JP2857686B2 - 荷電粒子エネルギー分析器及びそれを組み込んだ質量分析計 - Google Patents
荷電粒子エネルギー分析器及びそれを組み込んだ質量分析計Info
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- JP2857686B2 JP2857686B2 JP2508034A JP50803490A JP2857686B2 JP 2857686 B2 JP2857686 B2 JP 2857686B2 JP 2508034 A JP2508034 A JP 2508034A JP 50803490 A JP50803490 A JP 50803490A JP 2857686 B2 JP2857686 B2 JP 2857686B2
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- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
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- H01J49/46—Static spectrometers
- H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
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- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/28—Static spectrometers
- H01J49/32—Static spectrometers using double focusing
- H01J49/326—Static spectrometers using double focusing with magnetic and electrostatic sectors of 90 degrees
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は２重焦点調節（double focusing）質量分析
計における使用に好便な荷電粒子エネルギー分析器に関
し、そのような分析器を組み込んだ質量分析計に関す
る。
計における使用に好便な荷電粒子エネルギー分析器に関
し、そのような分析器を組み込んだ質量分析計に関す
る。
質量分析計に組み込まれる最もありふれたタイプの荷
電粒子エネルギー分析器は円筒扇形静電分析器（cylind
rical sector electrostatic analyzer）である。その
ような分析器はただ一つの軸に沿うエネルギー分散及び
第１のオーダーの焦点調節（first−order focusing）
を提供し、従って磁気扇形質量分析器（magnetic secto
r mass analyzer）と組み合わせて２重焦点調節（即
ち、方向及び速度の両方に関する焦点調節（both direc
tion and velocity focusing））質量分析計を造るのに
よく適している。あいにく、円筒扇形分析器は非常に高
精度で加工されねばならない２つの湾曲した電極を含ん
で成り、従って製造するのに高価である。さらに、２以
上の質量電荷比の同時検出用のマルチチャンネル検出器
を装着した質量分析計に円筒扇形分析器（cylindrical
sector analyzer）を使用することは、その性能にいく
つかの大きな制限を課す。第１に、電極間の間隔が制限
されているため、焦平面の広さが制限され、その結果同
時に像化可能な質量の範囲も制限される。第２に、その
ような従来の分析器の焦平面は通常それを出て行くイオ
ンの移動の方向に対して垂直ではなく、浅い角度で傾斜
している。これにより、さらに、同時に記録可能なスペ
クトルの最大範囲が制限され検出装置の設計が複雑にな
る。更に、従来の分析器はただ２つの電極を備えている
ので、静電分析界（electrostatic analyzing field）
は電極の形状により完全に決定される。このことは、静
電分析界の均質性を変えることができず補正しうるずれ
（例えば焦平面の傾斜及び曲度）の数が非常に限られて
いることを意味する。同様に、より広い間隙を有する分
析器を使用することにより大きな質量範囲を送ることが
可能であるが、その時には、イオンビームの近くの界が
充分に均一であることを確実にするためにプレートの高
さを増大させる必要があり、その結果非常に大きく法外
に高価な分析器となる場合が多い。
電粒子エネルギー分析器は円筒扇形静電分析器（cylind
rical sector electrostatic analyzer）である。その
ような分析器はただ一つの軸に沿うエネルギー分散及び
第１のオーダーの焦点調節（first−order focusing）
を提供し、従って磁気扇形質量分析器（magnetic secto
r mass analyzer）と組み合わせて２重焦点調節（即
ち、方向及び速度の両方に関する焦点調節（both direc
tion and velocity focusing））質量分析計を造るのに
よく適している。あいにく、円筒扇形分析器は非常に高
精度で加工されねばならない２つの湾曲した電極を含ん
で成り、従って製造するのに高価である。さらに、２以
上の質量電荷比の同時検出用のマルチチャンネル検出器
を装着した質量分析計に円筒扇形分析器（cylindrical
sector analyzer）を使用することは、その性能にいく
つかの大きな制限を課す。第１に、電極間の間隔が制限
されているため、焦平面の広さが制限され、その結果同
時に像化可能な質量の範囲も制限される。第２に、その
ような従来の分析器の焦平面は通常それを出て行くイオ
ンの移動の方向に対して垂直ではなく、浅い角度で傾斜
している。これにより、さらに、同時に記録可能なスペ
クトルの最大範囲が制限され検出装置の設計が複雑にな
る。更に、従来の分析器はただ２つの電極を備えている
ので、静電分析界（electrostatic analyzing field）
は電極の形状により完全に決定される。このことは、静
電分析界の均質性を変えることができず補正しうるずれ
（例えば焦平面の傾斜及び曲度）の数が非常に限られて
いることを意味する。同様に、より広い間隙を有する分
析器を使用することにより大きな質量範囲を送ることが
可能であるが、その時には、イオンビームの近くの界が
充分に均一であることを確実にするためにプレートの高
さを増大させる必要があり、その結果非常に大きく法外
に高価な分析器となる場合が多い。
エネルギー分散界を限定するために２つの正確な形状
を有する電極間に発生させられた界に頼らない分析器は
非常に少ない。従来の分析器においては補助の電極が荷
電粒子ビームが入りそして出るフリンジ界（fringing f
ields）の効果を補償するために用いられているが、こ
れらは主要な分析界を限定するものではない。これらの
分析器においては、１以上の電極が分析器の入口及び出
口に設けられ、主電極間の界が理想界（例えば円筒扇形
分析器（cylindrical sector analyzer）の場合は1/r
界）に可能な限り近く維持される電位に維持される。同
様のフリンジ界補正器電極（fringing−field correcto
r electrodes）を平行プレート分析器の縁部の周囲に設
けてもよい（例えばDE2648466 A1のストルテルフォー
（Stolterfoht）参照）。
を有する電極間に発生させられた界に頼らない分析器は
非常に少ない。従来の分析器においては補助の電極が荷
電粒子ビームが入りそして出るフリンジ界（fringing f
ields）の効果を補償するために用いられているが、こ
れらは主要な分析界を限定するものではない。これらの
分析器においては、１以上の電極が分析器の入口及び出
口に設けられ、主電極間の界が理想界（例えば円筒扇形
分析器（cylindrical sector analyzer）の場合は1/r
界）に可能な限り近く維持される電位に維持される。同
様のフリンジ界補正器電極（fringing−field correcto
r electrodes）を平行プレート分析器の縁部の周囲に設
けてもよい（例えばDE2648466 A1のストルテルフォー
（Stolterfoht）参照）。
マツダ（Rev.Sci.Instrum.1961,vol 32（７）,pp850
−852）は、一対の従来の扇形電極とそれぞれ該扇形電
極の上方及び下方に配された（即ち“Z"軸に沿って変位
した）一対の平面補助電極から成る可変焦点距離円筒扇
形分析器（variable focal length cylindrical sector
analyzer）を記載している。これらの電極間に電位差
が印加されることにより、“Z"軸に沿って等電位面が湾
曲し、分析器は“Z"方向の焦点合わせ機能（focusing）
を示す。同様の考えは、JP61−161645A1（1986）に開示
されている。マツダは、各平面補助電極を同心の円弧状
に配された幾つかのワイヤに代え、収差を補正するため
に各ワイヤに異なる電位差を印加することも提案してい
るが、実際にこれがどのようにして達成され得るかにつ
いては、詳細な説明がない。後からの論文（Int.J.Mass
Spectrom Ion Phys.,1976,vol 22,pp95−102）におい
て、マツダは主電極上の詰め木と共に補助電極を用いて
充分な界均質性を得るのに必要とされる主電極の高さを
縮小することを提案している。しかし、これらの全ての
分析器においては、分析器内の界は主として主扇形電極
によって決定されている。
−852）は、一対の従来の扇形電極とそれぞれ該扇形電
極の上方及び下方に配された（即ち“Z"軸に沿って変位
した）一対の平面補助電極から成る可変焦点距離円筒扇
形分析器（variable focal length cylindrical sector
analyzer）を記載している。これらの電極間に電位差
が印加されることにより、“Z"軸に沿って等電位面が湾
曲し、分析器は“Z"方向の焦点合わせ機能（focusing）
を示す。同様の考えは、JP61−161645A1（1986）に開示
されている。マツダは、各平面補助電極を同心の円弧状
に配された幾つかのワイヤに代え、収差を補正するため
に各ワイヤに異なる電位差を印加することも提案してい
るが、実際にこれがどのようにして達成され得るかにつ
いては、詳細な説明がない。後からの論文（Int.J.Mass
Spectrom Ion Phys.,1976,vol 22,pp95−102）におい
て、マツダは主電極上の詰め木と共に補助電極を用いて
充分な界均質性を得るのに必要とされる主電極の高さを
縮小することを提案している。しかし、これらの全ての
分析器においては、分析器内の界は主として主扇形電極
によって決定されている。
ザシュクヴァラ（Zashkvara）及びコルスンシイ（Kor
sunshii）（Sou.phys.Tech.phys.1963,vol 7（７） pp6
14−619）は、主要な界限定電極がｙ軸に沿って荷電粒
子ビームの両側に配された“y"軸及び“z"軸の両方に沿
う焦点調節性（focusing properties）を有する静電エ
ネルギー分析器を記載しているが、該分析器は互に絶縁
された平たい円筒扇形電極の積重ねから成る。各プレー
ト電極に適当な電位を供給するために抵抗分圧器が使用
されている。このようにして分析器の“z"軸に沿う非均
質な界を発生させることができマツダの分析器と同様に
して分析器の焦点調節性（focusing properties）が調
節される。ザシュクヴァラの分析器は“z"軸に沿う荷電
粒子ビームから変位したいかなる電極も含んでいない。
sunshii）（Sou.phys.Tech.phys.1963,vol 7（７） pp6
14−619）は、主要な界限定電極がｙ軸に沿って荷電粒
子ビームの両側に配された“y"軸及び“z"軸の両方に沿
う焦点調節性（focusing properties）を有する静電エ
ネルギー分析器を記載しているが、該分析器は互に絶縁
された平たい円筒扇形電極の積重ねから成る。各プレー
ト電極に適当な電位を供給するために抵抗分圧器が使用
されている。このようにして分析器の“z"軸に沿う非均
質な界を発生させることができマツダの分析器と同様に
して分析器の焦点調節性（focusing properties）が調
節される。ザシュクヴァラの分析器は“z"軸に沿う荷電
粒子ビームから変位したいかなる電極も含んでいない。
ディモヴィッチ（Dymovich）及びシソエフ（Sysoev）
（Phys.Electronics,Moscow,1965,vol 2,pp15−26及び2
7−32）はマツダによって提案されたものと非常によく
似た静電分析器を記載している。この分析器はイオンビ
ームの上方と下方にそれぞれ配された円弧電極の２つの
グループと、イオンビームの両側の従来の位置の２つの
円形主電極から成る。交差電磁界質量分析計（crossed
−field mass spectrometer）における使用を意図した
該分析器は、かなり詳細に説明されている。第２及びよ
り高いオーダーの収差はマツダによって提案されている
方法と同様の方法で一連の補助電極を横切る電位勾配を
調節することにより補正される。記載されている分析器
は、（異なる半径の）76もの円弧電極を含み、おそらく
はその製造の困難さからであろうがいかなる実際の装置
においても採用されたことはないようである。この電極
構造（設計者により“多電極静電焦点調節装置又はEFS"
と呼ばれる）を組込んだ完全な交差電磁界質量分析計
は、後からの論文（Dymovich,Dorofeev,及びPetrov（Ph
ys.Electronics,Moscow,1966,vol 3,pp66−75））に記
載されているがソビエト発明者証明書（Soviet Invento
rs Certificate）851547（1981）によれば、この装置は
電極構造の寸法が大きいためやや非現実的であるという
ことが見出された。SU851547に提案されている解決法
は、より容易に製造される抵抗支持体上のめっき層（me
tallic deposit）として円弧電極を形成することである
が、電極間の電位勾配が抵抗支持体により決定されより
高いオーダーの収差（aberrations）を補正するために
容易に調節できないという点でEFSに提案されている利
点の１つを除くことになる。
（Phys.Electronics,Moscow,1965,vol 2,pp15−26及び2
7−32）はマツダによって提案されたものと非常によく
似た静電分析器を記載している。この分析器はイオンビ
ームの上方と下方にそれぞれ配された円弧電極の２つの
グループと、イオンビームの両側の従来の位置の２つの
円形主電極から成る。交差電磁界質量分析計（crossed
−field mass spectrometer）における使用を意図した
該分析器は、かなり詳細に説明されている。第２及びよ
り高いオーダーの収差はマツダによって提案されている
方法と同様の方法で一連の補助電極を横切る電位勾配を
調節することにより補正される。記載されている分析器
は、（異なる半径の）76もの円弧電極を含み、おそらく
はその製造の困難さからであろうがいかなる実際の装置
においても採用されたことはないようである。この電極
構造（設計者により“多電極静電焦点調節装置又はEFS"
と呼ばれる）を組込んだ完全な交差電磁界質量分析計
は、後からの論文（Dymovich,Dorofeev,及びPetrov（Ph
ys.Electronics,Moscow,1966,vol 3,pp66−75））に記
載されているがソビエト発明者証明書（Soviet Invento
rs Certificate）851547（1981）によれば、この装置は
電極構造の寸法が大きいためやや非現実的であるという
ことが見出された。SU851547に提案されている解決法
は、より容易に製造される抵抗支持体上のめっき層（me
tallic deposit）として円弧電極を形成することである
が、電極間の電位勾配が抵抗支持体により決定されより
高いオーダーの収差（aberrations）を補正するために
容易に調節できないという点でEFSに提案されている利
点の１つを除くことになる。
本発明の１つの目的は、容易にそして廉価に構成され
る２重焦点調節質量分析計における使用に好適な改良さ
れた分析器を提供することである。
る２重焦点調節質量分析計における使用に好適な改良さ
れた分析器を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、そのような分析器を組み
込んだ様々なタイプの質量分析計を提供すること、そし
て特にそのような分析器を組み込んだ２重焦点調節質量
分析計を提供することである。
込んだ様々なタイプの質量分析計を提供すること、そし
て特にそのような分析器を組み込んだ２重焦点調節質量
分析計を提供することである。
一観点から見ると、本発明は、荷電粒子のビームをそ
れらのエネルギーに従って分散及び集束させるための静
電分析器であって、該分析器は、それぞれ前記ビームの
上方及び下方に配された上の及び下のグループの離隔さ
れた真直ぐ且つリニヤな（linear）電極と、該電極に電
位を印加する手段とを備え、前記各グループは１以上の
中央の電極が間に配される一対の電極を含んで成り、前
記ビームに含まれるイオンが分析器に入る電位よりも該
一対の一方の電極の電位はより正であり該一対の他方の
電極の電位はより負であり、該各グループを構成する全
ての電極の電位は一つの電極から次の電極へと徐々に増
大し、それにより荷電粒子のエネルギーに応じて該荷電
粒子を異なる曲がった軌道に沿ってそらすことが可能な
前記電極のグループ間の中央平面の静電界が得られる静
電分析器を提供する。
れらのエネルギーに従って分散及び集束させるための静
電分析器であって、該分析器は、それぞれ前記ビームの
上方及び下方に配された上の及び下のグループの離隔さ
れた真直ぐ且つリニヤな（linear）電極と、該電極に電
位を印加する手段とを備え、前記各グループは１以上の
中央の電極が間に配される一対の電極を含んで成り、前
記ビームに含まれるイオンが分析器に入る電位よりも該
一対の一方の電極の電位はより正であり該一対の他方の
電極の電位はより負であり、該各グループを構成する全
ての電極の電位は一つの電極から次の電極へと徐々に増
大し、それにより荷電粒子のエネルギーに応じて該荷電
粒子を異なる曲がった軌道に沿ってそらすことが可能な
前記電極のグループ間の中央平面の静電界が得られる静
電分析器を提供する。
好ましくは、前記各グループに含まれる前記真直ぐ且
つリニヤな（linear）電極は互いに略平行に配され、前
記中央平面に平行な平面に並んでいる。
つリニヤな（linear）電極は互いに略平行に配され、前
記中央平面に平行な平面に並んでいる。
更に好ましくは、電極の前記上及び下のグループは略
同一であり、各グループの対応する位置の電極は同じ電
位に維持される。
同一であり、各グループの対応する位置の電極は同じ電
位に維持される。
好便には、各グループの１つの中央の電極は、電位VM
に維持され、該グループの他の電極の電位は多項式： VE＝VM＋VAyE＋VByE 2＋VCyE 3＋VDyE 4＋ …［１］ により与えられ、式中、VEは特定の電極の電位であり、
yEは該特定の電極の前記VMに維持される電極からの距離
（一方向に正、他方向に負）であり、VA，VB，VC及びVD
は定数である。
に維持され、該グループの他の電極の電位は多項式： VE＝VM＋VAyE＋VByE 2＋VCyE 3＋VDyE 4＋ …［１］ により与えられ、式中、VEは特定の電極の電位であり、
yEは該特定の電極の前記VMに維持される電極からの距離
（一方向に正、他方向に負）であり、VA，VB，VC及びVD
は定数である。
好ましくは、電位VMはイオンが静電分析器に入る電位
（即ちその入口スリット及び中央の軌道の電位）であ
る。あるいはまた、互に隣り合う一対の中央の電極を、
イオンが分析器に入る電位に関してそれぞれ正及び負で
ある電位に維持してもよい。
（即ちその入口スリット及び中央の軌道の電位）であ
る。あるいはまた、互に隣り合う一対の中央の電極を、
イオンが分析器に入る電位に関してそれぞれ正及び負で
ある電位に維持してもよい。
分析器の中央平面のいかなる点の界Ｅも、従って、多
項式： Ｅ＝E0＋E1yE＋E2yE 2＋E3yE 3＋ …［２］ により与えられる。
項式： Ｅ＝E0＋E1yE＋E2yE 2＋E3yE 3＋ …［２］ により与えられる。
式［２］において、E0〜E3は定数であり、yEは中央平
面において測定された前記電位VMに維持された電極から
の距離である。本発明による分析器によって発生する界
は、本質的に、電極に印加される電位を調節することに
より変化させ得るE2yE 2及びE3yE 3等のより高いオーダー
の項によって修正される線形界（linearfield）である
ことが分るであろう。そのような界は円形の湾曲した電
極に基づき、従って1/rに比例する界（ここでｒは特定
の電極の半径である）を発生させる従来の多電極分析器
の界とは違っている。
面において測定された前記電位VMに維持された電極から
の距離である。本発明による分析器によって発生する界
は、本質的に、電極に印加される電位を調節することに
より変化させ得るE2yE 2及びE3yE 3等のより高いオーダー
の項によって修正される線形界（linearfield）である
ことが分るであろう。そのような界は円形の湾曲した電
極に基づき、従って1/rに比例する界（ここでｒは特定
の電極の半径である）を発生させる従来の多電極分析器
の界とは違っている。
好ましくは、係数VA（式［１］）は分析器の偏向角
（deflection angle）を調節するために設定され、係数
VBは焦点距離を調節するために設定される。もしより高
いオーダーの補正が必要であれば、係数VCを第２のオー
ダーの項（例えば、分析器を出る荷電粒子の移動の方向
に対する焦平面の角度）を設定するために選択すること
ができ、係数VDを第３のオーダーの項（例えば焦平面の
曲度）を調節するために選択することができる。明らか
に、所望ならば第４の及び更に高いオーダーの項を式
［１］に加え調節することができる。
（deflection angle）を調節するために設定され、係数
VBは焦点距離を調節するために設定される。もしより高
いオーダーの補正が必要であれば、係数VCを第２のオー
ダーの項（例えば、分析器を出る荷電粒子の移動の方向
に対する焦平面の角度）を設定するために選択すること
ができ、係数VDを第３のオーダーの項（例えば焦平面の
曲度）を調節するために選択することができる。明らか
に、所望ならば第４の及び更に高いオーダーの項を式
［１］に加え調節することができる。
原則として、本発明による分析器は、従来の分析器の
ようにイオンビームの側部に全く電極を要しない。何故
ならば、荷電粒子ビームの近傍の界はひとえに前記電極
のグループにより限定されるからである。しかし、実際
には、グループの各端部の電極は上のグループから前記
中央の平面を通って下のグループに延びる単一の電極を
含んで成り、それにより分析器の側部にフリンジ界補正
（fringing field correction）を与えてもよい。
ようにイオンビームの側部に全く電極を要しない。何故
ならば、荷電粒子ビームの近傍の界はひとえに前記電極
のグループにより限定されるからである。しかし、実際
には、グループの各端部の電極は上のグループから前記
中央の平面を通って下のグループに延びる単一の電極を
含んで成り、それにより分析器の側部にフリンジ界補正
（fringing field correction）を与えてもよい。
本発明による分析器は、概して、同様の寸法の従来の
２電極分析器より広い焦平面を有することはよく理解さ
れるであろう。何故ならば、側部の電極は、それが設け
られているならば、従来の分析器の電極がそうであるよ
りもより大きい距離だけ離されてよいからである。この
ことが可能なのは、主として分析器の真空ハウジングが
近接していることにより、分析器の頂部及び底部のフリ
ンジ界誤差（fringing field errors）が、充分な数の
電極が設けられているならば、どんなに遠く主電極が離
隔されていようと、電極構造のために、大したことがな
いからである。このようにして、これらの界を縮小する
ために“z"軸に沿って電極を延長させる必要が回避され
る。更に、従来の多電極静電分析器とは違って、平行な
リニヤプレート電極構造によりコンパクトな分析器を非
常に簡単に構成することが可能となる。
２電極分析器より広い焦平面を有することはよく理解さ
れるであろう。何故ならば、側部の電極は、それが設け
られているならば、従来の分析器の電極がそうであるよ
りもより大きい距離だけ離されてよいからである。この
ことが可能なのは、主として分析器の真空ハウジングが
近接していることにより、分析器の頂部及び底部のフリ
ンジ界誤差（fringing field errors）が、充分な数の
電極が設けられているならば、どんなに遠く主電極が離
隔されていようと、電極構造のために、大したことがな
いからである。このようにして、これらの界を縮小する
ために“z"軸に沿って電極を延長させる必要が回避され
る。更に、従来の多電極静電分析器とは違って、平行な
リニヤプレート電極構造によりコンパクトな分析器を非
常に簡単に構成することが可能となる。
好ましい態様においては、入口及び出口フリンジ界補
正（fringing field correction）は、主分析器の入口
及び／又は出口にそれぞれ配された２つの類似の補助電
極アセンブリにより設けてもよい。好便には、上及び下
のグループの補助電極は、それぞれ主分析器に含まれる
上及び下のグループの電極と同じ平面に並べられ、各補
助電極は主分析器の対応する電極と一線に配される。
正（fringing field correction）は、主分析器の入口
及び／又は出口にそれぞれ配された２つの類似の補助電
極アセンブリにより設けてもよい。好便には、上及び下
のグループの補助電極は、それぞれ主分析器に含まれる
上及び下のグループの電極と同じ平面に並べられ、各補
助電極は主分析器の対応する電極と一線に配される。
最も好ましい態様においては、フリンジ界補正器（fr
inging field correctors）は、主分析器の入口及び出
口に配され、補助電極の電位は、分析器に接近する荷電
粒子のビームの電位と同じである。通常は、この電位は
分析器の真空ハウジングと同じ電位、通常は大地電位、
に維持されるスリットを通るビームの通過により限定さ
れる。従って、好便には、補助電極も大地電位に維持さ
れる。補助電極アセンブリは、好便には、電極が主分析
器電極の長さの約25％であればよくそれらの間に絶縁を
施す必要がないことを除いて、主分析器と同一の構造で
ある。
inging field correctors）は、主分析器の入口及び出
口に配され、補助電極の電位は、分析器に接近する荷電
粒子のビームの電位と同じである。通常は、この電位は
分析器の真空ハウジングと同じ電位、通常は大地電位、
に維持されるスリットを通るビームの通過により限定さ
れる。従って、好便には、補助電極も大地電位に維持さ
れる。補助電極アセンブリは、好便には、電極が主分析
器電極の長さの約25％であればよくそれらの間に絶縁を
施す必要がないことを除いて、主分析器と同一の構造で
ある。
説明したフリンジ界補正器を組み込んだ分析器は、ス
リットを含んで成る従来のプレート電極より一層効果的
な補正を与える。
リットを含んで成る従来のプレート電極より一層効果的
な補正を与える。
本発明は、さらに、電極は全く地絡されておらず荷電
粒子が順次その中を通る２以上の多電極セグメントを含
んで成る静電分析器を提供する。例えば、そのような静
電分析器は、PCT公報第WO89/12315号に記載された可変
分散質量分析計において使用してよい。好ましくは、フ
リンジ界補正は、上述の補助電極アセンブリにより主分
析器を成す前記セグメントの両側に設けられる。
粒子が順次その中を通る２以上の多電極セグメントを含
んで成る静電分析器を提供する。例えば、そのような静
電分析器は、PCT公報第WO89/12315号に記載された可変
分散質量分析計において使用してよい。好ましくは、フ
リンジ界補正は、上述の補助電極アセンブリにより主分
析器を成す前記セグメントの両側に設けられる。
本発明は、更に、荷電粒子源、荷電粒子検出器、荷電
粒子の質量電荷比に従って荷電粒子のビームを分散させ
る運動量分析器、及び荷電粒子のエネルギーに従って荷
電粒子のビームを分散させる上記において限定された静
電分析器を含んで成る質量分析計を提供する。
粒子の質量電荷比に従って荷電粒子のビームを分散させ
る運動量分析器、及び荷電粒子のエネルギーに従って荷
電粒子のビームを分散させる上記において限定された静
電分析器を含んで成る質量分析計を提供する。
好ましくは、前記運動量分析器及び前記エネルギー分
析器は協働して検出器上に方向及び運動の両方に関して
焦点調節された（which is both direction and veloci
ty focused）像を形成する。このようにして、２重焦点
調節（double focusing）質量分析計を円筒扇形分析器
（cylindrical sector analyzer）を有する従来のスペ
クトロメータより経済的に提供することができる。好便
には、運動量分析器は磁気扇形分析器（magnetic secto
r analyzer）であり、それはエネルギー分析器の前にあ
ってもよく又はは後にあってもよい。
析器は協働して検出器上に方向及び運動の両方に関して
焦点調節された（which is both direction and veloci
ty focused）像を形成する。このようにして、２重焦点
調節（double focusing）質量分析計を円筒扇形分析器
（cylindrical sector analyzer）を有する従来のスペ
クトロメータより経済的に提供することができる。好便
には、運動量分析器は磁気扇形分析器（magnetic secto
r analyzer）であり、それはエネルギー分析器の前にあ
ってもよく又はは後にあってもよい。
本発明の質量分析計に組み込まれる荷電粒子検出器
は、典型的には、電子増倍管又はファラデーカップ検出
器（Faraday cup detector）等の単一チャンネル検出器
であるが、特にエネルギー分析器が運動量分析器の後に
ある場合にはマルチチャンネル検出器も有利に使用して
よい。そのようなスペクトロメータにおいては、扇形分
析器の場合に可能であるよりもより大きな割合の質量ス
ペクトルを同時に検出器上に像化できる。何故ならば前
者の場合には扇形電極間の狭い間隙により、その焦平面
の広さが大きく制限されるからである。本発明によるス
ペクトロメータにおいては、この制限は、側部電極間の
間隙を非常に広くできるので、はるかに小さなものとな
る。
は、典型的には、電子増倍管又はファラデーカップ検出
器（Faraday cup detector）等の単一チャンネル検出器
であるが、特にエネルギー分析器が運動量分析器の後に
ある場合にはマルチチャンネル検出器も有利に使用して
よい。そのようなスペクトロメータにおいては、扇形分
析器の場合に可能であるよりもより大きな割合の質量ス
ペクトルを同時に検出器上に像化できる。何故ならば前
者の場合には扇形電極間の狭い間隙により、その焦平面
の広さが大きく制限されるからである。本発明によるス
ペクトロメータにおいては、この制限は、側部電極間の
間隙を非常に広くできるので、はるかに小さなものとな
る。
２重焦点調節（double−focusing）スペクトロメータ
において使用される場合には、係数VA〜VD（式［１］）
は分析器の焦点調節（focusing）特性を限定し最終の像
における収差（aberrations）を最小化するために選択
される。かくして典型的には、係数VAは分析器の偏向角
（deflection angle）を限定するために選択され、係数
VBは焦点距離を限定するために選択され、係数VC及びVD
は焦平面傾斜（即ち、分析器を出る荷電粒子の移動の方
向に対する焦平面の角度）及び曲度を限定するために選
択される。勿論これらの性質は運動量分析器の対応する
性質と関連させて選択されて２重焦点調節質量分析計が
提供される。しかし、本発明による分析器のパラメータ
を調節するのは容易な仕事である。何故ならば、それら
は、半径及び扇形長さ等の分析器の形状寸法的性質によ
るよりもむしろ単に電位を調節することにより設定して
よいからである。従って、同じ分析器を異なるタイプの
質量分析計に用いることが可能であり、その結果かなり
のコストを節約できる。依然として適切な第２及びより
高いオーダーの焦点調節を維持しながら第１のオーダー
の焦点調節（focusing）特性、例えば分析器に対するイ
オン検出器の位置を変更することさえも可能である。可
変分散（即ち、“ズーム”）質量分析計の製造は従って
容易になる。そのようなスペクトロメータはマルチチャ
ンネル検出器が用いられる時に特に有用である。
において使用される場合には、係数VA〜VD（式［１］）
は分析器の焦点調節（focusing）特性を限定し最終の像
における収差（aberrations）を最小化するために選択
される。かくして典型的には、係数VAは分析器の偏向角
（deflection angle）を限定するために選択され、係数
VBは焦点距離を限定するために選択され、係数VC及びVD
は焦平面傾斜（即ち、分析器を出る荷電粒子の移動の方
向に対する焦平面の角度）及び曲度を限定するために選
択される。勿論これらの性質は運動量分析器の対応する
性質と関連させて選択されて２重焦点調節質量分析計が
提供される。しかし、本発明による分析器のパラメータ
を調節するのは容易な仕事である。何故ならば、それら
は、半径及び扇形長さ等の分析器の形状寸法的性質によ
るよりもむしろ単に電位を調節することにより設定して
よいからである。従って、同じ分析器を異なるタイプの
質量分析計に用いることが可能であり、その結果かなり
のコストを節約できる。依然として適切な第２及びより
高いオーダーの焦点調節を維持しながら第１のオーダー
の焦点調節（focusing）特性、例えば分析器に対するイ
オン検出器の位置を変更することさえも可能である。可
変分散（即ち、“ズーム”）質量分析計の製造は従って
容易になる。そのようなスペクトロメータはマルチチャ
ンネル検出器が用いられる時に特に有用である。
本発明によるいかなる分析器又はスペクトロメータに
おいても電極電位を選択する最も好便な方法は、従来の
コンピュータ光線追跡プログラム（computer ray−trac
ing programs）を使用することである。これらのプログ
ラムによれば、像焦平面の位置及び形状を、異なるエネ
ルギー及び出発位置のイオンの分析器内を通軌道を反復
して描くことにより、電極電位の所与の組から予想する
ことができる。従って、いかなる所望の検出器位置に対
しても大体の電位の組合せを決定することが可能であ
り、もし各電位を狭い範囲で調節する手段が設けられれ
ば最終調節を完全なスペクトロメータに対して行うこと
が可能である。例えば、電極電位は最大の分解能に調節
してもよい。
おいても電極電位を選択する最も好便な方法は、従来の
コンピュータ光線追跡プログラム（computer ray−trac
ing programs）を使用することである。これらのプログ
ラムによれば、像焦平面の位置及び形状を、異なるエネ
ルギー及び出発位置のイオンの分析器内を通軌道を反復
して描くことにより、電極電位の所与の組から予想する
ことができる。従って、いかなる所望の検出器位置に対
しても大体の電位の組合せを決定することが可能であ
り、もし各電位を狭い範囲で調節する手段が設けられれ
ば最終調節を完全なスペクトロメータに対して行うこと
が可能である。例えば、電極電位は最大の分解能に調節
してもよい。
さて、本発明を単に実施例として添付の図面に基づき
より詳細に説明する。
より詳細に説明する。
第１図は、リニヤな電極（linear electrodes）のグ
ループから成る静電分析器の略図である； 第２図は、例示の場合における、分析器を構成する電
極の電位を示す図である； 第３図は、いかにして電位を分析器の電極に印加し得
るかを示す回路図である； 第４図は、本発明の分析器断面図である； 第５図は、本発明による分析器の最も好ましいタイプ
を示す略図である。
ループから成る静電分析器の略図である； 第２図は、例示の場合における、分析器を構成する電
極の電位を示す図である； 第３図は、いかにして電位を分析器の電極に印加し得
るかを示す回路図である； 第４図は、本発明の分析器断面図である； 第５図は、本発明による分析器の最も好ましいタイプ
を示す略図である。
第６図は、本発明による質量分析計の一つのタイプを
示す略図である； 第７図は、本発明による分析器の別の構成を示す図で
ある； 第８図は、本発明による質量分析計の別のタイプを示
す略図である；そして 第９図は、本発明による質量分析計の更に別のタイプ
を示す略図である。
示す略図である； 第７図は、本発明による分析器の別の構成を示す図で
ある； 第８図は、本発明による質量分析計の別のタイプを示
す略図である；そして 第９図は、本発明による質量分析計の更に別のタイプ
を示す略図である。
まず第１図を参照すると、全体を１で示される静電分
析器は、それぞれ分析器の中央平面７に平行な平面56に
配された２つのグループ2,3の離隔されたリニヤ電極（l
inear electrodes）（例えば4,8,9,20）から成る。電位
は電極に対して電極８から電極９に向かって徐々により
一層正（positive）となるように印加され、図示のよう
に入射し、中央平面７を動く正の荷電粒子のビーム10は
荷電粒子のエネルギーに応じて分析器中で曲がった軌道
（例えば11及び12）にそらされ、分析器を出る一群のエ
ネルギー分散荷電粒子ビーム13,14を形成する。図示の
分析器においては、電極の前記２つのグループ２及び３
は略同一であり、一方のグループの電極は他方のグルー
プの対応する電極に電気的に接続されていて、これによ
り平面5,6及び７に垂直な分析器内のいかなる軸に沿っ
ても実質的に界が存在しないことを確実にしている。
析器は、それぞれ分析器の中央平面７に平行な平面56に
配された２つのグループ2,3の離隔されたリニヤ電極（l
inear electrodes）（例えば4,8,9,20）から成る。電位
は電極に対して電極８から電極９に向かって徐々により
一層正（positive）となるように印加され、図示のよう
に入射し、中央平面７を動く正の荷電粒子のビーム10は
荷電粒子のエネルギーに応じて分析器中で曲がった軌道
（例えば11及び12）にそらされ、分析器を出る一群のエ
ネルギー分散荷電粒子ビーム13,14を形成する。図示の
分析器においては、電極の前記２つのグループ２及び３
は略同一であり、一方のグループの電極は他方のグルー
プの対応する電極に電気的に接続されていて、これによ
り平面5,6及び７に垂直な分析器内のいかなる軸に沿っ
ても実質的に界が存在しないことを確実にしている。
分析器内の界は、分析器対象平面16に位置する対象15
（例えば狭いスリットで限定される）が前記ビーム10に
含まれる荷電粒子のエネルギーに従って分析器像焦平面
19中の一連のエネルギー分散像17,18に集束するような
界となっている。例えば、あるエネルギーの荷電粒子は
曲がった軌道11に沿ってそれ像17を結びより低いエネル
ギーの荷電粒子は曲がった軌道12に沿ってそれ像18を像
焦平面19の異なる場所に結ぶ。平面5,6及び７に垂直な
界が存在しないので、荷電粒子は、分析器に入る前に動
いていたのと同じ平面にとどまる。第１図に示される分
析器においては、各グループに奇数の電極があり、各グ
ループの中央の電極20は、電位VM，即ち対象平面16に配
され対象15を限定するために用いられる分析器の入口ス
リットの電位に維持される。あるいはまた、列の中央で
隣り合う一対の電極を、VMに関してそれぞれより正及び
負である電位に維持してよく設けてよい。
（例えば狭いスリットで限定される）が前記ビーム10に
含まれる荷電粒子のエネルギーに従って分析器像焦平面
19中の一連のエネルギー分散像17,18に集束するような
界となっている。例えば、あるエネルギーの荷電粒子は
曲がった軌道11に沿ってそれ像17を結びより低いエネル
ギーの荷電粒子は曲がった軌道12に沿ってそれ像18を像
焦平面19の異なる場所に結ぶ。平面5,6及び７に垂直な
界が存在しないので、荷電粒子は、分析器に入る前に動
いていたのと同じ平面にとどまる。第１図に示される分
析器においては、各グループに奇数の電極があり、各グ
ループの中央の電極20は、電位VM，即ち対象平面16に配
され対象15を限定するために用いられる分析器の入口ス
リットの電位に維持される。あるいはまた、列の中央で
隣り合う一対の電極を、VMに関してそれぞれより正及び
負である電位に維持してよく設けてよい。
分析器を通るイオンの軌道の正確な形状は勿論電極4,
8,9及び20間の電位の変化のし方に依存するであろう。
もし電位が電極８から電極９に直線的に増加するなら
ば、正のイオンは第１図に示すようにそらされ軌道11及
び12は略放物線状となるであろう。分析器内の界は、そ
の時、イオンビームの両側に配された２つの平行な真直
ぐな電極の間に存在するであろう界と略同一となるであ
ろう。しかし、説明したように、多項式 VE＝VM＋VAyE＋VByE 2＋VCyE 3＋VDyE 4＋ …［１］ に応じて電極電位をシフトすることがより有用であり、
式中、VEは特定の電極の電位であり、VMは中央の電極20
の電位であり、yEは前記電極の中央の電極からの距離で
あり、VA，VB，VC，及びVDは定数である。
8,9及び20間の電位の変化のし方に依存するであろう。
もし電位が電極８から電極９に直線的に増加するなら
ば、正のイオンは第１図に示すようにそらされ軌道11及
び12は略放物線状となるであろう。分析器内の界は、そ
の時、イオンビームの両側に配された２つの平行な真直
ぐな電極の間に存在するであろう界と略同一となるであ
ろう。しかし、説明したように、多項式 VE＝VM＋VAyE＋VByE 2＋VCyE 3＋VDyE 4＋ …［１］ に応じて電極電位をシフトすることがより有用であり、
式中、VEは特定の電極の電位であり、VMは中央の電極20
の電位であり、yEは前記電極の中央の電極からの距離で
あり、VA，VB，VC，及びVDは定数である。
第２図は、単に説明のためにだけ選択された定数VA＝
1.0,VB＝0.2,VC＝0.05及びVD＝０を用いて計算された電
極の位置に対する電極の電位の図である。第２図におい
て、軸21は電極の電位VEを表わし、軸22は電極の中央の
電極20からの距離（yE）を表わす。グラフはその原点を
中央の電極20（電位VM及びYE＝０）として描かれてい
る。破線23は２つの従来通りに配された主電極によって
生じるであろう直線的な電位変化を表わし、曲線24は定
数値VA＝1,VB＝0.2,VC＝0.05及びVB＝０の場合の本発明
による分析器における実際の電位変化を示す。厳密に
は、曲線24は電位が電極自体により限定される曲線上に
ある点を結ぶ一連の短い直線から成るであろう。明らか
に、曲線24からの実際上の逸脱が分析器の性能を大きく
減じないことを確実にするためには、充分な数の電極を
使用することが必要である。約11個の電極４が大部分の
用途にとって充分であるが、その２倍の数を使用するこ
とにより非常に高性能の分析器が有利となり、界のより
正確な限定が得られる。
1.0,VB＝0.2,VC＝0.05及びVD＝０を用いて計算された電
極の位置に対する電極の電位の図である。第２図におい
て、軸21は電極の電位VEを表わし、軸22は電極の中央の
電極20からの距離（yE）を表わす。グラフはその原点を
中央の電極20（電位VM及びYE＝０）として描かれてい
る。破線23は２つの従来通りに配された主電極によって
生じるであろう直線的な電位変化を表わし、曲線24は定
数値VA＝1,VB＝0.2,VC＝0.05及びVB＝０の場合の本発明
による分析器における実際の電位変化を示す。厳密に
は、曲線24は電位が電極自体により限定される曲線上に
ある点を結ぶ一連の短い直線から成るであろう。明らか
に、曲線24からの実際上の逸脱が分析器の性能を大きく
減じないことを確実にするためには、充分な数の電極を
使用することが必要である。約11個の電極４が大部分の
用途にとって充分であるが、その２倍の数を使用するこ
とにより非常に高性能の分析器が有利となり、界のより
正確な限定が得られる。
勿論、上述において中央の電極として定義された電極
が電極の列の物理的中央にあることは必須なことではな
い。電気的な中央の一方の側に他方の側よりも多くの電
極を設けることは本発明の範囲内にある。
が電極の列の物理的中央にあることは必須なことではな
い。電気的な中央の一方の側に他方の側よりも多くの電
極を設けることは本発明の範囲内にある。
第３図は、第１図にあるように配された電極4,8,9,及
び20に所要の電位を供給するのに使用される電気回路を
示す。電源25は、図示のように、等しい正及び負の電圧
を電極８及び９に与え、中央の電極20は、電位VM、典型
的には大地電位に維持される電源の０ボルト接続に接続
される。他の電極４は、各電極の電位が第２図の曲線24
によって限定されたとおりになるように選択された抵抗
器26〜35から成る分圧器のタップにより給電される。第
３図からやはり明らかなことは、上のグループ２の各電
極の下のグループ３の対応する電極との接続であり、こ
れにより、確実に、平面5,6,および７に垂直な軸（例え
ば第３図における36）に沿う界が実質的に存在しないよ
うにされる。
び20に所要の電位を供給するのに使用される電気回路を
示す。電源25は、図示のように、等しい正及び負の電圧
を電極８及び９に与え、中央の電極20は、電位VM、典型
的には大地電位に維持される電源の０ボルト接続に接続
される。他の電極４は、各電極の電位が第２図の曲線24
によって限定されたとおりになるように選択された抵抗
器26〜35から成る分圧器のタップにより給電される。第
３図からやはり明らかなことは、上のグループ２の各電
極の下のグループ３の対応する電極との接続であり、こ
れにより、確実に、平面5,6,および７に垂直な軸（例え
ば第３図における36）に沿う界が実質的に存在しないよ
うにされる。
２組以上の電極電位が必要とされる場合には、２以上
の抵抗器の連鎖を設けてよく、必要な時に電極接続を一
方の連鎖から他方の連鎖に切換えるために多極スイッチ
を用いてよい。
の抵抗器の連鎖を設けてよく、必要な時に電極接続を一
方の連鎖から他方の連鎖に切換えるために多極スイッチ
を用いてよい。
特に最適化実験中に電極電位を調節する簡単な手段を
提供するために、各電極４を前記分圧器の一部を構成す
る分圧計のすべり接点（sliding contact）に接続して
もよい。あるいはまた、各電極の電位はDA変換器を内蔵
する従来の電圧制御回路によりデジタル式に制御しても
よい。その時、適当にプログラムされたコンピュータを
用いて必要な如何なる値にでも電位を設定してよい。電
極電位のこの制御方法は電極電位の多くの異なる組が必
要とされる時に特に有用である。
提供するために、各電極４を前記分圧器の一部を構成す
る分圧計のすべり接点（sliding contact）に接続して
もよい。あるいはまた、各電極の電位はDA変換器を内蔵
する従来の電圧制御回路によりデジタル式に制御しても
よい。その時、適当にプログラムされたコンピュータを
用いて必要な如何なる値にでも電位を設定してよい。電
極電位のこの制御方法は電極電位の多くの異なる組が必
要とされる時に特に有用である。
次に第５図を参照すると、フリンジ界補正（fringing
field correction）を有する本発明による静電分析器
は、第１図に示されたものと同様な主分析器65と、入口
フリンジ界補正器（entrance fringing field correcto
r）68と、出口フリンジ界補正器（exit fringing field
corrector）71とから成る。前記主分析器65は上のグル
ープの電極66と下のグループの電極67から成る。各グル
ープ66及び67の電極は、既述のように徐々に増大する電
位に維持される。
field correction）を有する本発明による静電分析器
は、第１図に示されたものと同様な主分析器65と、入口
フリンジ界補正器（entrance fringing field correcto
r）68と、出口フリンジ界補正器（exit fringing field
corrector）71とから成る。前記主分析器65は上のグル
ープの電極66と下のグループの電極67から成る。各グル
ープ66及び67の電極は、既述のように徐々に増大する電
位に維持される。
前記入口フリンジ界補正器68は上のグループの電極69
及び下のグループの電極70から成り、前記出口フリンジ
界補正器71は同様のグループ72及び73から成る。各グル
ープ69,70,72,及び73の各電極は最良の補正を得るため
にグループ66又は67の電極と一直線に並び、グループ6
9,70,72,及び73の全ての電極は、ビームが分析器に入る
電位（典型的には大地電位）に維持される。主分析器65
の側部電極を含む各グループの側部電極（例えば、75,7
6及び77）は、上のグループ（66,69,又は72）から分析
器の中央平面74を通って延びて下のグループ（67,70,又
は73）の対応する側部電極を形成している。これらの側
部電極は分析器の側部におけるフリンジ界補正（fringi
ng field correction）を与え、さもなければ接地され
た真空閉鎖容器（grounded vacuum enclosure）の近接
の結果として生じたであろう分析器内の静電界への干渉
を大きく減じる。グループ69,70,72,及び73における電
極は典型的には主分析器65を成すグループ66及び67の電
極の長さの約25％である。
及び下のグループの電極70から成り、前記出口フリンジ
界補正器71は同様のグループ72及び73から成る。各グル
ープ69,70,72,及び73の各電極は最良の補正を得るため
にグループ66又は67の電極と一直線に並び、グループ6
9,70,72,及び73の全ての電極は、ビームが分析器に入る
電位（典型的には大地電位）に維持される。主分析器65
の側部電極を含む各グループの側部電極（例えば、75,7
6及び77）は、上のグループ（66,69,又は72）から分析
器の中央平面74を通って延びて下のグループ（67,70,又
は73）の対応する側部電極を形成している。これらの側
部電極は分析器の側部におけるフリンジ界補正（fringi
ng field correction）を与え、さもなければ接地され
た真空閉鎖容器（grounded vacuum enclosure）の近接
の結果として生じたであろう分析器内の静電界への干渉
を大きく減じる。グループ69,70,72,及び73における電
極は典型的には主分析器65を成すグループ66及び67の電
極の長さの約25％である。
次に第４図を参照して、本発明における使用に好適な
静電分析器は、Ｏリング39によりシールされボルト40に
より固着された蓋38により閉鎖された真空ハウジング中
に封入される。いくつかの貫通導線43を担持するＯリン
グによりシールされたフランジ42によって閉鎖されたポ
ート41が設けられて分析器を構成する電極への電気的接
続（例えば、リード線44）が可能となる。
静電分析器は、Ｏリング39によりシールされボルト40に
より固着された蓋38により閉鎖された真空ハウジング中
に封入される。いくつかの貫通導線43を担持するＯリン
グによりシールされたフランジ42によって閉鎖されたポ
ート41が設けられて分析器を構成する電極への電気的接
続（例えば、リード線44）が可能となる。
分析器自体は、分析器の中央平面７を通って延びる矩
形の真直な板から成る２つの側部電極45,46を含んで成
る。側部電極45,46は第１図及び第３図の略図で表わさ
れた電極構造における端部電極８及び９から成る。説明
したように、これにより、分析器の側部におけるフリン
ジ界補正（fringing field correction）が得られ、分
析器内を通るイオンビームの近くに適切に界が限定され
ることを確実にするために電極構造が展開しなければな
らない距離が縮小される。
形の真直な板から成る２つの側部電極45,46を含んで成
る。側部電極45,46は第１図及び第３図の略図で表わさ
れた電極構造における端部電極８及び９から成る。説明
したように、これにより、分析器の側部におけるフリン
ジ界補正（fringing field correction）が得られ、分
析器内を通るイオンビームの近くに適切に界が限定され
ることを確実にするために電極構造が展開しなければな
らない距離が縮小される。
前記側部電極45及び46は、ねじ48により真空ハウジン
グ37の床に固着されたブラケット47から４つの絶縁取付
部材（各電極に対して２つ）上に支持されている。各絶
縁取付部材はセラミックチューブ49を含んでなりセラミ
ックスリーブ51を装着したねじ50により固着されてお
り、短いセラミックチューブ52が図示のようにねじ50の
頭の下に嵌装されている。
グ37の床に固着されたブラケット47から４つの絶縁取付
部材（各電極に対して２つ）上に支持されている。各絶
縁取付部材はセラミックチューブ49を含んでなりセラミ
ックスリーブ51を装着したねじ50により固着されてお
り、短いセラミックチューブ52が図示のようにねじ50の
頭の下に嵌装されている。
前記上のグループ２及び下のグループ３の電極（例え
ば、4,20）は各々前記側部電極45及び46にあけられた次
に位置する２つのセラミックロッド53に支持されてい
る。電極４はセラミックブッシュ54により離隔せしめら
れている。各電極４は、側部電極と略同じ長さの矩形の
薄い（例えば0.5mm）金属板から成る。電極の高さは、
フリンジ界（fringing field）の効果が無視できるよう
にそれらの間隔の数倍（例えば５乃至10倍）であるべき
である。典型的には、電極は5mm離隔されてよい。
ば、4,20）は各々前記側部電極45及び46にあけられた次
に位置する２つのセラミックロッド53に支持されてい
る。電極４はセラミックブッシュ54により離隔せしめら
れている。各電極４は、側部電極と略同じ長さの矩形の
薄い（例えば0.5mm）金属板から成る。電極の高さは、
フリンジ界（fringing field）の効果が無視できるよう
にそれらの間隔の数倍（例えば５乃至10倍）であるべき
である。典型的には、電極は5mm離隔されてよい。
本発明による分析器を構成できる別の方法は第７図に
示されている。２つの絶縁用（例えばセラミックの）板
78,79が、第４図に示す側部電極45,46に対応する金属の
側部電極80,81により図示のように離隔されている。ね
じ82は前記絶縁用板78,79を電極80及び81に固着する。
各板78,79は、側部電極80及び81に平行で個別の電極を
造るために導電性の層84（例えば蒸着フィルム）よりコ
ートされている一連のうね83を備える。板78および79中
の穴を通る接続ポスト（connection posts）（例えば8
5）により各電極に電気的接続がなされる。
示されている。２つの絶縁用（例えばセラミックの）板
78,79が、第４図に示す側部電極45,46に対応する金属の
側部電極80,81により図示のように離隔されている。ね
じ82は前記絶縁用板78,79を電極80及び81に固着する。
各板78,79は、側部電極80及び81に平行で個別の電極を
造るために導電性の層84（例えば蒸着フィルム）よりコ
ートされている一連のうね83を備える。板78および79中
の穴を通る接続ポスト（connection posts）（例えば8
5）により各電極に電気的接続がなされる。
同様の構成方法を、前記入口及び出口フリンジ界補正
器（第５図の68及び71）にも用いてよい。これらを一部
とする完全な分析器はフリンジ界補正器の方法に絶縁用
板78,79（第７図）を延長し、補正アセンブリを構成す
る電極が付着されるうね83と同様のうねを設けることに
より経済的に製造することができる。
器（第５図の68及び71）にも用いてよい。これらを一部
とする完全な分析器はフリンジ界補正器の方法に絶縁用
板78,79（第７図）を延長し、補正アセンブリを構成す
る電極が付着されるうね83と同様のうねを設けることに
より経済的に製造することができる。
第７図に示したうね付構造は最も好ましい態様である
が、単に平行な絶縁用板に金属のトラックを付着させる
ことにより電極を形成することができる。そのように構
成された分析器は、しかし、高性能用途には適していな
い。
が、単に平行な絶縁用板に金属のトラックを付着させる
ことにより電極を形成することができる。そのように構
成された分析器は、しかし、高性能用途には適していな
い。
次に第６図を参照すると、本発明による質量分析計の
一つのタイプは、イオンのビーム59を放射するイオン源
55を含んで成る。イオンは、次に、運動量分析器（mome
ntum analyzer）、この場合は磁気扇形分析器（magneti
c sector analyzer）56、そして例えば第４図に示され
ているような多電極静電分析器57を通る。分析器57を出
る質量分解されたイオンビーム（mass resolved ion be
am）61は、単一チャンネルの電子増倍管とスペクトロメ
ータの分解能を限定するコレクタスリットの従来の構成
から成る荷電粒子検出器58上に集められる。あるいはま
た、検出器58は２以上の質量電荷比を同時に記録するこ
とができるマルチチャンネル検出器から成ってもよい。
一つのタイプは、イオンのビーム59を放射するイオン源
55を含んで成る。イオンは、次に、運動量分析器（mome
ntum analyzer）、この場合は磁気扇形分析器（magneti
c sector analyzer）56、そして例えば第４図に示され
ているような多電極静電分析器57を通る。分析器57を出
る質量分解されたイオンビーム（mass resolved ion be
am）61は、単一チャンネルの電子増倍管とスペクトロメ
ータの分解能を限定するコレクタスリットの従来の構成
から成る荷電粒子検出器58上に集められる。あるいはま
た、検出器58は２以上の質量電荷比を同時に記録するこ
とができるマルチチャンネル検出器から成ってもよい。
前記磁気扇形分析器56及び静電分析器57は、好ましく
は２重焦点調節質量分析計として、即ち、協働して方向
及び速度の両方に関して焦点調節された検出器上の像を
造るように配される。しかし、他のタイプの質量分析計
において記載されたタイプの多電極分析器と、例えば同
位体比スペクトロメータ（isotope ratio spectromete
r）の存在度感受性を向上させるためのエネルギーフィ
ルタ（energy filter）であって運動量分析器と協働し
て２重焦点調節質量分析計を形成しないエネルギーフィ
ルタとして組み込むことも本発明の範囲に含まれる。
は２重焦点調節質量分析計として、即ち、協働して方向
及び速度の両方に関して焦点調節された検出器上の像を
造るように配される。しかし、他のタイプの質量分析計
において記載されたタイプの多電極分析器と、例えば同
位体比スペクトロメータ（isotope ratio spectromete
r）の存在度感受性を向上させるためのエネルギーフィ
ルタ（energy filter）であって運動量分析器と協働し
て２重焦点調節質量分析計を形成しないエネルギーフィ
ルタとして組み込むことも本発明の範囲に含まれる。
電位は、好便には第３図に示すものと同様である電源
60により分析器57の電極に印加される。前記磁気扇形分
析器56は電源62により給電され、前記イオン源55は電源
64により給電される。コンピュータ63は、電源60,62,及
び64を制御するために使用される。コンピュータ63は、
分析器57の電極の電位を（電源60により）結果として、
従来の２重焦点調節質量分析計におけるように、検出器
58上に結ばれたイオン源55の像が得られる値に設定する
ようにプログラムされている。
60により分析器57の電極に印加される。前記磁気扇形分
析器56は電源62により給電され、前記イオン源55は電源
64により給電される。コンピュータ63は、電源60,62,及
び64を制御するために使用される。コンピュータ63は、
分析器57の電極の電位を（電源60により）結果として、
従来の２重焦点調節質量分析計におけるように、検出器
58上に結ばれたイオン源55の像が得られる値に設定する
ようにプログラムされている。
本発明による２重焦点調節質量分析の設計の手順は、
静電分析器の焦点調節性（focusing properties）が半
径や扇形長さ等のその形状寸法的特性によってではなく
単に電極に印加される電位により決定されることを除
き、従来の２重焦点調節スペクトロメータの設計の手順
と同様である。従って、従来の装置とは対照的に、完全
なスペクトロメータの性能を最適化するためにこれらの
パラメータを変更するのは容易な仕事である。
静電分析器の焦点調節性（focusing properties）が半
径や扇形長さ等のその形状寸法的特性によってではなく
単に電極に印加される電位により決定されることを除
き、従来の２重焦点調節スペクトロメータの設計の手順
と同様である。従って、従来の装置とは対照的に、完全
なスペクトロメータの性能を最適化するためにこれらの
パラメータを変更するのは容易な仕事である。
本発明は、運動量分析器がエネルギーの分析器の前に
あるスペクトロメータに限定されるものではない。エネ
ルギー分析器が運動量分析器の前にある場合にも有利で
ある。同様に、本発明による２重焦点調節スペクトロメ
ータは、用いられる２重焦点調節用寸法形状（double f
ocusing geometry）のタイプに応じて、該２つの分析器
の間の交叉路（crossover）の中間的像（intermediate
image）を形成することを伴っても伴わなくてもよい。
あるスペクトロメータに限定されるものではない。エネ
ルギー分析器が運動量分析器の前にある場合にも有利で
ある。同様に、本発明による２重焦点調節スペクトロメ
ータは、用いられる２重焦点調節用寸法形状（double f
ocusing geometry）のタイプに応じて、該２つの分析器
の間の交叉路（crossover）の中間的像（intermediate
image）を形成することを伴っても伴わなくてもよい。
第８図は、本発明による同位体比スペクトロメータの
略図である。荷電粒子源86が同位体組成を測定すべき試
料中の元素の特性を有するイオンから成るイオンビーム
87を発生させる。該イオンビーム87は多電極分析器88
（例えば、第４図に従って製造された）に入り、そらさ
れ焦点調節されて中間のエネルギー分散された像89にな
る。イオンビームは該像89を通って続き磁気扇形運動量
分析器（magnetic sector momentum analyzer）90に入
り、それは前記ビームを異なる同位体のイオンから成る
幾つかのビーム91〜93に分散させる。ビーム91〜93は同
数のコレクタ94〜96により受け取られるが、該コレクタ
は典型的には最大精度用にはファラデーカップコレクタ
（Faraday cup collectors）であり、問題の元素の同位
体組成をコレクタ94〜96によって発生する信号の同時測
定により決定することができる。
略図である。荷電粒子源86が同位体組成を測定すべき試
料中の元素の特性を有するイオンから成るイオンビーム
87を発生させる。該イオンビーム87は多電極分析器88
（例えば、第４図に従って製造された）に入り、そらさ
れ焦点調節されて中間のエネルギー分散された像89にな
る。イオンビームは該像89を通って続き磁気扇形運動量
分析器（magnetic sector momentum analyzer）90に入
り、それは前記ビームを異なる同位体のイオンから成る
幾つかのビーム91〜93に分散させる。ビーム91〜93は同
数のコレクタ94〜96により受け取られるが、該コレクタ
は典型的には最大精度用にはファラデーカップコレクタ
（Faraday cup collectors）であり、問題の元素の同位
体組成をコレクタ94〜96によって発生する信号の同時測
定により決定することができる。
分析器88及び90の順序を逆にイオンビーム87がまず磁
気扇形分析器（magnetic sector analyzer）90に入るよ
うにすることも可能である。本発明による静電分析器の
焦平面は、扇形分析器（sector analyzer）のそれより
も広いので、質量分散されたイオンビームをその入口で
受け取り、コレクタ94〜96をそうでない時に可能である
よりももっと広く離隔せしめ得るのに充分な分散を伴う
一連の質量分散され（mass−dispersed）エネルギーに
関して焦点調節された（energy−focused）像を形成す
ることが可能である。このことにより、スペクトロメー
タの存在度感受性が向上しコレクタ装置の製造が容易に
なる。
気扇形分析器（magnetic sector analyzer）90に入るよ
うにすることも可能である。本発明による静電分析器の
焦平面は、扇形分析器（sector analyzer）のそれより
も広いので、質量分散されたイオンビームをその入口で
受け取り、コレクタ94〜96をそうでない時に可能である
よりももっと広く離隔せしめ得るのに充分な分散を伴う
一連の質量分散され（mass−dispersed）エネルギーに
関して焦点調節された（energy−focused）像を形成す
ることが可能である。このことにより、スペクトロメー
タの存在度感受性が向上しコレクタ装置の製造が容易に
なる。
第９図は、各々記載のごとく構成され３つの分析器セ
グメントを有する本発明による質量分析計を示す。イオ
ン源97はイオンビーム98を発生させ、これが磁気扇形分
析器（magnetic sector analyzer）99により分散されて
質量電荷比に応じて複数のビーム100になる。ビーム100
は、各々が荷電粒子をそのエネルギーに応じて分散させ
ることができる３つのセグメント101〜103から成る静電
分析器106に入る。該分析器106は分析器99と共働して検
出器104上に方向及び速度に関して焦点調節された（bot
h direction and velocity focused）像を造る。検出器
104は、105で略示したその制御読み出し電子装置（its
control and readout electronics）と共に同時に多数
の異なる質量電荷比を検出できるマルチチャンネル検出
器である。検出器106と関連する多数の調節可能なパラ
メータにより、非常に正確な２重焦点調節を分析器106
の広範囲の偏向角（deflection angles）及び焦点距離
に亘って維持することができる。幾つかの別の検出器を
有する非常に高性能のマルチチャンネルスペクトロメー
タの製造が、従って、容易になる。
グメントを有する本発明による質量分析計を示す。イオ
ン源97はイオンビーム98を発生させ、これが磁気扇形分
析器（magnetic sector analyzer）99により分散されて
質量電荷比に応じて複数のビーム100になる。ビーム100
は、各々が荷電粒子をそのエネルギーに応じて分散させ
ることができる３つのセグメント101〜103から成る静電
分析器106に入る。該分析器106は分析器99と共働して検
出器104上に方向及び速度に関して焦点調節された（bot
h direction and velocity focused）像を造る。検出器
104は、105で略示したその制御読み出し電子装置（its
control and readout electronics）と共に同時に多数
の異なる質量電荷比を検出できるマルチチャンネル検出
器である。検出器106と関連する多数の調節可能なパラ
メータにより、非常に正確な２重焦点調節を分析器106
の広範囲の偏向角（deflection angles）及び焦点距離
に亘って維持することができる。幾つかの別の検出器を
有する非常に高性能のマルチチャンネルスペクトロメー
タの製造が、従って、容易になる。
分析器セグメント101及び103はセグメント102に入る
又は出る荷電粒子ビームのエネルギーを変更するために
用いてもよい。この用途においては、そのように使用さ
れるセグメントの電極は典型的には全て同一の電位に維
持される。
又は出る荷電粒子ビームのエネルギーを変更するために
用いてもよい。この用途においては、そのように使用さ
れるセグメントの電極は典型的には全て同一の電位に維
持される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−143252（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−205142（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−77853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−93545（ＪＰ，Ａ) 米国特許3407323（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 49/26 - 49/48 G21K 1/08 - 1/093
Claims (21)
- 【請求項１】荷電粒子のビームをそれらのエネルギーに
従って分散及び集束させるための静電分析器であって、
該分析器は、それぞれ前記ビームの上方及び下方に配さ
れた上の及び下のグループの離隔された真直ぐ且つリニ
ヤな（linear）電極と、該電極に電位を印加する手段と
を備え、前記各グループは１以上の中央の電極が間に配
される一対の電極を含んで成り、前記ビームに含まれる
イオンが分析器に入る電位よりも該一対の一方の電極の
電位はより正であり該一対の他方の電極の電位はより負
であり、該各グループを構成する全ての電極の電位は一
つの電極から次の電極へと徐々に増大し、それにより荷
電粒子のエネルギーに応じて該荷電粒子を異なる曲がっ
た軌道に沿ってそらすことが可能な前記電極のグループ
間の中央平面の静電界が得られる静電分析器。 - 【請求項２】前記各グループに含まれる前記真直ぐ且つ
リニヤな（linear）電極は互いに略平行に配され、前記
中央平面に平行な平面に並んでいる請求の範囲第１項記
載の静電分析器。 - 【請求項３】前記上及び下のグループは略同一であり、
該各グループの対応する位置の電極は同じ電位に維持さ
れる請求の範囲の先行するいずれかの項に記載の静電分
析器。 - 【請求項４】各グループの一つの中央の電極は電位VMに
維持され該グループの他の電極の電位は多項式： VE＝VM＋VAyE＋VByE 2＋VCyE 3＋VDyE 4＋… によって与えられ、 式中 VEは特定の電極の電位であり、 yEは該特定の電極の前記VMに維持される電極からの距離
であり、 そして、VA，VB，VC及びVDは定数である、 請求の範囲の先行するいずれかの項に記載の静電分析
器。 - 【請求項５】少なくとも第１のオーダー（the first or
der）に焦点調節されたエネルギー分散像を発生させ、
前記係数VA，VBはそれぞれ分析器の偏向角（deflection
angle）及び焦点距離を設定するために選択される請求
の範囲第４項記載の静電分析器。 - 【請求項６】前記係数VC及びVDはそれぞれ焦平面傾斜及
び焦平面曲度を設定するために選択される請求の範囲第
５項記載の静電分析器。 - 【請求項７】前記上のグループの各端部の電極は、前記
分析器の側部にフリンジ界補正（fringing field corre
ction）を与えるために、前記中央平面を通って延び前
記下のグループの対応する端部電極を形成する請求の範
囲の先行するいずれかの項に記載の静電分析器。 - 【請求項８】前記電極は絶縁物により離隔された導電性
の部材である請求の範囲の先行するいずれかの項に記載
の静電分析器。 - 【請求項９】前記グループの前記電極の２以上は絶縁板
（insulating plate）に付着された導電性材料を含んで
成る請求の範囲第１〜７項のいずれかの項に記載の静電
分析器。 - 【請求項１０】請求の範囲の先行するいずれかの項に記
載の主要な分析器と該主要な分析器の入口（又は出口）
に隣接して配された少なくとも１つのフリンジ界補正器
（fringing field corrector）とを備え、該フリンジ界
補正器は前記主要な分析器に入る（又は出る）荷電粒子
ビームの上方及び下方にそれぞれ配された離隔された補
助電極の上及び下のグループを含んで成り、全ての該補
助電極は同じ電位に維持される静電分析器。 - 【請求項１１】前記補助電極の上及び下のグループはそ
れぞれ前記主要な分析器に含まれる前記上及び下のグル
ープの電極と同じ平面に並べられ、そして、前記各補助
電極は前記主要な分析器中の対応する電極と一線に配さ
れる請求の範囲第10項記載の静電分析器。 - 【請求項１２】フリンジ界補正器は前記主要な分析器の
入口及び出口に設けられ、前記補助電極の電位は前記分
析器に接近する前記荷電粒子のビームの電位と同じであ
る請求の範囲第10項又は第11項のいずれかに記載の静電
分析器。 - 【請求項１３】前記補助電極の前記電位は大地電位であ
る請求の範囲第12項記載の静電分析器。 - 【請求項１４】荷電粒子が順次その中を通過する２以上
のセグメントを含んで成り、該各セグメントは請求の範
囲第１〜９項のいずれか１項に記載の分析器を含んで成
る静電分析器。 - 【請求項１５】荷電粒子源と、荷電粒子の検出器と、荷
電粒子のビームを荷電粒子の質量電荷比に従って分散さ
せる運動量分析器（momentum analyzer）と、荷電粒子
のビームを荷電粒子のエネルギーに従って分散させる請
求の範囲第１〜14項のいずれか１項に記載の静電分析器
とを含んで成る質量分析計。 - 【請求項１６】前記運動量分析器と前記静電分析器は協
動して、前記検出器上に方向及び速度の両方に関して焦
点調節された（which is both direction and velocity
focused）像を形成する請求の範囲第15項記載の質量分
析計。 - 【請求項１７】前記運動量分析器は磁気扇形分析器（ma
gnetic sector ana−lyzer）である請求の範囲第15項又
は第16項のいずれかに記載の質量分析計。 - 【請求項１８】前記像は焦平面に形成され、前記係数VA
及びVBは少なくとも前記焦平面の一部を前記検出器と一
致させるように選択される請求の範囲第４項に従属した
時の請求の範囲第16項又は第17項のいずれかに記載の質
量分析計。 - 【請求項１９】前記係数VC及びVDそれぞれ前記焦平面傾
斜及び焦平面曲度をいかなる所望の値にも設定するよう
に選択される請求の範囲第18項記載の質量分析計。 - 【請求項２０】前記静電分析器は荷電粒子が前記検出器
に到達する前にその中を通る最後の分析器である請求の
範囲第15項〜第19項のいずれか１項に記載の質量分析
計。 - 【請求項２１】異なる質量電荷比の荷電粒子を同時に受
け取るために前記焦平面に並べられた２以上の検出器を
含んで成る請求の範囲第20項記載の質量分析計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB898912580A GB8912580D0 (en) | 1989-06-01 | 1989-06-01 | Charged particle energy analyzer and mass spectrometer incorporating it |
| GB8912580.1 | 1989-06-01 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05505901A JPH05505901A (ja) | 1993-08-26 |
| JP2857686B2 true JP2857686B2 (ja) | 1999-02-17 |
Family
ID=10657700
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2508033A Expired - Lifetime JP2857685B2 (ja) | 1989-06-01 | 1990-06-01 | マルチチャンネル検出器を有する質量分析計 |
| JP2508034A Expired - Lifetime JP2857686B2 (ja) | 1989-06-01 | 1990-06-01 | 荷電粒子エネルギー分析器及びそれを組み込んだ質量分析計 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2508033A Expired - Lifetime JP2857685B2 (ja) | 1989-06-01 | 1990-06-01 | マルチチャンネル検出器を有する質量分析計 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5194732A (ja) |
| EP (2) | EP0474723B1 (ja) |
| JP (2) | JP2857685B2 (ja) |
| AT (2) | ATE186612T1 (ja) |
| CA (2) | CA2056424C (ja) |
| DE (2) | DE69033353T2 (ja) |
| GB (1) | GB8912580D0 (ja) |
| WO (2) | WO1990015434A1 (ja) |
Families Citing this family (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5206506A (en) * | 1991-02-12 | 1993-04-27 | Kirchner Nicholas J | Ion processing: control and analysis |
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| NL9301617A (nl) * | 1993-09-17 | 1995-04-18 | Stichting Katholieke Univ | Meetinrichting voor het meten van de intensiteit en/of polarisatie van elektromagnetische straling, voor het bepalen van fysische eigenschappen van een preparaat en voor het lezen van informatie vanaf een opslagmedium. |
| US5550629A (en) * | 1994-03-17 | 1996-08-27 | A R T Group Inc | Method and apparatus for optically monitoring an electrical generator |
| US5764823A (en) * | 1994-03-17 | 1998-06-09 | A R T Group Inc | Optical switch for isolating multiple fiber optic strands |
| US5552880A (en) * | 1994-03-17 | 1996-09-03 | A R T Group Inc | Optical radiation probe |
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