JP3539848B2

JP3539848B2 - 飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系

Info

Publication number: JP3539848B2
Application number: JP29815797A
Authority: JP
Inventors: 盛男石原; 武清松尾
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JPH11135061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料からイオンを発生させるとともに、このイオンを加速することにより、試料のイオンを質量の大きなイオンと質量の小さなイオンとに分離して質量分析器に導入するためのイオン導入装置の技術分野に属し、特にイオンを誘導する軌道を、２個の扇形電場を用いた閉曲線の軌道として、イオンの飛行時間を可及的に長くした飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、質量分析計として、閉曲線の軌道（以下、閉軌道ともいう）からなるイオン光学系を有する飛行時間型質量分析計（TOFMS）が提案されており、この飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、質量の重いイオンがゆっくり飛行し、また質量の軽いイオンが速く飛行するという原理を用いて、例えば誘導結合プラズマを用いて試料を励起させて試料イオンを発生させるとともに分析器の方へ飛行させ、飛行中のイオンを所定の電場からのエネルギによって加速することにより、ある程度時間が経ったとき、質量の大きなイオンと質量の小さなイオンとに次第に分離するようにしたものである。その場合、分析器の分解能を上げるためには質量の大きなイオンと質量の小さなイオンとの分離を確実にする必要がある。
【０００３】
この分離を確実にするためには、イオンの飛行時間をできるだけ多くする必要があるが、このように飛行時間を多く確保するためには、イオンをできるだけ長い距離を飛行させる必要がある。しかしながら、イオンを単に直線的に飛行させると、長い距離を飛行させるためには、長い直線軌道が必要となり、電場が空間的に大きくなってしまう。
【０００４】
そこで、図２に示すような、２個の同じ第１および第２扇形電場１′,２′を用いて１つの交点３で交わる閉軌道４からなるイオン光学系５′が考えられる。このイオン光学系５′の第１および第２扇形電場１′,２′は、ともに円弧状の内側電極１ａ′,２ａ′と円弧状の外側電極１ｂ′,２ｂ′とからなっている。そして、イオンの取入れ、取出し口である交点３を出発したイオンは、矢印で示すように飛行して第１扇形電場１′内に進入し、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に所定の電圧が印加されることにより生じる第１扇形電場１の電場による力で、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に沿って案内されて飛行し、更に出発点の交点３を通過して第２扇形電場２′内に進入し、同じく内、外側電極２ａ′,２ｂ′に所定の電圧が印加されることにより生じる第２扇形電場２′の電場の力で、内、外側電極２ａ′,２ｂ′に沿って案内されて飛行して再び交点３に到着し、この交点３から取り出される。その場合、交点３におけるイオンの取入れ、取出しは、適宜のタイミングで行われる。そして、この閉軌道４に沿ってイオンの飛行周回数を上げると、イオンの飛行時間が増大するので、分解能が向上することになる。このようにすれば、イオンの飛行距離を長くしかつ電場が空間的にそれほど大きくならないようにすることができる。
【０００５】
しかしながら、ある加速電圧でイオンを加速したとき、同じ質量のイオンでもイオンの場所等により飛行速度の速いイオンと遅いイオンとが出てくるようになる。このため、飛行速度の速いイオンが遅いイオンより速く交点３に到着するようになるので、交点３でのイオンの取出し時にはイオンの量が少なくなり、分解能が低下してしまう。そこで、交点３から電場内へ導入された同一質量のイオンに、このように飛行速度の速いイオンと遅いイオンとが生じても閉軌道４を周回した後、交点３に同時に到着するようにする必要がある。
【０００６】
このように、交点３を出発した同一質量のイオンが閉軌道４を周回して交点３に同時に到着するようにしたイオン光学系が、W. Poshenrieder, Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., 9(1972) P357. において提案されている。図３に示すように、このイオン光学系５では、図２における第１および第２扇形電場１′,２′の円弧状の内、外側電極１ａ′,１ｂ′;２ａ′,２ｂ′に、ともに同じ内、外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２ａ,２ｂが用いられて、第１および第２トロイダル電場１,２が形成されている。また、これらの第１および第２トロイダル電場１,２におけるイオンの中心軌道半径をｒ₀とし、軌道平面と垂直な平面での等電位面の曲率半径をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ₀／Ｒで表されるＣ値が、Ｃ＝１に設定され、換言すれば第１および第２トロイダル電場１,２が球面電場に設定され、かつ第１および第２トロイダル電場１,２での電場回転角（すなわち、イオンの回転角）ｗ_eが１９９.２６゜に設定されている。
【０００７】
ところで、本発明の以後の説明のために必要な、イオンの軌道の表現法について説明する。中心軌道を通る特定のイオンを定めて基準とし、この特定イオンからずれた初期値を持って出発したイオンの運動が中心軌道を通るイオンの軌道に対して持つ空間および時間のずれが、周知のイオン光学系の理論より一次近似で次のように表される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
【数２】

【００１０】
【数３】

【００１１】
ここで、Ｘは特定の場所での軌道平面内で光軸に直交する方向の位置のずれ、Ａは角度のずれ、Ｔは時間のずれ、ｘは特定の場所での軌道平面内で光軸に直交する方向の初期値における位置のずれ、αはこの方向における初期値の角度のずれ、ｔは初期値の時間のずれ、およびδは初期値のエネルギのずれをそれぞれ表す。なお、一般には軌道平面に垂直な面の軌道も重要であるが、以後の本発明の説明においてはこの軌道はそれほど重要ではないので省略するとともに、質量のずれも重要でなく、省略する。また、（ｘ｜ｘ）、………（ｔ｜δ）は、それぞれのれイオン光学系において（）内の記号の要素によって定まる常数である。
【００１２】
いま、前述の Poshenrieder のイオン光学系が閉軌道であることを考えると、入射点から出発したイオンは必ずこの入射点に戻ってくる。その場合、通常の、１周回の閉軌道でイオンの周回飛行が完結する TOFMS のような場合を考えることにする。しかし、イオンが多周回回った後、初めて TOFMS としてよい特性を持つような場合も考えることができるが、この場合についてはよい特性を持つ最低の周回数回った軌道を１周と考えることにする。いずれの場合も、１周のイオン光学系の持つべき特性は、数式１,２,３の記号を用いて、空間的には
【００１３】
【数４】

【００１４】
【数５】

【００１５】
【数６】

【００１６】
で与えられ、時間的には
【００１７】
【数７】

【００１８】
【数８】

【００１９】
【数９】

【００２０】
で与えられる。数式５および６は、それぞれ空間における角度およびエネルギの収束（空間的二重収束）を表しており、数式７、８および９は、それぞれ時間に関する位置、角度およびエネルギ収束（時間的三重収束）を表している。なお、軌道平面に垂直な面の軌道も考慮に入れる場合は、（ｙ｜β）＝０の条件が含まれる。ここで、ｙは特定の場所での軌道平面と直交する面内で光軸に直交する方向の初期値における位置のずれ、βはこの方向における初期値の角度のずれである。また、数式４は必ずしも厳密に満足される必要はない。
【００２１】
このように、 Poshenrieder のイオン光学系では、イオンの空間的な３重収束（ｘ｜α）＝（ｘ｜δ）＝（ｙ｜β）＝０と時間的な３重収束（ｔ｜α）＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０とがともに成立し、速いイオンも遅いイオンも空間的にかつ時間的に同時に１点に収束することができる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、W. Poshenrieder によるこのトロイダル電場１,２を用いたイオン光学系では、W. Poshenrieder の解、すなわちＣ値が１で、回転角ｗ_eが１９９.２６゜のときに、前述の６重収束条件を満足するようになるが、Ｃ値が１以外では、６重収束条件を満足することができない。このため、イオン光学系の構造が制限されてしまう。しかしながら、Ｃ値が１以外でも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ／β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学系を得るようにすることが、種々の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応させる上で望まれる。
【００２３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、２個のトロイダル電場を用いて閉曲線の軌道からなるイオン光学系において、トロイダル電場のＣ値が１以外でも、少なくとも５重収束条件を満足する飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、試料から発生したイオンを、２個の同一のトロイダル電場を用い、１つの交点で交差する閉じた軌道に沿って加速しながら飛行させて質量分析部に導入させる飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、前記交点と前記各トロイダル電場の出入り口との間を接続する軌道に、飛行する同一質量のイオンを空間的に収束する４重極レンズがそれぞれ配設されており、更に、イオンの中心軌道半径をｒ₀とし、軌道平面と直交する平面での等電位面の曲率半径をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ₀／Ｒで表されるＣ値と前記トロイダル電場の回転角ｗ_eとが、Ｃ≠１を条件として同一質量のイオンが時間的に収束する関係を有するように設定されていることを特徴としている。
【００２５】
また請求項２の発明は、前記関係が、前記Ｃ値と前記回転角ｗ_eとが互いに表１に示される値を満足する関係であることを特徴としている。
【００２６】
更に請求項３の発明は、前記Ｃ値が、０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定されていることを特徴としている。
更に請求項４の発明は、前記Ｃ値が、−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定されていることを特徴としている。
【００２７】
【作用】
このような構成をした本発明の飛行時間型質量分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズにより、同一質量で空間的にエネルギの異なるイオンの空間的な収束条件が満たされるようになる。
【００２８】
また、２個の同一のトロイダル電場のＣ値および回転角とが、同一質量のイオンが時間的に収束する関係を有して設定されていることから、例えば交点から出発したイオンがトロイダル電場を通過して閉じた軌道を１周した後、再び交点に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件が満たされるようになる。
【００２９】
これにより、交点から出発した同一質量のイオンは、エネルギが異なっても、閉じた軌道を１周した後、同時に再び交点に集まってくるようになる。したがって、質量分析計の分解能が向上する。
【００３０】
しかも、従来のイオン光学系では、Ｃ値がＣ＝１のときにしか、６重収束条件を満足させることができなく、質量分析計の構造が制限されていたが、本例のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外（つまり、Ｃ≠１）のときに、同一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および時間的な６重収束条件あるいは少なくとも、軌道平面と直交する平面の位置のずれがないこと、すなわち（ｙ／β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学系が得られるようになる。したがって、イオン光学系の自由度が増して、本発明のイオン光学系は、種々の構造の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応されるようになる。
【００３１】
特に、請求項２の発明においては、各トロイダル電場におけるＣ値と回転角ｗ_eとの関係が表１に示すように満足される限り、４重極レンズの有無にかかわらず、交点を出発したイオンは閉曲線の軌道を１周した後、交点では時間に関するエネルギが収束するようになる。
また、請求項３の発明においては、Ｃ値が０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定されることにより、Ｃ＝１に近いので４重極レンズは比較的弱いレンズで済むようになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系が得られるようになる。
更に、請求項４の発明においては、Ｃ値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定されると、電場が円筒電場に近くなるため、加工製造上有利となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明にかかる質量分析計におけるイオン光学系の実施の形態の一例を示す、図２と同様の図である。なお、前述の図２および図３に示す従来のイオン光学系の構成要素と同じものには同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図１に示すように、本例のイオン光学系は、図３に示すイオン光学系と同様に、ともに同じ内、外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２ａ,２ｂからなる第１および第２トロイダル電場１,２を有しており、交点３から第１および第２トロイダル電場１,２の各出入口までの直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄに、それぞれ４重極レンズ５,６,７,８が配設されている。
【００３４】
本例のイオン光学系では、第１および第２トロイダル電場１,２の前述のＣ（＝ｒ₀／Ｒ）値および回転角ｗ_eが次のように設定される。すなわち、本発明者等は、周知のイオン光学理論に基づいて数値計算することにより、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ値と回転角ｗ_eとがある一定の関係にあり、これらのＣ値と回転角ｗ_eとを互いに独立して自由に設定することができないことを見出した。表２は、数値計算により見出した結果を示すものである。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２において、Ｃ値および回転角ｗ_eは飛び飛びに示されているが、実際にはこれらはどちらもなめらかな連続した関数である。この表２から明らかなように、Ｃ＝１の場合は回転角ｗ_eが１９９.３１゜であり、前述の W. Poshenrieder の解と僅差を生じているが実質的にはほぼ一致しており、この僅差の原因はトロイダル電場の端縁場の影響によるものである。なお、表２において、（−）のＣ値は、図１に二点鎖線で示すように電極が逆に湾曲している場合である。また、表２の（ｄ／ｒ₀）は、第１および第２トロイダル電場の出入口から交点３までの直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄの距離をｄとしたときの比であり、距離ｄがイオンの中心軌道半径ｒ₀とイオンの回転角ｗ_eとによって決定され、ここでは設計上の参考値として掲げてある。
【００３７】
トロイダル電場１,２におけるＣ値と回転角ｗ_eとの関係がこの表２に示すように満足される限り、４重極レンズ５,６,７,８の有無にかかわらず、交点３を出発したイオンは閉曲線の軌道４を１周した後、交点３では時間に関するエネルギが収束する、すなわち（ｔ｜δ）＝０を満たすようになる。
【００３８】
このように構成された本例のイオン光学系においては、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ値および回転角ｗ_eとが表２に示す特定の関係になるように設定されることから、交点３から出発したイオンが閉軌道４を１周した後、再び交点３に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件が満たされるようになるとともに、４重極レンズ５,６,７,８によりイオンの空間的な収束条件が満たされるようになる。
【００３９】
一方、４重極レンズ５,６,７,８は、前述のイオンの空間的な３重収束（ｘ｜α）＝（ｘ｜δ）＝（ｙ｜β）＝０の条件と、時間的な３重収束（ｔ｜α）＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０のうち、（ｔ｜α）＝（ｔ｜ｘ）＝０の条件を満足するように適宜設定されている。
【００４０】
このように構成された本例のイオン光学系においては、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ値および回転角ｗ_eとが表１に示す特定の関係になるように設定されることから、交点３から出発したイオンが閉軌道４を１周した後、再び交点３に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件が満たされるようになるとともに、４重極レンズ５,６,７,８によりイオンの空間的な収束条件が満たされるようになる。
【００４１】
これにより、交点３から出発した同一質量のイオンは、エネルギが異なっても、閉軌道４を１周した後、同時に再び交点３に集まってくるようになる。したがって、質量分析計の分解能が向上する。
【００４２】
しかも、従来のイオン光学系では、Ｃ値がＣ＝１のときにしか、前述の６重収束条件を満足させることができなく、質量分析計の構造が制限されていたが、本例のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外のときにも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ／β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学系を得ることができる。したがって、イオン光学系の自由度が増して、種々の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応できるようになる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のイオン光学系装置によれば、本発明の飛行時間型質量分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズにより、イオンの空間的な収束条件を満たすことができるようになるので、同一質量で空間的にエネルギの異なるイオンを１点に収束させることができる。これにより、質量分析計の分解能を向上できるようになる。
【００４４】
また、２個の同一のトロイダル電場のＣ値および回転角ｗ_eとを、同一質量のイオンが時間的に収束する関係に設定しているので、例えば交点から出発したイオンがトロイダル電場を通過して閉じた軌道を１周した後、再び交点に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件を満たすことができるようになる。これにより、交点から出発した同一質量のイオンは、時間的にエネルギが異なっても、閉じた軌道を１周した後、同時に再び交点に集まってくるようになる。したがって、質量分析計の分解能を更に一層向上できる。
【００４５】
しかも、Ｃ値がＣ＝１以外（つまり、Ｃ≠１）のときに、同一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および時間的な６重収束条件あるいは軌道平面と直交する平面の位置のずれを除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学系を得ることができるようになる。したがって、本発明のイオン光学系は、その自由度が増して、種々の構造の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応できるようになる。
【００４６】
特に、請求項２の発明によれば、各トロイダル電場におけるＣ値と回転角ｗ_eとの関係を表１に示すように満足させているので、４重極レンズの有無にかかわらず、交点を出発したイオンは閉曲線の軌道を１周した後、交点では時間に関するエネルギを収束させることができるようになる。
また、請求項３の発明によれば、Ｃ値が０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定しているので、Ｃ値がＣ＝１に近くなり、４重極レンズ５,６,７,８は比較的弱いレンズでよいことになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系を得ることができる。
更に、請求項４の発明によれば、Ｃ値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定しているので、電場が円筒電場に近くなり、加工製造上、有利となる。

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系の実施の形態の一例を示す図である。
【図２】２個の同一の扇形電場を用い、閉じた軌道からなる従来のイオン光学系の一例を示す図である。
【図３】２個の同一のトロイダル電場を用い、閉じた軌道からなり、かつＣ値がＣ＝１である従来のイオン光学系の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…第１トロイダル電場、２…第１トロイダル電場、１ａ,２ａ…内側トロイダル電極、１ｂ,２ｂ…外側トロイダル電極、３…交点、４…閉曲線の軌道、５…イオン光学系、５,６,７,８…４重極レンズ

Claims

試料から発生したイオンを、２個の同一のトロイダル電場を用い、１つの交点で交差する閉じた軌道に沿って加速しながら飛行させて質量分析部に導入させる飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、
前記交点と前記各トロイダル電場の出入り口との間を接続する軌道に、飛行する同一質量のイオンを空間的に収束する４重極レンズがそれぞれ配設されており、
更に、イオンの中心軌道半径をｒ ₀ とし、軌道平面と直交する平面での等電位面の曲率半径をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ ₀ ／Ｒで表されるＣ値と前記トロイダル電場の回転角ｗ _e とが、Ｃ≠１を条件として同一質量のイオンが時間的に収束する関係を有するように設定されていることを特徴とする飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系。
前記関係は、前記Ｃ値と前記回転角ｗ _e とが互いに

に示される値を満足する関係であることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系。
前記Ｃ値が、０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系。
前記Ｃ値が、−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系。