JPH0468740B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

(イ) 産業上の利用分野 この発明は飛行時間型質量分析装置に関し、特
にその分解能の向上に関する。 (ロ) 従来技術 イオンに同じエネルギーを与えても、イオンの
質量が異なれば速度が違うから、一定距離を飛行
するのに要する飛行時間が異つてくる。そこでそ
の飛行時間によつてイオンの質量の分析を行うの
が飛行時間型質量分析装置の基本原理である。 ところが、実際上はイオンに厳密に同じエネル
ギーを与えることは不可能なので、同じ質量のイ
オンでも各々のもつエネルギーに幅が生じ、その
結果として飛行時間が幅をもつてくる。そしてそ
の幅が大きいほど質量分析の分解能は低くなつて
しまう。 従来の飛行時間型質量分析装置として例えば特
開昭57−44953号に開示のものなどがあるが、そ
れらの装置はいずれも前記エネルギー幅による分
解能の低下を充分解消できるものではなかつた。 このような事情に鑑みて、この発明の発明者
は、特願昭57−230158号において、イオン飛来側
端からの軸方向の距離に強さが比例しかつ飛来す
るイオンを押しもどす方向の電界を内部に形成し
た分析管を用いて分解能を向上した飛行時間型質
量分析装置を提案した。 しかし、上記提案の装置では、イオンが分析管
内だけ飛行する場合には問題がないが、イオン引
出手段やレンズ手段などを設けるためにイオン発
生位置と分析管の間に空間があくと、この空間を
飛行する時間がイオンのエネルギーのばらつきに
より幅をもつてくるため、トータルとして分解能
が低下する問題がある。 (ハ) 目的 この発明の目的は、イオン発生位置と分析管の
間に空間が存在している場合においても、トータ
ルの分解能を低下させないことにある。 (ニ) 構成 この発明の飛行時間型質量分折装置は、加速し
たイオンを放出するイオン放出手段、そのイオン
放出手段側端からの軸方向の距離に強さが比例す
る傾斜電界と一定の強さの均一電界とを加算した
強さを有しかつ前記イオン放出手段から飛来する
イオンを押しもどす方向の電界を内部に形成され
た分析管およびその分析管内の電界により押しも
どされて分析管から出てくるイオンを検知するイ
オン検知手段を具備して構成される。 (ホ) 実施例 以下、図に示す実施例に基いて、この発明を詳
説する。ただし、これによりこの発明が限定され
るものではない。 第１図に示す１は、この発明の飛行時間型質量
分析装置の一実施例であり、イオン放出手段２、
分析管６およびイオン検知手段１０を具備してな
つている。 イオン放出手段２は、パルスレーザ光やパルス
状電子線を照射手段３によりターゲツト物質４に
当ててイオンを生成し、レンズ５を通して放出す
る従来公知の手段である。レーザ光照射の場合
は、固体のターゲツト物質を用いることができか
つ微少部分にのみ照射することができる利点があ
るが、エネルギーのばらつきが数100〔eV〕で大
きい欠点がある。一方、電子線照射の場合は、エ
ネルギーのばらつきが数10〔eV〕で小さい利点が
あるが、ターゲツト物質をガス化しなければなら
ない欠点がある。 分析管６は、軸ａに沿つて等間隔で並べられた
多数のリング状電極７からなるものである。各リ
ング状電極７には、抵抗分圧回路８によつて、イ
オン放出手段２側の端からの距離Ｚの２乗に比例
した電圧Vqと距離Ｚに比例した電圧Vpとの和の
電圧Vrが印加されている。いまVqとVpとを、 Vq＝１／２αZ² ……（１−１） Vp＝βZ ……（１−２） とすれば、Vrは、 Vr＝Vq＋Vp ＝１／２α（Ｚ＋β／α）²−β²／2α……（１−３
） となるから、第２図に示すように、各電極７の電
圧Vrは、分析管６よりもイオン放出手段２側の
基準点Ｑからみた距離の２乗に比例して増大する
電圧である。 分析管６内の電界Ｅは、上記電圧Vrを距離Ｚ
で微分して得られるから、 Ｅ＝αZ＋β ……（１−４） となり、距離Ｚに比例する傾斜電界E₁（＝αZ）と
一定の強さの電界E₂（＝β）との和の強さの電界
となる。電界Ｅの向きは、イオン放出手段２から
放出されるイオンをイオン放出手段２側へ押しも
どす向きとなるように直流電源９の極性により定
められている。そこでイオン放出手段２から分析
管６内に放出されたイオンは、後述するごとく分
析管６のサイズが充分大きければ第４図に示すよ
うに、電界ＥによりＵターンされ、再びイオン放
出手段２側へ飛び出してくる。 イオン検知手段１０は、分析管６から飛び出し
てくるイオンを検知するもので、従来公知の手段
である。 さて、作動を説明するために、質量ｍ、電荷量
ｑ、初期エネルギーV₀のイオンが分析管６内に
放出されたものとする。また分析管６において、
軸ａの方向をＺ方向とし、軸ａに垂直な方向をｒ
方向とする。 イオンはエネルギーV₀を運動エネルギーとし
てもつているので、イオンの初速度S₀は、次の
（２−１）式で規定される。 つまり、初期エネルギーV₀に幅があるときは、
イオンの初速度S₀の幅となつて表われることが分
る。 イオンの発生位置から分析管６までの距離を
L₀とすれば、この間はイオンの速度に対して影
響を与える電界は無いから、速度はS₀で一定であ
り、したがつて飛行時間T₀は、 である。 ところで分析管６内における運動方程式は、軸
ａの方向すなわちＺ方向に対しては、電界Ｅによ
りＺ方向と逆向きの力をうけるから、 ｍd²Z／dt²＝−qE＝−qαZ−qβ ……（３−１） 初期条件として、イオンが分析管６に進入した
時点をｔ＝Ｏ、進入位置をＺ＝Ｏ、速度は上記S₀
で、（３−１）式を解けば、 これを変形すると、 ただし、

【式】 ここで分析管６の後端の電極７′の電圧すなわ
ち供給電圧V_Lを（１−１）式および（１−２）
式で表現すると、 V₁＝１／２αL² ……（３−４） V₂＝βL ……（３−５） となるが、これを（３−３）式に適用して整理す
ると、 ただし、

【式】 となる。 イオンが分析管６に進入してから再び飛び出し
てくるまでの飛行時間T₁は、（３−６）式におい
てＺ＝０を与えるｔ（ただし、０を除く）だから、 これを整理すれば、 である。 さて、トータルの飛行時間ＴはT₀とT₁の和で
あるから、 となる。 いま、イオンの初期エネルギーV₀に幅がある
場合を考えて初期エネルギーV₀をV₀＋△V₀と
し、かつ表記の都合上

【式】 △V₀／V₀＝δとおき、３次以上の項は無視できると して、δに関して展開すれば、 δの１次の項の係数が０となる条件をもとめる
と、 これをδの２次の項の係数に適用すれば、 となる。これを０とするためには、V₂＝L₀／Ｌ・V₁ であればよいが、これと（４−２）式が同時に成
立するためにはL₀＝０でなければならない。し
かし、この装置１ではL₀≠０であるから、この
条件は満足されず、従つてδの２次の項を０とす
ることはできない。結局、（４−２）式を満足す
るとしたときのトータルの飛行時間は、 となる。つまり、（△V₀／V₀）²の項が分解能を決定 することになる。 さて、（３−９）式もしくは（４−４）式から、
Ｔ∝√であり、これより

【式】 である。そこで分解能をもとめると、 ｍ／△ｍ＝１／２・Ｔ／△Ｔ ……（４−５） となるが、この（４−５）式に（４−４）式を適
用すれば、 となる。 たとえば装置１において、L₀＝0.085〔ｍ〕、Ｌ
＝0.25〔ｍ〕、V₀＝2000〔Ｖ〕、V₁＝2000〔Ｖ〕とす
ると、（４−２）式の条件から、V₂＝700.88〔Ｖ〕
とすればよいが、このとき（４−６）式は、 ｍ／△ｍ≒2.476×10⁹×１／△V₀ ² ……（４−７） となる。そこでたとえば△V₀が200〔Ｖ〕とする
と、 ｍ／△ｍ＝61900 となり、これは従来の飛行時間型質量分析装置よ
りも格段に優れた分解能である。 第５図は、（３−９）式によつて初期エネルギ
ーV₀と飛行時間Ｔの関係をもとめたグラフであ
る。装置条件は、L₀＝0.085〔ｍ〕、Ｌ＝0.25〔ｍ〕、
V₁＝2000〔Ｖ〕、で、V₀＝2000〔Ｖ〕のときに（４
−２）式を満たすようにV₂＝700.877〔Ｖ〕とし、
かつイオンは銅イオンを想定してｍ＝63としてい
る。第５図から分るように、初期エネルギーV₀
が2000〔Ｖ〕から500〔Ｖ〕前後のばらつきをもつ
ていたとしても、飛行時間Ｔはわずかに１〔nsec〕
の幅をもつにすぎず、極めて優れた性能である。 他の実施例としては、比抵抗が距離Ｚに対して
aZ²＋bZなる非電導性材料によつて分析管を形成
し、内部に所望の電界を発生させてもよい。 また隣接する電極の電位差が一定である多数の
リング状電極を軸に沿つて並べ、各電極間隔を徐
徐に狭くしていくことによつて所望の電界を発生
させてもよい。 さらにイオン検知手段として、中央に孔の開い
たマイクロチヤネルプレートを用い、その孔を通
してイオンを分析管に入射させ、反射してきたイ
オンをマイクロチヤネルプレートで検出するよう
にしてもよい。 (ヘ) 効果 この発明の飛行時間型質量分析装置によれば、
イオン発生位置と分析管の間が離れている場合で
あつてもイオンの初期エネルギー幅による分解能
の低下が防止され、高い分解能を得ることができ
る。そこで、パルスレーザ光により生成されたイ
オンのような大きな初期エネルギー幅をもつイオ
ンの質量分析が高分解能で可能となり、また高速
化学反応の時間分解質量スペクトルが高分解能で
得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の飛行時間型質量分析装置の
一実施例の構成説明図、第２図および第３図は第
１図に示す装置における分析管内のポテンシヤル
と電界の強さを各々示す特性図、第４図は第１図
に示す装置におけるイオンの飛行軌跡を示す模式
図、第５図はこの発明の飛行時間型質量分析装置
の一具体例の分解能を説明するための特性図であ
る。 １……飛行時間型質量分析装置、２……イオン
放出手段、６……分析管、７……リング状電極、
８……抵抗分圧回路、９……直流電源、１０……
イオン検知手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加速したイオンを放出するイオン放出手段、
   そのイオン放出手段側端からの軸方向の距離に強
   さが比例する傾斜電界と一定の強さの均一電界と
   を加算した強さを有しかつ前記イオン放出手段か
   ら飛来するイオンを押しもどす方向の電界を内部
   に形成された分析管およびその分析管内の電界に
   より押しもどされて分析管から出てくるイオンを
   検知するイオン検知手段を具備してなることを特
   徴とする飛行時間型質量分析装置。 ２ 分析管の軸方向に等間隔で多数のリング状電
   極が配置され、イオン放出手段側端から各電極ま
   での距離の２乗に比例した電圧と距離に比例した
   電圧を加算した電圧がそれぞれの電極に印加され
   てなる特許請求の範囲第１項記載の装置。