(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ平行に配置された複数組の対向する電極から成る２つの多極子イオンガイドを接合または一体化して構成した多極子イオンガイドであって、イオン流の上流側に、その対向する電極の所定部分を互いに接近する方向又は互いに遠ざかる方向に傾斜させ、多極子イオンガイドのイオン輸送軸方向に電場勾配を形成させた多極子イオンガイドを配置し、イオン流の下流側に、平行に配置された複数組の対向する電極から成り、イオン輸送軸方向に電場勾配を有しない多極子イオンガイドを配置したことを特徴とする多極子イオンガイド。
【請求項２】
対象イオンが正イオンであって、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている正の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の多極子イオンガイド。
【請求項３】
対象イオンが負イオンであって、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている負の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の多極子イオンガイド。
【請求項４】
対象イオンが正イオンである場合には、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている正の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させると共に、対象イオンが負イオンである場合には、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている負の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させ、正イオンの場合と負イオンの場合とで、電極に印加する電圧の極性を切り換える切換手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の多極子イオンガイド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣＰ質量分析装置など、イオンを大気圧領域から真空領域に導入するタイプの質量分析装置に関し、特に、イオンを低真空領域からより高真空な領域に誘導するために用いられる多極子イオンガイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンを扱う装置である質量分析計などでは、イオン導入部などにおけるイオン輸送の手段として、高周波電圧を印加するイオンガイドが良く用いられる。イオンガイドが置かれる空間は、比較的低真空度の領域が多い。そして、イオンガイドは、イオンをある距離に亘って次第に高真空領域へとイオンガイド内空間で導き、次段の光学系に接続させる役割を負っている。また、イオンガイドの中には、設置された雰囲気に存在するガス粒子とイオンとの衝突による「イオン冷却効果」を積極的に利用して、イオンの持つ運動エネルギーを低減させ、イオンの動きを抑制させるようにしたものもある。
【０００３】
そのイオンガイドの設置状況をＩＣＰ質量分析装置の例で図１に示す。試料をイオン化するＩＣＰイオン生成部１に続いてインターフェイス部２が配置され、吹き付けるプラズマ炎に対峙する形で、中心にオリフィスを持った仕切りのサンプリングコーン３とスキマーコーン４が２段に並んで置かれている。このサンプリングコーン３とスキマーコーン４で囲まれた空間は第１排気室５となっていて、図示しないロータリーポンプ（ＲＰ）によって差動排気を行なっている。
【０００４】
多極子イオンガイド６は、第１排気室５の後段の、図示しないターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）で排気された比較的低真空な第２排気室７の中に置かれている。この多極子イオンガイド６に続いて、口径可変型のオリフィスを有する引き出し電極８で仕切られると共に、図示しないＴＭＰで排気された中真空の第３排気室９に偏向・収束静電レンズ１０が置かれ、ここで偏向・収束されたイオンは、図示しないＴＭＰで排気された高真空の第４排気室１１へと導入される。
【０００５】
サンプリングコーン３、スキマーコーン４、及び引き出し電極８には、図示しない高電圧直流電源によって高電圧が印加されているため、これらは絶縁体１２及び１３によって外壁１４から絶縁されている。また、多極子イオンガイド６には、図示しない高周波電源から高周波電圧が印加されている。
【０００６】
第４排気室１１に設けられた質量分析部には、扇形電場１５、扇形磁場１６、及びイオン検出器１７が光軸１８に沿って配置され、第３排気室から導入されたイオンの質量の分析を行なう構成になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成において、多極子イオンガイド６は、インターフェイス部２から受け取ったイオンを効率良く後段に輸送する役割を負っているため、金属製の丸棒を輸送軸に対して平行に組み上げる多極子構造が一般的であった。その場合、多極子イオンガイド６に高周波電圧を印加しても、輸送軸方向には電場勾配が発生しないために、イオンは、低真空下の雰囲気に存在するガス粒子との衝突で次第に輸送軸方向への運動エネルギーを減衰させ、特に低質量のイオンにあっては多極子イオンガイド６の途中で滞留する状態となり、出口側へ向けて進行できなくなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、低真空下で使用してもイオンの滞留を起こさず、しかもイオンが持っているイオンガイド軸方向の運動エネルギーを低減させる「イオン冷却効果」のある多極子イオンガイドを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる多極子イオンガイドは、ほぼ平行に配置された複数組の対向する電極から成る２つの多極子イオンガイドを接合または一体化して構成した多極子イオンガイドであって、イオン流の上流側に、その対向する電極の所定部分を互いに接近する方向又は互いに遠ざかる方向に傾斜させ、多極子イオンガイドのイオン輸送軸方向に電場勾配を形成させた多極子イオンガイドを配置し、イオン流の下流側に、平行に配置された複数組の対向する電極から成り、イオン輸送軸方向に電場勾配を有しない多極子イオンガイドを配置したことを特徴としている。
【００１０】
また、対象イオンが正イオンであって、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている正の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させるようにしたことを特徴としている。  また、対象イオンが負イオンであって、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている負の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させるようにしたことを特徴としている。  また、対象イオンが正イオンである場合には、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている正の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させると共に、対象イオンが負イオンである場合には、互いに接近する方向に傾斜させた対向する電極には正の直流電源電圧を、互いに遠ざかる方向に傾斜させた対向する電極には負の直流電源電圧を、全ての電極に共通して印加されている負の直流電源電圧及び高周波電源電圧に重畳して印加させ、正イオンの場合と負イオンの場合とで、電極に印加する電圧の極性を切り換える切換手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図２は、本発明にかかる多極子イオンガイドの一実施例を表わしたものである。今、図２に、多極子イオンガイドのイオン輸送軸１９を横方向に配置して、この軸１９に対し直角方向から眺めた形状を正面図▲２▼とし、イオンの入口側側面図を▲１▼、出口側側面図を▲３▼、上面図を▲４▼として、四面に分けて示す。
【００１２】
図２において、本発明の多極子イオンガイドは、正面図▲２▼のＡの範囲とＢの範囲とでイオンガイドを構成する丸棒電極の組み立て方が異なっている。Ａの範囲にあっては、イオンの入口部で丸棒電極に内接する形状は、縦方向（Ａ1−Ａ2の方向）に長く、横方向（Ａ3−Ａ4の方向）に短い楕円形であり、接合面Ｃにあっては、縦横の長さが等しい真円になる。また、Ｂの範囲にあっては、通常の多極子イオンガイドと同じ平行組み立てなので、丸棒電極に内接する形状は、接合面Ｃにおける内接円と同じ半径を持った真円である。ＡとＢの長さは、通常ＡがＢよりも大きく取られる。
【００１３】
多極子イオンガイドで正イオンを輸送の対象とした場合、丸棒電極Ａ1、Ａ2、Ｂ1、Ｂ2には、正の直流電源電圧Ｖdc3に高周波電源電圧Ｖacと負の直流電源電圧Ｖdc1とが重畳されて印加される。また、別の丸棒電極Ａ3、Ａ4、Ｂ3、Ｂ4には、正の直流電源電圧Ｖdc3に高周波電源電圧Ｖacと正の直流電源電圧Ｖdc2とが重畳されて印加される。
【００１４】
高周波電源電圧Ｖacは、通常、輸送されるイオンの質量に比例した値を取るのに対して、直流電源電圧Ｖdc1とＶdc2は、通常、一定値を取るが、通過するイオンの質量に応じて変更可能であり、輸送の対象となるイオンの低質量のものが排除されない程度の低電位に設定される。直流電源電圧Ｖdc3は、多極子イオンガイドの前後の構成と関連するもので、通常は、後段の光学系に対してイオンの加速電位となるものである。
【００１５】
この一組の多極子イオンガイドは、真空中に置かれ、電源は、通常真空外にある。この他に、図には記載されないが、真空に排気するための機器並びにイオンに衝突させる雰囲気ガスの導入系なども、その制御系を含めて構成要素にあり、この多極子イオンガイドの前後には、イオンの導入手段と後続の光学系とが接続されている。
【００１６】
このような構成において、丸棒電極Ａ1とＡ2とに負の直流電圧、Ａ3とＡ4とに正の直流電圧が印加されている状態では、イオンの輸送軸１９上のＡの範囲に、多極子イオンガイドの左手入口側から接合面Ｃに向かって直線的な下りの直流電位勾配が形成され、同時に印加される高周波電圧により交流電界も輸送軸１９の方向と輸送軸１９に垂直な丸棒電極方向とに形成される。一方、Ｂの範囲にあっては、イオンの輸送軸１９の方向には直流電位勾配、交流電界ともになく、輸送軸１９に垂直な方向の交流電界のみが形成される。
【００１７】
多極子イオンガイド左手方向から入射したイオンは、イオンガイド内空間に形成された電場の作用で振動運動をしつつ、右手方向の出口に向かって進行し、この空間にある雰囲気ガス粒子と衝突を繰り返す。雰囲気ガス粒子に衝突したイオンは、「イオン冷却効果」でその運動エネルギーを減じながら次第に進行速度を落とし、多極子イオンガイドの中心の輸送軸１９付近に集まってくる。
【００１８】
Ａの範囲にイオンがあるときは、イオンは、ガス粒子との衝突で進行方向の運動エネルギーを減じても、イオンガイドの入口から出口方向に向かって輸送軸１９上に発生している下り勾配の電場による加速で出口へと進行するのに対し、Ｂの領域にイオンがあるときは、イオンは、輸送軸１９方向の勾配電場がないため、出口方向へ向かうエネルギーを含む全方向の運動エネルギーが更に減じていき、やがてイオンガイド内で滞留するようになる。
【００１９】
これらの様子をシミュレーションしたものが図３である。図３の（ａ）は、多極子イオンガイドの丸棒電極を傾斜させて組み立てた場合における、イオンの輸送軸方向及び全方向の運動エネルギーを計算したものであり、図３の（ｂ）は、多極子イオンガイドの丸棒電極を平行に組み立てた場合における、イオンの輸送軸方向及び全方向の運動エネルギーを計算したものである。このシミュレーションは、イオンの初期条件、真空度、想定した四重極の内接径、印加電圧値、及び高周波電源の周波数は同じに設定し、丸棒電極の組み立て方のみを変えて計算させたものである。尚、これらの計算結果は定性的なものであり、（ａ）と（ｂ）における縦軸の目盛りの違いは本質的な問題ではない。
【００２０】
図３の（ａ）から明らかなように、丸棒電極を傾斜させて組み立てた場合は、イオンの進行と共に運動エネルギーは減衰するが、下り勾配の電位の作用で、完全にゼロ値にはならず、ある一定値が残ってイオンが前進している。また、丸棒電極を傾斜させたことで、輸送軸方向にも生じることになった交流電場の作用により、前進方向の運動エネルギーも振動する。それに対して、図３の（ｂ）では、運動エネルギーがほぼゼロ値まで減衰してしまい、イオンガイドの途中でイオンが前進できない状態になる。
【００２１】
従って、本実施例における多極子イオンガイドの場合、接合面Ｃを挟んでＡの範囲では、図３の（ａ）のような運動エネルギーの推移を示し、Ｂの範囲では、図３の（ｂ）のような運動エネルギーの推移を示すことになる。それゆえ、ＡとＢとを適切な割合で結合させれば、低真空下で使用した場合にもイオンの滞留を起こさず、しかもイオンが持っている輸送軸方向の運動エネルギーを低減させる「イオン冷却効果」のある多極子イオンガイドを提供することが可能になる。
【００２２】
この多極子イオンガイドが置かれる空間の真空度の変化は、雰囲気に存在するガス粒子密度を変え、イオンとガス粒子との衝突確率を左右し、イオンの冷却度に影響する。特に、低質量のイオンでその影響が大きくなる。そこで、輸送の対象となるイオンが多極子イオンガイドの最終段まで進行できるような条件に、真空系の排気能力や衝突ガス導入系などの制御手段を常に制御維持することが不可欠となる。それによって、イオンは、多極子イオンガイド内に滞留することなく輸送され、しかもイオンガイドの出口付近に全方向の運動エネルギーが低い水準の「冷却状態」で集められることになる。結局、この多極子イオンガイドの輸送効率は、雰囲気の真空度と丸棒電極電圧の調整で最適化される。
【００２３】
以上、多極子イオンガイドの一実施例について説明を行なったが、本発明は、上述した一実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形が可能である。例えば、電極棒は四重極に限らず、６本、８本、１０本などと電極数を増やしても良い。また、電極は丸棒電極に限らず、多極子場を形成できる双曲電極、ワイヤー電極、角棒電極など他の形状でも良い。また、図２におけるＡの範囲とＢの範囲の接合点Ｃを輸送軸の交点として、ふたつの範囲の輸送軸に角度を付けて交差させても良い。また、ＡとＢとを一体化させて電極棒が作られても良い。また、ＡとＢとの間に中継部を設けて分離しても良く、該中継部にオリフィスを設けてＡとＢのふたつの範囲の真空度に差を付けても良い。また、Ｂの電極には直流電圧を印加しなくても良いので、電極棒をＡとＢに分離して別々に電圧を印加しても良い。また、電極に電圧を供給する電圧源は分けてあっても良い。また、対象イオンの極性が負であれば、電極電圧の極性を反転させて設定しても良い。また、対象イオンが正イオンと負イオンの両方である場合には、測定するイオンの極性に応じて、多極子イオンガイドに印加する電極電圧の極性を切り換えるための切換手段を設けても良い。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の多極子イオンガイドによれば、電極棒を傾斜させて配置しイオンの輸送軸方向に電場勾配を設けた多極子と、電極棒を平行に配置しイオンの輸送軸方向に電場勾配を有しない多極子とを組み合わせてイオンガイドを構成したので、低真空下で使用してもイオンが滞留せず、しかもイオンの輸送軸方向の運動エネルギー低減という「イオン冷却効果」のある多極子イオンガイドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のＩＣＰ質量分析装置の構成を示す図である。
【図２】  本発明にかかる多極子イオンガイドの一実施例を示す図である。
【図３】  多極子イオンガイド内でのイオンの運動エネルギーをシミュレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ＩＣＰイオン生成部、２・・・インターフェイス部、３・・・サンプリングコーン、４・・・スキマーコーン、５・・・第１排気室、６・・・多極子イオンガイド、７・・・第２排気室、８・・・引き出し電極、９・・・第３排気室、１０・・・偏向・収束静電レンズ、１１・・・第４排気室、１２・・・絶縁体、１３・・・絶縁体、１４・・・外壁、１５・・・扇形電場、１６・・・扇形磁場、１７・・・イオン検出器、１８・・・光軸、１９・・・イオン輸送軸。
【図１】
0003645441.tif 000002
【図２】
0003645441.tif 000003
【図３】
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