(57)【要約】【課題】直流高電圧電源の出力抵抗が大きい場合でも、容量性の負荷に印加する高電圧パルスの立ち上がりを高速化する。【解決手段】高電圧スイッチング回路１１２において、負荷１０へ印加する高電圧のオン・オフを切り替えるスイッチ１１５の入力端とＧＮＤとの間にキャパシタ１１４を設ける。出力電圧ターンオン時に第１スイッチ１１５をオフ→オン、第２スイッチ１１６をオン→オフに切り替えると、その直前にキャパシタ１１４に蓄えられていた電荷が短時間で負荷容量１００に移動し、負荷１０の電位が上昇する。そのあと、負荷容量１００は直流高電圧電源１１０による電圧によって充電され、それにより出力電圧はＲ1×（Ｃ1＋Ｃ2）の時定数で緩やかに上昇し、やがて定常電圧に達する。キャパシタ１１４の電荷によりターンオン直後に負荷容量１００を充電するので、高電圧パルスの立ち上がりは高速化される。【選択図】図２
2015159051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流高電圧電源による電圧をスイッチングして高電圧パルスを生成し容量性である負荷に供給する高電圧電源装置において、
a)前記直流高電圧電源の出力端から前記負荷に至る線路を開閉する第１スイッチと、
b)前記第１スイッチの出力端と共通線路との間を開閉する第２スイッチと、
c)前記第１スイッチの入力端と前記共通線路との間に接続されたキャパシタと、
d)前記負荷に高電圧パルスを印加する際に、前記第１スイッチをオフからオンに切り替えるとともに前記第２スイッチをオンからオフに切り替え、前記負荷への高電圧パルスの印加を停止する際に、前記第１スイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第２スイッチをオフからオンに切り替える制御部と、
を備え、前記負荷に高電圧パルスを印加するべく前記第１及び第２スイッチを切り替えた直後に、その直前まで前記キャパシタに保持されていた電荷を、オンした前記第１スイッチを通して前記負荷の容量に供給して該容量を充電するようにしたことを特徴とする高電圧電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高電圧電源装置を用いた質量分析装置であって、
イオン源として、エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源又は大気圧化学イオン化法によるイオン源の少なくともいずれか一方と、探針エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源とを具備し、該探針エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源の構成要素である針電極を前記負荷とするとともに、前記直流高電圧電源による電圧が前記エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源の構成要素であるスプレーノズル又は前記大気圧化学イオン化法によるイオン源の構成要素であるコロナ放電用針電極に印加され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】
本発明は高電圧電源装置及び該装置を用いた質量分析装置に関し、さらに詳しくは、容量性の負荷に対してパルス状の高電圧を印加するための高電圧電源装置及び該装置を用いた質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体クロマトグラフ（ＬＣ）と質量分析装置（ＭＳ）とを組み合わせた液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ−ＭＳ）では、液体クロマトグラフのカラムから溶出した試料液中の成分を略大気圧の下でイオン化するために、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法や大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法などの大気圧イオン化法によるイオン源が使用されている。ＥＳＩイオン源とＡＰＣＩイオン源とではイオン化され易い化合物が異なるため、通常、分析対象の試料の種類や分析目的などによってイオン化法の使い分けが行われる。これに対応するため、ＥＳＩ法によるイオン化とＡＰＣＩ法によるイオン化とを選択的に実行可能とした構造のイオン源が知られている（特許文献１など参照）。
【０００３】
分析対象の試料の多様化、或いは分析精度やスループットの改善などに対応するために、近年、新たな大気圧イオン化法が開発され実用に供されている。非特許文献１等に記載の探針エレクトロスプレーイオン化（ＰＥＳＩ＝Probe Electrospray Ionization）法はそうした方法の一つである。ＰＥＳＩ法では、例えば、試料の上方に上下動可能に設置した針電極を降下させ、その針電極の先端を試料に接触させ又は僅かに刺入させて、試料の一部を針電極先端に付着させる。そのあと、針電極を引き上げて試料から離間させ、該針電極に高電圧電源装置から高電圧を印加する。すると、針電極先端の試料に強い電場が作用してエレクトロスプレー現象が生じ、試料分子が試料から離脱しながらイオン化する。こうして生成されたイオンを収集して後段の真空室へと輸送し質量分析に供する。
【０００４】
上記ＰＥＳＩ法によれば、例えば生体組織から切り出した生体切片などの試料を前処理することなく質量分析することができる。また例えば、試料を載置したステージを２次元的に移動する毎に、針電極の上下動による試料の採取及び該針電極への高電圧の印加を繰り返すことで、試料の２次元的な質量分布情報を得ることができる。
【０００５】
こうしたＰＥＳＩ法によるイオン化と上述したＥＳＩ法やＡＰＣＩ法によるイオン化とを選択的に行いたい場合に、それらイオン化法ではいずれも最大で数kV程度の高電圧が必要であるため、高電圧電源装置を共用することがコストや装置の小型軽量化などの点で有利である。ただし、通常、ＥＳＩイオン源やＡＰＣＩイオン源では液体クロマトグラフのカラム等から連続的に供給される試料液中の試料成分をイオン化するために高電圧を連続的にスプレーノズル等に印加するのに対し、上記のような繰り返し測定を行うＰＥＳＩイオン源では、針電極に印加する高電圧をオン・オフさせる必要がある。そのため、ＰＥＳＩ法によるイオン化の際には、直流高電圧をスイッチングして高電圧パルスを生成する高電圧スイッチング回路が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２９７１１２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】竹田  扇、ほか７名、「質量分析法と統計的学習機械を組み合わせた新規がん診断支援装置」、島津評論編集部、島津評論、第69巻、第3・4号、2013年3月29日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に上記のような高電圧スイッチング回路には高耐圧のＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子が利用される。しかしながら、ＥＳＩイオン源やＡＰＣＩイオン源のための直流高電圧電源から出力される高電圧を単にスイッチングしただけでは、次のような問題がある。
【０００９】
即ち、ＥＳＩ法やＡＰＣＩ法によるイオン化ではスプレーノズルやコロナ放電用の針電極に高電圧を印加すると、導電性の高い試料溶液の噴霧流を通して放電電流が流れる。そこで、通常、この放電を安定化するために、直流高電圧電源の出力抵抗として数十MΩの高抵抗が用いられている。この構成では、例えば試料溶液の噴霧量が増加して放電電流が増加すると、直流高電圧電源の出力抵抗による電圧降下が大きくなる。その結果、ＥＳＩイオン源のスプレーノズル等に印加される電圧が下がり、放電を安定化することができる。
【００１０】
一方、ＰＥＳＩ法によるイオン化の際には、試料が表面に付着した針電極に大気雰囲気中で高電圧を印加するため、ＥＳＩイオン源やＡＰＣＩイオン源に比べると放電電流は格段に小さい。そのため、ＰＥＳＩイオン源における針電極、つまり高電圧電源装置の負荷は、単純な容量（キャパシタンス）であるとみなすことができる。この容量は主として、高電圧電源装置と針電極とを接続する高耐圧ケーブル線の浮遊容量である。これは数十pF〜数百pF程度の僅かな容量であるものの、上記のように出力抵抗が数十MΩと大きな高電圧電源装置にこうした容量性の負荷が接続されると、その抵抗と容量とのＲＣ回路の時定数によって、針電極に印加される高電圧パルスの立ち上がり時間はmsecのオーダーとなってしまう。針電極に印加される高電圧パルスの時間幅が短い場合、高電圧パルスの立ち上がりが遅れると、針電極先端の試料に高電圧が印加される時間が短すぎてイオンの生成効率が低下したり、極端な場合には、エレクトロスプレーに必要な電圧にまで達せずにイオンが生成されなかったりするおそれがある。
【００１１】
本発明はこうした課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、直流高電圧電源の出力抵抗が大きく、しかも高電圧パルスを印加する対象である負荷が容量性であっても、立ち上がり特性の良好な高電圧パルスを負荷に供給することができる高電圧スイッチング回路を備えた高電圧電源装置及び該装置を用いた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】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明は、直流高電圧電源による電圧をスイッチングして高電圧パルスを生成し容量性である負荷に供給する高電圧電源装置において、
a)前記直流高電圧電源の出力端から前記負荷に至る線路を開閉する第１スイッチと、
b)前記第１スイッチの出力端と共通線路との間を開閉する第２スイッチと、
c)前記第１スイッチの入力端と前記共通線路との間に接続されたキャパシタと、
d)前記負荷に高電圧パルスを印加する際に、前記第１スイッチをオフからオンに切り替えるとともに前記第２スイッチをオンからオフに切り替え、前記負荷への高電圧パルスの印加を停止する際に、前記第１スイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第２スイッチをオフからオンに切り替える制御部と、
を備え、前記負荷に高電圧パルスを印加するべく前記第１及び第２スイッチを切り替えた直後に、その直前まで前記キャパシタに保持されていた電荷を、オンした前記第１スイッチを通して前記負荷の容量に供給して該容量を充電するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
本発明に係る高電圧電源装置において、第１及び第２スイッチは高耐圧（つまりは電力用）の半導体スイッチング素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴである。また、上記共通線路は典型的にはＧＮＤ線路である。また、上記キャパシタはコンデンサ素子であってもよいが、例えばケーブル線などの浮遊容量を用いることもできる。
【００１４】
本発明に係る高電圧電源装置において、制御部の制御の下で、第１スイッチがオフ状態、第２スイッチがオン状態であるときには、第２スイッチを通して負荷は共通線路に接続されるため、負荷の容量に蓄積されていた電荷は放電され、負荷の電位は共通線路の電位と等しくなる。一方、このとき、キャパシタには直流高電圧電源による電圧が印加されているため、該キャパシタは充電された状態である。こうした状態から、制御部が、第１スイッチをオンに切り替えるとともに第２スイッチをオフに切り替えると、まずその直前までキャパシタに保持されていた電荷が第１スイッチを通して負荷容量に供給され、該容量は充電される。このときの電荷の供給は直流高電圧電源の出力抵抗の影響を受けないので、この充電に相当する電圧まで負荷に掛かる電圧は迅速に立ち上がる。
【００１５】
引き続いて、直流高電圧電源による電圧が第１スイッチを通して負荷に印加される。この電圧の立ち上がりは、直流高電圧電源の出力抵抗と負荷容量及びキャパシタの容量とからなるＲＣ回路の時定数により緩やかになるが、負荷容量は先に或る程度充電されているため、所定の電圧値までの立ち上がり時間はキャパシタによる充電がない場合に比べて確実に短縮される。即ち、本発明に係る高電圧電源装置では、立ち上がりの迅速な高電圧パルスを負荷に印加することができる。
なお、直流高電圧電源による電圧の極性は正、負いずれでもよく、電圧の立ち上がりとは、電圧の絶対値が小さい状態から大きくなるときの変化のことをいう。
【００１６】
本発明に係る高電圧電源装置は、例えば数百Ｖ程度から数kV程度、或いはさらに大きな電圧値である高電圧パルスを必要とする様々な装置に利用することができるが、特に、直流高電圧電源の出力抵抗を大きくする必要があり、且つ容量性の負荷に高電圧パルスを印加する必要がある装置に有用である。上述したように、ＥＳＩ法やＡＰＣＩ法によるイオン化を行う場合には、大きな出力抵抗を通してこれらイオン化を行うイオン源に直流高電圧を印加する必要があり、一方、ＰＥＳＩ法によるイオン化を行う場合には、容量性の負荷に高電圧パルスを印加する必要がある。そこで、本発明に係る高電圧電源装置は、ＥＳＩ法やＡＰＣＩ法によるイオン化とＰＥＳＩ法によるイオン化とを切り替えて実行可能であるイオン源を搭載した質量分析装置に好適である。
【００１７】
即ち、上記発明に係る高電圧電源装置を用いた、本発明に係る質量分析装置は、イオン源として、ＥＳＩ法によるイオン源又はＡＰＣＩ法によるイオン源の少なくともいずれか一方と、ＰＥＳＩ法によるイオン源とを具備し、該ＰＥＳＩ法によるイオン源の構成要素である針電極を前記負荷とするとともに、前記直流高電圧電源による電圧が前記ＥＳＩ法によるイオン源の構成要素であるスプレーノズル又は前記ＡＰＣＩ法によるイオン源の構成要素であるコロナ放電用針電極に印加されることを特徴としている。
【００１８】
ここでＰＥＳＩ法によるイオン源は、針電極と、該針電極の先端に試料を付着させるべく該針電極又は試料の少なくとも一方を移動させる移動部と、を含む構成である。この構成において、移動部により針電極又は試料の少なくとも一方を移動させて、針電極の先端を試料に接触させ又は僅かに刺入させ、針電極先端に試料の一部を付着させる。そのあと、試料から離間させた針電極に高電圧パルスを印加し、針電極に付着している試料中の成分をイオン化する。本発明に係る質量分析装置では、このときに針電極に印加される高電圧パルスの立ち上がりを迅速にすることができるので、高電圧パルスの時間幅を狭くしておいても、エレクトロスプレーに必要な電圧を確実に針電極に印加することができる。それによって、ＰＥＳＩ法によるイオン生成効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る高電圧電源装置によれば、直流電圧を発生する直流高電圧電源の出力抵抗が大きくても、容量性の負荷に印加する高電圧パルスを高速に立ち上げることができる。それにより、例えば高電圧パルスのパルス幅を狭くしても、確実に所定の電圧値（パルス高）のパルスを印加することができる。さらにまた、それによって、高電圧パルスの発生周期を短くすることもできる。
【００２０】
また本発明に係る高電圧電源装置を用いた質量分析装置によれば、ＰＥＳＩイオン源の針電極に印加する高電圧パルスのパルス幅を狭くしても十分な量のイオンを生成することができる。また、それによって、ＰＥＳＩイオン源を用いた質量分析の測定の繰り返し周期を短くして、測定の効率を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る高電圧電源装置を用いた質量分析装置の一実施例の概略構成図。
【図２】本発明に係る高電圧電源装置の一実施例の概略構成図。
【図３】本実施例の高電圧電源装置の動作説明図。
【図４】本実施例の高電圧電源装置の出力電圧波形の実測図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る高電圧電源装置の一実施例、及びこの装置を用いた質量分析装置の一実施例について、図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る高電圧電源装置を用いた質量分析装置の一実施例の概略構成図である。
【００２３】
この質量分析装置は、大気圧の下で試料中の成分のイオン化を行うイオン化室１と高真空度の下でイオンの質量分離及び検出を行う分析室４との間に、段階的に真空度が高められた複数（この例では二つ）の中間真空室２、３を備えた多段差動排気系の構成である。図１では、略大気圧に維持されるイオン化室１内にＰＥＳＩイオン化ユニットＡが備えられているが、このイオン化ユニットはＥＳＩイオン化ユニット等の別のイオン化ユニットＢに交換可能である。
【００２４】
ＰＥＳＩイオン化ユニットＡは、試料９が載置される試料ステージ８と、試料ステージ８上の空間に配置された針電極１０と、所定位置にある針電極１０の先端付近に溶媒を噴射するノズル７と、を含む。針電極１０は、モータや減速機構或いはアクチュエータなどを含むＺ方向駆動部１２により、図中のＺ軸方向に移動可能である。また、高電圧発生部１１から針電極１０には、最大で数kV程度の高電圧が印加される。一方、試料ステージ８は、モータや減速機構などを含むＸ−Ｙ方向駆動部１３により、図中のＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。それによって、針電極１０が降下したときに、該針電極１０の先端が接触する試料９表面上の位置はＸ−Ｙ平面内で任意に移動可能である。溶媒容器５中には、水、アルコール類、アセトニトリルなど所定の溶媒が貯留され、送液ポンプ６が作動すると該ポンプ６により略一定流量で溶媒容器５中から吸引された溶媒が、ノズル７から微細液滴として噴出される。
【００２５】
イオン化室１内と第１中間真空室２内とは細径の脱溶媒管１４を通して連通しており、脱溶媒管１４の両端開口の圧力差によって、イオン化室１内のガスは脱溶媒管１４を通して第１中間真空室２内へと引き込まれる。第１中間真空室２内には、イオン光軸Ｃに沿って配列された複数枚の円板状の電極板を一つの仮想的ロッド電極とし、イオン光軸Ｃの周りに四つの仮想的ロッド電極を配置したＱアレイと呼ばれる第１イオンガイド１５が設置されている。第１中間真空室２内と第２中間真空室３内とはスキマー１６の頂部に形成された小径のオリフィスを通して連通している。第２中間真空室３内には、イオン光軸Ｃの周りに８本のロッド電極を配置したオクタポール型の第２イオンガイド１７が設置されている。最後段の分析室４内には、イオン光軸Ｃの周りに４本のロッド電極を配置した四重極マスフィルタ１８と、到達したイオンの量に応じた信号を出力する検出器１９とが配置されている。第１イオンガイド１５、第２イオンガイド１７、四重極マスフィルタ１８、さらには信号線の記載を省略しているものの、脱溶媒管１４やイオン検出器１９などの各部には、電圧発生部２０よりそれぞれ所定の電圧が印加される。
【００２６】
制御部２２は試料９に対する質量分析を実行するために、高電圧発生部１１、Ｚ方向駆動部１２、Ｘ-Ｙ方向駆動部１３、電圧発生部２０などをそれぞれ制御する。また、イオン検出器１９による検出信号はデータ処理部２１に入力され、ここでデジタルデータに変換されたあとに所定のデータ処理が実行される。制御部２２にはユーザインターフェイスを担う入力部２３や表示部２４が接続されている。
【００２７】
この質量分析装置において、目的とする試料９に対するマススペクトルデータを取得する際の質量分析動作について概略的に説明する。ここで分析対象とする試料９は、例えば被検者から採取された細胞組織などである。
【００２８】
図１に示すように、試料９が試料ステージ８上に載置された状態で、制御部２２の制御の下にＺ方向駆動部１２は針電極１０を、その先端が試料９の上面に僅かに接触する位置（図１中の点線の位置）まで降下させ、次いで針電極１０を所定位置（図１中の実線の位置）まで上昇させる。これにより、針電極１０の先端には試料９のごく一部が付着する。試料ステージ８上の試料を符号９、針電極１０に付着した試料を符号９ａで記す。Ｘ-Ｙ方向駆動部１３により試料ステージ８を適宜移動させることで、試料９の面上で針電極１０により試料９ａが採取される部位を任意に変更することができる。
【００２９】
そのあと、高電圧発生部１１は針電極１０に所定の高電圧パルスを印加し、同時に、送液ポンプ６の動作によりノズル７から微細化された溶媒液滴を針電極１０先端に向けて噴射させる。なお、針電極１０に印加される高電圧の極性は分析対象の成分の種類などに依存する。針電極１０先端に高電圧パルスが印加されると、付着している試料９ａ中に大きな電場が作用し、クーロン斥力等により試料９ａは片寄った電荷を有しながら脱離する。その過程で、試料分子がイオン化される。発生したイオンは、上述したように圧力差によって生じているガスの流れに乗って脱溶媒管１４中に吸い込まれ、第１中間真空室２内に送られる。
【００３０】
針電極１０に付着した試料９ａは乾燥し易いが、ノズル７から溶媒を噴霧することによって針電極１０の表面で試料９ａを溶解させつつ又は適度な湿り気を保持させつつ良好にイオン化することができる。また、溶媒の供給によってエレクトロスプレーを緩慢に行うようにすることができるので、試料９ａに複数の成分が含まれる場合でも、イオン化し易い成分のイオン化を遅らせながら複数の成分を漏れなくイオン化することができる。
【００３１】
第１中間真空室２に送り込まれた試料９ａ由来のイオンは第１イオンガイド１５により形成される高周波電場で収束されつつ輸送され、スキマー１６頂部のオリフィスを経て第２中間真空室３へ送られる。さらに、イオンは第２イオンガイド１７により形成される高周波電場で収束されつつ分析室４へと送られる。四重極マスフィルタ１８には電圧発生部２０から直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加され、その電圧に応じた質量電荷比m/zを有するイオンのみが四重極マスフィルタ１８の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量電荷比のイオンは途中で発散する。電圧発生部２０から四重極マスフィルタ１８に印加される電圧は所定の範囲で走査され、その走査に伴い四重極マスフィルタ１８を通過し得るイオンの質量電荷比は所定範囲で走査される。したがって、１回の電圧走査の間にイオン検出器１９に到達するイオンの強度を時間経過に伴って測定することで、所定の質量範囲のイオン強度情報、つまりはマススペクトル情報を得ることができる。
【００３２】
データ処理部２１は上記のようなマススペクトルデータを収集し、これをデータ記憶装置に格納する。なお、同じ質量電荷比範囲を複数回走査し、各走査でそれぞれ得られたデータを質量電荷比毎に積算してマススペクトルデータとしてもよい。
以上のようにして、この質量分析装置では、試料９上のごく微小な特定部位のマススペクトルデータを得ることができる。同じ試料９に対し異なる部位のマススペクトルデータを得たい場合には、Ｘ-Ｙ方向駆動部１３により試料ステージ８を適宜移動させつつ、Ｚ方向駆動部１２により針電極１０を降下させて試料９に接触させ、針電極１０先端に試料９の一部を付着させて、上述したようなイオン化及び質量分析を行えばよい。
【００３３】
上述したように、イオン化に際し高電圧発生部１１は針電極１０に高電圧パルスを印加する。この高電圧発生部１１が本発明に係る高電圧電源装置の一実施例である。
図２は高電圧発生部１１の概略構成図である。
この高電圧発生部１１は、最大数kV程度（極性は正、負切替可能）の直流高電圧を出力する直流高電圧電源１１０と、高電圧スイッチング回路１１２と、を含む。この直流高電圧電源１１０はＰＥＳＩイオン化ユニットＡの代わりに装着されるＥＳＩイオン化ユニット、やＡＰＣＩイオン化ユニットであるイオン化ユニットＢへ直流高電圧を印加するのにも利用される。即ち、直流高電圧電源１１０は複数のイオン化ユニットに共用される。一方、高電圧スイッチング回路１１２はＰＥＳＩイオン化ユニットＡのみに使用される。
上述したような理由により、直流高電圧電源１０の出力抵抗１１の抵抗値Ｒ1は数MΩ以上である。
【００３４】
高電圧スイッチング回路１１２は、入力端１１７から入力される直流高電圧を分圧するために、一端が入力端１１７に接続され、他端がＧＮＤに接続された、抵抗値がＲ2である抵抗器１１３と、抵抗器１１３と並列に接続された、キャパシタンスがＣ1であるコンデンサ１１４と、一端が入力端１１７に、他端が出力端１１８に接続された第１スイッチ１１５と、一端が出力端１１８に、他端がＧＮＤに接続された第２スイッチ１１６と、を含む。第１スイッチ１１５及び第２スイッチ１１６はいずれも電力用ＭＯＳＦＥＴ等の高耐圧の半導体スイッチング素子であり、制御部２２からの制御信号によりオン及びオフが切り替わるように駆動される。高電圧スイッチング回路１１２の出力端１１８には高耐圧ケーブル線を介して針電極１０が接続される。この高耐圧ケーブル線は浮遊容量を有するが、この容量は出力端１１８からみると負荷容量と同じであるから、図２では、これをキャパシタンスがＣ2である負荷容量１００として記載してある。
【００３５】
なお、抵抗器１１３は原理的には必須な構成要素ではない。この例では、直流高電圧電源１１０の最大出力電圧が約５kVであるのに対し、第１、第２スイッチ１１５、１１６の耐圧が４kV程度であるため、抵抗器１１３を用いてスイッチ１１５、１１６に印加される電圧を抑えている。スイッチ１１５、１１６の耐圧が十分に高い場合、或いは直流高電圧電源１１０の最大出力電圧自体が低ければ抵抗器１１３は不要である。また、コンデンサ１１４は独立した回路素子ではなく、直流高電圧電源１１０と高電圧スイッチング回路１１２との間を接続するケーブル線などの浮遊容量で以て置き換えることも可能である。
【００３６】
この高電圧発生部１１の特徴的な動作を図３を参照して説明する。
第１スイッチ１１５がオン状態、第２スイッチ１１６がオフ状態であるとき、高電圧発生部１１から針電極１０には高電圧が印加されている。出力電圧をターンオフする場合、制御部２２からの指示により、第１スイッチ１１５はオン→オフ、第２スイッチ１１６はオフ→オンに切り替わる。すると、図３（ａ）に示すように、一端がＧＮＤに接続されている負荷容量１００の他端は第２スイッチ１１６を通してＧＮＤに接続されるため、その直前まで負荷容量１１０に充電されていた電荷は第２スイッチ１１６を通して放電される。これにより、出力電圧は短時間で低下し、負荷、つまり針電極１０の電位はＧＮＤレベルとなる。即ち、高電圧パルスの立ち下がりは迅速である。
【００３７】
なお、当然のことながら、両スイッチ１１５、１１６が同時にオン状態となると、直流高電圧電源１１０の出力が短絡してしまうため、これを回避するべく、両スイッチ１１５、１１６が同時にオンしないようにオン・オフの切替タイミングは適切に調整されている。これは次の出力電圧ターンオン時も同様である。
【００３８】
出力電圧ターンオン時には、制御部２２からの指示により、第１スイッチ１１５はオフ→オン、第２スイッチ１１６はオン→オフに切り替わる。この出力電圧ターンオン時の動作は２段階に分けて説明できる。
出力電圧ターンオン時の直前、つまり二つのスイッチ１１５、１１６が図３（ａ）に示す状態にあるとき、コンデンサ１１４の両端の電圧ＶAは次の(1)式で示される。
ＶA＝｛Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2）｝ＶE      …(1)
ここで、ＶEは直流高電圧電源１１０の出力電圧である。上述したように、このとき負荷容量１００の両端電圧は０Ｖである。この状態から出力電圧をターンオンすると、図３（ｂ）に示すように、コンデンサ１１４に充電されている電荷が第１スイッチ１１５を通して短時間で負荷容量１００に移動する。この移動後のコンデンサ１１４及び負荷容量１１０の両端の電圧ＶBは次の(2)式で示される。
ＶB＝｛Ｃ1／（Ｃ1＋Ｃ2）｝ＶA      …(2)
これが、出力電圧立ち上がり動作の第１段階である。
【００３９】
次に、図３（ｃ）に示すように、コンデンサ１１４及び負荷容量１１０はいずれも直流高電圧電源１１０による電圧によって充電され、それにより出力電圧はＲ1×（Ｃ1＋Ｃ2）の時定数で緩やかに上昇する。そして、最終的に定常電圧ＶAに達する。これが出力電圧立ち上がり動作の第２段階である。
いま、第２段階の出力電圧Ｖo(ｔ)、及び通過電流Ｉ1、Ｉ2を図３（ｄ）のように定義すると、
ＶE＝（Ｉ1＋Ｉ2）Ｒ1＋Ｖo(ｔ)      …(3)
ただし、Ｉ1＝（Ｃ1＋Ｃ2）（ｄＶo(ｔ)／ｄｔ）、Ｉ2＝Ｖo(ｔ)／Ｒ2
と表される。(3)式の微分方程式を初期条件Ｖo(ｔ)＝ＶB（ただしｔ＝０のとき）で解くと(4)式となる。
Ｖo(ｔ)＝ＶA［１−（Ｃ2×Ｐ）exp｛−Ｐｔ（（１／Ｒ1）＋（１／Ｒ2））｝］      …(4)
ただし、Ｐ＝１／（Ｃ1＋Ｃ2）
【００４０】
図４は、図２に示した回路によりＰＥＳＩイオン源の針電極に印加される電圧を実測した波形である。
この実測波形から、本実施例の高電圧発生部１１では、直流高電圧電源１１０の出力抵抗が大きく、負荷が容量性であっても、該負荷に印加する高電圧パルスの立ち上がりが高速化できていることが確認できる。
【００４１】
なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加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。例えば、上記実施例の高電圧電源装置は質量分析装置におけるイオン源の電源のみなず、同様に高電圧パルスが必要な各種の装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…イオン化室
５…溶媒容器
６…送液ポンプ
７…ノズル
８…試料ステージ
９…試料
１０…針電極
１１…高電圧発生部
１２…Ｚ方向駆動部
１３…Ｙ方向駆動部
２２…制御部
１００…負荷容量
１１０…直流高電圧電源
１１１…出力抵抗
１１２…高電圧スイッチング回路
１１３…抵抗器
１１４…コンデンサ
１１５、１１６…スイッチ
１１７…入力端
１１８…出力端
【図１】
2015159051.tif 000003
【図２】
2015159051.tif 000004
【図３】
2015159051.tif 000005
【図４】
2015159051.tif 000006