(57)【要約】【課題】簡素な構成で、低質量のイオンの透過率を低下させずにイオンの径方向拡散を抑制したイオン移動度分析を可能とする。【解決手段】ドリフト領域を包囲する電極群からなる電極ユニット１と、電極群に電圧を印加してドリフト領域に中心軸方向の加速電場を形成する制御部とを備え、入射イオン群を電場によってドリフト領域の緩衝ガス中を移動させる。電極ユニットは、ドリフト領域の前後端に亘って延在し中心軸の周りに配置された２ｎ本（ｎ≧２）のポール電極２と、隣り合ったポール電極間に各々配置された板状電極群３とを含む。板状電極群の各組は、中心軸の方向に分離配列され中心軸を含む面に平行に配向された複数枚の板状電極ＯＥｋを含む。ポール電極に、隣接するポール電極間で１８０度位相を異ならせた高周波電圧を印加し、板状電極群に、中心軸の方向に隣接する板状電極間で一定の電位差を有する直流電圧を印加して、加速電場を形成する。【選択図】図１Ａ
2014049196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドリフト領域の管状空間を包囲して配列された電極群が構成する電極ユニットと、
前記電極群に電圧を印加して前記ドリフト領域に中心軸方向の加速電場を形成する制御部とを備え、
入射イオン群を前記電場によって、前記ドリフト領域の緩衝ガス中を移動させるように構成されたイオン移動度分離装置において、
前記電極ユニットは、前記ドリフト領域の前後端に亘って延在し前記中心軸の周りに等間隔に配置された２ｎ本（ｎは２以上の整数）のポール電極と、隣り合った前記ポール電極の間に各々配置された２ｎ組の板状電極群とを含み、
前記板状電極群の各組は、前記中心軸の方向に分離配列された複数枚の板状電極を含み、前記板状電極は前記中心軸を含む面に平行に配向され、
前記ポール電極に、隣接する前記ポール電極間で１８０度位相を異ならせた高周波電圧を印加し、
前記板状電極に、前記中心軸の方向に隣接する前記板状電極間で一定の電位差を有する直流電圧を印加して前記加速電場を形成することを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項２】
前記ドリフト領域の入口及び出口に配置されたイオン通過孔を有するアパーチャ電極を備え、
前記制御部は、前記アパーチャ電極に対して直流電圧を印加する請求項１に記載のイオン移動度分離装置。
【請求項３】
前記ポール電極と前記板状電極の電圧により形成される前記ドリフト領域の管状空間の電場が、イオンがトラップされる減速電場の領域、または、換算移動度が測定できない弱い電場の領域を含まないように設定された請求項１に記載のイオン移動度分離装置。
【請求項４】
前記電極ユニットを複数段備え、
前記複数段の電極ユニットは、前記ドリフト領域の中心軸を直線状に整列させて接続されて直線型の電極モジュールを形成し、
前後段の前記電極ユニットの接続部には間隙が形成され、
前記接続部の間隙における前記電極ユニットの端部間に亘って一様な加速電場が形成されるように、前記制御部が前後段の前記電極ユニットに印加する電圧の関係が調整されている請求項１に記載のイオン移動度分離装置。
【請求項５】
前記電極ユニットの接続部の間隙に挿入されたイオン通過孔を有するレンズ電極を備え、
前記制御部は、前記レンズ電極に対して直流電圧を印加し、
前記電極ユニット及び前記レンズ電極の電位により、前記接続部の間隙で前記一様な加速電場が形成される請求項４に記載のイオン移動度分離装置。
【請求項６】
前記電極ユニットを複数段備え、
前記複数段の電極ユニットは、相互間にイオンベンダーを挿入配置して接続された周回型の電極モジュールを形成し、
前段の前記電極ユニットから射出されるイオンを前記イオンベンダーにより偏向させて、後段の前記電極ユニットの前記中心軸の方向に導入し、イオンに周回軌道を取らせるように構成された請求項１に記載のイオン移動度分離装置。
【請求項７】
前記イオンベンダーは、六面体形状の各面に対応させて配置された６枚の板状偏向電極により構成され、
前記６枚の板状偏向電極を、イオンの入射孔を有する入射電極、前記入射電極の側面に位置しイオンの射出孔を有する射出電極、上面電極、下面電極、前記入射電極に対向する対面電極、及び前記射出電極に対向する背面電極に区分したとき、
前記入射電極、前記上面電極、前記下面電極、前記対面電極、及び前記背面電極に印加する電圧は、前記射出電極に印加する電圧と比べて、イオンの極性に対して高電位となるように設定された請求項６に記載のイオン移動度分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンを気相移動度に基づいて時間的に分離するイオン移動度分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分離装置は、イオンの立体構造による気相移動度の相違に基づいてイオンを分離する装置であり、イオン移動度スペクトル法による分離分析装置等の構成要素の一部として用いられる。イオン移動度分離装置では、比較的高圧の中性の緩衝ガス中を、電場によりイオンを移動させる。その際に、イオンと緩衝ガスが衝突することにより決定される移動度に応じて、移動方向においてイオンが時間的に分離される。
【０００３】
特許文献１には、イオン移動度分離装置を構成要素の一部とするイオン移動度分光計の一例が開示されている。このイオン移動度分光計は、図２１に示すように、イオン化領域１０１とドリフト領域１０２を備えている。ドリフト領域１０２が、イオン移動度分離装置を構成する主要な要素である。
【０００４】
イオン化領域１０１には、針電極１０３とメッシュ状の対向電極１０４が対向して配置され、コロナ放電部を形成している。放電電源１０５から安定化抵抗１０６を通して針電極１０３に電圧が印加され、対向電極１０４との電位差でコロナ放電が発生する。針電極１０３から放出された電子が空気中の酸素に付着して、負イオンが生成される。
【０００５】
測定試料を含むキャリアガスが、試料導入管１０７から反応室１０８に導入される。使用後の排気ガスは、排気管１０９を通って排出される。ドリフトガス導入管１１０からは、キャリアガスと同成分のガスが緩衝ガスとして導入され、ドリフト領域１０２を通過して反応室１０８に入り、試料導入管１０７から導入されたキャリアガスと一緒になってイオン化領域１０１に流入する。上述のようにコロナ放電部で形成された負イオンと、試料中の検出成分は、互いに反対方向に移動しながら衝突し、検出成分は電荷交換反応により上記負イオンから電子を捕獲して負イオンになる。
【０００６】
ドリフト領域１０２には、基準電位電極１１１、画定電極１１２及び遮蔽電極１１３が、ほぼ等間隔に同心軸上に配置されている。遮蔽電極１１３に隣接して集電電極１１４が配置されている。ドリフト電源１１５からの電圧を抵抗１１６により分割して、基準電位電極１１１、画定電極１１２及び遮蔽電極１１３に印加し、ドリフト電場を形成する。ドリフト電場は、イオンを集電電極１１４に向かって移動させる一様な加速電場である。
【０００７】
パルス電圧波形発生器１１７は、シャッター電極１１８と基準電位電極１１１間にパルス状の電圧を印加して、短時間、順方向電界を形成する。それにより、イオンが短時間パルス状に引き出され、ドリフト領域１０２にイオン群として供給される。供給されたイオンは、ドリフト領域１０２のドリフト電界により集電電極１１４に集められる。集電電極１１４に集められたイオン電流はアンプ１１９で増幅され、信号処理される。入力されたイオン電流の時間スペクトルからピーク位置とその大きさが分析され、イオンの成分の種類と量が同定される。
【０００８】
ドリフト領域１０２にイオンを打ち込むと、イオンは一様電場に沿って画定電極１１２を配置する中心軸方向に加速されるが、気体分子と衝突して運動エネルギーの一部を失い、最終的には一定の速度ｖdで軸方向に移動する。ｖdは電場の強さＥに比例するので、これを
ｖd＝ＫＥ
と置いた場合、比例定数Ｋを移動度（mobility）とよぶ。移動度Ｋを標準状態（273.15 K, 101325 Pa）に換算することにより、換算移動度Ｋ0を得る。換算移動度はイオンの識別に用いられる。また、換算移動度はイオンの断面積と関係があるため、異性体の識別（質量が同じイオンでも断面積が異なる）など、イオンの構造検出に用いられている。
【０００９】
なお、以下の記述において、ドリフト領域を形成する電極の中心軸の方向を軸方向と呼び、この軸方向に対する垂直方向を径方向と呼ぶ。イオンは、軸方向と径方向の両方に拡散する。
【００１０】
このようなイオン移動度分離装置は、ドリフト領域の長さが長い程、イオンの飛行距離が長くなるため、高分解能が得られる。しかし、長いドリフト領域を一括して形成することは困難である。そのため、作製可能な長さのドリフト領域を形成する電極ユニットを複数個接続して、実質的に長いドリフト領域を形成することが提案されている。そのような構成例としては、複数個の電極ユニットを直線型に接続した形態のもの、あるいは周回型に接続した形態（例えば特許文献２参照）のものがある。
【００１１】
但し、飛行距離が長いと分解能は高くなるが、イオンが径方向に拡散するため、イオン移動度分離装置の出口アパーチャを通過するイオンの強度が減少する。これを解決するために、イオン移動度分離装置の出口にイオンファンネル装置を設置し、イオンの収束を行う構成が知られている。イオンファンネル装置の模式図を図２２に示す。軸方向に配列された複数のリング状の電極１２０は、イオンの進行方向に向かって内径が小さくなっている。電極１２０には、ＤＣ電源１２１の電圧を抵抗分割によって生成した一様電場と、位相が異なる高周波（＋ＲＦ、−ＲＦ）とが印加される。これにより、イオンの径方向の拡散を抑制して収束効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１７４６１９号公報
【特許文献２】米国特許公開２０１０／０１９３６７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来のイオン移動度分離装置のように、径方向に拡散するイオンを収束させるためのイオンファンネル装置を組合わせた場合、低質量のイオンの透過率が悪いという問題点が報告されている。また、イオンファンネル装置は電極枚数が多いため、構造が複雑であり、製造工程が煩雑でコスト増大の原因となる。
【００１４】
一方、長いドリフト領域を形成するための直線型あるいは周回型の従来例のイオン移動度分離装置では、イオンの径方向拡散はより深刻な問題となり、得られるイオンの強度が大きく低下する惧れがある。そのため、イオンの拡散を効果的に、かつ簡素な構成により抑制することが望まれる。
【００１５】
従って、本発明は、簡素な構成でありながら、低質量のイオンの透過率を低下させることなくイオンの拡散を抑制して、出口アパーチャで大きなイオン強度を得ることが可能なイオン移動度分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明のイオン移動度分離装置は、ドリフト領域の管状空間を包囲して配列された電極群が構成する電極ユニットと、前記電極群に電圧を印加して前記ドリフト領域に中心軸方向の加速電場を形成する制御部とを備え、入射イオン群を前記電場によって、前記ドリフト領域の緩衝ガス中を移動させるように構成され、前記電極ユニットは、前記ドリフト領域の前後端に亘って延在し前記中心軸の周りに等間隔に配置された２ｎ本（ｎは２以上の整数）のポール電極と、隣り合った前記ポール電極の間に各々配置された２ｎ組の板状電極群とを含み、前記板状電極群の各組は、前記中心軸の方向に分離配列された複数枚の板状電極を含み、前記板状電極は前記中心軸を含む面に平行に配向され、前記ポール電極に、隣接する前記ポール電極間で１８０度位相を異ならせた高周波電圧を印加し、前記板状電極に、前記中心軸の方向に隣接する前記板状電極間で一定の電位差を有する直流電圧を印加して前記加速電場を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成によれば、ポール電極に印加する高周波電場でイオンの径方向の拡散を抑えながら、板状電極群の一様電場で一定の速度束のイオンを下流に移動させて、時間的に分離することができる。ポール電極は、四重極質量分析計と同等の作用により、低質量から高質量まで幅広い質量のイオンを、拡散を防ぎながら通過させることが可能である。これにより、簡素な構成でありながら、出口アパーチャで大きなイオン強度を得ることができる。
【００１８】
また、上記構成の電極ユニットを複数段に組み合わせて全長が長いイオン移動度分離装置を構成することにより、イオン強度の低下を回避しながらイオンの飛行距離を増加させて、高分解能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】実施の形態１におけるイオン移動度分離装置を構成する電極ユニットの一例を示す斜視図
【図１Ｂ】同電極ユニットの中心軸に直交する横断面を示す断面図
【図１Ｃ】同電極ユニットの中心軸を含む縦断面を示す断面図
【図２】同電極ユニットに接続された駆動回路の構成を示す回路図
【図３Ａ】同電極ユニットにおけるポール電極の構成を示す斜視図
【図３Ｂ】同電極ユニットにおける板状電極の構成を示す斜視図
【図４】実施の形態１におけるシミュレーションに用いた構成例の電極ユニットを示す斜視図
【図５】同電極ユニット中のイオン軌道のシミュレーション結果を示す断面図
【図６】同電極ユニットのｚ軸（中心軸）上の電場のシミュレーションを行った際のパラメータを示す断面図
【図７】Ｌ／ｄの値による中心軸上の電場の変化を示す図
【図８Ａ】Ｌ／ｄ＝０．５、板状電極の列位置ｋ＝２の場合のｚ軸上の電場を示す図
【図８Ｂ】Ｌ／ｄ＝０．５、板状電極の列位置ｋ＝１０の場合のｚ軸上の電場を示す図
【図８Ｃ】Ｌ／ｄ＝０．５、板状電極の列位置ｋ＝２０の場合のｚ軸上の電場を示す図
【図９】図８Ｃのシミュレーション結果を拡大した範囲について、電場勾配の値で示す図
【図１０】実施の形態２におけるイオン移動度分離装置を構成する直線接続型の電極モジュールの一例を示す斜視図
【図１１】同電極モジュールのシミュレーションのパラメータを示す断面図
【図１２Ａ】同電極モジュールの電極ユニット間が、隙間ｓ＝１ｍｍの空間のみの場合のｚ軸上の電位変化を示す図
【図１２Ｂ】同電極モジュールのイオン軌道シミュレーションの結果を示す図
【図１３Ａ】同電極モジュールの電極ユニット間が、隙間ｓ＝３ｍｍの空間のみの場合のｚ軸上の電位変化を示す図
【図１３Ｂ】同電極モジュールのイオン軌道シミュレーションの結果を示す図
【図１４】同電極モジュールの電極ユニット間にレンズ電極を用いた場合の、シミュレーションのパラメータを示す断面図
【図１５Ａ】同電極モジュールの電極ユニット間の隙間ｓ＝３ｍｍで、レンズ電極が装着された場合のｚ軸上の電位変化を示す図
【図１５Ｂ】同電極モジュールのイオン軌道シミュレーションの結果を示す図
【図１６】同電極モジュールの電極ユニットの接続空間における等電位線を示す図
【図１７Ａ】実施の形態３におけるイオン移動度分離装置を構成する周回接続型の電極モジュールの一例を示す斜視図
【図１７Ｂ】同電極モジュールの水平面に沿った断面図
【図１７Ｃ】同電極モジュールにおける電極ユニットの横断面図
【図１８】同電極モジュールにおけるイオンベンダーを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はイオンベンダー内に形成される電位勾配を示す図
【図１９】同電極モジュールにおけるイオンベンダーの内部に形成される電場の等電位線を示す図
【図２０Ａ】同電極モジュールにおける電極ユニット及びイオンベンダーに印加する駆動電圧の変化の一ステップを示す図
【図２０Ｂ】同駆動電圧の変化の他のステップを示す図
【図２０Ｃ】同駆動電圧の変化の更に他のステップを示す図
【図２１】従来例のイオン移動度分離装置を含むイオン移動度分光計を示す断面図
【図２２】従来例のイオンファンネル装置を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のイオン移動度分離装置は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。
【００２１】
すなわち、前記ドリフト領域の入口及び出口に配置されたイオン通過孔を有するアパーチャ電極を備え、前記制御部は、前記アパーチャ電極に対して直流電圧を印加する構成とすることができる。
また、前記ポール電極と前記板状電極の電圧により形成される前記ドリフト領域の管状空間の電場が、イオンがトラップされる減速電場の領域、または、換算移動度が測定できない弱い電場の領域を含まないように設定された構成とすることができる。
【００２２】
また、前記電極ユニットを複数段備え、前記複数段の電極ユニットは、前記ドリフト領域の中心軸を直線状に整列させて接続されて直線型の電極モジュールを形成し、前後段の前記電極ユニットの接続部には間隙が形成され、前記接続部の間隙における前記電極ユニットの端部間に亘って一様な加速電場が形成されるように、前記制御部が前後段の前記電極ユニットに印加する電圧の関係が調整されている構成とすることができる。
【００２３】
この構成において、前記電極ユニットの接続部の間隙に挿入されたイオン通過孔を有するレンズ電極を備え、前記制御部は、前記レンズ電極に対して直流電圧を印加し、
前記電極ユニット及び前記レンズ電極の電位により、前記接続部の間隙で前記一様な加速電場が形成される構成とすることができる。
【００２４】
また、前記電極ユニットを複数段備え、前記複数段の電極ユニットは、相互間にイオンベンダーを挿入配置して接続された周回型の電極モジュールを形成し、前段の前記電極ユニットから射出されるイオンを前記イオンベンダーにより偏向させて、後段の前記電極ユニットの前記中心軸の方向に導入し、イオンに周回軌道を取らせるように構成することができる。
【００２５】
また、前記イオンベンダーは、六面体形状の各面に対応させて配置された６枚の板状偏向電極により構成され、前記６枚の板状偏向電極を、イオンの入射孔を有する入射電極、前記入射電極の側面に位置しイオンの射出孔を有する射出電極、上面電極、下面電極、前記入射電極に対向する対面電極、及び前記射出電極に対向する背面電極に区分したとき、前記入射電極、前記上面電極、前記下面電極、前記対面電極、及び前記背面電極に印加する電圧は、前記射出電極に印加する電圧と比べて、イオンの極性に対して高電位となるように設定された構成とすることができる。
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図１Ａは、実施の形態１におけるイオン移動度分離装置を構成する電極ユニット１の斜視図である。図１Ｂは、電極ユニット１の中心軸に直交する横断面を示す断面図、図１Ｃは、電極ユニット１の中心軸を含む縦断面を示す断面図である。
【００２８】
電極ユニット１は、６本のポール電極２と、６組の板状電極群３とから構成されている。板状電極群３は各々、４列の板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４を含む。図１Ｂ、１Ｃに示すように電極ユニット１は、ドリフト領域４を形成する管状空間を包囲するように配列されている。イオン移動度分離装置としては、例えば図２１に示した従来例の構成におけるドリフト領域１０２と同様に、ドリフト領域４の空間に緩衝ガスを充満させることが可能なように構成される。従って、図示を省略するが、電極ユニット１は図２１に示した従来例と同様、容器内に配置される。
【００２９】
ポール電極２は、図１Ｂ、１Ｃに示すように、ドリフト領域４の前後端に亘って中心軸４ａに平行に延在し、中心軸４ａの周りに等間隔に配置されている。板状電極群３は各々、隣り合ったポール電極２の間隙の中間位置に配置されている。なお、ポール電極２の本数は６本に限られず、２ｎ本（ｎは２以上の整数）とすることができる。ポール電極２の本数に応じて、板状電極群３は、２ｎ組とする。
【００３０】
各組の板状電極群３に含まれる４列の板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４は、中心軸４ａの方向に分離して配列され、中心軸４ａを含む面内に配置されている。板状電極の列数ｍ（中心軸４ａの方向に配列された枚数）も、後述するとおり、４列には限られない複数列とすることができる。従って、以下の記載において、板状電極の列における特定番目の列位置を板状電極ＯＥ（ｋ）（ｋは１〜ｍの整数）と記述する。
【００３１】
イオン移動度分離装置の動作を制御する制御部（図示省略）は、図２に示すような、電極ユニット１に接続された駆動回路５を含む。駆動回路５は、各々１本置きのポール電極２毎に接続された高周波電圧部６、７、全てのポール電極２に共通に接続されたＤＣ電圧部８、及び板状電極群３に接続されたドリフト電圧部９からなる。
【００３２】
高周波電圧部６、７からは、隣接するポール電極２間で１８０度位相の異なる同一周波数の高周波電圧ＶＲＦ１、ＶＲＦ２を供給する。ＤＣ電圧部８からは、共通の直流電圧Ｖｐを供給する。ドリフト電圧部９からは、板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４の各々に対して、各組に共通の直流電圧ＶＯＥ（ｋ）（ｋは１〜４の整数）を供給する。直流電圧ＶＯＥ（ｋ）は、中心軸４ａの方向に各板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４間で一定の電位差を有するように設定される。電位差は、通過させるイオンの極性に応じて、加速電界が形成される向きに漸減あるいは漸増する設定となる。
【００３３】
電極ユニット１を分解して、ポール電極２のみを取り出した斜視図を図３Ａに、板状電極群３のみを取り出した斜視図を図３Ｂに示す。図３Ａには、ポール電極２に対する、高周波電圧部６、７、及びＤＣ電圧部８の接続状態を併せて示す。図３Ｂには、板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４の各々に対するドリフト電圧部９の接続状態を併せて示す。ドリフト電圧部９は、ＤＣ電源１０と接地またはフロート電圧源１１の間の電圧を抵抗Ｒで分圧して、一定の電位差を有する直流電圧ＶＯＥ１〜ＶＯＥ４を生成し、板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４に各々印加するように構成されている。これにより、板状電極ＯＥ１〜ＯＥ４は、ドリフト領域４中にイオンに対する一様な加速電場を形成し、中心軸４ａに沿って出口側に向かってイオンを移動させる作用が得られる。
【００３４】
なお、本実施の形態において、一様な加速電場とは、厳密に一様であることを要するものではない。すなわち、イオン移動度分離装置を適切に機能させるためには、イオンに対する加速電場が一方に向いていること、言い換えれば、減速電場が含まれないことが必須であるが、その限りにおいて、変動幅の非一様な領域の存在は許容できる。要するに、一様な加速電場とは、イオンがトラップされる減速電場や、換算移動度の測定が困難となるような弱い電場の領域を含まないように調整された電場であり、実用上、実質的に一様であることを意味する。
【００３５】
すなわち、一様電場であれば、ドリフト領域４の出口へのイオンの到達時間から直接移動度が測定できるため、一様電場の生成が望ましいが、非一様領域が含まれていても、電場の変動幅が小さければ、実用上問題のない測定精度を確保可能である。例えば、移動度が既知の試料と、移動度が未知の試料を比較することにより、非一様領域が含まれる電場でも、十分な測定精度を得る方法が知られている。
【００３６】
以上の構成を有するイオン移動度分離装置を動作させるときには、ドリフト領域４に緩衝ガスを充満させて、ドリフト領域４の入口からイオン群をパルス状に導入する。イオン群は、電極ユニット１が形成する一様な電場によって中心軸４ａの方向に移動し、ドリフト領域４の出口から射出される。ドリフト領域４の出口から出射するイオンを、例えば図２１の従来例のように、集電電極に集め、イオン電流を信号処理する。イオン電流の時間スペクトルからピーク位置とその大きさを分析することにより、換算移動度を求めイオンの成分の種類と量を同定することができる。
【００３７】
以上の構成において、ポール電極２は、四重極質量分析計と同等の作用により、中心軸４ａに沿って移動するイオンの径方向拡散を防ぐことができる。ポール電極に高周波を印可する構成はイオンガイドとして実用化されており、低質量から高質量まで幅広い質量のイオンを通過させることが可能である。但し、電極ユニットがポール電極２のみである構成を、そのままイオン移動度分離装置に適用することはできない。何故なら、イオンガイドの高周波電場だけの場合、イオンを中心軸４ａの方向に駆動する加速電場とはならず、一方、イオン移動度分離装置は圧力が１３３Ｐａ程度の圧力下で使用するため、イオンは緩衝ガスとの衝突を繰り返し、運動エネルギーが減少し、最終的には下流へ移動できなくなるためである。
【００３８】
これに対して本実施の形態では、板状電極群３により、上述のとおりポール電極２の内部に一様の加速電場を形成する。この一様電場を利用することで、一定の速度でイオンを移動させることが出来る。また、板状電極群３は、隣り合ったポール電極２の間隙の中間位置に配置されており、その位置では、ポール電極２の電圧による電位が時間的に変化せず一定である。そのため、板状電極群３の電位の設定は簡潔でよく、駆動制御が容易である。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、ポール電極２に印加する高周波電場でイオンの拡散を抑えながら、板状電極群３の一様電場でイオンを下流に移動させて、時間的に分離することが可能である。
【００４０】
本実施の形態の電極ユニットの作用に関し、ドリフト領域４中のイオン軌道、及び、中心軸４ａ上の電場のシミュレーションを行った結果について、図４〜図９を参照して説明する。シミュレーションには、ＳＩＭＩＯＮ（登録商標）を使用した。
【００４１】
［１］イオン軌道のシミュレーション
図４に示す構成の電極ユニットについて、ドリフト領域４中の低質量のイオンに対するイオン軌道のシミュレーションを行った。この電極ユニットは、８本のポール電極２と、各々６列の板状電極ＯＥ（ｋ）（ｋ＝１〜６）を含む８組の板状電極群３により構成されている。更に、両端には、ドリフト領域の入口及び出口を覆って、イオン通過孔１２ａ、１３ａを有する円環板状のアパーチャ電極１２、１３が設けられている。アパーチャ電極１２、１３には所定の直流電圧を印加して、板状電極群３とポール電極２が形成する電場に対する外部からの影響を排除している。
【００４２】
［１．１］シミュレーションの条件
イオン：ｍ／ｚ＝１８、Ω＝２．８５×１０-19ｍ2
板状電極ＯＥ（ｋ）の長さＬ＝４ｍｍ
隣接する板状電極間の間隙ｇ＝１ｍｍ
ポール電極２：高周波電圧の周波数ｆ＝３ＭＨｚ、Ｖ0-P＝１００Ｖ、直流電圧Ｖｐ＝１．５Ｖ
緩衝ガス：Ｈｅ、圧力１３３Ｐａ
板状電極の電圧：ＶＯＥ１＝１．５Ｖ、ＶＯＥ２以降の電圧の増分ΔＶ＝４．２Ｖ
入射側のアパーチャ電極１２の電圧：１１．２Ｖ
出射側のアパーチャ電極１３の電圧：０Ｖ
上記電極ユニットのドリフト領域４中におけるイオン軌道のシミュレーション結果を、図５に示す。この図に示されるとおり、入口側のイオン通過孔１２ａから打ち込まれたイオンは、出口側のイオン通過孔１３ａから射出されるまで、拡散が十分に抑制された状態に制御され、下流に移動している。ドリフト領域４に入射したイオン量に対するドリフト領域４を通過したイオン量の比、すなわちイオンの通過率ｘ％は、このシミュレーション結果では９０％であった。
【００４３】
［２］中心軸４ａ上の電場のシミュレーション
板状電極群３により適切な加速電場を形成するための条件について検討した。一定の電圧差を板状電極群３に加えた場合、ポール電極２の直流電圧Ｖｐと板状電極群３の電圧が作用し、ポール電極２内部（ドリフト領域の管状空間）には、加速電場とは逆向きの、減速電場（以下のシミュレーションでは、電場勾配が正の値に相当）の領域が出現する場合がある。減速電場が出現すれば、イオンは下流に移動出来なくなり、トラップされるため、移動度が測定できない。また、換算移動度が測定できないような、弱い電場が形成される領域が出現する場合がある。従って、イオンがトラップされる減速電場や、換算移動度が測定できないような弱い電場の出現を抑制するために、板状電極群３が充足すべき条件が存在する。
【００４４】
以下のシミュレーションにおけるパラメータの設定に関し、要素あるいはパラメータを表す記号について、図６を参照して説明する。図６に示すように、板状電極ＯＥ（ｋ）（図６ではｋ＝１〜３）の中心軸（ｚ軸とする）の方向における長さをＬ［ｍｍ］、隣接する板状電極の相互間の間隙をｇ［ｍｍ］とする。ポール電極２の内接円の直径をｄ［ｍｍ］（図２参照）とする。さらに、板状電極間の寸法Ｇ［ｍｍ］を、Ｇ＝Ｌ＋２ｇと定義する。板状電極ＯＥ（ｋ）の厚みは、中心軸電位を乱さない大きさに設定した。電場のシミュレーションを行った領域は、図６に示したｚ軸方向における板状電極間の寸法Ｇの範囲内である。注目する板状電極ＯＥ（ｋ）のｚ軸方向における中央をｚ＝０とし、右方を座標のプラス側、左方を座標のマイナス側としてｚ座標を設定する。
【００４５】
ポール電極２への印加電圧は、直流電圧Ｖｐ＝０Ｖに設定し、高周波電圧ＶＲＦ１、ＶＲＦ２は印加しない。通常の動作において、高周波電圧ＶＲＦ１、ＶＲＦ２は互いに１８０度の位相差を持つため、ｚ軸上の電場に関するこのシミュレーションでは考慮不要だからである。
【００４６】
板状電極について、ｄ＝６ｍｍ、ｇ＝１ｍｍ、電圧ＶＯＥ１＝０Ｖとした。また、ＶＯＥ１とＶＯＥ３の間にかかる電位が１０Ｖ／ｃｍとなるようにＶＯＥ３の電圧を決定し、ＶＯＥ２は、ＶＯＥ１とＶＯＥ３の中間の電圧に設定した。板状電極ＯＥ（ｋ）に印加する直流電圧ＶＯＥ（ｋ）についても同様に設定した。Ｌ／ｄの各設定値の場合において、板状電極ＯＥ（ｋ）に印加した直流電圧ＶＯＥ（ｋ）等について、（表１）に示す。
【００４７】
【表１】
2014049196.tif 000003
【００４８】
［２．１］Ｌ／ｄの値によるｚ軸上の電場の変化
Ｌ／ｄ＝０．５の場合の、板状電極ＯＥ２におけるｚ軸（中心軸）上の電位のシミュレーションを行った。この場合、Ｌ＝３ｍｍ（Ｌ／ｄ＝０．５より）、Ｇ＝５ｍｍであり、シミュレーション範囲は±２．５ｍｍである。
【００４９】
また、Ｌ／ｄ＝１．０の場合についても、同様のシミュレーションを行った。この場合は、Ｌ＝６ｍｍ、Ｇ＝８ｍｍであり、シミュレーション範囲は±４ｍｍである。
【００５０】
図７に、シミュレーションの結果による、板状電極ＯＥ２におけるｚ座標に沿った電圧変化を示す。横軸はｚ座標［ｍｍ］、縦軸は電圧［Ｖ］を示す。グラフは、Ｌ／ｄの値に応じた板状電極間の寸法Ｇの範囲であり、Ｌ／ｄ＝０．５の場合を実線で、Ｌ／ｄ＝１．０の場合を破線で示す。シミュレーション結果として、Ｇの範囲内では、電場の勾配が全領域で負の値を持った加速電場が形成された。従って、イオン移動度分離装置として利用可能な特性である。Ｌ／ｄ＝０．５の場合の方が、１．０の場合より、均一電場により近い電場が形成されている。
【００５１】
以上のとおり、Ｌ／ｄの値を適切な範囲内に設定すれば、注目する板状電極のｚ軸上の全領域で加速電場が形成可能である。
【００５２】
［２．２］板状電極の列位置（ｋ）によるｚ軸上の電場の変化
［２．２．１］Ｌ／ｄ＝０．５の場合
Ｌ／ｄ＝０．５としたときの、各列位置の板状電極ＯＥ（ｋ）のｚ軸上の電場を、ｋ＝２〜２０の場合について調べた。注目した板状電極のｚ軸上の電圧の変化について、図８Ａ〜図８Ｃを参照して説明する。
【００５３】
図８Ａは、ｋ＝２の場合であり、板状電極ＯＥ２の位置におけるｚ座標に沿った電圧の変化を示す。ｚ軸上には一様な電場に近い、加速電場が形成されている。図８Ｂは、ｋ＝１０の場合であり、板状電極ＯＥ１０の位置における結果を示す。ｋ＝２の場合の結果と同様に、加速電場が形成された。なお、ｚ軸上の電場の勾配の負の値が小さい領域（破線の楕円で示す）が形成されている。しかしながら、イオンが下流に移動する電場であることは確保されている。
【００５４】
図８Ｃは、ｋ＝２０の場合の結果を示す。ｋ＝２、１０の場合の結果とは異なり、電場勾配の値が正の値を持つ領域が出現した。このことは、図９のグラフにより明瞭に示されている。図９は、縦軸が図８Ｃの電場（電圧の差分）［Ｖ／ｍｍ］であり、電場勾配の値を表しており、横軸はｚ＝３．５まで拡張している。ｋ＝１９の領域（ｚ＞２．５）において電場勾配が正の値を持つ領域（減速電場領域）が現れ、ここでは、イオンは下流に移動せず、トラップされる。そのため、イオン移動度分離装置の電場としては適していない。
【００５５】
上述のシミュレーション結果からは、Ｌ／ｄ＝０．５の関係を満足する場合は、板状電極群を構成する板状電極ＯＥｋが１９枚未満であれば、好適な電場を形成可能であることが判る。このことは、板状電極の枚数に上限が存在すること、つまり、イオン移動度分離装置のドリフト領域の長さに上限があることを意味する。
【００５６】
以上のような中心軸４ａ上の電場のシミュレーションの結果より、Ｌ／ｄの値に対して、板状電極の列数ｍに上限が存在することが判る。上限を超えた列数を用いると、イオン移動度分離装置に適していない減速電場が形成される。また、減速電場が形成されない列数ｍの上限未満においても、換算移動度を測定不能な弱い電場が形成された領域が出現しないように、板状電極の列数ｍを設定する必要がある。
【００５７】
＜実施の形態２＞
実施の形態２における直線接続型のイオン移動度分離装置について、図１０〜図１６を参照して説明する。
【００５８】
実施の形態１の構成のイオン移動度分離装置を用いて、分解能を向上させるためには、装置の全長を長くして、ドリフト領域でのイオンの滞在時間を長くする必要がある。しかし、実施の形態１の説明で述べたとおり、一様電場を形成可能な板状電極の列数に上限があるため、単独の電極ユニットによるドリフト領域の全長には、上限がある。
【００５９】
これを解決するために、本実施の形態では、実施の形態１において述べたように、板状電極群の列数を一様電場を形成可能な範囲とした電極ユニットを１単位とし、これを直線的に繰り返し接続して電極モジュールを構成する。これにより、イオン移動度分離装置の全長を実質的に長くすることが可能となる。しかも、本実施の形態によれば、複数の電極ユニットを直線型あるいは周回型に接続した従来例のイオン移動度分離装置と比べて、利用できるイオンの強度が大きい特性が得られる。
【００６０】
図１０に、本実施の形態のイオン移動度分離装置の構成要素である、電極モジュール１４の一例を示す。この電極モジュール１４は、図４に示した電極ユニット１と同様の構成を有する電極ユニット１５を、３段に直線的に接続して構成されている。従って、電極ユニット１５は各々、８本のポール電極２と、各々６列の板状電極ＯＥ（ｋ）（ｋは１〜６）を含む８組の板状電極群３により構成されている。
【００６１】
電極モジュール１４の両端には、ドリフト領域の入口及び出口を覆って、イオン通過孔１２ａ、１３ａを有するアパーチャ電極１２、１３が設けられている。また、２つの電極ユニット１５の接続部では、電極ユニット１５間に隙間が設けられ、その隙間にレンズ電極１６が挿入されている。レンズ電極１６は、アパーチャ電極１２、１３と同様、中央にイオン通過孔が設けられた円環板状である。後述するように、一定の条件を満たせば、接続部の隙間にレンズ電極１６を配置せずに、空間のままとすることもできる。
【００６２】
２つの電極ユニット１５の接続部をイオンがスムーズに移動するためには、その接続部でも中心軸の電場が一様となることが望ましい。そのような状態が得られるように、電極ユニット１５間の間隔、ポール電極、板状電極に印加する電圧等の諸条件を、適切に設定する。シミュレーションの結果、接続部での電場が一様になるように諸条件を設定することが可能であることを確認した。従って、イオン強度を低下させること無く、長いドリフト領域により分解能を向上させたイオン移動度分離装置を作製することが可能となる。
【００６３】
電極ユニットを接続する形態としては、下記の二通りを採用できる。
Ａ）電極ユニット間に一定の隙間を設けて並べ、隙間は空間として接続する。
Ｂ）電極ユニット間に一定の隙間を設けて並べ、隙間に電極を設置して接続する。
【００６４】
以下に、接続形態Ａ、Ｂを採用した場合の特性のシミュレーションを行った結果について説明する。接続形態Ａの場合は、隙間が狭い場合と広い場合を検討した。接続形態Ｂの場合の電極は、アパチャーレンズ電極とした。この電極はイオンを発散させない機構を有し、加速電場を形成させるものであれば、制限はない。
【００６５】
［１］接続形態Ａを採用した場合
［１．１］接続形態Ａを採用し、隙間ｓ＝１ｍｍとした場合
シミュレーションのパラメータについて、図１１を参照して説明する。図１１は、接続部における前後段の電極ユニットの端部近傍のみを示したものである。下流側をｉ番目の電極ユニットとし、上流側を（ｉ＋１）番目の電極ユニットとする。各々の端部の板状電極を、板状電極ＯＥ（ｋ）及び板状電極ＯＥ（ｋ＋１）と記述する。但し、ｋは、全ての電極ユニットを通じた一連の番号である。図６に示した要素、あるいはパラメータと同様の記号については説明を省略する。これらの記号については、以降の説明でも同様に用いる。
【００６６】
ｒ：ポール電極の半径［ｍｍ］（図示を省略）
ｓ：２つの電極ユニット間の間隔［ｍｍ］
Ｖｐ（ｉ）：ｉ番目の電極ユニットのポール電極電圧［Ｖ］
ＶＯＥ（ｋ）：ｋ番目の板状電極の電圧［Ｖ］
Ｖｃ（ｋ）：ｚ＝＋ｓ／２の位置におけるｚ軸上の電圧［Ｖ］
Ｖｃ（ｋ＋１）：ｚ＝−ｓ／２の位置におけるｚ軸上の電圧［Ｖ］
Ｅｓ：電極ユニット接続部、板状電極ＯＥ（ｋ）、ＯＥ（ｋ＋１）間の電場［Ｖ／ｃｍ］
ＶＯＥ（ｋ＋１）及びＶｐ（ｉ＋１）は、下記の式（１）及び（２）によって算出した値とする。
【００６７】
ＶＯＥ（ｋ＋１）＝Ｖｃ（ｋ）＋ｓ・Ｅｓ    （１）
Ｖｐ（ｉ＋１）＝ＶＯＥ（ｋ＋１）          （２）
このように、板状電極には、ｚ軸の方向に各板状電極間で一定の電位差を有する直流電圧が印加される。これにより、電極ユニット内部には一定の加速電場が形成される。
【００６８】
シミュレーションの対象を１番目と２番目の電極ユニットの接続部、すなわち、ｉ＝１とした。また、ｋ＝９、Ｅｓ＝１Ｖ／ｃｍとした。この設定は、接続形態に関する以下のシミュレーションにおいても同様である。他のシミュレーションのパラメータは、下記のとおりである。
【００６９】
１）構造に関するパラメータ
ｒ＝１ｍｍ、ｄ＝６ｍｍ、ｓ＝１ｍｍ、Ｌ＝３ｍｍ
２）印加電圧
【００７０】
【表２】
2014049196.tif 000004
【００７１】
３）シミュレーションの条件
ポール電極の高周波電圧ＶＲＦ１、ＶＲＦ２は、周波数ｆ＝５ＭＨｚ、電圧Ｖ0-P＝５０Ｖに設定した。ｍ／ｚ＝１８、Ω＝２．８５×１０-19ｍ2とした。緩衝ガスはＨｅで、圧力＝５３Ｐａに設定した。
【００７２】
シミュレーションの結果を、図１２Ａ、図１２Ｂに示す。図１２Ａは、ｚ軸上の電位変化を示す。電極ユニットの接続部のｚ軸上では加速電場が形成され、上流の電極ユニットから下流の電極ユニットに滑らかに接続された電場が形成されている。
【００７３】
一方、図１２Ｂは、電極ユニット内部のイオン軌道シミュレーション結果を示す。黒い線はイオンが移動した軌跡を示している。上流の電極ユニットから下流の電極ユニットにスムーズに移動している。電極ユニット間の隙間によりイオンの軌道が大きく乱された領域は存在しなかった。この接続形態によれば、２組の電極ユニットが問題なく接続可能である。
【００７４】
［１．２］接続形態Ａを採用し、隙間ｓ＝３ｍｍとした場合
パラメータについて、［１．１］の場合との相違は、隙間ｓ＝３ｍｍと広くしたことである。Ｅｓは［１．１］の場合と同様であるが、隙間ｓ＝３ｍｍと広くしたため、（表２）に示すように、上流の電極ユニットの板状電極とポール電圧が高くなっている。その他のパラメータは［１．１］の場合と同様である。
【００７５】
【表３】
2014049196.tif 000005
【００７６】
シミュレーションの結果を、図１３Ａ〜図１３Ｂに示す。図１３Ａは、ｚ軸上の電位変化を示す。電極ユニットの接続部のｚ軸上では加速電場が形成されている。図１３Ｂ（ａ）は、ｙｚ断面のイオン軌道のシミュレーション結果を示す。ｚ軸付近のイオンは下流に移動し、下流の電極ユニットに入る直前で、外側の軌道をとり、電極に衝突するイオンが存在している。
【００７７】
図１３Ｂ（ａ）のａ−ａ線に沿ったｘｙ断面を、図１３Ｂ（ｂ）に示す。図１３Ｂ（ｂ）はｘｙ平面の電極とイオン軌道を示している。イオンが衝突した場所は、ポール電極２であることがわかる。接続空間の下流側には、ｚ軸から離れるに従い、ポール電極２に向かう電場が形成されている。そのため、上流の電極ユニットを出たイオンは、ポール電極２に引き込まれる電場により、ポール電極２に衝突、消滅する。
【００７８】
このように、接続部の間隔が広いと、上流から出たイオンが下流の電極ユニットに入らず、電極に衝突する現象が現れた。また、電極に衝突しない場合でも、ｚ軸からはなれたイオンは、イオン軌道が大きく広がるため、電極ユニットの通過時間が大きくなる問題点が生じる。
【００７９】
以上のとおり、電極ユニットを接続する場合、間隔が狭ければ、問題なく接続することが可能であり、電極ユニットの全長を長くすることができる。この場合、全長に制限は無い。しかしながら、広い間隔で電極ユニットを接続する場合は、イオン強度が減少し、イオン軌道も大きくひろがるため、移動度測定には適していない。
【００８０】
［２］接続形態Ｂを採用し、レンズ電極を用いた場合
シミュレーションのパラメータについて、図１４を参照して説明する。図１１に示した［１．１］の場合と同様の記号については説明を省略する。［１．１］の場合との相違は、隙間ｓ＝３ｍｍとし、空間にレンズ電極１６を装着した点である。レンズ電極１６の印加電圧は、隙間ｓの空間に加速電場が形成される値とした。
【００８１】
ＶＡＬ（ｉ）：レンズ電極１６の電圧
ｇＬｉ：ｉ番目の電極ユニットとレンズ電極１６との間隔［ｍｍ］
ｔ：レンズ電極１６の厚さ［ｍｍ］
Ｒ：レンズ電極１６の穴径［ｍｍ］
１）構造に関するパラメータ
ｒ＝１ｍｍ、ｄ＝６ｍｍ、ｓ＝３ｍｍ、Ｌ＝３ｍｍ、Ｒ＝４ｍｍ、ｇＬｉ＝１ｍｍ、ｔ＝１ｍｍ
２）印加電圧
【００８２】
【表４】
2014049196.tif 000006
【００８３】
３）シミュレーションの条件
上述の［１．１］の場合と同様である。
【００８４】
シミュレーションの結果を、図１５Ａ〜図１５Ｂに示す。図１５Ａは、ｚ軸上の電位変化を示す。電極ユニットの接続部のｚ軸上では加速電場が形成されている。図１５Ｂ（ａ）に、ｙｚ断面でのイオン軌道のシミュレーション結果を示す。図１５Ｂ（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ線に沿った位置でのｘｙ断面でのイオン軌道を示す。イオンは、上流から下流に広がらずに移動している。レンズ電極１６が無い場合に発生した、ポール電極２にイオンが衝突する現象は発生しなかった。
【００８５】
図１６に、図１５Ｂ（ｂ）のｃ−ｃ線に沿ったｙｚ断面での接続空間の等電位線を示す。この等電位線より、レンズ電極１６を出たイオンが下流の電極ユニットの中心に引き寄せられる電場が形成されていることが判る。また、レンズ電極１６を装着することにより、レンズ電極１６を出射したイオンは、下流のポール電極２が見え難くなっている。このことからレンズ電極１６を装着することにより、ポール電極２にイオンが衝突することが回避されるものと考えられる。
【００８６】
以上のように、電極ユニットを接続する場合、接続の空間にレンズ等の、イオンの拡散を抑制し加速電場を形成させる電極を配置する。これにより、電極ユニットを複数接続することが容易となる。
【００８７】
＜実施の形態３＞
実施の形態３における周回接続型のイオン移動度分離装置について、図１７Ａ〜図２０Ｃを参照して説明する。本実施の形態によれば、実施の形態１の電極ユニットを複数段、周回型に接続することにより、小型でありながら、イオンの拡散が小さく、得られるイオンの強度が大きい特性が得られる。
【００８８】
周回におけるイオン強度の減少には注意する必要がある。つまり、一周によるイオンの通過率がｘ％の場合、周回数をｎとすると、ｎ周後のイオンの通過率はｘnとなる。ｘは１より小さいため、周回するごとにイオン強度は減少する。従来型の移動管のｘは１％以下であるため、周回することにより利用できるイオン強度は非常に小さくなる。実施の形態１の図５に示したシミュレーション結果によれば、ｘが９０％であるため、従来型よりも利用できるイオン強度は格段に大きくなる。
【００８９】
図１７Ａは、本実施の形態のイオン移動度分離装置を構成する要素の一部としての、周回型の電極モジュール１７の一例を示す斜視図である。この電極モジュール１７の水平面に沿った断面を、図１７Ｂに示す。電極モジュール１７は、２段の電極ユニット１８ａ、１８ｂと、４個のイオンベンダー（以下、「ベンダー」と称する）１９〜２２を備えている。ベンダー１９〜２２は、イオンを偏向させるための電極群であり、電極ユニット１８ａ、１８ｂ間を接続するように挿入配置されている。
【００９０】
電極ユニット１８ａ、１８ｂは、実施の形態１と同様の構成であって、板状電極群の列数は一様電場を形成可能な範囲に設定されている（図では４列の場合が示されている）。電極ユニット１８ａ（１８ｂ）の断面を図１７Ｃに示す。図の例では、電極ユニット１８ａ（１８ｂ）は、８本のポール電極２と、各々４列の板状電極を含む８組の板状電極群により構成されている。各列の板状電極ＯＥ（ｋ）は、環状部材２３と一体的に形成され保持されている。
【００９１】
図１７Ｂに示すように、ベンダー１９〜２２は、正六面体形状の各面に対応させて配置された６枚の板状偏向電極により構成される。ベンダー１９〜２２は各々、イオン軌道を９０度偏向させる機能を有する。電極ユニット１８ａ、１８ｂは、ドリフト領域の中心線が互いに平行になるように配置されているので、２個のベンダー１９、２０または２１、２２により、イオン軌道を１８０度偏向させるように構成されている。図１８（ａ）に、１個のベンダー２０のみを取り出して示す。なお、ベンダー１９〜２２は、正六面体に限られず、六面体形状の各面に対応させて配置された構成であればよい。
【００９２】
６枚の板状偏向電極は、イオンの入射孔２５を有する入射電極２４ａ、入射電極２４ａの側面に位置しイオンの導出孔２６を有する導出電極２４ｂ、上面電極２４ｃ、下面電極２４ｄ、入射電極２４ａに対向する対面電極２４ｅ、及び導出電極２４ｂに対向する背面電極２４ｆからなる。なお、図１８（ａ）では、上面電極２４ｃを取り去った状態が示されている。
【００９３】
また、ベンダー１９〜２２の対面電極あるいは背面電極には、電極モジュール１７にイオンを導入し、あるいは電極モジュール１７からイオンを射出するためのイオン導入・射出孔２７が設けられている。さらに、ベンダー１９、２２の間、ベンダー２０、２１の間には、イオン収束のためのレンズ電極２８が挿入されている。
【００９４】
板状偏向電極（２４ａ〜２４ｆ）に印加する電圧によって、ベンダー内に形成される電位勾配を、図１８（ｂ）に示す。図示されるように、イオンの入射方向と平行方向、及び垂直方向に電位勾配が形成されるように電圧を印加する。例えば、入射電極２４ａ、上面電極２４ｃ、下面電極２４ｄ、対面電極２４ｅ、及び背面電極２４ｆには、導出電極２４ｂと比べて、イオンの極性に対して高電位となる電圧を印加する。
【００９５】
具体的な印加電圧の例として、入射電極２４ａ、対面電極２４ｅ、及び背面電極２４ｆには＋５０Ｖを、上面電極２４ｃ、及び下面電極２４ｄには＋２０Ｖを、導出電極２４ｂには０Ｖを印加する設定により、シミュレーションを行った。ｍ／ｚ＝１８（Ｈ2Ｏ+）、緩衝ガス：Ｈｅ、圧力＝１３３Ｐａとした。この電圧印加により、ベンダーの内部に形成された電場の等電位線を図１９に示す。この電場によって、イオンを９０度に偏向させて、図示するようなイオン軌道２９を形成することができ、良好な偏向動作が可能であることを確認した。
【００９６】
以上の構成を有するベンダーと電極ユニットの組合わせによる作用を確認するため、１段の電極ユニット１８ｂと、２個のベンダー２０、２１のみの電極モジュールを構成し、それによって形成される電場についてシミュレーションを行った。ｍ／ｚ＝１８（Ｈ2Ｏ+）、緩衝ガス：Ｈｅ、圧力＝１３３Ｐａ、セル内の温度：２９７Ｋとした。
【００９７】
ベンダー２０の入射電極２４ａからイオンを打ち込み、９０度偏向させてベンダー２１の入射電極２４ａから入射させ、ベンダー２１で９０度偏向させた後、ベンダー２１の導出電極２４ｂを通過させて電極ユニット１８ｂに入射させた。ベンダー２０、２１内でのイオンの拡散は抑えられ、軌道偏向の後、効率的に電極ユニット１８ｂに導入される結果が得られた。
【００９８】
次に、上記構成の電極モジュール１７内でイオンを周回させるための、電極ユニット１８ａ、１８ｂ、及びベンダー１９〜２２に印加する駆動電圧の一例について、図２０Ａ〜図２０Ｃを参照して説明する。図２０Ａ〜図２０Ｃは、電極モジュール１７の各部における電位面を示す図である。電極ユニット１８ａ、１８ｂ、及びベンダー１９〜２２と同一の参照符号により、電位図の対応する部分を示す。また、図２０Ａ〜図２０Ｃ中に、イオン軌道３０を図示する。
【００９９】
この例では、まず、図２０Ａに示すように、ベンダー１９から電極ユニット１８ａに入射したイオンを、ベンダー２０に移動させ、ベンダー２０、２１で１８０度偏向させる。それにより、図２０Ｂに示すように、イオンを電極ユニット１８ｂに入射させてベンダー２２に移動させる。さらに図２０Ｃに示すように、ベンダー２２、１９で１８０度偏向させて、イオンを再度電極ユニット１８ａに入射させる。
【０１００】
このように動作させるために、ベンダー１９、２０、及び電極ユニット１８ａの組合わせを第１群モジュール、ベンダー２１、２２、及び電極ユニット１８ｂの組合わせを第２群モジュールとして、以下のように駆動電圧を調整する。
【０１０１】
各々のモジュール内での各要素間の電位の関係は、一定に維持されるように設定する。具体的には、図２０Ａに示すように、第１群モジュールについては、ベンダー１９の電位が一番高く、電極ユニット１８ａ、ベンダー２０の順に電位を下げた勾配とする。また、第２群モジュールについては、ベンダー２１の電位が一番高く、電極ユニット１８ｂ、ベンダー２２の順に電位を下げた勾配とする。この際、電極ユニット内での一様な加速電場に対して、その両端の接続部での電場が一様となるように、ベンダーの電位を設定する。
【０１０２】
さらに、各要素間の上述の電位の関係を一定に保ったまま、第２群モジュールのＤＣレベルを、イオンの移動に伴って変化させる。すなわち、図２０Ａの状態では、ベンダー２０の電位に対して、ベンダー２１の電位が低くなるように駆動電圧を設定する。それにより、ベンダー２０により偏向されたイオンは、円滑にベンダー２１に導入され、偏向されて電極ユニット１８ｂに入射する。
【０１０３】
このようなイオンの移動と同期させて、イオンが電極ユニット１８ｂを移動中に、図２０Ｂに示すように、第２群モジュールのＤＣレベルを上昇させる。すなわち、ベンダー２２の電位がベンダー１９の電位よりも高くなるようにする。これにより、電極ユニット１８ｂを通過し、ベンダー２２により偏向されて射出されるイオンは、円滑にベンダー１９に導入され、偏向されて電極ユニット１８ａに入射する。
【０１０４】
さらに、イオンが電極ユニット１８ａを移動中に、図２０Ｃに示すように、第２群モジュールのＤＣレベルを低下させて、図２０Ａの状態に戻す。このようにして、イオンが第１群モジュールから第２群モジュールへ、さらに第２群モジュールから第１群モジュールへ円滑に移動して、イオンの周回動作が繰り返される。
【０１０５】
なお、本実施の形態では、２段の電極ユニット１８ａ、１８ｂを平行に配置して組合わせた例を示したが、これに限定されるものではない。電極ユニットの段数、及び相互の角度の設定を変更し、それに合わせてベンダーの個数、および動作を調整することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明のイオン移動度分離装置は、簡素な構成でありながら、イオンの拡散を抑制して出口アパーチャで大きなイオン強度を得ることが可能であり、イオン移動度スペクトル法による分離分析装置等の構成に好適である。
【符号の説明】
【０１０７】
１、１５、１８ａ、１８ｂ  電極ユニット
２  ポール電極
３  板状電極群
４  ドリフト領域
４ａ  中心軸
５  駆動回路
６、７  高周波電圧部
８  ＤＣ電圧部
９  ドリフト電圧部
１０  ＤＣ電源
１１  接地またはフロート電圧源
１２、１３  アパーチャ電極
１２ａ、１３ａ  イオン通過孔
１４、１７  電極モジュール
１６、２８  レンズ電極
１９〜２２  イオンベンダー
２３  環状部材
２４ａ  入射電極
２４ｂ  導出電極
２４ｃ  上面電極
２４ｄ  下面電極
２４ｅ  対面電極
２４ｆ  背面電極
２５  イオンの入射孔
２６  イオンの導出孔
２７  イオン導入・射出孔
２９、３０  イオン軌道
ＯＥ１〜ＯＥ６  板状電極
【図１Ａ】
2014049196.tif 000007
【図１Ｂ】
2014049196.tif 000008
【図１Ｃ】
2014049196.tif 000009
【図２】
2014049196.tif 000010
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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