JPS5828707B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は質量数の高速走査に適した質量分析装置に関す
る。

質量分析装置には磁界偏向型と電界偏向型（四重極質量
分析装置等）とがあり、四重離型質量分析装置が高速走
査に適するものとして広く用いられている。

質量分析の分解能の点から見ると磁界偏向型の方が四重
極型よりも優れているが磁界偏向型の装置は高速走査が
きわめて困難であるため高速走査を必要とする場合には
分解能を犠牲にしても四重極型のような電界偏向型の質
量分析装置に依ることになるのである。

従って磁界偏向型質量分析装置を高速走査に適するよう
にすることができれば、その高分解能と相俟ってきわめ
て強力な分析手段を提供できることになる。

本発明は上述したような観点から高速走査に適する磁界
偏向型質量分析装置を提供しようとするものである。

磁界偏向型質量分析装置は、第１図に示すように磁界Ｍ
ｇ内での軌道半径が成る値Ｒであるイオンが検出器りに
入射するように構成されている。

この場合イオンの軌道半径Ｒとイオンの質量数ｍ／ｅと
は次の式によって関係づけられている。

ｔｕｂｅ ＝ ４８．２ Ｘ １０−５Ｒ２Ｂ２／Ｖ
”−・”（１）こ工でＢは磁界の強さで単位ガウス、■
はイオンの加速電圧でボルト単位であり、Ｒは閑２、ｍ
は原子量単位でｅは電子電荷で１としである。

上式に基き質量分析をするにはＲを定数としているから
、磁界強度Ｂ或は加速電圧■を変化させることになる。

所で磁界走査方式、加速電圧走査方式何れの場合でも質
量数の犬なる所で分解能及び精度低下が起るが、その程
度は加速電圧走査型の方が著るしい。

従って質量数走査方式としては磁界を変化させる方が優
れている。

しかし一方磁界を変化させる場合、磁界形成のための電
磁石は大きな自己誘導を持っているため高速走査が困難
であり、まり鉄心のヒステリシスのため再現性がよくな
い。

加速電圧を変化させる方式は高速走査については問題は
ないが、上述したように質量数の犬なる所で精度の低下
が著るしいと云う重大な欠点がある。

そこで本願出願人は先に磁界偏向型質量分析装置の質量
数走査の方式として上記従来方式とは異る新しい走査方
式を提案した。

その原理を第２図に示す。

Ｍｇが偏向用磁界であり、イオンビームを走査電極Ｅ１
で図の紙面内で図のように振らせる。

磁界強度及び加速電圧を一定にしておくとイオンの軌道
半径は質量数Ｍの平方根に比例している。

こ工で例えばイオンビームの振れ角がαのときは軌道半
径Ｒのイオンのみが検出器りに入射し、振れ角がβのと
きは軌道半径πのイオンのみが検出器に入射し得て、Ｒ
＞Ｒ’ であるから質量数の走査ができる。

この方式によると磁界強度が一定であるから高速走査が
可能で再現性もよい。

しかしながらこの場合でも高質量側において分解能は低
下する。

そこで本発明は上述第２図の方式を更に発展させて、質
量数に力へわりなく分解能が一定であるのみならず、全
体的に高分解能を持ちしかも小型な構成が可能であるよ
うな高速走査に適した質量分析計を提供するものである
。

今偏向用磁界のイオン射出端面に接するような円弧軌道
を画くイオンを考へ、その軌道を臨界軌道、その半径を
臨界半径、またその軌道を通るイオンの質量数を臨界質
量数等と云うことにする。

磁界強度を一定にして、一つの臨界軌道を考えると、同
一点、同一方向で磁界に入射するイオンのうち臨界質量
数より小さな質量数のイオンは臨界半径より小さな半径
の軌道を画いて磁界の射出端面からは外へ出ることなく
、臨界質量数より犬なる質量数のイオンは磁界射出端面
と成る角をなして射出し、臨界質量数のイオンは磁界射
出端面と平行に進み、質量数が犬なる側から臨界質量数
に近づくにつれ分散能は犬となり、臨界質量数の所で無
限大となる。

また質量数が臨界質量数をはさんで変るときイオンビー
ムの偏向角は不連続的に変化する。

このような質量分析手段は本願出願人によって特願昭５
１−７６９８号←特開昭５２−９０９９３号）によって
提案されている。

本発明は上述臨界軌道の性質を利用して高分解能を得る
と共に高速走査をも可能としたものである。

以下実施例によって本発明を説明する。第３図でＭｇは
偏向用磁界の平面形でＡがイオン射出端面である。

入面上に点Ｔをとり、Ａに垂直な線ＴＢを考え、ＴＢ上
に中心０１．０２等を置いてＴ点でＡに接する円０１．
０２等を画く。

Ｔ点を通りＡと任意の角をなして線Ｃを引きこの線と円
０１．０２等との交点なり１ 、Ｂ２とすると、扇形の
０１ＴＢ１．０２ＴＢ２等は相似であるから、Ｂｌ 、
Ｂ２等において円０Ｌ０２等に接する直線ＢＩＱ１ 、
Ｂ２Ｑ２等は互に平行である。

■はこれらＢＩＱｌ等と平行な方向にイオンビームを射
出するイオン源、Ｂ １ ｙ Ｂ ２は偏向角が同じで
方向が相反する２対の偏向電極である。

従ってイオン源工を出て電極Ｅｌ 、Ｂ２を通過したイ
オンビームはＢＩＱｌ等と平行を保ったま工で移動せし
められる。

そこでＩＱＩＢＩＴ等をイオンビームの通路とすると、
円０１等は臨界軌道で、その軌道を通るイオンの質量即
ち臨界質量をＭｌ ２Ｍ２とすると、その値は円Ｃ１等
の半径なｒｌ、ｒ２等とするとｒ１２．ｒｌ２等に比例
している。

今イオンビームが平行移動の途中でＩＱ２Ｂ２と云う経
路をとっているとする。

このとき質量数がＭ２以下のイオンはＡ面から外へ出る
ことなく、ＭｌのものはＡと平行に進みＭｌより犬なる
イオンがＡから外へ出て直進する。

質量数は陽子のそれを単位としており１から始まる整数
値のみをとるものであるから、Ｍｌ ｙＭ２等をこれら
実在の質量数の中間に選んだ架空の質量数例えばＭ２＝
９９９．５とすると、実在の質量数９９９のイオンはＡ
から外へ出す、１０００のイオンはＡと小さな角をなし
て直進し、１００１はそれより更に離れて外へ出る。

そこでＡ面に近接してイオン検出器りを置いておきイオ
ンビームを電極Ｅ１゜Ｂ２によって右から左へ平行移動
させると、検出器りには質量数の小さい方から順に９９
９．１０００．１００１等のイオンが入射して来る。

上述構成による分解能を考える。

第４図でＭｉを相隣る実在の質量数の中間の質量数とす
ると、Ｍｉ−０，５、Ｍｉ＋０．５ 、Ｍｉ＋０．５−
）−１等が実在の質量数である。

Ｍｉを臨界質量とするとＭｉ−０，５のイオンは円弧画
いてＡ面から外へは出ない。

身分解能として問題にすべきは図の角度α。βの大きさ
である。

臨界半径をＲ１臨界軌道の中心角なθとする。

軌道半径ＲはＲ＝ｎ−Ｊ訂 で、（Ｈは定数）質量数Ｍ １−４−０．５ 、 Ｍ
１−）０．５＋１のイオンの軌道半径をＲ’、Ｒ“とじ
、Ｒ’−Ｒ十、ｕｔｉ 、 Ｒ“−Ｒ＋、！１２とお
いて、ＪＲ，１等を求めると、微分計算によって、 θが一般の値の場合はや呈複雑になるのでθ９０°の場
合を考えると、第５図によって（Ｒ＋Ｊ Ｒ，１） ｃ
ｏｓα＝Ｒ であるから 同様にして これを従来の磁界偏向型質量分析計で９００偏向型の場
合と比較すると、従来型の場合 α’−ＪＲ／Ｒ，ＪＲ＝Ｈ２／２Ｒ であるから（質量数の差を１とする）、 α′−Ｈ２／２Ｒ２ となり、α′は大体α２に等しく、α、α′はラジアン
単位で１より小さいからαは♂に比し著るしく大きい。

次に第３図で質量数差１に対応するイオンビームの平行
移動量Ｘを考える。

これは角Ｗを４５゜とすると、これは軌道半径の差と等
しいから今質量数１０００で臨界軌道半径を２０ｃ１ｎ
になるようにするとＨ２−０，４ となり、Ｘ−０，０１Ｃ７ｎとなる。

従ってイオンビームの太さは０．１ ｍａｎ以下にしな
げればならない。

第３図に示した実施例では各臨界軌道は磁界端面の同一
点Ｔで接しているが、この接点はずれていてもよい。

第６図はそのような実施例を示す。ＴＩ、Ｔ２．Ｔ３等
が臨界軌道の磁界射出端面Ａとの接点である。

本発明においては磁界に入射するイオンビームは走査に
当って平行に移動させるだけとは限らない。

一つの特殊な例として磁界への入射点を一定点にして入
射方向を変える構成を第１図に示す。

Ｍｇが偏向磁界、Ｍｚは走査用磁界で、Ｅは走査用電極
、■がイオン源である。

Ｍｓは一定磁界であって、第２図に示したＭｇと同じ作
用をしており、Ｅによって掃引されたイオンビームを磁
界Ｍｇの入射点Ｚに向ける。

この場合既に質量数の選別が行われている。

Ｍｓは入射面と射出面が平行で平行に入射した質量数の
同じイオンは射出後も平行を保っている。

偏向用磁界Ｍｇの入射点Ｚの位置でＭｇの入射面は射出
向Ａと平行であり、平行に入射する質量数の回じイオン
に対して全く同じ幾何光学的関係が取立つので、イオン
ビームが平行である限り相当に太くても分解能に関係せ
ず高い検出感度が得られる。

なお第３図の実施例でイオンビームを掃引するのに質量
数の犬なる側で振れ角をＯにしであるのは、イオンビー
ムを振らせるとイオンの損失が大きく感度が低下し、イ
オンの検出感度は質量数の犬なる程低下するので、その
低下を補うためにこのようにしであるのである。

なおまたイオンビームを掃引するには電界による他コイ
ルを用いてもよい。

コイルを用いる場合、それ自身多少の質量分析作用を呈
する。

コイルが空心であれば高速性能においてもヒステリシス
の問題においても全く支障はない。

本発明質量分析装置は上述したような構成で、静磁界を
用いるから高速走査ができヒステリシスの問題がなくて
再現性がよく、臨界軌道の近くを用いるので高分解能で
質量数の大小による分解能の差がない等の特長を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁界偏向型質量分析計の一般的構成を示す図、
第２図は既提案の質量分析計の構成図、第３図は本発明
の一実施例の構成図、第４、第５図は上記実施例の性能
を解析するための説明図、第６、第１図は夫々本発明の
他の実施例の構成図である。 Ｍｇ・・・偏向用磁界、■・・・イオン源、Ｄ・・・検
出器、Ａ・・・偏向用磁界のイオン射出端面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 偏向用静止磁界と、イオンビームの上記磁界への入
   射点或は入射方向を変化させるイオンビーム掃引手段と
   、上記偏向用磁界のイオン射出端面に近接して射出する
   イオンを検出し得る位置に配置されたイオン検出手段と
   よりなり、検出されるイオンより小さい質量数のイオン
   は上記射出端面からは外へ射出しないようにした質量分
   析装置。