JPH0359544B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、荷電粒子を分離する装置、即ち高清
澄性を有し、複数個の元素を、同時に確認し測定
する質量分析計に関するものである。

質量分析計は、異なる質量（Ｍ＝M₁、M₂、
M₃等）を有し、僅かに異なる運動エネルギーで
移動する粒子により構成された荷電粒子、又はイ
オンのビームを受取るように意図されている。当
該粒子の平均運動エネルギーは、Ｖ（eV）で表わ
され、その対応するエネルギー分散は、±ΔVで
表わさせる。

（本発明の経緯） 質量分析計には、一般に入口スロツトが含ま
れ、当該入口スロツトに続いて、ビームは静電セ
クターを貫通し、次に磁気セクターを貫通する。

この構成の目的は、粒子を、その質量の関数と
して、出来るだけ多く分離し、かつ粒子の運動エ
ネルギーに対し、出来るだけ感応しない様式で、
粒子を偏向させることにある。偏向は、器具の対
称面で、かつ入口スロツトの長い方向に直角の
『半径方向』面内で生ずる。従つて、粒子のビー
ムは、いわゆる垂直断面において、半径方向成分
と直角成分を有する。

両方共に、平面になつている入口面と出口面を
有し、入口面が粒子のビームの軸線に対し傾斜し
ており、一方、出口面の平面が、入口面と粒子の
ビームの交差部分を通るような磁気セクターを使
用することは知られている。これらの状況下にお
いて、磁気セクターを通過する粒子の偏向角度
は、荷電粒子の質量には依存せず、かくして、シ
ステムを単純化している。しかし、定角軌道の曲
率半径は粒子の質量に依存する。

質量分析系の品質は、その分離率Ｍ／ΔMによ
つて定められる。ここで、ΔMは、器具によつて
識別可能な最低の質量差である。完全な光学系を
有する分析計（『光学系』という用語は、本明細
書では、広い意味で使用されている。）において
は、この分離率は、単に入口スロツトの寸法に依
存することになる。

実際の入口スロツトのイメージ、即ち『ビーム
線』は、収差として、公知の装置内における光学
的欠点により変形される。これらの収差は、主と
してイオンのエネルギー分散ΔV、及び一般に磁
気セクター以前に挿入される入口スロツトにより
制限されるビームの開口に依存している。

所定の分離率に対し最良の分析計は、最も感応
性があり、即ち幾何学的範囲が最大となるビーム
を受入れる分析計である。分析計のこの適合性は
『清澄性』と呼ばれている。しかし、所定の分析
計の幾何学的な構成に対し、清澄性は、収差の望
ましくない作用を削減することによつてのみ増加
可能である。

最後に、全てのスペクトル光線（全ての質量）
で同時的に測定を行なうことが望ましい場合に
は、収差の補正若しくは消去が一層困難である。

従つて、本発明の課題は、同時的な多重検出を
行なうことが出来、分離率の高い高清澄性質量分
析計を提供することにある。

この目的のため、本発明の第１の狙いは、分析
計、特にその磁気セクターのみでなく、その静電
セクターの収差を補正することにある。

本発明の第２の目的は、質量分析計自体から上
流側に位置付けられた移送光学系によつて、分析
計の入力に、イオン・ビームをマツチさせ、かつ
移送させることを改善することにある。

これらの目的は、本発明の各種態様により達成
される。

本発明の装置は、公知の様式にて、入口スロツ
ト、それに引続く静電セクター、及び次に磁気セ
クターから成つている。

開口スロツトは、慣用的な様式で、静電セクタ
ーの入口において、静電セクターと磁気セクター
の間に挿入可能である。この組立て体は、入口ス
ロツトの長い次元に対し、直角の半径方向面内で
粒子のビームを偏向させる作用がある。

磁気セクターは、粒子のビームの軸線に対して
いる平面の入口面、及びこれも平面で、その平面
が入口面と粒子ビームの交差部を通過する出口面
を有している。問題の平面は、漏洩フイールドの
ため、材料の面から異なつている有効な磁気面で
ある。

更に、ある文献により、静電セクターと磁気セ
クターの間に４重極型光学装置（以下、４極と記
載）を配設することも知られている。（エイチ・
マツダ（H.Matsuda）、質量分析レビユー、第２
巻、第２号（1983年）、ジヨン・ワイリー
（John、Wiley）、289−325頁参照）。しかし、こ
の４極は、本発明で使用されるものとは、その作
動上大きく異なつている。

最後に、「マターチ−ハーゾグ（Mattauch−
Herzog）」型の質量分析計も知られている。この
場合、開口及びエネルギー帯の幅は、それぞれ調
節可能に相互に作用する絞り、及び「エネルギ
ー・ダイアフラム」によつて制限されない。開口
が変化し、かつエネルギー帯幅が変化する範囲
は、第２順位の収差が無視可能な状態である場合
は、比較的小さい値に削減しなければならない。
その結果、装置の移送性、即ち清澄性は低い。

N°2056163号として公告されたフランス特許出
願においては、開口及びエネルギー帯幅の独立し
た調節を可能にすると同時に、装置の清澄性に対
して高い値を得ることが出来るような様式で、マ
ターチ−ハーゾグ型の質量分析系を改変すること
が提案されている。

この先行技術のフランス特許出願で提案された
装置は、入口スロツト１０とエネルギー・ダイア
フラム２０の間に、第１電気レンズ１８を配設
し、エネルギー・ダイアフラム２０と磁気セクタ
ー２４の間に、第２電気レンズ２２を配設するこ
とから成つている。その明細書には、絞り及び調
節可能なエネルギー・ダイアフラムに対するこれ
らのレンズの役割りの詳細について、説明されて
いる。

この明細書（第８頁）で説明してある実施態様
の１つにおいて、磁気セクター２４の入口面は、
26.6°に等しい角度εで傾斜している。それ自体
良く知られている傾斜した入口面のこの使用は、
装置の対称面に直角な方向における半径の２倍の
距離にある焦点を定める作用がある。焦点面２６
は、本件の場合、8.1°に等しい角度ｗを通じて、
磁場の後方にシフトされる。

角度εに対する26.6°の値は、磁石による90°の
標準的な偏向に対応している。当然、偏向角度に
対する異なる値は、この次行技術の文献における
角度ｃに対し、異なる値を生ぜしめる。この
26.6°の値は、本発明に関して以下に説明する値
に近いが、他の理由から、半径方向の平面に平行
な粒子ビームが受取る磁気セクターを使用してい
る。

しかし、先行技術のフランス特許公告第
2056163号では、「他の方法による」焦点合せを使
用しており、一方、通常の質量分光写真器におい
ては、戻りの粒子が失なわれ、この先行技術の明
細書においては、レンズがビームを離動しないよ
う阻止することにより粒子を戻している。

従つて、分光写真器の入口面の傾斜は、先行技
術の文献においては、ビームを引締める目的に使
用され、本発明で提案されているような、ビーム
内と収差を訂正する目的には使用されていないよ
うに思われる。

（本発明の要約） 本発明の第１の特徴によれば、質量分析計に
は、少なくとも半径方向平面内において、平行
で、磁気セクターが、質量スペクトルの全てのビ
ームに対し、収色的に作動することを確実にする
よう、帯±ΔV内の各エネルギーに対し適当な傾
斜を呈する粒子ビームを磁気セクターに供給する
４極の如き装置が含まれている。更に、入口面と
その偏向側のビームの軸線に対する法線の間の角
度を表わすεを使用し、磁気セクター内のビーム
の偏向角度を表わすθを使用すると、これら２つ
の間には、次の関係即ち、tan（θ／２）・tan（θ
−ε）＝２が成立する。

これによつて、（ａを中央定角軌道に対する半
径方向平面内の定角軌道の傾斜とした場合のa²の
収差である。）半径方向平面内に位置付けてある
ビームの定角軌道に対し、磁気セクターにより発
生される第２順位の開口収差を消去出来る。当
然、これらの収差の消去も、垂直成分も含む定角
軌道の判明方向成分に対して発生する。

垂直断面でのこれらの定角軌道（又は任意の定
角軌道の垂直断面における成分）も、半径方向平
面内に第２順位の開口収差（ｂを半径方向平面に
対する定角軌道の傾斜とした場合のb²収差）を発
生する。

本発明の第２の特徴としては、移送光学系を使
用する。

移送光学系は、粒子ビームの垂直断面が、入口
スロツトと静電セクターの間に収れん部を含むよ
うな様式で、質量分析計自体と共同して配設され
る。従つて、第１の６重極型光学装置（６極）
は、半径方向平面内に位置付けられた定角軌道に
対する静電セクターにより発生される第２順位の
開口収差、即ちa²収差を補償し、かつ他の定角軌
道の半径方向成分を補償するような様式で、この
収れん部に位置付けられる。６極に対する選択さ
れた位置は、それが、垂直断面における開口から
b²収差を導入しないことを確実にする。

静電セクターに関係がある第２順位の開口収差
は、当該セクターが、例えば球状型に出来ること
から計算可能である。

移送光学系は、実質的に垂直平面内で、平行な
粒子ビームを入口スロツトに供給するよう配設す
ることが好ましい。収束レンズが、入口スロツト
と第１の６極の間に提供される。この収束レンズ
は、後段加速を提供出来る。６極は、ビームの垂
直断面において、前記収束レンズを介して、入口
スロツトの共役点に中心が合せられる。

本発明の他の特徴によれば、移送光学系には、
２個の静電レンズが含まれ、当該レンズは共同し
て、入口スロツトにおいて、半径方向平面内にビ
ームの収れん部を提供する。

ビームの垂直属面が入口スロツトにおいて平行
になることを確実にするような様式で、スロツト
付きレンズは、これら２個の静電レンズの間に設
けられる。本例の場合、ビームを垂直断面内の前
述した収れん点において収束させるのは、収束
（又は後段加速）レンズである。

上記内容は、磁気セクターと静電セクター内の
半径方向平面内に位置付けられた定角軌道に対す
る開口収差を補正することに関する。

垂直断面における定角軌道（又は定角軌道の成
分）に対しては、b²の開口収差補正はない。しか
し、質量分析計で見られるｂの角度が、常時極め
て小さい値になるよう移送光学系が配設してある
ところから、その対応するb²収差は無視しうる。

本発明の更に他の特徴は、色収差即ちエネルギ
ー分散を補正することに関する。

静電セクターと磁気セクターは、ともに、最終
的な色回転の中心を有し、４極は、２個の色回転
中心に適当な拡大をもつて共役するような様式で
設定されている。４極は、静電セクターの色回転
中心を、所定の半径、即ち所定の質量に対応する
磁気セクターの色回転中心に共役させる。４極は
更に、各エネルギーが適当な傾斜をもつて磁気セ
クターに到達するような様式で配設されている。

その結果、色分散は、磁気セクターを離れる
と、所定の質量に対し完全になくなり、一方、他
の質量に対しては、色分散は、他の質量のビーム
線において消去される。この補正は、移送光学系
から上流型に配設された装置、又はP3に位置付
けられたフイルター・スロツトにより定められる
エネルギー帯±ΔVの限界内で作動する。

実際には、４極は、その対物焦点が半径方向平
面内の入口スロツトの静電セクターにより与えら
れる実像と一致するような様式で配設される。次
に、４極には、粒子ビームが引続き両方の横方向
で平行になるよう、垂直断面においてその拡散を
補償する装置が続く。垂直断面における４極拡散
を補償する装置は、スロツト付きレンズが有利で
ある。

開口収差と色収差の組合せが残る。これらを補
償するため、本装置には、静電セクターの背後に
配設され、実質的に半径方向平面内の入口スロツ
トの静電セクターにより与えられる実像に中心が
ある第２の６極が含まれている。

この配置は、選択された１つの質量に対する正
確な補償と併せて、半径方向平面内に位置付けら
れた定角軌道の結合された収差を削減する作用が
ある。他の質量体に対しては、収差は相当削減さ
れる。

粒子ビームの色フイルター作用、即ちエネルギ
ー・フイルター作用は、本例の場合、移送光学系
から上流側で行なわれる。

改変例として、これら第２の６極において行な
うことが出来る。その場合、第２の６極は、エネ
ルギー・フイルター・スロツトのいずれか一方の
側に、２個の６極を含む。

（実施例） 添附図面を参照して、本発明の実施態様の一例
を説明する。

前に述べた如く、本発明は、同時多重検出を、
高程度の清澄性をもつて行なう荷電粒子分離装
置、即ち質量分析計に関するものである。

最終的な検出器として写真乾板を使用する質量
分光写真器とは異なり、質量分析計では、必ずし
もその検出帯域、即ち磁気セクターの出力焦点面
を平面にする必要はない。

第１図及び第２図を参照して最初に一般的な用
語で説明するのは、本発明による質量分析計の場
合である。

質量分析計の入力部に、移送光学系１を設けて
ある。移送光学系の性質は、入力即ち「点源」Ｓ
に適用される粒子ビームの特性に依存する。移送
光学系１は、質量分析計自体に対する入口を構成
する入口スロツトFE２０に終端する。

公知の様式にて、質量分析計には、入口スロツ
トFE２０の後方に静電セクターSE２３が続き、
次に磁気セクターSM３０が続き、磁気セクター
から上流側に設けられた開口スロツトFO２９が
含まれている。

この装置の組は、粒子ビームを入口スロツト
FE２０の長い次元に対して直角の半径方向平面
内で偏向させる作用がある。第１図及び第２Ａ図
は、半径方向平面における断面図である。

質量分析計の主要構成要素は、その磁気セクタ
ーであり、当該磁気セクターの拡散作用は、各粒
子の質量とエネルギーの両方に依存していること
が知られている。その拡散作用は、質量及びエネ
ルギーに依存する大きい又は小さい半径の円弧の
形態になつた定角軌道により明らかにされる。

この該磁気セクターを、前の静電セクターと組
合せることは公知であり、当該静電セクターは又
粒子のエネルギーの関数としてのみ拡散作用を有
している。

静電セクターの拡散作用がエネルギーに起因す
る磁気セクターの拡散作用を補償するような様式
で、２つのセクターが結合される。従つて、理論
的には、磁気セクターからの出力において明らか
になる拡散作用は、質量のみの関数である。

更に、広くは知られていないが、前述したマツ
ダ氏の文献には、静電セクターと磁気セクターの
間に４極を使用することが示されている。従つ
て、これもまた、公知と考えられるが、マツダ氏
の４極は、本発明で使用される機能とは異なる機
能を有していることが指摘される。

最後に、粒子ビーム軸線に傾斜している平面入
口面３１、及びこれも平面でその平面が平面入口
面３１と粒子ビームの軸線の交差部３３を通る出
口面３２を有するよう、磁気セクターSM３０に
対し配列することも公知である。

この配置には、全ての質量に対し同じ偏差角度
を提供する利点がある。偏差角度は、出口面２２
と磁気セクターSM３０に対する入口における粒
子ビームの軸線の間の角度の２倍に等しい。平行
な入口ビームに対し磁気セクターからの出口にお
ける粒子は、交差部３３も通過する平面PF３５
に焦点合せされることが結果的に生ずる。

すぐれた解像に対する高い分離率と併せて、多
重検出、及び高い清澄性を提供する分光計を得る
には、単独で、又は組合つて取られる分光計の各
種構成要素で生ずる各種収差を補償する必要があ
る。

第１収差は、磁気セクターの第２順位の開口収
差として知られている。要約すれば、この形式の
収差は、中央の定角軌道をはずれて存在する点に
おけるセクターの後方で、相互に磁気セクターに
対する入口部分で交差する中央の定角軌道のいず
れか一方の側に対称的に配設される２個の定角軌
道に存在する。

交差部と中央定角軌道の間のずれは、中央の定
角軌道（ここではa²の第２順位）に対する僅かの
定角軌道の各定角軌道の角度傾斜の２乗に比例す
る。

本発明の第一目的は、磁気セクター自体内での
この形式の第２順位の開口収差を補正することに
ある。

符号３４は、ビームが磁気セクターSM３０を
貫通する際、ビームのくぼみ側に位置付けられる
粒子ビームの軸線に対する法線を表わしている。

記号（ε）は、磁気セクターSM３０の平面入
口面３１と法線３４の間に形成された角度を表わ
す。記号（θ）は、磁気セクターSM３０内のビ
ーム偏向角度を表わす。

これら２つの角度が、次の式、即ち tan（θ／２）・tan（θ−ε）＝２ を満たす際、半径方向平面内に位置付けられた定
角軌道に対する磁気セクターにより発生される第
２順位の開口収差が消去されることが、全く驚く
べき様式で、本発明者等により観察されている。

本発明は、極めて高い清澄性を有する質量分析
計、即ち幾何学的範囲が大きいビームを受取る装
置、及び収差の補正を極めて困難にする同時的検
出を提供する装置にも、関するものである。

本発明では、全ての質量体（半径方向平面内に
位置付けられた全てのビーム定角軌道）に対する
第２順位の開口収差とは無関係の様式で作動する
よう、磁気セクターに対する入口空間の適当な傾
斜が要求され、静電セクターの開口収差を提供す
ることは前以つて適当に消去される（SE）−
（HP1）。

磁気セクターを通じての偏向角度θの関数とし
ての入口面の傾斜（ε）は、前述した式、即ち tan（θ／２）・tan（θ−ε）＝２ によつて与えられる。

磁気セクターSMにおける90°の偏向に対して
は、tanε＝1/2、即ちｃ＝26.56°である。

この式は、多数の構成から成る磁気セクターに
適用する収差係数を基に、本出願人により行なわ
れた研究から得られている。

これらの収差係数の一部を組合せることによつ
て、磁気セクター内での第２順位の開口収差が補
正される上記式を推論することが出来た。これ
は、本発明が出来るだけ広いビームを利用すべき
場合に必須となるビームの幾何学的範囲とは無関
係に、これらの収差を補正可能ならしめる主要点
である。

当然、入口面を傾斜させると、磁石の磁場の焦
点面PG３５を移動させる２次効果が残る。この
効果については、以前から知られていた。

前掲の公開されたフランス特許の明細書第
2056163号には、入口面が90°の偏向角度に対し、
26.6°に傾斜されている磁気セクターが説明され
ている。しかし、この先行技術では、この配置を
異なる意味で使用しており、その結果、この先行
技術は、前述した式が磁気セクター内の収差補正
目的に使用可能であることを、当技術の熟知者に
開示していない。

これと対称的に、本発明による式を使用する
と、磁石の開口収差は、半径方向平面内に位置付
けられる定角軌道に対して補正され、こうして、
静電セクターに起因し、かつ磁気セクターから上
流側に位置付けられた６極HP１によつて、補正
可能な収差のみを残すことが確実にされる。

関係技術の熟知者は、磁気セクター自体に起因
する第２順位の開口収差の補正が最も重要であ
り、本明細書で詳細に説明した分光計以外の分光
計に適用可能であることを理解すると思われる。

静電セクターSE２３からの出口において利用
可能な粒子ビームは、点Ｐ３において収れん点を
有している（第２Ａ図）。

第１補正から最大の利点を得るため、磁気セク
ターSM３０が半径方向平面内で、平行な粒子ビ
ームを受取ることを確実にする装置が、この点Ｐ
３の下流側に設けてある。

これは、静電セクターSE２３と磁気セクター
SM３０の間に配設されたQP２６如き１個以上
の４極によつて達成可能である。これを行なう１
つの方法は、その対物焦点が、収れん点Ｐ３と一
致するような様式で、単一の４極QP２６を設定
することである。

前述した如く、４極QP２６の位置は、各種エ
ネルギーに対応する平行ビームの各ビームの傾斜
が、平面PF３５内に位置付けられるビームにお
いて色作動を達成し、かつ全ての質量体に対し、
同時的にこの作動を達成するのに適するような様
式で決定される。

この特性は、エネルギーＶ±ΔVに対応する２
つの平行ビームが、平面PF３５内の同一点にお
ける焦点に来ることを示す第１図に図解してある
（横方向は、図面を読み易くするため、拡大して
ある）。

以下に示す如く、点Ｐ３は、半径方向平面内の
入口スロツトFE２０の静電セクターSE２３によ
つて与えられる実像である。従つて、第２Ａ図は
４極QP２６から下流側の半径方向平面内の平行
ビームを示す。

第２Ｃ図は４極QP２６が垂直断面内で拡散効
果を有することを示す。この拡散作用は逆に静電
スロツト付きレンズLF２７によつて補償される。
スロツト付きレンズから下流側で、ビームは平行
となり、開口スロツトFO２９小さい次元を正確
に貫通する。

第２Ａ図に戻ると、半径方向平面内の４極QP
２６により提供される（単一として示され、かつ
ビームと平均エネルギーに対応するものとして図
面を簡略化するように示してある。）平行ビーム
は、大きい寸法の開口スロツトFO２９を貫通す
るべく、静電スロツト付きレンズLF２７を変化
することなしに貫通する。

第１図と比較することによつて、開口スロツト
FO２９の大きい次元は、４極QP２６からの各種
色傾斜の平行ビームを、当該４極に貫通させるこ
とが出来、静電セクターSE２３と磁気セクター
SM３０の間に存在するエネルギー拡散を与え得
ることが理解される。

最後に、静電スロツト付きレンズLF２７から
下流側で、粒子ビームは、両方の下方向寸法が平
行であり、かつこれは、当該粒子ビームが、磁気
セクターSM３０の入口平面３１に適用される迄
続くことは、前掲の説明から理解出来ると思う。

静電セクターSE２３と磁気セクターSM３０の
両者は、それぞれ最終的な色回転中心を保有する
ことが知られている。なお「色」という形容詞
は、本明細書では、エネルギー拡散に関して使用
されている。

静電セクターに入る前に、中央定角軌道に従
い、ビームの公称エネルギーとは僅かに異なるエ
ネルギーを有する粒子は、傾斜定角軌道上で、静
電セクターSE２３から離れる。エネルギーが変
化するのに併ない、これらの傾斜した定角軌道
は、色回転中心と称する点のまわりで回転するよ
うになる。

同様の様式にて、磁気セクターSM３０は、色
回転中心を保有し、当該中心に向かつて同じ質量
と同様のエネルギーを有する粒子は、帯±ΔVで
のエネルギーとは無関係に、焦点面PF３５内の
同一における偏向後粒子が終了するのに適した角
度で、かつ同じ角度（同じ定角軌道）で収束す
る。

従つて、これは、磁気プリズムのエネルギー拡
散の完全な（第１順位）の補償を提供する。考察
中の質量体と同じ多数の色回転中心が存在するこ
とが観察可能である。

しかし、磁気セクターSM３０に対する入口に
おいて、定角軌道の傾斜が、単に全ての質量に対
し同じになつている適当な因子をもつて差ΔVに
比例する場合には、それらは、与えられた任意の
質量に対し、焦点面PF３５内の同一点に依然収
束するが、異なるエネルギーの定角軌道は、最早
同じ傾斜を有しない。

本発明の他の特徴によれば、静電セクターSE
２３と磁気セクターSM３０の各色回転中心を共
役させる装置が提供される。４極QP２６は、適
当な拡大により、極めて簡単な様式で、これを行
なう目的に使用可能である。これは、１つの質量
体に対する粒子ビームの色（又はエネルギー）拡
散を完全に補正し、４極は、更に他の質量体が適
当な傾斜を有する異なるエネルギーの定角軌道に
追随するよう配設される。

ここで、静電セクターSE２３で生じる第２順
位の開口収差の補正について調べる。この補正
は、大部分、第１の６極HP２２に基づいてい
る。しかし、この第１の６極は、分光計２自体
と、その移送光学系１の性能と緊密に関係してい
るので、ここでは、質量分析計全体について述べ
るのが適当と思う。

最初に、第１図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第３Ａ
図及び第３Ｂ図を参照して、移送光学系及び分光
計２に対する入口について説明する。

移送光学系１の入口に適用される荷重粒子のビ
ームは、点源Ｓに収れん部を有している。このイ
オンのビームは、僅かに運動エネルギーで移動し
ている異なる質量の粒子で構成されている。前と
同様、Ｖは、電子ボルトで表わされた平均運動エ
ネルギー表わし、±ΔVは、エネルギー拡散を表
わす。

ビームは、理論的には、円形的に点源Ｓの周わ
りで対称的になつている。このビームは、サンプ
ルの表面に集中される１次イオンのビームにさら
される当該サンプルから出される２次イオンによ
つて構成される。

第１の単一電位差静電レンズLE１１は、点Ｓ
１において、点源Ｓの像を与える。必要があれ
ば、光軸上にビームを再び中心合せするため、こ
の点のまわりに、プレートPC１２を設けること
が出来る。

第１の単一電位差静電レンズLE１１、及び任
意の中心合せ用プレートPC１２の背後には、ス
ロツト付きレンズLE１３が存在している。第２
Ａ図及び第３Ａ図は、このスロツト付きレンズ
が、半径方向平面内に位置するイオンの定角軌道
に効果を呈したいことを示している。

しかし、垂直断面（第２Ｂ図及び第３Ｂ図）に
おいて、スロツト付きレンズLF１３は、定角軌
道を収れん点Ｓ２に向かつて収束する作用があ
る。

第２の静電レンズLE１４は、スロツト付きレ
ンズLF１３の後方に置かれている。

半径方向平面において（第２Ａ図及び第３Ａ
図）、レンズLE１４は、入口スロツトFE２０に
点源Ｓ及び点Ｓ１像Ｐを提供し、当該像は、スロ
ツトの軸線に中心合せされる。

垂直断面において（第２Ｂ図及び第３Ｂ図）、
レンズLE１４は、その焦点が実質的に収れん点
Ｓ２になるような様式で位置付けられ、従つて、
前記レンズは、実質的に平行、かつ入口スロツト
FE２０の長さに亘り延びる線、又は定角軌道を
提供する（第３Ｂ図）。

この様式において、半径方向平面内の入口スロ
ツトFE２０における拡大化は、単一電位差静電
レンズLE１１及びLE１４の励起電位差を調節す
ることにより得られる。

垂直面内に位置する定角軌道に対しては（第２
Ｂ図及び第３Ｂ図）、個々の調節は、スロツト付
きレンズLF１３によつて得られる。

分光計２自体に対する入口において、かつ入口
スロツトFE２０の後方には、第１に、制御され
る後段加速に対しての収束する静電レンズPA２
１が設けられ、第２に、第１の６極HP２２が設
けられる。

収束静電レンズPA２１、静電セクターSE２３
から上流側に位置する点において、ビームの収れ
ん点を発生するよう、粒子ビームの垂直断面内で
作用する。第１の６極HP２２は、この収れん点
上に中心合せされる。

６極HP２２は、半径方向平面内に位置する定
角軌道に対し、静電セクターSE２３により発生
される第２順位の開口収差を補償するよう配列さ
れている。これは、第１順位の効果は有しておら
ず、従つて、垂直断面に位置する定角軌道は改変
しない。

しかし、既に述べた如く、垂直断面におけるビ
ームの収れん点が、６極の中心に位置することか
ら、６極は、垂直断面における定角軌道上に、b²
型の収差を加えることを回避する。

後段加速レンズたる収束静電レンズPA２１は、
他の機能を行なう。

この機能は、分光計２自体に対する開口角度を
改変することである。分光計の残りから理解され
る如く、半径方向平面内に入口スロツトを有する
Ｐレベルで、移送光学系により発生される収れん
点は、後段加速レンズたる収束静電レンズPA２
１の作用の下に、Ｐ１へ移動する。

これは、主要収差をなくすか、若しくは補正し
た後、分光計の清澄性を高める作用がある。後段
加速は、イオンを、エネルギーＶからエネルギー
V_pへ上昇させる。

実際、後段加速レンズたる収束静電レンズPA
２１の主要対物面は、レンズPA２１の主要像面
内のＰ１に位置する入口スロツトを分光計が見る
よう、入口スロツトFE２０の平面内に位置させ
られる。

分光計に対しては、ガウスの結像の寸法は変更
されない。所定の分離率に対しては、入口におけ
る利用可能な開口角度のみが増加する。

前に述べた如く、分光計は、後段加速レンズた
る収束静電レンズPA２１の像焦点が、点Ｐ２に
おける６極HP２２の中心に位置するように配置
される。

さらに、後段加速は、Ｖ／ＶからＶ／V_pへの
相対的なエネルギー分散を削減し、かくして結合
された収差、及び（ΔV／V_p）²での収差を削減す
るよう作用する。

便宜上の理由から、本発明者は、Ｖ／V_pを約
１／４として選択した。これは、±5kVの入射エネル
ギーを有する負のイオンに対して分光計を構成
し、後段加速レンズたる収束静電レンズPA２１
から下流側に位置する導体全てが、＋15kVの電圧
にあることを意味している。

しかる後、分光計は、静電セクターSE２３の
後方に配設され、かつ半径方向平面内のスロツト
FE２０の静電セクターSE２３により与えられる
実像上に中心合せされる第２の６極HP２５を含
んでいる。これは、選択された質量に対する正確
な補償をもつて、半径方向平面内に位置させられ
ている定角軌道に対し、組合わされた開口収差と
色収差を削減するように作用する。

６極HP２５は、点Ｋ３上に中心合せされるの
で、開口収差を補正するため、６極HP２２の調
節を変えずに、その組合された収差を補正するこ
とが出来る。即ち、調節は独立している。

前述した実施態様においては、エネルギー・フ
イルター作用は、移送光学系から上流側で行なわ
れる。

改変例として、第２の６極HP２５において行
なうことも出来る。この場合、第２の６極は（図
示せざる）、エネルギー・フイルター・スロツト
のいずれか一方の側に、２個の６極を含むことに
なる。

第２の６極HP２５の後方には、４極QP２６、
スロツト付きレンズLF２７、開口スロツトFO２
９及び最後に、磁気セクターSM３０が存在して
いる。

第２図、第２Ａ図、第３Ｃ図及び第３Ｄ図は、
磁気セクターの構造の各種詳細部分を示す。

磁気セクターは、形状が半径方向平面内におけ
る像により与えられる２個の電極部片３２Ａ及び
３２Ｂと協動する（図示せざる）磁石を含む。

既に説明した各種補正を得ることとは別に、本
発明は、移動される分光計の構成要素を必要とし
ない調節によつて、当該補正を実行可能にするこ
とにより、当該補正を著しく容易にする。この調
節は、相互に出来るだけ独立して行なわれる。

この目的のため、分光計の組立てと調節は、以
下の如く行なわれる。

最初に、球状型の静電セクターSE２３と磁気
セクターSM３０が所定位置に設定される。

次に、色定角軌道に適した傾斜状態、及び磁気
セクターに入るビームの平行状態を重視するよう
に、４極QP２６が所定位置に設定される。

次に、静電スロツト付きレンズLF２７が、垂
直断面における４極QP２６の拡散を補正する様
式で設定される。次に、開口スロツトFO２９が、
４極QP２６の焦点に基づく第２の６極HP２５と
同様に設定される。

６極HP２２及びHP２５の右側横断面におけ
る構造が、第３Ａ図に示されている。また、４極
QP２６の右側横断面における構造が、第４Ｂ図
に示されている。

静電セクターSE２３から上流側で、６極HP２
２は、垂直断面に対する焦点として、前もつて選
択された点上に中心合せされるよう設定され、次
に後段加速レンズたる収束静電レンズPA２１、
入口スロツトFE２０、第２静電レンズLE１４、
スロツト付きレンズLF１３、中心合せプレート
PC１２及び最終的には、第１単一電位差静電レ
ンズLE１１が所定位置に設定される。

従つて、構成要素は、全て引続き改変を必要と
しない予め決められた固定位置に設定可能であ
る。

次に、付加的な調節は、以下の如く行なわれ
る。

４極QP２６は、静電セクターSE２３から来る
エネルギー分散定角軌道に対して、適当な傾斜を
与えるよう調節される。

後段加速レンズと、その隣接する構成要素は、
収れん点Ｐ３を４極QP２６の焦点にもたらし、
引続き６極HP２５の中心にもたらすように調節
される。この調節は、４極QP２６からのビーム
が半径方向平面内で平行であり、４極QP２６の
位置付けにおける全ての欠陥を補償することを確
実にする。

移送光学系のスロツト付きレンズLF１３は、
収れん点Ｐ２を第１の６極HP２２の中心にもた
らすよう調節される。

当技術の熟知者は、本装置が、その各種構成部
品の相通的位置を変える目的で、分解の要件を何
んら伴なわずに、完全に調節されることを理解さ
れると思う。

磁気セクターSM２０からの出口において、偏
向粒子を集めることに関して、なんら調節の必要
性はない。各種質量体の粒子は、全て同じ平面
PS３５内に到達する。

本発明による粒子分離器は、分光写真器と同
様、粒子の質量の関数として分離された後に、偏
向粒子を集める写真乾板と併用可能である。

本発明によれば、一連の分離した収集装置を、
焦点面PF３５内に位置させることが好ましいと
考えられる。当該装置は、例えば磁気セクター
SM３０から来る荷電粒子の衝撃に対し、感応性
のある入口面を有する電子増幅器である。

次に、主として第４図を参照して、本発明の実
施態様の特別の例について説明する。

（特別の例） 入口ビーム 5kVの平均エネルギーを有し、円形的に対称的
なビームを構成する負のイオンは、点Ｓにおいて
収れん点を有している。頂点における半角は、約
4000の分離率Ｍ／ΔMを与えるため、約10^-2ラジ
アンである。

移送光学系１ 静電レンズLE１１：直径４mmの中央孔を有す
る３個と円形電極。中央電極は、−4670Vの電位
差になつている。そのいずれか一方の側に位置付
する他の２個の電極は、接地電位差である。

中心合せプレートPC１２：18×２mmの活性面
積を有する４枚のステンレス鋼板が、矩形チヤン
ネルを構成するため設置される。２個の対面する
プレートの間の距離は３mmである。その中心は、
イオン−ビーム内の収れん点と同一レベルに設定
される。

スロツト付きレンズLE１３：長い軸線が、半
径方向平面内に位置付けられた矩形開口部を有す
る３個の電極。中央電極：６×64mm；他の２個の
電極：４×30mm。−5kVの電圧を受取る中央電極
は、レンズLE１１の軸線から距離66.5mmにある。

静電レンズLE１３：中央電極が−4310Vの電
位差にあることを除いて、LE１１と類似してい
る。この電極は、スロツト付きレンズLF１３の
中心から36mmで、当該レンズの下流側に位置する
入口スロツトFE２０から、30mmに位置させてあ
る。

質量分析計２： 入口スロツトFE２０；これは、質量解像度
Ｍ／ΔM＝4000に対し、0.024×0.8mm（活性の後
段加速を有する）の矩形開口である。その長い軸
線は、半径方向平面に直角である。スロツトは、
ｘ及びｙ方向の両方で調節可能である。

後段加速電極PA２１：厚さ８mmの円板は、内
径14mmの孔を有し、アルミナ製シリンダーにより
隔離されている。当該円板は、後段加速作動にお
いて＋20kVにあり、そのため、下流側の構成要
素は＋15kVに高めらた基準電位差を有している。

６極HP２２：直径８mmで、長さが26mmの６個
の円筒棒が、直径24mmの円筒面上に規則的に分布
される。隣接する棒の間の電位差の差は、±36V
の間で変化する。６極の中心は、電極PC２１か
ら下流側52mmにあり、静電セクターの入口面から
43mmの上流側にある。

静電セクターSE２３：偏向角度90°。球形の２
個の同心部分は、94mmと106mmの半径を有してい
る。内側部分と外側部分の間に適用される電位差
の差：＋4819.8V。電界の漏洩を制限する入口及
び出口の保護スロツト。

６極HP２５：棒の長さが72mmで、電位差の差
が±1702.5Vであることを除いて、HP２２と同
様である。その中心は、静電セクターSE２３か
らの出口面より、77mm下流側にある。

４極QP２６：直径24mmで、長さが120mmの４個
の円筒棒で、その軸線は、直径36mmの円筒面のま
わりに規則的に分布されている。電位差の差は、
±36.4Vで変化し、負の電位差棒は、半径方向平
面内に位置させられている。

スロツト付きレンズLF２７：全体的構造は、
LF１３と同じである。中央電極は、14×70mmの
中央孔を有し、他の電極は、それぞれ10×60mmの
中央孔を有する。中央電極は、173mmの焦点長さ
に対応する電位差にあり、４極QP２６の中心か
ら、119mm下流側に位置させてある。

開口スロツトFO２９：寸法は、質量解像度
Ｍ／ΔM＝4100に対して、５×0.7mmに等しい。
その長い軸線は、半径方向平面にある。

磁気セクターSM３０：Ｕ断面軟鉄磁気回路の
形態になつた磁気回路。磁石の空気間隙は８mmで
ある。有用な定角軌道は、半径が70ないし250mm
である。磁気誘導は、１テスラまで調節可能であ
る。

入口面の角度ε＝26.56（tanε＝1/2）。

偏光角度θ＝90° 出口面の角度θ／２＝45° 焦点面PE３５の角度＝53°13 磁気回路は接地電位差にあるが、空気間隙の内
側に位置付させられた非磁性電極は、後段加速モ
ード作動において、＋15kVの電位差にある。最後
に、磁気シヤントが、磁気セクターに対する入口
空間での場の漏洩を制限する。焦点面PF３５の
上方部分は、電子増幅器が続くイオン対電子交換
器で構成された多重収集組立て体内に設定され
る。

磁石以外の光学的構成要素は、各種装置の機械
的な位置決めをし、かつ真空包囲体として作用す
るステンレス鋼製構造内に設定される。冷凍ポン
プは、所望の高真空を得るように作用する。磁石
は、機械的に光軸と整合される装置を含む弾力性
のある耐真空システムにより、上記装置に接続さ
れる。

後段加速を伴ない、又、後段加速を伴なわない
作動についてよく説明をするため、第５Ａ図及び
第５Ｂ図並びに第６Ａ図及び第６Ｂ図を参照す
る。

スロツト付きレンズLF１３まで、定角軌道は
前述した如くとどまる。この定角軌道は、垂直断
面において、半径方向平面と同じである、 第５Ａ図は、第２の静電レンズLE１４に遭遇
し、かつ理論的に点Ｐにおいて焦点合せされるよ
う、半径方向平面において定角軌道が偏光を伴な
わずに、スロツト付きレンズLF１３を貫通する
ことを示している。

しかし、後段加速レンズPA２１は、10kVにお
いて、当該レンズから下流側の分光計の残りに対
し、Ｐ１に見かけの焦点を発生する。従つて、６
極HP２２に適用される定角軌道は、この点Ｐ１
から分肢する。

前掲の数値に対し、点Ｐ１及びＰの間の距離、
更に正確には、平面PHi及びPHOの間の距離は、
11mmである。

垂直断面（第５Ｂ図）において、定角軌道は、
スロツト付きレンズLF１３により改変される。
従つて、スロツト付きレンズは、平面PHiまで平
行であり、その後、定角軌道は僅かに収束し、変
面PHO内の開口スロツトFE１０を貫通し、次
に、６極HP２２が中心合せされる収れん点Ｐ２
に向かつて、その最終的な向きをとる。

焦点距離は次の通りである。

レンズLE２２に対し、f11＝15mm； レンズLF１３に対し、f13＝9.44mm； レンズLE１４に対し、f14＝19.88mm； レンズPA２１に対し、f21＝87mm。

作動にあたり、後段加速（第６Ａ図及び第６Ｂ
図）がない場合、レンズPA２１は、収束レンズ
の効果のみを発生する。従つて、点Ｐは、点Ｐ１
と組合つた状態にとどまり、そこから、半径方向
平面内におけるレンズPA２１から下流側に見ら
れる定角軌道が開始されることになる。

垂直断面（第６Ｂ図）において、移送光学系の
調節は、定角軌道が第２静電レンズLE１４を離
れる際、収束し始めるよう改変される。これら
は、入口スロツトFE２０を貫通し、僅かにレン
ズPA２１にて収束し、最終的には、前と同様、
同じ収れん点Ｐ２に終る。

焦点距離の値は、僅かに異なつている。

f11及びf14は同じにとどまる。

レンズLF１３に対しては、f13＝8.30mmであり、 レンズPA２１に対しては、f11＝139.09mmであ
る。

単一拡大が後段加速モードで入口スロツトにお
いて得られる場合、非後段加速モードは、Ｐ１に
位置付けられた像と、Ｐに位置付けられた像の間
に、1.32の倍率を提供する。

従つて、付加的な電極PA２１に関連ある収束
効果を伴なう後段加速は、本発明による装置によ
つて保有される独立した調節の特性と比較可能で
ある。電圧のみの調節を必要とする。

当然、先に詳細に説明した分光計の構成要素の
一部は、同等の構成要素と置換可能である。例え
ば、単一の４極QP２６は２個の４極と置換可能
である。当技術の熟知者は、４極、６極、静電レ
ンズ及びスロツト付きレンズに対して、他の同等
物に気付くことは容易であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半径方向平面内にて示されている本
発明による分光計の略図で、この図には、磁気セ
クターにおける異なる入射部に到達する２個の平
行ビームが含まれ、前記ビームは、±ΔVだけ分
離された僅かに異なるエネルギーに対応してい
る。第２Ａ図は、第１図と類似している図である
が、異なる質量の粒子が、単一エネルギー・ビー
ム内で如何に分離されるかを示している。第２Ｂ
図は、第２Ａ図の静電セクターSE２３から上流
側のビームの形状を示す垂直断面でのビームの一
部分の図である。第２Ｃ図は、静電セクターSE
２３から下流側のビームの形状を示す垂直断面図
である。第２Ｄ図は、ビームが磁気セクターSM
３０から離れる際の当該ビームの形状を示す垂直
断面図である。第３Ａ図及び第３Ｂ図は、それぞ
れ第２Ａ図及び第２Ｂ図に対応する拡大図であ
る。第４図、第４Ａ図及び第４Ｂ図は、本発明に
よる分光計の特定の実施態様を更に詳細に示す図
である。第５Ａ図及び第５Ｂ図は、後段加速の例
の作動を示す図である。第６Ａ図及び第６Ｂ図
は、後段加速の無い同じ例の作動を示す図であ
る。 １……移送光学系、２……分光計、３１……入
口平面、FE２０……入口スロツト、FO２９……
開口スロツト、SE２３……静電セクター、SM３
０……磁気セクター、LF１３……スロツト付き
レンズ、LF２７……静電スロツト付きレンズ、
PF３５……焦点面、Ｓ……点源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入口スロツトに、静電セクター４重極型の光
   学装置及び開口スロツト及び磁気セクターが続
   き、前記構成要素が、入口スロツトの長い次元
   に、直角の半径面内で、粒子ビームを偏向させる
   目的で設置され、磁気セクターが、粒子ビームの
   軸線に対して傾斜している平面入口面と、入口面
   と粒子ビームの軸線の交差部に貫通させた平面出
   口面を有する質量分析計であつて、半径方向面で
   平行な粒子ビームを磁気セクターに提供する装置
   を改良点とし、かつ次の式、即ち tan（θ／２）・tan（θ−ε）＝２ が入口面の角度を表わす角度εに対し正当であ
   り、ビームの軸線に対する法線が、その偏向側に
   位置させられ、θが、磁気セクター内でのビーム
   の偏向角度を表わし、かくして、半径方向面に位
   置する定角軌道用磁気セクターにより作成される
   第２順位の開口収差を消去するようにしたことを
   改良点とする多重同時検出型高清澄性質量分析
   計。 ２ 入口スロツトから上流側に移送光学系を含
   み、かつ半径方向面に直角の垂直部分において、
   粒子ビームが、入口スロツトと静電セクターの間
   に収れん部を含み、第１の６重極型の光学装置
   が、この収れん部に設けられ、垂直部分に位置さ
   せられた定角軌道上のその作用により、同じ順序
   の収差を導入せずに、半径方向面に位置させられ
   た定角軌道に対する静電セクターにより作成され
   る第２順位の開口収差を補償するように配列され
   ている特許請求の範囲第１項記載の多重同時検出
   可能型高清澄性質量分析計。 ３ 入口スロツトに対し、実質的に垂直断面で平
   行になつている粒子ビームを供給するよう、移送
   光学系が配列され、質量分析計に、入口スロツト
   と第１の６重極型の光学装置の間に収束レンズが
   設けられ、第１の６重極型の光学装置が、ビーム
   の垂直断面において、前記収束レンズにより、入
   口スロツトの共役点に中心が来るようにした特許
   請求の範囲第２項に記載の多重同時検出可能型高
   清澄性質量分析計。 ４ 収束レンズが、調節可能コンバーゼンスを提
   供する少なくとも１つの付加的な電極を含む後段
   加速レンズでもある特許請求の範囲第３項に記載
   の多重同時検出可能型高清澄性質量分析計。 ５ 移送光学系が、半径方向面内の入口スロツト
   にビーム収れん部を提供するように協動する２個
   の静電レンズを含み、ビームが実質的に入口スロ
   ツトにおいて、垂直断面が平行になることを確実
   にするため、分析計が、前記２個の静電レンズの
   間に、スロツト付きレンズを含む特許請求の範囲
   第２項記載の多重同時検出可能型高清澄性質量分
   析計。 ６ 静電セクターと磁気セクターが、両者共、そ
   れぞれ最終的な色回転中心を有し、前記４重極型
   の光学装置が、適当な倍率で、色回転のそれら２
   個の中心を共役させるような様式で設定され、所
   定の質量に対して粒子ビームの色分散の完全補正
   を提供し、他の質量に対する補正が、磁気セクタ
   ーの焦点面にて行なわれるようにした特許請求の
   範囲第２項に記載の多重同時検出可能型高清澄性
   質量分析計。 ７ 半径方向面内の入口スロツトの静電セクター
   により与えられる実際の像と対物焦点が一致する
   ような様式で、４重極型の光学装置が配列され、
   前記４重極型の光学装置が、粒子ビームが引続き
   その横方向次元の両方で平行になるよう、垂直断
   面でのその拡散を補償する装置に続くようにした
   特許請求の範囲第６項記載の多重同時検出可能型
   高清澄性質分析計。 ８ 垂直断面における４重極型の光学装置の拡散
   を補償する装置が、スロツト付きレンズを含む特
   許請求の範囲第７項に記載の多重同時検出可能型
   高清澄性質量分析計。 ９ 静電セクターの背後に配設され、半径方向平
   面内の入口スロツトの静電セクターにより与えら
   れる実像に中心が合せられ、かくして、半径方向
   平面内に位置させられた定角軌道に対する開口収
   差と色収差の組合せを削減する第２の６重極型の
   光学装置を含み、補償が、ある選択された質量に
   対して正確になつている特許請求の範囲第２項に
   記載の多重同時検出可能型高清澄性質量分析計。 １０ 第２の６重極型の光学装置が、エネルギ
   ー・フイルター・スロツトのいずれか一方の側
   に、２個の６重極型の光学装置を含むようにした
   特許請求の範囲第９項に記載の多重同時検出可能
   型高清澄性質量分析計。 １１ θ＝90℃で、tanε＝1/2であるようにした
   特許請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか
   に記載の多重同時検出可能型高清澄性質量分析
   計。