JPH01296558A - 質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子衝突イオン源を右づる貿［１分析器に関し
、殊にガス試別の同位体分析に適した該分析器に関づる
。

ガス分析のための、電子衝突イオン化源を右りる質量分
析計は公知である。ナイヤー（Ｎｉｅｒ）７ＢＡＨどし
て知られる最も菖通の型式は説電（！Ｌ格了ヌｌ；ｉ　
Ｆｌｌｔ空の壁によって画成される、実質的に一定の静
電位のイオン化領域を右づる。この領域に導入されＩこ
試料分子は、この領域を通過づるじ−ムに含、１、れる
電子との衝突によりイオン化される３、その領域内にあ
るイオン反発電極どイオン抽出電極どの間に生づ゛る弱
い静電場により、イオン抽出電極の窓を通して試料イオ
ンが該領域から抽出されＣ１その後、イオン抽出電極ど
質量分析器の間に置かれる「源スリンｌ−（ｓｏｕｒｃ
ｅ−ｓｌｉｔ）　Ｊ電極と、イオン抽出電極との間に生
ずる強ツノ／、丁静電場により、所要の運動エネルギー
にまで加速される。

このようなイオン源において、電子ビームを収束ざゼて
、試お１分子を効果的にイオン化さゼることのできる電
子の数を増し、それにより分析計の感度を１１１覆−た
めに、電子ビームの軸線に整合ブる磁場をノｊえること
が慣例である。また、１対の゛電極を含むビーム・−」
リメータにより、イオン源が発生するイオン・ビームの
拡散角度を制限づ゛ることも慣例である。代表的には、
これらの電極の一方は源スリン１へ電極であり、他方（
αスリン１へとして知られる）は源スリッＩ〜電極と質
量分析器の間に配置される。

不幸にして、このにうな分析計は質量選別効果を有し、
イの結果、分析計は買足・電荷比が箕なるイオンに対し
て異なる感度を示でことになる。

この問題は、正確な同位体比率の測定が必要な時に、殊
に重要で、永年の課題であった。例えば、ジエ−”］’
７ゲシヤル（Ｊ　、、Ｃｏｇｇｅｎｓｈａｌｌ　）のケ
ミカル・ノイジックス（Ｃｈｅｍ、Ｐｈｙｓ、）　　１
９４４　ｉＴ第１２巻、１９〜２３ページ：ジエー・シ
ェイファー（ＪＳｃｈａｃｆｆｅｒ）のグミカル・フィ
ジックス１９５０年第１８巻１６８１〜１６８２ページ
；シコルツ（Ｓｃｈｕｌｚ）、ドロスｈ　（Ｄｒｏｓｔ
）及びクロック（Ｋｌｏｔｚ）のＪクスゾ・う−り・フ
ィズ（ＥＸＤ、ＴＯＣｌｌ、　Ｐｈｙｓ）　１９６８年
第１６（１）巻１６−２２ページ；ならびに小−１ンバ
ーグ（ｌｌｏｌｏ：ｎ−ｂｅｒｇ）のレウ・サイ・イン
ス［〜ルム（Ｒｅｖ、ＳｃｉＩｎｓｔｒｕｍ）１９８０
年、第５１（８）巻１０７５〜１０８２ページ；を参照
されたい。

質量選別の問題は極く広範囲にわたって調合され、幾つ
かの異なる原因が立証されｌこ。最も手強いものの一つ
は、イオン源に対重る磁場の影響であり、それは隣接り
゛る磁気セクター質量分析器の周縁磁場か、又は電子ビ
ームを収束するためにイオン化領域に設置プられた磁場
、の何れかにＪ、る。

このような磁場は、異なるイオンをその正しい軌道から
異なるＱＪだ（プ偏向さＵるので、さム＜ｆＧ：ｊれば
伝達されたであろう幾つかのイオンがあとに置かれるス
リットにおいて失われる。ウエルプ＝（Ｗｅｒｎｃｒ）
　（ジ１−・フィズ・イーＪ、　Ｐｈｙｓ、　「１９７
４年第７（２）巻１５〜２１ページ）は、イ副ン隙磁場
の影響が他の要因に比較して小さい、と主張づるりれど
も、これは同位体比率質量分析器の場合には当てはまら
ず、ボーエンバーブ（前記参照）は、この問題を克服づ
−るｌこめに、バウアー／シグナー（Ｂａｕｒ−３ｉｇ
ｎｅｒ）イＡ＞源（ｌ場を用いない）の使用をｌｉ（奨
している。不粋にして、バウアー／ジグナーイオン源は
現在のナイヤーｒ４１．ｊイオン源はど感度が良くなく
、またどうあれ、ぞれよりも複雑であり、製造経費が高
くなる。

貿ｆｄ分析用磁石の周縁ｖＡ場による質量選別の場合、
イオン源の回りに、又はレーリ゛−衝突などにより固体
試オ′４を分析する分析−１の場合には試別表面から磁
気レフター分析器までの全体イオン光学軸ｙＡＬこそ−
）で、磁気スクリーンを置くことによ−）て、この影響
を減することができることを、数人の研究化が提案した
。例えば、メルツイノ（１１０ＦＩｓｉｎａ）、ネブエ
ヴＦ　（Ｎｃｃｈａｅｖａ）及びツイムベロフ（Ｔｓｙ
ｍｂｃｒｏｖ）のソウ、ノイズ、−ｙり、ノイズ（Ｓｏ
ｖ、　Ｐｈｙｓ、　ＴＱＣｈ　四）ｙｓ、）　１９７［
３年第２１（６１巻　７５９〜７６０ページ、ならひに
ベロウソフ（Ｂｅｌｏｕｓｏｖ）のシュルナルー７ナル
・キム（７ｈｕｒｎａｌ　Ａｎａｌ、Ｋｈｉｍ）１９８
５年第４０（６）巻９９０〜９９５ページを参照された
い。しかしこの行き方はイオン源磁石自体にｊ、って生
ずる選別を減する手段としては明らかに適用不能である
。何故ならば、イオン源磁石が発生りる磁場はイオン源
の重要イ１要索であるからである。

例えばナイレー型イオン源のＪ、うなイオン源を有する
質用分析泪であって、磁気的に収束される電子ビームに
Ｊ、リイオン介牛が行われ、イＡ″／鯨に取イ」りられ
る磁石にＪ、る質量選別の点ｃ”　Ｌｉ　１７ｉに従来
型式に比して性能向−Ｌを示Ｊ分析訓を与えることが本
発明の目的である。

この目的に従って：内部に電子ビームを発生Ｊるように
協同する電子放出源と磁石装置を設けられたイオン源ど
：前記電子ビーム及び質ｉ１Ｎ分析器の間でイオン光軸
線の回りに配線されて前記イオン源が発生づ−るイオン
・ビームの拡散角度を制限ηるＪ：うにＩＫｒ働自在の
第１おＪ、び第２の゛心棒装置ど；前記第１および第２
の電極装置の間のイオン光軸線の少なくとも一部にそつ
で１１う記磁石装首による磁場を大幅に減少η−るよう
に配設される磁場遮蔽装置と：を含むυｉ　ｆ１′！分
析ｈ１がノｊえられる。

望ましくは、第１の電極装置は、電工ビームと第２の電
極装置の間に配設され、磁場遮蔽装置は第１の電極装置
の個所、又はその近くに配設される。便宜上、第１の電
極装置は、イオン源からのイオンを加速ηるために設（
づられだ静電場の端を画成する源スリット電極を含む。

代表的には、源−スリン１へ電極は通過づるイオン・ビ
ームの断面形を画成づ−るのにも使用されることができ
る。

さらに望ましい実施例において、電子ピー１１と第１の
電極装置の間のイオン光軸線の少なくとも一部にそって
磁石装置による磁場を減するように、磁場遮蔽装置がざ
らに配設される。

このようにして、本発明は、第２の電極装置（つＪ、す
αスリット）におりる質昌１選別を大幅に減する結果を
生む。第１の電極装置（代表的には諒スリツ１へ）の近
傍に［１３いて磁場を減するよう（こ磁場遮蔽装置が配
設される時にこの達成効果は最も大きい。何故ならば、
この位置にあると、磁場にＪ：って生ずる１ｂ定のイオ
ンの軌道どイオン光軸線の間の角度変化を遮蔽装置が最
少（こし、αスリッ１〜を通過覆るには角度が犬き過さ
゛る軌道を右するイオンの、以後の損失を減するからで
ある。′電子ビームと第１の電極装置（つまり源スリン
ｈ　）の間の磁場を減するように遮蔽装置がさらに配設
される揚台には、このスリン１〜にｄ３りる質量選別も
減少されることができる。

望ましい実施例において、磁場遮蔽装置Ｃ１は強磁性材
料の中に形成された細長い通路であり、これを通ってイ
オン・ビームが質量分析器に達する。

便宜」−１これは源−スリン１゛・電極に始まり、αス
リットに向って延在し、また源−スリン１〜白イホを含
むことｂできる。

望ましい代替実施例において、磁場遮蔽具ｉ′″ノは、
イオン軸に直角な平面内に延在し、質量分析器（こ行く
イオンが通過−りる窓が設りられる、強磁１’、Ｉ　）
ｌＡ料の板状部月を含む。このづご施例にｊ３い−（、
遮蔽装置の分路効果のお陰で、磁イコ装置から顛れた）
′ｉの遮蔽装置の側Ｃ磁場が大幅に減り゛る。

このように、源の磁石装置によって生づ゛る７′ｊ吊選
別は、ｌζどえ冗仝には除去され＜ｊ−いにし−ｃ−ｂ
、大幅に減少づることができると同時に、イオン化領域
におりる磁気収束電子ビームの利点が保ノＣれる、とい
う驚くべぎ事実が判った。明らかに、遮蔽装置が電子ビ
ームに近過ぎるほどにまぐ延在１」るならば、遮蔽装置
の分路効果がそのＪ、うな収束の効果を減するであろう
が、遮蔽装置の位置は特別に重要ではなく、任意の特定
のイオン源について正しい位置を実験にＪこって容易に
発見Ｊることかできることを、本発明人は発見した。遮
蔽装置の始まりが電子ビームに近づぎると、定定な収束
電子ビームを（９るのに内勤であろうし、遠づ−ざると
、質量選別効果の減少が大ぎくならない。

イＡ−ン源のイオン抽出電極と源ス１ノット電極の間に
も磁場鴻蔽装ｆ？ｆを設りることができる。例えば必要
に応じて、画電極の間に配設される強１月判の、１個以
上の知かい部分、代表的には短かい管、の形式のもので
ある。これらの部分はこの領域に存在号−る静電場との
干渉を避けるように選ばれた、適当な電位に、便宜上、
保たれる。

補足として、又は代替として、電極自体が磁気遮蔽を５
えるようにされることもでさる。質量）パ別を生ずる磁
場は電γビームに＼Ｐ　ｉ”ｒ　（゛あるの（・、この
軸線に平行な吊込な隙１ｉｆｌを遮蔽装置に組込／Ｖで
も、その効果を著しく減殺することがない。このことか
ら、質６Ｎ拡散軸線にそってイオン・ビームを進めるた
めに従来使用されｌご「半板１　’ｉ：ｉｆ極を、必要
あれば磁気遮蔽をちえるＪ、うにすることが７号能どな
る。

望ましくは、磁場遮蔽装置は、軟鉄のよう４１残留磁気
の少ない強磁性月お１から作られる。この「ロウ・ムア
（１，ｏｗ　Ｈｏｏｒ）Ｊとして知られる型の鉄【Ｊ特
に適しでいる。

細長い磁場遮蔽装置が設【ノられる場合（Ｊ↓、磁イｊ
装首からの磁場が（遮蔽が無い時に）充分低くで著しい
効果を有しない個所で、’Ｒ量量分出用磁場もしもＣ９
けられＣいるならばンからのｙ＋ｉ　ｍ　ｃ、Ｌその磁
場の均等性を遮蔽装置がＩＱねないように充分！ｉＩＩ
れでいる個所、までイオン光軸線にそつで延イ１するこ
とが望ましい。大抵の実用分析謂ては、イオン源と分析
用磁石の間の距離を考えると、これは容易に達成される
。従来のガス分析用ナイヤー源を右づる典型的な’１２
ｃｍ又は１８　ｃｍ半径の磁気セクター分析器では、源
スリット電極から質量分析器に向って５〜６　ｃｍ位延
在づる遮蔽装置によって、源磁石による質ｍ選別が大幅
に除去される。しかし、それＪ：りずつど短かい遮蔽装
置を用いても、質ｍ選別を完全には除去しないにしても
、この利点が１ｑられることが判るであろう。

以下に添付図面を参照しつつ、例示のみにより本発明を
Ｊ：り詳細に記載Ｊる。

図を参照づ−ると、電子進入電極（２）とイオン抽出電
極（３）とにＪ：って部分的に画成されるイオン化領域
（１）に、イオン化されるべき試料導入される。電子進
入電極（２）は窓（４）を有し、加熱フィラメント（５
）によって放出される電子がその窓を通ってイオン化領
域（１）に入る。第２図に示すように配設される１対の
円筒形永久磁石を含む磁石装置（６，７）が軸方向磁場
（８）を発生し、これがイオン化領域（１）で電子をビ
ーム（３３）　（第３図）に収束する。

イオン化領域（１）に存在Ｊる試別分子の少イｆくども
成るものはビーム（３３）の電子にＪ、リイオン化され
、生じたイオンの成るものはイオン抽出電極（３）にあ
る窓（９）を通して、イオン・ビーム軸線（１０）に整
合Ｊるイオン・ビーｌ＼の形て邸（れる１、加速電圧電
源（１２）により高電位に麗持されるイオン抽Ｕ１電極
（３）ど、接地される源スリッ１〜電極（１１）（つま
り本発明の第１の電極装置）と、の間にイオン加速静電
場が与えられる。イオン加速静電場はイオン化領域（１
）にも侵入し、窓（９）を通るイオン抽出の効率を高め
る。軸線（１ｏ）にそって進行するイオン・ビームの拡
散角度（よ、源スリット電極（１１）どαスリッ１〜（
４４）　（つまり本発明の第２の電極装量）との収束作
用によって制限される。

第１図に示づにうに、電極（３）と電極（１１）の間に
１ス・１の半板電極（１３）が設（プられる。これらの
電極（１３）の平均電位は、調整自在の電源（１４）に
よって電極（３）と電極（１１）の電位の中間の値に保
たれる。この電源（１４）は、対を成１２枚の板の間の
小さな調整自在の電位差をも与える。これは、（第一　
　１４　− １図の挿入図にＪ：り明確であるように）Ｘ軸にそって
イオン・ビームを正確に導くことを可能にづる。

例えば「「１つ・七ア」鉄のような強磁性材の成形ブ（
」ツクを含む磁場遮蔽装置（１５）が図示のように源ス
リッ１〜（１１）に隣接して取イ」【プられる。これは
、イオンが磁気セクター貿耐分析器（１７）に向って進
行づるイオンが通る、イオン・ビーム軸線（１０）に整
合Ｊる細長い通路（１６）を与え、源スリット電極（１
１）どαスリッ］〜（４４）との間の、イオン軸線（１
０）に沿う磁場を大幅に減するようにされる。

選択されたｍ／ｅ比のイオンが軸線（１８）にそって質
１五分析器（１７）を離れ、コリメーター・スリッｌへ
（１９）を通過して、従来の仕方でイオン検知器（２０
）により検知される。

次に、第３図を参照覆ると、真空気密の円筒形ハウジン
グ（２７）がステンレス鋼から製作され、す１気口（２
８）が設りられる。ハウジング（２７）の両端はイオン
源１カ：イ］リフランジ（２９）と飛行チューブ据付リ
フランジ（３０）とによって閉鎖され、両者とも銅ガス
ケラ１〜（３１）によってハウジング（２７）に蜜月さ
れる。質量分析器（磁石）　（１７）　（第１図）の両
極間を通る飛行デユープ（３２）が図示の」、うに、フ
ランジ（３０）に取付けられる３、αスリッ１−電８ｊ
（４４）（第３図では図示せず）が飛行デユープ（３２
）の内側に挿入される。イオン化領１ｉ！（１）はイオ
ン化ブロック（２１）の矩形くぼみを含み、その易９の
一つが電子進入電極（２）を含む。くぼみはイオン抽出
電極（３）によって閉じられ、電極（３）は図示のよう
に窓（９）が形成されたｄ根を含む。絶縁された一ノイ
ラメント支持ブロック（２３）の中に成形され／＝　２
個のフィシメン１〜支持＋Ｊ（２２Ｎ二に加熱フィラメ
ンｈ（５）が溶接される。電子捕捉電極（２４）が同様
に絶縁ブ［１ツク（２５）に支持され、窓（４）に対向
して窓（２６）がブロック（２１）の壁に設りられて、
電子ビーム（３３）を捕捉電１へ（２４）に衝突させる
。ビーム（３３）内の電子の流れを実質的に−・定に保
′つために、電極（２４）から流れる電流ににっで決め
られる制御信号を受（）る調整器（図示しず）にＪ、す
、フィラメン＋−（５）を通る電流が制御される。

フランジ（２９）に固定される据（＝Ｊ　ｔブブラクッ
ト（３５）から出る４本のセラミック棒（３４）上でイ
オン化ブロック（２１）が支持される。デユープ状のセ
ラミック絶縁拐（３６）が図示のようにブロック（２１
）をブラケット（３５）から隔首ツるのに用いられる。

半板電極（１３）と源スリッｊ−電揉（１１）６杯（３
４）上に支持され、図示のようにブ〕−１状絶縁拐によ
って隔置される。捧（３４）に切り込まれたみそにはま
るリークリップ（３７）はイオン源総組立を固定するの
に用いられる。イオン源電極への電気接続は、図示のＪ
：うにフランジ（２つ）を通して据付【プられた給電１
．１（４１）を通して行なわれる。

イオン反発電極（３８）は、絶縁された給電組立体（３
９）によって、イオン化ブロック（２１）とイオン化領
域（１）の中に据付けられる。この電極はイオン化ブロ
ック（２１）の電位に近い調整自在の電位に保たれ、従
来のナイヤー源のように領域（１）内の抽出電場を変え
るのに用いられる。

ハウジング（２７）に導入された試料ガスをイオン化領
域（１）に入らせるために、ブロック（２１）の壁に２
個の孔（４０）がｉＵ　Ｌ−Ｊられる。

ブ１］ツタ（２１）の外部に取イ」りられたクランプに
据付けられた２個の円筒形永久磁石を含む磁石装置（６
，７）によって、電子ビーム（３３）の磁気収束が得ら
れる。これらは第２図に示−り極１／１をもつ−Ｃ配設
され、電子ビーム（３３）に実質的に整合りる磁場（第
１図及び第２図）を与える。

第３図に示づＪ：うに、源スリブ１〜電極（１１）と飛
行デユープ（３２）の間に、強磁性材から成る磁場遮蔽
装置（１５）が配設され、イオンが飛行デユープ（３２
）に進入づる時に通過する細長い通路（１Ｇ）を含む、
軟鉄製のほぼ円筒形の棒を含む３．電４１！＋（１１）
から遠い力の遮蔽装置の端は、第３図に示１Ｊ、うに飛
行デユープ（３２）に１Φ入される形状を右し、接地さ
れた電極（１１）にかかる軽い圧力にＪ、って遮蔽装置
が所定位置に保たれる。遮蔽装置（１５）はｔＲ極（１
１）及び飛行ブニ７−ブ（３２）に接触することにより
アース電位に保たれる。

電極（３）と電極（１１）の間に追加の（又（ま代替の
）遮蔽が設りられる場合は、これは両電極間に配設され
る棒（３４）の上に据イ］りられる、例えば強磁性材の
遮蔽部分を含むことができる。代表的には強磁性材のリ
ングであるこれらの部分は、例えば第１図の（４２）に
示づように、必要あれば、電極自体と組合せることもで
きる。明らかに、この領域におりる遮′＃？Ｉ装置は、
電極（３）と電極（１１）の間に存在りる静電場内のそ
の位置に適当した電位に保たれな（プればならない。

磁場遮蔽装置が板状部材をＣむ、本発明による分析計の
場合、これは便宜上、捧（３４）上の適当な位置に強磁
性材の遮蔽板を挿入するか、又は電極の−・つを少なく
とも電子軸線の方向に延在ざけることにより設（ソられ
る。例えば、源スリツＩ〜電極（１１）は約１〜２　ｍ
ｍ厚の強磁性材の板状部材で°あり、第３図の（４３）
に示−１−Ｊ：うに延在させることもできる。しかし、
望ましくは、イオンが通過りる窓は、電極自体にあるに
り大きな穴の上に点溶接した薄板に形成されるべきであ
る。このような構成は質量分析ｈ１に用いる薄いレンズ
電極を製作するのに、よく用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による質量分析器の略図、第２図は第１
図の分析器の、”ＩＮ　％６１１１線にぞ−）で見ｌこ
イオン源の略図、 第３図は第１図の分析器に使用りるのに適しＩ、：イオ
ン源の断面図である。 １・・・イオン源（イオン化領域） ５・・・電子放出源 ６．７・・・磁石装置 １０・・・イオン光軸線 １１・・・第１の電極 １５・・・磁場遮蔽装置 １６・・・通路 １７・・・質量分析器 ３３・・・電子ビーム ４４・・・第２０′？Ｊ３極 手続補正書 平成１年　４月Ｌｆ口 ＨｌＩＹＦ庁長官　　殿 １　事イ１の表示 平成１年特許Ｍ第３８１２０号 ２　発明の名称 質■分析用 ３　補正をする者 事件どの関係　　　特許出願人 名　称　　ブイ・ジー・インストウルメンツ・グループ
′・リミテッド ４代理人 住　所　　東京都千代［１１区永田町１丁目１１番２８
号明細ｕ１のタイプ浄出、願書面中特１１）［出願人の
代人名の欄、委任状及び正式図面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ａ　内部に電子ビームを発生するように協働自在で
   ある電子放出源と磁石装置とを備え るイオン源、 ｂ　質量分析器、 ｃ　前記電子ビームと前記質量分析器の間でイオン光軸
   線の回りに配設され、前記イオ ン源により発生したイオン・ビームの拡散 角度を制限するように協同する第１および 第２の電極装置、 ｄ　該第１および第２の電極装置の間で、前記イオン光
   軸線の少なくとも一部分にそう 前記磁石装置による磁場を大幅に減衰させ るように配設される磁場遮蔽装置、 を含む質量分析計。 ２　前記第１の電極装置が前記電子ビームと前記第２の
   電極装置との間に配設され、前記磁場遮蔽装置が前記第
   １の電極装置の個所又はその近くに配設される、請求項
   １記載の質量分析計。 ３　前記第１の電極装置が前記電子ビームと前記第２の
   電極装置との間に配設され、前記磁場遮蔽装置がさらに
   前記電子ビームと前記第１の電極装置との間に、前記イ
   オン光軸線の少なくとも一部分にそう前記磁石装置によ
   る磁場を減衰させるように配設される、請求項１又は２
   記載の質量分析計。 ４　前記磁場遮蔽装置が、強磁性材に形成されて前記イ
   オン・ビームが通過する細長い通路を含む、請求項１な
   いし３の任意の項記載の質量分析計。 ５　前記第１の電極装置が前記イオン源からのイオンを
   加速するために設けられた静電場の端を画成し、前記強
   磁性材が前記第１の電極装置に始まり、前記第２の電極
   装置に向って延在する、請求項４記載の質量分析計。 ６　前記磁場遮蔽装置が板状部材を備え、該板状部材が
   前記イオン光軸線に垂直な平面内に延在して、前記質量
   分析器に進むイオンが通過する窓を有する請求項１ない
   し３の任意の項記載の質量分析計。 ７　選択された大きさの安定したイオン化電子ビーム電
   流がそこを超えては延在し得ない個所まで、前記電子ビ
   ームに向って前記磁場遮蔽装置が延在する、請求項１な
   いし６の任意の項記載の質量分析計。 ８　前記イオン源からのイオンを加速させるために設け
   られた静電場の端を前記第１の電極装置が画成し、選択
   された電位に保たれて前記静電場の領域において前記磁
   石装置による磁場を減衰するように配設される強磁性材
   の１個以上の部分を前記磁場遮蔽装置が含む、請求項１
   ないし７の任意の項記載の質量分析計。 ９　前記部分の少くとも或るものが前記イオン・ビーム
   を集中し、又は偏向することのできる電極を含む、請求
   項８記載の質量分析計。 １０　前記磁場遮蔽装置が残留磁気の少ない強磁性材か
   ら製作される、請求項１ないし９の任意の項記載の質量
   分析計。