(57)【要約】  周回軌道（Ｃ）を形成するための扇形電場を発生する主電極（１１）の外側電極（１１ａ）に、外部から扇形電場入射光軸（Ａ）に沿ってイオンを周回軌道（Ｃ）に導入するためのイオン入射口（１５）を穿設し、それを設けたことによる扇形電場の乱れを補正するために扇形電場入射光軸（Ａ）の方向に３個の電場補正電極（２０）を配列する。この電場補正電極（２０）に印加する直流電圧をそれぞれ適宜に調整することで、扇形電場中の等電位線をイオン入射口（１５）がない場合とほぼ同じにすることができる。これにより、周回軌道（Ｃ）に沿って飛行するイオンの軌道のずれを軽減し、且つ、電極（１１）、（２０）への電圧印加を停止することでイオン入射口（１５）を通して周回軌道（Ｃ）にイオンを乗せることができる。
2008139506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を円弧形状に飛行させるための扇形電場を形成するために外側電極と内側電極とを一対とする電極を含む荷電粒子光学系を備える荷電粒子分析装置であって、荷電粒子を通過させるため又は荷電粒子の状態をモニタするための電磁波若しくは粒子線を通過させるための開口を前記外側電極に穿設した荷電粒子分析装置において、
前記開口の周囲で前記外側電極と内側電極とで挟まれる空間に臨む位置に配置された電場補正電極と、
該電場補正電極に所定の直流電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、前記電場補正電極により、前記開口による扇形電場の乱れを補正するようにしたことを特徴とする荷電粒子分析装置。
【請求項２】
前記電場補正電極は複数であって、前記開口を通して入出射する荷電粒子又は電磁波若しくは粒子線の直線状の光軸に沿って配列されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子分析装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段は前記複数の電場補正電極に対して独立に直流電圧を印加可能であることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子分析装置。
【請求項４】
前記荷電粒子はイオンであり、前記扇形電場は同一軌道に沿ってイオンを多数回飛行させる周回軌道を形成するものであって、前記開口は該周回軌道に外部からイオンを入射する、又は該周回軌道から離脱したイオンを外部へと出射させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の荷電粒子分析装置。
【請求項５】
前記扇形電極の端部から扇形電場に入射する又は該扇形電極の端部から出射する直線状の入出射光軸の延長線上に前記開口が形成され、前記扇形電場への印加電圧に応じて前記開口を経たイオンの入出射と前記扇形電場中の円弧形状のイオンの飛行との選択が可能であることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば質量分析装置、電子分光装置、エネルギー分析装置など、イオンや電子といった荷電粒子を分析するための荷電粒子分析装置に関し、さらに詳しくは、荷電粒子を湾曲形状に飛行させるための扇形電場を形成する荷電粒子光学系を備える荷電粒子分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子光学系は、イオン、電子などの荷電粒子を、電場又は磁場の作用により、収束、分散、分光、偏向、輸送などするものである。以下の説明では、特に荷電粒子としてイオンを対象とするイオン光学系について述べるが、基本的には、他の荷電粒子、例えば電子でも同様である。【０００３】
イオンビームを偏向させたり、或いはイオンを質量やエネルギーに応じて分離するためのイオン光学系として、構成が簡単であって汎用性に優れた扇形電場がよく利用される。扇形電場の具体的な利用例としては、例えば特許文献１などに記載の多重周回飛行時間型質量分析装置がある。多重周回飛行時間型質量分析装置では、複数の扇形電場を用いることで、略楕円形、略８の字形状などの閉軌道であるイオン周回軌道を形成し、この周回軌道に沿ってイオンを多数回、周回飛行させることにより、実効的に長い飛行距離を確保してイオンの質量分離性能を高めるようにしている。【０００４】
こうした多重周回飛行時間型質量分析装置では、周回軌道上にイオン生成のためのイオン源を設けたり、イオン検出のためのイオン検出器を設けたりする例もあるが、多くの場合、周回軌道の外側で発生したイオンを周回軌道に導入して所定回数周回飛行させ、その後にイオンを周回軌道から離脱させて周回軌道の外側に設置したイオン検出器に導入して検出する。このように周回軌道へのイオン導入や周回軌道からのイオンの取り出しを行うために、扇形電場を形成する扇形電極に開口を設ける必要が生じる場合がある（上記特許文献１参照）。また、周回軌道へのイオンの入出射以外に、周回するイオンの状態や態様をモニタするために外部からレーザ光やＸ線などの電磁波や粒子線を周回軌道に導入するために、扇形電極に開口を設ける必要が生じる場合もある。【０００５】
しかしながら、上述のように扇形電極に開口を設けた場合、その開口の付近で電場に乱れが生じることが避けられない。扇形電場の乱れがあると、そこを通過する際にイオンの軌道が理想的でなくなる（又は設計通りではなくなる）から、特に多周回を行う際に質量精度が低下する、或いはイオンの透過率が悪くなって検出感度が低下する、といった問題が顕著になる。【０００６】
従来、扇形電極に開口を設けたことによる電場の乱れの影響を軽減するために、開口に金属製のメッシュや金属製ワイヤ等を張設することが行われている。しかしながら、こうしたメッシュやワイヤはイオンの通過の障害ともなるため、イオンの透過率の低下やレーザ光などの電磁波、粒子線の通過効率の低下を招く。また、金属製のメッシュやワイヤによっても電場の乱れの影響は残るため、特に精度の高い分析を行いたい場合には適切な方法ではない。【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１３５０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、扇形電場を形成する電極に設けた開口に起因する電場の乱れを軽減することで、イオン（荷電粒子）の飛行軌道のずれを解消することができる荷電粒子光学系を備える荷電粒子分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、荷電粒子を円弧形状に飛行させるための扇形電場を形成するために外側電極と内側電極とを一対とする電極を含む荷電粒子光学系を備える荷電粒子分析装置であって、荷電粒子を通過させるため又は荷電粒子の状態をモニタするための電磁波若しくは粒子線を通過させるための開口を前記外側電極に穿設した荷電粒子分析装置において、
前記開口の周囲で前記外側電極と内側電極とで挟まれる空間に臨む位置に配置された電場補正電極と、
該電場補正電極に所定の直流電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、前記電場補正電極により、前記開口による扇形電場の乱れを補正するようにしたことを特徴としている。【００１０】
上記荷電粒子は例えばイオンや電子であり、上記荷電粒子光学系はイオン光学系や電子光学系である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る荷電粒子分析装置では、荷電粒子を円弧形状に飛行させるための扇形電場を形成する電極に開口が設けられたことによって、該開口付近で扇形電場に乱れが生じるが、補助的に設けた電場補正電極により形成される直流電場の作用により、扇形電場の乱れが軽減される。従って、荷電粒子が上記電極により形成される扇形電場を通過する際に開口がないときとほぼ同じ軌道を通って円弧形状の軌跡を描き飛行する。このため、開口を設けてもイオン等の荷電粒子の透過率が下がらず、高い分析感度を確保することができる。また、例えば質量分析装置ではイオンの軌道のずれが軽減されることで質量精度の低下を抑えることができ、特に飛行距離を伸ばすために周回数を増やす場合に効果的である。【００１２】
電場補正電極による電場補正の程度は必要とされる性能に応じて決めることができる。即ち、高い分析精度や分析感度が必要とされる場合には、それだけ厳密な電場補正が要求される。電場補正電極の数は任意であるが、一般に、数を増やすほど柔軟な調整が可能であって電場補正の精度を向上させ易い。そこで、本発明に係る荷電粒子分析装置では、前記電場補正電極は複数であって、前記開口を通して入出射する荷電粒子又は電磁波若しくは粒子線の直線状の光軸に沿って配列される構成とするとよい。【００１３】
また、この構成では、前記電圧印加手段は前記複数の電場補正電極に対して独立に直流電圧を印加可能であるようにするとよい。【００１４】
これにより、複数の電場補正電極に印加する直流電圧をそれぞれ適宜に調整することで、高い精度で電場の乱れを補正することができる。また、そうした補正のために適切な電圧を見い出す作業が容易になる。【００１５】
また本発明に係る荷電粒子分析装置の一態様として、前記荷電粒子はイオンであり、前記扇形電場は同一軌道に沿ってイオンを多数回飛行させる周回軌道を形成するものであって、前記開口は該周回軌道に外部からイオンを入射する、又は該周回軌道から離脱したイオンを外部へと出射させる構成とすることができる。【００１６】
この態様は、周回軌道を有する多重周回飛行時間型質量分析装置、フーリエ変換型質量分析装置、エネルギー分析装置などである。例えば多重周回飛行時間型質量分析装置では、イオン源で生成したイオンを、扇形電場を形成する電極に設けられた開口を通して周回軌道に入射し、適宜の回数だけ周回軌道に沿ってイオンを周回させた後に、扇形電場を形成する電極に設けられた開口を通して周回軌道から出射させてイオン検出器により検出するようにすることができる。電場補正電極によって扇形電場の乱れが補正されることにより、周回軌道を飛行する際のイオンの軌道のずれや乱れが軽減でき、高い透過率で以てイオンをイオン検出器まで導くことができる。それにより、高い分析感度を達成できる。また、軌道がずれないことで高い質量分解能を達成できる。【００１７】
また、上記態様においては、前記扇形電極の端部から扇形電場に入射する又は該扇形電極の端部から出射する直線状の入出射光軸の延長線上に前記開口が形成され、前記扇形電場への印加電圧に応じて前記開口を経たイオンの入出射と前記扇形電場中の円弧形状のイオンの飛行との選択が可能である構成とすることができる。【００１８】
即ち、例えば周回軌道上を飛行しているイオンを該軌道から離脱させて外部に取り出す際に、それぞれ扇形電場を形成する電極への電圧の印加を停止すると、イオンはその直前の進行方向のまま直線状に進むから、電極の外側電極に形成されている開口を通して外部にイオンを出射させることができる。このように、電極への電圧の印加の有無によって、簡単にイオンの軌道を切り替えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である多重周回型質量分析装置においてイオンを多重周回させる周回軌道を形成するイオン光学系の平面図。
【図２】本実施例の多重周回型質量分析装置におけるイオン光学系でのイオン入射口付近の平面図。
【図３】本実施例の多重周回型質量分析装置におけるイオン光学系でのイオン出射口付近の平面図。
【図４】本実施例の多重周回型質量分析装置におけるイオン光学系でのイオン入射口付近の概略斜視図。
【図５】電場補正電極を使用しない場合の軌道計算モデルの平面図。
【図６】電場補正電極を使用しない場合のイオン入射口（イオン出射口）付近の等電位線の計算結果を示す図。
【図７】本実施例のように電場補正電極を設けた場合の軌道計算モデルの平面図。
【図８】電場補正電極を設けた場合の開口付近の等電位線の計算結果を示す図。
【符号の説明】
【００２０】
１…イオン光学系
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４…トロイダル扇形電場
１１、１２、１３、１４…主電極
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ…外側電極
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ…内側電極
１５…イオン入射口
１６…イオン出射口
２０、２１…電場補正電極（ＦＡＥ）
Ａ…扇形電場入射光軸
Ｂ…扇形電場出射光軸
Ｃ…周回軌道
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る荷電粒子分析装置の一例として、多重周回型質量分析装置について説明する。図１はこの多重周回型質量分析装置においてイオンを多重周回させる周回軌道を形成するイオン光学系の平面図である。【００２２】
このイオン光学系１では、外側電極と内側電極とを組とする主電極を４個配置し、それら主電極にそれぞれ印加される直流電圧により形成される静電場の作用によって略８の字形状の周回軌道Ｃを形成する。即ち、第１主電極１１の外側電極１１ａと内側電極１１ｂとの間には第１トロイダル扇形電場Ｅ１、第２主電極１２の外側電極１２ａと内側電極１２ｂとの間には第２トロイダル扇形電場Ｅ２、第３主電極１３の外側電極１３ａと内側電極１３ｂとの間には第３トロイダル扇形電場Ｅ３、第４主電極１４の外側電極１４ａと内側電極１４ｂとの間には第４トロイダル扇形電場Ｅ４がそれぞれ形成され、各トロイダル扇形電場Ｅ１〜Ｅ４を通過する際にイオンは円弧状に大きく屈曲され、電場が及ばない自由飛行空間ではイオンはほぼ直進することで、図示したような周回軌道Ｃが形成される。【００２３】
この周回軌道Ｃに沿ってイオンが飛行する間にイオンは質量に応じて分離され、つまり周回軌道Ｃ上で時間差が生じる。この周回軌道Ｃに外部からイオンを導入するために第１主電極１１の外側電極１１ａにはイオンビームが通過するのに十分な大きさのイオン入射口１５が穿設されている。また、この周回軌道Ｃからイオンを取り出すために第４主電極１４の外側電極１４ａにはイオンビームが通過するのに十分な大きさのイオン出射口１６が穿設されている。イオン入射口１５は第１主電極１１と第２主電極１２との間の自由飛行空間におけるイオン光軸の延長線上に設けられている。従って、イオン入射口１５を通して周回軌道Ｃにイオンを入射する際には図示しない電源部から第１主電極１１に印加する電圧を解除し、イオンが入射し終えたら第１主電極１１に所定の電圧を印加してイオンが周回軌道Ｃに沿って回るようにすればよい。また、イオン出射口１６は第３主電極１３と第４主電極１４との間の自由飛行空間におけるイオン光軸の延長線上に設けられている。従って、イオン出射口１６を通して周回軌道Ｃからイオンを出射する際には、図示しない電源部から第４主電極１４に印加する電圧を解除すればよい。【００２４】
図２はイオン入射口１５付近の平面図、図３はイオン出射口１６付近の平面図、図４はイオン入射口１５付近の概略斜視図である。イオン入射口１５、イオン出射口１６を外側電極１１ａ、１４ａに穿設したことにより、主電極１１、１４に周回のための所定電圧を印加した場合に、この開口１５、１６の付近ではトロイダル扇形電場Ｅ１、Ｅ４の一部が乱れることが避けられない。この乱れによって周回軌道Ｃに沿って飛行するイオンは理想的な軌道（通常は中心軌道）を外れることになる。そこで、このイオン光学系１では、上記電場の乱れを補正するために、イオン入射口１５、イオン出射口１６の周辺にそれぞれ電場補正電極２０、２１を配置している。【００２５】
この実施例の構成では、イオン入射口１５に、直方体形状であって扇形電場入射光軸Ａに沿ってビームラインの外側に（つまり外側電極１１ａの一部に置き換わるように）３個の電場補正電極２０が配置されている。ここでは、３個の電場補正電極を周回軌道Ｃの側から順にＦＡＥ１、ＦＡＥ２、ＦＡＥ３と呼ぶ。但し、電場補正電極２０の形状は必ずしも直方体である必要はなく、状況に応じて適宜の形状に変形することができる。また，配置する電場補正電極２０の数に制限はなく、要求される電場補正の精度によっては１個でも必要十分な補正は可能であるし、電極個数が多いほど柔軟な調整が可能であって電場補正の精度は向上する。一方、イオン出射口１６においても同様に、扇形電場出射光軸Ｂに沿ってビームラインの外側に３個の電場補正電極２１が配置されている。【００２６】
上記のような電場補正電極２０、２１を設けた場合の電場補正効果について、シミュレーション計算の結果を利用して説明する。図５は電場補正電極を使用しない場合（つまり従来の構成）の軌道計算モデルの平面図、図６は図５の構成におけるイオン入射口（又はイオン出射口）付近の等電位線の計算結果を示す図である。この等電位線は、イオン光軸により張られる平面である中心軌道平面上での計算結果であって、０［Ｖ］を中心に±１０００［Ｖ］の範囲を１００［Ｖ］ステップで記載してある。なお、範囲を±１０００［Ｖ］としたのは等電位線の様子をわかり易く示すためであり、実際に周回軌道Ｃに沿って周回するイオンが通過するのは、より中心軸線に近い狭い範囲である。【００２７】
扇形電場では、理想的には、中心軌道平面上で等電位線は円弧形状となり、イオン光軸上の電位はゼロである必要がある。ところが、図６を見ればわかるように、イオン入射口（又はイオン出射口）付近では等電位線が外側に膨らむように大きく歪み、しかも、イオン光軸上の電位も負極性の方向にゼロからずれている。これから、イオン入射口（イオン出射口）を設けた影響によって、理想的な扇形電場が形成されないことが確認できる。このような乱れた電場の影響で、イオンが周回する際に理想的な周回状態からずれ、質量精度が低下するのみならず、場合によっては途中で発散してしまうおそれもある。【００２８】
図７は本実施例のように電場補正電極を設けた場合の軌道計算モデルの平面図、図８はそのときのイオン入射口（又はイオン出射口）付近の等電位線の計算結果を示す図である。ここでは、１個の電場補正電極の幅（扇形電場入射光軸Ａ又は扇形電場出射光軸Ｂの方向における幅）は８［ｍｍ］、隣接する電場補正電極の間隔は２［ｍｍ］である。また、主電極に印加される電圧は、外側電極が＋１３９７．６８［Ｖ］、内側電極が−１３９７．６８［Ｖ］であり、電場補正電極に印加される電圧は、ＦＡＥ１が＋１７５６［Ｖ］、ＦＡＥ２が＋２５４０［Ｖ］、ＦＡＥ３が＋３３１３［Ｖ］である。なお、主電極への印加電圧をＶｃとすると、ＦＡＥ１、ＦＡＥ２、ＦＡＥ３への印加電圧はそれぞれ、１．２５６Ｖｃ、１．８１７Ｖｃ、２．３７０Ｖｃと表すことができる。【００２９】
図８から明らかなように、電場補正電極により形成される電場の作用により、等電位線はほぼ理想的な（つまりイオン入射口や出射口がない場合と同様の）円弧形状となり、また、イオン光軸上の電位もゼロとなっている様子が確認できる。即ち、電場補正電極を設けたことにより、イオン入射口やイオン出射口を設けたことによる電場の乱れが満足いく程度に補正可能であることが示された。【００３０】
なお、上記数値はシミュレーションを行いながら試行錯誤的に適切な値を見い出したものであるから、これに基づく計算結果は必ずしも最良の電場補正状態を示しているとは限らないが、実際に必要とされる電場補正精度は様々であるから、それに合わせて適宜の設計が可能であることは当然である。【００３１】
また、上記実施例は、多重周回の軌道を構成する扇形電場を発生する主電極にイオン通過用の開口を穿設した場合について説明したが、多重周回軌道でなくても、扇形電場を利用してイオンを湾曲形状に曲げる各種の構成に適用することができる。【００３２】
また、扇形電場を形成する電極の外側電極には、上述のようにイオンの入出射以外の目的で開口が穿設される場合がある。例えば、図２中の扇形電場入射光軸Ａ又は図３中の扇形電場出射光軸Ｂに沿ってレーザ光やＸ線などの電磁波を外部から導入し、飛行するイオンの状態や態様をモニタすることがある。従来、扇形電場を形成する電極が障害となる部分には上記のような電磁波の導入のための開口を設けることは避けられていたが、上記実施例のように電場補正電極を付設した有開口電極を用いることで、イオン光学系に影響を与えずに電磁波（或いは他の粒子線）の導入ラインを確保することが可能となる。これによって、従来にない新しいアプリケーションの展開が期待できる。こうしたアプリケーションの例として、レーザ脱離イオン源、スパッタリング用のレーザポストイオン化装置、光解離法や電子捕獲解離法よるイオントラップ、レーザを利用したイオンクーリング、Ｘ線光電子分光分析装置などがある。
【図１】
2008139506.tif 000003
【図２】
2008139506.tif 000004
【図３】
2008139506.tif 000005
【図４】
2008139506.tif 000006
【図５】
2008139506.tif 000007
【図６】
2008139506.tif 000008
【図７】
2008139506.tif 000009
【図８】
2008139506.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月25日(2009.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
扇形電場を形成するための前記一対の電極の端部から該扇形電場に入射する又は該一対の電極の端部から出射する直線状の入出射光軸の延長線上に前記開口が形成され、前記一対の電極への印加電圧に応じて前記開口を経たイオンの入出射と前記扇形電場中の円弧形状のイオンの飛行との選択が可能であることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、上記態様においては、扇形電場を形成するための前記一対の電極の端部から該扇形電場に入射する又は該一対の電極の端部から出射する直線状の入出射光軸の延長線上に前記開口が形成され、前記一対の電極への印加電圧に応じて前記開口を経たイオンの入出射と前記扇形電場中の円弧形状のイオンの飛行との選択が可能である構成とすることができる。
【国際調査報告】
2008139506.tif 000011
2008139506.tif 000012