JPWO2008107931A1 - Mass spectrometer - Google Patents

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JPWO2008107931A1
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克 西口
克 西口
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    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
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    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers
    • H01J49/408Time-of-flight spectrometers with multiple changes of direction, e.g. by using electric or magnetic sectors, closed-loop time-of-flight

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Abstract

本発明は、多重周回飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置に関する。4組の主電極(11a)、(12a)、(13a)、(14a)により、点(S、T)から点(T、S)までの半周の単位毎に完全時間収束条件が満たされた周回軌道(C)を形成する。さらに、その単位の最終の自由飛行空間に4本のロッド電極から成る静電四重極レンズ(15)、(16)を配置する。静電四重極レンズ(15)、(16)により形成される電場は、直線状のイオン光軸を含む平面に平行な方向の電位分布が、該イオン光軸に対して偶関数となる特性を持つので、そのレンズの極性や強さを適宜に調整することで、周回軌道(C)の時間収束性を保ったまま、空間的なイオン軌道を修正してイオン透過率を向上させることができる。The present invention relates to a multi-round time-of-flight or Fourier transform type mass spectrometer. The complete time convergence condition was satisfied for each half-round unit from the point (S, T) to the point (T, S) by the four sets of main electrodes (11a), (12a), (13a), (14a). A circular orbit (C) is formed. Furthermore, electrostatic quadrupole lenses (15) and (16) comprising four rod electrodes are arranged in the final free flight space of the unit. The electric field formed by the electrostatic quadrupole lenses (15) and (16) has a characteristic that the potential distribution in the direction parallel to the plane including the linear ion optical axis is an even function with respect to the ion optical axis. Therefore, by adjusting the polarity and strength of the lens appropriately, the ion transmissivity can be improved by correcting the spatial ion trajectory while maintaining the time convergence of the circular trajectory (C). it can.

Description

本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、閉じた周回軌道に沿ってイオンを繰り返し飛行させるためのイオン光学系を備える多重周回飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置に関する。   The present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly, to a multi-round time-of-flight or Fourier transform type mass spectrometer equipped with an ion optical system for repeatedly flying ions along a closed orbit.

一般に飛行時間型質量分析装置(TOF−MS)では、一定のエネルギーで以て加速したイオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する時間を計測することで、その飛行時間からイオンの質量を算出する。したがって、質量分解能を向上させるためには、飛行距離を伸ばすことが特に有効である。しかしながら、直線的に飛行距離を伸ばそうとすると装置が大形化することが避けられず実用的でないため、飛行距離を伸ばすために従来、多重周回飛行時間型質量分析装置と呼ばれる質量分析装置が開発されている(例えば特許文献1など参照)。   In general, a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS) measures the time required to fly a certain distance based on the fact that ions accelerated with a constant energy have a flight speed corresponding to the mass. The mass of ions is calculated from the flight time. Therefore, it is particularly effective to increase the flight distance in order to improve the mass resolution. However, when trying to extend the flight distance linearly, it is inevitable that the device will be enlarged, so a mass spectrometer called a multi-turn time-of-flight mass spectrometer has been developed to extend the flight distance. (See, for example, Patent Document 1).

こうした多重周回飛行時間型質量分析装置では、2乃至4個の扇形電場を用いて8の字状の閉じた周回軌道を形成し、この周回軌道に沿ってイオンを多数回繰り返し周回させることで飛行距離を実効的に長くしている。こうした構成によれば、飛行距離は装置サイズの制約を受けず、周回数を増す毎に質量分解能を向上させることができる。   In such a multi-round time-of-flight mass spectrometer, an eight-shaped closed orbit is formed by using 2 to 4 fan-shaped electric fields, and the ions are repeatedly circulated around the orbit by a number of times. The distance is effectively increased. According to such a configuration, the flight distance is not limited by the apparatus size, and the mass resolution can be improved every time the number of laps is increased.

上述したような多重周回飛行時間型質量分析装置では、同一の質量電荷比を持つイオンが周回中に時間的及び空間的に広がることで感度や分解能が低下しないようにする必要がある。そのため、周回軌道を形成するイオン光学系(以下の説明では、周回軌道を形成するイオン光学系を単にイオン光学系という)に与えられる条件としては、単に幾何学構造的に閉軌道を有するということだけでは不十分であり、周回後の飛行時間ピーク幅が増大しないことや周回後のイオンビームが発散しないことが要求される。   In the multi-round time-of-flight mass spectrometer as described above, it is necessary to prevent the sensitivity and resolution from deteriorating because ions having the same mass-to-charge ratio spread temporally and spatially during the round. Therefore, as a condition given to an ion optical system that forms a circular orbit (in the following description, an ion optical system that forms a circular orbit is simply referred to as an ion optical system), it simply has a closed orbit in terms of geometric structure. It is not sufficient, and it is required that the flight time peak width after the lap does not increase and that the ion beam after the lap does not diverge.

こうした要求に応えるため、例えば特許文献1に記載の多重周回飛行時間型質量分析装置では、時間収束条件として、周回後のイオンの飛行時間が周回開始時点でのイオンの初期位置、初期角度、及び初期エネルギーに依存しないことを要求し、さらに空間的な特性として、周回後のイオンの位置及び角度の状態が周回前と同一の状態であることを要求している。即ち、これは、イオンの質量の相違による飛行時間の相違以外については、周回前と周回後とでイオンの位置や方向(角度)などを全く同一とするべく完全収束条件を満たすという要求である。   In order to meet such a demand, for example, in the multi-round flight time mass spectrometer described in Patent Document 1, as the time convergence condition, the ion initial position, initial angle at the time when the flight time of the lap after the lap starts, and It is required not to depend on the initial energy, and further, as a spatial characteristic, it is required that the state of the position and angle of ions after circulation is the same as that before rotation. That is, this is a requirement that the complete convergence condition is satisfied so that the positions and directions (angles) of the ions are exactly the same before and after the turn except for the difference in the flight time due to the difference in the mass of the ions. .

上記のようなイオン光学系の設計、具体的にはイオン光学系を構成する電極の形状や配置、或いは電極に印加する電圧などのパラメータの決定は、前述の収束条件を含む各種条件の制約の下に、周回軌道に入射されるイオンに初期エネルギーや位置、角度などのばらつきを与えたときのイオンの飛行軌道をコンピュータでシミュレーションすることにより行われる。こうしたシミュレーションの結果、イオン光学系の幾つかの候補を挙げ、その中から設計者が適切なものを選択するという手順が採られるのが一般的である。   The design of the ion optical system as described above, specifically, the determination of parameters such as the shape and arrangement of the electrodes constituting the ion optical system, or the voltage applied to the electrodes, is subject to the constraints of various conditions including the convergence conditions described above. Below, it is carried out by simulating the flight trajectory of ions when the initial energy, position, angle and other variations are given to the ions incident on the orbit. As a result of such simulation, a procedure is generally adopted in which several candidates of the ion optical system are listed and a designer selects an appropriate one from them.

ところが、上記候補の中には時間収束条件は満足するものの、空間的な軌道の安定性が不十分であるものが存在する。従来、こうしたイオン光学系は、いかに他の条件が好ましいもの(例えば装置サイズが小さい、電極の作製が容易である等)であっても、これを採用することはできず、イオン光学系の再設計を行う必要があった。   However, some of the candidates satisfy the time convergence condition but have insufficient spatial trajectory stability. Conventionally, such an ion optical system cannot be adopted even if other conditions are preferable (for example, the device size is small, the electrode can be easily manufactured, etc.). There was a need to design.

また、時間収束条件を満たした上で或る程度満足できる程度に軌道の安定性が確保されているイオン光学系に対しても、空間的な軌道の安定性をさらに高めることでイオン透過率を向上させ、分析感度を上げたいという要求も大きい。しかしながら、時間収束条件を保存したまま空間的な軌道安定性のみを改善するような方法は従来知られていなかった。   In addition, even for ion optical systems in which the stability of the orbit is ensured to some extent after satisfying the time convergence condition, the ion transmittance can be improved by further improving the stability of the spatial orbit. There is also a great demand to improve the analysis sensitivity. However, a method for improving only the spatial orbit stability while preserving the time convergence condition has not been known.

なお、上述したような問題は、イオンを周回軌道に沿って所定回数周回させた後に検出する構成のみならず、イオンを周回軌道に沿って周回させながらその途中でイオン非破壊型検出器(又はイオンの一部を分離して検出する検出器)により繰り返しイオン検出を行い、周回毎に得られる検出信号をフーリエ変換に供することでイオンの質量電荷比を算出する構成の、いわゆるフーリエ変換型質量分析装置でも同じである(例えば特許文献2参照)。   The above-described problem is not limited to the configuration in which ions are circulated a predetermined number of times along the circular orbit, but also the ion non-destructive detector (or in the middle of circulating the ions along the circular orbit) (or A so-called Fourier transform type mass that is configured to calculate the mass-to-charge ratio of the ions by repeatedly detecting the ions with a detector that separates and detecting a part of the ions) and subjecting the detection signal obtained for each round to Fourier transform. The same applies to the analyzer (see, for example, Patent Document 2).

特開平11−195398号公報JP-A-11-195398 特開2005−79037号公報JP-A-2005-79037

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、多重周回軌道を有する飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置において、時間収束条件を満足しながらも空間的な軌道の安定性が確保されていない又は不十分であるようなイオン光学系に対し、時間収束条件を崩すことなく空間的な軌道の安定性を確保又は向上させることができる質量分析装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and its main object is to provide a time-of-flight or Fourier transform-type mass spectrometer having multiple orbits while satisfying the time convergence condition and spatial. Provided is a mass spectrometer capable of ensuring or improving the stability of a spatial orbit without breaking the time convergence condition for an ion optical system in which orbital stability is not ensured or insufficient. That is.

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、複数の扇形電場を含む電場の作用によって閉じた周回軌道に沿ってイオンを繰り返し飛行させることで該イオンを質量電荷比に応じて分離する多重周回飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置であって、
a)1周回又は1/n(nは2以上の整数)周回を単位として時間収束条件を満たすようにイオンを飛行させるべく、それぞれ扇形電場を生成する複数の主電極と、
b)前記単位の中で前記扇形電場の影響が及ばない最終の自由飛行空間に配置された、時間収束性に影響を与えずにイオンの空間的な軌道を修正する補助電場を形成する補助電極と、
を備えることを特徴としている。
The mass spectrometer according to the present invention, which has been made to solve the above-described problems, causes ions to have a mass-to-charge ratio by repeatedly flying ions along a circular orbit closed by the action of an electric field including a plurality of electric fields. A multi-round time-of-flight or Fourier transform type mass spectrometer that separates according to
a) a plurality of main electrodes each generating a sectoral electric field to fly ions so as to satisfy a time convergence condition in units of one round or 1 / n (n is an integer of 2 or more);
b) An auxiliary electrode arranged in the final free flight space that is not affected by the electric sector in the unit and forming an auxiliary electric field that corrects the spatial trajectory of ions without affecting the time convergence. When,
It is characterized by having.

時間収束条件が満たされている状態とは、イオンの飛行時間が、イオンの初期位置、初期角度、及び初期エネルギーに依存しない、つまり、これらの条件がばらついてもイオンの質量が同一であれば同一の飛行時間となる状態である。   The time convergence condition is satisfied when the ion flight time does not depend on the initial position, initial angle, and initial energy of the ion, that is, if the ion mass is the same even if these conditions vary. It is in a state where the flight time is the same.

また、自由飛行空間とは周回軌道を形成するための扇形電場の影響が及ばずにイオンがほぼ直進する空間であって、「単位の中」の「最終の自由飛行空間」とはその単位の終点よりも手前で且つ最も近い位置の自由飛行空間を指す。   The free flight space is a space where ions travel almost straight without being affected by the sectoral electric field to form a circular orbit, and the “final free flight space” in the “unit” is the unit's It refers to the free flight space in front of and close to the end point.

本発明に係る質量分析装置では、複数の主電極によりイオンの周回軌道が形成され、その周回軌道の中で各単位毎に少なくとも時間収束条件は保証されている。一方、単位毎の空間収束条件は満たされていないか、或いは、理論的な空間収束条件は一応満たされているものの軌道安定性を確保するための境界条件に近く、製造上のばらつき等の要素を考慮すると軌道が不安定になり易いものでよい。付加的に設けられた補助電極は、周期軌道の時間収束条件を崩すことなく、イオンの軌道を空間的に修正することで空間的な軌道の安定性を達成する又は安定性を増すように作用する。即ち、従来の多重周回飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置では、周回軌道の中の自由飛行空間ではイオンはほぼ直線的に飛行するが、本発明に係る質量分析装置では、自由飛行空間の中でも最終の自由飛行空間において、補助電場中をイオンが通り抜ける際にその電場の影響で軌道が僅かに曲げられることにより軌道が修正される。   In the mass spectrometer according to the present invention, an ion orbit is formed by a plurality of main electrodes, and at least the time convergence condition is guaranteed for each unit in the orbit. On the other hand, the spatial convergence condition for each unit is not satisfied, or the theoretical spatial convergence condition is satisfied for the time being, but it is close to the boundary condition for ensuring orbital stability, and factors such as manufacturing variations Considering the above, the track may be unstable. The additional auxiliary electrode acts to achieve or increase the stability of the spatial trajectory by spatially modifying the ion trajectory without breaking the time convergence condition of the periodic trajectory. To do. That is, in the conventional multi-orbit flight time type or Fourier transform type mass spectrometer, ions fly almost linearly in the free flight space in the orbit, but in the mass spectrometer according to the present invention, the free flight space Among them, in the final free flight space, when the ions pass through the auxiliary electric field, the trajectory is corrected by being slightly bent by the influence of the electric field.

時間収束条件を崩さずに軌道安定性を向上させるために、上記補助電極は、次のような3つの条件を満たすことが必要である。
(1)イオン光軸が直線状である。
(2)電場のみを生成する(磁場を生成しない)。
(3)イオン光軸を含む平面に平行な方向の電位分布が該イオン光軸に対して偶関数となる電場を生成する。
In order to improve the orbital stability without breaking the time convergence condition, the auxiliary electrode needs to satisfy the following three conditions.
(1) The ion optical axis is linear.
(2) Only an electric field is generated (no magnetic field is generated).
(3) An electric field in which a potential distribution in a direction parallel to a plane including the ion optical axis is an even function with respect to the ion optical axis is generated.

ここで、1つの最終の自由飛行空間内に配置された1組の補助電極により上記のような特性が実現されるようにしてもよいのは当然であるが、1つの最終の自由飛行空間内でイオン光軸の方向に沿って複数配置された補助電極の組によって上記のような特性が実現されるようにしてもよい。この場合、1つの最終の自由飛行空間内に配置された複数組の補助電極は、各組毎に上記(1)、(2)の条件を満たす必要があるが、各組毎に(3)の条件を満たす必要はなく複数組の補助電極で形成される補助電場を合わせて(3)の条件が満たされればよい。   Here, as a matter of course, the above-described characteristics may be realized by a set of auxiliary electrodes arranged in one final free flight space. Thus, the above-described characteristics may be realized by a plurality of sets of auxiliary electrodes arranged along the direction of the ion optical axis. In this case, a plurality of sets of auxiliary electrodes arranged in one final free flight space must satisfy the above conditions (1) and (2) for each set, but for each set (3) It is not necessary to satisfy the condition (3) as long as the condition (3) is satisfied by combining the auxiliary electric fields formed by a plurality of sets of auxiliary electrodes.

本発明に係る質量分析装置の具体的な実施態様として、上記補助電極は静電四重極レンズである構成とすることができる。典型的な静電四重極レンズの構成は、内面が円筒曲面状又は双曲面状の4本のロッド電極を直線状のイオン光軸を中心とする円筒の周面に内接するように互いに平行に、且つイオン光軸の周りに90°毎の角度間隔離して配置したものである。また、よりロッド電極の数を増やした多重極レンズを用いることもできる。   As a specific embodiment of the mass spectrometer according to the present invention, the auxiliary electrode may be an electrostatic quadrupole lens. The configuration of a typical electrostatic quadrupole lens is parallel to each other so that four rod electrodes whose inner surfaces are cylindrically curved or hyperboloid are inscribed in a cylindrical peripheral surface centered on a linear ion optical axis. And spaced apart by an angle of 90 ° around the ion optical axis. In addition, a multipole lens having a larger number of rod electrodes can be used.

本発明に係る質量分析装置によれば、付加的に設ける補助電極によりイオンの空間的な軌道の安定性を増すことができるので、周回軌道を形成する主電極については完全時間収束条件を満たすように設計すればよく、イオン光学系の設計の自由度が従来よりも広がる。また、空間的な軌道の安定性が或る程度確保されている周回軌道を形成するイオン光学系についても、さらにそのイオン軌道の安定性を改善することができ、イオン透過率を向上させることで分析感度を上げることができる。さらにまた、イオン透過率が高いことはイオンの周回数を増やしても十分な量のイオンを検出器に到達させることができることを意味するので、質量分解能を向上させることもできる。   According to the mass spectrometer according to the present invention, the stability of the ion's spatial trajectory can be increased by the additional auxiliary electrode, so that the main electrode forming the circular trajectory satisfies the full time convergence condition. The degree of freedom in designing the ion optical system is wider than before. In addition, with respect to an ion optical system that forms a circular orbit in which a certain degree of spatial orbital stability is ensured, the ion orbital stability can be further improved and the ion transmittance can be improved. Analysis sensitivity can be increased. Furthermore, since the high ion permeability means that a sufficient amount of ions can reach the detector even if the number of ions is increased, the mass resolution can be improved.

本発明の一実施例による多重周回飛行時間型質量分析装置のイオン光学系の概略上面図。1 is a schematic top view of an ion optical system of a multi-turn time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention. 本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置における補助電極である四重極レンズの概略斜視図。The schematic perspective view of the quadrupole lens which is an auxiliary electrode in the multi-turn time-of-flight mass spectrometer of a present Example. 初期位置、初期角度、初期エネルギーの相違するイオンの1周回分の飛行軌道をシミュレーションにより描出した図。The figure which drew the flight trajectory for 1 round of the ion from which an initial position, an initial angle, and initial energy differ by simulation. 周回数とイオン透過率との関係のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the relationship between the frequency | count of circulation and ion transmittance. イオン軌道の表現法を説明するための図。The figure for demonstrating the expression method of an ion orbit.

符号の説明Explanation of symbols

1…イオン光学系
11、12、13、14…主電極
E1、E2、E3、E4…トロイダル扇形電場
11a、12a、13a、14a…外側電極
11b、12b、13b、14b…内側電極
15、16…静電四重極レンズ(補助電極)
15a、15b、15c、15d、16a、16b、16c、16d…ロッド電極
C…周回軌道
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion optical system 11, 12, 13, 14 ... Main electrode E1, E2, E3, E4 ... Toroidal sector electric field 11a, 12a, 13a, 14a ... Outer electrode 11b, 12b, 13b, 14b ... Inner electrode 15, 16 ... Electrostatic quadrupole lens (auxiliary electrode)
15 a, 15 b, 15 c, 15 d, 16 a, 16 b, 16 c, 16 d... Rod electrode C.

まず、以降の説明に使用するイオンの軌道の表現法について図5を参照しながら説明する。いま、イオンが入射面から入射し、扇形電場などを含む任意のイオン光学系により輸送されて出射面から出射する場合を想定する。便宜上、図5ではイオンの中心軌道を直線的に描いている。このイオンの進行方向をZ方向とする。また、中心軌道を通る特定エネルギーを有し特定の質量電荷比を持つイオンを基準イオンとして定める。位置、角度(飛行方向)及び運動エネルギーに関し、基準イオンからずれた初期値を有して入射面を出発したイオンが、出射面において中心軌道を進んだイオンに対して持つ空間的ずれ及び時間的ずれは、周知のイオン光学系の理論より次のような一次近似式で表される。
x=(x|x)x+(x|α)α+(x|δ)δ …(1)
α=(α|x)x+(α|α)α+(α|δ)δ …(2)
y=(y|y)y+(y|β)β …(3)
β=(β|y)y+(β|β)β …(4)
t=(t|x)x+(t|α)α+(t|δ)δ …(5)
First, an expression method of ion trajectories used in the following description will be described with reference to FIG. Assume that ions are incident from the incident surface, transported by an arbitrary ion optical system including a sector electric field, and emitted from the exit surface. For convenience, the central trajectory of ions is drawn linearly in FIG. The traveling direction of these ions is taken as the Z direction. Further, an ion having specific energy passing through the central trajectory and having a specific mass-to-charge ratio is determined as a reference ion. With respect to position, angle (flight direction) and kinetic energy, the ions that depart from the entrance surface with initial values deviated from the reference ions have spatial deviation and temporal variation with respect to the ions that have traveled the central trajectory on the exit surface. The deviation is expressed by the following first-order approximation expression based on the well-known theory of the ion optical system.
x = (x | x) x 0 + (x | α) α 0 + (x | δ) δ (1)
α = (α | x) x 0 + (α | α) α 0 + (α | δ) δ (2)
y = (y | y) y 0 + (y | β) β 0 (3)
β = (β | y) y 0 + (β | β) β 0 (4)
t = (t | x) x 0 + (t | α) α 0 + (t | δ) δ (5)

ここで、x、αは入射面における周回軌道面内で中心軌道に直交する方向(図5中のX方向)の位置及び中心軌道に対する角度(飛行方向)のずれ量である。y、βは入射面における周回軌道面に垂直な平面内で中心軌道に直交する方向の位置及び中心軌道に対する角度のずれ量である。x、αは出射面における周回軌道面内で中心軌道に直交する方向の位置(図5中のX方向)及び中心軌道に対する角度の変位量である。y、βは出射面における周回軌道面に垂直な平面内で中心軌道に直交する方向(図5中のY方向)の位置及び中心軌道に対する角度の変位量である。δは入射面におけるエネルギーのずれ量である。tは任意イオンの基準イオンに対する中心軌道に平行な方向への飛行距離のずれ(つまり進み又は遅れ)を表し、基準イオンに対する飛行時間のずれに対応するものである。そして、(x|x)、(x|α)、(x|δ)、(α|x)、(α|α)、(α|δ)、(y|y)、(y|β)、(β|y)、(β|β)、(t|x)、(t|α)、(t|δ)は、イオン光学系において括弧内の記号の要素により決まる係数(1次係数)である。Here, x 0 and α 0 are the position in the direction orthogonal to the center orbit (X direction in FIG. 5) and the angle (flight direction) deviation amount in the circular orbit plane on the incident surface. y 0 and β 0 are the position in the direction perpendicular to the center orbit in the plane perpendicular to the circular orbit surface on the incident surface and the amount of deviation of the angle with respect to the center orbit. x and α are a position in the direction orthogonal to the center orbit (X direction in FIG. 5) and a displacement amount of an angle with respect to the center orbit in the circular orbit surface on the exit surface. y and β are the position in the direction perpendicular to the center orbit (Y direction in FIG. 5) in the plane perpendicular to the circular orbit surface on the exit surface and the amount of displacement of the angle with respect to the center orbit. δ is an energy shift amount on the incident surface. t represents a deviation (in other words, advance or delay) of a flight distance in a direction parallel to the central trajectory of an arbitrary ion with respect to a reference ion, and corresponds to a deviation in flight time with respect to the reference ion. (X | x), (x | α), (x | δ), (α | x), (α | α), (α | δ), (y | y), (y | β), (Β | y), (β | β), (t | x), (t | α), (t | δ) are coefficients (primary coefficients) determined by elements of the symbols in parentheses in the ion optical system. is there.

(1)〜(4)式中に現れる係数が空間的な軌道安定性に影響する空間収差係数であり、(5)式中に現れる係数が時間収束性に影響する時間収差係数である。一般的に完全時間収束条件は、1次時間収差係数について次の式で与えられることが知られている。
(t|x)=(t|α)=(t|δ)=0 …(6)
The coefficient appearing in the equations (1) to (4) is a spatial aberration coefficient affecting the spatial orbital stability, and the coefficient appearing in the equation (5) is a temporal aberration coefficient affecting the time convergence. In general, it is known that the perfect time convergence condition is given by the following equation for the first-order time aberration coefficient.
(T | x) = (t | α) = (t | δ) = 0 (6)

一方、空間収差係数に関しては、本願発明者らの検討により、次のような条件を満たすことが軌道の安定性のために有効であることが明らかになっている(特願2006−197626号を参照)
−2<(x|x)+(α|α)<2 …(7)
−2<(y|y)+(β|β)<2 …(8)
|(x|δ)|<1 …(9)
|(α|δ)|<1 …(10)
On the other hand, with regard to the spatial aberration coefficient, it has been clarified by the inventors that the following conditions are effective for the stability of the orbit (Japanese Patent Application No. 2006-197626). reference)
-2 <(x | x) + (α | α) <2 (7)
-2 <(y | y) + (β | β) <2 (8)
| (X | δ) | <1 (9)
| (Α | δ) | <1 (10)

ところで、イオンが複数のイオン光学要素(通常は電場を形成する電極)を順次通過する場合において、n番目のイオン光学要素を通過した後の各収差係数は、イオン光学の理論により次のように計算される。
(x|x)=(x|x)(x|x)nー1+(x|α)(α|x)nー1 …(11)
(α|α)=(α|x)(x|α)nー1+(α|α)(α|α)nー1 …(12)
(y|y)=(y|y)(y|y)nー1+(y|β)(β|y)nー1 …(13)
(β|β)=(β|y)(y|β)nー1+(β|β)(β|β)nー1 …(14)
(t|x)=(t|x)(x|x)nー1+(t|α)(α|x)nー1+(t|x)nー1 …(15)
(t|α)=(t|x)(x|α)nー1+(t|α)(α|α)nー1+(t|α)nー1 …(16)
(t|δ)=(t|x)(x|δ)nー1+(t|α)(α|δ)nー1+(t|δ)nー1+(t|δ) …(17)
By the way, in the case where ions sequentially pass through a plurality of ion optical elements (usually electrodes that form an electric field), each aberration coefficient after passing through the nth ion optical element is as follows according to the theory of ion optics: Calculated.
(X | x) n = (x | x) (x | x) n−1 + (x | α) (α | x) n−1 (11)
(Α | α) n = (α | x) (x | α) n−1 + (α | α) (α | α) n−1 (12)
(Y | y) n = (y | y) (y | y) n−1 + (y | β) (β | y) n−1 (13)
(Β | β) n = (β | y) (y | β) n−1 + (β | β) (β | β) n−1 (14)
(T | x) n = (t | x) (x | x) n−1 + (t | α) (α | x) n−1 + (t | x) n−1 (15)
(T | α) n = (t | x) (x | α) n−1 + (t | α) (α | α) n−1 + (t | α) n−1 (16)
(T | δ) n = (t | x) (x | δ) n−1 + (t | α) (α | δ) n−1 + (t | δ) n−1 + (t | δ) (17)

上記(11)〜(17)式で下付きの指標(例えばn−1)が付された収差係数は、その指標で示される数のイオン光学要素を順に通過した後の収差係数を表し、無指標の収差係数はn番目のイオン光学要素単体での収差係数を表す。空間収差係数に関しては代表的な4例を上記(11)〜(14)式に示した。空間的な軌道安定性を増すために軌道を修正する目的で、(11)式、(12)式の右辺においてnー1番目までの空間収差係数変化させると、一般的には(15)式〜(17)式の時間収差係数も変化してしまう。即ち、完全時間収束が達成されているイオン光学系では、イオン光学要素のパラメータを調整することで空間的な軌道安定性を上げようとすると時間収束条件が崩れてしまうことになる。   The aberration coefficient to which a subscript index (for example, n−1) is attached in the above formulas (11) to (17) represents an aberration coefficient after sequentially passing through the number of ion optical elements indicated by the index. The index aberration coefficient represents the aberration coefficient of the nth ion optical element alone. Regarding the spatial aberration coefficient, four typical examples are shown in the above equations (11) to (14). For the purpose of correcting the trajectory to increase the spatial trajectory stability, changing the spatial aberration coefficient up to n-1 on the right side of Equations (11) and (12) generally results in Equation (15). The time aberration coefficient in the expression (17) also changes. In other words, in an ion optical system in which complete time convergence is achieved, the time convergence condition is broken if an attempt is made to increase the spatial orbital stability by adjusting the parameters of the ion optical element.

そこで本発明に係る質量分析装置では、時間収束条件が満たされている周回軌道を形成する基本的なイオン光学系には手を加えずに、その周回軌道に沿った所定の位置に軌道を修正するためのイオン光学系を別途追加することにより、元々の時間収束条件を崩すことなく空間的な軌道安定性のみを改善するようにしている。次に、本発明の一実施例である多重周回飛行時間型質量分析装置について図1〜図3を参照して説明する。   Therefore, in the mass spectrometer according to the present invention, the trajectory is corrected to a predetermined position along the orbit without changing the basic ion optical system that forms the orbit that satisfies the time convergence condition. By separately adding an ion optical system for this purpose, only the spatial trajectory stability is improved without breaking the original time convergence condition. Next, a multi-turn time-of-flight mass spectrometer that is an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は本実施例による質量分析装置においてイオンを多重周回させるためのイオン光学系1の概略上面図である。このイオン光学系1では、外側電極と内側電極とを組とする主電極を4個配置し、それら主電極に印加される直流電圧により形成される静電場の作用によって略8の字形状の周回軌道Cを形成する。即ち、第1主電極11の外側電極11aと内側電極11bとの間には第1トロイダル扇形電場E1、第2主電極12の外側電極12aと内側電極12bとの間には第2トロイダル扇形電場E2、第3主電極13の外側電極13aと内側電極13bとの間には第3トロイダル扇形電場E3、第4主電極14の外側電極14aと内側電極14bとの間には第4トロイダル扇形電場E4がそれぞれ形成され、それらトロイダル扇形電場E1〜E4を通過する際にイオンは円弧状に大きく屈曲され、電場が及ばない自由飛行空間ではイオンはほぼ直進することで、図示したような周回軌道Cが形成される。即ち、図1では紙面に平行な面がX−Z平面(図5における周回軌道面)となる。   FIG. 1 is a schematic top view of an ion optical system 1 for making multiple circulations of ions in the mass spectrometer according to the present embodiment. In the ion optical system 1, four main electrodes each having a pair of an outer electrode and an inner electrode are arranged, and an approximately 8-shaped circuit is formed by the action of an electrostatic field formed by a DC voltage applied to the main electrodes. A trajectory C is formed. That is, the first toroidal electric field E1 is between the outer electrode 11a and the inner electrode 11b of the first main electrode 11, and the second toroidal electric field is between the outer electrode 12a and the inner electrode 12b of the second main electrode 12. E2, a third toroidal electric field E3 between the outer electrode 13a and the inner electrode 13b of the third main electrode 13, and a fourth toroidal electric field between the outer electrode 14a and the inner electrode 14b of the fourth main electrode 14. E4 is formed, and when passing through these toroidal sector electric fields E1 to E4, the ions are greatly bent in a circular arc shape, and the ions travel almost straight in a free flight space where the electric field does not reach, so that the circular orbit C as shown in the figure. Is formed. That is, in FIG. 1, the plane parallel to the paper surface is the XZ plane (circular orbit surface in FIG. 5).

この周回軌道Cの中で、第4主電極14の出口端面と第1主電極11の入口端面との間の中点が1周の開始点(及び1周の終了点)Sである。第2主電極12の出口端面と第3主電極13の入口端面との間の中点が半周の開始点(及び半周の終了点)Tである。ここでは、この点Sから点Tまでの半周、及び、点Tから点Sまでの半周がそれぞれ完全時間収束条件が満たされた単位である。つまり、この例は本発明においてn=2の場合の例である。なお、図示しないが、点Sの位置に入射ゲート電極と出射ゲート電極とが配設され、外部で生成されたイオンは入射ゲート電極により周回軌道Cに導入され、他方、周回軌道Cに沿って周回したイオンは出射ゲート電極により周回軌道Cを外れてイオン検出器(図示しない)に導かれる。また、出射ゲート電極は点Tから周回軌道Cを外れるようにしてもよい。   In this orbit C, the midpoint between the exit end face of the fourth main electrode 14 and the entrance end face of the first main electrode 11 is the start point (and end point of one turn) S. The midpoint between the exit end face of the second main electrode 12 and the entrance end face of the third main electrode 13 is a half-circumference start point (and a half-circumference end point) T. Here, the half circle from point S to point T and the half circle from point T to point S are units in which the complete time convergence condition is satisfied. That is, this example is an example in the case of n = 2 in the present invention. Although not shown, an entrance gate electrode and an exit gate electrode are disposed at the position of point S, and ions generated outside are introduced into the orbit C by the entrance gate electrode, and on the other hand, along the orbit C Circulated ions deviate from the orbit C on the exit gate electrode and are guided to an ion detector (not shown). Further, the exit gate electrode may deviate from the orbit C from the point T.

後述する静電四重極レンズを除いた上記主電極11〜14により形成される基本イオン光学系の諸元は、DL1=80.2mm、R=50mm、W=157.35mm、C=0.025、G1=10mm、DL2=107.8mm、である。DL1は点Sから第1主電極11の入口端面までの距離、Rはトロイダル扇形電場E1〜E4の中心軌道半径、Wは主電極11〜14の図1の紙面に直交する方向の長さ、Cは中心軌道半径をrとし、中心軌道に直交する平面内での等電位面の曲率半径をRとしたとき、C=r/R、で定義されるC値、G1は主電極11〜14の外側電極11a〜14aと内側電極11b〜14bとの間隔の半値(イオン光軸との間の距離)、DL2は第1主電極11の出口端面と第2主電極12の入口端面及び第3主電極13の出口端面と第4主電極14の入口端面との間の距離の半値である。Specifications of the basic ion optical system formed by the main electrodes 11 to 14 excluding the electrostatic quadrupole lens described later are DL1 = 80.2 mm, R = 50 mm, W = 157.35 mm, C = 0. 025, G1 = 10 mm, DL2 = 107.8 mm. DL1 is the distance from the point S to the entrance end face of the first main electrode 11, R is the center orbit radius of the toroidal electric fields E1 to E4, W is the length of the main electrodes 11 to 14 in the direction perpendicular to the plane of FIG. C is the center trajectory radius r 0, and a radius of curvature of the equipotential surfaces in the plane perpendicular to the central orbit was R, C = r 0 / R , in being defined C value, G1 is main electrodes 11 ˜14 of the distance between the outer electrodes 11a to 14a and the inner electrodes 11b to 14b (distance between the ion optical axes), DL2 is the outlet end face of the first main electrode 11 and the inlet end face of the second main electrode 12; This is a half value of the distance between the outlet end face of the third main electrode 13 and the inlet end face of the fourth main electrode 14.

この基本イオン光学系における、半周(つまりは1単位)の収差係数、及び1周(つまりは2単位)の収差係数はそれぞれ次の表1、表2に示すようになっている。

Figure 2008107931
Figure 2008107931
In this basic ion optical system, the aberration coefficient for half a circle (that is, one unit) and the aberration coefficient for one circle (that is, two units) are as shown in the following Tables 1 and 2, respectively.
Figure 2008107931
Figure 2008107931

半周が完全時間収束の単位となるイオン光学系であるから、半周、1周共に1次時間収差係数(t|x)、(t|α)及び(t|δ)はゼロとなっている。一方、1周後の空間収差係数に着目すると、(x|x)と(α|α)との和は−1.97となっている。これは、上記(7)式で与えられる軌道安定化条件の範囲内ではあるものの、その境界値(−2)に近い値であるため好ましい状態ではない。何故なら、(7)式は1次の収差のみを考慮したものであるから、2次以上の高次の収差係数の影響により実質的には軌道安定条件を外れるおそれがあり、また製造上の各部品の寸法精度や配置上の精度などの許容値がきわめて小さくなって少しの誤差でも十分な軌道安定性が確保できなくなるおそれがあるからである。   Since the half-circumference is an ion optical system that is a unit of complete time convergence, the primary time aberration coefficients (t | x), (t | α), and (t | δ) are zero for both the half-circumference and the one-round. On the other hand, focusing on the spatial aberration coefficient after one round, the sum of (x | x) and (α | α) is −1.97. Although this is within the range of the orbit stabilization condition given by the above equation (7), it is not preferable because it is close to the boundary value (−2). This is because the equation (7) considers only the first-order aberration, so there is a risk that the orbital stability condition may be substantially deviated due to the influence of the second-order or higher-order aberration coefficient. This is because the tolerances such as the dimensional accuracy and the placement accuracy of each component are extremely small, and there is a possibility that sufficient trajectory stability cannot be secured even with a small error.

そこで、本実施例の質量分析装置では、主電極11〜14を含む上記基本イオン光学系に対し、時間収束単位の最終段の自由飛行空間に本発明における補助電極としての静電四重極レンズ15、16を挿入する。前述のように基本イオン光学系は、半周が完全時間収束の単位である。したがって、第4主電極14の出口端面から点Sまでが点Tから点Sまでの半周の時間収束単位の最終段の自由飛行空間である。そこで、ここに静電四重極レンズ15を挿入する。また、第2主電極12の出口端面から点Tまでが点Sから点Tまでの半周の時間収束単位の最終段の自由飛行空間である。そこで、ここに別の静電四重極レンズ16を挿入する。なお、最終段の自由飛行空間内であれば、静電四重極レンズ15、16の挿入位置は周回軌道Cに沿って適宜ずらすことができる。   Therefore, in the mass spectrometer of the present embodiment, an electrostatic quadrupole lens serving as an auxiliary electrode in the present invention in the free flight space at the final stage of the time convergence unit with respect to the basic ion optical system including the main electrodes 11 to 14. 15 and 16 are inserted. As described above, in the basic ion optical system, the half circumference is a unit for complete time convergence. Therefore, the free flight space of the last stage of the time convergence unit of the half circumference from the point T to the point S is from the exit end face of the fourth main electrode 14 to the point S. Therefore, the electrostatic quadrupole lens 15 is inserted here. Further, the free flight space of the last stage of the time convergence unit of the half circumference from the point S to the point T is from the exit end face of the second main electrode 12 to the point T. Therefore, another electrostatic quadrupole lens 16 is inserted here. In addition, if it is in the free flight space of the last stage, the insertion position of the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 can be suitably shifted along the circular orbit C.

図2は静電四重極レンズ15の概略斜視図である。他の静電四重極レンズ16も全く同一である。この静電四重極レンズ15は、イオン光軸を中心にした円筒周面に内接するように互いに平行に配置された4本の円柱形状のロッド電極15a、15b、15c、15dから成り、ロッド電極15a、15cの中心がY軸上で対向し、ロッド電極15b、15dの中心がX軸上対向するように配置されている。イオン光軸を挟んで対向する2本のロッド電極(15aと15c、15bと15d)には同一の直流電圧が印加され、周方向に隣接するロッド電極には絶対値は同一で極性のみが反対の直流電圧が印加される。通過するイオンの極性に応じて各ロッド電極15a〜15dに印加する直流電圧の極性を適宜定めることで、この静電四重極レンズ15(又は16)はイオン流に対しX方向に凹レンズ又は凸レンズのいずれかとして作用する。また、印加電圧の値を調整することで、レンズ特性(つまりイオン流の集束性又は拡散性)が変化する。   FIG. 2 is a schematic perspective view of the electrostatic quadrupole lens 15. The other electrostatic quadrupole lens 16 is exactly the same. The electrostatic quadrupole lens 15 includes four cylindrical rod electrodes 15a, 15b, 15c, and 15d arranged in parallel to each other so as to be inscribed in a cylindrical circumferential surface centered on the ion optical axis. The centers of the electrodes 15a and 15c are arranged so as to face each other on the Y axis, and the centers of the rod electrodes 15b and 15d are arranged so as to face each other on the X axis. The same DC voltage is applied to the two rod electrodes (15a and 15c, 15b and 15d) facing each other across the ion optical axis, and the rod electrodes adjacent in the circumferential direction have the same absolute value but only the opposite polarity. DC voltage is applied. The electrostatic quadrupole lens 15 (or 16) is a concave lens or convex lens in the X direction with respect to the ion flow by appropriately determining the polarity of the DC voltage applied to each of the rod electrodes 15a to 15d according to the polarity of ions passing therethrough. Act as either. Further, by adjusting the value of the applied voltage, the lens characteristics (that is, the ion current focusing or diffusing property) change.

単なる自由飛行空間である場合と、該自由空間に静電四重極レンズを挿入した場合との収差係数について説明する。表3は自由飛行空間及び静電四重極レンズの収差係数である。表3中のLはイオン光軸方向の長さである。

Figure 2008107931
Aberration coefficients for a simple free flight space and a case where an electrostatic quadrupole lens is inserted in the free space will be described. Table 3 shows aberration coefficients of the free flight space and the electrostatic quadrupole lens. L in Table 3 is the length in the ion optical axis direction.
Figure 2008107931

表3中の静電四重極レンズの収差係数に現れる定数kは四重極電場の強さ等により決定される定数であり、ロッド電極への印加電圧により変化させることができる。なお、ここでは静電四重極レンズの収差係数を三角関数を用いて表しているが、kの値によっては双曲線関数を用いる等の変形が必要となる。表3で明らかなように、(11)式、(12)式の右辺に存在する収差係数は自由飛行空間と静電四重極レンズとでは異なるため、自由飛行空間の一部を静電四重極レンズで置き換えることにより(11)式、(12)式の右辺の調整が可能であり、イオン軌道の位置や角度の修正が行えることが分かる。   The constant k appearing in the aberration coefficient of the electrostatic quadrupole lens in Table 3 is a constant determined by the intensity of the quadrupole electric field and the like, and can be changed by the voltage applied to the rod electrode. Here, the aberration coefficient of the electrostatic quadrupole lens is expressed using a trigonometric function, but depending on the value of k, a modification such as using a hyperbolic function is required. As is clear from Table 3, the aberration coefficient existing on the right side of Equations (11) and (12) differs between free flight space and electrostatic quadrupole lenses. It can be seen that the right side of equations (11) and (12) can be adjusted by replacing with a multipole lens, and the position and angle of the ion trajectory can be corrected.

ここで重要なことは、空間収差係数は自由飛行空間と静電四重極レンズとで異なるものの、時間収差係数は自由空間と静電四重極レンズとで完全に一致しているということである。さらに注目すべきは、その時間収差係数のうち、(t|x)及び(t|α)が共にゼロになっていることである。この場合、(15)式、(16)式より、自由飛行空間及び静電四重極レンズは(t|x)、(t|α)に関して空間収差係数に依存せず、前段のイオン光学要素までの時間収差係数を保存することが分かる。同様に(16)式より、(t|δ)に関しても空間収差係数に依存せず、前段までの時間収差係数に自身の収差係数を加算した値となることが分かる。こうしたことから、自由飛行空間をそれとイオン光軸方向に等しい長さの静電四重極レンズで置き換えても、その地点までの時間収差係数は変化しないと結論付けることができる。一方、静電四重極レンズを挿入した地点から終了点までの間では、(t|x)、(t|α)が共にゼロとなる光学要素のみで構成されなければ、空間収差係数の変化によって全体での時間収差係数は保存されない、ということも容易に理解できる。それ故に、静電四重極レンズは基本イオン光学系の最終段の自由飛行空間内に配置することが重要となる。   The important thing here is that the spatial aberration coefficient is different between free flight space and electrostatic quadrupole lens, but the temporal aberration coefficient is exactly the same between free space and electrostatic quadrupole lens. is there. It should be further noted that (t | x) and (t | α) are both zero among the temporal aberration coefficients. In this case, from the equations (15) and (16), the free flight space and the electrostatic quadrupole lens do not depend on the spatial aberration coefficient with respect to (t | x) and (t | α), and the ion optical element in the previous stage It can be seen that the time aberration coefficient until is preserved. Similarly, from equation (16), it can be seen that (t | δ) does not depend on the spatial aberration coefficient and is a value obtained by adding its own aberration coefficient to the temporal aberration coefficient up to the previous stage. From these facts, it can be concluded that even if the free flight space is replaced with an electrostatic quadrupole lens having a length equal to the ion optical axis direction, the time aberration coefficient up to that point does not change. On the other hand, between the point where the electrostatic quadrupole lens is inserted and the end point, the spatial aberration coefficient changes unless it is composed of only optical elements in which both (t | x) and (t | α) are zero. Therefore, it can be easily understood that the time aberration coefficient as a whole is not preserved. Therefore, it is important to arrange the electrostatic quadrupole lens in the free flight space at the final stage of the basic ion optical system.

この実施例における静電四重極レンズ15、16に関連した諸元は、DL3=10mm、QK=−20、QL=10mm、G2=10mmである。ここで、DL3は第4主電極14、第2主電極12の出口端面と静電四重極レンズ15、16入射端面との間の距離、QKはレンズの強さを示す指標値、QLは静電四重極レンズ15、16(ロッド電極)のイオン光軸方向の長さ、G2は静電四重極レンズ15、16の内面とイオン光軸との間の距離、である。ここではQKがマイナスの値であり、静電四重極レンズ15、16がX方向には凹レンズとして作用することを意味している。   Specifications relating to the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 in this embodiment are DL3 = 10 mm, QK = −20, QL = 10 mm, and G2 = 10 mm. Here, DL3 is the distance between the exit end faces of the fourth main electrode 14 and the second main electrode 12 and the incident end faces of the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16, QK is an index value indicating the strength of the lens, and QL is The length of the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 (rod electrodes) in the ion optical axis direction, and G2 is the distance between the inner surfaces of the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 and the ion optical axis. Here, QK is a negative value, which means that the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 act as concave lenses in the X direction.

また表4、5は基本イオン光学系に上記静電四重極レンズを追加した場合の、半周(つまりは1単位)の収差係数、及び1周(つまりは2単位)の収差係数である。

Figure 2008107931
Figure 2008107931
Tables 4 and 5 show the aberration coefficient for half a circle (that is, 1 unit) and the aberration coefficient for one circle (that is, 2 units) when the electrostatic quadrupole lens is added to the basic ion optical system.
Figure 2008107931
Figure 2008107931

時間収差係数は静電四重極レンズを挿入しない場合と同じ値を維持しており、完全時間収束の状態は保存されていることが分かる。一方、空間収差係数については、(x|x)と(α|α)との和が半周後で−0.532、1周後で−1.717となっており、いずれも(7)式の条件を満たし、静電四重極レンズを挿入しない場合よりも境界に対する余裕が増しているのが分かる。即ち、時間収束性を崩すことなく空間的な軌道安定性が改善されている。   It can be seen that the temporal aberration coefficient maintains the same value as when no electrostatic quadrupole lens is inserted, and the state of complete time convergence is preserved. On the other hand, with respect to the spatial aberration coefficient, the sum of (x | x) and (α | α) is −0.532 after a half turn, and −1.717 after a round, both of which are given by equation (7) It can be seen that the margin for the boundary is increased as compared with the case where the above condition is satisfied and the electrostatic quadrupole lens is not inserted. That is, the spatial orbit stability is improved without destroying the time convergence.

図3は1周(図1で点Sを出発してから点Sに戻るまで)のX方向への軌道展開をシミュレーションした結果を示す図であり、(a)は基本イオン光学系、(b)は基本イオン光学系に静電四重極レンズを追加した場合の結果である。点Sを出発する際に、所定量のX方向の位置ずれ、角度ずれ、及びエネルギーずれをそれぞれ有する場合にイオンが辿る軌道を計算したものである。図3(a)を見れば分かるように、基本イオン光学系では、角度ずれ及びエネルギーずれについては1周後にほぼ収束しているのに対し、初期位置ずれが1周後にはさらに広がっているのが分かる。また、1周する途中で軌道が大きく振動していることも分かる。そのため、イオンの周回数を増やすとその初期的な位置ずれの影響が拡大して、例えば主電極11〜14に接触して消失したり主電極11〜14に受け容れられずに発散したりするおそれがある。   FIG. 3 is a diagram showing the result of simulating the orbital expansion in the X direction for one round (from the point S in FIG. 1 until returning to the point S), (a) is a basic ion optical system, (b ) Shows the result when an electrostatic quadrupole lens is added to the basic ion optical system. When starting from the point S, the trajectory followed by the ions when there is a predetermined amount of X-direction positional deviation, angular deviation, and energy deviation is calculated. As can be seen from FIG. 3A, in the basic ion optical system, the angular deviation and the energy deviation are almost converged after one round, whereas the initial position deviation is further spread after one round. I understand. It can also be seen that the track vibrates greatly during one round. For this reason, when the number of times of ion circulation is increased, the influence of the initial positional deviation expands, for example, disappears in contact with the main electrodes 11 to 14 or diverges without being accepted by the main electrodes 11 to 14. There is a fear.

これに対し、静電四重極レンズ15、16を挿入した場合には、その静電四重極レンズ15、16がX方向に凹レンズとして機能するため、その次段のトロイダル扇形電場にイオンが入射する際の入射角が修正される。それにより、初期位置ずれの影響による後半の半周の期間での軌道の振動が抑えられ、また1周後の軌道の広がり(位置ずれ)も初期位置ずれより減少している。そのため、周回数を増やしてもイオンが消失や発散しにくくなる、つまり軌道の安定性が増す。なお、静電四重極レンズ15、16のレンズ極性、及びレンズの強さは、基本イオン光学系による軌道の状態に応じて、その軌道の発散をできるだけ抑えるように適宜に決定、調整することが望ましい。その際の軌道の修正の方針としては、(7)式〜(10)式を満たし、且つその中でもできるだけその境界条件から離すようにすることが有効である。但し、場合によっては、特定の収差係数の値を調整して集束性を向上させる等、目的に応じた最適化を行うことも考えられる。   On the other hand, when the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 are inserted, since the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 function as concave lenses in the X direction, ions are generated in the next toroidal sector electric field. The incident angle at the time of incidence is corrected. As a result, the vibration of the track in the latter half of the period due to the influence of the initial position shift is suppressed, and the spread (position shift) of the track after one round is also smaller than the initial position shift. For this reason, even if the number of laps is increased, ions are not easily lost or diverged, that is, the stability of the orbit is increased. The lens polarities and lens strengths of the electrostatic quadrupole lenses 15 and 16 are appropriately determined and adjusted according to the state of the orbit by the basic ion optical system so as to suppress the divergence of the orbit as much as possible. Is desirable. As a policy for correcting the trajectory at that time, it is effective to satisfy the equations (7) to (10) and to keep them as far as possible from the boundary conditions. However, depending on the case, it may be possible to perform optimization according to the purpose, such as adjusting the value of a specific aberration coefficient to improve the convergence.

さらに、静電四重極レンズを挿入することの効果を検証するために、基本イオン光学系のみの場合と、基本イオン光学系に静電四重極レンズを追加した場合とのそれぞれについて、周回数を増加させたときのイオン透過率の変化をシミュレーションにより求めた。その結果を図4に示す。これを見れば明らかなように、静電四重極レンズを挿入することにより、イオン透過率は10%程度向上している。これによって、最終的にイオン検出器に導入するイオン量を増加させ、分析感度を上げることができる。また、全ての周回数において、1次時間収差係数は基本イオン光学系のみの場合と基本イオン光学系に静電四重極レンズを追加した場合とで差が生じないことを確認した。   In addition, in order to verify the effect of inserting an electrostatic quadrupole lens, each of the basic ion optical system and the case where an electrostatic quadrupole lens is added to the basic ion optical system is used. The change of the ion transmittance when the number of times was increased was obtained by simulation. The result is shown in FIG. As is apparent from this, the ion transmittance is improved by about 10% by inserting an electrostatic quadrupole lens. Thereby, the amount of ions finally introduced into the ion detector can be increased, and the analysis sensitivity can be increased. In addition, it was confirmed that there is no difference in the first-order time aberration coefficient between the case of only the basic ion optical system and the case of adding an electrostatic quadrupole lens to the basic ion optical system at all the number of rotations.

なお、上記実施例では補助電極の一例として静電四重極レンズを挙げたが、補助電極が電場のみを生成し、そのイオン光軸が直線であり、且つX方向の電位分布がイオン光軸に対して偶関数になる場合には、理論的に時間収差係数(t|x)及び(t|α)はゼロになる。一方、表3に示したように、自由飛行空間のイオン光軸方向の長さがLであるとき、その時間収差係数(t|δ)はゼロではない−L/2であるため、補助電極の時間収差係数(t|δ)がゼロにならないものであれば、例えば長さLなどのパラメータを適宜調整して自由飛行空間内の(t|δ)に合わせることが可能である。したがって、そうした条件を満たす光学系であれば、静電四重極レンズ以外の補助電極を用いることもできる。   In the above embodiment, an electrostatic quadrupole lens is used as an example of the auxiliary electrode. However, the auxiliary electrode generates only an electric field, its ion optical axis is a straight line, and the potential distribution in the X direction is the ion optical axis. In theory, the temporal aberration coefficients (t | x) and (t | α) are zero. On the other hand, as shown in Table 3, when the length of the free flight space in the ion optical axis direction is L, the time aberration coefficient (t | δ) is not zero, −L / 2. If the time aberration coefficient (t | δ) is not zero, for example, parameters such as the length L can be adjusted as appropriate to match (t | δ) in the free flight space. Therefore, an auxiliary electrode other than the electrostatic quadrupole lens can be used as long as the optical system satisfies such conditions.

また、例えば、或る1組の補助電極ではX方向の電位分布がイオン光軸に対して偶関数になるような電場を形成できない場合であっても、複数の電場の縦列的な接続により上記条件を満たせるものであれば、1つの最終自由飛行空間内に複数組の補助電極を配置することで同様の作用・効果を達成することができる。また、時間収束性が保証された各単位毎に必ず補助電極を挿入する必要はなく、例えば1周中に複数の単位が存在する場合でその中の1つの単位に補助電極を挿入することで1周分の軌道の修正が可能である場合には、補助電極が設けられていない単位が存在してもよい。   In addition, for example, even when a certain set of auxiliary electrodes cannot form an electric field in which the potential distribution in the X direction is an even function with respect to the ion optical axis, the above-described tandem connection of a plurality of electric fields causes As long as the conditions can be satisfied, the same action and effect can be achieved by arranging a plurality of sets of auxiliary electrodes in one final free flight space. Further, it is not always necessary to insert an auxiliary electrode for each unit for which time convergence is guaranteed. For example, when there are a plurality of units in one circuit, the auxiliary electrode is inserted into one of the units. When it is possible to correct the trajectory for one round, there may be a unit in which the auxiliary electrode is not provided.

さらにまた、本発明に係る質量分析装置は、周回軌道Cの途中にイオン非破壊型の検出器を設け、周回毎に検出信号を取得するフーリエ変換型質量分析装置にも適用できる。   Furthermore, the mass spectrometer according to the present invention can also be applied to a Fourier transform mass spectrometer that provides an ion non-destructive detector in the middle of the orbit C and acquires a detection signal for each revolution.

Claims (3)

複数の扇形電場を含む電場の作用によって閉じた周回軌道に沿ってイオンを繰り返し飛行させることで該イオンを質量電荷比に応じて分離する多重周回飛行時間型又はフーリエ変換型の質量分析装置であって、
a)1周回又は1/n(nは2以上の整数)周回を単位として時間収束条件を満たすようにイオンを飛行させるべく、それぞれ扇形電場を生成する複数の主電極部と、
b)前記単位の中で前記扇形電場の影響が及ばない最終の自由飛行空間に配置された、時間収束性に影響を与えずにイオンの空間的な軌道を修正する補助電場を形成する補助電極と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
A multi-round time-of-flight or Fourier transform type mass spectrometer that separates ions according to their mass-to-charge ratio by repeatedly flying ions along a circular orbit closed by the action of an electric field including a plurality of sector electric fields. And
a) a plurality of main electrode portions each generating a sectoral electric field to fly ions so as to satisfy a time convergence condition in units of one round or 1 / n (n is an integer of 2 or more);
b) An auxiliary electrode arranged in the final free flight space that is not affected by the electric sector in the unit and forming an auxiliary electric field that corrects the spatial trajectory of ions without affecting the time convergence. When,
A mass spectrometer comprising:
前記補助電極は、直線状のイオン光軸を含む平面に平行な方向の電位分布が、該イオン光軸に対して偶関数となるような静電場を形成するものであることを特徴とする請求項1に記載の質量分析装置。   The auxiliary electrode forms an electrostatic field in which a potential distribution in a direction parallel to a plane including a linear ion optical axis is an even function with respect to the ion optical axis. Item 2. The mass spectrometer according to Item 1. 前記補助電極は静電四重極レンズであることを特徴とする請求項2に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 2, wherein the auxiliary electrode is an electrostatic quadrupole lens.
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