WO2013168220A1 - 質量分析装置 - Google Patents

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vibration
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下村 学
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株式会社島津製作所
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    • H01J49/24Vacuum systems, e.g. maintaining desired pressures

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly to the structure of a mass spectrometer.
  • a mass spectrometer separates ions generated from sample components in accordance with a mass-to-charge ratio in a mass analyzer such as a quadrupole mass filter disposed in a high vacuum atmosphere, and the separated ions are ionized. It has the structure which detects with a detector.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a general quadrupole mass spectrometer.
  • an EI ion source 2 Inside the substantially sealed vacuum chamber 1, an EI ion source 2, an ion lens 3, a quadrupole mass filter 4, an ion detector 5 and the like are disposed along the ion optical axis C.
  • the sample component When a gas containing a sample component is introduced into the EI ion source 2, the sample component is ionized by contact with thermal electrons.
  • the generated ions are extracted from the EI ion source 2 by the ion lens 3 and converged to be introduced into a quadrupole mass filter 4 including four rod electrodes.
  • a predetermined voltage obtained by superimposing a high-frequency voltage on a DC voltage is applied to each rod electrode of the quadrupole mass filter 4 from a power source (not shown), and only ions having a mass-to-charge ratio corresponding to this voltage are applied to the quadrupole mass filter 4. And reach the ion detector 5.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an ion detector 5 using a secondary electron multiplier.
  • a predetermined voltage is applied from the power supply unit 58 to each of the dynodes 51 to 56 having a multistage configuration.
  • secondary electrons are emitted, and this secondary electron is accelerated by the electric field and collides with the next stage dynode 52 to generate a large number of ions.
  • Secondary electrons are emitted.
  • the increased secondary electrons are made incident on the collector 57, and the current flowing through the collector 57 is taken out as a detection signal through the signal cable 59.
  • a combination of a high performance turbo molecular pump (TMP) and a rotary pump for reducing the back pressure is used as a vacuum pump (see Patent Document 2).
  • TMP turbo molecular pump
  • a rotary pump 7 is connected to the turbo molecular pump 6 via a connecting pipe 8.
  • the main reason for disposing the rotary pump 7 away from the vacuum chamber 1 is to avoid contamination of the inside of the vacuum chamber 1 with oil used for the rotary pump.
  • the inside of the vacuum chamber 1 is maintained at a low gas pressure (high vacuum) of 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 4 Pa.
  • a turbo molecular pump evacuates in units of molecules by the interaction between a moving blade and a fixed blade formed on a rotor rotating at high speed. Since the rotor is rotated at a speed of up to several tens of thousands rpm, the vibration of the turbo molecular pump is generally large. Therefore, in the configuration as shown in FIG. 3, the mechanical vibration of the turbo molecular pump 6 is directly transmitted to the vacuum chamber 1 to vibrate various parts fixed to the vacuum chamber 1. Since the ion detector 5 is also fixed to the vacuum chamber 1, the mechanical vibration of the vacuum chamber 1 is also transmitted to the ion detector 5. And noise may generate
  • This noise is considered to be generated mainly by the vibration of the signal line (signal cable) drawn from the ion detector 5. That is, when the signal line vibrates, the distance between the outer surface of the signal line and the vacuum chamber 1 and other surrounding members slightly changes, thereby changing the impedance of the signal line. Since the input impedance of the preamplifier that amplifies the detection signal from the ion detector 5 is high, fluctuations in the impedance of the signal line are likely to appear as noise.
  • the noise superimposed on the detection signal due to the mechanical vibration of the turbo molecular pump has a frequency in the range of several hundred Hz to several kHz, and may overlap the frequency of the signal obtained by mass spectrometry. It is difficult to remove noise.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to suppress noise superimposed on a detection signal due to mechanical vibration of a vacuum pump such as a turbo molecular pump,
  • the object is to provide a mass spectrometer capable of highly accurate analysis.
  • the present invention provides a mass analyzer for mass-separating ions to be measured and a detector for detecting mass-separated ions inside a vacuum chamber that is evacuated by a vacuum pump.
  • a mass spectrometer comprising: The detector is fixed to the vacuum chamber via a buffer member.
  • the vacuum pump includes a turbo molecular pump, and the turbo molecular pump is attached to the outer surface of the vacuum chamber.
  • the mechanical vibration of the turbo molecular pump is directly transmitted to the vacuum chamber, but the vibration of the vacuum chamber is absorbed by the buffer member, so that the vibration of the detector itself is suppressed. Thereby, noise caused by vibration superimposed on the detection signal from the detector can be reduced.
  • the ion incident side attachment portion of the detector is fixed to the vacuum chamber without the buffer member, and the detection signal extraction side attachment portion of the detector is
  • the structure may be fixed to the vacuum chamber via a buffer member.
  • the ions selected by the preceding mass analyzer are incident on the ion entrance of the detector.
  • the mass analyzer is a quadrupole mass filter
  • ions passing through the mass filter have the highest density near the central axis of the mass filter. It is desirable to match the central axis of the quadrupole mass filter with the central axis of the ion incident portion of the detector.
  • the quadrupole mass filter is fixed to the vacuum chamber, and the ion incident side mounting part of the detector is fixed to the vacuum chamber as in the above embodiment, the quadrupole mass filter and the It vibrates in substantially the same manner as the ion incident part of the detector. Therefore, if both are arranged so that the central axis of the quadrupole mass filter and the central axis of the ion incident part of the detector coincide with each other, the coincidence of both central axes can be maintained even when vibration is caused by the vacuum pump. Kept. Thereby, ions that have passed through the quadrupole mass filter can be efficiently taken into the detector.
  • the vibration of the detection signal extraction portion of the detector is sufficiently suppressed as compared with the case where there is no buffer member. Thereby, the signal line drawn from the detector is less likely to vibrate, and the generation of noise due to the vibration is reduced.
  • the secondary electron multiplier tube includes a multistage dynode
  • the distance between the ion incident portion and the detection signal extraction portion becomes long. Therefore, the above aspect is particularly effective in a configuration in which the detector includes a secondary electron multiplier.
  • the mass spectrometer according to the present invention can reduce noise superimposed on the detection signal due to mechanical vibration of the vacuum pump with a simple and inexpensive configuration. Thereby, for example, mass accuracy and detection sensitivity can be improved.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing an ion detector mounting structure in the mass spectrometer of the present embodiment
  • FIG. 1C is a schematic diagram showing an ion detector mounting structure in the conventional mass spectrometer.
  • ions are incident on the ion detector 5 from the left side
  • the detection signal obtained corresponding to the incident ions is a signal that is extracted from the ion detector 5 to the right side.
  • the cable 59 is taken out. That is, the ion detector 5 has an ion incident surface 5a on the left side and a detection signal extraction surface 5b on the right side.
  • a strong mounting plate 10 is fixed to the lower surface of the ion detector 5, and the ion detector 5 and the mounting plate 10 are integrated.
  • a screw hole 10b is formed in a flange 10a projecting laterally at the lower end of the mounting plate 10, and the mounting plate 10 is fixed to the inside of the vacuum chamber 1 by a screw 11 passed through the screw hole 10b. It has become. Conventionally, as shown in FIG. 1 (c), the screw 11 is directly inserted into the screw hole 10b, or a highly rigid member (not shown) such as a washer is inserted between the screw hole 10b.
  • the mounting plate 10 is fixed to the vacuum chamber 1 by the screw 11 that has been removed. Therefore, the mechanical vibration of the vacuum chamber 1 is directly transmitted to the ion detector 5 via the mounting plate 10.
  • each of the annular buffering so as to sandwich the screw hole 10b formed in the flange 10a of the mounting plate 10 from both sides.
  • the mounting plate 10 is fixed to the inner surface of the vacuum chamber 1 by providing the member 12 and screwing the screw 11 into the vacuum chamber 1 through the buffer member 12.
  • the annular buffer member 12 for example, an O-ring made of an elastic body can be used. Further, if an undesired gas is generated from the buffer member 12, the inside of the vacuum chamber 1 may be contaminated. Therefore, the buffer member 12 is preferably made of a material that releases less gas. Specifically, Viton (registered trademark of DuPont) O-ring or its equivalent is suitable as the buffer member 12.
  • FIG. 2A shows a case where the buffer member 12 is not provided and no countermeasure against vibration is taken
  • FIG. 2B shows an actual measurement of the detection signal when the buffer member 12 is provided and the countermeasure against vibration is taken as shown in FIG. It is a waveform diagram. It can be seen that noise is clearly reduced by using the buffer member 12. From this result, it can be seen that the noise superimposed on the detection signal can be sufficiently suppressed by the simple vibration countermeasure as described above.
  • ions passing through the quadrupole mass filter 4 that is, ions to be detected by the ion detector 5 have the highest density near the ion optical axis C.
  • the ion optical axis in the quadrupole mass filter 4 is the central axis of the arrangement of the four rod electrodes. Therefore, in the case of the configuration as shown in FIGS.
  • an attachment structure may be as shown in FIG.
  • the flange 10 a on the ion incident surface 5 a side on which ions are incident is directly fixed to the vacuum chamber 1 with a screw 11 without using the buffer member 12. That is, the state is the same as in FIG.
  • the flange 10a on the detection signal extraction surface 5b side from which the signal cable 59 is pulled out is fixed to the vacuum chamber 1 with the screw 11 through the buffer member 12, as in FIG.
  • the vibration suppression effect of the detection signal extraction surface 5b is small, but when the distance between the ion incident surface 5a and the detection signal extraction surface 5b is somewhat apart, In other words, if the ion detector 5 has an elongated shape, vibrations can be suppressed to a degree sufficient to suppress noise. As a result, noise can be suppressed without sacrificing the efficiency of ion incorporation into the ion detector 5.

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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

質量分析装置
 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。
PCT/JP2012/061711 2012-05-08 2012-05-08 質量分析装置 WO2013168220A1 (ja)

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