(57)【要約】  イオンを質量電荷比に応じて分離するための４本のロッド電極（５０ａ〜５０ｄ）は、セラミック製であるロッドホルダ（５１）に保持され、ロッドホルダ（５１）は真空ハウジング（１）の底面上に設置された金属製のホルダ保持台（５２）上に載置され、ホルダ保持台（５２）にネジ（５６）で固定される固定バンド（５３）により押さえ付けられた状態で固定されている。固定バンド（５３）はリン青銅製の主部材（５３１）の表面全体に、黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層（５３２）が形成されているものである。被膜層（５３２）の輻射率は高いため、ロッドホルダ（５１）から固定バンド（５３）に伝わった熱は効率良く真空ハウジング（１）内に輻射される。のため、誘電損によりロッドホルダ（５１）で発生する熱は効率的に放散され、その変形を軽減することができる。それにより、ロッド電極（５０ａ〜５０ｄ）の間の距離の変化や変形が軽減され、高い質量精度、質量分解能を達成できる。
2019155544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
を備え、前記固定部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記固定部材は、前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該固定部材に取り付けられるホルダ押さえ部材と、を含み、前記ホルダ保持台と前記ホルダ押さえ部材との少なくとも一方の一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
d)前記複数本のロッド電極のうち、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するべく、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される導電性材料から成る接続部材と、
を備え、前記接続部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記輻射率向上処理は前記固定部材を形成する材料の面に対する表面処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理は前記固定部材を形成する材料の表面に薄い被膜を形成する被膜形成処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項４に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理は前記境界部材を形成する材料の表面を化学的に又は物理的に削って表面を粗くする加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記固定部材又は前記接続部材の少なくとも一部はアルミニウムからなり、前記表面処理はアルマイト加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項８】
請求項７に記載の質量分析装置であって、
前記アルマイト加工処理は黒アルマイト加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項９】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はニッケルメッキ加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の質量分析装置であって、
前記ニッケルメッキ加工処理は黒ニッケルメッキ加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はカーボン被膜形成処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はセラミック溶射処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１３】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記輻射率向上処理は前記固定部材又は接続部材の表面に別の材料の薄板又は薄箔を貼り付ける処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１４】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記イオン光学素子は四重極マスフィルタであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１５】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記イオン光学素子はリニアイオントラップ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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分離器として四重極マスフィルタ又はリニアイオントラップを用いた質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）等に用いられる一般的な四重極型質量分析装置では、イオン源において試料ガス中に含まれる化合物からイオンを生成し、その生成された各種イオンを四重極マスフィルタで質量電荷比m/zに応じて分離し、その分離されたイオンをイオン検出器で検出する。四重極マスフィルタにおいて所定の質量電荷比範囲に亘る質量走査を繰り返すことで、質量電荷比とイオン強度との関係を示すマススペトルを繰り返し取得することができる。【０００３】
四重極マスフィルタは一般に、外形が略円柱状である４本のロッド電極が直線状の中心軸の周りに互いに略平行に且つ中心軸の周りに同じ角度間隔（つまりは９０°間隔）離して配置された構成を有する。質量電荷比に応じてイオンを分離する際には、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に、正の直流電圧に高周波電圧を重畳した＋（Ｕ＋Ｖcosωt）なる電圧を印加し、他の２本のロッド電極に、負の直流電圧に先の高周波電圧とは位相が反転した電圧を重畳した−（Ｕ＋Ｖcosωt）なる電圧を印加する。この直流電圧の電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを目的の質量電荷比に応じた所定の値とすることで、その目的の質量電荷比を有するイオンを選択的に通過させることができる。【０００４】
高い効率で且つ高い選択性で以て目的とするイオンが四重極マスフィルタを通過するようにするには、４本のロッド電極を高い位置精度で以て配置する必要がある。一方で、そうした高い位置精度でロッド電極を配置するための組立作業の手間はできるだけ低減する必要がある。そのため、従来の装置では一般的に、４本のロッド電極をセラミックなどの絶縁材料から成るロッドホルダに形成された溝に嵌め込むことで、それらロッド電極の位置関係を定めることができるような構成が採られている（特許文献１、２参照）。【０００５】
図７は従来の四重極型質量分析装置においてロッド電極がロッドホルダに保持されている状態を示す平面図、図８は図７中のＡ−ＡＡ線断面図である。図示するように、４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄは円環状のロッドホルダ５１の内側の溝に嵌め込まれた状態で該ロッドホルダ５１に固定される。この場合、ロッドホルダ５１の内側の溝をその大きさ、形状、位置が中心軸Ｃの周りに正確に回転対称になるように設けることで、４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄの相対位置関係を理想的な状態又はそれに近い状態にすることができる。【０００６】
しかしながら、こうした構成の四重極マスフィルタでは、上記特許文献にも開示されているように、ロッド電極５０ａ〜５０ｄに高周波電圧を印加するとロッドホルダ５１の材料の誘電損失によって該ロッドホルダ５１自体が発熱し、熱膨張によってロッド電極５０ａ〜５０ｄ間の距離が変化してしまうという問題がある。ロッド電極５０ａ〜５０ｄ間の距離が変化すると、通過させようとしているイオンと実際に通過するイオンとで質量電荷比にずれが生じたり、通過するイオンの質量電荷比の範囲が広がってしまったりする。即ち、ロッドホルダ５１の発熱による熱膨張は質量精度や質量分解能の低下をもたらす。【０００７】
上記問題を解決するための最も簡単な方法は、ロッドホルダに熱膨張率が小さい材料を用いることである。しかしながら、一般に熱膨張率が小さい材料は高価であり、こうした材料を用いるとコスト増加に繋がる。また、そうした材料は必ずしも加工性等の他の特性がロッドホルダに適さない場合があり、熱膨張率が小さい材料を選択することが難しい場合もある。さらに、熱膨張率が小さい材料を用いたとしても、発熱による熱膨張を完全に無くすことはできないため、より高い精度や分解能が要求される場合には、材料の選択以外の対策も必要になる。【０００８】
一方、特許文献１には、バネで接続した一対の放熱板の間にロッドホルダを挟み込み、ロッドホルダに発生した熱を該ロッドホルダに接触した放熱板に逃がすことで放熱を促進させる構成の装置が開示されている。しかしながら、こうした構成は複雑であるとともに、ロッド電極のメンテナンス性も悪くなる。【０００９】
また特許文献２には、熱膨張によるロッドホルダの歪み量を検出し、それに応じて、各ロッド電極に印加する電圧を微調整することで質量ずれを軽減する技術が開示されている。しかしながら、こうした方法では、温度変化量や歪み量と電圧の調整量との関係を予め精度良く求めておく必要があり、そうした関係に変化が生じると質量ずれの補正が十分に行えないおそれがある。また、構成自体もかなり複雑になり、コストの大幅な増加が避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平７−１４２０２６号公報（図１、図２）
【特許文献２】特開平１０−１０６４８４号公報（図５、図６）
【特許文献３】米国特許公開第５５２５０８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のような問題は四重極マスフィルタを用いた質量分析装置に限るものではなく、高い位置精度で複数本のロッド電極を中心軸の周りに配置する必要がある構成のイオン光学素子、具体的には、それ自体で質量分離の機能を有するリニアイオントラップでも同様の問題がある。【００１２】
本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、四重極マスフィルタやリニアイオントラップを構成する複数本のロッド電極を保持するロッドホルダの発熱を低減して、その熱膨張に起因する質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために成された本発明に係る第１の態様の質量分析装置は、直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
を備え、前記固定部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴としている。【００１４】
ここで、前記固定部材は例えば、前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該固定部材に取り付けられるホルダ押さえ部材と、を含み、前記ホルダ保持台と前記ホルダ押さえ部材との少なくとも一方の一部に輻射率向上処理が施されている構成とすることができる。【００１５】
また上記課題を解決するために成された本発明に係る第２の態様の質量分析装置は、直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
d)前記複数本のロッド電極のうち、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するべく、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される導電性材料から成る接続部材と、
を備え、前記接続部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴としている。【００１６】
本発明に係る質量分析装置において、前記イオン光学素子は典型的には四重極マスフィルタ又はリニアイオントラップである。【００１７】
イオン光学素子が四重極マスフィルタである場合、本発明に係る質量分析装置は、シングルタイプの四重極型質量分析装置、コリジョンセルを挟んで前後に四重極マスフィルタを配置したトリプル四重極型質量分析装置、コリジョンセルの前段に四重極マスフィルタを、後段に飛行時間型質量分析器を配置した四重極−飛行時間型（Ｑ−ＴＯＦ型）質量分析装置などである。また、イオン光学素子がリニアイオントラップである場合、本発明に係る質量分析装置は、リニアイオントラップ型質量分析装置、リニアイオントラップで質量選別したイオンを該イオントラップ内で開裂させたあと、外部の飛行時間型質量分析器やフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析器などで質量分析するタイプの質量分析装置などである。【００１８】
本発明に係る質量分析装置において、イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材とは例えば、真空ポンプにより真空排気される真空ハウジング、或いは該真空ハウジングの内部に配置され、その内部にイオン光学素子が収容される筒状等の形状の容器である。【００１９】
この種の質量分析装置では、ロッドホルダを境界部材に固定する固定部材にはアルミニウム又はステンレスが用いられる。ステンレスの輻射率は約０．３であり、アルミニウムの輻射率はさらに低く０．１以下である。ロッドホルダの誘電損失により発生した熱の一部はロッドホルダから固定部材に伝わり、固定部材の表面から境界部材で画定される領域中（例えば真空雰囲気中）に輻射される。この領域に向いた固定部材の面の輻射率が低いと、この輻射による放熱効率が低下する。【００２０】
これに対し本発明の第１の態様では、固定部材にあって境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に、その固定部材の材料の輻射率よりも輻射率が高くなる輻射率向上処理が施されているため、ロッドホルダから固定部材に伝わった熱が輻射率向上処理がない場合に比べて良好に輻射される。それにより、ロッドホルダからの放熱性が向上し、ロッドホルダの温度上昇を軽減することができる。【００２１】
また本発明の第２の態様では、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するために、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される接続部材にあって、境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されている。例えばイオン光学素子が四重極マスフィルタである場合、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に同じ電圧が印加されるから、このロッド電極同士が接続部材で接続される。ロッドホルダの熱の一部はロッド電極に伝わり、このロッド電極に接触している接続部材の温度も上昇するが、ロッド電極から接続部材に伝わった熱は良好に輻射される。それにより、ロッド電極及びロッドホルダからの放熱性が向上し、ロッド電極及びロッドホルダの温度上昇を軽減することができる。また、接続部材から境界部材で画定された領域への熱輻射が盛んになることで、複数のロッド電極の間での温度差も軽減される。【００２２】
本発明において上記輻射率向上処理は様々な処理手法とすることができる。
本発明の一つの態様として、前記輻射率向上処理は前記固定部材を形成する材料の面に対する表面処理であるものとすることができる。【００２３】
表面処理には、大別して、メッキ加工処理、塗装又は塗布加工処理、溶射処理などによって表面に何らかの薄い被膜を形成する被膜形成処理と、表面を化学的に又は物理的に削って表面を粗くする（凹凸を形成する）加工処理とがある。【００２４】
固定部材の少なくとも一部がアルミニウム製である場合、上記表面処理はそのアルミニウム製である部分に対するアルマイト加工処理とすることができる。また、上記表面処理はニッケルメッキ加工処理とすることができる。また、上記表面処理はカーボン被膜形成処理とすることができる。アルマイト加工処理の場合、アルマイト加工後に黒色の染料で着色する等の方法により表面を黒色にする黒アルマイト加工処理とすることで、さらに輻射率を向上させることができる。ニッケルメッキ加工処理の場合、ニッケルメッキ加工後に黒色に酸化させる等の方法により表面を黒色にする黒ニッケルメッキ加工処理とすることで、さらに輻射率を向上させることができる。また、上記表面処理はセラミック溶射処理とすることもできる。【００２５】
さらにまた別の態様として、前記輻射率向上処理は前記固定部材を形成する材料の表面に、より輻射率が高い別の材料の薄板又は薄箔を貼り付ける処理であるものとすることができる。例えば、固定部材の一部がアルミニウム製である場合、そのアルミニウム製である表面にステンレス製の薄板を貼り付けるようにするとよい。【００２６】
どのような処理方法を採用するのかは、境界部材で画定される領域の雰囲気（通常は真空雰囲気）の下でそれら処理による形成物から放出されるガス（アウトガス）の影響やコストなどを考慮して決めればよい。【００２７】
なお、固定部材や接続部材として、熱伝導率がステンレスに比べて高いリン青銅を用いることで、より一層、固定部材や接続部材を通しての放熱を促進させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る質量分析装置によれば、ロッド電極を保持するロッドホルダからの放熱性が向上し、ロッドホルダの温度上昇を軽減することができる。それにより、ロッドホルダの熱膨張に起因する質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる。また、ロッドホルダに熱膨張率が或る程度大きな材料を用いることができるので、その材料の選択の幅を広げることができ、コスト削減を図ることができる。【００２９】
また本発明の第２の態様に係る質量分析装置によれば、複数本のロッド電極の間での温度差を縮小することができるので、複数本のロッド電極の間の温度の不均一性によるロッド電極間の距離の変動を軽減することができる。それによっても、質量精度や質量分解能の低下を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例である四重極型質量分析装置の要部の構成図。
【図２】本実施例の四重極型質量分析装置における四重極マスフィルタユニットをイオン入射側から見た状態の平面図。
【図３】図２に示した四重極マスフィルタユニットの組立分解図。
【図４】四重極マスフィルタユニットにおいてロッド電極同士を接続するショートバネを示す概略図。
【図５】本発明の他の実施例である四重極型質量分析装置の要部の構成図。
【図６】四重極マスフィルタユニットの他の例の組立分解図。
【図７】一般的な四重極型質量分析装置においてロッド電極がロッドホルダに保持されている状態を示す平面図。
【図８】図７中のＡ−ＡＡ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明に係る質量分析装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の質量分析装置の概略構成図である。この質量分析装置は、試料ガス中の成分を分析するシングルタイプの四重極型質量分析装置である。
【００３２】
図１に示すように、真空ポンプ（図示せず）によって真空排気される真空ハウジング１には、電子イオン化法や化学イオン化法などによるイオン化を行うイオン源２が取り付けられ、該イオン源２において生成された試料成分由来のイオンが真空ハウジング１内に導入される。真空ハウジング１の内部には、イオンを収束させつつ輸送するイオンガイド３と、イオン光軸でもある中心軸Ｃの周りに配置された４本（但し図１では  ４本のうちの２本のみが見えている）のロッド電極５０ａ〜５０ｄを含む四重極マスフィルタユニット５と、イオンを検出するイオン検出器７と、イオンガイド３と四重極マスフィルタユニット５との間を仕切る隔壁を兼ね、イオンが通過する開口４ａが形成されている入口レンズ４と、四重極マスフィルタユニット５とイオン検出器７との間を仕切る隔壁を兼ね、イオンが通過する開口６ａが形成されている出口レンズ６と、が配置されている。即ち、本実施例では、真空ハウジング１の一部、入口レンズ４、及び出口レンズ６が本発明における境界部材に相当し、四重極マスフィルタユニット５は、この境界部材により確定される内部領域２０に配置されている。なお、説明の便宜上、イオン光軸をＺ軸方向とし、該Ｚ軸に直交するＸ軸、Ｙ軸を図示するように定めている。
【００３３】
真空ハウジング１は導電体材料から成り、ここでは比較的安価であるアルミニウムが用いられている。また、入口レンズ４及び出口レンズ６も同じく導電体材料から成り、ここでは真空ハウジング１と同様にアルミニウムが用いられている。但し、これらの材料はこれに限らず、例えばステンレスなどを用いてもよい。
【００３４】
図２は図１中の四重極マスフィルタユニット５をイオン入射側（図１では左方向）から見た状態の平面図、図３は図２に示した四重極マスフィルタユニット５の組立分解図、図４は四重極マスフィルタユニット５においてロッド電極５０ａ〜５０ｄ同士を接続するショートバネを示す概略図である。
【００３５】
外形が略円柱状である４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄはそれぞれ、略円環状で所定の厚さを有するロッドホルダ５１の内側の溝に嵌め込まれた状態で、図示しないネジにより該ロッドホルダ５１に固定されている。ロッドホルダ５１はロッド電極５０ａ〜５０ｄの前端側と後端側とにそれぞれ１個ずつ設けられ、これにより、４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄの相対的な位置関係は定まっている。２個のロッドホルダ５１はそれぞれ、真空ハウジング１の底面上に取り付けられたホルダ保持台５２の略半円状の凹部５２ａに載置される。即ち、ロッドホルダ５１の略下半分はホルダ保持台５２の凹部５２ａに収容される。ロッドホルダ５１の略上半分は、ホルダ保持台５２に２本のネジ５６で固定される固定バンド５３によって下方に、つまりホルダ保持台５２の凹部５２ａに押し付けられるように固定される。これにより、４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄの絶対的な位置が定まっている。
【００３６】
四重極マスフィルタでは、中心軸Ｃを挟んで対向する２本のロッド電極に同じ電圧が印加され、中心軸Ｃの周りに隣接する２本のロッド電極には互いに異なる電圧が印加される。そこで本実施例の装置では、中心軸Ｃを挟んで対向する２本一組のロッド電極５０ａ、５０ｃとロッド電極５０ｂと５０ｄとはそれぞれ、図４に示すように、本発明における接続部材に相当する２本のショートバネ５４ａ、５４ｂによって電気的に接続されている。ショートバネ５４ａ、５４ｂは弾性力によって各ロッド電極５０ａ〜５０ｄに密着するものである。この一方のショートバネ５４ａに図示しない電圧源より、直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖcosωｔとを重畳した電圧Ｕ＋Ｖcosωｔが印加され、他方のショートバネ５４ｂに極性が反転した直流電圧−Ｕと位相が反転した高周波電圧−Ｖcosωｔとを重畳した電圧−（Ｕ＋Ｖcosωｔ）が印加される。
【００３７】
４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄは導電体から成り、例えばステンレスやモリブデンなどが用いられる。ロッドホルダ５１は絶縁体から成り、適当なセラミックが用いられる。また、ホルダ保持台５２は真空ハウジング１と同じ材料、例えばアルミニウムなどから成る。それ以外の部材については後述する。
【００３８】
本実施例の質量分析装置における基本的な分析動作を簡単に説明する。
イオン源２は外部から導入された試料ガス中の成分をイオン化する。生成されたイオンはイオン源２から引き出されて真空ハウジング１内に導入され、イオンガイド３により収束されて入口レンズ４の開口４ａを経て４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄで囲まれる、Ｚ軸方向に延在する分離空間に導入される。４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄには、上述したようにショートバネ５４ａ、５４ｂを通して測定対象である目的イオンの質量電荷比に応じた直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加される。その電圧により形成される四重極電場によって上記目的イオンのみが安定的に振動しつつ分離空間を通過する。一方、他のイオンは途中で発散する。こうして質量電荷比に応じて選択された目的イオンが分離空間を通り抜け、出口レンズ６の開口６ａを経てイオン検出器７に到達する。イオン検出器７は到達したイオンの量に応じた信号強度の検出信号を出力する。
【００３９】
上述したような分析の際に、４本のロッド電極５０ａ〜５０ｄには比較的大きな振幅の高周波電圧±Ｖcosωｔが印加され、それによって強い高周波電場が分離空間に形成される。そのため、ロッドホルダ５１の材料の誘電損失によってロッドホルダ５１自体が発熱し、その熱膨張によって４本のロッド電極５０ａ〜５０の相対的な位置関係が変化する。また、ロッドホルダ５１の熱がロッド電極５０ａ〜５０ｄに伝わり、ロッド電極５０ａ〜５０ｄ自体が熱膨張によって変形して相互の距離が変化する場合もある。ロッド電極５０ａ〜５０の相対的な位置関係や距離が変化すると、四重極マスフィルタとしての特性、即ち、質量分解能や質量精度が低下するおそれがある。そこで、本実施例の質量分析装置では、ロッドホルダ５１の発熱に起因するロッド電極５０ａ〜５０ｄの相対的な位置関係の変化や変形を軽減するために、種々の方策が採られている。その点について詳細に説明する。
【００４０】
ロッドホルダ５１の発熱を軽減するには、ロッドホルダ５１の放熱性を高めればよい。ここで考えられる放熱経路は次の五つである。
（１）ロッドホルダ５１→ホルダ保持台５２→真空ハウジング１への熱伝導、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
（２）ロッドホルダ５１→固定バンド５３→ホルダ保持台５２→真空ハウジング１への熱伝導、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
（３）ロッドホルダ５１→固定バンド５３への熱伝導、固定バンド→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
（４）ロッドホルダ５１→ロッド電極５０ａ〜５０ｄ及びショートバネ５４ａ、５４ｂへの熱伝導、ロッド電極５０ａ〜５０ｄ及びショートバネ５４ａ、５４ｂ→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、並びに、真空ハウジング１から外部への熱放出。
（５）ロッドホルダ５１→真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射、及び、真空ハウジング１から外部への熱放出。
【００４１】
上記（３）、（４）、（５）ではいずれも真空ハウジング１内の真空雰囲気への熱輻射が放熱経路に含まれる。したがって、この熱輻射の効率を高めることで、（３）、（４）、（５）の放熱経路での放熱性を高めることができる。熱輻射の効率を低下させる大きな要因の一つは、四重極マスフィルタユニット５が配置される内部領域２０に熱がこもってしまうことである。そこで本実施例の装置では、この熱輻射の効率が高くなるように、内部領域２０を画定する真空ハウジング１の内壁面、並びに、入口レンズ４及び出口レンズ６にあって四重極マスフィルタユニット５に向いた面に、輻射率が高まるような表面処理加工が施されている。ここで、内部領域２０を画定する真空ハウジング１の内壁面とは、底面、天面、側面（図１では四重極マスフィルタユニット５の向こう側の面及び見えない手前側の面）である。
【００４２】
本実施例の装置では上記表面処理加工として、黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層１０を真空ハウジング１の内壁面や入口レンズ４及び出口レンズ６の一部の面に形成している。よく知られているように黒色ニッケルメッキは反射防止や装飾を目的としてごく一般に利用されているメッキの一つであり、加工コストが比較的安価である。黒色ニッケルメッキによる被膜層１０を形成すると表面が黒色になり、表面がアルミニウムの面である場合に比べて輻射率が向上する。輻射率が高いことは熱吸収率が高いことを意味する。これにより、ロッド電極５０ａ〜５０ｄや固定バンド５３等から真空雰囲気へと輻射された熱が真空ハウジング１の内壁面や入口レンズ４、出口レンズ６に効率良く吸収され、四重極マスフィルタユニット５付近に熱がこもりにくくなる。その結果、上記（３）、（４）、（５）の放熱経路における放熱性を従来よりも高めることができる。
【００４３】
なお、輻射率が高まるような表面処理加工は黒色ニッケルメッキに限らない。例えば上述したように真空ハウジング１がアルミニウム製である場合、黒色ニッケルメッキの代わりに通常のニッケルメッキでもよいし、アルマイト加工処理（好ましくは黒アルマイト加工処理）による被膜層を形成してもよい。或いは、カーボン被膜形成処理やセラミック溶射処理、さらにはそれ以外のメッキ加工処理、塗装又は塗布加工処理、溶射処理などによって、輻射率の改善が可能な被膜層を表面に形成してもよい。また、真空ハウジング１や入口レンズ４、出口レンズ６の材料とは異なる材料から成る被膜層を形成するのではなく、それら部材そのものの表面を化学的に又は物理的に削ることで凹凸を形成するようにしてもよい。また、各種の加工処理によって被膜層を形成するのではなく、真空ハウジング１の内壁面、入口レンズ４、及び出口レンズ６に、それら部材の材料に比べて輻射率が高い別の材料の薄板や薄箔を貼り付けたり、黒体テープを貼り付けたりしてもよい。こうしたものも、広い意味での表面処理加工の一つである。
【００４４】
もちろん、上述したような輻射率を上げるための表面処理加工は、真空ハウジング１の内壁面、入口レンズ４、及び出口レンズ６の全てではなく、その一部にのみ行ってもよい。また、異なる種類の表面処理加工を組み合わせてもよい。なお、当然のことながら、入口レンズ４や出口レンズ６はそれぞれイオンを収束させる電場を形成するものであるので、そうした電場の形成に障害とならない範囲で表面処理加工を行う必要がある。
【００４５】
上記（１）と（２）の放熱経路を比べれば分かるように、（２）では固定バンド５３を経てロッドホルダ５１からホルダ保持台５２に熱が伝導するため（１）に比べて放熱効率が悪い。そのため、ロッドホルダ５１の上部は下部に比べて温度上昇が大きくなる傾向にある。（２）の放熱経路における放熱効率を改善するには、固定バンド５３自体の熱伝導性を向上させることが必要である。こうした固定バンド５３の材料としては一般的にステンレスが用いられるが、ステンレスは熱伝導率が比較的低い。そこで、本実施例の装置では、固定バンド５３の材料として、熱伝導率がステンレスに比べて高く且つ比較的安価であるリン青銅を用いている。
【００４６】
上述したように固定バンド５３はロッドホルダ５１をホルダ保持台５２に押し付けるように固定するものであり、適度なバネ性が必要である。固定バンド５３のバネ性が低いと、ロッドホルダ５１が熱膨張したときに外側に広がることが妨げられるため、熱による変形が内側、つまりはロッド電極５０ａ〜５０ｄを保持する部分に集中し、ロッド電極５０ａ〜５０ｄの相対位置のずれを大きくする。これに対し、固定バンド５３が適度なバネ性を有していると、ロッドホルダ５１が熱膨張したときに固定バンド５３が延びてロッドホルダ５１が外側に広がるため、ロッド電極５０ａ〜５０ｄの相対位置のずれが小さくて済む。但し、固定バンド５３のバネ性が高すぎるとロッドホルダ５１の固定が不安定になり、振動等によってロッド電極５０ａ〜５０ｄの絶対位置がずれるおそれがある。
【００４７】
リン青銅はステンレスに比べて縦弾性係数が小さいため、ステンレス製の固定バンドと同程度のバネ性を得るために、固定バンド５３の厚さを厚くしている。このように固定バンド５３を厚くすると、薄い場合に比べて熱伝導性が高くなる。即ち、その材料自体の熱伝導率が高いだけでなく、厚さが厚いことでも熱伝導性を上げることができるので、上記（２）の放熱経路における放熱性を従来よりも高めることができる。
なお、リン青銅はステンレスに比べて錆が生じ易いため、その表面に金メッキ処理を行うことで錆の発生を防止するようにしている。もちろん、それ以外の防錆表面処理を行ってもよい。
【００４８】
また、固定バンド５３と同様にショートバネ５４ａ、５４ｂにもリン青銅を用い、その表面に金メッキ処理を施している。上述したようにロッドホルダ５１の上部の温度が下部に比べて高い場合、ロッドホルダ５１からの伝熱により上側のロッド電極５０ａ、５０ｄの温度は下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃよりも高くなる。ステンレスに比べて熱伝導性が高いリン青銅製のショートバネ５４ａ、５４ｂを用いることで、上側のロッド電極５０ａ、５０ｄの熱がショートバネ５４ａ、５４ｂを経て下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃに伝わり易くなるので、上側のロッド電極５０ａ、５０ｄと下側のロッド電極５０ｂ、５０ｃとの温度差を低減することができる。それによって、ロッド電極５０ａ〜５０ｄ自体の熱膨張による変形の片寄りを抑えることができる。
【００４９】
また、上述したように固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂは金メッキ表面処理が施されたリン青銅製であるが、さらにその表面に上記被膜層１０と同様の、輻射率を上げるための表面処理加工による被膜層が形成されている。即ち、図２中に示すように、固定バンド５３は、金メッキ表面処理が施されたリン青銅製の主部材５３１の表面全体に、黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層５３２が形成されている。図示しないが、ショートバネ５４ａ、５４ｂも同様である。
【００５０】
このように固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂの表面に被膜層５３２を設けることで、固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂからその周囲の空間への熱輻射の効率が高くなる。即ち、固定バンド５３、ショートバネ５４ａ、５４ｂをそれぞれ熱が伝わり易くなるだけでなく、その伝熱の途中経路での熱の放散も盛んになる。それにより、上記（３）、（４）の放熱経路における放熱性をさらに一層高めることができる。
【００５１】
固定バンド５３及びショートバネ５４ａ、５４ｂの表面に形成される被膜層５３２も黒ニッケルメッキ加工処理によるものに限らず、被膜層１０と同様の他の様々な手法により形成されるものとすることができる。
【００５２】
また、本実施例の装置では、間にロッドホルダ５１を挟んで固定バンド５３をホルダ保持台５２に固定する際に、固定バンド５３とロッドホルダ５１及びホルダ保持台５２との間に放熱性層５５を形成するようにしている。本実施例の装置では、放熱性層５５として放熱シリコーンによる適宜の厚さの被膜層（シリコーンゴムシートやシリコーンテープなど）を用いているが、これに限らず、放熱グリスの塗布層などでもよい。固定バンド５３とロッドホルダ５１やホルダ保持台５２とを直接接触させた場合、両者の接触面にはごく微細なレベルでの隙間が生じ、その隙間が一種の熱抵抗となる。これに対し、間に放熱性層５５を設けることでそうしたごく微細なレベルでの隙間が埋まり伝熱性が高まる。さらに、放熱シリコーンや放熱グリスはそれ自体に熱伝導性の高い成分や粒子が含まれる。それにより、ロッドホルダ５１から固定バンド５３への伝熱性、及び、固定バンド５３からホルダ保持台５２への伝熱性が高まり、上記（２）、（３）の放熱経路における放熱性をさらに一層高めることができる。
【００５３】
上述したように本実施例の装置では、上記（１）〜（５）の放熱経路での放熱性を高めるような幾つかの構成上の工夫を行うことで、ロッドホルダ５１やロッド電極５０ａ〜５０ｄの温度上昇を軽減することができる。もちろん、上述した全ての構成上の工夫を盛り込むのではなく、その一部のみを用いても従来装置に比べればロッドホルダ５１やロッド電極５０ａ〜５０ｄの温度上昇を軽減することができる。
【００５４】
なお、上記実施例の質量分析装置では、真空ハウジング１の内部に四重極マスフィルタユニット５が直接配置されていたが、特許文献３に記載の装置のように、四重極マスフィルタユニット５が筒状の容器内に取り付けられた状態で真空ハウジング１内に配置される構成が採られる場合もある。図５はこうした構成が採られる場合の四重極型質量分析装置の要部の構成図である。この構成では、入口開口５７ａ、出口開口５７ｂが形成されている容器５７の内側に内部領域２０が形成され、この内部領域２０に四重極マスフィルタユニット５が配置される。この場合、容器５７が本発明における境界部材に相当する。この構成では、内部領域２０を画定する容器５７の内壁面に黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層１０を形成したり、或いは、そのほかの上述の輻射率が高まる表面処理加工を施したりすればよい。これにより、容器５７を介した真空ハウジング１への放熱経路の放熱効率を高めることができる。
【００５５】
また、上記実施例では、薄板状の固定バンド５３でロッドホルダ５１をホルダ保持台５２に固定していたが、ロッドホルダ５１をホルダ保持台５２に固定する固定部材としては種々の形態があり得る。例えば、図６に示すように、ホルダ保持台５２の凹部５２ａと同様の凹部５８ａが形成されている固定ブロック５８をネジ５９でホルダ保持台５２に固定するようにしてもよい。この場合にも、固定ブロック５８をリン青銅からなるものとし、その表面に防錆加工として金メッキ薄膜層を形成する。そして、さらにその上に黒ニッケルメッキ加工処理による被膜層を形成するとよい。上述したように、適切なバネ性を持たせてロッドホルダ５１をホルダ保持台５２に固定するにはブロック形状よりもバンド形状のほうが好ましいものの、固定ブロック５８を採用する場合においても、固定ブロック５８の表面に輻射率を上げるための表面処理加工を施すことで、上記（３）、（４）の放熱経路における放熱性を高めることができる。
【００５６】
また、上記実施例は本発明をシングルタイプの四重極型質量分析装置に適用した例であるが、四重極マスフィルタを使用した他のタイプの質量分析装置、具体的には、トリプル四重極型質量分析装置や四重極−飛行時間型質量分析装置に本発明を適用できることは明らかである。
【００５７】
また、四重極マスフィルタではなく、四重極マスフィルタに類似したロッド電極構造であってイオンを質量電荷比に応じて分離する機能を有するリニアイオントラップを備えた質量分析装置にも本発明を適用することができる。こうしたリニアイオントラップでは、４本のロッド電極で囲まれる捕捉空間にイオンを一旦閉じ込め、そのあとに４本のロッド電極に目的イオンの質量電荷比に応じた高周波電圧を印加することで、閉じ込めていたイオンの一部を励振させて捕捉空間から外部へと放出する。そのため、ロッド電極を保持するロッドホルダが誘電損失によって発熱しロッド電極の相対位置関係が変化すると、捕捉空間から放出されるイオンの質量電荷比にずれが生じたりその質量電荷比幅が変化したりする。こうした質量分析装置に本発明を適用することで、ロッド電極の相対位置関係の変化を軽減することができ、捕捉空間から放出されるイオンの質量精度や質量分解能を高めることができる。
【００５８】
さらにまた、上記の実施例や変形例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲でさらに適宜、変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００５９】
１…真空ハウジング
２…イオン源
３…イオンガイド
４…入口レンズ
４ａ…開口
５…四重極マスフィルタユニット
５０ａ〜５０ｄ…ロッド電極
５１…ロッドホルダ
５２…ホルダ保持台
５２ａ…凹部
５３…固定バンド
５３１…主部材
５３２…被膜層
５４ａ、５４ｂ…ショートバネ
５５…放熱性層
５６、５９…ネジ
５７…容器
５７ａ…入口開口
５７ｂ…出口開口
５８…固定ブロック
５８ａ…凹部
６…出口レンズ
６ａ…開口
７…イオン検出器
１０…被膜層
Ｃ…中心軸（イオン光軸）
【図１】
2019155544.tif 000003
【図２】
2019155544.tif 000004
【図３】
2019155544.tif 000005
【図４】
2019155544.tif 000006
【図５】
2019155544.tif 000007
【図６】
2019155544.tif 000008
【図７】
2019155544.tif 000009
【図８】
2019155544.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月17日(2020.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
を備え、前記固定部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記固定部材は、前記境界部材に固定され、その上に前記ロッドホルダが載置されるホルダ保持台と、前記ホルダ保持台との間に前記ロッドホルダを挟み込んで該固定部材に取り付けられるホルダ押さえ部材と、を含み、前記ホルダ保持台と前記ホルダ押さえ部材との少なくとも一方の一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
直線状の軸の周りに配置された複数本のロッド電極から成り、該複数本のロッド電極で囲まれる空間に導入された試料成分由来のイオンを該ロッド電極に印加される高周波電圧を含む電圧により形成される電場の作用で質量電荷比に応じて分離するイオン光学素子、を具備する質量分析装置において、
a)前記イオン光学素子が内部に配置される領域を画定する境界部材と、
b)前記複数本のロッド電極を保持する絶縁性材料から成るロッドホルダと、
c)前記ロッドホルダを前記境界部材に固定するための固定部材と、
d)前記複数本のロッド電極のうち、同じ電圧が印加される複数本のロッド電極同士を電気的に接続するべく、それらロッド電極にそれぞれ接触するように架設される導電性材料から成る接続部材と、
を備え、前記接続部材にあって前記境界部材で画定された領域に面した部分の少なくとも一部に輻射率向上処理が施されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記輻射率向上処理は前記固定部材又は前記接続部材を形成する材料の面に対する表面処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理は前記固定部材又は前記接続部材を形成する材料の表面に薄い被膜を形成する被膜形成処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項４に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理は前記固定部材又は前記接続部材を形成する材料の表面を化学的に又は物理的に削って表面を粗くする加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記固定部材又は前記接続部材の少なくとも一部はアルミニウムからなり、前記表面処理はアルマイト加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項８】
請求項７に記載の質量分析装置であって、
前記アルマイト加工処理は黒アルマイト加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項９】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はニッケルメッキ加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の質量分析装置であって、
前記ニッケルメッキ加工処理は黒ニッケルメッキ加工処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はカーボン被膜形成処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の質量分析装置であって、
前記表面処理はセラミック溶射処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１３】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記輻射率向上処理は前記固定部材又は前記接続部材の表面に別の材料の薄板又は薄箔を貼り付ける処理であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１４】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記イオン光学素子は四重極マスフィルタであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１５】
請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、
前記イオン光学素子はリニアイオントラップであることを特徴とする質量分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）等に用いられる一般的な四重極型質量分析装置では、イオン源において試料ガス中に含まれる化合物からイオンを生成し、その生成された各種イオンを四重極マスフィルタで質量電荷比m/zに応じて分離し、その分離されたイオンをイオン検出器で検出する。四重極マスフィルタにおいて所定の質量電荷比範囲に亘る質量走査を繰り返すことで、質量電荷比とイオン強度との関係を示すマススペクトルを繰り返し取得することができる。
【国際調査報告】
2019155544.tif 000011
2019155544.tif 000012
2019155544.tif 000013
2019155544.tif 000014