JPH04237941A - 電場セクタ用電極 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量分析装置等に用い
られる電場セクタ用の電極の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】質量分析装置においては、通常、電場セ
クタと磁場セクタが配置される。そして、電場セクタと
磁場セクタは、光軸（以下、光軸をＺ軸とする）に沿っ
て電場セクタ、磁場セクタの順にそれぞれ単独に直列に
配置されることも、同一位置に配置されて重畳場を形成
することもある。電場セクタ用の電極としては、絶縁体
上に複数の線状電極を配置した、いわゆる多電極構造の
もの、あるいは、左右に配置された２極の主電極の上下
に、通称松田プレートと称される補助電極を配置した構
造のもの等が知られている。

【０００３】図１１は前者の構成例を示す図であり、図
１１Ａは平面図、同図Ｂは図１１ＡのＡ−Ａから見た側
面図である。Ｚ軸の上下には、それぞれ、上側抵抗膜電
極４０、下側抵抗膜電極４１が配置され、内側電極４２
および外側電極４３により所定の間隔をもって配置され
る。上側抵抗膜電極４０および下側抵抗膜電極４１は、
それぞれ、抵抗膜上に、例えば　０．２　ｍｍ　幅の白
金からなる線状電極が、例えば　２．５　ｍｍ　のピッ
チで形成されている。従って、例えば、内側電極４２に
所定の負の電位を、外側電極４３に正の電位を与えると
、上側抵抗膜電極４０と下側抵抗膜電極４１との間に形
成される等電位面は図１１Ｂの４６で示すようになり、
従って、電場は図の矢印４７で示す方向となるから、正
の電荷を有するイオンビームは矢印４７とは反対の方向
、即ち内側電極４２側に曲げられることになる。なお、
図１１Ａにおいて、４４、４５はシャント板であり、当
該電場セクタの入射口および出射口にそれぞれ所定の間
隔ｄをもって配置されている。

【０００４】図１２は後者の電極の構成例を示す斜視図
であり、主電極５０，５１はＺ軸に対して回転対称に配
置されて偏向器として機能し、該主電極５０，５１の上
下には、通称松田プレートと称される補助電極５２，５
３を備えている。そして、補助電極５２，５３には所定
の電圧が印加されて同電位となされる。また、主電極５
０，５１には、イオンが陰イオンの場合には、それぞれ
Ｖｄ，　−Ｖｄ　（Ｖｄ　＞０）が印加され、陽イオン
の場合にはそれぞれ−Ｖｄ　，　Ｖｄ　が印加される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
の構成の電極においては、電場強度の広い範囲に渡って
理論計算通りの制御を行うことができるばかりでなく、
上側抵抗膜電極４０と下側抵抗膜電極４１との間のギャ
ップＧを　１５ｍｍ　程度あるいはそれ以下に狭くする
ことができるので、当該電場セクタの上下に磁極を配置
して重畳場を形成する場合には磁場を形成するためのア
ンペア・ターンを小さくできるという利点を有するもの
の、線状電極の位置には高い精度が求められるので、製
作上の問題があり、特に線状電極の数が多い場合には製
作が困難となる。また、線状電極を形成する絶縁体の抵
抗値は経年変化により徐々に低くなるが、これを避ける
ことができないという問題もある。また、図１２に示す
構成の電極においては、構造が簡単なので製作が容易で
あり、しかも補助電極に印加する電圧を変化させること
によって、電場強度と磁場強度の広い範囲に渡って集束
条件を一定に保つことができるが、当該電極を重畳場に
使用し、良好な分解能を得るためには、補助電極５２，
５３の間のギャップＧは　３０　〜　４０　ｍｍ程度は
必要となり、大型になるばかりでなく、所定の磁場強度
を得るためには多くのアンペア・ターンが必要となると
いう問題があり、更に、電場に歪みが生じ、且つ電場の
３次の係数が大きくなり、重畳場型質量分析装置として
の分解能が低下してしまうという問題がある。本発明は
、上記の課題を解決するものであって、小型で製作が容
易で、且つ電場のコントロールを容易にできる電場セク
タ用電極を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の電場セクタ用電極は、対向して配置され
た補助電極の間に光軸に対して回転対称に配置された主
電極を備える電場セクタ用電極において、前記主電極は
複数対の電極を備えることを特徴とする。

【０００７】

【作用】光軸に対して回転対称に配置される二つの主電
極は、それぞれ同じ個数に複数分割されており、且つそ
れぞれの主電極の対応する分割電極は対をなしている。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。 図１は本発明に係る電場セクタ用電極を重畳場型質量分
析装置に適用した場合の一実施例の構成を示す図であり
、図１Ａは断面図、図１Ｂは平面図である。外側主電極
２Ｌ　は、３Ｌ　，　４Ｌ　，　５Ｌ　の３つの電極を
備え、内側主電極２Ｒ　は３Ｒ　，　４Ｒ　，　５Ｒ　
の３つの電極を備えている。電極３Ｌ　と電極３Ｒ　、
電極４Ｌ　と電極４Ｒ　、電極５Ｌ　と電極５Ｒはそれ
ぞれ対をなし、Ｚ軸に対して回転対称となる位置に配置
されている。外側主電極２Ｌ　と内側主電極２Ｒ　の上
下には、それぞれ補助電極６，７がｘ軸に対して平面対
称に配置されている。そして、外側主電極２Ｌ　、内側
主電極２Ｒ　及び補助電極６，７の４種類の電極で構成
される電場セクタ用電極の上下には、それぞれポールピ
ース１，１０が配置され、これによって重畳場が形成さ
れる。なお、図１Ｂにおいてはポールピース６，７は省
略されており、８は入射口側ヘルツォークシャント、９
は出射口側ヘルツォークシャントを示す。各電極には図
１Ａに示すような電圧が印加される。即ち、電極３Ｌ　
と電極５Ｌには電圧Ｖ２　が印加され、電極３Ｒ　と電
極５Ｒ　には電圧Ｖ１　が印加され、補助電極６，７に
は電圧Ｖ３　が印加される。そして、電極４Ｌ　に電圧
Ｖ４　（但し、Ｖ４＞０）が印加された場合には、電極
４Ｒ　には−Ｖ４　の電圧が印加される。

【０００９】次に、形成される電場について説明する。

【００１０】ところで、図１に示すようなＺ軸に関して
回転対称な電場のイオン光学的な特性は、図１Ａのｘ−
ｙ平面における任意の点（ｘ，ｙ）の電位φを下記の（
１）式のように展開したときの係数Ｕｉ０（ｉ＝１，２
，……）、即ちｘ方向についての電位φの変化率によっ
て決定されることが知られている。

【００１１】

【数１】

【００１２】但し、ａは図１Ｂに示すようにＺ軸の回転
半径であり、また係数Ｕｉ０は、

【００１３】

【数２】

【００１４】で表される。従って、Ｅ０　は、ｘ−ｙ平
面の原点における電場強度をＥとしたとき、電位の１次
の係数Ｕ１０を用いて、−Ｅ／Ｕ１０で求められる値で
ある。

【００１５】イオン光学では、電位については４次の係
数まで、即ち軌道については３次の係数までを考慮すれ
ば十分であるので、結局重畳場のイオン光学的特性はＵ
１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の４つの係数で決定され
ることになる。なお、これらはそれぞれ下記の（３）式
、（４）式、（５）式、（６）式で与えられる。

【００１６】

【数３】

【００１７】

【数４】

【００１８】

【数５】

【００１９】

【数６】

【００２０】ここでＶはイオンの加速電圧である。そし
て、これら４つの係数Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０
の値は各電極に印加される４つの電圧Ｖ１　，　Ｖ２　
，　Ｖ３　，Ｖ４　の組合せにより決定され、係数Ｕ１
０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０が決定されることによって
、５次以上の係数Ｕ５０，Ｕ６０，……の値が自動的に
定まる。なお、２次の係数Ｕ２０は軌道の１次収差を支
配する係数であり、３次の係数Ｕ３０は軌道の２次収差
を支配する係数であり、４次の係数Ｕ４０は軌道の３次
の収差に影響する係数である。Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０
，Ｕ４０の特定の値の組に対する電場、従って各電極に
印加する電圧Ｖ１　，　Ｖ２　，　Ｖ３　，　Ｖ４　の
値は、例えば表面電荷法とシンプレックス（ＳＩＭＰＥ
Ｘ）法を組み合わせてシミュレーションを行うことによ
り、精度よく求めることができる。その例を以下に説明
する。

【００２１】１次のオーダーで二重集束であり、且つ立
体集束を成立させる重畳場を形成するための電場は、Ｕ
１０＝−１．０　且つＵ２０＝０である必要があること
が分かっている。また、Ｕ３０及びＵ４０も零の近傍が
よいことが本発明者による実験を含めた理論的検討によ
り明らかになっている。そして、イオン加速電圧ＶをＶ
＝　３．０ｋＶとしたとき、Ｕ１０＝−１．０　，Ｕ２
０＝Ｕ３０＝Ｕ４０＝０となる電圧値は、Ｖ１　＝Ｖ１
０，Ｖ２　＝Ｖ２０，Ｖ３　＝Ｖ３０，Ｖ４　＝Ｖ４０
とおくと、計算により次のような値となる。 Ｖ１０＝−１．２４４３８９×１０２　（Ｖ）　　　　
　　　　…（７）Ｖ２０＝　　３．０８３１８０×１０
２　（Ｖ）　　　　　　…（８）Ｖ３０＝−１．３９９
７９３×１０２　（Ｖ）　　　　　　　　…（９）Ｖ４
０＝−１．９９９８６１×１０２　（Ｖ）　　　　　　
　　…（１０）しかし、実際にはフリンジ場や端面場の
影響によって１次の集束条件がずれるので、Ｕ１０，Ｕ
２０，Ｕ３０，Ｕ４０の値は上記の値からずれ、従って
各電極に印加する電圧Ｖ１０，Ｖ２０，Ｖ３０，Ｖ４０
の値も異なってくる。このときのｘ−ｙ平面の原点にお
けるＵ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の値を、それぞれ
Ｕ１００，Ｕ２００，Ｕ３００，Ｕ４００　とおくと、
原点からのＵｉ０（ｉ＝１，２，３，４）の変化は次の
式で表すことができる。 △Ｕ１　＝Ｕ１０−Ｕ１００　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　…（１１）△Ｕ２　＝Ｕ２０−Ｕ２００
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１２）△
Ｕ３　＝Ｕ３０−Ｕ３００　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　…（１３）△Ｕ４　＝Ｕ４０−Ｕ４００　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１４）そし
て、このとき、△Ｖ１　＝Ｖ１　−Ｖ１０，△Ｖ２　＝
Ｖ２　−Ｖ２０，△Ｖ３　＝Ｖ３　−Ｖ３０，△Ｖ４　
＝Ｖ４　−Ｖ４０として、

【００２２】

【数１５】

【００２３】

【数１６】

【００２４】

【数１７】

【００２５】

【数１８】

【００２６】が成り立ち、また、

【００２７】

【数１９】

【００２８】とおくと、

【００２９】

【数２０】

【００３０】とマトリクスで表すことができ、従って、

【００３１】

【数２１】

【００３２】となり、必要なＵｉ０の値が求められ、従
って△Ｕｉ　が求められた場合には、この（２１）式を
用いてＶｉ　を求めることができる。なお、（２１）式
は｜△Ｕｉ　｜≒　１．０及び｜△Ｕｉ　｜＜１．０　
の範囲では（２０）式、（２１）式がかなり正確に成立
していることは表面電荷法等により確認されている。こ
こで、Ｕ１００　＝−１，Ｕ２００＝Ｕ３００＝Ｕ４０
０＝０のときのＡｉｊの値は、各電極の寸法が図２に示
すようであるとき、図３に示す値となることがシミュレ
ーションにより求められている。 なお、図２において数値の単位はｍｍである。

【００３３】図４は、Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の値を原
点に固定した状態、即ちＵ２０＝Ｕ２００＝０，Ｕ３０
＝Ｕ３００＝０，Ｕ４０＝Ｕ４００＝０の状態において
、Ｕ１０を変化させたときの電圧Ｖｉ　（ｉ　＝１，２
，３，４　）の変化を示す図であり、図５は、Ｕ１０，
Ｕ３０，Ｕ４０の値を原点に固定した状態、即ちＵ１０
＝Ｕ１００　＝−１，Ｕ３０＝Ｕ３００＝０，Ｕ４０＝
Ｕ４００＝０の状態においてＵ２０を変化させたときの
電圧Ｖｉ　の変化を示す図であり、図６は同様に、Ｕ１
０＝Ｕ１００　＝−１，Ｕ２０＝Ｕ２００＝０，Ｕ４０
＝Ｕ４００＝０の状態において、Ｕ３０を変化させたと
きの電圧Ｖｉ　の変化を示す図であり、図７はＵ１０＝
Ｕ１００　＝−１，Ｕ２０＝Ｕ２００＝０，Ｕ３０＝Ｕ
３００＝０の状態においてＵ４０を変化させたときの電
圧Ｖｉ　の変化を示す図である。なお、図４〜図７にお
いては電圧Ｖｉ　は偏向の基準電圧（Ｖ０　＝　２００
Ｖで規格化されて表されている。図４〜図７から容易に
理解できるように、Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の
中の一つだけを変化させ、残りの係数を固定したときの
電圧Ｖｉ　の変化は、広い範囲に渡って直線で表される
ことが分かる。特に、Ｕ３０を変化させたときには、図
６から明らかなように、Ｕ３０が±　１．０程度変化し
ても規格化された値（Ｖｉ　／Ｖ０　）はグラフ上では
殆ど変化しない。従って、図６には、原点における電圧
Ｖｉ０からのずれ、即ち△Ｖｉ　が示されているもので
ある。これによれば、Ｕ３０が−１．０　〜１．０　ま
で変化するとき各Ｖｉ　の変化△Ｖｉ　は殆ど１Ｖ以下
であり、このことは逆にＶ１，Ｖ２，Ｖ３　が少し変化
してもＵ３０は大きく変化することを示している。

【００３４】次に、Ｕｉ０が変化したときにイオン光学
的な集束特性がどのように変化するかについて説明する
。 Ｕ１０の変化△Ｕ１０は１次のエネルギー収差を与える
。従って、質量分解能３０００を得るためには、△Ｕ１
０は少なくとも下記の条件を満足する必要がある。

【００３５】

【数２２】

【００３６】次に、Ｕ２０は図８から１次の方向集束の
収差に影響する係数であることが分かる。即ち、図８Ａ
，Ｂはそれぞれ、Ｕ１０＝−１．０　，Ｕ３０＝２．５
　，Ｕ４０＝０に固定し、Ｕ２０を　０　にした場合、
−０．０５にした場合のＺ方向のビームの１次の集束点
を示す図であり、これからＵ２０を変化させると１次の
集束点が移動することが理解できる。従って、Ｕ２０の
変化△Ｕ２０は少なくとも下記の条件を満足する必要が
ある。

【００３７】

【数２３】

【００３８】次に、Ｕ３０は、図９からビームの集束点
における２次収差によるビームの広がりに影響すること
が分かる。即ち、図９Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤはそれぞれＵ１０
，Ｕ２０，Ｕ４０を固定し、Ｕ３０を−５．０　にした
場合、０　にした場合、２．５　にした場合、５．０に
した場合の集束点における２次収差に基づくビームの広
がりを示す図であり、これからＵ３０を変化させると集
束点において２次収差に基づくビームの広がりが変化す
ることが分かる。なお、図９ではＵ３０以外のＵｉ０の
値は、Ｕ１０＝−１．０　，Ｕ２０＝−０．０５，Ｕ４
０＝０である。そして、ビームの開き角が±１／１５０
（ｒａｄ）に対して、Ｕ３０が　２．５程度変化した場
合には、２次収差によるビームの広がりは　５０　μｍ
程度になることが確認されている。これは質量分解能６
０００に相当するものである。従って、Ｕ３０の変化△
Ｕ３０は下記の条件を満足する必要がある。

【００３９】

【数２４】

【００４０】次に、Ｕ４０については、Ｕ４０が　１０
　程度変化しても理論計算上ではイオンパスは殆ど変わ
らないことが確かめられている。しかし、Ｕ４０が変化
すると、５次以上の収差によって、図１０に示すように
電場に歪みが生じることがシミュレーションの結果明ら
かになっている。図１０Ａ，ＢはそれぞれＵ１０＝−１
．０　，Ｕ２０＝−０．０５，Ｕ３０＝２．５　に固定
し、Ｕ４０を０．４５にした場合、−０．４５にした場
合の電気力線の様子を示した図であり、図１０Ａの方が
同図Ｂよりも電場の歪みが小さいことが分かる。なお、
各電極の寸法は図２に示すものと同じである。

【００４１】以上のことから、図１に示すように二つの
主電極をそれぞれ３分割し、各電極には上下対称となる
電位を与えることによって、イオン光学的な集束条件、
即ちエネルギー集束性（Ｕ１０）、方向の１次集束性（
Ｕ２０）及び２次収差（Ｕ３０）を独立に制御すること
ができ、次に、こうして得られた最適なＵ１０，Ｕ２０
，Ｕ３０の組み合わせに対してＵ４０を変化させて良好
な電場が得られる値を求めることによって、良好な電場
を得ることができることが確認されている。

【００４２】以上、本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種
々の変形が可能である。例えば、上記実施例では主電極
を３分割にしたが、２分割または４分割以上に分割する
こともでき、分割数を多くすることによって、より均一
な電場を発生させることができる。また、補助電極を図
１１に示すような多電極で構成することも可能であり、
更に、主電極の電極分割は、上記実施例ではそれぞれ別
個の電極を用いるものとしているが、主電極を多電極で
構成し、線条電極に印加する電圧を変えることによって
、電気的に電極分割を行うことも可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、小型で作成の容易な電場セクタ用電極を得る
ことができるばかりでなく、エネルギー集束性、方向の
１次集束性及び２次収差を独立に制御でき、しかも高次
の収差に基づく電場の歪みも制御できるので、最適な電
場を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に係る電場セクタ用電極の一実施例
の構成を示す図である。

【図２】　　電極の寸法例を示す図である。

【図３】　　Ａｉｊの値の例を示す図である。

【図４】　　Ｕ１０のみを変化させたときの各電極電圧
の変化を示す図である。

【図５】　　Ｕ２０のみを変化させたときの各電極電圧
の変化を示す図である。

【図６】　　Ｕ３０のみを変化させたときの各電極電圧
の変化を示す図である。

【図７】　　Ｕ４０のみを変化させたときの各電極電圧
の変化を示す図である。

【図８】　　Ｕ２０のみを変化させたときのＺ方向のビ
ームの１次の集束点のシフトを説明するための図である
。

【図９】　　Ｕ３０のみを変化させたときの２次収差に
基づくビームの広がりを説明するための図である。

【図１０】　　Ｕ４０を変化させたときに発生する電場
の歪みを説明するための図である。

【図１１】　　従来の多電極を示す図である。

【図１２】　　従来用いられていた電場セクタ用電極の
構成例を示す図である。

【符号の説明】

１，１０…ポールピース、２…主電極、３，４，５…分
割電極、６，７…補助電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　対向して配置された補助電極の間に光
   軸に対して回転対称に配置された主電極を備える電場セ
   クタ用電極において、前記主電極は複数対の電極を備え
   ることを特徴とする電場セクタ用電極。