JP6658904B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧電源装置を備えた質量分析装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置のフライトチューブなど、比較的静電容量が大きな容量性負荷に直流高電圧を印加するのに好適な高電圧電源装置を備えた質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置（以下、慣用に従って「ＴＯＦＭＳ」と称す）では、試料由来の各種イオンをイオン射出部から射出し、該イオンがフライトチューブ内に形成された飛行空間中を飛行するのに要する飛行時間を計測する。飛行するイオンはその質量電荷比m/zに応じた速度を有するため、上記飛行時間はそのイオンの質量電荷比に応じたものとなり、各イオンの飛行時間から質量電荷比を求めることができる。

例えば特許文献１に開示されているように、ＴＯＦＭＳにおいてフライトチューブには、正負両極性の直流高電圧を切り替え出力可能である高電圧電源装置から、分析対象であるイオンの極性に応じて極性の異なる数kV〜十数kV程度の直流高電圧が印加される。分析実行中にフライトチューブの電位が変動するとイオンの飛行距離が変動してしまい、質量精度や質量分解能を低下させるおそれがある。また、リフレクトロン型のＴＯＦＭＳでは、フライトチューブの電位がイオンを反射させる反射電場を形成するためのリフレクトロンの基準電位となっている場合もあり、そうした場合、分析実行中のフライトチューブの電位変動が質量精度に与える影響は一層大きい。

そのため、上記高電圧電源装置には、電圧変動が数ppm程度以下である高い安定性を保ちつつ数kV〜十kV程度の直流高電圧を出力可能であることが求められる。また、正イオンの測定と負イオンの測定とを交互に繰り返し実施することが可能なＴＯＦＭＳでは、高電圧電源装置の出力電圧の極性の切替えを短い周期で行う必要があるため、出力電圧の極性切替え時に電圧が安定するまでの時間をできるだけ短縮することも求められる。

図６は従来一般的であるフライトチューブ用高電圧電源装置の概略構成及びその動作説明図である。
図６（ａ）に示すように、この高電圧電源装置は、電圧値がＨ[Ｖ]である正極性の直流高電圧を出力する正電圧発生部１と、電圧値が−Ｈ[Ｖ]である負極性の直流高電圧を出力する負電圧発生部２と、正電圧発生部１と負荷であるフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた正側スイッチ回路３と、負電圧発生部２とフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた負側スイッチ回路４と、を備える。一般に、スイッチ回路３、４はそれぞれ半導体スイッチング素子として１又は複数のＭＯＳＦＥＴを含む。また、正電圧発生部１及び負電圧発生部２としては、コッククロフト・ウォルトン回路（Cockcroft-Walton circuit）などの、倍電圧整流回路を多段接続した昇圧回路が利用されることが多い。直流高電圧の電圧値±Ｈは一般に±５〜±１０[kV]程度である。フライトチューブ５は長さが１〜２[ｍ]程度の金属製の略円筒管であり、Ｃａ[Ｆ]の静電容量を有する容量性負荷である。

ＴＯＦＭＳにおいて正イオンの測定と負イオンの測定とを交互に行うべくフライトチューブ５に印加する高電圧の正負を交互に切り替える際には、正側スイッチ回路３と負側スイッチ回路４とを交互にオン・オフさせる。但し、両スイッチ回路３、４が同時にオン状態にならないように、一方のスイッチ回路（例えば正側スイッチ回路３）をオン状態からオフ状態に切り替えたあとに他方のスイッチ回路（例えば負側スイッチ回路４）をオフ状態からオン状態に切り替えるように、それらスイッチ回路３、４を制御するのが一般的である。

いま、両スイッチ回路３、４が共にオフした状態から正側スイッチ回路３がオンされると、該正側スイッチ回路３を通して正電圧発生部１からフライトチューブ５に電流ｉ1が流れ、フライトチューブ５の静電容量が充電される（図６（ａ）参照）。静電容量が完全に充電されるとフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位は＋Ｈ[Ｖ]に安定し、その状態で測定が実施される（図６（ｂ）参照）。測定終了後にフライトチューブ５へ負の高電圧を印加するように切り替えるには、まず正側スイッチ回路３をオフし続いて負側スイッチ回路４をオンする。すると、先にフライトチューブ５の静電容量に蓄えられていた電荷による電流ｉ2が負側スイッチ回路４を通してフライトチューブ５から負電圧発生部２に流れる。そして、該静電容量は逆極性に充電される（図６（ｃ）参照）。静電容量が逆極性に完全に充電されるとフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位は−Ｈ[Ｖ]に安定し、その状態で測定が実施される（図６（ｄ）参照）。

フライトチューブ５の静電容量はその大きさ等に依存するが、通常、数百pF〜数nF程度ある。スイッチ回路３、４がそれぞれオン状態に切り替えられた時点からフライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位が正方向又は負方向に徐々に上昇し、その電位が安定するまでに要する安定化時間ｔsは、電圧発生部１、２の電流供給能力と負荷変動に対する応答性に依存する。電流供給能力を上げれば（つまりは電流ｉ1、ｉ2を大きくすれば）安定化時間ｔsは短くなるものの、電流供給能力を上げるほど電圧発生部１、２に掛かるコストは高くなる。また、電圧発生部１、２において負荷変動に対する応答性を高くすると安定化時間ｔsは短くなるものの、直流電圧の安定性が低下するおそれがある。こうした制約から、電圧発生部１、２の電流供給能力や負荷変動に対する応答性を上げるには限界がある。そのため、フライトチューブ５の静電容量が数nF程度ある場合、従来の高電圧電源装置における安定化時間ｔsは数百ms程度あり、この時間の長さがフライトチューブ５への印加電圧の極性切替えの時間を短縮する、つまりは正イオン測定と負イオン測定とを交互に実施する際の測定周期を短縮するうえでの大きな制約となっていた。

また、こうした問題は出力電圧の正負極性の切替え時のみならず、電圧印加を停止している状態から電圧印加を開始する際、つまりは印加電圧をゼロから＋Ｈ[Ｖ]又は−Ｈ[Ｖ]に立ち上げる際においても同様である。
また、フライトチューブ５に高電圧を印加する高電圧電源装置のみならず、静電容量が比較的大きな負荷（容量性負荷）に対して安定した直流高電圧を印加する高電圧電源装置において同様の問題がある。

特開２００６−８００３１号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、容量性の負荷に対し安定した高電圧を印加する高電圧電源装置を備えた質量分析装置において、装置コストが増大することを抑えながら、電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、その電圧の立上りを高速化することを主たる目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明は、負荷に直流高電圧を印加する高電圧電源装置を有する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するスイッチ部と、
c)前記スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を充電する補助電源部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る高電圧電源装置において、開成状態にあるスイッチ部を閉成すると、該スイッチ部を介して主電圧発生部と負荷とが接続され、主電圧発生部による直流高電圧が負荷に印加される。その際に補助電源部は、スイッチ部が閉成される直前に又は該スイッチ部が閉成された直後に、主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を短時間、負荷に供給する。負荷に印加される直流高電圧が正である場合には、補助電源部は負荷に正の電流を供給し（つまりは負荷に電流を流し込む）、負荷に印加される直流高電圧が負である場合には、補助電源部は負荷に負の電流を供給する（つまりは負荷から電流を引き抜く）ものとすればよい。この補助電源部により供給される電流によって負荷の静電容量は急速に充電されるため、主電圧発生部から負荷への電流供給による静電容量の充電は不要になり又は軽減され、スイッチ部が閉成されたあとに負荷の電位は短時間で所望の値に静定する。

変動の少ない安定した直流高電圧を負荷に印加しようとする場合、上述したように、主電圧発生部の電流供給能力はコスト要因等のために制約を受ける。これに対し、補助電源部は印加電圧の立上り時に負荷の静電容量を充電するのが主たる目的であるため、大きな電流を短時間だけ供給できる構成とすればよい。

そこで、本発明に係る高電圧電源装置において、前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、前記コンデンサと前記負荷とを接続する線路を開閉する第１補助スイッチ部と、を含む構成とすることができる。

この構成では、スイッチ部を開成状態から閉成状態に切り替えて主電圧発生部による直流高電圧を負荷に印加し始めるよりも前に、充電用電源部によりコンデンサを予め充電しておく。そして、例えばスイッチ部を開成状態から閉成状態に切り替る際にその直前に、第１補助スイッチ部を短時間閉成することにより、コンデンサに蓄えられていた電荷による電流を第１補助スイッチ部を通して負荷に供給し該負荷の静電容量を充電する。第１補助スイッチ部を再び開成してコンデンサと負荷とを切り離したあとにスイッチ部を閉成し、主電圧発生部による直流高電圧を負荷に印加する。第１補助スイッチ部を閉成することで、コンデンサに蓄積されていた電荷が放電され、一時的ではあるが大きな電流を負荷に供給することができる。それによって、負荷の電位を短時間で上昇させ、主電圧発生部が負荷に接続された後に迅速に、その主電圧発生部による直流高電圧に安定させることができる。

上記構成の高電圧電源装置の一態様では、前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉するものであって、前記第１補助スイッチ部が開成している期間中に閉成され、該第１補助スイッチ部が閉成する際には開成される第２補助スイッチ部をさらに含む構成とすることができる。

この構成では、第１補助スイッチ部が閉成しているときに第２補助スイッチ部を開成して充電用電源部とコンデンサとを切り離し、その直前までコンデンサに蓄積されていた電荷による大きな電流を負荷に供給することができる。

また上記構成の高電圧電源装置の他の態様では、前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記第１補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該第１補助スイッチ部を通しての電流を制限する抵抗部をさらに含む構成としてもよい。

即ち、この態様では、上記態様における第２補助スイッチ部を抵抗部に置き換える。この構成では、第１補助スイッチ部を閉成したときに抵抗部を通してコンデンサと充電用電源部とは接続された状態である。但し、抵抗部の抵抗値を或る程度大きくしておけば、充電用電源部から抵抗部を通して負荷へ電流が流れにくいので、第１補助スイッチ部を閉成したときに、コンデンサに蓄積されていた電荷による大きな電流を負荷に供給することができる。

また本発明に係る高電圧電源装置は、正又は負のいずれか一方の極性の直流高電圧を負荷に印加する単極性型の電源装置でもよいが、正極性の直流高電圧と負極性の直流高電圧とを選択的に負荷に印加することが可能である正負両極性切替え型の電源装置に適用することもできる。

即ち、本発明に係る高電圧電源装置において、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を正極性に充電する正側補助電源部と、前記負側スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を負極性に充電する負側補助電源部と、を含む構成とすることができる。

この構成によれば、負荷に電圧を印加していない状態から正又は負の電圧を印加し始める際のみならず、負荷に印加している直流高電圧の極性を正から負へ又はその逆に切り替える際に、負荷の静電容量をその直前とは逆の極性に迅速に充電することができ、それによって切替え後の電圧を迅速に安定させることができる。

例えばＴＯＦＭＳでは、分析対象であるイオンの極性に応じて極性が切り替えられるフライトチューブの電位が十分に安定したあとに測定を実施する必要があるが、上記本発明に係る高電圧電源装置を電源装置として用いることで、フライトチューブの電位の切替えが迅速に行われるので、正イオン測定と負イオン測定とを交互に実行する測定周期を短くすることができる。

本発明に係る質量分析装置によれば、高電圧電源装置において、負荷への電圧印加停止状態から電圧印加を開始する際や印加電圧の極性を切り替える際に、出力電圧の安定性が高い主電圧発生部とは別の専用の補助電源部により負荷の静電容量を迅速に充電するので、主電圧発生部の出力電流に制約があっても、負荷の電位を迅速に所望の安定した値に静定させることができる。これにより、電圧安定性の高い主電圧発生部の出力電流を抑えることができるので、コスト増加を抑えることができる。また、負荷変動に対する応答性を必要以上に高くする必要がないので、安定した直流高電圧を負荷に印加することができる。

本発明の第１実施例による高電圧電源装置の概略構成図。 第１実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図。 本発明の第２実施例による高電圧電源装置の概略構成図。 第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の制御信号のタイミング図。 第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図。 従来の高電圧電源装置の概略構成及びその動作説明図。

［第１実施例］
以下、本発明に係る高電圧電源装置の第１実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図２は第１実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図１において、図６に示した従来の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。

本実施例の高電圧電源装置において、正電圧発生部１、負電圧発生部２、正側スイッチ回路３、負側スイッチ回路４、及び負荷であるフライトチューブ５は、図６に示した従来の高電圧電源装置と全く同じであり、これにさらに補助電源部１０が追加されている。

補助電源部１０は、電圧値が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]である正極性の直流高電圧を出力する補助正電圧発生部１１と、電圧値が−（Ｈ＋α）[Ｖ]である負極性の直流高電圧を出力する補助負電圧発生部１２と、一端が接地された第１コンデンサ１３と、同じく一端が接地された第２コンデンサ１４と、補助正電圧発生部１１と第１コンデンサ１３の他端とを電気的に接続する線路に設けられた正側第２補助スイッチ回路１５と、その第１コンデンサ１３の他端とフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた正側第１補助スイッチ回路１７と、補助負電圧発生部１２と第２コンデンサ１４の他端とを電気的に接続する線路に設けられた負側第２補助スイッチ回路１６と、その第２コンデンサ１４の他端とフライトチューブ５とを電気的に接続する線路に設けられた負側第１補助スイッチ回路１８と、を含む。

補助電源部１０中のスイッチ回路１５〜１８はいずれもスイッチ回路２、４と同様にそれぞれ１又は複数のＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子で構成することができる。また、半導体スイッチング素子以外の例えば電磁リレーなどを用いることもできる。また、制御部２０はスイッチ回路３、４、１５〜１８それぞれのオン（閉成）・オフ（開成）の動作を制御するものであり、通常、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータを中心に構成される。

補助正電圧発生部１１の出力である直流高電圧の電圧値（Ｈ＋α）[Ｖ]は、正電圧発生部１の出力である直流高電圧の電圧値Ｈ[Ｖ]よりもα[Ｖ]だけ高い。同様に、補助負電圧発生部１２の出力である直流高電圧の電圧値−（Ｈ＋α）[Ｖ]は、負電圧発生部２の出力である直流高電圧の電圧値−Ｈ[Ｖ]よりもその絶対値がα[Ｖ]だけ高い。後述するように、α[Ｖ]は第１、第２コンデンサ１３、１４の容量、フライトチューブ５の静電容量の容量値Ｃａなどに応じて適宜決められる。

図２を参照して、この高電圧電源装置におけるフライトチューブ５への印加電圧の極性切替え時の動作を説明する。
いま、負側スイッチ回路４がオン状態、正側スイッチ回路３はオフ状態、第１補助スイッチ回路１７、１８も共にオフ状態で、フライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電は−Ｈ[Ｖ]に安定しているものとする。このとき、正側第２補助スイッチ回路１５はオン状態とされ、第１コンデンサ１３は補助正電圧発生部１１の出力電圧＋（Ｈ＋α）[Ｖ]により充電される（図２（ａ）参照）。完全に充電されると、第１コンデンサ１３の両端電圧は＋（Ｈ＋α）[Ｖ]となる。

フライトチューブ５への印加電圧を負極性から正極性に切り替える際には、まず負側スイッチ回路４、正側第２補助スイッチ回路１５をオフ状態にし、正側第１補助スイッチ回路１７をオンする。すると、該正側第１補助スイッチ回路１７を介して第１コンデンサ１３とフライトチューブ５とが接続され、第１コンデンサ１３に蓄えられていた電荷による電流がフライトチューブ５に流れる（図２（ｂ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが負極性であるように充電されているが、上記電流の流れ込みによって急速に正極性に充電される。

このとき、電圧印加側端部５ａの電圧Ｈ’[Ｖ]と、第１コンデンサ１３の容量Ｃｂ[Ｆ]、フライトチューブ５の静電容量の容量値Ｃａ[Ｆ]、及びα[Ｖ]は次の関係となる。
α＝（２Ｃａ／Ｃｂ）Ｈ’[Ｖ]
したがって、Ｃａ、Ｃｂが既知であれば、Ｈ’[Ｖ]をＨ[Ｖ]とするためのα[Ｖ]が求まる。例えばＣａ＝１[nF]、Ｃｂ＝７[nF]、Ｈ[Ｖ]＝±７[kV]であれば、α＝（２／７）×７＝２[kV]である。即ち、補助正電圧発生部１１の出力電圧は９[kV]であればよい。

第１コンデンサ１３から供給される電流によってフライトチューブ５の静電容量が充電されたあと、正側第１補助スイッチ回路１７をオフし、正側スイッチ回路３、正側第２補助スイッチ回路１５をオンする。これにより、正電圧発生部１がフライトチューブ５に接続されるため、電圧値がＨ[Ｖ]である安定した直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図２（ｃ）参照）。一方、上記第１コンデンサ１３の放電によってその充電電圧は下がるが、正側第２補助スイッチ回路１５がオンされることで第１コンデンサ１３と補助正電圧発生部１１とが再び接続され、第１コンデンサ１３はその両端電圧が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。正電圧発生部１からフライトチューブ５に安定した直流電圧が印加されている状態で測定が実施される（図２（ｄ）参照）。測定の実行時、負側第２補助スイッチ回路１６はオン状態とされるため、第２コンデンサ１４は補助負電圧発生部１２の出力電圧−（Ｈ＋α）[Ｖ]により充電され、第２コンデンサ１４の両端電圧は−（Ｈ＋α）[Ｖ]となる。

測定が終了すると、フライトチューブ５への印加電圧を正極性から負極性に切り替えるために、制御部２０は正側スイッチ回路３及び負側第２補助スイッチ回路１６をオフ状態にし、負側第１補助スイッチ回路１８をオンする。すると、負側第１補助スイッチ回路１８を介して第２コンデンサ１４とフライトチューブ５とが接続され、第２コンデンサ１４に蓄えられていた電荷によりフライトチューブ５から第２コンデンサ１４に電流が流れる（図２（ｅ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが正極性であるように充電されているが、上記電流の流出によって急速に負極性に充電される。

制御部２０は、第２コンデンサ１４による電流の引き抜きによってフライトチューブ５の静電容量が負極性に充電されたあと、負側第１補助スイッチ回路１８をオフし、正側スイッチ回路３及び負側第２補助スイッチ回路１６をオンする。これにより、負電圧発生部２がフライトチューブ５に接続されるため、安定な負の直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図２（ｆ）参照）。一方、上記第２コンデンサ１４の放電によってその充電電圧は下がるが、負側第２補助スイッチ回路１６がオンされることで第２コンデンサ１４と補助負電圧発生部１２とが再び接続され、第２コンデンサ１４はその両端電圧が−（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。負電圧発生部２からフライトチューブ５に安定な直流電圧が印加されている状態で測定は実施される（図２（ａ）参照）。

以上のように第１実施例の高電圧電源装置では、フライトチューブ５に印加する電圧を正極性から負極性へ又はその逆に切り替える際に、補助電源部１０において第１コンデンサ１３、第２コンデンサ１４に予め蓄えておいた電荷に基づく電流をフライトチューブ５に供給し、フライトチューブ５の静電容量を切り替えようとしている極性の直流高電圧付近の値まで充電する。第１コンデンサ１３、第２コンデンサ１４から供給される電流は電圧発生部１、２から供給される電流のような制約はなく、基本的に、第１補助スイッチ回路１７、１８の内部抵抗の抵抗値（或いはそれに直列に保護抵抗等が接続されている場合にはその抵抗との直列抵抗値）で決まる大きな電流が流れる。そのため、フライトチューブ５の静電容量の充電は迅速に行われ、それ故に、極性切替え時に安定した直流電圧になるまでの時間（安定化時間）も補助電源部１０がない場合に比べて速くなる。

［第２実施例］
本発明に係る高電圧電源装置の第２実施例について、図３〜図５を参照して説明する。図３は第２実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図４は第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の制御信号のタイミング図、図５は第２実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図３において、図１に示した第１実施例の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。また、図５（ａ）〜（ｆ）は図２（ａ）〜（ｆ）にそれぞれ対応している。

第２実施例の高電圧電源装置では、第１実施例の高電圧電源装置における二つの第２補助スイッチ回路１５、１６をそれぞれ抵抗器１０５、１０６に置き換えている。この抵抗器１０５、１０６は数百kΩ〜数ＭΩ程度の大きな抵抗値を有するものである。即ち、第２実施例の高電圧電源装置では、補助正電圧発生部１１と第１コンデンサ１３とは抵抗器１０５を通して常に接続され、 補助負電圧発生部１２と第２コンデンサ１４とは抵抗器１０６を通して常に接続されている。

図５（ａ）に示すように、負側スイッチ回路４がオン状態、正側スイッチ回路３はオフ状態、第１補助スイッチ回路１７、１８も共にオフ状態で、フライトチューブ５の電圧印加側端部５ａの電位が−Ｈ[Ｖ]に安定しているとき、抵抗器１０５を介して補助正電圧発生部１１を接続されている第１コンデンサ１３の両端電圧は＋（Ｈ＋α）[Ｖ]に充電される。そのあと、フライトチューブ５への印加電圧を負極性から正極性に切り替える際に、負側スイッチ回路４をオフ状態にし、制御部２０は正側第１補助スイッチ回路１７に図４（ａ）に示すような制御信号を与え、短時間（本例では１ms）だけオンする。すると、該正側第１補助スイッチ回路１７を介して第１コンデンサ１３とフライトチューブ５とが接続され、第１コンデンサ１３に蓄えられていた電荷による電流がフライトチューブ５に流れる（図５（ｂ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが負極性であるように充電されているが、上記電流の流れ込みによって急速に正極性に充電される。正側第１補助スイッチ回路１７をオンすると、抵抗器１０５を介して補助正電圧発生部１１とフライトチューブ５とも接続されるが、抵抗器１０５の抵抗値は大きいので、正側第１補助スイッチ回路１７をオンする時間を後述の正側スイッチ回路３のオン時間に比べて十分に短くしておくことによって、補助正電圧発生部１１からフライトチューブ５へ流れる電流を殆ど無視することができる。

第１コンデンサ１３から供給される電流によってフライトチューブ５の静電容量が充電されたあと、制御部２０は正側第１補助スイッチ回路１７をオフし、図４（ｂ）に示す制御信号を正側スイッチ回路３に与えることでオンする。このオン時間は本例では２４msであり、上述したように正側第１補助スイッチ回路１７のオン時間に比べて十分に長い。これにより、正電圧発生部１がフライトチューブ５に接続されるため、電圧値がＨ[Ｖ]である安定した直流電圧がフライトチューブ５に印加される（図５（ｃ）参照）。一方、上記第１コンデンサ１３の放電によってその充電電圧は下がるが、第１コンデンサ１３と補助正電圧発生部１１とは抵抗器１０５を介して接続されているので、放電後に第１コンデンサ１３は充電され始め、その両端電圧が＋（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで充電される。正電圧発生部１からフライトチューブ５に安定した直流電圧が印加されている状態で測定が実施される（図５（ｄ）参照）。一方、負側第１補助スイッチ回路１８がオフしている状態では、第２コンデンサ１４の両端電圧は補助負電圧発生部１２により−（Ｈ＋α）[Ｖ]に充電される。

測定が終了すると、フライトチューブ５への印加電圧を正極性から負極性に切り替えるために、制御部２０は正側スイッチ回路３をオフ状態にし、負側第１補助スイッチ回路１８を短時間（この例では１ms）だけオンする。すると、負側第１補助スイッチ回路１８を介して第２コンデンサ１４とフライトチューブ５とが接続され、第２コンデンサ１４に蓄えられていた電荷によりフライトチューブ５から第２コンデンサ１４に電流が流れる（図５（ｅ）参照）。その直前までフライトチューブ５の静電容量は電圧印加側端部５ａが正極性であるように充電されているが、上記電流の流出によって急速に負極性に充電される。

制御部２０は、第２コンデンサ１４による電流の引き抜きによってフライトチューブ５の静電容量が負極性に充電されたあと、負側第１補助スイッチ回路１８をオフし、正側スイッチ回路３をオンする。これにより、負電圧発生部２がフライトチューブ５に接続されるため、安定な負の直流電圧がフライトチューブ５に印加されることになる（図５（ｆ）参照）。一方、上記第２コンデンサ１４の放電によってその充電電圧は下がるが、負側第１補助スイッチ回路１８がオフされると第２コンデンサ１４はその両端電圧が−（Ｈ＋α）[Ｖ]になるまで再び充電される。負電圧発生部２からフライトチューブ５に安定な直流電圧が印加されている状態で測定は実施される（図５（ａ）参照）。

以上のように第２実施例の高電圧電源装置では、スイッチ回路３、４のオン時間に比べて第１補助スイッチ回路１７、１８のオン時間を十分に短くしておくことで、第１実施例とほぼ同様の動作が達成される。本発明者による回路シミュレーションでは、安定化時間は約４０msから約１０msに短縮されることが確認できた。

なお、上記説明では、フライトチューブ５に印加する電圧の極性の切替え時に補助電源部１０を利用していたが、電圧を印加していない状態から正又は負の高電圧を印加し始めるときにも補助電源部１０を利用することで電圧の立上りを高速化できることは言うまでもない。

また、上記記載の高電圧電源装置の構成は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
また、本発明に係る高電圧電源装置はＴＯＦＭＳのフライトチューブに高電圧を印加する用途に用いることができるだけでなく、±数[kV]程度の高電圧を高速に切り替える必要がある様々な用途や装置に利用できることは明白である。

１…正電圧発生部
２…負電圧発生部
３…正側スイッチ回路
４…負側スイッチ回路
５…フライトチューブ
５ａ…電圧印加側端部
１０…補助電源部
１１…補助正電圧発生部
１２…補助負電圧発生部
１３…第１コンデンサ
１４…第２コンデンサ
１５…正側第２補助スイッチ回路
１６…負側第２補助スイッチ回路
１７…正側第１補助スイッチ回路
１８…負側第１補助スイッチ回路
１０５、１０６…抵抗器
２０…制御部

Claims (6)

1. 負荷に直流高電圧を印加する高電圧電源装置を有する質量分析装置であって、該高電圧電源装置は、
   a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
   b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するスイッチ部と、
   c)前記スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を充電する補助電源部と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、前記コンデンサと前記負荷とを接続する線路を開閉する第１補助スイッチ部と、を含むことを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項２に記載の質量分析装置であって、
   前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉するものであって、前記第１補助スイッチ部が開成している期間中に閉成され、該第１補助スイッチ部が閉成する際には開成される第２補助スイッチ部をさらに含むことを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項２に記載の質量分析装置であって、
   前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記第１補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該第１補助スイッチ部を通しての電流を制限する抵抗部をさらに含むことを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の質量分析装置であって、
   前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
   前記スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側スイッチ部と、を含み、
   前記補助電源部は、前記正側スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を正極性に充電する正側補助電源部と、前記負側スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に、前記負荷に対し前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を供給して該負荷の静電容量を負極性に充電する負側補助電源部と、を含むことを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の質量分析装置であって、
   当該質量分析装置は飛行時間型質量分析装置であり、前記負荷はフライトチューブであることを特徴とする質量分析装置。

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