(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導結合プラズマによって被分析元素のイオンを生成するイオン生成手段と、該イオン生成手段が生成したイオンを導入する開口を有するスキマー手段と、該スキマー手段の後段に配設される第１の板部材と、該第１の板部材の後段に配設され、前記第１の板部材の前記開口の位置に物点を有し、該物点から発散するイオンを像点に集束させるイオンレンズ手段と、該イオンレンズ手段の後段に配設される第２の板部材と、該第２の板部材の後段に配設され、前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンの質量分析を行う質量分析手段とが、前記スキマー手段の前記開口位置によって決定される光学軸に沿って配置される誘導結合プラズマ質量分析装置において、
前記第１の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸の一側にずれた位置に設けられ、且つ前記第２の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸に対して前記一側と対向する側にずれた位置に設けられることを特徴とする誘導結合プラズマ質量分析装置。
【請求項２】
前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンを横方向の広がりを制限して進行させるイオンガイド手段を有し、前記質量分析手段は、前記イオンガイド手段を通じて与えられたイオンについて質量分先を行うことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
【請求項３】
前記イオンガイド手段は、前記第２の板部材の前記開口から出射するイオンの進行方向に合わせて前記光学軸に対し傾けられていることを特徴とする、請求項２に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導結合プラズマ質量分析装置に関し、特に、誘導結合プラズマに不可避的に含まれるフォトンの影響を受けないようにした誘導結合プラズマ質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合プラズマ質量分析装置は、誘導結合プラズマを用いて被分析の元素をイオン化し、イオン化された元素を例えば四重極マスフィルタ等によって質量選択し、そのイオンを２次電子増倍管等で検出することにより、質量分析を行うようになっている。
【０００３】
誘導結合プラズマにおいて、プラズマおよびイオンとともに例えば紫外線等のフォトンが発生する。このフォトンが２次電子増倍管に入感すると、その検出信号によってバックグラウンド・ノイズレベルが上昇する。バックグラウンド・ノイズレベルの上昇は微量イオンの検出限界を狭めるので、誘導結合プラズマ質量分析装置には、フォトンを分析系に入れないようにするための阻止手段が設けられる。
【０００４】
そのような阻止手段の１つとして、図６に示すように、イオンを減圧空間に導入するスキマー６００の後段に、フォトン阻止板６０２を設けることが行われる。フォトン阻止板６０２はスキマー６００の開口面積の投影より大きい面積を持つように構成され、光学軸上に配置されて光学軸上を進行するフォトンを阻止するようになっている。
【０００５】
一方、イオンは横方向の広がりを持つので、光学軸上のものはフォトン阻止板６０２で阻止されるものの、それ以外のものは阻止されることなく進行し、アインツェルレンズ６０４等の主レンズ系で集束されてイオンビームが形成される。
【０００６】
アインツェルレンズ６０４のビーム集束点の後方に、面積を大きくした第２のフォトン阻止板６０６が設けられ、フォトン阻止を完璧なものにしている。その際、イオンビームが第２のフォトン阻止板６０６に衝突しないようにするため、ベッセルボックス６０８等の第２のレンズ系によって進行経路を適切に曲げるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の装置においては、第２の阻止板６０６との衝突によるイオンロスをできるだけ少なくするために、アインツェルレンズ６０４やベッセルボックス６０８の電圧を適正に設定する必要がある。しかし、イオンの持つエネルギーには幅があるので、最適な電圧を得るまでには煩雑な調整が必要とされる。また、主レンズ系の後段に第２のレンズ系を設けるので、光学軸が長くなって装置が大型化するとともに、部品点数が多くなる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、イオンロスが少なくかつイオンビーム経路の調整が容易なフォトン阻止手段を備えた誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することである。
【０００９】
また、フォトン阻止手段を備えながらも小型化が容易な誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することを目的とする。
また、フォトン阻止手段を備えながらも部品点数の少ない誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する請求項１の発明は、誘導結合プラズマによって被分析元素のイオンを生成するイオン生成手段と、該イオン生成手段が生成したイオンを導入する開口を有するスキマー手段と、該スキマー手段の後段に配設される第１の板部材と、該第１の板部材の後段に配設され、前記第１の板部材の前記開口の位置に物点を有し、該物点から発散するイオンを像点に集束させるイオンレンズ手段と、該イオンレンズ手段の後段に配設される第２の板部材と、該第２の板部材の後段に配設され、前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンの質量分析を行う質量分析手段とが、前記スキマー手段の前記開口位置によって決定される光学軸に沿って配置される誘導結合プラズマ質量分析装置において、前記第１の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸の一側にずれた位置に設けられ、且つ前記第２の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸に対して前記一側と対向する側にずれた位置に設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明では、スキマーの開口と第１の板部材の開口が光学軸方向において重ならず、さらに、第１の板部材の開口と第２の板部材の開口が光学軸方向で重ならないので、スキマーの開口から入射したフォトンは通過を阻止される。
【００１２】
また、イオンレンズ手段の物点および像点が第１の板部材の開口および第２の板部材の開口にそれぞれ位置することにより、第１の板部材の開口から入射したイオンは、効率良く第２の板部材の開口から出射する。
【００１３】
（２）上記の課題を解決する請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンを横方向の広がりを制限して進行させるイオンガイド手段を有し、前記質量分析手段は、前記イオンガイド手段を通じて与えられたイオンについて質量分先を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明では、スキマーの開口と第１の板部材の開口が光学軸方向において重ならず、さらに、第１の板部材の開口と第２の板部材の開口が光学軸方向で重ならないので、スキマーの開口から入射したフォトンは通過を阻止される。
【００１５】
また、イオンレンズ手段の物点および像点がそれぞれ第１の板部材の開口および第２の板部材の開口に位置することにより、第１の板部材の開口から入射したイオンは、効率良く第２の板部材の開口から出射する。
【００１６】
また、第２の板部材の開口から出射したイオンが、イオンガイド手段により横方向の広がりを制限されて効率良く質量分析手段に導かれる。
（３）上記の課題を解決する請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記イオンガイド手段が前記第２の板部材の前記開口から出射するイオンの進行方向に合わせて光学軸に対し傾けられている、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明では、光学軸に対して傾けたイオンガイド手段が効率よくイオンを次段に導く。
【００１８】
【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詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１に、誘導結合プラズマ質量分析装置の模式的構成を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一例である。同図に示すように、本装置は、例えば石英管等で構成されるプラズマトーチ２を有する。プラズマトーチ２は、本発明におけるイオン生成手段の実施の形態の一例である。
【００２０】
プラズマトーチ２には、高周波誘導コイル４が巻回されている。高周波誘導コイル４には、高周波電源６からインピーダンスマッチング回路８を通じて高周波電力が供給される。プラズマトーチ２と高周波誘導コイル４の間にはシールド板１０が配設されている。プラズマトーチ２は、高周波誘導コイル４に供給された高周波電力によって、高周波誘導結合プラズマ４０（以下、プラズマ）を発生する。
【００２１】
プラズマ４０は、分析装置の本体１００の前面に設けられたサンプリングコーン３０に向けて照射される。本体１００の内部はインターフェースチャンバ１８、イオンレンズチャンバ２０およびアナライザチャンバ２２に分割されている。
【００２２】
インターフェースチャンバ１８は、図示しない例えばロータリポンプ等によって吸引・排気され、内部圧力が例えば２００〜４００Ｐａに保たれている。イオンレンズチャンバ２０は、図示しない例えば第１のターボ分子ポンプ等によって吸引・排気され、内部圧力が例えば２×１０-1〜８×１０-1Ｐａに保たれている。アナライザチャンバ２２は、図示しない例えば第２のターボ分子ポンプ等によって吸引・排気され、内部圧力が例えば１×１０-4〜９×１０-4Ｐａに保たれている。すなわち、インターフェースチャンバ１８からアナライザチャンバ２２まで段階的に圧力が減じられ、アナライザチャンバ２２において最も真空度が高くなっている。
【００２３】
サンプリングコーン３０は、インターフェースチャンバ１８の前面に設けられている。サンプリングコーン３０は、プラズマトーチ２と対向する方向に突出する中空の錐体であり、その先端に設けられた開口を通じて、プラズマ４０およびそれに含まれる被分析元素のイオンをインターフェースチャンバ１８に導入（サンプリング）するようになっている。
【００２４】
インターフェースチャンバ１８とイオンレンズチャンバ２０の間の隔壁には、スキマー３２が設けられている。スキマー３２は、本発明におけるスキマー手段の実施の形態の一例である。スキマー３２は、イオンが到来する方向に突出する中空の錐体であり、その先端に設けられた開口を通じて、イオンをイオンレンズチャンバ２０に導入するようになっている。
【００２５】
イオンレンズチャンバ２０にはレンズ系２４が設けられている。レンズ系２４は、スキマー３２を通じて導入されたイオンを収束してイオンビームを形成するものである。レンズ系２４の構成については後にあらためて説明する。
【００２６】
レンズ系２４によって集束されたイオンビームは、イオンレンズチャンバ２０とアナライザチャンバ２２の間の隔壁に設けられたアパチャー３４を通じて、アナライザチャンバ２２内の質量選択部２６に入射される。
【００２７】
質量選択部２６は、例えば四重極マスフィルタ等で構成される。質量選択部２６で選択されたイオンがイオン検出器２８によって検出される。イオン検出器２８は、例えば２次電子増倍管等を前段に有するものである。イオン検出器２８の出力信号が図示しない信号処理装置で処理され、質量分析値が求められる。質量選択部２６、イオン検出器２８および信号処理装置は、本発明における質量分析手段の実施の形態の一例である。
【００２８】
図２に、レンズ系２４の模式的構成を、スキマー３２との相互関係とともに示す。同図に示すように、レンズ系２４は、光学軸２００に沿って同軸的に順次配列されたエレメント２４０〜２４８を有する。エレメント２４０〜２４８は、例えば金属等の導電体によって構成される。光学軸２００は、スキマー３２の開口の光学軸と一致している。
【００２９】
エレメント２４０は、例えば、先端に平坦部を有する中空の円錐体となるように構成される。エレメント２４０は、本発明における第１の板部材の実施の形態の一例である。エレメント２４０の先端の平坦部には開口２５０が設けられている。開口２５０は、光学軸２００から偏心して設けられている。これによって、スキマー３２の開口を光学軸２００に沿って投影したとき、その投影像が開口２５０と重ならないようになっている。
【００３０】
エレメント２４２は、例えば、前半部が円錐の一部をなすように絞り込まれた円筒となるように構成される。絞り込まれたエレメント２４２の先端部は、エレメント２４０の内部空間に入り込んでいる。エレメント２４４，２４６は、いずれも例えば円筒となるように構成される。
【００３１】
エレメント２４２，２４４，２４６は、イオンを集束するためのアインツェルレンズを構成するものであり、エレメント２４２とエレメント２４６には同一の電圧が図示しない電圧源から与えられ、エレメント２４４にはそれとは値の異なる電圧が図示しない別な電圧源から与えられる。アインツェルレンズは、本発明におけるイオンレンズ手段の実施の形態の一例である。また、本発明におけるアインツェルレンズの実施の形態の一例である。
【００３２】
エレメント２４８は例えば円板状に構成される。エレメント２４８は、本発明における第２の板部材の実施の形態の一例である。エレメント２４８は、開口２６０を有する。開口２６０は、光学軸２００から逆方向に偏心した位置に設けられている。これによって、エレメント２４０の開口２５０を光学軸２００に沿って投影したとき、その投影像が開口２６０と重ならないようになっている。
【００３３】
エレメント２４２，２４４，２４６で構成されるアインツェルレンズは、エレメント２４０の開口２５０の位置に物点を有し、エレメント２４８の開口２６０の位置に像点を有するように構成されている。その際、エレメント２４０および２４８にも適宜の電圧を印加し、全体として１つのイオンレンズ系を構成することが、物点および像点をより精密に形成する点で好ましい。
【００３４】
図３に、レンズ系２４の他の構成例を示す。図３において、図２と同様の部分に同一の符号を付して説明を省略する。同図に示すように、エレメント２４８の後段にイオンガイド２７０が設けられている。イオンガイド２７０は、本発明におけるイオンガイド手段の実施の形態の一例である。イオンガイド２７０は、図４にそのＡ−Ａ断面を示すように、例えば棒状の電極２７２〜２８２を有する。電極２７２〜２８２は、円周に沿って等間隔に配置されかつ長手方向に互いに平行になっている。電極２７２〜２８２で囲まれた空間内に、エレメント２４８の開口２６０を通過したイオンが注入される。
【００３５】
電極２７２，２７６，２８０は図示しない高周波電圧源の一方の極に接続され、電極２７４，２７８，２８２は図示しない高周波電圧源の他方の極に接続されている。このような接続によって与えられる高周波電圧により、電極２７２〜２８２で囲まれた空間には高周波電界が形成される。
【００３６】
この高周波電界は、イオンガイド２７０に注入されたイオンを電極２７２〜２８２で囲まれた空間の中心付近に閉じ込める働きをする。これによって、イオンビーム２９０は横方向への広がりが制限され、イオンガイド２７０の中心軸に沿って進行する。
【００３７】
すなわち、イオンガイド２７０は、イオンビームの横方向の広がりを抑えて中心軸に沿って導くものとなる。これによって、仮に、エレメント２４８の開口２６０からアナライザチャンバのアパチャー３４までの距離が長い場合でも、ビームの広がりによるイオンロス等を生じることなく、効率よく伝達することができる。
【００３８】
次に、本装置の動作を説明する。プラズマガスと副ガスがプラズマトーチ２に供給されるとともに、キャリアガスとしての例えばアルゴンガスがプラズマトーチ２に供給される。また、高周波電源６からインピーダンスマッチング回路８を介して高周波誘導コイル４に高周波電力が供給され、高周波誘導コイル６の周囲に高周波磁界が形成される。
【００３９】
このような高周波磁界の近傍でアルゴンガス中に電子またはイオンが植え付けられると、高周波磁界の作用によって瞬時にプラズマ４０が生じる。プラズマ４０から紫外線等のフォトンが放射される。被分析試料を霧化したエアロゾルをキャリアガスで搬送してプラズマトーチ２内に供給すると、このエアロゾルがプラズマ４０によってイオン化され、被分析試料のイオンが発生する。
【００４０】
このようにして生成したプラズマ４０内のイオンは、サンプリングコーン３０を通じてインターフェースチャンバ１８に導入され、そこからスキマー３２を通じてイオンレンズチャンバ２０に導かれる。イオンレンズチャンバ２０において、イオンはレンズ系２４によって収束される。
【００４１】
その様子を図５に示す。スキマー３２を通じて導入されたイオンのうち、エレメント２４０の開口２５０を通過したものが、レンズ系２４に入力される。入力イオンはレンズ系２４によって集束される。
【００４２】
ここで、レンズ系２４は、エレメント２４０の開口２５０の位置に物点を有し、エレメント２４８の開口２６０の位置に像点を有するので、開口２５０から注入されたイオンは、開口２６０の位置に集束される。このときのイオンの進行経路は、例えばトラジェクトリ３００で示すようになる。
【００４３】
これによって、レンズ系２４に入力されたイオンは効率よく開口２６０から出力される。また、このときのレンズ系２４の電圧設定は、基本的には通常のアインツェルレンズにおける電圧設定と同様なので、適正な電圧設定を行うための調整は容易に行うことができる。
【００４４】
イオンレンズチャンバ２０には、スキマー３２の開口を通じてフォトンも入射する。フォトンは光学軸２００上を進行してエレメント２４０の平坦部に達し、そこにスキマー３２の開口の投影像（スポット）を形成する。
【００４５】
エレメント２４０の平坦部では、開口２５０が、スキマー３２の開口の投影像と重ならないように光学軸２００から偏心した状態で設けられている。このため、フォトンの大半はエレメント２４０の平坦部で阻止される。また、スキマー３２の開口から角度をもって放射するフォトンの一部が開口２５０を通過するようなことがあっても、開口２５０の光学軸２００方向への投影像が、エレメント２４８の開口２６０と重ならないようになっているので、フォトンはエレメント２４８によって阻止される。
【００４６】
このように、レンズ系２４自体がフォトン阻止手段を備えているので、従来のように、レンズ系２４と直列にフォトン阻止およびそれに伴うイオン経路調節のための特別なイオン光学系を設ける必要がない。このため、装置全体の光学軸長が短縮され、また、部品点数が減少する。
【００４７】
レンズ系２４で集束されたイオンは、アパチャー３４を通じてアナライザチャンバ２２に入射される。アナライザチャンバ２２に入射されたイオンは、質量選択部２６での質量選択を経てイオン検出器２８で検出される。イオン検出器２８の検出信号が信号処理装置で処理されて、質量分析値が求められる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１の発明では、誘導結合プラズマによって被分析元素のイオンを生成するイオン生成手段と、該イオン生成手段が生成したイオンを導入する開口を有するスキマー手段と、該スキマー手段の後段に配設される第１の板部材と、該第１の板部材の後段に配設され、前記第１の板部材の前記開口の位置に物点を有し、該物点から発散するイオンを像点に集束させるイオンレンズ手段と、該イオンレンズ手段の後段に配設される第２の板部材と、該第２の板部材の後段に配設され、前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンの質量分析を行う質量分析手段とが、前記スキマー手段の前記開口位置によって決定される光学軸に沿って配置される誘導結合プラズマ質量分析装置において、前記第１の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸の一側にずれた位置に設けられ、且つ前記第２の板部材の開口は、前記スキマー手段の前記開口を前記光学軸方向に投影した投影像とは重ならないよう前記光学軸に対して前記一側と対向する側にずれた位置に設けられるようにしたので、イオンビーム経路の調整が容易なフォトン阻止手段を備えた誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することができる。
【００４９】
また、上記のように構成したので、フォトン阻止手段備えながらも小型化が容易な誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することができる。
また、上記のように構成したので、フォトン阻止手段を備えながらも部品点数の少ない誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することができる。
【００５０】
請求項２の発明では、上記の構成に加えて、前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンを横方向の広がりを制限して進行させるイオンガイド手段を有し、前記質量分析手段は、前記イオンガイド手段を通じて与えられたイオンについて質量分先を行うようにしたので、イオンロスがさらに少ない誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することができる。
【００５１】
請求項３の発明では、イオンガイドの配設方向を第２の板部材の開口からのイオンの出射方向に合わせてあるので、第２の板部材の開口からイオンガイドへの入射が効率良く行われ、イオンロスをさらに少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成図である。
【図２】  本発明の実施の形態の一例の装置におけるレンズ系の模式的構成図である。
【図３】  本発明の実施の形態の一例の装置におけるレンズ系の模式的構成図である。
【図４】  本発明の実施の形態の一例の装置におけるイオンガイドの断面を示す模式図である。
【図５】  本発明の実施の形態の一例の装置におけるレンズ系の作用を示す図である。
【図６】  従来例の模式的構成図である。
【符号の説明】
２  プラズマトーチ
４  高周波誘導コイル
６  高周波電源
８  インピーダンスマッチング回路
１０  シールド板
１８  インターフェースチャンバ
２０  イオンレンズチャンバ
２２  アナライザチャンバ
２４  レンズ系
２６  質量選択部
２８  イオン検出器
３０  サンプリングコーン
３２  スキマー
３４  アパチャー
４０  高周波誘導結合プラズマ
２００  光学軸
２４０〜２４８  エレメント
２５０，２６０  開口
２７０  イオンガイド
２７２〜２８２  電極
２９０  イオンビーム
３００  トラジェクトリ
６００  スキマー
６０２  フォトン阻止板
６０４  アインツェルレンズ
６０６  第２のフォトン阻止板
６０８  ベッセルボックス
【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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