JPWO2013168220A1 - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

イオン検出器（５）と一体である取付板（１０）のフランジ（１０ａ）をＯリング等の緩衝部材（１２）を介して真空チャンバ（１）の内面に固定する。真空チャンバ（１）は付設されたターボ分子ポンプにより機械的に振動するが、緩衝部材（１２）により振動が吸収されるので、イオン検出器（５）の振動は抑制される。その結果、イオン検出器（５）の振動に伴って検出信号に重畳されるノイズが軽減される。このようにして、簡単で廉価な構成により、検出信号の品質を高めることができる。

Description

本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置の構造に関する。

一般に質量分析装置は、試料成分から生成されたイオンを高真空雰囲気中に配設された四重極マスフィルタ等の質量分析器において質量電荷比に応じて分離し、その分離されたイオンをイオン検出器で検出する構成を有する。図３は一般的な四重極型質量分析装置の概略構成図である。

略密閉された真空チャンバ１の内部には、EIイオン源２、イオンレンズ３、四重極マスフィルタ４、イオン検出器５などがイオン光軸Ｃに沿って配設されている。試料成分を含むガスがEIイオン源２に導入されると、試料成分は熱電子との接触によりイオン化される。生成したイオンはイオンレンズ３によりEIイオン源２から引き出されるとともに収束されて４本のロッド電極からなる四重極マスフィルタ４に導入される。四重極マスフィルタ４の各ロッド電極には図示しない電源より直流電圧に高周波電圧を重畳した所定の電圧が印加され、この電圧に応じた質量電荷比を有するイオンのみが四重極マスフィルタ４を通り抜けてイオン検出器５に到達する。

イオン検出器５としては一般に二次電子増倍管（EPM）が用いられる（特許文献１参照）。図４は二次電子増倍管を用いたイオン検出器５の概略構成図である。多段構成である各ダイノード５１〜５６にはそれぞれ、電源部５８から所定の電圧が印加される。図において左方から到来しイオン入射口５０を経たイオンが初段のコンバージョンダイノード５１に衝突すると二次電子が放出され、この二次電子が電場により加速されて次段のダイノード５２に衝突し多数の二次電子を放出させる。多段に連ねられたダイオード５３、…においてこれを繰り返すことで、最終的に二次電子の量は格段に増加する。この増加した二次電子をコレクタ５７に入射させ、コレクタ５７に流れる電流を信号ケーブル５９を通して検出信号として取り出す。

上記の質量分析装置で高い性能を確保するには、真空チャンバ１の内部をできるだけ真空度が高い状態に維持する必要がある。そのため、多くの場合、真空ポンプとして、高性能のターボ分子ポンプ（TMP）とその背圧を低下するためのロータリーポンプとの組み合わせが利用されている（特許文献２参照）。通常、図３に示すように、真空排気を効率良く行うためにターボ分子ポンプ６は真空チャンバ１に直接接続され、このターボ分子ポンプ６に連結管８を介してロータリーポンプ７が接続される。ロータリーポンプ７を真空チャンバ１から離して配置する主な理由は、ロータリーポンプに使用されるオイルによる真空チャンバ１内部の汚染を避けるためである。このような二段排気によって、真空チャンバ１の内部は１０^-3〜１０^-4Paという低いガス圧（高い真空度）に維持される。

よく知られているように、ターボ分子ポンプは、高速で回転されるロータに形成された動翼と固定翼との相互作用により、分子単位で真空排気を行う。ロータは最大で数万rpmもの速度で回転されるため、一般的にターボ分子ポンプの振動は大きい。そのため、図３に示したような構成では、ターボ分子ポンプ６の機械的な振動は直接的に真空チャンバ１に伝わり、真空チャンバ１に対して固定されている各種部品を振動させることになる。イオン検出器５も真空チャンバ１に対して固定されているため、真空チャンバ１の機械的振動はイオン検出器５にも伝わる。そして、それによってイオン検出器５から取り出される検出信号にノイズが発生することがある。

このノイズは主として、イオン検出器５から引き出される信号線（信号ケーブル）が振動することで発生すると考えられる。即ち、信号線が振動すると、該信号線の外面と真空チャンバ１やそのほかの周囲の部材との距離が微妙に変化し、それによってその信号線のインピーダンスが変動する。イオン検出器５からの検出信号を増幅する前置増幅器の入力インピーダンスは高いため、信号線のインピーダンスの変動がノイズとして現れ易いものと考えられる。ターボ分子ポンプの機械的振動によって検出信号に重畳するノイズはその周波数が数百Hz〜数kHz程度の範囲であり、質量分析により得られる信号の周波数と重なることがあるため、フィルタ等により電気的にノイズを除去することは困難である。

特開２０００−３５７４８７号公報 特開２００３−３４６７０２号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプの機械的振動に起因して検出信号に重畳されるノイズを抑制し、高精度の分析が可能な質量分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象であるイオンを質量分離する質量分析器及び質量分離されたイオンを検出する検出器を、真空ポンプにより真空排気される真空チャンバの内部に具備する質量分析装置であって、
緩衝部材を介して前記検出器を前記真空チャンバに対して固定したことを特徴としている。

典型的には、上記真空ポンプはターボ分子ポンプを含み、真空チャンバの外面にターボ分子ポンプを取り付けた構成である。このような構成では、ターボ分子ポンプの機械的振動が直接的に真空チャンバに伝わるが、真空チャンバの振動は緩衝部材により吸収されるので、検出器自体の振動は抑えられる。それによって、検出器からの検出信号に重畳する、振動に起因するノイズを軽減することができる。

本発明に係る質量分析装置の好ましい一態様として、前記検出器のイオン入射側取付部を前記緩衝部材を介することなく前記真空チャンバに対し固定し、該検出器の検出信号取り出し側取付部を前記緩衝部材を介して前記真空チャンバに対して固定した構成とするとよい。

検出器のイオン入射口には、その前段の質量分析器で選別されたイオンが入射する。例えば質量分析器が四重極マスフィルタである場合、該マスフィルタを通過してくるイオンは該マスフィルタの中心軸付近で最も密度が高いから、効率良くイオンを検出器に取り込むには、四重極マスフィルタの中心軸と検出器のイオン入射部の中心軸とを一致させることが望ましい。

四重極マスフィルタが真空チャンバに対し固定され、上記態様のように検出器のイオン入射側取付部が真空チャンバに対し固定されていれば、真空チャンバが振動したときに四重極マスフィルタと検出器のイオン入射部とはほぼ同じように振動する。そのため、四重極マスフィルタの中心軸と検出器のイオン入射部の中心軸とが一致するように両者が配置されていれば、真空ポンプによる振動が生じたときでも両中心軸の一致性が保たれる。それにより、四重極マスフィルタを通過したイオンを効率良く検出器に取り込むことができる。

一方、検出器の検出信号取り出し側取付部は緩衝部材を介して真空チャンバに固定されているため、検出器の検出信号取り出し部の振動は緩衝部材がない場合に比べて十分に抑えられる。それにより、検出器から引き出される信号線は振動しにくく、その振動に起因するノイズの発生は軽減される。

なお、検出器においてイオン入射部と検出信号取り出し部とが距離的に近い場合には、イオン入射側取付部にも緩衝部材を設けないと、検出信号取り出し部の振動を抑制することは困難である。一般に、二次電子増倍管は多段ダイノードを含むため、二次電子増倍管を含む検出器では、イオン入射部と検出信号取り出し部との間の距離が長くなる。そこで、上記態様は、検出器が二次電子増倍管を含むような構成において特に効果が高い。

本発明に係る質量分析装置によれば、簡単で廉価な構成によって、真空ポンプの機械的振動に起因して検出信号に重畳されるノイズを軽減することができる。それにより、例えば質量精度や検出感度を向上させることができる。

本発明に係る質量分析装置の一実施例及び従来の質量分析装置における検出器の取付構造を示す概略図。 本実施例の質量分析装置によるノイズ抑制効果を示す実測波形図。 一般的な四重極型質量分析装置の概略構成図。 図３中のイオン検出器の一例を示す概略図。

以下、本発明に係る質量分析装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。本実施例の質量分析装置の全体構成は、図３に示した従来の一般的な四重極型質量分析装置と同じであるので説明を略す。また、イオン検出器自体の構成も図４に示した従来のイオン検出器と同じであるので説明を略す。

図１（ａ）は本実施例の質量分析装置におけるイオン検出器の取付構造を示す概略図、図１（ｃ）は従来の質量分析装置におけるイオン検出器の取付構造を示す概略図である。これら図において、図中の矢印で示すようにイオンは左方からイオン検出器５に入射し、入射したイオンに対応して得られる検出信号はイオン検出器５から右方へ引き出されている信号ケーブル５９により取り出される。即ち、このイオン検出器５は左面がイオン入射面５ａ、右面が検出信号取り出し面５ｂである。

イオン検出器５の下面には強固な取付板１０が固定され、イオン検出器５と取付板１０は一体化されている。この取付板１０の下端において横方向に張り出したフランジ１０ａにはネジ孔１０ｂが穿設され、このネジ孔１０ｂに貫通させたネジ１１によって、取付板１０を真空チャンバ１の内側に固定する構造となっている。従来は、図１（ｃ）に示すように、ネジ孔１０ｂに直接挿通させたネジ１１により、又は、ワッシャー等の高い剛性を有する部材（図示せず）を間に挟んでネジ孔１０ｂに挿通させたネジ１１により、取付板１０を真空チャンバ１に固定している。そのため、真空チャンバ１の機械的振動は取付板１０を介して直接的にイオン検出器５に伝わることになる。

これに対し、本実施例の質量分析装置では、図１（ａ）に示すように、取付板１０のフランジ１０ａに穿設されたネジ孔１０ｂをその両側から挟み込むように、それぞれ円環状の緩衝部材１２を設け、その緩衝部材１２を介してネジ１１を真空チャンバ１に螺入することにより、取付板１０を真空チャンバ１の内面に固定している。これにより、真空チャンバ１の機械的振動は緩衝部材１２で殆ど吸収され、取付板１０及びこれと一体であるイオン検出器５本体の振動は抑制される。

円環状の緩衝部材１２としては例えば弾性体からなるＯリングを用いることができる。また、緩衝部材１２から不所望のガスが発生すると真空チャンバ１内を汚染するおそれがあるから、緩衝部材１２はガスの放出の少ない材料からなるものとするのが好ましい。
具体的には、バイトン（デュポン社の登録商標）Ｏリング、或いはその相当品が緩衝部材１２として適している。

図２（ａ）は緩衝部材１２を設けず振動対策を施さない場合、図２（ｂ）は図１（ａ）のように緩衝部材１２を設け振動対策を施した場合、の検出信号の実測波形図である。緩衝部材１２を用いることで、明らかにノイズが軽減されていることが判る。この結果から、上記のような簡単な振動対策によって、検出信号に重畳されるノイズを十分に抑制可能であることが判る。

図１（ａ）の例では、取付板１０の全てのフランジ１０ａが緩衝部材１２を介して真空チャンバ１の内面に接している。そのため、高い振動抑制効果が得られるものの、次のような問題がある。図３で示すように、四重極マスフィルタ４を通過するイオン、つまりはイオン検出器５による検出対象であるイオンは、イオン光軸Ｃ付近で最も密度が高い。四重極マスフィルタ４中のイオン光軸は４本のロッド電極の配置の中心軸である。したがって、図３、図４に示したような構成の場合、四重極マスフィルタ４の中心軸とイオン検出器５のイオン入射口５０の中心軸とを一致させることが、イオンを効率良くイオン検出器５に取り込むために必要であり、そうなるようにそれぞれの部材の配置は調整される。

真空チャンバ１が振動した場合、四重極マスフィルタ４とイオン検出器５とが同じように振動する（又は両方とも振動しない）状態であれば、上述した中心軸の一致性は保たれる。ところが、真空チャンバ１に対し固定された四重極マスフィルタ４が振動し、上述したように緩衝部材１２の作用によってイオン検出器５の振動が抑制されると、上述した中心軸の一致性は保たれにくくなる。一方で、ノイズを抑制するには、イオン検出器５から引き出される信号ケーブル５９の振動を抑える必要がある。

そこで、本発明の別の実施例による取付構造として、図１（ｂ）に示すようにしてもよい。この例では、イオンが入射するイオン入射面５ａ側のフランジ１０ａは緩衝部材１２を介することなく直接ネジ１１で真空チャンバ１に固定されている。つまり、図１（ｃ）と同様の状態である。一方、信号ケーブル５９が引き出される検出信号取り出し面５ｂ側のフランジ１０ａは図１（ａ）と同様に、緩衝部材１２を介しネジ１１で真空チャンバ１に固定されている。これによって、真空チャンバ１が振動したときに、イオン検出器５においてイオン入射面５ａは真空チャンバ１と同じように振動する一方、検出信号取り出し面５ｂの振動は抑制される。

もちろん、図１（ａ）の構成と比較すると、検出信号取り出し面５ｂの振動抑制効果は小さいが、イオン入射面５ａと検出信号取り出し面５ｂとの距離が或る程度離れている場合には、つまりはイオン検出器５が細長い形状であれば、ノイズを抑制するのに十分な程度に振動は抑えられる。これによって、イオン検出器５へのイオンの取り込み効率を犠牲にすることなく、ノイズを抑制することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形、追加、修正を行っても本願請求の範囲に包含されることは明らかである。

１…真空チャンバ
２…EIイオン源
３…イオンレンズ
４…四重極マスフィルタ
５…イオン検出器
５０…イオン入射口
５１…コンバージョンダイノード
５２〜５６…ダイノード
５７…コレクタ
５８…電源部
５９…信号ケーブル
５ａ…イオン入射面
５ｂ…検出信号取り出し面
６…ターボ分子ポンプ
７…ロータリーポンプ
８…連結管
１０…取付板
１０ａ…フランジ
１０ｂ…ネジ孔
１１…ネジ
１２…緩衝部材
Ｃ…イオン光軸

Claims (3)

1. 測定対象であるイオンを質量分離する質量分析器及び質量分離されたイオンを検出する検出器を、真空ポンプにより真空排気される真空チャンバの内部に具備する質量分析装置であって、
   緩衝部材を介して前記検出器を前記真空チャンバに対して固定したことを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記検出器のイオン入射側取付部を前記緩衝部材を介することなく前記真空チャンバに対し固定し、該検出器の検出信号取り出し側取付部を前記緩衝部材を介して前記真空チャンバに対して固定したことを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項２に記載の質量分析装置であって、
   前記検出器は二次電子増倍管を含むことを特徴とする質量分析装置。

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