JP3581269B2 - 垂直加速型飛行時間型質量分析計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直加速型飛行時間型質量分析計に係り、特に、複数のイオン源で生成されたイオンビームをイオン溜に同時並行的にイオン溜に導入、蓄積してマススペクトルを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、質量分析計として、試料から発生させたイオンを飛行させることにより、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し、試料の質量分析を行う飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）が提案されている。この飛行時間型質量分析計は、イオンに同一の運動エネルギーを与えたとき、イオンの質量電荷比（ｍ／ｅ：Ｍは質量数、ｅは素電荷量）が小さいものほど、イオン検出器に早く到達することを利用している。
【０００３】
このような飛行時間型質量分析計の一つの種類として、従来、イオンを連続的に出射する連続イオン化法を用いた垂直加速型飛行時間型質量分析計（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ＴＯＦＭＳ。以下、ＯＡ／ＴＯＦＭＳ と称す）が提案されている。
【０００４】
図１０は、ＯＡ／ＴＯＦ−ＭＳ の一構成例を模式的に示す図である。図中、１はイオン源、２はビーム規制スリット、３は長さｙ０ のイオン溜、４はイオン押出プレート、５はイオン溜３のイオン放出口に設けられた、金属メッシュ電極からなるグリッド、７はＴＯＦ−ＭＳ分光部、８はイオン検出器である。
【０００５】
加速電圧Ｖ１ が印加されているイオン源１からのイオンは、ｅＶ１ の運動エネルギーでイオン規制スリット２を通ってイオン溜３に導入される。そして、このイオンが長さｙ０ のイオン溜３に充満された状態において、イオン押出プレート４に高圧パルス電圧（振幅電圧＝ＶＰ ）を印加すると、第１グリッド５が接地電位または接地電位近傍の電位に保持されているので、イオン溜３内に充満されたイオンは、平均ｅＶＰ／２ の運動エネルギーでイオン溜３内でのイオンの飛行方向と垂直方向（ＴＯＦＭＳの光軸方向で図１０のｚ方向）に加速され、イオン溜３のグリッド５から排出される。これがイオンパルスである。このとき、イオンはドリフト方向の長さｙ０ （イオン溜３の長さ）のビーム長分が排出される。
【０００６】
イオン溜３から排出されたイオンパルスはＴＯＦＭＳ分光部７に進入し、ＴＯＦＭＳ分光部７内を飛行した後、イオン検出器８に到達する。このとき、イオンはＴＯＦＭＳ分光部７内の飛行中に質量分離され、質量の小さいイオンから順次イオン検出器８に検出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、垂直加速型飛行時間型質量分析計を用いた場合に限らず、質量分析計を用いて、試料のイオンや、試料のフラグメントイオン（以下、これらを総称して試料イオンと称することにする。）の質量を精密に測定する場合には、標準物質のイオンの質量スペクトルを利用することが広く行われているが、そのためには、試料イオンと、標準物質のイオンの両方の質量スペクトルを測定する必要がある。
【０００８】
このような場合、質量分析計で、まず標準物質のイオンの質量スペクトルを測定し、次に、試料イオンの質量スペクトルを測定するのが通常であるが、測定時間が掛かるばかりでなく、標準物質のイオンの質量スペクトルとを測定する時と、試料イオンの質量スペクトルを測定する時とで時間経過があるので、質量分析計において質量を決定するための種々のパラメータ、例えば電源電圧や、チャージアップ等、の条件が経時変化してしまい、試料イオンの質量の測定精度は低くなってしまうものである。
【０００９】
これに対して、試料と標準物質とを同時に、同一イオン源でイオン化して質量分析計に導入することが考えられる。このようにすれば、試料イオンの質量スペクトルと、標準物質のイオンの質量スペクトルとが同時に測定できるので、質量分析計において質量を決定するための種々のパラメータの経時変化による測定精度の低下はなくなるからである。
【００１０】
しかし、標準物質は、通常イオン化効率が試料よりも高く、容易にイオン化するので、試料と標準物質とを同時に、同一イオン源でイオン化した場合には、試料イオン強度と、標準物質のイオン強度の両方の質量スペクトルを同時にバランスよく測定することは非常に難しいものである。また、標準試料と、試料との物理化学的な特性が大きく異なる場合には、同一のイオン化条件やイオン化法でイオン化しようとしても、標準物質か試料の何れか一方のみがイオン化され、他方はイオン化されない場合も多々ある。
【００１１】
そこで、次に、試料と標準物質とをそれぞれ別個のイオン源でイオン化して質量分析計に導入して、同時に質量スペクトルを測定することが考えられる。しかし、このように複数のイオン源からのイオンビームの質量スペクトルを同時に測定しようとする場合、質量分析計として、今日最も広く用いられている磁場型二重収束質量分析計を用いることは非常に難しいものである。即ち、磁場型二重収束質量分析計では、質量分解能は対物スリットの幅に反比例することが知られており、従って高分解能を得るためには対物スリットの幅は ０．１ｍｍ前後、高さは１０ｍｍ前後とする必要があるが、２個のイオンビームをこのような幅の狭い対物スリットに入射させるには、物理的に与えられている空間が狭過ぎるのである。
【００１２】
また、磁場型の質量分析計では、イオンの質量はイオン源で生成されたイオンビームの運動エネルギーに差があると測定精度が低下してしまうが、試料と標準物質とを同一のイオン化方によってイオン化した場合でも、双方のイオン源で生成されたイオンビームの運動エネルギーに微妙な差が生じることは避け難いので、高精度で両者のイオンの質量スペクトルを測定することは難しいものである。
【００１３】
しかしながら、垂直加速型飛行時間型質量分析計においては、図１０に示すように、一旦、ＴＯＦＭＳ の光軸（図１０のｚ方向）に対して直角方向に配置されたイオン溜３にイオンを蓄積するために、異なる複数のイオン源でイオン化されたイオンビームのイオン運動エネルギーが異なっているとしても、その運動エネルギーの相違は無視できる程度に小さいものとなる。即ち、垂直加速型飛行時間型質量分析計を用いた場合には、複数の異なるイオン源でイオン化したイオンビームを同時にイオン溜に導入、蓄積し、排出することによって、それら異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ精度よく測定できる可能性があるのである。
【００１４】
そこで、本発明は、複数の異なるイオン源でイオン化したイオンビームを同時にイオン溜に導入、蓄積し、排出することによって、それら異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ精度よく測定できる垂直加速型飛行時間型質量分析計を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の垂直加速型飛行時間型質量分析計は、複数のイオン源と、押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッドと、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極とで構成されるイオン溜とを備え、押出プレート、グリッド、中間電極には、複数のイオンビームがイオン溜内で収束した状態でイオン溜内を飛行する電圧が印加されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第１の実施形態を示す図であり、イオン溜３近傍の部分のみを示す部分図である。その他については図１０に示すと同じである。ただし、この実施形態では、イオン検出器８としてはイオン溜３のサイズと同等以上の検出面を持つ２次元の面型の検出器を用いる。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この実施形態のｘ−ｙ平面における構成、ｙ−ｚ平面における構成を示しており、図中、１、１′はイオン源、１０、１０′は収束レンズ、１１は中間電極を示す。なお、以下の説明においてはイオン源１、１′から出射されるイオンは正イオンであるとする。
【００１８】
２個のイオン源１、１′が、ｙ方向に関しては互いに正面に対向するように、ｚ方向に関してはイオン溜３の中心に対してほぼ対称に、それぞれ配置されている。
【００１９】
イオン源１とイオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されており、イオン源１′とイオン溜３の間には収束レンズ１０′が配置されている。この収束レンズ１０、１０′は、アインツェルレンズ、または静電４重極レンズ、あるいは円筒レンズで構成することができるが、ここでは図に示すように、３つの電極からなるアインツェルレンズで構成されるものとする。そして、この場合にはイオンが正イオンであるので、中央電極には正の電圧ＶＬ が印加され、その両側の電極は接地電位となされる。そして、この中央電極に印加する電圧ＶＬ は、収束レンズ１０、１０′によるイオンビームの収束点がそれぞれイオン溜３の入射側端面近傍に位置するように設定する。望ましくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致させることである。そのためには、この中央電極に印加する電圧ＶＬ を、イオン源１に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の最適な電圧を与えればよい。これにより、イオン源１からのイオンビーム（以下、このイオンビームをイオンビームＡと称する）及びイオン源１′からのイオンビーム（以下、このイオンビームをイオンビームＢと称する）を、それぞれイオン溜３の入射側端面近傍に収束させることができる。なお、この収束レンズ１０、１０′は必要不可欠のものではなく、イオン源１、１′により、イオンビームＡ及びイオンビームＢが共にイオン溜３の入射側端面近傍に収束させるようになされている場合には省略することが可能である。
【００２０】
イオン溜３は、押出プレート４と、グリッド５、及び中間電極１１で構成される。中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されている。そして、中間電極１１のイオン溜３のイオンビームＡの入射側、及びイオンビームＢの入射側は、押出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致させるように取り付け支持する。この中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されていればよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５間の中央でなくてもよい。
【００２１】
図２に押出プレート４、グリッド５及び中間電極１１の配置状態の斜視図を示すが、この中間電極１１は、図２（ａ）に示すように１本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、図２（ｂ）に示すように複数本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、あるいは図２（ｃ）に示すように板状のメッシュ電極で構成してもよい。
【００２２】
次に、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧について、図３を参照して説明する。図３において、ＳＷ１ ，ＳＷ２ はスイッチを示す。また、図３では収束レンズ１０、１０′は省略している。
まず、グリッド５は常時接地電位となされている。
【００２３】
スイッチＳＷ１ は、押出プレート４に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図３の実線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４は接地電位になされる。イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図３の破線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４にはイオンの電荷極性と同極性の高電圧ＶＰ が印加される。
【００２４】
スイッチＳＷ２ は、中間電極１１に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、図３の実線で示すように接続されて、中間電極１１には電圧ＶＷ が印加される。この電圧ＶＷ の極性はイオンの電荷極性と逆である。この場合には正イオンであるので、ＶＷ は負の電圧である。正イオンの運動エネルギーが数十ｅＶである場合には、ＶＷ は通常負の数Ｖ〜数十Ｖとなされる。
【００２５】
また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、スイッチＳＷ２ は図３の破線で示すように接続されて、中間電極１１には高電圧ＶＰ を可変抵抗Ｒで分圧した電圧ＶＷ０が印加される。この電圧ＶＷ０は、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかによって決まる電圧であり、図３に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２Ｓ０ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、ＶＷ０＝ＶＰ×（ａ／２Ｓ０ ）である。従って、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されている場合には、ＶＷ０＝ＶＰ／２である。つまり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調整して、ＶＷ０を上記のような電圧に設定するのである。なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているものとする。
【００２６】
これらの二つのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は図示しない制御手段によって連動して切り換え制御がなされる。これらのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の高速のスイッチングが可能なものを用いる。
【００２７】
次に、上述した説明と重複するが、動作について説明する。
まず、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合について説明する。
さて、イオン源１、１′から出射したイオンビームＡ，Ｂは、それぞれ収束レンズ１０、１０′によってイオン溜３のそれぞれの入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に導入し、蓄積されることになるが、このとき、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は共に図３の実線で示すように接続されるので、押出プレート４は接地電位になされ、中間電極１１には負の電圧ＶＷ が印加される。このときのイオンビームＡの振る舞いをシミュレーションした結果を図４に示す。このシミュレーションにおいては、収束レンズ１０に入射するイオンビームの運動エネルギーは１０ｅＶ、その運動エネルギー幅は １．０ｅＶ、中間電極１１に印加される電圧ＶＷ は−２０Ｖである。また、収束レンズ１０の中央電極に印加される電圧ＶＬ は＋２５Ｖである。図４においてはイオンビームＡは、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端面とほぼ同じ位置に収束されてイオン溜３に導入し、蓄積されることが分かる。そして、イオン溜３内ではイオンビームは、ほぼ収束された状態を保ったままｙ方向に飛行している。つまり、イオン溜３の内部でのイオンのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能なのであり、このことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能になり、以て質量分解能を向上させることができるのである。図示しないがイオンビームＢの振る舞いも同様である。
【００２８】
以上のようにして、イオン溜３の有効長さｙ０ の部分に２つのイオンビームＡ，Ｂを蓄積すると、イオン溜３内のイオンをイオンパルスとして排出する。このときには、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は共に図３の破線で示すように接続されるので、押出プレート４には高電圧ＶＰ が印加され、中間電極１１にはＶＷ０＝ＶＰ ／２が印加される。これによって、イオン溜３内に蓄積されたイオンビームＡ，Ｂはグリッド５からイオンパルスとしてＴＯＦＭＳ分光部７に排出される。
【００２９】
以上のように、この垂直加速型飛行時間型質量分析計によれば、２個の異なるイオン源１、１′からのイオンビームを同時にイオン溜３の内部に蓄積して、同時にイオンビームとして排出することができ、しかも、それぞれのイオンビームのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能であるので、異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ高分解能で精度よく測定することが可能である。
【００３０】
以上は、イオンパルスがイオン溜３からｚ方向に直進する、いわゆるリニア型のＴＯＦＭＳについて説明したが、以上に説明した第１の実施形態の構成は、ＴＯＦＭＳ分光部７がセクタ型や、リフレクトロン型であるものにおいても適用できるものである。
【００３１】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
図５は本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第２の実施形態を示す図であり、イオン溜３近傍の部分のみを示す部分図である。その他については図１０に示すと同じである。また、この実施形態でも、イオン検出器８としてはイオン溜３のサイズと同等以上の検出面を持つ２次元の面型の検出器を用いる。
【００３２】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この実施形態のｘ−ｙ平面における構成、ｙ−ｚ平面における構成を示しており、図中、１、１′はイオン源、１０は収束レンズ、１１は中間電極を示す。なお、以下の説明においてはイオン源１、１′から出射されるイオンは正イオンであるとする。
【００３３】
この実施形態においては、２個のイオン源１、１′は、イオン溜３の同一側に配置され、それらのイオン源１、１′からのイオンビームは、ｙ軸に平行にイオン溜３に入射するようになされている。即ち、イオン源１、１′からのイオンビームの飛行方向は同じである。なお、以下、イオン源１からのイオンビームをイオンビームＡと称し、イオン源１′からのイオンビームをイオンビームＢと称することにする。
【００３４】
イオン源１、１′と、イオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されている。収束レンズ１０はアインツェルレンズで構成されており、この場合にはイオンが正イオンであるので、中央電極には正の電圧ＶＬ が印加され、その両側の電極は接地電位となされる。
【００３５】
中間電極１１は、上記の第１の実施形態に示すと同じであり、押出プレート４とグリッド５の間に配置されている。中間電極１１のイオン溜３のイオンビームＡ，Ｂの入射側は、押出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致させるように取り付け支持されている。この中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されていればよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５間の中央でなくてもよい。また、第１の実施形態で説明したように、中間電極１１は、１本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、複数本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、あるいは板状のメッシュ電極で構成してもよい。
【００３６】
この実施形態で重要なことは、収束レンズ１０によるイオンビームＡ，Ｂの収束点が共にイオン溜３の入射側端面近傍に位置するように電圧ＶＬ を設定することである。望ましくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致させることである。そのためには、この中央電極に印加する電圧ＶＬ を、イオン源１、１′に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の最適な電圧を与えればよい。これにより、イオンビームをイオン溜３の入射側端面近傍に収束させることができる。
【００３７】
次に、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧について、図６を参照して説明する。図６において、ＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ はスイッチを示す。
【００３８】
スイッチＳＷ１ は、押出プレート４に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図６の実線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４には電圧ＶＧ が印加される。この電圧ＶＧ は、イオン源１、１′に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の電圧にする。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図６の破線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４にはイオンの電荷極性と同極性の高電圧ＶＰ が印加される。
【００３９】
スイッチＳＷ２ は、中間電極１１に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、図６の実線で示すように接続されて、中間電極１１には負の電圧ＶＷ１が印加される。イオンが正イオンである場合には、この電圧ＶＷ１は、上記の電圧ＶＧ よりも低い電圧である。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、図６の破線で示すように接続されて、中間電極１１にはイオンの電荷極性と同極性の電圧ＶＷ０が印加される。この電圧ＶＷ０は、電圧ＶＰ を可変抵抗Ｒで分圧した電圧であり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかによって決まる。図６に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２Ｓ０ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、ＶＷ０＝ＶＰ×（ａ／２Ｓ０ ）である。従って、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されている場合には、ＶＷ０＝ＶＰ／２である。つまり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調整して、ＶＷ０を上記のような電圧に設定するのである。なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているものとする。
【００４０】
スイッチＳＷ３ は、グリッド５に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図６の実線で示すように接続される。従って、この場合にはグリッド５には、押出プレート４と同じ電圧ＶＧ が印加される。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図６の破線で示すように接続される。従って、この場合にはグリッド５は接地電位となされる。
【００４１】
これらの３つのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は図示しない制御手段によって連動して切り換え制御がなされる。これらのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の高速のスイッチングが可能なものを用いる。
【００４２】
次に、上述した説明と重複するが、動作について説明する。
イオン源１、１′から出射したイオンビームは、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に導入される。
【００４３】
イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合は、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は何れも図６の実線で示すように接続されるので、押出プレート４及びグリッド５には同じ電圧ＶＧ が印加され、中間電極１１にはＶＷ１が印加される。このとき、収束レンズ１０の中央電極に印加する電圧ＶＬ を適切な値に選択すると、イオン溜３の入り口と出口近傍の電位分布を、イオン溜３の入り口近傍の領域ではイオン源１、１′に印加される加速電圧以下の電位を持たせて、イオンビームＡ，Ｂを反射させることなくイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イオン溜３の出口近傍ではイオン源１、１′に印加される加速電圧よりも高くすることができる。これは即ち、収束レンズ１０の中央電極に印加する電圧ＶＬ によって、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布を非対称にすることができることを意味している。
【００４４】
そして、この第２の実施形態では、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が、上述したように、イオン溜３の入り口近傍の領域ではイオン源１、１′に印加される加速電圧以下の電位を持たせてイオンビームをイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イオン溜３の出口近傍ではイオン源１、１′に印加される加速電圧よりも高くなるように非対称になるように電圧ＶＬ を選択する。また、この電圧ＶＬ は、イオンビームの収束点がイオン溜３の入射側端面近傍に位置するような電圧でもあることは上述した通りである。
【００４５】
図７にシミュレーション結果の例を示す。図７は、イオン源１、１′の加速電圧は共に ５Ｖ、ＶＬ ＝１０Ｖ、ＶＧ ＝１０Ｖ、ＶＷ１＝ ０Ｖとしたときの電位分布をシミュレーションしたものであり、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が非対称になっていることがわかる。図７において２０はイオンビームＡの軌道を示す。イオンビームＢの軌道も同様なものとなる。
【００４６】
以上のように、この実施形態では、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布は非対称になるのであり、このときには、イオンビームＡは、図８に示すようにイオン溜３の内部をｙ方向に一往復する。即ち、イオンビームＡは、収束レンズ１０によってイオン溜３のほぼ入射側端面に収束されてイオン溜３の内部に入射し、収束した状態でイオン溜３の内部を飛行して出口に至り、その出口で反射して収束した状態で入り口の方向に飛行するのである。図８に示すシミュレーションにおける電圧の条件は図７に示すと同じである。図示しないが、イオンビームＢのイオン溜３の内部における振る舞いも図８に示すイオンビームＡの振る舞いと同様である。
【００４７】
次に、イオン溜３内のイオンを排出する場合について説明する。このとき、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は何れも図６の破線で示すように接続されるので、押出プレート４には高電圧ＶＰ が印加され、中間電極１１にはＶＷ０＝ＶＰ ／２が印加され、グリッド５は接地電位になされる。これによって、イオン溜３内に蓄積された２つのイオンビームＡ，Ｂはグリッド５からＴＯＦＭＳ分光部７に排出される。
【００４８】
以上のように、この垂直加速型飛行時間型質量分析計によれば、２個の異なるイオン源１、１′からのイオンビームを同時にイオン溜３の内部に蓄積して、同時にイオンビームとして排出することができ、しかも、イオン溜３の内部でのそれぞれのイオンビームのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えた状態で一往復させることができ、このことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能になるので、異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ高分解能で精度よく測定することが可能である。
【００４９】
また、イオン溜３の内部でイオンを一往復させるので、イオン溜３の物理的な長さｙ０ の範囲に蓄積できるイオンの量は従来の２倍となるので、イオン源１、１′で生成されたイオンのＴＯＦＭＳ での検出効率は従来の２倍となる。
【００５０】
そして、このことによって、装置の小型化が可能となる。即ち、イオン溜３に蓄積できるイオンの量は従来の２倍となるので、イオン溜３の長さｙ０ を従来の半分にしても同一量のイオンをイオン溜３に蓄積でき、同一感度が得られるからである。
【００５１】
以上は、イオンパルスがイオン溜３からｚ方向に直進する、いわゆるリニア型のＴＯＦＭＳについて説明したが、以上に説明した第２の実施形態の構成は、ＴＯＦＭＳ分光部７がリフレクトロン型であるものにおいても適用できるものである。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記の第２の実施形態ではイオン源を２つとしたが、３個以上のイオン源を配置することも可能である。また、複数のイオン源の配置としては、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて、図９（ａ）に示すような配置とすることも可能である。また、図９（ｂ）に示すような配置とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第１の実施形態を示す図である。
【図２】押出プレート４、グリッド５及び中間電極１１の配置状態を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態において、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態において、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第２の実施形態を示す図である。
【図６】第２の実施形態において、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧を説明するための図である。
【図７】第２の実施形態において、イオン源１、１′の加速電圧を ５Ｖ、ＶＬ ＝１０Ｖ、ＶＧ ＝１０Ｖ、ＶＷ１＝ ０Ｖとしたときのイオン溜３近傍の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】第２の実施形態で、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明のイオン源の配置の変形例を示す図である。
【図１０】ＯＡ／ＴＯＦ−ＭＳ の一構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１、１′…イオン源、２…ビーム規制スリット、３…長さｙ０ のイオン溜、４…イオン押出プレート、５…グリッド、７…ＴＯＦ−ＭＳ分光部、８…イオン検出器、１０、１０′…収束レンズ、１１…中間電極。
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直加速型飛行時間型質量分析計に係り、特に、複数のイオン源で生成されたイオンビームをイオン溜に同時並行的にイオン溜に導入、蓄積してマススペクトルを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、質量分析計として、試料から発生させたイオンを飛行させることにより、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し、試料の質量分析を行う飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）が提案されている。この飛行時間型質量分析計は、イオンに同一の運動エネルギーを与えたとき、イオンの質量電荷比（ｍ／ｅ：Ｍは質量数、ｅは素電荷量）が小さいものほど、イオン検出器に早く到達することを利用している。
【０００３】
このような飛行時間型質量分析計の一つの種類として、従来、イオンを連続的に出射する連続イオン化法を用いた垂直加速型飛行時間型質量分析計（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ＴＯＦＭＳ。以下、ＯＡ／ＴＯＦＭＳ と称す）が提案されている。
【０００４】
図１０は、ＯＡ／ＴＯＦ−ＭＳ の一構成例を模式的に示す図である。図中、１はイオン源、２はビーム規制スリット、３は長さｙ０ のイオン溜、４はイオン押出プレート、５はイオン溜３のイオン放出口に設けられた、金属メッシュ電極からなるグリッド、７はＴＯＦ−ＭＳ分光部、８はイオン検出器である。
【０００５】
加速電圧Ｖ１ が印加されているイオン源１からのイオンは、ｅＶ１ の運動エネルギーでイオン規制スリット２を通ってイオン溜３に導入される。そして、このイオンが長さｙ０ のイオン溜３に充満された状態において、イオン押出プレート４に高圧パルス電圧（振幅電圧＝ＶＰ ）を印加すると、第１グリッド５が接地電位または接地電位近傍の電位に保持されているので、イオン溜３内に充満されたイオンは、平均ｅＶＰ／２ の運動エネルギーでイオン溜３内でのイオンの飛行方向と垂直方向（ＴＯＦＭＳの光軸方向で図１０のｚ方向）に加速され、イオン溜３のグリッド５から排出される。これがイオンパルスである。このとき、イオンはドリフト方向の長さｙ０ （イオン溜３の長さ）のビーム長分が排出される。
【０００６】
イオン溜３から排出されたイオンパルスはＴＯＦＭＳ分光部７に進入し、ＴＯＦＭＳ分光部７内を飛行した後、イオン検出器８に到達する。このとき、イオンはＴＯＦＭＳ分光部７内の飛行中に質量分離され、質量の小さいイオンから順次イオン検出器８に検出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、垂直加速型飛行時間型質量分析計を用いた場合に限らず、質量分析計を用いて、試料のイオンや、試料のフラグメントイオン（以下、これらを総称して試料イオンと称することにする。）の質量を精密に測定する場合には、標準物質のイオンの質量スペクトルを利用することが広く行われているが、そのためには、試料イオンと、標準物質のイオンの両方の質量スペクトルを測定する必要がある。
【０００８】
このような場合、質量分析計で、まず標準物質のイオンの質量スペクトルを測定し、次に、試料イオンの質量スペクトルを測定するのが通常であるが、測定時間が掛かるばかりでなく、標準物質のイオンの質量スペクトルとを測定する時と、試料イオンの質量スペクトルを測定する時とで時間経過があるので、質量分析計において質量を決定するための種々のパラメータ、例えば電源電圧や、チャージアップ等、の条件が経時変化してしまい、試料イオンの質量の測定精度は低くなってしまうものである。
【０００９】
これに対して、試料と標準物質とを同時に、同一イオン源でイオン化して質量分析計に導入することが考えられる。このようにすれば、試料イオンの質量スペクトルと、標準物質のイオンの質量スペクトルとが同時に測定できるので、質量分析計において質量を決定するための種々のパラメータの経時変化による測定精度の低下はなくなるからである。
【００１０】
しかし、標準物質は、通常イオン化効率が試料よりも高く、容易にイオン化するので、試料と標準物質とを同時に、同一イオン源でイオン化した場合には、試料イオン強度と、標準物質のイオン強度の両方の質量スペクトルを同時にバランスよく測定することは非常に難しいものである。また、標準試料と、試料との物理化学的な特性が大きく異なる場合には、同一のイオン化条件やイオン化法でイオン化しようとしても、標準物質か試料の何れか一方のみがイオン化され、他方はイオン化されない場合も多々ある。
【００１１】
そこで、次に、試料と標準物質とをそれぞれ別個のイオン源でイオン化して質量分析計に導入して、同時に質量スペクトルを測定することが考えられる。しかし、このように複数のイオン源からのイオンビームの質量スペクトルを同時に測定しようとする場合、質量分析計として、今日最も広く用いられている磁場型二重収束質量分析計を用いることは非常に難しいものである。即ち、磁場型二重収束質量分析計では、質量分解能は対物スリットの幅に反比例することが知られており、従って高分解能を得るためには対物スリットの幅は ０．１ｍｍ前後、高さは１０ｍｍ前後とする必要があるが、２個のイオンビームをこのような幅の狭い対物スリットに入射させるには、物理的に与えられている空間が狭過ぎるのである。
【００１２】
また、磁場型の質量分析計では、イオンの質量はイオン源で生成されたイオンビームの運動エネルギーに差があると測定精度が低下してしまうが、試料と標準物質とを同一のイオン化方によってイオン化した場合でも、双方のイオン源で生成されたイオンビームの運動エネルギーに微妙な差が生じることは避け難いので、高精度で両者のイオンの質量スペクトルを測定することは難しいものである。
【００１３】
しかしながら、垂直加速型飛行時間型質量分析計においては、図１０に示すように、一旦、ＴＯＦＭＳ の光軸（図１０のｚ方向）に対して直角方向に配置されたイオン溜３にイオンを蓄積するために、異なる複数のイオン源でイオン化されたイオンビームのイオン運動エネルギーが異なっているとしても、その運動エネルギーの相違は無視できる程度に小さいものとなる。即ち、垂直加速型飛行時間型質量分析計を用いた場合には、複数の異なるイオン源でイオン化したイオンビームを同時にイオン溜に導入、蓄積し、排出することによって、それら異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ精度よく測定できる可能性があるのである。
【００１４】
そこで、本発明は、複数の異なるイオン源でイオン化したイオンビームを同時にイオン溜に導入、蓄積し、排出することによって、それら異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ精度よく測定できる垂直加速型飛行時間型質量分析計を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の垂直加速型飛行時間型質量分析計は、複数のイオン源と、押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッドと、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極とで構成されるイオン溜とを備え、押出プレート、グリッド、中間電極には、複数のイオンビームがイオン溜内で収束した状態でイオン溜内を飛行する電圧が印加されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第１の実施形態を示す図であり、イオン溜３近傍の部分のみを示す部分図である。その他については図１０に示すと同じである。ただし、この実施形態では、イオン検出器８としてはイオン溜３のサイズと同等以上の検出面を持つ２次元の面型の検出器を用いる。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この実施形態のｘ−ｙ平面における構成、ｙ−ｚ平面における構成を示しており、図中、１、１′はイオン源、１０、１０′は収束レンズ、１１は中間電極を示す。なお、以下の説明においてはイオン源１、１′から出射されるイオンは正イオンであるとする。
【００１８】
２個のイオン源１、１′が、ｙ方向に関しては互いに正面に対向するように、ｚ方向に関してはイオン溜３の中心に対してほぼ対称に、それぞれ配置されている。
【００１９】
イオン源１とイオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されており、イオン源１′とイオン溜３の間には収束レンズ１０′が配置されている。この収束レンズ１０、１０′は、アインツェルレンズ、または静電４重極レンズ、あるいは円筒レンズで構成することができるが、ここでは図に示すように、３つの電極からなるアインツェルレンズで構成されるものとする。そして、この場合にはイオンが正イオンであるので、中央電極には正の電圧ＶＬ が印加され、その両側の電極は接地電位となされる。そして、この中央電極に印加する電圧ＶＬ は、収束レンズ１０、１０′によるイオンビームの収束点がそれぞれイオン溜３の入射側端面近傍に位置するように設定する。望ましくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致させることである。そのためには、この中央電極に印加する電圧ＶＬ を、イオン源１に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の最適な電圧を与えればよい。これにより、イオン源１からのイオンビーム（以下、このイオンビームをイオンビームＡと称する）及びイオン源１′からのイオンビーム（以下、このイオンビームをイオンビームＢと称する）を、それぞれイオン溜３の入射側端面近傍に収束させることができる。なお、この収束レンズ１０、１０′は必要不可欠のものではなく、イオン源１、１′により、イオンビームＡ及びイオンビームＢが共にイオン溜３の入射側端面近傍に収束させるようになされている場合には省略することが可能である。
【００２０】
イオン溜３は、押出プレート４と、グリッド５、及び中間電極１１で構成される。中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されている。そして、中間電極１１のイオン溜３のイオンビームＡの入射側、及びイオンビームＢの入射側は、押出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致させるように取り付け支持する。この中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されていればよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５間の中央でなくてもよい。
【００２１】
図２に押出プレート４、グリッド５及び中間電極１１の配置状態の斜視図を示すが、この中間電極１１は、図２（ａ）に示すように１本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、図２（ｂ）に示すように複数本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、あるいは図２（ｃ）に示すように板状のメッシュ電極で構成してもよい。
【００２２】
次に、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧について、図３を参照して説明する。図３において、ＳＷ１ ，ＳＷ２ はスイッチを示す。また、図３では収束レンズ１０、１０′は省略している。
まず、グリッド５は常時接地電位となされている。
【００２３】
スイッチＳＷ１ は、押出プレート４に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図３の実線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４は接地電位になされる。イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図３の破線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４にはイオンの電荷極性と同極性の高電圧ＶＰ が印加される。
【００２４】
スイッチＳＷ２ は、中間電極１１に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、図３の実線で示すように接続されて、中間電極１１には電圧ＶＷ が印加される。この電圧ＶＷ の極性はイオンの電荷極性と逆である。この場合には正イオンであるので、ＶＷ は負の電圧である。正イオンの運動エネルギーが数十ｅＶである場合には、ＶＷ は通常負の数Ｖ〜数十Ｖとなされる。
【００２５】
また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、スイッチＳＷ２ は図３の破線で示すように接続されて、中間電極１１には高電圧ＶＰ を可変抵抗Ｒで分圧した電圧ＶＷ０が印加される。この電圧ＶＷ０は、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかによって決まる電圧であり、図３に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２Ｓ０ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、ＶＷ０＝ＶＰ×（ａ／２Ｓ０ ）である。従って、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されている場合には、ＶＷ０＝ＶＰ／２である。つまり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調整して、ＶＷ０を上記のような電圧に設定するのである。なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているものとする。
【００２６】
これらの二つのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は図示しない制御手段によって連動して切り換え制御がなされる。これらのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の高速のスイッチングが可能なものを用いる。
【００２７】
次に、上述した説明と重複するが、動作について説明する。
まず、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合について説明する。
さて、イオン源１、１′から出射したイオンビームＡ，Ｂは、それぞれ収束レンズ１０、１０′によってイオン溜３のそれぞれの入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に導入し、蓄積されることになるが、このとき、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は共に図３の実線で示すように接続されるので、押出プレート４は接地電位になされ、中間電極１１には負の電圧ＶＷ が印加される。このときのイオンビームＡの振る舞いをシミュレーションした結果を図４に示す。このシミュレーションにおいては、収束レンズ１０に入射するイオンビームの運動エネルギーは１０ｅＶ、その運動エネルギー幅は １．０ｅＶ、中間電極１１に印加される電圧ＶＷ は−２０Ｖである。また、収束レンズ１０の中央電極に印加される電圧ＶＬ は＋２５Ｖである。図４においてはイオンビームＡは、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端面とほぼ同じ位置に収束されてイオン溜３に導入し、蓄積されることが分かる。そして、イオン溜３内ではイオンビームは、ほぼ収束された状態を保ったままｙ方向に飛行している。つまり、イオン溜３の内部でのイオンのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能なのであり、このことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能になり、以て質量分解能を向上させることができるのである。図示しないがイオンビームＢの振る舞いも同様である。
【００２８】
以上のようにして、イオン溜３の有効長さｙ０ の部分に２つのイオンビームＡ，Ｂを蓄積すると、イオン溜３内のイオンをイオンパルスとして排出する。このときには、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ は共に図３の破線で示すように接続されるので、押出プレート４には高電圧ＶＰ が印加され、中間電極１１にはＶＷ０＝ＶＰ ／２が印加される。これによって、イオン溜３内に蓄積されたイオンビームＡ，Ｂはグリッド５からイオンパルスとしてＴＯＦＭＳ分光部７に排出される。
【００２９】
以上のように、この垂直加速型飛行時間型質量分析計によれば、２個の異なるイオン源１、１′からのイオンビームを同時にイオン溜３の内部に蓄積して、同時にイオンビームとして排出することができ、しかも、それぞれのイオンビームのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えることが可能であるので、異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ高分解能で精度よく測定することが可能である。
【００３０】
以上は、イオンパルスがイオン溜３からｚ方向に直進する、いわゆるリニア型のＴＯＦＭＳについて説明したが、以上に説明した第１の実施形態の構成は、ＴＯＦＭＳ分光部７がセクタ型や、リフレクトロン型であるものにおいても適用できるものである。
【００３１】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
図５は本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第２の実施形態を示す図であり、イオン溜３近傍の部分のみを示す部分図である。その他については図１０に示すと同じである。また、この実施形態でも、イオン検出器８としてはイオン溜３のサイズと同等以上の検出面を持つ２次元の面型の検出器を用いる。
【００３２】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、この実施形態のｘ−ｙ平面における構成、ｙ−ｚ平面における構成を示しており、図中、１、１′はイオン源、１０は収束レンズ、１１は中間電極を示す。なお、以下の説明においてはイオン源１、１′から出射されるイオンは正イオンであるとする。
【００３３】
この実施形態においては、２個のイオン源１、１′は、イオン溜３の同一側に配置され、それらのイオン源１、１′からのイオンビームは、ｙ軸に平行にイオン溜３に入射するようになされている。即ち、イオン源１、１′からのイオンビームの飛行方向は同じである。なお、以下、イオン源１からのイオンビームをイオンビームＡと称し、イオン源１′からのイオンビームをイオンビームＢと称することにする。
【００３４】
イオン源１、１′と、イオン溜３の間には収束レンズ１０が配置されている。収束レンズ１０はアインツェルレンズで構成されており、この場合にはイオンが正イオンであるので、中央電極には正の電圧ＶＬ が印加され、その両側の電極は接地電位となされる。
【００３５】
中間電極１１は、上記の第１の実施形態に示すと同じであり、押出プレート４とグリッド５の間に配置されている。中間電極１１のイオン溜３のイオンビームＡ，Ｂの入射側は、押出プレート４とグリッド５との端面とほぼ一致させるように取り付け支持されている。この中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間に配置されていればよく、必ずしも押出プレート４とグリッド５間の中央でなくてもよい。また、第１の実施形態で説明したように、中間電極１１は、１本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、複数本の金属ワイヤ電極で構成してもよく、あるいは板状のメッシュ電極で構成してもよい。
【００３６】
この実施形態で重要なことは、収束レンズ１０によるイオンビームＡ，Ｂの収束点が共にイオン溜３の入射側端面近傍に位置するように電圧ＶＬ を設定することである。望ましくは収束点をイオン溜３の入射側端面の位置に一致させることである。そのためには、この中央電極に印加する電圧ＶＬ を、イオン源１、１′に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の最適な電圧を与えればよい。これにより、イオンビームをイオン溜３の入射側端面近傍に収束させることができる。
【００３７】
次に、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧について、図６を参照して説明する。図６において、ＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ はスイッチを示す。
【００３８】
スイッチＳＷ１ は、押出プレート４に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図６の実線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４には電圧ＶＧ が印加される。この電圧ＶＧ は、イオン源１、１′に印加される加速電圧と同極性で、且つそれ以上の電圧にする。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図６の破線で示すように接続される。従って、この場合には押出プレート４にはイオンの電荷極性と同極性の高電圧ＶＰ が印加される。
【００３９】
スイッチＳＷ２ は、中間電極１１に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、図６の実線で示すように接続されて、中間電極１１には負の電圧ＶＷ１が印加される。イオンが正イオンである場合には、この電圧ＶＷ１は、上記の電圧ＶＧ よりも低い電圧である。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、図６の破線で示すように接続されて、中間電極１１にはイオンの電荷極性と同極性の電圧ＶＷ０が印加される。この電圧ＶＷ０は、電圧ＶＰ を可変抵抗Ｒで分圧した電圧であり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかによって決まる。図６に示すように押出プレート４とグリッド５間の距離が２Ｓ０ （ｍｍ）であり、中間電極１１がグリッド５からａ（ｍｍ）の距離に配置されているとすると、ＶＷ０＝ＶＰ×（ａ／２Ｓ０ ）である。従って、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されている場合には、ＶＷ０＝ＶＰ／２である。つまり、中間電極１１が押出プレート４とグリッド５の間のどのような位置に配置されているかに応じて、可変抵抗Ｒの値を調整して、ＶＷ０を上記のような電圧に設定するのである。なお、ここでは便宜的に、中間電極１１は、押出プレート４とグリッド５の間の中央の位置に配置されているものとする。
【００４０】
スイッチＳＷ３ は、グリッド５に印加する電圧を切り換えるためのものであり、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には図６の実線で示すように接続される。従って、この場合にはグリッド５には、押出プレート４と同じ電圧ＶＧ が印加される。また、イオン溜３からイオンパルスを排出する場合には、瞬間的に図６の破線で示すように接続される。従って、この場合にはグリッド５は接地電位となされる。
【００４１】
これらの３つのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は図示しない制御手段によって連動して切り換え制御がなされる。これらのスイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ としては、ＱスイッチやＭＯＳＦＥＴスイッチ等の高速のスイッチングが可能なものを用いる。
【００４２】
次に、上述した説明と重複するが、動作について説明する。
イオン源１、１′から出射したイオンビームは、収束レンズ１０によってイオン溜３の入射側端面近傍の位置で収束されてイオン溜３に導入される。
【００４３】
イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合は、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は何れも図６の実線で示すように接続されるので、押出プレート４及びグリッド５には同じ電圧ＶＧ が印加され、中間電極１１にはＶＷ１が印加される。このとき、収束レンズ１０の中央電極に印加する電圧ＶＬ を適切な値に選択すると、イオン溜３の入り口と出口近傍の電位分布を、イオン溜３の入り口近傍の領域ではイオン源１、１′に印加される加速電圧以下の電位を持たせて、イオンビームＡ，Ｂを反射させることなくイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イオン溜３の出口近傍ではイオン源１、１′に印加される加速電圧よりも高くすることができる。これは即ち、収束レンズ１０の中央電極に印加する電圧ＶＬ によって、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布を非対称にすることができることを意味している。
【００４４】
そして、この第２の実施形態では、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が、上述したように、イオン溜３の入り口近傍の領域ではイオン源１、１′に印加される加速電圧以下の電位を持たせてイオンビームをイオン溜３の内部に取り込めるように、また、イオン溜３の出口近傍ではイオン源１、１′に印加される加速電圧よりも高くなるように非対称になるように電圧ＶＬ を選択する。また、この電圧ＶＬ は、イオンビームの収束点がイオン溜３の入射側端面近傍に位置するような電圧でもあることは上述した通りである。
【００４５】
図７にシミュレーション結果の例を示す。図７は、イオン源１、１′の加速電圧は共に ５Ｖ、ＶＬ ＝１０Ｖ、ＶＧ ＝１０Ｖ、ＶＷ１＝ ０Ｖとしたときの電位分布をシミュレーションしたものであり、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布が非対称になっていることがわかる。図７において２０はイオンビームＡの軌道を示す。イオンビームＢの軌道も同様なものとなる。
【００４６】
以上のように、この実施形態では、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積する場合には、イオン溜３の入り口近傍と出口近傍の電位分布は非対称になるのであり、このときには、イオンビームＡは、図８に示すようにイオン溜３の内部をｙ方向に一往復する。即ち、イオンビームＡは、収束レンズ１０によってイオン溜３のほぼ入射側端面に収束されてイオン溜３の内部に入射し、収束した状態でイオン溜３の内部を飛行して出口に至り、その出口で反射して収束した状態で入り口の方向に飛行するのである。図８に示すシミュレーションにおける電圧の条件は図７に示すと同じである。図示しないが、イオンビームＢのイオン溜３の内部における振る舞いも図８に示すイオンビームＡの振る舞いと同様である。
【００４７】
次に、イオン溜３内のイオンを排出する場合について説明する。このとき、スイッチＳＷ１ ，ＳＷ２ ，ＳＷ３ は何れも図６の破線で示すように接続されるので、押出プレート４には高電圧ＶＰ が印加され、中間電極１１にはＶＷ０＝ＶＰ ／２が印加され、グリッド５は接地電位になされる。これによって、イオン溜３内に蓄積された２つのイオンビームＡ，Ｂはグリッド５からＴＯＦＭＳ分光部７に排出される。
【００４８】
以上のように、この垂直加速型飛行時間型質量分析計によれば、２個の異なるイオン源１、１′からのイオンビームを同時にイオン溜３の内部に蓄積して、同時にイオンビームとして排出することができ、しかも、イオン溜３の内部でのそれぞれのイオンビームのｚ方向の空間的広がりを最小限に抑えた状態で一往復させることができ、このことによって、イオン溜３からイオンパルスとして排出するときのイオンの持つ運動エネルギーの広がりを最小限に抑えることが可能になるので、異なるイオンビームの質量スペクトルを同時に、且つ高分解能で精度よく測定することが可能である。
【００４９】
また、イオン溜３の内部でイオンを一往復させるので、イオン溜３の物理的な長さｙ０ の範囲に蓄積できるイオンの量は従来の２倍となるので、イオン源１、１′で生成されたイオンのＴＯＦＭＳ での検出効率は従来の２倍となる。
【００５０】
そして、このことによって、装置の小型化が可能となる。即ち、イオン溜３に蓄積できるイオンの量は従来の２倍となるので、イオン溜３の長さｙ０ を従来の半分にしても同一量のイオンをイオン溜３に蓄積でき、同一感度が得られるからである。
【００５１】
以上は、イオンパルスがイオン溜３からｚ方向に直進する、いわゆるリニア型のＴＯＦＭＳについて説明したが、以上に説明した第２の実施形態の構成は、ＴＯＦＭＳ分光部７がリフレクトロン型であるものにおいても適用できるものである。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記の第２の実施形態ではイオン源を２つとしたが、３個以上のイオン源を配置することも可能である。また、複数のイオン源の配置としては、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて、図９（ａ）に示すような配置とすることも可能である。また、図９（ｂ）に示すような配置とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第１の実施形態を示す図である。
【図２】押出プレート４、グリッド５及び中間電極１１の配置状態を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態において、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態において、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明に係る垂直加速型飛行時間型質量分析計の第２の実施形態を示す図である。
【図６】第２の実施形態において、押出プレート４、グリッド５、及び中間電極１１に印加する電圧を説明するための図である。
【図７】第２の実施形態において、イオン源１、１′の加速電圧を ５Ｖ、ＶＬ ＝１０Ｖ、ＶＧ ＝１０Ｖ、ＶＷ１＝ ０Ｖとしたときのイオン溜３近傍の電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】第２の実施形態で、イオン溜３にイオンを導入し、蓄積するときのイオンビームの振る舞いのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明のイオン源の配置の変形例を示す図である。
【図１０】ＯＡ／ＴＯＦ−ＭＳ の一構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１、１′…イオン源、２…ビーム規制スリット、３…長さｙ０ のイオン溜、４…イオン押出プレート、５…グリッド、７…ＴＯＦ−ＭＳ分光部、８…イオン検出器、１０、１０′…収束レンズ、１１…中間電極。
Claims (1)
- 複数のイオン源と、
押出プレートと、イオン放出口に設けられたグリッドと、押出プレートとグリッドの間に配置された中間電極とで構成されるイオン溜と
を備え、
押出プレート、グリッド、中間電極には、複数のイオンビームがイオン溜内で収束した状態でイオン溜内を飛行する電圧が印加される
ことを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06438099A JP3581269B2 (ja) | 1999-03-11 | 1999-03-11 | 垂直加速型飛行時間型質量分析計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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