(57)【要約】【課題】本発明は垂直加速型飛行時間型質量分析計に関し、検出器の感度を向上させることができる垂直加速型飛行時間型質量分析計を提供することを目的としている。【解決手段】  イオンを生成するイオン源２０と、イオンを垂直加速部に輸送するイオン輸送部２０ａと、イオンに所定の電位を与える押し出しプレート１０と、該押し出しプレート１０と対向して配置された少なくとも一つのグリッド電極１１と、前記押し出しプレート１０とグリッド電極１１とで囲まれた空間に設けられた１枚以上の集束電極２１とを具備し、イオンを飛行させる際には、前記押し出しプレート１０とグリッド電極１１との間に加速電圧パルスを印加し、それと同期して前記集束電極２１に所定の電位を与えて垂直加速方向の加速電位分布に曲率をつけるように構成する。【選択図】図１
2006049273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを生成するイオン源と、
イオンを垂直加速部に輸送するイオン輸送部と、
イオンに所定の電位を与える押し出しプレートと、
該押し出しプレートと対向して配置された少なくとも一つのグリッド電極と、
前記押し出しプレートとグリッド電極とで囲まれた空間に設けられた１枚以上の集束電極と、
を具備し、
イオンを飛行させる際には、前記押し出し電極とグリッド電極との間に加速電圧パルスを印加し、それと同期して前記集束電極に所定の電位を与えて垂直加速方向の加速電位分布に曲率をつけてイオンを押し出すことにより、イオンを集束させながら飛行空間を飛行させることを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析計。
【請求項２】
イオンを生成するイオン源と、
イオンを垂直加速部に輸送するイオン輸送部と、
イオンに所定の電位を与える押し出しプレートと、
該押し出しプレートと対向して配置された少なくとも一つのグリッド電極と、
前記押し出しプレートとグリッド電極とで囲まれた空間に設けられ、押し出しプレートとグリッド電極に対して直交する方向に軸を有する少なくとも１枚の電極板によって構成された筒状の集束電極と、
を具備し、
イオンを飛行させる際には、前記押し出し電極とグリッド電極との間に加速電圧パルスを印加し、それと同期して前記集束電極に所定の電位を与え、前記筒状の集束電極に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を発生させてイオンを押し出すことにより、イオンを集束させながら飛行空間を飛行させることを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析計。
【請求項３】
前記筒状の集束電極は、円筒状、楕円筒状、または矩形筒状であることを特徴とする請求項２記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。
【請求項４】
前記飛行空間は、直線軌道、折り返し軌道、多重周回軌道、またはらせん軌道であることを特徴とする請求項１、２、または３記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直加速型飛行時間型質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）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分離を行なうものである。図９にＴＯＦＭＳの測定原理を示す。加速電極１から加速電圧発生器（パルス電圧発生器）２により電界中に存在するイオンｉを加速する。ここで、加速する電圧は、パルス状電圧である。この加速電圧による加速と、イオン検出器３による時間測定とが同期している。イオン検出器３は、加速電圧発生器２による加速と同時に時間のカウントを開始する。そして、当該イオンがイオン検出器３に到達すると、イオン検出器３はイオンｉの飛行時間を測定する。一般に、質量の小さいイオンほど飛行速度が速く、質量の大きいイオンほど飛行速度が遅いので、質量の小さいイオンから順番にイオン検出器３に到達する。
【０００３】
図１０は従来装置の等電位線の状態を示す図である。図において、１０はイオンに電位を与える押し出しプレート、１１はグリッド電極である。このように、従来の垂直加速型イオン源の加速電極は平行平板型である。この押し出しプレート１０及びグリッド１１間に電位Ｅを与えると、電界の等電位線は図中、波線で示すようにイオンビームと平行になる。
【０００４】
垂直加速型飛行時間型質量分析計は、イオン源で生成したイオンビームを飛行時間型質量分析計の加速方向とは垂直に導入し、イオンビーム入射方向（以下Ｘ方向という：図１０参照）に幅の広いイオンパケットを作ることにより、感度を向上させるようになっている。従来の技術は、イオン加速部は平行平板型であるため、イオンパケット幅はＸ方向には幅を変えずに飛行している。
【０００５】
図１１は従来装置のイオンビームの様子を示す図である。図１０と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１０は押し出しプレート、１１は第１のグリッド電極１、１２は第２のグリッド電極２、１３はイオンの入射を規制する入射規制スリット、１４はイオンパケット、１５はイオンを検出する検出器である。
【０００６】
入射規制スリット１３を介して入ってきたイオンは、押し出しプレート１０とグリッド電極１間に加速電圧を与えることで、イオンの入射方向とほぼ垂直方向に曲げられる。従来の技術では、イオン加速部は平行平板であるため、イオンパケット幅はＸ方向には、幅を変えずに飛行している。図１１にイオンパケットの様子を示す。
【０００７】
従来のこの種の装置としては、イオントラップにイオンを蓄積した後、イオンを射出して高真空部に移送し、加速電極でイオンの進行方向に対して直角に電場加速して飛行時間質量分析を行なう装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２９７７３０号公報（第２頁、第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の垂直加速型飛行時間型質量は、Ｘ方向のイオンパケット幅が同じであるため、検出器の大きさによって感度が制限されていた。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、検出器の感度を向上させるこ
とができる垂直加速型飛行時間型質量分析計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決する本発明は、イオンを生成するイオン源と、イオンを垂直加速部に輸送するイオン輸送部と、イオンに電位を与える押し出しプレートと、該押し出しプレートと対向して配置された少なくとも一つのグリッド電極と、前記押し出しプレートとグリッド電極とで囲まれた空間に設けられた１枚以上の集束電極とを具備し、イオンを飛行させる際には、前記押し出し電極とグリッド電極との間に加速電圧パルスを印加し、それと同期して前記集束電極に所定の電位を与えて垂直加速方向の加速電位分布に曲率をつけてイオンを押し出すことにより、イオンを集束させながら飛行空間を飛行させることを特徴としている。
【００１２】
また、イオンを生成するイオン源と、イオンを垂直加速部に輸送するイオン輸送部と、イオンに所定の電位を与える押し出しプレートと、該押し出しプレートと対向して配置された少なくとも一つのグリッド電極と、前記押し出しプレートとグリッド電極とで囲まれた空間に設けられ、押し出しプレートとグリッド電極に対して直交する方向に軸を有する少なくとも１枚の電極板によって構成された筒状の集束電極とを具備し、イオンを飛行させる際には、前記押し出し電極とグリッド電極との間に加速電圧パルスを印加し、それと同期して前記集束電極に所定の電位を与え、前記筒状の集束電極に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を発生させてイオンを押し出すことにより、イオンを集束させながら飛行空間を飛行させることを特徴としている。
【００１３】
また、前記筒状の集束電極は、円筒状、楕円筒状、または矩形筒状であることを特徴としている。
【００１４】
また、前記飛行空間は、直線軌道、折り返し軌道、多重周回軌道、またはらせん軌道であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、イオン加速時にイオン加速電位に曲率をつけ、集束電極によりイオンを集束させることにより、イオン検出面よりも幅の広いイオン源におけるイオンパケットを絞って検出面に到達させるので、検出器の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０はイオンを生成するイオン源、２０ａはイオンを搬送するイオン搬送部、１０はイオンに所定の電位を与える押し出しプレート、１１は押し出しプレート１０と対向して配置された第１のグリッド電極１、１２は同じく第２のグリッド電極２である。イオンは押し出しプレート、グリッド電極１、グリッド電極２に印加される電圧により加速される。
【００１８】
２１は押し出しプレート１０とグリッド電極１１との間に配置された集束電極である。該集束電極２１は円筒状をしている。集束電極２１内には、イオンを入射する入射孔（図示せず）が設けられており、イオンはこの入射孔を通って電界領域に入ってくる。１４はイオンパケット、１５は到達するイオンを検出する検出器である。図はイオンパケットが検出器に向かって空間的に収束しながら飛行する様子を示したものである。集束電極２１に電圧を印加するタイミングは、加速電圧のためのパルスを印加するタイミングと同時である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００１９】
イオン源２０で生成されたイオンは、イオン搬送部２０ａを搬送されて、集束電極２１内に設けられた孔を通って押し出しプレート１０、グリッド電極１１及び集束電極２１、２２で形成される空間（垂直加速部付近）に入る。この時、押し出しプレート、集束電極、グリッド電極１の電位は同電位である。
【００２０】
ここで、押し出しプレート１０とグリッド電極１１間にパルス状の加速電圧を印加すると、イオンは図のＸ方向に対して略垂直に曲げられて図１に示すように進む。ここで、集束電極２１で形成される電界は、図２に示すようなものとなる。押し出しプレート１０とグリッド電極１とで形成される電場に、集束電極２１が設けられ、該集束電極２１に所定の電位を与えることにより、等電位線（図中の実線）は終端部で曲げられる。この結果、垂直加速方向の加速電位分布に曲率をつけ、円筒状の集束電極に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を与えるものとなる。
【００２１】
ここで、集束電極２１により加速電位に曲率をつけ、集束電極２１に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を与えてイオンを集束させることにより、検出器１５の検出面よりも幅の広いイオンパケットを検出器１５の検出面に到達させることができ、イオン検出の感度を向上させることができる。
【００２２】
図３は本発明の構成概念図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１０は押し出しプレート、２１はその下段に設けられた集束電極、１１、１２は更にその下段に設けられたグリッド電極である。集束電極２１は、図に示すように円筒状をなしている。このような構成において、押し出しプレート１０とグリッド電極１１に加速パルスを印加すると、イオンはそれまでの進行方向から略垂直方向（Ｙ方向）に曲げられる。ここで、集束電極２１に所定の電圧を印加することで、電界分布に曲率を設け、集束電極２１に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を与えることにより、イオンを集束させることができ、高感度の垂直加速型飛行時間型質量分析計を実現することができる。
【００２３】
図４は本発明のシミュレーション結果を示す図である。１０は押し出しプレート、１１はグリッド電極１、１２はグリッド電極２である。イオンビーム溜まりでのイオンパケットの幅は４０ｍｍである。イオンパケットの幅が検出器に向かうにしたがって狭くなっていることが分かる。検出器でのイオンパケット幅は４ｍｍとなり、検出器での幅は、垂直加速部の付近の１／１０程度となったことから、感度を１０倍にできることが分かる。
【００２４】
図５はイオンビーム溜まりでの初期位置の違いによる飛行時間の広がりを示す図である。検出器での飛行時間の広がりを示す図である。この図では、中心イオンに対する初期位置と飛行時間を示している。例えば、中心イオンに対する初期位置が０の場合の飛行時間は１８．００５μｓｅｃである。初期位置が−８ｍｍの場合は、飛行時間は１８．００５μｓｅｃである。初期位置が１０μｓｅｃの場合は、飛行時間は１８．００５μｓｅｃで、飛行時間はほとんどずれていないことがわかる。
【００２５】
図６は本発明の別の実施例を示す構成図である。本実施例は、イオン加速部には、図１で示した集束電極２１を採用し、飛行時間型質量分析装置の自由飛行空間には、特願２００４−１５１４７３に書かれた８の字型のらせん型軌道を採用することを特徴とする。８の字型のらせん型軌道は、イオンの「追い越し」を回避しつつ、飛行距離を大幅に増やすことを目的として考案されたもので、この技術により、飛行時間型質量分析装置の質量分解能は、大幅に高まることが期待されている。
【００２６】
図６の上段に示すように、８の字型のらせん型軌道は、４個の扇形の円筒電場３１〜３４によって構成される。この８の字型らせん軌道を左側矢印方向から見た図が、図６の下段である。下段の図において、イオン生成部３５を出発したイオンは、これらの円筒電場で構成された８の字型飛行軌道を一周する毎に、円筒電場の円筒軸方向に飛行軌道がずれるので、これにより、飛行速度の速いイオンが飛行速度の遅いイオンを追い越すことを回避させながら飛行させることができる。そして、らせん型軌道を飛行後（図６の例では、約３周後）、イオンは検出器１５に到達し、信号として検出される。
【００２７】
図７は、図６のイオン生成部３５の拡大図である。図において、２０はイオンを生成するイオン源、２０ａはイオンを搬送するイオン搬送部、１０はイオンに所定の電位を与える押し出しプレート、１１は押し出しプレート１０と対向して配置された第１のグリッド電極１、１２は同じく第２のグリッド電極２である。イオンは押し出しプレート、グリッド電極１、グリッド電極２に印加される電圧により加速される。
【００２８】
２１は押し出しプレート１０とグリッド電極１１との間に配置された集束電極である。該集束電極２１は円筒状をしている。集束電極２１内には、イオンを入射する入射孔（図示せず）が設けられており、イオンはこの入射孔を通って電界領域に入ってくる。１４はイオンパケット、１５は到達するイオンを検出する検出器である。図はイオンパケットが検出器に向かって空間的に集束しながら飛行する様子を示したものである。図中４６が、本実施例に特徴的ならせん型飛行軌道である。集束電極２１に電圧を印加するタイミングは、加速電圧のためのパルスを印加するタイミングと同時である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２９】
イオン源２０で生成されたイオンは、イオン搬送部２０ａを搬送されて、集束電極２１内に設けられた孔を通って押し出しプレート１０、グリッド電極１１及び集束電極２１、２２で形成される空間（垂直加速部付近）に入る。この時、押し出しプレート、集束電極、グリッド電極１の電位は同電位である。
【００３０】
ここで、押し出しプレート１０とグリッド電極１１間にパルス状の加速電圧を印加すると、イオンは図のＸ方向に対して略垂直（Ｙ方向）に曲げられて図７に示すように進む。ここで、集束電極２１で形成される電界は、図２に示すようなものとなる。押し出しプレート１０とグリッド電極１とで形成される電場に、集束電極２１ が設けられ、該集束電極２１ に所定の電位を与えることにより、等電位線（図中の実線）は終端部で曲げられる。この結果、垂直加速方向の加速電位分布に曲率がつき、円筒状の集束電極に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を与えるものとなる。
【００３１】
ここで、集束電極２１により加速電位分布に曲率をつけ、集束電極に近づくほどより内側に強くイオンの軌道が曲げられるような集束場を与えてイオンを集束させることにより、らせん型飛行軌道３６を飛行する間にイオンが集束し、検出器１５の検出面よりも幅の広いイオンパケットを集束させて検出器１５の検出面に到達させることができ、イオン検出の感度を向上させることができる。
【００３２】
尚、本実施例には、変形例が可能である。すなわち、図８に示すように、第２のグリッド電極１２とらせん型飛行軌道３６の間に、イオンパケット１４の飛行角度を制御するためのディフレクタ３７を設け、ディフレクタ３７によって、イオンパケット１４のらせん型飛行軌道３６への入射角度を微調整するようにしても良い。
【００３３】
また、上記実施例では、集束電極２１の形状は円筒状を採用したが、これは、イオンパケットの長軸方向に長軸を有する楕円筒状、あるいはイオンパケットの長軸方向に長軸を有する矩形筒状であっても良い。また、この筒状電極２１は、１枚の導体板で作られていても良いし、複数に分割された電極板で構成されていても良い。
【００３４】
また、上記実施例では、飛行時間型質量分析装置の自由飛行空間は、直線状、または８の字型らせん軌道の例を上げたが、それ以外にも、リフレクトロン（反射場）を用いた折り返し軌道や、特開平１１−１３５０６０号公報に記載の多重周回軌道、あるいは特開２０００−２４３３４５号公報や特開２０００−２４３３４６号公報に記載の丸型らせん軌道であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】等電位線の状態を示す図である。
【図３】本発明の構成概念図である。
【図４】本発明のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】イオンビーム溜まりでの初期位置の違いによる飛行時間の広がりを示す図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す構成図である。
【図７】本発明の別の実施例を示す構成図である。
【図８】本発明の別の実施例を示す構成図である。
【図９】ＴＯＦＭＳの動作原理を示す図である。
【図１０】従来装置の等電位線の状態を示す図である。
【図１１】従来装置のイオンビームの様子を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：加速電極、２：加速電圧発生器、３：イオン検出器、１０：押し出しプレート、１１：グリッド電極１、１２：第２のグリッド電極２、１３：入射規制スリット、１４：イオンパケット、１５：イオン検出器、２０：イオン源、２０ａ：イオン輸送部、２１：集束電極、２２：集束電極、３０：イオンビーム、３１：円筒電場、３２：円筒電場、３３：円筒電場、３４：円筒電場、３５：イオン生成部、３６：らせん型飛行軌道、３７：ディフレクタ
【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】
2006049273.tif 000011
【図１０】
2006049273.tif 000012
【図１１】
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