JP4232662B2

JP4232662B2 - イオン化装置

Info

Publication number: JP4232662B2
Application number: JP2004068364A
Authority: JP
Inventors: 良弘上野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005259482A

Description

本発明は、試料分子や原子をイオン化するためのイオン化装置に関し、更に詳しくは、電子イオン化法（電子衝撃イオン化法ともいう）や化学イオン化法など、熱電子を利用するイオン化装置に関する。なお、本発明に係るイオン化装置は例えば質量分析装置のイオン源として利用できるほか、イオン注入装置などイオンを利用した各種装置に適用することができる。

質量分析装置では、気体試料をイオン化するために電子イオン化法（ＥＩ）や化学イオン化法（ＣＩ）などの各種イオン化法が用いられる。図４は電子イオン化法によるイオン源を備える質量分析装置の要部の構成図、図５はイオン源の詳細図である（例えば特許文献１など参照）。

図４において、真空容器２０の内部は真空ポンプ２１により真空排気され、所定の真空度に維持される。例えば図示しないガスクロマトグラフ（ＧＣ）のカラムから流出する試料ガスは適宜のインタフェイスを介して接続管１０からイオン化室１内へと供給される。イオン化室１にはフィラメント３からトラップ電極４に向かう熱電子流が形成されており、イオン化室１に導入された試料分子に熱電子が接触することによって該分子はイオン化される。発生した各種イオンはイオン化室１から引き出されてイオン光学系２２を通って四重極質量フィルタ２３の長軸方向の空間に導入される。四重極質量フィルタ２３には図示しない電源から直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、その印加電圧に応じた質量数を有するイオンのみがその長軸方向の空間を通過し、イオン検出器２４に到達して検出される。それ以外の不要なイオン種は四重極質量フィルタ２３の長軸方向の空間を通り抜けることができず、途中で発散して消失する。

イオン源について詳しく説明すると、図５において、イオン化室１の壁面に開口した電子導入口１１の外側にはフィラメント３が内装されたフィラメント室２が配置されており、図示しない加熱電流源からフィラメント３に加熱電流Ifが供給されるとフィラメント３の温度が上昇して熱電子が放出される。一方、イオン化室１にあって電子導入口１１に対向する位置には電子出射口１２が設けられ、その外側にはトラップ電極４が配置されている。例えばフィラメント３には例えば-70[V]の電圧V1、フィラメント室２には電圧V1よりも僅かに低い例えば-71[V]の電圧V2、トラップ電極４には電圧V1,V2よりも僅かに高い例えば-68[V]の電圧V3が印加され、イオン化室１は接地電位（0[V]）にされている。

フィラメント３で発生した熱電子は、フィラメント室２とイオン化室１との間の電位差によって加速されてイオン化室１内に入る。そして、試料分子（Ｍ）に熱電子（ｅ^-）が接触すると、Ｍ＋ｅ^- → Ｍ^+・＋２ｅ^- のようにして分子イオンＭ^+・が生成される。電子はトラップ電極４に到達し、これによってトラップ電極４にはトラップ電流Ibが流れる。イオン化室１内で発生した正イオンは、引き出し電極５により形成される電場によってイオン化室１から外部へと引き出される。トラップ電極４に捕捉される電子数はフィラメント３から放出された電子数に依存しているから、図示しない制御回路は、トラップ電極４に到達した電子により流れるトラップ電流Ibが所定値になるように加熱電流Ifを制御する。これによって、フィラメント３での熱電子の発生量がほぼ一定になり、イオン化室１内で安定したイオン化が達成される。なお、図示しないが、イオン化室１内には磁場を形成するようになっており、この磁場によって熱電子が螺旋状に旋回しながらトラップ電極４へと向かうようにしている。それによりイオン化室１内での熱電子の滞在時間を長くすることができ、熱電子と試料分子との接触の機会を増やしてイオン化効率を向上させている。

イオン化室１内で発生したイオンは、その全量が引き出し電極５により引き出されて質量分析に利用されることが望ましい。しかしながら、本願発明者の検討によれば、上記のような従来のイオン化装置では、フィラメント３及びフィラメント室２、並びにトラップ電極４の電場の影響がイオン化室１の電子導入口１１の近傍に及び、この電場によってイオン化室１内で生成されたイオンの一部が図５中に矢印で示すようにフィラメント３やトラップ電極４に引き込まれてしまい、イオンを損失する一因となっていることが判明した。こうしたイオンの損失によって質量分析に利用し得るイオンの量が減少し、分析感度の向上を阻害する要因になっている。また、引き込まれたイオンがフィラメント３に衝突することによってフィラメントの消耗が進み、寿命が短くなるという問題もある。

特開２０００−６７８０８号公報（[0002]、[0003]段及び図４）

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオン化室内で生成されたイオンの損失を回避又は軽減するとともに、イオンがフィラメントに接触することによるフィラメントの劣化を防止することができるイオン化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係るイオン化装置は、
a)加熱により熱電子を発生するフィラメントと、
b)前記フィラメントで発生した熱電子を内部に導入する電子導入口と該電子導入口と対向する位置に配設された電子出射口とを有し、その内部において前記熱電子を利用して試料分子又は原子をイオン化するイオン化室と、
c)前記電子出射口の外側に配置され、該電子出射口を通して前記イオン化室内部から出射された熱電子を捕捉するトラップ電極と、
d)前記フィラメントと前記電子導入口との間に配置され、熱電子が通過可能な開口が形成された電極であって、イオンをイオン化室内へとはね返すための電場として前記電子導入口から当該電極に向かいイオンにとって上り傾斜の電位をもつ電場を形成する第１イオン漏出防止用電極と、
e)前記トラップ電極と前記電子出射口との間に配置され、熱電子が通過可能な開口が形成された電極であって、イオンをイオン化室内へとはね返すための電場として前記電子出射口から当該電極に向かいイオンにとって上り傾斜の電位をもつ電場を形成する第２イオン漏出防止用電極と、
を備えることを特徴としている。

具体的には、本発明に係るイオン化装置は、イオン化室内での試料分子と熱電子との直接的な接触又は接近によってイオン化を行う電子イオン化法、或いは、イオン化室内に導入された試薬ガス（バッファガス）分子を熱電子との接触によりイオン化し、その試薬ガスイオンと試料分子とを化学反応させて試料分子をイオン化する化学イオン化法、のいずれかにより試料分子をイオン化するものである。これらイオン化法によってイオン化室内で発生したイオンの一部がフィラメントの方向に向かって進行しようとしても、電子導入開口の外側に配置されたイオン漏出防止用電極によって形成される電場によってイオン化室内部方向へと押し戻される。また、熱電子生成用のフィラメントと対でイオン化室の外側に設けられる電子トラップ用の電極とイオン化室との間にも、同様のイオン漏出防止用電極が配置される。このような作用によって、イオン化室内からのイオンの無駄な漏出を防止することができ、生成したイオンを損失することなくイオン化室から引き出して（又は内部から押し出して）質量分析などの本来の目的に効率良く利用することができる。

一般的にイオン化室は接地電位とされることが多いが、その場合にはイオン漏出防止用電極に正の直流電圧（例えば１〜10[V]程度）を印加すればよい。

本発明に係るイオン化装置によれば、イオン化室で生成したイオンの損失が軽減され、そのイオンを効率良く本来の目的に利用することができるようになる。それによって、本発明に係るイオン化装置を質量分析装置のイオン源として用いれば、質量分析対象のイオンの量が増加し、分析感度の向上を図ることができる。また、本発明によればフィラメントにイオンが衝突することを防止することができるので、フィラメントの損傷を軽減して長い寿命を保つことができる。

以下、本発明に係るイオン化装置の一実施例を図面を参照して説明する。図１は本実施例のイオン化装置の構成図である。図４と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

本実施例のイオン化装置の特徴的な構成として、イオン化室１の電子導入口１１とフィラメント室２との間、及び電子出射口１２とトラップ電極４との間に、それぞれイオン漏出防止用電極６が配置されている。この電極６は例えば中央に円形の開口を有するリング状の金属板とすることができるが、形状はこれに限るものではない。例えば平板状でなく湾曲板状等としてもよく、中央開口の形状も円形ではなく楕円状、四角形状など任意の形状にすることができる。要するに、電子導入口１１及び電子出射口１２近傍に後述するようにイオンをはね返す（押し戻す）電場を形成でき、且つ、電子の通過を妨げることのない形状でありさえすればよい。

上述したように、イオン化室１が接地電位（0[V]）とされ、フィラメント３に-70[V]の電圧V1、フィラメント室２に-71[V]の電圧V2、トラップ電極４に-68[V]の電圧V3が印加されている場合、イオン漏出防止用電極６には図示しない電源より、接地電位よりも少し高い+10[V]程度の電圧V4を印加する。図５に示した従来のイオン化装置においてフィラメント３からトラップ電極４に向かう線上での電位分布の概念は図２（ａ）に示すようになり、一方、本実施例のイオン化装置における電位分布の概念は図２（ｂ）に示すようになる。

図２（ａ）に示すように、従来のイオン化装置では、フィラメント３及びトラップ電極４に印加された大きな負電圧の影響により、イオン化室１の両端に向かうに従って電位が下向きに傾斜する。そのため、イオンがイオン化室１内の中央付近に存在する場合は問題ないが、端部に近づくように移動すると、上述した電位の傾斜によってフィラメント３又はトラップ電極４の方向に誘引され、最終的にフィラメント３又はトラップ電極４に捉えられてしまう。これに対し、本実施例のイオン化装置では、図２（ｂ）に示すように、イオン漏出防止用電極６によってイオン化室１の両端に電位の盛り上がりが形成され、イオン化室１内のイオンは浅い皿状の電位の底に存在している状態となる。そのため、仮に小さな運動エネルギーで以てイオン化室１の端部に近づくように移動するイオンがあっても、そのイオンは上記電位の盛り上がりを乗り越えることはできず、イオン化室１の中央部側へとはね返される。それによって、フィラメント３やトラップ電極４へとイオンが漏れ出すことを防止できる。

本願発明者は上記作用によるイオンの漏出防止効果を確認するため、コンピュータシミュレーションによりイオンの軌道の計算を行った。その結果を図３に示す。図３（ａ）はイオン漏出防止電極を持たない従来の構成の場合、（ｂ）は上記本実施例の構成の場合の、それぞれのイオンの軌道をシミュレーションしたものである。図３（ａ）では、電子導入口や電子出射口に近づいたイオンの一部がフィラメント３及びトラップ電極４に引き込まれていることが分かる。これに対し、本実施例の構成では、電子導入口や電子出射口に近づて来たイオンがイオン化室１内へとはね返されていることが分かる。
実際には、イオン化室１内で発生するイオンが持つエネルギーはたかだか0.05[eV]程度にすぎない。したがって、イオン漏出防止用電極６に印加する電圧はイオン化室１よりも１〜２[V]程度高ければ、十分なイオンはね返し効果を得ることができる。

なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜修正や変更を行なえることは明らかである。

本発明の一実施例によるイオン化装置の構成図。従来の構成と本実施例の構成とにおける電位分布の相違を説明するための概念図。従来の構成と本実施例の構成とにおけるイオン軌道のシミュレーション結果を示す図。従来のイオン化装置を備えた質量分析装置の要部の構成図。従来のイオン化装置の詳細構成図。

符号の説明

１…イオン化室
１０…接続管
１１…電子導入口
１２…電子出射口
２…フィラメント室
３…フィラメント
４…トラップ電極
５…引き出し電極
６…イオン漏出防止用電極

Claims

a)加熱により熱電子を発生するフィラメントと、
b)前記フィラメントで発生した熱電子を内部に導入する電子導入口と該電子導入口と対向する位置に配設された電子出射口とを有し、その内部において前記熱電子を利用して試料分子又は原子をイオン化するイオン化室と、
c)前記電子出射口の外側に配置され、該電子出射口を通して前記イオン化室内部から出射された熱電子を捕捉するトラップ電極と、
d)前記フィラメントと前記電子導入口との間に配置され、熱電子が通過可能な開口が形成された電極であって、イオンをイオン化室内へとはね返すための電場として前記電子導入口から当該電極に向かいイオンにとって上り傾斜の電位をもつ電場を形成する第１イオン漏出防止用電極と、
e)前記トラップ電極と前記電子出射口との間に配置され、熱電子が通過可能な開口が形成された電極であって、イオンをイオン化室内へとはね返すための電場として前記電子出射口から当該電極に向かいイオンにとって上り傾斜の電位をもつ電場を形成する第２イオン漏出防止用電極と、
を備えることを特徴とするイオン化装置。