JPH10144254A

JPH10144254A - 四重極質量分析計

Info

Publication number: JPH10144254A
Application number: JP8301467A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Takami; 芳夫高見
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-11-13
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で微小電流の検出を可能とする四重極質
量分析計を提供する。【解決手段】四重極電極に高周波電圧と直流電圧の重
畳電圧を印加し、イオン源からのイオン電流を該四重極
電極を通して検出器で検出する四重極質量分析計におい
て、複数の微小チャンネルを二次元的に配置し四重極の
中心軸が通過する位置に開口部２５を有して形成される
プレート２１を四重極の中心軸上に配置することによっ
て検出器２を構成する。イオン源３から放出されたイオ
ン電流，中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線は四重極電極５
の中心軸を通過して検出器２に向かい、イオン電流のみ
が調整電極２３によって微小チャンネル側に導かれて検
出され、中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線は軌道は変化せ
ずに中心軸を直進して検出器２の開口部２５を通過する
ため、微小チャンネルで検出されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量スペクトル等
の分析に用いる四重極質量分析計に関し、特に検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン化した試料を質量／電荷数の比に
応じて分離，検出を行い、質量スペクトルを測定するこ
とは一般に質量分析として知られている。そして、質量
スペクトルのピーク位置から試料の定性分析を行うこと
ができ、またピーク強度から定量分析を行うことができ
る。

【０００３】このイオン化した試料を質量／電荷数の比
に応じて分離，検出を行う手段として四重極方式が知ら
れている。四重極方式による四重極質量分析計は、イオ
ン源と検出器との間に４本の電極で構成される四重極マ
スフィルタを備え、相対する電極を一対として各々に正
および負の直流電圧Ｕ（＋Ｕ，−Ｕ）と高周波電圧Ｖｃ
ｏｓωｔを重畳した電圧±（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）を印加
し、イオン源で生成したイオン電流を加速して電極間隙
に導き、電極間を通過するイオンのみをイオン検出器で
検出している。この四重極の電極を通過するイオンは高
周波電圧と直流電圧との比を一定に保っておくと、電荷
数ｚに対する質量ｍの比ｍ／ｚが直流電圧または高周波
電圧と比例関係にあるため、Ｕ／Ｖを一定に保持しなが
らＶを変化させることによって、各質量に対するイオン
を検出することができる。

【０００４】イオン検出器は一種の電流検出器であり、
従来より種々のものが用いられている。図５は従来の四
重極質量分析計を説明する概略図である。四重極質量分
析計１０は、イオン源１３，レンズ１４，四重極ロッド
１５およびイオン検出器１２を順に配列して構成され
る。四重極ロッド１５は、４本の電極によって四重極マ
スフィルタを構成し、四重極の電極のうち相対する電極
を一対として各々に電圧±（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）を印加
し、イオン源１３で生成したイオン電流を加速して電極
間隙に導き、電極間を通過するイオンのみをイオン検出
器１２で検出している。

【０００５】図５の（ａ）から（ｅ）は、従来から知ら
れる種々のイオン検出器１２ａ〜１２ｅを示している。
図５（ａ）に示すイオン検出器１２ａは、イオンビーム
の中心軸上に設置したファラデーカップである。ファラ
デーカップは、イオンが検出電極に衝突した結果放出さ
れる二次電子の逸出を防止するためのコップ状のコレク
ターである。図５（ｂ）に示すイオン検出器１２ｂは、
イオンビームの中心軸上から外れた位置に設置したチャ
ンネル型検出器である。チャンネル型検出器は、両端間
に高電圧を印加したガラス製の湾曲管であり、入射した
イオンによって生じた二次電子を増倍させて検出するも
のである。図５（ｃ）に示すイオン検出器１２ｃは、フ
ァラデーカップ１２ａとチャンネル型検出器１２ｂの両
検出器を設置したものである。また、図５（ｄ）に示す
イオン検出器１２ｄは、図５（ｂ）に示すチャンネル型
検出器をイオンビームの中心軸上に設置した構成であ
る。チャンネル型検出器は中性粒子や紫外線，γ線など
にも反応するため、通常は図５（ｂ）に示すようにイオ
ンビームの中心軸上から外れた位置に設置して使用す
る。

【０００６】また、図５（ｅ）に示すイオン検出器１２
ｅはマイクロチャネルプレートである。マイクロチャネ
ルプレートは、複数個の微小なチャンネル型検出器が二
次元的に並べられプレート状に形成されたものであり、
各チャンネルで電子を増倍させてるものである。このマ
イクロチャネルプレートも中性粒子や紫外線，Ｘ線，γ
線などに反応するため、イオンビームの中心軸上から外
れた位置に設置して使用する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、四重
極質量分析計のイオン検出器としてファラデーカップ，
チャンネル型検出器，マイクロチャネルプレート等を使
用しているが、各イオン検出器は以下のように検出電流
およびサイズの点で問題がある。

【０００８】ファラデーカップによるイオン検出器は、
サイズを小型とすることができるものの、電子を増倍す
る機能を備えていないため微小電流の検出ができないと
いう問題点がある。例えば、１０^-9Ｐａの分圧，１０^-6
ＡＰａ^-1の感度では測定できる最小電流が１０^-15 Ａの
ファラデーカップを用いた検出器が知られている。

【０００９】チャンネル型検出器は、電子を増倍する機
能を備えているため、微小電流の検出ができ（１０^-12
Ｐａの分圧，１０^-6ＡＰａ^-1の感度で最小電流が１０
^-18 Ａのものが知られている）、また、マイクロチャネ
ルプレートもチャンネル型検出器と同様に微小電流の検
出ができる。しかしながら、チャンネル型検出器および
マイクロチャネルプレートはサイズが大きくなるという
問題点がある。例えば、チャンネル型検出器の長さは５
ｃｍ程度であり、１０ｃｍ程度の長さの四重極ロッドの
軸長に対して大きな比率を有しており、四重極質量分析
計の全体の長さに対するイオン検出器の長さの比率が大
きくなっている。また、チャンネル型検出器やマイクロ
チャネルプレートは、イオンビームの中心軸上から外れ
た位置に設置する必要があるため、四重極質量分析計の
全体の大きさが大きくなる。

【００１０】そこで、本発明は前記した問題点を解決
し、小型で微小電流の検出を可能とする四重極質量分析
計を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、四重極電極に
高周波電圧と直流電圧の重畳電圧を印加し、イオン源か
らのイオン電流を該四重極電極を通して検出器で検出す
る四重極質量分析計において、検出器は、複数の微小チ
ャンネルを二次元的に配置し四重極の中心軸が通過する
位置に開口部を有して形成されるプレートを備え、開口
部を四重極の中心軸上に配置する構成とするものであ
る。

【００１２】本発明の四重極質量分析計が備える検出器
は、複数の微小チャンネルを二次元的に配置したマイク
ロチャネルプレートと呼ばれるプレートの一部に開口部
を備え、該開口部を四重極電極の中心軸が通過する様に
配置するものである。イオン源からは、イオン電流以外
に中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線等が放出される。本発
明の四重極質量分析計によれば、放出されたイオン電
流，中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線は四重極電極の中心
軸を通過して検出器に向かい、イオン電流のみが電界等
によって微小チャンネル側に導かれて検出が行われる。
これに対して、他の中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線は、
軌道は変化せずに中心軸を直進して検出器の開口部を通
過するため、微小チャンネルで検出されることはない。
従って、本発明の検出器は、イオン電流のみを検出し、
中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線によるノイズ電流の発生
を除去することができる。

【００１３】本発明の四重極質量分析計は、検出器を複
数の微小チャンネルにより構成することによって微小電
流の検出を可能とするとともに、開口部を中心軸上に配
置することによって、検出器を四重極電極の中心軸上に
配置し、中心軸の半径方向の大きさを小さくして小型と
することができる。

【００１４】本発明の第１の実施形態は、検出器の微小
チャンネルの入口側を四重極電極側に配向し、電界によ
ってイオン電流を微小チャンネル側に偏向させ、イオン
電流のみを検出器の開口部を通過させることなく微小チ
ャンネルへに導入し、中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線は
開口部を通して直進させる。これによって、イオン電流
以外の中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線が微小チャンネル
に導入することを防止し、イオン電流のみの検出を行
う。

【００１５】また、本発明の第２の実施形態は、検出器
の微小チャンネルの入口側を四重極電極の反対側に配向
し、イオン電流を開口部を通過させた後に電界によって
微小チャンネル側に導き、中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ
線は開口部を通して直進させる。これによって、イオン
電流以外の中性粒子，紫外線，Ｘ線，γ線が微小チャン
ネルに導入することを防止し、イオン電流のみの検出を
行う。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の四重極質
量分析計の第１の実施形態の構成を説明するための概略
ブロック図である。図２は第１の実施形態の検出器の一
部を切り欠いた概略斜視図である。図１において、四重
極質量分析計１は、イオン源３，レンズ４，四重極ロッ
ド５，およびイオン検出器２を配列して構成される。四
重極ロッド５は、４本の電極によって四重極マスフィル
タを構成し、四重極の電極のうち、相対する電極を一対
として各々に正および負の直流電圧Ｕ（＋Ｕ，−Ｕ）と
高周波電圧Ｖｃｏｓωｔを重畳した電圧±（Ｕ＋Ｖｃｏ
ｓωｔ）を印加し、イオン源３で生成したイオン電流を
加速して電極間隙に導き、電極間を通過するイオンのみ
をイオン検出器２で検出している。この四重極の電極を
通過するイオンは、高周波電圧と直流電圧の比を一定に
保っておくと、電荷数ｚに対する質量ｍの比ｍ／ｚが直
流電圧と比例関係にあるため、Ｕ／Ｖを一定に保持しな
がらＶを変化させることによって、各質量に対するイオ
ンを検出することができる。また、四重極質量分析計１
は図示しないターボ分子ポンプによって真空に引かれて
いる。

【００１７】本発明のイオン検出器２は、入射したイオ
ン粒子から二次電子を生成し、二次電子電流の増倍を行
うプレート２１と、該プレートで増倍した二次電子電流
を検出するアノード電極２２と、プレート２１にイオン
電流を導くための調整電極２３とを四重極電極５の中心
軸上に配置して構成し、さらに、同中心軸上の軸端にフ
ァラデーカップ２４を配置する構成とすることもでき
る。なお、ファラデーカップ２４の設置は任意であり、
ファラデーカップを設けない構成とすることもできる。

【００１８】図１および図２において、プレート２１
は、複数の微小チャンネル２８を二次元的に配置して構
成し、イオン電流を入射する面が負電圧に、増倍した二
次電子を放出する面が正電圧となるように電圧を印加す
る。また、プレート２１は開口部２５を備え、該開口部
２５内を四重極電極５の中心軸が通過するよう配置す
る。微小チャンネル２８の二次電子の放出面側には、増
倍した二次電子電流を検出するアノード電極２２が設け
られ、電流計等を含む電流検出手段が接続される。この
電流検出手段により、四重極電極５を通過したイオン電
流の検出を行うことができる。

【００１９】調整電極２３は、プレート２１のイオン電
流の入射面にイオン電流が導かれるような電界を形成し
調整するための電極である。調整電極２３には開口部２
７が形成され、該開口部２７内を四重極電極５の中心軸
が通過するよう配置する。なお、調整電極２３の形状お
よび印加する電圧は、検出器の各構成要素の形状や大き
さに応じて設定される。もちろん、プレート２１の表面
に大きな負電圧が印加されているため、調整電極がなく
ても四重極電極を通過したイオンがプレート２１の表面
に到達する場合もありうる。

【００２０】上記したイオン検出器２において、四重極
電極５を通過したイオン電流は、調整電極２３が形成す
る電界によって軌道が曲げられ、微小チャンネル２８の
一方の面からチャンネル内に入射する。チャンネル内に
入射したイオン電流は二次電子を発生し、チャンネル中
に形成された電位に導かれて移動する間に増倍し、他方
の面から放出される。微小チャンネル２８から放出され
た二次電子は、アノード２２で捕らえられて検出され
る。また、四重極電極５を通過した無電荷の中性粒子，
紫外線，Ｘ線，γ線は、調整電極２３の開口部２７，プ
レート２１の開口部２５，およびアノード電極２２の開
口部２６を通過する。従って、本発明の検出器によれ
ば、イオン電流は微小チャンネルで検出され、イオン電
流以外の無電荷のものは開口部を通過し、微小チャンネ
ルで検出されないため、ノイズ電流の発生を防止するこ
とができる。

【００２１】次に、本発明の四重極質量分析計の第２の
実施形態の構成を図３，４の概略ブロック図，および概
略斜視図を用いて説明する。図３において、四重極質量
分析計１は、前記した第１の実施形態の構成と同様に、
イオン源３，レンズ４，四重極ロッド５，およびイオン
検出器８を配列して構成され、四重極ロッド５の四重極
の電極にはそれぞれ±（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）の電圧が印
加され、四重極電極間を通過したイオンのみをイオン検
出器８で検出している。

【００２２】第２の実施形態のイオン検出器８は、入射
したイオン粒子から二次電子を生成し、二次電子電流の
増倍を行うプレート８１と、該プレートで増倍した二次
電子電流を検出するアノード電極８２と、プレートにイ
オン電流を導くための調整電極８３とを四重極電極５の
中心軸上に配置して構成し、さらに、同中心軸上の軸端
にファラデーカップ８４を配置する構成とすることもで
きる。なお、ファラデーカップ８４の設置は任意であ
り、ファラデーカップを設けない構成とすることもでき
る。

【００２３】図３および図４において、第２の実施形態
はプレート，アノード電極，および調整電極の配置の順
で第１の実施形態と相違し、四重極電極５側から順に調
整電極８３，アノード電極８２，およびプレート８１を
配置する。プレート８１は、複数の微小チャンネル８８
を二次元的に配置して構成し、イオン電流を入射する面
が負電圧に、増倍した二次電子を放出する面が正電圧と
なるように電圧を印加する。従って、イオン電流の入射
面は四重極電極５に対して反対側となり、二次電子電流
の放出面は四重極電極５と対向する側となる。また、プ
レート８１は開口部８５を備え、該開口部８５内を四重
極電極５の中心軸が通過するよう配置する。微小チャン
ネル８８の二次電子の放出面側には、増倍した二次電子
電流を検出するアノード電極８２が設けられ、電流計等
を含む電流検出手段が接続される。この電流検出手段に
より、四重極電極５を通過したイオン電流の検出を行う
ことができる。

【００２４】調整電極８３は、プレート８１の開口部８
５を通過した後に、プレート８１のイオン電流の入射面
にイオン電流が導かれるような電界を形成し調整するた
めの電極である。調整電極８３には開口部８７が形成さ
れ、該開口部８７内を四重極電極５の中心軸が通過する
よう配置する。なお、調整電極８３の形状および印加す
る電圧は、アノード電極８３およびプレート８１のイオ
ン電流入射面以外の部分にイオン電流が流入しないよう
に、検出器の各構成要素の形状や大きさに応じて設定さ
れる。

【００２５】上記した検出器８において、四重極電極５
を通過したイオン電流は、調整電極８３が形成する電界
によって、調整電極８３自体の開口部８７，アノード電
極８３の開口部８６，およびプレート８１の開口部８５
を通過し、四重極電極５と反対側からプレート８１のチ
ャンネル内に入射する。チャンネル内に入射したイオン
電流は二次電子を発生し、チャンネル中に形成された電
位に導かれて移動する間に増倍し、四重極電極５側の放
出される。微小チャンネル８８から放出された二次電子
は、アノード８８で捕らえられ検出される。このとき、
ファラデーカップ８４に正の電圧を印加することにより
効率的にイオンがプレート８１に入射する。また、四重
極電極５を通過した無電荷の中性粒子，紫外線，Ｘ線，
γ線は、調整電極８３の開口部８７，プレート８１の開
口部８５，およびアノード８２の開口部８６を通過す
る。

【００２６】従って、本発明の検出器によれば、イオン
電流は微小チャンネルで検出され、イオン電流以外の無
電荷のものは開口部を通過して微小チャンネルで検出さ
れないため、ノイズ電流の発生を防止することができ、
また、開口部を中心軸上に配置することによって検出器
を中心軸上に配置して小型化をはかることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の四重極質
量分析計によれば、検出器が備える開口部を中心軸上に
配置することによって、検出器を四重極電極の中心軸上
に配置し、中心軸の半径方向の大きさを小さくして小型
で微小電流の検出を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の四重極質量分析計の第１の実施形態の
構成を説明するための概略ブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の検出器の一部を切り
欠いた概略斜視図である。

【図３】本発明の四重極質量分析計の第２の実施形態の
構成を説明するための概略ブロック図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の検出器の一部を切り
欠いた概略斜視図である。

【図５】従来の四重極質量分析計を説明する概略図であ
る。

【符号の説明】１…四重極質量分析計、２，８…イオン検出器、３…イ
オン源、４…レンズ、５…四重極ロッド、２１，８１…
プレート、２２，８２…アノード電極、２３，８３…調
整電極、２４，８４…ファラデーカップ、２５，２６，
２７，８５，８６，８７…開口部、２８，８８…微小チ
ャンネル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四重極電極に高周波電圧と直流電圧の重
畳電圧を印加し、イオン源からのイオン電流を該四重極
電極を通して検出器で検出する四重極質量分析計におい
て、前記検出器は、複数の微小チャンネルを二次元的に
配置し四重極の中心軸が通過する位置に開口部を有して
形成されるプレートを備え、前記開口部を四重極の中心
軸上に配置したことを特徴とする四重極質量分析計。