JPS61237357A - 質量分析装置 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は扇形一様磁場を使用する単収束型の質量分析装
置に関する。

（従来技術） 質量分析とは、質量の異なったイオンを電場そして、ま
たは磁場の下で分離し、イオンの質量の分布を求めるこ
とであり、化学分析などに用いられる。質量分析装置は
、イオンを発生するためのイオン源と、このイオンを磁
場そして、または電場を適切に用いて質量の異なったイ
オンを分離する質量分離系と、分離されたイオンを検出
・記録する検出記録系とから構成される。質量分離系と
しては、たとえば、加速されたイオンの方向と速度（エ
ネルギー）とを、扇形一様磁場を用いて収束する単収束
型や、扇形一様磁場の他に扇形電場をも用いて収束する
二重収束型がある。

単収束質量分析装置はデンプスタ−（Ｄｅｍｐｓｔｅｒ
）にはじまり、その後−次近似のイオン光学がヘルツオ
ーク（Ｈｅｒｚｏｇ）により完成され、現在では広く利
用されている。そして実用化されている装置の多くは６
０°あるいは９０°の扇形一様磁場を直角入出射方式で
用いるものである。また一方では、イオン光学的考察に
より装置の性能を上げようという試みはケルビイン（Ｋ
ｅｒｕ＋ｉｎ）の広角収束等いくつか試みられたが、い
ずれも実用化されていない。これは次のような理由によ
ると考えられる。

すなわち、これらの提案の根拠となる計算では軌道平面
内のイオン軌道のみを取扱い、端縁場（ｆｒｉｎｇｉｎ
ｇ　ｆｉｅｌｄ）の影響を無視していることによる。と
ころが、一様磁場であっても端縁場では軌道平面から外
れると磁場の分布が異り、したがってイオン軌道がずれ
ることとなり、これが収差の原因となる。このため、実
際に装置を作ってみると思ったほど性能の向上が認めら
れず、実用化されないのであろう。

これに対し、最近、端縁場を通るイオンの軌道を３次の
近似で計算する軌道計算法が開発され、任意のイオン光
学系の２次および３次の収差を求めることができる計算
法が確立され、これを用いて種々の単収束質量分析計に
ついてイオン光学的にその収差を検討するとともに、こ
の収差に関連して、非対称配置、曲線境界、科人出射な
どの各項目について検討がなされている。

次に、その検討結果について説明する。

まず、扇形一様磁場について説明すると、第４図におい
て、１は磁場、２はイオン源、３はスリット、４はイオ
ン源２からのイオンビーム、５はコレクタスリット、６
はイオンコレクタである。

また、φｍは磁場１の偏向角、ｒｍはイオンビーム４の
軌道半径、ε、ε２はイオンビーム４のそれぞれ入射角
、出射角、１１はスリット３からの磁場１までの距離、
１２は磁場１からコレクタスリット５までの距離、Ｒ，
、Ｒ２は磁場１の境界面の曲率半径である。

また、イオン源２を出てコレクタ６に達するイオンの光
軸からのずれ、いわゆる収差Ｘｆは２次の近似で、 Ｘｆ＝ＡＸＸ＋Ａαα＋Ａγγ＋Ａααα２＋Ａ、、Ｙ
２＋Ａ、βＹβ＋Ａβββ２ ・・・・・・・・・（１） により与えられる。

ここで、Ｘ、Ｙはイオンがスリット３に入射するときの
軌道平面内、およびそれに垂直な方向における光軸から
のずれ、ａ、βはイオンビーム４の傾きの角度である。

なお、単収束質量分析装置を考えているから、イオンの
エネルギーのずれδはないものとする。χは質量のずれ
の割合である。

ＡＸは像倍率、Ａγは質量分散係数である。残りの係数
は収差を与えるので、できるだけ小さいことが望ましい
。また、普通の条件では、α、βは０．０１以下であり
、分解能が数１０００以下の装置を考えるときは、３次
係数は１００程度以下の大きさであれば問題にする必要
はない。したがって、ここでは（１）式のように２次の
収差係数を問題とする。

そこで、まず収差を小さくする手段として、１１と１２
を非対称とすることが考えられる。ｌ。

と１２を非対称にすると像倍率ＡＸを任意の大きさにす
ることができることは知られている。そして、質量分析
計の分解能Ｒはイオン源のスリットの幅をＳとすると、
次式（２）によｉ）与えられる。

ここで、△は収差による像の拡がりである。

（２）式において、Δを無視すると、ＡＸを小さくする
ほうが大きな分解能が得られることがわかる。

ところが、異るＡｘについてそれぞれ収差係数を計算し
てみると、Ａｘが小さくなるとともに急速に収差が大き
くなることが認められた。

いま、その一つの代表例として、φｍ＝９０°、磁極間
隔０．０５γｍの場合について、各収差係数のＡｘに対
する変化を第５図に示した。

第５図か呟ＡＸ：０．５のときは、Ａｘ＝１にくらべて
Ａααが３倍、Ａ、βとＡββは約２倍は大きくなって
いることがわかる。このことが呟（２）式の収差Δが大
ぎくなると、分解能がかえって悪くなり、１１　と１２
を非対称とすることは好ましくないと判断できる。なお
、図中において収差係数をＡｘで割った値を示したが、
これは分解能を考えるとき、質量分散の大きさと収差の
大きさの比が問題となるからである。

次いで、磁場の曲線境界と収差について説明する。

扇形磁場について、画境界面に曲率半径Ｒ，＝　Ｒ２＝
ｒｍｃｏｔ３１　／　２φｍ　　−（３）の曲りをつけ
ると、αに関する２大我束が得られる。このと外の条件
は、φｍ＝９０’のときはＲ１”Ｒ２”　ｒｍであり、
φｍ＝６０’のときはＲ１＝Ｒ２＝０．１９２　ｒｍで
ある。このとき、他の収差係数の計算の結果を次の表に
示した。なお、比較のため直線境界のデータも示した。

表 この表か呟曲線境界のものはＡααが０となるが、他の
収差係数は直線境界のものに比べていずれも大きな値を
示し、しだがって、磁場の境界面に曲りをつけることも
収差を小さくする上で効果的でないと言える。

さらに、直線境界の磁場について、入出射の角度（ε１
．ε２）および偏向角（φｌ１１）を変えたとき、４個
の２次収差係数と他の重要　イオン光学的パラメータが
どのように変化するかを測定した測定結果か呟　ε１＝
ε２＝εとしたとき、ｔａｎ　ε＝、（０，６８〜０．
６９）ｔａｎφＩＩｌ／２・・・・・・・・・（３） を満足するように、入出射の角度（ε１．ε２）および
偏向角（φｍ）を設定すれば、質量分散が大きく、収差
係数が小さくなり、しかも単収束型質量分析装置の形状
も小形化されることが知られている。

ところで、同位体の分析では、存在比が著しく異なる元
素を質量分析する場合が多い。ヘリウム（Ｈｅ）を例に
取ると、コＨｅ／’Ｈｅ＝１０−６〜１Ｏ−ａにもなる
。このような場合、質量分析装置中の３Ｈｅイオンのイ
オン数は数１０個にも満たない。この’Ｈｅイオンを通
常の単収束型質量分析装置で検出しようとすると、’Ｈ
ｅイオンの散乱１反射、迷走もしくは浮遊等により、ノ
イズレベルが上昇し、３Ｈｅを検出するのが著しく困難
となる。

そこで、このような同位体の分析に、上記のように質量
分散が大ぎく、かつ収束係数の大きい単収束型質量分析
装置が有効に使用できる。しかし、ヰの単収束型質量分
析装置が従来の単収束型質量分析装置のたとえば１／３
程度に小形化された場合、散乱１反射、迷走もしくは浮
遊等による’Ｈｅイオンの空間密度が３倍以上に高くな
り、満足なＳ／Ｎ比を得ることができな（なるという問
題があった。

（発明の目的） 本発明は従来の質量分析装置における上記問題点に鑑み
てなされたものであって、存在比が著しく異なる元素の
検出を低ノイズで精度よく測定するようにした質量分析
装置を提供することを目的としている。

（発明の構成） このため、本発明は、扇形一様磁場からなる磁場分析部
から検出部に到るイオン軌道から外れたイオンを排除す
るイオン排除手段を備えていることを特徴としている。

上記イオン排除手段は好ましくは磁場分析部から結像ス
リットに到るイオン軌道を取り囲むように設けられると
ともにアースに接地された金属パイプ、磁場分析部と結
像スリットとの間に配置されるとともにアースに接地さ
れた複数枚のスリット付の電極板もしくは結像スリット
と検出部との間に配置された複数枚の偏向電極である。

（発明の効果） 本発明によれば、磁場分析部と検出部との間に磁場分析
部から検出部に到るイオン軌道から外れたイオンを排除
するイオン排除手段番設けて散乱。

反射、迷走もしくは浮遊等によるイオンが検出部に到達
しないようにしたので、同位体の分析のように存在比が
著しく異なる元素を質量分析する場合にも、同位体比の
分析をきわめて低ノイズで精度よく行うことができる。

（実施例） 以下、添付図面を参照しっ）本発明の詳細な説明する。

真空排気系により高真空に排気される図示しない真空容
器の中に、イオン化室１１を設ける。このイオン化室１
１の中でイオン化された粒子（通常は正イオン）は、電
極１２によって加速され、エネルギーを得、そして出射
スリット１３から粒子線１４として引外出される。粒子
線１４は、次いで、磁場分析部である扇形一様磁場１５
の下でローレンツ力によりその質量と電荷とに応じて曲
げられる。第１図において、扇形一様磁場１５を発生す
る磁石ポールピース面は、第１図の上側と下側とに設け
られ、磁界の方向は紙面に下向きである。扇形一様磁場
１５を出て、順次、金属パイプ１６．複数枚のスリット
付きの電極板１７．結像スリット１８および複数枚のス
リット付きの偏向電極１９を径た粒子線１４の強度は、
検出部である２次電子増倍管２０で増幅され、増幅器２
１により電気信号として検出される。上記扇形一様磁場
１５の強度を連続的に変化させると、扇形一様磁場１５
の強度に対する増幅器２１の出力から時系列的にイオン
種の弁別を行うことができる。

上記金属パイプ１６は、磁場分析部１５から結像スリッ
ト１８に到る粒子線１４のイオン軌道２２を取り囲むよ
うに、磁場分析部１５寄りに配置されている。金属パイ
プ１６はアースに接地されている。

一方、上記電極板１７は、金属パイプ１６と結像スリッ
ト１８との間に配置されるとともに、そのスリット１７
ａが上記イオン軌道２２に沿うように配列されている６
上記電極板１７は、イオン軌道２２を外れて真空容器内
で散乱９反射、迷走もしくは浮遊するイオンが隣接する
電極板１７゜１７に侵入しないようにするため、その端
部をイオンが飛行する向きに折曲しておくことが好まし
い。電極板１７はアースに接地される。

また、偏向電極１９は、結像スリット１８と２次電子増
倍管２０との間に配置されるとともに、電極板１７と同
様に、そのスリン）　１９ａが結像スリット１８から２
次電子増倍管２０に到るイオン軌道２２に沿うように配
置されている。上記偏向電極１９は、その一つに正（プ
ラス）の高電圧Ｅ１が印加され、残るものはアースに接
地される。

質量分析装置をこのような構成とすれば、扇形一様磁場
１５を出たイオンは、金属パイプ１６を通過し、電極板
１７のスリン）　１７ａを通過した後、結像スリット１
８に入射するが、イオン軌道２２から外れたイオンは金
属パイプ１６に入射せず、金属パイプ１６外に出る。金
属パイプ１６外に出たイオンは、この金属パイプ１６内
のイオン軌道２２に入ることはなくなる。

また、金属パイプ１６にも極（僅かイオン軌道２２から
外れたイオンが入射される可能性があるが、これらのイ
オンは金属パイプ１６内で散乱され、次の電極板１７の
間からイオン軌道２２外へ散乱されて排除されてしまい
、結像スリット１８に入射することはない。

結像スリット１８を通過したイオンで、検出するイオン
の理論上のイオンエネルギよりも低いエネルギを有する
イオンは、正の高電圧Ｅ１が印加された偏向電極１９に
より反発され、イオン軌道２２外へ排除される。

このようにして、イオン軌道２２を外れたイオンは、順
次、金属パイプ１６．電極板１７および偏向電極１９で
イオン軌道２２の外へ排除されるので、２次電子増倍管
２０には、イオン軌道２２を飛行した理論上のイオンエ
ネルギを有するイオンが入射することになる。従って、
存在比が著しく異なる元素を低ノイズで検出できる。

もなみに、第１図の質量分析装置により３Ｈｅの検出を
行なったところ、第２図に示す結果を得た。

また、第１図の質量分析装置において金属パイプ１６、
電極板１７および偏向電極１９を有していないものによ
り３Ｈｅの検出を行ったところ、第３図に示す結果を得
た。

この第２図と第３図とを比較すれば明らかなように、第
１図の質量分析装置では、ノイズレベルが大幅に低く、
’Ｈｅが高い精度で検出されていることが分る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る質量分析装置の一実施例の説明図
、第２図は第１図の構成を有する質量分析装置を使用し
て３Ｈｅを検出した結果を示すグラフ、第３図はイオン
排除手段を有しない質量分析装置を使用してコＨｅを検
出した結果を示すグラフ、第４図は扇形一様磁場におけ
るイオンの偏向角と人出射角との関係を示す説明図、第
５図はＡｘと各収差係数の関係を示すグラフである。 １４・・・イオン軌道、　　１５・・・扇形一様磁場、
１６・・・金属パイプ、　１７・・・電極板（１７ａ・
・・スリット、　　　　　　１８・・・結像スリット、
１９・・・偏向電極（１９ａ・・・スリット）、２０・
・・２次電子増倍管、２２・・・イオン軌道。 特許出願人　株式会社村田製作所 代　理　人　　弁理士　青　　山　　葆ばか２名第１図 第４図 第２図 ＨＤ＋Ｈ。 第３図 第５図 ＡＸ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）扇形一様磁場からなる磁場分析部に入射されたイ
   オンが磁場強度に応じて質量が弁別された後、磁場検出
   部から結像スリットを通して検出部に入射されて検出さ
   れる質量分析装置において、上記検出部と磁場分析部と
   の間に磁場分析部から検出部に到るイオン軌道から外れ
   たイオンを排除するイオン排除手段を備えていることを
   特徴とする質量分析装置。 （２）上記イオン排除手段は磁場分析部から結像スリッ
   トに到るイオン軌道を取り囲むように設けられるととも
   にアースに接地された金属パイプであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の質量分析装置。 （３）上記イオン排除手段は磁場分析部と結像スリット
   との間に配置されるとともにアースに接地された複数枚
   のスリット付きの電極板であって、これら電極板はその
   スリットが上記イオン軌道に沿うように配列されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の質量分析
   装置。 （１４）上記電極板はその端部がイオンが飛行する向き
   に折曲されていることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の質量分析装置。 （５）上記イオン排除手段は結像スリットと検出部との
   間に配置された複数枚の偏向電極であって、これら偏向
   電極の一つには正（プラス）の電圧が印加されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項のいず
   れか一に記載の質量分析装置。