JPS5917499B2 - 質量分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、質量分析計に関し、特に、物質中の同位体
成分を決定する質量分析計に関する。

物質中に存在する化学元素の同位体の相対的な比率を決
定する方法の一つは、物質を質量分析することである。
通常使用される質量分析計は、同位体分析の必要な試料
巾の元素の特性を示すイオンビームを発生するイオン源
、イオンの運動方向に直角な磁場によりイオンビームを
偏向させて電荷に対して異なる質量のイオンに種々の軌
道を描かせる質量セレクタおよび入射するイオンの数に
比例した電気信号を発生するイオン検出器からなる。狭
いスリツト（コレクタースリツトという）がイオン検出
器の記方に配置され、電荷に対して唯一の特定の質量の
イオンが、イオン検出器に入射可能となる。全ての質量
分析計において、イオンの移動する通路は、高真空に維
持されなければならない。イオンビームを偏向させる磁
場の強さの変化によつて、電荷に対して異なる質量を有
するイオンが、コレクタースリツトを通過出来るように
なり、種々のビームの相対強度が、測定出来ることとな
り、試料中に存在する同位体の相対比の決定が可能とな
る。以上のような質量分析計は従来周知であり、これ以
上の説明は不用であろう。このようなタイプの質量分析
計が、試料中の元素の同位体に対応した二つのイオンビ
ームの強度比の決定に用いられるときは、磁場強度は、
まず電荷に対して第一の質量を有するイオンを通過させ
、次いで第二の質量のイオンを通過させるようにコレク
タースリツトを調節しなければならない。上記の比率の
測定の精度は、イオン源により生成されるイオンの総数
が、測定の行なわれている時間中の何んらかの理由で変
化しなければならなかつたとき低下する。実際のところ
、この種の変化は避け難い。この問題は、単一のコレク
タースリツトと検出器の代りに、一つのイオン源に対し
て二つ以上のコレクタースリツトを各々配置することに
よつて回避し得るものであることが知られている。これ
らのスリツト及び検出器は、電荷に対して第一の所定の
質量のイオンを第一のスリツト２６，が受け入れ、同時
に第二のスリツトが第二の質量のイオンを受け入れるよ
うに配置される。このようにして電荷に対して種々の質
量のイオンに対応したイオンビーム強度が、同時に測定
出来ることとなり、これらの値は直接比較され、これら
の間の比率は、全てのビームの強度の絶対値が何んらか
の理由で変化しても、正確に測定されることとなる。測
定が、唯一のコレクタースリツトと検出器を有する方法
に比して、同時に行なわれるため比率決定に要する時間
が少なくて済むという他の利点もこの方法にはある。こ
れは、単一のコレクタースリツトシステムに比して比率
決定に必要な試料の量が少なくてすみかつ正確であると
いうことを意味している。電荷に対して異なる質量のイ
オンビームの分離に際して、磁場は、電荷に対して特定
の質量を有するイオンをコレクタースリツトにフオーカ
スし、イオン源及びコレクタースリツトの位置、磁極の
形状及び大きさは、最適のフオーカシング特性を有する
ように選ばれねばならない。

もしこれが実行されないと、電荷に対してほんの僅かだ
け異なる質量のイオンビームがオーバーラツプすること
となり、それらの強度は正確には測定されないこととな
る。最良の結果を得ることの出来の質量分析計の幾何学
的配置を計算する理論は、良く知られており、説明の必
要はないであろう。この理論及びこれを用いた予知によ
つて、コレクタースリツト上にフオーカスされたビーム
以外の種々の質量のイオンビームは、種々の点にフオー
カスされ、磁石の光軸に対してある角度をもつて傾いて
いることがわかつている。大抵の場合、この角度は、９
０゜よりも相当小さい。上述したマルチプルコレクター
質量分析計の構成のために、イオンビーム間の解像力が
維持されているならば、コレクタースリツトを測定すべ
きイオンビームの各々の焦点のある焦点面に配置する必
要がある。このような質量分析計は周知であるが、その
性能を低下させる二つの欠点がある。第一の欠点は、感
度及び精度が、例え第一のコレクタースリツトにイオン
ビームが入射しないときでも、隣接するコレクタースリ
ツトを入射するイオンビーム強度によつてこの第一のス
リツトに生じるバツクグラウンド信号によつて低下する
ということである。

一般に、ビーム強度を受けるコレクタースリツト背後に
取り付けられたコレクタースリツトが、最も悪い影響を
受け、この問題は、浅い角度でコレクターアセンブリに
入射するビーム中の軸外イオンのためとされ、これらの
イオンは隣接するコレクタースリツト、特にビームを受
け入れるコレクタースリツト後方のスリツトに入射する
。これは、同位体比率の測定時に特有の問題であり、一
つのビームがメインビームの１％よりはるかに小さいと
き、電荷に対する質量の差が僅か１〜２ドルトンである
ような二つのビームの強度比を測定する必要がしばしば
生じるからである。充分な結果を得るためには、従つて
コレクターアセンブリ間にスクリーンを取り付ける必要
があるが、不可能ではないとしても、コレクターがイオ
ンの運動方向に対して浅い角度で焦点面上で交叉してい
るときには、これを完全に行なうことは困難である。こ
の方法の第二の欠点は、以下の如くである。

すなわち、コレクタースリツトが受け入れる電荷と質量
の比を変えることが望ましいとき、別の同位体比が測定
出来ることとなり、質量分析計のコレクタースリツトの
分解が必要で機械的な変形が困難になるということにあ
る。実際のところ、大幅な変更が必要であるときは、完
全に新規なコレクターアセンブリの製造が必要となるで
あろう。この困難さは、電荷に対する質量の比が異なる
イオンビームの間隔が、それらの差同様、上記の比率の
実際の値に影響を受けるというところにある。さらに実
際に使用される磁石は、理論的な処理におけるものと正
確には一致しないため、特定の電荷と質量の比のための
コレクタースリツト間に必要な間隔を正確に計算するこ
とは不可能である。測定の最初の設定中に、コレクター
スリツトが正しいイオンビームのみを受け入れることが
出来るように、コレクタースリツトの僅かな位置調節が
必要である。調節によつて分析計中への空気の流入を許
容し、コレクタースリツトアセンブリの少なく共部分的
な分解が必要であるために、この手続には、大きな時間
が消費される。明らかに、真空装置の外部からコレクタ
ースリツト調節が可能であると好都合であるが、焦点面
がイオンの光軸に対して少し傾いているために磁石の焦
点面に沿つてスリツトを移動するように機構を構成する
ことは困難である。光軸に対して直角の位置にあるコレ
クタースリツトを移動する機構は周知であるが、コレク
タースリツトが焦点面を外れて移動し、測定器の解像力
を低下させるため結果は、不満足なものである。結果的
に、これらの機構は、非常に狭い範囲の調節にのみ使用
可能であり、異なる同位体比率をモニターするように測
定装置を同調させるのには不充分である。この発明は、
これらの困難なり欠点なりを克服し、高い感度と精度を
有し、従来の装置に比して使用及び調節が容易なマルチ
コレクター質量分析計の提供を目的とするものである。

この発明の一態様において、質量分析計は、同位体比率
の測定に好都合であるように構成され、この分析計は、
質量セレクタとして、磁石のイオン光軸に対してほぼ直
角な焦点面を形成するように彎曲した射出磁極面を有す
るセクタ磁石を有し、さらにこの分析計は、同時に上記
焦点面の二つ以上の位置でイオンビームを検出する手段
を有する。

セクタ磁石は、射出磁極面及び（或いは）入射磁極面が
、イオン光軸に対して傾けられているステイグマテイツ
ク磁石（Ｓｔｉｇｍａｔｉｃｍａｇｎｅｔ）であること
が好ましい。この種の磁石は、イオンビームが、ｙおよ
びｚ方向の両方にフオーカスされる、すなわちイオン光
軸に直角の二つの方向にフオーカスされるという利点を
有している。射出１〜磁極面は、Ｒ２＝７ー一「７及び で与えられる曲率半径Ｒ２を有するように構成されてい
ることが好ましい。

ここでＲは、セクタ磁石自身の半径、βは、イオン光軸
が、Ｔａｎβ＝０．５ｔａｎ（φ／２）である磁極面が
切る点において引かれた直角に対する射出磁極面の傾き
の角度、φは偏向角度である。９０゜のステイグマテイ
ツク磁石に対して、射出磁極面の曲率半径は、その凹面
が凹面であるときは、０．７Ｒであることが好ましい。

別の態様からみると、セクタ磁石質量分析計は、磁石の
焦点面がイオン光軸に対してほぼ直角にあり、これは、
射出面において適当に彎曲し、入射面において必要に応
じて彎曲した磁極を用いることによつて達成され、この
質量分析計は、前記焦点面に沿つて二つ以上のコレクタ
ーアセンブリを配置し、少なく共その一つは、前記焦点
面に沿つて真空装置外から機械的な連動機構によつて可
動にされている。

このようにして、コレクタースリツトとイオン検出器か
ら各々なるコレクターアセンブリは、質量分析計を分解
することなく独立して調節可能であり、分析計が電荷と
質量の比率の異なるイオンビームを測定すべきときは、
上記構成の各々は目的に応じてイオンビームを受け入れ
るのに最適な位置を占め、また種々のイオンビームを受
け入れることμなる一この目的を達成するための榊橿の
設計は、スリツト移動面が光軸に対して９『であるとき
は、極めて容易となる。

さらに、コレクターアセンブリが光軸に対して直角な面
に取り付けられているときは、コレクターの一つから散
乱される電荷粒子が隣のコレクターに侵入することは極
めて少なくなり、その結果、上述したバツクグラウンド
信号の問題も非常に僅かとなつて同位体比率の測定の精
度向上に寄与すること大である。コレクターシステムは
、三組のスリツトと検出器からなり、一つのスリツトと
検出器は、固定され、残りは光軸を横切る方向に焦点面
内を可動であることが好ましい。しかしながら、この発
明は、多数のスリツトと検出器を備えたコレクターシス
テムを可能とするものである。例えば、一組のスリツト
と検出器を固定し、多数組を可動となし、測定装置の操
作のフレキシビリテイを増加させることが出来る。その
ためには、真空装置外から可動とすべきコレクターの調
節手段を設けるのみでよく、磁石の焦点面が光軸に直角
であるときはこれが極めて容易になる。多くの場合、真
空装置の外部から全てのコレクターを独立して位置調節
する必要はなく、これらの間の間隔が予め調節してあれ
ば、一対のコしクタ一のいくつかを位置調節すれば事足
りることとなる。この発明は従つて、従来よりも多数の
コレクターを備えた質量分析計の構築を可能とするもの
である。磁石の焦点面は、その射出磁極面を適当に彎曲
させることによつて光軸に対して直角な必要な位置に回
転させることが出来るが、磁石のフオーカシングに或る
程度の収差を生じさせ、質量分析計の解像力を低下させ
る。

これらの収差は、一つあるいはそれ以上の静電的或いは
磁気的な四重極の使用で減少或いは除去可能であるが、
入射磁極面を彎曲させることが好ましい。射出磁極面同
様入射磁極面を彎曲させることによつて、収差は、直線
的な磁極面により得られるものに近付き、光軸に対して
９『の必要な位置への焦点面の回転を可能ならしめる。
このようにして、この発明の他の態様によれば、同位体
比率の測定に必要な質量分析計は、射出磁極と入射磁極
とが彎曲されて磁石の光軸にほぼ直角な面内に磁石の焦
点面があるようなセクター磁石を質量セレクタ一として
用い、さらに、この質量分析計は、前記焦点面に二つ或
いはそれ以上の位置でイオンビームを検出する手段を備
える。

セクター磁石の入射磁極面の曲率半径は、射出磁極面の
それよりも適当に大きくされ、互いの曲面は反対側にあ
る。第１図において、イオンは、分析すべき試料から従
来周知の如く、図においてイオン源１から発生される。

イオンは、軌道２を描いて磁石３の磁極へと向かう。磁
極間を通過する際、イオンは、異なる電荷と質量の比率
のためビームに分離され、第１図では３本のビームが示
されている。磁場強度の設定により、測定すべき電荷と
質量の比率の最も高いイオンは、磁石により偏向され、
軌道１５を描いて板６のスリツトを通過してコレクター
アセンブＩ川８に入射する。より低い電荷と質量の比率
のイオンは、軌道１７に従つて板５のスリツトを通過し
コレクターアセンブＩ月９に入射する。中間の比率のイ
オンは、質量分析計の光軸である軌道１６を通り、固定
板４のスリツトを通過し、矩形のドリフト管１２を介し
てコレクターアセンブリ９に入射する。またイオンの電
荷とは反対の極性の高いポテンシヤルが、電極１０に印
加されると、管１２を出るイオンは、電極１０と衝突す
るように偏向され、二次電子を発生してシンチレータ検
出器１１に入射する。コレクターアセンブリ９、電極１
０および検出器１１を設けるのは、この種の測定を意図
した単一コレクタ一質量分析計の一般的な特徴である。
この発明によれば、スリツト板４，５及び６が位置する
焦点面は光軸１６に対してほぼ９０゜となるように、磁
石３が構成されている。

コレクタースリツト板６及び５がそれぞれ取り付けられ
ているコレクターアセンブリ１８及び１９は、軸７及び
８方向に可動であるので、これらのスリツトは、質量分
析計の真空ハウジングに取り付けられた真空シールされ
たマイクロメータリニアー駆動機構によつてビーム１５
及び１７と対向する。このような駆動機構は、最近の質
量分析計の共通の構成であり、周知である。軸７および
８は、磁石３の焦点面に沿つて位置し、この焦点面は、
磁石の射出磁極面の彎曲１３によつて軌道１６すなわち
イオン光軸にほぼ９０にをなしている。第２図は、可動
のコレクターアセンブ１月８の構造を示しているもので
ある。

コレクターアセンブｌ川９及び９も同様の構造を有して
いる。第２図において、イオンの通過する開孔３３を備
えたコレクタースリツト板６は、リンク３２を介してリ
ニアー運動駆動機構に接続されている。セラミツクの如
き絶縁体からなる３本の棒とスペーサ３４及び３５が、
板２０，２１，２２，２３及び２７を固定している。板
２３は、フアラデーバケツトイオン検出器２５を有し、
板２７は、バケツト２５のいずれかの側にある間隔を置
いて配置された二つの小磁石２６を保持している。磁石
２６を設けた目的は、イオンがバケツト２５の壁面に衝
突し、バケツトから離れるとき生じる二次電子発生のチ
ヤンスを少なくしようとすることにある。板２１は、約
−１００の電位に保持されて、バケツト２５からの如何
なる電子もそこに戻そうとするためのものであり 板２
０及び２２は接地されて、静電スクリーンとして働く。
バケツト２５と板２１の接続は、絶縁体３０により固定
板３１に取り付けられた可 性のばね付勢接点２９と摺
動接触する二つの接点２８を介して行なわれる。第３図
は、イオン光軸１６の方向からみたコレクターアセンブ
リの簡単な説明図で、取り付け板が、固定のスリツト板
４とガイド３７を支持している。

摺動スリツト板５及び６は、全てのスリツト開孔が磁石
の焦点面にあるようにガイド３７により所定位置に保持
されているものとする。コレクターアセンブリ１９及び
１８は、棒２４により板５及び６に取り付けられ、板５
及び６は、リンク３２により真空シールされたマイクロ
メータリニアー駆動機構３６に接続されている。この駆
動機構３６は、金線シールされたフランジ３９によつて
真空ハウジング３８の孔に取り付けられている。例えば
、電気的な位置決め装置或いはバイメタル片を用いた機
構を代りに使用することが出来ることも容易に理解され
よう。

さらに、スリツトの数も３個に限定する必要はない。第
４図は、コレクタースリツトの数を５個に増やした例を
示すものである。正規のイオンビーム開孔４０及び４１
を有する摺動板５及び６は、さらにより大きな開孔４６
及び４７を有している。スリツト開孔４３及び４５をを
有する２個の小さな摺動スリツト板４２及び４４が、大
きな開孔４６及び４７を介してみえる。スリツト板４４
及び４２の位置は、ビーム１５よりも大きな電荷と質量
の比率のビーム及び小さな比率のビームをそれぞれ受け
入れるように調節される。コレクターアセンブ１月８と
同様のアセンブリが、摺動スリツト板の各々に取り付け
られ、その際スリツト板５及び６のコレクターアセンブ
リの取り付け棒２４が通過出来る開孔が後方の板４２及
び４４に設けられる。二つの摺動スリツトアセンブリの
各々の位置決めは、二つの同心のマイクロメータ駆動機
構の使用で達成され、それらは、外部でスリツト板５及
び６を制御し、内部でスリツト板４２及び４４を制御す
る。このようにして、コレクターシステムは、質量分析
計の如何なる部品をも分解することなく五つのイオンビ
ームを同時に受け入れるように調節出来ることになる。
第２図、第３図及び第４図に示したコレクターアセンブ
リは、５個の独立したコレクターを有するコレクターア
センブリに適したものであつたが、第５図、第６図及び
第７図に示すように３個或いはそれ以上のコレクターア
センブリを有するマルチプルコレクターアセンブリを構
成出来ると都合が良い。

これらの図は、７個の独立したコレクターを備えたアセ
ンブリを示している。これらのコレクターは、そのうち
１個をイオン光軸上の固定スリツトに配し、３個宛の可
動コレクターを固定スリツトの両側に配置している。第
５図において、片側の３個の可動スリツトの配置が示さ
れ、５０，５１及び５２で示されるコレクターアセンブ
リの各々は、薄いスクリーン付きのボツクス内に配置さ
れ、以下に詳細に説明される。固定スリツトに隣接する
コレクターアセンブリ５０は、突起５３及びねじ５４に
よつてフオーク状の板４９に取り付けられている。板４
９は、第４図の摺動板４２および４３と置換可能であり
、第３図のガイド３７と同様のリン青銅板の対の内側を
自由に摺動する。板４９は、その他端を二つの同心マイ
クロ駆動機構（図示せず）に取り付けられ、或いは他の
適当な可動手段に取り付けられる。残りのコレクター５
１及び５２は、それぞれ突起７１と７３及びねじ７２と
５５により第２のフオーク状板４８に取り付けられる。
第４図のスリツト板５或いは６に替る板４８は、板４９
とは別に一対のガイド内を自由に摺動する。その位置は
、同心マイクロメータ駆動機構の他の部分によつて制御
される。第５図に示す如く板４８及び４９並びにコレク
ター側方の突起７１，７３及び５３の位置は、各コレク
ターの入射スリツトすなわち第５図の上面と同一平面に
あり、この面は磁石の焦点面であるようにされる。コレ
クター５２はさらに、フオーク状板４８の両端の凹部と
突起７３に設けたスリツト状開孔とによつてコレクター
５１に対して可動であるように構成されている。これに
より、コレクター５１と５２の間の距離が所望の値に調
節可能となる。このような構成では、真空装置の外側か
ら全てのコレクターを独立して位置決めすることが難し
いという欠点があるが、従来周知の構成のみを用い、２
つのプリセツト調節を行なうのみで７個のコレクターシ
ステムを構成出来るという利点がある。コレクターアセ
ンブリ５０，５１及び５２は、第６図に詳細に示されて
おり、断面で描かれている。

コレクターの各々は、薄い金属板６０を取り付けたアセ
ンブリ全体の厚みを構成する板５７からなり、この板６
０は、Ｕ形に曲げられて箱を形成するように板５７の開
放端を覆い、入射スリツト７０を除いてこれを遮蔽して
いる（第５図及び第７図参照）。箱内では、他の板５８
が二本のセラミツク棒６４により支持されており、絶縁
体６５により板５７に形成された棚から離隔されている
。板５８は、板５７よりも薄く、両側を薄い金属板で覆
われていて、別の箱を形成しており、スリツト７０を面
する開放端を有している。短いセラミツク棒５９が、二
つの箱を正しい位置に保持し、如何なる点においても箱
５８が箱５７と接触しないようにしている。スリツト７
０と同様の、しかしこれよりも僅かに大きなスリツトを
有する二枚の細長い薄い金属板６６及び６７が、セラミ
ツク棒６４に保持され、図示の如く絶縁体６５によつて
離隔されている。これらは、外側のカバー６０により所
定の位置に保持され、二つのねじによつて板５７の端部
に保持されることとなり、結局コレクターを板４８に取
り付けるように働くこととなる。突起５３が板５７の側
下方に取り付けられているコレクター５０の場合には、
特別のねじが用意されねばならない。板５８により部分
的に形成された箱は、コレクターバケツトとして働き、
絶縁管６７を介して外側のスクリーン箱５７を貫通して
いるリード線６８に接続されている。板６７は、第２図
の板２１と同様の抑制電極であり、絶縁管６３を通りリ
ード線６２によつてほぼ−１００■に維持される。板６
６は接地され、静電スクリーンとして働く。このように
して板５７とカバ−６０からなる外側のスクリーン箱は
、コレクタ−５８とこれに関係する板６６及び６７を完
全に包囲して、散乱イオン或いは二次電子の脱出と隣接
するコレクターへの侵入を防止する。このタイプのコレ
クターのアセンブリは、第２図のものよりもコンパクト
で、限られた空間内へのマルチプルコレクターシステム
の導入を容易にする。磁石３は、均質な磁場を有し、射
出磁極の彎曲及び必要に応じて入射電極の彎曲が以下に
述べる如き方法で定められるならば従来周知のタイプの
ものが使用出来る。第１図の実施例では、この種の質量
分析計ではステイグマテイツク磁石が慣用されているの
で、ステイグマテイツク磁石が示された。これらの磁石
は、第１図に示されている面にのみイオンをフオーカス
するだけでなく、これに直角な面にもフオーカスし、す
なわち磁石３の磁極間の磁場に平行な面にフオーカスす
る。従来のステイグマテイツク磁石は、直線状の射出磁
極及び入射磁極を有しているが、垂直面へのフオーカシ
ングは、光軸２及び１６に対してこれらの面を適当な角
度傾けることによつて行なわれる。多くの場合、射出磁
極面の角度を調節出来ると都合が良く、予想される作用
とのずれは、実際の磁石の使用時に補償可能である。イ
オン光軸に対して９０゜焦点面を回転するのに必要な射
出磁極の曲率半径は、使用される磁石のタイプによつて
定まる。

必要な曲率の計算のために、磁石の理論的な作用を、例
えば１９６７年にニユーヨークにおいてＡｃａｄｅｍｉ
ｃＰｒｅｓｓにより刊行され、ＡｌｂｅｒｔＳｅｐｔｉ
ｅｒにより編集され、Ｈ．Ａ．Ｅｎｇｅによつてアウト
ラインを記述された［Ｆｏｃｕｓｓｉｎｇｏｆ Ｃｈａ
ｒｇｅｄＰａｒｔｉｃｌｅｓ」に従つて計算する必要が
ある。その手続きは複雑であり、あらゆる磁石の可能な
タイプについて曲率が計算されたかの式を述べることは
不可能である。結論として、実際的な理由によつても理
論的な理由によつても、この力法によつて焦点面が正し
い位置に回転出来ないという或る特定の配置があるであ
ろう。これは、非常な時間を浪費して非常に多量の計算
を行なうことによつてのみ可能であろう。しかしながら
、これは、この発明のやり方に従つて焦点面を回転する
ことが可能であるかどうかに関係なく、特定の磁石につ
いて導き出された式から明らかであろう。例えば、半径
がＲで偏向角がφの対称的なステイグマテイツク磁石、
これは通常使用されるタイプのものであるが、について
以下の式が適用出来よう。ここで、ａは、物体距離（磁
極とイオン源との距離）、ｂは、像距離（磁極とコレク
ターとの距離）、αは、入射角（入射出極面とイオン光
軸に直角な線とのなす角）、βは、射出角（磁極面とイ
オン光軸に直角な線とのなす角）、Ｃ２は、射出磁極面
彎曲に関係するパラメータ、Ｒ，は、イオン光軸に対し
て焦点面を９０゜に位置させるのに必要な磁極の曲率半
径である。従つてＲ２の値は、考慮すべき磁石システム
の性質であるφとＲの値を知ることによつてこれらの式
から得られる。

９『のステイグマテイツク磁石の場合には、α−β＝２
６．５６５゜となり、必要な曲率半径（射出磁極面の）
は、−０．６９８８Ｒとなる。

しかしながら、実際のところ、磁極の有効境界部は、磁
石の周縁磁場のために実際の磁極の境界部とは一致しな
い。

Ｅｎｇｅの方法に従えば、実際に必要な曲率半径（Ｒｒ
ｒｌ２）は、次の式から計算される。（すなわち、Ｒｒ
ｎ２−Ｒ／（６０５３β〔Ｃ２−（０．７ＲＤ／Ｗ２ｏ
ｏ５３β）〕）−０．８Ｄ）ここでＷは、磁極幅（すな
わちｙ方向、第１図の面にそれぞれＲ１とＲ２に対して
直角をなす方向）及びＤは、磁極間距離（磁石のＮ，Ｓ
極のギヤツプ）である。

上述した如く、射出磁極面は調節可能であると有利であ
る。これは、射出磁極面を半球形の凹面となし、この発
明による彎曲面をなし磁極面となる合致片を取り付ける
ことによつて行なわれる。この合致片は、適当な角度で
クランプされ、磁極の固定部に安定して嵌合する。同様
の装置が、平担面を有するステイグマテイツク磁石にお
いて知られている。上述した如く、必要な位置へ焦点面
を回転させるように射出磁極面を彎曲させると、イオン
ビームのフオーカシングに際して磁石の収差が増加する
。

これらの収差は、磁石の入射磁極面に彎曲１４を施すこ
とによつて大幅に改善される。磁極面１４の曲率半径は
、磁石のフオーカシング特性に関する式に現われる最も
重要な収差項目について与えられた彎曲の似たような効
果について計算することによつて定められ、最少の収差
を生じる値を選択すればよい。このような手続は、複雑
ではあるが、荷電粒子のフオーカシングビームについて
磁石を設計する者にとつて親しまれていることであろう
。第１図の磁石に対しては、値は、以下の範囲にある。
ここで、Ｃ，及びＣ２は、それぞれ入射磁極面及び射出
磁極面の曲率についてのパラメータであり、八Ｒ，＝−
Jメ[コ【丁である。

正確な値は、最良の性能が得られるように実験により定
めることが望ましい。射出磁極面の場合には、適切な補
正が或る磁石の配置については得られないであろうが、
問題となる磁石についてのフオーカシング式中の収差項
目の大きさから明らかとなろう。一般に、Ｅｎｇｅの方
法により計算される六つの収差係数が、Ｃ１とＣ２によ
つて変化し、他に影響を受けない。

これら六つの値がＣ２を選びＣ，に対してプロツトされ
るとき、Ｃ１は、最も重要な項目が最少であるかいくつ
かが反対の符号を有するため打消し合う点となるように
定められる。この点は、収差項目が、Ｒ，α，β，φ等
の如きパラメータを収差項目が含むために、質量分析計
の配置によつて影響を受ける。Ｃ，が−Ｃ２より大きい
ときは、結果は、全て六つの収差項目が非常に急激に増
加し、Ｃ，の上限が−Ｃ２となるようにされる。Ｃ，が
−Ｃ２より小さく０より大きいときは、Ｃ１に関しての
収差係数の変化は通常は小さく、収差を最少とするＣ１
の適当な値が容易に選択されることになる。上述した９
『の対称型ステイグマテイツク磁石については、Ｒ１二
一１．１４Ｒ２すなわちＣ１／Ｃ２＝−０．８８のとき
満足のゆく結果が得られた。性能を最良のものとするた
めには、計算値から出発してＲ１の微調整を行なうのが
最も良い。第１図に示した如く、Ｒ１とＲ２は、イオン
光軸１６と交叉する磁石の原位置である面に直角に測定
される。

彎曲した磁極面の間の磁場内にある軸１６に沿つた距離
は、直線的な面を有する磁石のそれと正確に同じでなけ
ればならず、さもないと磁石のセクター角が相違し、磁
石はフオーカスしないことになる。これは、凹面の射出
磁極面が、磁極面のコーナーを有し、凸面の入射磁極面
がコーナーを除去されていることを事実上意味している
。磁石３の他の構成は、同様なタイプの従来の磁石と同
様であり、ここでは詳述しない。この発明は、第１図に
示したタイプの質量分析計に限定されるものではなく、
単一フオーカス磁石セクター質量分析計の多くへの適用
が可能であり、イオンがコレクターアセンブリに到達す
る以前に磁石が最後のフオーカシング手段となるような
マルチプルフオーカシング質量分析計への適用をも可能
とするものである。

またこの発明のコレクターは、第２図〜第７図に示す形
状のものに限定されるものではなく、磁石の焦点面に沿
つて移動する他のタイプの可動コレクターをも使用し得
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明により構成された単一フオーカシン
グタイプの質量分析計のイオン光学系を示す平面図、第
２図及び第３図は、この発明に用いられるコレクターア
センブリの詳細を示す平面図及び正面図、第４図は、第
２図及び第３図のアセンブリに多数のコレクターを収容
する実施例の説明図、第５図は、この発明に用いられる
他のコレクターアセンブリの部分図であり、３個以上の
コレクターが必要な場合に適した実施例を示す、第６図
は、第５図のアセンブリに使用される個々のコレクター
の断面図および第７図は、第５図に示すようにアセンブ
ルされた第６図のコレクターの前面図である。 １・・・・・・イオン源、３・・・・・・磁石、２，１
５，１７・・・・・・軌道、４，５，６・・・・・・板
、９，１８，１９・・・・・・コレクターアセンブリ、
１０・・・・・・電極、１６・・・・・・イオン光軸、
４３，４５・・・・・・スリツト開孔、５０，５１，５
２・・・・・・コレクターアセンブリ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同位体比率を測定するための質量分析計において、
   セクター磁石を備えその焦点面が前記磁石のイオン光軸
   にほぼ直角となるように射出磁極面を彎曲させてなる質
   量セレクタと、前記焦点面の二つあるいはそれ以上の位
   置において同時にイオンビームを検出する手段とを有す
   る質量分析計。 ２ 前記磁石が、イオン光軸に対して傾斜した射出磁極
   面及び（或いは）入射磁極面を備えるステイグマテイツ
   ク磁石である特許請求の範囲第１項記載の質量分析計。 ３ 前記磁石の射出磁極面の曲率半径（Ｒ＿２）が、お
   よそ、Ｒ＿２＝Ｒ／（Ｃ＿２ｃｏｓ＾３β）で与えられ
   、ここでは、セクター磁石の半径であり、βは、イオン
   光軸が前記射出磁極面を横切る点に引いた直角線に対す
   る前記射出磁極面の傾斜角であり、Ｃ＿２が、Ｃ＿２＝
   −２（ｔａｎ＾４β＋（５／４）ｔａｎ＾２β＋１／８
   ）／ｔａｎβで与えられ、その際、負の符号が前記射出
   磁極面が凹面であることを示している特許請求の範囲第
   ２項記載の質量分析計。 ４ 前記磁石の前記射出磁極面の実際の曲率半径（Ｒｍ
   ＿２）が、Ｒｍ＿２＝Ｒ／（ｃｏｓ＾３β〔Ｃ＿２−（
   ０．７ＲＤ／Ｗ＾２ｃｏｓ＾３β）〕−０．８Ｄで与え
   られ、ここで、Ｒ、Ｃ＿２、βは、特許請求の範囲第３
   項で規定され、Ｄは、前記磁石のＮ極とＳ極の距離であ
   り、Ｗは、イオン光軸に沿つて測定した前記磁石の前記
   射出及び入射磁極面間の距離である特許請求の範囲第２
   項記載の質量分析計。 ５ 前記磁石の偏向角がほぼ９０°であり、イオン光軸
   に直角な面に対する前記射出磁極面の傾斜角度がほぼ２
   ６．６°である特許請求の範囲第２項から第４項のいず
   れか１項に記載の質量分析計。 ６ 前記射出磁極面の曲率半径が、磁石セクターの半径
   の約０．７倍であり、かつ、該磁極面が凹面である特許
   請求の範囲第５項記載の質量分析計。 ７ 磁石の焦点面がイオン光軸に対してほぼ９０°をな
   し、射出磁極面と必要に応じて入射磁極面を彎曲させる
   磁極片を磁石に嵌合させ、二つあるいはそれ以上のコレ
   クターシステムを前記焦点面に配置して、真空装置の外
   部から前記コレクターの少なく共一つを機械的に制御し
   て前記焦点面に沿つて可動であるようにしたセクター磁
   石質量分析計。 ８ 前記コレクターシステムが３つあるいはそれ以上の
   コレクターからなり、そのうちの一つが固定で、他のコ
   レクターが、イオン光軸を横断する前記磁石の焦点面を
   独立して可動であるようにした特許請求の範囲第７項記
   載の質量分析計。 ９ 前記コレクターシステムが三つあるいはそれ以上の
   コレクターからなり、その一つは固定で、残りの少なく
   共二つがイオン光軸を横断する前記磁石の焦点面を可動
   の共通な支持手段に取り付けられ、前記支持手段が、取
   り付けられたコレクター間の距離を調節可能とするプリ
   セット手段と協働するようにした特許請求の範囲第７項
   記載の質量分析計。 １０ 前記コレクターシステムが、三つ以上のコレクタ
   ーからなつて、うち少なく共一つが固定であり、少なく
   共二つがイオン光軸を横断する前記磁石の焦点面を可動
   の共通な支持手段に取り付けられ、前記支持手段が、取
   り付けられたコレクター間の距離調節を可能とするプリ
   セット手段と協働し、少なく共他の一つが、イオン光軸
   を横断する前記磁石の前記焦点面を独立して可動である
   ようにした特許請求の範囲第７項記載の質量分析計。 １１ 射出磁極面及び入射磁極面が、磁石の焦点面がイ
   オン光軸にほぼ直角となるように彎曲させられ、その際
   前記磁石のフォーカシング作用における収差が最少とな
   るようになし、前記焦点面の二つ或いはそれ以上の位置
   においてイオンビーム強度を同時に検出しかつ測定する
   手段を設けた特許請求の範囲第７項から第１０項のいず
   れか１項記載の質量分析計。 １２ 前記入射磁極面の曲率半径が前記射出磁極面のそ
   れよりも大きくかつ反対の符号を有する特許請求の範囲
   第１１項記載の質量分析計。 １３ 前記入射磁極面の彎曲が実験により前記収差を最
   少とするように定められるようにした特許請求の範囲第
   １１項または第１２項記載の質量分析計。 １４ 前記入射磁極面の曲率半径が前記射出磁極面のそ
   れの約１．１４倍であり、該入射磁極面が凸面であるよ
   うにした特許請求の範囲第１１項または第１２項記載の
   質量分析計。