KR20210145784A - 이온화 장치를 포함하는 질량 분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 이온(4a, 4b)을 저장하기 위한 내부(2a)를 갖는 이온 트랩(2)과, 전압 신호(U_RF, U_stim1, U_stim2), 특히 고주파 전압 신호를 결합하기 위해, 내부(2a)를 한정하는, 이온 트랩(2)의 전극(3; 7a, 7b)에 연결된 신호 생성기(5; 6a, 6b)와, 이온화되어 내부(2a)에 공급되는 가스(4, 22)를 이온화하기 위한 이온화 장치(15)를 포함하는 질량 분석기(1)에 관한 것이다. 상기 이온화 장치(15)는 이온(4a, 4b, 17)을 생성하기 위해 전극(3, 7a, 7b)에 결합된 신호 생성기(5; 6a, 6b)의 전압 신호(U_RF, U_stim1, U_stim2)를 사용하기 위해서 신호 생성기(5; 6a, 6b)에 연결된다.

Description

이온화 장치를 포함하는 질량 분석기

관련 응용 분야에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 4월 2일에 출원된 독일 특허 출원 제 10 2019 204 694.0 호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 본 출원 개시 내용의 일부로 간주되고 참고로 포함된다.

본 발명은 질량 분석기에 관한 것으로, 이온을 저장하기 위한 내부를 갖는 이온 트랩, 특히 전기 이온 공명 트랩과, 전압 신호, 특히 고주파 전압 신호를 결합하기 위해, 내부를 한정하는, 이온 트랩의 전극에 연결된 신호 생성기와, 이온화되어 내부에 공급되는 가스를 이온화하기 위한 이온화 장치, 특히 플라즈마 이온화 장치를 포함한다.

질량 분석기에서 검출을 위한 가스 또는 가스 혼합물을 이온화하기 위해 다양한 이온화 방법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 이온화는 전자 충격 이온화에 의해, 핫 필라멘트에 의해, 필드 이온화에 의해, 펄스 레이저에 의한 이온화에 의해, 광자 이온화에 의해, 플라즈마에 의한 이온화 등에 의해 구현될 수 있다. 이러한 모든 이온화 프로세스를 실현하려면 이온화를 수행하기 위해 각 이온화 장치에 전력의 공급이 요구된다.

분석 대상의 가스가 검출기의 외측의 플라즈마에 의해 이온화되는 질량 분석기는, 첫째로 검출기 내로 이온을 전달하기 위해 그리고 둘째로 플라즈마 이온화 장치 내의 보다 높은 가스 압력 및 검출기 내의 보다 낮은 가스 압력을 보장하기 위해서, 이온 소스 또는 플라즈마 이온화 장치와 검출기 사이에 존재하는 차동 펌핑 이온 전달 스테이지, 스키머 등과 같은 다양한 추가 장치를 구비한다. 플라즈마 이온화 장치는 이들 추가 장치에 의해 검출기로부터 공간적으로 분리된다. 대안적으로, 검출기는 보다 높은 압력 범위에서 또한 작동될 수 있지만; 그러나, 이것은 능력, 특히 그 감도를 감소시킨다.

플라즈마 이온화의 경우, 플라즈마 이온화 장치는 전형적으로 외부 전압 소스로부터 전압을 공급받는다. 일반적으로, 플라즈마 이온화 장치는 플라즈마를 점화하기 위해 적어도 2개의 전극과 플라즈마 챔버를 구비한다. 따라서, 플라즈마 이온화 장치는 비교적 큰 설치 공간을 필요로 하며, 질량 분석기의 추가 구성요소를 나타낸다.

국제 공개 팜플렛 제 WO 2014/118122 A2 호는, 가스 혼합물을 이온화하기 위한 이온화 유닛과, 이온화된 가스 혼합물을 검출하기 위한 검출기를 포함하는 질량 분석기를 개시하고 있다. 이온화 유닛은 플라즈마 이온화 장치를 가질 수 있으며, 이는 상기 가스 혼합물이 검출기, 예를 들어 이온 트랩에 공급되기 전에 플라즈마를 생성함으로써 검출될 가스 혼합물을 이온화하도록 구현된다. 대안적으로, 가스 혼합물은 또한 직접적으로, 즉 선행 이온화없이 검출기(예를 들어, 이온 트랩의 형태로) 내로 도입될 수 있다. 이러한 경우, 이온화 가스의 이온 및/또는 준안정 입자는 충돌 또는 전하 교환 이온화에 의해 검출기의 가스 혼합물을 이온화하기 위해 검출기에 공급될 수 있다. 이온화 가스의 이온 및/또는 준안정 입자는 마찬가지로 플라즈마 이온화 장치의 도움으로 이온화될 수 있다.

국제 공개 팜플렛 제 WO 2016/096457 A1 호는 이온화 장치와, 이러한 이온화 장치를 갖는 질량 분석기를 개시하고 있다. 이온화 장치는 1차 플라즈마 영역에서 준안정 입자 및/또는 이온화 가스의 이온을 생성하는 플라즈마 생성 장치와, 2차 플라즈마 영역에서 글로우 방전을 생성하는 필드 생성 장치와, 이온화될 가스를 2차 플라즈마 영역에 공급하기 위한 입구와, 준안정 입자 및/또는 이온화 가스의 이온을 2차 플라즈마 영역으로 공급하기 위한 추가 입구를 포함한다.

국제 공개 팜플렛 제 WO 2017/194333 A1 호는 이온을 검출하기 위한 질량 분석기를 개시하고 있으며, 이러한 질량 분석기는 적어도 하나의 제 1 전극, 예를 들어 링 전극을 갖고 또한 적어도 하나의 제 2 전극, 예를 들어 캡 전극을 갖는 이온 트랩과, 이온 트랩에 전기 저장 필드를 생성하기 위해 제 1 전극에 결합될 수 있는 RF 축전 신호를 생성하기 위한 축전 신호 생성기와, 이온 트랩에 저장된 이온을 여기시키기 위한 여기 신호를 생성하기 위한 여기 장치와, 또한 여기된 이온에 의해 생성된 이온 신호를 검출하기 위한 검출기를 포함한다. 축전 신호 생성기는 RF 축전 신호의 진폭 및/또는 주파수를 설정하도록 구현된다.

본 발명의 목적은 질량 분석기가 컴팩트한 디자인으로 실현될 수 있고 그리고 이온을 검출할 때 이온화 장치에 의해 야기되는 간섭이 회피될 수 있는 방식으로 처음에 설명된 유형의 질량 분석기를 개발하는 것이다.

이 목적은, 전극에 결합된 신호 생성기의 전압 신호를 사용하여 이온 또는 플라즈마를 생성하기 위해서, 특히 플라즈마 이온화 장치의 형태의 이온화 장치가 (적어도 하나의 전기 전도성 연결을 통해) 신호 생성기에 연결되는 서두에 설명된 유형의 질량 분석기에 의해 달성된다.

본 발명은, 이온화되어 이온 트랩의 내부에 공급될 가스의 이온화를 위해 또는 플라즈마의 생성을 위해, 이온 트랩의 내부 내의 이온을 저장 및/또는 여기하기 위해 임의의 경우에 필요한 신호 생성기의 전압 신호를 또한 추가로 사용하는 것을 제안한다. 이는 예를 들어 추가 전압 소스의 형태로 이온화 장치에 대한 추가 전원 공급이 일반적으로 완전히 생략될 수 있게 한다. 종래의 이온화 장치에 사용된 전압 소스가 간섭, 보다 정확하게는 질량 분석기의 도움으로 기록된 스펙트럼에서의 주파수에 대한 간섭을 일으킬 수 있다는 것이 발견되었다. 이온 또는 플라즈마를 생성하기 위한 전압 신호의 사용은 또한 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이 질량 분석기의 컴팩트한 설계를 용이하게 한다.

전압 신호가 AC 전압인 경우, 전압 신호는 2개의 전극 사이에 이온 또는 플라즈마를 생성하기 위해서 이온화 장치의 2개의 상이한 구성요소, 일반적으로 2개의 전극에 인가될 수 있다. 대안적으로, 이온화 장치의 제 2 전극이 일정한 전위, 예를 들어 접지 전위로 유지되는 동안 전압 신호가 제 1 전극에 인가될 수 있다. 특히, 임의의 경우에 신호 생성기에 연결되는 이온 트랩의 전극은 (플라즈마) 이온화 장치의 일부 또는 전극을 형성할 수 있고, 그에 따라 달리 추가로 필요한 전극을 절약할 수 있다.

일 실시예에서, 신호 생성기에 연결된 전극은 내부로의 가스 공급을 위한 통로 개구부를 구비한다. 이온 트랩의 내부에 공급된 가스는, 그 이온화를 위해, 이온화 장치를 통해 그리고 선택적으로 플라즈마를 통해 또는 적어도 플라즈마를 지나도록 안내되어야 하는 것을 이해해야 한다. 전극에 통로 개구부를 제공하면 전극의 도움으로 또는 전극에 결합된 전압 신호의 도움으로 이온 트랩 바로 전방에서 플라즈마가 점화될 수 있으며, 이온화된 가스는 통로 개구부를 통해 직접 내부 내로 안내될 수 있으며, 그에 따라 이온 트랩으로의 이온 전달의 필요성이 생략된다.

추가 실시예에서, 질량 분석기는 분석 대상의 가스 또는 이온화 가스의 형태의 가스를 이온화 장치에 공급하도록 구현된 가스 공급부를 포함한다. 국제 공개 팜플렛 제 WO 2014/118122 A2 호와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 분석 대상의 가스 혼합물 또는 가스는 이온화 장치에서 이온 트랩의 외부에서 이온화될 수 있으며, 이온화된 가스 또는 이온화된 종의 형태로 이온 트랩의 내부에 공급될 수 있다. 이러한 경우, 가스 공급부는 일반적으로 분석 대상의 가스가 도입되는 (프로세스) 챔버 등에 연결된다.

대안적으로, 이온화될 가스는 국제 공개 팜플렛 제 WO 2014/118122 A2 호에 기술된 바와 같이 분석 대상의 가스를 이온화하기 위해 이온 트랩의 내부로 도입되는 이온화 가스일 수 있으며, 상기 문헌은 그 전체가 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다. 이러한 경우, 이온화 가스와 분석 대상의 가스는 일반적으로 2개의 별도 입구를 통해 이온 트랩의 내부로 유입된다. 여기서, 가스 공급부는 일반적으로 이온화 가스가 취해지는 가스 저장소를 구비한다. 일반적으로, 이온화 가스는 헬륨과 같은 불활성 가스이다.

개발에 있어서, 가스 공급부는 이온화 장치로의 가스의 펄스 공급을 위해 제어 장치에 의해 제어 가능한 적어도 하나의 밸브를 구비한다. 가스의 펄스 공급은 이온화 장치에 공급되는 가스의 가스 압력과, 그에 따라 또한 이온 또는 플라즈마가 생성되어야 하는 영역 내의 가스 압력의 변화를 초래한다. 펄스 주파수 또는 이온화 장치 내의 압력 변화가 적절하게 선택되거나 또는 제어 가능한 밸브의 도움으로 설정된다면, 플라즈마는, 이러한 목적을 위해 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어기가 필요하지 않더라도, 이온화 장치 내에서 증가하는 또는 떨어지는 가스 압력으로 인해 다시 점화되고 퀸칭될 수 있다. 따라서, 일반적으로 질량 분석기의 전형적으로 매우 복잡하고 그에 따라 도전적인 제어는 이러한 자동화를 통해 단순화될 수 있다. 예를 들어 전자 비임 이온화 동안에 방출 전류의 폐쇄-루프 제어를 위해 종래의 이온화 프로세스에서 발생하는 것과 같은 추가적인 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어 비용은 그 결과로 회피될 수 있다.

추가 실시예에서, 신호 생성기에 연결된 이온 트랩의 전극은 이온화 장치의 적어도 2개의 전극 중 제 1 전극을 형성하고, 그 전극 사이에서 이온 또는 플라즈마가 생성된다. 위에서 추가로 설명한 바와 같이, 내부를 한정하는 이온 트랩의 전극은 이온을 생성하기 위해 또는 가능하다면 이러한 경우에 플라즈마 생성을 위한 전극으로서 동시에 사용되며, 그에 따라 전극은 종래의 이온화 장치에 비교해서 절약될 수 있다.

하나의 개발에서, 전극은 돌출 전극 부분, 특히 내부로부터 멀리 향하는 측면, 특히 통로 개구부의 영역에서 팁으로 테이퍼지는 돌출 전극 부분을 구비한다. 팁으로 테이퍼지는 전극 부분을 사용하면 전기 필드 라인 밀도, 및 그에 따라 전기 필드 강도가 팁에서 높기 때문에 이온의 생성을 촉진할 수 있다. 특히, 돌출 전극 부분은 통로 개구부의 관형 연속체로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 돌출 전극 부분은 내부로부터 멀리 향하는 전극의 측면 상의 통로 개구부로부터 오프셋된 배열을 가질 수 있고, 선택적으로 팁으로 테이퍼지는 단부를 갖는 통로 개구부의 영역으로 연장될 수 있다.

팁으로 테이퍼지는 관형 전극 부분 대신에, 통로 개구부를 연장하는 원통형 전극 부분은 또한 내부로부터 멀리 향하는 전극의 측면 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 이것은 관형 공급 라인을 전극에 연결하는 데 유리할 수 있다. 관형 공급 라인에 대한 연결을 위해, 전극은 또한 통로 개구부 근방에 하나 이상의 절결부를 구비할 수 있고 및/또는 통로 개구부는 이 목적을 위한 단차를 가질 수 있다.

이온화 장치의 적어도 하나의 추가 전극을 구성하기 위한 다수의 옵션이 있다.

하나의 개발에서, 이온화 장치는 전기 전도성 공급 라인, 특히 이온 트랩에 가스를 공급하도록 구성되고 그리고 이온화 장치의 제 2 전극을 형성하는 전기 전도성 공급 라인을 구비한다. 전기 전도성 공급 라인, 예를 들어 금속 공급 라인은 전압 신호를 마찬가지로 인가하기 위해 일정한 전위, 예를 들어 접지 전위에 또는 신호 생성기에 연결될 수 있다.

이러한 경우, 전기 전도성 공급 라인은 2개의 전극 사이에 플라즈마를 생성하기 위해 통로 개구부가 형성되는 이온 트랩의 전극으로부터 멀리 이격되어 있다. 이러한 경우, 특히 전극은 플라즈마의 점화를 단순화하거나 용이하게 하기 위해 팁으로 테이퍼진 전술한 전극 부분을 구비하는 것이 유리하다. 이온 트랩의 전극과 공급 라인 사이의 간극 또는 공간을 연결하기 위해, 예를 들어 세라믹과 같은 절연 재료로 제조된 공급 라인의 부분을 사용할 수 있으며, 이 공급 라인은 공급된 가스가 주변으로 빠져나갈 수 없도록 하는 일종의 클래딩으로서의 간극의 영역에서 금속 공급 라인을 둘러싼다.

대안적인 실시예에서, 이온화 장치는 공급 라인, 특히 가스를 공급하기 위한 전기 절연 재료로 제조된 관형 공급 라인을 구비하며, 이온화 장치의 제 2 전극은 공급 라인의 외부 측면 상에 배열된다. 이러한 경우, 제 2 전극은 예를 들어 공급 라인의 외부 측면에 체결되는 금속 링으로서 또는 금속 튜브로서 구현될 수 있다. 여기에서, 플라즈마는 유전체 배리어 방전에 의해 점화되는데; 즉, 제 2 전극은 이온화될 가스가 흐르는 공급 라인 내의 공간으로부터 공급 라인의 (유전체) 물질에 의해 차폐된다. 실질적으로 단지 전자가 유전 방전에서 가속되기 때문에, 유전 방전은 저온 플라즈마의 생성을 용이하게 하며, 이는 본 출원에 유리할 수 있다.

추가의 대안적인 실시예에서, 이온화 장치는 공급 라인, 특히 전기 절연 재료로 제조된 관형 공급 라인을 구비하며, 이온화 장치의 제 2 전극은 공급 라인 내에 배열된다. 이러한 경우, 이온화될 가스는 적어도 부분적으로 제 2 전극 주위를 흐른다. 공급 라인 내에 제 2 전극을 배열함으로써 이온 또는 플라즈마의 생성에 유리한 제 2 전극의 기하학적 구조를 선택하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 공급 라인을 통한 가스의 흐름이 제 2 전극에 의해 너무 강하게 영향을 받지 않도록 해야 한다. 제 2 전극은 관형 공급 라인의 벽을 통해 연장되는 전극 부분의 도움으로 공급 라인에 체결될 수 있다. 대안적으로, 전극은 공급 라인의 벽의 내부 측면에 체결될 수 있으며, 전압 신호 또는 선택적으로 일정한 전위는 공급 라인에서 안내되는 전선의 도움으로 전극에 인가될 수 있다.

하나의 개발에서, 공급 라인에 배치된 제 2 전극은 이온화 장치(및 이온 트랩)의 제 1 전극을 향하는 팁을 구비한다. 예를 들어, 팁은 위에서 추가로 설명된 통로 개구부를 연장하는 관형 전극 부분으로 돌출될 수 있다. 팁으로 테이퍼지는 제 2 전극에 추가하여, 제 1 전극은 또한 2개의 팁 사이에서 이온을 생성하고 및/또는 플라즈마를 점화하기 위해 팁을 구비할 있다. 이러한 경우, 팁으로 테이퍼지는 전극 부분이 통로 개구부로부터 오프셋되어 전극에 부착되고 그리고 통로 개구부의 방향으로 연장된다면 유리하다.

일 실시예에서, 신호 생성기는 내부에 이온을 저장하기 위해 이온 트랩의 링 전극에 전압 신호를 결합하도록 구현된다. 이러한 경우에, 이온 트랩은, 예를 들어 적어도 하나의 링 전극과, 이온 트랩의 내부를 함께 한정하는 일반적으로 적어도 2개의 캡 전극을 구비하는 이온 공명 스트랩일 수 있다. 쌍곡선 폴 트랩(hyperbolic Paul trap)의 형태의 종래의 사중극 트랩의 경우, 링 및 캡 전극은 각각 실질적으로 쌍곡선 기하학적 구조를 갖는다. 일반적으로, 2개의 캡 전극은 접지 전위에 있고(여기가 없을 때), 반면에 고주파 AC 전압의 형태의 고주파 축전 전압 신호는 링 전극에 인가된다. 고주파 축전 전압 신호에 의해, 전기 필드(사중극 필드)가 이온 트랩에 생성되며, 이러한 전기 필드는 또한 전기 축전 필드로 지칭되는데, 그 이유는 이러한 필드의 이온 또는 하전 입자가 이온 트랩에 안정적으로 저장될 수 있기 때문이다. 전술한 바와 같이, 신호 생성기에 의해 생성된 고주파 축전 전압 신호는 이온화 장치에서 RF 플라즈마를 생성하는 데 사용될 수 있다. 축전 전압 신호는 전형적으로 ㎒ 범위, 예를 들어 1㎒ 정도의 주파수를 갖는다.

추가 실시예에서, 질량 분석기의 신호 생성기 또는 (추가) 신호 생성기는 내부의 이온을 여기시키기 위해 이온 트랩의 적어도 하나의 캡 전극에 전압 신호를 결합하도록 구현된다. 전형적으로 링 전극에 결합되는 축전 전압 신호 또는 링 전극에 대한 대안으로서, 캡 전극에 결합되는 여기 전압 신호를 사용하여 플라즈마를 생성할 수도 있다. 전형적으로, 예를 들어 소위 "SWIFT(저장 파형 역 푸리에 변환: Storage Wave-Form Inverse Fourier Transform)" 여기를 생성하기 위한 이러한 여기 전압 신호는 마찬가지로 고주파 AC 전압 신호이다. 여기 전압 신호는 전형적으로 전용 여기 신호 생성기에 의해 생성되고, 이에 의해 캡 전극에 결합된다. 여기 신호는 (플라즈마) 이온화 장치에서 RF 플라즈마를 생성하기 위해 유리하게 사용될 수 있다. 선택적으로, 전압 신호, 또는 여기 목적으로 사용되는 전압 신호는 또한 링 전극에 결합될 수 있다.

추가 실시양태에서, 질량 분석기는 이온 트랩으로부터 제거된 이온을 검출하기 위한 또는 이온 트랩에 저장된(그리고 여기된) 이온에 의해 생성된 이온 신호를 검출하기 위한 검출기를 포함한다. 전기 이온 공명 셀을 기반으로 하는 질량 분석기는 일반적으로 소위 "불안정 모드(instability mode)"에서 작동되며, 이 모드에서는 저장된 이온은 타겟화된 방식(과여기(over-excitation)에 의해)으로 이온 트랩으로부터 제거되고, (입자) 검출기에 의해 검출된다.

대안적으로, 이온 트랩에 저장된 이온은 검출되는 이온의 여기 동안에 생성된 이온 신호 덕분에 비파괴 방식으로 검출될 수 있다. 이러한 경우, 이온은 이온 트랩의 캡 전극 또는 캡 전극들에 유도 전하를 측정하거나 검출하여 검출된다. 유도 전하를 생성하기 위해, 이온은 여기 신호에 의해 여기되어 진동되며, 진동의 주파수는 이온 질량에 따라 좌우되거나, 또는 여기된 이온의 질량-대-전하 비율에 따라 좌우되며, 그에 따라 여기된 이온은 캡 전극에서 생성된 이온 전류 또는 이온 신호를 기반으로 검출된다. 유도 전하 또는 이온 전류 신호는, 전형적으로 기록되고, 푸리에 변환에 의해 분석기에서 주파수 스펙트럼 또는 질량 스펙트럼으로 변환되는 이온 전류 또는 이에 비례하는 전압 이온 신호에 의해 측정된다. 이러한 변환 때문에, 이러한 질량 분석기는 또한 (전기) 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명(FT-ICR) 질량 분석기라고도 한다.

이온화 장치에서 이온 또는 플라즈마를 생성하기 위한 전압 신호의 독창적인 사용은 위에서 추가로 설명된 이온 트랩의 유형에 반드시 적용될 필요는 없지만 원칙적으로 이것은 전압 신호가 결합되는 적어도 하나의 전극을 갖는 다른 유형의 이온 트랩에서도 수행될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명의 추가 특징 및 이점은 본 발명에 필수적인 세부사항을 도시하는 도면의 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 하기 설명 및 청구범위로부터 명백하다. 개별 특징부는 각각의 경우에 단독으로 또는 본 발명의 변형에서 임의의 원하는 조합으로 복수로 실현될 수 있다.

예시적인 실시예는 개략도에 예시되어 있고, 하기의 설명에 기재된다.
도 1은 이온 트랩과, 전극의 통로 개구부를 통해 이온 트랩에 공급되는 가스를 이온화하기 위한 이온화 장치를 구비하는 질량 분석계의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 전극이 통로 개구부에서 급격하게 돌출된 전극 부분을 구비하는 도 1의 질량 분석계의 세부사항의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는, 이온화 장치가 유전체 배리어 방전 또는 팁 방전을 생성하도록 구현되는 도 2a 및 도 2b와 유사한 개략도이다.
도 4는 가스 압력과 전극 간격의 곱의 함수로서 플라즈마의 점화 전압의 파셴(Paschen) 곡선을 도시한다.

이하의 도면의 설명에서, 동일하거나 기능적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 각각 사용한다.

도 1은 질량 분석기(1)의 이온 트랩(2)에 저장된 이온(4a, 4b)을 질량 분석법에 의해 검사하기 위한 질량 분석기(1)를 개략적으로 도시한다. 도시된 실시예에서, 이온 트랩(2)은 전기 이온 트랩(폴 트랩(Paul trap))으로 구현되고, 링 전극(3)의 형태의 제 1 전극을 갖는다. AC 전압(U_RF)의 형태의 고주파 축전 전압 신호가 링 전극(3)에 인가되고, 이 신호는 이온 트랩(2)에서 고주파 교류 필드의 형태의 전기 축전 필드(E)를 생성하며, 여기에서 분석 대상의 가스(4)의 이온(4a, 4b)은 동적으로 저장된다. 질량 분석기(1)는 고주파 축전 전압 신호(U_RF)를 생성하기 위한 축전 신호 생성기(5)를 구비한다. 도시된 실시예에서, 축전 신호 생성기(5)는 ㎑ 내지 ㎒ 정도, 예를 들어 1㎒의 일정한 주파수 그리고 수백 볼트의 일정한(최대) 진폭에서 축전 전압 신호(U_RF)를 생성하도록 구현된다. 대안적으로, 축전 신호 생성기(5)는 축전 전압 신호(U_RF)의 주파수 및/또는 진폭을 설정 또는 변경하도록 구현될 수 있다. 이를 위해, 축전 신호 생성기(5)는 예를 들어 서두에 인용된 국제 공개 팜플렛 제 WO 2017/194333 A1 호에 예시된 바와 같이 구현될 수 있다.

이온(4a, 4b)에 더 큰 범위로 작용하는 평균 복원력이 발생하는 전기 저장 필드(E)로부터, 이온(4a, 4b)은 이온 트랩(2)의 중앙 또는 중심으로부터 더 멀리 있다. 이온(4a, 4b)의 질량 대 전하 비율(m/z)을 측정하기 위해서, 이온(4a, 4b)은 여기 신호(U_stim1, U_stim2)(자극)에 의해 여기되어 진동하며, 진동의 주파수는 이온 질량 및 이온 전하에 따라 좌우되며, 전형적으로 ㎑ 내지 ㎒ 크기 정도, 예를 들어 대략 1㎑ 내지 200㎑의 주파수 범위에 있다. 각각의 여기 신호(U_stim1, U_stim2)는 제 1 및 제 2 여기 신호 생성기(6a, 6b)에 의해 생성되며, 그 다운스트림에는 각각의 경우에 증폭기가 연결되어 있다.

무반응, 비파괴 검출(즉, 이온(4a, 4b)이 검출 후에도 이온 트랩(2)에 여전히 존재함)에 있어서, 여기 이온(4a, 4b)의 진동 신호는 이온 트랩(2)의 캡 전극(7a, 7b)을 형성하는 2개의 측정 전극에서 유도 미러 전하의 형태로 제거된다. 2개의 캡 전극(7a, 7b)은 각각의 필터를 통해 각각의 저잡음 전하 증폭기(8a, 8b)에 연결된다.

전하 증폭기(8a, 8b)는 첫 번째로 여기로 인해 캡 전극(7a, 7b)에서 생성되는 2개의 이온 전류(I_Ion1, I_Ion2) 중 하나를 각각의 경우에 포착 및 증폭하고, 두 번째로 이들을 가상 접지 전위로 유지한다. 전하 증폭기(8a, 8b)에 의해 전압 신호로 변환된 이온 전류(I_Ion1,I_Ion2)로부터, 감산에 의해 이온 신호(U_ion(t))가 생성되며, 상기 이온 신호의 시간적 프로파일은 도 1의 우측 하단에 도시되어 있다.

이온 신호(U_ion(t))는 검출기(9)에 공급되며, 이 검출기는 도시된 실시예에서 도 1의 우측 상단에 도시되어 있는 질량 스펙트럼을 생성하기 위해 고속 푸리에 분석(FFT: fast Fourier analysis)을 위한 아날로그-디지털 변환기(9a) 및 분광기(9b)를 구비하고 있다. 이러한 경우, 검출기(9) 또는 분광기(9b)는 먼저 이온 트랩(2)에 저장된 이온(4a, 4b)의 특성 이온 공진 주파수(f_ion)의 주파수 스펙트럼을 생성하고, 이 주파수 스펙트럼은 각각의 이온(4a, 4b))의 질량 및 전하에 대한 이온 공명 주파수(f_ion)의 의존성을 기초하여 질량 스펙트럼으로 변환된다. 질량 스펙트럼에서, 질량 대 전하 비율(m/z)에 따라서 검출된 입자 또는 전하의 수가 표시된다.

도 1에 도시된 실시예에서, 분석 대상의 가스(4)는 가스 공급부(11)에 의해 챔버(10)로부터 취출되며, 상기 챔버는 산업 프로세스, 예를 들어 코팅 프로세스가 실행되는 산업 장치의 일부를 형성하는 프로세스 챔버이다. 대안적으로, 챔버(10)는 예를 들어 리소그래피 장치의 (진공) 하우징 또는 임의의 다른 유형의 챔버일 수 있다. 가스 공급부(11)는 가스(4)가 챔버(10)로부터 나오도록 하는 가스 출구(12)와, 분석 대상의 가스(4)를 펄스 방식으로 이온화하는 이온화 장치(15)에 분석 대상의 가스(4)를 공급하기 위해 제어 장치(14)에 의해 제어 가능한 밸브(13)를 구비한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이온화 장치(15)는 링 전극(3)에 인접하게 배치된다. 분석 대상의 이온화된 가스(4), 즉 이온(4a, 4b)이 이온 트랩(2)의 내부(2a)로 유입되는 통로 개구부(16)는 링 전극(3)에 형성된다. 도시된 실시예에서, 통로 개구부(16)는 이온 트랩(2)의 중심 평면에서 연장되며, 이러한 중심 평면에 대해서 캡 전극(7a, 7b) 및 링 전극(3)은 미러 대칭 방식으로 배치된다.

도 1에 도시된 질량 분석기(1)에 있어서, 이온화 장치(15)는 이온 트랩(2)에 직접 인접하게 배치되고, 보다 정확하게는 분석 대상의 가스(4)의 공급을 위한 통로 개구부(16)가 형성되어 있는 링 전극(3)의 영역에 바로 인접하게 배치된다. 또한, 축전 신호 생성기(5)에 의해 생성되고 그리고 제 1 전기 연결 라인(20a)을 통해 링 전극(3)에 공급되는 축전 전압 신호(U_RF)는 결과적으로 이온화 장치(15)에서도 이용 가능하고, 도 2a 및 도 2b에 기초하여 아래에서 설명되는 바와 같이 이온(4a, 4b, 17) 또는 플라즈마를 생성하기 위해 사용될 수 있다.

도 2a에 도시된 이온화 장치(15)에 있어서, 내부(2a)를 한정하는 이온 트랩(2)의 링 전극(3)은 이온화 장치(15)의 제 1 전극(3)을 형성하며, 상기 제 1 전극(3)은 2개의 전극(3, 18) 사이의 공간에서 이온(4a, 4b)을 생성하기 위해 제 2 전극(18)과 함께 사용된다. 전극(3)에 인가되는 RF 축전 전압 신호(U_RF)가 이온화 장치(15)를 통해 흐르는 가스(4)에서 RF 플라즈마를 생성하는 데 사용될 수 있다는 사실이 이용된다. 여기에서, 제 2 전극(18)에는 일정한 전위(예를 들어, 접지 전위)가 인가된다.

제 2 전극(18)은 상기 전극에서 일정한 전위를 생성하기 위해 반드시 축전 신호 생성기(5)에 연결될 필요는 없다는 것이 이해된다.

도 2a에 도시된 이온화 장치(15)에 있어서, 제 2 전극은 분석 대상의 가스(4)가 이온 트랩(2)의 방향으로 흐르는 금속 공급 라인(18)으로서 구현된다. 내부로부터 멀리 향하는 그 외부 측면 상에서, 링 전극(3)은 관형 전극 부분(3a)을 가지며, 이 관형 전극 부분은 팁으로 테이퍼지고 그리고 통로 개구부(16)를 둘러싸거나 또는 제 2 전극(18)의 방향에서 통로 개구부(16)를 연장한다. 제 2 전극(18)은 팁으로 테이퍼지는 전극 부분(3a)의 단부로부터 사전결정된 거리(d)를 두고 배치된다. 팁으로 테이퍼지는 링 전극(3) 또는 전극 부분(3a)과 제 2 전극(18)으로서 사용되는 공급 라인의 단부 사이의 간극을 연결하기 위해서, 이온화 장치(15)는 전기 절연 재료, 도시된 실시예에서 세라믹으로 구성되는 관형 공급 라인 부분(19)을 구비한다. 전기 절연 공급 라인 부분(19)은, 제 2 전극을 형성하고 그리고 링 전극(3)과 대향하는 단부와 링 전극(3) 사이의 간극을 연결하는 공급 라인(18)의 외부 측면을 따라 연장된다. 공급 라인 부분(19)은 분석 대상의 가스(4)가 주변으로 누출되는 것을 방지한다.

점화 경로는 플라즈마를 점화하기 위해 또는 2개의 전극(3, 18) 사이의 공간에서 이온(4a, 4b)을 생성하기 위해 사용할 수 있으며, 상기 점화 경로는 분석 대상의 가스(4)의 흐름 방향에서 2개의 전극(3, 18) 사이의 거리(d)에 대응하며, 예를 들어 약 100㎛와 50㎜ 사이의 길이를 가질 수 있다.

제어 장치(14)는 분석 대상의 가스(4)를 펄스 방식으로 이온 트랩(2)의 내부(2a)에 공급하기 위해 임의의 경우에 제어 가능한 밸브(13)를 구동시켜야 하기 때문에, 플라즈마는 분석 대상의 가스(4)의 펄스형 공급의 매개변수의 적절한 선택의 경우에 자동적으로 점화되며, 상기 플라즈마는 폐쇄 루프 제어를 필요로 하지 않고 가스 압력이 떨어질 때 다시 퀸칭된다. 펄스 방식으로 이온 트랩(2)에 공급된 이온(4a, 4b)을 축전 및 분석하면서 플라즈마를 퀸칭하는 것은 예를 들어 공간 충전 효과를 최소화하기 위해 플라즈마에 의한 이온 트랩(2)의 전기 축전 필드(E)의 간섭을 회피하는 데 유리하다.

도 2b에 도시된 이온화 장치(15)는 도 2a에 도시된 이온화 장치(15)와 실질적으로 상이한데, 도 2b의 이온화 장치는 제 2 전극(18)이 배치되는, 전기 절연 재료로 제조된 공급 라인(19)을 구비한다. 도 2b에 도시된 실시예에서, 제 2 전극(18)은, 팁으로 테이퍼지고 그리고 돌출 전극 부분(3a)에서 링 전극(3)의 통로 개구부(16) 내로 돌출하는 단부(18a)를 갖는다. 이러한 방식으로, 이온 트랩(2)의 내부(2a)에 직접 인접한 통로 개구부(16)에서 이온(17)을 생성하는 것이 가능하다.

도 2b에 도시된 실시예에서, 이온화되고 이온 트랩(2)의 내부(2a)에 공급될 가스는 이온화 가스(22), 일반적으로 희가스, 예를 들어 헬륨이다. 이온화 가스(22)는 가스 공급부(11)의 가스 저장소(21)에 유지되고, 가스 출구(12) 및 제어 가능한 밸브(13)를 통해 이온화 장치(15)의 공급 라인(19)에 공급된다. 이온화 가스(22)는 이온 트랩(2)의 내부(2a)에서 분석 대상의 가스(4)를 이온화하는 데 사용된다. 이러한 경우, 분석 대상의 가스(4)는 제 1 캡 전극(7a)의 통로 개구부(26)를 통해 이온 트랩(2)의 내부(2a)로 도입되고, 이온 트랩(2)의 대략 중앙에 정렬된다. 이온 트랩(2)은 대칭 축(23)을 갖고, 이온 트랩(2)의 전극(3, 7a, 7b), 보다 정확하게는 내부(2a)를 한정하는 내부 측면은 상기 대칭 축에 대해 회전 대칭을 갖는다. 분석 대상의 가스(4)는 이온화 장치(15)에서 생성된 이온화 가스(22)의 이온(17)에 의해 이온 트랩(2)의 내부(2a)에서 충돌 및/또는 전하 교환 이온화에 의해 이온화된다. 분석 대상의 가스(4) 또는 분석 대상의 가스(4)의 이온(4a, 4b)과 이온화 가스(22)의 이온(17) 사이의 충돌 횟수는, 이온화 가스(22)의 이온(17)이 이온 트랩(2)의 축전 필드(E)에 저장되어 있거나 또는 비교적 긴 궤적으로 적어도 강제된다면 타겟화된 방식으로 증가될 수 있다. 이온화 가스(22)로서 네온 또는 아르곤을 사용하는 것이 이를 위해 유리하다.

도 2b에 도시된 것과는 달리 분석 대상의 가스(4)는 이온 트랩(2)의 외부에서 이온화되어야 하는데, 즉, 이온화 가스(22)를 사용하지 않아도 되는 경우, 제 1 캡 전극(7a)을 통한 이온 트랩(2)의 내부(2a)에 들어가는 분석 대상의 가스(4)는 마찬가지로 예를 들어 도 2에 예시된 바와 같이 구성될 수 있는 (플라즈마) 이온화 장치(15)의 도움으로 이온화될 수 있다. 이러한 경우, 링 전극(3)이 아닌 제 1 캡 전극(7a)이 이온화 장치(15)의 일부를 형성한다. 이러한 경우, 제 1 여기 신호 생성기(6a)에 의해 생성된 여기 전압 신호(U_stim1)는 플라즈마 생성 장치(15)에서 플라즈마(17)를 생성시키는 데 사용된다. 따라서, 제 2 캡 전극(7b) 또는 제 2 여기 신호 생성기(6b)는 분석 대상의 가스(4) 또는 이온화 가스(22)를 이온화하기 위해 사용될 수 있음이 이해된다.

도 3a 및 도 3b는 제 2 전극(18)의 구성에 의해 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예와 상이한 (플라즈마) 이온화 장치(15)에서 이온(4a, 4b) 또는 플라즈마를 생성하기 위한 2개의 추가 옵션을 도시한다.

도 3a에 도시된 실시예에서, 도 2b에서와 같이 공급 라인(19)은 전기 절연 재료로 형성된다. 링-형상 금속 커프(18)(또는 파이프 부분)는 공급 라인(19)의 외부 측면에 부착되고, 이온화 장치(15)의 제 2 전극을 형성한다. 제 2 전극 또는 커프(18)는 공급 라인(19)에 의해 차폐되기 때문에, 플라즈마(17)는 유전체 배리어 방전에 의해 링 전극(3)에 직접 인접한 영역의 공급 라인(19) 내에서 생성된다.

도 3b에 도시된 실시예에서, 제 2 전극(18)은 도 2b에 도시된 실시예에서와 같이 전기 절연성 공급 라인(19) 내에 배치된다. 제 2 전극(18)은 로드-형상 실시예를 갖고, 또한 링 전극(3) 또는 통로 개구부(16)를 향하는 팁(18a)을 갖는다. 원통형 공급 라인(19)을 수용하거나 체결하기 위해 도 3a에서와 같이 사용되는 제 1 돌출된 원통형 전극 부분(3a)에 추가하여, 팁으로 테이퍼지는 제 2 돌출 전극 부분(3b)이 링 전극(3) 상에 형성된다. 제 2 전극 부분(3b)은 통로 개구부(16)로부터 측방향 오프셋을 갖고 링 전극(3)의 외부 측면에 부착되며, 팁으로 페이퍼지는 그 단부는 제 2 전극(18)의 팁(18a)에 대한 간극에서 이온(4a, 4b) 또는 플라즈마를 생성하기 위해 링 전극(3)의 제 2 전극(18)의 팁(18a)의 방향으로 연장된다.

요약하면, 이온 트랩(2)의 전극(3, 7a, 7b)에 인가된 전압 신호(들) 또는 전위(들)는, 예를 들어 전극(3)의 특정 기하학적 구조 또는 이온화 장치(15)의 적절한 실시예에 의해서 상술한 방식으로 분석 대상의 가스(4)의 또는 이온화 가스(22)의 이온 트랩(2)의 내부(2a)로의 입구의 영역에서 이온(4a, 4b, 17) 또는 플라즈마를 생성하는 데 사용될 수 있다. 전극(3, 7a, 7b)에는 신호 생성기(5, 6a, 6b)에 의해 각각의 전압 신호(U_RF, U_stim1, U_stim2)가 공급되기 때문에, 이온화 장치(15)에 대한 추가 전압 공급이 필요하지 않다. 또한, 각각의 전극(3, 7a, 7b)은 적절한 경우 이온화 장치(15)의 (제 1) 전극으로서 사용될 수 있다.

전술한 절차는 도 1에 도시된 바와 같이 전기 공명 트랩의 형태의 이온 트랩(2)을 갖는 질량 분석기(1) 뿐만 아니라 상이한 유형의 이온 트랩(2)에도 유리하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 이온(4a, 4, 17) 또는 플라즈마를 생성하는 데 사용되는 전압 신호는 적용 가능한 경우 이 경우 (고주파) AC 전압이 아니라 DC 전압일 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 질량 분석기(1)의 경우와 같이, 이온 트랩(2)에 저장된 이온(4a, 4b)의 비파괴 분석을 수행해야 하는 것도 아니다. 오히려, 이온(4a, 4b), 또는 표적화된 방식에서 개별 이온 종은 검출 목적을 위해 이온 트랩(2)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 경우, 이온 트랩(2)으로부터 제거된 이온(4a, 4b)은 이온 트랩(2)의 외측에 배치된 검출기(9)에서 검출된다.

Claims (13)

1. 이온(4a, 4b)을 저장하기 위한 내부(2a)를 갖는 이온 트랩(2)과,
   전압 신호(U_RF, U_stim1, U_stim2), 특히 고주파 전압 신호를 결합하기 위해, 내부(2a)를 한정하는, 이온 트랩(2)의 전극(3; 7a, 7b)에 연결된 신호 생성기(5; 6a, 6b)와,
   이온화되어 내부(2a)에 공급되는 가스(4, 22)를 이온화하기 위한 이온화 장치(15), 특히 플라즈마 이온화 장치를 포함하는 질량 분석기(1)에 있어서,
   상기 이온화 장치(15)는 이온(4a, 4b, 17)을 생성하기 위해 전극(3, 7a, 7b)에 결합된 신호 생성기(5; 6a, 6b)의 전압 신호(U_RF, U_stim1, U_stim2)를 사용하기 위해서 신호 생성기(5; 6a, 6b)에 연결되는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 생성기(5)에 연결된 전극(3)은 가스(4)를 내부(2a)로 공급하기 위한 통로 개구부(16)를 구비하는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   분석 대상의 가스(4) 또는 이온화 가스(22)의 형태의 가스(4, 22)를 이온화 장치(15)에 공급하도록 구현된 가스 공급부(11)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 가스 공급부(11)는 가스(4, 22)를 이온화 장치(15)에 펄스 공급하기 위해 제어 장치(14)에 의해 제어 가능한 적어도 하나의 밸브(13)를 구비하는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 신호 생성기(5)에 연결된 이온 트랩(2)의 전극(3)은 이온화 장치(15)의 적어도 2개의 전극(3, 18) 중 제 1 전극을 형성하며, 이온(4a, 4b, 17)은 상기 적어도 2개의 전극(3, 18) 사이에서 생성되는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전극(3)은 관형 전극 부분(3a, 3b), 특히 내부(2a)로부터 멀어지는 쪽을 향하는 측면, 특히 통로 개구부(16)의 영역에서 팁으로 점점 테이퍼지는 관형 전극 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 이온화 장치(15)는 전기 전도성 공급 라인(18), 특히 이온 트랩(2)에 가스(4)를 공급하도록 구성되고 그리고 이온화 장치(15)의 제 2 전극을 형성하는 전기 전도성 관형 공급 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 이온화 장치(15)는 가스(4)를 이온 트랩(2)에 공급하기 위한 전기 절연 재료로 제조된 공급 라인(19), 특히 관형 공급 라인(19)을 구비하며, 상기 이온화 장치(15)의 제 2 전극(18)은 공급 라인(19)의 외부 측면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 이온화 장치(15)는 전기 절연 재료로 제조된 공급 라인(19), 특히 관형 공급 라인(19)을 구비하며, 상기 이온화 장치(15)의 제 2 전극(18)은 공급 라인(19) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는
   질량 분석기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공급 라인(19)에 배치된 제 2 전극(18)은 이온화 장치(15)의 제 1 전극(3)을 향하는 팁(18a)을 구비하는
    질량 분석기.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 생성기(5)는 전압 신호(U_RF)를 내부(2a)에 이온(4a, 4b)을 저장하기 위한 이온 트랩(2)의 링 전극(3)에 결합하도록 구현되는 것을 특징으로 하는
    질량 분석기.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 생성기(6a, 6b)는, 내부(2a) 내의 이온(4a, 4b)을 여기시키기 위해, 전압 신호(U_stim1, U_stim2)를 이온 트랩(1)의 적어도 하나의 캡 전극(7a, 7b)에 결합시키도록 구현되는
    질량 분석기.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 트랩(2)으로부터 제거된 이온(4a, 4b) 또는 상기 이온 트랩(4a, 4b)에 저장된 이온(4a, 4b)에 의해 생성된 이온 신호(u_ion(t))를 검출하기 위한 검출기(9)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는
    질량 분석기.

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