JP2022078366A - イオン化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命のイオン化装置を提供する。【解決手段】イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置であって、電子流を発生するカソードの位置を実質的に固定した状態で、前記カソードを連続的に、または断続的に更新するカソード供給ユニットを有する装置を提供する。カソード供給ユニットは、複数のカソードが搭載されたディスクと、ディスクを回転する機構とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、イオン化装置に関するものである。

特許文献１には、長寿命を担保できる熱電子放出用フィラメントを提供すること、及びこの熱電子放出用フィラメントを使用した質量分析計の分析精度を向上することに関する技術が開示されている。そのため、電流が流れる芯材と、前記芯材の表面を覆うように形成された電子放出層とを具備する熱電子放出用フィラメントであって、前記電子放出層がガスを実質的に遮断する緻密さを有することを特徴とすることが開示されている。

特開２０１７－１０７８１６号公報

寿命の長いイオン化装置を提供する。

本発明の一態様は、イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置であって、電子流を発生するカソードの位置を実質的に固定した状態で、カソードを連続的に、または断続的に更新するカソード供給ユニットを有する装置である。カソード供給ユニットは、複数のカソードが搭載されたディスクと、ディスクを回転する機構とを含んでもよい。カソード供給ユニットは、カソードを連続的供給するための一対のロールを含んでもよい。複数のカソードまたはカソードの部分的な履歴管理を行う手段を含んでもよい。イオン化装置を有する質量分析装置も本発明に含まれる。

本発明の他の態様は、イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置の制御方法である。この方法は、電子流を発生するカソードの位置を実質的に固定した状態で、前記カソードを連続的に、または断続的に更新することを含む。また、本発明は、イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置の電子流を発生するカソードの履歴管理を行うことを含むプログラム（プログラム製品）であって適当な媒体に記録されたソフトウェアを含む。

質量分析装置の一例を示すブロック図。 カソード供給装置を含む質量分析装置の一例を示す図。 カソード供給装置を含む質量分析装置の他の例を示す図。 カソード供給装置を含むイオン化ユニットの一例を示す斜視図。 図４に示す装置の一部を拡大して示す図。 図４に示す装置の断面図。 図４に示す装置の平面図。 図４に示す装置の断面図。 カソード供給装置を含むイオン化ユニットの他の例を示す図。

腐食性ガスに耐性の高いセンサーが求められており、例えば、質量分析装置については以下のようなことが要望されている。

フィラメント／カソード材料：
現状（純粋なガス、腐食性ガスではない環境が対象）では、Ｙ２Ｏ３／Ｉｒ、すなわち、芯材がイリジウムからなり電子放出層が酸化イットリウム（イットリア）からなるフィラメントがある。このフィラメントは、Ｙ２Ｏ３のＹはフッ素Ｆまたはフッ素系のガスと反応し、ＹＦまたはＹＯＦとなり、これらは蒸発性である。ＣＦｘ成分のガスに対しては、Ｗ（タングステン）材料が有効である。しかしながら、ＷはＣＣｌ４、ＨＣｌ、ＷＦ６、ＷＣＬ６等のガスまたは環境においては十分な寿命があるとは言えない。

グリッド：
現状はインコネル６００が用いられている。一部のガスが堆積して絶縁膜となる要因となり、イオナイザ／イオン光学領域で正しい電位分布を作成しない可能性がある。

材料：
質量分析装置の多くの部分はＦｅ－Ｎｉ材料で形成されている。このため、最悪のケースでは、ＨＦ、ＨＣＬ、ＷＦｘ、ＷＣＬｘなどがＦｅ-Ｎｉ材料と反応して消滅する可能性が有る。また、グリッドおよび抽出電極は高融点材料であるＭｏ等によって形成されているが、ＨＦ、ＨＣＬなどのガスに対する耐性は弱い。

イオン化法：
現状は電子衝撃イオン源が主に用いられている。この方式では、電子エミッタとして熱フィラメントが必要であり、フィラメントがガスや副産物と反応する可能性がある。また、周囲の部品を加熱するために、化学反応速度が増加してしまう可能性がある。加熱部分を持たないプラズマイオン化源を用いることを検討することができる。しかしながら、プラズマ源の周囲の部分は、別のプラズマ（ラジカル、活性断片など）に曝されることになる。また、高圧の環境におけるイオン化の可能性を確認する必要がある。

図１を参照して、四重極型質量分析計の概要を説明する。四重極質量分析計９はイオン検出部２を含む。イオン検出部２は、イオン化ユニット（イオン源）１０と、フィルター部である四重極部２０と、四重極の各電極間を通って到達するガス原子やガス分子を捕集する検出部（ファラデーカップ）３０とを含む。四重極部２０は、周方向に所定間隔で配置された上下方向に延びる複数本、典型的には４本の円柱状の電極を含む。

イオン化ユニット１０は、グリッド１１と、フィラメント１２とを含む。グリッド１１の一例は、金属細線を格子状でかつ円筒形状に組み付けて構成される。フィラメント１２は、支持フレームに周方向に所定間隔で設置された金属製の支持ピンに接続されており、グリッド１１の外周に配置される。フィラメント１２の一例は、イリジウムからなる母材の表面を電着処理により酸化イットリウムで被覆したものである。四重極部２０とイオン化ユニット１０との間には、四重極部２０へ向かうイオンが効率よく収束するフォーカス電極２５が介設されている。フォーカス電極２５は、例えば、フィラメント１２の支持ピンと電気的に接続されており、フィラメント１２の電位とフォーカス電極２５の電位とを同等としている。

図２に、本発明の実施形態の１つを示している。この質量分析装置１は、イオン化ユニット１０と、フォーカス電極２５と、四重極フィルター部２０と、検出部３０とを含む。イオン化ユニット１０は、カソード供給ユニット（カソード供給装置）５０を含む。カソード供給ユニット５０は、電子流を供給するフィラメントなどのカソードを連続的に、または断続的に更新し、電子流の発生寿命を大幅に拡張する。

このカソード供給ユニット５０は、流入ガス（サンプリングガス）に対して、一定の条件を保った状態でイオン化用の電子流を供給できるように構成されている。本例のカソード供給ユニット５０は、回転タイプであり、複数のフィラメント１２がグリッド１１を囲むように配置されたディスク５１と、ディスク５１を回転駆動する機構とを含む。ディスク５１をモーター、リンクなどの適当な機構により回転することにより、電子流を供給するように定められた位置Ｐ１に、いずれかのフィラメント１２をセットし、供給位置Ｐ１のフィラメント１２に電力を供給することにより熱電子を発生させる。

供給位置Ｐ１は、モニタリング対象のプロセスから供給される分析対象ガス（サンプリングガス、イオン化対象のガス）に対する電子流の供給源としての位置が固定されるように設定されていればよく、例えば、イオン化ユニット１０の内部における特定の位置であってもよく、四重極部２０に対する特定の位置であってもよい。サンプリングガスの流れまたは分布、および／フィルター部である四重極部２０に対する電子の流れが変わることにより、イオン化の傾向、イオンの分布、フィルター部の感度が変化する可能性があり、定性的な分析には大きな影響を及ぼさないとしても、定量分析には影響を与え、再現性が低下する可能性がある。

複数のフィラメント１２を搭載したディスク５１を回転させる代わりに、サンプリングガスの供給路の構成を変形して、熱電子を発生するフィラメント１２に対するサンプリングガスの供給条件が同一になるように調整してもよい。また、異なる位置のフィラメント１２により生成された電子流が供給位置Ｐ１からグリッド１１に向けて供給されるような回路を設けてもよい。四重極部２０に対する電子流およびイオン流の条件の変動を抑制する好適な方法の１つは、ローテーションによりフィラメント１２の位置を移動することである。

このカソード供給装置５０においては、供給位置Ｐ１で電子流を供給したフィラメント１２が、腐食性のガスなどにより腐食または減肉などにより消耗が進むと、ディスク５１を回転し、新たなフィラメント１２を供給位置Ｐ１にセットし、電子流を供給することができる。このため、複数のフィラメント１２を次々とイオン化のために使用することができ、フィラメント１２の寿命を延長でき、イオン化装置１０が質量分析装置１の寿命のネットとなることを抑制できる。

ディスク５１に設けられる複数のフィラメント１２は同一の材料から構成されていてもよく、異なる材料により構成されていてもよい。例えば、フィラメント１２は、通常のガスに対してはＹ２Ｏ３／Ｉｒのフィラメントを供給位置Ｐ１に設定し、測定対象がＣＦｘ成分のガスに対しては、Ｗ（タングステン）材料によるフィラメントを供給位置Ｐ１に設定し、ＣＣｌ４、ＨＣｌ、ＷＦ６、ＷＣＬ６などのガスに対しては、それに適した材料のフィラメントを供給位置Ｐ１に設定してもよく、これらのガスに対しする消耗を前提としたバルクタイプのフィラメントを準備して供給位置Ｐ１に設定しておくことも可能である。

フィラメント１２の交換（ローテーション）は、稼働中のフィラメント１２の抵抗値などをモニタリングして消耗度を判断してローテーションしてもよく、質量分析装置１において分析されたガス成分により、そのガス成分の測定に適したタイプのフィラメント１２が稼働するようにローテーションしてもよい。また、各フィラメント１２の消耗度に大きな差が発生することによる電子流の条件の変動を抑制するために、各フィラメント１２の消耗度が所定の範囲内になるように、ディスク５１に用意された複数のフィラメント１２の履歴管理を行ってもよい。たとえば、個々のフィラメント１２の消耗度をメモリに記憶しておき、最適な順番でフィラメント１２の消耗が進むようにローテーションさせてもよい。カソード供給装置５０のこのような操作は、イオン化ユニット１０を制御するドライブ回路または質量分析装置１の制御回路においてソフトウェアにより行うことができる。

ディスク５１の複数のフィラメント１２の中で、使用されないフィラメント１２は、ディポジットや、ガスおよびイオンとの反応あるいはアタックを防止するような電位に保持してもよい。供給位置Ｐ１に設定される以外のフィラメント１２を、ディポジット、化学反応あるいはアタックから隔離するようにフィラメント１２とグリッド１１との間あるいはフィラメント１２とハウジングとの間に保護電極を設けておいてもよい。

図３に、本発明の実施形態の他の例を示している。この質量分析装置１のイオン化ユニット１０は、リールタイプ（ロールからロールタイプ）のカソード供給ユニット（カソード供給装置）５０を含む。カソード供給ユニット５０は、電子流の供給位置Ｐ１の両側に配置された支持ピンに接するようにフィラメント１２を供給する第１のリール（ロール）５５と、フィラメント１２を回収するロール５６とを含む。これら一対のロール５５および５６は、支持ピンの間の供給位置Ｐ１に存在するフィラメント１２を連続して更新することを可能とする。支持ピンを介して供給位置Ｐ１に位置するフィラメント１２に電力を供給することにより供給位置Ｐ１のフィラメント１２から熱電子を供給することができる。供給ロール（リール）５５にはワイヤー状のフィラメントが巻き込まれて用意されており、供給位置Ｐ１のフィラメント１２の消耗が進むと、ロール５５から新たなフィラメントが供給され、消耗されたフィラメントはロール５６に巻き取られる。したがって、供給位置Ｐ１で稼働中のフィラメント１２が腐食性のガスなどにより減肉したり消耗しても、新たなフィラメント１２が供給位置Ｐ１に供給され、ガスおよび四重極部２０に対する条件がほとんど変化しない状態で、継続して電子流を供給することができる。

供給位置Ｐ１に対し、フィラメント１２を断続的に供給して、供給位置Ｐ１のフィラメントを新しいフィラメントに更新してもよく、ロール５５および５６を適当な速度で連続的に回転させて、供給位置Ｐ１のフィラメント１２を連続的に更新してもよい。また、ロール５５および５６に巻き取られているフィラメントを含めて、消耗度の変動を抑制するために、フィラメント１２の消耗度は抵抗値などでモニタリングしながら、あるいはモニタリングせずに、フィラメント１２を継続的にロール５５から５６へ移動させ、ロール５６に巻き取られると、逆方向に、ロール５６からロール５５にフィラメント１２を巻き取ることにより供給場所Ｐ１におけるフィラメント１２の極端な消耗を抑制してもよい。フィラメント１２の全長にわたる消耗度の履歴管理をソフトウェアで行ってもよい。

図４～図８に、リールタイプのカソード供給装置５０の他の例を示している。図４は、全体を示す斜視図であり、図５はフィラメントの供給部分を拡大した図であり、図６は、図７に示すＶＩ－ＶＩ断面図であり、図８はＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。Ｆｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈなどの適当な軸貫通シールを用いることにより、モーターなどのリールを稼働する部分を大気中に配置することが可能である。

図９に、リールタイプのカソード供給装置５０の異なる例を示している。このカソード供給装置５０は、フィラメント１２を供給および回収するロール５５および５６を適当なシールを用いることにより、ハウジングの外の大気中に配置するようにしている。したがって、ロール５５および５６を適宜交換することにより、フィラメント１２の実質的な寿命を永遠にすることが可能となる。

なお、上記では、四重極タイプの質量分析装置を例に説明しているが、フィルター部２０は、イオントラップ型であってもよく、ウィーンフィルターなどの他のタイプであってもよい。

Claims (7)

1. イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置であって、
   電子流を発生するカソードの位置を実質的に固定した状態で、前記カソードを連続的に、または断続的に更新するカソード供給ユニットを有する装置。
2. 請求項１において、
   前記カソード供給ユニットは、複数のカソードが搭載されたディスクと、
   前記ディスクを回転する機構とを含む、装置。
3. 請求項１または２において、
   前記カソード供給ユニットは、カソードを連続的供給するための一対のロールを含む、装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   複数のカソードまたはカソードの部分的な履歴管理を行う手段を含む、装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン化装置を有する質量分析装置。
6. イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置の制御方法であって、
   電子流を発生するカソードの位置を実質的に固定した状態で、前記カソードを連続的に、または断続的に更新することを含む、方法。
7. イオン化対象のサンプルガスに対して電子流を供給してイオン化するイオン化装置の電子流を発生するカソードの履歴管理を行うことを含むプログラム。

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