(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で温度ドリフトを阻止でき、かつ軽量な飛行時間型質量分析装置を提供する。【解決手段】外部イオン源と、外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートと、グリッドとにより構成されるイオン溜と、グリッドを介して取り出されたイオンが内部を飛行する飛行管を含む飛行時間型分光部と、飛行時間型分光部を出射したイオンを検出するイオン検出器とを備えた飛行時間型質量分析装置において、前記飛行管を第１の金属で作り、該飛行管の少なくとも一端を構成する壁部を摺動可能な嵌め合い構造にして、温度変化に伴う飛行管の軸方向の伸縮を吸収できる構造にするとともに、該飛行管を保持して該飛行管内のイオンの飛行距離を規定する型枠部材を第１の金属よりも線膨張係数の小さい第２の金属で構成した。【選択図】図４
2008135192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートと、グリッドとにより構成されるイオン溜と、
グリッドを介して取り出されたイオンが内部を飛行する飛行管を含む飛行時間型分光部と、
飛行時間型分光部を出射したイオンを検出するイオン検出器と
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記飛行管を第１の金属で作り、該飛行管の少なくとも一端を構成する壁部を摺動可能な嵌め合い構造にして、温度変化に伴う飛行管の軸方向の伸縮を吸収できる構造にするとともに、該飛行管を保持して該飛行管内のイオンの飛行距離を規定する型枠部材を第１の金属よりも線膨張係数の小さい第２の金属で構成したことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２】
前記第１の金属は、アルミ系合金であることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項３】
前記第２の金属は、インバー系合金であることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源により生成された試料イオンを分析する飛行時間型質量分析装置に関し、特に環境温度が変化しても測定されるイオンの質量電荷比の値に誤差を生じない飛行時間型質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分離して、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分離する飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight ＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。直交加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた中間室１１と、収束レンズおよび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレクトロン８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。
【０００５】
このような構成において、外部イオン源１において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオンは、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束され、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入される。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、この第３のオリフィス１２によって、丸い一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。
【０００６】
測定室１３の入口には、収束レンズと偏向器とから成るレンズ群６、および図示しない入射ビーム規制スリットが設置されている。測定室１３に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビームの拡散や偏向を是正され、入射ビーム規制スリットでビームの断面形状を整えられた後、ランチャー７に導入される。ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置されている。
【０００７】
イオンビームは、最初、図２に示すように、２０〜５０ｅＶの低エネルギー状態で、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５および加速レンズ１６によって挟まれたイオン溜１７に向けて、平行に進入する。イオン溜１７内を平行に移動する一定の長さを持ったイオンビーム１８は、イオン押し出しプレート１４に、図３に示すような、イオンの極性と同じ極性の、数ｋＶ程度のパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｘ軸方向）とは垂直な方向（Ｚ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパルス１９となって、イオン溜１７と対向する位置に設けられた図示しないリフレクトロンに向けて飛行を開始する。
【０００８】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室１３に導入されたときのＸ軸方向の速度と、それとは垂直な方向にイオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズによって与えられたＺ軸方向の速度とが足し合わされるため、完全なＺ軸方向ではなく、わずかに斜めを向いたＺ軸方向に飛行し、リフレクトロン８で反射されて、イオン検出器９に到達する。
【０００９】
イオンの加速の過程では、イオンの質量の大小にかかわらず、同じ電位差がイオンに作用するため、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなる。その結果、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分離することができる。
【００１０】
このようにして、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、イオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズから成るランチャー７によってパルス状に加速することにより、連続型のイオン源を、パルス状のイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに適用することができる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−６８２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
飛行時間型質量分析装置の分析精度は、飛行管の長さの精度によって決まる。その理由を図３に基づいて説明する。
【００１３】
イオン源で生成したイオンは、イオン源ケーシングＡを通過して、本体ケーシングＦ内のＯＡブロックＧから直交方向に出射されると、飛行管Ｉ’内を飛行して、底部フランジＭに取り付けられたリフレクトロンＫによって反射されて、イオン検出器Ｅに到達する。そのときのイオンの飛行時間は、飛行管Ｉ’の長さＹにより決まり、Ｙが変化すれば飛行時間も変化する。
【００１４】
イオンが通過するイオン源ケーシングＡ、本体ケーシングＦ、飛行管Ｉ’内はいずれも真空であり、真空容器に適した金属材料で構成される必要がある。また、周囲温度等の影響により飛行管Ｉ’の温度が変化すると、材料の線膨張係数に比例してＹの変化が大きくなり、イオンの飛行時間が温度ドリフトして、測定データに「マスずれ」を生じる。
【００１５】
このため、飛行管Ｉ’の材料には、アルミ系合金よりも線膨張係数の小さいＳＵＳ系金属を用いるとともに、更に温度ドリフト対策として、飛行管Ｉ’の外壁に温度検出器Ｊ’を複数個取り付け、温度を常時測定しながら温度変化によるＹの変化を補正するプログラムをコンピュータに組み込んである（特許文献１）。
【００１６】
ところが、このような温度ドリフト対策では、温度検出器取り付け金具、電気回路、および補正プログラムが必要となる。また、飛行管Ｉ’の材料はＳＵＳ材のために重たく、その両端には固定フランジ（１）＆（２）Ｏを溶接する手間が必要となる。
【００１７】
また、温度ドリフト対策の他の方法として、飛行管Ｉ’の材料に、線膨張係数が極めて小さいインバー系合金を用いる方法もあるが、大口径のインバー材を汎用材として市場から入手することは困難であり、実用化に向いていない。
【００１８】
このことから、従来の方法で温度ドリフトによる「マスずれ」対策を施して正確な測定を行なえるＴＯＦＭＳを商品化するには、コストが嵩み、また、アルミ材が使えないため装置の軽量化も困難となるという問題があった。
【００１９】
また、他の例として、本体ケーシング内および飛行管内のＯＡブロック、リフレクトロン、イオン検出器等の構造物を上部フランジからインバー系合金の棒材で懸架する方法も可能であるが、この方法ではリフレクトロンやイオン検出器（リニア型ＴＯＦＭＳの場合）まで支点が長くなるため、剛性に欠け、横方向からの力や振動に弱く、かつ装置の水平方向設置においては自重による撓み等の問題を生じやすいという問題があった。
【００２０】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、簡単な構成で温度ドリフトを阻止でき、かつ軽量な飛行時間型質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この目的を達成するため、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置は、
外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートと、グリッドとにより構成されるイオン溜と、
グリッドを介して取り出されたイオンが内部を飛行する飛行管を含む飛行時間型分光部と、
飛行時間型分光部を出射したイオンを検出するイオン検出器と
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記飛行管を第１の金属で作り、該飛行管の少なくとも一端を構成する壁部を摺動可能な嵌め合い構造にして、温度変化に伴う飛行管の軸方向の伸縮を吸収できる構造にするとともに、該飛行管を保持して該飛行管内のイオンの飛行距離を規定する型枠部材を第１の金属よりも線膨張係数の小さい第２の金属で構成したことを特徴している。
【００２２】
また、前記第１の金属は、アルミ系合金であることを特徴としている。
【００２３】
また、前記第２の金属は、インバー系合金であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の飛行時間型質量分析装置によれば、
外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートと、グリッドとにより構成されるイオン溜と、
グリッドを介して取り出されたイオンが内部を飛行する飛行管を含む飛行時間型分光部と、
飛行時間型分光部を出射したイオンを検出するイオン検出器と
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記飛行管を第１の金属で作り、該飛行管の少なくとも一端を構成する壁部を摺動可能な嵌め合い構造にして、温度変化に伴う飛行管の軸方向の伸縮を吸収できる構造にするとともに、該飛行管を保持して該飛行管内のイオンの飛行距離を規定する型枠部材を第１の金属よりも線膨張係数の小さい第２の金属で構成したので、
簡単な構成で温度ドリフトを阻止でき、かつ軽量な飛行時間型質量分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
図４は、本発明に使用されるＴＯＦＭＳの一実施例である。イオン源で生成されたイオンは、真空容器であるイオン源ケーシングＡを通過して、同じく真空容器である本体ケーシングＦに運ばれ、ＯＡブロックＧを介して、同じく真空容器である飛行管Ｉ側に向けて出射される。飛行管Ｉ末端の底部フランジＭには、リフレクトロンＫが設置されていて、ＯＡブロックＧから入射してきたイオンをイオン検出器Ｅ側へと反射する。
【００２７】
ＯＡブロックＧはＯＡブロック支柱Ｃにより、またイオン検出器Ｅは検出器ホルダＤにより、上部フランジＢからそれぞれ本体ケーシングＦ内に懸架される。
【００２８】
飛行管Ｉの少なくともその一端、より好ましくは、その両端は、本体ケーシングＦ側にも、底部フランジＭ側にも締結・固定されておらず、Ｏリング（１）Ｈ、Ｏリング（２）Ｌを挟んで、それぞれ相手方に差し込まれる構造となっている。そして、飛行管Ｉの温度変化に伴って発生する軸方向の伸縮を吸収するために、飛行管Ｉの両端と上部フランジＢおよび底部フランジＭとの間は、Ｏリング（１）Ｈ、Ｏリング（２）Ｌを介して摺動可能な嵌め合い構造とされ、伸縮吸収用の隙間Ｚが設けられている。
【００２９】
飛行管Ｉの外側には、飛行管Ｉと平行に、２本以上の複数本の保持棒Ｊが本体ケーシングＦと底部フランジＭとの間に橋渡しされている。そして、保持棒Ｊの両端は、段付きにした上で、ネジ部を設けてそれぞれ相手方と締結可能な構造とされる。保持棒Ｊ両端の段付き部間の距離は、装置所要の飛行距離によって定めるものとする。
【００３０】
保持棒Ｊの材質には、線膨張係数が極めて小さくて、高い機械的強度を有するインバー系合金の棒またはパイプを使用し、飛行管Ｉと他の主要部材であるケーシング・フランジ類（Ａ、Ｂ、Ｆ、Ｍなど）、ＯＡブロック支柱Ｃ、および検出器ホルダＤの材質には、真空用材料に適しかつ軽量で廉価なアルミ系合金を用いる。
【００３１】
なお、図４では、飛行管Ｉが垂直方向に設置されているが、飛行管Ｉを水平方向に設置することも可能である。
【００３２】
所要の飛行距離から定められた距離Ｙは、アルミ系合金よりも線膨張係数の小さなインバー系合金から成る保持棒Ｊの段付き部間距離により決定・維持されており、装置周囲の温度変化や発熱部を有するイオン源（試料導入部を含む）側からの熱伝導で飛行管Ｉの長さが変化しても、飛行管Ｉは固定されておらず、かつ軸方向に伸縮可能な構造のため、距離Ｙには影響を与えず、イオンの飛行距離自体も変化しない。
【００３３】
なお、飛行管Ｉ以外でイオンの飛行距離に影響する他の要因となり得る本体ケーシングＦ、ＯＡブロック支柱Ｃ、および検出器ホルダＤの温度変化によるＹ方向の長さ変化については、これらの部材の材質が同じ線膨張係数であって、しかも本体ケーシングＦとＯＡブロック支柱Ｃおよび検出器ホルダＤとが互いに逆方向に伸び縮みするため変化が相殺され、結果的にＹ方向の長さ変化はごく小さなものに緩和される。
【００３４】
本実施例は、リフレクトロンを使用した反射型飛行時間型質量分析装置の例であるけれども、本発明はリフレクトロンを使用しない直線型飛行時間型質量分析装置に対しても適用可能である。その場合は、底部フランジに、リフレクトロンに代えてイオン検出器を配設し、ＯＡブロックと飛行管とイオン検出器を同軸上に配置すれば良い。その場合、保持棒や飛行管の取り付け方は、図４と同一の構成とする。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
飛行時間型質量分析装置に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の反射型飛行時間型質量分析装置の一例を示す図である。
【図２】従来の反射型飛行時間型質量分析装置のイオン溜周辺を示す図である。
【図３】従来の反射型飛行時間型質量分析装置の一例を示す図である。
【図４】本発明にかかる反射型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：外部イオン源、２：第１のオリフィス、３：リングレンズ、４：第２のオリフィス、５：イオンガイド、６：レンズ群、７：ランチャー、８：リフレクター、９：イオン検出器、１０：差動排気壁、１１：中間室、１２：第３のオリフィス、１３：測定室、１４：イオン押し出しプレート、１５：グリッド、１６：加速レンズ、１７：イオン溜、１８：イオンビーム、１９：イオンパルス、Ａ：イオン源ケーシング、Ｂ：上部フランジ、Ｃ：ＯＡブロック支柱、Ｄ：検出器ホルダ、Ｅ：イオン検出器、Ｆ：本体ケーシング、Ｇ：ＯＡブロック、Ｈ：Ｏリング（１）、Ｉ：飛行管、Ｉ’：飛行管、Ｊ：保持棒、Ｊ’：温度検出器、Ｋ：リフレクトロン、Ｌ：Ｏリング（２）、Ｍ：底部フランジ、Ｎ：締結部材、Ｏ：固定フランジ（１）・（２）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008135192.tif 000006