JPH10334847A - Photoionization mass spectrometer - Google Patents

Photoionization mass spectrometer

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JPH10334847A
JPH10334847A JP9139654A JP13965497A JPH10334847A JP H10334847 A JPH10334847 A JP H10334847A JP 9139654 A JP9139654 A JP 9139654A JP 13965497 A JP13965497 A JP 13965497A JP H10334847 A JPH10334847 A JP H10334847A
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JP
Japan
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mass spectrometer
laser beam
optical
photoionization mass
sample
Prior art date
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Application number
JP9139654A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Osabe
敏 長部
Hiroyasu Shichi
広康 志知
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH10334847A publication Critical patent/JPH10334847A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the detecting efficiency by repeating a process for making the laser beam focused on a sample by a first optical element, passed through a second optical element, reflected by a third optical element to be deflected in a direction vertical to an optical axis, further passed through the second and first optical elements, and reflected and deflected by a fourth optical element several times, and then discharging the laser beam to the outside rather than through the optical element. SOLUTION: A laser beam 7 from a laser 6 is entered in parallel with an optical axis of a lens 11, focused on a sample 1, returned to an almost parallel optical path by a lens 12, deflected and reflected in a direction vertical to the optical axis by a flat reflection mirror in which two sheets of mirrors are crossed to each other, and focused on the sample 1 by the lens 12. The laser beam is returned to an almost parallel beam by the lens 11, deflected and reflected by a flat reflection mirror 10, and then entered into the lens 11. This process is repeated. The pulses of the laser beam 7 are either overlapped on the sample 1 or the beams are closed to each other. As a result, the intensity of light is increased, or a diameter of the laser beam is increased, which improve the ionization efficiency or the laser dose rate.

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】本発明は光イオン質量分析装
置に関する。
The present invention relates to a photoion mass spectrometer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、試料中の元素の種類の決定に
使用される測定装置として質量分析装置があり、そのな
かで、試料にイオンビームを照射することによりスパッ
タされる中性粒子をレーザ光によりイオン化し、生成す
るイオンを質量分析する光イオン化質量分析装置が知ら
れている。この光イオン化質量分析法は、試料にイオン
ビームを照射する際、試料より放出される中性粒子が同
時に試料より放出される二次イオンに比べて数が少なく
とも二,三桁多いため、二次イオンの質量スペクトルを
測定することにより元素の種類を決定する二次イオン質
量分析法に比べて感度が格段に向上することが期待され
ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a mass spectrometer has been used as a measuring device for determining the type of an element in a sample, and neutral particles sputtered by irradiating the sample with an ion beam are irradiated with a laser. 2. Description of the Related Art A photoionization mass spectrometer that ionizes with light and performs mass analysis of generated ions is known. In this photoionization mass spectrometry, when a sample is irradiated with an ion beam, the number of neutral particles emitted from the sample is at least a few orders of magnitude larger than the number of secondary ions emitted simultaneously from the sample. It is expected that the sensitivity will be significantly improved as compared with the secondary ion mass spectrometry in which the type of element is determined by measuring the mass spectrum of the ion.

【0003】図2は従来の光イオン化質量分析装置の原
理を説明する図である。以下でその原理を説明する。分
析試料1にイオンガン2から射出される一次イオンビー
ム3を照射すると、分析試料1より中性粒子4と二次イ
オン5が放出される。中性粒子4に、レーザ装置6より
レーザビーム7を照射させると中性粒子4が光励起によ
りイオン化され、光イオン8が生成する。光イオン8を
質量分析計9に導入し質量スペクトルを測定することに
より、試料1の質量分析を行う。
FIG. 2 is a view for explaining the principle of a conventional photoionization mass spectrometer. The principle will be described below. When the analysis sample 1 is irradiated with the primary ion beam 3 emitted from the ion gun 2, neutral particles 4 and secondary ions 5 are emitted from the analysis sample 1. When the neutral particles 4 are irradiated with the laser beam 7 from the laser device 6, the neutral particles 4 are ionized by photoexcitation, and photo ions 8 are generated. The sample 1 is subjected to mass analysis by introducing the photoion 8 into the mass spectrometer 9 and measuring the mass spectrum.

【0004】光イオン化質量分析法では、スパッタされ
た中性粒子にレーザビームを照射させてイオン化を行う
が、中性粒子を1光子のみでイオン化して高感度の分析
を行うには現在市販されているレーザでは出力不足であ
る。そこで、中性粒子をレーザ光により、一つ、ない
し、複数の励起状態をへて段階的にイオン化する、つま
り、中性粒子を多光子イオン化する方法がとられてい
る。このとき高感度分析が可能であると期待されるレー
ザ出力を得るためには、連続発振のレーザでは全く出力
が足りないため、尖頭出力の高いパルス発振のレーザが
用いられている。
In photoionization mass spectrometry, sputtered neutral particles are irradiated with a laser beam to perform ionization. However, neutralizing particles are ionized with only one photon for high-sensitivity analysis and are currently commercially available. Insufficient power is output by the laser. Therefore, a method is employed in which neutral particles are stepwise ionized by laser light through one or more excited states, that is, multi-photon ionization of the neutral particles. At this time, in order to obtain a laser output expected to enable high-sensitivity analysis, a continuous oscillation laser has no sufficient output. Therefore, a pulse oscillation laser having a high peak output is used.

【0005】ところで、光イオン化質量分析法では、そ
の検出効率は、試料面より放出された中性粒子のうちレ
ーザ照射を受ける割合(レーザ照射率),レーザ照射を
受けた中性粒子のうちレーザ光によりイオン化される割
合(イオン化効率)、および、イオン化された中性粒子
のうち質量分析計に検出される割合の積によって与えら
れる。パルスレーザを使用した場合、レーザビームの直
径が大きくなるとレーザ照射率が増大するが、レーザビ
ームの出力密度が低下するためイオン化効率が減少する
ので、最適なレーザビームの直径のときに分析の検出効
率が最大になることが知られている。しかし、分析対象
の元素の種類によっては、現在市販されている最高出力
のパルスレーザを用いてレーザビーム径を最適値にとっ
ても、なお出力が十分でないため高い検出効率を得るこ
とが困難な状況にある。
In the photoionization mass spectrometry, the detection efficiency is determined by the ratio of the neutral particles emitted from the sample surface to the laser irradiation (laser irradiation rate) and the ratio of the neutral particles irradiated by the laser to the laser. It is given by the product of the ratio of ionization by light (ionization efficiency) and the ratio of the ionized neutral particles detected by the mass spectrometer. When a pulsed laser is used, the laser irradiation rate increases as the diameter of the laser beam increases, but the ionization efficiency decreases due to the decrease in the output density of the laser beam. It is known that efficiency is maximized. However, depending on the type of element to be analyzed, it is difficult to obtain high detection efficiency because the output is still insufficient even if the laser beam diameter is optimized using a currently available pulse laser with the highest output. is there.

【0006】上記問題点に対して以下の三つの方法が考
案されてきた。
The following three methods have been devised to solve the above problems.

【0007】一番目の方法(特開昭62−170841号公報)
を図3で説明すると、試料1より放出された中性粒子4
を内壁が反射率の高い物質でコーティングされたイオン
化室29に貫通させ、イオン化室29のレーザの入射孔
30よりレーザ光7を入射させる。この方法では、レー
ザ光がイオン化室29の内壁により繰り返し反射するの
でレーザ照射を受ける中性粒子の数が増大し、生成する
光イオンの割合が増加する。
The first method (Japanese Patent Laid-Open No. 62-170841)
Referring to FIG. 3, neutral particles 4 released from sample 1
Is penetrated into the ionization chamber 29 whose inner wall is coated with a substance having a high reflectance, and the laser light 7 is made to enter from the laser entrance hole 30 in the ionization chamber 29. In this method, since the laser light is repeatedly reflected by the inner wall of the ionization chamber 29, the number of neutral particles to be irradiated with the laser is increased, and the ratio of generated photoions is increased.

【0008】二番目の方法(特開平2−119040 号公報)
を図4で説明すると、レーザ共振器を構成する2枚の全
反射ミラー38と40の間に光イオン化の領域33を設
け、レーザ共振器内部のレーザ光7を光イオン化に利用
する。この方法では、全反射ミラー1枚と一部透過ミラ
ー1枚からなるレーザ共振器から一部透過ミラーを通じ
てレーザ光を取り出して光イオン化に利用していた従来
の方法に比べて、利用されるレーザ光の強度が格段に高
い。また共振器ミラーによる損失が小さいため複数回の
レーザ光の往復でレーザ光が減衰しにくいのでパルス幅
が長い。したがって、生成する光イオンの数が増大す
る。
The second method (Japanese Patent Laid-Open No. 2-119040)
Referring to FIG. 4, a photoionization region 33 is provided between two total reflection mirrors 38 and 40 constituting a laser resonator, and a laser beam 7 inside the laser resonator is used for photoionization. In this method, compared with the conventional method in which laser light is extracted from a laser resonator including one total reflection mirror and one partial transmission mirror through a partial transmission mirror and used for photoionization, Light intensity is extremely high. Further, since the loss due to the resonator mirror is small, the laser light is not easily attenuated by a plurality of round trips of the laser light, so that the pulse width is long. Therefore, the number of generated photoions increases.

【0009】三番目の方法(特開平3−165447 号公報)
を図5で説明すると、レーザ装置6とチャンバ42の間
に表面からの入射については透過、裏面からの入射につ
いては反射となるハーフミラー41を表面がレーザ装置
6に向くように配置し、また、チャンバ42を挟んで反
射ミラー40をハーフミラー41と対向させて配置す
る。この方法では、ハーフミラー41と反射ミラー40
との間でレーザ光が繰り返し往復するので、中性粒子の
レーザ照射を受ける割合が増え、生成する光イオンの数
が増大する。
Third method (Japanese Patent Laid-Open Publication No. HEI 3-16547)
Referring to FIG. 5, a half mirror 41 that transmits light from the front surface and reflects light from the back surface is disposed between the laser device 6 and the chamber 42 so that the front surface faces the laser device 6. The reflection mirror 40 is arranged to face the half mirror 41 with the chamber 42 interposed therebetween. In this method, the half mirror 41 and the reflection mirror 40
The laser beam reciprocates repeatedly between and, so that the ratio of laser irradiation of the neutral particles increases, and the number of generated photoions increases.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】検出効率向上を目的と
した図3,図4,図5で示される上記従来例には以下の
ような問題点がある。
The above-mentioned conventional examples shown in FIGS. 3, 4 and 5 for improving the detection efficiency have the following problems.

【0011】図3の従来例では、レーザ光は内壁による
反射のたびに異なる経路を通り、レーザ光は広い空間的
領域を広い時間幅にわたって通過する。そのため、質量
分析計のなかでイオン透過率がもっとも高い飛行時間型
質量分析計を使用する場合、イオンの生成時間幅に広が
りがある上に、イオン化領域が広範囲にわたるため、生
成イオンの飛行時間のばらつきが大きくなり質量分解能
が極めて悪くなる。
In the conventional example shown in FIG. 3, the laser beam passes through a different path each time it is reflected by the inner wall, and the laser beam passes through a wide spatial area over a wide time width. Therefore, when using a time-of-flight mass spectrometer with the highest ion transmittance among mass spectrometers, the ion generation time width is widened and the ionization region is wide, so the flight time of the generated ions The dispersion becomes large and the mass resolution becomes extremely poor.

【0012】図4の従来例では、レーザ装置の内部に光
イオン化質量分析装置を組み込むのは容易なことでな
く、現実的ではない。
In the conventional example shown in FIG. 4, it is not easy to incorporate a photoionization mass spectrometer into a laser device, and it is not practical.

【0013】図5の従来例では、ハーフミラー41と反
射ミラー40をレーザ光の光軸に垂直に配置した場合、
レーザ光の通過位置が一定するが、ハーフミラー41か
らの戻り光によりレーザ装置6が損傷を受けてしまうと
いう問題点がある。ハーフミラー41をレーザ光の光軸
に垂直にならないように配置した場合、上記の問題は生
じないが、イオンの生成時間幅に広がりがある上に、レ
ーザ光の通過位置が一定せず、イオン化の領域が広範囲
にわたるため、飛行時間型質量分析計を使用する場合に
は質量分解能が極めて悪くなる。
In the conventional example shown in FIG. 5, when the half mirror 41 and the reflection mirror 40 are arranged perpendicular to the optical axis of the laser beam,
Although the passing position of the laser beam is constant, there is a problem that the laser device 6 is damaged by the return light from the half mirror 41. When the half mirror 41 is arranged so as not to be perpendicular to the optical axis of the laser light, the above problem does not occur. However, the ion generation time width is widened, and the laser light passage position is not constant, and the ionization is not performed. When the time-of-flight mass spectrometer is used, the mass resolution is extremely poor.

【0014】本発明の目的は、上記課題を解決するため
に考案されたもので、レーザ光を直線上で往復させるこ
とによって生じる上記問題点を有さず、検出効率の向上
を図ることのできる光イオン化質量分析装置を提供する
ことにある。
An object of the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and does not have the above-mentioned problems caused by reciprocating a laser beam on a straight line, and can improve the detection efficiency. It is to provide a photoionization mass spectrometer.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明では、イオンビー
ムを試料に照射することによって生成する中性粒子にレ
ーザ装置からのレーザ光を照射してその中性粒子をイオ
ン化し、生成するイオンを質量分析計に導き質量分析す
る光イオン化質量分析装置において、レーザビームが集
光機能を有する第1の光学素子を通過し上記試料上で集
光した後、集光機能を有する第2の光学素子を通過し、
レーザビームを入射光の光軸から少なくとも光軸に垂直
な方向へ変位させて反射させる機能を有する第3の光学
素子により反射され、上記第2の光学素子により再び上
記試料上で集光後、上記第1の光学素子を通過し、レー
ザビームを入射光の光軸から少なくとも光軸に垂直な方
向へ変位させて反射させる機能を有する第4の光学素子
により反射され、再び、上記第1,第2,第3,第2,
第1,第4の光学素子をへて、その度に試料上で集光さ
せることを複数回繰り返し、最後に上記いずれかの光学
素子を通過せずに外に出ていくように構成したことを特
徴とする。
According to the present invention, neutral particles generated by irradiating a sample with an ion beam are irradiated with a laser beam from a laser device to ionize the neutral particles and generate ions. In a photoionization mass spectrometer for conducting mass spectrometry to a mass spectrometer, a second optical element having a condensing function after a laser beam passes through a first optical element having a condensing function and is condensed on the sample Through
The laser beam is reflected by a third optical element having a function of displacing and reflecting the laser beam from the optical axis of the incident light at least in a direction perpendicular to the optical axis, and is again focused on the sample by the second optical element. After passing through the first optical element, the laser beam is reflected by a fourth optical element having a function of displacing and reflecting the laser beam from the optical axis of the incident light at least in a direction perpendicular to the optical axis. 2nd, 3rd, 2nd
The first and the fourth optical elements are condensed on the sample each time a plurality of times are repeated, and finally, the light exits without passing through any of the above optical elements. It is characterized by.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は本発明の第1の実施の形態
を示す光イオン化質量分析装置の装置構成図である。試
料1の斜め上方には、試料1の表面にスパッタ用のパル
ス一次イオンビーム3を照射するためのイオンガン2
が、試料1の直上には光イオン8を検出するための質量
分析計9が設置されている。4はパルス一次イオンビー
ム3を試料1の表面に照射したとき試料1の表面より放
出される中性粒子であり、5は同時に放出される二次イ
オンである。6はレーザ装置であり、ほぼ平行なパルス
レーザビーム7を放出する。10,13はそれぞれ2枚
の平面反射ミラーを直交させて結合させたものである。
11,12は集光機能を持つレンズであり、試料1上で
レーザビーム7が焦点を結ぶように、焦点距離が選ばれ
ている。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a photoionization mass spectrometer according to a first embodiment of the present invention. An ion gun 2 for irradiating the surface of the sample 1 with a pulsed primary ion beam 3 for sputtering is provided obliquely above the sample 1.
However, immediately above the sample 1, a mass spectrometer 9 for detecting the photoion 8 is provided. Numeral 4 denotes neutral particles emitted from the surface of the sample 1 when the surface of the sample 1 is irradiated with the pulsed primary ion beam 3, and numeral 5 denotes secondary ions emitted simultaneously. Reference numeral 6 denotes a laser device which emits a substantially parallel pulse laser beam 7. Reference numerals 10 and 13 respectively denote two plane reflecting mirrors which are orthogonally coupled to each other.
Lenses 11 and 12 have a focusing function, and the focal length is selected so that the laser beam 7 is focused on the sample 1.

【0017】上記第1の実施の形態におけるレーザビー
ムの伝播の仕方を図6をも参照しつつ説明する。レーザ
装置6から放出されたほぼ平行なレーザビーム7は、レ
ンズ11へ中心を外れてレンズ11の光軸に平行に入射
するように光路がとられており、上記レンズ11によっ
て試料1上で集光され、レンズ12によってほぼ平行な
ビームに戻される。上記レーザビーム7は、平面反射ミ
ラーを2枚直交させて結合させたもの13により光軸に
垂直な方向へ変位して反射され、レンズ12によって試
料1上で集光され、レンズ11によってほぼ平行なビー
ムに戻される。
The manner of propagation of the laser beam in the first embodiment will be described with reference to FIG. An almost parallel laser beam 7 emitted from the laser device 6 has an optical path so as to be off-center and incident on the lens 11 in parallel with the optical axis of the lens 11, and is collected on the sample 1 by the lens 11. It is illuminated and returned by the lens 12 to a substantially parallel beam. The laser beam 7 is displaced in the direction perpendicular to the optical axis and reflected by a combination 13 of two plane reflecting mirrors orthogonally coupled, condensed on the sample 1 by a lens 12, and substantially parallel by a lens 11. Back to the perfect beam.

【0018】レンズ11を通過したレーザビーム7は、
平面反射ミラーを2枚直交させて結合させたもの10に
よって光軸に垂直な方向へ変位して反射され、再びレン
ズ11に入射される。このとき、上記反射ミラーを2枚
直交させて結合させたもの10と13は、上記レンズ1
1,12の光軸に平行なビームを光軸に平行に反射させ
るので、図6のように上記反射ミラーを2枚直交させて
結合させたもの10と13の二つが同時に上記2枚のレ
ンズ11,12の中心を通る直線上にない場合、レーザ
ビーム7は試料1上を一往復した後、初めにレーザビー
ム7がレンズ11に入射したときの位置よりずれた位置
で、レンズ11の光軸に平行に入射する。
The laser beam 7 passing through the lens 11 is
The light is reflected by being displaced in the direction perpendicular to the optical axis by a mirror 10 in which two plane reflecting mirrors are orthogonally coupled, and is incident on the lens 11 again. At this time, the mirrors 10 and 13 in which the two reflection mirrors are orthogonally coupled are the lens 1
Since the beams parallel to the optical axes 1 and 12 are reflected in parallel to the optical axis, two reflecting mirrors 10 and 13 are coupled at right angles to each other as shown in FIG. If the laser beam 7 does not lie on a straight line passing through the centers of the lenses 11 and 12, the laser beam 7 reciprocates once on the sample 1, and then the light of the lens 11 is shifted from the position where the laser beam 7 first enters the lens 11. Incident parallel to the axis.

【0019】したがって、これらの集光,反射,集光,
反射は、レーザビーム7がいずれかの光学素子を通過せ
ず、光学系の外に出ていくまで繰り返される。しかも、
レンズの球面収差を無視し、レーザビームが厳密に平行
なビームであるとしたら、レンズの光軸に平行に入射し
た平行ビームはレンズのどの位置に入射しても同じ点に
集光するので、レーザビーム7は試料1上を通過するた
びに同じ点に集光される。
Therefore, these light collection, reflection, light collection,
The reflection is repeated until the laser beam 7 does not pass through any of the optical elements and goes out of the optical system. Moreover,
If the laser beam is a strictly parallel beam, ignoring the spherical aberration of the lens, a parallel beam incident parallel to the optical axis of the lens will be focused at the same point no matter where it is incident on the lens, Each time the laser beam 7 passes over the sample 1, it is focused on the same point.

【0020】実際には、レーザビーム7は有限のビーム
径をもつため、有限の大きさの発散角か収束角をもつの
で、レンズを通過後の集光点は平行ビームが入射する場
合の集光点よりずれる。例えば、レーザビーム7がわず
かな角度で発散している場合、平行な場合の集光点より
レンズから遠い位置に集光されるので、レーザビーム7
は試料1上を通過するたびに、集光点がずれる。しか
し、上記各光学素子の配置、特に、向きを調整すること
によって、上記レーザビーム7が上記試料1の上である
一つの直線の近くに集光させることができるし、また、
ほぼ同一直線上に集光させることもできる。また、当然
のことながら、レーザビーム7の往復の度に光路がずれ
るので、レーザビームが光路を逆行するようなこともな
い。
In practice, since the laser beam 7 has a finite beam diameter, it has a finite divergence angle or convergence angle. Therefore, the condensing point after passing through the lens is a focusing point when a parallel beam is incident. It deviates from the light spot. For example, when the laser beam 7 diverges at a slight angle, the laser beam 7 is converged at a position farther from the lens than the converging point in the case of the parallel beam.
Each time the light passes over the sample 1, the focal point shifts. However, the laser beam 7 can be focused near one straight line on the sample 1 by adjusting the arrangement of the optical elements, particularly the orientation, and
Light can be collected on substantially the same straight line. Since the optical path shifts each time the laser beam 7 reciprocates, the laser beam does not reverse the optical path.

【0021】以上のように構成した第1の実施の形態の
作用を述べる。レーザ光はレンズによって集光させても
光の回折性のため集光点付近で有限の大きさのビームウ
ェストができる。そのため、反射ミラーを2枚直交させ
て結合させたもの10と13の間の距離がレーザのパル
ス幅の時間内に光が進む距離に比べて短いときには、レ
ーザビーム7の集光点の位置が試料1上を通過するたび
に変わっても、それがある直線の近くにあるか、ほぼ同
一直線上にある場合には、レーザビーム7は試料1上で
パルスが重なるか、ビームが近接しあう。
The operation of the first embodiment configured as described above will be described. Even if the laser light is condensed by a lens, a beam waist of a finite size is formed near the converging point due to the diffractive property of the light. Therefore, when the distance between the two reflecting mirrors 10 and 13 which are coupled orthogonally is shorter than the distance that light travels within the time of the laser pulse width, the position of the focal point of the laser beam 7 is Even if it changes each time it passes over the sample 1, if it is near a certain straight line or is almost co-linear, the laser beam 7 has pulses overlapping on the sample 1 or the beams are close to each other .

【0022】これはパルスを往復させない従来の場合よ
り光の強度が増大するかレーザビーム径が大きくなるこ
とを意味するので、イオン化効率かレーザ照射率が大き
くなる。したがって、検出効率が大幅に向上する上に、
従来の場合と違って光イオンの生成位置が一定するの
で、質量分析計として飛行時間型質量分析計を利用する
とき、従来より質量分解能が向上することになる。ま
た、レーザビーム7が逆行することがないのでレーザ装
置を損傷してしまうという問題点もない。
This means that the light intensity increases or the laser beam diameter increases as compared with the conventional case where the pulse is not reciprocated, so that the ionization efficiency or the laser irradiation rate increases. Therefore, while the detection efficiency is greatly improved,
Unlike the conventional case, the photoion generation position is fixed, so that when a time-of-flight mass spectrometer is used as the mass spectrometer, the mass resolution is improved as compared with the conventional case. Further, since the laser beam 7 does not reverse, there is no problem that the laser device is damaged.

【0023】第2の実施の形態は、図7で示されてお
り、第1の実施の形態との違いは、平面反射ミラーを直
交させて結合させたもの10,13のかわりに直角プリ
ズム14,15を用いている点である。直角プリズムは
入射光を平行にシフトして折り返すので、この実施の形
態においても、第1の実施の形態と同じ作用がある。
The second embodiment is shown in FIG. 7. The difference from the first embodiment is that a right angle prism 14 is used instead of the plane reflection mirrors 10 and 13 which are orthogonally coupled. , 15 are used. Since the right-angle prism shifts and turns the incident light in parallel, this embodiment also has the same operation as the first embodiment.

【0024】第3の実施の形態は、図8で示されてお
り、平面反射ミラーを直交させて結合させたもの10,
13や直角プリズム14,15のかわりに放物柱面ミラ
ーを組み合わせたものを用いたものである。16,17
は、図9で説明するように、それぞれ、その垂直断面が
焦点18と軸20を共有する二つの放物線22,23に
なる2枚の放物柱面ミラーを2枚組み合わせたもの、お
よび、その垂直断面が焦点19と軸21を共有する二つ
の放物線24,25になる2枚の放物柱面ミラーを2枚
組み合わせたものである。16,17はそれぞれの焦点
18,19がレンズ11,12の中心を通る直線上にあ
り、上記各光学素子の間隔は焦点18を仮想点光源とし
て光を発したとき、点26および焦点19で集光される
ような間隔になっているものとする。また、レーザ装置
6はレーザビーム7があたかも焦点18を点光源にして
放射状に出たかのように伝播してレンズ11に入射する
ように配置されている。
The third embodiment is shown in FIG. 8 and is obtained by combining plane reflecting mirrors at right angles to each other.
13 and a combination of parabolic cylindrical mirrors instead of the right-angle prisms 14 and 15 are used. 16,17
9, two parabolic mirrors, each of which has two parabolic mirrors 22 and 23 whose vertical cross-sections share a focal point 18 and an axis 20, respectively, as described with reference to FIG. This is a combination of two parabolic cylindrical mirrors whose vertical cross sections become two parabolas 24 and 25 sharing the focal point 19 and the axis 21. Reference numerals 16 and 17 denote focal points 18 and 19 on a straight line passing through the centers of the lenses 11 and 12, respectively. The distance between the optical elements is defined by points 26 and 19 when the focal point 18 emits light as a virtual point light source. It is assumed that the interval is such that light is collected. The laser device 6 is arranged so that the laser beam 7 propagates as if it were emitted radially with the focal point 18 as a point light source and enters the lens 11.

【0025】上記第3の実施の形態におけるレーザビー
ムの伝播の仕方を図8,図9で説明する。レーザビーム
7はレンズ11によって試料1上の一点26で集光さ
れ、レンズ12によってあたかも焦点19に集光するか
のように収束しながら2枚の放物柱面ミラーを2枚組み
合わせたもの17に入射する。ところで、放物線には、
焦点を通る直線の放物線による反射によって得られる直
線が放物線の軸に平行になるという性質がある。この性
質のため、レーザビーム7は2枚の放物柱面ミラーを2
枚組み合わせたもの17によって、あたかも焦点19を
点光源とするかのように発散しながら反射される。この
レーザビーム7はレンズ12によって、試料1上の点2
6で集光され、レンズ11によってあたかも焦点18に
集光するかのように収束しながら2枚の放物柱面ミラー
を2枚組み合わせたもの16に入射する。そして、17
での反射と同様にして、16での反射によって、あたか
も点光源18から出たかのように発散しながらレンズ1
1に入射する。
The manner of propagation of the laser beam in the third embodiment will be described with reference to FIGS. The laser beam 7 is condensed by the lens 11 at one point 26 on the sample 1 and converged by the lens 12 as if it were condensed at the focal point 19 while combining two parabolic mirrors 17 Incident on. By the way, in the parabola,
There is a property that a straight line obtained by reflection of a straight line passing through the focus by a parabola is parallel to the axis of the parabola. Due to this property, the laser beam 7 has two parabolic mirrors.
The combined light 17 is reflected and diverged as if the focal point 19 were a point light source. The laser beam 7 is applied to a point 2 on the sample 1 by a lens 12.
The light is condensed at 6, and is converged by the lens 11 as if it were condensed at the focal point 18, and enters the combination 16 of two parabolic cylindrical mirrors. And 17
In the same manner as the reflection at, the reflection at 16 causes the lens 1 to diverge as if it came out of the point light source 18.
Incident on 1.

【0026】このとき、第1の実施の形態と同様に、2
枚の放物柱面ミラーを2枚組み合わせたもの16,17
のそれぞれの結合部の両方が同時に二つの焦点18,1
9を通る直線上にない場合、レーザビーム7が一往復し
た後のレンズ11への入射点は初めにレーザビーム7が
入射したときの入射点よりずれる。したがって、これら
の集光,反射,集光,反射は、レーザビーム7がいずれ
かの光学素子を通過せず、光学系の外に出ていくまで繰
り返される。しかも、第1の実施の形態と違って、レー
ザビームはいつでも一点26に集光する。よって、この
場合にも第1,第2の実施の形態と全く同じ作用があ
る。
At this time, as in the first embodiment, 2
Combination of two parabolic mirrors 16, 17
Both joints at the same time have two focal points 18,1
If the laser beam 7 does not lie on a straight line passing through 9, the incident point on the lens 11 after the laser beam 7 has reciprocated once deviates from the incident point when the laser beam 7 first enters. Therefore, these light collection, reflection, light collection, and reflection are repeated until the laser beam 7 does not pass through any of the optical elements and goes out of the optical system. Moreover, unlike the first embodiment, the laser beam is always focused on one point 26. Therefore, in this case, the same operation as in the first and second embodiments is obtained.

【0027】第1,第2,第3の実施の形態では、レー
ザビーム7をレンズ11,12によって試料1上で集光
させるとしているが、図10のように、レンズ11,1
2のかわりにレーザビーム7が試料1上で集光するよう
に焦点距離が選ばれた凹面ミラー27,28を用いても
よい。この場合でも、第1,第2,第3の実施の形態と
同じ作用がある。
In the first, second, and third embodiments, the laser beam 7 is focused on the sample 1 by the lenses 11, 12, but as shown in FIG.
Instead of 2, concave mirrors 27 and 28 whose focal lengths are selected so that the laser beam 7 is focused on the sample 1 may be used. In this case, the same operation as in the first, second, and third embodiments is obtained.

【0028】また、上記実施の形態において、平面反射
ミラーを2枚結合させたもの10,13や放物柱面ミラ
ーを2枚結合させたもの16,17にレーザビームが通
過するように開口部を設けてもよい。さらに、平面反射
ミラーを2枚組み合わせたもの,放物柱面ミラーを2枚
組み合わせたもの,直角プリズムから二つを使って光学
系を構成してもよい。この場合にも、上記実施の形態と
全く同じ作用がある。
In the above-described embodiment, the apertures are provided so that the laser beam can pass through the mirrors 10 and 13 in which two flat reflecting mirrors are combined and the mirrors 16 and 17 in which two parabolic mirrors are combined. May be provided. Further, the optical system may be configured by combining two planar reflecting mirrors, combining two parabolic mirrors, or using two rectangular prisms. In this case, the operation is exactly the same as in the above embodiment.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればレ
ーザ装置から放出されたパルスレーザビームは、試料上
でパルスが重なり合い、光の強度が増してイオン化効率
が増大するか、実効的なビーム幅が大きくなりレーザ照
射率が増大するかによって、全検出効率が向上して、分
析感度がよくなる。
As described above, according to the present invention, the pulsed laser beam emitted from the laser device is such that the pulses overlap on the sample, the light intensity increases, and the ionization efficiency increases, Depending on whether the beam width is increased and the laser irradiation rate is increased, the overall detection efficiency is improved and the analysis sensitivity is improved.

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

【図1】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。FIG. 1 is an apparatus configuration diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】光イオン化質量分析装置の原理を説明する図。FIG. 2 illustrates the principle of a photoionization mass spectrometer.

【図3】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of a conventional example that attempts to increase the number of photoions.

【図4】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a conventional example that attempts to increase the number of photoions.

【図5】光イオンの数を増大することを試みた従来の一
例を示す構成図。
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional example that attempts to increase the number of photoions.

【図6】本発明の一実施の形態におけるレーザビームの
伝播を示す説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing propagation of a laser beam in one embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。FIG. 7 is an apparatus configuration diagram showing one embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。FIG. 8 is an apparatus configuration diagram showing one embodiment of the present invention.

【図9】本発明の一実施の形態におけるレーザビームの
伝播を示す説明図。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing propagation of a laser beam in one embodiment of the present invention.

【図10】本発明の一実施の形態を示す装置構成図。FIG. 10 is an apparatus configuration diagram showing one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…試料、2…イオンガン、3…一次イオンビーム、4
…中性粒子、5…二次イオン、6…レーザ装置、7…レ
ーザビーム、8…光イオン、9…質量分析計、10,1
3…反射ミラー、11,12…レンズ、14,15…直
角プリズム、16,17…2枚の放物柱面ミラー、2
7,28…凹面ミラー。
1 ... sample, 2 ... ion gun, 3 ... primary ion beam, 4
... neutral particles, 5 ... secondary ions, 6 ... laser device, 7 ... laser beam, 8 ... photoion, 9 ... mass spectrometer, 10,1
3: Reflective mirror, 11, 12: Lens, 14, 15: Right-angle prism, 16, 17: Two parabolic mirrors, 2
7, 28 ... concave mirror.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】イオンビームを試料に照射することによっ
て生成する中性粒子にレーザ装置からのレーザ光を照射
してその中性粒子をイオン化し、生成するイオンを質量
分析計に導き質量分析する光イオン化質量分析装置にお
いて、レーザビームが集光機能を有する第1の光学素子
を通過し上記試料上で集光した後、集光機能を有する第
2の光学素子を通過し、レーザビームを入射光の光軸か
ら少なくとも光軸に垂直な方向へ変位させて反射させる
機能を有する第3の光学素子により反射され、上記第2
の光学素子により再び上記試料上で集光後、上記第1の
光学素子を通過し、レーザビームを入射光の光軸から少
なくとも光軸に垂直な方向へ変位させて反射させる機能
を有する第4の光学素子により反射され、再び、上記第
1,第2,第3,第2,第1,第4の光学素子をへて、
その度に試料上で集光されることを複数回繰り返し、最
後に上記いずれかの光学素子を通過せずに外に出ていく
ような光学系を具備したことを特徴とする光イオン化質
量分析装置。
1. A method for irradiating a laser beam from a laser device to a neutral particle generated by irradiating a sample with an ion beam to ionize the neutral particle, guide the generated ion to a mass spectrometer, and perform mass analysis. In a photoionization mass spectrometer, a laser beam passes through a first optical element having a condensing function, is condensed on the sample, passes through a second optical element having a condensing function, and is incident on the laser beam. The light is reflected by the third optical element having a function of reflecting the light by displacing the light from the optical axis at least in a direction perpendicular to the optical axis, and
After condensing on the sample again by the optical element, the laser beam passes through the first optical element, and reflects the laser beam by displacing the laser beam from the optical axis of the incident light at least in a direction perpendicular to the optical axis. Is reflected by the first optical element, again passes through the first, second, third, second, first, and fourth optical elements.
Photoionization mass spectrometry characterized by comprising an optical system that repeatedly converges on the sample a plurality of times each time and finally goes out without passing through any of the above optical elements apparatus.
【請求項2】請求項1記載の光イオン化質量分析装置に
おいて、上記第4の光学素子と上記第3の光学素子の間
隔の2倍が上記レーザビームのパルス幅の時間内に光が
進む距離に比べて短い光学系を具備したことを特徴とす
る光イオン化質量分析装置。
2. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein twice the distance between said fourth optical element and said third optical element is the distance that light travels within the time of the pulse width of said laser beam. A photoionization mass spectrometer characterized by having an optical system shorter than the above.
【請求項3】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、2
枚の平面反射ミラーを直交させたものを用いた光学系を
具備したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
3. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein said third and fourth optical elements are two or more.
A photoionization mass spectrometer, comprising: an optical system using a plurality of plane reflecting mirrors orthogonal to each other.
【請求項4】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、そ
の垂直断面が軸および焦点が共通で向きがお互いに逆で
頂点における曲率の大きさが異なる二つの放物線になる
もので、反射面が2枚の放物柱面の凸面から構成される
反射ミラーを用い、そのある一つの垂直断面である放物
線の焦点、および、第1,第2の光学素子の中心がほぼ
一直線上にある光学系を具備したことを特徴とする光イ
オン化質量分析装置。
4. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein the third and fourth optical elements have a vertical cross section having a common axis and a focal point, a direction opposite to each other, and a curvature at a vertex. A parabola whose size is two different parabolas, the reflection surface of which is a reflection mirror composed of two convex surfaces of a parabolic column surface, and a focal point of a parabola which is one vertical cross section, and A photoionization mass spectrometer comprising an optical system in which the center of the second optical element is substantially on a straight line.
【請求項5】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、直
角プリズムを用いた光学系を具備したことを特徴とする
光イオン化質量分析装置。
5. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein said third and fourth optical elements include an optical system using a right-angle prism. .
【請求項6】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、2
枚の平面反射ミラーを直交させたもので、レーザビーム
を通過させるための開口を設けたものを用いた光学系を
具備したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
6. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein said third and fourth optical elements are two or more.
A photoionization mass spectrometer, comprising: an optical system in which a plurality of plane reflecting mirrors are orthogonal to each other and provided with an opening for passing a laser beam.
【請求項7】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、そ
の垂直断面が軸および焦点が共通で向きがお互いに逆で
頂点における曲率の大きさが異なる二つの放物線になる
もので、反射面が2枚の放物柱面の凸面から構成され、
レーザビームを通過させる開口を設けた反射ミラーを用
い、そのある一つの垂直断面である放物線の焦点、およ
び、第1,第2の光学素子の中心がほぼ一直線上にある
光学系を具備したことを特徴とする光イオン化質量分析
装置。
7. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, wherein the third and fourth optical elements have a vertical cross section having a common axis and a focal point, a direction opposite to each other, and a curvature at a vertex. It becomes two parabolas of different sizes, the reflection surface is composed of two parabolic columnar convex surfaces,
Using a reflecting mirror provided with an opening through which a laser beam passes, and having an optical system in which the focal point of a parabola, which is one vertical cross section, and the centers of the first and second optical elements are substantially on a straight line A photoionization mass spectrometer characterized by the above.
【請求項8】請求項1または2記載の光イオン化質量分
析装置において、上記第3,第4の光学素子として、請
求項3,4,5,6,7のいずれかで用いられる開口の
ある反射ミラーか,開口のない反射ミラーか,直角プリ
ズムのいずれかの光学素子を2種類用いた光学系を具備
したことを特徴とする光イオン化質量分析装置。
8. The photoionization mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the third and fourth optical elements have openings used in any of claims 3, 4, 5, 6, and 7. A photoionization mass spectrometer comprising an optical system using two types of optical elements, one of a reflection mirror, a reflection mirror without an aperture, and a right-angle prism.
【請求項9】請求項1〜8のいずれか記載の光イオン化
質量分析装置において、上記第1,第2の光学素子とし
て、レンズを用いた光学系を具備したことを特徴とする
光イオン化質量分析装置。
9. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, further comprising an optical system using a lens as said first and second optical elements. Analysis equipment.
【請求項10】請求項1〜8のいずれか記載の光イオン
化質量分析装置において、上記第1,第2の光学素子と
して、凹面ミラーを用いた光学系を具備したことを特徴
とする光イオン化質量分析装置。
10. The photoionization mass spectrometer according to claim 1, further comprising an optical system using a concave mirror as said first and second optical elements. Mass spectrometer.
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