(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扇形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、該複数の扇形電場により、イオンが３６０°以上回転するイオン軌道を構成すると共に、回転角が３６０°を超えたイオン軌道が３６０°までのイオン軌道の内側または外側に配置されるように構成された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】
前記複数の扇形電場は、同心で等しい回転角度を持ち回転半径が異なる複数の扇形電場を１組の扇形電場グループとして複数組の扇形電場グループから成り、該複数組の扇形電場グループの各回転角度の合計が３６０°となるようにされていることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計のイオン光学系。
【請求項３】
前記扇形電場グループを３組有し、各グループの回転角度が１２０°に選定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計のイオン光学系。
【請求項４】
前記扇形電場グループを６組有し、各グループの回転角度が６０°に選定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計のイオン光学系。
【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、本発明の飛行時間型質量分析計のイオン光学系は、イオンが順次通過する複数の扇形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、該複数の扇形電場により、イオンが３６０°以上回転するイオン軌道を構成すると共に、回転角が３６０°を超えたイオン軌道が３６０°までのイオン軌道の内側または外側に配置されるように構成された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におけるイオン軌道を示す図である。図１において、多層円筒電場１〜３は、同心で等しい回転角（１２０°）を持ち回転半径の少しずつ異なる５つの円筒電場を多層に並べた構造を有する。各多層円筒電場は、それぞれの回転中心Ｏ１〜Ｏ３をイオン光学系の中心Ｏに向け、該中心Ｏを中心として放射状におおよそ１２０°の間隔で配置されている。
【００１１】
入射用偏向電場４は、図示しないイオン源で生成され、図示しないパルス化手段によってパルス化された試料イオン群を多層円筒電場１の最外側の円筒電場に入射させるために設けられている。
【００１２】
取り出し用偏向電場５は、多層円筒電場３の最内側の円筒電場を出射したイオンを、イオン光学系の中心付近に設けられた図示しないイオン検出器へ向けて送り出すために設けられている。
【００１３】
図２は、多層円筒電場１の構造を示す斜視図である。図２において、１１〜１６は、５層の円筒電場を間に形成するためにほぼ等しいピッチで同心的に配置される６枚の同心円筒電極である。各電極は、各電極の端部がはめ込まれる溝を設けた２枚の絶縁基板２１，２２の間に挟まれる形で保持されている。各同心円筒電極は、円筒形に曲げられた絶縁薄板から出来ており、その内周面と外周面のそれぞれに、アルミニウムなどの薄膜電極が全面にわたって形成されている。そして、図２に示されているように、内周面に形成された各電極の方には可変分圧器ＶＲ１を介して少しずつ異なる正電圧が印加され、外周面に形成された各電極の方には可変分圧器ＶＲ２を介して少しずつ異なる負電圧が印加される。
【００１４】
上記可変分圧器ＶＲ１は、直流正電圧＋Ｖの上に乗っている可変電源２３の出力電圧ΔＶを分圧することにより、＋Ｖから少しずつ高くなる５種の正電圧を発生する。また、可変分圧器ＶＲ２も、直流負電圧−Ｖの上に乗っている可変電源２４の出力電圧ΔＶを分圧することにより−Ｖから少しずつ低くなる５種の負電圧を発生する。
【００１５】
そして、内周面に形成された各電極の方には可変分圧器ＶＲ１が発生する５種の正電圧が、図２に示されているように外側の電極ほど電圧が低くなるようにそれぞれ印加される。また、外周面に形成された各電極の方には可変分圧器ＶＲ２が発生する５種の負電圧が、図２に示されているように外側の電極ほど電圧が高くなるようにそれぞれ印加される。
【００１６】
その結果、各同心円筒電極１１〜１６の内周面と外周面によって挟まれた５つの空間には、同心で等しい回転角を有する５層の円筒電場Ｃ１〜Ｃ５が形成される。そして、等しい電極間隔に対して電極間の電位差が内側ほど大きくなっていることから、円筒電場Ｃ１〜Ｃ５の強度は内側ほど強くなり、Ｒ５，Ｒ４，・・，Ｒ１と内側になるにつれて徐々に小さくなる電場内イオン軌道半径が実現されている。その他の多層円筒電場２，３も各層の円筒電場の回転半径が多層円筒電場１よりも少しずつ小さくされている他は同一の構造で製作されている。
【００１７】
なお、各電極に印可される電圧は、可変分圧器ＶＲ１，ＶＲ２の摺動電極を移動させることにより独立に調整可能であり、また、電圧ΔＶ，＋Ｖ，−Ｖを変化させることにより、相互関係を保ったままで、一体的に電圧を調整することも出来る。
【００１８】
上述のような構成において、３つの多層円筒電場により、図１に示されているような三角渦巻き型のイオン軌道が形成される。すなわち、入射用偏向電場４を介して多層円筒電場１の最外側の１層目の円筒電場Ｃ１に入射しそれを通過したイオンは、多層円筒電場２，３の１層目の円筒電場を次々と通過して１周し、多層円筒電場１へ戻る。
【００１９】
２周目において、イオンは多層円筒電場１の２層目の円筒電場Ｃ２へ入射して通過し、さらに多層円筒電場２，３の２層目の円筒電場を次々と通過して多層円筒電場１へ戻ってその３層目の円筒電場へ入射し、３周目に入る。以下、全く同様にして、イオンは各多層円筒電場の３層目、４層目、５層目の円筒電場を次々と通過し、最後の多層円筒電場３の５層目の円筒電場を出射したイオンは、取り出し用偏向電場５により、イオン検出器へ向けて飛行するように偏向される。
【００２０】
このような渦巻き型のイオン軌道を形成するために、多層円筒電場１〜３を構成する各層の円筒電場の回転半径は、多層円筒電場１が最も大きく、ついで多層円筒電場２，３の順に少しずつ小さくなるように選定されると共に、各多層円筒電場の回転中心Ｏ１〜Ｏ３の位置は、図１に示されているように、イオン光学系の中心Ｏからの距離がＯ１，Ｏ２，Ｏ３の順に大きくなるように選定され、且つ１２０°等間隔の線上から少しずれるように選定されている。
【００２１】
なお、飛行時間型質量分析計のイオン光学系においては、イオンの進行と共にイオンビームが発散してしまわないことと、質量が等しくエネルギーの異なるイオン群が時間収束できるかどうかが問題となるが、図１の光学系においては、何回転させても収束性を持つことが確認された。図１のイオン光学系において、エネルギー時間収束が起こる位置に丸印が付してある。
【００２２】
円筒電場は、本来、軌道平面内（ｘ方向）の方向収束性を持っており、また、直列に接続した扇形場の偏向方向（回転の方向）が同方向であれば、エネルギーの拡がりによる発散があっても、クロスオーバーの後、再び収束するので、問題にはならない。
【００２３】
さらに、ｙ方向については、理想円筒電場は本来収束性を持たないが、円筒電場を作るための同心円筒電極の上下に松田プレートと呼ばれる補助電極を配置し、この上下の補助電極に適宜な電圧を印加することにより円筒電場を少し変形すると、ｙ方向の収束性を持たせることができる。この補助電極を採用するのであれば、図２における絶縁基板２１，２２の各同心円筒電極に挟まれた内面に円弧状の補助電極を形成して適宜な直流電圧を印加できるようにすればよい。
【００２４】
図１のイオン光学系では、例えば直径３０ｃｍの容器に収容できる大きさに設計した場合、５回転で約４ｍの飛行距離が得られる。
【００２５】
図３は、本発明の他の実施例を示すイオン光学図である。本実施例では、回転角６０°の６つの多層円筒電場３１〜３６が、おおよそ６０°間隔で配置されている。各多層円筒電場は、図２と同様の構造で、回転角度が６０°、層数が４に選定され、各層のイオン軌道の回転半径も適宜選定されている。
【００２６】
表１は、図３に示されているイオン光学系において、円筒電場の最大イオン軌道回転半径を５０ｍｍ、イオン軌道の層間間隔を５ｍｍとし、４周後に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。
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表１における４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。
【００２７】
なお、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、上記実施例では外側から内側へイオンを進行させたが、渦巻き型イオン軌道を逆に内側から外側へ進行させるようにしても良い。また、渦巻き型イオン軌道を作成するために上記実施例のように多層円筒電場を一体的に作成することは必ずしも必要なく、複数の円筒電場を別体で作成し、渦巻き型イオン軌道が形成されるように適宜配列するようにしても良い。
【００２８】
また、構成簡略化のため、図４に示すように図２におけるＶＲ２及び電源２４を除き、多層円筒電場を発生させるための負側の各電極に電圧−Ｖを等しく印加するようにしても良い。このような構成では、零電位の位置が若干ずれるものの、図２の実施例と同様、円筒電場Ｃ１〜Ｃ５の強度は内側ほど強くなり、Ｒ５，Ｒ４，・・，Ｒ１と内側になるにつれて徐々に小さくなる電場内イオン軌道半径が実現される。なお、逆にＶＲ１及び電源２３を除き、多層円筒電場を発生させるための正側の各電極に電圧＋Ｖを等しく印加するようにしても良い。
【００２９】
【発明の効果】
このように、本発明では、イオンが順次通過する複数の扇形電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系において、該複数の扇形電場により、イオンが３６０°以上回転するイオン軌道を構成すると共に、回転角が３６０°を超えたイオン軌道が３６０°までのイオン軌道の内側または外側に配置されるように構成したため、渦巻き型のイオン軌道を形成することができる。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。
【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一実施例を示す図である。
【図２】多層円筒電場の構造を示す斜視図である。
【図３】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他の実施例を示す図である。
【図４】多層円筒電場の簡略化した構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１〜３、３１〜３６…多層円筒電場
４…入射用偏向電場
５…取り出し用偏向電場
１１〜１６…同心円筒電極
２１，２２…絶縁基板
２３，２４…電源
ＶＲ１，ＶＲ２…可変分圧器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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