JPH10144253A - 粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置 - Google Patents
粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置Info
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- JPH10144253A JPH10144253A JP8292838A JP29283896A JPH10144253A JP H10144253 A JPH10144253 A JP H10144253A JP 8292838 A JP8292838 A JP 8292838A JP 29283896 A JP29283896 A JP 29283896A JP H10144253 A JPH10144253 A JP H10144253A
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- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
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- Analytical Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 飛行時間型の選択式粒子分析装置において、
被検荷電粒子の初期位置や初期速度を規定し、また安定
な被検荷電粒子のみを選択して計測できる高分解能の質
量分析装置を得ることである。 【解決手段】 はじめ一定の時間内だけ空間的に一様な
電場を加えることにより、総ての被検荷電粒子Ｐe を一
方向に加速する。次いで前回と反対方向に一定時間内だ
け空間的に一様な電場を加えて、総ての被検荷電粒子Ｐ
e を前回と反対方向に加速させて前回と反対方向の速度
を持たせ、総ての被検荷電粒子に同一の運動量を与え
る。次いで、選別器１３によりある場所をある時間に通
過する被検荷電粒子Ｐe のみを抽出し、また、第１偏向
器１５と第２偏向器１６により被検荷電粒子Ｐe の軌道
を偏向してスリット１７の一点を通過する被検荷電粒子
Ｐe のみを抽出して粒子検出器１８で飛行時間を計測す
ることにより質量分析を行う構成を特徴としている。
被検荷電粒子の初期位置や初期速度を規定し、また安定
な被検荷電粒子のみを選択して計測できる高分解能の質
量分析装置を得ることである。 【解決手段】 はじめ一定の時間内だけ空間的に一様な
電場を加えることにより、総ての被検荷電粒子Ｐe を一
方向に加速する。次いで前回と反対方向に一定時間内だ
け空間的に一様な電場を加えて、総ての被検荷電粒子Ｐ
e を前回と反対方向に加速させて前回と反対方向の速度
を持たせ、総ての被検荷電粒子に同一の運動量を与え
る。次いで、選別器１３によりある場所をある時間に通
過する被検荷電粒子Ｐe のみを抽出し、また、第１偏向
器１５と第２偏向器１６により被検荷電粒子Ｐe の軌道
を偏向してスリット１７の一点を通過する被検荷電粒子
Ｐe のみを抽出して粒子検出器１８で飛行時間を計測す
ることにより質量分析を行う構成を特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子，分子，イオ
ン，超微粒子（クラスタ）などの粒子の質量を高分解で
分析することを目的とした粒子分析装置として利用され
る粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置に
関するものである。
ン，超微粒子（クラスタ）などの粒子の質量を高分解で
分析することを目的とした粒子分析装置として利用され
る粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の飛行時間型粒子分析装置は図２に
示すように、イオン化用レーザ１，加速器２，偏向器
３，反射器４（リフレクタ）と粒子検出器５からなる。
分子あるいは超微粒子（クラスタ）等の質量分布を測定
する場合、まずこれら中性粒子Ｐにイオン化用レーザ１
によりレーザ光を照射し電離して被検荷電粒子（イオ
ン）Ｐe とする。被検荷電粒子Ｐe は加速器内の電極間
の定常電場で一定の距離だけ加速されて偏向器３で所定
の偏向を受け、ついで反射器４の定常電場により反射さ
れて粒子検出器５にいたる。この方法では、加速中や飛
行中に質量や電荷状態が変化した被検荷電粒子Ｐe を排
除することはできない。また、異なる質量をもつ被検荷
電粒子Ｐe は加速開始の瞬間以降においては同一時刻に
同一場所を通過することはない。
示すように、イオン化用レーザ１，加速器２，偏向器
３，反射器４（リフレクタ）と粒子検出器５からなる。
分子あるいは超微粒子（クラスタ）等の質量分布を測定
する場合、まずこれら中性粒子Ｐにイオン化用レーザ１
によりレーザ光を照射し電離して被検荷電粒子（イオ
ン）Ｐe とする。被検荷電粒子Ｐe は加速器内の電極間
の定常電場で一定の距離だけ加速されて偏向器３で所定
の偏向を受け、ついで反射器４の定常電場により反射さ
れて粒子検出器５にいたる。この方法では、加速中や飛
行中に質量や電荷状態が変化した被検荷電粒子Ｐe を排
除することはできない。また、異なる質量をもつ被検荷
電粒子Ｐe は加速開始の瞬間以降においては同一時刻に
同一場所を通過することはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】イオン化用レーザ１等
による電離の過程では、有限の空間内に存在する分子あ
るいは超微粒子が荷電粒子となるため、その初期位置に
分布が生じる。また、分子あるいは超微粒子は中性のビ
ームとして電離位置に導かれるため、電場による加速以
前に初期速度を持っており、加えて、この初期速度に分
布がある。これら初期位置と初期速度の分布は質量分解
能を著しく低減させる。このため、従来の方法では二段
式の加速方法等を用いているが、これら質量分解能を低
減させる要素を完全に取り除くことはできない。
による電離の過程では、有限の空間内に存在する分子あ
るいは超微粒子が荷電粒子となるため、その初期位置に
分布が生じる。また、分子あるいは超微粒子は中性のビ
ームとして電離位置に導かれるため、電場による加速以
前に初期速度を持っており、加えて、この初期速度に分
布がある。これら初期位置と初期速度の分布は質量分解
能を著しく低減させる。このため、従来の方法では二段
式の加速方法等を用いているが、これら質量分解能を低
減させる要素を完全に取り除くことはできない。
【０００４】電離の過程で、いくつかの荷電粒子はその
一部の粒子を放出して崩壊する。電離の瞬間以降に崩壊
する荷電粒子は、崩壊前の質量と崩壊後の質量の間の質
量を持つかのように粒子検出器５に至るため、質量分解
能を著しく低下させる。通常の飛行時間型質量分析器で
はこの影響を低減させるため反射器４を採用している
が、この影響は完全には除去できない。
一部の粒子を放出して崩壊する。電離の瞬間以降に崩壊
する荷電粒子は、崩壊前の質量と崩壊後の質量の間の質
量を持つかのように粒子検出器５に至るため、質量分解
能を著しく低下させる。通常の飛行時間型質量分析器で
はこの影響を低減させるため反射器４を採用している
が、この影響は完全には除去できない。
【０００５】従来の飛行時間型質量分析器では、異なる
質量をもつ荷電粒子は加速開始以後の同一時刻に同一場
所を通過することはない。このため、イオン化後のレー
ザによる励起等は特定の質量の荷電粒子のみを対象とせ
ざるを得ない。加えて、従来の飛行時間型質量分析器で
は、電荷状態を規定しての測定は行えない。
質量をもつ荷電粒子は加速開始以後の同一時刻に同一場
所を通過することはない。このため、イオン化後のレー
ザによる励起等は特定の質量の荷電粒子のみを対象とせ
ざるを得ない。加えて、従来の飛行時間型質量分析器で
は、電荷状態を規定しての測定は行えない。
【０００６】本発明は、これらの欠点を除去する方式を
検討した結果、一定距離にわたり加速する従来の方式に
替え、一定時間にわたり往復加速する方式の採用によ
り、これらの欠点を克服できることに着目してなされた
粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置を提
供することを目的とする。
検討した結果、一定距離にわたり加速する従来の方式に
替え、一定時間にわたり往復加速する方式の採用によ
り、これらの欠点を克服できることに着目してなされた
粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置を提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる粒子選択
方法は、はじめ一定の時間内だけ空間的に一様な電場を
加えることにより、総ての被検荷電粒子を一方向に加速
する。次いで前回と反対方向に一定時間内だけ空間的に
一様な電場を加えることにより、総ての被検荷電粒子を
前回と反対方向に加速させて前回と反対方向の速度を持
たせ、総ての被検荷電粒子に同一の運動量を付加する。
次いで、同一時間に同一場所を通過する被検荷電粒子の
みを抽出するものである。
方法は、はじめ一定の時間内だけ空間的に一様な電場を
加えることにより、総ての被検荷電粒子を一方向に加速
する。次いで前回と反対方向に一定時間内だけ空間的に
一様な電場を加えることにより、総ての被検荷電粒子を
前回と反対方向に加速させて前回と反対方向の速度を持
たせ、総ての被検荷電粒子に同一の運動量を付加する。
次いで、同一時間に同一場所を通過する被検荷電粒子の
みを抽出するものである。
【０００８】また、あらかじめ初期条件を規定してあっ
た場合については、イオン化された複数の被検荷電粒子
を、共通な有限時間に空間的に一様な電場により一方向
に加速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電
場により前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して
総ての被検荷電粒子に同一の運動量を付加し、イオン化
の時間以降において質量や電荷状態が変化した被検荷電
粒子の通過を阻止し安定した被検荷電粒子のみ通過させ
るものである。
た場合については、イオン化された複数の被検荷電粒子
を、共通な有限時間に空間的に一様な電場により一方向
に加速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電
場により前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して
総ての被検荷電粒子に同一の運動量を付加し、イオン化
の時間以降において質量や電荷状態が変化した被検荷電
粒子の通過を阻止し安定した被検荷電粒子のみ通過させ
るものである。
【０００９】さらに、本発明の飛行時間型選択式粒子分
析装置は、イオン化された複数の被検荷電粒子を、共通
な有限時間に空間的に一様な電場により前記一方向に加
速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電場に
より前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して総て
の被検荷電粒子に同一の運動量を付加する往復加速器
と、この往復加速器の出力の超焦点に設けられた選別器
と、この選別器を通過した前記複数の被検電荷粒子中の
安定粒子に所定の偏向をかける第１偏向器および第２偏
向器と、この第２偏向器の出力のうちの粒子超焦点位置
でのレーザ照射によっても質量や電荷状態の変化しない
安定粒子、あるいは電荷・質量比が特定の変化をした粒
子のみを通過させるスリットと、被検荷電粒子の飛行時
間を検知する検出器とを備えたものである。
析装置は、イオン化された複数の被検荷電粒子を、共通
な有限時間に空間的に一様な電場により前記一方向に加
速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電場に
より前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して総て
の被検荷電粒子に同一の運動量を付加する往復加速器
と、この往復加速器の出力の超焦点に設けられた選別器
と、この選別器を通過した前記複数の被検電荷粒子中の
安定粒子に所定の偏向をかける第１偏向器および第２偏
向器と、この第２偏向器の出力のうちの粒子超焦点位置
でのレーザ照射によっても質量や電荷状態の変化しない
安定粒子、あるいは電荷・質量比が特定の変化をした粒
子のみを通過させるスリットと、被検荷電粒子の飛行時
間を検知する検出器とを備えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態を示
すもので、１１はイオン化用レーザ、１２は往復加速器
で、例えばメッシュ状の電極１２ａ，１２ｂを有し、両
電極１２ａと１２ｂ間に正の電圧を印加し、その後負の
電圧を印加することで被検荷電粒子を一定時間で往復加
速する。１３は超焦点に設けられた選別器、１４は励起
用レーザ、１５は第１偏向器、１６は第２偏向器、１７
はスリット、１８は粒子検出器を示す。なお、Ｐは中性
粒子、Ｐe は被検荷電粒子、ＰD は崩壊粒子を表わす。
すもので、１１はイオン化用レーザ、１２は往復加速器
で、例えばメッシュ状の電極１２ａ，１２ｂを有し、両
電極１２ａと１２ｂ間に正の電圧を印加し、その後負の
電圧を印加することで被検荷電粒子を一定時間で往復加
速する。１３は超焦点に設けられた選別器、１４は励起
用レーザ、１５は第１偏向器、１６は第２偏向器、１７
はスリット、１８は粒子検出器を示す。なお、Ｐは中性
粒子、Ｐe は被検荷電粒子、ＰD は崩壊粒子を表わす。
【００１１】本発明による往復加速器１２による往復加
速により、同じ初期条件（初期位置と初期速度）を持つ
被検荷電粒子Ｐe は、その質量や電荷に関係なくある特
定時間にある特定場所を通過するようにできる。この特
定時間（焦点時間）と特定場所（焦点位置）の組み合わ
せで決まる超空間の一点を超焦点ＰS と呼ぶ。選別器１
３で超焦点ＰS を通過する被検荷電粒子Ｐe のみを選別
することにより、初期条件を決めた被検荷電粒子Ｐe の
みを抽出（選別）できる。また、この往復加速過程の間
に分離分裂した被検荷電粒子Ｐe はこの焦点場所に到達
しないので、これらを取り除くこともできる。
速により、同じ初期条件（初期位置と初期速度）を持つ
被検荷電粒子Ｐe は、その質量や電荷に関係なくある特
定時間にある特定場所を通過するようにできる。この特
定時間（焦点時間）と特定場所（焦点位置）の組み合わ
せで決まる超空間の一点を超焦点ＰS と呼ぶ。選別器１
３で超焦点ＰS を通過する被検荷電粒子Ｐe のみを選別
することにより、初期条件を決めた被検荷電粒子Ｐe の
みを抽出（選別）できる。また、この往復加速過程の間
に分離分裂した被検荷電粒子Ｐe はこの焦点場所に到達
しないので、これらを取り除くこともできる。
【００１２】抽出された被検荷電粒子Ｐe は、加速方向
には質量に反比例した速度成分をもち、加速方向に垂直
な方向には質量に依らない一定の速度成分をもつ。第１
偏向器１５によって、これら総ての被検荷電粒子Ｐe を
平行ビームとし、ついで、第２偏向器１６でスリット１
７の所定の一点を通過させるように偏向をかける。超焦
点ＰS の通過後から粒子検出器１８に至るまでの飛行時
間が各被検荷電粒子Ｐe の質量に比例する。
には質量に反比例した速度成分をもち、加速方向に垂直
な方向には質量に依らない一定の速度成分をもつ。第１
偏向器１５によって、これら総ての被検荷電粒子Ｐe を
平行ビームとし、ついで、第２偏向器１６でスリット１
７の所定の一点を通過させるように偏向をかける。超焦
点ＰS の通過後から粒子検出器１８に至るまでの飛行時
間が各被検荷電粒子Ｐe の質量に比例する。
【００１３】これらの作用について、以下に数式を用い
て説明する。
て説明する。
【００１４】（ア）加速による荷電粒子の運動 ｘ軸方向に空間的に均一な電場ｆ（ｔ）を時刻ｔ＝０か
らｔ＝τの間にのみ印加する。すなわち、次のような電
場Ｅ（ｔ）を与える。ｆ（ｔ）の時間変化については後
述する。
らｔ＝τの間にのみ印加する。すなわち、次のような電
場Ｅ（ｔ）を与える。ｆ（ｔ）の時間変化については後
述する。
【００１５】
【数１】 被検荷電粒子Ｐe の質量をｍ、電荷をｑとする。時刻ｔ
に於けるこの被検荷電粒子Ｐe のｘ軸位置ｘ（ｔ）、ｘ
軸方向速度ｖx （ｔ）、ｙ軸位置ｙ（ｔ）とｙ軸方向速
度ｖy （ｔ）は以下のように表せる。
に於けるこの被検荷電粒子Ｐe のｘ軸位置ｘ（ｔ）、ｘ
軸方向速度ｖx （ｔ）、ｙ軸位置ｙ（ｔ）とｙ軸方向速
度ｖy （ｔ）は以下のように表せる。
【００１６】
【数２】 ここで、ｘ0 ≡ｘ（０）とｙ0 ≡ｙ（０）は初期位置、
ｖx0≡ｖx （０）とｖy0≡ｖy （０）は初期速度であ
る。
ｖx0≡ｖx （０）とｖy0≡ｖy （０）は初期速度であ
る。
【００１７】以下の記述では、
【００１８】
【数３】 という略記法を用いる。
【００１９】時刻ｔ≧τに於ける速度と位置とは以下の
ように表せる。
ように表せる。
【００２０】
【数４】 この標識から、ｘ軸方向の運動量ｍｖX(t)の増分が質量
に関係なくｑ＜ｆτ＞であり、ｘ軸方向速度の増分が質
量・電荷比ｍ／ｑに反比例するという結果が得られる。
また、質量や電荷に関係なく同じｘ0 ，ｙ0 ，ｖx0，ｖ
y0をもつすべての被検荷電粒子Ｐe が
に関係なくｑ＜ｆτ＞であり、ｘ軸方向速度の増分が質
量・電荷比ｍ／ｑに反比例するという結果が得られる。
また、質量や電荷に関係なく同じｘ0 ，ｙ0 ，ｖx0，ｖ
y0をもつすべての被検荷電粒子Ｐe が
【００２１】
【数５】 の時間に
【００２２】
【数６】 に現れる（あるいは軌道をさかのぼればそこから来たか
のように見える）という結果が得られる。この特定時間
（焦点時間）ｔfocus と特定場所（焦点位置）ｘ
focus ，ｙfocus の組み合わせで決まる超空間の一点を
超焦点ＰS と呼ぶ。初期条件の異なる被検荷電粒子Ｐe
は他に超焦点ＰS をもつ。このことから、ある焦点位置
をある焦点時間に通過する粒子のみを通過させる選別器
１３を使用することにより、初期条件を規定した被検荷
電粒子Ｐe のみを抽出することができる。
のように見える）という結果が得られる。この特定時間
（焦点時間）ｔfocus と特定場所（焦点位置）ｘ
focus ，ｙfocus の組み合わせで決まる超空間の一点を
超焦点ＰS と呼ぶ。初期条件の異なる被検荷電粒子Ｐe
は他に超焦点ＰS をもつ。このことから、ある焦点位置
をある焦点時間に通過する粒子のみを通過させる選別器
１３を使用することにより、初期条件を規定した被検荷
電粒子Ｐe のみを抽出することができる。
【００２３】超焦点ＰS を出現させるためには、ｔ
focus ≧τとしなければならない。次のようなｆ（ｔ）
を用いれば超焦点ＰS が現実化される。
focus ≧τとしなければならない。次のようなｆ（ｔ）
を用いれば超焦点ＰS が現実化される。
【００２４】
【数７】 これらの条件は、被検荷電粒子Ｐe が初めｘ軸負方向に
加速され（ｌａ）、ついで（１ｂ）、ｘ軸正方向に加速
されて（ｌｃ）、最終的に全体としてｘ軸正方向の運動
量を電場から受け取り（ｌｄ）、時刻τにはｘ軸の負位
置にある（ｌｅ）、というだけの条件である。ｇ（ｔ）
やｈ（ｔ）の時間変化の詳細には依存しない。これら条
件を満たす加速方法と選別器１３を採用することで、初
期条件を定めた被検荷電粒子Ｐe を抽出できる。通常の
場合は、対象として初期条件ｘ0＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0
＝０，ｖy0＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子Ｐe を選択す
る。
加速され（ｌａ）、ついで（１ｂ）、ｘ軸正方向に加速
されて（ｌｃ）、最終的に全体としてｘ軸正方向の運動
量を電場から受け取り（ｌｄ）、時刻τにはｘ軸の負位
置にある（ｌｅ）、というだけの条件である。ｇ（ｔ）
やｈ（ｔ）の時間変化の詳細には依存しない。これら条
件を満たす加速方法と選別器１３を採用することで、初
期条件を定めた被検荷電粒子Ｐe を抽出できる。通常の
場合は、対象として初期条件ｘ0＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0
＝０，ｖy0＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子Ｐe を選択す
る。
【００２５】次に、加速の過程で質量や荷電状態が変化
する被検荷電粒子Ｐe の運動を考える。ただし、あらか
じめ初期条件ｘ0 ＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖy0＝ｖ
beam≠０の被検荷電粒子Ｐe を抽出した場合を考える。
時間ｔ＝η（ただし０≦η≦τ）に質量ｍで電荷ｑの荷
電粒子から一部の粒子が分離したり電荷状態が変って、
質量がｍ”で電荷がｑ”の荷電粒子になったとしよう。
この荷電粒子は時刻ｔ＝ｔfocus の時、
する被検荷電粒子Ｐe の運動を考える。ただし、あらか
じめ初期条件ｘ0 ＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖy0＝ｖ
beam≠０の被検荷電粒子Ｐe を抽出した場合を考える。
時間ｔ＝η（ただし０≦η≦τ）に質量ｍで電荷ｑの荷
電粒子から一部の粒子が分離したり電荷状態が変って、
質量がｍ”で電荷がｑ”の荷電粒子になったとしよう。
この荷電粒子は時刻ｔ＝ｔfocus の時、
【００２６】
【数８】 に現れる。条件（ｌａ〜ｌｅ）から、ｆ（ｔ）としてη
に関係なく
に関係なく
【００２７】
【数９】 となることが示せる。すなわち、質量や電荷の変化した
粒子は焦点時間ｔfocusには焦点位置ｘfocus に現れな
いので、選別器１３により排除できる。
粒子は焦点時間ｔfocusには焦点位置ｘfocus に現れな
いので、選別器１３により排除できる。
【００２８】（イ）偏向器による荷電粒子の偏向 説明を簡単にするため、対象として初期条件ｘ0 ＝０，
ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖy0＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子
Ｐe を選択した場合を考えよう。ｔ＝ｔfocusでの位置
と速度は、
ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖy0＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子
Ｐe を選択した場合を考えよう。ｔ＝ｔfocusでの位置
と速度は、
【００２９】
【数１０】 である。粒子の安定性の評価の実験等で超焦点ＰS での
励起用レーザ１４によるレーザ照射などにより、質量ｍ
で電荷ｑの被検荷電粒子Ｐe が質量ｍ”電荷ｑ”となる
場合についても考える。超焦点ＰS でのレーザ照射を行
わない通常の場合など、質量や電荷が変化しないものに
ついてはｍ＝ｍ”，ｑ＝ｑ”とすればよい。
励起用レーザ１４によるレーザ照射などにより、質量ｍ
で電荷ｑの被検荷電粒子Ｐe が質量ｍ”電荷ｑ”となる
場合についても考える。超焦点ＰS でのレーザ照射を行
わない通常の場合など、質量や電荷が変化しないものに
ついてはｍ＝ｍ”，ｑ＝ｑ”とすればよい。
【００３０】ｘ軸座標ｘ＝Ｒに置かれたスリット１７の
所定の一点を被検荷電粒子Ｐe が通過するように、第１
偏向器１５と第２偏向器１６によりｙ軸方向の電場を与
える。偏向用の電場として次のような静電場を考える。
所定の一点を被検荷電粒子Ｐe が通過するように、第１
偏向器１５と第２偏向器１６によりｙ軸方向の電場を与
える。偏向用の電場として次のような静電場を考える。
【００３１】
【数１１】 これは、第１偏向器１５をａ≦ｘ≦ａ＋ｄの位置に、第
２偏向器１６をＲ−（ａ＋ｄ）≦ｘ≦Ｒ−ａの位置に置
くことに対応している。
２偏向器１６をＲ−（ａ＋ｄ）≦ｘ≦Ｒ−ａの位置に置
くことに対応している。
【００３２】被検荷電粒子Ｐe のスリットｘ＝Ｒでの到
達位置は下記の標識で与えられる。
達位置は下記の標識で与えられる。
【００３３】
【数１２】 第１，第２偏向器１５，１６の電場として、
【００３４】
【数１３】 という電場を用いれば、
【００３５】
【数１４】 となるので、質量ｍと電荷ｑが変化しない総ての被検荷
電粒子Ｐe （ｍ＝ｍ”でｑ＝ｑ”）を、スリット１７の
所定の一点ｙ（ｘ＝Ｒ）＝ｖbeamｔfocus を通過させる
ことができる。スリット１７でこの一点を通過する被検
荷電粒子Ｐe のみを抽出する。質量ｍや電荷ｑが変化し
た被検荷電粒子Ｐe は、この一点から外れるのでスリッ
ト１７により計測から除外できる。
電粒子Ｐe （ｍ＝ｍ”でｑ＝ｑ”）を、スリット１７の
所定の一点ｙ（ｘ＝Ｒ）＝ｖbeamｔfocus を通過させる
ことができる。スリット１７でこの一点を通過する被検
荷電粒子Ｐe のみを抽出する。質量ｍや電荷ｑが変化し
た被検荷電粒子Ｐe は、この一点から外れるのでスリッ
ト１７により計測から除外できる。
【００３６】（ウ）検出器による飛行時間の計測 選択した初期条件ｘ0 ＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖyo
＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子Ｐe は、スリットを通過し
た後、ｘ＝Ｌに置かれた粒子検出器１８にいたる。焦点
時間ｔfocus 以降の飛行時間ＴＯＦは
＝ｖbeam≠０の被検荷電粒子Ｐe は、スリットを通過し
た後、ｘ＝Ｌに置かれた粒子検出器１８にいたる。焦点
時間ｔfocus 以降の飛行時間ＴＯＦは
【００３７】
【数１５】 であるので、飛行時間を計測することにより質量を測定
することができる。
することができる。
【００３８】
【実施例】本発明で用いる加速方式の条件は、空間的に
均一な電場を用い、被検荷電粒子Ｐe を始めｘ軸負方向
にある一定時間だけ加速し、ついでｘ軸正方向にある一
定時間だけ加速し、最終的に全体としてｘ軸正方向の運
動量を電場から与え、被検荷電粒子Ｐe が加速終了の時
刻τにはｘ軸の負位置にある、というだけの条件であ
る。電場の時間変化の詳細には全く依存しない。ここで
は、本発明の第一実施例を矩形波パルス電源を用いた簡
単な場合について説明する。
均一な電場を用い、被検荷電粒子Ｐe を始めｘ軸負方向
にある一定時間だけ加速し、ついでｘ軸正方向にある一
定時間だけ加速し、最終的に全体としてｘ軸正方向の運
動量を電場から与え、被検荷電粒子Ｐe が加速終了の時
刻τにはｘ軸の負位置にある、というだけの条件であ
る。電場の時間変化の詳細には全く依存しない。ここで
は、本発明の第一実施例を矩形波パルス電源を用いた簡
単な場合について説明する。
【００３９】まずはじめ、矩形波パルス電源によって時
刻ｔ＝０から時刻ｔ＝αの間負の電圧が印加され、電極
間にＥ＝−Ａ＜０の電場が印加される。ついで、矩形波
パルス電源によって時刻ｔ＝α＋βから時刻ｔ＝α＋β
＋γ＝τの間正の電圧が印加され、電極間にＥ＝Ｂ＞０
の電場が印加される。
刻ｔ＝０から時刻ｔ＝αの間負の電圧が印加され、電極
間にＥ＝−Ａ＜０の電場が印加される。ついで、矩形波
パルス電源によって時刻ｔ＝α＋βから時刻ｔ＝α＋β
＋γ＝τの間正の電圧が印加され、電極間にＥ＝Ｂ＞０
の電場が印加される。
【００４０】すなわち、
【００４１】
【数１６】 であって、これらは条件（ｌａ，ｌｂ，ｌｃ）を満たし
ている。
ている。
【００４２】
【数１７】 であるので、満たすべき条件（ｌｄ，ｌｅ）は
【００４３】
【数１８】 となる。これを満たすＡ，Ｂ，α，β，γの組合せは無
数にある。
数にある。
【００４４】Ａ＝Ｂでγ＝２α≧０の場合について例を
挙げれば
挙げれば
【００４５】
【数１９】 が条件で、この時、
【００４６】
【数２０】 となるので、時間ｔ＝ｔfocus にｘ＝０，ｙ＝ｖbeamｔ
focus を通過する被検荷電粒子Ｐe のみを選別器１３で
選択すれば、質量や電荷に関係なく、初期条件ｘ0 ＝
０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖyo＝ｖbeam≠０を持つ被検
荷電粒子Ｐe が選択でき、スリット１７上の一点ｙ（ｘ
＝Ｒ）＝ｖbeamｔfocus を通過させることができる。た
だし、選別器１３ではｘ0 ＋ｖx0ｔfocus ＝０かつｙ0
＋ｖy0ｔfocu s ＝ｖbeamｔfocus となる被検荷電粒子Ｐ
e は排除できないが、上記例ではこの被検荷電粒子Ｐe
はスリット１７上の
focus を通過する被検荷電粒子Ｐe のみを選別器１３で
選択すれば、質量や電荷に関係なく、初期条件ｘ0 ＝
０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖyo＝ｖbeam≠０を持つ被検
荷電粒子Ｐe が選択でき、スリット１７上の一点ｙ（ｘ
＝Ｒ）＝ｖbeamｔfocus を通過させることができる。た
だし、選別器１３ではｘ0 ＋ｖx0ｔfocus ＝０かつｙ0
＋ｖy0ｔfocu s ＝ｖbeamｔfocus となる被検荷電粒子Ｐ
e は排除できないが、上記例ではこの被検荷電粒子Ｐe
はスリット１７上の
【００４７】
【数２１】 の位置に現れるため、ここでほとんどの被検荷電粒子Ｐ
e が排除される。
e が排除される。
【００４８】以上説明したように目的とする初期条件ｘ
0 ＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖyo＝ｖbeam≠０を持つ
被検荷電粒子Ｐe のみが、焦点時間ｔfocus に焦点位置
ｘ＝０を通過し、第１，第２偏向器１５，１６を経たの
ちスリット１７の所定の一点を通過して粒子検出器１８
にいたる。焦点時間ｔfocus 以降の飛行時間、
0 ＝０，ｙ0 ＝０，ｖx0＝０，ｖyo＝ｖbeam≠０を持つ
被検荷電粒子Ｐe のみが、焦点時間ｔfocus に焦点位置
ｘ＝０を通過し、第１，第２偏向器１５，１６を経たの
ちスリット１７の所定の一点を通過して粒子検出器１８
にいたる。焦点時間ｔfocus 以降の飛行時間、
【００４９】
【数２２】 により質量を測定することができる。
【００５０】第二実施例は、荷電粒子の安定性の評価で
ある。イオン化後の被検荷電粒子Ｐe に励起用レーザ１
４により励起用レーザを照射して内部エネルギーを増加
させる実験を考える。焦点時間ｔfocus に焦点位置ｘ＝
０をレーザ照射することにより、質量に関係なく初期条
件の同じ総ての被検荷電粒子Ｐe を一度に扱うことがで
きる。前記「（イ）偏向器による荷電粒子の偏向」で説
明した様に、質量や電荷の状態が変化した不安定な被検
荷電粒子Ｐe はスリット１７の所定の一点を通過できな
いので排除できる。質量や電荷状態の変化しない安定な
被検荷電粒子Ｐe のみを計測することができる。
ある。イオン化後の被検荷電粒子Ｐe に励起用レーザ１
４により励起用レーザを照射して内部エネルギーを増加
させる実験を考える。焦点時間ｔfocus に焦点位置ｘ＝
０をレーザ照射することにより、質量に関係なく初期条
件の同じ総ての被検荷電粒子Ｐe を一度に扱うことがで
きる。前記「（イ）偏向器による荷電粒子の偏向」で説
明した様に、質量や電荷の状態が変化した不安定な被検
荷電粒子Ｐe はスリット１７の所定の一点を通過できな
いので排除できる。質量や電荷状態の変化しない安定な
被検荷電粒子Ｐe のみを計測することができる。
【００５１】第三実施例は、荷電状態の変化の計測であ
る。第二実施例と同様のレーザ照射を行う。ただし、第
１，第２偏向器１５，１６の電場として、
る。第二実施例と同様のレーザ照射を行う。ただし、第
１，第２偏向器１５，１６の電場として、
【００５２】
【数２３】 という電場を用いる。この時、
【００５３】
【数２４】 となるので、スリット１７により電荷・質量比ｑ／ｍが
ｊ倍になった総ての被検荷電粒子Ｐe のみを抽出でき
る。質量・電荷比ｍ／ｑは、飛行時間
ｊ倍になった総ての被検荷電粒子Ｐe のみを抽出でき
る。質量・電荷比ｍ／ｑは、飛行時間
【００５４】
【数２５】 から求める。この方法では、質量ｍは変化しないが電荷
状態ｑのみが変化する場合、特定の荷電状態ｑ”＝ｊｅ
に変化した総ての被検荷電粒子Ｐe のみを抽出できる。
状態ｑのみが変化する場合、特定の荷電状態ｑ”＝ｊｅ
に変化した総ての被検荷電粒子Ｐe のみを抽出できる。
【００５５】
【発明の効果】本発明にかかる粒子選択方法および飛行
時間型選択式粒子分析装置は、イオン化された複数の被
検荷電粒子を、共通な有限時間に空間的に一様な電場に
より一方向に加速し、次いで共通な有限時間内に空間的
に一様な電場により前記被検荷電粒子を前記と反対方向
に加速して同じ初期条件を有する被検荷電粒子のみを前
記加速の終了後の同一時間に同一場所を通過させるもの
であるので、初期位置や初期速度を規定した上で安定な
被検荷電粒子のみを選択でき、したがって正確な質量分
析が行える。本発明では、従来不可能であった、質量の
異なる複数の被検荷電粒子を加速開始以後の同一時刻に
同一場所を通過させることが実現できる。これにより、
被検荷電粒子の安定性の評価や荷電状態の評価が、質量
の異なる複数の被検荷電粒子について同時に行える利点
がある。
時間型選択式粒子分析装置は、イオン化された複数の被
検荷電粒子を、共通な有限時間に空間的に一様な電場に
より一方向に加速し、次いで共通な有限時間内に空間的
に一様な電場により前記被検荷電粒子を前記と反対方向
に加速して同じ初期条件を有する被検荷電粒子のみを前
記加速の終了後の同一時間に同一場所を通過させるもの
であるので、初期位置や初期速度を規定した上で安定な
被検荷電粒子のみを選択でき、したがって正確な質量分
析が行える。本発明では、従来不可能であった、質量の
異なる複数の被検荷電粒子を加速開始以後の同一時刻に
同一場所を通過させることが実現できる。これにより、
被検荷電粒子の安定性の評価や荷電状態の評価が、質量
の異なる複数の被検荷電粒子について同時に行える利点
がある。
【図１】本発明の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】従来の飛行時間型分析装置の一例の構成を示す
図である。
図である。
１１ イオン化用レーザ １２ 往復加速器 １２ａ 電極 １２ｂ 電極 １３ 選別器 １４ 励起用レーザ １５ 第１偏向器 １６ 第２偏向器 １７ スリット １８ 粒子検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩田 康嗣 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 イオン化された複数の被検荷電粒子を、
共通な有限時間に空間的に一様な電場により一方向に加
速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電場に
より前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して総て
の被検荷電粒子に同一の運動量を付加し、同じ初期条件
を有する被検荷電粒子のみを前記加速の終了後の同一時
間に同一場所を通過させ粒子選択を行うことを特徴とす
る粒子選択方法。 - 【請求項２】 あらかじめ初期条件を規定してあった場
合については、イオン化された複数の被検荷電粒子を、
共通な有限時間に空間的に一様な電場により一方向に加
速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電場に
より前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して総て
の被検荷電粒子に同一の運動量を付加し、イオン化の時
間以降において質量や電荷状態が変化した被検荷電粒子
の通過を阻止し安定した被検荷電粒子のみ通過させるこ
とを特徴とする粒子選択方法。 - 【請求項３】 イオン化された複数の被検荷電粒子を、
共通な有限時間に空間的に一様な電場により前記一方向
に加速し、次いで共通な有限時間内に空間的に一様な電
場により前記被検荷電粒子を前記と反対方向に加速して
総ての被検荷電粒子に同一の運動量を付加する往復加速
器と、 この往復加速器の出力の超焦点に設けられた選別器と、 この選別器を通過した前記複数の被検荷電粒子中の安定
粒子に所定の偏向をかける第１偏向器および第２偏向器
と、 この第２偏向器の出力のうちの超焦点位置でのレーザ照
射によっても質量や電荷状態の変化しない安定粒子、あ
るいは電荷・質量比が特定の変化をした粒子のみを通過
させるスリットと、 被検荷電粒子の飛行時間を計測する粒子検出器と、を備
えたことを特徴とする飛行時間型選択式粒子分析装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8292838A JP2942815B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置 |
| US08/826,311 US5962849A (en) | 1996-11-05 | 1997-03-25 | Particle selection method and a time-of flight mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8292838A JP2942815B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10144253A true JPH10144253A (ja) | 1998-05-29 |
| JP2942815B2 JP2942815B2 (ja) | 1999-08-30 |
Family
ID=17787021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8292838A Expired - Lifetime JP2942815B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 粒子選択方法および飛行時間型選択式粒子分析装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5962849A (ja) |
| JP (1) | JP2942815B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3727047B2 (ja) * | 1999-07-30 | 2005-12-14 | 住友イートンノバ株式会社 | イオン注入装置 |
| US6815689B1 (en) | 2001-12-12 | 2004-11-09 | Southwest Research Institute | Mass spectrometry with enhanced particle flux range |
| GB201118279D0 (en) * | 2011-10-21 | 2011-12-07 | Shimadzu Corp | Mass analyser, mass spectrometer and associated methods |
| KR101957808B1 (ko) * | 2011-12-23 | 2019-03-13 | 디에이치 테크놀로지즈 디벨롭먼트 피티이. 리미티드 | 비행시간에서의 필드 자유 영역을 이용한 제1 및 제2 오더 초점 |
| GB201519830D0 (en) | 2015-11-10 | 2015-12-23 | Micromass Ltd | A method of transmitting ions through an aperture |
| CN115360078B (zh) * | 2022-08-29 | 2024-03-29 | 东南大学 | 一种等动量与等动能加速的多通道质量选择器 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3935451A (en) * | 1973-02-02 | 1976-01-27 | Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. | Method and apparatus for separating laser ionized particles from background ions |
| US4072862A (en) * | 1975-07-22 | 1978-02-07 | Mamyrin Boris Alexandrovich | Time-of-flight mass spectrometer |
| DE3920566A1 (de) * | 1989-06-23 | 1991-01-10 | Bruker Franzen Analytik Gmbh | Ms-ms-flugzeit-massenspektrometer |
| GB9010619D0 (en) * | 1990-05-11 | 1990-07-04 | Kratos Analytical Ltd | Ion storage device |
| US5504326A (en) * | 1994-10-24 | 1996-04-02 | Indiana University Foundation | Spatial-velocity correlation focusing in time-of-flight mass spectrometry |
| US5625184A (en) * | 1995-05-19 | 1997-04-29 | Perseptive Biosystems, Inc. | Time-of-flight mass spectrometry analysis of biomolecules |
| US5654545A (en) * | 1995-09-19 | 1997-08-05 | Bruker-Franzen Analytik Gmbh | Mass resolution in time-of-flight mass spectrometers with reflectors |
-
1996
- 1996-11-05 JP JP8292838A patent/JP2942815B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-03-25 US US08/826,311 patent/US5962849A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5962849A (en) | 1999-10-05 |
| JP2942815B2 (ja) | 1999-08-30 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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