JPH0328775B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電場分布を任意に変更することの出来
る電場発生手段を備えた重畳場質量分析装置に関
する。

重畳場質量分析装置においては、例えば第１図
に示す様に磁極１，１′間に形成される一様磁場
中に同心円筒状電極２，２′を設置し、該磁場と
直交するトロイダル電場を発生させ、重畳場とし
ている。かかる重畳場を分析場として用いた質量
分析装置において電場掃引により質量掃引を行お
うとすると、イオンビームの集束装置が変化して
しまい、その位置変化を打消すために、トロイダ
ル電場の定数Ｃ、C′を電場掃引に連動して変化さ
せる必要がある。ところが、第１図に示される様
に同心円筒状電極を用いる従来装置では、電場分
布は電極形状によつて一義的に決まつてしまい、
Ｃ、C′を変えることは出来ない。３，３′はその
ために用いられる松田プレートと称される補正電
極で、該電極３，３′に印加する直流電圧を変化
させることにより、トロイダル電場の定数Ｃ、
C′を変化させるとが出来る。

一般に質量分析装置においては、分解能あるい
は測定範囲の面で磁場強度が高いことが望まれ、
そのためには磁極間隔は出来るだけ挟くする必要
がある。ところが、上述した従来装置では、磁極
間に電極２，２′及び補正電極３，３′を設置しな
ければならない関係上狭くするものに限度があつ
た。又、補正電極により定数Ｃ、C′を変えること
は出来るものの、場の中心から離れるほどの理想
的なトロイダル電場からのズレが大きくなつてし
まい、高次の収差が大きくなるという欠点もあつ
た。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであ
り、狭い隙間であつても設置することが出来、し
かも電場分布を任意に変えることの出来る電場発
生手段を備えた重畳場質量分析装置を提供するこ
とを目的としている。

本発明は、一様磁場を発生させる手段と、該一
様磁場と直交する方向の電場を該末様磁場に重畳
して発生させる電場発生手段を備えた重畳場質量
分析装置において、前記電場発生手段が、一様磁
場に直交する中心平面を挟んで等しい距離にある
一対の平行平面上に該中心平面を挟んで上下対称
に設けられた複数対の同心円弧状の線状電極群
と、該複数対の線状電極の対毎に与える電位に関
する情報を記憶する記憶手段と、該記憶手段から
読出された情報に基づいて各電極対に所定の電位
を与えるための電源手段とから構成されることを
特徴としている。以下本発明の一実施例を添付図
面に基づき詳述する。

第２図は本発明の一実施例の構成を示し、図に
おいて１，１′は第１図と同様の磁極である。該
磁極間にはイオンの通る中心平面Ｌから互いに等
しい距離をおいて絶縁物製の薄い基板４，４′が
平行に設置されている。該基板は、第３図に示す
様にイオンの中心通路Ｏに沿つた円弧状の形状が
与えられると共に、その対向する表面には例えば
0.5mm幅の７本の同心円弧状電極A₁〜An（基板
４）、B₁〜Bn（基板４′）が0.5mmのピツチで配列
されている。この電極のパターンは例えば、通常
の電子機器で使用されるプリント基板と同様にパ
ターン露光及びエツチングの技術により作成する
ことが出来る。２枚の基板は中心平面を挟んでパ
ターンが対称になるように、換言すればA₁とB₁、
AnとBnが中心平面を挟んで正対するように配置
され、夫々の基板の各電極から引出された引出し
線は、正対した一対の電極同士が一組として接続
され、更に各組毎に電源５に接続されている。６
はｎ個の組について印加すべき電圧を記憶させた
メモリで、該メモリ６に記憶された情報は読出し
制御回路７によつて読出され、各組毎の電圧情報
として電源５に供給される。

上述の如き構成において、ｎ組の電極に電圧を
印加すると、電極に挟まれた空間には、電場が生
成される。その電場内では、等しい電位が与えら
れた各対の電極同士を結ぶ等電位面が存在する
が、その等電位面はお互いに隣合う電極に印加さ
れた電位による影響を受ける。従つて各電極にど
の様な電圧を印加した時にどの様な電場が形成さ
れるかを求めておけば、この電極に挟まれた空間
に任意の分布を持つた電場を生成させることが可
能である。

ここで、電極で挟まれた空間に或る電場φが形
成されたとした時、ｎ組の電極の電位について、
第４図を用いて考察する。

今、電場φをイオンの回転中心軸ｑに対して軸
対称なトロイダル電場であると考え、該電場内の
任意の位置における電位（ポテンシヤル）を第４
図に示すｘ−ｙ座標でφ（ｘ、ｙ）と書けば、次
式が成立する。

△φ（ｘ、ｙ）＝０ ……(1) １／（ρ₀＋ｘ）〓／〓ｘ〔（ρ₀＋ｘ）〓Φ／〓ｘ〕 ＋〓²Φ／〓y₂＝０ ……(2) ここで、ρ₀はイオン中心通路の回転半径、φは
任意点（ｘ、ｙ）における電位である。

上式よりφ（ｘ、ｙ）の一般的な形として下式
が得られる。

φ（ｘ、ｙ） ＝−E₀ρ₀Σaij／ｉ〓ｊ〓（ｘ／ρ₀）ⁱ（ｙ／ρ₀）^j
……(3) ここでaijは係数、E₀はイオンの中心軌道ｘ＝
ｙ＝０での電場強度である。

電極間の距離を2hとすれば、各電極はｙ＝±
ｈの平面に存在するから、(3)式においてｙ＝ｈと
おき、ｘの値の各電極の位置に応じて代入すれ
ば、各電極位置の電位を求めることが出来ること
が解る。逆に言えば、その様にして求めた電位を
各電極に与えるようにすれば、電極に挟まれた空
間にはトロイダル電場が生成されることになる。
尚、該電場の端縁場では場の乱れが生じるが、電
極距離2hを電極の幅ｗに比べて十分に大きくし
ておけば、イオン中心通路付近における場の乱れ
は無視することが出来る。

ここで、実際に各電極の電位を求めるには、係
数a_ijを求めなければならない。この求め方を以下
に説明する。(3)式を(2)式に代入すると、係数a_ijに
関し次の漸化式（recursion formula）が得られ
る。

（ｉ＋１）a_i,j+2＋a_i+1,j+2 ＋（ｉ＋２）a_i+2,j+a＋a_i+3,j＝０ ……(4) ここでｉ、ｊ≦０の場合は、a_ij＝０とする。

又、正対する電極同士の電位が等しいことから
電場は中心平面Ｌに関し対称であり、そのためｙ
のべきの奇数項の係数は０である。

これらのことを総合すると、ｊ＝０でない中心
平面外の場を表すｙが含まれる項の係数a_ijは、す
べて中心平面内のｙを含まない項の係数a_ip（ｉ≧
１）で表すことが出来、個別に求めなくても良
い。４次までの係数について例示すると、下式の
様になる。

a₀₂＝−a₁₀−a₂₀ ……(5) a₁₂＝a₁₀−a₂₀−a₃₀ ……(6) a₂₂＝−2a₁₀＋2a₂₀−a₃₀−a₄₀ ……(7) a₀₄＝a₁₀−a₂₀＋2a₃₀＋a₄₀ ……(8) 質量分析装置におけるイオンの軌道計算では、
通常、３次までの収差について計算を行い３次ま
での収差を十分に小さく抑えれば良く、３次の収
差に影響を与える４次の係数まで検討すれば良
い。

従つて、任意の定数Ｃを持つトロイダル電場を
発生するために各電極に与えるべき電圧（ポテン
シヤル）を求めるには、a₁₀、a₂₀、a₃₀、a₄₀の４
つの係数を与え、そして(5)〜(8)式により４次まで
のすべての係数を決定し、それらの係数を用いて
(3)式により、各電極位置の電圧（ポテンシヤル）
を求めれば良い。

このa₁₀、a₂₀、a₃₀、a₄₀の４つの係数は、例え
ば以下のようにして決定される。即ち、磁場及び
電場内を飛行するイオン軌道計算プログラムが作
成されており、このプログラムでは、a₁₀、a₂₀、
a₃₀、a₄₀の４つの係数に基づいてイオン光学系に
おけるイオンの収束性を検討評価することができ
る。そこで、所望の重畳場光学系（例えば特定の
定数C₁を持つ電場を含む重畳場光学系）につい
て上記プログラムを用い、実際に各係数に数値を
代入して収差を評価する作業を繰り返し、最終的
に収差を総合的に小さくし得る係数の組合わせを
選定することにより、特定の光学系について最適
な係数a₁₀、a₂₀、a₃₀、a₄₀を決定することができ
る。

そして、先に述べたように、このようにして求
めたa₁₀、a₂₀、a₃₀、a₄₀の値及び各電極の位置の
データを用いて前記(5)〜(8)式及び(3)式により、各
電極A₁〜An（夫々接続されているB₁〜Bnも含
む）に印加すべきの電位の情報V₁₁〜V_1oが特定
の定数C₁を持つ電場を含む重畳場光学系につい
て計算される。全く同様にして異なる定数C₂、
C₃……を持つ電場を含む重畳場光学系について
各電極に印加する電位の情報V₂₁〜V_2o、V₃₁〜
V_3o、……を求め、夫々の情報に基づいて各電極
に電圧を印加すれば、各定数の電場を含む重畳場
を発生させることが出来る。

第２図の実施例において、メモリ６には上述の
様にして求めた複数の情報が格納されており、読
出し制御回路７によつてその中から任意の情報を
読出して電源に供給すると、該電源５は各電極に
該情報に基づいた電圧を印加する。従つて電極に
挟まれた空間には、メモリに格納された情報に従
つた電場が生じることになる。

尚、上記例ではトロイダル電場を例にとつた
が、中心平面を挟んで対称な電場であれば、いか
なる電場であつても、その電場に関する情報が得
られれば発生可能であることは言うまでもない。
又、基板４，４′は磁極１，１′に夫々取付けるよ
うにしても良い。

以上詳述した如く本発明によれば、２枚の基板
上に設置した線状電極により電場を発生させるた
め、従来の様な電極２，２′が不要となり、挟い
間隙にも設置することが可能となる。更に発生さ
せる電場の分布をも任意に変えることが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を説明するための図、第２図は
本発明の一実施例の構成を示す図、第３図は基板
及び線状電極を説明するための図、第４図は線状
電極とｘ−ｙ座標の関係を示す図である。 ４，４′：基板、５：電源、６：メモリ、７：
読出し制御回路、Ａ，Ｂ：線状電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一様磁場を発生させる手段と、該一様磁場と
   直交する方向の電場を該一様磁場に重畳して発生
   させる電場発生手段を備えた重畳場質量分析装置
   において、前記電場発生手段は、一様磁場に直交
   する中心平面を挟んで等しい距離にある一対の平
   行平面上に該中心平面を挟んで上下対称に設けら
   れた複数対の同心円弧状の線状電極群と、該複数
   対の線状電極の対毎に与える電位に関する情報を
   記憶する記憶手段と、該記憶手段から読出された
   情報に基づいて各電極対に所定の電位を与えるた
   めの電源手段とから構成されることを特徴とする
   重畳場質量分析装置。