JP2713506B2 - 同位体存在比プラズマ源質量分析計 - Google Patents
同位体存在比プラズマ源質量分析計Info
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- JP2713506B2 JP2713506B2 JP4505589A JP50558992A JP2713506B2 JP 2713506 B2 JP2713506 B2 JP 2713506B2 JP 4505589 A JP4505589 A JP 4505589A JP 50558992 A JP50558992 A JP 50558992A JP 2713506 B2 JP2713506 B2 JP 2713506B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/02—Details
- H01J49/10—Ion sources; Ion guns
- H01J49/105—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation, Inductively Coupled Plasma [ICP]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/28—Static spectrometers
- H01J49/32—Static spectrometers using double focusing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、誘導結合プラズマ（ICP）源やマイクロ波
誘導プラズマ（MIP）源に取付けられ同位体存在比の正
確な測定を行う質量分析計に関する。特に、ICPイオン
源やMIPイオン源を有する磁気セクタ質量分析計及びイ
オンコレクタを有し、同時に２つ以上の質量対電荷比を
モニタすることのできる質量分析計に関する。
誘導プラズマ（MIP）源に取付けられ同位体存在比の正
確な測定を行う質量分析計に関する。特に、ICPイオン
源やMIPイオン源を有する磁気セクタ質量分析計及びイ
オンコレクタを有し、同時に２つ以上の質量対電荷比を
モニタすることのできる質量分析計に関する。
同位対組成を高精度で測定する従来のマルチコレクタ
質量計では、サンプルは通常熱イオン化によってイオン
化される。サンプルの液体は、フィラメントにコーティ
ングされ、乾燥後、質量分析計のイオン源に移される。
イオンの放射を安定させるために数時間に亘り排気して
予備加熱を行った後で、フィラメントは（電流が流れる
ことによって）サンプルが熱イオン化するのに十分な温
度にまで加熱されてイオン化し、同位体分析用に十分な
量のイオンが発生する。このようにして発生したイオン
は、サンプル中にある同位体に固有である。これらのイ
オンは、所定の電位差によって加速されて、各々に質量
対電荷比の異なるイオンが導入されるように少なくとも
２つのコレクタが配置された磁気セクタ質量分析計によ
って質量対電荷比に応じて分離される。このように、質
量対電荷比が異なる２つ以上のイオンビームの強度比は
即座に測定され、イオン化の強度や質量分析計の安定性
の時間に依存する不安定さは最小限に抑えられる。単一
のフィラメントからのイオン電流信号の積分は、分留効
果を低減し小量に含まれる同位体からのノイズ信号を滑
らかにするために数時間に亘って継続されるので、質量
対電流比を高精度で測定することができる。
質量計では、サンプルは通常熱イオン化によってイオン
化される。サンプルの液体は、フィラメントにコーティ
ングされ、乾燥後、質量分析計のイオン源に移される。
イオンの放射を安定させるために数時間に亘り排気して
予備加熱を行った後で、フィラメントは（電流が流れる
ことによって）サンプルが熱イオン化するのに十分な温
度にまで加熱されてイオン化し、同位体分析用に十分な
量のイオンが発生する。このようにして発生したイオン
は、サンプル中にある同位体に固有である。これらのイ
オンは、所定の電位差によって加速されて、各々に質量
対電荷比の異なるイオンが導入されるように少なくとも
２つのコレクタが配置された磁気セクタ質量分析計によ
って質量対電荷比に応じて分離される。このように、質
量対電荷比が異なる２つ以上のイオンビームの強度比は
即座に測定され、イオン化の強度や質量分析計の安定性
の時間に依存する不安定さは最小限に抑えられる。単一
のフィラメントからのイオン電流信号の積分は、分留効
果を低減し小量に含まれる同位体からのノイズ信号を滑
らかにするために数時間に亘って継続されるので、質量
対電流比を高精度で測定することができる。
熱イオン化質量分析計のサンプルの取扱い及び前処理
は、サンプルが精製され高精度で同位体比を決めるけれ
ども、手間がかかり時間を要し、１日にわずか2,3のサ
ンプルしか分析することができない。分析時間の多く
は、コーティングされたフィラメントが分析計のイオン
源に取付けられた後の排気とフィラメントの予備加熱と
に要する。電流熱イオン化質量分析計（current therma
l ionization spectrometer）は、フィラメントを真空
システムにロードして自動的に分析することのできる収
納室を有する。分析用のラインに並ぶフィラメントの排
気と予備加熱とは、他のフィラメントの分析中に行われ
る。しかしながら、この種の収納システムは複雑であ
り、高価とはいえ、熱イオン化に必要な予備加熱と測定
時間のために限られたサンプルの問題を完全に解決する
ことはない。故に、マルチコレクタ磁気セクタ質量分析
計との使用に適し容易に高精度で同位体存在比を測定す
ることのできるサンプルイオン化技術に対する需要があ
る。
は、サンプルが精製され高精度で同位体比を決めるけれ
ども、手間がかかり時間を要し、１日にわずか2,3のサ
ンプルしか分析することができない。分析時間の多く
は、コーティングされたフィラメントが分析計のイオン
源に取付けられた後の排気とフィラメントの予備加熱と
に要する。電流熱イオン化質量分析計（current therma
l ionization spectrometer）は、フィラメントを真空
システムにロードして自動的に分析することのできる収
納室を有する。分析用のラインに並ぶフィラメントの排
気と予備加熱とは、他のフィラメントの分析中に行われ
る。しかしながら、この種の収納システムは複雑であ
り、高価とはいえ、熱イオン化に必要な予備加熱と測定
時間のために限られたサンプルの問題を完全に解決する
ことはない。故に、マルチコレクタ磁気セクタ質量分析
計との使用に適し容易に高精度で同位体存在比を測定す
ることのできるサンプルイオン化技術に対する需要があ
る。
本発明の目的は、上述のサンプルイオン化技術が組込
まれた同位体存在比質量分析計を提供することである。
まれた同位体存在比質量分析計を提供することである。
本発明の第２の目的は、従来の高精度同位体存在比質
量分析計よりも処理能力の高い同位体存在比質量分析方
法を提供することである。
量分析計よりも処理能力の高い同位体存在比質量分析方
法を提供することである。
本発明の同位体存在比質量分析計は、イオン源手段、
静電イオンエネルギ分析器、イオンが質量対電荷比に応
じて第１ポテンシャルにて分散される磁気セクタイオン
運動量分析器、及び異なる質量対電荷比のイオンを捕獲
する２つ以上のイオンコレクタからなるイオン検出手段
を有する同位体存在比質量分析計であって、 ａ）前記イオン源手段は、ラジオ周波数発生器またはマ
イクロ波発生器によって生成された電磁場の作用によっ
て不活性ガス内でプラズマ放電を形成する手段を有し、 さらに、 ｂ）同位体の組成が測定されるべきサンプルを前記プラ
ズマに導入するために形成された手段と、 ｃ）第１排気手段によって排気される第１真空室と前記
プラズマとを連通せしめる開口を有し、前記プラズマ近
傍に配置された導電性のサンプリング部材と、 ｄ）前記サンプリング部材の下流に配置され、前記第１
真空室を第２排気手段によって排気される第２真空室か
ら分離し、前記第１真空室と前記第２真空室とを連通せ
しめる開口を有するスキマー部材と、 ｅ）前記スキマー部材の下流に配置され、前記第２真空
室を第３排気手段によって排気される第３真空室から分
離し、前記第２真空室と前記第３真空室とを連通せしめ
る開口を有する差動排気部材と、 ｆ）前記差動排気部材の下流に配置され、前記静電イオ
ンエネルギ分析器、前記磁気セクタイオン運動量分析器
及び前記イオン検出手段が配置され且つ第４排気手段に
て排気される真空容器部から前記第３真空室を分離し、
前記第３真空室と前記真空容器部とを連通せしめる開口
を有する分析器導入開口部材と、 ｇ）前記プラズマ内で生じたイオンが前記開口の各々を
挿通して加速されて前記磁気セクタイオン運動量分析器
に入ったときに、前記第１ポテンシャルにある前記磁気
セクタイオン運動量分析器内での質量分析に適した運動
エネルギを有するような第２ポテンシャルに前記サンプ
リング部材を維持するために設けられた手段と、 を有する。
静電イオンエネルギ分析器、イオンが質量対電荷比に応
じて第１ポテンシャルにて分散される磁気セクタイオン
運動量分析器、及び異なる質量対電荷比のイオンを捕獲
する２つ以上のイオンコレクタからなるイオン検出手段
を有する同位体存在比質量分析計であって、 ａ）前記イオン源手段は、ラジオ周波数発生器またはマ
イクロ波発生器によって生成された電磁場の作用によっ
て不活性ガス内でプラズマ放電を形成する手段を有し、 さらに、 ｂ）同位体の組成が測定されるべきサンプルを前記プラ
ズマに導入するために形成された手段と、 ｃ）第１排気手段によって排気される第１真空室と前記
プラズマとを連通せしめる開口を有し、前記プラズマ近
傍に配置された導電性のサンプリング部材と、 ｄ）前記サンプリング部材の下流に配置され、前記第１
真空室を第２排気手段によって排気される第２真空室か
ら分離し、前記第１真空室と前記第２真空室とを連通せ
しめる開口を有するスキマー部材と、 ｅ）前記スキマー部材の下流に配置され、前記第２真空
室を第３排気手段によって排気される第３真空室から分
離し、前記第２真空室と前記第３真空室とを連通せしめ
る開口を有する差動排気部材と、 ｆ）前記差動排気部材の下流に配置され、前記静電イオ
ンエネルギ分析器、前記磁気セクタイオン運動量分析器
及び前記イオン検出手段が配置され且つ第４排気手段に
て排気される真空容器部から前記第３真空室を分離し、
前記第３真空室と前記真空容器部とを連通せしめる開口
を有する分析器導入開口部材と、 ｇ）前記プラズマ内で生じたイオンが前記開口の各々を
挿通して加速されて前記磁気セクタイオン運動量分析器
に入ったときに、前記第１ポテンシャルにある前記磁気
セクタイオン運動量分析器内での質量分析に適した運動
エネルギを有するような第２ポテンシャルに前記サンプ
リング部材を維持するために設けられた手段と、 を有する。
好ましくは、サンプリング部材及びスキマー部材は、
従来から４重電極質量分析計へプラズマをインターフェ
ースするために用いられてきたものと同様な形態を有す
るインターフェースタイプの円錐形のノズル・スキマー
からなる。開口は、サンプリング部材及びスキマー部材
の円錐体の中心軸の延長線上に全てが位置している。各
開口の大きさ及び各排気手段の排気速度は、プラズマが
作動する大気圧から高精度の同位体存在比測定に必要な
真空容器部内の1.3×10-6Pa（10-8torr）以下の圧力ま
でに圧力が減少されるように選択される。代表的な第１
排気手段は、第１真空室内の圧力を1.3×102Pa（1 tor
r）から1.3×103Pa（10 torr）までの範囲内に維持する
メカニカルロータリー真空ポンプであり、第２及び第３
排気手段は拡散ポンプまたはターボ分子高真空ポンプで
ある。従来の同位体存在比分析器のように、第４排気手
段は１つ以上のイオンポンプからなり、高真空隔離バル
ブを第３真空室と真空容器部との間に形成することもで
きる。
従来から４重電極質量分析計へプラズマをインターフェ
ースするために用いられてきたものと同様な形態を有す
るインターフェースタイプの円錐形のノズル・スキマー
からなる。開口は、サンプリング部材及びスキマー部材
の円錐体の中心軸の延長線上に全てが位置している。各
開口の大きさ及び各排気手段の排気速度は、プラズマが
作動する大気圧から高精度の同位体存在比測定に必要な
真空容器部内の1.3×10-6Pa（10-8torr）以下の圧力ま
でに圧力が減少されるように選択される。代表的な第１
排気手段は、第１真空室内の圧力を1.3×102Pa（1 tor
r）から1.3×103Pa（10 torr）までの範囲内に維持する
メカニカルロータリー真空ポンプであり、第２及び第３
排気手段は拡散ポンプまたはターボ分子高真空ポンプで
ある。従来の同位体存在比分析器のように、第４排気手
段は１つ以上のイオンポンプからなり、高真空隔離バル
ブを第３真空室と真空容器部との間に形成することもで
きる。
実施例において、イオン搬送手段は、第１、第２及び
第３真空室のいずれか、または全部に形成されている。
イオン搬送手段は、多重電極ロッド及び開口電極静電レ
ンズの一方からなり、サンプリング部材と導入部材との
間のイオンの損失を最小限に抑えるように配列されてい
る。特に、１つ以上の４重電極レンズが設けられて、イ
オンビームの断面形状を、サンプリング部材の円形開口
のために生じる円形から、磁気セクタ分析器での分析に
適したほぼ矩形に変化させることができる。開口電極レ
ンズも、イオンビームの拡がりを制御し且つ様々な開口
を挿通するイオンを集束するために設けられている。
第３真空室のいずれか、または全部に形成されている。
イオン搬送手段は、多重電極ロッド及び開口電極静電レ
ンズの一方からなり、サンプリング部材と導入部材との
間のイオンの損失を最小限に抑えるように配列されてい
る。特に、１つ以上の４重電極レンズが設けられて、イ
オンビームの断面形状を、サンプリング部材の円形開口
のために生じる円形から、磁気セクタ分析器での分析に
適したほぼ矩形に変化させることができる。開口電極レ
ンズも、イオンビームの拡がりを制御し且つ様々な開口
を挿通するイオンを集束するために設けられている。
本発明の一実施例において、第４排気手段は、1.3×1
0-6Pa（10-8torr）以下の圧力に真空容器部全体を維持
する単一のポンプからなる。他の実施例において、第４
排気手段は、真空容器部の異なる部分、例えばイオンコ
レクタ領域と静電イオンエネルギ分析器領域とを別々に
排気する２つ以上のポンプを有する。また、差動排気部
材を付加することによって、イオンエネルギ分析器及び
イオン運動量分析器を含む真空容器部から分離される導
入開口近傍を迅速に排気するために、ポンプを設けるこ
ともできる。真空容器内の低真空に鑑み、付加された差
動排気部材の開口はかなり大きなものである。
0-6Pa（10-8torr）以下の圧力に真空容器部全体を維持
する単一のポンプからなる。他の実施例において、第４
排気手段は、真空容器部の異なる部分、例えばイオンコ
レクタ領域と静電イオンエネルギ分析器領域とを別々に
排気する２つ以上のポンプを有する。また、差動排気部
材を付加することによって、イオンエネルギ分析器及び
イオン運動量分析器を含む真空容器部から分離される導
入開口近傍を迅速に排気するために、ポンプを設けるこ
ともできる。真空容器内の低真空に鑑み、付加された差
動排気部材の開口はかなり大きなものである。
本発明は、熱イオン化源とともに通常用いられるタイ
プの高精度マルチコレクタ磁気セクタ質量分析器によっ
て同位体分析を行うために、サンプルからイオンを効率
良く迅速に発生させる方法を提供する。この方法は、同
位体存在比質量分析計にインターフェースされる誘導結
合プラズマ（ICP）イオン源またはマイクロ波誘導プラ
ズマ（MIP）イオン源を用いて行われる。ICP及びMIPイ
オン源は、４重電極質量分析計とともに周知であるが、
近年ようやく、磁気セクタ質量分析計にインターフェー
スされてきている（例えばPCT出願公表第WO89/12313号
参照）。高精度同位体存在比磁気セクタ質量分析計との
組合せは、大気圧で作動され且つかなり高濃度の不要な
バックグラウンドイオンを生じる高温プラズマイオン源
と、高精度同位体存在比測定に必要な絶対的な清浄度及
び超高真空条件との間の互換性の欠如故に検討されなか
った。
プの高精度マルチコレクタ磁気セクタ質量分析器によっ
て同位体分析を行うために、サンプルからイオンを効率
良く迅速に発生させる方法を提供する。この方法は、同
位体存在比質量分析計にインターフェースされる誘導結
合プラズマ（ICP）イオン源またはマイクロ波誘導プラ
ズマ（MIP）イオン源を用いて行われる。ICP及びMIPイ
オン源は、４重電極質量分析計とともに周知であるが、
近年ようやく、磁気セクタ質量分析計にインターフェー
スされてきている（例えばPCT出願公表第WO89/12313号
参照）。高精度同位体存在比磁気セクタ質量分析計との
組合せは、大気圧で作動され且つかなり高濃度の不要な
バックグラウンドイオンを生じる高温プラズマイオン源
と、高精度同位体存在比測定に必要な絶対的な清浄度及
び超高真空条件との間の互換性の欠如故に検討されなか
った。
IPCMに基づいた４重電極による同位体存在比の測定
は、例えばプリス・ラス３世（Price Russ III）及びバ
ザン（Bazan）［スペクトロチム アクタ（Spectrochi
m.Acta）、1987年、巻42B（１−２）、49〜62頁］、ア
ンダーソン（Anderson）及びグレイ（Gray）［プロクア
ナリット ディブ ケム ソク（Proc.Analyt.Div.Che
m.Soc.）、1976年９月、284〜287頁］、ティング（Tin
g）及びジャンホーバニ（Janghorbani）［スペクトロチ
ム アクタ、1987年、巻42B（１−１）、21〜27頁］、
グレゴリー（Gregoire）［プログ アナリット スペク
トロスク（Prog.Analyt.Spectrosc.）、1989年、巻12、
433〜452頁］によって報告されている。しかし、その精
度は、本発明による装置で得られる精度以下である。カ
ルルスキー（Karlewski）、エバーハード（Eberhard
t）、トゥラットマン（Trautmann）及びハーマン（Herm
ann）［京都大学原子炉実験所、技術レポート クッリ
（KURRI）TR318、72〜６頁］は、ICP及びMIPイオン源と
ガスジェット搬送同位体分離器［ヘリオス、マインツ大
学（HELLIOS,Universitat Mainz）］との組合せを報告
している。しかし、この組合せは、分析装置内での使用
に非実用的な非常に大きなポンプ（2000m3/hrメカニカ
ルポンプ及び3000l/s拡散ポンプ）を有する２段排気シ
ステムを使用するものである。従来の装置と本発明の装
置との重要な違いは、少なくとも１つの差動排気段を付
加したことであり、それによって、本発明では別々に排
気される少なくとも３つの真空室がプラズマと質量分析
計のUHV領域との間に形成されている。これによって、
２段システムに必要な排気量よりも小さい排気量で済み
ながらも分析可能な規模の装置を構成することができ
る。
は、例えばプリス・ラス３世（Price Russ III）及びバ
ザン（Bazan）［スペクトロチム アクタ（Spectrochi
m.Acta）、1987年、巻42B（１−２）、49〜62頁］、ア
ンダーソン（Anderson）及びグレイ（Gray）［プロクア
ナリット ディブ ケム ソク（Proc.Analyt.Div.Che
m.Soc.）、1976年９月、284〜287頁］、ティング（Tin
g）及びジャンホーバニ（Janghorbani）［スペクトロチ
ム アクタ、1987年、巻42B（１−１）、21〜27頁］、
グレゴリー（Gregoire）［プログ アナリット スペク
トロスク（Prog.Analyt.Spectrosc.）、1989年、巻12、
433〜452頁］によって報告されている。しかし、その精
度は、本発明による装置で得られる精度以下である。カ
ルルスキー（Karlewski）、エバーハード（Eberhard
t）、トゥラットマン（Trautmann）及びハーマン（Herm
ann）［京都大学原子炉実験所、技術レポート クッリ
（KURRI）TR318、72〜６頁］は、ICP及びMIPイオン源と
ガスジェット搬送同位体分離器［ヘリオス、マインツ大
学（HELLIOS,Universitat Mainz）］との組合せを報告
している。しかし、この組合せは、分析装置内での使用
に非実用的な非常に大きなポンプ（2000m3/hrメカニカ
ルポンプ及び3000l/s拡散ポンプ）を有する２段排気シ
ステムを使用するものである。従来の装置と本発明の装
置との重要な違いは、少なくとも１つの差動排気段を付
加したことであり、それによって、本発明では別々に排
気される少なくとも３つの真空室がプラズマと質量分析
計のUHV領域との間に形成されている。これによって、
２段システムに必要な排気量よりも小さい排気量で済み
ながらも分析可能な規模の装置を構成することができ
る。
イオン運動量分析器は磁気セクタ分析器である。必須
条件ではないが、静電イオンエネルギ分析器及び磁気セ
クタイオン運動量分析器は、マルチコレクタイオン検出
システムが組み立てやすいような順番に配置される。感
度を向上させるために、静電分析器及び磁気分析器は、
イオンコレクタが配置された像面内に第１分析器の開口
のダブルフォーカス像（すなわち、集束されたエネルギ
とその方向）を生じるように互いに動作する。しかしな
がら、全ての同位体存在比分析器に共通するように高解
像度は必要ではない。むしろ、感度及び頂部が平坦なピ
ークの形状に影響する収差を最小限に抑えるべきであ
る。本発明での使用に適したイオン質量分析手段及びイ
オン検出手段の設計は従来と同様である。
条件ではないが、静電イオンエネルギ分析器及び磁気セ
クタイオン運動量分析器は、マルチコレクタイオン検出
システムが組み立てやすいような順番に配置される。感
度を向上させるために、静電分析器及び磁気分析器は、
イオンコレクタが配置された像面内に第１分析器の開口
のダブルフォーカス像（すなわち、集束されたエネルギ
とその方向）を生じるように互いに動作する。しかしな
がら、全ての同位体存在比分析器に共通するように高解
像度は必要ではない。むしろ、感度及び頂部が平坦なピ
ークの形状に影響する収差を最小限に抑えるべきであ
る。本発明での使用に適したイオン質量分析手段及びイ
オン検出手段の設計は従来と同様である。
全ての磁気セクタ質量分析計において、イオンは、磁
気セクタ分析器のフライトチューブのポテンシャル（多
くは接地ポテンシャル）に対して相対的に高いポテンシ
ャル（多くは＋４〜＋8KV）にて生じなければならな
い。よって、イオンは分析器に近接するように加速され
て、分析器に適した一定の運動エネルギにて分析器に入
ることができる。熱イオン化源において、イオンの加速
は、サンプルがコーティングされたフィラメントを必要
な加速ポテンシャルに保持することによって容易に行わ
れる。本発明のプラズマイオン源によって、イオンが所
望のポテンシャルのプラズマ内にて発生されることが必
要となる。これは、第１ポテンシャルと第２ポテンシャ
ル間の差が必ずしも加速ポテンシャルに等しくなるよう
に選択されるわけではないが、第２ポテンシャル、すな
わちほぼ加速ポテンシャルにサンプリング部材を保持す
ることによって行われる。発明者は、これによって、イ
オンエネルギ分析器を用いるとした場合に、高精度同位
体分析に対し十分に狭い範囲内のエネルギを有するイオ
ンが、高精度同位体存在比の測定を行うことができる十
分な安定性で、効率良く発生することになることを見い
だした。本発明の望ましい構成において、プラズマを形
成する場を生成するために用いられるコイルまたはマイ
クロ波キャビティ、これらに接続される電源、及びプラ
ズマトーチ並びにサンプル導入システムは、全て接地ポ
テンシャルに保持されている。（このことは、全プラズ
マ発生システムが20kVに浮遊している上述のカルルスキ
ーの同位体分離器とは対照的である。）本発明にて使用
されたものと同様な高解像度磁気セクタ分析器のプラズ
マインターフェースは、PCT出願公表第WO89/12313号に
開示されている。このPCT出願公表は、ICPまたはMIP内
で発生したイオンのエネルギを、サンプリング部材に与
えるポテンシャルの選択によって測定する方法の詳細を
記載している。しかし、これは本発明よりも前に評価さ
れるものであって、この技術は同位体存在比分析器とと
もに用いられなかった。
気セクタ分析器のフライトチューブのポテンシャル（多
くは接地ポテンシャル）に対して相対的に高いポテンシ
ャル（多くは＋４〜＋8KV）にて生じなければならな
い。よって、イオンは分析器に近接するように加速され
て、分析器に適した一定の運動エネルギにて分析器に入
ることができる。熱イオン化源において、イオンの加速
は、サンプルがコーティングされたフィラメントを必要
な加速ポテンシャルに保持することによって容易に行わ
れる。本発明のプラズマイオン源によって、イオンが所
望のポテンシャルのプラズマ内にて発生されることが必
要となる。これは、第１ポテンシャルと第２ポテンシャ
ル間の差が必ずしも加速ポテンシャルに等しくなるよう
に選択されるわけではないが、第２ポテンシャル、すな
わちほぼ加速ポテンシャルにサンプリング部材を保持す
ることによって行われる。発明者は、これによって、イ
オンエネルギ分析器を用いるとした場合に、高精度同位
体分析に対し十分に狭い範囲内のエネルギを有するイオ
ンが、高精度同位体存在比の測定を行うことができる十
分な安定性で、効率良く発生することになることを見い
だした。本発明の望ましい構成において、プラズマを形
成する場を生成するために用いられるコイルまたはマイ
クロ波キャビティ、これらに接続される電源、及びプラ
ズマトーチ並びにサンプル導入システムは、全て接地ポ
テンシャルに保持されている。（このことは、全プラズ
マ発生システムが20kVに浮遊している上述のカルルスキ
ーの同位体分離器とは対照的である。）本発明にて使用
されたものと同様な高解像度磁気セクタ分析器のプラズ
マインターフェースは、PCT出願公表第WO89/12313号に
開示されている。このPCT出願公表は、ICPまたはMIP内
で発生したイオンのエネルギを、サンプリング部材に与
えるポテンシャルの選択によって測定する方法の詳細を
記載している。しかし、これは本発明よりも前に評価さ
れるものであって、この技術は同位体存在比分析器とと
もに用いられなかった。
他の実施例において、プラズマで発生したイオンは、
第１運動エネルギにて磁気セクタ内で、第１運動エネル
ギよりも小さい第２運動エネルギにて静電イオンエネル
ギ分析器内で分析される。円筒形のセクタエネルギ分析
器が用いられた場合、エネルギ分析器内の静電場の強度
は、第２及び第１運動エネルギの比によって乗算された
リファレンスフィールドの強度とほぼ等しくなる。この
リファレンスフィールドの強度は、第１運動エネルギを
有するイオンを分析器の中心軌道の周囲に偏向させるの
に必要な強度である。このように、半径がかなり小さい
セクタエネルギ分析器を用いることができる。実際、エ
ネルギ分析器が磁気セクタの前にあるときは、プラズマ
内で発生したイオンの多くは、接地された開口（差動排
気部材の開口）を挿通することによって第１運動エネル
ギにまで加速され、減速レンズによって第２運動エネル
ギまで減速される。次に、イオンは静電イオンエネルギ
分析器を挿通する。この静電イオンエネルギ分析器は、
中心軌道のポテンシャルが第２運動エネルギに相当する
ようなポテンシャルに保持された１対の円筒形セクタ電
極を有する。スリットにて画定されながら中間エネルギ
を通過した後、イオンは、最後の素子が接地された加速
レンズを通過し、接地ポテンシャルの磁気セクタ分析器
に第１運動エネルギにて入る。半径を小さくしたエネル
ギ分析器、加速レンズ、及び磁気セクタ分析器の組み合
わせによって、欧州特許出願第91311454.2号に記載した
ように、ダブルフォーカスにすることができる。
第１運動エネルギにて磁気セクタ内で、第１運動エネル
ギよりも小さい第２運動エネルギにて静電イオンエネル
ギ分析器内で分析される。円筒形のセクタエネルギ分析
器が用いられた場合、エネルギ分析器内の静電場の強度
は、第２及び第１運動エネルギの比によって乗算された
リファレンスフィールドの強度とほぼ等しくなる。この
リファレンスフィールドの強度は、第１運動エネルギを
有するイオンを分析器の中心軌道の周囲に偏向させるの
に必要な強度である。このように、半径がかなり小さい
セクタエネルギ分析器を用いることができる。実際、エ
ネルギ分析器が磁気セクタの前にあるときは、プラズマ
内で発生したイオンの多くは、接地された開口（差動排
気部材の開口）を挿通することによって第１運動エネル
ギにまで加速され、減速レンズによって第２運動エネル
ギまで減速される。次に、イオンは静電イオンエネルギ
分析器を挿通する。この静電イオンエネルギ分析器は、
中心軌道のポテンシャルが第２運動エネルギに相当する
ようなポテンシャルに保持された１対の円筒形セクタ電
極を有する。スリットにて画定されながら中間エネルギ
を通過した後、イオンは、最後の素子が接地された加速
レンズを通過し、接地ポテンシャルの磁気セクタ分析器
に第１運動エネルギにて入る。半径を小さくしたエネル
ギ分析器、加速レンズ、及び磁気セクタ分析器の組み合
わせによって、欧州特許出願第91311454.2号に記載した
ように、ダブルフォーカスにすることができる。
また、本発明はサンプルの高精度同位体存在比分析方
法を提供する。この方法は、サンプルに固有なイオンを
生成する行程と、前記イオンをエネルギに応じて選択し
且つ質量対電荷比に応じて分散させる行程と、少なくと
も２つの異なる質量対電荷比のイオンの少なくとも一部
を空間的に分離された位置に収集せしめる行程と、前記
空間的に分離された位置にて集められたイオンに起因す
る電流の比を測定することによって前記サンプルの同位
体組成を測定する行程と、を有する前記サンプルの高精
度同位体分析方法であって、 さらに、 ａ）ラジオ周波数発生器またはマイクロ波発生器によっ
て生じた電磁場によって不活性ガス内で形成されたプラ
ズマ内で前記イオンを形成する行程と、 ｂ）発生した前記イオンの少なくとも一部が順次、 ｉ）第１排気手段によって排気される第１真空室の中へ
前記プラズマ近傍にある導電性のサンプリング部材に形
成された開口、 ii）前記第１真空室から第２排気手段によって排気され
る第２真空室の中へとスキマー部材の開口、 iii）前記第２真空室から第３排気手段によって排気さ
れる第３真空室の中へと差動排気部材の開口、 iv）第４排気手段によって排気される真空容器部の開
口、 を挿通して、前記イオンが前記真空容器部内でエネルギ
に応じて選択され且つ質量対電荷比に応じて分散される
行程と、 ｃ）イオンが第１ポテンシャルエネルギにて前記プラズ
マ内で生成され次に前記開口を挿通したときに質量対電
荷比に応じて分散される第１運動エネルギにまで加速さ
れるようなポテンシャルに前記サンプリング部材を維持
する行程と、 を有する。
法を提供する。この方法は、サンプルに固有なイオンを
生成する行程と、前記イオンをエネルギに応じて選択し
且つ質量対電荷比に応じて分散させる行程と、少なくと
も２つの異なる質量対電荷比のイオンの少なくとも一部
を空間的に分離された位置に収集せしめる行程と、前記
空間的に分離された位置にて集められたイオンに起因す
る電流の比を測定することによって前記サンプルの同位
体組成を測定する行程と、を有する前記サンプルの高精
度同位体分析方法であって、 さらに、 ａ）ラジオ周波数発生器またはマイクロ波発生器によっ
て生じた電磁場によって不活性ガス内で形成されたプラ
ズマ内で前記イオンを形成する行程と、 ｂ）発生した前記イオンの少なくとも一部が順次、 ｉ）第１排気手段によって排気される第１真空室の中へ
前記プラズマ近傍にある導電性のサンプリング部材に形
成された開口、 ii）前記第１真空室から第２排気手段によって排気され
る第２真空室の中へとスキマー部材の開口、 iii）前記第２真空室から第３排気手段によって排気さ
れる第３真空室の中へと差動排気部材の開口、 iv）第４排気手段によって排気される真空容器部の開
口、 を挿通して、前記イオンが前記真空容器部内でエネルギ
に応じて選択され且つ質量対電荷比に応じて分散される
行程と、 ｃ）イオンが第１ポテンシャルエネルギにて前記プラズ
マ内で生成され次に前記開口を挿通したときに質量対電
荷比に応じて分散される第１運動エネルギにまで加速さ
れるようなポテンシャルに前記サンプリング部材を維持
する行程と、 を有する。
本発明の実施例において、イオンは、静電セクタエネ
ルギ分析器によってエネルギに応じて選択され、質量対
電荷比に応じて分散される磁気セクタ分析器に導入され
る。従来のマルチコレクタシステムは、別々のコレクタ
にイオンビームが分散される少なくとも２つの質量を捕
獲するように設けられているので、正確な同位体存在比
を測定することができた。しかし、本発明では静電セク
タ及び磁気セクタ分析器の順番が逆転している。
ルギ分析器によってエネルギに応じて選択され、質量対
電荷比に応じて分散される磁気セクタ分析器に導入され
る。従来のマルチコレクタシステムは、別々のコレクタ
にイオンビームが分散される少なくとも２つの質量を捕
獲するように設けられているので、正確な同位体存在比
を測定することができた。しかし、本発明では静電セク
タ及び磁気セクタ分析器の順番が逆転している。
望ましくは、本発明の方法は、従来の低解像度ICPま
たはMIP4重電極質量分析計のように、アルゴンガス内で
誘導結合プラズマまたはマイクロ波誘導プラズマ内でイ
オンを発生させる行程を有する。
たはMIP4重電極質量分析計のように、アルゴンガス内で
誘導結合プラズマまたはマイクロ波誘導プラズマ内でイ
オンを発生させる行程を有する。
さらに、本発明による望ましい方法は、イオンが少な
くとも１つの開口を通過することによって第１運動エネ
ルギにまで加速された後で第２運動エネルギに減速され
る行程と、第２運動エネルギの所定の範囲内のエネルギ
を有するイオンを静電エネルギ分析器にて選択する行程
と、を有する。これらのイオンは、第１運動エネルギに
加速され、上述の如く、少なくとも２つのイオンコレク
タの中へ質量対電荷比に応じて分散される。これによっ
て、静電分析器の半径を、エネルギの選択が第１運動エ
ネルギにて行われる場合よりも小さくすることができ
る。
くとも１つの開口を通過することによって第１運動エネ
ルギにまで加速された後で第２運動エネルギに減速され
る行程と、第２運動エネルギの所定の範囲内のエネルギ
を有するイオンを静電エネルギ分析器にて選択する行程
と、を有する。これらのイオンは、第１運動エネルギに
加速され、上述の如く、少なくとも２つのイオンコレク
タの中へ質量対電荷比に応じて分散される。これによっ
て、静電分析器の半径を、エネルギの選択が第１運動エ
ネルギにて行われる場合よりも小さくすることができ
る。
本発明の一実施例を図面を参照しながら記載する。図
面において、 図１は、本発明による質量分析計の構成図であり、 図２は、図１の質量分析計のプラズマ発生器及びサン
プリングシステムの構成図であり、 図３は、図１の質量分析計に用いられる静電レンズシ
ステムの断面図であり、 図４は、図１の質量分析計で用いられる減速レンズの
構成図であり、 図5Aは、図１の質量分析計で用いられる静電イオンエ
ネルギ分析器の断面図であり、 図5B及び図5Cは、それぞれ図5Aにおける線分Ａ−Ａ及
び線分Ｂ−Ｂの断面図であり、 図６は、図１の質量分析計に用いられる加速レンズの
構成図である。
面において、 図１は、本発明による質量分析計の構成図であり、 図２は、図１の質量分析計のプラズマ発生器及びサン
プリングシステムの構成図であり、 図３は、図１の質量分析計に用いられる静電レンズシ
ステムの断面図であり、 図４は、図１の質量分析計で用いられる減速レンズの
構成図であり、 図5Aは、図１の質量分析計で用いられる静電イオンエ
ネルギ分析器の断面図であり、 図5B及び図5Cは、それぞれ図5Aにおける線分Ａ−Ａ及
び線分Ｂ−Ｂの断面図であり、 図６は、図１の質量分析計に用いられる加速レンズの
構成図である。
図１において、誘導結合プラズマトーチアセンブリ１
及びガス供給サンプル導入ユニット２は、サンプルに存
在する同位体に固有なイオンが形成されるプラズマ３を
生成する。プラズマ３は、サンプリング部材19の近傍で
形成される。このサンプリング部材19は、頂点に開口を
有する中空の円錐体からなる。この開口を介して、イオ
ンは第１真空室23の中へ通過する。第１真空室23は、本
体22の内部に形成され、管24を介して第１排気手段25に
よって排気される。第１排気手段25は、18m3/hrのメカ
ニカルポンプからなり、第１真空室23内の圧力は1.3×1
02Pa（1 torr）から1.3×103Pa（10 torr）までの範囲
内に維持されている。
及びガス供給サンプル導入ユニット２は、サンプルに存
在する同位体に固有なイオンが形成されるプラズマ３を
生成する。プラズマ３は、サンプリング部材19の近傍で
形成される。このサンプリング部材19は、頂点に開口を
有する中空の円錐体からなる。この開口を介して、イオ
ンは第１真空室23の中へ通過する。第１真空室23は、本
体22の内部に形成され、管24を介して第１排気手段25に
よって排気される。第１排気手段25は、18m3/hrのメカ
ニカルポンプからなり、第１真空室23内の圧力は1.3×1
02Pa（1 torr）から1.3×103Pa（10 torr）までの範囲
内に維持されている。
フランジ26に取付けられたスキマー部材28によって、
第１真空室23は第２真空室４から分離される。第２真空
室４は、ハウジング36によって包囲され、1000 l/sの拡
散ポンプなどの第２排気手段５によってポート42を介し
て排気される。これによって、第２真空室４の内部の圧
力は、1.3×10-2Pa（10-4torr）から1.3×10-1Pa（10-3
torr）までの範囲内に維持される。スキマー部材28及び
サンプリング部材19は、スキマー部材28がハウジング36
のフランジ35から絶縁体34に接して取付けられているこ
と以外は、ICPMS装置の底部にある従来の４重電極に用
いられるタイプのノズル・スキマーインターフェースと
同様である。故に、スキマー部材28とサンプリング部材
19とは、リード線41によって接続された電源40によって
高電位に保持される。
第１真空室23は第２真空室４から分離される。第２真空
室４は、ハウジング36によって包囲され、1000 l/sの拡
散ポンプなどの第２排気手段５によってポート42を介し
て排気される。これによって、第２真空室４の内部の圧
力は、1.3×10-2Pa（10-4torr）から1.3×10-1Pa（10-3
torr）までの範囲内に維持される。スキマー部材28及び
サンプリング部材19は、スキマー部材28がハウジング36
のフランジ35から絶縁体34に接して取付けられているこ
と以外は、ICPMS装置の底部にある従来の４重電極に用
いられるタイプのノズル・スキマーインターフェースと
同様である。故に、スキマー部材28とサンプリング部材
19とは、リード線41によって接続された電源40によって
高電位に保持される。
第２真空室４は、環形レンズ30と２対の４重電極レン
ズ47,69,48,70からなる搬送手段を有する。以下にその
詳細を説明する。差動排気部材６によって、第２真空室
４は第３真空室７から分離される。第３真空室７は、22
0 l/sのターボ分子ポンプなどの第３排気手段43によっ
てハウジング44のポンプポート８を介して排気される。
第３真空室７は、第３排気手段43によって約1.3×10-5P
a（10-7toor）に維持され、減速レンズ系45を含んでい
る。
ズ47,69,48,70からなる搬送手段を有する。以下にその
詳細を説明する。差動排気部材６によって、第２真空室
４は第３真空室７から分離される。第３真空室７は、22
0 l/sのターボ分子ポンプなどの第３排気手段43によっ
てハウジング44のポンプポート８を介して排気される。
第３真空室７は、第３排気手段43によって約1.3×10-5P
a（10-7toor）に維持され、減速レンズ系45を含んでい
る。
分析器導入部材46によって、第３真空室７は、質量分
析計のUHV部を囲む真空容器部から分離される。この容
器部は、ハウジング75,76,77とフライトチューブ78とか
らなる。ハウジング76及び真空容器部全体は、容器全体
を1.3×10-6Pa（10-8toor）以下の圧力に維持すること
ができるイオンポンプなどの第４排気手段131によって
排気される。必要に応じてハウジング77内にイオンポン
プ（図示せず）を追加して用いることもできる。また、
隔離バルブを分析器導入部材46及び差動排気部材６の少
なくとも一方に取付けて、真空容器部をUHV状態に維持
しながらも入力側システムの作動を容易に行うこともで
きる。
析計のUHV部を囲む真空容器部から分離される。この容
器部は、ハウジング75,76,77とフライトチューブ78とか
らなる。ハウジング76及び真空容器部全体は、容器全体
を1.3×10-6Pa（10-8toor）以下の圧力に維持すること
ができるイオンポンプなどの第４排気手段131によって
排気される。必要に応じてハウジング77内にイオンポン
プ（図示せず）を追加して用いることもできる。また、
隔離バルブを分析器導入部材46及び差動排気部材６の少
なくとも一方に取付けて、真空容器部をUHV状態に維持
しながらも入力側システムの作動を容易に行うこともで
きる。
ハウジング75は、円筒形のセクタ電極79,80を有す
る。エネルギが選択された後、イオンビームはハウジン
グ76に配置された加速レンズ系81とフライトチューブ78
との中へと飛んでいく。イオンの質量対電荷比に応じ
て、イオンを分散させる磁極82の間に磁場が発生する。
ハウジング77は、少なくとも２つのイオンコレクタ（３
つが図示されている）を有する。このイオンコレクタ
は、質量対電荷比が異なる少なくとも２つのイオンビー
ムを捕らえる。イオンコレクタからの電気信号はマルチ
チャネル増幅器及び信号表示システム83にて増幅され
る。符号78,82,77,83によって、高精度同位体存在比質
量分析計の磁気セクタ分析器とマルチコレクタシステム
とを構成している。
る。エネルギが選択された後、イオンビームはハウジン
グ76に配置された加速レンズ系81とフライトチューブ78
との中へと飛んでいく。イオンの質量対電荷比に応じ
て、イオンを分散させる磁極82の間に磁場が発生する。
ハウジング77は、少なくとも２つのイオンコレクタ（３
つが図示されている）を有する。このイオンコレクタ
は、質量対電荷比が異なる少なくとも２つのイオンビー
ムを捕らえる。イオンコレクタからの電気信号はマルチ
チャネル増幅器及び信号表示システム83にて増幅され
る。符号78,82,77,83によって、高精度同位体存在比質
量分析計の磁気セクタ分析器とマルチコレクタシステム
とを構成している。
本発明により、電源40によってサンプリング部材19は
選択された第２ポテンシャルに維持されるので、フライ
トチューブ78、イオンコレクタシステム及びハウジング
75,76,77が維持される第１ポテンシャル（接地ポテンシ
ャル）と第２ポテンシャルとの間の電位差によって、プ
ラズマにて発生したイオンは、接地されたいずれの開口
も通過するように第１運転エネルギに加速される。この
ように、イオンは、第１運動エネルギにて磁極82の間に
生じた磁場によって質量対電荷比に応じて分散される。
本発明の範囲内で、レンズ系45,81の減速及び加速を省
略することによって同一の運動エネルギ（すなわち、第
１運動エネルギ）にて（セクタ電極79間の電場によっ
て）エネルギの選択は行われるが（すなわち、従来のダ
ブルフォーカス質量分析計において）、図１の実施例で
は、エネルギの選択が第１運動エネルギよりも小さい第
２運動エネルギにて行われるので、静電エネルギ分析器
の半径を小さくすることができる。従って、減速レンズ
系45の最後の素子と導入開口部材46の開口とは、第１ポ
テンシャル（接地ポテンシャル）と第２ポテンシャル
（サンプリング部材）との中間の第３ポテンシャルに維
持されるので、イオンは第２運動エネルギにてエネルギ
分析器に入る。セクタ電極79,80間の中央軌道が第３ポ
テンシャルに、また加速レンズ系81の最初の素子も第３
ポテンシャルに維持されるようなポテンシャルに、セク
タ電極79,80は維持されている。加速レンズ系81の最後
の素子は第１ポテンシャル（接地ポテンシャル）に維持
されているので、エネルギ分析器を出たイオンは第１運
動エネルギにまで減速される。
選択された第２ポテンシャルに維持されるので、フライ
トチューブ78、イオンコレクタシステム及びハウジング
75,76,77が維持される第１ポテンシャル（接地ポテンシ
ャル）と第２ポテンシャルとの間の電位差によって、プ
ラズマにて発生したイオンは、接地されたいずれの開口
も通過するように第１運転エネルギに加速される。この
ように、イオンは、第１運動エネルギにて磁極82の間に
生じた磁場によって質量対電荷比に応じて分散される。
本発明の範囲内で、レンズ系45,81の減速及び加速を省
略することによって同一の運動エネルギ（すなわち、第
１運動エネルギ）にて（セクタ電極79間の電場によっ
て）エネルギの選択は行われるが（すなわち、従来のダ
ブルフォーカス質量分析計において）、図１の実施例で
は、エネルギの選択が第１運動エネルギよりも小さい第
２運動エネルギにて行われるので、静電エネルギ分析器
の半径を小さくすることができる。従って、減速レンズ
系45の最後の素子と導入開口部材46の開口とは、第１ポ
テンシャル（接地ポテンシャル）と第２ポテンシャル
（サンプリング部材）との中間の第３ポテンシャルに維
持されるので、イオンは第２運動エネルギにてエネルギ
分析器に入る。セクタ電極79,80間の中央軌道が第３ポ
テンシャルに、また加速レンズ系81の最初の素子も第３
ポテンシャルに維持されるようなポテンシャルに、セク
タ電極79,80は維持されている。加速レンズ系81の最後
の素子は第１ポテンシャル（接地ポテンシャル）に維持
されているので、エネルギ分析器を出たイオンは第１運
動エネルギにまで減速される。
本発明において、図１に示す真空容器部を排気するポ
ンプ１台に限定されない。例えば、ハウジング77を排気
するためにさらにイオンポンプを設けたり、ハウジング
75を排気するためにポンプを付加して設けることもでき
る。また、真空容器部は非常に高真空であるけれども、
各ステージの間にかなり大きな開口を有する差動排気部
材を設けることもできる。
ンプ１台に限定されない。例えば、ハウジング77を排気
するためにさらにイオンポンプを設けたり、ハウジング
75を排気するためにポンプを付加して設けることもでき
る。また、真空容器部は非常に高真空であるけれども、
各ステージの間にかなり大きな開口を有する差動排気部
材を設けることもできる。
図２に、ノズル・スキマー領域の詳細図を示す。プラ
ズマ３は、金属製のトーチ本体11の内部に装着クランプ
10によって固定され且つトーチ本体11の前面12からおよ
そ30mm突出するように配置された誘導結合プラズマトー
チ９によって発生される。RF負荷コイル13は少なくとも
一部がトーチ本体11の外側に取付けられ、導電管14,15
によってトーチ本体11内部の図示せぬRF発生器の出力端
子に接続されている。コイル13は、中空管にて形成され
ているので冷却水が導電管14,15を介してコイル13を流
れることができ、図２に示すように接地されている。円
筒部17と平坦な円形部16とからなるクォーツボンネット
は、トーチ９とコイル13とを一体化するはめ込み手段と
なっている。セラミックなどからなる絶縁体18がトーチ
本体11の前面12に取付けられている。
ズマ３は、金属製のトーチ本体11の内部に装着クランプ
10によって固定され且つトーチ本体11の前面12からおよ
そ30mm突出するように配置された誘導結合プラズマトー
チ９によって発生される。RF負荷コイル13は少なくとも
一部がトーチ本体11の外側に取付けられ、導電管14,15
によってトーチ本体11内部の図示せぬRF発生器の出力端
子に接続されている。コイル13は、中空管にて形成され
ているので冷却水が導電管14,15を介してコイル13を流
れることができ、図２に示すように接地されている。円
筒部17と平坦な円形部16とからなるクォーツボンネット
は、トーチ９とコイル13とを一体化するはめ込み手段と
なっている。セラミックなどからなる絶縁体18がトーチ
本体11の前面12に取付けられている。
サンプリング部材19は、およそ120°の外角、及び頂
点に直径およそ1.0mmの開口を有するニッケル製の円錐
体からなる。サンプリング部材19は、冷却水が循環する
流路21が穿設されたフロントプレート20に取付けられて
いる。プレート20は第１真空室23が形成される本体22に
取付けられている。Ｏリング29が本体22にプレート20を
封着するために用いられている。サンプリング部材19は
電源40によって高電位に保持され、第１真空室23の圧力
は1.3×102Pa（1 torr）から1.3×103Pa（10 torr）ま
でとなっている。第１排気手段25を接地面から絶縁する
必要性が生じることがある。
点に直径およそ1.0mmの開口を有するニッケル製の円錐
体からなる。サンプリング部材19は、冷却水が循環する
流路21が穿設されたフロントプレート20に取付けられて
いる。プレート20は第１真空室23が形成される本体22に
取付けられている。Ｏリング29が本体22にプレート20を
封着するために用いられている。サンプリング部材19は
電源40によって高電位に保持され、第１真空室23の圧力
は1.3×102Pa（1 torr）から1.3×103Pa（10 torr）ま
でとなっている。第１排気手段25を接地面から絶縁する
必要性が生じることがある。
本体22は、円形フランジ26と、スキマー部材28を指示
するとともにフランジ26と同軸に配置された内方円形部
27と、からなる。内方円形部27は、従来のICP4重電極質
量分析計と同様に、頂点に開口を有し、外角が約55°の
中空の円錐体からなる。本発明に適した高性能のスキマ
ー部材はPCT出願公告第WO90/09031号に開示されてい
る。中空円筒レンズ素子30は、互いに120°の角度に配
置された３本の脚部31によって、フランジ26とは絶縁さ
れた取付部32に取付けられている。絶縁取付部32はフラ
ンジ26を挿通して第２レンズ素子33を支持している。レ
ンズ素子30,33は、スキマー部材28から第２真空室４ま
でのイオンエネルギの搬送効率を向上させるために設け
られている。
するとともにフランジ26と同軸に配置された内方円形部
27と、からなる。内方円形部27は、従来のICP4重電極質
量分析計と同様に、頂点に開口を有し、外角が約55°の
中空の円錐体からなる。本発明に適した高性能のスキマ
ー部材はPCT出願公告第WO90/09031号に開示されてい
る。中空円筒レンズ素子30は、互いに120°の角度に配
置された３本の脚部31によって、フランジ26とは絶縁さ
れた取付部32に取付けられている。絶縁取付部32はフラ
ンジ26を挿通して第２レンズ素子33を支持している。レ
ンズ素子30,33は、スキマー部材28から第２真空室４ま
でのイオンエネルギの搬送効率を向上させるために設け
られている。
フランジ26は絶縁体34に固定され、絶縁体34は第２真
空室４のハウジング36のフランジ35に固定されている。
スペーサ37は、Ｏリング38,39によって封止されて装置
に組み立てられ、必要に応じて真空隔離摺動バルブに置
換することもできる。なお、本発明のノズル・スキマー
部材の詳細な構成、及び第１運動エネルギにまで加速さ
せることのできる第２ポテンシャルのイオンの発生方法
は、PCT出願公告第WO89/12313号に見つけることができ
る。
空室４のハウジング36のフランジ35に固定されている。
スペーサ37は、Ｏリング38,39によって封止されて装置
に組み立てられ、必要に応じて真空隔離摺動バルブに置
換することもできる。なお、本発明のノズル・スキマー
部材の詳細な構成、及び第１運動エネルギにまで加速さ
せることのできる第２ポテンシャルのイオンの発生方法
は、PCT出願公告第WO89/12313号に見つけることができ
る。
図３に、第２真空室４に収納された４重電極レンズ系
70,48,69,47の詳細を示す。レンズ系70,48,69,47はサポ
ートチューブ67に取付けられ、サポートチューブ67はハ
ウジング36内部のフランジ58に固定されたフランジ57に
保持されている。各レンズ系は短く断面が円形の４つの
ロッド電極（49〜56,71〜74）からなり、これらのロッ
ド電極は、ナットとワッシャ64にて固定されたスタッデ
ィング63によって、セラミック製の支持絶縁体59〜62か
ら支持絶縁体59〜62の溝に取付けられている。ロッド電
極の軸がサポートチューブ67の軸と平行になるように、
且つ各レンズの互いに対抗配置されたロッド電極の中心
を接続する想像線がイオンビームの矩形断面の境界線と
直線状に配置されるように、ロッド電極は配置される。
このイオンビームの矩形断面は、レンズ系にて形成さ
れ、このイオンビームは運動量・エネルギ分析器に入
る。支持絶縁体59〜62の各々は、サポートチューブ67内
部に嵌合された溝付フランジ65,66に対してクランプさ
れて、レンズ系を配置している。レンズ系の電極に与え
られるポテンシャルは、イオンを効率良く第２真空室を
通過させ、且つビームの断面を円形から矩形に変換する
ように調整される。この種のビーム形成レンズは周知で
あるからその動作の詳細な説明は省略する。
70,48,69,47の詳細を示す。レンズ系70,48,69,47はサポ
ートチューブ67に取付けられ、サポートチューブ67はハ
ウジング36内部のフランジ58に固定されたフランジ57に
保持されている。各レンズ系は短く断面が円形の４つの
ロッド電極（49〜56,71〜74）からなり、これらのロッ
ド電極は、ナットとワッシャ64にて固定されたスタッデ
ィング63によって、セラミック製の支持絶縁体59〜62か
ら支持絶縁体59〜62の溝に取付けられている。ロッド電
極の軸がサポートチューブ67の軸と平行になるように、
且つ各レンズの互いに対抗配置されたロッド電極の中心
を接続する想像線がイオンビームの矩形断面の境界線と
直線状に配置されるように、ロッド電極は配置される。
このイオンビームの矩形断面は、レンズ系にて形成さ
れ、このイオンビームは運動量・エネルギ分析器に入
る。支持絶縁体59〜62の各々は、サポートチューブ67内
部に嵌合された溝付フランジ65,66に対してクランプさ
れて、レンズ系を配置している。レンズ系の電極に与え
られるポテンシャルは、イオンを効率良く第２真空室を
通過させ、且つビームの断面を円形から矩形に変換する
ように調整される。この種のビーム形成レンズは周知で
あるからその動作の詳細な説明は省略する。
第２真空室４は、差動排気部材６によって第３真空室
７から分離される。差動排気部材６は、ハウジング36内
部に嵌合された内部フランジ84に取付けられ、ハウジン
グ44の減速レンズ系45の中へと向かうイオンが通過する
開口85を有する。図４に減速レンズ系45の構成図を示
す。ハウジング75,76,77とフライトチューブ78とからな
る真空容器と第３真空室７との間の導入開口部材46に、
フランジ86が固定されている。このフランジ86に減速レ
ンズ系45は取付けられている。絶縁フランジ87は、静電
イオンエネルギ分析器の導入開口89を有する薄肉プレー
トとレンズ装着フランジ88を保持し、この絶縁フランジ
87はフランジ86によって支持されている。開口89が形成
されたプレートとフランジ88とは第３ポテンシャルに維
持されるので、イオンは第２運動エネルギで開口89を通
過する。残りのレンズ素子90〜95は、４つのセラミック
ロッド96に支持され、円筒状の絶縁体97〜101によって
間隔を介して配置される。レンズ系はクランプリング10
2によってクランプされ、セラミックロッド96はロッド
支持部103に保持され、ロッド支持部103はフランジ88に
固定された管体104に取付けられている。レンズ素子91
〜95に与えられるポテンシャルは、導入開口89にイオン
が焦点を結ぶように選択される。レンズ素子90及びフラ
ンジ88は第３ポテンシャルに維持されている。
７から分離される。差動排気部材６は、ハウジング36内
部に嵌合された内部フランジ84に取付けられ、ハウジン
グ44の減速レンズ系45の中へと向かうイオンが通過する
開口85を有する。図４に減速レンズ系45の構成図を示
す。ハウジング75,76,77とフライトチューブ78とからな
る真空容器と第３真空室７との間の導入開口部材46に、
フランジ86が固定されている。このフランジ86に減速レ
ンズ系45は取付けられている。絶縁フランジ87は、静電
イオンエネルギ分析器の導入開口89を有する薄肉プレー
トとレンズ装着フランジ88を保持し、この絶縁フランジ
87はフランジ86によって支持されている。開口89が形成
されたプレートとフランジ88とは第３ポテンシャルに維
持されるので、イオンは第２運動エネルギで開口89を通
過する。残りのレンズ素子90〜95は、４つのセラミック
ロッド96に支持され、円筒状の絶縁体97〜101によって
間隔を介して配置される。レンズ系はクランプリング10
2によってクランプされ、セラミックロッド96はロッド
支持部103に保持され、ロッド支持部103はフランジ88に
固定された管体104に取付けられている。レンズ素子91
〜95に与えられるポテンシャルは、導入開口89にイオン
が焦点を結ぶように選択される。レンズ素子90及びフラ
ンジ88は第３ポテンシャルに維持されている。
開口89を挿通するイオンは、図5A〜5Cに示す円筒形の
セクタ電極79,80からなる静電イオンエネルギ分析器に
導入される。各セクタ電極79,80は、ハウジング75内部
に取付けられたベースプレート105に段階状のセラミッ
ク絶縁体106に接して支持され、且つダボ107によって配
置されている。故に、一定幅の空隙108が電極79,80間に
形成される。また、電極はネジ109及び絶縁体110によっ
てベースプレート105に締付けられている。導入及び導
出フリンジフィールドコレクタ111,112は、図5Aに示す
ように嵌着されている。カバープレート113（図5B,5C）
は、絶縁体114及びネジ115によって電極79,80に保持さ
れている。ベースプレート105、カバープレート113及び
フリンジフィールドコレクタ111,112からなる系は、ハ
ウジング75内部の絶縁フランジ（図示せず）に取付けら
れているので、第３ポテンシャルに維持される。
セクタ電極79,80からなる静電イオンエネルギ分析器に
導入される。各セクタ電極79,80は、ハウジング75内部
に取付けられたベースプレート105に段階状のセラミッ
ク絶縁体106に接して支持され、且つダボ107によって配
置されている。故に、一定幅の空隙108が電極79,80間に
形成される。また、電極はネジ109及び絶縁体110によっ
てベースプレート105に締付けられている。導入及び導
出フリンジフィールドコレクタ111,112は、図5Aに示す
ように嵌着されている。カバープレート113（図5B,5C）
は、絶縁体114及びネジ115によって電極79,80に保持さ
れている。ベースプレート105、カバープレート113及び
フリンジフィールドコレクタ111,112からなる系は、ハ
ウジング75内部の絶縁フランジ（図示せず）に取付けら
れているので、第３ポテンシャルに維持される。
図６に詳細を示すように、加速レンズ系81はベースプ
レート105の端部に取付けられている。加速レンズ系81
は、電極116〜121とによって形成された３つのレンズ素
子からなる構成を２つ有し、さらにその中間にプレート
122に形成されたエネルギ画定スリットを有する。電極1
16〜121及びプレート122は、ベースプレート105の端部
に固定された支持ブロック124の取付けられた４本のセ
ラミックロッド123に支持され、長短の円筒状の絶縁ス
ペーサ125,126にて分離されている。１対のｚ偏向電極1
28,129を絶縁体130上に保持するクランプリング127によ
って、電極は所定の位置に配置される。加速レンズ系81
の第１レンズ素子116及び支持ブロック123は、ベースプ
レート105に固定することによって第３ポテンシャルに
維持されている。最後のレンズ素子121は、次の磁気セ
クタ分析器に備えてイオンは第１運動エネルギにて加速
レンズ系81を離れるので、接地ポテンシャルに維持され
ている。分析器のエネルギバンドは、プレート122に幅
の異なるスリットをはめ込むことによって選択すること
ができる。電極117〜120のポテンシャルは、イオンの搬
送を効率良く行えるように選択される。ほぼ接地ポテン
シャルとみなせるような僅かな電位差をｚ偏向電極128,
129に与えることによって、電磁セクタ分析器にイオン
が入るようにフライトチューブ78でのイオンの軌道を確
保することができる。
レート105の端部に取付けられている。加速レンズ系81
は、電極116〜121とによって形成された３つのレンズ素
子からなる構成を２つ有し、さらにその中間にプレート
122に形成されたエネルギ画定スリットを有する。電極1
16〜121及びプレート122は、ベースプレート105の端部
に固定された支持ブロック124の取付けられた４本のセ
ラミックロッド123に支持され、長短の円筒状の絶縁ス
ペーサ125,126にて分離されている。１対のｚ偏向電極1
28,129を絶縁体130上に保持するクランプリング127によ
って、電極は所定の位置に配置される。加速レンズ系81
の第１レンズ素子116及び支持ブロック123は、ベースプ
レート105に固定することによって第３ポテンシャルに
維持されている。最後のレンズ素子121は、次の磁気セ
クタ分析器に備えてイオンは第１運動エネルギにて加速
レンズ系81を離れるので、接地ポテンシャルに維持され
ている。分析器のエネルギバンドは、プレート122に幅
の異なるスリットをはめ込むことによって選択すること
ができる。電極117〜120のポテンシャルは、イオンの搬
送を効率良く行えるように選択される。ほぼ接地ポテン
シャルとみなせるような僅かな電位差をｚ偏向電極128,
129に与えることによって、電磁セクタ分析器にイオン
が入るようにフライトチューブ78でのイオンの軌道を確
保することができる。
イオンが加速レンズ系81を出た後、電極82間に生じた
磁場によって、イオンは、フライトチューブ78内で質量
対電荷比に応じて分散される。質量対電荷比に応じて分
散されたイオンビームはイオンコレクタのあるハウジン
グ77に入る。ハウジング77で、イオンビームは、質量対
電荷比の異なる少なくとも２つのイオンビームがそれぞ
れ入射するように配置されたイオンコレクタに捕獲され
る。イオンコレクタからの電気信号は、増幅表示システ
ム83にて増幅されて結合される。磁気セクタ分析器と、
この磁気セクタ分析器に関連したイオン収集制御データ
獲得システムは、従来の熱イオン化源とともに用いられ
るタイプの高精度同位体存在比分析器である。よって、
その詳細な説明は省略する。
磁場によって、イオンは、フライトチューブ78内で質量
対電荷比に応じて分散される。質量対電荷比に応じて分
散されたイオンビームはイオンコレクタのあるハウジン
グ77に入る。ハウジング77で、イオンビームは、質量対
電荷比の異なる少なくとも２つのイオンビームがそれぞ
れ入射するように配置されたイオンコレクタに捕獲され
る。イオンコレクタからの電気信号は、増幅表示システ
ム83にて増幅されて結合される。磁気セクタ分析器と、
この磁気セクタ分析器に関連したイオン収集制御データ
獲得システムは、従来の熱イオン化源とともに用いられ
るタイプの高精度同位体存在比分析器である。よって、
その詳細な説明は省略する。
図１に示す実施例において、静電イオンエネルギ分析
器、加速レンズ及び磁気セクタ分析器を組合わせて、イ
オンコレクタが配置された面内に質量分散、方向及び速
度集束イメージが形成されるように、分析器の幾何学的
なパラメータ及び加速レンズ系81を構成するレンズに印
加されるポテンシャルは選択される。しかし、従来のダ
ブルフォーカス同位体存在比分析器を用いることができ
る。このダブルフォーカス同位体存在比分析器では、減
速及び加速レンズ系45,81を省略してイオンが同じエネ
ルギにて出入りする搬送レンズ系に置換することによっ
て、イオンエネルギの選択は、質量対電荷比に応じた分
散のように同一のエネルギにて行われる。このような構
成では、分析器の幾何学的な配置が適宜調節されるなら
ば、事実レンズ系81を完全に省略することができる。さ
らに、分析器の構成がダブルフォーカスであることも必
須条件ではない。
器、加速レンズ及び磁気セクタ分析器を組合わせて、イ
オンコレクタが配置された面内に質量分散、方向及び速
度集束イメージが形成されるように、分析器の幾何学的
なパラメータ及び加速レンズ系81を構成するレンズに印
加されるポテンシャルは選択される。しかし、従来のダ
ブルフォーカス同位体存在比分析器を用いることができ
る。このダブルフォーカス同位体存在比分析器では、減
速及び加速レンズ系45,81を省略してイオンが同じエネ
ルギにて出入りする搬送レンズ系に置換することによっ
て、イオンエネルギの選択は、質量対電荷比に応じた分
散のように同一のエネルギにて行われる。このような構
成では、分析器の幾何学的な配置が適宜調節されるなら
ば、事実レンズ系81を完全に省略することができる。さ
らに、分析器の構成がダブルフォーカスであることも必
須条件ではない。
同位体分析のサンプルは、従来のICPMSシステムに用
いられている適宜の手段にてプラズマ３に導入される。
エーロゾル（aerosol）のようにサンプルの液体が霧状
になってトーチ９に導入されたり、レーザを固体表面か
らサンプルを除去するために用いることもできる。電熱
気化を用いることもできる。これらの方法は周知であ
る。故に、本発明の装置及び方法を用いることによっ
て、熱イオン化質量計よりも迅速に、４重電極ICP質量
計よりも精度良く同位体存在比を測定することができ
る。
いられている適宜の手段にてプラズマ３に導入される。
エーロゾル（aerosol）のようにサンプルの液体が霧状
になってトーチ９に導入されたり、レーザを固体表面か
らサンプルを除去するために用いることもできる。電熱
気化を用いることもできる。これらの方法は周知であ
る。故に、本発明の装置及び方法を用いることによっ
て、熱イオン化質量計よりも迅速に、４重電極ICP質量
計よりも精度良く同位体存在比を測定することができ
る。
Claims (15)
- 【請求項１】イオン源手段、静電イオンエネルギ分析
器、イオンが質量対電荷比に応じて第１ポテンシャルに
て分散される磁気セクタイオン運動量分析器、及び異な
る質量対電荷比のイオンを捕獲する２つ以上のイオンコ
レクタからなるイオン検出手段を有する同位体存在比質
量分析計であって、 ａ）前記イオン源手段は、ラジオ周波数発生器またはマ
イクロ波発生器によって生成された電磁場の作用によっ
て不活性ガス内でプラズマ放電を形成する手段を有し、 さらに、 ｂ）同位体の組成が測定されるべきサンプルを前記プラ
ズマに導入するために形成された手段と、 ｃ）第１排気手段によって排気される第１真空室と前記
プラズマとを連通せしめる開口を有し、前記プラズマ近
傍に配置された導電性のサンプリング部材と、 ｄ）前記サンプリング部材の下流に配置され、前記第１
真空室を第２排気手段によって排気される第２真空室か
ら分離し、前記第１真空室と前記第２真空室とを連通せ
しめる開口を有するスキマー部材と、 ｅ）前記スキマー部材の下流に配置され、前記第２真空
室を第３排気手段によって排気される第３真空室から分
離し、前記第２真空室と前記第３真空室とを連通せしめ
る開口を有する差動排気部材と、 ｆ）前記差動排気部材の下流に配置され、前記静電イオ
ンエネルギ分析器、前記磁気セクタイオン運動量分析器
及び前記イオン検出手段が配置され且つ第４排気手段に
て排気される真空容器部から前記第３真空室を分離し、
前記第３真空室と前記真空容器部とを連通せしめる開口
を有する分析器導入開口部材と、 ｇ）前記プラズマ内で生じたイオンが前記開口の各々を
挿通して加速されて前記磁気セクタイオン運動量分析器
に入ったときに、前記第１ポテンシャルにある前記磁気
セクタイオン運動量分析器内での質量分析に適した運動
エネルギを有するような第２ポテンシャルに前記サンプ
リング部材を維持するために設けられた手段と、 を有することを特徴とする同位体存在比質量分析計。 - 【請求項２】前記サンプリング部材及び前記スキマー部
材は円錐形のノズル・スキマーインターフェースからな
り、前記開口の全ては前記サンプリング部材の円錐体及
び前記スキマー部材の円錐体の中心軸の延長線上に配置
されていることを特徴とする請求項１記載の同位体存在
比質量分析計。 - 【請求項３】前記開口の各々の大きさと前記排気手段の
各々の排気速度とは、前記プラズマが作動する大気圧か
ら前記真空容器部内の1.3×10-6Pa（10-8torr）以下の
圧力までに圧力が減少するように選択されることを特徴
とする請求項１乃至２記載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項４】前記第１排気手段はメカニカルロータリー
ポンプからなり、前記第２及び第３排気手段は拡散ポン
プまたはターボ分子高真空ポンプからなることを特徴と
する請求項３記載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項５】前記第１、第２及び第３真空室の少なくと
も１つにイオン搬送手段が形成されていることを特徴と
する請求項１乃至４記載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項６】前記イオンからなるイオンビームの断面を
円形からほぼ矩形に変化させる１つまたは複数の４重電
極レンズが設けられていることを特徴とする請求項５記
載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項７】前記静電イオンエネルギ分析器と前記磁気
セクタイオン運動量分析器とを含む前記真空容器部の一
部と前記分析器導入開口部材との間に、開口を有する差
動排気部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至６記
載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項８】前記磁気セクタ分析器、前記プラズマを形
成する場を生じるために用いられるコイルまたはマイク
ロ波キャビティ、前記コイルまたは前記マイクロ波キャ
ビティに接続された電源、プラズマトーチ、及びサンプ
ル導入システムは、接地ポテンシャルに維持されている
ことを特徴とする請求項１乃至７記載の同位体存在比質
量分析計。 - 【請求項９】前記静電イオンエネルギ及び前記磁気セク
タイオン運動量分析器は、順次イオンの飛行方向に配置
されていることを特徴とする請求項１乃至８記載の同位
体存在比質量分析計。 - 【請求項１０】前記プラズマ内で発生したイオンは、第
１運動エネルギにて前記磁気セクタイオン運動量分析器
にて分析され、前記第１運動エネルギよりも低い第２運
動エネルギにて前記静電イオンエネルギ分析器内で分析
されることを特徴とする請求項１乃至９記載の同位体存
在比質量分析計。 - 【請求項１１】減速レンズ及び加速レンズはそれぞれ前
記イオンの飛行方向に対して前記静電イオンエネルギ分
析器の前後に配置され、前記プズマ内で発生し第１運動
エネルギにまで加速されたイオンは、前記静電イオンエ
ネルギ分析器を挿通するために前記減速レンズによって
第２運動エネルギにまで減速され、前記磁気セクタイオ
ン運動量分析器を挿通するために前記加速レンズによっ
て前記第１運動エネルギにまで加速されることを特徴と
する請求項９及び10記載の同位体存在比質量分析計。 - 【請求項１２】サンプルに固有なイオンを生成する行程
と、前記イオンをエネルギに応じて選択し且つ質量対電
荷比に応じて分散させる行程と、少なくとも２つの異な
る質量対電荷比のイオンの少なくとも一部を空間的に分
離された位置に収集せしめる行程と、前記空間的に分離
された位置にて集められたイオンに起因する電流の比を
測定することによって前記サンプルの同位体組成を測定
する行程と、を有する前記サンプルの高精度同位体分析
方法であって、 さらに、 ａ）ラジオ周波数発生器またはマイクロ波発生器によっ
て生じた電磁場によって不活性ガス内で形成されたプラ
ズマ内で前記イオンを形成する行程と、 ｂ）発生した前記イオンの少なくとも一部が順次、 ｉ）第１排気手段によって排気される第１真空室の中へ
前記プラズマ近傍にある導電性のサンプリング部材に形
成された開口、 ii）前記第１真空室から第２排気手段によって排気され
る第２真空室の中へとスキマー部材開口、 iii）前記第２真空室から第３排気手段によって排気さ
れる第３真空室の中へと差動排気部材の開口、 iv）第４排気手段によって排気される真空容器部の開
口、 を挿通して、前記イオンが前記真空容器内でエネルギに
応じて選択され且つ質量対電荷比に応じて分散される行
程と、 ｃ）イオンが第１ポテンシャルエネルギにて前記プラズ
マ内で生成され次に前記開口を挿通したときに質量対電
荷比に応じて分散される第１運動エネルギにまで加速さ
れるようなポテンシャルに前記サンプリング部材を維持
する行程と、 を有することを特徴とするサンプルの高精度同位体分析
方法。 - 【請求項１３】前記イオンは静電セクタエネルギ分析器
によってエネルギに応じて選択され、次に質量対電荷比
に応じて前記イオンを分散する磁気セクタ分析器に導入
されることを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項１４】誘導結合プラズマまたはマイクロ波誘導
プラズマ内で前記イオンが発生する行程を有することを
特徴とする請求項12乃至13記載の方法。 - 【請求項１５】前記イオンが前記開口の少なくとも１つ
を挿通することによって前記第１運動エネルギまでに加
速された後前記イオンを第２運動エネルギに減速させる
行程と、 前記第２運動エネルギの所定範囲内のエネルギを有する
前記イオンを静電エネルギ分析器にて選択する行程と、 前記イオンを前記第１運動エネルギに加速する行程と、 質量対電荷比に応じて前記イオンを少なくとも２つのイ
オンコレクタへと分散させる行程と、 を有することを特徴とする請求項12乃至14記載の方法。
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