(57)【要約】【課題】  らせん軌道を描くイオンの周回数を変更することができる飛行時間型質量分析計を実現する。【解決手段】  検出器移動手段である支持アーム４２、支持台座４４、ねじ切り棒４５、ハンドル４７、ガイドレール４３および筐体４６により、整合回路を含む検出器４１を、周回数に応じたイオンビーム２２の周回軌道上に位置させることとしているので、検出されるイオンビーム２２の総飛行距離を可変にすることができ、ひいては質量分解能あるいは感度等を、オペレータが望むものとすることを実現させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を飛行しつつ、前記周回軌道の一部で、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらしたらせん軌道を描く飛行時間型質量分析計であって、
前記周回軌道上に位置し、前記イオンを検出する検出器と、
前記軌道面上の前記位置を保ちつつ、前記直交方向に前記検出器を移動させる検出器移動手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析計。
【請求項２】
前記検出器は、電気インピーダンスの整合回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項３】
前記検出器移動手段は、前記検出器を、前記軌道面と直交する面内で支持する支持アームを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項４】
前記検出器移動手段は、前記支持アームを前記直交方向に移動させる駆動手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項５】
前記駆動手段は、前記支持アームを支持し、ねじ穴を有する支持台座および前記支持台座を前記直交方向に移動させる前記ねじ穴に貫通されたねじ切り棒を備えることを特徴とする請求項４に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項６】
前記ねじ切り棒は、ねじ溝を手動で回転させるハンドルを備えることを特徴とする請求項５に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項７】
前記駆動手段は、前記支持アームを前記直交方向に自動で移動させる自動移動手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項８】
前記自動移動手段は、前記ねじ切り棒に機械的に接続され、前記ねじ切り棒のねじ溝を回転させるモータであることを特徴とする請求項５および７に記載の飛行時間型質量分析計。
【請求項９】
前記飛行時間型質量分析計は、前記検出器の直交方向の位置を、前記自動移動手段により前記イオンが前記周回軌道を繰り返し飛行する周回数情報に基づいて自動制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の飛行時間型質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を描きつつ、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらし、らせん軌道を描いて飛行する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（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、以下ＴＯＦＭＳと略称する）は、微量化合物の定量分析、定性一斉分析あるいは試料イオンの構造解析等に用いられる。ＴＯＦＭＳでは、イオンの質量が計測されるが、この質量の分解能は、
（質量分解能）＝（Ｔ／２）×ΔＴ
の式で表される。ここで、Ｔはイオンの総飛行時間、ΔＴは計測される電気波形の時間幅である。この式によれば、時間幅ΔＴを一定として、総飛行時間Ｔを長いものとすることにより高い質量分解能を得ることができる。そして、ＴＯＦＭＳでは、総飛行時間Ｔを長いものとするために総飛行距離が長くされる。しかし、総飛行距離を長くするためには、直線型、反射型のＴＯＦＭＳでは装置を大型化する必要があった。
【０００３】
ここで、装置の大型化を避けかつ高い質量分解能を実現するために、多重周回型ＴＯＦＭＳが用いられる。この多重周回型ＴＯＦＭＳでは、マツダプレートが組み合わされた円筒状の４つの扇形電極によりトロイダル電場を発生させ、イオンを８の字型の同一の周回軌道上を繰り返し飛行させ、イオンの多重周回を行う。これにより、装置を大型化することなく、イオンの総飛行距離を長いものとし、ひいては総飛行時間Ｔを伸ばすことができる。なお、この多重周回型ＴＯＦＭＳでは、初期位置、初期速度、初期運動エネルギーによる検出面での空間的な広がりと時間的な広がりを１次の項まで収束することができる。
【０００４】
しかし、この多重周回型ＴＯＦＭＳでは、イオンの追い越しと言う問題が生じる。すなわち、同一の周回軌道上を複数種類のイオンが繰り返し飛行する場合には、速度の速い軽いイオンが周回遅れの速度の遅い重いイオンを追い越す。この追い越しにより、検出器に入力するイオンの順序は、質量が軽いものから重いものの順ではなくなり、この結果として時間的な入力順序からイオンの種類を特定することが困難となる。
【０００５】
この困難は、らせん軌道型ＴＯＦＭＳを用いて解決される。らせん軌道型ＴＯＦＭＳは、周回軌道の始点と終点とを周回軌道面と直交する方向にずらし、イオンをらせん軌道を描いて飛行させる。これにより、イオンが多重周回を行う際にも、速度の速いイオンが速度の遅いイオンを追い越すことはなくなり、検出器へのイオンの入力順序からイオンの種類を確定することができる。
【０００６】
ここで、イオンのらせん軌道を実現するために、
（１）イオンをらせん軌道型ＴＯＦＭＳに入射する際に、斜めから入射する（例え            ば、特許文献１参照）、
（２）デフレクタにより周回軌道上のイオンを周回軌道面と直交する方向にずらす            （例えば、特許文献２参照）、
ことが行われる。
【特許文献１】特開２０００―２４３３４５号公報、（第１頁、図１）
【特許文献２】特開２００３―８６１２９号公報、（第１頁、図１）
【非特許文献１】ジャーナルオブマススペクトロメトリー（Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．）、３８巻（Ｖｏｌ．３８）、２００３年、ｐ．１１２５〜１１４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記背景技術によれば、イオンの周回数を変更することは容易でない。すなわち、上述した（１）のイオンを斜めから入射する方法では、入射角度を変更することで周回数を変更することができる。しかし、イオンを斜めから入射する場合には、軌道面と直交する方向の空間的、時間的収束性がなく、直交する方向の速度分布が大きいと周回数の異なるイオンが同一の検出器に入射する可能性がある。
【０００８】
また、上述した（２）のデフレクタにより周回軌道上のイオンを周回軌道面と直交する方向にずらす場合には、らせん軌道がデフレクタにより固定となるために、検出器位置が固定のままでは周回数の変更を行うことができない。
【０００９】
なお、らせん軌道型ＴＯＦＭＳにおいては、イオンの周回数を変更することは有用である。周回数を変更することは、総飛行距離を変更することである。一方で、総飛行距離は感度および質量分解能に影響を与え、総飛行距離が長いほど感度が低下し質量分解能は向上する。従って、周回数を変更することで、相反する感度および質量分解能を調節し、イオンの分析に最適なものとすることができる。
【００１０】
これらのことから、らせん軌道を描くイオンの周回数を変更することができる飛行時間型質量分析計をいかに実現するかが重要となる。
この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、らせん軌道を描くイオンの周回数を変更することができる飛行時間型質量分析計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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を飛行しつつ、前記周回軌道の一部で、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらしたらせん軌道を描く飛行時間型質量分析計であって、前記周回軌道上に位置し、前記イオンを検出する検出器と、前記軌道面上の前記位置を保ちつつ、前記直交方向に前記検出器を移動させる検出器移動手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載の発明では、検出器移動手段により、周回軌道上に位置するイオンの検出器を、周回軌道面の位置を保ちつつ、直交方向に移動させる。
また、請求項２に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項１に記載の発明において、前記検出器が、電気インピーダンスの整合回路を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項１または２に記載の発明において、前記検出器移動手段が、前記検出器を、前記軌道面と直交する面内で支持する支持アームを備えることを特徴とする。
【００１４】
この請求項３に記載の発明では、支持アームにより、検出器を支持する。
また、請求項４に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項３に記載の発明において、前記検出器移動手段が、前記支持アームを前記直交方向に移動させる駆動手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
この請求項４に記載の発明では、駆動手段により、支持アームを移動させる。
また、請求項５に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項４に記載の発明において、前記駆動手段が、前記支持アームを支持し、ねじ穴を有する支持台座および前記支持台座を前記直交方向に移動させる前記ねじ穴に貫通されたねじ切り棒を備えることを特徴とする。
【００１６】
この請求項５に記載の発明では、駆動手段は、ねじ穴を有する支持台座により、支持アームを支持し、ねじ切り棒を、このねじ穴に貫通させて支持台座を移動させる。
また、請求項６に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項５に記載の発明において、前記ねじ切り棒が、ねじ溝を手動で回転させるハンドルを備えることを特徴とする。
【００１７】
この請求項６に記載の発明では、ハンドルにより、ねじ切り棒を回転させる。
また、請求項７に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項４に記載の発明において、前記駆動手段が、前記支持アームを前記直交方向に自動で移動させる自動移動手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
この請求項７に記載の発明では、駆動手段は、自動移動手段により、支持アームを移動させる。
また、請求項８に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項５および７に記載の発明において、前記自動移動手段が、前記ねじ切り棒に機械的に接続され、前記ねじ切り棒のねじ溝を回転させるモータであることを特徴とする。
【００１９】
この請求項８に記載の発明では、自動移動手段は、ねじ切り棒に機械的に接続されるモータとする。
また、請求項９に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項７あるいは８に記載の発明において、前記飛行時間型質量分析計が、前記検出器の直交方向の位置を、前記自動移動手段により前記イオンが前記周回軌道を繰り返し飛行する周回数情報に基づいて自動制御する制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
この請求項９に記載の発明では、飛行時間型質量分析計は、制御部により、検出器の直交方向の位置をイオンの周回数情報に基づいて自動制御する。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、検出器移動手段により、周回軌道上に位置するイオンの検出器を、周回軌道面の位置を保ちつつ、直交方向に移動させることとしているので、イオンが飛行する周回軌道の周回数に応じた直交方向の位置に検出器を配置しイオンの総飛行距離を可変とし、ひいては飛行時間型質量分析計の質量分解能を可変とし最適なものとすることができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、検出器が電気インピーダンスの整合回路を備えることとしているので、電気信号の反射を抑え、ひいては擬イオンピークの発生を防止することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、支持アームにより、検出器を支持することとしているので、らせん軌道を飛行するイオンの軌道を妨害することなく検出器移動手段を配設することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、駆動手段により、支持アームを移動させることとしているので、検出器も直交方向に移動させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、駆動手段は、ねじ穴を有する支持台座により、支持アームを支持し、ねじ切り棒を、このねじ穴に貫通させて支持台座を移動させることとしているので、簡易な構成で精度の高い移動を行うことができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、ハンドルにより、ねじ切り棒を回転させることとしているので、手動で支持台座、ひいては検出器の位置を変更することができる。
請求項７に記載の発明によれば、駆動手段は、自動移動手段により、支持アームを移動させることとしているので、人手を介することなく検出器の位置を変更することができる。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、自動移動手段は、ねじ切り棒に機械的に接続されるモータとすることとしているので、ねじ切り棒の回転を電気信号を用いて行うことができる。
【００２７】
請求項９に記載の発明によれば、飛行時間型質量分析計は、制御部により、検出器の直交方向の位置をイオンの周回数情報に基づいて自動制御することとしているので、オペレータが容易に周回数の変更、ひいては質量分解能の変更を行うことできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳと略称する）を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００２９】
まず、本実施の形態にかかるＴＯＦＭＳの全体構成について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態にかかるＴＯＦＭＳの外観を示す図である。ＴＯＦＭＳは、イオン光学系１０およびイオン源２０を含む。ここで、イオン光学系１０およびイオン源２０は、真空容器をなし、内部は高真空状態とされる。イオン源２０は、試料をイオン化された気体とし、この気体が収束および加速されたイオンビームを形成し、イオン光学系１０に注入する。イオン光学系１０は、イオンビームを周回軌道上で飛行させ、イオンビームに含まれる異なる質量の元素を分離検出する。なお、図２に描かれているｘｙｚ座標軸は、後述する図に示されるｘｙｚ座標軸と同一のものであり、各図で共通する方向を指し示している。
【００３０】
図３は、イオン光学系１０のｘｚ軸方向の断面を示す図である。イオン源２０は、イオンビーム２２を射出する。イオン光学系１０は、マツダプレートが被せられた扇形の円筒電極１１〜１４、デフレクタ１５〜１６および検出部１７を含む。円筒電極１１〜１４は、内部に円筒電場を発生し、イオンビーム２２の進行方向を曲げる。ここで、円筒電極１１〜１４は、矩形状のイオン光学系１０の四隅に配設され、イオンビーム２２の飛行経路が８の字型の周回軌道を描くようにされる。
【００３１】
デフレクタ１５および１６は、円筒電極１２および１３の間の飛行経路上に配設され、イオンビーム２２を図３に示されるｘｚ軸断面と直交するｙ軸方向に移動させる。図４は、円筒電極１２および１３、並びに、デフレクタ１５および１６の、図３に示すｘｚ軸断面と直交するｘｙ軸断面の構造を示す断面図である。デフレクタ１５および１６は、対をなす電極板がｙ軸方向に複数個並んでおり、対をなす電極板にはデフレクタ１５および１６で異なる極性の電圧が印加されている。そして、円筒電極１２を通過したイオンビーム２２は、デフレクタ１５でｙ軸の正方向に曲げられ周回軌道面を移動し、その後、デフレクタ１６でｙ軸の負方向に曲げられて円筒電極１３に入射し、ｙ軸方向に移動した新たな周回軌道面の飛行を続ける。
【００３２】
この様にイオンビーム２２は、８の字型の周回軌道を飛行しつつ、ｙ軸方向へ周回軌道面を移動させるらせん軌道を描く。そして、イオンビーム２２は、周回軌道の周回数に応じて周回軌道面をｙ軸方向に逐次移動し、長い総飛行距離を確保しつつ異なる飛行経路を維持する。これにより、速度が異なるイオンが、周回遅れで同一飛行経路を飛行することを防止し、速度すなわち質量が異なるイオンを、質量に比例する時間的な順序で計測する。
【００３３】
検出部１７は、円筒電極１１および円筒電極１４の間の飛行経路上に配設され、周回軌道上を飛行するイオンを検出する。図１は、検出部１７の構成を示す外観図である。検出部１７は、筐体４６、検出器４１および検出器移動手段を有し、この検出器移動手段は、支持アーム４２および駆動手段を有し、この駆動手段は、支持台座４４、ガイドレール４３およびねじ切り棒４５を含む。なお、駆動手段には、後述する、図示されないハンドル４７が含まれる。
【００３４】
検出器４１は、イオンビーム２２の検出器で、マイクロチャンネルプレート等が用いられる。支持アーム４２は、検出器４１および支持台座４４を固定接続するアームで、支持台座４４を含む検出器移動手段が、周回軌道上に位置するイオンビーム２２の飛行を妨げることのないｚ軸方向に張り出している。
【００３５】
支持台座４４は、支持アーム４２および検出器４１を支持し、ガイドレール４３およびねじ切り棒４５に沿ったｙ軸方向に移動可能となっている。ここで、ガイドレール４３は、支持台座４４がｘｚ軸面内で回転することを防止し、ひいては検出器４１のイオンビーム検出面を、常にイオンビーム入射方向と直交させる。
【００３６】
ねじ切り棒４５は、オペレータによるねじ溝の回転動作により、支持台座４４をｙ軸方向に移動させる。なお、支持台座４４には、ねじ切り棒４５に対応するねじ穴が形成されている。筐体４６は、上述した検出器移動手段を固定し、かつイオンビーム２２の飛行を妨害することのないコの字型の形状とされる。なお、ねじ切り棒４５は、図示されない筐体４６背面のハンドル４７により回転される。
【００３７】
図５は、検出器４１のｘｙ軸断面を示す断面図である。検出器４１は、マイクロチャネルプレート５１、整合回路５２およびシールド５３を含む。マイクロチャネルプレート５１は、イオンを検出する電子増倍管である。マイクロチャネルプレート５１の検出面には、ガラス電極が多数配置されており、入射したイオンビーム２２を検出し電子増幅を行う。
【００３８】
整合回路５２は、後段に電気ケーブルを介して電気接続される増幅器等の電子機器の入力インピーダンスと、マイクロチャネルプレート５１の出力インピーダンスとの電気的なインピーダンスマッチングを行う整合回路である。増幅器等の電子機器の入力インピーダンスは５０Ω程度であるのに比較して、マイクロチャネルプレート５１から出力される電子流は電流源としての特性を有し、高い出力インピーダンスを有する。従って、整合回路５２を介することなくマイクロチャネルプレート５１および後段の電子機器が電気接続される際には、電気信号の反射が生じる。
【００３９】
図６は、整合回路５２が存在しない場合に、後段の電子機器で検出される電気信号の一例を示す図である。縦軸は電気信号の信号強度、横軸は電気信号の検出時間を示している。ここで、マイクロチャネルプレート５１で検出されたイオンビーム２２の電気信号は、イオンピーク６２として示されている。一方、マイクロチャネルプレート５１および後段の電子機器の電気的なインピーダンスの不一致により接続の両端で電気信号の反射波が生じる。そして、この反射波は、両者を接続する電気ケーブルの長さに比例する概ね数十ｎｓｅｃ程度にイオンピーク６２から遅れた時間軸上の位置に、反射擬イオンピーク６３を生じる。ここで、反射擬イオンピーク６３は、異なる質量のイオンを、時間軸上のイオンピークの位置により分離検出するＴＯＦＭＳの場合には、誤検出にもつながり好ましいものではない。
【００４０】
図５に戻り、シールド５３は、マイクロチャネルプレート５１および整合回路５２を包含する、金属性のケースである。なお、シールド５３は、筐体４６ひいてはイオン光学系１０のシャーシに電気接続されており、シールド５３の近傍空間に不要な電界が発生することを防止している。これにより、検出器４１の近傍を通過するイオンビーム２２は、周回軌道に影響を受けることなく、安定した飛行を行う。
【００４１】
つづいて、検出器移動手段の動作について図７を用いて説明する。図７は、検出部１７のｙｚ軸断面を示す断面図である。なお、図７の筐体４６に接続されたハンドル４７は、ねじ切り棒４５に接続されており、ハンドル４７を手動で回転させることにより、支持台座４４ひいては検出器４１がｙ軸方向に移動する。
【００４２】
また、図７に示す複数のイオンビーム２２は、らせん軌道を描きつつ、周回軌道面をｙ軸方向に移動するイオンビーム２２の周回ごとのビーム位置である。従って、上部に位置するイオンビーム２２から順に周回数１〜５のイオンビーム２２の位置を示している。
【００４３】
まず、オペレータは、分析を行う試料の質量分解能および感度等を勘案し、イオンビーム２２の周回数を決定する。その後、オペレータは、ハンドル４７を回転し、支持台座４４の固定される検出器４１を、ｙ軸方向の目的とする周回数のイオンビーム位置に設定する。図７は、一例として、周回数が１であるイオンビーム位置に検出器４１を設定した場合を図示している。その後、オペレータは、ＴＯＦＭＳの動作を開始し、試料の分析を行う。
【００４４】
上述してきたように、本実施の形態では、検出器移動手段である支持アーム４２、支持台座４４、ねじ切り棒４５、ハンドル４７、ガイドレール４３および筐体４６により、整合回路５２を含む検出器４１を、周回数に応じたイオンビーム２２の周回軌道上に位置させることとしているので、検出されるイオンビーム２２の総飛行距離を可変にすることができ、ひいては質量分解能あるいは感度等を、オペレータが望むものとすることができる。
【００４５】
また、本実施の形態では、ねじ切り棒４５は、ハンドル４７により手動により回転させることとしたが、ハンドル４７をモータに置き換え、検出器４１の位置を自動制御することもできる。この場合には、このモータを自動制御する制御部に設定された周回軌道の周回数情報等に基づいて、検出器４１のｙ軸方向の位置が自動で位置設定される。さらに、オペレータにより制御部に設定される質量分解能あるいは感度等の設定情報から周回数を決定し、自動で検出器４１の位置設定を行うようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施の形態の検出部を示す構成図である。
【図２】飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）の外観を示す外観図である。
【図３】ＴＯＦＭＳのイオンが飛行する周回軌道面の断面を示す断面図である。
【図４】ＴＯＦＭＳのデフレクタの断面を示す断面図である。
【図５】実施の形態の検出器の断面を示す断面図である。
【図６】整合回路が存在しない場合に受信される、電気信号の一例を示す説明図である。
【図７】実施の形態の検出器の移動を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  イオン光学系
１１〜１４  円筒電極
１５、１６  デフレクタ
１７  検出部
２０  イオン源
２２  イオンビーム
４１  検出器
４２  支持アーム
４３  ガイドレール
４４  支持台座
４５  ねじ切り棒
４６  筐体
４７  ハンドル
５１  マイクロチャネルプレート
５２  整合回路
５３  シールド
６２  イオンピーク
６３  反射擬イオンピーク
【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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