JP5210940B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子の分子量検出などに用いられる飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ：Time Of Flight Mass Spectrometer）に関する。

ＴＯＦ−ＭＳでは、被検出イオンが真空のフライトチューブ内を飛行するのに要する時間に基づいてその質量を検出している。このようなＴＯＦ−ＭＳにおいて検出器として用いられる荷電粒子検出装置としては特許文献１に示されるタイプの装置が知られている。

この荷電粒子検出装置は、真空フランジ上にマイクロチャネルプレート（Micro Channel Plate：ＭＣＰ）を含む検出部を配置したものであり、検出器がライフエンドを迎えた場合に、ＭＣＰを交換することが容易な構成となっている。

特開２００７−８７８８５号公報

ところで、ＴＯＦ−ＭＳにおいては、被検出イオンの質量検出精度は、飛行時間の検出精度、つまり、当該イオンが検出器のイオン入射面に到達した際に出力される出力信号の半値幅に依存する。最近では、特に高い検出精度が要求されており、要求されるイオンの出力信号の半値幅は１ｎｓ以下になっている。フライトチューブ内のイオンの飛行軌跡は、フライトチューブの延長方向にほぼ沿う方向となり、検出器のイオン入射面のこの方向に対する直交性が要求される。なぜなら、イオン入射面に傾きがあると、イオン入射面の位置により飛行軌跡の長さが異なることになり、飛行時間の検出精度に影響を及ぼすことになるからである。上述のイオンの出力信号の半値幅条件を満たすには飛行距離差が±２０μｍ以内になるようイオン入射面を配置する必要がある。

特許文献１記載の技術ではイオン入射面となるＭＣＰの入射面は真空フランジを介してフライトチューブに固定されているので、イオン軌跡とＭＣＰ入射面との直交性を確保することが難しい。

そこで本発明は、ＭＣＰの交換が容易で、かつ、その入射面とイオン軌跡との直交性を高精度に確保することを可能とした質量分析装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る質量分析装置は、サンプルから放出されたイオンが装置本体内の真空容器であるフライトチューブ内を飛行するのに要する時間に基づいて当該イオンの質量を分析する質量分析装置において、真空容器内でフライトチューブのイオン到達側に配置され、到達したイオンに応じた電子を出力するマイクロチャネルプレートであって、そのイオン到達面側に電気的、物理的に接続された入力側電極により装置本体と直接固定されるマイクロチャネルプレートと、フライトチューブのイオン到達側端部に着脱可能に接続、固定されて該真空容器を構成するとともに、該真空容器の外側表面に露出する信号出力端子と、電位供給端子とを有するフランジ部と、フランジ部上にマイクロチャネルプレートに向けて固定され、マイクロチャネルプレートから出力された電子が入力されるとともに、信号出力端子に電気的に接続されているアノード部と、フランジ部に固定されて、マイクロチャネルプレートの出力側を付勢して、マイクロチャネルプレートの出力側と、電位供給端子とを電気的に接続する出力側付勢手段と、を備えていることを特徴とする。

マイクロチャネルプレートは、入力電極を介してフライトチューブに固定されているとよい。

このＭＣＰを複数枚積み重ねているとよい。

フランジ部に固定され、入力側電極を付勢し、入力側電極と、フランジ部に設けられた入力電極端子とを電気的に接続する入力電極付勢手段をさらに備えているとよい。

アノードよりＭＣＰ側に配置され、フランジ部に固定される電子増倍部をさらに備えていてもよい。

出力側付勢手段は、スプリング、導電性ゴム製、金属突起等を用いるとよい。

本発明に係る質量分析装置によれば、イオン入射面を有するＭＣＰは、入力側電極により真空容器本体に直接固定されるため、イオン入射面とイオン軌跡の直交性を確保するのが容易であり、その交換も容易である。

さらにフライトチューブ端部に固定する形態とすれば、フライトチューブにおける端部の直交精度にイオン入射面とイオン軌跡の直交精度が依存することになり、その精度確保が容易になる。

本発明に係る質量分析装置の第１の実施形態におけるフライトチューブ端部の構造を示す図である。 図１のII部分拡大図である。 本発明に係る質量分析装置の第１の実施形態における真空フランジの構造を示す図である。 図３のIV部分拡大図である。 図３の真空フランジ上に配置される回路基板の構造を示す図である。 本発明に係る質量分析装置の等価回路を示す図である。 図１に示されるフライトチューブと図３に示される真空フランジとを組み立てた状態を示す図である。 本発明に係る質量分析装置の第２の実施形態におけるフライトチューブ端部の構造を示す図である。 図８のIX部分拡大図である。 本発明に係る質量分析装置の第３の実施形態におけるフライトチューブ端部構造を示す図である。 図１０のXI部分拡大図である。 本発明に係る質量分析装置の第４の実施形態におけるフライトチューブ端部構造を示す図である。 本発明に係る質量分析装置の第４の実施形態における真空フランジの構造を示す図である。 図１３の電子増倍部の拡大断面図である。 図１２に示されるフライトチューブと図１３に示される真空フランジとを組み立てた状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る質量分析装置の第１の実施形態におけるフライトチューブ端部の構造を示す図であり、図２は、そのII部分拡大図であり、図３は、真空フランジの構造を示す図であり、図４は、そのIV部分拡大図、図５は、回路基板の構造を示す図であり、図６は、その等価回路を示し、図７は、組立状態を示している。

フライトチューブ２は、質量分析装置の本体１内に配置される筒状の構造体である。図示していない側の端部には、イオン源が配置される。一方、図示される端部には、２枚の円盤状のＭＣＰ４１、４２（以下、合わせてＭＣＰ群４と称する。）が配置される。各ＭＣＰ４１、４２は、導電性の熱可塑性接着剤で接着されており、さらにＭＣＰ４１側の表面に円環状の金属からなるＭＣＰ−ＩＮ電極３が同じく導電性の熱可塑性接着剤で接着されている。そして、このＭＣＰ−ＩＮ電極３をフライトチューブ２の端面２０上に配置し、同電極に設けられた複数の孔（好ましくは３つ以上であり、本実施形態では４つ配置される。）を貫通させたネジ５をフライトチューブ２に設けられたネジ孔２２に挿入してネジ止め固定することにより、同電極をフライトチューブ２に固定している。これにより、フライトチューブ２とＭＣＰ−ＩＮ電極３とが電気的・物理的に接続される。

真空フランジ６は、円盤状の金属部材であり、フライトチューブ２の円筒部を囲む本体１の端部にガスケット６５（図７参照。）を挟んでフライトチューブ２に対して着脱可能に取り付けられる。本体１と真空フランジ６とは、真空容器を構成し、それにより封止される空間内を真空状態に保持することでフライトチューブ２内のイオン飛行軌跡部分を真空状態に保持する。真空フランジ６の真空容器内側に配置される面上には、アノード７５を保持する基板７が配置される。

基板７は、例えば、ポリイミド製の矩形板であり、各辺の中間部に近い外縁部にそれぞれネジ孔７００が設けられており、絶縁性で円筒状のインシュレータ７０１を挟んで、このネジ孔７００を貫通するネジ７０２により、真空フランジ６に固定されている。これにより、基板７と真空フランジ６との間に空間を確保するとともに、両者を電気的に接続することで、基板７を接地する。

基板７の中心には円形の切り抜き７２があり、裏面（真空フランジ６側に配置される面）に、板状の金属からなるアノード７５が取り付けられている。アノード７５は、導電性接着剤による接着、抵抗溶接、またはハンダ付けにより後述するアノード端子８６と電気的・物理的に接続され、基板７に固着されている。また、基板７上には、抵抗８３、８４やコンデンサ８２、８５からなるブリーダー回路が実装され、当該回路の接続端子として出力端子８０、電源端子８１、アノード端子８６を有している。

電源端子８１は、真空フランジ６を貫通するＳＭＡ型端子８１１に接続され、同端子に接続された外部電源８１５から電源が供給される。一方、出力端子８０には、同じく真空フランジ６を貫通するＳＭＡ型端子８０１が接続され、接続された外部機器からの読み出しが可能となる。切り抜き７２を囲む基板７上には、銅箔パターンにより形成された円環状のＭＣＰ−ＯＵＴ電極７３が設けられており、このＭＣＰ−ＯＵＴ電極７３上には、４個のスプリング７１０が抵抗溶接により取り付けられている。真空フランジ６を取り付けた際には、これらのスプリング７１０はＭＣＰ群４を付勢し、これらに応力を付加するとともに、ＭＣＰ群４に電気的に接続され、電位を供給する。

このような構成とすることで、ＭＣＰ群４は、スプリング７１０によりフライトチューブ２のイオン出力側端面に押圧されるので、ＭＣＰ群４の入力面（より具体的には、入力側のＭＣＰ４１の入射面）と、フライトチューブ２の出力側端面との平行度を高精度に確保することが容易になる。したがって、製作時にフライトチューブ２の出力側端面のイオン飛行軌跡との直交度を確保しておくことで、イオン飛行軌跡とＭＣＰ４１の入射面との直交度を高精度に確保することが容易になる。具体的には、フライトチューブ２の中心軸に対する端面の直交度の精度を確保し、飛行距離にして±１０μｍ以内となるよう工作すればよい。

動作に際しては、外部電源８１５からＳＭＡ型端子８１１を通じて、ＭＣＰ４群の両端、アノード７５に所定の電位が供給されるとともに、真空フランジ６は接地電位とされる。陽イオン検出時には、フライトチューブ２側の電源２５から−５ｋＶ、真空フランジ６側の電源８１５から−２．９ｋＶの電圧を印加すればよい。一方、陰イオンまたは電子の検出時には、フライトチューブ２側の電源２５から５ｋＶ、真空フランジ６側の電源８１５から７．１ｋＶの電圧をそれぞれ印加すればよい。

本実施形態によれば、ＭＣＰ群４の入射面をフライトチューブ２内のイオン飛行軌跡に対する直交性を高精度に確保することができるので、２ｎｓ以下という短いイオンの出力信号の半値幅を得ることができる。一方、ＭＣＰ群４の出力面とアノード７５との平行度については、電子の飛行速度が十分に早いため、ＭＣＰ群４の直交性に対する精度ほどの精度は要せず、±１００μｍ程度の精度でもイオンの出力信号の半値幅に与える影響はほとんど生じない。したがって、真空フランジ６の脱着によりＭＣＰ群４や検出器の交換も容易に行うことができる。

ＭＣＰ群４の取り付け方法は、上記実施形態に限られるものではない。以下、取り付け手法の異なる別の実施形態について説明する。

図８、図９に示される第２の実施形態においては、ＭＣＰ−ＩＮ電極３に設けられたネジ用の貫通孔上に円筒状の絶縁体であるインシュレータ５２を配置し、そのうえに鉤形のおさえ金具５１を配置し、抑え金具５１、インシュレータ５２、ＭＣＰ−ＩＮ電極３をフライトチューブ２のネジ孔にねじ込んだネジ５０で固定することにより、ＭＣＰ群４を固定している。ネジ５０はＰＥＥＫ樹脂やテフロン樹脂からなる絶縁性のネジであり、抑え金具とＭＣＰ群４とは電位的に切り離されている。

図１０、図１１に示される第３の実施形態においては、ＭＣＰ−ＩＮ電極３は、フライトチューブ２の端部に接着、溶接等により固着されており、そのうえに、円弧状のインシュレータ５４を介して同じく円弧状の金属板からなる固定用板５３が接着等により取り付けられている。ＭＣＰ群４は、固定用板５３とＭＣＰ−ＩＮ電極３の間に形成される溝部分に差し込まれて配置される。この場合も、固定用板５３とＭＣＰ群４とは電位的に切り離されている。

これら第２、第３の実施形態においても第１の実施形態と同様にＭＣＰ群４の入射面のフライトチューブ２内のイオン飛行軌跡に対する直交性を高精度に確保することが可能となる。また、これらの実施形態においては、ＭＣＰ群４のみを容易に交換できるという利点もある。

検出器側の構成も、第１の実施形態で示した構成に限られるものではない。例えば、図１〜１５に示されるように、真空フランジ６ａ上の基板７ａ上にメタルチャンネルダイノード（ＭＣＤ）９０を配置し、スプリング９１によりＭＣＰ群４を付勢する構成をとってもよい。この場合、ＭＣＤ９０に接続された入力端子９３、出力端子９２にそれぞれ接続されたＳＭＡ型端子９３ａ、９２ａを用いて外部機器との接続が行われる。

以上の実施形態は適宜変更が可能である。例えば、第１の実施形態では、基板７上のスプリング７１０により、ＭＣＰ群４を付勢したが、スプリングを基板７と真空フランジ６との間に設け、スプリングで付勢された基板またはその他の部材により、ＭＣＰ群４を間接的に付勢するようにしてもよい。

以上の説明では、ＭＣＰ−ＩＮ電極３には、フライトチューブ２側から電位を供給する例を説明したが、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極の場合と同様に、真空フランジ６側から導電性の付勢手段等を用いて電気的に接続を行う経路を確保してもよい。この場合には、電気的な接続を真空フランジ６の露出面で全て行うことができるという利点がある。

また、ＭＣＰ群４の入力側の固定位置はフライトチューブ２の端面に限られるものではなく、例えば、フライトチューブ２を取り囲む本体１の端面部分に固定する形式をとってもよい。また、付勢手段には、金属スプリングのほか、導電性ゴムや金属突起等を用いることができる。

１…本体、２…フライトチューブ、２…フライトチューブ、２…フライトチューブ、３…ＭＣＰ−ＩＮ電極、４…ＭＣＰ群、５、５０…ネジ、６、６ａ…真空フランジ、７、７ａ…基板、２０…端面、２２…ネジ孔、２５…電源、４１、４２…ＭＣＰ、５１…おさえ金具、５２、５４…インシュレータ、５３…固定用板、６５…ガスケット、７３…電極、７５…アノード、８０…出力端子、８１…電源端子、８２…コンデンサ、８３…抵抗、８６…アノード端子、９１…スプリング、９２…出力端子、９３…入力端子、７００…ネジ孔、７０１…インシュレータ、７０２…ネジ、７１０…スプリング、８０１、８１１、９２ａ、９３ａ…ＳＭＡ型端子、８１５…外部電源。

Claims (8)

1. サンプルから放出されたイオンが装置本体内の真空容器であるフライトチューブ内を飛行するのに要する時間に基づいて当該イオンの質量を分析する質量分析装置において、
   前記真空容器内で前記フライトチューブのイオン到達側に配置され、到達したイオンに応じた電子を出力するマイクロチャネルプレートであって、そのイオン到達面側に電気的、物理的に接続された入力側電極により前記装置本体と直接固定されるマイクロチャネルプレートと、
   前記フライトチューブのイオン到達側端部に着脱可能に接続、固定されて、該真空容器を構成するとともに、該真空容器の外側表面に露出する信号出力端子と、電位供給端子とを有するフランジ部と、
   前記フランジ部上に前記マイクロチャネルプレートに向けて固定され、前記マイクロチャネルプレートから出力された電子が入力されるとともに、前記信号出力端子に電気的に接続されているアノード部と、
   前記フランジ部に固定されて、前記マイクロチャネルプレートの出力側を付勢して、前記マイクロチャネルプレートの出力側と、前記電位供給端子とを電気的に接続する出力側付勢手段と、
   を備えていることを特徴とする質量分析装置。
2. 前記マイクロチャネルプレートは、前記入力側電極を介して前記フライトチューブのイオン到達側端面に固定されていることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
3. 前記マイクロチャネルプレートを複数枚積み重ねていることを特徴とする請求項１または２に記載の質量分析装置。
4. 前記フランジ部に固定され、前記入力側電極を付勢し、前記入力側電極と、前記フランジ部に設けられた入力電極端子とを電気的に接続する入力電極付勢手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置。
5. 前記アノードより前記マイクロチャネルプレート側に配置され、前記フランジ部に固定される電子増倍部をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析装置。
6. 前記出力側付勢手段は、スプリングであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。
7. 前記出力側付勢手段は、導電性ゴム製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。
8. 前記出力側付勢手段は、金属突起であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。

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