JP4654954B2

JP4654954B2 - イオン化装置

Info

Publication number: JP4654954B2
Application number: JP2006081711A
Authority: JP
Inventors: 剛史内田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007258025A

Description

本発明は、質量分析装置等において気体試料分子又は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、電子衝撃イオン化や化学イオン化などの熱電子を利用した手法によりイオン化を行うイオン化装置に関する。

質量分析装置では、気体試料をイオン化するために電子衝撃イオン化（Electron Ionization：ＥＩ）や化学イオン化（Chemical Ionization：ＣＩ）などの各種イオン化手法が用いられる。これらのイオン化法に用いられるイオン化装置は、真空排気される真空容器を備え、該真空容器内に配設されるイオン化室の内部にフィラメントから発生した熱電子を導入し、該熱電子を直接的又は間接的に利用して試料分子のイオン化を行う。

例えば、前記ＥＩは、イオン化室に導入した気体試料分子又は原子に直接熱電子を衝突させることで該試料分子又は原子をイオン化する手法であり、試料分子の開裂によってフラグメントイオンが生じるため、分子構造の解析に適している。一方、前記ＣＩは、アンモニア等の反応ガスをイオン化室に導入して熱電子と衝突させ、発生した反応ガスイオンと気体試料分子又は原子とをイオン化室内で反応させることによって該試料分子又は原子をイオン化する手法であり、化学反応を利用したソフトなイオン化法であるため、フラグメントイオンが発生しにくく、分子量情報を得ることができるという利点がある。

上記ＣＩでは、反応ガスイオンと試料分子・原子との衝突確率を高めるため、イオン化室内部の圧力をＥＩよりも高くする必要がある（例えば、特許文献１等を参照）。そのため、ＣＩ用のイオン化室では、熱電子を通過させるための電子入射口及び出射口の口径が０．３ｍｍ程度に設定されており、２〜３ｍｍ程度の電子入射口及び出射口を有するＥＩ用のイオン化室に比べてその開口面積がかなり小さくなっている。そのため、ＥＩとＣＩの両方の手法によるイオン化を実現可能なイオン化装置においては、分析開始前に、実施しようとするイオン化手法に適したイオン化室を真空容器内に取り付ける必要がある。

特開平11-307041号公報（[0005]）

上記ＥＩ用イオン化室とＣＩ用イオン化室とは外観によって区別することができるが、通常、真空容器内に取り付けられた状態では、イオン化装置の外部からイオン化室を視認することはできない。そのため、真空排気を開始した後に、真空容器内に取り付けたイオン化室の種類を失念するなどしてイオン化室の種類を確認する必要が生じた場合には、一旦真空を解除し、目視にてイオン化室の種類を確認しなくてはならず、非常に手間と時間が掛かっていた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、真空を破ることなしに、真空容器内に取り付けられたイオン化室の種類を判定することのできるイオン化装置を提供することである。

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、真空排気される真空容器内に取り付けられたイオン化室の内部で熱電子を直接的又は間接的に利用してイオン化対象である気体分子又は原子をイオン化するイオン化装置において、
a) 熱電子を発生するフィラメントと、
b) 前記フィラメントから放射され、イオン化室内を通過した熱電子を捕集するトラップ電極と、
c) 前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流を測定する第１電流測定手段と、
d) 前記フィラメントから放射され、前記イオン化室に衝突した熱電子により流れる電流を測定する第２電流測定手段と、
e) 前記第１電流測定手段によって測定された電流値及び前記第２電流測定手段によって測定された電流値に基づいて前記真空容器内に取り付けられているイオン化室の種類を判定するイオン化室判定手段と、
を有することを特徴としている。

なお、上記イオン化室判定手段は、上記真空容器内に取り付けられているイオン化室が電子衝撃イオン化用のイオン化室と化学イオン化用のイオン化室のいずれであるかを判定するものとすることが望ましい。

ここで、化学イオン化用のイオン化室とは、いわゆる正化学イオン化（Positive ion Chemical
Ionization：PCI）用のイオン化室と負化学イオン化（Negative
ion Chemical Ionization：NCI）用のイオン化室のいずれであってもよい。また、一般にＰＣＩ用とＮＣＩ用のイオン化室に設けられた電子入射口や出射口の開口面積は、ほぼ同一となっているが、両者に設けられた電子入射口及び／又は電子出射口の開口面積が異なっていれば、本発明のイオン化装置によりこれらのイオン化室を判別することも可能である。

フィラメントで発生された熱電子は、イオン化室を挟んで対向配置されたフィラメントとトラップ電極との間の電位差によって誘引されてイオン化室内に入り、更にトラップ電極に向けて加速されるが、上述したＥＩ用イオン化室やＣＩ用イオン化室のように、電子入射口や出射口の開口面積が異なるイオン化室においては、フィラメントから発射された熱電子のうち、イオン化室を貫通してトラップ電極に到達するものの割合が異なってくる。すなわち、イオン化室に設けられた電子入射口や出射口の開口面積が大きい場合には、フィラメントから発生した熱電子の多くは該入射口及び出射口を通ってイオン化室内を貫通しトラップ電極に捕捉されるが、電子入射口や出射口の開口面積が小さい場合には、該入射口・出射口を通過できずにイオン化室の壁面に衝突する熱電子の割合が大きくなる。

本発明は、このことを利用したものであり、上記構成を有する本発明のイオン化装置によれば、上記第１電流測定手段及び第２電流測定手段により、トラップ電極に到達した熱電子に起因する電流値と、イオン化室に衝突した熱電子に起因する電流値とをそれぞれ測定し、上記イオン化室判定手段により、それらの電流値に基づいてイオン化室の種類を判定することができる。従って、真空容器の内部に取り付けられたイオン化室の種類を真空を解除することなく判定することが可能となり、イオン化室の確認に掛かる手間を大幅に低減することができる。

以下、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。本実施例に係るイオン化装置は、質量分析装置において気体である試料分子や原子をイオン化するために用いられる質量分析装置用イオン化装置である。

図１は、本実施例に係るイオン化装置の概略構成を示す断面図である。また、図２は、本実施例のイオン化装置における熱電子（図中のｅ^-）の挙動を示す模式図であり、（ａ）は、ＥＩ用イオン化室を用いた場合を示し、（ｂ）は、ＣＩ用イオン化室を用いた場合を示している。以下、ＥＩ用イオン化室３０ａとＣＩ用イオン化室３０ｂとに共通する構成要素については同一符号を付して説明を行う。各イオン化室３０ａ、３０ｂには試料ガスを導入するための試料ガス導入口３１が設けられており、更に、ＣＩ用イオン化室３０ｂには、反応ガスを導入するための反応ガス導入口３２が設けられている。また、各イオン化室３０ａ、３０ｂには、前記試料ガス（及び反応ガス）の導入方向と略直交する方向（図中では上下）に熱電子の入射口３３と出射口３４とが設けられており、入射口３３と出射口３４とを結ぶ電子流軸Ｌと直交するイオン光軸Ｃ上には、イオン化された試料をイオン化室の外へ導出するためのイオン通過口３５が設けられている。イオン通過口３５からイオン化室外へ飛び出した試料イオンは、図示しないイオンレンズなどによって加速されて質量分離器（四重極フィルタなど）に導入される。

上記イオン化室３０ａ又は３０ｂが取り付けられる真空容器１１の内部には、入射口３３の外側の電子流軸Ｌ上に熱電子発生用のフィラメント（熱陰極）１２が、出射口３４の外側の電子流軸Ｌ上に電子流を捕捉するためのトラップ電極１３が、対向して配置されている。フィラメント１２には加熱電流源１４が接続されており、動作指令部１８からの指示に基づいて加熱電流源１４からフィラメント１２に加熱電流が供給されるとフィラメント１２の温度が上昇して熱電子が放出される。

また、本発明のイオン化装置には、トラップ電極１３に流れ込む電流Ｉ_１を測定するための第１電流計１６と、イオン化室３０ａ又は３０ｂに流れ込む電流Ｉ_２を測定するための第２電流計１７とが設けられており、電流計１６、１７によって測定された電流値Ｉ_１及びＩ_２は制御部１５に送られ、イオン化室判定部１９によって該電流値を基にイオン化室の種類が判定される。

以下、本実施例のイオン化装置において、イオン化室の種類を判定する際の手順について説明する。まず、操作者が、制御部１５に接続された入力部２０を用いてイオン化室の判定を指示すると、動作指令部１８から加熱電流源１４へと制御信号が送出され、フィラメント１２に加熱電流が供給される。これにより、フィラメント１２からイオン化室に対して熱電子が放射され、該熱電子によりトラップ電極１３及びイオン化室に流れ込む電流Ｉ_１及びＩ_２がそれぞれ第１電流計１６及び第２電流計１７によって測定される。

上述したように、真空容器内１１にＥＩ用のイオン化室３０ａが取り付けられていた場合には、フィラメント１２から放射された熱電子の多くは入射口３３及び出射口３４を通過してトラップ電極１３に到達するが（図２（ａ））、ＣＩ用のイオン化室３０ｂが取り付けられていた場合には、フィラメント１２から放射された熱電子の多くは入射口３３及び出射口３４を通過することなくイオン化室３０ｂの壁面に衝突する（図２（ｂ））。但しトラップ電極１３に流れ込む電流値だけでイオン化室の種類を判定しようとすると、電流値が低かった場合に、真空容器１１内にＣＩ用イオン化室が取り付けられているためであるのか、フィラメントの断線や、イオン化室とフィラメント、トラップ電極のアライメントのずれなどの不具合によるものであるのかを区別することができない。

そこで、本実施例のイオン化装置では、トラップ電極１３に到達した熱電子に起因する電流値であるＩ_１と、イオン化室に衝突した熱電子に起因する電流値であるＩ_２との比を求めることにより、ＥＩ用イオン化室３０ａとＣＩ用イオン化室３０ｂとの判定を行う。Ｉ_１／Ｉ_２が所定値以上であった場合には、イオン化室判定部１９により、現在真空容器１１内に取り付けられているイオン化室はＥＩ用のイオン化室３０ａであると判定され、所定値未満であった場合には、ＣＩ用のイオン化室３０ｂであると判定されて、該判定結果が制御部１５に接続された表示部２１に表示される。

以上のように、本実施例のイオン化装置によれば、イオン化室を直接目視しなくても、トラップ電極に流れ込む電流値とイオン化室に流れ込む電流値とからイオン化室の種類を判定することができるため、真空を破ることなく真空容器内に取り付けられているイオン化室の種類を確認することができる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々の変更が許容されるものである。例えば、上記のようなイオン化室の判定は、操作者が必要に応じて指示するのでなく、操作者により、真空排気の開始が指示された際に自動的に実行されるようにしてもよい。また、第１電流計による電流値Ｉ_１の測定と第２電流計による電流値Ｉ_２の測定は同時に行わずに、時間的に分割して行うようにしてもよい

更に、本発明のイオン化装置においては、図３に示すように、イオン化室判定部１９による判定結果に基づいてイオン化モード（ＥＩモード、ＰＣＩモード、ＮＣＩモード等）の設定を行うイオン化モード設定部２２を設け、真空容器１１に取り付けられたイオン化室の種類に応じて自動的にイオン化モードの設定が行われるようにすることが望ましい。この場合、例えば、イオン化室判定部１９によって現在真空容器１１内に取り付けられているイオン化室がＥＩ用イオン化室であると判定された場合には、イオン化モードとしてＥＩモードが選択・設定され、動作指令部１８によってＥＩに適した加熱電流源１４の制御や試料ガスの供給制御が行われる。このような構成にすることにより、イオン化室の確認及びイオン化モードの設定に掛かる手間を省力化し、イオン化装置の操作性をいっそう向上させることができる。

本発明の一実施例に係る質量分析装置用イオン化装置の要部構成を示すブロック図。同実施例のイオン化装置における熱電子の挙動を示す模式図であり、（ａ）はＥＩ用イオン化室を用いた場合を示し、（ｂ）はＣＩ用イオン化室を用いた場合を示している。本発明に係る質量分析装置用イオン化装置の別の構成例を示すブロック図。

符号の説明

１１…真空容器
１２…フィラメント
１３…トラップ電極
１４…加熱電流源
１５…制御部
１６…第１電流計
１７…第２電流計
１８…動作指令部
１９…イオン化室判定部
２０…入力部
２１…表示部
２２…イオン化モード設定部
３０ａ…ＥＩ用イオン化室
３０ｂ…ＣＩ用イオン化室
３１…試料ガス導入口
３２…反応ガス導入口
３３…入射口
３４…出射口
３５…イオン通過口

Claims

真空排気される真空容器内に取り付けられたイオン化室の内部で熱電子を直接的又は間接的に利用してイオン化対象である気体分子又は原子をイオン化するイオン化装置において、
a) 熱電子を発生するフィラメントと、
b) 前記フィラメントから放射され、イオン化室内を通過した熱電子を捕集するトラップ電極と、
c) 前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流を測定する第１電流測定手段と、
d) 前記フィラメントから放射され、前記イオン化室に衝突した熱電子により流れる電流を測定する第２電流測定手段と、
e) 前記第１電流測定手段によって測定された電流値及び前記第２電流測定手段によって測定された電流値に基づいて前記真空容器内に取り付けられているイオン化室の種類を判定するイオン化室判定手段と、
を有することを特徴とするイオン化装置。
上記イオン化室判定手段が、上記真空容器内に取り付けられているイオン化室が電子衝撃イオン化用のイオン化室と化学イオン化用のイオン化室のいずれであるかを判定するものであることを特徴とする請求項１に記載のイオン化装置。
更に、上記イオン化室判定手段による判定結果に基づいて、イオン化モードの設定を自動的に行うイオン化モード設定手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン化装置。