(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象の試料のイオンを生成するためのイオン源であって、
電子源と、
前記電子源によって生成された電子が注入される入口と、イオン源空間内で生成された前記試料のイオンが抽出される出口とを有するイオン化チャンバと、
第１の電極と、
第２の電極であって、前記第１および第２の電極間に前記電子源が配置され、前記電子源とイオン化チャンバへの前記入口との間に配置されている第２の電極と、
前記第１および第２の電極に印加される電位を制御するように構成された制御装置であって、イオン化が必要な期間に前記イオン化チャンバに電子を注入するために前記第１および第２の電極に互いに異なる第１電位および第２電位をそれぞれ印加し、イオン化が不必要な期間に前記電子源によって生成された電子を前記イオン化チャンバから遠ざけるために前記第１および第２の電極に互いに異なる第３電位および第４電位をそれぞれ印加するように動作する制御装置とを備え、
前記第１電位と第３電位とが互いに異なり、上記第２電位と第４電位とが互いに異なっている、イオン源。
【請求項２】
前記イオン化チャンバの入口への電子の注入方向と、前記イオン化チャンバの出口からのイオンの抽出方向とがほぼ直交している、請求項１のイオン源。
【請求項３】
前記電子源がフィラメントである請求項１または２のイオン源。
【請求項４】
前記電子源が前記第１および第２の電極から等距離に配置されている請求項１ないし３のいずれかのイオン源。
【請求項５】
前記第１電位と第２電位とが互いに逆極性であり、前記第３電位と第４電位とが互いに逆極性である、請求項１ないし４のいずれかのイオン源。
【請求項６】
前記第１電位と第２電位とが同じ大きさで逆極性であり、前記第３電位と第４電位とが同じ大きさで逆極性である請求項４のイオン源。
【請求項７】
気相試料分子源と、気相分子を前記イオン化チャンバへと導入する手段とをさらに備えた請求項１ないし６のいずれかのイオン源。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のイオン源と、
前記イオン化チャンバで生成された前記イオンを導く入口を有するイオントラップとを備えた質量分析装置システム。
【請求項９】
前記イオン化チャンバ内に位置する第１のイオン制御電極と、
前記イオン化チャンバ内で生成されたイオンの経路内において前記イオン化チャンバの外側に位置する第２のイオン制御電極とを更に備え、
前記制御装置が、前記イオン化チャンバ内で生成されたイオンを前記イオン化チャンバから抽出するために前記第１および第２のイオン制御電極に電位を印加するように動作する請求項８の質量分析装置システム。
【請求項１０】
電子を注入する入口ポートおよび試料イオンを抽出するための出口ポートを有するイオン化チャンバ内で気相試料から試料イオンを生成し、前記イオン化チャンバから質量分析装置のイオントラップに試料イオンを導入する方法であって、
第１の電極と第２の電極の間に電子源を設け、前記第１の電極は、前記電子源に対して前記イオン化チャンバの入口ポートに近い側に配置し、前記第２の電極は、前記第１の電極に対向するように、前記電子源に対して前記入口ポートから遠い側に配置することと、
時間ｔ1において、電子とは逆極性の電位を前記第１の電極に印加し、電子と同極性の電位を前記第２の電極に印加して、前記電子源で生成された電子を前記イオン化チャンバの入口ポートに注入開始することと、
前記イオン化チャンバの内部へと気相試料原子または分子を供給することと、
前記イオン化チャンバの内部において、前記出口ポートが形成された壁面に対向する別の壁面の近傍に第１のイオン制御電極を設けることと、
前記イオン化チャンバの外側において前記出口ポートの近傍に第２のイオン制御電極を設けることと、
時間ｔ2において、前記気相試料から生成されたイオンと同極性の電位を前記第１のイオン制御電極に印加し、前記生成イオンとは逆極性の電位を前記第２のイオン制御電極に印加して、前記生成イオンを前記イオン化チャンバから抽出することと、
時間ｔ3において、前記気相試料から生成された前記イオンとは逆極性の電位を前記第１イオン制御電極に印加するとともに、前記生成イオンと同極性の電位を前記第２のイオン制御電極に印加して、前記イオン化チャンバからの生成イオンの抽出を停止することと、
時間ｔ4において、電子と同極性の電位を前記第１の電極に印加し、電子とは逆極性の電位を前記第２の電極に印加して、前記電子源により生成された電子を前記イオン化チャンバの入口ポートに注入することを停止することとを含む方法（ただし、ｔ1＜ｔ2＜ｔ3＜ｔ4である。）。
【請求項１１】
電子を注入する入口ポートおよび試料イオンを抽出するための出口ポートを有するイオン化チャンバ内で気相試料から試料イオンを生成し、前記イオン化チャンバから質量分析装置のイオントラップに試料イオンを導入する方法であって、
第１の電極と第２の電極の間に電子源を設け、前記第１の電極は、前記電子源に対して前記イオン化チャンバの入口ポートに近い側に配置し、前記第２の電極は、前記電子源に対して前記入口ポートから遠い側に配置することと、
時間ｔ1において、電子とは逆極性の電位を前記第１の電極に印加し、電子と同極性の電位を前記第２の電極に印加して、前記電子源で生成された電子を前記イオン化チャンバの入口ポートに注入開始することと、
前記イオン化チャンバの内部へと気相試料原子または分子を供給することと、
前記イオン化チャンバの外側において前記出口ポートの近傍にイオン制御電極を設けることと、
時間ｔ2において、前記気相試料から生成されたイオンとは逆極性の電位を前記イオン制御電極に印加して、前記生成イオンを前記イオン化チャンバから抽出することと、
時間ｔ3において、前記気相試料から生成された前記イオンと同極性の電位を前記イオン制御電極に印加して、前記イオン化チャンバからの生成イオンの抽出を停止することと、
時間ｔ4において、電子と同極性の電位を前記第１の電極に印加し、電子とは逆極性の電位を前記第２の電極に印加して、前記電子源により生成された電子を前記イオン化チャンバの入口ポートに注入することを停止することとを含む方法（ただし、ｔ1＜ｔ2＜ｔ3＜ｔ4である。）。
【請求項１２】
前記第１および第２の電極が、電子源から等距離に配置されており、さらに、時間ｔ1およびｔ4において前記第１および第２の電極にそれぞれ印加される電位が、前記第１および第２の電極の間で、互いに同じ大きさであるが、互いに異なる極性である請求項１０または１１の方法。
【請求項１３】
時間ｔ2と時間ｔ1との差が１〜１０マイクロ秒の範囲である請求項１０ないし１２のいずれかの方法。
【請求項１４】
時間ｔ2と時間ｔ1との差が１〜１０ミリ秒の範囲である請求項１０ないし１２のいずれかの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、質量分析を用いた物質の特性決定のための装置および方法に関し、より具体的には、イオントラップ質量分析装置と共に使用するためのパルス型イオン源に関する。
【０００２】
【発明の背景】
質量分析装置は、化学分析における一般的なツールとなっている。一般的に、質量分析装置は、質量対電荷比（ｍ／ｅ）の差に基づいてイオン化原子や分子を分離し、その後、様々な比のイオンを検出することによって動作する。イオントラップ、４重極質量フィルタ、磁気セクタ装置を含む様々な質量分析装置が一般的に使用されている。
【０００３】
質量分析を行う一般的な工程は、（１）試料から気相イオンを生成し、質量分析装置で分析する前に先ず気体試料をガスクロマトグラフ（ＧＣ）で分離することと、（２）質量対電荷比に基づいて空間的あるいは時間的にイオンを分離することと、（３）各選択された質量対電荷比のイオン量を測定することである。この様に、質量分析装置システムは、一般的に、イオン源と、質量選択分析器と、イオン検出装置とからなる。質量選択分析器において、磁界や電界を単独または組み合わせて使用し、質量対電荷比に基づいてイオンを分離する。以下、質量分析装置システムの質量選択分析器の部分を質量分析装置と称する。
【０００４】
イオントラップ質量分析装置は、電極を使用して、小さな空間にイオンを収容または「トラップ（捕捉）」し、その空間からイオンを選択的に検出器に放出する。イオントラップ質量分析器には、主に２つのタイプ、すなわち、３次元４重極イオントラップおよびイオンサイクロトン共鳴（ＩＣＲ）イオントラップがある。４重極イオントラップは、試料物質から生成されたイオンをトラップに収容し、ＤＣ（直流）およびＲＦ（高周波）電界を用いてイオンを操作し、イオン数の検出、測定のために所望の質量対電荷比を選択する。通常、４重極イオントラップ質量分析器は、２つの（エンドキャップ）電極を分離するリング電極を備えている。断面におけるリング電極およびエンドキャップ電極の表面は、一般的に疎水性である。電極上のＲＦおよびＤＣ電位を走査することによって、特定の質量対電荷比のイオンをトラップから放出することができ、トラップにおいてイオンを検出、カウントする。ＩＣＲ型イオントラップは、半径方向における磁気拘束および軸方向におけるＤＣ拘束を利用して、トラップにイオンを収容する。
【０００５】
イオンを生成する試料物質をイオントラップの内部へと導入し、トラップ電極間の領域でイオン化することができる。あるいは、トラップ領域の外側のイオン源へと試料を導入し、イオン化して、得られた試料イオンをイオントラップへと射出することもできる。
イオントラップ内部あるいは外部で生成されたイオンは、通常、電子イオン化（ＥＩ）プロセスまたは化学的イオン化（ＣＩ）プロセスの結果として生成される。ＥＩ法においては、電子ビームを気相試料内へと導入する。電子が、中性の試料分子と衝突して、試料分子のイオンまたは分子の断片を生成する。
【０００６】
イオントラップ内部で電子イオン化を行う従来のイオン源は、パルス型の低エネルギー（〜１１ｅＶ）電子を用いており、電子は、エンドキャップ電極の孔を介してイオントラップ電極構造の内部へと射出される。そして、 ＲＦトラップ空間は、中性試料分子をバラバラにして電子イオン化によってイオンを生成するに充分な運動エネルギーにまで電子を加速する。この様な装置は、米国特許Ｎｏ．４，５４０，８８４にＳｔａｆｆｏｒｄらによって説明されている。
【０００７】
Ｂｉｅｒら（米国特許Ｎｏ．５，７５６，９９６）は、トラップ外で試料イオンを生成してトラップ領域へと射出する外部ＥＩイオン源について記述している。Ｂｉｅｒらの記述によるものなどの外部イオン源は、通常、電子を小さな螺旋軌道で移動させるためにイオン化軸に沿った磁界を有する磁石を含む。得られた電子ビームは、イオン化領域を横切る。Ｂｉｅｒらは、外部イオン源のイオン生成空間に射出された電子のエネルギーを制御する方法を教示している。 電子ビームエネルギーが、特定のイオン化期間においてはイオン源で原子および分子をイオン化するに充分であり、その他の期間においてはヘリウム（従来よりキャリアガスとして使用）をイオン化または励起するに不充分であるようにするために、 Ｂｉｅｒ法が採用される。
【０００８】
しかし、Ｓｔａｆｆｏｒｄらの記述による従来の内部イオン化法の短所は、トラップ電極の大表面がイオン化のために内部に導入された試料と必然的に接触することである。極性の大きな化合物などのある種の試料を分析する際に、電極の大表面によって感度が低下することがある。これは、試料が金属電極上に吸収されることに起因すると考えられている。また、中性の試料分子と帯電したイオン断片がイオントラップ内に同時に存在することによって、望ましくないイオン／分子反応が起きる。
【０００９】
一方、容積と電極表面積を大幅に小さくした外部イオン源を使用することによって、試料吸収およびイオン／分子反応の問題が大幅に軽減される。また、外部イオン源の場合、イオントラップ内に射出されたイオンのみがトラップ内に存在し、中性の試料分子が真空ポンプによって取り除かれるまで外部イオン源内に留まる。この様に、外部イオン源を使用することによって、イオントラップ内部での望ましくないイオン／分子反応をほぼ排除できる。
【００１０】
しかし、従来の外部イオン源の大きな短所は、電極との衝突によって解離した試料分子によって汚染される速度である。これに関して、Ｂｉｅｒらが教示したように電子エネルギーを小さくすると、中性分子の電子衝撃イオン化によるフォトンノイズやＧＣに使用されるヘリウムキャリアガスのバックグラウンドノイズが小さくなる。しかし、ノイズ生成や電子衝撃イオン化のエネルギー閾値よりもはるかに低いレベルのほんの数エレクトロンボルトの電子エネルギーで、化学結合を切ることができる。これは、Ｂｉｅｒらの方策によって、分子解離問題に充分に対処しなくてもフォトンノイズを低減可能であることを意味する。これは、試料分子の解離により発生する汚染が、大きなフォトンノイズを測定に導入することなく起こり得るからである。
【００１１】
しかし、この潜在的な汚染を低減するために、Ｂｉｅｒらの方法を使用して、電子エネルギーをゼロに低減することはできない。加熱されたフィラメントからの電子放出は、空間電荷制限電流に関するＣｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒの法則に支配される。この法則は、加熱されたフィラメントを離れて電位（Ｖ）の対向電極まで移動できる最大電荷電流（Ｉ）がＩ＝ＫＶ3/2により与えられると定義している。この様に、電流は、電子エネルギーを決定するフィラメントバイアス電圧の強力な関数である。また、電子衝撃イオン化と分子解離を防ぐ値にまで電子エネルギーを低減するようにしてＢｉｅｒらの方策を適用することによって、電子放出流が大幅に減少する。この結果は、以下のような理由で望ましくない。
【００１２】
質量分析で試料分子から安定した応答を得るために、放出流を制御することが公知となっている。一般的に、制御回路は、放出流の変化に応答するための時定数が大きい。これによって、電子放出が殆どあるいは全くないフィラメントの初期加熱におけるフィラメントの過熱を防止する。この様に、フィラメントのバイアス電圧の小さな変化は、通常、大きな放出流変化をもたらし、その結果、フィラメント放出制御回路の応答時間が長くなる。フィラメントバイアス電圧があまりにも小さいと、Ｃｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒの法則に示すとおり、電子による負の空間電荷によって、フィラメントを離れる電子の更なる増加を防止する。この様な場合、放出制御回路は、フィラメントが溶断するまで、フィラメントを通過する加熱電流を増加させる。したがって、フィラメントからの一定の電子放出流を維持し、フィラメントを物理的に完全な状態に保つことが望ましい。
【００１３】
Ｂｉｅｒらの方法では、イオンを生成しない期間において、電子レンズに印加される電圧の増加によってフィラメントのバイアス電圧の低減を達成する。これは、電子が電子レンズを通過するまで、ほぼ一定の電子エネルギーを維持するために役立つ。これは、電子エネルギー変化が小さくてもフィラメント放出流に大きな変動が起きるので、重要である。空間電荷制限平面ダイオードに対しては、Ｃｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒの法則は、Ｉ＝ＫＶ3/2／Ｘ2（式中、Ｘは、電極間の距離）の形態をとる。この様に、フィラメントから異なる距離に位置する２つの異なる電極上の電圧を変化させることによって、実際に放出流を一定に保つことはできない。放出制御回路がバイアス電圧の変化に応答するために要する期間、電子放出を一定に保つことはできないので、生成されるイオンの数は、イオン化時間に直線的に比例しない。これは、イオン測定プロセスの結果の解釈プロセスが複雑になるので望ましくない。
【００１４】
ＣＩ法では、イオン／分子反応を利用して試料イオンを生成する。電子ビームとの相互作用によって、反応ガス（メタン、イソブタン、アンモニアなど）をイオン化する。充分に高圧の反応ガス圧によって、反応ガスイオンと反応ガス分子間のイオン／分子反応を起こすことができる。この様な反応生成物の中には、その後、試料分子と反応して、試料イオンを生成可能なものもある。
反応イオン生成は、化学反応の複雑な組み合わせの結果として起こる。試料分子との安定したＣＩ反応を維持するためには、反応イオンを一定の濃度に維持しなければならない。したがって、試料が反応し始める前に、反応イオンが平衡レベルに達していることが望ましい。平衡時間は、化学反応分子によって異なるが、一般的には約１〜１０ミリ秒である。試料イオンの生成の前駆段階である反応イオン／分子の反応は様々な反応時間を要するので、イオン化期間に反応イオンの濃度が変化しないように、安定化期間は、反応イオンが化学的平衡を達成できるような時間である必要がある。しかし、Ｂｉｅｒらの方法は、電子エネルギーを増加させることによってイオン化期間を開始して、イオン源のイオン空間内でイオン化を起こし、同時にＣＩ反応を開始して、イオンをイオントラップに導入することを教示している。この様に、イオン化期間の開始時に反応イオンの非平衡状態から望ましくない影響を排除するための手段は設けられていない。
【００１５】
従来のイオン源の上記の短所を克服する、イオントラップ質量分析装置と共に使用するためのイオン源が望まれている。
【００１６】
【発明の要旨】
本発明は、イオントラップ質量分析装置と共に使用するためのイオン源に関する。本発明のイオン源は、電子流を生成する電子源を備えている。電子は、反撥板と電子レンズの作用によってイオン化チャンバ（イオン生成空間）内に射出（注入）される。イオン化チャンバ内において、電子は、気相試料と相互作用して電子イオン化プロセスによって試料イオンを生成するか、あるいは、反応ガスと相互作用して化学的イオン化プロセスの一部として反応イオンを生成する。生成された試料イオンは、イオン反撥部材とイオンレンズの作用によってイオン化チャンバから抽出される。電子反撥部材とレンズおよびイオン反撥部材とレンズの電位を制御して、試料イオンの測定中に適時に電子流をイオン化チャンバから遠ざけるように導くか、あるいは、試料イオンビームをイオントラップから遠ざけるように導く。
【００１７】
イオン化チャンバからイオンを取り除く別の手段は、イオンを抽出するために、（レンズとイオン反撥部材の組み合わせを用いる代わりに）イオンレンズのみを用いることである。これには、イオンがイオン化チャンバから出るイオン出口開口部を大きくする必要がある。例えば、ＣＩモードのイオン化チャンバは、チャンバからイオンを抽出するためにイオン反撥部材を用いる必要がない。試料イオンは周囲の真空チャンバよりもはるかに高い圧力のチャンバ内で生成されるので、イオンは、気体流の一部としてチャンバから流出可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、質量分析装置のイオントラップ質量分析器へと試料イオンを導入する前に気相の試料からイオンを生成するためのイオン源に関する。本発明の外部イオン源は、定放出、定電子エネルギービームを生成し、その方向を変化させて、イオン化ビームが、イオン生成領域に存在する気相試料を横断するように、あるいは、気相試料から逸れるようにする。電子ビームの方向は、試料イオンがイオントラップに導入されている時は、ビームがイオン生成空間に導入され、イオンがイオントラップに導入されていない時は、電子ビームがイオン空間から遠ざかるように制御される。これによって、解離試料分子によるイオン源出力の汚染を低減する一方、電子ビームに対する安定的な試料分子応答を維持し、電子源の役割を果たすフィラメントを完全な状態に維持する。イオン化電子ビームの一定放出流によって、生成された試料イオン数はイオン化期間に比例する。これは、試料イオン測定プロセスの結果の解釈に役立つ。
【００１９】
本発明のイオン源は、電子または化学的イオン化プロセスと共に使用することができる。電子レンズゲートと同期させるイオンレンズゲートを使用して、電子をイオン生成空間に導入する時とイオンをイオントラップに導入する時との間の安定化期間を規定する。これは、化学的イオン化プロセスの一部として使用する反応イオンの平衡状態を確保する手段を提供する。これは、電子ビーム方向の切替による電子放出流またはイオン流の過渡的な影響または動揺が、イオントラップに入るイオン数に影響を与えないようにする手段も提供する。
【００２０】
図１は、本発明のイオントラップ質量分析装置用の外部パルス型イオン源の概略ブロック図である。加熱されたフィラメント１０２は、電子源として作用し、好ましくは、互いに対向する反撥板１０４および電子レンズ１０６から等間隔に位置する。反撥板１０４は、好ましくは、非磁性ステンレス鋼からなる平坦な板である。フィラメント１０２は、周知のように、熱電子材料のリボン（矩形断面）またはワイヤ（円形断面）であることが好ましい。一つの実施形態において、フィラメント１０２は、試料イオンが生成される接地イオン源（イオン化チャンバまたはイオン生成空間と称する場合もある）１０８に対して−７０ボルトのバイアス電圧に保持される。図面では、電子レンズ１０６は、反撥部材１０４のように板部材として示されているが、フィラメント１０２と整合する矩形のスロットを有する。電子レンズ１０６のスロットと同形のスロットを電子反撥板１０４に追加することによって、極性逆転時にこれらの間の電界の対称性が向上することが分かっている。また、スロットを円形孔またはその他適切な形状のものと置き換えることもできる。
【００２１】
フィラメント１０２により生成された電子１０３は、入口ポートを介してイオン源１０８の内部に導入される。イオン源１０８内で、電子は、通常、ガスクロマトグラフ１０９の出力により与えられる中性の試料分子と衝突する。衝突は、帯電イオン１０５の流れを生成する。必要であれば、質量キャリブレーションガスソレノイド１１０を用いて、キャリブレーションガスを導入してもよい。
イオン１０５は、第２のイオン反撥板１１２を用いて、イオン源１０８の出口ポートから抽出することができる。これは、出口ポートと対向する壁面の近傍に設けられたイオン反撥板１１２（イオンと同極性）とイオン源１０８の反対側の出口ポートが形成された壁面との間で生成された電位のメカニズムにより達成される。イオンを抽出しないときには、イオン反撥板１１２をイオンとは逆の極性とする。
あるいは、イオン源１０８（イオン反撥板が存在しない場合。イオン反撥板が存在する場合はイオン反撥板）とイオン空間の外側の出口ポートの近傍に設けられた第１のイオンレンズ１１４との間で生成された電位によって、イオンをイオン源１０８から抽出することもできる。第１のイオンレンズ（抽出レンズ）１１４は、イオンの抽出時には、イオン源１０８の内部で生成されたイオンとは符号が逆の極性を有し、イオンを抽出しないときにはイオンと同極性を有する。イオン源１０８からの抽出の後、１以上のイオンレンズ１１６，１１８によって、４重極イオントラップ１２０（または、その他の適切なタイプのイオントラップ）のエンドキャップ電極のうちの１つの電極内の開口部へとイオンを輸送し、集中させる。
【００２２】
フィラメント１０２によって生成された電子１０３を入口ポートを介してイオン源１０８へと導入するために、電子抽出電界が用いられる。この電界は、反撥部材１０４に負の電圧を印加し、電子レンズ１０６に正の電圧を印加することによって生成する。フィラメント１０２が反撥板１０４と電子レンズ１０６から等距離に位置する場合、反撥部材およびレンズ上の電圧は、大きさは同じであるが符号が逆である。
図１に示されているとおり、イオン源１０８の入口ポートへの電子１０３の注入方向と、イオン源１０８の出口ポートからのイオンの抽出方向とは、ほぼ直交している。
【００２３】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、電子イオン化モード使用時の本発明のパルス型イオン源の動作中に、電子レンズ１０６（図２（ａ））、電子反撥板１０４（図２（ｂ））、イオンレンズ１１４（図２（ｃ））に印加された電位を時間の関数として示したタイミング図である。図２に示すタイミング図は、電子ビームが試料分子を横断した結果としてイオン生成が起こった時（図中「Ｏｎ」で示す）に、反撥部材とレンズ上の電圧が逆極性であることを示している。これは、フィラメントから放出された電子をイオン空間に導入する働きをする。イオン化プロセスがオフされた時（図中「Ｏｆｆ」で示す）には、（イオン生成空間の開口部から遠ざかるように電子ビームを偏向させるために、反撥部材とレンズの極性を反転させることによって）イオン空間から電子を遠ざけるように電圧を設定する。
【００２４】
電子レンズ１０６および電子反撥部材１０４の電位に対する上記の制御方法では、反撥部材とレンズとの間の電界およびフィラメントとこれら各構造物との間の電界は、その大きさを一定のままとし、符号のみを変化させる。したがって、フィラメントからの電子放出プロセスの動揺は殆どない。これによって、フィラメントを物理的に完全な状態に維持し、イオン生成プロセスをほぼ一定のレベルに維持する。実際には、電子反撥部材およびレンズに対するフィラメントの位置および形状間で達成あるいは許容される許容誤差によって、結果的に、反撥部材およびレンズの適切な電圧が若干異なる。
【００２５】
制御装置１５０は、電子反撥部材１０４、電子レンズ１０６、イオン反撥部材１１２、イオンレンズ１１４に時間の関数として印加される電位の制御に使用される回路を含む。制御装置１５０は、フィラメント１０２と付加的なイオンレンズの動作を制御するためにも使用される。上記の電位を制御する際に、高精度切替時間も正確な電圧追跡も必要のない電圧切替電子部材を使用することが望ましい。この様な電子回路が電子反撥部材と電子レンズの電位の極性を変化させる時に、これらの構成部材の間の電界の大きさが一定とならない短時間の期間が存在する。イオントラップ１２０に入るイオン流の大きさがイオン化「Ｏｎ」時間に対して直線的な関係となるようにするために、第２のゲート電極１１８を用いて、イオン源１０８を離れるイオンビーム１０５を制御することができる。（イオン源１０８で正のイオンが生成される間）イオンレンズ１１８を正の高電圧に設定して、イオントラップ１２０への入口から遠ざかるようにイオン流を偏向させることができる。
【００２６】
あるいは、イオン源１０８とイオントラップ１２０の間に配置された別のレンズ素子をゲート（イオンレンズ１１６など）として使用することもできる。イオン源とゲートとして使用するレンズとの間におけるイオンの蓄積を回避するために、レンズをイオン源１０８から離してではなく近づけて使用することが好ましい。イオン１０５をトラップ１２０に導入するために、イオン流１０５をトラップ１２０に集中させる負の電圧にイオンレンズ１１８を設定することができる。
【００２７】
図２（ｃ）のタイミング図に示すように、フィラメントからの電子をイオン源１０８内に導入する前にイオンレンズ電位（「イオンレンズ１」で示す）を「Ｏｆｆ」状態に設定する。図示のように、電子ビーム１０３をイオン源１０８に導入するように電子レンズ１０６および電子反撥部材１０４上の電位を設定し、「安定化期間」の後、イオンレンズ１１４の電位を「Ｏｎ」状態に切り替えてイオン１０５をイオントラップ１２０に導入する。イオン化期間の終わりに、イオンレンズ１１４の電位を「Ｏｆｆ」状態に設定する。適切な遅延の後、電子レンズ１０６と反撥部材１０４上の電位を変化させることによって、電子ビームをイオン生成空間から遠ざける。この制御方法のもとで、イオン空間内でのイオン化プロセスに影響を与える可能性のある電界変化によって生じる切替の過渡状態や動揺が、イオントラップに入るイオンに影響を与えることはない。本発明のパルス型イオン源を動作させる時に用いる通常の安定化期間は、約５〜５０マイクロ秒である。
【００２８】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、化学的イオン化モード使用時の本発明のパルス型イオン源の動作中に、電子レンズ１０６（図３（ａ））、電子反撥板１０４（図３（ｂ））、イオンレンズ１１４（図３（ｃ））に印加された電位を時間の関数として示したタイミング図である。このモードは、「安定化期間」が長い（約１〜１０ミリ秒）ことを除いて、電子イオン化モードと同様である。反応イオンの化学平衡を安定化しなければならないので、より長い時間が望ましい。
【００２９】
図４〜図６は、従来の制御方法（図４）の状態と、本発明のイオン源（図５および図６）に対して、フィラメントの周囲の電界を変化させた影響を示すグラフである。図４は、電子反撥板を−１００ボルトで一定に保ち、フィラメントバイアスが−７０バルトの場合のフィラメントの周囲の電界の変化の影響を示す。図中、電子レンズは、電位を−１５０ボルト（Ｏｆｆ）から＋１００ボルト（Ｏｎ）に切り替えている。放出流の瞬間的な変化によって、放出制御回路は、フィラメントを流れる電流を変化させる。「エラー信号」は、放出流の設定値と、制御回路アンプの出力で測定された放出流の実測値の差である。図示のように、放出流の動揺によって、イオン源の外部で測定されたイオン流の変動が生じる。イオン流の緩徐な増加は、フィラメントを流れる電流の緩徐な増加によるものである。そして、フィラメントからの電子放出の緩徐な増加を起こす。
【００３０】
図５は、本発明の好適な実施形態におけるフィラメントの周囲の電界の変化の影響を示す。この場合、フィラメントは、反撥板と電子レンズから等距離にあり、−７０ボルトのバイアスを有する。電子をイオン空間から遠ざける場合（Ｏｆｆ）、反撥部材の電圧は＋１２４ボルトであり、レンズの電圧は−１２４ボルトである。電子をイオン空間に導入する場合（Ｏｎ）、反撥部材の電圧は−１２４ボルトであり、レンズの電位は＋１２４ボルトである。
【００３１】
図６は、図５のグラフを与えるフィラメントと反撥部材の配置に対する代替の配置の結果を示す。この配置において、フィラメントは、電子レンズから０．０３０インチに配置されており、反撥部材は、フィラメントから０．１２５インチに配置されている。反撥板と電子レンズとの間でフィラメントの位置が非対称であるため、これらの素子上の最適電圧は、「Ｏｎ」状態においても「Ｏｆｆ」状態においても、その大きさと符号が図５の場合とは異なる。図４とは対照的に、図５および図６は、本発明の構成と制御方法を使用した場合、イオン流とエラー信号の大きさの変動が実質的に小さくなることを示す。
【００３２】
本発明の別の実施形態には、反撥部材と電子レンズとの間のフィラメントの非対称配置が含まれているが、これに限定するわけではない。図６の検討の場合と同様に、この実施形態も、放出流がオン／オフゲート制御される時に、各電極（すなわち、反撥部材および電子レンズ）に印加する電圧を異ならせる必要がある。
図７に、本発明のイオン源の別の実施形態を示す。この実施形態において、フィラメント１４０とその前方に配置した接地レンズ１４２との間のバイアス電圧は、一定に保たれる。電子レンズ１４４を用いて、フィラメント１４０により生成された電子をゲート制御し、イオン生成源１０８に導入するか、あるいは、イオン源１０８への入口ポートから遠ざける。電子レンズ１４４は、試料イオン生成時（イオン化期間）にゲート制御により電子がイオン源１０８へと導入されている時には正の値である。電子レンズ１４４は、イオン化期間が終了すると、大きな負の値に設定される。フィラメント１４０の前方の接地レンズ１４２は、電子レンズ１４４の電界がフィラメント１４０と接地レンズ１４２との間の領域に入り込まないように、充分な長さと充分に小さな内径でなければならない。これは、フィラメント１４０からの電子放出に対する撹乱を防止するためである。本発明のこの実施形態は、イオン源アセンブリの長さが図１の好適な実施形態のものよりも長くなるという潜在的な短所を有する。したがって、コリメート磁石をイオン化軸に沿って使用する際、磁石の極面間を更に分離しなければならないので、あまり望ましくない。
【００３３】
本発明は、イオントラップ質量分析装置と共に使用するための制御可能なイオン源である。本発明のイオン源は、イオン化期間に電子抽出電界の方向（したがって、電子ビームの移動方向）のみを変化させる定放出、定電子エネルギー流を生成する手段を提供する。これによって、電子生成フィラメントに対する応力を低減し、試料イオンの生成を制御する。本発明は、測定のためにイオンがイオントラップに導入された時のみイオン化電子ビームがイオン空間に導入され、イオンがイオントラップに導入されない時にはイオン化電子ビームがイオン空間から遠ざかるようになっている、イオントラップ質量分析装置の外部のイオン生成装置を提供する。この動作モードは、イオン空間とイオンレンズの化学汚染を低減する役割を果たす。本発明は、イオンレンズゲートを用いることによって、電子ゲートに同期させて、化学的イオン化に使用する反応イオンを平衡化する手段を提供し、電子をイオン空間に導入する時と、イオンをイオントラップに導入する時との間に、定められた安定化期間を導入することができる。また、定められた安定化期間は、電子ビームの方向の切替による電子放出流またはイオン流の残留過渡的影響や動揺によって、イオントラップに入るイオン数に影響を与えないようにするものである。
【００３４】
ここで使用した用語および表現は、限定的な用語としてではなく、記述用語として使用したものである。この様な用語および表現の使用において、図示、説明した構成あるいはその一部の均等物を排除する意図はなく、本発明の請求範囲内において、様々な変更が可能であると認識される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のイオントラップ質量分析装置用の外部パルス型イオン源の概略ブロック図である。
【図２】  図２（ａ）〜図２（ｃ）は、電子イオン化モード使用時の本発明のパルス型イオン源の動作中に、電子レンズ、電子反撥板、イオンレンズに印加された電位を時間の関数として示したタイミング図である。
【図３】  図３（ａ）〜図３（ｃ）は、化学的イオン化モード使用時の本発明のパルス型イオン源の動作中に、電子レンズ、電子反撥板、イオンレンズに印加された電位を時間の関数として示したタイミング図である。
【図４】  従来の制御方法の状況のときに、フィラメントの周囲の電界を変化させた影響を示すグラフである。
【図５】  本発明のイオン源に対して、フィラメントの周囲の電界を変化させた影響を示すグラフである。
【図６】  本発明のイオン源に対して、フィラメントの周囲の電界を変化させた影響を示すグラフである。
【図７】  本発明のイオントラップ質量分析装置用の外部パルス型イオン源の別の実施形態の概略ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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