JPH08111205A - 電界勾配制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンタクト間およびメッシュ間に連続電圧勾
配を発生させ、イオン試料の正確かつ効果的使用を可能
とし、さらに製作に費用がかからず自己遮蔽型とするこ
とも可能で、かつコンパクトな電界勾配制御装置を提供
する。 【解決手段】 外部電界を加えることによって荷電粒子
流の経路を制御する電界勾配制御装置１０において、予
め決めた値のシート抵抗１８を有し、第一と第二の断面
領域をもち、その第一断面領域が荷電粒子流を受けるよ
うにした囲壁構造１２と、その囲壁構造に接続され、第
一断面領域と一致して配置された第一金属化接続リング
１４Ａと、その囲壁構造に接続され、第二断面領域と一
致して配置された第二金属化接続リング１４Ｂと、囲壁
構造１２内部に電圧勾配が形成されるよう第一と第二の
金属化接続リング１４Ａ，１４Ｂ間に電界をかけること
によって荷電粒子流の経路を制御する制御装置１０と、
から成ることを特徴とする電界勾配制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、荷電粒子ミラー
に関し、特に、飛行時間型質量分析法に関する。本発明
は、より正確かつ効果的試料分析を可能にする連続的電
圧勾配をもたらすものである。

【０００２】

【技術背景】飛行時間型分析法（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌ
ｉｇｈｔ−ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）において、イオ
ンは、電界が存在する短いソース領域で形成され、その
イオンは比較的長い電界の無いドリフト領域へ加速され
る。理想的には、電界はイオンに均等に同一の運動エネ
ルギー（ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ−ＫＥ）を分与
し、その結果、それらはそれらの質量に依存する別々の
速度を持つことになる。イオンがドリフト領域を横断す
るのに要する時間（ｔ）は、イオンの質量によって決ま
る。飛行時間型質量分析計の時間軸は、質量だけでな
く、イオンの（時間的、空間的、及び運動学的）初期エ
ネルギー分布、加速中のそれらの行く末、及び記録系の
特性を反映する。内部エネルギーの広がり分布に起因し
て、同一質量を持つ２つのイオンを同一場所から加速で
きるが但しそれらは異なった速度（運動エネルギー）を
持つことになる。この現象が生ずる時、分解能損失を来
すように、検出器への到達時間の分布が記録される。さ
らに分解能損失は、異なった場所からの加速によっても
引き起こされる。

【０００３】分解能は、初期の運動エネルギー分布の時
間的影響を補正するために、高加速電圧を印加すること
により改善することができ、これには、異なったイオン
エネルギーから生ずる分布を極小にするか又は、Ｍａｍ
ｙｒｉｎ等によって１９７３年に提議されたような、イ
オンミラー、「リフレクトロン」（ｒｅｆｌｅｃｔｒｏ
ｎ）が使用される。飛行管の端末に置かれたリフレクト
ロンは、イオン源の電圧より僅かに高い値まで（最も簡
単な場合直線的に）増加する電圧をもつ一組のリング及
び／又はグリッドで構成される。イオンはそれらの運動
エネルギーがゼロに達するまでリフレクトロン中を通過
し、反対方向に向きを変え、リフレクトロンを通して後
方に再加速され、それらの入射エネルギーと同一のエネ
ルギーを持っているが反対方向の速度を持って出てく
る。より大きいエネルギーをもったイオンは、リフレク
トロン中をより深くまで入り、比較的少ないエネルギー
を有するものより長い飛行経路を持つことになる。これ
らの比較的高いエネルギーのイオンは、より少ないエネ
ルギーのイオンとほとんど同じ時間に検出器に到達し、
これによってエネルギーの拡がりが補償される。不運に
も、イオンは、各リングにかかる電圧の不連続性性によ
って部分的にみて直線形の電界勾配に作用される。内部
周辺に近いイオンは失われることがあり得、外部電界は
残留イオンに影響を及ぼし得る。さらに、この「一組の
リング」は、製作するにはかさばりかつ費用がかかる。
リングは、真空系に対して大きい表面積を呈し、このこ
とは、潜在的に大きい初期の水蒸気及び吸着ガス負荷を
処理するために付帯的排気容量を必要とする。

【０００４】必要なものは、連続電界勾配を発生させて
イオン試料からの有効信号を最大にできる勾配制御装置
（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｄｅｖｉ
ｃｅ）である。その勾配制御装置がイオン試料に及ぼす
どのような外部電界の影響も最小にする自己遮蔽型であ
るならさらに有益であろう。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は、コンタクト間あるいは
メッシュ間に連続電圧勾配を発生させ、イオン試料の正
確かつ効果的使用を可能とし、さらに製作に費用がかか
らず自己遮蔽型とすることも可能で、かつコンパクトな
電界勾配制御装置を提供することである。

【０００６】

【発明の概要】勾配制御装置は、荷電粒子ミラーとして
作用し、電界が印加された時荷電粒子流の経路の速度と
方向を制御するものである。勾配制御装置は、その外壁
上にスプリアス外部電界の影響を極小にする物質を有し
てよい絶縁基体（ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｓｕｂｓｔｒ
ａｔｅ）である。その基体の両端は金属化コンタクトを
有している。内壁は、ある電圧が金属コンタクト間に印
加された時に所望の電圧勾配を与える抵抗性コーティン
グを有する。金属化コンタクトの各々は、印加電界を終
わらせるような基体の断面積と一致したメッシュであっ
てよい。追加の中間コンタクトとメッシュは、電圧勾配
を修正するために用いてよい。

【０００７】

【実施例】本願発明は、科学装置及びシステム、特に、
飛行時間型質量分析計に用いられる電気的に抵抗性のあ
る勾配制御装置である。１つの応用では、装置は、イオ
ンミラー（リフレクトロン）として動作し、これは連続
電圧勾配が加えられるとき、荷電粒子流の経路長を制御
することにより検出器へのイオンの到達時間の差を補正
するものである。他の応用を以下に説明する。

【０００８】図１は、従来技術の「一組のリング」リフ
レクトロンであり、区別された抵抗１８及び電圧源２２
によってリングに沿う電圧勾配を生ずるものである。

【０００９】図２は、勾配制御装置１０の好ましい具体
例を示し、その長さの両端に電圧が印加されるとき、荷
電粒子流の経路を制御するものである。勾配制御装置１
０は、絶縁材料の囲壁構造１２（基体）を含んでいる。
２つの金属化コンタクトリング１４Ａ、１４Ｂがあり、
それぞれはその構造の対向する両端に配置される。各コ
ンタクト１４Ａ、１４Ｂは、囲壁構造１２の対応する断
面領域１６Ａ、１６Ｂの周りに分布する。コンタクト１
４Ａ、１４Ｂの各々は、それぞれの断面領域１６Ａ、１
６Ｂにて一定の電位を与える微細金属メッシュを含んで
いてもよい。あるいは、コンタクトの１つは頑丈な後板
（ｂａｃｋｐｌａｔｅ）でもよい。囲壁構造１２の丸型
内壁は、抵抗皮膜１８で被覆され、これは２つのコンタ
クト１４Ａ、１４Ｂに電圧が印加されるときに所望の電
圧勾配が設定されることになる連続電気抵抗性内表面を
もたらすものである。図２に説明した具体例では、オプ
ションであるコンタクトリング３２、又はリング群、が
２つの金属化コンタクトリング１４Ａ、１４Ｂ間の内表
面に追加されている。オプションのコンタクトリングの
構成により、もし必要なら、隣合うコンタクト間で異な
った勾配を生じさせることが可能となる。続いて、これ
により異なった勾配プロファイル、例えば、部分的にみ
て直線、を作り出す能力が改善される。オプションの各
コンタクトリング３２は、関連した断面領域で一定の電
位を与える微細な金属メッシュを含んでいてもよい。

【００１０】囲壁構造１２は、それにコンタクトを付着
できる絶縁材料、例えば、ガラス、水晶、セラミック又
は（ポリアミドのような）プラスチックから作られる。
囲壁構造の円筒形は、製作が容易で経済的な上、制御可
能な電圧勾配を生じ得るという理由から、望ましいもの
である。金属化コンタクト１４Ａ、１４Ｂは、抵抗皮膜
と互換性のある堆積金属のような伝導性材料から作られ
る。抵抗皮膜１８は、サーメット厚膜、金属酸化膜、ポ
リシリコン膜、又は電圧が印加されるとき、有限で均一
なシート抵抗Ｒを有しかつ絶縁体に付着できるコーティ
ングの何れかであってよい。抵抗性の「バルク」材料
は、抵抗皮膜１８と絶縁構造１２の代わりに使ってよ
い。

【００１１】図３は、相互接続した一組の平坦な抵抗板
から成る勾配制御装置１０′の説明である。その内表面
に沿う電圧降下は、勾配制御装置１０によって形成され
る勾配に近似する。図３に示す具体例は、ほぼ四角の断
面を有する。他の多角形の断面も適当数の抵抗板を接合
することによって用いてもよい。

【００１２】図４は、リフレクトロンとして用いられた
ときの勾配制御装置１０の説明である。勾配制御装置１
０は、飛行管２０の１つの端末に配置される。電圧源２
２が金属化コンタクト１４Ａ、１４Ｂ間に加えられる。
イオン源２６からのイオン２４は、電圧パルスが反射電
極板２７に印加されてリフレクトロンの方に加速される
とき、金属化コンタクトの１つ１４Ａと一致している第
一断面領域１６Ａの中を通り、運動エネルギーがゼロに
達するまで加速し、方向を変え、そして勾配制御装置１
０によって後方に再加速され、それらの入射時のエネル
ギーと速度に等しいエネルギーと速度をもって出てく
る。リフレクトロンに入る各イオンの入射角は、ほぼ反
射角に等しい。比較的大きいエネルギーを有するイオン
は、勾配制御装置内により深く入り、より長い飛行経路
を飛んでより小さいエネルギーのイオンとほぼ同時間で
イオン検出器２８に到達する。これによって、運動エネ
ルギー差に起因するイオンの到達広がりが最小になる。
中性種のスペクトルの記録には中立の検出器３０を使う
ことができる。何故なら、それらは電界に影響されずに
装置の中を通過し反射しないでその検出器に到達するか
らである。

【００１３】図５は、加速器即ちパルサとして用いられ
たときの勾配制御装置１０の説明である。飛行管２０の
１つの端末において、勾配制御装置１０はイオン源２６
の前に置かれる。電圧源２２がコンタクト１４Ａ、１４
Ｂ間に印加されかつ正の電圧パルスが「反射電極板」２
７に印加されるとき、イオン２４は、第一及び第二の断
面領域１６Ａ、１６Ｂを通過し、飛行管２０内部の領域
として限定されるドリフト領域中へ「パルス化」され又
は「加速」される。このパルスはある種の時間刻印（ｔ
ｉｍｅｓｔａｍｐ）をもたらすもので、この時点から慣
用検出器へのイオンのドリフト（移動）時間か測定でき
るのである。

【００１４】図６は、煙突様に形成された勾配制御装置
１０を説明するものである。真直ぐか又は湾曲した側面
を有する煙突は、荷電粒子の光学的応用に時々必要とさ
れる可変性の電界勾配率を与える。オプションのタップ
コンタクトリング３２は、多角的用途にミラーの電圧勾
配を適合させることができるようコンタクト１４Ａ、１
４Ｂ間に配置してよい。その電圧Ｖは、設定値の間で調
整及び／又は切換えてイオン流を変更するか又は、例え
ば加速器もしくはリフレクトロンとして作動するよう、
ミラー機能に選択性を持たせてよい。

【００１５】以上述べたように、本発明お電界勾配制御
装置は、 〔１〕外部電界を加えることによって荷電粒子流の経路
を制御するものであり、予め決めた値のシート抵抗を有
し、第一と第二の断面領域をもち、その第一断面領域が
荷電粒子流を受けるようにした囲壁構造と、その囲壁構
造に接続され、第一断面領域と一致して配置された第一
金属化接続リングと、その囲壁構造に接続され、第二断
面領域と一致して配置された第二金属化接続リングと、
囲壁構造内部に電圧勾配が形成されるよう第一と第二の
金属化接続リング間に電界をかけることによって荷電粒
子流の経路を制御する制御装置と、から成り、〔２〕〜
〔１１〕に示す好適態様を有する。

【００１６】〔２〕第一金属化接続リングが第一断面領
域と一致する金属メッシュである〔１〕に記載の電界勾
配制御装置。

【００１７】〔３〕第二金属化接続リングが第二断面領
域と一致する後板である〔２〕に記載の電界勾配制御装
置。

【００１８】〔４〕囲壁構造が第一と第二の断面領域間
に配置された第三の断面領域を有すること、内部のタッ
プ接続リングが囲壁構造と接続されかつ第三断面領域に
一致すること、を特徴とする〔１〕〜〔３〕に記載の電
界勾配制御装置。

【００１９】〔５〕第二断面領域が第一断面領域より小
さくかつ第三断面領域が第一断面領域より小さい〔４〕
に記載の電界勾配制御装置。

【００２０】〔６〕囲壁構造が煙突形状である〔１〕〜
〔５〕に記載の電界勾配制御装置。

【００２１】〔７〕囲壁構造が中空シリンダである
〔１〕〜〔６〕に記載の電界勾配制御装置。

【００２２】〔８〕囲壁構造が多角形の断面を有する
〔１〕〜〔６〕に記載の電界勾配制御装置。

【００２３】

〔９〕囲壁構造が絶縁材料から成りかつ抵
抗性内表面を有する〔１〕〜〔６〕に記載の電界勾配制
御装置。

【００２４】〔１０〕抵抗性内表面が抵抗性バルク材料
である

〔９〕に記載の電界勾配制御装置。

【００２５】〔１１〕抵抗性内表面が抵抗皮膜である

〔９〕に記載の電界勾配制御装置。

【００２６】

【発明の効果】連続電界勾配を発生させてイオン試料か
らの有効信号を最大にできる勾配制御装置が提供され
る。また、製作に費用がかからず自己遮蔽型とすること
も可能で、かつコンパクトな電界勾配制御装置が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の「一組のリング」リフレクトロンを
示す図である。

【図２】丸型内表面と電圧タップを有する本発明の電界
勾配制御装置を示す図である。

【図３】角型内表面を有する本発明の電界勾配制御装置
を示す図である。

【図４】リフレクトロンとして用いたときの本発明の電
界勾配制御装置の説明図である。

【図５】加速器即ちパルサとして用いたときの本発明の
電界勾配制御装置の説明図である。

【図６】煙突様に形成された本発明の電界勾配制御装置
の説明図である。

【符号の説明】

１０、１０′ 勾配制御装置 １２ 囲壁構造（基体） １４Ａ、１４Ｂ 金属化コンタクトリング １６Ａ、１６Ｂ 断面領域 １８ 抵抗皮膜 ２０ 飛行管 ２２ 電圧源 ２４ イオン ２６ イオン源 ２７ 反射電極板 ２８ イオン検出器 ３０ 検出器 ３２ タップコンタクトリング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部電界を加えることによって荷電粒子
   流の経路を制御する電界勾配制御装置において、 予め決めた値のシート抵抗を有し、第一と第二の断面領
   域をもち、その第一断面領域が荷電粒子流を受けるよう
   にした囲壁構造と、 その囲壁構造に接続され、第一断面領域と一致して配置
   された第一金属化接続リングと、 その囲壁構造に接続され、第二断面領域と一致して配置
   された第二金属化接続リングと、 囲壁構造内部に電圧勾配が形成されるよう第一と第二の
   金属化接続リング間に電界をかけることによって荷電粒
   子流の経路を制御する制御装置と、から成ることを特徴
   とする電界勾配制御装置。