JPH02270256A - 同時検出型質量分析装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＭａｔｔａｕＣｈ−１１ｅｒＺＯｇ型質量分
析装置などの同時検出型質量分析装置に関し、特にイオ
ン検出器としてチャンネルプレートなどの電気検出型検
出器を用いる場合に好適な同時検出型質量分析装置に関
するものである。

［従来技術］ 質量分析装置は、磁場掃引などにより質量スペクトルを
得る掃引型と、掃引を行わず質量スペクトルを例えば写
真乾板などに記録する同時検出型とに大別される。検出
器に入射しているイオンと異なる質量のイオンを全て捨
てるためイオン源で生成されたイオンの利用効率が低い
掃引型に比べ、全てのイオンを同時に検出する同時検出
型の方がイオンの利用効率が高く、原理的には高感度で
ある。しかしながら、従来同時検出型で検出器として主
に使用されている写真乾板は掃引型で使用されている二
次電子増倍管に比べ感度が極端に低く、掃引型よりも高
い感度を実現することが困難であった。

ところで、近時、飛来するイオンの位置と強度を大面積
にわたって検出することのできるチャンネルプレートを
用いた高感度の２次元イオン検出器が開発されてきてい
る。これを同時検出型質量分析装置のスペクトル結像面
に配置して広範囲の質量スペクトルを同時検出すれば、
感度を飛躍的に高めることが可能である。　− 一方、広い質量範囲にわたって高分解能を得るためには
、スペクトル結像面上全ての位置で二重収束が成立して
いなければならない。掃引型の二重収束質量分析装置で
は、方向収束面とエネルギー収束面が完全に一致せず、
交差しているので、二重収束は唯−点でのみ成立し、他
の位置では成立しない。

方向収束面とエネルギー収束面が同一直線状に完全に重
なるように工夫された装置として、第４図に示すような
Ｍａｔｔａｕｃｈ−１１ｃｒｚｏｇ型質量分析装置があ
る。第４図において、１はイオン源、２は扇形電場、３
は一様扇形磁場、４は写真乾板などの２次元イオン検出
器である。

この質量分析装置においては、方向収束条件として、扇
形電場２の焦点にイオン源１を配置し、電場と磁場の間
のイオンビームを平行とする。すると、エネルギー収束
条件は電場と磁場の偏向角φｅ、φｍの比を調節するこ
とによって得られるため、イオンの磁場軌道半径に無関
係に二重収束が成立するのである。二重収束面（結像面
）は、磁場へのイオン入射面を通る直線上にあり、この
面上に写真乾板４を配置すれば、全ての質量（軌道半径
）について鮮明な結像状態の質量スペクトルが得られる
。

Ｍａｔｔａｕｃｈ氏とｌｌｅｒｚｏｇ氏が提案した装置
は次表の２種類であった。

表　　　１ （ａ）　　（ｂ） ε１０°　　１９．４７０ φｍ　　９０°　１０９．４７゜ φｅ　　３１．８°　６３．６５　’ Ｌ、　　０．７０７ｒ、　　Ｏ Ｌ、００ 表１において、ε１は磁場へのイオンビームの入射角、
Ｌｌはイオン源ソーススリットと電場との間隔、ｒ、は
電場内におけるイオン中心軌道半径、Ｌ３は磁場端面と
スペクトル結像面との間隔である。

この内（ａ）の装置が実際に製作され、一般にＭａｔｔ
ａｕｃｈ−１１ｅｒｚｏｇ型質量分析装置と言えばこの
光学系を指す。

（ｂ）の装置は、イオンビームが乾板に入射する角度を
できるだけ直角に近付けるように（その方がスペクトル
線が鮮明になると考えられた）、可能な限りφ、を大き
くしたもので、乾板入射角が（ａ）の４５″に比べて５
４．７３　”まで増大している。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したＭａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇ型質量分析装
置では、Ｌ、−０の条件から分かるように、スペクトル
結像面が磁場出射端面にできる。磁場出射端面ては磁場
強度が極めて大きく、磁場による影響を受けない写真乾
板を検出器として使用する時は問題ないが、磁場による
影響を大きく受けるチャンネルプレートを使用する場合
には、ゲインが大幅に低下してしまい、実用上人きな問
題となる。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、スペ
クトル結像面を磁場出射端面から自由空間側へ大きく離
し、２次元イオン検出器を磁場強度の小さな位置に配置
できるようにすることにより、チャンネルプレートなど
を使用し磁場による影響を大きく受ける検出器をゲイン
の低下なく採用することのできる同時検出型質量分析装
置を実現することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため、本発明の同時検出型質量分析
装置は、イオン源と、該イオン源から発生した被分析イ
オンが入射する扇形電場と、該扇形電場を通過したイオ
ンが入射し該イオンを質量電荷比に応じて展開する一様
磁場と、該一様磁場によるイオンの展開結像面に沿って
配置される２次元イオン検出器とを倫えた同時検出型質
量分析装置において、前記扇形電場と一様磁場の間のイ
オン通路上に静電四極子レンズを配置することによりイ
オンの展開結像面を磁場出射端面から離間させたことを
特徴としている。

Ｃ作用コ 本発明においては、電場と磁場の間に静電４極子レンズ
を配置し、この静電４極子レンズに軌道面に対し発散作
用を持たせ、それと垂直な方向に対し収束作用を持たせ
たため、イオンの展開結像面を磁場出射端面から離間さ
せることができると共に、垂直方向の収束性も改善され
る。

［実施例コ 以下、図面に基づき本発明を詳説する。

Ｍａｔｔａｕｃｈ氏とＨｅｒｚｏｇ氏が提案した前記（
ａ）。

（ｂ）の光学系は、端縁基の影響を無視して計算された
もので、この影響を考慮すると、磁場や電場の間隙に応
じて多少の修正をしなければならない。この様に端縁基
による影響を考慮した修正を施したイオン光学系パラメ
ータの数値及び−次。

二次の諸係数を表２Ａ、表２Ｂに示す。

（以　下　余　白） 表　　　２　　　Ａ （ａ）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（ｃ）φ、　　
　　　３１．４９’　　　　　←　　　　　　←φ　　
　　　９０”、４− ｒ　、　　　　　　　１．０　　　　　　　　←　　　
　　　　←ｒ　ｓ　　　　　　　１．０　　　　　　０
．５　　　　　　　０．２５ε１　　　　０６　　　　
　　　←　　　　　　　←ε２　　　−４５°　　　　
　　　　、　　　　　　　。

Ｌ、　　　　　　０．７５８　　　　　−　　　　　　
　−Ｌ、　　　　　　　Ｏ４０←　　　　　　　←Ｌ　
ｉ　　　　　　−０，００５−０，００９−０，０１８
Ａ　ｘ　　　　　　−０，９５６−０，４７８−０，２
３９Ａ、　　　　　　０．５　　　　　　０．２５　　
　　　　０．１２５Ａ、　　　　　　１．（１２８１，
０４２１０１５Ａ　ｓ　　　　　　３．２３１　　　　
　２．４３８　　　　　１．９８９Ａ、、　　　　　　
１，１７８　　　　−０．２３２　　　　　−１．７５
７Ａ、、　　　　　　２．４８５　　　　　１．９７７
　　　　　　２．１９２Ａａａ　　　　　−０，２８７
−０，２８７−０Ｊ５４Ａ□　　　　−１，２４２−３
，０３６−８，７８６Ａ　、ｓ　　　　　−７，８４７
−１４，４１８−３４，８７８Ａａｓ　　　　−１２，
３５（７，０９２−３４，５８６Ｇ、　　　　　　１．
０３　　　　　１．０７　　　　　　１．１３Ｇｓ　　
　　　　３．２５　　　　　２．５２　　　　　　２．
２３Ａ、　／Ａｘ　　０．５２３ 表　　　２Ｂ （ａ）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（ｃ）φ、　　
　　　　５８．７’　　　　　　　←　　　　　　　←
φ、　　　　　１０９．４７”　　　　　　←　　　　
　　　←ｒｅ　　　　　　　１．０　　　　　　　　　
←　　　　　　　　←ｒ　＝　　　　　　１．０　　　
　　　０．５　　　　　　０．２５εｏ　　　　　　１
９．４７　　＠　　　　　Ｔｈ　　　　　　　　。

ε２　　　　−８５．２７　　”　　　　　　←　　　
　　　　　０Ｌ　＋　　　　　　０．１３５　　　　　
　←　　　　　　　←Ｌ２０．３２　　　　　　　←　
　　　　　　←Ｌ　）　　　　　−０，００２−０，０
０５−０，００９Ａｘ　　　　　−１，３０４−０，６
５２−０，３２８Ａ、　　　　　０．８８７　　　　　
Ｇ、３３３　　　　０．１６７Ａ、　　　　　０Ｊ７７
　　　　０．４２９　　　　　Ｇ、５２６Ａｓ　　　　
　２．４５０　　　　１．５８４　　　　１．２１２Ａ
、、　　　　　０．６１８　　　−０．１３２　　　　
−０．９４８Ａ、ａ　　　　　１．９４５　　　　２．
０２１　　　　２．８２８Ａａ−−１，２３５−１，１
９８−１’、５１４Ａ　、、　　　　−０，１７０−０
，４２０−１，３１６Ａ　、ｓ　　　　−ＩＪ５１　　
　−２Ｊ８７　　　　−５．７０８Ａ□　　　−４，８
０３−４，２１４−８，４８ＪＩＧ、　　　　　１．０
　　　　　１．０　　　　　　１．ＯＧｓ　　　　　２
．４６　　　　１．５ｇ　　　　　　１．４５Ａｆ／Ａ
ｘ　　Ｏ，５１２ 表２において、ｒ、は磁場に於けるイオンの中心軌道半
径、Ａｘは像倍率、Ａ、は質量分散係数、Ａ、、Ａ、は
軌道面に垂直なｙ方向のビームの拡がりを示す係数、Ａ
　ｌｌ＃＋　Ａ　ｍａｒ　Ａ　ｍａｒ　Ａ　ＦＦＩ　Ａ
　ＦｊｒＡ□は二次収差係数、Ｇ、、Ｇ、は磁極間隙内
の最大係数の数値である。Ａ、は大きい程よいが、他の
諸係数は零に近い程よい。Ｇ、が小さいと軌道面に垂直
な方向のビームサイズが小さくなり、磁極間隙を通過す
るイオンビームの透過率が向上する。

この明細書における軌道計算はすべて「質量分析」誌上
に発表したパソコンプログラムで行われている。又、電
場電極間隙と磁極間隙は、それぞれ０．０８　ｒ　ｅ　
、０．０４　ｒ　＊と仮定しである。

表１の（ａ）の光学系では、結像位置をφ、−９０°よ
りも大きい偏向角の位置にスペクトル結像位置を移動さ
せるために磁場にプラスの入射角（１９，４７°）を与
えたのである。この場合、入射角はそのままにしてφ、
−９０”になるように磁場境界を設定したとすると（第
４図参照）、磁場出口ではイオンビームは未だ収束して
いないので、スペクトル結像面は磁場端面から離れ自由
空間にまでのびることになる。

Ｍａｔｔａｕｃｈ氏とＨｅｒｚｏｇ氏の計算では、表１
（ｂ）の場合、εｒ　−１９，４７＠の時二重収束条件
を満たす最大値φ、　−６３，８５’　、　　φｌ１ｌ
−１０９．４７°でＬｌ−〇となり、これ以上ε１を大
きくすることは出来なかった。

しかし、端縁基の影響を考慮すると、ε１−１９．４７
　’　、　　φ、−１０９．４７°に対応するφ、は、
表２Ｂに示すように５６．７”であり、その時のＬｌは
０゜１３５となる。従って、Ｌｌ　　（磁場出射面から
スペクトル結像面までの距離）を出来るだけ長くするた
め、Ｅ、の値をＭａｔｔａｕｃｈ氏とｏｅｒｚｏｇ氏の
設定した１９．４７°よりも大きくすることが可能であ
る。

この様な考え方に基づいて計算した結果を表３に示す。

（以　下　余　白） 表　　　　３ （ａ）　　（ｂ）　　（ｃ） φ、６３ａ　　←　← φ、９０°　←　← ｒ＊　　１．０　　←　← ｒ、　　１．０　０．５　０．２５ ε、　２３．７３　　←　← ε２−４５°　←　← Ｌ、　　０．０２３　←　← Ｌ、　　０．３２　　←　← Ｌａ　　Ｏ，３０１０，１４４−０，０５８Ａｘ　−０
，９８０−０，４９０−０，２４５Ａ、　　０．５　０
．２５　０．１２５Ａ、　　０．３５４０．４３８　０
．５９５Ａａ　　２．８９６１．８２７　１．４３３Ａ
、、　０．１３０１０．２２６−０．０９ＯＡ、４０．
８２Ｇ　０．６７３　０．８６９Ａａａ　−０，８７７
−０，５２８−０，５９３Ａ、、　−０，２３３−０，
５８１−１，８３７Ａ□−１，５９１−２，９２４−７
，３９１Ａ□−３，７２８−４，１３９−７，６０８Ｇ
、　　１．０　１．０　１．０ Ｇｓ　　２．０９　１．４４　１．４４Ａ、／Ａｘ　０
．５１０ 表３から分かるように、ε＋　””２３．７３　’　、
　φ。

−６３”となっている。第４図の光学系はこの表３のデ
イメンジョンに基づくものである。

本発明者は、このような考え方を更に発展させ、電場と
磁場の中間にＱレンズを挿入すると、ε１を更に増大さ
せ、Ｌ、を更に長くしてスペクトル結像面を磁場端面か
ら更に離れた位置に配置させることができ、しかも、同
時に垂直方向の収束性も高め所謂立体収束の作用を高め
ることができることを見出した。

第１図は本発明の一実施例を示すイオン光学図である。

第４図と異なるのは、扇形電場２と一様磁場３との間に
静電四極子レンズ５が配置されている点である。第２図
はこの静電四極子レンズの断面構造及びこれに電位を与
えるための電気回路の構成例を示す図である。静電四極
子レンズ５は、イオンの進行方向に垂直な断面を取ると
、第２図に示すようにイオン通路の周りに９０°間隔で
配置された４本の円筒電極から構成され、イオンビーム
の軌道平面に垂直な方向（Ｘ方向）の対向する電極には
正電位が印加され、イオンビームの動径方向（Ｘ方向）
の対向する電極には負電位が印加される。ただし、これ
は取り扱うイオンが正イオンの場合であって、負イオン
の場合には極性を反転させて用いる。

このような電位の印加により、四極子レンズ５は、Ｘ方
向に収束作用が与えられ、Ｘ方向に発散作用が与えられ
る。

また、四極子レンズ５を通過した後磁場に入射するイオ
ンビームが平行ビームになるようにすると、二重収束条
件はｒ、に無関係に、φ１．φ、。

ε１により定まるので、二重収束面即ちスペクトル結像
面が磁場入射面を通る直線となる。このように、四極子
レンズ通過後のイオンビームを平行にするには、レンズ
の強さかり、の長さを調節すれば良い。

以上のような考察に基づき、二次収差係数も小さくなる
ように考慮して設計したイオン光学系の一例を表４に示
す。

表　　　　４ （ａ）　　（ｂ）　　（ｃ） φ、７０°　←　← φ、９０°　←　に ｒ、　　１．０　　←　← ｒ、、、　　１．０　０．５　０．２５ε、　３８．１
１　　←　← ε２−４５’　　←　← ＱＬＯ，１２←　← ＱＫ　−１，５←　← Ｌ、　　０．０３１　　←　← Ｌ２１０．０５　　←　← Ｌ２□０．１５　　←　← Ｌ］　　０．４３５０．２１１　０．０９２Ａ、　−０
，８３１−０，４１５−０，２０８Ａ、　　０．５　０
．２５　０．１２５Ａ、　−１，２２１−０，７０３−
０，１７７Ａ、　　０．９Ｂ４０．３５４　０．４４Ｏ
Ａ□０．９２９０．７９４　０．９５６Ａ、ａ　−０Ｊ
１５−１．００６−１．８９ＯＡ、、　０．０８２０．
５８８　１．１５９Ａ、、　−０，２９８−０，２８２
−０，４６３Ａ、、　０．３８４−０．２８１−１．６
７５Ａ□−０，３７９−０，７３７−２，２１１Ｇ、　
　０．９４　０．９４　０．９４Ｇ、　　１．５０　１
．５０　１．５ＯＡ、／Ａｘ　Ｏ，６０２ 表４において、Ｌ２１は電場出射端と四極子レンズ入射
端との距離、Ｌ２□は四極子レンズ出射端と磁場入射端
との距離、ＱＬは四極子レンズの長さ、ＱＫは四極子レ
ンズの強度を夫々示す。尚、Ｑｘはイオン加速電圧でノ
ーマライズされている。

この表４を表３の場合と比較すると、Ｌ、が大きくなっ
てスペクトル結像面が磁場端面からより離れていること
が分かる。また、Ａ、％Ｇ、の多くのものがより小さく
なり、全ての点で特性が良くなっていることが分かる。

第３図は本発明の他の実施例を示すイオン光学図である
。本実施例においては、イオン源１と電場２との間にも
静電四極子レンズ６が挿入されている。表５はこの様な
配置のイオン光学系の一例を示している。

（以　下　余　白） 表　　　　５ （ａ）　　（ｂ）　　（ｃ） φ、　５８’　　←　← φ、９０°　←　← ｒ＊　　１．０　　←　← ｒ、　　１．０　０．５　０．２５ ε、　３５　−　− ε２−４５°　←　← Ｑｔ　　Ｏ，１２←　← Ｑに、　−１，５←　← Ｑに２−１．５　　←　← Ｌ＋＋　０．０８９　　←　← Ｌ１□０．０５　　←　← Ｌ２＋　０．０５　　←　← Ｌ２□０．１５　　←　← Ｌ３　０．４０７０．１９７　０．０８５Ａｘ−０，７
８７−０，３９３−０，１９７Ａ、　　０．５　　Ｇ、
２５　０．１２５Ａ″、−１゜３６７−０．６９０−０
．２１１Ａ、　　１．１８２　Ｇ、５９１　０．８１Ｏ
Ａ、、　１．０８Ｂ　０．８１１　０．８３４Ａ、ａ　
０Ｊ３２−０．３１１−０．９０１Ａ、、　−０，１４
６０，１４１０，３９７Ａｙｙ　−０，４１５−０，２
４１−０，１７ＢＡ□０．６７１−０．１８２−０．８
７７Ａ□−０，５８６−０，９６５−２，６０８Ｇ、　
　０．７２　　Ｇ、５８　０．５７Ｇｓ　　１．４８　
１．４Ｂ　　１．４６Ａ＝／Ａｘ　０．８３５ 表５において、Ｌｌｌはソーススリットと四極子レンズ
６入射端との距離、ＬＩ□は四極子レンズ６出射端と電
場入射端との距離、Ｑ　Ｋｌｌ　Ｑ　Ｋ２は四極子レン
ズ６．５の強度を夫々示す。

表５を表４と比較すれば分かるように、ｙ方向の収束性
を表わすＡ、、Ａ、、Ａ、、、Ａ□、Ａ１゜Ｇ、、Ｇ、
等の諸係数の多くが表５において改善されており、特に
磁場回転半径が小さいほど顕著である。以上のことから
、電場の入り口側に四極子レンズを追加することにより
、立体収束性が更に向上していると判断できる。

また、電場の入り口側に四極子レンズを追加することに
よりＡｘが小さくなるため、同一分解能の場合、ソース
スリットの幅を大きくすることができ、感度の向上を図
ることができる。

更に、本実施例の様に２個の四極子レンズを用いること
により、四極子レンズ６によりエネルギー収束、四極子
レンズ５により方向収束と、エネルギー収束と方向収束
の両方を電気的に独立に調節することが可能となり、実
用上極めて有利である。

［効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、電場と磁場の間に
四極子レンズを配置することにより、スペクトル結像面
を磁場端面から大きく離間させることができるため、チ
ャンネルプレートなど磁場による影響を受けやすい２次
元イオン検出器を使用してもゲイン低下等の悪影響を最
少限に押さえつつイオンを検出することが可能となる。

また、イオン源と電場との間にも四極子レンズを配置す
ることにより、立体収束性が更に向上し、しかも、エネ
ルギー収束と方向収束を電気的に独立に調節することの
できる質量分析装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図はそれぞれ本発明の一実施例を示すイ
オン光学図、第２図は静電四極子レンズの断面及びそれ
に電位を印加するための電気回路の一例を示す図、第４
図はＭａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇ型質量分析装置を
説明するための図である。 １：イオン源　　　２：扇形電場 ３ニー様磁場　　　４：２次元イオン検出器５．６＝静
電四極子レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン源と、該イオン源から発生した被分析イオ
   ンが入射する扇形電場と、該扇形電場を通過したイオン
   が入射し該イオンを質量電荷比に応じて展開する一様磁
   場と、該一様磁場によるイオンの展開結像面に沿って配
   置される２次元イオン検出器とを備えた同時検出型質量
   分析装置において、前記扇形電場と一様磁場の間のイオ
   ン通路上に静電四極子レンズを配置することによりイオ
   ンの展開結像面を磁場出射端面から離間させたことを特
   徴とする同時検出型質量分析装置。
2. （２）前記電場とイオン源との間のイオン通路上に静電
   四極子レンズを配置するようにしたことを特徴とする請
   求項１記載の同時検出型質量分析装置。