(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場は最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴とする飛行時間型質量分析計のイオン光学系。
【請求項２】
イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場はイオンの回転方向が同一で合計の回転角度が３６０°であり、最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴とする飛行時間型質量分析計のイオン光学系。
【請求項３】
前記円筒電場は、回転角度及び回転半径が等しい６個の円筒電場から構成され、且つ回転対称に配置されていることを特徴とする請求項２記載の飛行時間型質量分析装置のイオン光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）のイオン光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）においては、一定の加速エネルギーで加速した試料イオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する飛行時間を計測して質量を求める。
【０００３】
飛行時間型質量分析計では、飛行距離が長い程高い質量分離能が得られるが、飛行距離を長くすると装置の大型化は避けられない。そこで、大型化を防ぎつつ長い飛行距離を実現するために、これまでに多くの工夫がなされている。
【０００４】
その一つは、大阪大学で考案されたモーターウェイ型装置で、直径４１ｃｍの真空容器内に１．７２７ｍの飛行距離を有するイオン光学系を納めることが出来た（Ｉｎｔ．Ｊ．  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔ．  Ｉｏｎ  Ｐｒｏｃ．，  ６６（１９８５）２８３）。
【０００５】
また、最近では、同一軌道を複数回周回させるマルチターンのイオン光学系が提案されている（第４６回質量分析総合討論会（１９９８）講演要旨集ｐ．３３〜及びｐ３１９〜）。この方法では、トラック状の同一軌道に何回もイオンを周回させることにより飛行距離を長くできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、モーターウェイ型装置は、多数の扇形電場が必要であり、構造が複雑である。
【０００７】
また、マルチターンのイオン光学系は、イオン群を周回軌道へタイミングをはかって打ち込み及び取り出しするための機構が必要になり構造が複雑になる。また、特定のイオン群しか分析できない欠点がある。さらに、同一軌道を何回も回るので、速いイオンと遅いイオンが混合するおそれもある。このため、多成分を持つ未知試料の分析は困難であると考えられる。
【０００８】
本発明は、上述した諸点に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な構造で、限られた狭い空間に長い飛行距離を収容できる、新規な飛行時間型質量分析計のイオン光学系を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、第１の本発明は、イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場は最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴としている。
さらに、第２の本発明は、イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場はイオンの回転方向が同一で合計の回転角度が３６０°であり、最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。図１は、本発明に従う飛行時間型質量分析計のイオン光学系の一実施例を示す平面図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。図１において、Ｅ１〜Ｅ６は回転角度６０°の同一形状及び同一強度の円筒電場である。各円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、同心円筒電極である内側電極１〜６と外側電極１´〜６´の間の空間に生成される。
【００１１】
図１に示されているように、６つの円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、軸心Ｏを中心として６０°の等間隔で回転対称に配置され、それにより、正六角形状のイオン軌道が形成される。
【００１２】
図２に示されているように、電場Ｅ１とＥ６の間には、イオン源で生成された試料イオンを正六角形状のイオン軌道に向けて入射させるための偏向電場Ｅ０が配置されている。また、同じく電場Ｅ１とＥ６の間には、正六角形状のイオン軌道を飛行してきた試料イオンを外部へ取り出すための偏向電場Ｅ７が配置されている。
【００１３】
上記構成において、イオン源で生成された試料イオンは、軸Ｏと平行に上から下へ向けて飛行し、偏向電場Ｅ０に入射する。そして、偏向電場Ｅ０により飛行方向がほぼ９０°曲げられた試料イオンは、第１の円筒電場Ｅ１に入射し、その後、順次円筒電場Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６を通過して再び円筒電場Ｅ１に再入射する。
【００１４】
ところで、偏向電場Ｅ０により試料イオンを偏向して円筒電場Ｅ１に入射させる際、もしイオンが軸心Ｏに直交する平面に沿って入射するように入射角度を選定すると、試料イオンの軌道はその平面上にあり、同一軌道を周回することとなる。これは、従来例で紹介したマルチターン型の光学系と同じである。
【００１５】
これに対し本発明では、軸心Ｏに直交する平面に対して零でないわずかな角度θ傾けてこの円筒電場へ入射させている。そのため、図２に示されているように、イオン軌道は円筒電場内で徐々に下方（軸心Ｏの方向）に移動して行く。
【００１６】
円筒電場はｙ方向（円筒軸の方向）に対して全く収束作用を持たないため、円筒電場Ｅ１に打ち込まれた試料イオンは、このイオン軌道に沿ってらせん階段を下るように下降して行き、５周したところで円筒電場Ｅ１とＥ６の間の５周後のイオン軌道の高さに合わせて設けられた偏向電場Ｅ７に入射し軸Ｏの方向に取り出されることとなる。取り出された試料イオンは、図示しないイオン検出器により検出される。
【００１７】
入射イオンとしてできる限り平行なビームを用いると、例えば飛行距離を３ｍとしても、ｙ方向の広がりは数ｍｍ程度に抑えられる。従って、１周毎に軸方向にずれるピッチが５〜６ｍｍ程度になるようにθを選定すれば、隣り合う軌道を進むイオンが混じることはない。
【００１８】
このように、本発明では、合計の回転角が３６０°になりイオンが複数回周回可能なように複数の円筒電場を配置すると共に、円筒の軸に直交する平面に対し傾けてイオンを円筒電場に打ち込むことにより、イオン軌道を円筒軸の方向に周回ごとにずらすことができる。このため、イオンが同一軌道を飛行することもなく、また交差することもない長いイオン軌道を限られた空間内に実現することができる。また、イオンを打ち込む軌道と取り出す軌道が別れているため、打ち込みと取り出しのタイミングをはかる必要がなく、打ち込み及び取り出しのための構造が簡単になる。
【００１９】
表１は、図１に示されているイオン光学系において、円筒電場Ｅ１〜Ｅ６の回転半径を５ｃｍ、各電場間の直線軌道の長さを５ｃｍとし、４＋４／６周後に電場Ｅ４とＥ５の間からイオンを取り出した場合について計算により求めた、周回毎のｘ方向の収束性を表わす収差係数（ｘ┃ｘ），（ｘ┃ａ），（ｘ┃ｄ）と、時間収束性を表わす収差係数（ｔ┃ｘ），（ｔ┃ａ），（ｔ┃ｄ）を示している。
0003571566.tif 000002
表１における４＋４／６周後の収差係数はいずれも極めて小さく、ｘ方向の収束性と時間収束性が共に優れた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であることが分かる。また、直径わずか２０ｃｍの空間に、交差の全くない２ｍ以上の飛行距離が得られる。
【００２０】
なお、イオンの周回数は、円筒電場の軸心方向の長さ（高さ）と、イオン軌道の周回ピッチを適宜選定することにより、任意に設定することができる。また、打ち込みの際の傾斜角θを調節できるようにしておけば、取り出しのための構造を固定していても、取り出し位置へ到達するまでのイオンの周回数を変えることが可能である。
【００２１】
本発明は、上述した実施例に限定されることなく、変形が可能である。例えば、円筒電場の間の直線軌道部で周回によりずれて行く各軌道を確実に分離するため、アースプレートを各軌道の間に配置することが好ましい。また、直線軌道の少なくとも１つにアパーチャレンズ（アインツェルレンズ）を配置し、このレンズによりｙ方向の収束を行わせることも可能である。
【００２２】
さらに、上記実施例では回転角度６０°の６つの円筒電場を回転対称に配置したが、これに限らず、合計の回転角度が３６０°となり周回が可能なように複数の円筒電場を組み合わせれば良い。
【００２３】
また、周回軌道へのイオンの打ち込み及び周回軌道からの取り出しのための構造も、上記実施例に限らず変形が可能である。例えば、円筒電場を作るための外側電極の１つに打ち込み用の穴をあけ、この穴からイオン軌道に乗るようにイオンを打ち込んでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる飛行時間型質量分析計のイオン光学系の実施例を示す図である。
【図２】図１のイオン光学系におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１〜Ｅ６…円筒電場
Ｅ０…打ち込み用偏向電場
Ｅ７…取り出し用偏向電場
１〜６…内側電極
１’〜６’…外側電極
【図１】
0003571566.tif 000003
【図２】
0003571566.tif 000004