、イオン源３と、イオン輸送光学系４と、質量分析器としての四重極マスフィルタ５と、イオン検出器６とが配置されている。例えば図示しないガスクロマトグラフのカラムから流出する試料ガスがイオン化室３１の試料導入口３１４に接続され、イオン化室３１内に連続的に供給される試料ガスに含まれる試料分子又は原子は、フィラメント３４で生成される熱電子と接触することでイオン化される。生成された試料由来のイオンは後述するようにイオン出射口３１１を通してイオン化室３１から送り出され、イオン輸送光学系４で収束されて四重極マスフィルタ５の長軸方向の空間に導入される。四重極マスフィルタ５には図示しない電源から直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、その印加電圧に応じた質量電荷比m/zを有するイオンのみがその長軸方向の空間を通過し、イオン検出器６に到達して検出される。それ以外の不要なイオン種は四重極マスフィルタ５の長軸方向の空間を通り抜けることができず、途中で発散して消滅する。

図１、図２に示すように、本実施例のイオン源３では、図７に示した従来装置と同様に、イオン化室３１内でイオン出射口３１１に対向する位置にリペラー電極３２が配置されており、該リペラー電極３２にはリペラー電圧源７３から所定の直流電圧が印加される。電子導入口３１２とフィラメント室３４１との間、及び電子排出口３１３とフィラメント室３５１との間にはそれぞれ、イオン収束電極３６、３７が配置されている。イオン収束電極３６、３７は例えば、電子導入口３１２及び電子排出口３１３の内径と略同一又は該内径よりも若干小さい内径の電子通過開口を有するリング状の導電体である。イオン収束電極３６には第１イオン収束電圧源７１から所定の直流電圧が印加され、イオン収束電極３７には別の第２イオン収束電圧源７２から所定の直流電圧が印加される。つまり、二つのイオン収束電極３６、３７にはそれぞれ独立の電圧を印加することができるようになっている。

いま、正イオンを分析対象とする場合、リペラー電圧源７３はリペラー電極３２にＶｒ＝１〜２０[Ｖ]の直流電圧を印加する。また、第１、第２イオン収束電圧源７１、７２はイオン収束電極３６、３７にそれぞれＶｓ＝５〜５０[Ｖ]の直流電圧を印加する。これら印加電圧Ｖｒ、Ｖｓは、イオン化室３１のサイズや電子導入口３１２、電子排出口３１３のサイズ、イオン収束電極３６、３７の形状や電子導入口３１２、電子排出口３１３からの距離などによって異なり、例えば適当な値をシミュレーションや実験によって決めておけばよい。

フィラメント３４で生成される熱電子は電子導入口３１２を通してイオン化室３１内へと入り、一対の磁石３８によって形成される磁場の作用で螺旋軌道を描きながら電子排出口３１３へ向かって移動する。その途中で試料分子又は原子に熱電子が接触すると、該試料分子又は原子はイオン化される。イオン化室３１は接地され、リペラー電極３２には上述したように１〜２０[Ｖ]程度の正の直流電圧Ｖｒが印加されているため、イオン化室３１の内部には、リペラー電極３２からイオン出射口３１１に向かってイオンをｚ軸の正方向（図２において右方向）に押す力を有する押し出し電場が形成される。これは、図７に示した従来装置と同様である。

負の電荷を有する熱電子はイオン化室３１内においてｙ軸方向に細長く存在する。この電子による空間電荷効果によって、電子と逆極性である試料由来のイオンはｙ軸方向に広がろうとする。これに対し、本実施例のイオン源３では、電子導入口３１２、電子排出口３１３のすぐ外側に配置されているイオン収束電極３６、３７に上述したように５〜５０[Ｖ]程度の正の直流電圧Ｖｓが印加されているため、イオン収束電極３６、３７とイオン化室３１との電位差により電場が形成され、該電場が電子導入口３１２、電子排出口３１３を通してイオン化室３１の内部に入り込む。この収束電場は電子導入口３１２付近ではイオンをｙ軸の負方向（図２において下方向）に押すように作用し、電子排出口３１３付近ではイオンをｙ軸の正方向（図２において上方向）に押すように作用する。つまりは、ｙ軸の正負方向に広がるイオンをイオン化室３１の中央部に抑え込むように作用する。

実際には、押し出し電場による押し出しの力と収束電場による抑え込み（収束）の力とが合成された力がイオンに働くため、イオン化室３１の中央付近に存在するイオンはｚ軸の正方向に押され、それよりも電子導入口３１２や電子排出口３１３に近い位置に存在するイオンはイオン流の中心軸であるイオン光軸Ｃに近づきつつイオン出射口３１１に向かうように押される。そのため、単純な押し出しモードのようにイオン出射口３１１の周りのイオン化室３１壁面にイオンが衝突してしまうことを回避し、そうしたイオンをイオン出射口３１１から送り出すことができる。即ち、イオン出射口３１１から送り出すことができる、つまりは質量分析に供されるイオンの量が従来の押し出しモードに比べて増加するため、分析感度の向上に繋がる。

本実施例のイオン源３と従来のイオン源（押し出しモード、引き出しモード）とにおけるイオン軌道の差異を確認するために、計算機シミュレーションによりイオンの軌道の計算を行った結果を図３〜図５に示す。図３は従来のイオン源におけるリペラー電極使用時（押し出しモード）のイオン軌道のシミュレーション結果を示す図、図４は従来のイオン源における引き出し電極使用時（引き出しモード）のイオン軌道のシミュレーション結果を示す図、図５は本実施例のイオン源３でのイオン軌道のシミュレーション結果を示す図である。図３〜図５において（ａ）は帯電現象を想定しない場合、（ｂ）はイオン化室３１の表面に帯電現象が生じている状態を想定した場合である。また、図３〜図５において、塗りつぶした構成要素はイオンと同極性である正の直流電圧が印加されている構成要素である。さらに、図３〜図５において、上半分の範囲は質量マスフィルタ（図示せず）まで到達し得たイオンの軌道を示しており、下半分の範囲は途中で電極等に衝突して消滅してしまうイオンの軌道を示している。

図３に示すように、従来の押し出しモードでは、専らイオン化室３１の中央付近で生成されたイオンのみが後段へと輸送されており、それから外れた位置で生成されたイオンは殆どがイオン化室３１内で又は電極に接触して消滅している。これは帯電現象が生じている状態でも殆ど変化がない。

これに対し、図４（ａ）に示すように、従来の引き出しモードでは、イオン化室３１の中央付近のみならず、それから大きく外れた位置で生成されたイオンもイオン化室３１内から引き出され後段へと輸送されている。ただし、イオン化室３１の中央付近に存在するイオンでもその一部は消滅している。これは押し出しモードに比べて、イオン化室３１の中央付近での電場が相対的に弱い（電位勾配が緩やかである）ことを意味している。その結果、図４（ｂ）に示すように、帯電現象が起こるとイオンの軌道が極端に変化し、後段に輸送されなくなるイオンが増えることになる。即ち、引き出しモードでは押し出しモードに比べて、帯電現象が起きていないときの感度は高いものの、帯電現象が起きたときの感度の低下が極端であることがシミュレーション結果からも容易に推測できる。

図５（ａ）と図３（ａ）とを比較すれば明らかなように、本実施例のイオン源３では、単純な押し出しモードでは殆ど後段へと輸送されなかったイオン化室３１の中央部から外れた位置にあるイオンもイオン出射口１３１に導かれ後段へと輸送されており、イオン化室３１の内壁面に接触して消滅するイオンは少ない。これは、イオン収束電極３６、３７により形成される電場がイオン化室３１内にまで入り込み、イオンをイオン流の中心軸方向に押している効果である。これによって、後段へと多くの量のイオンを輸送することができ、高い分析感度を実現できる。

また図５（ｂ）に示すように、本実施例のイオン源３におけるイオンの軌道は帯電現象が生じている状態でも殆ど変化がない。これは、押し出し電場によるイオンの押し出し作用と収束電場によるイオンの収束作用とのいずれもが、帯電現象の影響を殆ど受けないことを意味している。このことから、長期間の装置使用によって帯電現象が生じても、分析感度が高い状態を維持可能であることが分かる。

以上のように、イオン軌道のシミュレーション結果から、本実施例のイオン源３において高感度と感度の高い安定性とが共に実現できることが確認できる。
なお、イオン軌道のシミュレーションと併せてフィラメント３４で生成される熱電子の軌道についても求めたが、熱電子の加速度は大きいので、イオン収束電極３６、３７への印加電圧Ｖｓが上述した範囲であれば熱電子の軌道は殆ど影響を受けないことを確認している。

上記実施例では、電子導入口３１２と電子排出口３１３の外側にそれぞれイオン収束電極３６、３７を設けており、イオン収束効果の点ではそのほうが望ましいものの、いずれか一方にのみイオン収束電極を設けてもよい。また、二つのイオン収束電極３６、３７にはそれぞれ異なる電圧を印加可能となっているが、通常は同じ電圧を印加すれば十分である。

また上記実施例のイオン源はＥＩイオン源であるが、本発明はＣＩイオン源にも適用可能である。また、本発明は質量分析装置のイオン源に限らず、イオン注入装置などのイオンを利用した他の装置のイオン源としても利用することができる。

また、上記実施例は本発明の一例であって、上記の変形以外に、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、変更、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

１…チャンバ
２…真空ポンプ
３…イオン源
３１…イオン化室
３１１…イオン出射口
３１２…電子導入口
３１３…電子排出口
３１４…試料導入口
３２…リペラー電極
３４…フィラメント
３５…対向フィラメント（トラップ電極）
３４１、３５１…フィラメント室
３６、３７…イオン収束電極
３８…磁石
４…イオン輸送光学系
４１…引き出し電極
５…四重極マスフィルタ
６…イオン検出器
７１…第１イオン収束電圧源
７２…第２イオン収束電圧源
７３…リペラー電圧源

Claims (3)

1. 所定の試料分子又は原子をイオン化するイオン化装置であって、
   a)熱電子を内部空間に導入する電子導入口、その内部空間を通過した熱電子を排出する電子排出口、及びその内部空間で生成された試料由来のイオンを外部に取り出すためのイオン出射口、を有するイオン化室と、
   b)前記電子導入口の外側に配置され、熱電子を発生する熱電子源と、
   c)前記電子排出口の外側に配置され、該電子排出口を通して排出された熱電子を捕捉する電子捕捉部と、
   d)前記イオン化室内にあって前記イオン出射口と対向して配置され、該イオン化室内で生成された試料由来のイオンを前記イオン出射口側に向けて押し出す押し出し電場を該イオン化室内に形成するためのリペラー電極と、
   e)前記熱電子源と前記電子導入口との間、又は、前記電子排出口と前記電子捕捉部との間、のいずれか一方又は両方に配置され、前記イオン化室内で生成された試料由来のイオンが前記押し出し電場により押し出されることで形成されるイオン流の中心軸付近に該イオンを収束させる収束電場を該イオン化室内に形成するためのイオン収束電極と、
   を備えることを特徴とするイオン化装置。
2. 請求項１に記載のイオン化装置であって、
   前記イオン出射口は、前記電子導入口を通して前記イオン化室内に熱電子が導入される方向と略直交する方向にイオンが出射するように該イオン化室に設けていることを特徴とするイオン化装置。
3. 請求項１又は２に記載のイオン化装置であって、
   前記リペラー電極に試料由来のイオンと極性が同じである直流電圧Ｖｒを印加するとともに前記イオン収束電極に試料由来のイオンと極性が同じである直流電圧Ｖｓを印加する電圧印加部をさらに備え、直流電圧Ｖｒは１〜２０[Ｖ]、直流電圧Ｖｓは５〜５０[Ｖ]であることを特徴とするイオン化装置。

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