JP2860495B2 - Resonance cell - Google Patents

Resonance cell

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はフーリェ変換イオンサイクロトロン共鳴分析
計(以下FT−ICRという)で用いられる共鳴セルに関
し,さらに詳しくは異なる電荷を有するイオンの再結合
反応に用いて好適な共鳴セルに関する。
The present invention relates to a resonance cell used in a Fourier transform ion cyclotron resonance spectrometer (hereinafter, referred to as FT-ICR), and more particularly to a recombination reaction of ions having different charges. The present invention relates to a resonance cell suitable for use in the present invention.

<従来の技術> 一様な磁場中のイオンは,磁場の方向に螺旋運動を行
う。この運動を磁場に垂直な面に投影すると円運動にな
る。ここで,イオンの電荷をq,イオンの質量をm,磁場の
強さをBとすると,その回転周波数fcは, fc=qB/2πm になる。この式から明らかなように,回転周波数fcと磁
場の強さBを測定することにより,イオンの質量電荷比
m/qが求められる。
<Prior Art> Ions in a uniform magnetic field make a spiral motion in the direction of the magnetic field. Projecting this motion on a plane perpendicular to the magnetic field results in a circular motion. Here, assuming that the charge of the ion is q, the mass of the ion is m, and the strength of the magnetic field is B, the rotation frequency fc is fc = qB / 2πm. As is clear from this equation, by measuring the rotation frequency fc and the magnetic field strength B, the mass-to-charge ratio of the ion is obtained.
m / q is required.

FT−ICR分析計は,このような原理に基づいて静電場
と静磁場によりイオンを真空中でトラップし,トラップ
されたイオンにサイクロトロン共鳴周波数の交流電圧を
一定時間かけることによりイオンを強制的に励起し,加
速されたイオンを検出してその周期運動の周波数解析を
行うことによりイオンの質量分析を行うものである。
Based on this principle, FT-ICR analyzers trap ions in a vacuum using an electrostatic field and a static magnetic field, and forcibly apply ions to the trapped ions by applying an AC voltage at the cyclotron resonance frequency for a certain period of time. The mass spectrometry of the ions is performed by detecting the excited and accelerated ions and analyzing the frequency of the periodic motion.

第4図は従来からFT−ICR分析計でイオンの生成およ
び検出の為に用いられている共鳴セルの構成図である。
励起電極1a,1bおよび検出電極3a,3bはそれぞれ矩形円弧
状に湾曲形成されていて励起電極対および検出電極対と
して用いられるものであり,各電極対が互いに直交する
様に配置されていて円筒型の検出部Aを構成している。
トラップ電極5a,5bは円形に形成され,励起電極1a,1bと
検出電極,3a,3bで形成される円筒型の検出部Aの両端を
塞ぐように配置されている。なお,これらトラップ電極
5a,5bの中央部には貫通孔7,8が設けられている。フィラ
メント9,グリッド10および加速電極11はトラップ電極5a
の貫通孔7に向かって電子線を出力する電子銃Bを構成
している。この電子銃Bから出力される電子線はトラッ
プ電極5bの貫通孔8を通ってコレクタ12に入射される。
FIG. 4 is a configuration diagram of a resonance cell conventionally used for generating and detecting ions in an FT-ICR analyzer.
The excitation electrodes 1a, 1b and the detection electrodes 3a, 3b are each formed into a rectangular arc so as to be used as an excitation electrode pair and a detection electrode pair. This constitutes a mold detection unit A.
The trap electrodes 5a and 5b are formed in a circular shape, and are arranged so as to cover both ends of a cylindrical detection unit A formed by the excitation electrodes 1a and 1b and the detection electrodes 3a and 3b. Note that these trap electrodes
Through holes 7 and 8 are provided in the center of 5a and 5b. Filament 9, grid 10 and accelerating electrode 11 are trap electrodes 5a
An electron gun B that outputs an electron beam toward the through-hole 7 is formed. The electron beam output from the electron gun B passes through the through hole 8 of the trap electrode 5b and enters the collector 12.

このように構成される円筒型の検出部A内で生成され
て捕えられるイオンは熱エネルギーの速度で回転運動
し,その回転半径は小さく,位相もイオン毎にバラバラ
でそのまま検出することは困難である。そこで磁場に平
衡な励起電極1a,1bにサイクロトロン共鳴周波数の交流
電圧を印加してイオンを強制的に加速する。これによ
り,イオンの位相は揃って速度は増し,その回転半径は
大きくなる。そして,加速されたイオンは磁場に平行な
検出電極3a,3bにより検出される。
The ions generated and caught in the cylindrical detection section A configured as described above rotate and move at the speed of thermal energy, and the radius of rotation is small, and the phase varies for each ion and it is difficult to detect the ions as they are. is there. Therefore, an AC voltage having a cyclotron resonance frequency is applied to the excitation electrodes 1a and 1b balanced with the magnetic field to forcibly accelerate the ions. As a result, the phases of the ions are aligned, the speed increases, and the radius of rotation increases. Then, the accelerated ions are detected by the detection electrodes 3a and 3b parallel to the magnetic field.

<発明が解決しようとする課題> しかしながら,この様な従来の共鳴セルではイオン源
は1個であり,イオン−イオンの反応過程の測定を行う
ことはできない。
<Problems to be Solved by the Invention> However, such a conventional resonance cell has only one ion source, and cannot measure an ion-ion reaction process.

本発明はこの様な点に着目して成されたものであり,
イオン−イオン反応過程の測定を行うことができるFT−
ICR分析計用の共鳴セルを提供することを目的とする。
The present invention has been made by focusing on such points.
FT that can measure the ion-ion reaction process
An object of the present invention is to provide a resonance cell for an ICR analyzer.

<課題を解決する為の手段> 上記課題を解決するための本発明の構成は,静電場と
静磁場によりイオンを真空中でトラップされたイオンに
サイクロトロン共鳴周波数の交流電場を一定時間かける
ことによりイオンを強制的に励起し,加速されたイオン
を検出してその周期運動の周波数解析を行うことにより
イオンの質量分析を行うフーリェ変換イオンサイクロト
ロン共鳴分析計の共鳴セルであって,前記共鳴セルの複
数個を直列に配置して各共鳴セル間の真空度を同一と
し、少なくとも対向する各共鳴セルのトラップ電極を網
目状に形成すると共に各共鳴セルの電位を正若しくは負
に変更可能とすることにより荷電粒子(イオンおよび電
子)が各共鳴セル間を互いに移動可能としたことを特徴
とするものである。
<Means for Solving the Problem> The configuration of the present invention for solving the above problem is to apply an AC electric field having a cyclotron resonance frequency to ions trapped in a vacuum by an electrostatic field and a static magnetic field for a certain period of time. A resonance cell of a Fourier transform ion cyclotron resonance spectrometer for performing mass analysis of ions by forcibly exciting ions, detecting accelerated ions, and performing frequency analysis of the periodic motion thereof. A plurality of the resonance cells are arranged in series so that the degree of vacuum between the resonance cells is the same, at least the trap electrodes of the opposed resonance cells are formed in a mesh shape, and the potential of each resonance cell can be changed to positive or negative. Thus, the charged particles (ions and electrons) can move between the respective resonance cells.

<作用> 2つの共鳴セルを用いて異なるイオンをトラップし共
鳴しセルの両端に設けられたトラップ電極の電位を制御
することにより発生したイオンを相互に移動させること
ができる。
<Operation> By using two resonance cells to trap and resonate different ions and controlling the potential of the trap electrodes provided at both ends of the cell, generated ions can be moved to each other.

<実施例> 以下,本発明を図面に基づいて説明する。第1図は本
発明の一実施例を示す構成説明図であり,第4図と共通
する部分には同一符号を付してそれらの再説明は省略す
る。図においてAは第1セル,Bは第2セルであり,トラ
ップ電極は網目状に形成されている。励起電極1a〜1dと
検出電極3a〜3dで形成される円筒状の部分は直径40mm,
長さ50mm程度である。セル同士は対向するトラップ電極
(5b,5c)がほぼ2mm程度の間隔とされ,これらは10-8To
rr程度の真空容器の中に配置されている。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a structural explanatory view showing one embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to parts common to FIG. 4, and re-explanation thereof will be omitted. In the figure, A is the first cell, B is the second cell, and the trap electrodes are formed in a mesh. The cylindrical part formed by the excitation electrodes 1a to 1d and the detection electrodes 3a to 3d has a diameter of 40 mm,
It is about 50mm long. Between cells is a counter trap electrode (5b, 5c) to approximately 2mm intervals of about, these 10 -8 the To
It is arranged in a vacuum vessel of about rr.

なお,この構成では第2セルB側のフィラメントとグ
リッドは除去され,コレクタ12はZ軸上に第2セルのト
ラップ電極に対向して配置される。
In this configuration, the filament and the grid on the second cell B side are removed, and the collector 12 is arranged on the Z axis so as to face the trap electrode of the second cell.

上記構成における共鳴セルの動作を第2図を用いて説
明する。第2図は試料としてSF6(六弗化硫黄)を用い
た場合のICR時間領域信号である。第1のセルAのトラ
ップ電極5a,5bの電位を共に−10V程度の負電圧とし,第
2のセルBのトラップ電極5c,5dの電位を共に+10V程度
の正電圧とし,それぞれのセルにおいて電子衝撃により
同時にイオン化し,生成されたイオンを励起・加速し,
サンプリング速度2MHzで検出した結果を示すオシロスコ
ープの出力波形図である。
The operation of the resonance cell having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows an ICR time domain signal when SF 6 (sulfur hexafluoride) is used as a sample. The potentials of the trap electrodes 5a and 5b of the first cell A are both set to a negative voltage of about -10 V, and the potentials of the trap electrodes 5c and 5d of the second cell B are both set to a positive voltage of about +10 V. Simultaneously ionize by impact, excite and accelerate generated ions,
FIG. 9 is an output waveform diagram of an oscilloscope showing a result detected at a sampling rate of 2 MHz.

図から明らかな様に第2セルBからの出力は振幅が一
様であるのに対し,第1セルAの振幅は一様でなく,2つ
の周波数成分があることが分る。このことは第1セルA
にはSF6 -とSF5 -が第2セルBにはSF5 +が生成しているこ
とを示している。
As is clear from the figure, the output from the second cell B has a uniform amplitude, whereas the amplitude of the first cell A is not uniform, and there are two frequency components. This means that the first cell A
And indicates that the generated SF 5 + in the second cell B - and SF 5 - SF 6 in.

第3図はトラップ電位を変位させた場合のイオンの移
動状態を示す図であり,(イ)は共鳴セルのX−Z平面
簡略断面図である。(ロ)は各セルに生成したイオンを
トラップしている状態を示し,第1セルにはトラップ電
極を共に−10V程度の負とすることにより例えばB-イオ
ンが,第2セルにはトラップ電極を共に+10V程度の正
とすることにより例えばA+イオンがトラップされてい
る。
FIG. 3 is a diagram showing a state of movement of ions when the trap potential is displaced, and FIG. 3 (A) is a simplified cross-sectional view in the XZ plane of the resonance cell. (B) shows a state of trapping the ions produced in each cell, by the first cell to the negative of about -10V together trap electrodes example B - ions, the second cell trapping electrode A + ions are trapped, for example, by making both positive about + 10V.

次に(ハ)図に示すように各セルの外側のセルの電位
は保ったままで5bおよび5cの電位を接地レベルとする。
このことにより各イオンB-,A+はその電位曲線に沿って
隣のセルに移動・反応することになる。
Next, as shown in (c), the potentials of the cells 5b and 5c are set to the ground level while the potentials of the cells outside each cell are maintained.
As a result, the ions B and A + move and react to the adjacent cells along the potential curve.

次に(ニ)図に示す様にすべてのトラップ電極の電位
を+10Vとする。これにより各セルにはA+のイオンがト
ラップされる。この状態で従来の共鳴セルと同様にイオ
ンの励起および検出を行うことにより第1,第2のセル中
のA+のイオン量を測定し,(ロ)の状態の時からの減衰
量を評価することにより再結合係数などの測定を行うこ
とかできる。この様な一連のシーケンスは,プログラマ
ブルなパルスシーケンスなどにより容易に実現すること
ができる。
Next, as shown in (d), the potentials of all the trap electrodes are set to + 10V. Thereby, A + ions are trapped in each cell. In this state, the amount of A + ions in the first and second cells is measured by exciting and detecting ions in the same manner as in the conventional resonance cell, and the amount of attenuation from the state of (b) is evaluated. By doing so, it is possible to measure the recombination coefficient and the like. Such a series of sequences can be easily realized by a programmable pulse sequence or the like.

なお,第3図では正イオン−負イオンの反応過程の例
を示したが,同様に正イオン−電子の反応過程にも適用
できるし,トラップ電位の設定状態により正イオン−正
イオン,負イオン−負イオンの反応過程にも適用でき
る。
Although FIG. 3 shows an example of a positive ion-negative ion reaction process, the present invention can also be applied to a positive ion-electron reaction process. -Applicable to the reaction process of negative ions.

また,本実施例においてはセルの数を2個として示し
たがセルの数は本実施例に限ることなく必要に応じて増
加させることができる。
Further, in the present embodiment, the number of cells is shown as two, but the number of cells is not limited to this embodiment and can be increased as needed.

<発明の効果> 以上,実施例とともに具体的に説明したように本発明
によれば,イオン−イオン反応過程の実験を行うことの
できるフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴分析計用
の共鳴セルを実現することが出来る。
<Effects of the Invention> As described above in detail with the embodiments, according to the present invention, it is possible to realize a resonance cell for a Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer capable of performing an experiment of an ion-ion reaction process. Can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す構成図,第2図は各セ
ルからの出力波形をオシロスコープで示す図,第3図は
第1図でのトラップ電位の変化によるイオンの移動状態
を示す図,第4図は従来の共鳴セルの構成図である。 1a〜1d……励起電極,3a,3d……検出電極,5a〜5d……ト
ラップ電極,9……フィラメント,10……グリッド,11……
加速電極,12……コレクタ。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an output waveform from each cell by an oscilloscope, and FIG. 3 is a diagram showing a movement state of ions due to a change in trap potential in FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional resonance cell. 1a to 1d: Excitation electrode, 3a, 3d: Detection electrode, 5a to 5d: Trap electrode, 9: Filament, 10: Grid, 11 ...
Acceleration electrode, 12 ... Collector.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 49/00 - 49/48Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01J 49/00-49/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】静電場と静磁場によりイオンを真空中でト
ラップし、トラップされたイオンにサイクロトロン共鳴
周波数の交流電場を一定時間かけることによりイオンを
強制的に励起し、加速されたイオンを検出してその周期
運動の周波数解析を行なうことによりイオンの質量分析
を行なうフーリェ変換イオンサイクロトロン共鳴分析計
の共鳴セルであって、前記共鳴セルの複数個を直列に配
置して各共鳴セル間の真空度を同一とし、少なくとも各
共鳴セル間で相対向しているトラップ電極を網目状に形
成すると共に各共鳴セルにおける各トラップ電極電位の
正負を変更可能とすることにより荷電粒子が各共鳴セル
間を互いに移動可能としたことを特徴とする共鳴セル。
An ion is forcibly excited by trapping ions in a vacuum by an electrostatic field and a static magnetic field, and applying an AC electric field having a cyclotron resonance frequency to the trapped ions for a predetermined time to detect accelerated ions. A Fourier transform ion cyclotron resonance spectrometer for performing mass analysis of ions by performing a frequency analysis of the periodic motion, wherein a plurality of the resonance cells are arranged in series and a vacuum between the resonance cells is provided. The degree of charge is the same, at least the trap electrodes facing each other between the resonance cells are formed in a mesh shape, and the polarity of the potential of each trap electrode in each resonance cell can be changed, so that the charged particles can move between the resonance cells. A resonance cell which is movable with respect to each other.
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