JPH10283984A - Flight time type mass spectrograph - Google Patents

Flight time type mass spectrograph

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JPH10283984A
JPH10283984A JP9082635A JP8263597A JPH10283984A JP H10283984 A JPH10283984 A JP H10283984A JP 9082635 A JP9082635 A JP 9082635A JP 8263597 A JP8263597 A JP 8263597A JP H10283984 A JPH10283984 A JP H10283984A
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JP
Japan
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ion
ions
time
mass spectrometer
optical system
Prior art date
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Application number
JP9082635A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Sugiyama
尚樹 杉山
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Yokogawa Analytical Systems Inc
Original Assignee
Yokogawa Analytical Systems Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To conduct mass spectrometry correctly regardless of a velocity component of ions in the lateral direction by providing an ion convergence optical system in which an ion strike point is set to be an object point and an ion incident face of an ion detector is set to be an image point on an ion flight path. SOLUTION: Ions struck from an aperture 34 are accelerated by an electric field formed through a plate, and fly in an (x) direction obtaining velocities corresponding to respective masses. On the way the ions are steered by a steering plate, and enter an ion detector 29 after unnecessary ions such as Ar and the like are excluded by a deflection plate. The incident ions are detected by the ion detector 29, and are amplified by an amplifier. The output signal of the amplifier 31 is sent to a signal processing portion, and is arithmetic- processed so as to obtain the spectrometric value of an element to be measured in a sample. An ion flight path is converged to an intermediate point 48 by the convergence action of a lens 42, and the ions diverging from a real image at the intermediate point 48 are converged into the ion detector 29 by a lens 44.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、飛行時間型質量分
析装置に関し、特に、イオンの飛行経路の光学系を改良
した飛行時間型質量分析装置に関する。
The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer, and more particularly to a time-of-flight mass spectrometer in which an optical system of an ion flight path is improved.

【0002】[0002]

【従来の技術】飛行時間型質量分析装置は、電場におけ
るイオンの飛行速度が元素の質量によって相違すること
を利用し、一定の距離を飛行するのに要する時間すなわ
ちタイム・オブ・フライト(TOF)によって元素の種
類を特定するようになっている。
2. Description of the Related Art A time-of-flight mass spectrometer utilizes the fact that the flight speed of ions in an electric field varies depending on the mass of an element, and the time required to fly a certain distance, that is, the time of flight (TOF). Specifies the type of element.

【0003】この装置においては、イオンのパケットが
パルサーによりチェンバー内の一方の側から打ち出さ
れ、電場で加速され、所定の距離にあるイオン検出器に
入射する。イオンの打ち出しから検出信号発生までの時
間が元素の種類を示し、検出信号の強度が元素の濃度を
示す。
In this apparatus, a packet of ions is launched from one side of a chamber by a pulsar, accelerated by an electric field, and incident on an ion detector at a predetermined distance. The time from ejection of ions to generation of a detection signal indicates the type of element, and the intensity of the detection signal indicates the concentration of the element.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】パルサーから打ち出さ
れるイオンは、イオン生成に用いられるプラズマイオン
ソースにより元素に依存したポテンシャルを持つため、
飛行方向と直交する方向(横方向)にも元素によって異
なる速度成分を有する。このため、各イオンの飛行経路
はそれぞれの速度成分に応じて横方向にそれ、中にはイ
オン検出器に入射しないものも出てくる。その場合、イ
オン検出器に入射しないイオンは検出することができな
いから、正しい質量分析が行えなくなる。
The ions ejected from the pulsar have a potential depending on the element due to the plasma ion source used for ion generation.
The direction (lateral direction) perpendicular to the flight direction also has a different velocity component depending on the element. For this reason, the flight path of each ion deviates in the horizontal direction according to the respective velocity components, and some of the ions do not enter the ion detector. In that case, ions that do not enter the ion detector cannot be detected, so that correct mass analysis cannot be performed.

【0005】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、イオンの横方向の速度成分
に関わらず質量分析を正しく行う飛行時間型質量分析装
置を実現することである。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to realize a time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry correctly regardless of the lateral velocity component of ions. is there.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

〔1〕上記の課題を解決する請求項1の発明は、電場に
おけるイオンの飛行時間に基づいて質量分析を行う飛行
時間型質量分析装置において、イオンの飛行経路上に、
イオンの打ち出し点を物点としイオン検出器のイオン入
射面を像点とするイオン収束光学系を設けたことを特徴
とする。
[1] The invention according to claim 1, which solves the above problem, is a time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry based on the time of flight of ions in an electric field.
An ion focusing optical system having an ion launch point as an object point and an ion incident surface of an ion detector as an image point is provided.

【0007】請求項1の発明では、打ち出し点における
イオンパケットの実像がイオン収束光学系によってイオ
ン検出器のイオン入射面に結像される。このため、イオ
ン収束光学系の開口範囲内のイオンが全てイオン検出器
に入射する。これによって、イオンの横方向の速度成分
に関わらず質量分析を正しく行う飛行時間型質量分析を
実現することができる。
According to the first aspect of the present invention, the real image of the ion packet at the launch point is formed on the ion incident surface of the ion detector by the ion focusing optical system. Therefore, all ions within the aperture range of the ion focusing optical system are incident on the ion detector. This makes it possible to realize a time-of-flight mass spectrometry that performs mass spectrometry correctly regardless of the ion velocity component in the lateral direction.

【0008】〔2〕上記の課題を解決する請求項2の発
明は、請求項1に記載の発明において、前記イオン収束
光学系は像倍率が1以下であることを特徴とする。請求
項2の発明では、イオン収束光学系により、イオン入射
面には打ち出し点におけるイオンパケットの等倍以下の
実像が結像される。このため、イオン検出器はイオン入
射面の面積が小さなもので済ませることができる。
[2] According to a second aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, in the first aspect of the present invention, the ion focusing optical system has an image magnification of 1 or less. According to the second aspect of the invention, the ion focusing optical system forms a real image of the ion packet at the launch point at a magnification equal to or less than the same size on the ion incident surface. For this reason, the ion detector can have a small ion incident surface area.

【0009】〔3〕上記の課題を解決する請求項3の発
明は、請求項1または2に記載の発明において、前記イ
オン収束光学系は前記イオンの打ち出し点と前記イオン
検出器のイオン入射面からそれぞれ等距離に配置された
2つのイオン収束レンズからなることを特徴とする。
[3] According to a third aspect of the present invention, which solves the above-mentioned problems, in the first or second aspect of the present invention, the ion focusing optical system includes an ion launching point and an ion incident surface of the ion detector. And two ion focusing lenses arranged equidistant from each other.

【0010】請求項3の発明では、対物側のレンズがイ
オンの打ち出し点に近接するので、打ち出し点から対物
レンズの開口を見込む立体角が大きくなる。これによっ
て、レンズによるイオンの捕捉率が高くなる。
According to the third aspect of the present invention, since the objective side lens is close to the ion emission point, the solid angle from the emission point to the opening of the objective lens becomes large. As a result, the trapping rate of ions by the lens is increased.

【0011】〔4〕上記の課題を解決する請求項4の発
明は、請求項3に記載の発明において、前記2つのイオ
ン収束レンズは共通の電圧源から電圧が供給されるもの
であることを特徴とする。
[4] According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an image forming apparatus according to the third aspect, wherein the two ion focusing lenses are supplied with a voltage from a common voltage source. Features.

【0012】請求項4の発明では、2つのイオン収束レ
ンズが共通の電圧源によって制御される。これによっ
て、イオン収束レンズの制御部の構成を簡素化すること
ができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the two ion focusing lenses are controlled by a common voltage source. Thereby, the configuration of the control unit of the ion focusing lens can be simplified.

【0013】〔5}前記の課題を解決する請求項5の発
明は、請求項1〜4のいずれか1つに記載の発明におい
て、前記飛行時間型質量分析装置がオルソゴナル型のも
のであることを特徴とする。
[5] According to a fifth aspect of the present invention, which solves the above-mentioned problem, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the time-of-flight mass spectrometer is of an orthogonal type. It is characterized by.

【0014】請求項5の発明では、オルソゴナル型の飛
行時間型質量分析装置において、イオン収束光学系によ
り、打ち出し点におけるイオンパケットの実像がイオン
検出器のイオン入射面に結像される。したがって、イオ
ンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を正しく行う
オルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置を実現するこ
とができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the orthogonal type time-of-flight mass spectrometer, a real image of the ion packet at the launch point is formed on the ion incident surface of the ion detector by the ion focusing optical system. Therefore, it is possible to realize an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry correctly regardless of the lateral velocity component of ions.

【0015】〔6〕上記の課題を解決する請求項6の発
明は、請求項5に記載の発明において、前記イオンが高
周波誘導結合プラズマによって生成されるものであるこ
とを特徴とする。
[6] According to a sixth aspect of the present invention, which solves the above problem, in the fifth aspect of the present invention, the ions are generated by high frequency inductively coupled plasma.

【0016】請求項6の発明では、高周波誘導結合プラ
ズマによって生成されたイオンがオルソゴナル型の飛行
時間型質量分析装置に注入される。このイオンがオルソ
ゴナル型の飛行時間型質量分析装置においてオルソゴナ
ル方向に打ち出され、それがイオン収束光学系により収
束されてイオン検出器に入射する。したがって、オルソ
ゴナル方向に打ち出されるイオンが有する横方向の速度
成分に関わらず質量分析を正しく行うオルソゴナル型の
飛行時間型質量分析装置を実現することができる。
According to the sixth aspect of the present invention, ions generated by the high-frequency inductively coupled plasma are injected into an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer. These ions are ejected in the orthogonal direction in an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer, and are converged by an ion focusing optical system and incident on an ion detector. Therefore, it is possible to realize an orthogonal time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry correctly irrespective of the lateral velocity component of the ions ejected in the orthogonal direction.

【0017】高周波誘導結合プラズマ(ICP)は、現
在最も優れたイオンソースの1つであるが、元素により
ポテンシャルが異なるため、前述の理由によりオルソゴ
ナル型の飛行時間型質量分析装置との結合は実際的でな
かった。
The high-frequency inductively coupled plasma (ICP) is one of the most excellent ion sources at present. However, since the potential varies depending on the element, the coupling with the orthogonal type time-of-flight mass spectrometer is actually performed for the above-mentioned reason. Was not the target.

【0018】これに対して、請求項6の発明では、イオ
ン収束光学系の利用により、ICPとオルソゴナル型の
飛行時間型質量分析装置とを効果的に組み合わせること
が可能になる。
On the other hand, in the invention of claim 6, the use of the ion focusing optical system makes it possible to effectively combine the ICP with the orthogonal type time-of-flight mass spectrometer.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment.

【0020】〔構成〕図1に、オルソゴナル型の飛行時
間型質量分析装置の模式的構成を示す。本装置は本発明
の実施の形態の一例である。本装置の構成によって本発
明の装置に関する実施の形態の一例が示される。
[Configuration] FIG. 1 shows a schematic configuration of an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer. This device is an example of an embodiment of the present invention. An example of an embodiment relating to the device of the present invention is shown by the configuration of the present device.

【0021】本装置の構成を説明する。図1において、
2は例えば石英管でなりエアロゾル等が導入されるプラ
ズマトーチである。このプラズマトーチのより詳細な構
成を図2に示す。図2において、4はプラズマトーチ2
に巻回され高周波磁界を発生させるための高周波誘導コ
イル、6は高周波誘導コイル2に高周波電力を供給する
高周波電源、8はインピーダンスマッチング回路、10
はプラズマトーチ2と高周波コイル4の間に配設された
シールド板、40は高周波誘導結合プラズマである。
The configuration of the present apparatus will be described. In FIG.
Reference numeral 2 denotes a plasma torch, which is, for example, a quartz tube into which an aerosol or the like is introduced. FIG. 2 shows a more detailed configuration of this plasma torch. In FIG. 2, reference numeral 4 denotes a plasma torch 2
A high frequency induction coil for generating a high frequency magnetic field, which is wound around, a high frequency power supply 6 for supplying high frequency power to the high frequency induction coil 2, an impedance matching circuit 8,
Is a shield plate provided between the plasma torch 2 and the high frequency coil 4, and 40 is a high frequency inductively coupled plasma.

【0022】図1に戻って、30はノズル、32はスキ
マー、32’はスキマー32の奥に設けられた第2スキ
マーである。18は例えば真空ポンプ等によって吸引・
排気され内部が例えば1torr. に保たれているフォアチ
ェンバー、20は例えば第1油圧拡散ポンプ等によって
吸引・排気され内部が例えば1×10-4torr. に保たれ
ているセンターチェンバー、22は例えば第2油圧拡散
ポンプ等によって吸引・排気され内部が例えば1×10
-6torr. に保たれているリアチェンバー、24はイオン
ビームを収束させるレンズ系である。241はスリット
であり、レンズ系24で集束されたイオンビームを通過
させるようになっている。
Returning to FIG. 1, reference numeral 30 is a nozzle, 32 is a skimmer, and 32 'is a second skimmer provided at the back of the skimmer 32. 18 is suctioned by, for example, a vacuum pump or the like.
Fore chamber 20 is evacuated and the inside is maintained at, for example, 1 torr. 20 is a center chamber which is sucked and evacuated by, for example, a first hydraulic diffusion pump and the inside is maintained at, for example, 1 × 10 -4 torr. The inside is, for example, 1 × 10
A rear chamber 24 maintained at -6 torr. Is a lens system for converging the ion beam. A slit 241 allows the ion beam focused by the lens system 24 to pass therethrough.

【0023】25はパルサーであり、スリット241を
通過したイオンビームが内部に注入されるようになって
いる。パルサー25は図示しない駆動部からパルス電圧
が与えられる。このパルス電圧によって、パルサー25
内のイオンがアパーチャー34からイオンパケットとし
て打ち出される。
Reference numeral 25 denotes a pulser, into which the ion beam passing through the slit 241 is injected. The pulser 25 is supplied with a pulse voltage from a driving unit (not shown). With this pulse voltage, the pulser 25
Are ejected from the aperture 34 as ion packets.

【0024】35はプレートであり、図示しない電圧源
から電圧が印加され、イオン加速用の電界を形成するよ
うになっている。アパーチャー34から打ち出されたイ
オンがこの電界によって加速され、それぞれの質量に応
じた速度を得て図における右方向に飛行する。すなわ
ち、パルサー25に注入されたイオンが直角(オルソゴ
ナル)に方向を変えて飛行する。
Reference numeral 35 denotes a plate to which a voltage is applied from a voltage source (not shown) to form an electric field for ion acceleration. The ions ejected from the aperture 34 are accelerated by the electric field, fly at right speeds in the figure with speeds corresponding to their masses. That is, the ions injected into the pulsar 25 change their directions at right angles (orthogonal) and fly.

【0025】37はステアリングプレートで、図示しな
い電圧源から電圧が与えられイオンの飛行方向のステア
リングを行うようになっている。39はデフレクション
プレートで、図示しない電圧源から電圧が与えられ、例
えばAr等の不要なイオンを飛行経路から外すものであ
る。
Reference numeral 37 denotes a steering plate to which a voltage is applied from a voltage source (not shown) to perform steering in the flight direction of ions. Reference numeral 39 denotes a deflection plate to which a voltage is applied from a voltage source (not shown) to remove unnecessary ions such as Ar from the flight path.

【0026】29は例えばマクロチャネルプレート等か
らなるイオン検出器である。イオン検出器29は本発明
におけるイオン検出器の実施の形態の一例である。31
はイオン検出器29の検出信号を増幅する増幅器であ
る。増幅器31の出力信号が図示しない信号処理部に送
出されて演算処理され、試料中の被測定元素の分析値が
求められる。
Reference numeral 29 denotes an ion detector comprising, for example, a macro channel plate or the like. The ion detector 29 is an example of an embodiment of the ion detector according to the present invention. 31
Is an amplifier for amplifying the detection signal of the ion detector 29. The output signal of the amplifier 31 is sent to a signal processing unit (not shown) and is subjected to arithmetic processing to obtain an analysis value of the element to be measured in the sample.

【0027】42,44はイオンビームを収束させる1
対のレンズである。レンズ42がステアリングプレート
37の近傍に配設され、レンズ42がイオン検出器29
の近傍に配設されている。レンズ42,44は本発明に
おけるイオン収束レンズの実施の形態の一例である。1
対のレンズ42,44が形成するイオン収束光学系は本
発明におけるイオン収束光学系の実施の形態の一例であ
る。
Numerals 42 and 44 converge the ion beam.
It is a pair of lenses. A lens 42 is disposed near the steering plate 37, and the lens 42 is
Is disposed in the vicinity of. The lenses 42 and 44 are an example of the embodiment of the ion focusing lens in the present invention. 1
The ion focusing optical system formed by the pair of lenses 42 and 44 is an example of an embodiment of the ion focusing optical system in the present invention.

【0028】これら1対のレンズ42,44が形成する
イオン収束光学系の模式図を図3に示す。同図に示すよ
うに、レンズ42はセンタープレート421とその両側
に配置されたサイドプレート422,423とで構成さ
れる。センタープレート421には電圧源46の電圧が
印加されるようになっている。サイドプレート422,
423はコモンに接続されている。
FIG. 3 is a schematic diagram of an ion focusing optical system formed by the pair of lenses 42 and 44. As shown in the figure, the lens 42 includes a center plate 421 and side plates 422 and 423 disposed on both sides thereof. The voltage of the voltage source 46 is applied to the center plate 421. Side plate 422,
423 is connected to the common.

【0029】レンズ44はセンタープレート441とそ
の両側に配置されたサイドプレート442,443とで
構成される。センタープレート441には電圧源46の
電圧が印加されるようになっている。サイドプレート4
42,443はコモンに接続されている。
The lens 44 includes a center plate 441 and side plates 442 and 443 disposed on both sides of the center plate 441. The voltage of the voltage source 46 is applied to the center plate 441. Side plate 4
42 and 443 are connected to the common.

【0030】レンズ42によるイオンビームの収束作用
により、アパーチャー34から発散するイオンパケット
がレンズ42と44の中間点48に収束されるようにな
っている。この中間点48から発散するイオンパケット
が、レンズ44の収束作用によってイオン検出器29の
イオン入射面上に収束されるようになっている。すなわ
ち、レンズ42,44は、アパーチャー34の位置を物
点としイオン検出器29のイオン入射面の位置を像点と
するイオン収束光学系を構成している。物点と像点はレ
ンズ42,44に関して互いに共役な関係にある。
Due to the convergence of the ion beam by the lens 42, the ion packets diverging from the aperture 34 are converged at the intermediate point 48 between the lenses 42 and 44. The ion packet diverging from the intermediate point 48 is converged on the ion incident surface of the ion detector 29 by the convergence action of the lens 44. That is, the lenses 42 and 44 constitute an ion focusing optical system in which the position of the aperture 34 is the object point and the position of the ion incident surface of the ion detector 29 is the image point. The object point and the image point have a conjugate relationship with respect to the lenses 42 and 44.

【0031】〔動作〕本装置の動作を説明する。図2に
示すように、プラズマガスと副ガスがプラズマトーチ2
に供給されるとともに、キャリアガスとしての例えばア
ルゴン(Ar)ガスがプラズマトーチ2に供給される。
また、RF電源6からインピーダンスマッチング回路8
を介して高周波コイル4に高周波電流が供給され、高周
波コイル6の周囲に高周波磁界が形成される。このよう
な高周波磁界の近傍でArガス中に電子またはイオンが
植え付けられると、高周波磁界の作用によって瞬時に高
周波誘導結合プラズマ40が生じる。
[Operation] The operation of the present apparatus will be described. As shown in FIG. 2, the plasma gas and the auxiliary gas
And, for example, an argon (Ar) gas as a carrier gas is supplied to the plasma torch 2.
In addition, the impedance matching circuit 8
A high-frequency current is supplied to the high-frequency coil 4 via the interface, and a high-frequency magnetic field is formed around the high-frequency coil 6. When electrons or ions are implanted in the Ar gas near such a high-frequency magnetic field, the high-frequency inductively coupled plasma 40 is instantaneously generated by the action of the high-frequency magnetic field.

【0032】この状態で、試料が霧化されたエアロゾル
がキャリアガスに搬送されてプラズマトーチ2内に供給
されると、このエアロゾルが高周波誘導結合プラズマ4
0によってイオン化される。このようにして生成した高
周波誘導プラズマ40内のイオンは、ノズル30、スキ
マー32および第2スキマー32’を経由しレンズ系2
4の間を通って収束され、スリット241を通過してパ
ルサー25の内部に注入される。このイオンがパルサー
25によってアパーチャー34を通じて図の右方向に打
ち出される。
In this state, when the aerosol in which the sample is atomized is conveyed to the carrier gas and supplied into the plasma torch 2, the aerosol is supplied to the high frequency inductively coupled plasma 4.
Ionized by 0. The ions in the high-frequency induction plasma 40 generated in this manner pass through the nozzle 30, the skimmer 32 and the second skimmer 32 ', and pass through the lens system 2.
4 and is injected into the pulsar 25 through the slit 241. These ions are ejected by the pulsar 25 through the aperture 34 to the right in the drawing.

【0033】アパーチャー34から打ち出されたイオン
は、プレート35が形成する電界によって加速され、そ
れぞれの質量に応じた速度を得て図における右方向に飛
行する。途中、ステアリングプレート37でステアリン
グされ、デフレクションプレート39でAr等の不要な
イオンが除外されてイオン検出器29に入射する。入射
イオンはイオン検出器29で検出される。検出信号は増
幅器31で増幅される。増幅器31の出力信号は図示し
ない信号処理部に送出されて演算処理され、試料中の被
測定元素の分析値が求められる。
The ions ejected from the aperture 34 are accelerated by the electric field formed by the plate 35 and fly rightward in the figure with a velocity corresponding to their mass. On the way, the steering is performed by the steering plate 37, and unnecessary ions such as Ar are removed by the deflection plate 39 and incident on the ion detector 29. Incident ions are detected by the ion detector 29. The detection signal is amplified by the amplifier 31. The output signal of the amplifier 31 is sent to a signal processing unit (not shown) and is subjected to arithmetic processing to obtain an analysis value of the element to be measured in the sample.

【0034】オルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置
においては、パルサー25内に注入されたイオンが直角
方向に打ち出されることにより、イオンは飛行方向に関
し横方向の速度成分を持つ。このため、アパーチャー3
4からリアチェンバー22内に打ち出されるイオンは、
図3に示すように、飛行方向xに垂直なy方向すなわち
横方向にも速度成分Vyを持ち、この速度成分が元素毎
に異なる。このためアパーチャー34から飛び出すイオ
ンの飛行経路が、例えば図示のように発散する。
In an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer, ions injected into the pulsar 25 are ejected in a right angle direction, so that the ions have a velocity component in a transverse direction with respect to the flight direction. Therefore, aperture 3
The ions ejected into the rear chamber 22 from 4 are:
As shown in FIG. 3, a velocity component Vy also exists in the y direction perpendicular to the flight direction x, that is, in the lateral direction, and this velocity component differs for each element. Therefore, the flight path of the ions that fly out of the aperture 34 diverges, for example, as illustrated.

【0035】このようなイオンの飛行経路がレンズ42
の収束作用により中間点48に収束される。これによっ
て中間点48にアパーチャー34におけるイオンパケッ
トの実像が形成される。また、中間点48における実像
から発散したイオンの飛行経路は、レンズ44によって
イオン検出器29のイオン入射面に収束される。これに
よって、結局、アパーチャー34におけるイオンパケッ
トの実像がイオン検出器29のイオン入射面に形成され
る。
The flight path of such ions is the lens 42
Is converged to the intermediate point 48 by the convergence action of. As a result, a real image of the ion packet at the aperture 34 is formed at the intermediate point 48. The flight path of the ions diverging from the real image at the intermediate point 48 is converged on the ion incident surface of the ion detector 29 by the lens 44. As a result, a real image of the ion packet in the aperture 34 is eventually formed on the ion incident surface of the ion detector 29.

【0036】イオン検出器29のイオン入射面に形成さ
れるイオンパケットの実像の倍率は1またはそれ以下と
される。これによって、イオン検出器29のイオン入射
面の面積はアパーチャー34の面積と同程度またはそれ
以下にすることができ、イオン検出器29を小型化する
ことができる。
The magnification of the real image of the ion packet formed on the ion incident surface of the ion detector 29 is 1 or less. Thus, the area of the ion incident surface of the ion detector 29 can be made equal to or less than the area of the aperture 34, and the ion detector 29 can be downsized.

【0037】レンズ42,44の焦点距離を同一にして
像倍率が1のイオン収束光学系を構成する場合、レンズ
1個についての焦点距離はアパーチャー34からイオン
検出器29のイオン入射面までの距離をLとしたとき、
f=L/8となる。すなわち、イオンの飛行距離の1/
8の焦点距離のレンズが用いられる。
When the focal lengths of the lenses 42 and 44 are the same to form an ion focusing optical system having an image magnification of 1, the focal length of one lens is the distance from the aperture 34 to the ion incidence surface of the ion detector 29. Is L
f = L / 8. That is, 1 / the flight distance of the ion
A lens with a focal length of 8 is used.

【0038】これによって、レンズ42はアパーチャー
34に極めて近い位置に配設されることになる。アパー
チャー34からレンズ42までの距離が短いことによ
り、レンズ42の開口が比較的小さくてもアパーチャー
34から開口を見込む立体角が十分大きいので、アパー
チャー34から発散するイオンの全てを容易に開口内に
包含することができる。レンズの数を3個以上にすれ
ば、対物レンズをさらにアパーチャー34に近づけるこ
とができ、より小さい開口のレンズで済ませることがで
きる。
As a result, the lens 42 is disposed at a position very close to the aperture 34. Since the distance from the aperture 34 to the lens 42 is short, even if the aperture of the lens 42 is relatively small, the solid angle for viewing the aperture from the aperture 34 is sufficiently large, so that all ions diverging from the aperture 34 can be easily placed in the aperture. Can be included. If the number of lenses is three or more, the objective lens can be further brought closer to the aperture 34, and a lens with a smaller aperture can be used.

【0039】これに対して、イオン収束光学系を単一の
レンズで構成したときは、レンズはアパーチャー34と
イオン検出器29の中間点に置かれるので、アパーチャ
ー34から見た開口の立体角を同程度にするには開口の
大きなレンズを用いる必要があり、実現が困難になる。
また、開口を常識的な値にしたときはアパーチャー34
から見た立体角が小さくなり、発散するイオンの全てを
カバーしきれないおそれがある。
On the other hand, when the ion focusing optical system is constituted by a single lens, the lens is located at the intermediate point between the aperture 34 and the ion detector 29, so that the solid angle of the aperture viewed from the aperture 34 is reduced. To achieve the same level, it is necessary to use a lens having a large aperture, which is difficult to realize.
When the aperture is set to a common sense value, the aperture 34
There is a possibility that the solid angle as viewed from the side becomes small, so that all the diverging ions cannot be covered.

【0040】レンズ42,44の焦点距離は電圧源46
の電圧によって制御される。このように電圧を共通の電
圧源46から供給することは、レンズ42,44の構成
を同一にしかつ制御部を簡素化する点で好ましい。勿
論、レンズ42,44を別々な構成とし、それぞれ別個
の電圧源によって制御するようにしても良い。その場合
はレンズ42と44をそれぞれ単独に最適な構成としか
つそれぞれ最適に制御する点で好ましい。また、像倍率
を個別に調整したりイオンの飛行経路上の他の光学系か
らの影響を個々に補正する点でも好ましい。
The focal length of the lenses 42 and 44 is
Is controlled by the voltage of Supplying the voltage from the common voltage source 46 in this way is preferable in that the configurations of the lenses 42 and 44 are the same and the control unit is simplified. Of course, the lenses 42 and 44 may be configured separately and controlled by separate voltage sources. In that case, it is preferable that the lenses 42 and 44 each have an optimum configuration independently and are controlled optimally. It is also preferable in that the image magnification is individually adjusted or the influence of another optical system on the flight path of ions is individually corrected.

【0041】以上は、オルソゴナル型の飛行時間型質量
分析装置の例であるが、レンズ42,44によるイオン
収束光学系は、プラズマトーチ2からイオン検出器29
までのイオンの経路が一直線になっているいわゆるオン
・アクシス型の飛行時間型質量分析装置にも適用するこ
とができる。以下にそれについて説明する。
The above is an example of an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer. The ion focusing optical system including the lenses 42 and 44 uses the ion detector 29 from the plasma torch 2.
The present invention can also be applied to a so-called on-axis time-of-flight mass spectrometer in which the path of ions to the ion beam is straight. This will be described below.

【0042】図4に、オン・アクシス型の飛行時間型質
量分析装置の模式的構成を示す。同図において図1と同
様の部分には同一の符号を付して説明は省略する。28
は例えば光電子増倍管等でなるイオン検出器である。イ
オン検出器28は、本発明におけるイオン検出器の実施
の形態の一例である。
FIG. 4 shows a schematic configuration of an on-axis time-of-flight mass spectrometer. In this figure, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. 28
Is an ion detector including, for example, a photomultiplier tube. The ion detector 28 is an example of an embodiment of the ion detector according to the present invention.

【0043】本装置において、高周波誘導プラズマ40
内のイオンは、ノズル30およびスキマー32を経由し
レンズ系24の間を通って収束され、アパーチャー34
を通じてリアチェンバー22内に打ち出される。
In this apparatus, the high-frequency induction plasma 40
Are focused through the lens system 24 via the nozzle 30 and the skimmer 32 and the aperture 34
Through the rear chamber 22.

【0044】アパーチャー34から打ち出されたイオン
は、リアチェンバー22内を飛行してイオン検出器28
に入射する。このとき、イオンのエネルギー分布に基づ
くイオンビームの拡がりが、レンズ42,44が形成す
る収束光学系によって収束される。これによって、イオ
ンビームの拡がりによるイオンロスを無くすることがで
きる。入射イオンはイオン検出器29で検出される。検
出信号は図示しない信号処理部に送出されて演算処理さ
れ、試料中の被測定元素の分析値が求められる。
The ions ejected from the aperture 34 fly in the rear chamber 22 and travel to the ion detector 28.
Incident on. At this time, the spread of the ion beam based on the ion energy distribution is converged by the converging optical system formed by the lenses 42 and 44. Thus, ion loss due to the spread of the ion beam can be eliminated. Incident ions are detected by the ion detector 29. The detection signal is sent to a signal processing unit (not shown) and is subjected to arithmetic processing to obtain an analysis value of the element to be measured in the sample.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項1の
発明では、イオン収束光学系により、打ち出し点におけ
るイオンパケットの実像をイオン検出器のイオン入射面
に結像するようにしたので、イオン収束光学系の開口範
囲内のイオンが全てイオン検出器に入射する。これによ
って、イオンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を
正しく行う飛行時間型質量分析を実現することができ
る。
As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, the real image of the ion packet at the launch point is formed on the ion incident surface of the ion detector by the ion focusing optical system. All ions within the aperture range of the ion focusing optical system are incident on the ion detector. This makes it possible to realize a time-of-flight mass spectrometry that performs mass spectrometry correctly regardless of the ion velocity component in the lateral direction.

【0046】また、請求項2の発明では、イオン収束光
学系により、イオン入射面に打ち出し点におけるイオン
パケットの等倍以下の実像を結像するようにしたので、
イオン検出器はイオン入射面の面積が小さなもので済ま
せることができる。
According to the second aspect of the present invention, since the ion focusing optical system forms a real image of an ion packet at a launch point equal to or less than the same size on the ion incident surface,
The ion detector requires only a small area of the ion incident surface.

【0047】また、請求項3の発明では、対物側のレン
ズがイオンの打ち出し点に近接し、打ち出し点から対物
レンズの開口を見込む立体角を大きくなるので、レンズ
によるイオンの捕捉率が高くなる。
According to the third aspect of the present invention, since the lens on the objective side is close to the ion emission point and the solid angle at which the aperture of the objective lens is seen from the emission point is increased, the ion capture rate by the lens is increased. .

【0048】また、請求項4の発明では、2つのイオン
収束レンズを共通の電圧源によって制御するようにした
ので、イオン収束レンズの制御部の構成を簡素化するこ
とができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the two ion focusing lenses are controlled by the common voltage source, the configuration of the control unit of the ion focusing lens can be simplified.

【0049】また、請求項5の発明では、オルソゴナル
型の飛行時間型質量分析装置において、イオン収束光学
系により、打ち出し点におけるイオンパケットの実像を
イオン検出器のイオン入射面に結像させるようにしたの
で、イオンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を正
しく行うオルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置を実
現することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the orthogonal type time-of-flight mass spectrometer, the real image of the ion packet at the launch point is formed on the ion incident surface of the ion detector by the ion focusing optical system. Therefore, it is possible to realize an orthogonal time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry correctly regardless of the lateral velocity component of ions.

【0050】また、請求項6の発明では、高周波誘導結
合プラズマ(ICP)によって生成されたイオンをオル
ソゴナル型の飛行時間型質量分析装置に注入し、このイ
オンをオルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置におい
てオルソゴナル方向に打ち出し、それをイオン収束光学
系により収束してイオン検出器に入射させるようにした
ので、オルソゴナル方向に打ち出されるイオンが有する
横方向の速度成分に関わらず質量分析を正しく行うオル
ソゴナル型のICP飛行時間型質量分析装置を実現する
ことができる。
According to the invention of claim 6, ions generated by high frequency inductively coupled plasma (ICP) are injected into an orthogonal type time-of-flight mass spectrometer, and the ions are injected into the orthogonal type time-of-flight type mass spectrometer. In the orthogonal direction, the ion beam is focused by the ion focusing optical system and made incident on the ion detector. ICP time-of-flight mass spectrometer can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成
図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態の一例の装置におけるプラ
ズマトーチの模式的構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a plasma torch in an apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態の一例の装置におけるイオ
ン収束光学系の模式的構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an ion focusing optical system in an apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成
図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 プラズマトーチ 4 高周波誘導コイル 6 高周波電源 8 インピーダンスマッチング回路 10 シールド板 18 フォアチェンバー 20 センターチェンバー 22 リアチェンバー 24 レンズ系 28 イオン検出器 30 ノズル 32 スキマー 34 アパーチャー 36 隔壁 38 冷却水路 40 高周波誘導結合プラズマ 42,44レンズ 421,441 センタープレート 422,423,442,443 サイドプレート 32’ 第2スキマー 241 スリット 25 パルサー 35 プレート 37 ステアリングプレート 39 デフレクションプレート 29 イオン検出器 31 増幅器 Reference Signs List 2 Plasma torch 4 High frequency induction coil 6 High frequency power supply 8 Impedance matching circuit 10 Shield plate 18 Fore chamber 20 Center chamber 22 Rear chamber 24 Lens system 28 Ion detector 30 Nozzle 32 Skimmer 34 Aperture 36 Partition wall 38 Cooling water channel 40 High frequency induction coupling plasma 42 , 44 lenses 421, 441 Center plate 422, 423, 442, 443 Side plate 32 'Second skimmer 241 Slit 25 Pulser 35 Plate 37 Steering plate 39 Deflection plate 29 Ion detector 31 Amplifier

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電場におけるイオンの飛行時間に基づい
て質量分析を行う飛行時間型質量分析装置において、 イオンの飛行経路上に、イオンの打ち出し点を物点とし
イオン検出器のイオン入射面を像点とするイオン収束光
学系を設けた、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装
置。
1. A time-of-flight mass spectrometer for performing mass spectrometry based on the flight time of ions in an electric field, wherein an ion launch surface is an object point on an ion flight path and an ion incidence surface of an ion detector is imaged. A time-of-flight mass spectrometer comprising an ion focusing optical system serving as a point.
【請求項2】 前記イオン収束光学系は像倍率が1以下
である、ことを特徴とする請求項1に記載の飛行時間型
質量分析装置。
2. The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion focusing optical system has an image magnification of 1 or less.
【請求項3】 前記イオン収束光学系は前記イオンの打
ち出し点と前記イオン検出器のイオン入射面からそれぞ
れ等距離に配置された2つのイオン収束レンズからな
る、ことを特徴とする請求項1または2に記載の飛行時
間型質量分析装置。
3. The ion focusing optical system according to claim 1, wherein the ion focusing optical system comprises two ion focusing lenses arranged at an equal distance from the ion launch point and an ion incidence surface of the ion detector. 3. The time-of-flight mass spectrometer according to 2.
【請求項4】 前記2つのイオン収束レンズは共通の電
圧源から電圧が供給されるものである、ことを特徴とす
る請求項3に記載の飛行時間型質量分析装置。
4. The time-of-flight mass spectrometer according to claim 3, wherein the two ion focusing lenses are supplied with a voltage from a common voltage source.
【請求項5】 前記飛行時間型質量分析装置がオルソゴ
ナル型のものである、ことを特徴とする請求項1〜4の
いずれか1つに記載の飛行時間型質量分析装置。
5. The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the time-of-flight mass spectrometer is an orthogonal type.
【請求項6】 前記イオンが高周波誘導結合プラズマに
よって生成されるものである、ことを特徴とする請求項
5に記載の飛行時間型質量分析装置。
6. The time-of-flight mass spectrometer according to claim 5, wherein the ions are generated by high frequency inductively coupled plasma.
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