WO2017038168A1 - ゲート電極及びイオン移動度分析装置 - Google Patents

ゲート電極及びイオン移動度分析装置 Download PDF

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亜季子 今津
秀明 出水
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株式会社島津製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a gate electrode for blocking or passing charged particles such as ions, and an ion mobility analyzer using the gate electrode as a shutter gate for introducing ions into a drift region in a pulsed manner.
  • a gate electrode for blocking or passing charged particles such as ions
  • an ion mobility analyzer using the gate electrode as a shutter gate for introducing ions into a drift region in a pulsed manner.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a conventional general ion mobility analyzer (see Patent Document 1).
  • This ion mobility analyzer includes an ion source 1 that ionizes component molecules in a sample, a drift region 4 for measuring ion mobility, which is provided in a cylindrical housing (not shown), and a drift region 4. And a detector 5 for detecting ions that have moved inside.
  • a shutter gate 3 is provided at the entrance of the drift region 4 in order to send the ions generated in the ion source 1 to the drift region 4 in a pulse manner limited to a very short time width.
  • the inside of the housing is an atmospheric pressure atmosphere or a low vacuum atmosphere of about 100 Pa, and the drift region is generated by a DC voltage applied to each of a number of annular electrodes 2 a included in the drift electrode group 2 disposed in the drift region 4. 4, a uniform electric field having a downward potential gradient (accelerating ions) in the ion movement direction (Z direction in FIG. 3) is formed. Further, a neutral diffusion gas flow is formed in a direction opposite to the acceleration direction by the electric field.
  • the ions generated in the ion source 1 are once dammed up by the shutter gate 3, and when the shutter gate 3 is opened only for a short time, the ions are introduced into the drift region 4 in a packet form.
  • the introduced ions travel with an accelerating electric field while colliding with the diffusion gas coming in the drift region 4.
  • Ions are temporally separated by ion mobility depending on their size, three-dimensional structure, charge, etc., and ions having different ion mobility reach the detector 5 with a time difference.
  • the electric field in the drift region 4 is uniform, the collision cross section between the ion and the diffusion gas can be estimated from the drift time required for ions to pass through the drift region 4.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a shutter gate using a Bloodbury-Nielsen gate described in Patent Document 2.
  • two comb-shaped electrodes 231 and 232 manufactured by winding or etching or the like are attached to one surface of a flat plate-shaped base 21 made of ceramic in which a circular opening 22 is formed.
  • One comb electrode 231 is connected to the positive voltage input terminal 241
  • the other comb electrode 232 is connected to the negative voltage input terminal 242.
  • thin line electrodes to which voltages of different polarities are alternately applied one by one in the x direction are stretched so as to cover the opening 22.
  • an electric field for blocking ions is formed near the opening 22, or The electric field can be eliminated and ions can pass freely.
  • the drift tube forming the drift region 4 is heated to a high temperature during analysis.
  • the heating temperature is generally about 120 to 130 ° C., but it is originally desirable to raise it to a higher temperature (150 to 160 ° C.).
  • the shutter gate having the above-described structure is exposed to a high temperature, due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic base 21 and the metal comb electrodes 231 and 232, the shutter gate is pulled on the electrodes 231 and 232. And slack. As a result, for example, adjacent electrode wires that are stretched in the opening 22 come into contact with each other so that they do not function sufficiently as a shutter, or the electrode wires are deformed or cut and become unusable. There is. Due to these restrictions, conventionally, the temperature of the apparatus could only be raised to about 120 to 130 ° C., and it was difficult to perform measurement by heating the drift tube to a high temperature as described above.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and its main purpose is to provide a gate electrode that is less likely to cause a malfunction of the shutter function and deformation / breakage of the electrode even under a higher temperature environment than before.
  • An object of the present invention is to provide an ion mobility analyzer capable of performing ion mobility analysis by sufficiently removing water vapor, solvent droplets, and the like from the drift region by using such a gate electrode as a shutter gate.
  • the gate electrode according to the present invention made to solve the above problems is a gate electrode that dams charged particles by an electric field or allows the charged particles to pass through, a) a flat base portion made of an insulator having a rectangular opening for passing ions in the center; b) two conductive fixing parts made of a conductor, attached to the base part along two opposite sides inside the rectangular opening of the base part, substantially parallel to each other; c) The base portion, which is attached to the conductive fixing portion substantially in parallel with the two opposite sides on the inner side of the conductive fixing portion attached to the inside of the rectangular opening of the base portion.
  • Two insulating fixing parts made of the same insulator as d) One end of the conductive fixing portion is fixed to one end, and the other end is fixed to the insulating fixing portion disposed to face the conductive fixing portion, and the conductive fixing portion and the insulating fixing portion are fixed.
  • a first electrode portion comprising a plurality of parallel conductive wires stretched so as to extend in a direction substantially orthogonal to the extending direction of the portion; e) One end fixed to the other side of the conductive fixing portion and the other end fixed to the insulating fixing portion disposed opposite to the conductive fixing portion to form the first electrode portion
  • a second electrode portion comprising a plurality of parallel conductive wires stretched substantially parallel to the conductive wires in the middle between the wires;
  • a predetermined temperature change based on a coefficient of thermal expansion of the material of the base part and the insulating fixing part, a coefficient of thermal expansion of the material of the conductive fixing part, and a coefficient of thermal expansion of the material of the conductive wire Corresponding to the amount of change in the distance between the center line of the rectangular opening extending in a direction orthogonal to the extending direction of the conductive wire and the conductive fixing portion, and the length corresponding to the distance.
  • the conductive wires constituting the first and second electrode portions are conductive wires that extend so that the end portions of the respective conductive wires are substantially orthogonal to the wires at positions fixed to the conductive fixing portions.
  • the electrode may be a comb-like electrode connected by a belt-like body, or may be an independent conductive linear body without such a connecting portion.
  • an ion mobility analyzer according to the present invention made to solve the above-described problems is characterized in that the gate electrode according to the above-described invention is used as a shutter gate that packetizes ions and introduces them into the drift region. Yes.
  • each of the conductive wires stretched so as to cover the rectangular opening of the base portion has one end fixed to the conductive fixing portion and the other end fixed to the insulating fixing portion. Yes.
  • This is the same for both the first electrode portion and the second electrode portion, and the state of expansion and contraction when the temperature changes can be regarded as the same for all the conductive wires. For example, if both ends of the conductive wire are fixed to the base portion now, when the temperature rises and the conductive wire expands, the base portion expands in the same way as the conductive wire and the opening widens. Otherwise, the conductive wire will be pulled or loosened.
  • the conductive wire When a material having a low coefficient of thermal expansion is used for the conductive wire, if the coefficient of thermal expansion of the insulator material forming the base is higher than that, the conductive wire may be pulled and cut as the temperature rises. is there. On the other hand, when a material having a high coefficient of thermal expansion is used for the conductive wire, if the coefficient of thermal expansion of the insulator material forming the base portion is lower than that, the conductive wire loosens and adjoins as the temperature rises. There is a risk of short circuit in contact with the wire.
  • the conductive fixing portion since the conductive fixing portion is attached inside the rectangular opening of the base portion, when the conductive fixing portion expands due to a temperature rise, the conductive fixing portion has a rectangular shape. It will expand inward of the opening. That is, the direction of expansion of the conductive fixing portion is opposite to the direction of the opening due to thermal expansion of the base portion. Therefore, the position of one end of the conductive wire fixed to the conductive fixing portion is substantially equivalent to the difference between the expansion of the rectangular opening and the inward expansion of the conductive fixing portion as the temperature rises. Moving. If this amount of movement and the amount of expansion (expansion) of the conductive wire are matched to a certain extent, pulling or loosening of the wire can be reduced.
  • the gate electrode according to the present invention In this configuration, the width of the rectangular opening and the width of the conductive fixing portion in the extending direction of the conductive wire are appropriately determined under the condition of the coefficient of thermal expansion of each material.
  • the degree of freedom in adjusting these geometric sizes is much greater than the choice of the material's coefficient of thermal expansion, so that even when the temperature rises greatly, the conductive wire is excessively pulled by thermal expansion, and conversely Adjustments can be made to avoid large slacks.
  • the gate electrode according to the present invention makes it difficult for the conductive wire functioning as an electrode to be pulled or loosened even when the temperature rises. Therefore, even under a high-temperature environment, contact with an adjacent wire due to excessive loosening of the conductive wire, and deformation or cutting due to excessive pulling of the conductive wire can be avoided.
  • the gate electrode as described above is used as a shutter gate, so that the drift tube or the like can be heated to a higher temperature than before. Thereby, water vapor, solvent droplets, and the like can be sufficiently removed from the drift region, and the accuracy and resolution of ion mobility analysis can be improved.
  • the top view of the gate electrode which is one Example of this invention.
  • FIG. 1 is a plan view of the gate electrode 10A of this embodiment.
  • the outer shape of the ceramic base 11 is rectangular when viewed from above (when the paper is viewed from above).
  • a rectangular opening 12 is formed in the upper part.
  • the vertical direction in the figure is the y direction and the horizontal direction is the x direction.
  • a pair of trapezoidal conductive fixing members 131 and 132 made of metal and having the same size are attached to two sides (upper side and lower side in FIG. 1) facing the y direction inside the rectangular opening 12.
  • a pair of insulating fixing members 141 and 142 made of ceramic and having the same size are attached to the inside of the pair of conductive fixing members 131 and 132 so as to face each other.
  • the length of the opening 12 in the y direction is L
  • the width of the conductive fixing members 131 and 132 in the y direction is D.
  • One comb-shaped electrode 151 which is a set of two, has a connecting portion 151a for connecting a plurality of fine wire electrodes corresponding to comb teeth fixed to the upper conductive fixing member 131, and each end of the thin wire electrode is It is fixed to the lower insulating fixing member 142.
  • the connecting portion 152a is fixed to the lower conductive fixing member 132, and each end of the thin wire electrode (conductive wire in the present invention) is fixed to the upper insulating fixing member 141.
  • a conductive adhesive having sufficient heat resistance (preferably about 200 ° C. or higher) may be used.
  • the connecting portions 151 a and 152 a of the comb-shaped electrodes 151 and 152 are both fixed to the approximate center of the width D of the conductive fixing members 131 and 132. Further, the end portions 151b and 152b of the thin wire electrodes of the comb-shaped electrodes 151 and 152 are fixed to substantially the center of the width of the insulating fixing members 141 and 142, respectively.
  • a substantial opening through which ions can pass is formed between the lower edge of the upper insulating fixing member 141 and the upper edge of the lower insulating fixing member 142.
  • the base 11 and the insulating fixing members 141 and 142 are the same ceramic and have the same coefficient of thermal expansion.
  • the conductive fixing members 131 and 132 and the comb-shaped electrodes 151 and 152 are all metals, but are different types of metals and have different thermal expansion coefficients.
  • T ° C. the thermal expansion coefficient of the ceramic
  • the thermal expansion coefficient of the metal A used for the conductive fixing members 131 and 132 is ⁇ A
  • the comb-shaped electrodes 151 and 152 Let ⁇ B be the thermal expansion coefficient of the metal B used. Since the shape of the gate electrode 10A is vertically symmetric about the center line C extending in the x direction, the thermal expansion in the upper half from the center line C is now considered.
  • Equation (1) ⁇ T ⁇ ⁇ C ⁇ (L / 2) ⁇ ⁇ ( ⁇ T ⁇ ⁇ A ⁇ D) (1)
  • the first term of equation (1) is the enlargement of the opening 12 due to the thermal expansion of the base 11, and the second term is the substantial reduction of the opening through which ions can pass due to the thermal expansion of the conductive fixing member 131.
  • the approximate change amount ⁇ B in the y direction from the center line C to the fixed portion of the comb electrodes 151 and 152 at the same temperature rise can be expressed by the following equation (2).
  • ⁇ B ⁇ T ⁇ ⁇ B ⁇ ⁇ (L / 2) ⁇ D ⁇ (2)
  • the insulating fixing members 141 and 142 are not considered. If the width in the y direction is reduced, the amount of change is negligible.
  • the coefficient of thermal expansion is determined by the material, the degree of freedom of selection is very narrow. Therefore, the coefficients of thermal expansion ⁇ A , ⁇ B , and ⁇ C are determined by selecting ceramic, metal A, and metal B, and then the length L and width D are determined so as to satisfy the expression (3).
  • the material of the base 11 and the insulating fixing members 141 and 142 is alumina
  • the material of the conductive fixing members 131 and 132 is SUS304 (stainless steel)
  • the material of the comb-shaped electrodes 151 and 152 is Fe-Ni36. % (So-called Invar: registered trademark).
  • the ion mobility analyzer of the present embodiment has basically the same configuration as the conventional one shown in FIG. 3, but uses the gate electrode 10A as a shutter gate. Thereby, even when the drift region is set to a higher temperature than before, it is possible to prevent the electrode of the shutter gate from being cut off or the adjacent electrode from contacting and not functioning as a shutter. As a result, water vapor and solvent droplets existing in the drift region can be reduced, so that the possibility that ions introduced into the drift region collide with these particles is reduced, and resolution and accuracy are improved.
  • each electrode is composed of a plurality of metal wires, as in the gate electrode 10B shown in FIG. May be used.

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Abstract

　シャッタゲートとして用いられるゲート電極（１０Ａ）は、セラミック製のベース（１１）の矩形状の開口（１２）内側に金属製であって同じ大きさの一対の導電性固定部材（１３１、１３２）を取り付け、その内側にセラミック製の絶縁性固定部材（１４１、１４２）を取り付けたものである。二個一組である櫛形電極（１５１、１５２）の連結部（１５１ａ、１５２ａ）は導電性固定部材（１３１、１３２）に固着され、細線の電極の末端は絶縁性固定部材（１４１、１４２）に固着されている。各部材の熱膨張率に応じて、開口（１２）の長さＬと導電性固定部材（１３１、１３２）の幅Ｄとを所定の値に定めることで、温度上昇に伴う、電極の伸長と該電極の固着部の広がりとの釣り合いをとって電極の引っ張りや弛みを抑制することができる。これにより、ドリフト領域の温度を従来よりも高くして残留水蒸気などの影響を排除した高精度、高分解能の分析が行える。

Description

ゲート電極及びイオン移動度分析装置
　本発明は、イオン等の荷電粒子を堰き止めたり通過させたりするためのゲート電極、及び、イオンをパルス状にドリフト領域に導入するためのシャッタゲートとして該ゲート電極を用いたイオン移動度分析装置に関する。
　試料分子から生成した分子イオンを電場の作用により媒質気体（又は液体）中で移動させるとき、該イオンは電場の強さやその分子の大きさなどで決まる移動度に比例した速度で移動する。イオン移動度分析法（Ion Mobility Spectrometry＝ＩＭＳ）は、試料分子の分析のためにこの移動度を利用した測定法である。図３は従来の一般的なイオン移動度分析装置の概略構成図である（特許文献１など参照）。
　このイオン移動度分析装置は、試料中の成分分子をイオン化するイオン源１と、図示しない例えば円筒形状のハウジング内に設けられた、イオン移動度を測定するためのドリフト領域４と、ドリフト領域４中を移動してきたイオンを検出する検出器５と、を備える。また、イオン源１において生成されたイオンをごく短い時間幅に限定してパルス的にドリフト領域４へと送り込むために、ドリフト領域４の入口にシャッタゲート３を備える。ハウジング内は大気圧雰囲気又は100Pa程度の低真空雰囲気であり、ドリフト領域４に配置されているドリフト電極群２に含まれる多数の円環状の電極２ａにそれぞれ印加されている直流電圧により、ドリフト領域４中にはイオン移動方向（図３ではＺ方向）に下り電位勾配を示す（イオンを加速する）一様電場が形成される。また、この電場による加速方向とは逆方向に中性の拡散ガスの流れが形成されている。
　イオン源１で生成されたイオンはシャッタゲート３で一旦堰き止められ、シャッタゲート３が短時間だけ開放されると、イオンはパケット状にドリフト領域４中に導入される。導入されたイオンはドリフト領域４において向かって来る拡散ガスと衝突しながら、加速電場によって進む。イオンはその大きさ、立体構造、電荷などに依存するイオン移動度によって時間的に分離され、異なるイオン移動度を持つイオンは時間差を有して検出器５に到達する。ドリフト領域４中の電場が一様である場合には、イオンがドリフト領域４を通過するのに要するドリフト時間から、イオン－拡散ガス間の衝突断面積を見積もることが可能である。
　イオンの阻止及び通過を制御するシャッタゲート３としては、特許文献２、非特許文献１等に記載の、ブラッドバリー－ニールセン・ゲート（Bradbury－Nielsen Gate）と呼ばれるゲート電極がしばしば用いられる。図４は特許文献２に記載のブラッドバリー－ニールセン・ゲートによるシャッタゲートの概略斜視図である。
　この例では、ワインディング或いはエッチング等によって作製された２枚の櫛形電極２３１、２３２が、円形状の開口２２が形成されたセラミックから成る平板状のベース２１の一面に貼り付けられる。この一方の櫛形電極２３１が正電圧入力端２４１に、他方の櫛形電極２３２が負電圧入力端２４２に接続されている。これにより、ｘ方向に１本ずつ交互に異なる極性の電圧が印加される細線状の電極が、開口２２を覆うように張設されることになる。そして、正電圧入力端２４１及び負電圧入力端２４２を介して二つの櫛形電極２３１、２３２に印加する電圧を制御することで、イオンを堰き止める電場を開口２２付近に形成したり、或いは、該電場を解消してイオンを自由に通過させたりすることができる。
　ところで、こうしたイオン移動度分析装置では、水蒸気や十分に気化していない溶媒液滴などがドリフト領域４に存在していると、測定対象のイオンがそうした微粒子に接触しドリフト時間が変動する大きな要因となる。そのため、水蒸気や微細溶媒液滴などをドリフト領域４から極力除去するために、ドリフト領域４を形成しているドリフト管は分析時に高温に加熱される。従来一般的に、その加熱温度は120～130℃程度であるが、本来は、より高い温度（150～160℃）にまで上げることが望ましい。
　ところが、上述した構造のシャッタゲートは、高温に晒されると、セラミック製であるベース２１と金属製である櫛形電極２３１、２３２との熱膨張率の差のために、該電極２３１、２３２に引っ張りや弛みが生じる。それによって、例えば開口２２に張設されている隣接する電極線同士が接触してシャッタとして十分に機能しなくなったり、電極線が変形又は切断してしまって使用不可能な状態になったりすることがある。こうした制約から、従来は装置の温度を120～130℃程度にまでしか上げることができず、上述したような高い温度までドリフト管を加熱して測定を行うことは困難であった。
特開２００５－１７４６１９号公報 国際公開第０３／０６５７６３号パンフレット
イグナシオ（Ignacio A. Zuleta）、ほか４名、「マイクロマシーンド・ブラッドバリー－ニールセン・ゲーツ（Micromachined Bradbury－Nielsen Gates）」、アナリティカル・ケミストリー（Analytical Chemistry）、Vol. 79、No. 23、2007年、pp.9160-9165
　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、その主な目的は、従来よりもさらに高温の環境の下でもシャッタ機能の不具合や電極の変形・破損が生じにくいゲート電極、及びそうしたゲート電極をシャッタゲートとして用いることでドリフト領域から水蒸気や溶媒液滴などを十分に除去してイオン移動度分析を行うことができるイオン移動度分析装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために成された本発明に係るゲート電極は、電場によって荷電粒子を堰き止めたり該荷電粒子を通過させたりするゲート電極であって、
　a)中央にイオン通過用の矩形状開口が形成された、絶縁体から成る平板状のベース部と、
　b)前記ベース部の矩形状開口の内側の対向した二つの辺に沿って互いに略平行に該ベース部に取り付けられた、導電体から成る二本の導電性固定部と、
　c)前記ベース部の矩形状開口の内側に取り付けられた前記導電性固定部のさらに内側に、その対向した二つの辺に沿って略平行に該導電性固定部に取り付けられた、前記ベース部と同じ絶縁体から成る二本の絶縁性固定部と、
　d)前記導電性固定部の一方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、該導電性固定部及び該絶縁性固定部の延伸方向と略直交する方向に延伸するように張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第１電極部と、
　e)前記導電性固定部の他方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、前記第１電極部を構成する導電性ワイヤ間の中間に該導電性ワイヤと略平行に張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第２電極部と、
　を備え、前記ベース部及び前記絶縁性固定部の材料の熱膨張率、前記導電性固定部の材料の熱膨張率、並びに前記導電性ワイヤの材料の熱膨張率に基づいて、所定の温度変化に対応する、前記導電性ワイヤの延伸方向と直交する方向に延伸する前記矩形状開口の中心線と前記導電性固定部との間の距離の変化量と、該距離に相当する長さの前記導電性ワイヤの長さの変化量とが釣り合うように、前記矩形状開口における前記導電性ワイヤの延伸方向の開口幅及び同方向の前記導電性固定部の幅がそれぞれ定められていることを特徴としている。
　なお、第１及び第２電極部をそれぞれ構成する導電性ワイヤは、導電性固定部に固定される位置において各導電性ワイヤの端部が該ワイヤに略直交するように延伸する導電性のワイヤや帯状体で連結されてなる櫛形電極でもよいし、そうした連結部がなくそれぞれが独立した導電性の線状体であってもよい。
　また上記課題を解決するために成された本発明に係るイオン移動度分析装置は、イオンをパケット化してドリフト領域中に導入するシャッタゲートとして、上記発明に係るゲート電極を用いたことを特徴としている。
　本発明に係るゲート電極では、ベース部の矩形状開口を覆うように張設された導電性ワイヤはいずれも、一端が導電性固定部に固定され、他端は絶縁性固定部に固定されている。これは、第１電極部、第２電極部のいずれでも同じであり、温度が変化する際の伸縮の状態は全ての導電性ワイヤで同じであるとみなせる。例えばいま導電性ワイヤの両端がいずれもベース部に固定されているとすると、温度が上昇して導電性ワイヤが膨張したとき、ベース部も該導電性ワイヤと同じように膨張して開口が広がらないと導電性ワイヤは引っ張られたり弛んだりする。熱膨張率が低い材料が導電性ワイヤに用いられたときベース部を形成する絶縁体材料の熱膨張率がそれよりも高いと、温度が上昇するに伴い導電性ワイヤは引っ張られて切れるおそれがある。一方、熱膨張率が高い材料が導電性ワイヤに用いられたときベース部を形成する絶縁体材料の熱膨張率がそれよりも低いと、温度が上昇するに伴い導電性ワイヤは弛み、隣り合うワイヤと接して短絡するおそれがある。
　これに対し本発明に係るゲート電極では、ベース部の矩形状開口の内側に導電性固定部が取り付けられているため、温度上昇によって導電性固定部が膨張すると、該導電性固定部は矩形状開口の内方に膨張することになる。即ち、導電性固定部の膨張の方向はベース部の熱膨張による開口の広がりとは反対方向になる。したがって、導電性固定部へ固定された導電性ワイヤの一端の位置は、温度上昇に伴い、矩形状開口の広がりと導電性固定部の開口内方への膨張との差にほぼ相当する分だけ移動する。この移動量と導電性ワイヤの伸張（膨張）量とを或る程度合わせれば、該ワイヤの引っ張りや弛みは軽減される。
　ベース部及び絶縁性固定部の材料、導電性固定部の材料、並びに導電性ワイヤの材料のそれぞれの熱膨張率は、各材料の選択で決まってしまい制約があるものの、本発明に係るゲート電極の構成では、それぞれの材料の熱膨張率の条件の下で、導電性ワイヤの延伸方向における矩形状開口の幅と導電性固定部の幅とがそれぞれ適切に定められている。これら幾何学的なサイズの調整の自由度は、材料の熱膨張率の選択に比べて格段に大きいので、大きな温度上昇時にも熱膨張によって導電性ワイヤが過剰に引っ張られたり逆に該ワイヤが大きく弛んだりすることを回避するように調整することができる。
　本発明に係るゲート電極によれば、温度が上昇しても電極として機能する導電性ワイヤが引っ張られたり弛んだりしにくくなる。そのため、高温の環境の下でも、導電性ワイヤが過剰に弛むことによる隣接するワイヤとの接触や、該導電性ワイヤが過剰に引っ張られることによる変形又は切断を回避することができる。
　また本発明に係るイオン移動度分析装置によれば、上述したようなゲート電極をシャッタゲートとして用いるので、ドリフト管などを従来よりも高温に加熱することができるようになる。それによって、ドリフト領域から水蒸気や溶媒液滴などを十分に除去することができ、イオン移動度分析の精度や分解能を向上させることができる。
本発明の一実施例であるゲート電極の平面図。 ゲート電極の変形例の平面図。 一般的なイオン移動度分析装置の概略構成図。 従来のゲート電極の一例の概略斜視図。
　以下、本発明に係るゲート電極及び該ゲート電極をシャッタゲートとして用いたイオン移動度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。
　図１は本実施例のゲート電極１０Ａの平面図である。
　図１に示すように、本実施例のゲート電極１０Ａにあって、外形が上面視（紙面を上から見た状態）矩形状であって平板状であるセラミック製のベース１１には、その中央に矩形状の開口１２が形成されている。ここでは便宜上、図の縦方向をｙ方向、横方向をｘ方向としている。矩形状の開口１２内側のｙ方向に対向する二辺（図１では上辺及び下辺）には、金属製であって同じ大きさの一対の上面視台形状の導電性固定部材１３１、１３２が取り付けられ、さらにその一対の導電性固定部材１３１、１３２の内側には対向して、セラミック製であって同じ大きさの一対の絶縁性固定部材１４１、１４２が取り付けられている。ここで、開口１２のｙ方向の長さをＬ、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅をＤとする。
　二個一組である一方の櫛形電極１５１は、櫛歯に相当する複数の細線の電極を連結する連結部１５１ａが上側の導電性固定部材１３１に固着され、その細線の電極のそれぞれの末端が下側の絶縁性固定部材１４２に固着されている。同様に他方の櫛形電極１５２は、連結部１５２ａが下側の導電性固定部材１３２に固着され、細線の電極（本発明における導電性ワイヤ）のそれぞれの末端が上側の絶縁性固定部材１４１に固着されている。これらの固着には、十分な耐熱性（好ましくは200℃程度以上）を有する導電性接着剤を用いるとよい。ここで、櫛形電極１５１、１５２の連結部１５１ａ、１５２ａはいずれも導電性固定部材１３１、１３２の幅Ｄの略中央に固着されている。また、櫛形電極１５１、１５２の各細線の電極の末端部１５１ｂ、１５２ｂは絶縁性固定部材１４１、１４２の幅の略中央に固着されている。ここでは、ｙ方向には、上側の絶縁性固定部材１４１の下縁と下側の絶縁性固定部材１４２の上縁との間が、イオンが通過可能な実質的な開口となる。
　ベース１１と絶縁性固定部材１４１、１４２とは同じセラミックであって熱膨張率は等しい。一方、導電性固定部材１３１、１３２と櫛形電極１５１、１５２とはいずれも金属であるが、異なる種類の金属であり熱膨張率は互いに相違する。いま、温度がＴ℃上昇（δＴ）するときの、セラミックの熱膨張率をαC、導電性固定部材１３１、１３２に使用される金属Ａの熱膨張率をαA、櫛形電極１５１、１５２に使用される金属Ｂの熱膨張率をαBとする。このゲート電極１０Ａの形状はｘ方向に延伸する中心線Ｃを中心に上下対称であるから、いま中心線Ｃから上半分における熱膨張を考える。
　温度が上昇すると、ベース１１の熱膨張によって開口１２のｙ方向の長さは拡大する。一方、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅も熱膨張によって拡大する。そのため、温度がＴ℃上昇したときの、中心線Ｃから導電性固定部材１３１の内側までのｙ方向の長さの変化量δCは次の(1)式で表すことができる。
　　δC＝｛δＴ・αC・（Ｌ／２）｝－（δＴ・αA・Ｄ）　　　…(1)
(1)式の第１項はベース１１の熱膨張による開口１２の拡大、第２項は導電性固定部材１３１の熱膨張によるイオン通過可能な実質的開口の縮小である。
　一方、同じ温度上昇における櫛形電極１５１、１５２の、中心線Ｃから固着部位までのｙ方向のおおよその変化量δBは次の(2)式で表すことができる。
　　δB＝δＴ・αB・｛（Ｌ／２）－Ｄ｝　　　…(2)
　ここでは、櫛形電極１５１、１５２の細線の電極の末端部１５１ｂ、１５２ｂが固着される絶縁性固定部材１４１、１４２の変化量やその固着位置は考慮されていないものの、絶縁性固定部材１４１、１４２のｙ方向の幅を小さくしておけばその変化量は無視できる程度である。
　上記変化量δCは導電性固定部材１３１、１３２における櫛形電極１５１、１５２の固着位置の変化量であるとみなせるから、この変化量δCと櫛形電極１５１、１５２自体の変化量δBとがほぼ等しければ、櫛形電極１５１、１５２は温度上昇があっても引っ張られも弛みもしない筈である。そこで、δC＝δBとなるように、つまりは(3)式が満たされるように、各材料、即ちセラミック、金属Ａ、及び金属Ｂのそれぞれの熱膨張率、ベース１１の開口１２のｙ方向の長さＬ、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅Ｄを決定しておく。
　　αB・｛（Ｌ／２）－Ｄ｝＝αC・（Ｌ／２）－αA・Ｄ　　　…(3)
　熱膨張率は材料で決まるため、選択の自由度は非常に狭い。そこで、セラミック、金属Ａ、及び金属Ｂの選択によって熱膨張率αA、αB、αCを定め、そのうえで(3)式を満たすように長さＬ及び幅Ｄを決定する。
　具体的な構成例として、いま、ベース１１及び絶縁性固定部材１４１、１４２の材料をアルミナ、導電性固定部材１３１、１３２の材料をSUS304（ステンレス）、櫛形電極１５１、１５２の材料をFe-Ni36%（いわゆるインバー：登録商標）とする。それぞれの熱膨張率は、アルミナ：７．２[ppm/℃]、SUS304：１７．３[ppm/℃]、Fe-Ni36%：１．２[ppm/℃]である。これらを(3)式に代入すると、αA＝17.3、αB＝1.2、αC＝7.2、であるから、
　　1.2×｛（Ｌ／２）－Ｄ｝＝7.2×（Ｌ／２）－17.3×Ｄ
となり、これを解くとＬ＝5.4×Ｄという関係が得られる。したがって、導電性固定部材１３１、１３２の幅を１０mmとした場合には、ベース１１の開口１２のｙ方向の長さを５４mmに定めればよい。
　本実施例のゲート電極１０Ａでは、上記構成を採ることにより、温度が上昇しても開口１２を被覆するように張設された櫛形電極１５１、１５２が大きく引っ張られたり逆に弛んだりすることを回避することができる。本実施例のイオン移動度分析装置は基本的には図３に示した従来と同じ構成であるが、上記ゲート電極１０Ａをシャッタゲートとして利用する。それによって、ドリフト領域を従来よりも高温にしても、シャッタゲートの電極が切れたり隣接する電極が接触してシャッタとして機能しなくなったりすることを防止できる。それによって、ドリフト領域に存在する水蒸気や溶媒液滴を減らすことができるので、ドリフト領域に導入されたイオンがそれら粒子に衝突する可能性が低くなり、分解能や精度が向上する。
　なお、上記実施例では、細線の電極が連結部で連結された櫛形電極を用いていたが、図２に示すゲート電極１０Ｂのように、櫛形電極の代わりに、それぞれ複数の金属線からなる電極を用いてもよい。
　また、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
１…イオン源
２…ドリフト電極群
２ａ…電極
３…シャッタゲート
４…ドリフト領域
５…検出器
１０Ａ、１０Ｂ…ゲート電極
１１…ベース
１２…開口
１３１、１３２…導電性固定部材
１４１、１４２…絶縁性固定部材
１５１、１５２…櫛形電極
１５１ａ、１５２ａ…連結部
１５１ｂ、１５２ｂ…細線の電極の末端部

Claims (3)

  1. 　電場によって荷電粒子を堰き止めたり該荷電粒子を通過させたりするゲート電極であって、
    　a)中央にイオン通過用の矩形状開口が形成された、絶縁体から成る平板状のベース部と、
    　b)前記ベース部の矩形状開口の内側の対向した二つの辺に沿って互いに略平行に該ベース部に取り付けられた、導電体から成る二本の導電性固定部と、
    　c)前記ベース部の矩形状開口の内側に取り付けられた前記導電性固定部のさらに内側に、その対向した二つの辺に沿って略平行に該導電性固定部に取り付けられた、前記ベース部と同じ絶縁体から成る二本の絶縁性固定部と、
    　d)前記導電性固定部の一方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、該導電性固定部及び該絶縁性固定部の延伸方向と略直交する方向に延伸するように張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第１電極部と、
    　e)前記導電性固定部の他方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、前記第１電極部を構成する導電性ワイヤ間の中間に該導電性ワイヤと略平行に張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第２電極部と、
    　を備え、前記ベース部及び前記絶縁性固定部の材料の熱膨張率、前記導電性固定部の材料の熱膨張率、並びに前記導電性ワイヤの材料の熱膨張率に基づいて、所定の温度変化に対応する、前記導電性ワイヤの延伸方向と直交する方向に延伸する前記矩形状開口の中心線と前記導電性固定部との間の距離の変化量と、該距離に相当する長さの前記導電性ワイヤの長さの変化量とが釣り合うように、前記矩形状開口における前記導電性ワイヤの延伸方向の開口幅及び同方向の前記導電性固定部の幅がそれぞれ定められていることを特徴とするゲート電極。
  2. 　請求項１に記載のゲート電極であって、
    　前記第１及び第２電極部は、前記複数本の平行な導電性ワイヤの端部が該ワイヤに略直交するように延伸する導電性のワイヤ又は別の帯状体で以て連結されてなる櫛形電極を含むことを特徴とするゲート電極。
  3. 　イオンをパケット化してドリフト領域中に導入するシャッタゲートとして、請求項１又は２に記載のゲート電極を用いたことを特徴とするイオン移動度分析装置。
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