JPS60119067A

JPS60119067A - 飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JPS60119067A
Application number: JP58227393A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Yoshida; 桂一吉田
Original assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Current assignee: Shimadzu Corp; Shimazu Seisakusho KK
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1985-06-26
Also published as: DE3423394A1; DE3423394C2; JPH0468740B2; GB8415521D0; GB2153139B; US4625112A; GB2153139A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野この発明は飛行時間型質量分析装置に関し、特にその分
解能の向上に関する。

（ロ）従来技術イオンに同じエネルギーを与えても、イオンの質量が異
なれば速度が違うから、一定距離を飛行するのに要する
飛行時間が異ってくる。そこでその飛行時間によってイ
オンの質量の分析を行うのが飛行時間型質量分析装置の
基本原理である。

ところが、実際上はイオンに厳密に同じエネルギーを与
えることは不可能なので、同じ質量のイオンでも各々の
もつエネルギーに幅が生じ、その結果として飛行時間が
幅をもってくる。そしてその幅が大きいほど質量分析の
分解能は低くなってしまう。

従来の飛行時間型質量分析装置として例えば特開昭５７
−４４９５３号に開示のものなどがあるが、それらの装
置はいずれも前記エネルギー幅による分解能の低下を充
分解消できるものではなかった。

このような事情に鑑みて、この発明の発明者は、特願昭
５７−２３０１５８号において、イオン飛来側端からの
軸方向の距離に強さが比例しかつ飛来するイオンを押し
もどす方向の電界を内部に形成した分析管を用いて分解
能を向上した飛行時間型質量分析装置を提案した。

しかし、上記提案の装置では、イオンが分析管内だけを
飛行する場合には問題がないが、イオン引出手段やレン
ズ手段などを設けるためにイオン発生位置と分析管の間
に空間があくと、この空間を飛行する時間がイオンのエ
ネルギーのばらつきによ＃）＠をもってくるため、トー
タルとして分解能が低下する問題がある。

（ハ）目　的この発明の目的は、イオン発生位置と分析管の間に空間
が存在している場合においても、トータルの分解能を低
下させないことにある。

に）構　成この発明の飛行時間型質量分析装置は、加速したイオン
を放出するイオン放出手段、そのイオン放出手段側端か
らの軸方向の距離に強さが比例する傾斜電界と一定の強
さの均一電界とを加算した強さを有しかつ前記イオン放
出手段から飛来するイオンを押しもどす方向の電界を内
部に形成された分析管およびその分析管内の電界にょシ
押しも。

どされて分析管から出てくるイオンを検知するイオン検
知手段を具備して構成される。

（ホ）実施例以下、図に示す実施例に基いて、この発明を詳説する。

ただし、これによシこの発明が限定されるものではない
。

第１図に示す（１）は、この発明の飛行時間型質１：分
析装置の一実施例であシ、イオン放出手段（２）。

分析管（６）およびイオン検知手段ααを具備してなっ
ている。

イオン放出手段（２）ハ、ハルスレーザ光やパルス状電
子線を照射手段（３）によりターゲット物質（４）に当
ててイオンを生成し、レンズ（５）を通して放出する従
来公知の手段である０レーザ光照射の場合は、固体のタ
ーゲット物質を用いることができがり微少部分にのみ照
射することができる利点があるが、エネルギーのばらつ
きが数１００　（ｅＶ）で大きい欠点がある。一方、電
子線照射の場合は、エネルギーのばらつきが数１０　［
ｅＶ］で小さい利点があるが、ターゲット物質をガス化
し々ければならない欠点がある。

分析管（６）は、軸（ａ）に沿って等間隔で並べられた
多数のリング状電極（７）からなるものである。各リン
グ状電極（７）には、抵抗分圧回路（８）によって、イ
オン放出手段（２）側の端からの距離２の２乗に比例し
た電圧Ｖｑと距離２に比例しだ電圧Ｖｐとの和の電圧Ｖ
ｒが印加されている。いまＶｑとＶｐとを、ｖｑ＝　１−αｚ２　・・・・・・・・・（１−１）ｖ
ｐ＝　β２　・・・・・・・・・（１−２）とすれば、
Ｖｒは、となるから、第２図に示すように、各電極（７）の電圧
Ｖｒは、分析管（６）よりもイオン放出手段（２）側の
基準点（２）からみだ距離の２乗に比例して増大する電
圧である。

分析管（６）内の電界Ｅは、上記電圧Ｖｒを距離２ア微
分して得られるから、Ｅ＝ａＺ＋β　・山曲・（１−４）となり、距離２に比例する傾斜電界Ｅ、（＝α２）と一
定の強さの電界Ｅ２（＝β）との和の強さの電界となる
。電界Ｅの向きは、イオン放出手段（２）から放出され
るイオンをイオン放出手段（２）側へ押しもどす向きと
なるように直流電源（９）の極性により定められている
。そこでイオン放出手段（２）から分析管（６）内に放
出されたイオンは、後述するごとく分析管（６）のサイ
ズが充分大きければ第４図に示すように、電界Ｅにより
Ｕターンされ、再びイオン放出手段（２）側へ飛び出し
てくる。

イオン検知手段（１０１は、分析管（６）から飛び出し
てくるイオンを検知するもので、従来公知の手段である
。

さて、作動を説明するために、質量ｍ、電荷量ｑ、初期
エネルギーｖｏのイオンが分析管（６）内に放出された
ものとする。また分析管（６）において、軸（ａ）の方
向を２方向とし、軸（ａ）に垂直な方向をｒ方向とする
。

イオンはエネルギー■ｏを運動エネルギーとしてもって
いるので、イオンの初速度Ｓ。は、次の（２−１）式で
規定される。

つまり、初期エネルギーＶｏに幅があるときは、イオン
の初速度Ｓ。の幅となって表われることが分る。

イオンの発生位置から分析管（６）までの距離をり。

とすれば、この間はイオンの速度に対して影響を与える
電界は無いから、速度はＳ。で一定であり、したがって
飛行時間Ｔ。は、である。

ところで分析管（６）内における運動方程式は、軸（ａ
）の方向すなわち２方向に対しては、電界Ｅによりｚ方
向と逆向きの力をうけるから、初期条件として、イオンが分析管（６）に進入した時点
をｔ＝０．進入位置を２＝０　、速度は上記Ｓ。

で、（３−１）式を解けば、これを変形すると、ここで分析管（６）の後端の電極（７′）の電圧すなわ
ち供給電圧ｖＬを（１−１）式および（１−２）式で表
現すると、 ■　＝−αＬ２　・・・・・・・・・（３−４）２Ｖ２−　βＬ　・・・・・・・・・（３−５）となるが
、これを（３−３）式に適用して整理すると、・・・・・・（３−６）となる。

イオンが分析管（６）に進入してから再び飛び出してく
るまでの飛行時間Ｔ１は、（３−６）式においてｚ−０
を与えるｔ（ただし、０を除く）だから、これを整理すれば、である。

さて、トータルの飛行時間ＴはＴ　とＴ１の和であるか
ら、・・・・・・（３−９）となる。

いま、イオンの初期エネルギーｖｏに幅がある場合を考
えて初期エネルギーｖｏをＶ。＋△ｖｏとおき、３次以
上の項は無視できるとして、δに関して展開すれば、 δの１次の項の係数が０となる条件をもとめると、これ
をδの２次の項の係数に適用すれば、であればよいが、
これと（４−２）式が同時に成立するだめにはり。＝０
でなければならない。しかし、この装置（１）ではり。

ＮＯであるから、この条件は満足されず、従ってδの２
次の項を０とすることはできない。結局、（４−２）式
を満足するとしたときのトータルの飛行時間は、ること
になる。

さて、（３−９）式もしくは（４−４）式から、そこで
分解能をもとめると、となるが、この（４−５）式に（４−４）式を適用すれ
ば、となる。

たとえば装置（１）において、ＬＯ＝　０．０８５［：
　ｍ　：］　。

Ｌ　＝　０．２５　Ｃｒｎ：］　、ＶＯ＝２０００’（
Ｖ）、Ｖｌ　＝２０００〔Ｖ〕とすると、（４−２）式
の条件から、ｖ２＝７００　、８８　［Ｖｌとすればよ
いが、このとき（４−６）式は、となる。そこでたとえば△ｖｏが２００　〔Ｖ’：ｌと
すると、となり、これは従来の飛行時間型質量分析装置よりも格
段に優れた分解能である。

第５図は、（３−９）式によって初期エネルギーｖｏ　
と飛行時間Ｔの関係をもとめたグラフである。装置条件
は、Ｌｏ＝　０．　Ｏｓ　ｓ　Ｃｍ）　、　Ｌ＝０．２
５［ｍ］、Ｖ　、＝２０００　〔ｖ）　＋で、Ｖｏ＝　
２０００〔ｖ〕のときに（４−２）式を満たすようにｖ
２＝７００・８７７　（Ｖ）とし、かつイオンは銅イオ
ンを想定してｍ＝６３としている。第５図から分るよう
に、初期エネルギーｖｏが２０００　（Ｖ）から５００
　［Ｖ〕前後のばらつきをもっていたとしても、飛行時
間Ｔはわずかに１　（ｎｓｅｃ　）の幅をもつにすぎず
、極めて優れた性能である。

他の実施例としては、比抵抗が距離２に対してａＺ２＋
ｂＺなる非電導性材料によって分析管を形成し、内部に
所望の電界を発生させてもよい。

また隣接する電極の電位差が一定である多数のリング状
電極を軸に沿って並べ、各電極間隔を除徐に狭くしてい
くことによって所望の電界を発生させてもよい。

さらにイオン検知手段として、中央に孔の開いたマイク
ロチャネルプレートを用い、その孔を通してイオンを分
析管に入射させ、反射してきたイオンをマイクロチャネ
ルプレートで検出するようにしてもよい。

（へ）効　果この発明の飛行時間型質量分析装置によれば、イオン発
生位置と分析管の間が離れている場合であってもイオン
の初期エネルギー幅による分解能の低下が防止され、高
い分解能を得ることができる。そこで、パルスレーザ光
によシ生成されたイオンのような大きな初期エネルギー
幅をもつイオンの質量分析が高分解能で可能となり、ま
た高速化学反応の時間分解質量スペクトルが高分解能で
得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の飛行時間型質量分析装置の一実施例
の構成説明図、第２図および第３図は第１図に示す装置
における分析管内のポテンシャルと電界の強さを各々示
す特性図、第４図は第１図に示す装置におけるイオンの
飛行軌跡を示す模式図、第５図はこの発明の飛行時間型
質量分析装置の一具体例の分解能を説明するだめの特性
図である０（１）・・・・・・・・・飛行時間型質量分析装置、（
２）・・・・・・・・・イオン放出手段、（６）・・・
・・・・・・分析管、（７）・・・・・・・・・リング
状電極、（８）・・・・・・・・・抵抗分圧回路、（９
）・・・・・・・・・直流電第４図 ■ａ　ＬＶＪ

Claims

【特許請求の範囲】Ｚ　加速したイオンを放出するイオン放出手段、そのイ
オン放出手段側端からの軸方向の距離に強さが比例する
傾斜電界と一定の強さの均一電界とを加算した強さを有
しかつ前記イオン放出手段から飛来するイオンを押しも
どす方向の電界を内部に形成された分析管およびその分
析管内の電界により押しもどされて分析管から出てくる
イオンを検知するイオン検知手段を具備してなることを
特徴とする飛行時間型質量分析装置０２　分析管の軸方向に等間隔で多数のリング状電極が配
置され、イオン放出手段側端から各電極までの距離の２
乗に比例した電圧と距離に比例した電圧を加算した電圧
がそれぞれの電極に印加されてなる特許請求の範囲第１
項記載の装置。