JPS5819848A - 質量分析装置 - 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】 本発明はイオンの質量を測定する質量分析装置に関する
。特に、加速されたイオン流を狭いスリブ）Ｋ通し、さ
らに偏向磁場を通過させてイオン検出器で捕え、この偏
向磁場の強さを変化させることによりイオンの質量を分
析する磁場型質量分析装置に関する。

磁場型質量分析装置では、イオン源のスリット幅を８、
イオン検出器のスリット幅をｄ、質量分散係数をＡ、、
倫倍率をムＸ、収差による像の拡がりをΔとすると、そ
の分解能Ｒ（＝Ｍ７／ハｏ社、一般Ｋ によシ与えられる。イオンを効率よく検出するＫはｄ＝
ム、＠十Δ　とする６分解能Ｒを高くするには、（１）
式で分子を大きく、分母を小さくなるように各定数を定
めな社ればなら愈いが、イオン源のスリット幅８を小さ
くすると、イオン源から引き出されるイオン量が少なく
なり、感度が低下する。したがって、（１式の分母を小
さくするに杜、儂倍率ム　を小さくし、同時に収差Δを
小さくすることが望ましい。

一方、イオン源のスリットから放出されたイオン流は、
偏向磁場を通過させるが、イオン流は道むに従って発散
し、その幅が大きくなる。これに対して、分析すべきイ
オンの質量が大きいと、磁場を強力にする必要があり、
このために磁極間隔を小さくさせなければならない。従
来装置では、イオン流は軌道平面Ｋｌｉ直な方向（ｙ方
向）Ｋは。

５〜１５−の幅に設定されるが、被測定イオンの分子量
が数千に達するような高分子を一定するＫは、磁極間隔
をさらに狭くしなければならず、イオン流の一部分しか
利用できないことに愈る。

本発明はこれを改良する亀ので、イオン流の軌道千′面
に喬直な方向の幅を小さくし、偏向磁場を作る磁極間隔
を小さくすることができるとともＫ。

イオン流をその動径方向に発散させて、検出感度および
測定精度を高くすることができる装置を提供することを
目的とする。

本発明は、イオン源スリットと偏向磁場の間に、通過す
るイオン流の軌道平面に垂直な方向に集束性を与え、そ
のイオン流の動働方向には発散性を与える複数個の静電
四極レンズを備えたことを特徴とする。

この静電四極レンズは、適轟な間隔をおいて配置される
２個であることが望ましい。

また、この静電四極レンズの電界の強さ、偏向磁場の偏
向角、偏向磁場に入射するイオン流の角度等を質量させ
た夛、あるいは偏向磁場Ｏ境界面を曲［ｊｉＫすること
Ｋより、偏向磁場内で、イオン流に立体二次収束、性を
与えることが望ましい。

さらに、偏向磁場を通過したイオン流を通過させるトロ
イダル電場を設け、イオン流に立体二次二重収束性を与
えることができる。

次に実施例図面を参照して、本発明をさらに詳しく説−
する。

第１図は本発明の一実施例を示す装置構成図である。イ
オン源ＩＫは、イオン化室２と複数の加速電［［３があ
り、加速されたイオン流がスリット４から放出される。

このイオン流は２個の静電四極レンズ５．６の中を通過
して、偏向磁場７に入射する。この偏向磁場７の中でイ
オン流祉偏向され、検出器スリット８を通過するものが
、イオン検出１４９に捕捉される。この偏向磁場７は、
外部からその磁場の強さを変化できるように構成されて
いて（図示せず。）、検出器スリット８の位置は固定さ
れている。また偏向磁場７に入射するイオンの運動エネ
ルギが一定であるようにイオン流が加速される。偏向磁
場７に入射するイオンは、質量によってその運動量が相
違するので、質量によって異なる角度の偏向を受ける。

したがって、偏向磁場７の強さを蜜化させると、イオン
検出器９に捕捉されるイオン紘質量の異なるものＫなっ
て、イオンの質量を分析することができる。

なお１図では各装置は真空中に配置されるものであって
、真空隔壁社図から省かれている。

この装置で本発明の４Ｉ像とするところは、スリット４
と偏向磁場７の関に、静電四極レンズ５および６が備え
られたところＫＴｏ！ｊ、Ｌかも、この静電四極レンズ
５および６が、通過するイオン流に対して、その軌道平
ＱＫ垂直な方向に集束性を与え、その動径方向に発散性
を与えるように設定されるところＫある。

第２図はこの静電四極レンズ５（またＦ１ａ）の断面構
造およびこれに電位を与える電気回路の構成例を示す図
である。静電四極レンズ５は、イオン流の通過する方向
Ｋｌｉ直な断面（第１図ムムに示す断面）をとると、第
２図に示すように、４個の縦割りの円筒形状であって、
イオン流の軌道平面に垂直な方向（ｙ方向）の対向する
電極には正電位が印加され、イオン流の動径方向（Ｘ方
向）の対向する電極Ｋｔｉ負電位が印加される。４個の
電極の内接円の半径をｒ６とすると、この例では各電極
の外径Ｆｉｔ　１５　ｒ　ｅ　Ｋ設計されている。中点
が接地された電１１１１から２個のポテンシオメータ１
２および１３により正負の電−圧が印加される。

静電四極レンズ６についても同様の構造で同様に電圧が
与えられる。その電圧は尋しくすることもでき、別に設
定することもできる。

このように構成された装置の定性的な動作原理を第Ｓ図
に示す図面を参照して説明する。第５図はイオン流の流
れを示す説明図である。第３図（ａ）で、左端はスリッ
ト４であり、ここから放出されるイオンのうち、スリッ
ト４の中心点０かもこの系の軸に対して、角度β。で放
出されるものと、スリット４の上端ｙ０からこの系の軸
に対して平行に放出されるものとを４１に示す、上端ｙ
０から平行に放出されたイオン絋、偏向磁場７を通り抜
けるが、中心０から過度β。で放出されたイオンは、偏
向磁場７すなわち磁極間隔を通過することができない状
態を示す。

かりに第３図〜）Ｋ示すように、スリット４と偏向磁場
７０間に１個の短い静電四極レンズ５を置き、中心０か
ら角度！。で放出されたイオンが、系の軸に平行に一＆
るように制御すると、このイオンは偏向磁場７を通過す
るが、上端ｙ０から平行に放出されたイオンは磁極に衝
突して偏向磁場７を通過することができない。

次に第３図（ｃ）　Ｋ示すように、２個の静電′＠極レ
ンズ５および６を、スリット４と偏向磁場７０間に配置
して、その電位と間隔また紘位置を適当に調節すると、
中心０かも角度β。で放出されたイオンも、上端ｙ０か
ら平行に放出されたイオンも、ともに偏向磁場７を通過
させることができる。

すなわち、前記二つのイオンがスリット４を通過したイ
オンの角度および位置についての上限とすると、この範
囲内の全てのイオンについて、磁極Ｋｌｉ突することな
く有効に利用することができるようＫなる。逆に、イオ
ン流の幅が狭くなるので、磁極の間隔を小さくして磁場
を強くするととができる。

また、このような静電四極レンズ拡、イオン流の動径方
向（Ｘ方向）Ｋついては、イオン流を発散させる作用が
ある。これＫより、イオン源が等価的に偏向磁場に接近
したように％スリット４の虚像がつくられるので、質−
量分折装置の僚倍率ムエを小さくシ、分堺能皿を向上さ
せることができる。

ここで２個の静電四極レンズ５．６とその間の距離につ
いて考えると、第１図に戻って、２儂の静電四極レンズ
５．６が等しいものであるとすると、スリット４を出て
光軸に平行に走るイオンがレンズ６を出た後に、第Ｓ図
（ｅ）のように、斜上方に向って磁場内で１０より細く
なるために杜、イオン流はり、０半分よシ手前で光軸と
交叉しなければならない。すなわち、レンズ５の節点Ｆ
’−ＴＬ２より短く表ければならないから、 である。ここで４Ｊ、ａｒｍを単位として欄ったレンズ
長、ｑＫＦｉレンズの強さを与える定数で、イオン加速
電圧をＵレンズ印加電圧を±Ｖ、電極内接円の半径をｒ
。とすれば により与えられる。また、長さについて祉全て偏向磁場
７の軌道半径により基準化されている。

２個の静電四極レンズ５．６が等しくｔいときには、上
記ＱＫｆＫ）％ｆｈて幾何平均値で考えればよい。

上記と同様の作用は、静電四極レンズの長さが十分に長
ければ、１個のレンズでも行わせることができる。第４
図はこの例であって、スリット４と偏向磁場７との間に
１個の長い静電四極レンズ５を記音したものである。こ
の場合Ｋａ靜電電四極レンズはかなり長いレンズ長であ
る仁とが必要である。その他の構造は館１図の実施例と
同様である。

第５図は長い１個の静電四極レンズについての動作説明
図であって、第５図で説明したものと同様に、スリット
４の中心０から角度β。で放出されるイオンと、スリッ
ト４の上端ｙ。から系に平したものである。レンズ長が
長いとき、この二つのイオン通路はともに１向磁界７を
通過するように構成することができる。

このレンズ長ＧＬＬＫついて杜、 ｌ（・Ｑ、１）ｓｒ である。

上記例の他にも、静電Ｓ極レンズを５個以上配電しても
、等価な構成を得て、同様に実施することができる。

第６図祉本発明の第二実施例の構造図である。

この例は、偏向磁場７と検出器スリット８との関に、ト
ロイダル電場１５を配置したものであって、これにより
イオン流に対して方向収束とエネルギ収束とがともに与
えられて、いわゆる立体二次二重収束が行われることに
＆る。１６はスリットである。コｏ結ｆｉ、イオン検出
器９に到達するイオンのエネルギ収束性がよくｔｋ＃）
、効果的な分析を行うことができる。第７図はそのイオ
ン軌道図である。

さらに、第８図または第９図に例示するように１偏向磁
場の境界面を一面に形成するあるいは偏向磁場の境界面
が光軸に対して角度を持つように形成する勢により、二
次の収差係数を小さくして、立体二次収束性を持たせる
ことができる。

次に、本発明実施例装置による具体的な数値を入れた設
計例および二次収差係数を示す。第１表ｆ）　（ａ）、
（１））、（ホ）、（ｅ）シよび（ｆ）　ａ、第１８ｉ
ｌＩＫ示す本発明実施例装置の設計例である。第１表の
（ｃ）は静電四極レンズを１備だ社使用した第４図の構
造についての具体例である。第１表の龜）は従来例構造
による比較例であり、第１図で静電四極レンズ５および
６を省いた構造による。この例でも長さについて紘全て
偏向磁場７の曲率半径ｒＩｌで基準化された値を用いる
。

この表の各記号は次のとおシである。

φ：磁場によるイオンビームの偏向角（０）ｒ工：磁場
内でのイオンビームの軌道半径に、：入射点における磁
場の端面の曲率半価ｇ、　　＠場へのイオンビームの入
射角（″）ｇ、　　ａ場からのイオンビームの出射角（
”）ＱＫ、　：第一の静電四極レンズの電位傾度を示す
定数 Ｑｌ［、：第二の静電８１１レンズの電位傾度を示す定
数 ＱＬ：静電四極レンズの長書 り、：イオン源スリットからＱ、レンズまでの距離 Ｌ２　”　”ルンズからｑ、レンズまでの距離ｘｓｓ：
　にＬ、レンズから磁場入口までの距離Ｌ４：磁場出口
から検出器スリットまでの距離ムエ：像倍率 ム、二質量分散係黴 ムエ、ム□、ムＭ、ム〃：二次収差係数ム、：ｙＫよる
像のｙ方向への拡がり係数ムβ：βによる像のｙ方向へ
の拡がり係数（以下本買余白） 第１表最下段のｇは、磁極内のイオン流の最大拡がり幅
である（軌道半径α２ｍ、イオン原スリットｙ方向の長
さ５■、イオン流のｙ方向の傾き角を１０１ラジアンと
するとき）、第１表かられかるように１質量分散係数と
僚倍率の比（第（１）式参照）、は従来例装置＠の５〜
７倍の大きさに＆夛％ｇ（■）は、従来例装置＠の場合
の約４０〜６０１Ｇ１＆っていることがわかる。これＫ
より測定感度を高くすることができるとと４Ｋ、偏向磁
場を強力にすることができる。

第２表にトロイダル電場を含む本発明実施例装置の設計
例および二次収差係数を示す、第２表（ａ）〜（ｅ）は
いずれも第４１１に示す構造のもので、％に第２表（（
り　（ｄ）および（ｅ）では、偏向磁場の境界面に曲率
を設けずに、二次収差が小さくなるようＫＲ針した例で
ある。また第２表（幻は従来例構造による比較例であっ
て、第６図の装置から、静電２ｇ極レンズ５および６を
職除いた場合を示す。

いずれの場合も長さ社偏向磁場の一率半径ｒ。

で基準化された値である。

Ｒ１，：入射点における磁場端面の一率半径−１：出射
点にお社る磁場端面の一率半径φ。：電場によるイオン
ビームの偏向角（０）ｒ、：電場内でのイオンビームの
軌道半径０、、Ｏ，：）ロイダル電−係数 Ｒ６，：入射点における電場端面の一率半径−１：出射
点における電場端面の曲率半径ＱＩＪ　：　にＬレンズ
の長さ ＩＪ４：磁場出口から、電場入口までの距離Ｌ５：電場
出口から、検出器スリットまでの距離Ａａａ　：ビーム
のＸ方向へのＩＩＩき角に関係した二次収差係数 ムａａ：ビームＯＸ方向への開き角とビームのエネルギ
ーの拡がりＫｌｌ係した二次収差係数ムＪａ：ビームエ
ネルギーの拡がＪ）Ｋ関係した二次収差係数 ム。、ムアβ、ム〃：ビームのｙ方向への拡がりに関係
した二次収差係数 第２表最下段のｇは第１表と同様に、磁極内のイオン流
の最大拡がり幅である。この第２表かられかるように１
本発明によれば、質量分散係数と僚倍率の比〜／ＡＸは
かなり大きく、ｇ　（ｍ）は従来例装置（ｆ）　Ｋ比べ
て小さく亀る。したがって感度がよく、偏向磁場の強力
な装置が得られる。

以上述べたように、本発明によれば、静電四極レンズに
よりイオン流をその軌道面ＫＩＩｌ直な方向には集束さ
せ、その―径方向Ｋｄ発散させるので、偏向磁場を作る
１ｍ＠関隔間隔さくし、同時に検出の感度および測定の
精度を向上させることができる。磁極間隔を小さくする
ことｋより磁場を強力にすることができ、質量の大きい
イオン、すなわち高い分子量のイオンに、２いても分析
が可能になり、装置の運用領域が拡大される１本発明を
実施するために付加される養置社比較的簡単なものであ
って、安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第−実施例装置の構成図。 第２図は靜電四、極レンズの断面構造および電圧印加回
路の一例を示す図。 第３図は本発明の定性的な動作原理を説明するためのイ
オン軌道図。 第４図は１個の長い静電四極し／ズを用いた場合の構成
図。 第５図はその定性的な動作原理を説明するためのイオン
軌道図。 第６１社本発明第二実施例装置の構成図。 第７図はそのイオン軌道図。 第８図および第９図は偏向磁場の境界面についての構成
例を示す図。 ｌ・・・イオン源、４−・・スリット、５．６・・・静
電四極レンズ、７・・・偏向磁場、９−・イオン検出器
、１５・−・トロイダル電極。 第　３　回 Ｍ４　　口 亮　５　口 見　６　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）加速されたイオンを放出するイオン源と、このイ
   オン源から放出されるイオンが通過するスリットと、こ
   のスリットを通過したイオンに偏向を与える偏向磁場と
   、この偏向磁場を通過したイオンを検出するイオン検出
   器とを備え、前記偏向磁場の強さを変化させることによ
   り前記イオン検出器に到達するイオンの質量分析を行う
   質量分析装置において、 前記スリットと前記偏向−場の閤ｋ。 通過するイオン流の軌道平面に−直な方向に集束性を与
   えそのイオン流ａＳＳ方向には発散性を与える静電四極
   レンズが複数儒関隔をあけて配置されたことを轡徹とす
   る質量分析装置。
2. （２）　　静電四極レンズが２儂であって、その相互間
   隔Ｌ２が 置、ただし ＱＬ社静電５ｉｉｉレンズの長さ、 Ｑ１紘静電園極レンズの強さを褒わす定数てあって。 イオン加遮電圧をυ レンズ印加電圧を士マ 電極内接円の半価をｒｏ とするとき で与えられ、長さに’）いては食で偏向磁場の軌道半ｔ
   ｒ、で基準化されている。
3. （３）　　静電四極レンズＯ電昇の強さ、偏向磁場の偏
   向角、偏向磁場に入射するイオン流の角度、および偏向
   磁場の境界面の―率のいずれか一以上を変化させて偏向
   碑場内のイオン流に立体二次収束性を与える特許請求の
   範−第（１）項またａ　ＩＫ（２）項のいずれかに記載
   の質量分析装置。
4. （４）偏向磁場とイオン検出器との間に、　　トロイダ
   ル電場を備えた特許請求の範１！　＠　（１）項ないし
   第（３）項のいずれかに記載の質量分析装置。
5. （５）トロイダル電場について、トロイダル電場半径、
   トロイダル電場係数、およびトロイダル電極境界面の曲
   率のいずれか一以上を変化させてトロイダル電場内のイ
   オン流に立体二次収束性を与える特許請求の範囲第（４
   ）項に記載の質量分析装置。