KR20220088413A - 컴팩트한 비행시간 질량 분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 이온 광학계에서 하전 입자를 가속시키는 가속 전극 세트를 제공하고, 각 가속 전극은 원뿔 섹션과, 이 원뿔 섹션으로부터 돌출되는 적어도 하나의 가늘고 긴 레그를 포함하고, 상기 가늘고 긴 레그와 또 다른 추가의 가늘고 긴 레그는 기계적 지지부로서, 그리고 원뿔 섹션과 의도한 전위 소스 간의 전기적 연결부로서 각각 구성된다.

Description

컴팩트한 비행시간 질량 분석기

본 발명은 액체 또는 기체의 화학적 조성을 결정하기 위한 질량 분광계용의 콤팩트한 ToF (time-of-flight) 질량 분석기에 관한 것이다.

많은 산업 응용 분야에서는 생산 장비 또는 기반시설의 인라인에 통합될 수 있는 콤팩트한 장치로, 액체 또는 기체 형태의 물질에 대한 화학적 조성을 측정할 필요가 있다. 예를 들어, 반도체, 광학기 및 디스플레이의 제조에 사용되는 코팅 공정은 정확한 공정 제어를 필요로 하며, 이는 진공 증착 공정에서 기판에 전달되는 기체 조성을, 예컨대 1초의 몇분의 1마다 고속으로 측정함으로써 달성할 수 있다.

질량 분광계는 실험실에서 기체 또는 액체의 화학적 조성을 결정하는데 전형적으로 사용하는 고성능 기기이다. 질량 분광계는 "질량/전하의 비율에 따라 이온빔이 분리되는 기기" [1]이다. 질량 분광계는 기기 이온소스의 내부에서 생성된 물질의 원자 또는 분자의 양이온이나 음이온 원자를 직접 측정함으로써 작동된다. 다음에, 이들 이온은 질량 스펙트럼을 얻는 질량 분석기로 전달되며, 여기서는 질량 대 전하 비율(mass-to-charge ratio) 대 강도의 보정된 스케일로 표시되는 그들의 특성 스펙트럼에 의해서 각 원자 또는 분자의 종을 식별할 수 있다.

질량 분광계는 일정한 시간 간격으로 물질의 화학적 조성을 모니터링하는데 사용할 수 있으며, 따라서 공정 제어용 센서로서 사용할 수 있다. 질량 분광계는 실험실에서 인간 조작자가 작동해야 하는 기기와, 규정된 시간 간격으로 물질을 자동으로 분석하고 이 분석 결과를 네트워크를 통해 컴퓨터 시스템에 제공할 수 있는 자율 장치 기기 모두의 형태로 존재한다. 이러한 장치의 예로는 작은 핀홀을 사용하여 진공으로 기체 샘플을 전송하는 오리피스 입구 질량 분광계, 및 분석 중인 기체 또는 액체 샘플에 대해 반투과성인 막을 사용하는 멤브레인 입구 질량 분광계를 포함한다.

그들의 질량 대 전하 비율에 의해 이온을 분리하는 여러 상이한 방법이 있다. 한 가지 방법으로는 특정 질량 대 전하 비율을 가진 이온만 통과하여 검출기에 부딪칠 수 있게 하는 사중극 필터를 사용하는 것이 있다. 사중극 질량 분광계는 특정 범위의 질량을 스캐닝함으로써 질량 스펙트럼을 생성할 수 있다. 이들 기기는 매우 민감할 수 있지만, 예를 들어 10초 이상의 시간마다 스펙트럼을 생성할 수 있게 하는 질량 스펙트럼의 스캐닝을 수행해야 하므로, 속도가 느리다. 또한, 낮은 신호뿐만 아니라 높은 신호를 측정하는 능력을 필요로 하는 것으로, 매우 적은 양이나 미량으로 존재하는 물질을 함유하는 샘플의 측정에서 높은 감도를 달성하기 위해서, 사중극 질량 분광계는 이득 스위칭을 사용할 필요가 있다. 이는 기기의 측정이 정량적으로 유지되는 것을 보장하면서 전자장치에서 구현하려면 매우 힘든 작업이다. 게다가, 사중극의 바는 원하는 성능을 달성하기 위해 몇 마이크로미터 수준에서 정밀한 기계적인 정렬을 필요로 함에 따라, 이들 기기를 제조하는 것은 힘든 작업이다.

그들의 질량 대 전하 비율에 의해 이온을 분리하는 또 다른 방법으로는 실질적으로 동일한 운동 에너지를 갖는 샘플로부터의 이온 그룹을 이온 광학계 내로 가속시키는 것이 있으며, 여기서 이온들은 검출기 쪽으로 보내진다. 모든 이온은 실질적으로 동일한 운동 에너지로 시작하지만 상이한 질량을 갖기 때문에, 이들이 검출기에 도달하는 시간은 질량 대 전하 비율에 따라 달라지게 된다. 그러므로, 매우 빠른 전자장치를 사용하여 이온이 검출기에 도달하는 시간을 측정하므로, 이러한 종류의 장치에 대한 ToF (time-of-flight) 질량 분석기 또는 분광계란 이름하에 질량 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이들 기기는 매우 민감하고 빠른데, 이들은 대개 kHz 반복 속도로 작동하기 때문이며, 이는 초당 수천 개의 스펙트럼을 획득한 다음 기기 전자장치 내부에서 합산하여, 예를 들어 0.1 또는 1초의 시간마다 스펙트럼을 생성하는 것을 의미하며, 이는 전형적인 사중극 질량 분광계보다 약 10 내지 100배 빠르다. 또한, ToF (time-of-flight) 질량 분광계의 전체 스펙트럼은 검출기의 동일한 이득 설정으로 획득되므로, 빠르고 여전히 정량적이며 민감한 측정을 가능케 한다. 그러나, 이들 기기는, 특히 기기가 콤팩트하며 질량 분석기에서 이온의 비행 시간 (time-of-flight)이 대략 몇 마이크로초로 짧은 경우, 고성능 전자장치를 필요로 한다. 게다가, 그들의 성능은 질량 분석기의 이온 광학기에 대한 디자인의 세부 사항에 매우 민감하다. 결과적으로, ToF 질량 분광계는 대개 고급 실험실에서만 발견되는 크고 값비싼 기기이지만, 공정 제어용 산업 제조 장비에서는 온라인으로 사용되지 않는다. 따라서, 콤팩트한 크기는 산업 제조 장비에 대한 이들의 인라인 통합을 가능케 하는데 중요하다. 한편, 사중극 질량 분광계는 이들의 단점에도 불구하고, 작게 제작할 수 있으므로, 산업계에서는 공정 제어 기기로서 통상적으로 사용된다.

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본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하는데 있다. 따라서, 이전에는 사중극 질량 분광계만 사용하였던 산업 분야에서 빠른 ToF 질량 분석기를 사용하는 것이 가능하며, 그로 인해 다양한 산업 응용에서 보다 빠르고 민감한 공정 및 제품의 품질 관리에 대한 새로운 가능성을 열 수 있다.

제 1측면에서, 본 발명은 ToF (time-of-flight) 질량 분석기와, 발산 이온빔을 생성하는 이온소스와, 보상 이온빔(compensated ion beam)으로부터 이온을 ToF 질량 분석기 내로 직교 추출(orthogonal extraction)하기 위한 추출 영역과, 이온소스와 추출 영역 사이에 배치되고, 발산 이온빔의 발산을 보상하여 추출 영역에 실질적으로 평행하거나 그 부근에 집속되는 보상 이온빔을 생성하는 전송 광학기를 포함하는 ToF 질량 분광계를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 추출 영역은 보상 빔으로부터 이온의 궤적을 실질적으로 90°로 만곡시키는 푸시 전극 및 풀 전극과, ToF 질량 분석기의 드리프트 영역의 방향으로 이온을 가속시킬 수 있는 가속 전극을 포함한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 전송 광학기는 기계적 결함, 및 중심을 벗어난 발산 이온빔(ex-centered divergent ion beam)을 포함하는 목록 중 어느 하나를 보상하고, 이들 전극에 인가된 전압의 설정에 기반하여 발산 이온빔의 방향을 변경하고, 전송 광학기의 집속 능력과 관련해서 발산 궤적에 있는 발산 이온빔으로부터 이온을 잘라내도록, 빔 안내가 가능하게 배열된 복수의 전극을 포함한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 복수의 전극은 발산 이온빔을 둘러싸도록 배열되고 빔 안내가 가능한 복수의 제 1전극 및 복수의 제 2전극과, 이온빔을 놓고 양측에 배치되고 발산 이온빔의 실질적으로 절반을 둘러싸도록 배열되며 이들 전극에 인가된 전압의 설정에 기반하여 발산 이온빔의 방향을 변경할 수 있는 복수의 제 3전극 및 복수의 제 4전극과, 스키머로서 배열되고, 전송 광학기의 집속 능력과 관련해서 발산 궤적에 있는 발산 이온빔으로부터 이온을 잘라낼 수 있는 복수의 제 5전극을 포함한다.

제 2측면에서, 본 발명은 진공 이온 광학계(vacuum ion optical system)에서 하전 입자를 가속시키는 가속 전극 세트를 제공하고, 각 가속 전극은 원뿔 섹션(conical section)과, 이 원뿔 섹션으로부터 돌출되는 적어도 하나의 가늘고 긴 레그(elongated leg)를 포함하고, 상기 가늘고 긴 레그와 또 다른 추가의 가늘고 긴 레그는 기계적 지지부로서, 그리고 원뿔 섹션과 의도한 전위 소스(intended source of electric potential) 간의 전기적 연결부로서 각각 구성된다.

추가의 바람직한 실시예에서, 전극 세트는 순서대로 가속 전극을 수용하는 절연 튜브를 더 포함하고, 연속적인 가속 전극은 순서대로 선행하는 가속 전극과 비교하여 증가된 길이의 레그를 가지며, 증가된 길이의 레그는 연속적인 가속 전극들 사이에서 원하는 전기장을 얻기 위해 서로 간의 결정된 거리에 원뿔 섹션을 위치시킴으로써, 동심원의 가속 전극 세트를 제공한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 가속 전극의 레그는 기준 평면으로서 역할을 하는 동일한 지지부에 장착된다.

추가의 바람직한 실시예에서, 전극 세트가 장착되는 지지부는 인쇄 회로 기판이다.

제 3측면에서, 본 발명은 이온 광학계에서 이온을 가속시키는 가속 전극으로서 또는 전송 광학기(transfer optics)의 전극으로서 구성된 전극 세트를 제공하며, 각 전극은 인쇄 회로 기판에 기계적으로 고정 및 전기적으로 연결되어, 인쇄 회로 기판은 전극의 기계적 고정에 매우 근접한 노이즈 필터의 구현을 추가로 지원한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 각 전극은 다른 전극들의 레그 길이와 상이한 길이를 지닌 레그를 사용하여 인쇄 회로 기판에 장착된다.

추가의 바람직한 실시예에서, 전극의 적어도 서브세트는 자체의 노이즈 필터를 구비한다.

추가의 바람직한 실시예에서, 상기 전극들은 정렬된 일련의 전극을 형성하도록 장착되고, 각 전극은 일련의 이전 전극에 대해 특정 각도로 장착된다.

바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해, 그리고 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더 잘 이해하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 ToF (time-of-flight) 질량 분석기의 이온소스의 직교 이온 주입부를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 ToF 질량 분석기의 가속 영역의 2가지 유형의 전극을 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 하나의 얇은 레그를 갖는 전극을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 지지부에 장착된 복수의 전극을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판에 전극을 장착하는 한가지 방법을 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 3의 전극과 각각 유사하지만, 도 2b의 전극과 유사한 방식으로 장착된 복수의 전극을 도시한다.

도면 및 설명의 전반에 걸쳐서 동일하거나 유사한 대상은 동일한 참조번호를 사용하여 나타내기로 한다.

본 발명은 특히 콤팩트한 기기와 관련되는 경우, ToF (time-of-flight) 질량 분광계의 제조 가능성 및 성능을 향상시키는 ToF (time-of-flight) 질량 분석기의 이온 광학기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 원래 사중극 질량 분석기용으로 설계된 이온소스를 ToF 질량 분석기와 결합하는 방법을 개시하며, 이는 서로 접속되는 이들 측정 기기와 산업 제조 장비 간의 기존 인터페이스에 대한 최소한의 변경을 통해, 산업 공정 제어에 사용되는 느린 사중극 질량 분석기를 새롭고 빠른 ToF 질량 분석기로 매우 용이하게 교체할 수 있다. 이들 모든 특징은 이전에 사중극 질량 분광계만 사용하였던 산업 분야에서 빠른 ToF 질량 분석기를 사용할 수 있게 하므로, 다양한 산업 응용 분야에서 보다 빠르고 보다 민감한 공정 및 제품의 품질 관리를 위한 새로운 가능성을 열 수 있다.

일 측면에서, 본 발명은 원래 사중극 질량 분석기용으로 고안된 이온소스를 ToF 질량 분석기와 결합하는 장치에 관한 것으로, 이는 상기 기존 기기에 대한 최소한의 변경을 통해, 저성능 사중극 질량 필터를 고성능 ToF 질량 분석기로 교체할 수 있게 하므로, 보다 신속하고 보다 민감한 분석기로 기존 기기에 대한 상당히 용이한 업그레이드를 제공한다.

사중극 질량 분석기 기술은 생성된 이온을 몇 도의 각도로 사중극 분석기 내에 주입하는 것으로, 연속으로 행해지는 이온소스를 필요로 한다. 이하, 이러한 장치를 "사중극 이온소스"라고 칭한다. 그러나, 이러한 발산하는 이온빔을 갖는 경우, 기존의 사중극 이온소스를 ToF 질량 분석기와 접속하는 것이 가능하지 않은데, 이온의 발산으로 인해 이들이 추출되는 방향으로 속도 성분을 갖는 경우, 질량 분해능에 결함이 생기기 때문이다. 이온소스에서 이온의 초기 시간 확산이 나중에 질량을 이용해 분리하는데 중요하기 때문에, ToF 질량 분석기가 고해상도 질량 스펙트럼을 달성하기 위해서는 거의 평행한 이온빔이 필요하다.

전자 분사 이온화 소스 같은 연속적인 이온소스를 ToF 질량 분석기와 접속하는 공지된 기술로는, 추출 방향에 수직으로 ToF 질량 분석기의 이온소스의 추출 영역에 이온을 도입하는 소위 직교 추출이 있다. 직교 추출은 ToF 질량 분석기에서 발견되는 고전압 요소들 간의 증가된 방전 위험 때문에, 성능 및 안전 문제가 되는 과도한 압력에서 질량 분석기의 작동을 방지하면서, 높은 이온 또는 기체 밀도를 갖는 전자 분사 이온화 소스 같은 연속적인 이온소스를 취급할 수 있게 한다. 너무 높은 압력에서 질량 분석기가 작동하면, 상기 분석기를 통해 비행(통과)하는 이온의 평균 자유 경로를 감소시켜 기기의 감도를 저하시킨다. 직교 추출을 사용하는 또 다른 이유는, 행성 물체나 혜성의 대기에 있는 이온 등의 직선 이온소스를 갖고 고품질의 질량 스펙트럼을 달성하기에는 너무 빠른 이러한 이온을 측정하기 위함이며[비특허문헌2] [비특허문헌3], 직선 이온소스에서는 상기 빠른 이온을 유지하고 그들의 시간 확산을 감소시켜 고분해능 질량 스펙트럼 분석을 실행하기 위한 양호한 초기 조건을 달성하는 것은 불가능하기 때문이다.

본 발명은 이온을 실질적으로 평행한 보상 이온빔으로 형성함으로써 사중극 이온소스의 초기 발산 이온을 ToF 분석기의 추출 영역으로 안내함과 동시에, 전술한 직교 추출 이온소스의 모든 장점을 얻을 수 있는 새로운 유형의 직교 추출을 개시한다. 본 발명은

· 발산 이온빔을 생성하는 사중극 이온소스,

· ToF 질량 분석기의 이온 광학계 내로 이온을 직교 추출하기 위한 영역, 및

· 상기 이온소스와 상기 추출 영역 사이에 배치되며, 이온빔의 발산을 보상하여 추출 영역에 거의 평행하거나 그 근처에 집속되는 빔을 생성하는 전송 광학기의 조합을 포함한다.

전송 광학기는 발산하는 이온빔을 ToF 질량 분석기의 추출 영역으로 안내하고 거의 평행한 보상 빔을 형성하는데 사용되는 전극 세트이다. 이 전송 광학기 전극은 이온을 추출 영역을 향해 기하학적으로 집속시키는 정전기 렌즈로서의 역할도 한다.

사중극 이온소스를 ToF 질량 분석기의 추출 영역과 결합할 수 있게 하는 거의 평행한 이온빔을 생성하고 충분한 성능 또는 질량 분해능을 달성하기에 충분한 정도로 전술한 빔 발산의 보상 효과를 달성하기 위해, 임의의 수의 전극을 사용할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 전송 광학기를 구성하는 전극 세트는 참조번호 1 내지 5로 표시한 5개의 전극을 포함한다. 도 1은 ToF 질량 분석기의 이온소스의 직교 이온 주입부를 나타내는 단면도이다. 도 1의 우측에는 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 이온빔(104)을 제공하는 사중극 이온소스(100)가 도시되어 있다. 도 1의 중간에는 사중극 이온소스(100)를 1에서 5까지의 번호가 매겨진 그의 전극과 함께, ToF 분석기(도 1에는 ToF 분석기가 도시되지 않음)를 접속하는 전송 광학기(101)를 볼 수 있다. 동일한 번호 1 내지 5가 여러 번 보이며, 동일한 번호는 동일한 전원 공급기에 연결된 전극을 나타낸다. 도 1의 좌측 부분은 백플레인 또는 푸시 전극(106)과 풀 전극(107)에 의해 이온의 궤적이 약 90도로 만곡된 추출 영역을 도시하며, 다음에 이온은 가속 전극(102)에 의해 ToF 질량 분석기의 필드 프리 드리프트 영역의 방향(103)으로 가속된다. 도 1의 중간 부분에서, 참조번호 1 및 2로 표시한 처음 2개의 전극은 이온빔(104)을 둘러싸며, 기계적 결함 또는 비중심 이온 생성(non-central ion creation)으로 인해 생길 수 있는 빔의 기하학적 왜곡을 보상하도록 빔을 안내하는 역할을 한다. 도 1에서 참조번호 3 및 4로 표시한 제 3및 제 5전극은 이온빔(104)의 대략 절반을 둘러싸고 이온빔(104)을 놓고 양측에 배치되어 있어, 이들 전극은 그들의 전압 설정에 기반하여 이온빔(104)의 방향을 변경하는데 사용할 수 있다. 도 1에서 참조번호 5로 표시한 제 5전극은 전송 광학기(101)의 집속 능력을 위해 고도로 발산하는 궤적에 있는 이온을 잘라내는 스키머로서의 역할을 한다. 이 지점에서, 이온빔(104)은 추출 영역의 접지 전위에 있는 구멍(105)을 통해 질량 분석기의 추출 영역으로 들어간다. 이들 각각의 전극에 인가되는 전압의 실제 값은 기기의 실제 구성에 따라 다를 수 있다. 사중극 이온소스(100)에 의해 생성되는 이온의 극성에 따라 양극 또는 음극이 될 수 있지만, 이들 전극에 인가되는 전압은 일반적으로 대략 몇 전자볼트(eV)의 에너지로 이온빔(104)을 생성하는 방식으로 설정된다. 바람직한 실시예에서, 이들 전극에 인가된 전위는 대략 -120V 내지 +120V의 범위이다. 이들 전극은 SIMION 소프트웨어 또는 실험을 통해 수행되어 원하는 특성을 가진 빔을 생성할 수 있는 바와 같이, 이온 광학 시뮬레이션에 의해 입증될 수 있는 임의의 형태를 가질 수 있다. 상기 전극의 가능한 형상은 원형, 타원형, 정사각형 및 직사각형 형상, 또는 이들의 부분 섹션을 포함한다.

사중극 질량 분석기를 ToF 질량 분석기로 교체하는 경우, 일반적으로 발산 빔을 생성하는 사중극 이온소스를 사용하지 않으며, 대신 중성 기체가 이온화되는 영역 (이온화 영역)을 직교 부분의 전극들 사이 또는 내부의 제한된 공간에 배치하여 생성된 이온을 즉시 가속시켜 이들을 평행 이온빔으로 형성하기 위해, 사중극 이온소스를 다시 설계한다. 대조적으로, 본 발명은 발산하는 이온빔을 생성하는 사중극 이온소스의 불리한 특성에도 불구하고, 기존의 사중극 이온소스를 ToF 분석기와 함께 유지하고 작동시킬 수 있게 한다. 놀랍게도, 이렇게 얻어진 기기는 원래 완전히 다른 기기에 최적화된 구성요소인 사중극 이온소스를 사용함에도 불구하고, 매우 안정적이며 높은 성능을 갖는다. 기존 기기 또는 제품에서 이온소스는 샘플 도입 시스템의 고유한 부분이므로, 이 부분을 다시 설계하는 것은 상당한 노력을 요하며 위험이 따른다. 대조적으로, 본 발명에서는 사중극 이온소스와 기체 도입 시스템의 모든 기존 부분이 모두 동일하게 유지되므로, 기기는 샘플 도입 시스템과의 인터페이스를 변경하지 않고도, 사중극 질량 분석기와 비교하여 여전히 ToF 질량 분석기가 제공할 수 있는 추가적인 성능을 갖고 익숙한 방식으로 작동될 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 이온을 가속함과 동시에, 조립이 용이하고 전극들 간의 용량성 결합을 최소화함으로써, 장치에서 사용되거나 인터셉트되는 신호의 고주파 성분의 노이즈(누화)를 감소시키는 장치에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 ToF 질량 분석기의 이온소스로부터 이온을 추출하는데 사용되는 고전압 펄서에 의해 초래되는 노이즈를 감소시킬 수 있다.

ToF 질량 분석기에서, 전기 펄스는 이온소스 내의 전극에 인가되어 소스로부터 이온을 밀거나 당겨서, 또는 밀고 당겨서 추출하고, 질량 스펙트럼 분석을 위해 그들의 ToF (time-of-flight) 경로로 이온을 가속시킨다. 이온을 끌어당기는데 사용할 경우, 예를 들어 전극은 그리드일 수 있으므로, 이온이 전극을 향해 가속될 때, 이들이 통과할 수 있는 것을 보장해야 한다. 대안적으로, 이온을 당기는데 사용하는 전극은 구멍을 포함한 상이한 형상을 가질 수 있지만, 이것이 생성하는 전기장의 균일성과 관련하여 몇 가지 단점을 지닌다. 전기 펄스는 이온소스에 의해 생성되는 이온의 극성에 따라 음 또는 양의 펄스가 될 수 있으며, 전형적으로 몇 백 볼트의 높이와 대략 몇 나노초의 상승 및 하강 시간을 갖는다. 하나 이상의 전기 펄스가 특정 기기의 구성에 인가될 수 있으며, 예를 들어 2개의 전기 펄스가 인가되어 이온을 거의 동시에 밀고 당길 수 있다.

ToF 질량 분석기의 성능은 전기 펄스 에지의 경사도 및 날카로운 정도에 크게 좌우된다. 이상적으로, 전기 펄스는 완벽한 구형파이다. 실제로, 질량 분석기의 이온소스에 인가되는 전기 펄스 또는 펄스들은 전형적으로 거의 직사각형 형상을 갖는다. 직사각형 형상에 가까운 펄스는 거의 완전한 주파수 스펙트럼에 걸쳐 신호 성분을 포함하므로, 고전압 펄스의 고주파 부분은 전체 질량 분광계를 통해 전파되어 노이즈를 유발할 가능성이 있다. 이 노이즈의 전파는 ToF 질량 분석기의 이온 광학기에 용량성 부하가 존재하여 유리한데, 커패시터는 고주파 신호에 대해 전도성인 경향을 갖기 때문이다. 이러한 노이즈의 전파는 콤팩트한 기기에 특히 중요한데, 용량이 공식 C=epsilon*A/d로 주어지기 때문이다. 여기서 epsilon(엡실론)은 2개의 면들 간의 유전 매체의 유전율이고, A는 2개의 면의 면적이며, d는 이들 면의 거리이다. 대형 기기에서 전극은 더 크지만, 전극들 간의 거리 역시 더 길다. 그러나, 용량은 면적에 따라 선형적으로 정해지지만 거리에 따라서는 비선형적으로 정해지므로, 인접한 전극들의 용량 결합은 콤팩트한 기기에 보다 중요한 것으로 기대할 수 있다. 이는 따라서, 이러한 콤팩트한 장치를 시장에서 찾기가 매우 어려운 이유 중 하나이다. 그러므로, 특히 콤팩트한 이온소스와 관련해서는, 질량 분석기의 모든 용량성 부하를 최소화하여 노이즈를 최소화하고 질량 스펙트럼의 품질을 개선하는 것이 바람직하다.

ToF 질량 분광계 또는 질량 분석기의 이온 광학계는 대개 이온 광학계에 도입된 이온을 가속시키는 전기장을 생성하는데 사용되는 하나의 전극 스택을 포함한다. 전극은 금속 전극일 수 있거나, 전도성 코팅을 지닌 다른 비전도성 재료로도 제조될 수 있다. 특히, 이온 광학계에서 이온소스의 가속 전극은 종종 이러한 방식으로 구축된다. 이들 각각의 전극은 이온소스에서 제조 및 조립하기 쉽기 때문에, 대개 외부 원형 크라운(201)을 갖는 거의 원뿔 섹션(200) (도 2 참조)으로 성형된다. 이러한 설계는 예를 들어, 비특허문헌 [4]에는 도 15로 개시되어 있으며, 도 2의 좌측에 도시되어 있다. 도 2는 ToF 질량 분석기의 가속 영역에 대한 2가지 유형의 전극을 나타낸다. 도 2에서 좌측은 종래 기술에 따른 그러한 기기에 사용되는 전형적인 디자인이다. 도 2에서 우측은 본 발명에 따른 구조이다. 종래 기술에서, 이들 전극은 형성된 후 서로의 상부에 적층된다. 제조 및 조립 방법은, 제한되지 않으나, 나사형 로드에 상기 전극을 장착하고 절연체 부품을 사용하여 이들을 분리하거나, 세라믹 절연체와 함께 그 사이에 전극을 직접 납땜하는 것을 포함한다[비특허문헌5] [비특허문헌6]. 이들 모든 기계적 설계는 인접한 각 전극 쌍이 커패시터와 유사한 거의 평행한 면을 형성하는 공통점이 있다. 이는 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 펄스가 인가되어 ToF 경로에서 이온을 추출하는 이온소스의 전극 또는 전극들에 매우 근접하게 상기 가속 전극이 놓이므로, 특히 중요하다. 그러므로, 이들 평행한 면은 도 2에서 우측 그림에 도시된 바와 같이, 평행한 면의 양을 최소화함으로써, 기기가 추출 영역에 인가되는 펄스 또는 펄스들에 의해 생성된 노이즈의 고주파 성분을 용이하게 포착할 수 있게 하여, 제조 제약 조건과의 호환성을 유지하고 이온을 가속하기 위해 적절한 전기장을 생성해야 하는 요구조건을 충족하면서, 예를 들어 ToF 질량 분석기의 감도 같은 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 전극들 간의 고유 용량을 감소시키는 동시에 조립이 매우 용이한 기계적 디자인을 개시한다. 구체적으로, 본 발명은 ToF 질량 분석기의 이온소스에 사용되는 가속 전극에서 전형적으로 발견되는 외부 원형 크라운(201) 같은 외부 원형 크라운을 제거하므로, 놀랍게도 특히 소형 이온소스 또는 콤팩트한 기기에 대해 이러한 전극을 조립하는 편리한 방법을 제공하면서, 평행한 면 및 생성되는 조립체의 용량성 부하의 양을 줄일 수 있다. 외부 원형 크라운은 양호한 전기장을 제공하는 기능적인 역할을 갖고 있지 않지만, 상기 전극의 제조 및 조립을 용이하게 하기 위한 목적으로만 발견된다. 본 발명에 따르면, 이러한 외부 원형 크라운은 제거하거나, 도 2의 우측에 도시된 바와 같이, 적어도 얇은 레그(203)가 부착된 거의 원뿔 섹션 형상(202)을 갖는 전극으로 교체하여 사용할 수 있다. 각 전극에 대한 하나 이상의 레그(203)가 있을 수 있지만, 바람직하게는 도 2의 우측 부분에 도시된 예에 나타낸 바와 같이, 2개의 레그가 사용되는 것으로 이해하면 된다. 도 2a에는 하나의 얇은 레그(203)를 갖는 전극의 예가 도시되어 있다. 2개 이상의 얇은 레그(203)를 사용하여 기계적 안정성을 증가시킬 수 있다. 이제 도 2로 되돌아가면, 얇은 레그(203)는 원뿔 섹션(202)의 기계적 지지부로서, 그리고 전극에 원하는 전위를 인가하기 위한 전기적 연결부 모두로서의 기능을 한다. 원뿔 섹션(203)의 상부 원형면(204)은 개방될 수 있거나 하나 이상의 그리드로 폐쇄될 수 있다. 전극에는 일정 또는 가변 전위가 인가될 수 있다. 전극이 추출 전극의 역할을 하는 경우에는, 전술한 바와 같은 고전압 펄스를 전극에 인가할 수 있다.

하나의 전극에서 다음 전극으로 증가된 길이의 레그(203)를 갖는 복수의 이들 전극은, 다음에 적절한 거리에 전극의 원뿔 섹션(202)을 적절하게 위치시킴으로써, 절연 튜브 내로 미끄럼 이동되어 동심원의 가속 전극 세트를 제공할 수 있다. 여기서 적절한 이란 표현은 그러한 원뿔 섹션(202)의 위치가, 예를 들어 시스템의 이온 광학기의 시뮬레이션으로 결정된 바와 같이 원하는 전기장을 제공하는 위치에 따르는 것을 의미한다. 전극의 원뿔 섹션(202)의 정확한 위치결정은 상이한 레그 크기를 갖는 전극 세트를 사용하여 얻을 수 있으므로, 모든 전극이 동일한 지지부에 장착되어 기준 평면으로서 역할을 하는 경우, 레그(203)의 길이는 전극의 원뿔 섹션(202)의 위치를 결정한다. 이것은 서로 다른 레그 크기를 갖는 2개의 전극이 지지부(300)에 장착되는 도 2b의 예에 도시되어 있다. 이러한 개념은 대개 종래 기술에 따라 수행됨으로써 완전한 평탄면을 갖는 것과 비교하여 평행한 면의 양을 줄일 수 있게 할뿐만 아니라, 놀랍게도 이온 광학계의 이러한 요소를 훨씬 간단하고 빠르게 조립할 수 있게 함으로써, 매우 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하게 된다. 보다 구체적으로, 더 이상 많은 전극과 절연체를 서로의 위에 적층할 필요가 없으며, 이들 부품 중 일부는 콤팩트한 기기의 경우 매우 작지만, 이제는 정밀하게 정렬된 적층 전극 시스템을 매우 용이하게 얻기 위해서 전극 부품을 절연 튜브에 미끄럼 이동시키는 것만으로 충분하다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 이전 측면에서 설명한 바와 같은 것들을 줄이기 위해 이루어진 모든 노력에도 불구하고, 이온 광학계에 남아 있을 수 있는 임의의 잔류 노이즈를 필터링하는 장치에 관한 것이다. 노이즈는 인쇄 회로 기판에 구현된 노이즈 필터를 적용하여 줄일 수 있으며, 가장 효과적이 되도록 하려면, 노이즈 소스에 가능한 한 가까이, 즉 ToF 질량 분석기를 감싸고 있는 진공 챔버 내부의 전극에 최대한 가까이 있을 필요가 있다. 그러나, 인쇄 회로 기판을 콤팩트한 ToF 분석기의 작은 전극에 연결하는 것은 제조 및 조립의 복잡성을 증가시켜 시스템의 비용을 증가시키는 추가적인 문제가 된다. 또한, 이는 질량 분석기의 부피, 따라서 이를 감싸고 있는 진공 챔버의 부피, 따라서 기기의 크기 및 중량을 증가시킨다.

본 발명은 지지부(300) (도 3 참조)로서, 즉 전극의 얇은 레그(203)의 선단(301)을 부착하시키는 구조적 요소로서, 그리고 노이즈 필터(302)를 구현하기 위한 전기적 지지부 모두로서 인쇄 회로 기판을 사용하는, 이전의 측면에서 설명한 가속 전극의 통합된 디자인을 개시한다. 하나의 전극에 대한 이러한 설계는 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 전극용 기계적 지지부로서 역할을 하는 동일한 면에 노이즈 필터(302)를 구현하는 것을 포함하여, 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판(300) 상에 전극을 장착하는 한가지 방법을 나타낸다.

상이한 길이의 레그를 갖는 전극을 사용하고, 이전 전극에 대해 특정 각도로 각 후속 전극을 장착함으로써, 동일한 인쇄 회로 기판에 임의의 수의 전극을 장착할 수 있다. 각 전극이 각각의 노이즈 필터(302)에 연결되어 있는 상태로, 도 2b와 유사한 2개의 전극을 포함하는 하나의 추가 예시적인 실시예가 도 3a에 도시되어 있다.

위에서 논의한 다양한 측면에 따른 본 발명은 가속 전극뿐만 아니라, 제 1의 전극 스택이 될 이온소스의 추출 전극을 장착하는데 사용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이온소스의 모든 5개의 전극 (그 중 하나는 추출 전극임)이 이러한 방식으로 장착된다. 노이즈 필터의 구현이 적절하지 않은, 펄스가 인가되는 추출 전극을 제외하고, 상기 전극들 각각 또는 선택된 하나는 자체의 필터를 구비할 수 있다. 이는 가능한 한 전극에 가까운 콤팩트한 ToF 질량 분광계의 이온소스 전극에 노이즈 필터를 구현하는 것을 가능케 하므로, 상기 노이즈 필터의 효율성을 극대화할 수 있다.

Claims (12)

1. 진공 이온 광학계(vacuum ion optical system)에서 하전 입자를 가속시키는 가속 전극 세트로서,
   각 가속 전극은 원뿔 섹션(conical section)과, 이 원뿔 섹션으로부터 돌출되는 적어도 하나의 가늘고 긴 레그(elongated leg)를 포함하고,
   상기 가늘고 긴 레그와 또 다른 추가의 가늘고 긴 레그는 기계적 지지부로서, 그리고 원뿔 섹션과 의도한 전위 소스(intended source of electric potential) 간의 전기적 연결부로서 각각 구성되는 전극 세트.
2. 제 1항에 있어서,
   순서대로 가속 전극을 수용하는 절연 튜브를 더 포함하고, 연속적인 가속 전극은 순서대로 선행하는 가속 전극과 비교하여 증가된 길이의 레그를 가지며, 증가된 길이의 레그는 연속적인 가속 전극들 사이에서 원하는 전기장을 얻기 위해 서로 간의 결정된 거리에 원뿔 섹션을 위치시킴으로써, 동심원의 가속 전극 세트를 제공하는 전극 세트.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 가속 전극의 레그는 기준 평면으로서 역할을 하는 동일한 지지부에 장착되는 전극 세트.
4. 제 3항에 있어서, 전극 세트가 장착되는 지지부는 인쇄 회로 기판인 전극 세트.
5. 이온 광학계에서 이온을 가속시키는 가속 전극으로서 또는 전송 광학기(transfer optics)의 전극으로서 구성된 전극 세트로서,
   각 전극은 인쇄 회로 기판에 기계적으로 고정 및 전기적으로 연결되어, 인쇄 회로 기판은 전극의 기계적 고정에 매우 근접한 노이즈 필터의 구현을 추가로 지원하는 전극 세트.
6. 제 5항에 있어서, 각 전극은 다른 전극들의 레그 길이와 상이한 길이를 지닌 레그를 사용하여 인쇄 회로 기판에 장착되는 전극 세트.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 전극의 적어도 서브세트는 자체의 노이즈 필터를 구비하는 전극 세트.
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 전극들은 정렬된 일련의 전극을 형성하도록 장착되고, 각 전극은 일련의 이전 전극에 대해 소정의 각도로 장착되는 전극 세트.
9. ToF (time-of-flight) 질량 분광계로서,
   ToF (time-of-flight) 질량 분석기와,
   발산 이온빔을 생성하는 이온소스와,
   보상 이온빔(compensated ion beam)으로부터 이온을 ToF 질량 분석기 내로 직교 추출(orthogonal extraction)하기 위한 추출 영역과,
   이온소스와 추출 영역 사이에 배치되고, 발산 이온빔의 발산을 보상하여 추출 영역에 실질적으로 평행하거나 그 부근에 집속되는 보상 이온빔을 생성하는 전송 광학기를 포함하는 ToF 질량 분광계.
10. 제 9항에 있어서,
    추출 영역은 보상 빔으로부터 이온의 궤적을 실질적으로 90°로 만곡시키는 푸시 전극 및 풀 전극과,
    ToF 질량 분석기의 드리프트 영역의 방향으로 이온을 가속시키는 가속 전극을 포함하는 ToF 질량 분광계.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 전송 광학기는,
    기계적 결함, 및 중심을 벗어난 발산 이온빔(ex-centered divergent ion beam)을 포함하는 목록 중 어느 하나를 보상하고, 이들 전극에 인가된 전압의 설정에 기반하여 발산 이온빔의 방향을 변경하고, 전송 광학기의 집속 능력과 관련해서 발산 궤적에 있는 발산 이온빔으로부터 이온을 잘라내도록, 빔 안내가 가능하게 배열된 복수의 전극을 포함하는 ToF 질량 분광계.
12. 제 11항에 있어서, 상기 복수의 전극은,
    발산 이온빔을 둘러싸도록 배열되고 빔 안내가 가능한 복수의 제 1전극 및 복수의 제 2전극과,
    이온빔을 놓고 양측에 배치되고 발산 이온빔의 실질적으로 절반을 둘러싸도록 배열되며 이들 전극에 인가된 전압의 설정에 기반하여 발산 이온빔의 방향을 변경할 수 있는 복수의 제 3전극 및 복수의 제 4전극과,
    스키머(skimmer)로서 배열되고, 전송 광학기의 집속 능력과 관련해서 발산 궤적에 있는 발산 이온빔으로부터 이온을 잘라내는 복수의 제 5전극을 포함하는 ToF 질량 분광계.

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