JPH10283984A - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオンの横方向の速度成分に関わらず質量分
析を正しく行う飛行時間型質量分析装置を実現する。 【解決手段】 飛行時間型質量分析装置において、イオ
ンの飛行経路上にイオンの打ち出し点３４を物点としイ
オン検出器２９のイオン入射面を像点とするイオン収束
光学系４２，４４を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、飛行時間型質量分
析装置に関し、特に、イオンの飛行経路の光学系を改良
した飛行時間型質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行時間型質量分析装置は、電場におけ
るイオンの飛行速度が元素の質量によって相違すること
を利用し、一定の距離を飛行するのに要する時間すなわ
ちタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）によって元素の種
類を特定するようになっている。

【０００３】この装置においては、イオンのパケットが
パルサーによりチェンバー内の一方の側から打ち出さ
れ、電場で加速され、所定の距離にあるイオン検出器に
入射する。イオンの打ち出しから検出信号発生までの時
間が元素の種類を示し、検出信号の強度が元素の濃度を
示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】パルサーから打ち出さ
れるイオンは、イオン生成に用いられるプラズマイオン
ソースにより元素に依存したポテンシャルを持つため、
飛行方向と直交する方向（横方向）にも元素によって異
なる速度成分を有する。このため、各イオンの飛行経路
はそれぞれの速度成分に応じて横方向にそれ、中にはイ
オン検出器に入射しないものも出てくる。その場合、イ
オン検出器に入射しないイオンは検出することができな
いから、正しい質量分析が行えなくなる。

【０００５】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、イオンの横方向の速度成分
に関わらず質量分析を正しく行う飛行時間型質量分析装
置を実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

〔１〕上記の課題を解決する請求項１の発明は、電場に
おけるイオンの飛行時間に基づいて質量分析を行う飛行
時間型質量分析装置において、イオンの飛行経路上に、
イオンの打ち出し点を物点としイオン検出器のイオン入
射面を像点とするイオン収束光学系を設けたことを特徴
とする。

【０００７】請求項１の発明では、打ち出し点における
イオンパケットの実像がイオン収束光学系によってイオ
ン検出器のイオン入射面に結像される。このため、イオ
ン収束光学系の開口範囲内のイオンが全てイオン検出器
に入射する。これによって、イオンの横方向の速度成分
に関わらず質量分析を正しく行う飛行時間型質量分析を
実現することができる。

【０００８】〔２〕上記の課題を解決する請求項２の発
明は、請求項１に記載の発明において、前記イオン収束
光学系は像倍率が１以下であることを特徴とする。請求
項２の発明では、イオン収束光学系により、イオン入射
面には打ち出し点におけるイオンパケットの等倍以下の
実像が結像される。このため、イオン検出器はイオン入
射面の面積が小さなもので済ませることができる。

【０００９】〔３〕上記の課題を解決する請求項３の発
明は、請求項１または２に記載の発明において、前記イ
オン収束光学系は前記イオンの打ち出し点と前記イオン
検出器のイオン入射面からそれぞれ等距離に配置された
２つのイオン収束レンズからなることを特徴とする。

【００１０】請求項３の発明では、対物側のレンズがイ
オンの打ち出し点に近接するので、打ち出し点から対物
レンズの開口を見込む立体角が大きくなる。これによっ
て、レンズによるイオンの捕捉率が高くなる。

【００１１】〔４〕上記の課題を解決する請求項４の発
明は、請求項３に記載の発明において、前記２つのイオ
ン収束レンズは共通の電圧源から電圧が供給されるもの
であることを特徴とする。

【００１２】請求項４の発明では、２つのイオン収束レ
ンズが共通の電圧源によって制御される。これによっ
て、イオン収束レンズの制御部の構成を簡素化すること
ができる。

【００１３】〔５｝前記の課題を解決する請求項５の発
明は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の発明におい
て、前記飛行時間型質量分析装置がオルソゴナル型のも
のであることを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明では、オルソゴナル型の飛
行時間型質量分析装置において、イオン収束光学系によ
り、打ち出し点におけるイオンパケットの実像がイオン
検出器のイオン入射面に結像される。したがって、イオ
ンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を正しく行う
オルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置を実現するこ
とができる。

【００１５】〔６〕上記の課題を解決する請求項６の発
明は、請求項５に記載の発明において、前記イオンが高
周波誘導結合プラズマによって生成されるものであるこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項６の発明では、高周波誘導結合プラ
ズマによって生成されたイオンがオルソゴナル型の飛行
時間型質量分析装置に注入される。このイオンがオルソ
ゴナル型の飛行時間型質量分析装置においてオルソゴナ
ル方向に打ち出され、それがイオン収束光学系により収
束されてイオン検出器に入射する。したがって、オルソ
ゴナル方向に打ち出されるイオンが有する横方向の速度
成分に関わらず質量分析を正しく行うオルソゴナル型の
飛行時間型質量分析装置を実現することができる。

【００１７】高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）は、現
在最も優れたイオンソースの１つであるが、元素により
ポテンシャルが異なるため、前述の理由によりオルソゴ
ナル型の飛行時間型質量分析装置との結合は実際的でな
かった。

【００１８】これに対して、請求項６の発明では、イオ
ン収束光学系の利用により、ＩＣＰとオルソゴナル型の
飛行時間型質量分析装置とを効果的に組み合わせること
が可能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。

【００２０】〔構成〕図１に、オルソゴナル型の飛行時
間型質量分析装置の模式的構成を示す。本装置は本発明
の実施の形態の一例である。本装置の構成によって本発
明の装置に関する実施の形態の一例が示される。

【００２１】本装置の構成を説明する。図１において、
２は例えば石英管でなりエアロゾル等が導入されるプラ
ズマトーチである。このプラズマトーチのより詳細な構
成を図２に示す。図２において、４はプラズマトーチ２
に巻回され高周波磁界を発生させるための高周波誘導コ
イル、６は高周波誘導コイル２に高周波電力を供給する
高周波電源、８はインピーダンスマッチング回路、１０
はプラズマトーチ２と高周波コイル４の間に配設された
シールド板、４０は高周波誘導結合プラズマである。

【００２２】図１に戻って、３０はノズル、３２はスキ
マー、３２’はスキマー３２の奥に設けられた第２スキ
マーである。１８は例えば真空ポンプ等によって吸引・
排気され内部が例えば１torr. に保たれているフォアチ
ェンバー、２０は例えば第１油圧拡散ポンプ等によって
吸引・排気され内部が例えば１×１０^-4torr. に保たれ
ているセンターチェンバー、２２は例えば第２油圧拡散
ポンプ等によって吸引・排気され内部が例えば１×１０
^-6torr. に保たれているリアチェンバー、２４はイオン
ビームを収束させるレンズ系である。２４１はスリット
であり、レンズ系２４で集束されたイオンビームを通過
させるようになっている。

【００２３】２５はパルサーであり、スリット２４１を
通過したイオンビームが内部に注入されるようになって
いる。パルサー２５は図示しない駆動部からパルス電圧
が与えられる。このパルス電圧によって、パルサー２５
内のイオンがアパーチャー３４からイオンパケットとし
て打ち出される。

【００２４】３５はプレートであり、図示しない電圧源
から電圧が印加され、イオン加速用の電界を形成するよ
うになっている。アパーチャー３４から打ち出されたイ
オンがこの電界によって加速され、それぞれの質量に応
じた速度を得て図における右方向に飛行する。すなわ
ち、パルサー２５に注入されたイオンが直角（オルソゴ
ナル）に方向を変えて飛行する。

【００２５】３７はステアリングプレートで、図示しな
い電圧源から電圧が与えられイオンの飛行方向のステア
リングを行うようになっている。３９はデフレクション
プレートで、図示しない電圧源から電圧が与えられ、例
えばＡｒ等の不要なイオンを飛行経路から外すものであ
る。

【００２６】２９は例えばマクロチャネルプレート等か
らなるイオン検出器である。イオン検出器２９は本発明
におけるイオン検出器の実施の形態の一例である。３１
はイオン検出器２９の検出信号を増幅する増幅器であ
る。増幅器３１の出力信号が図示しない信号処理部に送
出されて演算処理され、試料中の被測定元素の分析値が
求められる。

【００２７】４２，４４はイオンビームを収束させる１
対のレンズである。レンズ４２がステアリングプレート
３７の近傍に配設され、レンズ４２がイオン検出器２９
の近傍に配設されている。レンズ４２，４４は本発明に
おけるイオン収束レンズの実施の形態の一例である。１
対のレンズ４２，４４が形成するイオン収束光学系は本
発明におけるイオン収束光学系の実施の形態の一例であ
る。

【００２８】これら１対のレンズ４２，４４が形成する
イオン収束光学系の模式図を図３に示す。同図に示すよ
うに、レンズ４２はセンタープレート４２１とその両側
に配置されたサイドプレート４２２，４２３とで構成さ
れる。センタープレート４２１には電圧源４６の電圧が
印加されるようになっている。サイドプレート４２２，
４２３はコモンに接続されている。

【００２９】レンズ４４はセンタープレート４４１とそ
の両側に配置されたサイドプレート４４２，４４３とで
構成される。センタープレート４４１には電圧源４６の
電圧が印加されるようになっている。サイドプレート４
４２，４４３はコモンに接続されている。

【００３０】レンズ４２によるイオンビームの収束作用
により、アパーチャー３４から発散するイオンパケット
がレンズ４２と４４の中間点４８に収束されるようにな
っている。この中間点４８から発散するイオンパケット
が、レンズ４４の収束作用によってイオン検出器２９の
イオン入射面上に収束されるようになっている。すなわ
ち、レンズ４２，４４は、アパーチャー３４の位置を物
点としイオン検出器２９のイオン入射面の位置を像点と
するイオン収束光学系を構成している。物点と像点はレ
ンズ４２，４４に関して互いに共役な関係にある。

【００３１】〔動作〕本装置の動作を説明する。図２に
示すように、プラズマガスと副ガスがプラズマトーチ２
に供給されるとともに、キャリアガスとしての例えばア
ルゴン（Ａｒ）ガスがプラズマトーチ２に供給される。
また、ＲＦ電源６からインピーダンスマッチング回路８
を介して高周波コイル４に高周波電流が供給され、高周
波コイル６の周囲に高周波磁界が形成される。このよう
な高周波磁界の近傍でＡｒガス中に電子またはイオンが
植え付けられると、高周波磁界の作用によって瞬時に高
周波誘導結合プラズマ４０が生じる。

【００３２】この状態で、試料が霧化されたエアロゾル
がキャリアガスに搬送されてプラズマトーチ２内に供給
されると、このエアロゾルが高周波誘導結合プラズマ４
０によってイオン化される。このようにして生成した高
周波誘導プラズマ４０内のイオンは、ノズル３０、スキ
マー３２および第２スキマー３２’を経由しレンズ系２
４の間を通って収束され、スリット２４１を通過してパ
ルサー２５の内部に注入される。このイオンがパルサー
２５によってアパーチャー３４を通じて図の右方向に打
ち出される。

【００３３】アパーチャー３４から打ち出されたイオン
は、プレート３５が形成する電界によって加速され、そ
れぞれの質量に応じた速度を得て図における右方向に飛
行する。途中、ステアリングプレート３７でステアリン
グされ、デフレクションプレート３９でＡｒ等の不要な
イオンが除外されてイオン検出器２９に入射する。入射
イオンはイオン検出器２９で検出される。検出信号は増
幅器３１で増幅される。増幅器３１の出力信号は図示し
ない信号処理部に送出されて演算処理され、試料中の被
測定元素の分析値が求められる。

【００３４】オルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置
においては、パルサー２５内に注入されたイオンが直角
方向に打ち出されることにより、イオンは飛行方向に関
し横方向の速度成分を持つ。このため、アパーチャー３
４からリアチェンバー２２内に打ち出されるイオンは、
図３に示すように、飛行方向ｘに垂直なｙ方向すなわち
横方向にも速度成分Ｖｙを持ち、この速度成分が元素毎
に異なる。このためアパーチャー３４から飛び出すイオ
ンの飛行経路が、例えば図示のように発散する。

【００３５】このようなイオンの飛行経路がレンズ４２
の収束作用により中間点４８に収束される。これによっ
て中間点４８にアパーチャー３４におけるイオンパケッ
トの実像が形成される。また、中間点４８における実像
から発散したイオンの飛行経路は、レンズ４４によって
イオン検出器２９のイオン入射面に収束される。これに
よって、結局、アパーチャー３４におけるイオンパケッ
トの実像がイオン検出器２９のイオン入射面に形成され
る。

【００３６】イオン検出器２９のイオン入射面に形成さ
れるイオンパケットの実像の倍率は１またはそれ以下と
される。これによって、イオン検出器２９のイオン入射
面の面積はアパーチャー３４の面積と同程度またはそれ
以下にすることができ、イオン検出器２９を小型化する
ことができる。

【００３７】レンズ４２，４４の焦点距離を同一にして
像倍率が１のイオン収束光学系を構成する場合、レンズ
１個についての焦点距離はアパーチャー３４からイオン
検出器２９のイオン入射面までの距離をＬとしたとき、
ｆ＝Ｌ／８となる。すなわち、イオンの飛行距離の１／
８の焦点距離のレンズが用いられる。

【００３８】これによって、レンズ４２はアパーチャー
３４に極めて近い位置に配設されることになる。アパー
チャー３４からレンズ４２までの距離が短いことによ
り、レンズ４２の開口が比較的小さくてもアパーチャー
３４から開口を見込む立体角が十分大きいので、アパー
チャー３４から発散するイオンの全てを容易に開口内に
包含することができる。レンズの数を３個以上にすれ
ば、対物レンズをさらにアパーチャー３４に近づけるこ
とができ、より小さい開口のレンズで済ませることがで
きる。

【００３９】これに対して、イオン収束光学系を単一の
レンズで構成したときは、レンズはアパーチャー３４と
イオン検出器２９の中間点に置かれるので、アパーチャ
ー３４から見た開口の立体角を同程度にするには開口の
大きなレンズを用いる必要があり、実現が困難になる。
また、開口を常識的な値にしたときはアパーチャー３４
から見た立体角が小さくなり、発散するイオンの全てを
カバーしきれないおそれがある。

【００４０】レンズ４２，４４の焦点距離は電圧源４６
の電圧によって制御される。このように電圧を共通の電
圧源４６から供給することは、レンズ４２，４４の構成
を同一にしかつ制御部を簡素化する点で好ましい。勿
論、レンズ４２，４４を別々な構成とし、それぞれ別個
の電圧源によって制御するようにしても良い。その場合
はレンズ４２と４４をそれぞれ単独に最適な構成としか
つそれぞれ最適に制御する点で好ましい。また、像倍率
を個別に調整したりイオンの飛行経路上の他の光学系か
らの影響を個々に補正する点でも好ましい。

【００４１】以上は、オルソゴナル型の飛行時間型質量
分析装置の例であるが、レンズ４２，４４によるイオン
収束光学系は、プラズマトーチ２からイオン検出器２９
までのイオンの経路が一直線になっているいわゆるオン
・アクシス型の飛行時間型質量分析装置にも適用するこ
とができる。以下にそれについて説明する。

【００４２】図４に、オン・アクシス型の飛行時間型質
量分析装置の模式的構成を示す。同図において図１と同
様の部分には同一の符号を付して説明は省略する。２８
は例えば光電子増倍管等でなるイオン検出器である。イ
オン検出器２８は、本発明におけるイオン検出器の実施
の形態の一例である。

【００４３】本装置において、高周波誘導プラズマ４０
内のイオンは、ノズル３０およびスキマー３２を経由し
レンズ系２４の間を通って収束され、アパーチャー３４
を通じてリアチェンバー２２内に打ち出される。

【００４４】アパーチャー３４から打ち出されたイオン
は、リアチェンバー２２内を飛行してイオン検出器２８
に入射する。このとき、イオンのエネルギー分布に基づ
くイオンビームの拡がりが、レンズ４２，４４が形成す
る収束光学系によって収束される。これによって、イオ
ンビームの拡がりによるイオンロスを無くすることがで
きる。入射イオンはイオン検出器２９で検出される。検
出信号は図示しない信号処理部に送出されて演算処理さ
れ、試料中の被測定元素の分析値が求められる。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明では、イオン収束光学系により、打ち出し点におけ
るイオンパケットの実像をイオン検出器のイオン入射面
に結像するようにしたので、イオン収束光学系の開口範
囲内のイオンが全てイオン検出器に入射する。これによ
って、イオンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を
正しく行う飛行時間型質量分析を実現することができ
る。

【００４６】また、請求項２の発明では、イオン収束光
学系により、イオン入射面に打ち出し点におけるイオン
パケットの等倍以下の実像を結像するようにしたので、
イオン検出器はイオン入射面の面積が小さなもので済ま
せることができる。

【００４７】また、請求項３の発明では、対物側のレン
ズがイオンの打ち出し点に近接し、打ち出し点から対物
レンズの開口を見込む立体角を大きくなるので、レンズ
によるイオンの捕捉率が高くなる。

【００４８】また、請求項４の発明では、２つのイオン
収束レンズを共通の電圧源によって制御するようにした
ので、イオン収束レンズの制御部の構成を簡素化するこ
とができる。

【００４９】また、請求項５の発明では、オルソゴナル
型の飛行時間型質量分析装置において、イオン収束光学
系により、打ち出し点におけるイオンパケットの実像を
イオン検出器のイオン入射面に結像させるようにしたの
で、イオンの横方向の速度成分に関わらず質量分析を正
しく行うオルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置を実
現することができる。

【００５０】また、請求項６の発明では、高周波誘導結
合プラズマ（ＩＣＰ）によって生成されたイオンをオル
ソゴナル型の飛行時間型質量分析装置に注入し、このイ
オンをオルソゴナル型の飛行時間型質量分析装置におい
てオルソゴナル方向に打ち出し、それをイオン収束光学
系により収束してイオン検出器に入射させるようにした
ので、オルソゴナル方向に打ち出されるイオンが有する
横方向の速度成分に関わらず質量分析を正しく行うオル
ソゴナル型のＩＣＰ飛行時間型質量分析装置を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成
図である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置におけるプラ
ズマトーチの模式的構成図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置におけるイオ
ン収束光学系の模式的構成図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成
図である。

【符号の説明】

２ プラズマトーチ ４ 高周波誘導コイル ６ 高周波電源 ８ インピーダンスマッチング回路 １０ シールド板 １８ フォアチェンバー ２０ センターチェンバー ２２ リアチェンバー ２４ レンズ系 ２８ イオン検出器 ３０ ノズル ３２ スキマー ３４ アパーチャー ３６ 隔壁 ３８ 冷却水路 ４０ 高周波誘導結合プラズマ ４２，４４レンズ ４２１，４４１ センタープレート ４２２，４２３，４４２，４４３ サイドプレート ３２’ 第２スキマー ２４１ スリット ２５ パルサー ３５ プレート ３７ ステアリングプレート ３９ デフレクションプレート ２９ イオン検出器 ３１ 増幅器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電場におけるイオンの飛行時間に基づい
   て質量分析を行う飛行時間型質量分析装置において、 イオンの飛行経路上に、イオンの打ち出し点を物点とし
   イオン検出器のイオン入射面を像点とするイオン収束光
   学系を設けた、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装
   置。
2. 【請求項２】 前記イオン収束光学系は像倍率が１以下
   である、ことを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型
   質量分析装置。
3. 【請求項３】 前記イオン収束光学系は前記イオンの打
   ち出し点と前記イオン検出器のイオン入射面からそれぞ
   れ等距離に配置された２つのイオン収束レンズからな
   る、ことを特徴とする請求項１または２に記載の飛行時
   間型質量分析装置。
4. 【請求項４】 前記２つのイオン収束レンズは共通の電
   圧源から電圧が供給されるものである、ことを特徴とす
   る請求項３に記載の飛行時間型質量分析装置。
5. 【請求項５】 前記飛行時間型質量分析装置がオルソゴ
   ナル型のものである、ことを特徴とする請求項１〜４の
   いずれか１つに記載の飛行時間型質量分析装置。
6. 【請求項６】 前記イオンが高周波誘導結合プラズマに
   よって生成されるものである、ことを特徴とする請求項
   ５に記載の飛行時間型質量分析装置。