JPH0477415B2 - - Google Patents

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JPH0477415B2
JPH0477415B2 JP61029988A JP2998886A JPH0477415B2 JP H0477415 B2 JPH0477415 B2 JP H0477415B2 JP 61029988 A JP61029988 A JP 61029988A JP 2998886 A JP2998886 A JP 2998886A JP H0477415 B2 JPH0477415 B2 JP H0477415B2
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JP
Japan
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electrostatic lens
magnetic field
ion beam
mass spectrometry
spectrometry system
Prior art date
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JP61029988A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS62188152A (en
Inventor
Morio Ishihara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Nihon Denshi KK
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Publication date
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  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、4極静電レンズを構成要素に含む質
量分析装置の改良に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an improvement in a mass spectrometer including a quadrupole electrostatic lens as a component.

[従来技術] 第5図は特開昭59−160949号に紹介されている
質量分析装置の概略を示す。この質量分析装置で
は、イオン源S、一様扇形磁場H、円筒電場C及
びイオン検出器Dがこの順に並べられ、イオン源
Sと一様扇形電場Hとの間に、通過するイオンビ
ームの軌道平面に垂直な方向に集束性を与え、イ
オンビームの動径方向には発散性を与える2個の
4極静電レンズQ1,Q2を配置し、更に一様扇
形磁場Hと円筒電場Cの間に通過するイオンビー
ムの軌道平面に垂直な方向に集束性を与える第3
の4極静電レンズQ3を配置することを特徴とし
ている。
[Prior Art] FIG. 5 schematically shows a mass spectrometer introduced in Japanese Patent Application Laid-Open No. 160949/1983. In this mass spectrometer, an ion source S, a uniform fan-shaped magnetic field H, a cylindrical electric field C, and an ion detector D are arranged in this order. Two quadrupole electrostatic lenses Q1 and Q2 are arranged to provide focusing in the direction perpendicular to the plane and divergence in the radial direction of the ion beam, and further between the uniform fan-shaped magnetic field H and the cylindrical electric field C. A third beam that provides focusing in the direction perpendicular to the orbital plane of the ion beam passing through the
It is characterized by arranging a quadrupole electrostatic lens Q3.

第6図はこの4極静電レンズの一例を示し、同
一円周上に90°間隔でイオンビームの進行方向
(z方向)に平行に配置される4本の円柱電極か
ら構成され、イオンビームの軌道平面に垂直な方
向(y方向)の対向する電極には正の電位が印加
され、イオンビームの動径方向(x方向)の対向
する電極には負の電位が印加される。
Figure 6 shows an example of this quadrupole electrostatic lens, which is composed of four cylindrical electrodes arranged parallel to the ion beam traveling direction (z direction) on the same circumference at 90° intervals. A positive potential is applied to electrodes facing each other in the direction perpendicular to the orbital plane (y direction), and a negative potential is applied to electrodes facing each other in the radial direction (x direction) of the ion beam.

このような提案装置では、4極静電レンズQ
1,Q2によりイオンビームの幅が広げられるた
め、質量分析系のパラメータである像倍率を小さ
くすることができ、分解能を向上させることがで
きる。又、第3の4極静電レンズQ3によりイオ
ンビームが軌道平面に垂直な方向に集束されるた
め、質量分析系におけるイオンビームの通過効率
が向上し、感度も向上させることができる。
In such a proposed device, a quadrupole electrostatic lens Q
Since the width of the ion beam is widened by Q1 and Q2, the image magnification, which is a parameter of the mass spectrometry system, can be reduced, and the resolution can be improved. Furthermore, since the ion beam is focused in a direction perpendicular to the orbital plane by the third quadrupole electrostatic lens Q3, the efficiency of passing the ion beam through the mass spectrometry system is improved, and the sensitivity can also be improved.

[発明が解決しようとする問題点] ところが、本発明者の検討によれば、このよう
な4極静電レンズを使用した質量分析系では、極
めて大きな5次収差が発生し、この5次収差によ
り、分解能及び感度が所期の値に到達し得ない可
能性がある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, according to studies by the present inventor, extremely large fifth-order aberration occurs in a mass spectrometry system using such a quadrupole electrostatic lens. Therefore, the resolution and sensitivity may not reach the desired values.

本発明は、この点に鑑みてなされたものであ
り、静電12極レンズを質量分析系に配置すること
により、4極静電レンズによつて生じる5次収差
を打消すことができる質量分析装置を提供するこ
とを目的としている。
The present invention has been made in view of this point, and is a mass spectrometer that can cancel out the fifth-order aberration caused by the quadrupole electrostatic lens by arranging the electrostatic 12-pole lens in the mass spectrometry system. The purpose is to provide equipment.

[発明の構成] この目的を達成するため、本発明は、イオン源
と、該イオン源で生成されたイオンが導入される
質量分析系であつて、磁場とイオンビームの軌道
平面に垂直な方向に収束性を与えそのイオンビー
ムの動径方向には発散性を与えるために該磁場の
前段に互いに間隔をあけて配置される第1及び第
2の4極静電レンズとを少なくとも含む質量分析
系と、該質量分析系で選択されたイオンが入射す
るイオン検出器とを備えた質量分析装置におい
て、前記質量分析系内でイオンビームの幅が広が
つている前記磁場近傍に12極静電レンズを配置す
るようにしたことを特徴としている。
[Structure of the Invention] To achieve this object, the present invention provides an ion source and a mass spectrometry system into which ions generated by the ion source are introduced, wherein the magnetic field and the direction perpendicular to the orbital plane of the ion beam are a mass spectrometer comprising at least first and second quadrupole electrostatic lenses arranged at a distance from each other in front of the magnetic field to provide convergence to the ion beam and divergence in the radial direction of the ion beam; and an ion detector into which ions selected in the mass spectrometry system are incident, in which a 12-pole electrostatic It is characterized by the arrangement of lenses.

以下、図面を用いて本発明の一実施例を詳説す
る。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be explained in detail using the drawings.

[実施例] 第1図は本発明の一実施例を示す装置構成図で
あり、第5図の提案装置との相違点は、4極静電
レンズQ2と一様扇形磁場Hとの間に12極静電レ
ンズTが新たに挿入配置されたことである。
[Example] FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a device showing an example of the present invention. The difference from the proposed device shown in FIG. The 12-pole electrostatic lens T has been newly inserted and arranged.

第2図は、この12極静電レンズTの断面図を示
し、P1〜P12の12本の円柱電極を30°間隔で
同一円周上に配置してあり、各電極には、交互に
+V及び−Vの電位が印加される。
Figure 2 shows a cross-sectional view of this 12-pole electrostatic lens T, in which 12 cylindrical electrodes P1 to P12 are arranged on the same circumference at 30° intervals, and each electrode is alternately connected to +V and -V potentials are applied.

第3図はこの12本の電極によつて生成される12
重極電場を示す。
Figure 3 shows the 12 generated by these 12 electrodes.
Shows the heavy pole electric field.

ところで、第6図に示すような構造を持つ4極
静電レンズは、理想的には次式で示される電場を
発生する。
By the way, a quadrupole electrostatic lens having a structure as shown in FIG. 6 ideally generates an electric field expressed by the following equation.

V(x、y、z)={K(z)/2}{(x2−y2) +{K(z)″/24}{(x4−y4)} ……(1) ここで、K(z)は四重極場の強さに関する係
数である。
V (x, y, z) = {K (z) / 2} { (x 2 − y 2 ) + {K (z)″ / 24} { (x 4 − y 4 )} ...(1) Here where K(z) is a coefficient related to the strength of the quadrupole field.

(1)式の第1項は四重極場を示す関数で、レンズ
の内部で場がz方向に対して一様な場合はこの項
だけになる。第2項は、レンズの出入口でポテン
シヤルがz方向に一様でない場合に発生する項で
ある。
The first term in equation (1) is a function indicating the quadrupole field, and this term is the only one when the field inside the lens is uniform in the z direction. The second term is a term that occurs when the potential is not uniform in the z direction at the entrance and exit of the lens.

4極静電レンズの出入口では、レンズを出た部
分にもポテンシヤルが存在するが、このポテンシ
ヤルは、対称性から、6次までの近似で次のよう
に表わすことができる。
At the entrance and exit of the quadrupole electrostatic lens, a potential also exists at the part exiting the lens, and this potential can be expressed as follows by approximation up to the sixth order due to symmetry.

V(x、y、z)={K(z)/2}{(x2−y2)+{

(z)″/24}{x4−y4)}+a(x6−15x4y2+15x2y4
−y6) ……(2) ここで、aは十二重極場の強さに関する係数で
ある。
V (x, y, z) = {K (z) / 2} { (x 2 − y 2 ) + {
K
(z)″/24}{x 4 −y 4 )}+a(x 6 −15x 4 y 2 +15x 2 y 4
−y 6 ) ...(2) Here, a is a coefficient related to the strength of the decaphatic field.

(1)式と(2)式を比較すると、(2)式の第3項が新た
に発生したことが分る。この第3項は、4極静電
レンズの出入り口の境界条件が(1)式で与えられる
条件を満す場合には発生しない。しかしながら、
(1)式の条件を満すためには複雑な電極構造と電位
配分を必要とし、現実には無理と言わざるを得な
い。そのため、通常は、上記第3項が発生してい
る。ところが、この第3項は従来考慮されておら
ず、実際のイオン光学系では、5次収差となつて
現われ、その大きさは必ずしも明らかではない
が、4極静電レンズを構成要素とするイオン光学
系は、大きな5次収差が発生する可能性を含んで
いることが分る。
Comparing equations (1) and (2), it can be seen that the third term in equation (2) is newly generated. This third term does not occur if the boundary condition at the entrance and exit of the quadrupole electrostatic lens satisfies the condition given by equation (1). however,
In order to satisfy the condition of equation (1), a complicated electrode structure and potential distribution are required, and it must be said that it is impossible in reality. Therefore, the third term above usually occurs. However, this third term has not been considered in the past, and appears as a fifth-order aberration in actual ion optical systems, and although its magnitude is not necessarily clear, it is It can be seen that the optical system includes the possibility of large fifth-order aberrations occurring.

一方、第1図で示す12極静電レンズは次式で表
わされる十二重極電場φ(x、y)を発生する。
On the other hand, the 12-pole electrostatic lens shown in FIG. 1 generates a dode dipole electric field φ(x, y) expressed by the following equation.

φ(x、y)=Vo(x6−15x4y2+15x2y4−y6
……(3) Voは十二重極電場の強さに関する係数で、レ
ンズ電極に印加するポテンシヤルによつて決定さ
れる。
φ(x, y) = Vo(x 6 −15x 4 y 2 +15x 2 y 4 −y 6 )
...(3) Vo is a coefficient related to the strength of the dipole electric field and is determined by the potential applied to the lens electrode.

(3)式は(2)式第3項と同じ形をしており、5次収
差を発生する。従つて、この12極静電レンズを、
4極静電レンズを構成要素として持つ質量分析系
(イオン光学系内)に挿入し、その強度を適宜設
定することにより、4極静電レンズにより発生す
る5次収差の少なくとも1つの項については打ち
消すことが可能である。
Equation (3) has the same form as the third term of equation (2), and generates fifth-order aberration. Therefore, this 12-pole electrostatic lens,
By inserting a quadrupole electrostatic lens into a mass spectrometry system (within an ion optical system) that has a component and setting its strength appropriately, at least one term of the fifth-order aberration caused by the quadrupole electrostatic lens can be resolved. It is possible to cancel it.

又、12極静電レンズを複数個配置すれば、5次
収差の更に多くの項を打ち消すことが可能であ
る。
Further, by arranging a plurality of 12-pole electrostatic lenses, it is possible to cancel out even more terms of the fifth-order aberration.

12極静電レンズは、イオンビームの中心軌道か
ら離れたところをイオンが通る場所、即ちイオン
ビームの幅が広がつている場所に配置して使用す
ることが望ましい。第1図の実施例では、4極静
電レンズQ1,Q2によつてイオンビームの幅が
最も広げられている4極静電レンズQ2と一様扇
形磁場Hとの間、それも磁場Hに近い場所に配置
されている。
It is desirable to use the 12-pole electrostatic lens at a location where ions pass away from the center orbit of the ion beam, that is, at a location where the width of the ion beam is widened. In the embodiment shown in FIG. 1, between the quadrupole electrostatic lens Q2, where the width of the ion beam is widened the most by the quadrupole electrostatic lenses Q1 and Q2, and the uniform fan-shaped magnetic field H, it is also connected to the magnetic field H. located nearby.

この12極静電レンズは、4次以下の収差につい
ては全く影響を与えない。
This 12-pole electrostatic lens has no effect on fourth-order or lower aberrations.

尚、実際に用いる12極静電レンズとしては、(3)
式で表わされる十二重極電場を近似的に発生でき
るものであれば良い。最も簡単に実現できるの
は、第1図のように円柱電極を用いたものである
が、例えば第4図に示すように円筒電極を用いる
ものでも良い。
The 12-pole electrostatic lens actually used is (3)
Any device that can approximately generate the double dipole electric field expressed by the equation may be used. The easiest method to realize this is to use a cylindrical electrode as shown in FIG. 1, but it is also possible to use a cylindrical electrode as shown in FIG. 4, for example.

[効果] 以上詳述した如く、本発明によれば、磁場とイ
オンビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与
えそのイオンビームの動径方向には発散性を与え
るために該磁場の前段に互いに間隔をあけて配置
される第1及び第2の4極静電レンズとを少なく
とも含む質量分析系を備えた質量分析装置におい
て、磁場近傍に12極静電レンズを配置することに
より、5次収差を低減させることのできる質量分
析装置が実現される。
[Effect] As detailed above, according to the present invention, in order to provide convergence in the direction perpendicular to the magnetic field and the orbital plane of the ion beam, and to provide divergence in the radial direction of the ion beam, the magnetic field is In a mass spectrometer equipped with a mass spectrometry system including at least first and second quadrupole electrostatic lenses arranged at a distance from each other, by arranging a dodecapole electrostatic lens near the magnetic field, A mass spectrometer capable of reducing order aberrations is realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示す装置構成図、
第2図は、第1図の実施例における12極静電レン
ズの断面図、第3図は12極静電レンズにおいて生
成される12重極電場を示す図、第4図は12極静電
レンズの他の例を示す図、第5図は従来装置の構
成を示す図、第6図は4極静電レンズの断面図で
ある。 S:イオン源、H:一様扇形磁場、C:円筒電
場、D:イオン検出器、Q1〜Q3:4極静電レ
ンズ、T:12極静電レンズ、P1〜P12:円柱
電極。
FIG. 1 is a device configuration diagram showing an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a cross-sectional view of the 12-pole electrostatic lens in the embodiment shown in Figure 1, Figure 3 is a diagram showing the 12-dipole electric field generated in the 12-pole electrostatic lens, and Figure 4 is a diagram showing the 12-pole electrostatic field generated in the 12-pole electrostatic lens. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a conventional device, and FIG. 6 is a sectional view of a quadrupole electrostatic lens. S: ion source, H: uniform fan-shaped magnetic field, C: cylindrical electric field, D: ion detector, Q1 to Q3: 4-pole electrostatic lens, T: 12-pole electrostatic lens, P1 to P12: cylindrical electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 イオン源と、該イオン源で生成されたイオン
が導入される質量分析系であつて、磁場とイオン
ビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与えそ
のイオンビームの動径方向には発散性を与えるた
めに該磁場の前段に互いに間隔をあけて配置され
る第1及び第2の4極静電レンズとを少なくとも
含む質量分析系と、該質量分析系で選択されたイ
オンが入射するイオン検出器とを備えた質量分析
装置において、前記質量分析系内でイオンビーム
の幅が広がつている前記磁場近傍に12極静電レン
ズを配置するようにしたことを特徴とする質量分
析装置。
1 A mass spectrometry system into which an ion source and ions generated by the ion source are introduced, which provides convergence in the direction perpendicular to the magnetic field and the orbital plane of the ion beam and divergence in the radial direction of the ion beam. a mass spectrometry system including at least first and second quadrupole electrostatic lenses arranged at a distance from each other in front of the magnetic field to provide a magnetic field; and ions selected by the mass spectrometry system are incident. A mass spectrometer equipped with an ion detector, characterized in that a 12-pole electrostatic lens is disposed near the magnetic field where the width of the ion beam is widened within the mass spectrometry system. .
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