JPH11307040A - イオンガイド - Google Patents

イオンガイド

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JPH11307040A
JPH11307040A JP10129601A JP12960198A JPH11307040A JP H11307040 A JPH11307040 A JP H11307040A JP 10129601 A JP10129601 A JP 10129601A JP 12960198 A JP12960198 A JP 12960198A JP H11307040 A JPH11307040 A JP H11307040A
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JP
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electrode plates
ion
potential
optical axis
ions
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JP10129601A
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Mitsuyasu Iwanaga
岩永光恭
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Jeol Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/06Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062Ion guides
    • H01J49/065Ion guides having stacked electrodes, e.g. ring stack, plate stack

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオンガイドを低真空下で使用しても、イオン
輸送の効率低下の起こらないイオンガイドを提供する。
また、イオンが運動エネルギーを失う現象にも積極的な
意義を見出して、それを利用したイオンガイドを提供す
る。 【解決手段】光軸に直交するように配置され、光軸と直
接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
ンガイドにおいて、隣接する電極板間の電位差を、イオ
ンの入射口側からイオンの出射口側に向けて、徐々に減
少させるようにした。また、隣接する電極板間の平均電
位をとった場合に、イオンの入射口とイオンの出射口の
間の光軸上に、全体として電位勾配を生じるように、前
記複数の電極板に電位を印加するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析計で用い
られるイオンガイドに関する。
【0002】
【従来の技術】真空中のイオンを輸送する手段として
は、一般にイオンガイドと呼ばれているものがある。そ
れには、幾つかの種類があり、その1つに、図1に例示
するような、中心部に丸穴を開けた円板を多数枚連続さ
せたスタックドリングレンズと呼ばれるものがある。こ
れは、前後する電極円板に、極性が逆で絶対値が等しい
電圧を交互に印加しておき、丸穴の開いた中心付近でイ
オンを振動させながら、そのイオンをスタックドリング
レンズの軸方向に輸送するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、イオ
ンガイドは、低真空下でも使用されるようになってきた
が、真空度が低下すると、雰囲気に浮遊する分子と飛行
中のイオンとの衝突が頻繁に起こり、その結果、イオン
は運動エネルギーを次第に失い、ついには継続して飛行
できなくなり、イオンガイドから逸脱してしまうという
現象があった。図3は、この様子をシミュレーションに
よって示したものである。図3から明らかなように、こ
の現象は、イオンガイドとしては、イオン輸送の効率の
低下につながり、大きな問題であった。
【0004】本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオ
ンガイドを低真空下で使用しても、イオン輸送の効率低
下の起こらないイオンガイドを提供することにある。ま
た、イオンが運動エネルギーを失う現象にも積極的な意
義を見出して、それを利用したイオンガイドを提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかる請求項1記載のイオンガイドは、光
軸に直交するように配置され、光軸と直接交わる部分に
はイオンを通過させるための穴を有し、奇数番目と偶数
番目の電極板間では印加電位の規則的な増加・減少を繰
り返すような複数の電極板から成るイオンガイドにおい
て、隣接する電極板間の電位差を、イオンの入射口側か
らイオンの出射口側に向けて、徐々に減少させることを
特徴としている。
【0006】また、本発明にかかる請求項2記載のイオ
ンガイドは、光軸に直交するように配置され、光軸と直
接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
ンガイドにおいて、隣接する電極板間の平均電位をとっ
た場合に、イオンの入射口とイオンの出射口の間の光軸
上に、全体として電位勾配を生じるように、前記複数の
電極板に電位を印加することを特徴としている。
【0007】また、本発明にかかる請求項3記載のイオ
ンガイドは、光軸に直交するように配置され、光軸と直
接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
ンガイドにおいて、隣接する電極板間の平均電位をとっ
た場合に、イオンの入射口とイオンの出射口の間の光軸
上に、全体として電位勾配を生じるように、前記複数の
電極板に電位を印加すると共に、前記隣接する電極板間
の電位差を、イオンの入射口側からイオンの出射口側に
向けて、徐々に減少させることを特徴としている。
【0008】また、本発明にかかる請求項4記載のイオ
ンガイドは、光軸に直交するように配置され、光軸と直
接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
ンガイドにおいて、前記電位勾配を時間と共に変化させ
ることを特徴としている。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図2は、本発明にかかるイオン
ガイドの一実施例である。図2では、簡単に示すため、
電極を構成する円板の枚数を少なくして描いてある。
【0010】イオンを通す丸穴を開けた円板は、電極板
(L1〜L8)として、丸穴の中心が光軸と等しくなるよ
うに、等間隔で平行に連ねて多数枚配置されている。各
電極板は、図示されていないが絶縁材で保持され、位置
決めされている。また、これらの電極板には、電源から
分割抵抗を介して、それぞれに配線が施され、図2に示
されている電源(V1〜V2)から抵抗(R1〜R3)を介
して電極(L2、L4、L6、L8)に、また、電源(V3
〜V4)から抵抗(R1'〜R3')を介して電極(L1、L
3、L5、L7)に、それぞれ電圧が印加できるようにな
っている。
【0011】電源電位と抵抗の値は、以下に示す3つの
条件にかなうように設定される。また、それらの値は任
意に変更でき、イオンの通過効率が最適となるように調
整される。 [第一の条件]R1、R2、R3、R1'、R2'、R3'
は、全てほぼ等しい。 |V1|=|−V3|、|V2|=|−V4|、V1>V2 [第二の条件]R1、R2、R3、R1'、R2'、R3'
は、全てほぼ等しい。Vs>Ve 1とV2、V3
4、 は、それぞれほぼ等しい。 V1'=V1+Vs、V3'=V3+Vs2'=V2+Ve、V4'=V4+Ve ただし、ここでVs(Vスタート)とVe(Vエンド)
は、電源電位 V1、V2、V3、及びV4に加算される電位、また、V1'
とV3'は、電位加算後、イオンガイドのスタート位置の
電極に設定される電位、また、V2'とV4'は、電位加算
後、イオンガイドのエンド位置の電極に設定される電位
である。 [第三の条件]R1、R2、R3、R1'、R2'、R3'
は、全てほぼ等しい。 |V1|=|−V3|、|V2|=|−V4| V1>V2、Vs>Ve1'=V1+Vs、V3'=V3+Vs2'=V2+Ve、V4'=V4+Ve これは、第一の条件と第二の条件が合成された条件であ
る。
【0012】各電極に上記の関係で電圧が印加される
と、光軸A上には、周知のように、サドルフィールド状
の電位の壁と谷が交互に連続した電場が形成される。第
一の条件の場合は、イオンの入射側から出射側へと、電
位の壁の高さと谷の深さとが、次第に小さくなっていく
ような特徴を持った電場が形成される。また、第二の条
件の場合は、イオンの入射側が出射側より電位が高く、
出射側へ行くに従って、次第にその値が低くなるような
特徴を持った電場が形成される。また、第三の条件の場
合は、第一の条件と第二の条件が組み合わされた場合に
相当し、入射側から出射側へと次第に電位が低くなると
共に、壁と谷の大きさも次第に小さくなるような電場が
形成される。
【0013】これら各条件下で発生する電場の様子を、
各電極板面と光軸とが交わる点での電位としてグラフ化
して図5に示す。図5の(a)、(b)、及び(c)は、第一
の条件下、第二の条件下、及び第三の条件下におけるイ
オンガイド内の電位分布にそれぞれ対応している。これ
らは、電極板の枚数を増やして、計算で求められたもの
である。
【0014】図5(a)のように、隣接する電極板間の
電位差をイオンガイドの入射口側から出射口側へ向けて
徐々に減少させるように電位を設定すると、浮遊分子と
の衝突によって速度の低下したイオンに余計な振幅運動
を与えることがないので、光軸上にイオンビームを収束
させ、イオンガイドからのイオンの逸脱を防ぐ効果を期
待できる。
【0015】また、図5(b)のように、イオンの入射
口からイオンの出射口へ向けて傾斜した電場が形成され
ていると、飛行の途中で浮遊する気体分子と衝突してイ
オンの運動エネルギーが低下しても、その損失分を補う
形で、傾斜した電場の作用でイオンが加速されるため、
入射時点から継続して、イオンはイオンガイドの出射口
側へと飛行し続けることになる。このイオンの飛行の様
子をシミュレーションによって図4に示す。また、図3
には、図1に示した従来の電圧印加条件下でのイオンの
飛行の様子をシミュレーションで示す。これらのシミュ
レーションでは、Arイオンが2×10-3Torrの窒
素雰囲気下にあって、初期エネルギー20eV、入射角
±2°の条件で入射した場合の飛行軌跡を求めている。
シミュレーションから明らかなように、イオンガイド内
に電位勾配を持つ本実施例の場合は、仮にイオンが気体
分子と衝突して運動エネルギーが減少しても、順調に飛
行を続けられることが判る。
【0016】また、図5(c)のように、図5(a)と
図5(b)の両方の特徴を備えた電位が与えられている
場合には、光軸上にイオンビームを収束させる効果と共
に、速度の低下したイオンを加速させる効果をも期待で
きることになる。
【0017】以上、ガイドされるイオンが正イオンであ
る場合を想定して説明を行なったが、この電位勾配は、
正負を逆転させて負イオンに合わせた設定をすれば、負
イオンに対しても、正イオンの場合と同様な結果が得ら
れる。また、ガイドしようとするイオンが質量数の異な
る複数種のイオンから成る場合、気体分子との衝突が絡
むと、本来質量依存性がないタイプのイオンガイドでも
質量の影響を生じるので、これを補正するために、ガイ
ドしようとするイオンの質量に合わせて電極電位を連続
的に掃引したり、あるいはとびとびの値にジャンプする
形で電極電位を制御するようにしてもよい。これらは、
形成される電場の傾斜度を時間と共に変化させる変形例
である。
【0018】また、浮遊する気体分子とイオンが衝突す
ると、イオンが持つ運動エネルギーが低下するが、この
作用を積極的に利用したいわゆる「イオン冷却」として
のイオンガイドの用途を考えることも可能である。その
場合、「イオン冷却」の傾向を更に助長させる目的で、
イオンガイドの光軸上の電位勾配を「下り」ではなく
「上り」の状態になるように逆向きに設定して、積極的
にイオンの減速を行なわせてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明のイオンガイ
ドを用いれば、イオンの加速及び減速を任意に行なわせ
ることができるので、真空度が低く、浮遊する気体分子
との衝突によってイオンが運動エネルギーを失う場合に
は、運動エネルギーを与えてイオンを加速させることが
でき、逆に入射するイオンの入射速度が速すぎる場合に
は、逆勾配の電場を与えてイオン速度を減速させること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のイオンガイドを示す図である。
【図2】 本発明のイオンガイドを示す図である。
【図3】 従来のイオンガイドにおけるイオンの飛行軌
跡を示す図である。
【図4】 本発明のイオンガイドにおけるイオンの飛行
軌跡を示す図である。
【図5】 本発明のイオンガイドの電位分布を示す図で
ある。
【符号の説明】
1〜L8・・・電極板、R1〜R3・・・抵抗、R1'〜R3'・・・
抵抗。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光軸に直交するように配置され、光軸と直
    接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
    奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
    増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
    ンガイドにおいて、隣接する電極板間の電位差を、イオ
    ンの入射口側からイオンの出射口側に向けて、徐々に減
    少させることを特徴とするイオンガイド。
  2. 【請求項2】光軸に直交するように配置され、光軸と直
    接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
    奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
    増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
    ンガイドにおいて、隣接する電極板間の平均電位をとっ
    た場合に、イオンの入射口とイオンの出射口の間の光軸
    上に、全体として電位勾配を生じるように、前記複数の
    電極板に電位を印加することを特徴とするイオンガイ
    ド。
  3. 【請求項3】光軸に直交するように配置され、光軸と直
    接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
    奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
    増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
    ンガイドにおいて、隣接する電極板間の平均電位をとっ
    た場合に、イオンの入射口とイオンの出射口の間の光軸
    上に、全体として電位勾配を生じるように、前記複数の
    電極板に電位を印加すると共に、前記隣接する電極板間
    の電位差を、イオンの入射口側からイオンの出射口側に
    向けて、徐々に減少させることを特徴とするイオンガイ
    ド。
  4. 【請求項4】光軸に直交するように配置され、光軸と直
    接交わる部分にはイオンを通過させるための穴を有し、
    奇数番目と偶数番目の電極板間では印加電位の規則的な
    増加・減少を繰り返すような複数の電極板から成るイオ
    ンガイドにおいて、前記電位勾配を時間と共に変化させ
    ることを特徴とする請求項2及び3記載のイオンガイ
    ド。
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