JPH02304854A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は質量分析装置に関し、特に２次元イオン検出器
を備えて同時検出を行う磁場型質量分析装置に関するも
のである。

［従来技術］ 質量分散用磁場を有する磁場型質量分析装置は、単一の
イオン検出器を使用し磁場掃引によって質量スペクトル
を得る掃引型と、空間分解能を有する２次元イオン検出
器を使用し、磁場によって質量に応じて展開された被分
析イオンを別個に同時検出する同時検出型とに大別され
る。

従来、掃引型質量分析装置が開発の主流であったが、イ
オン検出器へ到達しているイオン以外のイオンは捨てら
れる掃引型に比べ、被分析イオンを全て同時に検出する
同時検出型の方が、原理的に感度の面で優れている。こ
れまでは、２次元イオン検出器として、感度の低い写真
乾板程度しか存在しなかったため、同時検出型質量分析
装置は余り普及していなかった。ところが、高度な半導
体製作技術を駆使した最近の２次元イオン検出器の分解
能及び感度面の性能向上により、もともと優れた素質を
持つ同時検出型質量分析装置が注目を集めており、最近
では、色々な質量分析装置に２次元イオン検出器を組み
合わせて同時検出を行うことが試みられている。

［発明が解決しようとする課題］ 通常、２次元イオン検出器の検出面は平面である。一方
、同時検出型質量分析装置において、被分析イオンが質
量に応じて展開されるスペクトル展開面は、特殊なイオ
ン光学系（例えばＭａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇ型な
ど）を除き曲面である。第４図は磁場を含む質量分析系
１と２次元イオン検出器２とスペクトル展開面３との関
係を示している。図から分かるように、スペクトル展開
面３と検出器の検出面４が一致している質ｆ１ｍ２のイ
オンの場合には、２次元検出器を構成する１つの検出素
子にシャープにフォーカスされているが、スペクトル展
開面３と検出器の検出面４が一致していない質Ｑｍ１．
ｍ３のイオンの場合には、デフォーカスの状態で検出面
に各イオンが入射する。このような場合、検出器２の端
部では分解能が劣化するため、中央の狭い部分のスペク
トルしか測定することが出来ず、測定質量範囲が狭くな
ることは避けられなかフた。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、２
次元イオン検出器を用いて同時検出を行う磁場型質量分
析装置の測定質量範囲を広く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、本発明の磁場型質量分析装置
は、磁場によって質量に応じて展開収束された被分析イ
オンをその収束展開面に沿って配置された２次元イオン
検出器によって同時検出するようにした磁場型質量分析
装置において、前記磁場と２次元イオン検出器との間の
イオン通路上に８重極以上の多重極基を発生する静電又
は磁界型レンズを配置したことを特徴としている。

［作用コ 今、第５図に示すように、光軸２を中心とする同一円周
上に８本の電極Ｐ１〜Ｐ８を等間隔で光軸に平行に配置
した８極静電レンズＬの内部に形成される８電極場を考
える。

この８電極場において、光軸に垂直な面（Ｘ　−ｙ平面
）上の任意な点（ｘ、　　ｙ）に於けるポテンシャルＶ
ｓ　　（Ｘ、ｙ）は、次式で表わされる。

Ｖａ　　（ｘ、ｙ）−ｇ　（ｘ’　−０ｘ２ｙ２＋ｙ’
　）・・・（１） （１）式において、ｇは電極に印加した電位に比例した
係数である。

質量分析装置ではｙ−ｏの軌道平面内を取扱うので、軌
道平面内（ｙ−０）では、 Ｖ、（ｘ）−ｇｘ’　　　　　　　　　・・・（２）と
なる。（２）式で表わされる軌道平面内で、荷電粒子は
８電極場から下式で表わされる力Ｆ　（ｘ）を受ける。

Ｆ　（ｘ）＝−ｅ　（ｄＶｓ　　（ｘ）／ｄｘ）＝−４
ｇｘ’　　　　　　　　　・・・（３）ここで、ｅは粒
子の持つ電荷である。今、Ｘ　−０を中心とするビーム
に対するレンズ効果を考えると、レンズ効果は、力Ｆ　
（ｘ）の位置による変化率に比例する。したがって、Ｘ
””Ｘｏ近傍のレンズ効果は、 ｄＦ　（Ｘ）／ｄｘ　１ｘ−ｘｏ−１２ｇｘ０２−　（
４）で表わされる。（４）式より、レンズ効果の強さは
、中心軸からの距離の２乗に比例することが分かる。第
６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、（４）式に基づくレン
ズ効果の様子をｇの強さに応じて表わした図である。ｇ
−０即ちレンズ無しと等価の状態で第６図（ｂ）に示す
様に検出面平面３上に収束していた３本のイオンビーム
Ｉ。、１１゜Ｉ２は、８極静電レンズＬにより、ｇ＜０
．ｇ＞０では第６図（ａ）、（Ｃ）にそれぞれ示すよう
に二次曲線（曲面）４に沿って収束するようになる。

従って、例えば、第７図（ａ）に示すように８極静電レ
ンズＬが無い状態で第６図（ｃ）と同様な二次曲線４に
沿って収束するようになっていた場合、第７図（ｂ）に
示すように８極静電レンズＬを配置し、第４図（ａ）の
ような作用を示すようにレンズをｇ＜Ｑに付勢すれば、
３本のイオンビームは平面である検出面３上に収束する
ように補正される。

同様に、１０極静電レンズ及び１２極静電レンズの場合
は、光軸に垂直な面（ｘ−ｙ平面）上の任意な点（ｘ、
ｙ）に於けるポテンシャルＶ１゜（ｘ、ｙ）＋　ＶＩ２
（Ｘ、ｙ）は、次式で表わされる。

Ｖ＋ｏ（Ｘ、Ｖ） −ｇ　（ｘ５−１０ｘ３ｙ２＋　５ｘｙ’　）−（１°
）Ｖ１２（Ｘ、　　ｙ） −ｇ　（ｘ６−１５ｘ’　ｙ２＋１５ｘ２ｙ’　−ｙ’
　）・・・（１”） 従って、軌道平面内（ｙ−０）では、 Ｖ＋ｏ　（ｘ）−ｇｘ５　　　　　　　　　　　・・−
（２’）Ｖ１２　（Ｘ）−ｇｘ６　　　　　　　　　　
　、、、（２”）となる。（２’）、　　（２”）式で
表わされる軌道平面内で、荷電粒子は１０．１２重電極
から下式で表わされる力Ｆ＋ｏ　（Ｘ）＋　　Ｆ１２　
（Ｘ）を受ける。

Ｆ＋ｏ　（ｘ）＝　　ｅ　（ｄＶ＋ｏ　（ｘ）／ｄｘ）
＝−５ｇｘ’　　　　　　　　　・・・（３°）Ｆ、□
（ｘ）＝−ｅ　（ｄＶ１□（ｘ）／ｄｘ）＝−８ｇｘ５
　　　　　　　　・・・（３”）従って、Ｘ＝Ｘ、近傍
のレンズ効果は、ｄＦ＋ｏ　（Ｘ）／ｄｘ　１ｘ−ｘｏ
−２０ｇｘｏ　３−　（４’）ｄＦ＋ｚ　（ｘ）／ｄｘ
　ｌｘ−ｘｏ−−３０ｇｘ。’・・・（４”）で表わさ
れる。

（４゛）式より、１０極静電レンズに於けるレンズ効果
の強さは、中心軸からの距離の３乗に比例することが分
かる。従って、１０極静電レンズを用いた場合、スペク
トル展開面の歪みが３次関数である場合についてその歪
みを補正することができる。

一方（４”）式より、１２極静電レンズに於けるレンズ
効果の強さは中心軸からの距離の４乗に比例することが
分り、１２極静電レンズを用いた場合、スペクトル展開
面の歪みが４次関数である場合についてその歪みを補正
することができる。

尚、上記は静電型レンズについての検討であるが、磁界
型レンズによって発生される多重極基についても全く同
様で、同様の補正を磁界型多重極レンズで行うことがで
きる。

［実施例］ 第１図はこのような基本思想に基づく本発明の一実施例
の構成を示す。第１図において、イオン源１１から発生
した被分析イオンＩは、例えば特公昭５７−３１２６１
号公報に開示されているような円筒電場１２，４極静電
レンズ１３．扇形磁場１４を組み合わせた二重収束質量
分析系１５へ導入され、質量に応じてスペクトルとして
展開される。２次元イオン検出器１６はそのスペクトル
展開面に沿うように配置される。扇形磁場１４と２次元
イオン検出器１６との間のイオン通路上には、８電極場
を発生する８極静電レンズ１７が配置される。１８はレ
ンズ電源である。

第２図はイオン通路に直交する方向の８極静電レンズ１
７の断面図である。レンズは、第４図と同様に同一円周
上に等間隔に配置される８本の電極Ｐ１〜Ｐ８から構成
され、各電極には電源１８から＋Ｖ、　−Ｖの電圧が交
互に印加される。電源１８は、出力電圧の極性を切換ス
イッチ１９により反転させることができると共に、その
絶対値も変化させることができる。

上記構成において、レンズ１７無し−７：はＮ７図（ａ
）と同様なスペクトル展開面の歪みが発生している場合
でも、電源１８を調節することにより８極静電レンズ１
７が発生する８電極場のｇの値を適宜設定することによ
り、第７図（ｂ）に示すようにスペクトル展開面の歪み
が打ち消され、２次元イオン検出器の検出面にスペクト
ル展開面を一致させることができる。そのため、検出器
の端部であっても正確にフォーカスされたイオンビーム
が到達することになり、検出できるスペクトルの質量範
囲が大幅に拡大される。

もし、スペクトル展開面の歪みが第７図（ａ）において
破線で示すように逆の極性である場合には、レンズ１７
の極性も逆にして適切な強度に設定することにより、全
く同様に２次元イオン検出器の検出面にスペクトル展開
面を一致させることができる。

第３図は本発明の他の実施例を示し、本実施例では磁場
１４と２次元イオン検出器１６の間に２つの４極子レン
ズ２０．２１が挿入されると共に、２次元イオン検出器
１６が回転可能に構成される。

この方式の質量分析装置は特願昭６３−１７６０９２号
として出願されており、４極子レンズによりイオン光学
系の質量分散を変化させ、２次元イオン検出器の検出面
に展開されるイオンの質量範囲を変化させることができ
、いわば質量範囲のズーミングが可能である。

第３図において、４極子レンズによりイオン光学系の質
量分散を変化させると、同じ質量ｍＡからｍＢの範囲の
イオンが実線から破線まで縮まるため、破線の場合には
２次元イオン検出器１６の検出面に展開されるイオンの
質量範囲が広がることになる。この時、スペクトル展開
面の傾きが同時に変化するため、検出器１６も展開面の
傾きに合わせて回転させるようにしている。

ところで、この様に４極子レンズの強度を変化させて検
出器１６の検出面に展開されるイオンの質量範囲を変化
させると、それに応じてスペクトル展開面の傾きが変化
するばかりでなく、展開面の歪みの曲率も変化する。そ
のため、傾きについては検出器１６を回転させて対処す
ると共に、曲率の変化については、電源１８を調節する
ことにより８極静電レンズ１７が発生する８電極場のｇ
の値を適宜設定して補正すれば、質量範囲を変化させて
も常に２次元イオン検出器１６の検出面にスペクトル展
開面を一致させることができる。

この様なｇの値の設定は、オペレータが手動で適宜行っ
ても良いが、予め４極子レンズの強度（あるいは質量分
散の値）に応じた最適なｇ値（あるいは電源１８の出力
電圧）を関数あるいはテーブルとして求めておき、この
関数あるいはテーブルに基づいて電源１８を操作して最
適なｇ値を設定するようにしても良い。さらには、その
関数あるいはテーブルをメモリに記憶させ、４極子レン
ズ強度に基づいてメモリから最適なｇ値（あるいは電源
１８の出力電圧）を読み出して電源１８を制御し最適な
ｇ値に設定する連動制御回路を設けるようにすれば、操
作が容易になり、オペレータの負担が軽減される。

尚、上記実施例では８極静電レンズを用いたが、１０極
あるいは１２極の静電レンズを用いれば、同様に３次あ
るいは４次の補正を行うことができるし、８極、１０極
、１２極の磁界型レンズを用いても全く同様に２次、３
次、４次の補正を行うことができる。この多重極場を発
生するレンズは、被分析イオンが磁場による質量分散を
受けた後即ち磁場の後方に配置する必要がある。

又、第１図において破線で示すように、多重極場を発生
するレンズをその軸がイオンビーム通路と成す角度を変
化させることができるように設ければ、更に高次の補正
を行うことができる。

更に、上記実施例では２次元イオン検出器の検出面が平
面で、その平面にスペクトル展開面を一致させる様に補
正したが、検出面が曲面で、その曲面にスペクトル展開
面を一致させる様に補正する場合にも同様に適用するこ
とができる。

更に、本発明は単収束あるいは二重収束の別を問わず磁
場を有する同時検出型質量分析装置全てに適用すること
ができ、二重収束型においても、電場が先行する正配置
型、磁場が先行する逆配置型のいずれでも適用できる。

その場合、先に述べたように多重極レンズは磁場の後方
に配置する必要があることは言うまでもない。

［効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、磁場によって質量
に応じて展開された被分析イオンをその展開面に沿って
配置された２次元イオン検出器によって同時検出するよ
うにした磁場型質量分析装置において、前記磁場と２次
元イオン検出器との間のイオン通路上に８重極以上の多
重極場を発生する静電又は磁界型レンズを配置したため
、スベクトル展開面を２次元イオン検出器の検出面に一
致するような補正が可能になり、従って、同時検出型質
量分析装置の測定質量範囲を従来よりも拡大させること
が可能となる。

【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概
略図、第２図は８極静電レンズの断面図、第４図は磁場
を含む質量分析系と２次元イオン検出器とスペクトル展
開収束面との関係を示す図、第５図は８極静電レンズの
内部に形成される８電極場とｘ−ｙ−ｚ座標系を示す図
、第６図は（４）式に基づくレンズ効果の様子をｇの強
さに応じて表わした図、第７図は８極静電レンズによる
補正の様子を示す図である。 １１：イオン源　　１５：二重収束質量分析系１６：２
次元イオン検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁場によって質量に応じて展開収束された被分析
   イオンをその収束展開面に沿って配置された２次元イオ
   ン検出器によって同時検出するようにした磁場型質量分
   析装置において、前記磁場と２次元イオン検出器との間
   のイオン通路上に８重極以上の多重極場を発生する静電
   又は磁界型レンズを配置したことを特徴とする同時検出
   型質量分析装置。
2. （２）磁場によって質量に応じて展開収束された被分析
   イオンをその収束展開面に沿って配置された２次元イオ
   ン検出器によって同時検出するようにした磁場型質量分
   析装置において、質量分散を変化させる手段を設けると
   共に、前記磁場と２次元イオン検出器との間のイオン通
   路上に８重極以上の多重極場を発生する静電又は磁界型
   レンズを配置したことを特徴とする同時検出型質量分析
   装置。
3. （３）前記８重極以上の多重極場を発生する静電又は磁
   界型レンズの強さを前記質量分散変化手段によって設定
   された質量分散に応じて変化させる手段を設けたことを
   特徴とする請求項２記載の同時検出型質量分析装置。