(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンの質量を分析する質量分析手段と、前記質量分析手段で質量分析されたイオンビームを輸送するイオンビーム輸送手段と、前記イオンビーム輸送手段で輸送されたイオンビームが衝突すると二次電子を発生する変換電極と、前記変換電極に衝突させて発生した前記二次電子を検出する二次電子検出手段を備えた質量分析装置において、
イオンビームが前記イオンビーム輸送手段から前記変換電極に入射するイオンビーム入射口が、前記イオンビームの上流側に向かって延長されたことを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１において、イオンビームが前記イオンビーム輸送手段から前記変換電極に入射するイオンビーム入射口に網状電極が設けられ、前記網状電極を通過して前記イオンビームが前記変換電極に入射することを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記イオンビーム輸送手段から前記変換電極に入射するイオンビームの入射方向と、二次電子が前記二次電子検出手段に入射する二次電子入射口の中心と二次電子が前記変換電極から出射する二次電子出射口の中心とを結ぶ線とが、鋭角をなすことを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記二次電子検出手段はシンチレータであり、前記シンチレータの中心軸が、前記二次電子出射口の中心軸と前記イオンビーム輸送手段との間に位置するように、前記シンチレータを配置したことを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項１又は２において、
イオンビームが前記イオンビーム輸送手段から出射するイオンビーム出射口の外周に、イオンビームが前記変換電極に入射するイオンビーム入射口面と平行な壁電極を設けたことを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、
イオンビームを偏向するイオンビーム偏向手段を備え、前記イオンビーム偏向手段で偏向されたイオンビームを前記イオンビーム輸送手段に入射させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかにおいて、
前記質量分析手段はイオントラップ型質量分析装置であることを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料をイオン化して質量を分析する質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平10−116583号公報は、質量分離されたイオンを、変換ダイノードに入射して二次電子に変換し、放出された二次電子を検出する質量分析装置を記載する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
イオンビームを二次電子に変換する変換電極を小型化するにあたり、以下のような問題がある。（１）変換電極のイオンビームが入射する入射口付近に、変換電極の外部にできる電界が回り込む浸透電界が発生し、二次電子が影響を受けて、入射口から二次電子が漏出する。（２）変換電極系から二次電子が出射する出射口付近で、出射した二次電子が受ける電界の向きは、変換電極にイオンビームが衝突する位置によって大きく異なる為、出射口から二次電子が発散し、検出効率が低下する。（３）変換電極で発生した二次電子が、シンチレータなどの電子検出器に達成するまでの間に偏向力を受け、ビームの収束性が悪くなり、検出効率が低下する。（４）正イオンと負イオンの両方を分析できる装置の場合、イオンの極性に応じて変換電極に印加する電圧の極性が変わるため、変換電極入射前の空間に発生する電界の傾斜が逆になり、電圧の極性によってイオンの変換電極への入射効率が変化する。
【０００４】
本発明の目的は、質量分析後のイオンを電子に変換して、イオンの極性や、質量数，エネルギーによらず、高感度かつ高効率に検出する質量分析装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、イオンビーム輸送手段から変換電極に入射するイオンビームの入射方向と、二次電子検出手段の二次電子入射口の中心と変換電極の二次電子出射口の中心とを結ぶ線とが、鋭角をなすように、イオンビーム輸送手段，変換電極および二次電子検出手段が配置されたことにある。
【０００６】
この特徴によれば、二次電子出射口は、イオンビーム輸送手段と二次電子検出手段の間の電界から離れているので、二次電子が偏向されることなく二次電子検出手段まで到達する。したがって、変換電極で発生した二次電子が効率良く二次電子検出手段に到達するので、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【０００７】
本発明の他の特徴は、変換電極のイオンビーム入射口が、イオンビームの上流側に向かって延長されたことにある。この特徴によれば、外部の電界がイオンビーム入射口から変換電極の内側に回り込む浸透電界を低減でき、浸透電界がイオンビームに影響するのを抑制できるので、変換電極で発生した二次電子が、浸透電界によってイオンビーム入射口から漏出するのを低減できる。したがって、変換電極で発生した二次電子を効率良く二次電子検出手段に供給でき、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【０００８】
また、変換電極のイオンビーム入射口に網状電極を設けても、変換電極の内側に回り込む浸透電界を低減でき、変換電極で発生した二次電子が、浸透電界によってイオンビーム入射口から漏出するのを低減できるので、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【０００９】
本発明の他の特徴は、イオンビーム輸送手段のイオンビーム出射口の外周に、変換電極のイオンビーム入射口面と平行な壁電極を設けたことにある。この特徴によれば、イオンビーム輸送手段と変換電極の間の電界の向きが、変換電極への印加電圧の極性によらず、イオンビーム入射口に対してほぼ垂直になるので、イオンの極性によらずに、イオンビームは収束性がより向上して、効率的に変換電極に入射する。したがって、効率よく質量分析することができる。
【００１０】
また、イオンビーム偏向手段でイオンビームを偏向してから、イオンビームをイオンビーム輸送手段に入射させることにより、イオンビームに含まれる不要な中性分子を除去できるので、中性分子によるノイズの発生を抑制でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。したがって、精度良く質量分析することができる。
【００１１】
その他、変換電極の形状，変換電極と二次電子検出手段との相対的位置関係を最適化することによって、イオンの極性，エネルギーや質量数によらず、高感度検出が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１)
本発明の第１の実施例である質量分析装置について説明する。図２は、本実施例の質量分析装置全体の概略図である。試料は、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）や液体クロマトグラフ（ＬＣ）等の前処理系１を経て成分分離後、イオン化部２でイオン化され、質量分析系３で質量分析される。質量分析されたイオンビームは、偏向電極系４に偏向され、イオン輸送部５を通って、変換電極６のイオンビーム入射口６１から変換電極６内に入射する。イオンビームが、変換電極衝突面６２に衝突すると、二次電子が発生する。発生した二次電子は、二次電子出射口６３から出射し、電子検出部７に入射してシンチレータ７１などによって検出される。シンチレータ７１での発光を光電子増倍管７２等で電気信号に変換した後、データ処理部８で処理される。ただし、電子検出部７としてマルチプライヤー等、その他の電子検出器で二次電子を検出しても良い。質量分析系３や偏向電極系４や変換電極系５への印加電圧は、それぞれの電源９〜１１から供給される。この一連の質量分析過程から試料イオンの作成，試料イオンの質量分析，質量分析系３や偏向電極系４や変換電極６への電圧供給，二次電子検出，データ処理の全体を制御部１２で制御している。
【００１３】
本実施例では、図１に示すように、イオントラップ型の質量分析系３から引き出されたイオンビームは、偏向電極系４の網状電極４１を用いて、イオンビームを偏向している。イオントラップ型の質量分析系３で分析されたイオンは、エネルギー幅を持ち（例えば、分析イオンのマスレンジが１０〜２０００amu の場合、エネルギー幅が約５００ｅＶ）、そのエネルギー幅はイオンの質量数にほぼ比例する。網状電極４１は、エネルギー分散のあるビームを収束良く偏向するのに適している。偏向電極系４で偏向されたイオンビームは、偏向電極系４と同様に網状電極４１を用いたイオン輸送部５により、変換電極６まで輸送される。変換電極６は、突起状のイオンビーム入射口６１を持つ。イオンビーム入射口６１は、変換電極６の外部の電界がイオンビーム入射口６１から変換電極６の内部に回り込む浸透電界を減らし、浸透電界がイオンビームに影響するのを抑制する。そして、変換電極６の内部で発生した二次電子が、浸透電界によってイオンビーム入射口６１から漏出するのを低減できる。
【００１４】
変換電極６の二次電子出射口６３は、シンチレータ７１に対向して開口しており、イオンビーム輸送部５から変換電極６に入射するイオンビームの入射方向と、二次電子出射口６３の中心６４とシンチレータ７１の中心７３とを結ぶ線７５とが、鋭角をなすように、イオンビーム輸送部５，変換電極６および二次電子検出系７は設置されている。すなわち、シンチレータ７１の中心軸７４と二次電子出射口６３の中心軸６４は一致していなく、イオン輸送部５の端部５２と二次電子出射口６３の中心軸６４との間にシンチレータ７１の中心軸７４がある。
【００１５】
本実施例の質量分析装置では、イオン輸送部５とイオンビーム入射口６１の間の電界と、二次電子出射口６３とシンチレータ７１の間の電界とでは、向きが９０度異なり、イオン輸送部５とシンチレータ７１の間の電界の向きも、二次電子出射口６３とシンチレータ７１の間の電界とは異なる。従来は、二次電子出射口６３からイオン輸送部５寄りに放出された二次電子は、イオン輸送部５とシンチレータ７１の間の電界の影響を受けて偏向され、シンチレータ７１に入射しないことがあった。しかし、本実施例では、二次電子出射口６３はイオン輸送部５とシンチレータ７１の間の電界から離れているので、二次電子が偏向されることなくシンチレータ７１まで到達する。したがって、二次電子の検出効率が向上する。
【００１６】
図３に、本実施例の質量分析装置における、質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す。ただし、イオンは正イオンのみを考慮した。偏向電極系４の網状電極４１及びイオン輸送部５の網状電極５１はどちらも引き出し電極３１と同じ電圧（−３００Ｖ）に設定し、変換電極６への印加電圧が−２.５ｋＶ および−２０ｋＶの場合の結果を示す。
【００１７】
図３に示すように、変換電極６に−２.５ｋＶ を印加した場合、および−２０ｋＶを印加した場合のどちらの場合でも、質量分析系３から引き出されたイオンビームが、変換電極６に入射し、変換電極衝突面６２で発生した二次電子のビームの収束性が高まり、二次電子が効率よくシンチレータ７１に到達している。
【００１８】
本実施例の質量分析装置によれば、変換電極６に高電圧を印加しても、高効率に一次イオンビームを変換電極６に入射でき、変換電極６で発生した二次電子が効率良くシンチレータ７１に到達するので、高質量数イオンに対しても、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【００１９】
また、質量分析系３から引き出されたイオンビームが偏向電極系４を経て検出されるため、ガスクロマトグラフや液体クロマトグラフ等の前処理系１で発生する不要な中性分子を除去でき、中性分子によるノイズの発生を抑制でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２０】
また、質量分析系３から引き出されたイオンビームは、偏向電極系４で偏向されてから変換電極６に入射されるから、質量分析系３のビーム引き出し軸と変換電極６のイオンビーム入射口６１とは重ならない。したがって、イオン化部２で電子銃を用いて試料をイオン化する場合、電子銃のフィラメントからの光が直接に変換電極６に入射しないので、フィラメントからの光が衝突面６２で反射してシンチレータに入射するために発生するノイズを低減することができる。
【００２１】
また、変換電極６の代わりに、図４に示すような変換電極６ｂを用いてもよい。変換電極６ｂは、イオンビームが衝突面６２の奥で衝突するように、イオンビーム入射口６１を入射面の中心位置から上側に設けてある。二次電子は、変換電極６ｂの奥で発生するので、イオンビーム入射口６１の付近に生成される浸透電界の影響を受け難く、イオンビーム入射口６１から漏出する二次電子を低減することができる。したがって、変換電極６ｂでは、突起状の入射口の長さを短縮、あるいは除去してもよい。また、変換電極６ｂ内部の二次電子出射口６３付近に生成される浸透電界は、二次電子出射口６３に近くなるほど二次電子を引上げる力が大きく、また、二次電子出射口６３に対してほぼ垂直に二次電子が引き上げられるので、発生した二次電子が高効率にシンチレータ７１に到達することができる。
【００２２】
また、変換電極６の代わりに、図５に示すような変換電極６ｃを用いてもよい。変換電極６ｃは、イオンビーム入射口６１に、変換電極６と同電位の網状電極６６をはめ込んでいる。このとき、イオンビームは、イオンビーム入射口６１の網状電極６６を通過するが、変換電極６ｃ内のイオンビーム入射口６１付近には浸透電界が発生しないので、イオンビーム入射口６１から漏出する二次電子を低減することができる。
【００２３】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例である質量分析装置について説明する。図６に、本実施例の質量分析装置の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す。本実施例では変換電極６を、イオンビームが衝突面６２の奥で衝突するように、かつ、変換電極６とイオン輸送部５との間の電界の傾きが、変換電極の印加電圧の極性によらず、イオンビーム入射口６１にほぼ垂直になるような形状にした。
【００２４】
図７に、本実施例の質量分析装置における、質量分析系３からシンチレータ
７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す。ただし、正イオン，負イオンでは、引き出し電極３１，偏向電極系４及びイオン輸送部５の網状電極５１，変換電極６への印加電圧の極性は逆に設定した。解析結果によると、正イオンと負イオンの両方について、一次ビームは収束性が良く、効率的に変換電極６に入射し、変換電極６で発生した二次電子も高効率にシンチレータ７１に入射させることができる。
【００２５】
また、変換電極６に印加する電圧も−２.５ｋＶ から−２０ｋＶまでの広範囲の電圧を印加した場合にも、イオンビームを効率的に変換電極６に入射し、二次電子も高効率にシンチレータ７１に入射できることも分かった。
【００２６】
従来は、変換電極に印加する電圧の極性に応じて、変換電極入射口６１の前に生成される電界の傾きが異なり、イオンビームの極性に応じて、変換電極の衝突面６２での衝突領域が大きく異なり、イオンビームの入射効率，二次電子収率も大きく変わってしまっていた。しかし、本実施例では、図７に示すように、イオンの極性やエネルギー（イオン質量）によらず、イオン輸送部５と変換電極６との間の電界が、変換電極６のイオンビーム入射口６１にほぼ垂直な向きとなるため、正イオンも負イオンも衝突面６２に衝突する領域がほぼ同じになり、イオンビームが変換電極６に入射する効率、および二次電子がシンチレータ７１に到達する率も同様に向上する。したがって、本実施例によれば、分析対象イオンが正イオンであっても負イオンであっっても、高効率に質量分析することができる。（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例である質量分析装置について説明する。図８に、本実施例の質量分析装置の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す。本実施例では、第２の実施例におけるイオン輸送部５のイオンビーム出射口５２の周囲に壁電極５３を設置する。
【００２７】
図９に、本実施例の質量分析装置における、質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す。本実施例によれば、壁電極５３を設置したため、イオン輸送部５と変換電極６との間の電界の向きが、変換電極６のイオンビーム入射口６１に対して、より垂直になるので、正イオンと負イオンの両方について、一次イオンビームは収束性がより向上して、より効率的に変換電極６に入射する。特に、負イオンビームが衝突面６２と衝突する位置は、正イオンの衝突位置に近くなっているので、負イオンビームの収束性が第２の実施例よりも高くなっている。
【００２８】
従って、本実施例によれば、イオンの極性によらずに、一次ビームの収束性をより向上させることができ、より高効率に質量分析することができる。
【００２９】
（実施例４）
次に、本発明の第４の実施例である質量分析装置について説明する。図１０に、本実施例の質量分析装置の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す。本実施例では、イオン輸送部５が偏向電極系４に内包されている。
【００３０】
図１１に、本実施例の質量分析装置における、質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す。本実施例によれば、第３の実施例と同様に、正イオンと負イオンの両方について、一次ビームは収束性がより向上して、より効率的に変換電極６に入射する。従って、本実施例によれば、イオンの極性によらずに、一次ビームの収束性をより向上させることができ、より高効率に質量分析することができる。また、本実施例によれば、偏向電極系４とイオン輸送部５の構造が単純となるので、偏向電極系４の製作が非常に容易である。（実施例５）
次に、本発明の第５の実施例である質量分析装置について説明する。図１２に、本実施例の質量分析装置の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す。本実施例では、図１０に示す第３の実施例に比べ、引き出し電極３１から偏向電極系４までの距離を延長して、イオン輸送部５の長さを短縮し、イオン輸送部５には網状電極を設置しない。
【００３１】
図１３に、本実施例の質量分析装置における、質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す。ただし、図１３は、三次元解析結果であり、解析体系を複数領域に分割して計算しているため、結果の表示も分割されている。本実施例によれば、引き出し電極３１から偏向電極系までの距離を延長しているため、偏向電極系４の入り口でイオンビームが多少広がり、変換電極６に近い位置で偏向を受けるが、イオン輸送部５に網状電極を設置しなくてもイオンビームは、イオン輸送部５が短い分、安定に、収束性が良くなって、変換電極６に入射する。
【００３２】
したがって、本実施例によれば、網状電極を少なくできるので、イオンビームが網状電極を通過することによるイオン損失率を下げることができ、また、構造が単純化するため、制作も容易となり、製作コストを削減することができる。
【００３３】
また、上述の実施例では、質量分析系３から引き出されたイオンビームを、偏向電極系４で偏向してから変換電極６に入射するものであったが、図１４に示すように、偏向電極系４を介さないで、質量分析系３から引き出されたイオンビームを変換電極６に輸送しても良い。この場合、一次イオンビームを偏向しないため、一次イオンビームの収束性が高まり、衝突領域が絞られるために、二次電子の収束性及び検出効率を向上できる。不要な中性分子や光などによるノイズ発生を回避するためのイオンビーム偏向が必要無い場合に、偏向電極系４を省略するとよい。
【００３４】
【発明の効果】
イオンビーム輸送手段から変換電極に入射するイオンビームの入射方向と、二次電子検出手段の二次電子入射口の中心と変換電極の二次電子出射口の中心とを結ぶ線とが、鋭角をなすように、イオンビーム輸送手段，変換電極および二次電子検出手段が配置したことにより、二次電子出射口は、イオンビーム輸送手段と二次電子検出手段の間の電界から離れているので、二次電子が偏向されることなく二次電子検出手段まで到達する。したがって、変換電極で発生した二次電子が効率良く二次電子検出手段に到達するので、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【００３５】
また、変換電極のイオンビーム入射口が、イオンビームの上流側に向かって延長したことにより、外部の電界がイオンビーム入射口から変換電極の内側に回り込む浸透電界を低減でき、浸透電界がイオンビームに影響するのを抑制できるので、変換電極で発生した二次電子が、浸透電界によってイオンビーム入射口から漏出するのを低減できる。したがって、変換電極で発生した二次電子を効率良く二次電子検出手段に供給でき、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【００３６】
また、変換電極のイオンビーム入射口に網状電極を設けても、変換電極の内側に回り込む浸透電界を低減でき、変換電極で発生した二次電子が、浸透電界によってイオンビーム入射口から漏出するのを低減できるので、高効率かつ高感度に質量分析を行うことができる。
【００３７】
また、イオンビーム輸送手段のイオンビーム出射口の外周に、変換電極のイオンビーム入射口面と平行な壁電極を設けたことにより、イオンビーム輸送手段と変換電極の間の電界の向きが、変換電極への印加電圧の極性によらず、イオンビーム入射口に対してほぼ垂直になるので、イオンの極性によらずに、イオンビームは収束性がより向上して、効率的に変換電極に入射する。したがって、効率よく質量分析することができる。
【００３８】
また、イオンビーム偏向手段でイオンビームを偏向してから、イオンビームをイオンビーム輸送手段に入射させることにより、イオンビームに含まれる不要な中性分子を除去できるので、中性分子によるノイズの発生を抑制でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。したがって、精度良く質量分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す図。
【図２】第１の実施例の質量分析装置の概略図。
【図３】第１の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す図。
【図４】変換電極６ｂを示す図。
【図５】変換電極６ｃを示す図。
【図６】第２の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す図。
【図７】第２の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す図。
【図８】第３の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す図。
【図９】第３の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す図。
【図１０】第４の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す図。
【図１１】第４の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までのイオン軌道の数値解析結果を示す図。
【図１２】第５の実施例の質量分析系３からシンチレータ７１までを示す図。
【図１３】第５の実施例の質量分析系３から変換電極６までのイオン軌道の数値解析結果を示す図。
【図１４】他の例の質量分析装置の概略図。
【符号の説明】
１…前処理系、２…イオン化部、３…質量分析系、４…偏向電極系、５…イオン輸送部、６…変換電極、７…電子検出部、８…データ処理部、９〜１１…電源、１２…制御系、３１…引き出し電極、４１，５１…網状電極、６１…イオンビーム入射口、６２…衝突面、６３…二次電子出射口、７１…シンチレータ、７２…光電子増倍管。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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