JPH0831370A

JPH0831370A - 飛行時間型質量分析装置のガス相イオン源

Info

Publication number: JPH0831370A
Application number: JP6152491A
Authority: JP
Inventors: Thorald Bergmann; トーラルト・ベルクマン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-02-02
Also published as: DE4322101C2; US5543624A; EP0632482A3; ATE190751T1; DE4322101A1; EP0632482A2; DE59409199D1; CA2127185A1; EP0632482B1

Abstract

(57)【要約】【目的】飛行時間型質量分析装置へと加速される広い質
量領域能にするガス相イオン源を提供する。【構成】分析気体もしくはイオンビーム１０がイオン源
内で加速方向に直交する速度成分を有し、中に抽出容積
１１と呼ばれる空間領域が規定され、この領域は質量分
析装置のスタートタイムでイオンを含み、これらイオン
の質量はこれらの飛行時間を測定することにより決定さ
れる。加速電界を形成する電極１，２と、荷電粒子の横
方向速度成分を変えるのに使用される横方向電界を形成
する電極２０とが設けられている空間領域内で加速電界
と横方向電界が中で重ねられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンを加速するため
の幾つかの電極と、荷電粒子の横方向速度成分を変える
ための横方向電界を発生させることのできる複数の電極
とを有する飛行時間型質量分析装置のためのガス相イオ
ン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行時間型質量分析装置において、時間
におけるポイントは、１グループのイオンが経路で出発
するときにスタートタイムと呼ばれて、規定されてい
る。そして、ドラフト空間の終りで、到達したイオンが
飛行で必要であった時間が測定され、この時間がこのイ
オンの質量を決定するのに使用されている。

【０００３】抽出容積は、スタートタイムのときに、飛
行時間型質量分析装置の検出器の表面にイオン経路が導
かれる質量分析装置のイオン源内の領域である。イオン
の経路は電界とこの電界内での物理法則により決定され
る。

【０００４】飛行時間型の分析のスタートタイムは以下
に要素により得られる。

【０００５】１．気体の中性粒子が、これを通るレザー
もしくは電子により抽出容積内でイオン化されるときの
時間のポイント。

【０００６】１．イオン源の電極の電圧がスイッチされ
るときの時間のポイント。これは、通常は、イオン源の
電極への印加電圧がオフにスイッチされるときに、イオ
ンは抽出容積に達することができるので、イオンが分析
される場合である。

【０００７】ガス相のイオン源のイオン光軸は、１つの
選択されたイオンの経路として理解される。このイオン
の経路は、抽出容積の幾何学的中点もしくはこの近くの
ある通常に選ばれたあるポイントから質量分析装置のス
タートタイムで初期速度ｖ＝０でスタートする。もし、
イオン源の構造が回転対称であるとイオン光軸のスター
トポイントは、通常軸対称に選ばれる。

【０００８】ガス相イオン源を備えた飛行時間型質量分
析装置において、高質量分解能を達成するためには、イ
オン源内で加速方向の初期速度成分を小さく維持しなけ
ればならない。そして、これは、分析気体もしくはイオ
ンビームを加速方向と直交する角度でイオン源内に注入
することにより達成できる。ベルグマン等（Ｂｅｒｇｍ
ａｎｎｅｔａｌ）による文献（Ｒｅｖｉｅｗｏｆ
ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｖ
ｏｌｕｍｅ６０（４），ｐａｇｅｓ７９２−７９
３，１９８９）で、なぜこのような直交する角度が必要
なのか、またなぜ、この方法で３５０００（ｍ／Δｍ）
ＦＷＨＭ（ＦｕｌｌＷｉｄｔｈａｔＨａｌｌＭａ
ｘｉｍｕｍ）の質量分解能が得られるのかが説明されて
いる。イオン源内で加速方向に平行でない分析気体もし
くはイオンビームの方向を持った以下に説明する２つの
形式のイオン源がある。

【０００９】１．横方向速度を収束するイオン源。この
形式のイオン源は、分析気体もしくはイオンビーム内の
速度分布が大きいときに使用される。また、この形式の
イオン源は、初期横方向速度には無関係に、できるだけ
イオン光学軸に平行となるように全てのイオン経路を曲
げるようにしている。そして、この形式のイオン源は、
本発明の要旨では無く、従ってこれ以上の説明は省略す
る。

【００１０】１．偏向電界を有するイオン源。このイオ
ン源は、分析気体もしくはイオンビーム内の初期速度分
布が小さいときに度々使用される。全てのイオンは、非
常に近い値により変更されるた横方向速度を必要として
いるので、横座標とは独立した強さを持った横方向電界
が必要である。この形式のイオン源は、請求項１の上位
概念に記されているように本発明の要旨である。

【００１１】ここで、横方向電界は、電界ベクトルが横
方向に向いている電界として理解されている。この横方
向電界の強さは、横方向における座標値に対してのみ僅
かに従属していなければならいな。この電界は偏向電界
と称され、またこのような電界を発生する電極は偏向電
極と称されている。

【００１２】関連技術の説明比較的高い質量分解能の可能性とは別として、請求項１
の上位概念に係わるガス相イオン源はさらに幾つかの効
果を有する。

【００１３】１．ディエッ等による文献（Ｊｏｕｒｎａ
ｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ
ｕｍｅ７３（１０），ｐａｇｅｓ４８１６−４８２
１，１９８０）のＴｈｅｃｈａｐｔｅｒ “ＩＩＩ．
Ｒｅｓｕｌｔｓ，Ａ．Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ
ｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ”で、残留ガス粒
子により発生する不必要な信号を押さえるメカニズムが
説明されている。これら残留ガス粒子は真空技術の理由
により、常にイオン源内に存在する。

【００１４】イオン源の質量範囲は、偏向電極に静電界
を印加することにより、上限並びに下限が規定され得
る。ロールフイング等（Ｒｏｈｌｆｉｎｇｅｔａ
ｌ．）による文献（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉ
ｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌｕｍｅ８８，ｐ
ａｇｅｓ４４９７−４５０２，１９８４）の図２に
は、偏向電極の電圧を変えることにより異なる質量範囲
を選定することがどうしてできるかが示されている。

【００１５】偏向電極に時間依存性電圧を印加すること
により、非常に広い質量範囲を飛行時間型質量分析装置
に移すことができる。この質量範囲は経路に設けられた
アパチャーによってのみ制限される。このような選定
は、ラブマン及びジョーダン（Ｌｕｂｍａｎａｎｄ
Ｊｐｒｄａｎ）による文献（ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃ
ｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｖｏｌｕ
ｍｅ５６（３），ｐａｇｅｓ３７３−３７６，１９
８５）に記載されている。

【００１６】現状のイオン源の構成を導く物理的事実は
以下の通りである。

【００１７】１．加速方向の初期速度がゼロであるイオ
ンは、加速方向の初期座標に独占的に依存する加速方向
での最終速度を有するべきである。特に、加速方向での
最終速度は横方向での初期座標並びに横方向での初期速
度とは独立でていななければならない。このような振る
舞いは均一な加速電界により得られる。

【００１８】１．均一な加速電界を通過した後に、横方
向の速度成分は変化されない。これら横方向速度成分は
イオンのスタート・ポイントに依存しない。このこと
は、これら成分は加速電界を通過した後の座標位置にも
依存しないことを意味する。従って、横方向速度成分を
変化させるためには、横方向の電界強度が横方向の座標
値の値に依存しない電界が必要である。

【００１９】今日まで知られた装置は、別々に配置され
た加速電界と偏向電界とを有する。即ち、偏向電界は加
速電界の後に常時形成されている。一般に、横方向電界
は、平行板キヤパシタにより発生される。これら全ての
イオン源において、質量範囲は、重いイオンが偏向電界
に達する前にこれらイオンはイオン光学軸から離れてし
まうので、上限が制限されている。このためにアパチャ
ー等を失う。

【００２０】分析気体もしくはイオンビームの方向並び
に直交するイオン源内の加速方向を有する上記全ての効
果を考慮すると、いわゆる質量範囲の制限は重要な問題
である。

【００２１】従って、本発明の目的は、飛行時間型質量
分析装置へと加速されるイオンを広い質量領域で可能に
するガス相イオン源を提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる飛行時間
型質量分析装置のガス相イオン源では、分析気体もしく
はイオンビームがイオン源内で加速方向に直交する速度
成分を有し、中に抽出容積と呼ばれる空間領域が規定さ
れ、この領域は質量分析装置のスタートタイムでイオン
を含み、これらイオンの質量はこれらの飛行時間を測定
することにより決定され、加速電界を形成する電極と、
荷電粒子の横方向速度成分を変えるのに使用される横方
向電界を形成する電極とを具備する飛行時間型質量分析
装置のガス相イオン源において、加速電界と横方向電界
が中で重ねられ、前記抽出容積を含む幾何学的に連続し
た空間領域を具備することを特徴とする。

【００２３】

【作用】本発明に係われば、偏向電界は直接加速電界に
重ねられる。この結果、偏向電界により横方向速度成分
が可能な限り早く補償される。この方法で、イオンの経
路はイオン光学軸から離れるようにドラフトしない。こ
のために、比較的大きな重量の粒子が経路に沿ってアパ
チャーを通ることができる。

【００２４】多くの場合、偏向電界は、横方向電界を形
成する電極を加速電界中に配置することにより、直接加
速電界に重ねられる。一般に、このことは、横方向電界
を形成する電極は加速電界を形成する電極間に配置しな
ければならないということを意味する。

【００２５】このようにして形成された電界は２つの成
分に分けられ、一方の成分は横方向電界であり、他方の
成分はイオン源のイオン光学軸を中心とした良好な回転
対称を有する電界であるように、電極を配置するのが効
果がある。

【００２６】

【実施例】以下に実施例を添付図面を参照して説明す
る。

【００２７】図１（ａ）（ｂ）は、請求項１に係わる最
も基本的な本発明の装置を示す。スタートタイムに抽出
容積１１内にあるイオンは、対向電極（加速電極）１並
びに加速電極２により形成された加速電界により経路１
２に沿って加速される。そして、この経路は、飛行時間
型質量分析装置の検出器の所で終端している。イオン源
の後の経路の案内は、従来技術と同じであるから、ここ
では示していない。この実施例の偏向電極２０は平板電
極である。これら偏向電極２０は、図１（ｂ）に示すよ
うに、Ｂ−Ｂ´で示す面に対して対称であり、また分析
気体もしくはイオンビーム１０の方向に対して直交して
いる。このイオンビーム１０は偏向電極２０に形成され
た開口２１を通って加速電界と直交して通過する。

【００２８】前記加速電界を発生させる電極１，２の
内、加速電極２は、この場合異なるガス圧の領域を分離
する機能も果たし得る。この例では、加速電極２の中心
に形成された開口３はガス流の規制をする機能を果た
す。

【００２９】この流れの規制は、ここでは小断面積の開
口として理解され、これらはイオンを検出器に邪魔をし
ないように通すのに充分に大きさである。しかし、この
ガスの導通度は低いガス圧の領域のためのポンプのポン
ピング容量よりもかなり低くなっている。この低ガス圧
の領域はイオンの飛行方向に沿って見られ、通常はガス
流の規制の後方である。

【００３０】このようなガス流れにより、抽出容積内が
高粒子密度になり、また同時に飛行時間型質量分析装置
の他の領域内で低い残留ガス圧にする効果が得られる。
この方法で、検出器に向かう経路にあるイオンと、残留
ガスの原子や分子との衝突を最小にすることができる。
これら衝突は飛行時間型質量分析装置のダイナミック範
囲を減じる性質を持っている。

【００３１】加速電極１，２間に偏向電極２０を配置す
ることと、加速電極１，２中へのガス流の規制を行わせ
ることとの組合わせにより、重いイオンは検出器に達す
ることができ、そして、これに加えて、これらイオンが
衝突によって経路に沿う走行が妨げられ難いという効果
がある。

【００３２】図１（ａ），（ｂ）に示す例の電極の配設
により、横方向電界や加速電界よりも強い電界が形成さ
れる。この電界内で、最初に存在していた横方向速度成
分は、加速されている間にすでに補償された大部分とな
る。この配置において、大きい質量のイオンを飛行時間
型質量分析装置へと加速することが可能である。

【００３３】しかし、図１（ａ），（ｂ）に示す配列
は、まだ最適な解決ではない。横方向電界を減じた後、
即ち、左右の偏向電極２０に印加される電圧を等しくし
た後に、抽出容積の領域内に残っている電界は非常に均
一ではない。このために、補償することが難しい飛行時
間エラーが生じる。この飛行時間エラーは、イオン光学
軸への距離が増すと多くなる傾向がある。もし、飛行時
間エラーが許容できるようなある制限が与えられると、
抽出容積の近くの不均一な電界は、イオン光学軸屁浮こ
うへの経路の許容できる距離を減じる。即ち、抽出容積
の使用できるサイズを減じる。これは、飛行時間型質量
分析装置の感度を減じる影響である。

【００３４】図１（ａ），（ｂ）に示す配置は、イオン
光学軸、異方性構造と称される。かくして、イオンは夫
々収束され、また加速領域を異方的に飛行して収束され
ない。この結果、経路の下流側に異方性レンズ部材が必
要となる。このような異方性レンズを設ける設計は経路
が多くなり、回転対称なレンズよりも効果でアラインメ
ントが難しくなる。

【００３５】上記理由から、電界のその部分を満足させ
なければならず、また横方向部分を除いた後に残ってい
る規制を認識することができる。

【００３６】１．抽出容積の近くで、許容できる程度に
均一でなければならない。

【００３７】２．イオン源の全空間内で、回転対称でな
ければならない。

【００３８】特に、第２の規制は、従来技術で使用され
ている規制に比較してかなり弱い。また、この第２の制
限は、イオン源の全空間内で均一である電界に横方向の
電界を重ねる必要はないということを意味する。回転対
称電界に横方向電界を重ねることのみが必要である。抽
出容積の回りの近くで充分な均一性が容易に達成され得
る。

【００３９】必要な特性を有する電界は、偏向電極２０
が回転対称の形態をしている電極配置により形成され得
る。横方向電界成分を除去した後、電界の残った成分は
回転対称である。

【００４０】この配列の例を図２（ａ），（ｂ）に示
す。図２（ｂ）に示すように、偏向電極２０（ハッチン
グで示す）はイオン源のイオン光学軸に対して回転対称
に配設されている。この方法で、必要な特性を持った電
界が形成され得る。この電界は２つの成分に分解され得
る。

【００４１】１．横方向電界。この電界の成分の横方向
の強さと電界ベクトルとは、横方向の座標値にのみ僅か
に依存している。この電界の成分は、左右の偏向電極２
０を夫々異方性ポテンシャルにセットし、残りの電極を
接地することにより形成され得る。

【００４２】１．ほとんど完全な回転対称の電界。この
電界は、また抽出体積の近くで充分に均一である。そし
て、この電界は左右の偏向電極２０を同じポテンシャル
に設定することにより形成され得る。

【００４３】分析気体もしくはイオンビーム１０は、両
偏向電極２０に形成された開口２１を介して加速電界内
を通過する。イオン化した電子もしくはレーザビーム
は、２つの偏向電極２０間に形成さりた間隙２２を通過
することができる。

【００４４】加速電極１のガス流の規制は、ここではチ
ューブにより達成されている。このチューブは、同断面
積のアパチャーよりも低いガス導通度を有する。しか
し、図１（ａ）に示すように、開口をガス流の規制用と
することもできる。

【００４５】好ましい電界特性とは離れて、偏向電極２
０の回転対称の形態は、偏向電極２０を最初の製造工程
で旋盤で一体物としてマシーンニングし、後の製造工程
でこの一体物を２つの偏向電極２０に分割することによ
り容易に製造できる効果がある。

【００４６】図３（ａ），（ｂ）は２対の偏向電極２
０，２５を有する例を示す。このように２対の偏向電極
を使用することにより、分析気体もしくはイオンビー
ム、またはイオン化レーザビームのための開口を偏向電
極に形成する必要がないという効果がある。これとは別
にして、加速領域の容積は良好にポンプアウトされ得
る。図３（ａ），（ｂ）に示すように、２つの偏向電極
対はイオン源の軸方向に異なる径を有する。

【００４７】図２（ａ），（ｂ）並びに図３（ａ），
（ｂ）の例は、Ｂ−Ｂ´により示す面で分割されている
以外は、主要部として回転対称形をなす。横方向電界成
分の除去の後、残りの電界は良好な回転対称となる。し
かし、ごく一部に４極子対称が残り、この部分は偏向電
極の２つの半体部分間のスリットにより生じる。最も低
いオーダーで、４極子のポテンシャル値は軸からの距離
の二乗に比例する。

【００４８】図４（ａ），（ｂ）は、どのようにして偏
向電極が第２の平面に沿って対称な部分に分割できるか
を示す。この第２の平面は、分析気体もしくはイオンビ
ーム１０の方向と加速の方向とにより規定されている。
対称の理由により、この配置では４極子成分はゼロでな
ければならない。残る非回転対称部分は８極子となり、
この部分のポテンシャル値は対称軸への距離の四乗に比
例する。この配置は使用されると、電界の対称もしくは
イオン源のイメージ特性に高い要望がおこるであろう。

【００４９】

【発明の効果】本発明のガス相イオン源は、大きな質量
のイオンでも加速して、飛行時間型質量分析装置に注入
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は請求項１に係わる本発明の最
も基本的な構成を示す。

【図２】（ａ），（ｂ）は、電界が横方向電界と、ほと
んど完全な回転対称の磁界との２つの成分に分割された
実施例を説明するための図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は、２つの偏向電極対を有する
実施例を説明するための図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は、横方向電界を取出した後の
ほとんど回転対称電界の対称性を改善した実施例を説明
するための図である。

【符号の説明】

１…対向電極、２…加速電極、１１…抽出容積、１２…
経路、２０…偏向電極、２１…開口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者トーラルト・ベルクマンドイツ連邦共和国、82441 オールシュタット、ブーヘンベーク９アー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】分析気体もしくはイオンビーム（１０）
がイオン源内で加速方向に直交する速度成分を有し、中
に抽出容積（１１）と呼ばれる空間領域が規定され、こ
の領域は質量分析装置のスタートタイムでイオンを含
み、これらイオンの質量はこれらの飛行時間を測定する
ことにより決定され、加速電界を形成する電極（１，
２）と、荷電粒子の横方向速度成分を変えるのに使用さ
れる横方向電界を形成する電極（２０，２５）とを具備
する飛行時間型質量分析装置のガス相イオン源におい
て、加速電界と横方向電界が中で重ねられ、前記抽出容積
（１１）を含む幾何学的に連続した空間領域を具備する
ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置のガス相イオ
ン源。
【請求項２】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）は加速電界内に配設されていることを特徴とする
請求項１の飛行時間型質量分析装置のガス相イオン源。
【請求項３】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）は、加速電界を形成する電極（１，２）間に配設
されていることを特徴とする請求項２の飛行時間型質量
分析装置のガス相イオン源。
【請求項４】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）は、イオン源の加速方向に向いた軸を中心とした
回転対称形になった主要部分を有し、また、これら電極
は、平面（Ｂ−Ｂ´）に沿って２つの対称半体に分割さ
れ、この平面は分析気体もしくはイオンビームの飛行方
向に直交することを特徴とする前記請求項のいずれか１
の飛行時間型質量分析装置のガス相イオン源。
【請求項５】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）と、加速電界を形成する電極（１，２）とには一
定電圧が印加されていることを特徴とする前記請求項の
いずれか１の飛行時間型質量分析装置のガス相イオン
源。
【請求項６】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）と、加速電界を形成する電極（１，２）とには、
幾つかの電極には一定電圧が、また残りの電極には時間
に依存した電圧が夫々印加されていることを特徴とする
前記請求項１ないし４のうちの１の飛行時間型質量分析
装置のガス相イオン源。
【請求項７】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）と、加速電界を形成する電極（１，２）とには、
時間に依存した電圧が印加されていることを特徴とする
前記請求項のいずれか１の飛行時間型質量分析装置のガ
ス相イオン源。
【請求項８】前記横方向電界を形成する電極（２０，
２５）は、平面に沿って対称にさらに分割され、この平
面は２つのベクトルにより規定され、一方のベクトルは
分析気体もしくはイオンビームの向きを有し、他方のベ
クトルはイオン源の加速方向の向きを有することを特徴
とする前記請求項のいずれか１の飛行時間型質量分析装
置のガス相イオン源。
【請求項９】加速電界を形成する電極（１，２）の１
もしくは複数は飛行時間型質量分析装置内の異なるガス
圧の領域間の境界となり、これら電極にガス流規制部
（３）が形成されていることを特徴とする前記請求項の
いずれか１の飛行時間型質量分析装置のガス相イオン
源。