JPH11135061A - 飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系 - Google Patents
飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系Info
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- JPH11135061A JPH11135061A JP9298157A JP29815797A JPH11135061A JP H11135061 A JPH11135061 A JP H11135061A JP 9298157 A JP9298157 A JP 9298157A JP 29815797 A JP29815797 A JP 29815797A JP H11135061 A JPH11135061 A JP H11135061A
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- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
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- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】２個のトロイダル電場のＣ値が１以外でも、少
なくとも５重収束条件を満足する閉じた軌道からなるイ
オン光学系を得る。 【解決手段】飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、
２個の同一の第１および第２トロイダル電場１,２を用
い、１つの交点３で交差する閉じた軌道４からなるとと
もに、交点３と第１および第２トロイダル電場１,２と
の間の直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄに、飛行する同一
質量のイオンを空間的に収束する４重極レンズ５,６,
７,８がそれぞれ配設されている。また、イオンの中心
軌道半径をｒ0とし、軌道平面と直交する平面での等電
位面の曲率をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表されるＣ
値と第１および第２トロイダル電場１,２の回転角ｗeと
が、時間的にエネルギが収束するような所定の関係を有
するようにして設定されている。
なくとも５重収束条件を満足する閉じた軌道からなるイ
オン光学系を得る。 【解決手段】飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、
２個の同一の第１および第２トロイダル電場１,２を用
い、１つの交点３で交差する閉じた軌道４からなるとと
もに、交点３と第１および第２トロイダル電場１,２と
の間の直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄに、飛行する同一
質量のイオンを空間的に収束する４重極レンズ５,６,
７,８がそれぞれ配設されている。また、イオンの中心
軌道半径をｒ0とし、軌道平面と直交する平面での等電
位面の曲率をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表されるＣ
値と第１および第２トロイダル電場１,２の回転角ｗeと
が、時間的にエネルギが収束するような所定の関係を有
するようにして設定されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料からイオンを
発生させるとともに、このイオンを加速することによ
り、試料のイオンを質量の大きなイオンと質量の小さな
イオンとに分離して質量分析器に導入するためのイオン
導入装置の技術分野に属し、特にイオンを誘導する軌道
を、２個の扇形電場を用いた閉曲線の軌道として、イオ
ンの飛行時間を可及的に長くした飛行時間型質量分析計
におけるイオン光学系の技術分野に属するものである。
発生させるとともに、このイオンを加速することによ
り、試料のイオンを質量の大きなイオンと質量の小さな
イオンとに分離して質量分析器に導入するためのイオン
導入装置の技術分野に属し、特にイオンを誘導する軌道
を、２個の扇形電場を用いた閉曲線の軌道として、イオ
ンの飛行時間を可及的に長くした飛行時間型質量分析計
におけるイオン光学系の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、質量分析計として、閉曲線の軌道
（以下、閉軌道ともいう）からなるイオン光学系を有す
る飛行時間型質量分析計（TOFMS）が提案されており、
この飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、質量の重
いイオンがゆっくり飛行し、また質量の軽いイオンが速
く飛行するという原理を用いて、例えば誘導結合プラズ
マを用いて試料を励起させて試料イオンを発生させると
ともに分析器の方へ飛行させ、飛行中のイオンを所定の
電場からのエネルギによって加速することにより、ある
程度時間が経ったとき、質量の大きなイオンと質量の小
さなイオンとに次第に分離するようにしたものである。
その場合、分析器の分解能を上げるためには質量の大き
なイオンと質量の小さなイオンとの分離を確実にする必
要がある。
（以下、閉軌道ともいう）からなるイオン光学系を有す
る飛行時間型質量分析計（TOFMS）が提案されており、
この飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、質量の重
いイオンがゆっくり飛行し、また質量の軽いイオンが速
く飛行するという原理を用いて、例えば誘導結合プラズ
マを用いて試料を励起させて試料イオンを発生させると
ともに分析器の方へ飛行させ、飛行中のイオンを所定の
電場からのエネルギによって加速することにより、ある
程度時間が経ったとき、質量の大きなイオンと質量の小
さなイオンとに次第に分離するようにしたものである。
その場合、分析器の分解能を上げるためには質量の大き
なイオンと質量の小さなイオンとの分離を確実にする必
要がある。
【０００３】この分離を確実にするためには、イオンの
飛行時間をできるだけ多くする必要があるが、このよう
に飛行時間を多く確保するためには、イオンをできるだ
け長い距離を飛行させる必要がある。しかしながら、イ
オンを単に直線的に飛行させると、長い距離を飛行させ
るためには、長い直線軌道が必要となり、電場が空間的
に大きくなってしまう。
飛行時間をできるだけ多くする必要があるが、このよう
に飛行時間を多く確保するためには、イオンをできるだ
け長い距離を飛行させる必要がある。しかしながら、イ
オンを単に直線的に飛行させると、長い距離を飛行させ
るためには、長い直線軌道が必要となり、電場が空間的
に大きくなってしまう。
【０００４】そこで、図２に示すような、２個の同じ第
１および第２扇形電場１′,２′を用いて１つの交点３
で交わる閉軌道４からなるイオン光学系５′が考えられ
る。このイオン光学系５′の第１および第２扇形電場
１′,２′は、ともに円弧状の内側電極１ａ′,２ａ′と
円弧状の外側電極１ｂ′,２ｂ′とからなっている。そ
して、イオンの取入れ、取出し口である交点３を出発し
たイオンは、矢印で示すように飛行して第１扇形電場
１′内に進入し、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に所定の
電圧が印加されることにより生じる第１扇形電場１の電
場による力で、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に沿って案
内されて飛行し、更に出発点の交点３を通過して第２扇
形電場２′内に進入し、同じく内、外側電極２ａ′,２
ｂ′に所定の電圧が印加されることにより生じる第２扇
形電場２′の電場の力で、内、外側電極２ａ′,２ｂ′
に沿って案内されて飛行して再び交点３に到着し、この
交点３から取り出される。その場合、交点３におけるイ
オンの取入れ、取出しは、適宜のタイミングで行われ
る。そして、この閉軌道４に沿ってイオンの飛行周回数
を上げると、イオンの飛行時間が増大するので、分解能
が向上することになる。このようにすれば、イオンの飛
行距離を長くしかつ電場が空間的にそれほど大きくなら
ないようにすることができる。
１および第２扇形電場１′,２′を用いて１つの交点３
で交わる閉軌道４からなるイオン光学系５′が考えられ
る。このイオン光学系５′の第１および第２扇形電場
１′,２′は、ともに円弧状の内側電極１ａ′,２ａ′と
円弧状の外側電極１ｂ′,２ｂ′とからなっている。そ
して、イオンの取入れ、取出し口である交点３を出発し
たイオンは、矢印で示すように飛行して第１扇形電場
１′内に進入し、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に所定の
電圧が印加されることにより生じる第１扇形電場１の電
場による力で、内、外側電極１ａ′,１ｂ′に沿って案
内されて飛行し、更に出発点の交点３を通過して第２扇
形電場２′内に進入し、同じく内、外側電極２ａ′,２
ｂ′に所定の電圧が印加されることにより生じる第２扇
形電場２′の電場の力で、内、外側電極２ａ′,２ｂ′
に沿って案内されて飛行して再び交点３に到着し、この
交点３から取り出される。その場合、交点３におけるイ
オンの取入れ、取出しは、適宜のタイミングで行われ
る。そして、この閉軌道４に沿ってイオンの飛行周回数
を上げると、イオンの飛行時間が増大するので、分解能
が向上することになる。このようにすれば、イオンの飛
行距離を長くしかつ電場が空間的にそれほど大きくなら
ないようにすることができる。
【０００５】しかしながら、ある加速電圧でイオンを加
速したとき、同じ質量のイオンでもイオンの場所等によ
り飛行速度の速いイオンと遅いイオンとが出てくるよう
になる。このため、飛行速度の速いイオンが遅いイオン
より速く交点３に到着するようになるので、交点３での
イオンの取出し時にはイオンの量が少なくなり、分解能
が低下してしまう。そこで、交点３から電場内へ導入さ
れた同一質量のイオンに、このように飛行速度の速いイ
オンと遅いイオンとが生じても閉軌道４を周回した後、
交点３に同時に到着するようにする必要がある。
速したとき、同じ質量のイオンでもイオンの場所等によ
り飛行速度の速いイオンと遅いイオンとが出てくるよう
になる。このため、飛行速度の速いイオンが遅いイオン
より速く交点３に到着するようになるので、交点３での
イオンの取出し時にはイオンの量が少なくなり、分解能
が低下してしまう。そこで、交点３から電場内へ導入さ
れた同一質量のイオンに、このように飛行速度の速いイ
オンと遅いイオンとが生じても閉軌道４を周回した後、
交点３に同時に到着するようにする必要がある。
【０００６】このように、交点３を出発した同一質量の
イオンが閉軌道４を周回して交点３に同時に到着するよ
うにしたイオン光学系が、W. Poshenrieder, Int. J. M
assSpectrom. Ion Phys., 9(1972) P357. において提案
されている。図３に示すように、このイオン光学系５で
は、図２における第１および第２扇形電場１′,２′の
円弧状の内、外側電極１ａ′,１ｂ′;２ａ′,２ｂ′
に、ともに同じ内、外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２
ａ,２ｂが用いられて、第１および第２トロイダル電場
１,２が形成されている。また、これらの第１および第
２トロイダル電場１,２におけるイオンの中心軌道半径
をｒ0とし、軌道平面と垂直な平面での等電位面の曲率
をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表されるＣ値が、Ｃ＝
１に設定され、換言すれば第１および第２トロイダル電
場１,２が球面電場に設定され、かつ第１および第２ト
ロイダル電場１,２での電場回転角（すなわち、イオン
の回転角）ｗeが１９９.２６゜に設定されている。
イオンが閉軌道４を周回して交点３に同時に到着するよ
うにしたイオン光学系が、W. Poshenrieder, Int. J. M
assSpectrom. Ion Phys., 9(1972) P357. において提案
されている。図３に示すように、このイオン光学系５で
は、図２における第１および第２扇形電場１′,２′の
円弧状の内、外側電極１ａ′,１ｂ′;２ａ′,２ｂ′
に、ともに同じ内、外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２
ａ,２ｂが用いられて、第１および第２トロイダル電場
１,２が形成されている。また、これらの第１および第
２トロイダル電場１,２におけるイオンの中心軌道半径
をｒ0とし、軌道平面と垂直な平面での等電位面の曲率
をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表されるＣ値が、Ｃ＝
１に設定され、換言すれば第１および第２トロイダル電
場１,２が球面電場に設定され、かつ第１および第２ト
ロイダル電場１,２での電場回転角（すなわち、イオン
の回転角）ｗeが１９９.２６゜に設定されている。
【０００７】ところで、本発明の以後の説明のために必
要な、イオンの軌道の表現法について説明する。中心軌
道を通る特定のイオンを定めて基準とし、この特定イオ
ンからずれた初期値を持って出発したイオンの運動が中
心軌道を通るイオンの軌道に対して持つ空間および時間
のずれが、周知のイオン光学系の理論より一次近似で次
のように表される。
要な、イオンの軌道の表現法について説明する。中心軌
道を通る特定のイオンを定めて基準とし、この特定イオ
ンからずれた初期値を持って出発したイオンの運動が中
心軌道を通るイオンの軌道に対して持つ空間および時間
のずれが、周知のイオン光学系の理論より一次近似で次
のように表される。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【数２】
【００１０】
【数３】
【００１１】ここで、Ｘは特定の場所での軌道平面内で
光軸に直交する方向の位置のずれ、Ａは角度のずれ、Ｔ
は時間のずれ、ｘは特定の場所での軌道平面内で光軸に
直交する方向の初期値における位置のずれ、αはこの方
向における初期値の角度のずれ、ｔは初期値の時間のず
れ、およびδは初期値のエネルギのずれをそれぞれ表
す。なお、一般には軌道平面に垂直な面の軌道も重要で
あるが、以後の本発明の説明においてはこの軌道はそれ
ほど重要ではないので省略するとともに、質量のずれも
重要でなく、省略する。また、（ｘ｜ｘ）、………（ｔ
｜δ）は、それぞれのれイオン光学系において（）内の
記号の要素によって定まる常数である。
光軸に直交する方向の位置のずれ、Ａは角度のずれ、Ｔ
は時間のずれ、ｘは特定の場所での軌道平面内で光軸に
直交する方向の初期値における位置のずれ、αはこの方
向における初期値の角度のずれ、ｔは初期値の時間のず
れ、およびδは初期値のエネルギのずれをそれぞれ表
す。なお、一般には軌道平面に垂直な面の軌道も重要で
あるが、以後の本発明の説明においてはこの軌道はそれ
ほど重要ではないので省略するとともに、質量のずれも
重要でなく、省略する。また、（ｘ｜ｘ）、………（ｔ
｜δ）は、それぞれのれイオン光学系において（）内の
記号の要素によって定まる常数である。
【００１２】いま、前述の Poshenrieder のイオン光学
系が閉軌道であることを考えると、入射点から出発した
イオンは必ずこの入射点に戻ってくる。その場合、通常
の、１周回の閉軌道でイオンの周回飛行が完結する TOF
MS のような場合を考えることにする。しかし、イオン
が多周回回った後、初めて TOFMS としてよい特性を持
つような場合も考えることができるが、この場合につい
てはよい特性を持つ最低の周回数回った軌道を１周と考
えることにする。いずれの場合も、１周のイオン光学系
の持つべき特性は、数式１,２,３の記号を用いて、空間
的には
系が閉軌道であることを考えると、入射点から出発した
イオンは必ずこの入射点に戻ってくる。その場合、通常
の、１周回の閉軌道でイオンの周回飛行が完結する TOF
MS のような場合を考えることにする。しかし、イオン
が多周回回った後、初めて TOFMS としてよい特性を持
つような場合も考えることができるが、この場合につい
てはよい特性を持つ最低の周回数回った軌道を１周と考
えることにする。いずれの場合も、１周のイオン光学系
の持つべき特性は、数式１,２,３の記号を用いて、空間
的には
【００１３】
【数４】
【００１４】
【数５】
【００１５】
【数６】
【００１６】で与えられ、時間的には
【００１７】
【数７】
【００１８】
【数８】
【００１９】
【数９】
【００２０】で与えられる。数式５および６は、それぞ
れ空間における角度およびエネルギの収束（空間的二重
収束）を表しており、数式７、８および９は、それぞれ
時間に関する位置、角度およびエネルギ収束（時間的三
重収束）を表している。なお、軌道平面に垂直な面の軌
道も考慮に入れる場合は、（ｙ｜β）＝０の条件が含ま
れる。ここで、ｙは特定の場所での軌道平面と直交する
面内で光軸に直交する方向の初期値における位置のず
れ、βはこの方向における初期値の角度のずれである。
また、数式４は必ずしも厳密に満足される必要はない。
れ空間における角度およびエネルギの収束（空間的二重
収束）を表しており、数式７、８および９は、それぞれ
時間に関する位置、角度およびエネルギ収束（時間的三
重収束）を表している。なお、軌道平面に垂直な面の軌
道も考慮に入れる場合は、（ｙ｜β）＝０の条件が含ま
れる。ここで、ｙは特定の場所での軌道平面と直交する
面内で光軸に直交する方向の初期値における位置のず
れ、βはこの方向における初期値の角度のずれである。
また、数式４は必ずしも厳密に満足される必要はない。
【００２１】このように、 Poshenrieder のイオン光学
系では、イオンの空間的な３重収束（ｘ｜α）＝（ｘ｜
δ）＝（ｙ｜β）＝０と時間的な３重収束 （ｔ｜α）
＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０とがともに成立し、速い
イオンも遅いイオンも空間的にかつ時間的に同時に１点
に収束することができる。
系では、イオンの空間的な３重収束（ｘ｜α）＝（ｘ｜
δ）＝（ｙ｜β）＝０と時間的な３重収束 （ｔ｜α）
＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０とがともに成立し、速い
イオンも遅いイオンも空間的にかつ時間的に同時に１点
に収束することができる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、W. Poshenr
ieder によるこのトロイダル電場１,２を用いたイオン
光学系では、W. Poshenrieder の解、すなわちＣ値が１
で、回転角ｗeが１９９.２６゜のときに、前述の６重収
束条件を満足するようになるが、Ｃ値が１以外では、６
重収束条件を満足することができない。このため、イオ
ン光学系の構造が制限されてしまう。しかしながら、Ｃ
値が１以外でも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ
／β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオ
ン光学系を得るようにすることが、種々の質量分析計に
おけるイオン光学系に柔軟に対応させる上で望まれる。
ieder によるこのトロイダル電場１,２を用いたイオン
光学系では、W. Poshenrieder の解、すなわちＣ値が１
で、回転角ｗeが１９９.２６゜のときに、前述の６重収
束条件を満足するようになるが、Ｃ値が１以外では、６
重収束条件を満足することができない。このため、イオ
ン光学系の構造が制限されてしまう。しかしながら、Ｃ
値が１以外でも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ
／β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオ
ン光学系を得るようにすることが、種々の質量分析計に
おけるイオン光学系に柔軟に対応させる上で望まれる。
【００２３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、２個のトロイダル電場を用
いて閉曲線の軌道からなるイオン光学系において、トロ
イダル電場のＣ値が１以外でも、少なくとも５重収束条
件を満足する飛行時間型質量分析計におけるイオン光学
系を提供することである。
ものであって、その目的は、２個のトロイダル電場を用
いて閉曲線の軌道からなるイオン光学系において、トロ
イダル電場のＣ値が１以外でも、少なくとも５重収束条
件を満足する飛行時間型質量分析計におけるイオン光学
系を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、試料から発生したイオンを、
２個の同一のトロイダル電場を用い、１つの交点で交差
する閉じた軌道に沿って加速しながら飛行させて質量分
析部に導入させる飛行時間型質量分析計のイオン光学系
において、前記交点と前記各トロイダル電場の出入り口
との間を接続する軌道に、飛行する同一質量のイオンを
空間的に収束する４重極レンズがそれぞれ配設されてい
ることを特徴としている。
めに、請求項１の発明は、試料から発生したイオンを、
２個の同一のトロイダル電場を用い、１つの交点で交差
する閉じた軌道に沿って加速しながら飛行させて質量分
析部に導入させる飛行時間型質量分析計のイオン光学系
において、前記交点と前記各トロイダル電場の出入り口
との間を接続する軌道に、飛行する同一質量のイオンを
空間的に収束する４重極レンズがそれぞれ配設されてい
ることを特徴としている。
【００２５】また請求項２の発明は、更に、イオンの中
心軌道半径をｒ0とし、軌道平面と直交する平面での等
電位面の曲率をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表される
Ｃ値と前記トロイダル電場の回転角ｗeとが、時間的に
エネルギが収束するような所定の関係を有するように設
定されていることを特徴としている。
心軌道半径をｒ0とし、軌道平面と直交する平面での等
電位面の曲率をＲとしたとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表される
Ｃ値と前記トロイダル電場の回転角ｗeとが、時間的に
エネルギが収束するような所定の関係を有するように設
定されていることを特徴としている。
【００２６】更に請求項３の発明は、前記Ｃ値が、０.
８＜Ｃ＜１の範囲に設定されていることを特徴としてい
る。更に請求項４の発明は、前記Ｃ値が、−０.３≦Ｃ
≦０.３の範囲に設定されていることを特徴としてい
る。
８＜Ｃ＜１の範囲に設定されていることを特徴としてい
る。更に請求項４の発明は、前記Ｃ値が、−０.３≦Ｃ
≦０.３の範囲に設定されていることを特徴としてい
る。
【００２７】
【作用】このような構成をした本発明の飛行時間型質量
分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズ
により、同一質量で空間的にエネルギの異なるイオンの
空間的な収束条件が満たされるようになる。
分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズ
により、同一質量で空間的にエネルギの異なるイオンの
空間的な収束条件が満たされるようになる。
【００２８】更に、請求項２の発明においては、２個の
同一のトロイダル電場のＣ値および回転角とが時間的に
エネルギが収束するような所定の関係を有して設定され
ていることから、例えば交点から出発したイオンがトロ
イダル電場を通過して閉じた軌道を１周した後、再び交
点に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件
が満たされるようになる。
同一のトロイダル電場のＣ値および回転角とが時間的に
エネルギが収束するような所定の関係を有して設定され
ていることから、例えば交点から出発したイオンがトロ
イダル電場を通過して閉じた軌道を１周した後、再び交
点に到着したときに、時間に関するエネルギの収束条件
が満たされるようになる。
【００２９】これにより、交点から出発した同一質量の
イオンは、エネルギが異なっても、閉じた軌道を１周し
た後、同時に再び交点に集まってくるようになる。した
がって、質量分析計の分解能が向上する。
イオンは、エネルギが異なっても、閉じた軌道を１周し
た後、同時に再び交点に集まってくるようになる。した
がって、質量分析計の分解能が向上する。
【００３０】しかも、従来のイオン光学系では、Ｃ値が
Ｃ＝１のときにしか、６重収束条件を満足させることが
できなく、質量分析計の構造が制限されていたが、本例
のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外のときに
も、同一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および
時間的な６重収束条件あるいは少なくとも、軌道平面と
直交する平面の位置のずれがないこと、すなわち（ｙ／
β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン
光学系が得られるようになる。したがって、イオン光学
系の自由度が増して、本発明のイオン光学系は、種々の
構造の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応さ
れるようになる。
Ｃ＝１のときにしか、６重収束条件を満足させることが
できなく、質量分析計の構造が制限されていたが、本例
のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外のときに
も、同一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および
時間的な６重収束条件あるいは少なくとも、軌道平面と
直交する平面の位置のずれがないこと、すなわち（ｙ／
β）＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン
光学系が得られるようになる。したがって、イオン光学
系の自由度が増して、本発明のイオン光学系は、種々の
構造の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応さ
れるようになる。
【００３１】更に、請求項３の発明においては、Ｃ値が
０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定されることにより、Ｃ＝１
に近いので４重極レンズ５,６,７,８は比較的弱いレン
ズで済むようになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由度が
増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系が得ら
れるようになる。更に、請求項４の発明においては、Ｃ
値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定されると、電場が
円筒電場に近くなるため、加工製造上有利となる。
０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定されることにより、Ｃ＝１
に近いので４重極レンズ５,６,７,８は比較的弱いレン
ズで済むようになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由度が
増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系が得ら
れるようになる。更に、請求項４の発明においては、Ｃ
値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定されると、電場が
円筒電場に近くなるため、加工製造上有利となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明にかかる質量分析計に
おけるイオン光学系の実施の形態の一例を示す、図２と
同様の図である。なお、前述の図２および図３に示す従
来のイオン光学系の構成要素と同じものには同じ符号を
付すことにより、その詳細な説明は省略する。
の形態を説明する。図１は本発明にかかる質量分析計に
おけるイオン光学系の実施の形態の一例を示す、図２と
同様の図である。なお、前述の図２および図３に示す従
来のイオン光学系の構成要素と同じものには同じ符号を
付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００３３】図１に示すように、本例のイオン光学系
は、図３に示すイオン光学系と同様に、ともに同じ内、
外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２ａ,２ｂからなる第１
および第２トロイダル電場１,２を有しており、交点３
から第１および第２トロイダル電場１,２の各出入口ま
での直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄに、それぞれ４重極
レンズ５,６,７,８が配設されている。
は、図３に示すイオン光学系と同様に、ともに同じ内、
外側トロイダル電極１ａ,１ｂ;２ａ,２ｂからなる第１
および第２トロイダル電場１,２を有しており、交点３
から第１および第２トロイダル電場１,２の各出入口ま
での直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄに、それぞれ４重極
レンズ５,６,７,８が配設されている。
【００３４】本例のイオン光学系では、第１および第２
トロイダル電場１,２の前述のＣ（＝ｒ0／Ｒ）値および
回転角ｗeが次のように設定される。すなわち、本発明
者等は、周知のイオン光学理論に基づいて数値計算する
ことにより、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ
値と回転角ｗeとがある一定の関係にあり、これらのＣ
値と回転角ｗeとを互いに独立して自由に設定すること
ができないことを見出した。表１は、数値計算により見
出した結果を示すものである。
トロイダル電場１,２の前述のＣ（＝ｒ0／Ｒ）値および
回転角ｗeが次のように設定される。すなわち、本発明
者等は、周知のイオン光学理論に基づいて数値計算する
ことにより、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ
値と回転角ｗeとがある一定の関係にあり、これらのＣ
値と回転角ｗeとを互いに独立して自由に設定すること
ができないことを見出した。表１は、数値計算により見
出した結果を示すものである。
【００３５】
【表１】
【００３６】表１において、Ｃ値および回転角ｗeは飛
び飛びに示されているが、実際にはこれらはどちらもな
めらかな連続した関数である。この表１から明らかなよ
うに、Ｃ＝１の場合は回転角ｗeが１９９.３１゜であ
り、前述の W. Poshenriederの解と僅差を生じているが
実質的にはほぼ一致しており、この僅差の原因はトロイ
ダル電場の端縁場の影響によるものである。なお、表１
において、（−）のＣ値は、図１に二点鎖線で示すよう
に電極が逆に湾曲している場合である。また、表１の
（ｄ／ｒ0）は、第１および第２トロイダル電場の出入
口から交点３までの直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄの距
離をｄとしたときの比であり、距離ｄがイオンの中心軌
道半径ｒ0とイオンの回転角ｗeとによって決定され、こ
こでは設計上の参考値として掲げてある。
び飛びに示されているが、実際にはこれらはどちらもな
めらかな連続した関数である。この表１から明らかなよ
うに、Ｃ＝１の場合は回転角ｗeが１９９.３１゜であ
り、前述の W. Poshenriederの解と僅差を生じているが
実質的にはほぼ一致しており、この僅差の原因はトロイ
ダル電場の端縁場の影響によるものである。なお、表１
において、（−）のＣ値は、図１に二点鎖線で示すよう
に電極が逆に湾曲している場合である。また、表１の
（ｄ／ｒ0）は、第１および第２トロイダル電場の出入
口から交点３までの直線軌道４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄの距
離をｄとしたときの比であり、距離ｄがイオンの中心軌
道半径ｒ0とイオンの回転角ｗeとによって決定され、こ
こでは設計上の参考値として掲げてある。
【００３７】トロイダル電場１,２におけるＣ値と回転
角ｗeとの関係がこの表１に示すように満足される限
り、４重極レンズ５,６,７,８の有無にかかわらず、交
点３を出発したイオンは閉曲線の軌道４を１周した後、
交点３では時間に関するエネルギが収束する、すなわち
（ｔ｜δ）＝０を満たすようになる。
角ｗeとの関係がこの表１に示すように満足される限
り、４重極レンズ５,６,７,８の有無にかかわらず、交
点３を出発したイオンは閉曲線の軌道４を１周した後、
交点３では時間に関するエネルギが収束する、すなわち
（ｔ｜δ）＝０を満たすようになる。
【００３８】特に、Ｃ値が０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定
されると、Ｃ＝１に近いので４重極レンズ５,６,７,８
は比較的弱いレンズでよく、しかもＣ＝１に比べて自由
度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系が
得られるようになる。また、Ｃ値が−０.３≦Ｃ≦０.３
の範囲である場合は、電場が円筒電場に近くなるため、
加工製造上有利となる。
されると、Ｃ＝１に近いので４重極レンズ５,６,７,８
は比較的弱いレンズでよく、しかもＣ＝１に比べて自由
度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系が
得られるようになる。また、Ｃ値が−０.３≦Ｃ≦０.３
の範囲である場合は、電場が円筒電場に近くなるため、
加工製造上有利となる。
【００３９】一方、４重極レンズ５,６,７,８は、前述
のイオンの空間的な３重収束 （ｘ｜α）＝（ｘ｜δ）
＝（ｙ｜β）＝０の条件と、時間的な３重収束 （ｔ｜
α）＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０のうち、（ｔ｜α）
＝（ｔ｜ｘ）＝０の条件を満足するように適宜設定され
ている。
のイオンの空間的な３重収束 （ｘ｜α）＝（ｘ｜δ）
＝（ｙ｜β）＝０の条件と、時間的な３重収束 （ｔ｜
α）＝（ｔ｜δ）＝（ｔ｜ｘ）＝０のうち、（ｔ｜α）
＝（ｔ｜ｘ）＝０の条件を満足するように適宜設定され
ている。
【００４０】このように構成された本例のイオン光学系
においては、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ
値および回転角ｗeとが表１に示す特定の関係になるよ
うに設定されることから、交点３から出発したイオンが
閉軌道４を１周した後、再び交点３に到着したときに、
時間に関するエネルギの収束条件が満たされるようにな
るとともに、４重極レンズ５,６,７,８によりイオンの
空間的な収束条件が満たされるようになる。
においては、第１および第２トロイダル電場１,２のＣ
値および回転角ｗeとが表１に示す特定の関係になるよ
うに設定されることから、交点３から出発したイオンが
閉軌道４を１周した後、再び交点３に到着したときに、
時間に関するエネルギの収束条件が満たされるようにな
るとともに、４重極レンズ５,６,７,８によりイオンの
空間的な収束条件が満たされるようになる。
【００４１】これにより、交点３から出発した同一質量
のイオンは、エネルギが異なっても、閉軌道４を１周し
た後、同時に再び交点３に集まってくるようになる。し
たがって、質量分析計の分解能が向上する。
のイオンは、エネルギが異なっても、閉軌道４を１周し
た後、同時に再び交点３に集まってくるようになる。し
たがって、質量分析計の分解能が向上する。
【００４２】しかも、従来のイオン光学系では、Ｃ値が
Ｃ＝１のときにしか、前述の６重収束条件を満足させる
ことができなく、質量分析計の構造が制限されていた
が、本例のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外の
ときにも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ／β）
＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学
系を得ることができる。したがって、イオン光学系の自
由度が増して、種々の質量分析計におけるイオン光学系
に柔軟に対応できるようになる。
Ｃ＝１のときにしか、前述の６重収束条件を満足させる
ことができなく、質量分析計の構造が制限されていた
が、本例のイオン光学系によれば、Ｃ値がＣ＝１以外の
ときにも、６重収束条件あるいは少なくとも（ｙ／β）
＝０を除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光学
系を得ることができる。したがって、イオン光学系の自
由度が増して、種々の質量分析計におけるイオン光学系
に柔軟に対応できるようになる。
【００４３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のイオン光学系装置によれば、本発明の飛行時間型質量
分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズ
により、イオンの空間的な収束条件を満たすことができ
るようになるので、同一質量で空間的にエネルギの異な
るイオンを１点に収束させることができる。これによ
り、質量分析計の分解能を向上できるようになる。
のイオン光学系装置によれば、本発明の飛行時間型質量
分析系におけるイオン光学系においては、４重極レンズ
により、イオンの空間的な収束条件を満たすことができ
るようになるので、同一質量で空間的にエネルギの異な
るイオンを１点に収束させることができる。これによ
り、質量分析計の分解能を向上できるようになる。
【００４４】更に、請求項２の発明によれば、２個の同
一のトロイダル電場のＣ値および回転角とを時間的にエ
ネルギが収束するような所定の関係に設定しているの
で、例えば交点から出発したイオンがトロイダル電場を
通過して閉じた軌道を１周した後、再び交点に到着した
ときに、時間に関するエネルギの収束条件を満たすこと
ができるようになる。これにより、交点から出発した同
一質量のイオンは、時間的にエネルギが異なっても、閉
じた軌道を１周した後、同時に再び交点に集まってくる
ようになる。したがって、質量分析計の分解能を更に一
層向上できる。
一のトロイダル電場のＣ値および回転角とを時間的にエ
ネルギが収束するような所定の関係に設定しているの
で、例えば交点から出発したイオンがトロイダル電場を
通過して閉じた軌道を１周した後、再び交点に到着した
ときに、時間に関するエネルギの収束条件を満たすこと
ができるようになる。これにより、交点から出発した同
一質量のイオンは、時間的にエネルギが異なっても、閉
じた軌道を１周した後、同時に再び交点に集まってくる
ようになる。したがって、質量分析計の分解能を更に一
層向上できる。
【００４５】しかも、Ｃ値がＣ＝１以外のときにも、同
一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および時間的
な６重収束条件あるいは軌道平面と直交する平面の位置
のずれを除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光
学系を得ることができるようになる。したがって、本発
明のイオン光学系は、その自由度が増して、種々の構造
の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応できる
ようになる。
一質量のエネルギの異なるイオンが空間的および時間的
な６重収束条件あるいは軌道平面と直交する平面の位置
のずれを除いた５重収束条件を満足する種々のイオン光
学系を得ることができるようになる。したがって、本発
明のイオン光学系は、その自由度が増して、種々の構造
の質量分析計におけるイオン光学系に柔軟に対応できる
ようになる。
【００４６】更に、請求項３の発明によれば、Ｃ値が
０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定しているので、Ｃ値がＣ＝
１に近くなり、４重極レンズ５,６,７,８は比較的弱い
レンズでよいことになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由
度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系を
得ることができる。更に、請求項４の発明によれば、Ｃ
値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定しているので、電
場が円筒電場に近くなり、加工製造上、有利となる。
０.８＜Ｃ＜１の範囲に設定しているので、Ｃ値がＣ＝
１に近くなり、４重極レンズ５,６,７,８は比較的弱い
レンズでよいことになる。しかも、Ｃ＝１に比べて自由
度が増えるため、より高次収差の小さいイオン光学系を
得ることができる。更に、請求項４の発明によれば、Ｃ
値が−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲に設定しているので、電
場が円筒電場に近くなり、加工製造上、有利となる。
【図１】 本発明にかかる飛行時間型質量分析計におけ
るイオン光学系の実施の形態の一例を示す図である。
るイオン光学系の実施の形態の一例を示す図である。
【図２】 ２個の同一の扇形電場を用い、閉じた軌道か
らなる従来のイオン光学系の一例を示す図である。
らなる従来のイオン光学系の一例を示す図である。
【図３】 ２個の同一のトロイダル電場を用い、閉じた
軌道からなり、かつＣ値がＣ＝１である従来のイオン光
学系の一例を示す図である。
軌道からなり、かつＣ値がＣ＝１である従来のイオン光
学系の一例を示す図である。
１…第１トロイダル電場、２…第１トロイダル電場、１
ａ,２ａ…内側トロイダル電極、１ｂ,２ｂ…外側トロイ
ダル電極、３…交点、４…閉曲線の軌道、５…イオン光
学系、５,６,７,８…４重極レンズ
ａ,２ａ…内側トロイダル電極、１ｂ,２ｂ…外側トロイ
ダル電極、３…交点、４…閉曲線の軌道、５…イオン光
学系、５,６,７,８…４重極レンズ
Claims (4)
- 【請求項１】 試料から発生したイオンを、２個の同一
のトロイダル電場を用い、１つの交点で交差する閉じた
軌道に沿って加速しながら飛行させて質量分析部に導入
させる飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、 前記交点と前記各トロイダル電場の出入り口との間を接
続する軌道に、飛行する同一質量のイオンを空間的に収
束する４重極レンズがそれぞれ配設されていることを特
徴とする飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系。 - 【請求項２】 更に、イオンの中心軌道半径をｒ0と
し、軌道平面と直交する平面での等電位面の曲率をＲと
したとき、Ｃ＝ｒ0／Ｒで表されるＣ値と前記トロイダ
ル電場の回転角ｗeとが、時間的にエネルギが収束する
ような所定の関係を有するように設定されていることを
特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計におけ
るイオン光学系。 - 【請求項３】 前記Ｃ値が、０.８＜Ｃ＜１の範囲に設
定されていることを特徴とする請求項２記載の飛行時間
型質量分析計におけるイオン光学系。 - 【請求項４】 前記Ｃ値が、−０.３≦Ｃ≦０.３の範囲
に設定されていることを特徴とする請求項２記載の飛行
時間型質量分析計におけるイオン光学系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29815797A JP3539848B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29815797A JP3539848B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11135061A true JPH11135061A (ja) | 1999-05-21 |
| JP3539848B2 JP3539848B2 (ja) | 2004-07-07 |
Family
ID=17855945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29815797A Expired - Lifetime JP3539848B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 飛行時間型質量分析計におけるイオン光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3539848B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10248814A1 (de) * | 2002-10-19 | 2004-05-06 | Bruker Daltonik Gmbh | Höchstauflösendes Flugzeitmessspektrometer kleiner Bauart |
| US6867414B2 (en) | 2002-09-24 | 2005-03-15 | Ciphergen Biosystems, Inc. | Electric sector time-of-flight mass spectrometer with adjustable ion optical elements |
| US6949736B2 (en) | 2003-09-03 | 2005-09-27 | Jeol Ltd. | Method of multi-turn time-of-flight mass analysis |
| WO2005114702A1 (ja) * | 2004-05-21 | 2005-12-01 | Jeol Ltd. | 飛行時間型質量分析方法及び装置 |
| US7091480B2 (en) | 2003-10-08 | 2006-08-15 | Shimadzu Corporation | Method of determining mass-to-charge ratio of ions and mass spectrometer using the method |
| US7148473B2 (en) | 2003-09-03 | 2006-12-12 | Shimadzu Corporation | Time of flight mass spectrometer |
| JP2008027683A (ja) * | 2006-07-20 | 2008-02-07 | Shimadzu Corp | 質量分析装置 |
| WO2008107931A1 (ja) * | 2007-03-05 | 2008-09-12 | Shimadzu Corporation | 質量分析装置 |
| JP2011181503A (ja) * | 2004-05-21 | 2011-09-15 | Jeol Ltd | 飛行時間型質量分析方法及び装置 |
| US8164054B2 (en) | 2007-12-13 | 2012-04-24 | Shimadzu Corporation | Mass analysis method and mass analysis system |
| US8294085B2 (en) | 2008-12-22 | 2012-10-23 | Shimadzu Research Laboratory (Shanghai) Co. Ltd. | Mass spectrometric analyzer |
-
1997
- 1997-10-30 JP JP29815797A patent/JP3539848B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6867414B2 (en) | 2002-09-24 | 2005-03-15 | Ciphergen Biosystems, Inc. | Electric sector time-of-flight mass spectrometer with adjustable ion optical elements |
| US7247846B2 (en) | 2002-09-24 | 2007-07-24 | Ciphergen Biosystems, Inc. | Electric sector time-of-flight mass spectrometer with adjustable ion optical elements |
| US6998606B2 (en) | 2002-09-24 | 2006-02-14 | Ciphergen Biosystems, Inc. | Electric sector time-of-flight mass spectrometer with adjustable ion optical elements |
| DE10248814B4 (de) * | 2002-10-19 | 2008-01-10 | Bruker Daltonik Gmbh | Höchstauflösendes Flugzeitmassenspektrometer kleiner Bauart |
| GB2396742A (en) * | 2002-10-19 | 2004-06-30 | Bruker Daltonik Gmbh | A TOF mass spectrometer with figure-of-eight flight path |
| DE10248814A1 (de) * | 2002-10-19 | 2004-05-06 | Bruker Daltonik Gmbh | Höchstauflösendes Flugzeitmessspektrometer kleiner Bauart |
| GB2396742B (en) * | 2002-10-19 | 2005-12-07 | Bruker Daltonik Gmbh | Compact very high resolution time-of-flight mass spectrometer |
| US6828553B2 (en) | 2002-10-19 | 2004-12-07 | Bruker Daltonik Gmbh | Compact very high resolution time-of flight mass spectrometer |
| US6949736B2 (en) | 2003-09-03 | 2005-09-27 | Jeol Ltd. | Method of multi-turn time-of-flight mass analysis |
| US7148473B2 (en) | 2003-09-03 | 2006-12-12 | Shimadzu Corporation | Time of flight mass spectrometer |
| US7091480B2 (en) | 2003-10-08 | 2006-08-15 | Shimadzu Corporation | Method of determining mass-to-charge ratio of ions and mass spectrometer using the method |
| JP2006012782A (ja) * | 2004-05-21 | 2006-01-12 | Jeol Ltd | 飛行時間型質量分析方法及び装置 |
| WO2005114702A1 (ja) * | 2004-05-21 | 2005-12-01 | Jeol Ltd. | 飛行時間型質量分析方法及び装置 |
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| JP2011181504A (ja) * | 2004-05-21 | 2011-09-15 | Jeol Ltd | 飛行時間型質量分析方法及び装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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