WO2019155543A1 - 質量分析装置 - Google Patents

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WO2019155543A1
WO2019155543A1 PCT/JP2018/004160 JP2018004160W WO2019155543A1 WO 2019155543 A1 WO2019155543 A1 WO 2019155543A1 JP 2018004160 W JP2018004160 W JP 2018004160W WO 2019155543 A1 WO2019155543 A1 WO 2019155543A1
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WO
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rod
holder
mass spectrometer
holding base
mass
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PCT/JP2018/004160
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Inventor
学 上田
航太 永棹
Original Assignee
株式会社島津製作所
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Publication date
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    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/4255—Device types with particular constructional features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
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    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
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    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/421—Mass filters, i.e. deviating unwanted ions without trapping
    • H01J49/4215—Quadrupole mass filters

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer using a quadrupole mass filter or a linear ion trap as a mass separator.
  • ions are generated from a compound contained in a sample gas in an ion source, and the generated various ions are divided into four. Separation is performed according to the mass-to-charge ratio m / z with a quadrupole mass filter, and the separated ions are detected with an ion detector.
  • mass-to-charge ratio m / z with a quadrupole mass filter
  • the separated ions are detected with an ion detector.
  • a quadrupole mass filter has four rod electrodes, each having a substantially cylindrical outer shape, separated from each other around a linear central axis by being substantially parallel to each other and at the same angular interval (ie, 90 ° interval) around the central axis.
  • the arrangement is arranged.
  • a voltage of + (U + Vcos ⁇ t) in which a high frequency voltage is superimposed on a positive DC voltage is applied to two rod electrodes facing each other across the central axis
  • a voltage of ⁇ (U + Vcos ⁇ t) is applied to the two rod electrodes by superimposing a negative DC voltage with a voltage whose phase is inverted from the previous high-frequency voltage.
  • the four rod electrodes are fitted into a groove formed in a rod holder made of an insulating material such as ceramic so that the positional relationship between the rod electrodes can be determined.
  • FIG. 6 is a plan view showing a state in which the rod electrode is held by the rod holder in the conventional quadrupole mass spectrometer
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line A-AA in FIG.
  • the four rod electrodes 50 a to 50 d are fixed to the rod holder 51 in a state of being fitted in the groove inside the annular rod holder 51.
  • the relative position relationship between the four rod electrodes 50a to 50d can be obtained by providing the inner groove of the rod holder 51 so that the size, shape, and position thereof are accurately rotationally symmetric about the central axis C. It can be in an ideal state or a state close thereto.
  • the rod holder 51 itself is caused by dielectric loss of the material of the rod holder 51.
  • the distance between the rod electrodes 50a to 50d changes due to heat generation and thermal expansion. If the distance between the rod electrodes 50a to 50d changes, the mass-to-charge ratio may be shifted between the ions to be passed and the ions that are actually passing, or the range of the mass-to-charge ratio of the passing ions may be expanded. . That is, the thermal expansion due to the heat generation of the rod holder 51 causes a decrease in mass accuracy and mass resolution.
  • the simplest method for solving the above problem is to use a material having a low coefficient of thermal expansion for the rod holder.
  • a material having a low coefficient of thermal expansion is expensive, and using such a material leads to an increase in cost.
  • such a material may not necessarily have other characteristics such as workability suitable for the rod holder, and it may be difficult to select a material having a low coefficient of thermal expansion.
  • the thermal expansion due to heat generation cannot be completely eliminated. Therefore, when higher accuracy and resolution are required, measures other than the selection of the material are required. .
  • Patent Document 1 discloses an apparatus configured to promote heat dissipation by sandwiching a rod holder between a pair of heat sinks connected by a spring and releasing heat generated in the rod holder to the heat sink contacting the rod holder. Has been. However, such a configuration is complicated and the maintainability of the rod electrode is also deteriorated.
  • Patent Document 2 discloses a technique for reducing the mass deviation by detecting the strain amount of the rod holder due to thermal expansion and finely adjusting the voltage applied to each rod electrode accordingly.
  • it is necessary to obtain in advance the relationship between the temperature change amount, the strain amount, and the voltage adjustment amount in advance, and if such a change occurs, the mass deviation may not be sufficiently corrected.
  • the configuration itself is considerably complicated, and a significant increase in cost is inevitable.
  • the above problems are not limited to mass spectrometers using quadrupole mass filters, and ion optical elements having a configuration in which a plurality of rod electrodes need to be arranged around the central axis with high positional accuracy.
  • a linear ion trap having a function of mass separation itself has the same problem.
  • the present invention has been made to solve these problems, and its object is to reduce the heat generation of a rod holder that holds a plurality of rod electrodes constituting a quadrupole mass filter or a linear ion trap. Then, it is providing the mass spectrometer which can reduce the fall of the mass accuracy and mass resolution resulting from the thermal expansion.
  • a mass spectrometer which has been made to solve the above problems, comprises a plurality of rod electrodes arranged around a linear axis, and is surrounded by the plurality of rod electrodes.
  • Analyzer comprising: an ion optical element that separates ions derived from a sample component introduced into a space according to a mass-to-charge ratio by the action of an electric field formed by a voltage including a high-frequency voltage applied to the rod electrode
  • a boundary member defining a region in which the ion optical element is disposed
  • b) a rod holder made of an insulating material for holding the plurality of rod electrodes In a) a boundary member defining a region in which the ion optical element is disposed; b) a rod holder made of an insulating material for holding the plurality of rod electrodes; c) a holder holding base fixed to the boundary member and on which the rod holder is placed; d) Both ends thereof are fixed to the holder holding base, and the rod
  • the mass spectrometer of the second aspect according to the present invention comprises a plurality of rod electrodes arranged around a linear axis, and the plurality of rod electrodes
  • Mass spectrometry comprising an ion optical element that separates ions derived from a sample component introduced into an enclosed space according to a mass-to-charge ratio by the action of an electric field formed by a voltage including a high-frequency voltage applied to the rod electrode
  • a boundary member defining a region in which the ion optical element is disposed
  • b) a rod holder made of an insulating material for holding the plurality of rod electrodes c) a holder holding base fixed to the boundary member and on which the rod holder is placed; d) a fixing member attached to the holder holding base so as to sandwich the rod holder between the holder holding base and press the rod holder against the holder holding base
  • a connecting member made of a conductive material constructed so as to be
  • the ion optical element is typically a quadrupole mass filter or a linear ion trap.
  • the mass spectrometer When the ion optical element is a quadrupole mass filter, the mass spectrometer according to the present invention includes a single type quadrupole mass spectrometer, a triple quadrupole in which quadrupole mass filters are arranged before and after a collision cell.
  • Q-TOF type quadrupole-time-of-flight
  • the mass spectrometer according to the present invention is a linear ion trap type mass spectrometer, and after the ions selected by the mass by the linear ion trap are cleaved in the ion trap, Mass spectrometer of the type that performs mass analysis using a time-of-flight mass spectrometer or a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer.
  • the boundary member that defines the region in which the ion optical element is disposed is, for example, a vacuum housing that is evacuated by a vacuum pump, or the interior of the vacuum housing.
  • a vacuum housing that is evacuated by a vacuum pump, or the interior of the vacuum housing.
  • the holder holding base is fixed on, for example, the horizontal inner bottom surface of the boundary member, and a rod holder for holding a plurality of rod electrodes is mounted on the holder holding base. Placed. And a fixed band is attached to a holder holding stand so that this rod holder may be pinched
  • the fixing band has an appropriate spring property, and the rod holder is pressed against the holder holding base by the fixing band, and the position thereof is fixed.
  • stainless steel and aluminum are generally used as the holder holding base and the fixing band.
  • phosphor bronze having higher thermal conductivity than stainless steel and aluminum is used as the material of the fixing band. It is done.
  • a voltage including a high-frequency voltage (only a high-frequency voltage or a voltage obtained by superimposing a high-frequency voltage on a DC voltage) is applied to the rod electrode during analysis, for example, ceramic or the like due to dielectric loss due to the electric field formed thereby.
  • the rod holder consisting of generates heat. A part of the heat generated in the rod holder is transmitted to the holder holding table in contact with the rod holder, and is radiated from the holder holding table into a vacuum atmosphere or released to the outside through the boundary member.
  • part of the heat of the rod holder is once transmitted to the fixed band in contact with the rod holder, transmitted to the holder holding table through the fixed band, and radiated from the holder holding table to the vacuum atmosphere, or the boundary member Or released to the outside through
  • the latter heat dissipation path is inferior in heat dissipation because the heat resistance is larger than the former heat dissipation path through the fixed member. Therefore, the portion of the rod holder that is in contact with or close to the fixed band tends to have a higher temperature than the portion of the rod holder that is in contact with or close to the holder holding portion. Resulting in a temperature distribution at.
  • phosphor bronze having high thermal conductivity is used for the fixed band, heat can be efficiently transferred from the rod holder to the holder holding base via the fixed band. Thereby, the heat dissipation from a rod holder improves and the temperature rise of a rod holder can be reduced. Further, since the difference in heat dissipation between the heat dissipation path through the fixed band and the heat dissipation path not through the fixed band can be reduced, the temperature difference due to the portion in the rod holder can be reduced.
  • connecting members are installed so as to be in contact with the rod electrodes, respectively.
  • the ion optical element is a quadrupole mass filter
  • the same voltage is applied to two rod electrodes facing each other across the central axis, and the rod electrodes are connected by a connecting member.
  • the heat dissipation path through the fixing member such as the fixing band has a larger thermal resistance than the heat dissipation path not through the fixing member, the difference in heat dissipation results in the temperature distribution in the rod holder. . As a result, a temperature difference also occurs between the plurality of rod electrodes held by the rod holder.
  • phosphor bronze having high thermal conductivity is used for the connecting member, so that the rod electrode having the higher temperature is changed from the rod electrode having the higher temperature to the rod electrode having the lower temperature through the connecting member. Heat is transmitted well. Therefore, the temperature difference among the plurality of rod electrodes can be reduced.
  • the thin plate-like fixing band has a spring property, and therefore, when the rod holder is thermally expanded, the fixing band expands and absorbs expansion to the outside of the rod holder. Accordingly, the relative position shift between the plurality of rod electrodes held by the rod holder can be small. Therefore, it is desirable that the fixing band has an appropriate range of spring properties. Since phosphor bronze has a smaller longitudinal elastic modulus than stainless steel, the phosphor bronze fixing band having the same degree of spring property as the stainless steel fixing band is thicker. If the plate thickness is thick, the heat transfer performance is improved accordingly, so that the fixing band has an appropriate spring property also leads to an improvement in heat dissipation from the rod holder.
  • a thin film layer formed by rust prevention is formed on the surface of phosphor bronze constituting the fixing band and the connecting member. It should be formed. Specifically, for example, a thin film layer by gold plating having a high antirust effect may be formed on the surface of phosphor bronze.
  • the heat dissipation from the rod holder holding the rod electrode is improved, and the temperature rise of the rod holder can be reduced.
  • the temperature difference depending on the portion in the rod holder can be reduced, the distance between the rod electrodes due to the non-uniform thermal expansion of the rod holder or the non-uniform temperature between the plurality of rod electrodes. Fluctuations can be reduced. This also can reduce the decrease in mass accuracy and mass resolution.
  • a material having a certain degree of thermal expansion can be used for the rod holder, so that the range of selection of the material can be expanded. Cost reduction can be achieved.
  • the temperature difference between several rod electrodes can be reduced, and the rod by the nonuniformity of the temperature between several rod electrodes Variation in the distance between the electrodes can be reduced. Thereby, a decrease in mass accuracy and mass resolution can be reduced.
  • FIG. 3 is an exploded view of the quadrupole mass filter unit shown in FIG. 2. Schematic which shows the short spring which connects rod electrodes in a quadrupole mass filter unit.
  • the block diagram of the principal part of the quadrupole-type mass spectrometer which is another Example of this invention.
  • the top view which shows the state by which the rod electrode is hold
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AAA in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the mass spectrometer of the present embodiment.
  • This mass spectrometer is a single-type quadrupole mass spectrometer that analyzes components in a sample gas.
  • an ion source 2 that performs ionization by an electron ionization method, a chemical ionization method, or the like is attached to a vacuum housing 1 that is evacuated by a vacuum pump (not shown).
  • the ions derived from the sample components are introduced into the vacuum housing 1.
  • Inside the vacuum housing 1 are an ion guide 3 that transports ions while converging them, and four pieces arranged around a central axis C that is also an ion optical axis (however, only two of the four in FIG. 1 are provided).
  • the quadrupole mass filter unit 5 including the rod electrodes 50a to 50d (which can be seen), the ion detector 7 for detecting ions, and the partition wall that partitions the ion guide 3 and the quadrupole mass filter unit 5 ,
  • a lens 6 is disposed. That is, in this embodiment, a part of the vacuum housing 1, the entrance lens 4, and the exit lens 6 correspond to the boundary member in the present invention, and the quadrupole mass filter unit 5 is an internal region defined by this boundary member. 20 is arranged.
  • the ion optical axis is defined as the Z-axis direction
  • the X-axis and the Y-axis orthogonal to the Z-axis are defined as illustrated.
  • the vacuum housing 1 is made of a conductive material, and here, aluminum which is relatively inexpensive is used.
  • the entrance lens 4 and the exit lens 6 are also made of a conductive material, and here, aluminum is used as in the vacuum housing 1.
  • these materials are not limited to this, and for example, stainless steel or the like may be used.
  • FIG. 2 is a plan view of the quadrupole mass filter unit 5 in FIG. 1 as viewed from the ion incident side (leftward in FIG. 1)
  • FIG. 3 is an assembly of the quadrupole mass filter unit 5 shown in FIG.
  • FIG. 4 is an exploded view
  • FIG. 4 is a schematic view showing a short spring for connecting the rod electrodes 50a to 50d in the quadrupole mass filter unit 5.
  • Each of the four rod electrodes 50a to 50d having a substantially cylindrical outer shape is fitted in a groove on the inner side of the rod holder 51 having a substantially annular shape and a predetermined thickness. It is fixed to.
  • One rod holder 51 is provided for each of the front end side and the rear end side of the rod electrodes 50a to 50d, whereby the relative positional relationship between the four rod electrodes 50a to 50d is determined.
  • Each of the two rod holders 51 is placed in a substantially semicircular recess 52 a of a holder holding base 52 attached on the bottom surface of the vacuum housing 1. That is, the substantially lower half of the rod holder 51 is accommodated in the recess 52 a of the holder holding base 52.
  • the substantially upper half of the rod holder 51 is fixed downward by a fixing band 53 fixed to the holder holding base 52 with two screws 56, that is, pressed against the recess 52 a of the holder holding base 52.
  • a fixing band 53 fixed to the holder holding base 52 with two screws 56, that is, pressed against the recess 52 a of the holder holding base 52.
  • a pair of rod electrodes 50a, 50c and rod electrodes 50b, 50d facing each other across the central axis C are equivalent to connecting members in the present invention as shown in FIG.
  • the two short springs 54a and 54b are electrically connected.
  • the short springs 54a and 54b are in close contact with the rod electrodes 50a to 50d by elastic force.
  • a voltage U + Vcos ⁇ t obtained by superimposing a DC voltage U and a high-frequency voltage Vcos ⁇ t is applied to one short spring 54a from a voltage source (not shown), and a high-frequency whose phase is reversed to the DC voltage ⁇ U whose polarity is reversed to the other short spring 54b
  • a voltage ⁇ (U + Vcos ⁇ t) obtained by superimposing the voltage ⁇ Vcos ⁇ t is applied.
  • the four rod electrodes 50a to 50d are made of a conductor, and for example, stainless steel or molybdenum is used.
  • the rod holder 51 is made of an insulator, and an appropriate ceramic is used.
  • the holder holding base 52 is made of the same material as the vacuum housing 1, for example, aluminum. Other members will be described later.
  • the ion source 2 ionizes components in the sample gas introduced from the outside.
  • the generated ions are extracted from the ion source 2 and introduced into the vacuum housing 1, converged by the ion guide 3, passed through the openings 4 a of the entrance lens 4, and surrounded by the four rod electrodes 50 a to 50 d.
  • the four rod electrodes 50a to 50d are applied with a voltage obtained by superimposing a DC voltage and a high-frequency voltage corresponding to the mass-to-charge ratio of the target ion to be measured through the short springs 54a and 54b.
  • the target ions Only the target ions pass through the separation space while stably oscillating by the quadrupole electric field formed by the voltage. On the other hand, other ions diverge on the way.
  • the target ions selected according to the mass-to-charge ratio pass through the separation space, and reach the ion detector 7 through the opening 6a of the exit lens 6.
  • the ion detector 7 outputs a detection signal having a signal intensity corresponding to the amount of ions that have reached.
  • a high frequency voltage ⁇ Vcos ⁇ t having a relatively large amplitude is applied to the four rod electrodes 50a to 50d, thereby forming a strong high frequency electric field in the separation space. Therefore, the rod holder 51 itself generates heat due to the dielectric loss of the material of the rod holder 51, and the relative positional relationship between the four rod electrodes 50a to 50 changes due to the thermal expansion. In addition, the heat of the rod holder 51 may be transmitted to the rod electrodes 50a to 50d, and the rod electrodes 50a to 50d themselves may be deformed by thermal expansion to change the mutual distance.
  • the characteristics as a quadrupole mass filter that is, mass resolution and mass accuracy may be deteriorated. Therefore, in the mass spectrometer of the present embodiment, various measures are taken in order to reduce the change or deformation of the relative positional relationship of the rod electrodes 50a to 50d caused by the heat generated by the rod holder 51. This will be described in detail.
  • the heat dissipation of the rod holder 51 may be increased. There are the following five heat dissipation paths. (1) Heat conduction from the rod holder 51 to the holder holding base 52 to the vacuum housing 1, and heat release from the vacuum housing 1 to the outside. (2) Heat conduction from the rod holder 51 ⁇ the fixed band 53 ⁇ the holder holding base 52 ⁇ the vacuum housing 1 and the heat release from the vacuum housing 1 to the outside. (3) Heat conduction from the rod holder 51 to the fixed band 53, fixed band to heat radiation to the vacuum atmosphere in the vacuum housing 1, and heat release from the vacuum housing 1 to the outside.
  • Rod holder 51 Heat conduction to rod electrodes 50a to 50d and short springs 54a and 54b, Rod electrodes 50a to 50d and short springs 54a and 54b ⁇ Thermal radiation to vacuum atmosphere in vacuum housing 1, and vacuum Heat release from the housing 1 to the outside. (5) Heat radiation from the rod holder 51 to the vacuum atmosphere in the vacuum housing 1 and heat release from the vacuum housing 1 to the outside.
  • heat radiation to the vacuum atmosphere in the vacuum housing 1 is included in the heat dissipation path. Therefore, by increasing the efficiency of this heat radiation, the heat radiation performance in the heat radiation paths (3), (4), and (5) can be enhanced.
  • One of the major factors that reduce the efficiency of heat radiation is that heat is trapped in the internal region 20 where the quadrupole mass filter unit 5 is disposed. Therefore, in the apparatus of the present embodiment, the quadrupole mass filter unit is provided on the inner wall surface of the vacuum housing 1 that defines the inner region 20 and the entrance lens 4 and the exit lens 6 so as to increase the efficiency of the heat radiation.
  • the surface facing 5 is subjected to a surface treatment that increases the emissivity.
  • the inner wall surface of the vacuum housing 1 that defines the inner region 20 is a bottom surface, a top surface, and a side surface (a surface on the other side of the quadrupole mass filter unit 5 and a surface on the near side that cannot be seen in FIG. 1). .
  • the coating layer 10 is formed on the inner wall surface of the vacuum housing 1 and the partial surfaces of the entrance lens 4 and the exit lens 6 by the black nickel plating treatment.
  • black nickel plating is one of the platings generally used for the purpose of antireflection and decoration, and the processing cost is relatively low.
  • the coating layer 10 is formed by black nickel plating, the surface becomes black, and the emissivity is improved as compared with the case where the surface is an aluminum surface.
  • a high emissivity means a high heat absorption rate.
  • the heat radiated to the vacuum atmosphere from the rod electrodes 50a to 50d, the fixed band 53 and the like is efficiently absorbed by the inner wall surface of the vacuum housing 1, the entrance lens 4 and the exit lens 6, and the quadrupole mass filter unit 5 Heat is less likely to stay in the vicinity.
  • the heat radiation performance in the heat radiation paths of the above (3), (4), and (5) can be improved as compared with the conventional case.
  • the surface treatment processing that increases the emissivity is not limited to black nickel plating.
  • a coating layer may be formed by alumite processing (preferably black alumite processing).
  • a coating layer capable of improving the emissivity may be formed on the surface by a carbon coating forming process, a ceramic spraying process, a plating process, a coating or coating process, a spraying process, or the like.
  • irregularities are formed by chemically or physically scraping the surfaces of these members themselves.
  • a thin plate of another material having a higher emissivity than the material of these members is formed on the inner wall surface of the vacuum housing 1, the entrance lens 4 and the exit lens 6.
  • a thin foil may be attached, or a black body tape may be attached. Such is also one of surface treatments in a broad sense.
  • the surface treatment for increasing the emissivity as described above may be performed not only on the inner wall surface of the vacuum housing 1, the entrance lens 4 and the exit lens 6, but only on a part thereof. Further, different types of surface treatments may be combined. As a matter of course, the entrance lens 4 and the exit lens 6 each form an electric field for converging ions. Therefore, it is necessary to perform surface treatment within a range that does not hinder the formation of such an electric field.
  • the fixing band 53 fixes the rod holder 51 so as to press against the holder holding base 52, and requires an appropriate spring property. If the spring property of the fixing band 53 is low, the rod holder 51 is prevented from spreading outward when thermally expanded, so that deformation due to heat concentrates on the inside, that is, the portion holding the rod electrodes 50a to 50d, and the rod The deviation of the relative positions of the electrodes 50a to 50d is increased. In contrast, if the fixing band 53 has an appropriate spring property, when the rod holder 51 is thermally expanded, the fixing band 53 extends and the rod holder 51 spreads outward. Small positional shift is sufficient. However, if the spring property of the fixing band 53 is too high, the fixing of the rod holder 51 becomes unstable, and the absolute position of the rod electrodes 50a to 50d may be shifted due to vibration or the like.
  • the thickness of the fixing band 53 is increased in order to obtain the same level of elasticity as that of the fixing band made of stainless steel.
  • the thermal conductivity becomes higher than when it is thin. That is, not only the thermal conductivity of the material itself is high, but also the thermal conductivity can be increased by increasing the thickness, so that the heat dissipation in the heat dissipation path of (2) can be improved as compared with the conventional case.
  • phosphor bronze is more susceptible to rust than stainless steel, the surface of the phosphor bronze is gold plated to prevent rust. Of course, other antirust surface treatments may be performed.
  • phosphor bronze is used for the short springs 54a and 54b, and the surface thereof is gold-plated.
  • the temperature of the upper rod electrodes 50a and 50d becomes higher than that of the lower rod electrodes 50b and 50c due to heat transfer from the rod holder 51.
  • the heat of the upper rod electrodes 50a and 50d is transferred to the lower rod electrodes 50b and 50c via the short springs 54a and 54b. Therefore, the temperature difference between the upper rod electrodes 50a and 50d and the lower rod electrodes 50b and 50c can be reduced. Thereby, the displacement of the rod electrodes 50a to 50d themselves due to thermal expansion can be suppressed.
  • the fixing band 53 and the short springs 54a and 54b are made of phosphor bronze which has been subjected to a gold plating surface treatment. Further, the surface treatment for increasing the radiation rate is the same as that of the coating layer 10 on the surface. A coating layer is formed by processing. That is, as shown in FIG. 2, the fixing band 53 has a coating layer 532 formed by a black nickel plating process on the entire surface of a phosphor bronze main member 531 subjected to a gold plating surface process. Although not shown, the same applies to the short springs 54a and 54b.
  • the coating layer 532 on the surfaces of the fixed band 53 and the short springs 54a and 54b, the efficiency of heat radiation from the fixed band 53 and the short springs 54a and 54b to the surrounding space is increased. That is, not only the heat is easily transmitted through the fixed band 53 and the short springs 54a and 54b, but also the heat is diffused along the path of the heat transfer. Thereby, the heat dissipation in the heat dissipation path of said (3), (4) can be improved further.
  • the coating layer 532 formed on the surfaces of the fixed band 53 and the short springs 54a and 54b is not limited to the one formed by the black nickel plating process, and may be formed by various other methods similar to the coating layer 10. it can.
  • the heat dissipation layer is interposed between the fixing band 53 and the rod holder 51 and the holder holding base 52. 55 is formed.
  • a coating layer silicone rubber sheet, silicone tape, etc.
  • a heat dissipation grease coating layer or the like may be used.
  • the rod holder 51 and the rod electrodes 50a to 50a are improved by making some structural improvements to improve the heat dissipation in the heat dissipation paths (1) to (5).
  • the temperature rise of 50d can be reduced.
  • the temperature rise of the rod holder 51 and the rod electrodes 50a to 50d can be reduced as compared with the conventional device.
  • the quadrupole mass filter unit 5 is directly arranged inside the vacuum housing 1. However, like the apparatus described in Patent Document 3, the quadrupole mass filter unit 5 is arranged. In some cases, a configuration may be employed in which the is disposed in the vacuum housing 1 in a state of being mounted in a cylindrical container.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a main part of the quadrupole mass spectrometer when such a configuration is adopted. In this configuration, the inner region 20 is formed inside the container 57 in which the inlet opening 57 a and the outlet opening 57 b are formed, and the quadrupole mass filter unit 5 is disposed in the inner region 20. Therefore, the container 57 corresponds to the boundary member in the present invention.
  • the coating layer 10 by black nickel plating processing may be formed on the inner wall surface of the container 57 that defines the inner region 20, or other surface processing processing that increases the above-described emissivity may be performed. Thereby, the heat dissipation efficiency of the heat dissipation path to the vacuum housing 1 via the container 57 can be increased.
  • the above embodiment is an example in which the present invention is applied to a single type quadrupole mass spectrometer, but other types of mass spectrometers using a quadrupole mass filter, specifically, triple quadrupoles. It is clear that the present invention can be applied to a quadrupole mass spectrometer and a quadrupole-time-of-flight mass spectrometer.
  • the present invention is not a quadrupole mass filter but a mass spectrometer equipped with a linear ion trap having a rod electrode structure similar to a quadrupole mass filter and having a function of separating ions according to a mass-to-charge ratio. Can be applied.
  • a linear ion trap ions are once confined in a trapping space surrounded by four rod electrodes, and then confined by applying a high-frequency voltage corresponding to the mass-to-charge ratio of the target ions to the four rod electrodes. Some of the ions are excited and emitted from the capture space to the outside.
  • the mass-to-charge ratio of ions emitted from the trapping space will shift or the mass-to-charge ratio width may change. To do.
  • changes in the relative positional relationship of the rod electrodes can be reduced, and the mass accuracy and mass resolution of ions emitted from the capture space can be increased.

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Abstract

イオンを質量電荷比に応じて分離するための４本のロッド電極（５０ａ～５０ｄ）は、セラミック製であるロッドホルダ（５１）に保持され、ロッドホルダ（５１）は真空ハウジング（１）の底面上に設置された金属製のホルダ保持台（５２）上に載置され、ホルダ保持台（５２）にネジ（５６）で固定される固定バンド（５３）により押さえ付けられた状態で固定されている。固定バンド（５３）はステンレス等に比べて熱伝導率の高いリン青銅から成る。そのため、誘電損によりロッドホルダ（５１）で発生する熱は直接、ホルダ保持台（５２）に伝わるだけでなく、固定バンド（５３）を経てホルダ保持台（５２）にも効率良く伝わる。これによって、ロッドホルダ（５１）の熱は効率的に放散され、その温度の不均一性も軽減できる。それにより、ロッド電極（５０ａ～５０ｄ）の間の距離の変化や変形が軽減され、高い質量精度、質量分解能を達成することができる。

Description

質量分析装置
　本発明は、質量分離器として四重極マスフィルタ又はリニアイオントラップを用いた質量分析装置に関する。
　ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ－ＭＳ）等に用いられる一般的な四重極型質量分析装置では、イオン源において試料ガス中に含まれる化合物からイオンを生成し、その生成された各種イオンを四重極マスフィルタで質量電荷比m/z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。四重極マスフィルタにおいて所定の質量電荷比範囲に亘る質量走査を繰り返すことで、質量電荷比とイオン強度との関係を示すマススペトルを繰り返し取得することができる。
　四重極マスフィルタは一般に、外形が略円柱状である４本のロッド電極が直線状の中心軸の周りに互いに略平行に且つ中心軸の周りに同じ角度間隔（つまりは９０°間隔）離して配置された構成を有する。質量電荷比に応じてイオンを分離する際には、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に、正の直流電圧に高周波電圧を重畳した＋（Ｕ＋Ｖcosωt）なる電圧を印加し、他の２本のロッド電極に、負の直流電圧に先の高周波電圧とは位相が反転した電圧を重畳した－（Ｕ＋Ｖcosωt）なる電圧を印加する。この直流電圧の電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを目的の質量電荷比に応じた所定の値とすることで、その目的の質量電荷比を有するイオンを選択的に通過させることができる。
　高い効率で且つ高い選択性で以て目的とするイオンが四重極マスフィルタを通過するようにするには、４本のロッド電極を高い位置精度で以て配置する必要がある。一方で、そうした高い位置精度でロッド電極を配置するための組立作業の手間はできるだけ低減する必要がある。そのため、従来の装置では一般的に、４本のロッド電極をセラミックなどの絶縁材料から成るロッドホルダに形成された溝に嵌め込むことで、それらロッド電極の位置関係を定めることができるような構成が採られている（特許文献１、２参照）。
　図６は従来の四重極型質量分析装置においてロッド電極がロッドホルダに保持されている状態を示す平面図、図７は図６中のＡ－ＡＡ線断面図である。図示するように、４本のロッド電極５０ａ～５０ｄは円環状のロッドホルダ５１の内側の溝に嵌め込まれた状態で該ロッドホルダ５１に固定される。この場合、ロッドホルダ５１の内側の溝をその大きさ、形状、位置が中心軸Ｃの周りに正確に回転対称になるように設けることで、４本のロッド電極５０ａ～５０ｄの相対位置関係を理想的な状態又はそれに近い状態にすることができる。
　しかしながら、こうした構成の四重極マスフィルタでは、上記特許文献にも開示されているように、ロッド電極５０ａ～５０ｄに高周波電圧を印加するとロッドホルダ５１の材料の誘電損失によって該ロッドホルダ５１自体が発熱し、熱膨張によってロッド電極５０ａ～５０ｄ間の距離が変化してしまうという問題がある。ロッド電極５０ａ～５０ｄ間の距離が変化すると、通過させようとしているイオンと実際に通過するイオンとで質量電荷比にずれが生じたり、通過するイオンの質量電荷比の範囲が広がってしまったりする。即ち、ロッドホルダ５１の発熱による熱膨張は質量精度や質量分解能の低下をもたらす。
　上記問題を解決するための最も簡単な方法は、ロッドホルダに熱膨張率が小さい材料を用いることである。しかしながら、一般に熱膨張率が小さい材料は高価であり、こうした材料を用いるとコスト増加に繋がる。また、そうした材料は必ずしも加工性等の他の特性がロッドホルダに適さない場合があり、熱膨張率が小さい材料を選択することが難しい場合もある。さらに、熱膨張率が小さい材料を用いたとしても、発熱による熱膨張を完全に無くすことはできないため、より高い精度や分解能が要求される場合には、材料の選択以外の対策も必要になる。
　一方、特許文献１には、バネで接続した一対の放熱板の間にロッドホルダを挟み込み、ロッドホルダに発生した熱を該ロッドホルダに接触した放熱板に逃がすことで放熱を促進させる構成の装置が開示されている。しかしながら、こうした構成は複雑であるとともに、ロッド電極のメンテナンス性も悪くなる。
　また特許文献２には、熱膨張によるロッドホルダの歪み量を検出し、それに応じて、各ロッド電極に印加する電圧を微調整することで質量ずれを軽減する技術が開示されている。しかしながら、こうした方法では、温度変化量や歪み量と電圧の調整量との関係を予め精度良く求めておく必要があり、そうした関係に変化が生じると質量ずれの補正が十分に行えないおそれがある。また、構成自体もかなり複雑になり、コストの大幅な増加が避けられない。
特開平７－１４２０２６号公報（図１、図２） 特開平１０－１０６４８４号公報（図５、図６） 米国特許公開第５５２５０８４号明細書
　上記のような問題は四重極マスフィルタを用いた質量分析装置に限るものではなく、高い位置精度で複数本のロッド電極を中心軸の周りに配置する必要がある構成のイオン光学素子、具体的には、それ自体で質量分離の機能を有するリニアイオントラップでも同様の問題がある。
　本発明はこうした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、四重極マスフィルタやリニアイオントラップを構成する複数本のロッド電極を保持するロッドホルダの発熱を低減して、その熱膨張に起因する質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる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に係る第１の態様の質量分析装置は、直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
　a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
　b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
　c)前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、
　d)その両端部が前記ホルダ保持台にそれぞれ固定され、該両端部の間の部分と前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該ロッドホルダを前記ホルダ保持台に押し付けるように該ホルダ保持台に取り付けられる薄板状の固定バンドと、
　を備え、前記固定バンドはリン青銅からなることを特徴としている。
　また上記課題を解決するために成された本発明に係る第２の態様の質量分析装置は、直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
　a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
　b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
　c)前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、
　d)前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該ロッドホルダを前記ホルダ保持台に押し付けるように該ホルダ保持台に取り付けられる固定部材と、
　e)前記複数本のロッド電極のうち、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するべく、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される導電性材料から成る接続部材と、
　を備え、前記接続部材はリン青銅からなることを特徴としている。
　本発明に係る質量分析装置において、前記イオン光学素子は典型的には四重極マスフィルタ又はリニアイオントラップである。
　イオン光学素子が四重極マスフィルタである場合、本発明に係る質量分析装置は、シングルタイプの四重極型質量分析装置、コリジョンセルを挟んで前後に四重極マスフィルタを配置したトリプル四重極型質量分析装置、コリジョンセルの前段に四重極マスフィルタを、後段に飛行時間型質量分析器を配置した四重極－飛行時間型（Ｑ－ＴＯＦ型）質量分析装置などである。また、イオン光学素子がリニアイオントラップである場合、本発明に係る質量分析装置は、リニアイオントラップ型質量分析装置、リニアイオントラップで質量選別したイオンを該イオントラップ内で開裂させたあと、外部の飛行時間型質量分析器やフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析器などで質量分析するタイプの質量分析装置などである。
　本発明に係る質量分析装置において、イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材とは例えば、真空ポンプにより真空排気される真空ハウジング、或いは該真空ハウジングの内部に配置され、その内部にイオン光学素子が収容される筒状等の形状の容器である。
　本発明の第１の態様の質量分析装置では、ホルダ保持台は例えば境界部材の水平な内底面上に固定され、そのホルダ保持台の上に、複数本のロッド電極を保持するロッドホルダが載置される。そして、このロッドホルダを間に挟むようにして固定バンドがホルダ保持台に取り付けられる。固定バンドは適度なバネ性を有しており、該固定バンドによってロッドホルダはホルダ保持台に押し付けられ、その位置が固定される。こうした構成では一般に、ホルダ保持台や固定バンドとしてステンレスやアルミニウムが用いられるが、本発明に係る第１の態様では、ステンレスやアルミニウムに比べて熱伝導率が高いリン青銅が固定バンドの材料として用いられる。
　分析時にロッド電極に高周波電圧を含む電圧（高周波電圧のみ、又は直流電圧に高周波電圧が重畳された電圧など）が印加されると、それにより形成される電場による誘電損失のために、例えばセラミック等から成るロッドホルダが発熱する。ロッドホルダで発生した熱の一部は該ロッドホルダに接触しているホルダ保持台に伝わり、ホルダ保持台から真空雰囲気中に輻射されたり、或いは境界部材を介して外部に放出されたりする。一方、ロッドホルダの熱の一部は該ロッドホルダに接触している固定バンドに一旦伝わり、固定バンドを経てホルダ保持台に伝わって、ホルダ保持台から真空雰囲気中に輻射されたり、或いは境界部材を介して外部に放出されたりする。
　後者の放熱経路は前者の放熱経路に比べて固定部材を経る分だけ熱抵抗が大きいため、それだけ放熱性に劣る。そのため、ロッドホルダの中で固定バンドに接している又は固定バンドに近い部分はホルダ保持部に接している又はホルダ保持部に近い部分に比べて温度が高くなる傾向にあり、これがロッドホルダの中での温度分布をもたらす。これに対し本発明の第１の態様では、熱伝導率が高いリン青銅を固定バンドに用いているため、固定バンドを介してロッドホルダからホルダ保持台へと効率良く熱を伝えることができる。それにより、ロッドホルダからの放熱性が向上し、ロッドホルダの温度上昇を軽減することができる。また、上述した固定バンドを通した放熱経路と固定バンドを通さない放熱経路とによる放熱性の差を小さくすることができるので、ロッドホルダの中での部位による温度差を縮小することができる。
　一方、本発明の第２の態様の質量分析装置では、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するために、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される接続部材が、ステンレスやアルミニウムでなくリン青銅から成るものとされる。例えばイオン光学素子が四重極マスフィルタである場合、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に同じ電圧が印加されるから、このロッド電極同士が接続部材で接続される。上述したように、固定バンド等の固定部材を通した放熱経路は該固定部材を通さない放熱経路に比べて熱抵抗が大きいため、その放熱性の差異がロッドホルダの中での温度分布をもたらす。それによって、ロッドホルダに保持されている複数のロッド電極の間でも温度差が生じることになる。
　これに対し本発明の第２の態様では、熱伝導率が高いリン青銅を接続部材に用いているため、接続部材を介して、温度が高いほうのロッド電極から温度が低いほうのロッド電極に熱が良好に伝わる。そのため、複数本のロッド電極の中の温度差を縮小することができる。
　上述したように、薄板状である固定バンドはバネ性を有しているため、ロッドホルダが熱膨張したとき固定バンドは伸張してロッドホルダの外側への膨張を吸収する。それによって、ロッドホルダに保持されている複数本のロッド電極の間の相対位置のずれが小さくて済む。そのため、固定バンドは適度な範囲のバネ性を有していることが望ましい。リン青銅はステンレスに比べて縦弾性係数が小さいため、ステンレス製の固定バンドと同じ程度のバネ性を有するリン青銅製の固定バンドはその板厚が厚くなる。板厚が厚いとそれだけ伝熱性も向上するから、固定バンドに適度なバネ性を持たせることはロッドホルダからの放熱性を向上させることにも繋がる。
　なお、ステンレスに比べてリン青銅は錆が生じ易いため、本発明に係る第１及び第２の態様において好ましくは、固定バンドや接続部材を構成するリン青銅の表面に防錆加工による薄膜層が形成されているものとするとよい。具体的には、例えば防錆効果が高い金メッキ加工による薄膜層をリン青銅の表面に形成するとよい。
　本発明の第１の態様に係る質量分析装置によれば、ロッド電極を保持するロッドホルダからの放熱性が向上し、ロッドホルダの温度上昇を軽減することができる。それにより、ロッドホルダの熱膨張に起因する質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる。また、ロッドホルダの中での部位による温度差を縮小することができるので、ロッドホルダの不均一な熱膨張による、或いは複数本のロッド電極の間の温度の不均一性によるロッド電極間の距離の変動を軽減することができる。それによっても、質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる。さらにまた、本発明の第１の態様に係る質量分析装置によれば、ロッドホルダにも熱膨張率が或る程度大きな材料を用いることができるので、その材料の選択の幅を広げることができ、コスト削減を図ることができる。
　また本発明の第２の態様に係る質量分析装置によれば、複数本のロッド電極の間での温度差を縮小することができ、複数本のロッド電極の間の温度の不均一性によるロッド電極間の距離の変動を軽減することができる。それにより、質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる。
本発明の一実施例である四重極型質量分析装置の要部の構成図。 本実施例の四重極型質量分析装置における四重極マスフィルタユニットをイオン入射側から見た状態の平面図。 図２に示した四重極マスフィルタユニットの組立分解図。 四重極マスフィルタユニットにおいてロッド電極同士を接続するショートバネを示す概略図。 本発明の他の実施例である四重極型質量分析装置の要部の構成図。 一般的な四重極型質量分析装置においてロッド電極がロッドホルダに保持されている状態を示す平面図。 図６中のＡ－ＡＡ線断面図。
　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。
　図１は本実施例の質量分析装置の概略構成図である。この質量分析装置は、試料ガス中の成分を分析するシングルタイプの四重極型質量分析装置である。
　図１に示すように、真空ポンプ（図示せず）によって真空排気される真空ハウジング１には、電子イオン化法や化学イオン化法などによるイオン化を行うイオン源２が取り付けられ、該イオン源２において生成された試料成分由来のイオンが真空ハウジング１内に導入される。真空ハウジング１の内部には、イオンを収束させつつ輸送するイオンガイド３と、イオン光軸でもある中心軸Ｃの周りに配置された４本（但し図１では　４本のうちの２本のみが見えている）のロッド電極５０ａ～５０ｄを含む四重極マスフィルタユニット５と、イオンを検出するイオン検出器７と、イオンガイド３と四重極マスフィルタユニット５との間を仕切る隔壁を兼ね、イオンが通過する開口４ａが形成されている入口レンズ４と、四重極マスフィルタユニット５とイオン検出器７との間を仕切る隔壁を兼ね、イオンが通過する開口６ａが形成されている出口レンズ６と、が配置されている。即ち、本実施例では、真空ハウジング１の一部、入口レンズ４、及び出口レンズ６が本発明における境界部材に相当し、四重極マスフィルタユニット５は、この境界部材により確定される内部領域２０に配置されている。なお、説明の便宜上、イオン光軸をＺ軸方向とし、該Ｚ軸に直交するＸ軸、Ｙ軸を図示するように定めている。
　真空ハウジング１は導電体材料から成り、ここでは比較的安価であるアルミニウムが用いられている。また、入口レンズ４及び出口レンズ６も同じく導電体材料から成り、ここでは真空ハウジング１と同様にアルミニウムが用いられている。但し、これらの材料はこれに限らず、例えばステンレスなどを用いてもよい。
　図２は図１中の四重極マスフィルタユニット５をイオン入射側（図１では左方向）から見た状態の平面図、図３は図２に示した四重極マスフィルタユニット５の組立分解図、図４は四重極マスフィルタユニット５においてロッド電極５０ａ～５０ｄ同士を接続するショートバネを示す概略図である。
　外形が略円柱状である４本のロッド電極５０ａ～５０ｄはそれぞれ、略円環状で所定の厚さを有するロッドホルダ５１の内側の溝に嵌め込まれた状態で、図示しないネジにより該ロッドホルダ５１に固定されている。ロッドホルダ５１はロッド電極５０ａ～５０ｄの前端側と後端側とにそれぞれ１個ずつ設けられ、これにより、４本のロッド電極５０ａ～５０ｄの相対的な位置関係は定まっている。２個のロッドホルダ５１はそれぞれ、真空ハウジング１の底面上に取り付けられたホルダ保持台５２の略半円状の凹部５２ａに載置される。即ち、ロッドホルダ５１の略下半分はホルダ保持台５２の凹部５２ａに収容される。ロッドホルダ５１の略上半分は、ホルダ保持台５２に２本のネジ５６で固定される固定バンド５３によって下方に、つまりホルダ保持台５２の凹部５２ａに押し付けられるように固定される。これにより、４本のロッド電極５０ａ～５０ｄの絶対的な位置が定まっている。
　四重極マスフィルタでは、中心軸Ｃを挟んで対向する２本のロッド電極に同じ電圧が印加され、中心軸Ｃの周りに隣接する２本のロッド電極には互いに異なる電圧が印加される。そこで本実施例の装置では、中心軸Ｃを挟んで対向する２本一組のロッド電極５０ａ、５０ｃとロッド電極５０ｂと５０ｄとはそれぞれ、図４に示すように、本発明における接続部材に相当する２本のショートバネ５４ａ、５４ｂによって電気的に接続されている。ショートバネ５４ａ、５４ｂは弾性力によって各ロッド電極５０ａ～５０ｄに密着するものである。この一方のショートバネ５４ａに図示しない電圧源より、直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖcosωｔとを重畳した電圧Ｕ＋Ｖcosωｔが印加され、他方のショートバネ５４ｂに極性が反転した直流電圧－Ｕと位相が反転した高周波電圧－Ｖcosωｔとを重畳した電圧－（Ｕ＋Ｖcosωｔ）が印加される。
　４本のロッド電極５０ａ～５０ｄは導電体から成り、例えばステンレスやモリブデンなどが用いられる。ロッドホルダ５１は絶縁体から成り、適当なセラミックが用いられる。また、ホルダ保持台５２は真空ハウジング１と同じ材料、例えばアルミニウムなどから成る。それ以外の部材については後述する。
　本実施例の質量分析装置における基本的な分析動作を簡単に説明する。
　イオン源２は外部から導入された試料ガス中の成分をイオン化する。生成されたイオンはイオン源２から引き出されて真空ハウジング１内に導入され、イオンガイド３により収束されて入口レンズ４の開口４ａを経て４本のロッド電極５０ａ～５０ｄで囲まれる、Ｚ軸方向に延在する分離空間に導入される。４本のロッド電極５０ａ～５０ｄには、上述したようにショートバネ５４ａ、５４ｂを通して測定対象である目的イオンの質量電荷比に応じた直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加される。その電圧により形成される四重極電場によって上記目的イオンのみが安定的に振動しつつ分離空間を通過する。一方、他のイオンは途中で発散する。こうして質量電荷比に応じて選択された目的イオンが分離空間を通り抜け、出口レンズ６の開口６ａを経てイオン検出器７に到達する。イオン検出器７は到達したイオンの量に応じた信号強度の検出信号を出力する。
　上述したような分析の際に、４本のロッド電極５０ａ～５０ｄには比較的大きな振幅の高周波電圧±Ｖcosωｔが印加され、それによって強い高周波電場が分離空間に形成される。そのため、ロッドホルダ５１の材料の誘電損失によってロッドホルダ５１自体が発熱し、その熱膨張によって４本のロッド電極５０ａ～５０の相対的な位置関係が変化する。また、ロッドホルダ５１の熱がロッド電極５０ａ～５０ｄに伝わり、ロッド電極５０ａ～５０ｄ自体が熱膨張によって変形して相互の距離が変化する場合もある。ロッド電極５０ａ～５０の相対的な位置関係や距離が変化すると、四重極マスフィルタとしての特性、即ち、質量分解能や質量精度が低下するおそれがある。そこで、本実施例の質量分析装置では、ロッドホルダ５１の発熱に起因するロッド電極５０ａ～５０ｄの相対的な位置関係の変化や変形を軽減するために、種々の方策が採られている。その点について詳細に説明する。
　ロッドホルダ５１の発熱を軽減するには、ロッドホルダ５１の放熱性を高めればよい。ここで考えられる放熱経路は次の五つである。
　（１）ロッドホルダ５１→ホルダ保持台５２→真空ハウジング１への熱伝導、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
　（２）ロッドホルダ５１→固定バンド５３→ホルダ保持台５２→真空ハウジング１への熱伝導、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
　（３）ロッドホルダ５１→固定バンド５３への熱伝導、固定バンド→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
　（４）ロッドホルダ５１→ロッド電極５０ａ～５０ｄ及びショートバネ５４ａ、５４ｂへの熱伝導、ロッド電極５０ａ～５０ｄ及びショートバネ５４ａ、５４ｂ→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、並びに、真空ハウジング１から外部への熱放出。
　（５）ロッドホルダ５１→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
　上記（３）、（４）、（５）ではいずれも真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射が放熱経路に含まれる。したがって、この熱輻射の効率を高めることで、（３）、（４）、（５）の放熱経路での放熱性を高めることができる。熱輻射の効率を低下させる大きな要因の一つは、四重極マスフィルタユニット５が配置される内部領域２０に熱がこもってしまうことである。そこで本実施例の装置では、この熱輻射の効率が高くなるように、内部領域２０を画定する真空ハウジング１の内壁面、並びに、入口レンズ４及び出口レンズ６にあって四重極マスフィルタユニット５に向いた面に、輻射率が高まるような表面処理加工が施されている。ここで、内部領域２０を画定する真空ハウジング１の内壁面とは、底面、天面、側面（図１では四重極マスフィルタユニット５の向こう側の面及び見えない手前側の面）である。
　本実施例の装置では上記表面処理加工として、黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層１０を真空ハウジング１の内壁面や入口レンズ４及び出口レンズ６の一部の面に形成している。よく知られているように黒色ニッケルメッキは反射防止や装飾を目的としてごく一般に利用されているメッキの一つであり、加工コストが比較的安価である。黒色ニッケルメッキによる被膜層１０を形成すると表面が黒色になり、表面がアルミニウムの面である場合に比べて輻射率が向上する。輻射率が高いことは熱吸収率が高いことを意味する。これにより、ロッド電極５０ａ～５０ｄや固定バンド５３等から真空雰囲気へと輻射された熱が真空ハウジング１の内壁面や入口レンズ４、出口レンズ６に効率良く吸収され、四重極マスフィルタユニット５付近に熱がこもりにくくなる。その結果、上記（３）、（４）、（５）の放熱経路における放熱性を従来よりも高めることができる。
　なお、輻射率が高まるような表面処理加工は黒色ニッケルメッキに限らない。例えば上述したように真空ハウジング１がアルミニウム製である場合、黒色ニッケルメッキの代わりに通常のニッケルメッキでもよいし、アルマイト加工処理（好ましくは黒アルマイト加工処理）による被膜層を形成してもよい。或いは、カーボン被膜形成処理やセラミック溶射処理、さらにはそれ以外のメッキ加工処理、塗装又は塗布加工処理、溶射処理などによって、輻射率の改善が可能な被膜層を表面に形成してもよい。また、真空ハウジング１や入口レンズ４、出口レンズ６の材料とは異なる材料から成る被膜層を形成するのではなく、それら部材そのものの表面を化学的に又は物理的に削ることで凹凸を形成するようにしてもよい。また、各種の加工処理によって被膜層を形成するのではなく、真空ハウジング１の内壁面、入口レンズ４、及び出口レンズ６に、それら部材の材料に比べて輻射率が高い別の材料の薄板や薄箔を貼り付けたり、黒体テープを貼り付けたりしてもよい。こうしたものも、広い意味での表面処理加工の一つである。
　もちろん、上述したような輻射率を上げるための表面処理加工は、真空ハウジング１の内壁面、入口レンズ４、及び出口レンズ６の全てではなく、その一部にのみ行ってもよい。また、異なる種類の表面処理加工を組み合わせてもよい。なお、当然のことながら、入口レンズ４や出口レンズ６はそれぞれイオンを収束させる電場を形成するものであるので、そうした電場の形成に障害とならない範囲で表面処理加工を行う必要がある。
　上記（１）と（２）の放熱経路を比べれば分かるように、（２）では固定バンド５３を経てロッドホルダ５１からホルダ保持台５２に熱が伝導するため（１）に比べて放熱効率が悪い。そのため、ロッドホルダ５１の上部は下部に比べて温度上昇が大きくなる傾向にある。（２）の放熱経路における放熱効率を改善するには、固定バンド５３自体の熱伝導性を向上させることが必要である。こうした固定バンド５３の材料としては一般的にステンレスが用いられるが、ステンレスは熱伝導率が比較的低い。そこで、本実施例の装置では、固定バンド５３の材料として、熱伝導率がステンレスに比べて高く且つ比較的安価であるリン青銅を用いている。
　上述したように固定バンド５３はロッドホルダ５１をホルダ保持台５２に押し付けるように固定するものであり、適度なバネ性が必要である。固定バンド５３のバネ性が低いと、ロッドホルダ５１が熱膨張したときに外側に広がることが妨げられるため、熱による変形が内側、つまりはロッド電極５０ａ～５０ｄを保持する部分に集中し、ロッド電極５０ａ～５０ｄの相対位置のずれを大きくする。これに対し、固定バンド５３が適度なバネ性を有していると、ロッドホルダ５１が熱膨張したときに固定バンド５３が延びてロッドホルダ５１が外側に広がるため、ロッド電極５０ａ～５０ｄの相対位置のずれが小さくて済む。但し、固定バンド５３のバネ性が高すぎるとロッドホルダ５１の固定が不安定になり、振動等によってロッド電極５０ａ～５０ｄの絶対位置がずれるおそれがある。
　リン青銅はステンレスに比べて縦弾性係数が小さいため、ステンレス製の固定バンドと同程度のバネ性を得るために、固定バンド５３の厚さを厚くしている。このように固定バンド５３を厚くすると、薄い場合に比べて熱伝導性が高くなる。即ち、その材料自体の熱伝導率が高いだけでなく、厚さが厚いことでも熱伝導性を上げることができるので、上記（２）の放熱経路における放熱性を従来よりも高めることができる。
　なお、リン青銅はステンレスに比べて錆が生じ易いため、その表面に金メッキ処理を行うことで錆の発生を防止するようにしている。もちろん、それ以外の防錆表面処理を行ってもよい。
　また、固定バンド５３と同様にショートバネ５４ａ、５４ｂにもリン青銅を用い、その表面に金メッキ処理を施している。上述したようにロッドホルダ５１の上部の温度が下部に比べて高い場合、ロッドホルダ５１からの伝熱により上側のロッド電極５０ａ、５０ｄの温度は下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃよりも高くなる。ステンレスに比べて熱伝導性が高いリン青銅製のショートバネ５４ａ、５４ｂを用いることで、上側のロッド電極５０ａ、５０ｄの熱がショートバネ５４ａ、５４ｂを経て下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃに伝わり易くなるので、上側のロッド電極５０ａ、５０ｄと下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃとの温度差を低減することができる。それによって、ロッド電極５０ａ～５０ｄ自体の熱膨張による変形の片寄りを抑えることができる。
　また、上述したように固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂは金メッキ表面処理が施されたリン青銅製であるが、さらにその表面に上記被膜層１０と同様の、輻射率を上げるための表面処理加工による被膜層が形成されている。即ち、図２中に示すように、固定バンド５３は、金メッキ表面処理が施されたリン青銅製の主部材５３１の表面全体に、黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層５３２が形成されている。図示しないが、ショートバネ５４ａ、５４ｂも同様である。
　このように固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂの表面に被膜層５３２を設けることで、固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂからその周囲の空間への熱輻射の効率が高くなる。即ち、固定バンド５３、ショートバネ５４ａ、５４ｂをそれぞれ熱が伝わり易くなるだけでなく、その伝熱の途中経路での熱の放散も盛んになる。それにより、上記（３）、（４）の放熱経路における放熱性をさらに一層高めることができる。
　固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂの表面に形成される被膜層５３２も黒ニッケルメッキ加工処理によるものに限らず、被膜層１０と同様の他の様々な手法により形成されるものとすることができる。
　また、本実施例の装置では、間にロッドホルダ５１を挟んで固定バンド５３をホルダ保持台５２に固定する際に、固定バンド５３とロッドホルダ５１及びホルダ保持台５２との間に放熱性層５５を形成するようにしている。本実施例の装置では、放熱性層５５として放熱シリコーンによる適宜の厚さの被膜層（シリコーンゴムシートやシリコーンテープなど）を用いているが、これに限らず、放熱グリスの塗布層などでもよい。固定バンド５３とロッドホルダ５１やホルダ保持台５２とを直接接触させた場合、両者の接触面にはごく微細なレベルでの隙間が生じ、その隙間が一種の熱抵抗となる。これに対し、間に放熱性層５５を設けることでそうしたごく微細なレベルでの隙間が埋まり伝熱性が高まる。さらに、放熱シリコーンや放熱グリスはそれ自体に熱伝導性の高い成分や粒子が含まれる。それにより、ロッドホルダ５１から固定バンド５３への伝熱性、及び、固定バンド５３からホルダ保持台５２への伝熱性が高まり、上記（２）、（３）の放熱経路における放熱性をさらに一層高めることができる。
　上述したように本実施例の装置では、上記（１）～（５）の放熱経路での放熱性を高めるような幾つかの構成上の工夫を行うことで、ロッドホルダ５１やロッド電極５０ａ～５０ｄの温度上昇を軽減することができる。もちろん、上述した全ての構成上の工夫を盛り込むのではなく、その一部のみを用いても従来装置に比べればロッドホルダ５１やロッド電極５０ａ～５０ｄの温度上昇を軽減することができる。
　なお、上記実施例の質量分析装置では、真空ハウジング１の内部に四重極マスフィルタユニット５が直接配置されていたが、特許文献３に記載の装置のように、四重極マスフィルタユニット５が筒状の容器内に取り付けられた状態で真空ハウジング１内に配置される構成が採られる場合もある。図５はこうした構成が採られる場合の四重極型質量分析装置の要部の構成図である。
　この構成では、入口開口５７ａ、出口開口５７ｂが形成されている容器５７の内側に内部領域２０が形成され、この内部領域２０に四重極マスフィルタユニット５が配置される。したがって、容器５７が本発明における境界部材に相当する。この構成では、内部領域２０を画定する容器５７の内壁面に黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層１０を形成したり、或いは、そのほかの上述の輻射率が高まる表面処理加工を施したりすればよい。これにより、容器５７を介した真空ハウジング１への放熱経路の放熱効率を高めることができる。
　また、上記実施例は本発明をシングルタイプの四重極型質量分析装置に適用した例であるが、四重極マスフィルタを使用した他のタイプの質量分析装置、具体的には、トリプル四重極型質量分析装置や四重極－飛行時間型質量分析装置に本発明を適用できることは明らかである。
　また、四重極マスフィルタではなく、四重極マスフィルタに類似したロッド電極構造であってイオンを質量電荷比に応じて分離する機能を有するリニアイオントラップを備えた質量分析装置にも本発明を適用することができる。こうしたリニアイオントラップでは、４本のロッド電極で囲まれる捕捉空間にイオンを一旦閉じ込め、そのあとに４本のロッド電極に目的イオンの質量電荷比に応じた高周波電圧を印加することで、閉じ込めていたイオンの一部を励振させて捕捉空間から外部へと放出する。そのため、ロッド電極を保持するロッドホルダが誘電損失によって発熱しロッド電極の相対位置関係が変化すると、捕捉空間から放出されるイオンの質量電荷比にずれが生じたりその質量電荷比幅が変化したりする。こうした質量分析装置に本発明を適用することで、ロッド電極の相対位置関係の変化を軽減することができ、捕捉空間から放出されるイオンの質量精度や質量分解能を高めることができる。
　さらにまた、上記の実施例や変形例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲でさらに適宜、変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
１…真空ハウジング
２…イオン源
３…イオンガイド
４…入口レンズ
４ａ…開口
５…四重極マスフィルタユニット
５０ａ～５０ｄ…ロッド電極
５１…ロッドホルダ
５２…ホルダ保持台
５２ａ…凹部
５３…固定バンド
５３１…主部材
５３２…被膜層
５４ａ、５４ｂ…ショートバネ
５５…放熱性層
５６、５９…ネジ
５７…容器
５７ａ…入口開口
５７ｂ…出口開口
６…出口レンズ
６ａ…開口
７…イオン検出器
１０…被膜層
Ｃ…中心軸（イオン光軸）

Claims (6)

  1. 　直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
    　a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
    　b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
    　c)前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、
    　d)その両端部が前記ホルダ保持台にそれぞれ固定され、該両端部の間の部分と前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該ロッドホルダを前記ホルダ保持台に押し付けるように該ホルダ保持台に取り付けられる薄板状の固定バンドと、
    　を備え、前記固定バンドはリン青銅からなることを特徴とする質量分析装置。
  2. 　直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
    　a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
    　b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
    　c)前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、
    　d)前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該ロッドホルダを前記ホルダ保持台に押し付けるように該ホルダ保持台に取り付けられる固定部材と、
    　e)前記複数本のロッド電極のうち、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するべく、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される導電性材料から成る接続部材と、
    　を備え、前記接続部材はリン青銅からなることを特徴とする質量分析装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の質量分析装置であって、
    　前記リン青銅の表面に防錆加工による薄膜層が形成されていることを特徴とする質量分析装置。
  4. 　請求項３に記載の質量分析装置であって、
    　前記防錆加工による薄膜層は金メッキ加工による薄膜層であることを特徴とする質量分析装置。
  5. 　請求項１又は２に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオン光学素子は四重極マスフィルタであることを特徴とする質量分析装置。
  6. 　請求項１又は２に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオン光学素子はリニアイオントラップであることを特徴とする質量分析装置。
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