(57)【要約】イオンビームをフィルタリングするための質量フィルタ装置を説明する。この装置は、ビームを射出するためのイオンビーム源と、イオンビーム源からのイオンビームを受け入れる一対の第１および第２の質量フィルタ段とを備えている。真空システムが、少なくとも第２のフィルタ段を１０-3ｔｏｒｒ以下の動作可能圧力に維持する。真空システムは、第１および第２のフィルタ段の双方をほぼ同一の動作圧力に維持するように構成されている。第１の質量フィルタ段は、選択した質量電荷比を部分範囲として含む質量電化比を有するイオンのみを透過させるために構成されている。第２のフィルタは、選択した質量電荷比のイオンのみを透過させるために構成されている。したがって、第２の質量フィルタは高精度の検出を達成することができ、四重極棒近傍の電界に歪をもたらすこの四重極棒上の材料の堆積等の従来技術で経験する問題にさらされることがない。第１の質量フィルタは、典型的にはイオン源から受け取ったイオンの１％を透過させる粗フィルタとして動作する。かくして、この発明を実施する質量分析計の検出精度と寿命が大きく改善される。
2005534140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の範囲内の質量／電荷比を有するイオンビームを濾波して、前記範囲内で選択された質量／電荷比のイオンを透過させるための質量フィルタ装置であって、
前記イオンビームを射出するイオンビーム源と、
該ビーム源からのビームを受け入れる一対の第１および第２の質量フィルタ段と、
少なくとも前記第２のフィルタ段を１０-3トール以下の動作圧で維持する真空システムと、
を備え、
該真空システムは、前記第１および第２のフィルタ段の双方を１０-3トール以下の動作圧に維持するように構成され、
該第１の質量フィルタ段は、前記選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるために構成され、
前記第２の質量フィルタは、前記選択した質量／電荷比のイオンのみを透過させるために構成されていることを特徴とする質量フィルタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の質量フィルタ段は、前記第２の質量フィルタ段に比べてより幅広い帯域通過特性を有するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの１％以下を構成することを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の装置であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの０．０１％以下を構成することを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、各フィルタ段が多重極分析計を含むことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、各フィルタ段が、四重極構成された棒を備えていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の装置であって、各フィルタ段の前記棒に駆動電圧を印加するための直流および交流電圧源を更に備えたことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項５，６または７に記載の装置であって、交流電圧源が前記フィルタ段の一つに接続され、もう一つのフィルタ段はＲＦ結合器により前記一つのフィルタ段に電気的に結合されていることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、透過した前記質量／電荷比のイオンが走査範囲に亘って走査されて質量スペクトルを提供するように少なくとも第２のフィルタを制御するスキャナを更に備えたことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記スキャナが前記第１のフィルタ段も制御して、該第１のフィルタ段により透過された質量／電荷比の前記部分範囲の中心点が、前記第２のフィルタ段により透過された走査質量／電荷比をほぼ追跡する（track）ように構成されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、前記第１のフィルタ段が前記第２のフィルタ段に関してその軸がずれるように構成されたことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、第１のフィルタ段の縦軸が、該第１のフィルタ段に最も近い第２のフィルタ段のほぼ端部で該第２のフィルタ段の縦軸に交差することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の質量フィルタ装置を備えたことを特徴とする質量スペクトル計。
【請求項１４】
所定の範囲内の質量／電荷比を有するイオンビームを濾波して、前記範囲内で選択された質量／電荷比のイオンを透過させるための方法であて、
ビーム源からの前記イオンビームを第１の質量フィルタ段に射出するステップと、
前記選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、
前記選択した質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタと対になる第２の質量フィルタ段を介して透過させるステップとを有し、
前記第１および第２のフィルタ段は１０-3トール以下の圧力で動作することを特徴とする方法。
【請求項１５】
所定の範囲内の質量／電荷比を有するイオンビームの質量スペクトルを生じさせる方法であって、
前記イオンビームをビーム源から第１の質量フィルタ段に射出するステップと、
選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタを介して透過させるステップと、
前記選択された質量／電荷比を有するイオンのみを、該選択された質量／電荷比を有する全てのイオンを検出するための検出器に、前記第１の質量フィルタと対になる第２の質量フィルタを介して透過させるステップと、
透過したイオンの前記質量／電荷比をある走査範囲にわたって走査するように、少なくとも前記第２のフィルタ段を制御するスッテプと、
すべての与えられた質量／電荷比で前記第２の質量フィルタ段により透過させられたイオンの数を検出して質量スペクトラムを提供するステップと、
を備え、
前記第１および第２のフィルタ段が１０-3トール以下の圧力で動作することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記第１の質量フィルタ段により透過させられた部分範囲の質量／電荷比の中心点が、前記第２のフィルタ段により透過させられた前記走査された質量／電荷比をほぼ追跡するように、前記第１の質量フィルタ段により透過させられたイオンの質量／電荷を制御するステップを更に備えたことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４または１５に記載の方法であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの１％以下を構成することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４または１５に記載の方法であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの０．０１％以下を構成することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４または１５に記載の方法であって、各フィルタ段が多重極質量フィルタを備え、直流および交流駆動電圧が該フィルタに印加されることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、交流電圧が一つのフィルタ段に提供され、もう一つのフィルタ段はＲＦ結合器により前記一つのフィルタ段に電気的に結合されていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５および請求項１９または２０に記載の方法であって、スキャナが前記交流および直流電圧の振幅をある電圧範囲に亘って制御し、交流対直流電圧比定数がほぼ一定に保たれることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の方法であって、真空システムが少なくとも前記第２のフィルタ段を１０-3トールより低い動作圧力に維持し、前記第１および第２のフィルタ段の双方が１０-3トールより低い動作圧力に維持されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
イオンビームを射出するためのイオンビーム源と、濾波されたイオンを検出または透過させるための検出器または出力装置と、前記ビーム源と前記検出器または出力装置との間で一組に構成され、１０-3トール以下の同一の動作圧力を有する複数の質量フィルタと、を備えた質量分析計において、質量／電荷比の配列を有するイオンビームから、与えられた質量／電荷比を有するイオンを濾波するための方法であって、
ビーム源から前記イオンビームを第１の質量フィルタに射出するステップと、
該第1の質量フィルタからの濾波されたイオンの質量／電荷比を含むある範囲の質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるステップと、
前記第１の質量フィルタと前記検出器または出力装置との間に配置された第２の質量フィルタからの濾波されたイオンのみを透過させるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
質量分析計の分解能を向上させる方法であって、
所定の範囲内の質量／電荷比を有するビーム中のイオンのイオンビームをビーム源から一対の第１および第２の質量フィルタ段に射出するステップと、
選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、
前記第２のフィルタ段で前記部分範囲内のイオンのみを受け入れるステップと、
第２の質量フィルタ段を介して前記選択した質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるステップとを備え、
イオン電流が減少した状態で前記第２のフィルタ段が動作する方法。
【請求項２５】
質量分析計の主分解フィルタの多重極素子の上に物質が堆積するのを減少させるための方法であって、
所定の範囲内の質量／電荷比を有するビーム中のイオンのイオンビームをビーム源から第１の質量フィルタ段に射出するステップと、
選択した質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、
該第１のフィルタ段と対であって、前記主分解フィルタを構成する第２のフィルタ段において上記部分範囲内のイオンのみを受け入れるステップと、
前記部分範囲内の選択された質量／電荷比を有するイオンのみを前記第２のフィルタ段を介して透過させるステップと、
それにより前記主分解フィルタ中で拒絶されたイオンの数を減少させることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの１％以下を構成することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法であって、前記部分範囲内のイオンは、前記ビーム内のイオンの０．０１％以下を構成することを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の方法であって、
前記第１および第２のフィルタ段は１０-3トール以下の圧力で動作することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計の動作特性を改良するための方法と装置とに関する。
【０００２】
本発明は、ここで、四重極質量フィルタ構成に関して説明されるが、このような装置に限定されるものではない。
【背景技術】
【０００３】
四重極または多重極質量フィルタが、質量分析技術で知られており、安定動作領域内に存在する質量／電荷比を有するイオンを透過させるように動作する。安定動作領域の大きさは、他の要素の中でも、四重極棒の形状と、これらの四重極棒に印加されるＤＣ電圧および（ＲＦ電圧の周波数を含む）ＲＦ電圧の大きさとに支配される。かくして、透過したイオンは、安定動作領域の大きさに依存する質量／電荷比の範囲を有することができる。フィルタの透過特性、したがって透過したまたは濾波されるイオンビーム内での質量／電荷比の範囲は、安定動作領域の大きさを減少することにより減少させることができる。拒絶されたイオンは、分析計の出力口または検出器まで透過しない。
【０００４】
拒絶されたイオンのかなりの部分が四重極棒に衝突して、これらの四重極棒をスパッタし、および／または誘電体をこれらの四重極棒上に堆積する。時が経つに連れ、特に、分析計が、比較的強いイオンビーム内の粒子の質量を分析するために使用される場合には、大量の堆積が起こり得る。堆積した物質により、棒の表面領域が、部分的にまたは完全に絶縁され、または異なる電気的仕事関数を有するようになる。かくして、棒上に堆積した物質は、これらの棒に印加される電圧に関連した電界の特性に悪影響を及ぼす。結局、堆積した物質は、棒の表面の近傍の電界強度を変化させる。
【０００５】
空間電荷効果として知られている更に別の問題は、比較的強いイオンビームを分析するときに起こる。強いイオンビームが四重極質量フィルタに入るときに、四重極棒に印加される電圧に関連付けられた電界が歪む。この電界の歪みは、イオンビーム中の荷電粒子の存在に起因する。この電解の歪みは、ビーム中のイオンの近傍で発生する。
【０００６】
四重極質量フィルタは、これらの問題に大きく影響を受ける。特に、このようなフィルタを備えた分析計が高質量分解能で動作するときに重要な影響を受ける。電界を維持するための精度に関する非常に厄介な要求が、高分解能質量分析計に対して要求される。さらに、高分解能で、フィルタを通過するイオンの安定した軌道は、フィルタ中の比較的長い距離の間棒の非常に近傍を通過する。したがって、軌道は、堆積した誘電体の非常に近くを、その結果、歪みの生じている電界の領域を通過する。
【０００７】
また、分析計の分解能は、イオンがフィルタ中で費やす時間の２乗にほぼ比例する。したがって、所望の分解能は、イオンが十分な時間をフィルタ中で費やす場合にのみ、達成され得る。イオンがフィルタ中で長時間費やせば費やす程、得られる分解能が大きくなる。イオンのフィルタ中の消費時間を最大化し、分析計の分解能を増大させるために、通常イオンを非常に低いエネルギーまで減速する（代表的には２ｅＶ）。空間電荷効果は、このような非常に低速のビームに対して大きい。そして、このことが、空間電荷効果により惹起された歪んだ電界に関連する問題を悪化させる。かくして、今のところ、空間電荷効果、イオンビームエネルギーおよび分析計の質量分解能との間に妥協が存在する。
【０００８】
上述した問題により惹起された歪んだ電界を有する質量フィルタは、かなり減少した質量分解能または透過率を有し得る。最悪の場合には、分析計は使い物にならない物とされる。これらの問題は、より多くの誘電体が棒の上に堆積するに連れて悪化する。より多くの物質がフィルタの入り口の近くに堆積するに従って、大半のイオンがフィルタの入り口で拒絶されてしまうため、物質の堆積は不均一となる傾向がある。分析計の性能が許容できる水準以下に落ちたときには、少なからぬコストで質量フィルタを置き換えるか、磨き直さなければならない。
【０００９】
ＵＳ３，１２９，３２７は、質量フィルタとして動作する第２の棒のセット中への透過率を改善するために交流電圧によってのみ駆動される補助電極棒を開示している。この補助電極は、イオンガイドとして動作する。
【００１０】
ＵＳ４，９６３，７３６は、ほぼ０ＶのＤＣ電圧で、かつ昇圧された圧力で動作する棒のセットを開示している。かくして、このフィルタは、衝突の集中により高い透過特性を有する加圧イオンガイドとして動作する。
【００１１】
ＵＳ６，１４０，６３８は、衝突／反応室として、第２のフィルタに関して昇圧したガス圧で動作する第１のフィルタを備えた質量フィルタを開示している。この開示された装置は、イオンを衝突室を通して透過させることにより等圧干渉を減少させ、減少させなければ等圧干渉を惹き起こす中間にあるイオンを拒絶することを目的とする。
【００１２】
ＵＳ６，３４０，８１４は、類似した質量分解能で動作する２つのフィルタを備えて全体の装置の分解能を向上させる分析計を開示している。２つのフィルタが互いに接続されたときには、各フィルタ個別の分解能に比べてより高い分解能が達成される。
【００１３】
ＥＰ０００４４３７は、イオンビームからイオンを除去して、衝突室のガスの負荷を減少するための方法と装置とを開示している。ガス負荷の減少により、衝突室中での望まざる人工のイオンの形成または再形成が最小化される。
【００１４】
これらのどのシステムも上述した問題に対する解を提案していない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、従来例に関連する問題を改善することである。それらの最も広い形態において、本発明の実施の形態は、多重極質量フィルタ段を有する質量分析計にある。質量フィルタの一つにおいては、望まざるイオンの大部分がイオンビームから取り除かれる。
【００１６】
より正確には、所定の範囲内の質量／電荷比を有するイオンビームを濾波して、前記範囲内で選択された質量／電荷比のイオンを透過させるための質量フィルタ装置であって、前記イオンビームを射出するイオンビーム源と、該イオンビーム源からのビームを受け入れる一対の第１および第２の質量フィルタ段と、少なくとも前記第２のフィルタ段を１０-3トール以下の動作圧で維持する真空システムとを有し、該真空システムは前記第１および第２のフィルタ段の双方を１０-3トール以下の動作圧に維持するように構成され、該第１の質量フィルタ段は、前記選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるために構成され、前記第２の質量フィルタは、前記選択した質量／電荷比のイオンのみを透過させるために構成されている質量フィルタ装置が提供される。
【００１７】
また、所定の範囲内の質量／電荷比を有するイオンビームを濾波して、前記範囲内で選択された質量／電荷比のイオンを透過させるための方法であて、ビーム源からの前記イオンビームを第１の質量フィルタ段に射出するステップと、前記選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、前記選択した質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタと対になる第２の質量フィルタ段を介して透過させるステップとを有し、前記第１および第２のフィルタ段は１０-3トール以下の圧力で動作することを特徴とする方法が提供される。
【００１８】
さらに、イオンビームを射出するためのイオンビーム源と、濾波されたイオンを検出または透過させるための検出器または出力装置と、前記ビーム源と前記検出器または出力装置との間で一組に構成され、１０-3トール以下の同一の動作圧力を有する複数の質量フィルタとを備えた質量分析計において、質量／電荷比の配列を有するイオンビームから、与えられた質量／電荷比を有するイオンを濾波するための方法であって、ビーム源から前記イオンビームを第１の質量フィルタに射出するステップと、該第1の質量フィルタからの濾波されたイオンの質量／電荷比を含むある範囲の質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるステップと、前記第１の質量フィルタと前記検出器または出力装置との間に配置された第２の質量フィルタからの濾波されたイオンのみを透過させるステップとを有することを特徴とする方法が提供される。
【００１９】
さらに、所定の範囲内の質量／電荷比を有するビームイオンの質量スペクトルを生じさせる方法であって、前記イオンビームをビーム源から第１の質量フィルタ段に射出するステップと、選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタを介して透過させるステップと、前記選択された質量／電荷比を有するイオンのみを、該選択された質量／電荷比を有する全てのイオンを検出するための検出器に、前記第１の質量フィルタと対になる第２の質量フィルタを介して透過させるステップと、透過したイオンの前記質量／電荷比をある走査範囲にわたって走査するように、少なくとも前記第２のフィルタ段を制御するスッテプと、すべての与えられた質量／電荷比で前記第２の質量フィルタ段により透過させられたイオンの数を検出して質量スペクトラムを提供するステップとを備え、前記第１および第２のフィルタ段が１０-3トール以下の圧力で動作することを特徴とする方法が提供される。
【００２０】
さらにまた、質量分析計の分解能を向上させる方法であって、所定の範囲内の質量／電荷比を有するビーム中のイオンのイオンビームをビーム源から一対の第１および第２の質量フィルタ段に射出するステップと、選択された質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを前記第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、前記第２のフィルタ段で前記部分範囲内のイオンのみを受け入れるステップと、第２の質量フィルタ段を介して前記選択した質量／電荷比を有するイオンのみを透過させるステップとを備え、イオン電流が減少した状態で前記第２のフィルタ段が動作できる方法が提供される。
【００２１】
さらに、質量分析計の主分解フィルタの多重極素子の上に物質が堆積するのを減少させるための方法であって、所定の範囲内の質量／電荷比を有するビーム中のイオンのイオンビームをビーム源から第１の質量フィルタ段に射出するステップと、選択した質量／電荷比を部分範囲として含む質量／電荷比を有するイオンのみを第１の質量フィルタ段を介して透過させるステップと、該第１のフィルタ段と一対で、前記主分解フィルタを構成する第２のフィルタ段において上記構成内のイオンのみを受け入れるステップと、前記部分範囲内の選択された質量／電荷比を有するイオンのみを前記第２のフィルタ段を介して透過させるステップとを備え、それにより前記主分解フィルタ中で拒絶されたイオンの数を減少させることを特徴とする方法が提供される。
【００２２】
本発明の実施の形態は、従来のシステムに比べて、きわめて長い期間にわたって高い分解能を備えて動作するという利点を有する。粗フィルタが、大多数の望ましくないイオンをイオンビームから取り除き、細フィルタに比較して比較的高い帯域通過で動作するように構成される。かくして、従来技術に関連する上述した問題をフィルタに対して減少させることができ、且つこのフィルタの精度を向上させることができる。
【００２３】
本発明を実施するための装置と方法とに対する動作手順は、分光計のフィルタ段中の衝突または反応を利用する装置に関して極めて単純化することができる。本発明を実施する装置のフィルタ中に存在する可能性の高いガスのみが、一般には、フィルタまたはパージガス中の残留物であるイオン源から取り出される、水蒸気、ＣＯ2またはＡｒ等の残留ガスのきわめて低いレベルの痕跡である。代表的なフィルタ中での１０-3トール以下の部分圧力でのこれらのガスの痕跡は、フィルタを通過しつつあるイオンがある状態で何らかのかなりの数の反応を生じさせるのには不十分である。
【００２４】
本発明を実施する装置と方法とは、また、特に高分解能で、衝突または反応セルを備えた分析計と比べた時に、問題のある動作が少ないという利点を有する。衝突または反応セルを利用した装置により生じるスペクトルは、反応したイオンにより誘導される望まざるピークを含み得る。反応／衝突セルのイオンの透過は、衝突または反応により減少させられる。そして、その結果、装置の感度が悪影響を受ける。このような装置の動作は、反応／衝突セルの動作に必要な制御のために、きわめて複雑である。また、正確なガスが用いられることを保証するために、イオンの衝突化学における高度の知識が操作者に必要とされ、そうでなければ、要求された反応は生じず、スペクトルの結果は紛らわしくまたは実用にならない。本発明の実施の形態は、反応または衝突が、フィルタ段で非常に生じそうにない圧力で動作する。
【００２５】
上述したように、フィルタは１０-3トール以下の高真空で動作し、その圧力ではフィルタ中のガス分子の密度は、ビーム中のイオンとフィルタ中のすべての残留ガスとの間で起こる反応または衝突の確度が非常に低くまたは存在しないようなレベルである。このことは、望ましいイオンに対するフィルタの高い透過率が達成できる（そして、この結果、分析計の感度の改良が改善される）という利点を更に有している。
【００２６】
このような利点は、高い解像度の質量分析計には特に望ましい。このようなシステムは、代表的には、１０-6トールで動作するかも知れない。その圧力においては、イオンの、フィルタ中のガスとの何らかの衝突および／または反応がある場合に、それらは、イオンビーム強度または結果として生じるスペクトルにほとんど何の影響も与えない。かくして、本発明の実施の形態は、極端に高い分解能と高いビーム強度とで動作可能である。
【００２７】
また、単一の真空ポンプを用いて、すべてのフィルタ段で真空を維持するのに用いることができ、かくしてシステムを更に単純化できる。
【００２８】
第１のフィルタ段でイオンビームから大多数のイオンを除去し、その結果第２のフィルタ段でビーム電流を減少させることにより別の利点が得られる。かくして、第２のフィルタ段の素子上に堆積する物質の量が大きく減少し、第２のフィルタ段が非常に高い分解能できわめて長い期間動作できる。サービス期間の時間をしたがって増大させることができ、そして分析計が機能し得る時間が増大し、コストが減少する。第２のフィルタ段は、このフィルタ中の電界特性が、フィルタ中の誘電体の堆積が極めて減少したために、ほぼ一定のままであるので、非常に高い分解能で動作することができる。この空間電荷効果は非常に高い精度で計算でき、補償することができる。空間電荷効果は、ビーム電流が減少したためにはるかに低く、かくして、更に装置の分解能を改良することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１を参照すると、本発明を実施する質量分析計１０が示されている。この分析計は、イオンビーム源１２と検出器１４とを備えている。イオンビーム源と検出器との間に２つの真空室１６および１８がそれぞれ配置されている。各部屋は、それぞれ真空ポンプ２０および２２により高いレベルの真空に維持されている。必要な場合には、真空ポンプ２４がイオンビーム源ビーム室１２を排気するのに用いられる。質量フィルタ３０および３２がそれぞれ部屋１６および１８に配置されている。これらのフィルタは、他方に対して対になるように、イオンビーム源に対して対になるように配置されている。かくして、イオンビームは、第１に、一つのフィルタを通過し、そして検出器に衝突する前に、または（図字しない）出力装置から射出される前に、他方のフィルタを通過する。四重極棒３４および３６が、質量フィルタ３０および３２を通過しているイオンビーム中のイオンに影響を与えるようにそれぞれ構成されている。
【００３０】
この説明の目的のために、ビーム源室１２に最も近いフィルタ３０を「犠牲フィルタ」と称する。検出器１４に最も近いフィルタ３２を「分析フィルタ」と称する。
【００３１】
犠牲フィルタは、分析フィルタより低い分解能で動作し、またより広い安定領域を提供する。この犠牲フィルタの安定領域は、このフィルタに入射するイオンの大半の質量スペクトルが拒絶されるように設定されている。別の方法では、犠牲フィルタは、それが分析フィルタに入る前にビームを事前に濾波する働きをする。
【００３２】
拒絶されたイオンの大半が、犠牲フィルタの四重極棒に衝突し、そこに堆積する。しかし、フィルタは相対的に幅広く安定した領域を有するので、フィルタ３０中でこのような堆積により惹起された電界の全ての歪みは、必要な質量／電荷比のイオンの拒絶を惹起しない。かくして、大量の望まれざる物質が、イオンビームから、それが分析フィルタに入射する前に取り除かれる。一方、必要な質量／電荷比のほとんど全てのイオンが分析フィルタに透過させられる。
【００３３】
さらに、犠牲フィルタ３０に入射する高強度のイオンビームは、空間電荷効果により電界を歪ませることができる。犠牲フィルタの幅広い安定領域は働き続け、必要な質量／電荷比のほぼ全てのイオンが分析フィルタに透過される。しかし、好都合なことに、分析フィルタ３２中での空間電荷効果は、減少したイオンビーム強度またはイオン電流のために大きく減少し、ビーム中のイオンの大半は犠牲フィルタ中で拒絶された。
【００３４】
さらに、犠牲フィルタは、分析フィルタに比べてより高いイオンエネルギーで動作することができる。イオンが分析フィルタに入射する前に、これらのイオンが犠牲フィルタを透過するときのエネルギーの略１／５まで減速することができる。犠牲フィルタは、増大したビームエネルギーを有する望まざるイオンビーム電流の大半を取り除くように構成されている。
【００３５】
また、高いイオンエネルギーのため、犠牲フィルタのイオンの透過率は相対的に高い。望ましい実施の形態においては、犠牲フィルタは典型的にはイオン電流の９９．９％を除去する。他の方法で言うと、イオンビーム中の０．１％のイオンが犠牲フィルタを透過する。更に望ましくは、非常に高い分解能の用途に対しては、犠牲フィルタは０．０１％の透過率で動作する。その結果、空間電荷効果および望まざる材料の分析フィルタ上での堆積を、９９．９９％のオーダーで、その係数分減少させられる。本発明の実施の形態は、１００ｎＡ以上のイオン電流が存在し、０．１原子質量単位（ａｍｕ）の分解能が必要な場合に特に効果的である。（０．０２ａｍｕのオーダーにおける）非常に高い分解能の本発明の実施の形態が極めて効果的である。
【００３６】
分析フィルタは、各用途に対して十分な分解能を有して動作するように設定されている。この分解能は、典型的には、１ａｍｕから小数部のみの原子質量単位まで選択された質量／電荷比の範囲の端から端までであり得る。分析フィルタの帯域通過の幅は、質量分析計の分解能を決定する。
【００３７】
図２を参照すると、第２の実施の形態が示されている。ここで、この質量分析計５０もイオンビーム源１２、および、必要ならば、ソース真空ポンプ２４を備えている。しかし、この実施の形態においては、犠牲質量フィルタ５２は分析質量フィルタ５４の近くに結合されている。かくして、両フィルタは単一の真空室５６中に配置されている。この配置は、犠牲フィルタが分析フィルタと分離されている図１に示した第１の実施の形態と比較して改善された透過率を提供する。
【００３８】
この装置の別の実施の形態は、真空室システムの範囲内で、追加のフィルタ等を含み得る。これらの追加の要素は、ＭＳ−ＭＳ実験が行われる場合に特に有用である。さらに、追加の多重極構造は、衝突／反応セルまたはイオンガイドを備えた計器中に組み込むことができる。交流電圧のみにより駆動される補助電極も、透過率を改善するために、含められてもよい。これらの追加の要素を犠牲フィルタおよび分析フィルタの間に配置することが望ましい。
【００３９】
四重極に加えて、質量／電荷比の外側のイオンをイオンビームから濾波するために他の多重極の構成を用いることができ、また、分析フィルタおよび犠牲フィルタが同一の棒構成を有することが望ましいが、棒の長さは必ずしも同一である必要はない。１ａｍｕより小さい分解能が必要な場合は、四重極構成中に棒を構成することが好ましい。
【００４０】
（四重極構成の）フィルタの対向する棒は、距離２ｒ0だけ離れている。犠牲フィルタと分析フィルタの双方に対してｒ0は等しくかつ１ｍｍから１５ｍｍの間にあることが好ましい。あるいは、４ｍｍから８ｍｍの間にあることが更に好ましい。犠牲フィルタの棒の長さＬ１はｒ0の１から８０倍であるべきであるが、ｒ0の２から６倍であることが好ましい。分析フィルタの棒の長さＬ２はｒ0の２０〜８０倍であることが望ましい。高い分解能の用途に対しては、（フィルタ中で消費される時間イオンを最大にするための）棒の長さと、与えられた精度に対してどれだけ長く棒を作ることができるか制約する工学的許容度との間での妥協が存在し得る。本出願の優先日においては、Ｌ２に対する最適の長さは２５０ｍｍであり、ｒ0は６ｍｍである。フィルタ棒の製造方法は時間とともに改善され、棒の長さに対する８０ｒ0の上限は制限的であってはならない。
【００４１】
犠牲フィルタを収容する部屋の長さはフィルタ棒の長さより数パーセントだけ長いことが必要である。ただし、追加の要素を収容するためにもっと長くすることができる。
【００４２】
犠牲フィルタ中の全ての棒に印加される直流バイアス（極バイアス）は、分析フィルタ棒の極バイアスとは独立に制御することが好ましい。この方法では、前述した理由により、各フィルタのイオンの運動エネルギーは独立に制御できる。
【００４３】
また、コンデンサ等のＲＦ結合器を介して犠牲フィルタを分析フィルタの電源に接続することが好ましい。かくして、犠牲フィルタは、分析フィルタと同一のＲＦ電圧を有し、それにより追加の電源の必要性を減少させる。したがって、計器の全体のコストを減少させる。この好ましい実施の形態において、犠牲フィルタは異なった分解能で動作するため、分析フィルタの直流ポテンシャルとは異なった直流ポテンシャルを犠牲フィルタは有する。犠牲フィルタの場合は、直流ポテンシャルは低い分解能の質量フィルタに印加されるために、比較的低い精度が要求される。
【００４４】
フィルタの分解能は、ＲＦ対ＤＣ電圧比を変えることにより、制御することができる。非常に高い分解能に対しては、ＲＦ：ＤＣ比は−５．９６３から−５．９５８の間に存在すべきである。犠牲フィルタのこの比は、−５．９８３〜−６．００の間に存在すべきである。（これらの電圧は、ピー・エッチ・ドーソン著「Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｅｌｓｅｖｉｅｒ刊、１９７６年の公式２．１９および２．２０等の公知の公式を用いて、透過したイオンがａｍｕ＝１１５、ｒ0＝６．０ｍｍ、ＶRF＝１２０５．４４Ｖ、ＶDC＝２０２．２４Ｖ、およびＲＦ駆動周波数＝２．０ＭＨｚで、ＲＦ：ＤＣ比が−５．９６で与えられると仮定して、計算される）。
【００４５】
フィルタ室は同一の圧力で１０-3ｍｂａｒ以下で動作することが望ましく、１０-5ｍｂａｒ以下で動作することがより望ましい。
【００４６】
他の実施の形態においては、ＵＳ３，１２９，３２７に開示されたのと類似のシステムである補助棒システムを犠牲フィルタ中の透過の向上に利用してもよい。
【００４７】
本発明の実施の形態は、犠牲フィルタが、分析フィルタにより透過されるイオンとほぼ同じ質量／電荷比を有するイオンを透過させるので、他のシステムから区別される。他の装置は、第１のフィルタ中で親イオンを選択することによって動作し、異なった質量／電荷比の娘イオンは第２のフィルタにより透過されるように以前に提案された。
【００４８】
望ましい実施の形態においては、分析フィルタは分析計の分解能を決定する。イオンビームのスペクトルは、質量／電荷比の所望の範囲を通ってフィルタの帯域通過を走査することにより生じさせることができる。同時に両フィルタを走査してスペクトルを生じさせることが好ましい。この走査は、所定の質量／電荷比の範囲内での円滑走査であることができ、または両フィルタの透過特性がある透過ピークから別のピークに階段状に形成されるジャンプ走査であることができる。このジャンプ走査は、スペクトルの領域が最終ユーザにとって興味のないものである場合に特に有用である。
【００４９】
両フィルタの透過特性は不均一であるように思われるので（すなわち、透過は「シルクハット」上の特性を有しないので）、犠牲フィルタと分析フィルタとの双方を走査することが重要である。この方法において、スペクトルのすべての重要な変化が最小化される。好ましい実施の形態においては、フィルタの透過特性は、フィルタへの電源を走査することにより、質量／電荷比の所望の範囲を横切って走査される。
【００５０】
ＲＦ：ＤＣ比は質量フィルタの帯域通過幅を決定し、その結果、分析フィルタは、犠牲フィルタと比べて異なった適用ＲＦ：ＤＣ比を有する。棒電圧の振幅に対する変化は、フィルタを通って透過する質量／電荷比を変更する。そして、質量／電荷範囲を通って走査するために、分析フィルタの供給が振幅において増大するが、ＲＦ：ＤＣ比は、振幅の増大の間中一定に保たれる。（上述したように）犠牲フィルタのＲＦ供給が分析フィルタに結合される場合は、犠牲フィルタ上のＲＦ信号強度も変調される。かくして、犠牲フィルタの独立したＤＣ供給は変調されて、そのＲＦ：ＤＣを一定に保ちながら質量／電荷範囲の端から端まで犠牲フィルタを走査する。好ましい実施の形態においては、犠牲フィルタは独立したＤＣ供給を有するので、犠牲フィルタのＤＣ供給は、独立した走査装置を用いて取り決められる。この方法において、両者のフィルタの透過特性は、互いに対して移動することなく、興味のある質量／電荷範囲の端から端まで走査される（すなわち、フィルタが質量／電荷比上を走査される割合は、両方のフィルタに対してほぼ同一である）。
【００５１】
フィルタ透過特性が知られている場合、犠牲フィルタにより透過される範囲の端から端までのみ分析フィルタを走査することは望ましいかもしれない。特に、スペクトル範囲が犠牲フィルタの帯域通過以内である場合には、望ましいかもしれない。しかし、不均一な透過特性を補償するために、補償係数が、検出されたスペクトルに付け加えられなければならない。スペクトル範囲が犠牲フィルタの帯域通過よりも幅広い場合には、両フィルタとも走査しなければならないかもしれない。この場合には、犠牲フィルタは粗く走査され、一方分析フィルタは精細に走査されてスペクトルを生じることができる。
【００５２】
検出器と走査制御器とはコンピュータにより制御することが望ましい。それにより、スペクトルを捕獲して自動化することができる。適切な検出器と走査制御手段とがこの技術分野で公知である。
【００５３】
図１および２は共通軸上のフィルタを示しているが、分析フィルタを犠牲フィルタに対して軸をずらせて構成することが望ましいかもしれない。その結果、犠牲フィルタから検出器までの分析フィルタを介した見通し経路が存在しなくなる。このことは、検出器の背景計数率を減少させる利点を有している。このような背景計数は、このフィルタシステムを通過する中性化学種の結果として存在することがある。勿論、当業者は、中性化学種が、フィルタの四重極場により影響を受けずに、フィルタを通って真っ直ぐに通過することをよく理解する。犠牲フィルタと分析フィルタとを、間に異なったイオン光学素子を配置して、互いの軸を変位させる方法がいくつか存在する。別の配置の一つは、犠牲フィルタの軸が、分析フィルタ段のほぼ入り口で分析フィルタに対してある角度で分析フィルタの軸と交差するように犠牲フィルタの軸を配置することであろう。
【００５４】
本発明の範囲内の別の実施の形態は当業者により予見されるであろう。例えば、質量分析計の性能特性を改善するために２以上の分析フィルタまたは犠牲フィルタを有することは望ましいかもしれない。また、犠牲フィルタおよび分析フィルタの間に対となるように他の要素を配してもよいかもしれない。これらの２つの質量フィルタは近くに配置する必要はない。勿論、本発明は、四重極質量フィルタ構成に限定されるものではない。他のフィルタ構成を、本発明の範囲内で実施の形態に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
本発明の実施の形態が、実施例により及び添付の図面を参照してここで説明される。そこにおいて、
【図１】本発明の実施の形態の高度に概略化した表現の図である。
【図２】本発明の他の実施の形態の高度に概略化した表現の図である。
【図１】
2005534140.tif 000003
【図２】
2005534140.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月8日(2004.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
ＥＰ１１１４４３７は、イオンビームからイオンを除去して、衝突室のガスの負荷を減少するための方法と装置とを開示している。ガス負荷の減少により、衝突室中での望まざる人工のイオンの形成または再形成が最小化される。


【国際調査報告】
2005534140.tif 000005
2005534140.tif 000006
2005534140.tif 000007