JPS58161237A - 質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、質量分析計に関し、特に、物質中の同位体
成分を決定する質量分析計に関する。

物質中に存在する化学元素の同位体の相対的な比率全決
定する方法の一つは、物質を質量分析することである。

通常使用される質量分析計は、同位体分析の必要な試料
中の元素の特性を示すイオンビームを発生するイオン源
、イオンの運動方向に直角な磁場によりイオンビームを
偏向させて電荷に対して異なる質量のイオンに種々の軌
道を描かせる質量セレクタおよび入射するイオンの数に
比例した電気信号を発生するイオン検出器からなる。

狭いスリット（コレクタースリットという）がイオン検
出器の前方に配置され、電荷に対して唯一の特定の質量
のイオンが、イオン検出器に入射可能となる。全ての質
量分析計において、イオンの移動する通路は、高真空に
維持されなければならない。イオンビームを偏向させる
磁場の強さの変化によって、電荷に対して異なる質量を
有するイオンが、コレクタースリットを通過出来るよう
になり、種々のビームの相対強度が、測定出来ることと
なり、試料中に存在する同位体の相対比の決定が可能と
なる。以上のような質量分析計は従来周知であり、これ
以上の説明は不用であろう。

このようなタイプの質量分析計が、試料中の元素の同位
体に対応した二つのイオンビームの強度比の決定に用い
られるときは、磁場強度は、まず電荷に対して第一の質
量を有するイオンを通過させ、次いで第二の質量のイオ
ンを通過させるようにコレクタースリットを調節しなけ
ればならない。上記の比率の測定の精度は、イオン源に
より生成されるイオンの総数が、測定の行なわれている
時間中の何んらかの理由で変化しなげればならなかった
とき低下する。実際のところ、この種の変化は避は難い
。この問題は、単一のコレクタースリットと検出器の代
りに、一つのイオン源に対して二つ以上のコレクタース
リットを各々配置することによって回避し得るものであ
ることが知られている。これらのスリット及び検出器は
、電荷に対して第一の所定の質量のイオンを第一のスリ
ットが受は入れ、同時に第二のスリットが第二の質量の
イオンを受は入れるように配置される。このようにして
電荷に対して種々の質量のイオンに対応したイオンビー
ム強度が、同時に測定出来るこ゛ととなり、これらの値
は直接比較され、これらの間の比率は、全てのビームの
強度の絶対値が何んらかの理由で変化しても、正確に測
定されることとなる。測定が、唯一のコレクタースリッ
トと検出器を有する方法に比して、同時に行なわれるた
め比率決定に要する時間が少な（て済むという他の利点
もこの方法にはある。これは、単一のコレクタースリッ
トシステムに比して比率決定に必要な試料の量が少なく
てすみかつ正確であるということを意味している。

電荷に対して異なる質量のイオンビームの分離に際して
、磁場は、電荷に対して特定の質量を有するイオン全コ
レクタースリットにフォーカスし、イオン源及びコレク
タースリットの位置、磁極の形状及び大きさは、最適の
フォーカシング特性を有するように選ばれねばならない
。もしこれが実行されないと、電荷に対してほんの僅か
だけ異なる質量のイオンビームがオーバーラツプするこ
ととなり、それらの強度は正確には測定されないことと
なる。最良の結果を得ることの出来る質量分析計の幾何
学的配置全計算する理論は、良く知られており、説明の
必要はないであろう。

この理論及びこれを用いた予知によって、コレクタース
リット上にフォーカスされたビーム以外の種々の質量の
イオンビームは、種々の点にフォーカスされ、磁石の光
軸に対しである角度をもって傾いていることがわかって
いる。大抵の場合、この角度は、９０’よりも相当小さ
い。上述したマルチプルコレクター質量分析計の構成の
ために、イオンビーム間の解像力が維持されているなら
ば、コレクタースリット全測定すべきイオンビームの各
々の焦点のある焦点面に配置する必要がある。

このような質量分析計は周知であるが、その性能を低下
させる二つの欠点がある。

第一の欠点は、感度及び精度が、例え第一のコレクター
スリットにイオンビームが入射しないときでも、隣接す
るコレクタースリットに入射するイオンビーム強度によ
ってこの第一のスリットに生じるバックグラウンド信号
によって低下するということである。一般に、ビーム強
度を受けるコレクタースリット背後に取り付けられたコ
レクタースリットへ最も悪い影響を受け、この問題は、
浅い角度でコレクターアセンブリに入射するビーム中の
軸外イオンのためとされ、これらのイオンは隣接するコ
レクタースリット、特にビームを受は入れるコレクター
スリット後方のスリットに入射する。これは、同位体比
率の測定時に特有の問題であり、一つのビームがメイン
ビームの１％よりはるかに小さいとき、電荷に対する質
量の差が僅か１〜２ドルトンであるような二つのビーム
の強度比を測定する必要がしばしば生じるからである。

充分な結果を得るためには、従ってコレクターアセンブ
リ間にスクリーンを取り付ける必要があるが、不可能で
はないとしても、コレクターがイオンの運動方向に対し
て浅い角度で焦点面上で交叉しているときには、これを
完全に行なうことは困難である。

この方法の第二の欠点は、以下の如くである。すなわち
、コレクタースリットが受は入れる電荷と質量の比を変
えることが望ましいとき、別の同位体比が測定出来るこ
ととなり、質量分析計のコレクタースリットの分解が必
要で機械的な変形が困難になるということにある。実際
のところ、大幅な変更が必要であるときは、完全に新規
なコレクターアセンブリの製造が必要となるであろう。

この困難さは、電荷に対する質量の比が異なるイオンビ
ームの間隔が、それらの差量様、上記の比率の実際の値
に影響を受けるというところにある。さらに実際に使用
される磁石は、理論的な処理におけるものと正確には一
致しないため、特定の電荷と質量の比のためのコレクタ
ースリット間に必要な間隔全正確に計算することは不可
能である。測定の最初の設定中はコレクタースリットが
正しいイオンビームのみを受は入れることが出来るよう
に、コレクタースリットの僅かな位置調節が必要であム
調節によって分析計中への空気の流入を許容し、コレク
タースリットアセンブリの少なく共部分的な分解が必要
であるために、この手続には、大きな時間が消費される
。明らかに真空装置の外部からコレクタースリット調節
が可Ｓヒであると好都合であるが、焦点面がイオンの光
軸に対して少し傾いているために磁石の焦点面に沿って
スリントヲ移動するように機構を構成することは困難で
ある。光軸に対して直角の位置にあるコレクタースリッ
トを移動する機構は周知であるが、コレクタースリット
が焦点面を外れて移動し、測定器の解像力を低下させる
ため結果は、不満足なものである。結果的に、これらの
機構は、非常に狭い範囲の調節にのみ使用可能であり、
異なる同位体比率をモニターするように測定装置を同調
させるのには不充分である。

この発明は、これらの困難なり欠点なりを克服し、高い
感度と精度を有し、従来の装置に比して使用及び調節が
容易なマルチコレクター質量分析計の提供を目的とする
ものである。

この発明の一態様において、質量分析計を六同位体比率
の測定に好都合であるように構成され、この分析計は、
質量セレクタとして、磁石のイオン光軸に対してほぼ直
角な焦点面を形成するように彎曲した射出磁極面を有す
るセクタ磁石を有し、さらにこの分析計は、同時に上記
焦点面の二つ以上の位置でイオンビームを検出する手段
を有する。

セクタ磁石は、射出磁極面及び（或いは）入射磁極面が
、イオン光軸に対して傾げられているステイグマチイン
ク磁石（ｓｔｉｇｍａｔｉｃｍａｇｎｅｔ　）であるこ
とが好ましい。この種の磁石は、イオンビームが、ｙお
よび２方向の両方にフォーカスされる、すなわちイオン
光軸に直角の二つの方向にフォーカスされるという利点
を有している。射出磁極向は、 で与えられる曲率半径Ｒ２を有する才うに構成されてい
ることが好ましい。ここでＲは、セクタ磁石自身の半径
、βは、イオン光軸が、ｔａｎハ０．５ｔａｎ（９！Ｖ
２）である磁極面が切る点において引かれた直角に対す
る射出磁極面の傾きの角度、Ｘは偏向角度である。９０
°のステイグマチインク磁石に対して、射出磁極向の曲
率半径は、その凹面が凹面であるときは、０．７Ｒであ
ることが好ましい。

別の態様からみると、セクタ磁石質量分析計は、磁石の
焦点面がイオン光軸に対してほぼ直角にあり、これは、
射出面において適当に彎曲し、入射面において必要に応
じて彎曲した磁極を用いることによって達成され、この
質量分析計は、前記焦点面に沿って二つ以上のコレクタ
ーアセンブリを配置し、少な（共その一つは、前記焦点
面に沿って真空装置外から機械的な連動機構によって可
動にされている。

このようにして、コレクタースリットとイオン検出器か
ら各々なるコレクターアセンブリは、質量分析計を分解
することな（独立して調節可能であり、分析計が電荷と
質量の比率の異なるイオンビーム全測定すべきとき＆ス
上記構成の各々は目的に応じてイオンビームを受は入れ
るのに最適な位置を占め、また種々のイオンビームを受
は入れることとなる。

この目的を達成するための機構の設計は、スリント移動
面が光軸に対して９０°であるときは、極めて容易とな
る。さらに、コレクターアセンブリが光軸に対して直角
な面に増り伺けられているときは、コレクターの一つか
ら散乱される荷電粒子が隣のコレクターに侵入すること
は極めて少な（なり、その結果、上述したバンクグラウ
ンド信号の問題も非常に僅かとなって同位体比率の測定
の精度向上に寄与すること大である。

コレクターシステムは、三組のスリットと検出器からな
り、一つのスリットと検出器６Ｊ固定され、残りは光軸
を横切る方向に焦点面内を可動であることが好ましい。

しかしながら、この発明は、多数のスリットと検出器を
備えたコレクターシステムを可能とするものである。例
えば、−組のスリットと検出器を固定し、多数組を可動
となし、測定装置の操作ノフレキシビリテイを増加させ
ることが出来る１、そのためには、真空装置外から可動
とすべきコレクターの調節手段を設けるのみでよく、磁
石の焦点面が光軸に直角であるときはこれが極めて容易
になる。多くの場合、真空装置の外部から全てのコレク
ターを独立して位置調節する必要はな（、これらの間の
間隔が予め調節してあれば、一対のコレクターのい（つ
かを位置調節すれば事足りることとなる。この発明は従
って、従来よりも多数のコレクター金偏えた質量分析計
の構築を可能とするものである。

磁石の焦点面は、その射出磁極面を適当に彎曲させるこ
とによって光軸に対して直角な必要な位置に回転させる
ことが出来るが、磁石のフォーカシングに成る程度の収
差を生じさせ、質量分析計の解像力を低下させる。これ
らの収差は、一つあるいはそれ以上の静電的或いは磁気
的な四重極の使用で減少或いは除去可能であるが、入射
磁極面を彎曲させることが好ましい。射出磁極面同様入
射磁極面を彎曲させることによって、収差は、直線的な
磁極面により得られるものに近付き、光軸に対して９０
°の必要な位置への焦点面の回転を可能ならしめる。

このようにして、この発明の他の態様によれば、同位体
比率の測定に必要な質量分析計は、射出磁険と入射磁極
とが彎曲されて磁石の光軸にほぼ直角な面内に磁石の焦
点面があるようなセクター磁石を質量セレクターとして
用い、さらに、この質量分析計は、前記焦点面に二つ或
いはそれ以上の位置でイオンビームを検出する手段を備
える。

セクター磁石の入射磁極面の曲率半径は、射出磁極面の
それよりも適当に大きくされ、互いの曲面は反対側にあ
る。

第１図において、イオンは、分析すべき試料から従来周
知の如く、図においてイオン源１かも発生される。イオ
ンは、軌道２全描いて磁石３の磁極へと向かう。磁極間
全通過する際、イオンは、異なる電荷と質量の比率のた
めビームに分離され、第１図では３本のビームが示され
ている。磁場強度の設定により、測定すべき電荷と質量
の比率の最も高いイオンは、磁石により偏向され、軌道
１５を描いて板６のスリットヲ通過してコレクターアセ
ンブリ１８に入射する。より低い電荷と質量の比率のイ
オンは、軌道１７に従って板５のスリン１４−通過しコ
レクターアセンブリ１９に入射する。中間の比率のイオ
ンは、質量分析計の光軸である軌道１６を通り、固定板
４のスリットヲ通過し、矩形のドリフト管１２ヲ介シて
コレクターアセンブリ９に入射する。

またイオンの電荷とは反対の極性の高いポテンシャルが
、電極１０に印加されると、管１２を出るイオンは、電
極１０と衝突するように偏向され、二次電子を発生して
シンチレータ検出器１１に入射する。コレクターアセン
ブリ９．電極１０および検出器１１を設けるのは、この
種の測定を意図した単一コレクター質量分析計の一般的
な特徴である。。

この発明によれば、スリット板４，５及び６が位置する
焦点面は光軸１６に対してほぼ９０°となるように、磁
石３が構成されている。

コレクタースリット板６及び５がそれぞれ取り付けられ
ているコレクターアセンブリ１８及び１９は、軸７及び
８方向に可動であるので、これらのスリットは、質量分
析計の真空ハウジングに取り付けられた真空シールされ
たマイクロメータリニヤ−駆動機構によってビーム１５
及び１７と対向する。このような駆動機構は、最近の質
量分析計の共通の構成であり、周矧である。軸７および
８は、磁石３の焦点面に沿って位置し、この焦点面は、
磁石の射出磁極面の彎曲１３によって軌道１６すなわち
イオン光軸にほぼ９０°をなしている。

第２図は、可動のコレクターアセンブリ１８の構造を示
しているものである。コレクターアセンブリ１９及び９
も同様の構造を有している。第２図において、イオンの
通過する開孔３３を備え１こコレクタースリット板６は
、リンク３２を介してリニヤ−運動駆動機構に接続すれ
ている。セラミックの如き絶縁体からなる３本の棒とス
ペーサ３４及び３５が、板２０，２１，２２，２３及び
２７を固定している。板２３は、ファラデーパケットイ
オン検出器２５ｆｆ：有し、板２７は、パケット２５の
いずれかの側にある間隔を置いて配置されｋ＝つの小磁
石２６を保持している。磁石２６を設けた目的は、イオ
ンがパケット２５の壁面に衝突し、パケットから離れる
とき生じる二次電子発生のチャンスを少なくしようとす
ることにある３、板２１ば、約−１００■の電位に保持
されて、パケット２５かもの如何なる電子もそこに戻そ
うとするためのものである。板２０及び２２は接地され
て、静電スクリーンとして働く。パケット２５と板２１
の接続は、絶縁体３０により固定板３１に取り付けられ
に可撓性のばね付勢接点２９と摺動接触する二つの接点
２８を介して行なわれる。

第３図は、イオン光軸１６の方向からみにコレクターア
センブリの簡単な説明図で、取り付は板が、固定のスリ
ット板４とガイド３７全支持している。摺動スリツ′ト
板５及び６（東金てのスリット開孔が磁石の焦点面にあ
るようにガイド３７により所定位置に保持されているも
のとする。コレクターアセンブリ１９及び１８は、棒２
４により板５及び６に取り付けられ、板５及び６は、リ
ンク３２により真空シールされたマイクロメータリニヤ
−駆動機構３６に接続されている。この駆動機構３６は
、金線シールされたフランジ３９によって真空ハウジン
グ３８の孔に取り付けられている。

例えば、電気的な位置決め装置或いはバイメタル片を用
いた機構を代りに使用することが出来ることも容易に理
解されよう。さらムスリットの数も３個に限定する必要
はない。

第４図は、コレクタースリットの数を５個に増やした例
を示すものである。正規のイオンビーム開孔４０及び４
１を有する摺動板５及び６は、さらにより大きな開孔４
６及び４７全有している。スリット開孔４３及び４５を
を有する２個の小さな摺動スリット板４２及び４４が、
大きな開孔４６及び４７全介してみえる。スリット板４
４及び４２の位置は、ビーム１５よりも大きな電荷と質
量の比率のビーム及び小さな比率のビームをそれツレ受
は入れるように調節される。コレクターアセンブリ１８
と同様のアセンブリが、摺動スリット板の各々に取り付
けられ、その際スリット板５及び６のコレクターアセン
ブリの取り付は棒２４が通過出来る開孔が後方の板４２
及び４４に設けられる。二つの摺動スリットアセンブリ
ノ各々の位置決めは、二つの同心のマイクロメータ駆動
機構の使用で達成さべそれらは、外部でスリット板５及
び６を制御し、内部でスリット板４２及び４４を制御す
る。このようにして、コレクターシステムは、質量分析
計の如何なる部品をも分解することなく五つのイオンビ
ームを同時に受は入れるように調節出来ることになる。

第２図、第３図及び第４図に示したコレクターアセンブ
リは、５個の独立したコレクターを有するコレクターア
センブリに適したものであったが、第５図、第６図及び
第７図に示すように３個或いはそれ以上のコレクターア
センブリを有するマルチプルコレクターアセンブリを構
成出来ると都合が良い。これらの図は、７個の独立した
コレクターを備えたアセンブリを示している。これらの
コレクターは、そのうち１個をイオン光軸上の固定スリ
ットに配し、３個宛の可動コレクターを固定スリットの
両側に配置している。第５図において、片側の３個の可
動スリットの配置が示され、５０，５１及び５２で示さ
れるコレクターアセンブリの各々は、薄いスクリーン付
きのボックス内に配置され、以下に詳細に説明される。

固定スリットに隣接するコレクターアセンブリ５０は、
突起５３及びねじ５４によってフォーク状の板４９に取
り付けられている。板４９は、第４図の摺動板４２およ
び４３と置換可能であり、第３図のガイド３７と同様の
リン青銅板の対の内側を自由に摺動する。板４９は、そ
の他端を二つの同心マイクロ駆動機構（図示せず）に取
り付けられ、或いは他の適当な可動手段に取り付けられ
る。

残りのコレクター５１及び５２は、それぞれ突起７１と
７３及びねじ７２と５５により第２のフォーク状板４８
に取り付けられる。第４図のスリット板５或いは６に替
る板４８は、板４９とは別に一対のガイド内を自由に摺
動する。その位置は、同心マイクロメータ駆動機構の他
の部分によって制御される。第５図に示す如く板４８及
び４９並びにコレクター側方の突起７１．７３及び５３
の位置は、各コレクターの入射スリットスなわち第５図
の上面と同一平面にあり、この面は磁石の焦点面である
ようにされる。コレクター５２はさらに、フォーク状板
４８の両端の凹部と突起７３に設けたスリット状開孔と
によってコレクター５１に対して可動であるように構成
されている。これにより、コレクター５１と５２の間の
距離が所望の値に調節可能となる。このような構成では
、真空装置の外側から全てのコレクターを独立して位置
決めすることが難しいという欠点があるが、従来周知の
構成のみを用い、２つのプリセット調節を行なうのみで
７個のコレクターシステムを構成出来るという利点があ
る。

コレクターアセンブリ５０．５１及び５２は、第６図に
詳細に示されており、断面で描かれている。コレクター
の各々は、薄い金属板６０を取り付けたアセンブリ全体
の厚みを構成する板５７からなり、この板６ｏは、Ｕ形
に曲げられて箱を形成するように板５７の開放端を覆い
、入射スリット７０を除いてこれを遮蔽している（第５
図及び第７図参照χ箱内では、他の板５８が二本のセラ
ミック棒６４により支持されており、絶縁体６５により
板５７に形成された棚から離隔されている。

板５８は、板５７よりも薄く、両側を薄い金属板で覆わ
れていて、別の箱を形成しており、スリット７０を面す
る開放端を有している。

短いセラミック棒５９が、二つの箱を正しい位置に保持
し、如何なる点においても箱５８が箱５７と接触しない
ようにしている。スリット７０と同様の、しかしこれよ
りも僅かに大きなスリットを有する二枚の細長い薄い金
属板６６及び６７が、セラミック棒６４に保持され、図
示の如く絶縁体６５によって離隔されている。これらは
、外側のカバー６０により所定の位置に保持され、二つ
のねじによって板５７の端部に保持されることとなり、
結局コレクターを板４８に取り付けるように働くことと
々る。突起５３が板５７の側下方に取り付けられている
コレクター５０の場合には、特別のねじが用意されねば
なら々い。

板５８により部分的に形成された箱は、コレクターパケ
ットとして働き、絶縁管６７を介して外側のスクリーン
箱５７を貫通しているリード線６８に接続されている。

板６７は、第２図の板２１と同様の抑制電極であり、絶
縁管６３を通るリード線６２によってほぼ＝１００■に
維持される。板６６は接地され、静電スクリーンとして
働く。このようにして板５７とカバー６０から々る外側
のスクリーン箱は、コレクター５８とこれに関係する板
６６及び６７を完全に包囲して、散乱イオン或いは二次
電子の脱出と隣接するコレクターへの侵入を防止する。

このタイプのコレクターアセンブリは、第２図のものよ
りもコンパクトで、限られた空間内へのマルチプルコレ
クターシステムの導入を容易にする。

磁石３は、均質な磁場を有し、射出磁極の彎曲及び必要
に応じて入射電極の彎曲が以下に述べる如き方法で定め
られるならば従来周知のタイプのものが使用出来る。第
１図の実施例では、この種の質量分析計ではスティグマ
ティック磁石が慣用されているので、スティグマティッ
ク磁石が示された。これらの磁石は、第１図に示されて
いる面にのみイオンをフォーカスするだけでな（、これ
に直角な面にもフォーカスし、すなわち磁石３の磁極間
の磁場に平行な面にフォーカスする。従来のスティグマ
ティック磁石は、直線状の射出磁極及び入射磁極を有し
ているが、垂直面へのフォーカシングは、光軸２及び１
６に対してこれらの面を適当な角度傾けることによって
行なわれる。多くの場合、射出磁極面の角度を調節出来
ると都合が良く、予想される作用とのずれは、実際の磁
石の使用時に補償可能である。

イオン光軸に対して９０°焦点面を回転するのに必要な
射出磁極の曲率半径は、使用される磁石のタイプによっ
て定まる。必要な曲率の計算のために、磁石の理論的な
作用を、例えば１９６７年にニューヨークにおいてＡｃ
ａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓにより刊行され、Ａｌｂｅｒｔ
　５ｅｐｔｉｅｒにより編集され、Ｈ，Ａ、Ｅｎｇｅに
よってアウトラインを記述された「Ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ
　ｏｆ　ＣｈａｒｇｅｄＰａｒｔｉｃｌｅｓ　ｊに従っ
て計算する必要がある。

その手続きは複雑であり、あらゆる磁石の可能なタイプ
について曲率が計算されたかの式を述べることは不可能
である。結論として、実際的々理由によっても理論的な
理由によっても、この方法によって焦点面が正しい位置
に回転出来ないという成る特定の配置があるであろう。

これは、非常な時間を浪費して非常に多量の計算を行な
うことによってのみ可能であろう。しかしながら、これ
は、この発明のやり方に従って焦点面を回転することが
可能であるかどうかに関係彦く、特足の磁石について導
き出された式から明らかであろう。

例えば、半径がＲで偏向角がダの対称的なスティグマテ
ィック磁石、これは通常使用されるタイプのものである
が、について以下の式が適用出来よう。

ここで、ａは、物体距離（磁極とイオン源との距離）、
ｂは、像距離（磁極とコレクターとの距離）、αは、入
射角（入射磁極面とイオン元軸に直角な線との々す角）
、βは、射出角（磁極面とイオン光軸に直角々線とのな
す角）、Ｃ２は、射出磁極面彎曲に関係するパラメータ
、Ｒ２は、イオン元軸に対して焦点面を９０°に位置さ
せるのに必要々磁極の曲率半径である。

従ってＲ２の値は、考慮すべき磁石システムの性質であ
る２とＲの値を知ることによってこれらの式から得られ
る。

９０°のスティグマティック磁石の場合には、α＝β＝
２６．５６５°となり、必要な曲率半径測量磁極面の）
は、−０，６９８８Ｒとなる。

しかしながら、実際のところ、磁極の有効境界部は、磁
石の周縁磁場のために実際の磁極の境界部とは一致しな
い。Ｅｎｇｅの方法に従えば、実際に必要な曲率半径（
Ｒｍ２　）は、次の式から計算される。

（すなわち、Ｒｒｎｚ　＝　Ｒ／　（ｃｏｓ”β［：　
Ｃ２−（０，７ＲＤ／Ｗ２Ｃ０５３β）））−０，８Ｄ
）ここでＷは、磁極幅（丁々わちｙ方向、第１図の面に
それぞれＲ１とＲ２に対して直角をなす方向）及びＤは
、磁極間距離（磁石のＮ、Ｓ極のギャップ）である。

上述した如く、射出磁極面は調節可能であると有利であ
る。これは、射出磁極面を半球形の凹面と外し、この発
明による彎曲面をなす磁極面となる合致片を取り付ける
ことによって行なわれる。この合致片は、適当な角度で
クランプされ、磁極の固定部に安定して嵌合する。同様
の装置が、平坦面を有するスティグマティック磁石にお
いて知られている。

上述した如く、必要な位置へ焦点面を回転させるように
射出磁極面を彎曲させると、イオンビームのフォーカシ
ングに際して磁石の収差が増加する。これらの収差は、
磁石の入射磁極面に彎曲１４を施すことによって大幅に
改善される。磁極面Ｊ４の曲率半径は、磁石のフォーカ
シング特性に関する式に現われる最も重要な収差項目に
ついて与えられた彎曲の似たような効果について計算す
ることによって定められ、最少の収差を生じる値を選択
丁ればよい。このような手続は、複雑ではあるが、荷電
粒子のフォーカシングビームにつ（・て磁石を設計する
者にとって親しまれていることであろう。第１図の磁石
に対しては、値は、以下の範囲にある。

０　＜　ＣＩ　＜、　Ｃ２ ここで、ＣＩ及びＣ２は、それぞれ入射磁極面及び射出
磁極面の曲率につ（・てのパラメー値は、最良の性能が
得られるように実験により定めることが望ましい。射出
磁極面の場合には、適切な補正が成る磁石の配置につい
ては得られ々いであろうが、問題となる磁石についての
フォーカシング式中の収差項目の大きさから明らかとな
ろう。

一般に、Ｅｎｇｅの方法により計算される六つの収差係
数が、Ｃ１とＣ２によって変化し、他は影響を受けない
。これらの六つの値が０２を選びＣ１に対してプロット
されるとき、ＣＩは、最も重要な項目が最少であるか（
・くつかが反対の符号を有するため打消し合う点と々る
ように定められる。この点は、収差項目が、Ｒ２α、β
、グ等の如きパラメータを収差項目が含むために、質量
分析計の配置によって影響を受ける。ＣＩが−０２より
太きいときは、結果は、全ての六つの収差項目が非常に
急激に増加し、Ｃ１の上限が−Ｃ２となるようにされる
。ＣＩが−０２より小さくＯより太きいときは、Ｃ１に
関しての収差係数の変化は通常は小さく、収差を最少と
するＣＩの適当表値が容易に選択されることになる。上
述した９０’の対称型スティグマティック磁石について
は、Ｒ１ニー１．１４１２すなわちＣＩ／Ｃ２ニー０８
８のとき満足のゆ（結果が得られた。性能を最良のもの
とするためには、計算値から出発してＲ１の微調整を行
なうのが最も良い。

第１図に示した如く、Ｒ１とＲ２は、イオン光軸１６と
交叉する磁石の原位置である面に直角に測定される。彎
曲した磁極面の間の磁場内にある軸１６に沿った距離は
、直線的な面を有する磁石のそれと正確に同じで々けれ
ばならず、さもな（・と磁石のセクター角が相違し、磁
石はフォーカスし々いことになる。

これは、凹面の射出磁極面が、磁極面のコーナーを有し
、凸面の入射磁極面がコーナーを除去されていることを
事実上意味している。

磁石３の他の構成は、同様なタイプの従来の磁石と同様
であり、ここでは詳述しない。

この発明は、第１図に示したタイプの質量分析計に限定
されるものではなく、単一フォーカス磁石セクター質量
分析計の多（への適用が可能であり、イオンがコレクタ
ーアセンブリに到達する以前に磁石が最後のフォーカシ
ング手段となるようなマルチプルフォーカシング質量分
析計への適用をも可能とするものである。またこの発明
のコレクターは、第２図〜第７図に示す形状のものに限
定されるものでは々く、磁石の焦点面に沼って移動する
他のタイプの可動コレクターをも使用し得るものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明により構成された単一フォーカシン
グタイプの質量分析計のイオン光学系を示す平面図、 第２図及び第３図は、この発明に用いられるコレクター
アセンブリの詳細を示す平面図及び正面図、 第４図は、第２図及び第３図のアセンブリに多数のコレ
クターを収容する実施例の説明図、 第５図は、この発明に用いられる他のコレクターアセン
ブリの部分図であり、３個以上のコレクターが必要な場
合に適した実施例を示す、 第６図は、第５図のアセンブリに使用される個々のコレ
クターの断面図および第７図は、第５図に示すようにア
センブルされた第６図のコレクターの前面図である。 ■・・・イ　　オ　　ン　　源　　３・・・磁　　　　
　　　　石２．１５．１７・・・軌　　道　４，５．６
・・・・・・・・・・・・・・板９．１８，１．９・・
・コレクターアセンブリ１０・・・電　　　極　１６・
・・イオン光軸４．３．４５・・・スリット開孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　同位体比率を測定するだめの質量分析計にお
   いて、セクター磁石を備えその焦点面が前記磁石のイオ
   ン光軸にほぼ直角となるように射出磁極面を彎曲させて
   なる質量セレクタと、前記焦点面の二つあるいはそれ以
   上の位置において同時にイオンビームを検出する手段と
   を有する質量分析計。 （２）　　前記磁石が、イオン光軸に対して傾斜した射
   出磁極面及び（或いは）入射磁極面を備えるスティグマ
   ティック磁石である特許請求の範囲第１項記載の質量分
   析計。 （３）　　前記磁石の射出磁極面の曲率半径（Ｒ２）が
   、およそ、Ｒ２−Ｖ（０２ｃｏＳ３β）で与えられ、こ
   こでＲは、セクター磁石の半径であり、βは、イオン光
   軸が前記射出磁極面を横切る点に引いた直角線に対する
   前記射出磁極面の傾斜角であシ、Ｃ２が、Ｃ２＝−２（
   ｊａｎ’β十（５／４　）　ｔａｎＬβ＋ｔ／ｓ　）　
   ／　ｔａｎβで与えられ、その際、負の符号が前記射出
   磁極面が凹面であることを示している特許請求の範囲第
   ２項記載の質量分析計。 （４）　　前記磁石の前記射出磁極面の実際の曲率半径
   （Ｒｍｚ　）が、Ｒ１１１２＝　Ｒ／　（ｃｏｓ３β〔
   Ｃ２（０，７ＲＤ　／Ｗ２ｃｏ　ｓ　３β））−０，８
   Ｄで与えられ、ここで、Ｒ１Ｃ２、βは、特許請求の範
   囲第３項で規定され、Ｄは、前記磁石のＮ極とＳ極の距
   離であり、Ｗは、イオン光軸に清って測定した前記磁石
   の前記射出及び入射磁極面間の距離である特許請求の範
   囲第２項記載の質量分析計。 の傾斜角度がほぼ２６．６°である特許請求の範囲第２
   項から第４項のいずれか１項に記載の質量分析計。 （句　前記射出磁極面の曲率半径が、磁石セクターの半
   径の約０．７倍であり、かつ、該磁極面が凹面である特
   許請求の範囲第５項記載の質量分析計。 （７）磁石の焦点面がイオン光軸に対してほぼ９０°を
   なし、射出磁極面と必要に応じて入射磁極面を彎曲させ
   る磁極片を磁石に嵌合させ、二つあるいはそれ以上のコ
   レクターシステムを前記焦点面に配置して、真空装置の
   外部から前記コレクターの少なく共一つを機械的に制御
   して前記焦点面に沿って可動であるようにしたセクター
   磁石質量分析計。 （８）前記コレクターシステムが３つあるいはそれ以上
   のコレクターからなり、そのうちの一つが固定で、他の
   コレクターが、イオン光軸を横断する前記磁石の焦点面
   を独立して可動であるようにした特許請求の範囲第７項
   記載の質量分析計。 （９）　　前記コレクターシステムが三つあるいはそれ
   以上のコレクターからなり、その一つは固定で、残りの
   少なく共二つがイオン光軸を横断する前記磁石の焦点面
   を可動の共通な支持手段に取シ付けられ、前記支持手段
   が、取シ付けられたコレクター間の距離を調節可能とす
   るプリセット手段と協働するようにした特許請求の範囲
   第７項記載の質量分析計１． ００）　　前記コレクターシステムが、三つ以上のコレ
   クターからなって、うち少なく共一つが固定であシ、少
   なく共二つがイオン光軸を横断する前記磁石の焦点面を
   可動の共通な支持手段に取シ付けられ、前記支持手段が
   、取り付けられたコレクター間の距離調節を可能とする
   プリセット手段と協働し、少なく共他の一つが、イオン
   光軸を横断する前記磁石の前記焦点面を独立して可動で
   あるようにした特許請求の範囲第７項記載の質量分析計
   。 （１１）射出磁極面及び入射磁極面が、磁石の焦点面が
   イオン光軸にほぼ直角となるように彎曲させられ、その
   際前記磁石のフォーカシング作用における収差が最少と
   なるようになし、前記焦点面の二つ或いはそれ以上の位
   置においてイオンビーム強度を同時に検出しかつ測定す
   る手段を設けた特許請求の範囲第７項から第１０項のい
   ずれか１項記載の質量分析計１、 （１２）前記入射磁極面の曲率半径が前記射出磁極面の
   それよりも大きくかつ反対の符号を有する特許請求の範
   囲第１１項記載の質量分析計。 ０３）前記入射磁極面の彎曲が実験により前記収差を最
   少とするように定められるようにした特許請求の範囲第
   １１項または第１２項記載の質量分析計。 Ｏａ　　前記入射磁極面の曲率半径が前記射出磁極面の
   それの約１．１４倍であり、該入射磁極面が凸面である
   ようにした特許請求の範囲第１１項または第１２項記載
   の質量分析計。