JPH08106879A

JPH08106879A - 飛行時間型質量分析計

Info

Publication number: JPH08106879A
Application number: JP6241327A
Authority: JP
Inventors: Sumio Kumashiro; 州三夫熊代; Minoru Fujimoto; 穣藤本; Takehiro Takeda; 武弘竹田; Koichi Suzui; 光一鈴井; Hisashi Yoshida; 久史吉田; Tadaoki Mitani; 忠興三谷
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1994-10-05
Publication date: 1996-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】チョッピング電極によりイオンビームをパル
ス状にチョッピングして検出器に導く方式の飛行時間型
質量分析計において、短い自由飛行長のもとに従来の装
置に比してより高い質量分解能を得ることができ、コン
パクトで、高透過率で、しかも高分解能の分析計を提供
する。【構成】検出器６の入射面６１を、光軸Ａに直交する
面ｒに対して、後でビームが偏向される側の電極４ａ側
の辺がイオン源１に接近する向きに角度θで傾斜させる
ことにより、チョッピングによるビームの蛇行部分の傾
斜角ψ_iに入射面６１を接近させ、検出器６に実際に入
射するビームのパルス幅を減少させるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は飛行時間型質量分析計に
関し、例えばＧＣ／ＭＣ（ガスクロマトグラフィー質量
分析計）、ＬＳ／ＭＳ（液体クロマトグラフィー質量分
析計）、あるいはＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）等
に適用可能な飛行時間型質量分析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行時間型質量分析計においては、一般
に、対象試料をイオン化し、そのイオン群を一定電圧の
もとに加速して無電界の空間を一定距離だけ飛行させた
後にイオン検出器に突入させ、イオン群中の各イオンが
その検出器に到達するに要した時間を計測することによ
ってイオン群中の各イオンの質量を求め、質量スペクト
ル等を得ている。

【０００３】このような飛行時間型質量分析計において
は、その原理上、イオン源で生成されたイオンをパルス
状のビームにして検出器に導く必要があるが、パルスイ
オンビームの生成方法として、従来、パルスイオン源を
用いる方法（W.C.Wiley, etal, The Review of Scienti
fic Instruments, Vol.26, No.12(1955), 1150)や、イ
オン源からのＤＣビームを偏向電極でチョッピングする
方法（J.M.Bakker,Journal of Physics E: Scientific
Instruments 1973 Vol.6)などが知られている。

【０００４】このうち、前者のパルスイオン源を用いる
方法は、イオン源内にバッキングプレートを設置してこ
れにパルス電圧を印加することにより、イオン源内のイ
オンを外部に押し出してパルス状のイオンビームを得る
方法であるが、特にガスサンプルの場合、イオン源内の
イオンの位置および速度分布が最終的なイオンエネルギ
の拡がりを与えるとともに、イオン源内の熱運動のため
にイオンはあらゆる方向に運動しているため、分解能の
低下を引き起こすという欠点がある。これを抑えるため
には、引き出し電界を大きくする必要があるが、それに
よりビームの空間収束がうまくいかないという新たな問
題が生じる。

【０００５】一方、後者の方法は、パルスイオン源を用
いる方法におけるイオン源内の諸問題を解消するとして
提案されたものであり、その原理を図１０を参照しつつ
以下に述べる。

【０００６】イオン源（図示せず）から連続的に略平行
に引き出したイオンビーム１０１を、例えば平行平板デ
ィフレクターである一対のチョッピング電極１０２ａ，
１０２ｂの間に導く。また、チョッピング電極１０２
ａ，１０２ｂから所定距離Ｌの自由飛行空間を隔てて、
イオン検出器１０３を、その入射面がビームの光軸に直
交するように配置する。

【０００７】チョッピング電極１０２ａ，１０２ｂに印
加する電圧を瞬間的に変化させることにより、図１１に
例示するように、このチョッピング電極１０２ａ，１０
２ｂ間の電場の向きを瞬時に反転させる。この電場の反
転によって、イオンビーム１０１は当所に一方の電極側
１０２ｂに偏向している状態から、瞬時に他方の電極１
０２ａ側に偏向する状態となり、図１０中で実線で示す
ような刻々の形状を採りながら、すなわち蛇行した形状
のもとに、その蛇行部分が光軸に直交する方向に広がり
ながら検出器１０３側へと進行するが、チョッピング電
極間を通過する個々のイオンは、その反転時点における
位置に応じた軌跡のもとに自由飛行空間を飛行し、イオ
ンビーム１０１中の一部の集団のイオン群のみが検出器
１０３の入射面に入射する。従って、検出器１０３から
見た場合にはパルス状のイオンビームが入射することに
なる。

【０００８】すなわち、イオンビーム１０１中で互いに
同一の質量と電荷を持つイオンに着目したとき、電場の
反転時点で既にチョッピング電極１０２ａ，１０２ｂの
出口ａ₀に達しているイオン（正イオン）は、図１２
（Ａ）に示すような電場を経験しているため、図１０中
下方への加速度のみを受け、ａ₀〜ａ₁〜ａ₂の軌跡で
飛行する。また、電場の反転時点でチョッピング電極１
０２ａ，１０２ｂの入口ｅ₀に位置しているイオンは、
図１２（Ｅ）に示すような電場を経験して自由飛行空間
に導かれるため、図１０中上方への加速度のみを受け、
ｅ₀〜ｅ₁〜ｅ₂の軌跡で飛行する。従って、これらの
イオンは、いずれも、検出器１０３には入射しない。

【０００９】一方、電場の反転時点でチョッピング電極
１０２ａ，１０２ｂの中央ｃ₀ないしはｃ₀₀、つまりチ
ョッピング電極１０２ａ，１０２ｂの光軸方向への長さ
をＤとしたとき、その入口からＤ／２の位置に至ってい
るイオンは、それぞれ図１２（Ｃ）に示すような電場を
経験した後に自由飛行空間に導かれ、下方および上方へ
の加速度を等しく受けるため、光軸にほぼ平行に直進
し、それぞれｃ₀〜ｃ₁〜ｃ₂〜ｃ₃、およびｃ₀₀〜ｃ
₁₀〜ｃ₂₀〜ｃ₃₀の軌跡で飛行して、検出器１０３に入射
する。

【００１０】電場の反転時点で、チョッピング電極１０
２ａ，１０２ｂの中央よりも僅かに入口側で、かつ、イ
オンビーム中において図１０中上縁部ｂ₀に位置してい
るイオンは、図１２（Ｂ）に示すような電場を経験し、
下方への加速度を上方への加速度よりも僅かに多く受
け、ｂ₀〜ｂ₁〜ｂ₂〜ｂ₃の軌跡のもとに検出器１０
３の下端に入射する。チョッピング電極１０２ａ，１０
２ｂの光軸方向への位置が同じで、同じ電場を経験した
イオンでも、イオンビーム中においてｂ₀よりも下方に
あるイオンは、検出器１０３に入射しない。

【００１１】同様にして、電場の反転時点で、チョッピ
ング電極１０２ａ，１０２ｂの中央よりも僅かに出口側
で、かつ、イオンビーム中において図１０中下縁部ｄ₀
に位置しているイオンは、図１２中（Ｄ）に示すような
電場を経験して上方への加速度を下方への加速度よりも
僅かに多く受け、ｄ₀〜ｄ₁〜ｄ₂〜ｄ₃の軌跡のもと
に検出器１０３の上端に入射する。

【００１２】このようにして各イオンについての軌跡を
考察すると、結局、チョッピング電極間１０２ａ，１０
２ｂに導かれるイオンビーム内で、検出器１０３に入射
するイオンは、電場の反転時点において、図１０中にｄ
₀〜ｃ₀〜ｂ₀〜ｃ₀₀で囲まれた領域に位置するイオン
に限られ、検出器１０３にはパルス状のイオンビームが
導かれることになる。

【００１３】そして、この方法の提案者であるBakker
は、イオンビームはチョッピング電極によって光軸方向
への加減速を受けず、上記した領域内のイオンはチョッ
ピング電極を経た後にほぼ直進し、検出器に入射するビ
ームのパルス幅Δｔ、つまり検出器へのイオン入射の継
続時間Δｔは、

【００１４】

【数１】

【００１５】となるとしている。ここで、Ｂはチョッピ
ング電極に導かれるイオンビーム幅、Ｓは検出器の光軸
に直交する方向への寸法、Ｕはビームエネルギ、Ｖ₀は
チョッピング電位である。自由飛行時間をｔ₂としたと
き、

【００１６】

【数２】

【００１７】で表される質量分解能Ｒは、従って、

【００１８】

【数３】

【００１９】となり、自由飛行長Ｌの２乗に比例した質
量分解能が得られる、としている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
なチョッピング電極を用いてイオンビームをパルス化す
るBakkerの提案における解析によると、質量分解能が自
由飛行長Ｌの２乗に比例することから、高分解能の分析
計を得るためには距離Ｌを大きくすればいいことになる
が、距離Ｌを大きくすると、チョッピングされたイオン
ビームは図１０に示したように自由飛行距離が増大すれ
ばするほど光軸と直交する方向に拡散していく関係上、
検出器に入射するイオンの密度が低下し、イオンの透過
率、すなわち検出効率が低下してしまう。また、距離Ｌ
を大きくすればするほど、装置が大型化することにな
り、この点からも、距離Ｌを余りに大きくするのは現実
的でない。

【００２１】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、チョッピング電極を用いてイオンビームをパル
ス状にチョッピングして検出器に導く方式を採用した飛
行時間型質量分析計において、短い自由飛行長Ｌのもと
に、従来の提案に基づく分析計に比してより高い質量分
解能を得ることができ、もってコンパクトで、しかも高
透過率と高質量分解能とを同時に達成することのできる
分析計の提供を目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明の飛行時間型質量分析計は、イオン源１か
ら引き出されたイオン群を、所定の光軸Ａに沿った略平
行のビームにして一対のチョッピング電極４ａ，４ｂ間
に導くとともに、そのチョッピング電極４ａ，４ｂから
有限距離Ｌの自由飛行空間を隔てた位置に検出器６を配
置し、チョッピング電極４ａ，４ｂ間の電場の向きを瞬
時に反転させることにより、上記ビームを一方の電極４
ｂ側への偏向状態から他方の電極４ａ側への偏向状態へ
とチョッピングして当該ビーム中の一部の集団のイオン
群のみを検出器６の入射面に導き、そのイオン群中の各
イオンの検出器６に到達するまでの所要時間から、その
各イオンの質量を求める分析計において、検出器６の入
射面６１が、光軸Ａに直交する面ｒに対して、他方の電
極４ａ側がイオン源１に接近する向きに所定角度θで傾
斜していることによって特徴づけられる。

【００２３】

【作用】チョッピング電極４ａ，４ｂ間の電場を反転さ
せることによりイオンビームをチョッピングすると、図
４に示すように、あるいは前記した図１０に実線で示し
たように、ビームは蛇行した形状を採りながら進行す
る。この蛇行部分、すなわち光軸と平行でない部分は、
これらの図からも明らかなように、光軸に直交する方向
に広がりながら、しかも自由飛行距離に応じてその角度
が変化する。具体的には、図４に示すように、光軸ａに
直交する面ｒに対する蛇行部分の角度ψ_iは、自由飛行
距離が長くなるに従って小さくなっていく。

【００２４】質量分解能Ｒを決定するパルス幅Δｔは、
検出器１に入射するイオン群中で互いに同一の質量並び
に電荷を持つイオン群が、検出器１に最初に到達してか
ら最後に到達するまでの時間差、つまり図４において、
軌跡ｂ₀〜ｂ₁〜ｂ₂〜ｂ₃を経るイオンと、ｄ₀〜ｄ
₁〜ｄ₂〜ｄ₃を経るイオンとの検出器１への到達時間
差であるから、ある有限距離Ｌの自由飛行長のところに
検出器１を配置したとき、その位置におけるビームの蛇
行部分の角度ψ₃と同じ角度、または定性的には同じ向
きに所定角度だけ検出器１の入射面６１を傾斜させるこ
とにより、光軸Ａに対して直交して配置する場合に比し
て、パルス幅Δｔは減少し、分解能が向上する。

【００２５】

【実施例】図１は本発明実施例の装置構成を示す模式図
である。イオン源１のイオン引き出し口に近接してイオ
ン引き出しレンズ２が配設されており、イオン源１内の
イオンは光軸Ａに沿ってビーム状に引き出される。イオ
ン引き出しレンズ２を挟んでイオン源１と反対側の光軸
Ａ上には、イオンビームのエミッタンスを決定するため
のアパーチャ３ａおよび３ｂを介して一対のチョッピン
グ電極４ａ，４ｂが設けられ、更にその後段にはビーム
アパーチャ５が配設されている。そして、このビームア
パーチャ５から光軸Ａの方向に距離Ｌの自由飛行空間を
隔てて、イオン検出器６が配設されている。

【００２６】イオン検出器６は、例えばマイクロチャン
ネルプレートであって、そのイオン入射面は、光軸Ａに
直交する面ｒに沿っておらず、その面ｒに対して角度θ
だけ後述する向きに傾斜している。

【００２７】以上の構成において、イオン源１からイオ
ン引き出しレンズ２により略平行にビーム状に引き出さ
れたイオンは、ビームアパーチャ３ａおよび３ｂを通過
することにより、エミッタンスの極めて少ない、つまり
極めて平行に近いビームとなってチョッピング電極４
ａ，４ｂ間に導かれる。

【００２８】チョッピング電極４ａ，４ｂは例えば平行
平板デフレクターであって、その各電極４ａ，４ｂに
は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に例示するようなパターンの電
圧のいずれかが印加され、これにより、この各電極４
ａ，４ｂ間には、図３に示すように、瞬時に向きが反転
するような電場が形成される。

【００２９】チョッピング電極４ａ，４ｂ間の電場の反
転により、イオンビームは後述するようにチョッピング
されてアパーチャ５を介して自由飛行空間を飛行し、そ
の一部の集団のみがイオン検出器６の入射面６１に到達
する。

【００３０】さて、チョッピング電極４ａ，４ｂ間の電
場の反転により、正イオンについて述べると、図４に示
す通り、その間を通過するイオンビームは、前記した図
１０と同様に、一方の電極４ｂ側に偏向している状態か
ら、瞬時に他方の電極４ａ側に偏向する状態となり、電
場の反転時点において電極４ａ，４ｂ間に位置していた
イオン群については、蛇行した、あるいは捩じれた状態
で検出器６側へと飛行する。この蛇行部分の、光軸Ａに
直交する面ｒに対する角度ψ_iは、飛行距離が増大する
ごとに減少する。

【００３１】イオン検出器６の傾斜の向きは、この蛇行
部分の傾斜の向きと一致している。すなわち、イオン検
出器６の入射面６１は、チョッピング電極４ａ，４ｂ間
の電場の反転後の状態で、イオンビームが偏向している
側、つまり電極４ａ側に対応する辺が、イオンの飛来
側、つまりイオン源１に接近する向きに傾斜している。
そして、その傾斜角θは、このイオン検出器６が置かれ
ている位置におけるビームの蛇行部分の傾斜角ψ₃とほ
ぼ等しい。

【００３２】チョッピング電極間を通過する個々のイオ
ンは、前記したようにその反転時点における位置に応じ
た軌跡のもとに自由飛行空間を飛行する。図４では、そ
の電場反転時点におけるイオンの位置と軌跡との関係
を、図１０と同等の符号を付して示し、その詳細を省略
するが、結局、チョッピング電極間に導かれるイオンビ
ーム内で、検出器６の入射面６１に入射するイオンは、
電場の反転時点において図４中ｄ₀〜ｃ₀〜ｂ₀〜ｃ₀₀
で囲まれた領域に位置するイオンとなる。

【００３３】そして、これらの領域内のイオンは、自由
飛行空間を飛行するに従い、前記したように光軸Ａに直
交する面ｒに対する角度ψ_iを刻々と減少させながら、
イオン検出器６の配設位置においてψ₃となり、これと
同等の角度θで傾斜する入射面６１に入射する。

【００３４】図５はイオン検出器６の入射面６１の近傍
の模式的拡大図で、蛇行部分のイオン群のうち、イオン
検出器６の入射面６１に到達するイオン群は、その入射
面６１の直前において図中ｄ₃〜ｃ₃〜ｂ₃〜ｃ₃₀で囲
まれた領域内のイオン群となるが、その角度ψ₃と入射
面６１の角度θが一致していれば、原理的には、ｃ₃〜
ｂ₃に沿って存在するイオン群が最初に同時に入射面６
１に入射するとともに、ｄ₃〜ｃ₃₀に沿って存在するイ
オン群が最後に同時に入射面６１に入射する。

【００３５】一方、図５に二点鎖線で示すように、検出
器１０３の入射面１０３ａを光軸Ａに直交する面ｒに沿
って配置した従来の構成によると、ｂ₃に存在するイオ
ンが最初に入射面１０３ａに入射し、ｄ₃に存在するイ
オンが最後に入射面１０３ａに入射することになり、検
出器１０３の入射面１０３ａに到達するイオン群のう
ち、最初と最後に到達するイオンの時間差がパルス幅Δ
ｔとなるという定義から、本発明実施例ではそのΔｔの
値が従来のものに比して短くなることが明らかである。

【００３６】ここで、イオン検出器６の入射面６１の傾
斜角θについては、最も好ましくは上記のようにその検
出器６の配設位置におけるイオンビームの蛇行部分の傾
斜角ψ₃と一致させることであるが、例え一致していな
くても、入射面６１を面ｒに対して前記した向きにいく
らかでも傾斜させることにより、パルス幅Δｔの減少、
従って分解能の向上を達成することができる。

【００３７】ただし、傾斜角θ＞ψ₃としてこれをある
限度を越えて大きくすると、面ｒに沿って入射面６１を
配置した場合よりもむしろ分解能が低下することは明ら
かであり、それにも増して、入射面６１へのイオンの到
達率（透過率）が、入射面６１の面積が同一である場合
にはθを増すごとに減少するため、実際の装置における
自由飛行長Ｌが１〜２ｍ程度が現実的であることに関連
して考察した場合、その上限は５０°程度が望ましい。

【００３８】また、θの下限については、θ＝０つまり
面ｒに沿って入射面６１を配置した場合に対して顕著な
効果を発揮できる角度とすることが望ましく、これは、
以下に示す演算によって求められる最適の傾斜角θ_Oの
１／２程度である。

【００３９】次に、イオン検出器６の入射面６１の最適
傾斜角θ_O＝ψ₃の演算方法について述べる。なお、こ
の演算においては、Bakkerの解析とは異なり、イオンの
軌道をより厳密に求めるために、チョッピング電極４
ａ，４ｂの端縁場における影響をも考慮している。

【００４０】図６に示すように、光軸Ａの方向をｚ方向
とし、これに直交し、かつ、チョッピング電極４ａ，４
ｂを結ぶ方向をｘ方向として、図示の位置に原点Ｏを取
った座標を考える。また、チョッピング電極４ａ，４ｂ
のｚ方向への長さをＤ、電極間距離をｈとする。

【００４１】チョッピング電極４ａ，４ｂの電位を図２
（Ａ）に示すパターンで反転させるものとするが、実際
にはその反転が完了するまでに微小時間を要するため、
図７に示すように、反転開始時刻をｔ_DEF、反転に要す
る時間をｔ_Wとする。また、この電極４ａ，４ｂの外部
におけるポテンシャル（電位）および電場は、いずれも
０とする。

【００４２】以上の条件下では、チョッピング電極４
ａ，４ｂ間のポテンシャル（電位）および電場について
は、以下の通りとなる。

【００４３】

【数４】

【００４４】このような場のなかでのイオンの挙動を考
察する。入射ビーム中のイオンの速度Ｖ_INIは、そのイ
オンの電荷をｅ、質量をＭとして、加速電位をＶとする
と、

【００４５】

【数５】

【００４６】と表すことができる。入射ビームが平行で
あるとすると、その速度Ｖ_INIのｘ方向成分Ｖ_XINIおよ
びｚ方向成分Ｖ_ZINIは

【００４７】

【数６】

【００４８】となる。更に、チョッピング電極４ａ，４
ｂ間で電位の反転が起こる前のｚ方向の速度Ｖ_Zは電位
差から次のようになり、この速度はチョッピング電極４
ａ，４ｂを脱出するまで一定である。

【００４９】

【数７】

【００５０】また、イオンがチョッピング電極４ａ，４
ｂ間に突入する時点の時刻をｔ_INとしたとき、時刻ｔ
（ｔ_IN≦ｔ≦ｔ_DEF）におけるｘ方向の速度Ｖ_X（ｔ）
はチョッピング電極４ａ，４ｂ間の電場によって次のよ
うに決まる。

【００５１】

【数８】

【００５２】電位反転前のイオンの軌道は、速度を時間
で積分すればよいので、次のようになる。

【００５３】

【数９】

【００５４】次に、電位反転中のイオンの速度と位置を
求める。ある時刻ｔ（ｔ_DEF≦ｔ≦ｔ_DEF＋ｔ_W）にお
ける電位反転中の電場は次のようになる。

【００５５】

【数１０】

【００５６】故に加速度αは次のようになる。

【００５７】

【数１１】

【００５８】これを時間で積分すると時刻ｔ（ｔ_DEF≦
ｔ≦ｔ_DEF＋ｔ_W）におけるイオンの速度が求められ
る。

【００５９】

【数１２】

【００６０】速度を積分して位置を求めると、

【００６１】

【数１３】

【００６２】となる。イオンがチョッピング電極４ａ，
４ｂ間を脱出する時刻をｔ_OUTとしたとき、時刻ｔ（ｔ
_DEF＋ｔ_W≦ｔ≦ｔ_OUT）、つまり電位反転後のイオン
の速度と位置を求めると、

【００６３】

【数１４】

【００６４】となり、チョッピング電極４ａ，４ｂ間を
脱出する前記した時刻ｔ_OUTは

【００６５】

【数１５】

【００６６】と求めることができる。更に、チョッピン
グ電極４ａ，４ｂを脱出した後（ｔ_OUT＜ｔ）のイオン
の速度と位置は、

【００６７】

【数１６】

【００６８】となる。以上の演算をプログラムにして、
イオンの軌道解析を行った結果、まず、チョッピング電
極４ａ，４ｂから自由飛行空間に飛びだしたイオンビー
ムの蛇行部分における面ｒに対する角度ψは、ｚ方向へ
の任意の距離Ｌの自由飛行空間を経た検出器６の配設位
置において、次の式で表すことができる。

【００６９】

【数１７】

【００７０】ただし、

【００７１】

【数１８】

【００７２】

【数１９】

【００７３】

【数２０】

【００７４】この角度ψは、自由飛行長をＬに設定した
とき、図４ないし図５においてψ₃で表された角度であ
って、従って検出器６１の最適角度θ_Oは、θ_O＝ψ₃
であることから、

【００７５】

【数２１】

【００７６】となる。図８はチョッピング電極４ａ，４
ｂのｚ方向への長さＤを１０ｍｍ、その間に印加する電
圧Ｖ₀を５０Ｖ、イオンの初期ネエルギを２０００ｅ
Ｖ、およびその質量Ｍを２４００a.m.u とそれぞれ一定
にして、検出器６の入射面６１の角度θを４５°とした
場合と０（面ｒに沿った状態）とした場合の、自由飛行
長Ｌの各長さにおける質量分解能の相違を示すグラフで
ある。このグラフから明らかなように、検出器６の入射
面６１を４５°に傾斜させた場合には、面ｒに沿って直
立させた場合に比して、自由飛行長Ｌが少なくとも２ｍ
までの範囲内の全領域において分解能が大幅に向上して
いることが判る。

【００７７】図９はチョッピング電極４ａ，４ｂのｚ方
向への長さＤを１０ｍｍ、Ｖ₀を７５Ｖ、イオンの質量
を２４００a.m.u 、およびイオンの初期エネルギを２０
００ｅＶと、それぞれ一定にして、検出器６の入射面６
１の角度θを種々に変化させた場合の質量分解能と、自
由飛行空間の距離Ｌとの関係を示すグラフである。

【００７８】このグラフから、自由飛行長Ｌが変化する
と、より高分解能を得ることのできる角度が相違したも
のとなり、ひいては検出器６の入射面６１の角度θは自
由飛行長Ｌに応じて最適な角度が存在することが判る。

【００７９】また、以上のイオンの軌道解析は、入射ビ
ームを平行ビームとして行ったが、ビームに多少のエミ
ッタンスがある場合、エミッタンスが大きくなればなる
ほど、分解能の低下が見られることが判明し、図１に示
したアパーチャ３ａ，３ｂの有用性が立証された。

【００８０】そこで本発明の実施の態様として、検出器
の入射面を既に説明したように傾斜させる構成に加え
て、チョッピング電極とイオン源との間に、チョッピン
グ電極に入射するイオンビームのエミッタンスを決定す
るためのアパーチャ３ａ，３ｂを設けた構成を採用する
ことにより、質量分解能は更に増して向上する。

【００８１】また、ビームのエミッタンスの大きさが極
端でない限り、例えばビームの平行度で０．００５°程
度以下であるならば、最適角度θ_Oの演算は前記した式
をそのまま使用し得ることが判明した。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオン源から光軸に沿って略平行に引き出されたイオン
ビームを一対のチョッピング電極間に導くとともに、そ
のチョッピング電極から有限距離の自由飛行空間を隔て
た位置に検出器を配置し、チョッピング電極間の電場の
向きを瞬時に反転させることにより、ビームを一方の電
極側への偏向状態から他方の電極側への偏向状態へとチ
ョッピングし、ビーム中の一部の集団のイオン群のみを
検出器の入射面に導く方式の質量分析計において、検出
器の入射面を、光軸に直交する面に対して、上記他方の
電極側の辺がイオン源に接近する向き、つまりチョッピ
ングにより蛇行するビームの傾斜角に沿う向き、に所定
角度で傾斜させているから、従来のように入射面を光軸
に直交する面に沿って配置する場合に比して、同じ自由
飛行長の位置に検出器を配置しても、その入射面に入射
するイオン群のパルス幅が減少する。

【００８３】その結果、比較的短い自由飛行長でも高い
質量分解能を達成することができ、コンパクトでイオン
の到達率が高く、しかも質量分解能の高い飛行時間型質
量分析計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の装置構成を示す模式図

【図２】そのチョッピング電極４ａ，４ｂに印加される
電圧パターンの例を示すグラフ

【図３】チョッピング電極４ａ，４ｂ間に形成される電
場の時間的変化を示すグラフ

【図４】本発明実施例によるイオンの軌跡の説明図

【図５】図４における検出器６の近傍の拡大図

【図６】本発明における検出器の入射面の最適傾斜角度
θ_Oの演算の仕方の説明図

【図７】同じく最適傾斜角度θ_Oの演算に際して用いた
チョッピング電極の印加電圧の経時的変化の詳細を示す
グラフ

【図８】本発明実施例における自由飛行長Ｌと質量分解
能との関係を、検出器の入射面を光軸と直交する面に沿
って配置した比較例と併記して示すグラフ

【図９】本発明を適用して検出器６の入射面６１を種々
の角度で傾斜させたときのそれぞれの質量分解能と、自
由飛行長との関係を示すグラフ

【図１０】一対のチョッピング電極によりイオン源から
のイオンビームをチョッピングして検出器に対してパル
ス状に導く従来の方式の原理説明図

【図１１】図１０のチョッピング電極１０２ａ，１０２
ｂ間の電場の経時的変化の例を示すグラフ

【図１２】同方式において、電場の反転時点でチョッピ
ング電極間に位置するイオンの経験する電場の説明図

【符号の説明】

１イオン源２引き出しレンズ３ａ，３ｂアパーチャ４ａ，４ｂチョッピング電極５アパーチャ６イオン検出器６１入射面Ａ光軸ｒ光軸Ａに直交する面 θ 検出器６の入射面６１の面ｒに対する傾斜角 ψ₁〜ψ₃イオンビームの蛇行部分における面ｒに対す
る傾斜角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹田武弘京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所三条工場内 (72)発明者鈴井光一愛知県岡崎市明大寺町西郷中38 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所内 (72)発明者吉田久史愛知県岡崎市明大寺町西郷中38 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所内 (72)発明者三谷忠興石川県能美郡辰口町旭台15 北陸先端科学技術大学院大学内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源から引き出されたイオン群を、
所定の光軸に沿った略平行のビームにして一対のチョッ
ピング電極間に導くとともに、そのチョッピング電極か
ら有限距離の自由飛行空間を隔てた位置に検出器を配置
し、上記チョッピング電極間の電場の向きを瞬時に反転
させることにより、上記ビームを一方の電極側への偏向
状態から他方の電極側への偏向状態へとチョッピングし
て当該ビーム中の一部の集団のイオン群のみを上記検出
器の入射面に導き、そのイオン群中の各イオンの検出器
に到達するまでの所要時間から、その各イオンの質量を
求める分析計において、上記検出器の入射面が、上記光
軸に直交する面に対して、上記他方の電極側がイオン源
に接近する向きに所定角度で傾斜していることを特徴と
する飛行時間型質量分析計。