(57)【要約】【課題】パラメータの変化幅を小さくして分析の高速化を図り、高い電圧精度を必要とせず、最大出力電圧が小さくてすむようにする。【解決手段】大気圧イオン源でイオン化したイオンを高真空分析系に導入するイオンガイド用の電源において、イオンガイドに供給する電圧の振幅と周波数の両方のパラメータを可変にし、通過させるイオンの質量数によって両方のパラメータを最適値に設定するための制御手段（２０）を備えたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧イオン源でイオン化したイオンを高真空分析系に導入するイオンガイド用の電源において、
イオンガイドに供給する電圧の振幅と周波数の両方のパラメータを可変にし、通過させるイオンの質量数によって両方のパラメータを最適値に設定するための制御手段を備えたことを特徴とするイオンガイド電源。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は大気圧イオン源でイオン化したイオンを高真空の分析装置に導入するりめのイオンガイド電源に関する。
【従来の技術】
磁場形質量分析装置、四重極質量分析装置などで大気圧イオン源を備えた装置、液体クロマトグラフ質量分析装置、プラズマ質量分析装置などの大気圧イオン源を用いた装置において、大気圧でイオン化したイオンを高真空分析系に導入するためにイオンガイドが用いられている（特許文献１）。
図５は従来のイオンガイド用の電源を説明するための図である。
イオンガイド電極６は４本の電極からなっていて、対向する一方の電極対と、これに空間的に直交配置された他方の電極対に互いに逆位相の高周波電圧が印加される。イオンガイド電極６に電力供給する電源のパワーアンプ部は、共振器からなるマッチングボックス５、パワーアンプ４、ゲインコントロールアンプ３、出力ピークを検出するためのピーク検出器７、検波回路８、誤差アンプ９からなっている。さらに、パワーアンプ部を制御する制御部の構成は、発振器１、振幅基準電源２、制御回路１０からなっていて、通過させるイオンの質量数に応じてイオンガイド電極６に印加するピーク電圧を制御するための基準電圧の制御システムを構成している。
次に回路の動作を説明すると、マッチングボックス５は、所定の大きさの印加電圧を得るための共振器であり、パワーアンプ側からみたイオンガイド電極６のインピーダンスが高いため、使用する周波数において最適インピーダンスとなるようにするためのインーダンス変換器を兼ねている。まず、制御回路１０においてマッチングボックス５で整合のとれる周波数に発振器１を設定する。発信器１の出力信号はゲインコントロールアンプ３で増幅され、パワーアンプ４に入力される。なお、ゲインコントロールアンプ３は制御用の電圧によってゲインが制御される増幅器である。パワーアンプ４で増幅された信号はマッチングボックス５に入力され、高周波・高電圧の共振波形がイオンガイド電極６の各対の電極に対して互いに逆位相で印加される。そして、マッチングボックス５内部のピーク検出抵抗で分圧された電圧をピーク検出器７で検出し、検波回路８で直流電圧に変換してイオンガイド電極６に印加している電圧のピーク・モニタ電圧とする。このピーク・モニタ電圧を誤差アンプ９にフィードバックし、振幅基準電源２の出力と比較し、その差分によってゲインコントロールアンプ３のゲインを制御してイオンガイド電極６への印加電圧の振幅を安定化している。
図６はイオンガイド電圧（イオンガイド電極に印加するピーク−ピーク電圧）と通過可能なイオンの質量数（ｍ／ｅ：ｍは質量、ｅは電荷）との関係を示す図で、周波数は１ＭＨｚである。
イオン通過領域は２つの直線Ａ、Ｂで囲まれた領域で、２つの直線Ａ、Ｂの外側はイオン不通過領域である。図５に示すイオンガイド電源では、特性Ｃに示すように、イオンガイド電圧を掃引しており、ある質量数までは質量数に比例させてイオンガイド電圧を大きくしていき、それ以上の質量数では一定電圧を保つ構成になっている。低質量側（質量数１００以下）と高質量側でイオンが通過できるイオンガイド電圧幅を比べると、低質量側の方が狭い。そのため、例えば、僅かに電圧がドリフトしたりするとイオンが通過できず、高精度な電圧制御が必要とされる。一方、高質量側はイオンガイド電圧幅が広いため、イオンガイド電圧の設定精度はあまり必要としない。ただし、高い振幅電圧が必要となるため、消費電力が大きいパワーアンプが必要となり、そのため一般的には図５に示すように、一定電圧に制限している。
【特許文献１】特開２０００−２３１９００号公報
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したように、イオンガイド電極に印加する電圧の大きさによってイオンガイドを通過できる質量数が決まっている。高質量側では通過できる質量数の幅がかなり広いが、低質量側になるにしたがって、通過できる質量数の幅が小さくなる。このため、低質量数のイオンを通過させる場合にイオンガイド電極に印加する電圧は高精度を要求され、イオンを通過させる最適な振幅電圧を制御するのが非常に難しくなる。また、高質量側では、大きな振幅電圧が必要となり、消費電力の大きなパワーアンプが必要となる。
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決しようとするもので、パラメータの変化幅を小さくして分析の高速化を図り、また、高い電圧精度を必要とせず、かつ最大出力電圧が小さくてすむようにすることを目的とする。
そのために本発明は、大気圧イオン源でイオン化したイオンを高真空分析系に導入するイオンガイド用の電源において、イオンガイドに供給する電圧の振幅と周波数の両方のパラメータを可変にし、通過させるイオンの質量数によって両方のパラメータを最適値に設定するための制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本実施形態のイオンガイド電源の例を説明する図であり、図５と同一参照数字は同一内容を示している。
イオンガイド電極６に電力供給する電源のパワーアンプ部は、広帯域トランス２１、パワーアンプ４、ゲインコントロールアンプ３、出力ピークを検出するためのピーク検出器７、検波回路８、誤差アンプ９からなっている。さらに、パワーアンプ部を制御する制御部の構成は、発振器１、振幅基準電源２、制御回路２０からなっていて、通過させるイオンの質量数によってイオンガイド電極６に印加するピーク−ピーク電圧（以下、イオンガイド電圧）とその周波数の両方を制御するシステムを構成している。
次に回路の動作を説明すると、まず、イオンガイド電極６に印加するイオンガイド電圧と周波数を制御回路２０で設定する。発信器１の出力信号はゲインコントロールアンプ３で増幅され、パワーアンプ４に入力される。パワーアンプ４で増幅された信号は広帯域トランス２１に入力され、高周波・高電圧がイオンガイド電極６の各対の電極に対して互いに逆位相で印加される。そして、広帯域トランス２１内部のピーク検出抵抗で分圧された電圧をピーク検出器７で検出し、検波回路８で直流電圧に変換してイオンガイド電極６に印加している電圧のピーク・モニタ電圧とする。このピーク・モニタ電圧を誤差アンプ９にフィードバックし、振幅基準電源２の出力と比較し、その差分によってゲインコントロールアンプ３のゲインを制御してイオンガイド電極６への印加電圧の振幅を安定化している。
上記したように、本実施形態ではイオンガイド電圧と周波数の両方のパラメータを通過させるイオンの質量数によって変化させる。通過するイオンの質量数とイオンガイド電圧、周波数は（１）式のような関係となる。
ｍ＝４×ｅ×Ｖ／（ω２  ×ｒ２  ×ｑ）                            （１）
ｍ：質量数
ｅ：電荷
Ｖ：イオンガイド電圧
ω：イオンガイドに印加する電圧の周波数
ｒ：イオンガイド電極内接円半径
ｑ：係数（イオンが通過できる係数は０．１〜０．９）
（１）式より、通過できるイオンの質量数はイオンガイド電圧に比例し、周波数の２乗に反比例していることが分かる。
そこで、従来、イオンガイド電圧Ｖのみ変化させていたのに対して、イオンガイド電圧と周波数の両方のパラメータを同時に変えることにより、各パラメータの変化範囲を小さくして分析の高速化が図れる。そして、（１）式から分かるように、低質量側では、周波数を高くすることによりイオンガイド電圧Ｖを大きくすることができ、電圧精度をあまり必要としないようにすることができる。また、高質量側では、周波数を下げることによりイオンガイド電圧を小さくできるので、従来の方式に比してパワーアンプの消費電力を小さくすることができる。
図２は本実施形態のイオンガイド電源の他の例を説明する図であり、図１と同一参照数字は同一内容を示している。
イオンガイド電極６に電力供給する電源のパワーアンプ部は、パワーアンプ４、入力に対して出力の位相が反転する反転型パワーアンプ２２、ゲインコントロールアンプ３、出力ピークを検出するためのピーク検出器７、検波回路８、誤差アンプ９からなっている。さらに、パワーアンプ部を制御する制御部の構成は、発振器１、振幅基準電源２、制御回路２０からなっていて、通過させるイオンの質量数によってイオンガイド電圧とその周波数の両方を制御するシステムを構成している。
次に回路の動作を説明すると、まず、イオンガイド電圧とその周波数を制御回路２０で設定する。発信器１の出力信号はゲインコントロールアンプ３で増幅され、パワーアンプ４に入力される。パワーアンプ４と反転型パワーアンプ２２で増幅された電圧が直接イオンガイド電極６の各対の電極に対して互いに逆位相で印加される。パワーアンプで直接イオンガイドをドライブすることにより、広帯域の周波数で高周波電圧を印加することができる。そして、ピーク検出コンデンサ２３で検出した波形をピーク検出器７で検出し、検波回路８で直流電圧に変換してイオンガイド電極６に印加している電圧のピーク・モニタ電圧とする。このピーク・モニタ電圧を誤差アンプ９にフィードバックし、振幅基準電源２の出力と比較し、その差分によってゲインコントロールアンプ３のゲインを制御してイオンガイド電極６への印加電圧の振幅を安定化している。
この例においても、図１の例と同様に、イオンガイド電圧と周波数の両方のパラメータを同時に変えることにより、各パラメータの変化範囲を小さくして分析の高速化が図れる。また、低質量側では、周波数を高くすることによりイオンガイド電圧Ｖを大きくすることができ、電圧精度をあまり必要とせず、高質量側では、周波数を下げることによりイオンガイド電圧を小さくできるので、従来の方式に比してパワーアンプの消費電力を小さくすることができる。
図３は本実施形態のイオンガイド電源の他の例を説明する図であり、図１、図２と同一参照数字は同一内容を示している。
イオンガイド電極６に電力供給する電源のパワーアンプ部は、２つの周波数で整合する共振器を有するマッチングボックス２４、パワーアンプ４、ゲインコントロールアンプ３、出力ピークを検出するためのピーク検出器７、検波回路８、誤差アンプ９からなっている。さらに、パワーアンプ部を制御する制御部の構成は、発振器１、振幅基準電源２、制御回路２０からなっていて、通過させる質量数によってイオンガイド電圧を制御するとともに、その周波数を切り替える制御システムを構成している。
次に回路の動作を説明すると、マッチングボックス２４は、共振周波数の異なる２つの共振器を有しており、まず、制御回路２０において、イオンガイド電圧と、マッチングボックス２４で整合のとれる２つの周波数を探し、その切り替えができるように設定する。発信器１の出力信号はゲインコントロールアンプ３で増幅され、パワーアンプ４に入力される。パワーアンプ４で増幅された信号はマッチングボックス２４に入力され、高周波・高電圧の共振波形がイオンガイド電極６の各対の電極に対して互いに逆位相で印加される。そして、マッチングボックス２４内部のピーク検出抵抗で分圧された電圧をピーク検出器７で検出し、検波回路８で直流電圧に変換してイオンガイド電極６に印加している電圧のピーク・モニタ電圧とする。このピーク・モニタ電圧を誤差アンプ９にフィードバックし、振幅基準電源２の出力と比較し、その差分によってゲインコントロールアンプ３のゲインを制御してイオンガイド電極６への印加電圧の振幅を安定化している。
本実施形態では、従来の方式と同様にイオンガイド電圧Ｖを質量数に同期させて掃引し、通過させるイオンの質量数によって周波数をスイッチングする。すなわち、質量数が小さい時には高い周波数を用い、質量数が大きい時には低い周波数を用いることにより、各パラメータの変化範囲を小さくして分析の高速化が図れる。また、図１、図２の場合と同様に、低質量側では、周波数が高いためイオンガイド電圧Ｖを大きくすることができ、電圧精度をあまり必要とせず、高質量側では、周波数が低いためイオンガイド電圧を小さくできるので、従来の方式に比してパワーアンプの消費電力を小さくすることができる。
図４は従来のイオンガイド電源の特性（図４（ａ））と本発明のイオンガイド電源の特性（図４（ｂ））の比較図であり、それぞれ横軸を質量数（ｍ／ｅ）、図４（ａ）では縦軸を電圧、図４（ｂ）では縦軸を電圧と周波数としている。
図４（ａ）に示すように、従来のイオン電源では質量数に同期させてイオンガイド電圧を変化させており、この例では０〜１０００Ｖまで変化させている。上記したように、この方式では低質量数側ではイオンガイド電圧として高精度が要求され、高質量側では、大きな振幅電圧が必要となるため消費電力の大きなパワーアンプが必要となる。
これに対して図４（ｂ）に示す本実施形態の例（図１、図２の例に対応）では、質量数に同期させて電圧とともに周波数も変化させいる。例えば、低質量側で１ＭＨｚ、高質量側で２ＭＨｚと変化させた場合、高質量側において、従来は１０００Ｖ必要であった（図４（ａ））のが、２５０Ｖですむことが分かる。また、低質量側での電圧も大きくとることができ、電圧の可変範囲を小さくすることができる。また、電圧と周波数の両方のパラメータを変化させているため、それぞれの可変範囲を小さくすることが可能である。
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、
▲１▼電圧と周波数の両方のパラメータを変化させるようにしたため、それぞれのパラメータの変化範囲を小さくしても目的とする質量数のイオンを通過させることができる。
▲２▼それぞれのパラメータの変化幅が小さいため、分析の高速化が可能である。
▲３▼それぞれのパラメータの変化幅が小さいため、電圧決定精度を従来の方式に比してそれほど必要としない。
▲４▼質量数に応じて周波数を変化させるため、従来の方式に比して最大イオンガイド電圧が小さくてすむため、パワーアンプの最大出力電圧が小さくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のイオンガイド電源の例を説明する図である。
【図２】本実施形態のイオンガイド電源の他の例を説明する図である。
【図３】本実施形態のイオンガイド電源の他の例を説明する図である。
【図４】従来のイオンガイド電源と本発明のイオンガイド電源との特性の比較図である。
【図５】従来のイオンガイド電源を説明するための図である。
【図６】イオンガイド電圧と通過可能な質量数との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…発振器、２…振幅基準電源、３…ゲインコントロールアンプ、４…パワーアンプ、６…イオンガイド電極、７…ピーク検出器、８…検波回路、９…誤差アンプ、２０…制御回路、２１…広帯域トランス、２２…反転型パワーアンプ、２３…ピーク検出コンデンサ、２４…マッチングボックス。
【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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