JP4727185B2 - Ion trap device - Google Patents
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Description
本発明は、質量分析装置等の分析技術、すなわち、有機物、無機物の同定及び定量において使用されるイオントラップ装置に関する。 The present invention relates to an ion trap apparatus used in analysis techniques such as a mass spectrometer, that is, identification and quantification of organic substances and inorganic substances.
従来、質量分析装置として、四重極イオントラップ装置を応用したものが提案されている。 Conventionally, a mass spectrometer using a quadrupole ion trap device has been proposed.
四重極イオントラップ装置は、特許文献1乃至特許文献6に示すように、リング電極を2枚の対をなすエンドキャップ電極で挟み込んだ構成を有している。
As shown in
図8は、双曲面型四重極イオントラップ装置の構成を示す断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a hyperboloid type quadrupole ion trap apparatus.
図9は、円筒型四重極イオントラップ装置の構成を示す断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the cylindrical quadrupole ion trap apparatus.
双曲面型四重極イオントラップ装置及び円筒型四重極イオントラップ装置のいずれも、リング電極101を2枚のエンドキャップ電極102,103で挟み込んだ構成を有しており、リング電極101の中心軸であるz軸に対する回転対称である構成を有している。双曲面型四重極イオントラップ装置においては、リング電極101及び各エンドキャップ電極102,103の内方側に向かう面が、回転双曲面の形状となっている。また、円筒型四重極イオントラップ装置においては、リング電極101及び各エンドキャップ電極102,103の内方側に向かう面が、円筒面及び平面となっている。
Each of the hyperboloid type quadrupole ion trap apparatus and the cylindrical quadrupole ion trap apparatus has a configuration in which the
これら各四重極イオントラップ装置においては、リング電極101及び各エンドキャップ電極102,103によって囲まれた空間が、トラップ空間となる。これらイオントラップ装置は、外部及び内部で生成されたイオンをトラップ空間内に捕獲することを目的とした装置である。
In each of these quadrupole ion trap apparatuses, a space surrounded by the
そして、これら四重極イオントラップ装置においては、リング電極101及び各エンドキャップ電極102,103には、それぞれトラップ用高周波(交流)電源が供給される。
In these quadrupole ion trap devices, the
これら各四重極イオントラップ装置は、イオントラップとしての有効な空間の大きさが違うものの、略々同様の機能を有している。以下に示すシミュレーションは、すべて円筒型四重極イオントラップ装置において行ったものである。 Each of these quadrupole ion trap devices has substantially the same function although the size of an effective space as an ion trap is different. All the simulations shown below were performed in a cylindrical quadrupole ion trap apparatus.
ところで、このような四重極イオントラップ装置においては、リング電極101及び各エンドキャップ電極102,103にトラップ用高周波電圧を印加し続けたままでは、トラップ効率が上がらないという問題がある。
By the way, in such a quadrupole ion trap apparatus, there is a problem that the trap efficiency does not increase if the trapping high-frequency voltage is continuously applied to the
そこで、従来、このような四重極イオントラップ装置においては、イオンを捕獲するときに、一時的にトラップ用高周波電圧の電圧振幅を下げて、イオントラップの有効ポテンシャルを下げて、イオントラップ内に進入できるようにすることが行われている。 Therefore, conventionally, in such a quadrupole ion trap apparatus, when trapping ions, the voltage amplitude of the high frequency voltage for trapping is temporarily lowered to lower the effective potential of the ion trap, Making it possible to enter.
また、従来、イオントラップ内に緩衝ガスを導入し、イオントラップ内に進入したイオンをこの緩衝ガスに衝突させ、イオンの運動エネルギーを減少させることにより、イオンをトラップすることが行われている。 Conventionally, a buffer gas is introduced into the ion trap, ions entering the ion trap collide with the buffer gas, and ions are trapped by reducing the kinetic energy of the ions.
さらに、イオンを捕獲するときに一時的にトラップ用高周波電圧の電圧振幅を下げることと、イオントラップ内に緩衝ガスを導入することを併用した四重極イオントラップ装置も提案されている。
前述のようなイオントラップ装置において、円筒型イオントラップ内に緩衝ガスを導入し、イオントラップの中心方向に進入したイオンと緩衝ガスとを衝突させ、イオンの運動エネルギーを減少させることにより、イオンをトラップするようにした場合のシミュレーション結果を示す。このときのシミュレーション条件を〔表1〕に示す。
イオンは、円筒型四重極トラップのリング電極101の内周面(図9中A点)から、イオン初期エネルギーとイオン発生時交流電圧位相の2次元的な範囲(表1参照)の中で、ランダムに所定の発生個数(200万個)だけ発生させた。
Ions are from the inner peripheral surface (point A in FIG. 9) of the
このイオンは、生成後、トラップ空間の中心に向かってイオン初期運動エネルギーで飛行する。このシミュレーションでは、トラップ空間内で1回衝突が起こるようにし、衝突後のイオンの運動エネルギー変化は、モンテカルロ法を用いて計算した。 After the ions are generated, they fly toward the center of the trap space with ion initial kinetic energy. In this simulation, a collision occurred once in the trap space, and the kinetic energy change of ions after the collision was calculated using the Monte Carlo method.
図10は、捕獲することができたイオンの初期運動エネルギーとトラップ用交流電圧位相との関係を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the initial kinetic energy of ions that can be trapped and the alternating voltage phase for trapping.
この図10に示す結果から、トラップ用交流電圧がある位相のときに発生されたイオンは、ある特定の運動エネルギーを持つイオンのみしかトラップされていないことが分かる。 From the results shown in FIG. 10, it can be seen that only ions having a specific kinetic energy are trapped when the trapping AC voltage has a certain phase.
すなわち、このような従来のイオントラップ装置においては、イオントラップ交流電圧の位相とトラップ空間内へ進入するイオンの運動エネルギーとの関係を考慮していないため、捕獲効率が悪いのである。 That is, in such a conventional ion trap apparatus, since the relationship between the phase of the ion trap AC voltage and the kinetic energy of ions entering the trap space is not considered, the trapping efficiency is poor.
さらに、従来のイオントラップ装置において、イオン捕獲時にパルス的な交流電圧をかける方法を採用した場合には、電気回路が複雑となり、装置が高価なのもとなってしまう。 Furthermore, in the conventional ion trap apparatus, when a method of applying a pulsed AC voltage at the time of ion capture is adopted, the electric circuit becomes complicated and the apparatus becomes expensive.
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであり、本発明の目的は、装置構成を複雑化することなく、イオンの捕獲時に矩形パルス電圧を印加するようにして、イオンの捕獲効率を向上させたイオントラップ装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned circumstances, and the object of the present invention is to apply a rectangular pulse voltage when capturing ions without complicating the apparatus configuration. An object of the present invention is to provide an ion trap apparatus with improved trapping efficiency.
また、本発明の目的は、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと、このイオンがある地点に到達したとき(または発生したとき)のトラップ用交流電圧位相との間に相関関係があることを考慮して、イオンの捕獲効率を向上させたイオントラップ装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to consider that there is a correlation between the kinetic energy of ions that can be trapped and the AC voltage phase for trapping when the ions reach (or occur) a certain point. Thus, an ion trap apparatus with improved ion capture efficiency is provided.
上述の課題を解決するため、本発明に係るイオントラップ装置は、外部からのイオンビーム、または、多重極イオントラップ内部でパルス的に発生するイオンビームを該多重極イオントラップ内に閉じ込めることを目的としたイオントラップ装置であって、多重極イオントラップでのイオン捕獲時に、多重極イオントラップを構成する電極に、イオンの捕獲効率を向上させるための矩形パルス電圧を印加することを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, an ion trap apparatus according to the present invention aims to confine an ion beam from the outside or an ion beam generated in a pulse manner inside the multipole ion trap in the multipole ion trap. An ion trap apparatus characterized by applying a rectangular pulse voltage for improving the ion trapping efficiency to the electrodes constituting the multipole ion trap at the time of ion trapping in the multipole ion trap It is.
また、本発明は、前述のイオントラップ装置において、多重極イオントラップは、リング電極及び一対のエンドキャップ電極からなる四重極イオントラップであることを特徴とするものである。 Further, the present invention is characterized in that, in the above-described ion trap apparatus, the multipole ion trap is a quadrupole ion trap including a ring electrode and a pair of end cap electrodes.
さらに、本発明は、前述のイオントラップ装置において、多重極イオントラップでのイオン捕獲時に、トラップ用交流電圧位相と捕獲するイオンの運動エネルギーとを同期させることを特徴とするものである。 Furthermore, the present invention is characterized in that, in the ion trap apparatus described above, the trapping AC voltage phase and the kinetic energy of the ions to be captured are synchronized when ions are captured by the multipole ion trap.
そして、本発明は、前述のイオントラップ装置において、イオンビームの極性が正であり、かつ、四重極イオントラップをなすリング電極側から入射する場合において、リング電極に印加する矩形パルス電圧を、エンドキャップ電極の電圧よりも低電圧にすることを特徴とするものである。 The present invention provides a rectangular pulse voltage to be applied to the ring electrode when the ion beam has a positive polarity and is incident from the side of the ring electrode forming a quadrupole ion trap in the ion trap apparatus described above. The voltage is lower than the voltage of the end cap electrode.
そして、本発明は、前述のイオントラップ装置において、イオンビームの極性が負であり、かつ、四重極イオントラップをなすリング電極側から入射する場合において、リング電極に印加する矩形パルス電圧を、エンドキャップ電極の電圧よりも高電圧にすることを特徴とするものである。 Then, the present invention provides a rectangular pulse voltage to be applied to the ring electrode when the ion beam has a negative polarity and is incident from the side of the ring electrode forming the quadrupole ion trap in the ion trap apparatus described above. The voltage is higher than the voltage of the end cap electrode.
そして、本発明は、前述のイオントラップ装置において、イオンビームの極性が正であり、かつ、四重極イオントラップをなすエンドキャップ電極側から入射する場合において、エンドキャップ電極に印加する矩形パルス電圧を、リング電極の電圧よりも低電圧にすることを特徴とするものである。 The present invention provides a rectangular pulse voltage applied to the end cap electrode when the ion beam has a positive polarity and is incident from the end cap electrode side forming a quadrupole ion trap. Is a voltage lower than the voltage of the ring electrode.
そして、本発明は、前述のイオントラップ装置において、イオンビームの極性が負であり、かつ、四重極イオントラップをなすエンドキャップ電極側から入射する場合において、エンドキャップ電極に印加する矩形パルス電圧を、リング電極の電圧よりも高電圧にすることを特徴とするものである。 The present invention provides a rectangular pulse voltage to be applied to the end cap electrode when the ion beam has a negative polarity and is incident from the end cap electrode side forming a quadrupole ion trap in the ion trap device described above. Is a voltage higher than the voltage of the ring electrode.
本発明に係るイオントラップ装置においては、トラップ用交流電圧の切り替えをすることなく、矩形パルス電圧を印加することにより、イオン捕獲効率の向上を実現している。 In the ion trap apparatus according to the present invention, the ion trapping efficiency is improved by applying a rectangular pulse voltage without switching the trapping AC voltage.
また、交流電圧の位相と、イオンの運動エネルギーを同期させることにより、イオン捕獲効率を飛躍的に向上させることができる。 Further, by synchronizing the phase of the alternating voltage and the kinetic energy of ions, the ion capture efficiency can be dramatically improved.
すなわち、本発明は、装置構成を複雑化することなく、イオンの捕獲時に矩形パルス電圧を印加するようにして、イオンの捕獲効率を向上させたイオントラップ装置を提供することができるものである。 That is, the present invention can provide an ion trap device that improves the ion trapping efficiency by applying a rectangular pulse voltage during ion trapping without complicating the device configuration.
また、本発明は、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと、このイオンがある地点に到達したとき(または発生したとき)のトラップ用交流電圧位相との間に相関関係があることを考慮して、イオンの捕獲効率を向上させたイオントラップ装置を提供することができるものである。 In addition, the present invention takes into account that there is a correlation between the kinetic energy of ions that can be trapped and the AC voltage phase for trapping when the ions reach (or when generated) a certain point, An ion trap apparatus with improved ion capture efficiency can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の最良の実施の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明に係るイオントラップ装置の第1の実施の形態における構成を示す断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the ion trap apparatus according to the first embodiment of the present invention.
このイオントラップ装置は、図1に示すように、円筒型四重極イオントラップ装置であり、リング電極1を2枚の対をなすエンドキャップ電極2,3で挟み込んだ構成を有している。このイオントラップ装置は、リング電極1の中心軸であるz軸に対する回転対称な構成を有している。リング電極1及び各エンドキャップ電極2,3の内方側に向かう面は、円筒面及び平面となっている。
As shown in FIG. 1, this ion trap device is a cylindrical quadrupole ion trap device, and has a configuration in which the
なお、本発明に係るイオントラップ装置は、後述する各実施の形態において、双曲面型四重極イオントラップ装置として構成してもよい。 The ion trap device according to the present invention may be configured as a hyperboloid type quadrupole ion trap device in each embodiment described later.
このイオントラップ装置においては、リング電極1及び各エンドキャップ電極2,3によって囲まれた空間が、トラップ空間となる。このイオントラップ装置は、外部及び内部で生成されたイオンをトラップ空間内に捕獲する装置である。
In this ion trap apparatus, a space surrounded by the
そして、このイオントラップ装置においては、リング電極1には、トラップ用高周波(交流)電源4からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。
In this ion trap apparatus, the
この実施の形態におけるイオントラップ装置においては、エンドキャップ電極2,3及びリング電極1には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
In the ion trap apparatus in this embodiment, a trapping AC voltage is always applied to the
このイオントラップ装置において、イオンは、イオントラップ内部(図1中のA点:トラップ空間の中心から10mm)において、パルス的に生成する。このイオンは、初期エネルギーをもち、トラップ空間の中心に向かって飛行する。 In this ion trap apparatus, ions are generated in a pulsed manner inside the ion trap (point A in FIG. 1: 10 mm from the center of the trap space). These ions have initial energy and fly toward the center of the trap space.
図2は、本発明に係るイオントラップ装置の第1の実施の形態において、リング電極及びエンドキャップ電極に印加される電圧を示す波形図である。 FIG. 2 is a waveform diagram showing voltages applied to the ring electrode and the end cap electrode in the first embodiment of the ion trap device according to the present invention.
そして、このイオントラップ装置においては、図2に示すように、イオンビーム生成時には、リング電極1に、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、エンドキャップ電極2,3には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を同時に印加する。
In this ion trap apparatus, as shown in FIG. 2, at the time of generating an ion beam, a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ion is applied to the
そして、このイオントラップ装置の第1の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算によりシミュレーションした。 The relationship between the kinetic energy of ions that can be captured in the first embodiment of the ion trap device and the AC voltage phase at the time of generation was simulated by calculation.
シミュレーションの条件は、〔表2〕のとおりである。
図3は、本発明に係るイオントラップ装置の第1の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算したシミュレーションの結果を示すグラフである。 FIG. 3 is a graph showing the results of a simulation that calculates the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation in the first embodiment of the ion trap device according to the present invention.
このイオントラップ装置においては、図3に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっていることが分かる。 In this ion trap apparatus, as shown in FIG. 3, although the introduction of a buffer gas is not assumed, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG. You can see that it is increasing.
さらに、イオンの初期エネルギーとイオン生成時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, ion trapping efficiency can be improved by optimizing the initial energy of ions and the AC voltage phase during ion generation.
なお、イオンビームの極性が正であり、かつ、四重極イオントラップをなすリング電極1側から入射する場合においては、リング電極1に印加する矩形パルス電圧は、エンドキャップ電極2,3の電圧よりも低電圧にすることが望ましい。
When the ion beam has a positive polarity and is incident from the side of the
また、イオンビームの極性が負であり、かつ、四重極イオントラップをなすリング電極1側から入射する場合においては、リング電極1に印加する矩形パルス電圧は、エンドキャップ電極2,3の電圧よりも高電圧にすることが望ましい。
When the ion beam has a negative polarity and is incident from the side of the
これらは、後述する第2及び第3の実施の形態においても同様である。 The same applies to the second and third embodiments described later.
〔第2の実施の形態〕
この実施の形態においては、前述の第1の実施の形態におけると同様の構成のイオントラップ装置を用いて、図1に示すように、イオンが、リング電極1にある進入孔8を介して、外部からの連続イオンビームとしてイオントラップ内に入射する場合について考えるものである。
[Second Embodiment]
In this embodiment, using an ion trap device having the same configuration as in the first embodiment described above, as shown in FIG. The case where the ion beam enters the ion trap as a continuous ion beam from the outside will be considered.
このイオントラップ装置においても、リング電極1には、トラップ用高周波(交流)電源4からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。エンドキャップ電極2,3及びリング電極1には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
Also in this ion trap apparatus, the
そして、このイオントラップ装置においては、イオンを捕獲するため、リング電極1には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、エンドキャップ電極2,3には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を、交流電圧位相に同期させて同時に印加する。
In this ion trap apparatus, in order to capture ions, a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied to the
そして、矩形パルス電圧印加開始時に、図1中のB点(トラップ空間の中心から30mm)に存在するイオンのうち、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加開始時の交流電圧位相の関係をシミュレーションで調べた。 Then, among the ions existing at point B (30 mm from the center of the trap space) at the start of rectangular pulse voltage application, the relationship between the kinetic energy of ions that can be trapped and the AC voltage phase at the start of rectangular pulse voltage application Was investigated by simulation.
シミュレーションの条件は、〔表3〕に示す。
図4は、本発明に係るイオントラップ装置の第2の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算したシミュレーションの結果を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the results of a simulation in which the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation is calculated in the second embodiment of the ion trap device according to the present invention.
このイオントラップ装置においても、図4に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっていることが分かる。 Even in this ion trap apparatus, as shown in FIG. 4, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG. You can see that it is increasing.
さらに、このイオントラップ装置においては、図1中のB点でのイオンビームの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, in this ion trap apparatus, the ion trapping efficiency can be improved by optimizing the kinetic energy of the ion beam at the point B in FIG. 1 and the AC voltage phase when the rectangular pulse voltage is applied.
〔第3の実施の形態〕
この実施の形態においては、前述の第2の実施の形態におけると同様の構成のイオントラップ装置を用いて、図1に示すように、イオンが、リング電極1にある進入孔8を介して、外部からの連続イオンビームとしてイオントラップ内に入射する場合について考えたものである。
[Third Embodiment]
In this embodiment, using an ion trap device having a configuration similar to that in the second embodiment described above, as shown in FIG. The case where it enters into an ion trap as a continuous ion beam from the outside is considered.
このイオントラップ装置においても、リング電極1には、トラップ用高周波(交流)電源4からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。エンドキャップ電極2,3及びリング電極1には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
Also in this ion trap apparatus, the
そして、このイオントラップ装置においては、イオンが図1中のB点に到達したときに、リング電極1には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、エンドキャップ電極2,3には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を、交流電圧位相に同期させて同時に印加する。
In this ion trap apparatus, when the ions reach point B in FIG. 1, a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied to the
そして、矩形パルス電圧印加開始時に、図1中のB点(トラップ空間の中心から30mm)に存在するイオンのうち、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加開始時の交流電圧位相の関係をシミュレーションで調べた。 Then, among the ions existing at point B (30 mm from the center of the trap space) at the start of rectangular pulse voltage application, the relationship between the kinetic energy of ions that can be trapped and the AC voltage phase at the start of rectangular pulse voltage application Was investigated by simulation.
このイオントラップ装置において、捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係は、前述した第2の実施の形態におけると同様に、図4に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっている。 In this ion trap apparatus, the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation is assumed to be the introduction of a buffer gas, as shown in FIG. 4, as in the second embodiment described above. Despite this, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG.
さらに、このイオントラップ装置においては、図1中のB点でのイオンビームの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, in this ion trap apparatus, the ion trapping efficiency can be improved by optimizing the kinetic energy of the ion beam at the point B in FIG. 1 and the AC voltage phase when the rectangular pulse voltage is applied.
〔第4の実施の形態〕
この実施の形態においては、前述の第1乃至第3の実施の形態においてはリング電極1側でイオンを生成したのに対し、エンドキャップ電極2,3側で生成したパルスイオンビームの捕獲について考える。
[Fourth Embodiment]
In this embodiment, while the ions are generated on the
図5は、本発明に係るイオントラップ装置の第4の実施の形態における構成を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the ion trap apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
この実施の形態におけるイオントラップ装置は、図5に示すように、円筒型四重極イオントラップ装置であり、リング電極1を2枚の対をなすエンドキャップ電極2,3で挟み込んだ構成を有している。このイオントラップ装置は、リング電極1の中心軸であるz軸に対する回転対称な構成を有している。リング電極1及び各エンドキャップ電極2,3の内方側に向かう面は、円筒面及び平面となっている。このイオントラップ装置においては、リング電極1及び各エンドキャップ電極2,3によって囲まれた空間が、トラップ空間となる。
The ion trap apparatus in this embodiment is a cylindrical quadrupole ion trap apparatus as shown in FIG. 5, and has a configuration in which the
そして、このイオントラップ装置においては、リング電極1には、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧が供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。この実施の形態におけるイオントラップ装置においては、エンドキャップ電極2,3には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
In this ion trap apparatus, a rectangular pulse voltage is supplied to the
シミュレーションでは、リング電極1を接地し、エンドキャップ電極2,3にのみトラップ用交流電圧を印加するものとした。イオンは、イオントラップ内部においてパルス的に生成するものとした。このイオンは、初期エネルギーをもち、トラップ空間の中心に向かって飛行する。
In the simulation, the
このイオントラップ装置において、イオンは、イオントラップ内部(図5中のC点:トラップ空間の中心から10mm)において、パルス的に生成する。このイオンは、初期エネルギーをもち、トラップ空間の中心に向かって飛行する。 In this ion trap apparatus, ions are generated in a pulsed manner inside the ion trap (point C in FIG. 5: 10 mm from the center of the trap space). These ions have initial energy and fly toward the center of the trap space.
そして、このイオントラップ装置においては、イオンビーム生成時には、エンドキャップ電極2,3にイオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、リング電極1には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を同時に印加する。
In this ion trap apparatus, at the time of generating an ion beam, a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied to the
そして、このイオントラップ装置の第1の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算によりシミュレーションした。 The relationship between the kinetic energy of ions that can be captured in the first embodiment of the ion trap device and the AC voltage phase at the time of generation was simulated by calculation.
シミュレーションの条件は、〔表4〕に示す。
図6は、本発明に係るイオントラップ装置の第4の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算したシミュレーションの結果を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the results of a simulation in which the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation is calculated in the fourth embodiment of the ion trap device according to the present invention.
このイオントラップ装置においては、図6に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっていることが分かる。 In this ion trap apparatus, as shown in FIG. 6, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG. You can see that it is increasing.
さらに、この実施の形態においても、イオンの初期エネルギーとイオン生成時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, also in this embodiment, the ion trapping efficiency can be improved by optimizing the initial energy of ions and the AC voltage phase at the time of ion generation.
なお、イオンビームの極性が正であり、かつ、四重極イオントラップをなすエンドキャップ電極2,3側から入射する場合においては、エンドキャップ電極2,3に印加する矩形パルス電圧は、リング電極1の電圧よりも低電圧にすることが望ましい。
When the ion beam has a positive polarity and is incident from the
また、イオンビームの極性が負であり、かつ、四重極イオントラップをなすエンドキャップ電極2,3側から入射する場合においては、エンドキャップ電極2,3に印加する矩形パルス電圧は、リング電極1の電圧よりも高電圧にすることが望ましい。
When the ion beam has a negative polarity and is incident from the
これらは、後述する第5及び第6の実施の形態においても同様である。 These are the same in the fifth and sixth embodiments described later.
〔第5の実施の形態〕
この実施の形態においては、前述の第4の実施の形態におけると同様の構成のイオントラップ装置を用いて、図5に示すように、イオンが、エンドキャップ電極2にある進入孔9を介して、外部からの連続イオンビームとしてイオントラップ内に入射する場合について考えたものである。
[Fifth Embodiment]
In this embodiment, using an ion trap device having the same configuration as in the above-described fourth embodiment, ions are passed through an
このイオントラップ装置においても、リング電極1には、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧が供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。エンドキャップ電極2,3には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
Also in this ion trap apparatus, a rectangular pulse voltage is supplied to the
そして、このイオントラップ装置においては、イオンを捕獲するため、エンドキャップ電極2,3には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、リング電極1には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を、交流電圧位相に同期させて同時に印加する。
In this ion trap apparatus, in order to capture ions, a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied to the
そして、矩形パルス電圧印加開始時に、図5中のD点(トラップ空間の中心から30mm)に存在するイオンのうち、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加開始時の交流電圧位相の関係をシミュレーションで調べた。 Then, among the ions existing at point D (30 mm from the center of the trap space) at the start of rectangular pulse voltage application, the relationship between the kinetic energy of ions that can be trapped and the AC voltage phase at the start of rectangular pulse voltage application Was investigated by simulation.
シミュレーションでは、リング電極1を接地し、エンドキャップ電極2,3にのみトラップ用交流電圧を印加するものとした。
In the simulation, the
シミュレーションの条件は、〔表5〕に示す。
図7は、本発明に係るイオントラップ装置の第5の実施の形態において捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係を計算したシミュレーションの結果を示すグラフである。 FIG. 7 is a graph showing the results of a simulation in which the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation is calculated in the fifth embodiment of the ion trap device according to the present invention.
このイオントラップ装置においても、図7に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっていることが分かる。 In this ion trap apparatus as well, as shown in FIG. 7, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG. You can see that it is increasing.
さらに、このイオントラップ装置においては、図5中のD点でのイオンビームの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, in this ion trap apparatus, the ion trapping efficiency can be improved by optimizing the kinetic energy of the ion beam at point D in FIG. 5 and the AC voltage phase when the rectangular pulse voltage is applied.
〔第6の実施の形態〕
この実施の形態においては、前述の第5の実施の形態におけると同様の構成のイオントラップ装置を用いて、図1に示すように、イオンが、エンドキャップ電極2にある進入孔9を介して、外部からの連続イオンビームとしてイオントラップ内に入射する場合について考えたものである。
[Sixth Embodiment]
In this embodiment, using an ion trap device having the same configuration as in the fifth embodiment described above, ions are passed through the
このイオントラップ装置においても、リング電極1には、直流パルス電源5から、矩形パルス電圧が供給される。また、このイオントラップ装置においては、各エンドキャップ電極2,3には、トラップ用高周波(交流)電源6からトラップ用高周波が供給されるとともに、直流パルス電源7から、矩形パルス電圧がトラップ用高周波に重畳して供給される。エンドキャップ電極2,3には、トラップ用交流電圧が常に印加される。
Also in this ion trap apparatus, a rectangular pulse voltage is supplied to the
そして、このイオントラップ装置においては、イオンが図5中のD点(トラップ空間の中心から30mm)に到達したときに、エンドキャップ電極2,3には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を印加し、リング電極1には、イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性と同極性の矩形パルス電圧を、交流電圧位相に同期させて同時に印加する。
In this ion trap apparatus, when the ions reach point D in FIG. 5 (30 mm from the center of the trap space), the
そして、矩形パルス電圧印加開始時に、図5中のD点に存在するイオンのうち、トラップ可能なイオンの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加開始時の交流電圧位相の関係をシミュレーションで調べた。 Then, at the start of rectangular pulse voltage application, among the ions present at point D in FIG. 5, the relationship between the kinetic energy of trappable ions and the alternating voltage phase at the start of rectangular pulse voltage application was examined by simulation.
シミュレーションでは、リング電極1を接地し、エンドキャップ電極2,3にのみトラップ用交流電圧を印加するものとした。
In the simulation, the
このイオントラップ装置において、捕獲可能なイオンの運動エネルギーと発生時交流電圧位相との関係は、前述した第5の実施の形態におけると同様に、図7に示すように、緩衝ガスの導入を想定していないにもかかわらず、図10により示した従来のイオントラップ装置と比較して、トラップできるイオンの数がかなり多くなっている。 In this ion trap apparatus, the relationship between the kinetic energy of ions that can be captured and the AC voltage phase at the time of generation is assumed to be the introduction of a buffer gas, as shown in FIG. 7, as in the fifth embodiment described above. Despite this, the number of ions that can be trapped is considerably larger than that of the conventional ion trap apparatus shown in FIG.
さらに、このイオントラップ装置においては、図5中のD点でのイオンビームの運動エネルギーと矩形パルス電圧印加時の交流電圧位相を最適化すれば、イオン捕獲効率を向上させることができる。 Furthermore, in this ion trap apparatus, the ion trapping efficiency can be improved by optimizing the kinetic energy of the ion beam at point D in FIG. 5 and the AC voltage phase when the rectangular pulse voltage is applied.
1 リング電極
2,3 エンドキャップ電極
4,6 トラップ用高周波(交流)電源
5,7 直流パルス電源
8,9 進入孔
1
Claims (4)
該イオントラップのリング電極にイオントラップ用の交流電圧を継続的に印加すると共に、該イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を、前記交流電圧に対して捕獲する前記イオンの運動エネルギーに応じた所望の位相で重畳させて印加し、
該イオントラップのエンドキャップ電極には、該イオントラップの中心電圧に対して前記イオンの極性とは同極性の矩形パルス電圧を前記リング電極への前記矩形パルス電圧と同時に印加すること特徴とするイオントラップ装置。 An ion beam from the outside or an ion beam generated in a pulsed manner inside the quadrupole ion trap is captured from the ring electrode side of the ring electrode and the pair of end cap electrodes constituting the quadrupole ion trap. An ion trap device,
An AC voltage for ion trap is continuously applied to the ring electrode of the ion trap, and a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ion with respect to the center voltage of the ion trap is captured with respect to the AC voltage. To be superimposed and applied in a desired phase according to the kinetic energy of the ions,
An ion having a rectangular pulse voltage having the same polarity as the polarity of the ion with respect to the center voltage of the ion trap applied to the end cap electrode of the ion trap simultaneously with the rectangular pulse voltage to the ring electrode Trap device.
該イオントラップのエンドキャップ電極にイオントラップの交流電圧を継続的に印加すると共に、該イオントラップの中心電圧に対してイオンの極性とは逆極性の矩形パルス電圧を、前記交流電圧に対して捕獲する該イオンの運動エネルギーに応じた所望の位相で重畳させて印加し、
該イオントラップのリング電極には、イオントラップの中心電圧に対して該イオンの極性とは同極性の矩形パルス電圧を前記エンドキャップ電極への前記矩形パルス電圧と同時に印加することを特徴とするイオントラップ装置。 Lee Onbimu from outside, or an ion beam generated in a pulsed manner within a quadrupole ion-trap, out of the ring electrode and a pair of end cap electrodes side constituting the quadrupole ion-trap, said end cap electrodes An ion trap device for capturing from the side,
The AC voltage of the ion trap is continuously applied to the end cap electrode of the ion trap, and a rectangular pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ion with respect to the center voltage of the ion trap is captured with respect to the AC voltage. To be superimposed and applied in a desired phase according to the kinetic energy of the ions
An ion characterized by applying a rectangular pulse voltage having the same polarity as the polarity of the ion to the ring electrode of the ion trap at the same time as the rectangular pulse voltage to the end cap electrode. Trap device.
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