JP2019061829A - 質量分析装置及び質量分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出効率の低下を抑制できる質量分析装置及び質量分析方法を提供する。【解決手段】実施形態にかかる質量分析装置は、チャンバと、分析部と、を備える。チャンバは、分析室と、電子源室と、通路と、を備え、減圧可能に構成される。分析室は、分析対象の試料ガスを導入可能に構成される。電子源室は、電子源を収容する。通路は、前記電子源室と前記分析室との間に設けられ、電子が通過可能に構成される。分析部は、前記分析室内に配され、前記電子によりイオン化された前記試料ガスが導入されるイオン検出器を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、質量分析装置及び質量分析方法に関する。

質量分析装置として、四重極電極を用いた四重極質量分析装置が知られている。四重極質量分析装置は、例えば、四重極電極及びイオン電流検出器を備える分析部と、電子源であるフィラメントと、を備える。分析部及びフィラメントは減圧可能な分析室に収容される。このような質量分析装置は、分析室に導入された測定対象である試料ガスを、フィラメントから放出される電子によりイオン化し、イオン化したガス種を四重極電極に通して質量ごとに選別し、イオン電流検出器にてイオン電流を検出することで、試料ガスの質量分析を行う。

特開平７−１２２２２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、電子源の電子放出効率の低下を抑制できる質量分析装置及び質量分析方法を提供することである。

実施形態にかかる質量分析装置は、チャンバと、分析部と、を備える。チャンバは、分析室と、電子源室と、通路と、を備え、減圧可能に構成される。分析室は、分析対象の試料ガスを導入可能に構成される。電子源室は、電子源を収容する。通路は、前記電子源室と前記分析室との間に設けられ、電子が通過可能に構成される。分析部は、前記分析室内に配され、前記電子によりイオン化された前記試料ガスが導入されるイオン検出器を備える。

第１の実施形態にかかる質量分析装置の構成を示す説明図。

以下に、第１実施形態に係る質量分析装置１００及び質量分析方法について図１を参照して説明する。図１は本実施形態にかかる質量分析装置１００の構成を示す説明図である。図中矢印Ｘ軸，Ｙ軸，及びＺ軸は、互いに直交する３方向を示す。本実施形態において、検出軸Ｃ１に沿う第１方向はＸ軸に平行であり、電子軸Ｃ２に沿う第２方向はＺ軸に平行である。

質量分析装置１００は、四重極質量分析装置である。図１に示すように、質量分析装置１００は、チャンバ１０と、減圧装置２０（２０ａ、２０ｂ）と、開閉装置３０と、試料ガス供給部４０と、電子供給部５０と、分析部６０と、制御部７０と、を備える。

チャンバ１０は、分析室１１と、電子源室１２と、を内部に有し、分析室１１と電子源室１２との間を区画する遮蔽部材である隔壁１３を備える。

分析室１１は例えば円柱状の空間であり、試料ガスを導入可能に構成され、減圧装置２０によって減圧可能に構成されている。分析室１１の第１方向における基端側に、測定対象の試料ガスを導入する試料ガス供給部４０が配される。電子源室１２は、分析室１１の外側、例えば本実施形態においては分析室１１の所定カ所の上方に配される。

電子源室１２は、例えば直方体状の空間であり、減圧装置２０によって減圧可能に構成されている。電子源室１２と分析室１１とは、分析室１１を構成する壁の一部である隔壁１３により仕切られている。

減圧装置２０は、分析室１１や電子源室１２を減圧可能に構成される。本実施形態においては、分析室１１及び電子源室１２に、それぞれ減圧装置２０ａ，２０ｂが設けられ、分析室１１及び電子源室１２がそれぞれ減圧可能に構成されている。減圧装置２０ａ、２０ｂは、例えば分析室１１や電子源室１２を真空引きする真空ポンプを備える。減圧装置２０ａ、２０ｂは、制御部７０に接続され、分析室１１及び電子源室１２の圧力が調整可能に構成されている。例えば、制御部７０により、電子源室１２の圧力が分析室１１の圧力よりも低くなるように調整される。例えば分析室１１の圧力は１×１０−４〜１×１０−３Ｔｏｒｒ程度であり、電子源室１２の圧力は１×１０−６〜１×１０−５Ｔｏｒｒ程度に設定される。

隔壁１３は、分析室１１及び電子源室１２間を遮蔽し、試料ガスが電子源室１２側に流通することを規制するとともに、電子が通過可能に構成された通路を有する。例えば、隔壁１３は、電子源室１２と分析室１１とを仕切るとともに、電子が通過可能に構成された通路としてのオリフィス１３ａを有する、板状部材である。

オリフィス１３ａは、隔壁１３を厚さ方向に貫通する孔である。一例として、オリフィス１３ａは、電子が通過でき、ガスが電子源室１２側に抵抗なく入らない程度の大きさに構成されている。オリフィス１３ａは、例えば１０数ミリ以下、好ましくは数ミリ以下、より好ましくは１ミリ以下の、円形状に構成される。隔壁１３には、オリフィス１３ａを開閉する開閉装置３０が設けられている。

開閉装置３０は、オリフィス１３ａを塞ぐ第１位置及びオリフィス１３ａを開放する第２位置の間を移動可能に構成された可動シャッタ３１と、可動シャッタ３１を駆動する駆動部３２と、可動シャッタ３１の移動方向を案内するガイド部材３３と、を備える。可動シャッタ３１は、例えばオリフィス１３ａに対向配置された際にオリフィス１３ａを完全に覆う面積を有する板状に構成されている。開閉装置３０は、駆動部３２により可動シャッタ３１を往復移動させることで、オリフィス１３ａを開閉する。

試料ガス供給部４０は、分析室１１の第１方向における一端側の壁に形成された試料ガス供給口４１を備える。試料ガス供給部４０は、例えば試料ガス供給口４１が分析対象のガスを分析室１１内に供給可能に設けられている。試料ガス供給部４０と対象チャンバを接続する流路は図示しない開閉部材により開閉可能に構成されている。制御部７０が開閉部材を開閉することで、測定対象の試料ガスを試料ガス供給口４１から分析室１１内に供給する。

試料ガス供給口４１から分析部６０に向かって延びる検出軸Ｃ１において、Ｘ軸の基端側である一次側からＸ軸の先端側である二次側に向かって、試料ガス供給口４１、イオン化領域Ａ１、光学系（レンズ）６１、及び四重極フィルタ６２のロッド電極６２ａが、順番に配置されている。

試料ガス供給部４０と分析部６０の間に配されるイオン化領域Ａ１を通り、検出軸Ｃ１と交差する方向に、電子軸Ｃ２が設定されている。電子ビームＢ１の照射方向である電子軸Ｃ２は、電子源室１２からオリフィス１３ａを通ってイオン化領域Ａ１に向かって延びる。
本実施形態において、一例として、第１方向に沿う検出軸Ｃ１と、第２方向に沿う電子軸Ｃ２とが、直交している。

分析部６０は、分析室１１内の検出軸Ｃ１に沿って、イオン化領域Ａ１の二次側に配された光学系（レンズ）６１と、光学系（レンズ）６１の二次側に設けられた四重極フィルタ６２と、四重極フィルタ６２の二次側に設けられたイオン検出器６３と、を備える。分析部６０は、イオン化領域Ａ１の二次側において光学系（レンズ）６１、四重極フィルタ６２、イオン検出器６３の順番に配置されている。

光学系（レンズ）６１は、電圧が印加される１以上の電極を備える。光学系（レンズ）６１は、イオン化領域Ａ１でイオン化された試料ガスの軌道とエネルギーを調整し、四重極フィルタ６２に効率的に入射させる。

四重極フィルタ６２は、四本のロッド電極６２ａと、四重極電源部６２ｂと、を備える。制御部７０の制御により四重極電源部６２ｂを駆動して、四本のロッド電極６２ａに電圧が印加される。四重極フィルタ６２は、四本のロッド電極６２ａの間をイオンが通過する際に質量分離する。

イオン検出器６３は、例えば電子増倍管６４を備えるイオン電流検出器６５である。イオン検出器６３は四重極フィルタ６２の二次側に配される。イオン検出器６３は、四重極フィルタ６２を通過して質量分離されたイオンの数を、電子増倍管６４で増幅し、イオン電流検出器６５で検出し、検出したデータを制御部７０に送る。

電子供給部５０は、フィラメント５１が設置されるフィラメント設置部５１ａと、引き出し電極５２と、分析室１１内に配される加速電極５３と、を備える。フィラメント５１、引き出し電極５２、及び加速電極５３は、検出軸Ｃ１と交差するとともに電子軸Ｃ２に沿って、順番に配置されている。
電子源としてのフィラメント５１は、電子源室１２に配置される。フィラメント５１は電源に接続され、通電により電子を放出可能に構成されている。例えばフィラメント５１は、酸素、セシウム、ガリウム、金、ビスマス、アルゴン、クリプトン、またはキセノンなどのイオンを生成する。

引き出し電極５２は、電子源室１２のフィラメント５１よりも第２方向の先方、すなわち本実施形態においては下方に、配される。引き出し電極５２は、１以上の電極を備える。引き出し電極５２は、所定の電圧が印加されることで、フィラメント５１との間に電界を形成する。この電界によりフィラメント５１で生成された電子を引き出し、イオン化領域Ａ１に案内する。

加速電極５３は、分析室１１内において、電子源室１２の第２方向の先方、すなわち本実施形態においては直下に、位置するイオン化領域Ａ１の、さらに第２方向の先方に、配置される。加速電極５３は、１以上の電極を備える。加速電極５３は、所定の電圧が印加されることで、引き出し電極５２との間に電界を形成し、この電界により、フィラメント５１で生成されたイオンを引き出して加速することで、所定の電子軸Ｃ２に沿う電子ビームＢ１を形成する。

上記のように構成された電子供給部５０は、フィラメント５１から、加熱、高電圧印加、あるいはプラズマを用いた処理などにより、電子を生成する。電子軸Ｃ２は、鉛直方向である第２方向に沿い、例えば水平に延びる検出軸Ｃ１に対して直交している。検出軸Ｃ１と電子軸Ｃ２とは、イオン化領域Ａ１において交差している。本実施形態においては、検出軸Ｃ１と電子軸Ｃ２とは直交している。

ここで、イオン化領域Ａ１とは、試料ガスＧ１がフィラメント５１から放出された電子と衝突してイオン化する領域であり、装置により適宜設定される。イオン化領域Ａ１において、試料ガスの流れ方向である検出軸Ｃ１と電子の供給方向である電子軸Ｃ２とが交差する。本実施形態において、分析室１１内の試料ガス供給口４１と分析部６０の四重極フィルタ６２との間であって電子源室１２の電子軸Ｃ２の先方である、下方の領域がイオン化領域Ａ１となる。

制御部７０は、質量分析装置１００の各部に信号線Ｓを介して接続され、質量分析装置１００の各部の動作を制御する。例えば制御部７０は、減圧装置２０や開閉装置３０、フィラメント５１に接続される電源部、等に接続されている。制御部７０は、電子供給部５０や分析部６０における各種レンズや電極へ印加される電圧の大きさや印加のタイミングを制御する。

次に、本実施形態にかかる質量分析方法について図１を参照して説明する。本実施形態にかかる質量分析方法は、分析室１１内のイオン化領域Ａ１に試料ガスＧ１を導入することと、イオン化領域Ａ１に電子ビームＢ１を照射することにより試料ガスＧ１をイオン化することと、イオン化されたガスを質量分析することと、を備える。

まず、制御部７０は試料ガス供給部４０を駆動し、試料ガスＧ１を分析室１１に導入する。また。制御部７０は、電子供給部５０を駆動することで、電子ビームＢ１をイオン化領域Ａ１に向けて照射する。具体例として、制御部７０はフィラメント５１に通電することでフィラメント５１から電子を放出させる。また、制御部７０は、開閉装置３０の可動シャッタ３１を開くことで、オリフィス１３ａを開通させる。さらに制御部７０は、引き出し電極５２及び加速電極５３にそれぞれ所定の電圧を印加することで電界を形成し、電子ビームＢ１を形成する。電子ビームＢ１は、可動シャッタ３１の移動によって開放されたオリフィス１３ａを通ってイオン化領域Ａ１に照射される。

分析室１１に導入された試料ガスＧ１の粒子はイオン化領域Ａ１において、電子軸Ｃ２の方向に照射される電子ビームＢ１により、イオン化される。イオン化された試料ガスＧ１は、レンズ系６１により軌道とエネルギーが調整され分析部６０に引き込まれる。イオンは四重極フィルタ６２で質量ごとに選別され、イオン検出器６３に導入される。イオン検出器６３に導入されたイオンは電子増倍管６４において増幅され、イオン電流検出器６５において計測される。イオン電流検出器６５は計測したデータを制御部７０に送信し、制御部７０は当該データから質量分析結果を得る。

本実施形態にかかる質量分析装置１００及び質量分析方法によれば、試料ガスＧ１が導入される分析室１１と、フィラメント５１が収容される電子源室１２とを遮蔽部材である隔壁１３で仕切ることで、流路抵抗を増加させ、試料ガスＧ１が分析室１１から電子源室１２に流入するのを防止する。このため、フィラメント５１が試料ガスＧ１と反応することを抑制し、フィラメント５１の電子放出効率の低下を抑制し、信号強度の変動を抑制することで、高い検出性能を確保できる。また、フィラメント５１が試料ガスＧ１により反応すること、例えば酸化やシアン化等を防ぐことで、フィラメント５１を長持ちさせ、メンテナンスの回数を低減できる。

また、上記実施形態にかかる質量分析装置１００及び質量分析方法は、フィラメント５１を収容する電子源室１２を、減圧し、例えば分析室１１よりもさらに低い圧力とすることで、フィラメント５１と試料ガスＧ１との反応を抑制できる。特に、上記実施形態にかかる質量分析装置１００及び質量分析方法によれば、電子ビームＢ１を照射していない時には開閉装置３０でオリフィス１３ａを閉じることで、フィラメント５１を試料ガスＧ１との反応から効果的に保護することができる。また、分析室１１及び電子源室１２の圧力を設定するうえで、オリフィス１３ａの流路抵抗を増加させると、電子源室１２を効率良く減圧できる。

例えば、試料ガス供給部４０や電子供給部５０、分析部６０などの各部の構成は、本実施形態の構造に限られるものではなく、一般的に知られている他の構造を有するものに置き換えることも可能である。例えば減圧装置を分析室１１と電子源室１２のそれぞれに設ける構成を例示したがこれに限られるものではなく、共通の減圧装置により分析室１１及び電子源室１２を減圧してもよい。この場合、減圧装置の排気量、電子源室と減圧装置との間のコンダクタンス、分析室と減圧装置との間のコンダクタンス、をそれぞれ調整することで、所望の圧力を得ることができる。
また、上述の構成要素の他に電極やレンズ等を必要に応じて構成要素の追加及び削減が可能である。例えば引き出し電極５２は電子源室１２内に配される例を示したが、これに限られるものではなく、例えば引き出し電極５２を分析室１１に配置してもよい。
例えば上記実施形態においては、通路を構成する部材として板状部材である隔壁１３を例示したが、これに限られるものではなく、例えばパイプ状の部材など、他の構成も適用可能である。また、上記実施形態においては、円柱状の通路を構成するオリフィス１３ａを例示したが、これに限られるものではない。例えば、オリフィス１３ａはテーパ形状に構成されていてもよい。すなわち、一方、例えば電子源室１２側に流路が広くなる円錐台形状の通路も適用可能である。また、オリフィス１３ａの断面形状は上記実施形態において例示された円形に限らず、多角形形状、スリット状としてもよい。あるいは、通路を構成する部材として、複数の孔を有する網状の部材を用いることも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…チャンバ、１１…分析室、１２…電子源室、１３…隔壁、１３ａ…オリフィス、２０（２０ａ、２０ｂ）…減圧装置、３０…開閉装置、３１…可動シャッタ、３２…駆動部、３３…ガイド部材、４０…試料ガス供給部、４１…試料ガス供給口、５０…電子供給部、５１…フィラメント、５１ａ…フィラメント設置部、５２…引き出し電極、５３…加速電極、６０…分析部、６１…レンズ系、６２…四重極フィルタ、６２ａ…ロッド電極、６２ｂ…四重極電源部、６３…イオン検出器、６４…電子増倍管、６５…イオン電流検出器、７０…制御部、１００…質量分析装置、Ａ１…イオン化領域、Ｂ１…電子ビーム、Ｃ１…検出軸、Ｃ２…電子軸、Ｇ１…試料ガス。

Claims (5)

1. 分析対象の試料ガスを導入可能に構成された分析室と、電子源を収容する電子源室と、前記電子源室と前記分析室との間に設けられ、電子が通過可能に構成された通路を備え、減圧可能に構成された、チャンバと、
   前記分析室内に配され、前記電子によりイオン化された前記試料ガスが導入されるイオン検出器を備える分析部と、
   を備える質量分析装置。
2. 前記分析部は、イオン化された前記試料ガスを質量分離する四重極フィルタと、を備え、
   前記チャンバは、分析対象の前記試料ガスが供給される試料ガス供給口を有し、
   前記電子源室から前記通路を通過した前記電子は、前記試料ガス供給口と前記四重極フィルタとの間の領域を通る、請求項１記載の質量分析装置。
3. 前記通路を開閉する開閉装置を備える、請求項１または請求項２に記載の質量分析装置。
4. 前記電子源室内の圧力を、前記分析室内の圧力よりも低くする、制御部を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の質量分析装置。
5. 分析室に、試料ガスを導入することと、
   前記試料ガスの流通を抑制するとともに電子が通過可能に構成された遮蔽部材によって前記分析室と隔てられた電子源室から、前記分析室中の前記試料ガスに、前記電子を照射することと、
   前記分析室に設けられた分析部により前記試料ガスのイオン電流を検出することと、を備える質量分析方法。