JP3773430B2

JP3773430B2 - 飛行時間型質量分析計のイオン光学系

Info

Publication number: JP3773430B2
Application number: JP2001275940A
Authority: JP
Inventors: 田久松
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003086129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行時間型質量分析計（TOFMS）のイオン光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析計（TOFMS）においては、一定の加速エネルギーで加速した試料イオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する飛行時間を計測して質量を求める。
【０００３】
飛行時間型質量分析計では、飛行距離が長い程高い質量分離能が得られるが、飛行距離を長くすると装置の大型化は避けられない。そこで、大型化を防ぎつつ長い飛行距離を実現するために、これまでに多くの工夫がなされている。
【０００４】
その一つとして、最近では、らせん階段型のイオン光学系が提案されている（質量分析Vol.48,p.303(2000)または特開2000-243345号公報）。この方法では、イオンが複数回周回可能なように複数の円筒電場を配置すると共に、円筒電場の軸に直交する平面に対しイオンをθ_０傾けて円筒電場に打ち込むことにより、らせん階段を下るように何回もイオンを周回させて飛行距離を長くしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、らせん階段型のイオン光学系においては、円筒電場にｙ方向（円筒電場の軸方向）の収束性がないため、イオンの飛行距離が増すと共にイオンビームが拡がって、周回数の異なるイオン種が混じる可能性がある。
【０００６】
また、円筒電場中におけるイオンの位置や飛行方向は、イオン打ち込みの際の入射角θ_０だけで決められるので、イオンをらせん階段型イオン光学系のイオン取り出し位置に正確に到達させるための入射角θ_０の調整は微妙な調整となって極めて困難である。
【０００７】
本発明は、上述した諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、円筒電場の軸方向の収束性を持ち、入射角θ_０の調整が極めて容易で、イオンを所定回数だけ確実に周回させることができる飛行時間型質量分析計のイオン光学系を提供することにある。
【０００８】
【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、本発明は、イオンが順次通過する複数の円筒電場を備え、その複数の円筒電場は最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されている飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、前記円筒電場間に、イオン軌道を円筒電場の軸方向にずらせる偏向電場を備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。
【００１０】
図１は、本発明に従う飛行時間型質量分析計のイオン光学系の一実施例を示す図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のイオン軌道中心Ｃに沿ったＡ−Ａ断面図である。
【００１１】
図１（ａ）において、Ｅ１〜Ｅ６は回転角度６０°の同一形状及び同一強度の円筒電場である。各円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、同心円筒電極である内側電極１〜６と外側電極１’〜６’の間の空間に生成される。
【００１２】
図１（ａ）に示されているように、６つの円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、軸心Ｏを中心として６０°の等間隔で回転対称に配置され、それにより、正六角形状のイオン軌道が形成される。
【００１３】
また、図１（ａ）に示されているように、電場Ｅ１とＥ６の間には、イオン源で生成された試料イオンを正六角形状のイオン軌道に向けて入射させるための偏向電場Ｅ０が配置されている。また、同じく電場Ｅ１とＥ６の間には、正六角形状のイオン軌道を飛行してきた試料イオンを外部へ取り出すための偏向電場Ｅ７が配置されている。
【００１４】
さらに、本発明においては、図１（ａ）に示されているように、電場Ｅ３とＥ４の間には、イオン軌道を円筒電場の軸方向にずらせるための偏向電場Ｅｉ，Ｅｉ’が配置されている。偏向電場Ｅｉは、図１（ｂ）に示されているように、平行平面コンデンサ７〜１２のそれぞれの平行平板間に生成される。一方、偏向電場Ｅｉ’は、図１（ｂ）に示されているように、平行平面コンデンサ７’〜１２’のそれぞれの平行平板間に生成される。このように本発明では、円筒電場Ｅ３とＥ４の間には、偏向電場Ｅｉ，Ｅｉ’を生成するための平行平面コンデンサが配置されており、平行平面コンデンサ７と７’のように２個で１組の平行平面コンデンサが、円筒電場の軸方向に６段配置されている。
【００１５】
そして、前記偏向電場ＥｉとＥｉ’によるイオンの偏向方向は互いに反対であり、偏向量は等しい。すなわち、円筒電場Ｅ３から偏向電場Ｅｉに入射したイオンは、電場Ｅｉによってθだけ下方（−ｙ方向）に偏向され、一方、電場Ｅｉを通過して偏向電場Ｅｉ’に入射したイオンは、電場Ｅｉ’によってθだけ上方（ｙ方向）に偏向される。
【００１６】
このような構成において、イオン源で生成された試料イオンは、軸Ｏと平行に上から下へ向けて飛行し、偏向電場Ｅ０に入射する。そして、偏向電場Ｅ０により飛行方向が９０°曲げられた試料イオンは、第１の円筒電場Ｅ１に入射し、その後、順次円筒電場Ｅ２，Ｅ３を通過する。上述したように、試料イオンは偏向電場Ｅ０により９０°曲げられて円筒電場Ｅ１に入射するので、試料イオンが円筒電場Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を通過する際、その試料イオンの軌道は円筒電場の軸（軸心Ｏ）に直交する平面上にある。
【００１７】
そして、図１（ｂ）に示されているように、円筒電場Ｅ３を出射した試料イオンは、平行平面コンデンサ７の偏向電場Ｅｉに入射する。この平行平面コンデンサ７の偏向電場Ｅｉに入射したイオンは、その電場Ｅｉによってθだけ−ｙ方向に偏向され、その後、試料イオンは平行平面コンデンサ７’の偏向電場Ｅｉ’に入射する。この平行平面コンデンサ７’の偏向電場Ｅｉ’に入射したイオンは、その電場Ｅｉ’によってθだけｙ方向に偏向される。
【００１８】
このように、本発明では、円筒電場Ｅ３を出射したイオンビームは、平行平面コンデンサ７の偏向電場Ｅｉと平行平面コンデンサ７’の偏向電場Ｅｉ’によって、円筒電場の軸方向に平行にずらされる。
【００１９】
そして、平行平面コンデンサ７’の偏向電場Ｅｉ’を出射した試料イオンは、第４の円筒電場Ｅ４に入射し、その後、順次円筒電場Ｅ５，Ｅ６，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を通過する。この間、試料イオンの軌道は円筒電場の軸に直交する平面上にある。
【００２０】
そして、図１（ｂ）に示されているように、円筒電場Ｅ３を出射した試料イオンは、平行平面コンデンサ８の偏向電場Ｅｉに入射する。ここでも、試料イオンは上述した平行平面コンデンサ７のときと同じ偏向作用を受け、平行平面コンデンサ８の偏向電場Ｅｉに入射したイオンは、その電場Ｅｉによってθだけ−ｙ方向に偏向される。その後、試料イオンは平行平面コンデンサ８’の偏向電場Ｅｉ’に入射し、試料イオンは上述した平行平面コンデンサ７’のときと同じ偏向作用を受ける。すなわち、平行平面コンデンサ８’の偏向電場Ｅｉ’に入射したイオンは、その電場Ｅｉ’によってθだけｙ方向に偏向される。
【００２１】
そして、平行平面コンデンサ８’の偏向電場Ｅｉ’を出射した試料イオンは、前記と同様にして、順次円筒電場Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を通過し、その後、平行平面コンデンサ９の偏向電場Ｅｉに入射する。
【００２２】
以後、同様にして、試料イオンは、各平行平面コンデンサ（９〜１２，９’〜１２’）による偏向電場Ｅｉ，Ｅｉ’によって円筒電場の軸方向に平行にずらされながら、順次円筒電場Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を通過する。このため、図１（ｂ）に示されているように、イオン軌道は円筒電場内で徐々に下方（−ｙ方向）に移動して行く。
【００２３】
こうして、最初に円筒電場Ｅ１に打ち込まれた試料イオンは、図１（ｂ）に示すイオン軌道に沿ってらせん階段を下るように下降して行き、６周したところで円筒電場Ｅ１とＥ６の間の６周後のイオン軌道の高さに合わせて設けられた偏向電場Ｅ７に入射し軸Ｏの方向に取り出されることとなる。取り出されたイオンは、図示しないイオン検出器により検出される。
【００２４】
このように本発明では、合計の回転角が３６０°になりイオンが複数回周回可能なように複数の円筒電場を配置したイオン光学系において、円筒電場間の自由空間の１つに、イオン軌道を円筒電場の軸方向に平行にずらせる偏向電場を備えることにより、イオン軌道を円筒軸の方向に周回ごとにずらすことができる。
【００２５】
しかも、図１における各平行平面コンデンサは、イオンビームに対して僅かのｙ方向収束作用をもつため、イオンビームは従来のようにｙ方向に拡散せず、一定の範囲内を収束して進行する。また、１組のコンデンサは偏向方向が反対であるから、それらによってイオンビームのエネルギー収束も成立する。
【００２６】
表１は、図１に示されているイオン光学系において、円筒電場Ｅ１〜Ｅ６の回転半径を５ｃｍ、各電場間の直線軌道の長さを５ｃｍとし、６周後に電場Ｅ６とＥ１の間からイオンを取り出した場合について計算により求めた、図１（ｂ）の1，2，3，4，5，6位置におけるｙ方向の収束性を表わす収差係数（ｙ｜ｙ），（ｙ｜β），（ｙ｜δ）を示している。すなわち、電場Ｅ３，Ｅ４間におけるイオン周回毎の収差係数（ｙ｜ｙ），（ｙ｜β），（ｙ｜δ）を示している。なお、ｘ方向の収束性は、特開2000-243345号公報に示したとおりである。
【００２７】

円筒電場Ｅ１〜Ｅ６の回転半径を１として正規化すると、図１における１周のイオン軌道の長さは約１２であるから、（ｙ｜β）の値は、１２以下の数値なら収束していることを示している。実際、表１における（ｙ｜β）の値はいずれも１２より小さく、また、表１における６周目の収差係数はいずれも極めて小さく、ｙ方向の収束性が優れた飛行時間型質量分析系のイオン光学系であることが分かる。このようにｙ方向の収束性が優れた本発明のイオン光学系においては、イオンの飛行距離が増してもイオンビームはｙ方向に拡がらず、したがって、周回数の異なるイオン種が混じることはない。
【００２８】
また、本発明においては、イオン打ち込み時の入射角θ_０の調整は、単にイオンが最初の平行平面コンデンサに到達するように調整するだけなので極めて容易となる。そして、所定段数設けられた平行平面コンデンサに所定の電圧を印加するだけで、イオンを所定回数だけ確実に周回させることができる。
【００２９】
さらに、本発明において、平行平面コンデンサの段数を必要に応じて増やすことにより、イオン群を１０周でも２０周でも走らせることができる。この際、１周毎にイオンを円筒軸方向に８ｍｍずらせるとすると、円筒軸方向に１６ｃｍの長さを有する円筒電場を配置すれば、イオンを２０周回させることができる。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施例に限定されることなく、変形が可能である。例えば、上記実施例では円筒電場Ｅ３，Ｅ４間に偏向電場Ｅｉ，Ｅｉ’を配置したが、それ以外の円筒電場間の自由空間の少なくとも１つに、偏向電場Ｅｉ，Ｅｉ’を配置するようにしても良い。
【００３１】
また、上記実施例では回転角度６０°の６つの円筒電場を回転対称に配置したが、これに限らず、合計の回転角度が３６０°となり周回が可能なように複数の円筒電場を組み合わせれば良い。
【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のイオン光学系の実施例を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１〜Ｅ６…円筒電場、Ｅｉ，Ｅｉ’…偏向電場、１〜６…内側電極、１’〜６’…外側電極、７〜１２’…平行平面コンデンサ

Claims

イオンが順次通過する複数の円筒電場を備え、その複数の円筒電場は最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されている飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、
前記円筒電場間に、イオン軌道を円筒電場の軸方向にずらせる偏向電場を備えたことを特徴とする飛行時間型質量分析計のイオン光学系。
前記偏向電場はイオンが順次通過する２つの偏向電場を備えており、その２つの偏向電場はそれぞれ平行平面コンデンサによって生成されていて、それらの偏向電場によるイオンの偏向方向は互いに反対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のイオン光学系。
前記イオンが円筒電場を通過するときのイオン軌道は、円筒電場の軸に直交する平面上にあることを特徴とする請求項１または２に記載の飛行時間型質量分析計のイオン光学系。
前記複数の円筒電場は、イオンの回転方向が同一で合計の回転角度が３６０°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のイオン光学系。
前記複数の円筒電場は、回転角度及び回転半径が等しい６個の円筒電場から構成され、且つ回転対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載の飛行時間型質量分析装置のイオン光学系。