(57)【要約】【課題】イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和することのできる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を質量分離する飛行時間型分光部と、質量分離され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、前記イオン押し出しプレートに、イオン溜に導入されるイオンの極性とは、逆の極性を持ったパルス電圧を、印加し得るように構成した。【選択図】  図４
2004362982.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を質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離され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、
前記イオン押し出しプレートに、イオン溜に導入されるイオンの極性とは、逆の極性を持ったパルス電圧を、印加し得るように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】
前記パルス電圧は、イオンの極性と逆の極性を持つ数百Ｖ以上の直流電圧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】
前記イオン押し出しプレートと、前記グリッドのうちの、少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けた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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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する。
【０００２】
【従来の技術】
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ター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ター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、リフレクター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（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４３３４３号公報
【非特許文献１】
発明協会公開技報、９３−２９１９１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオン溜１７に、２０〜５０ｅＶ程度の、低い加速エネルギーのイオンが導入された際、イオン溜１７を構成しているイオン押し出しプレート１４とグリッド１５に汚れがある場合は、そこにイオンの持つ電荷が蓄積されて、帯電状態になる。そうなると、その帯電した部位に、本来のイオン光学系に想定しなかった、異常な電位が形成され、そこに生じた電界が、低速のイオンを、イオン溜の中心軸からずれた方向へと偏向し、イオン溜１７への正常なイオン導入の妨げとなってしまう。
【００１３】
このような帯電現象が発生する、最大の理由の１つは、イオンビームの照射に曝される部材の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されたり、部材表面の汚れが経時的に蓄積されたりすることなどにより、部材表面の電気抵抗が、増大することである。
【００１４】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の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を質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離され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、
前記イオン押し出しプレートに、イオン溜に導入されるイオンの極性とは、逆の極性を持ったパルス電圧を、印加し得るように構成したことを特徴としている。
【００１６】
また、前記パルス電圧は、イオンの極性と逆の極性を持つ数百Ｖ以上の直流電圧であることを特徴としている。
【００１７】
また、前記イオン押し出しプレートと、前記グリッドのうちの、少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示した図である。図を簡略化するため、図１に示した、外部イオン源１、差動排気壁１０、中間室１１の３者を、イオン生成・輸送部２１として、１つにまとめた。また、差動排気オリフィス２２は、図１の第３のオリフィス１２に対応している。外部イオン源には、ＥＩイオン源やＣＩイオン源が用いられる。
【００１９】
本実施例が、図１の従来例と異なる点は、イオン生成・輸送部２１に、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの、不活性ガスや、酸素ガスなどの、活性ガスを導入する、ガス導入部（ｅ）を設けたことである。これらのガスから生成するイオン種は、試料イオンとは異なり、イオン溜２４を構成している、イオン押し出し電極２５やグリッド２６を、汚染することがない。
【００２０】
この実施例の動作について、説明する。ガス導入部（ｅ）から導入されたガスは、イオン生成・輸送部２１でイオン化され、イオンビーム（ａ）となって、直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）２９の内部のイオン溜２４へと入射する。このイオンビーム（ａ）は、途中、入射ビーム規制スリット２３と衝突することで、イオンビームの形状が整えられて、最終のイオン溜２４に到達する。
【００２１】
イオン溜２４を構成するイオン押し出し電極２５には、図５に示すように、直流電源３０、３１から、ＦＥＴなどで構成されたゲート手段３２、３３を介して、任意の極性を持った、数百Ｖ〜数千Ｖ程度のパルス状の加速電圧が印加できるように、構成されている。そして、ゲート手段３２、３３を制御することにより、加速電圧のパルス幅を、任意に設定することができるようになっている。印加電圧の極性は、スイッチ手段３４によって、切り換えて選択することができる。
【００２２】
質量スペクトルを観測する場合には、イオン溜２４内のイオンが、正イオンの場合は、イオンの電荷の極性と同じ極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３０側に、スイッチ手段３４により、切り換える。また、イオン溜２４内のイオンが、負イオンの場合は、イオンの電荷の極性と同じ極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３１側に、スイッチ手段３４により、切り換える。
【００２３】
それに対して、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和させたい場合には、イオン溜２４内のイオンが、正イオンの場合は、イオンの電荷の極性と逆の極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３１側に、スイッチ手段３４により、切り換える。また、イオン溜２４内のイオンが、負イオンの場合は、イオンの電荷の極性と逆の極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３０側に、スイッチ手段３４により、切り換える。
【００２４】
このとき、グリッド２６は、常に、接地電位であるから、イオン押し出し電極２５に加速電圧が印加されると、イオン押し出し電極２５とグリッド２６との間には、強い電界が発生する。
【００２５】
質量スペクトルを観測するモードの場合、この電界により、イオン溜２４に蓄積された、ガス由来のイオンビーム（ａ）は、グリッド２６側に向かって加速され、パルス状となって飛行し、飛行時間型分光部２９において、イオンの質量が分析されることになる（図４）。
【００２６】
また、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和させるモードの場合、この電界により、イオン溜２４に蓄積された、ガス由来のイオンビーム（ａ）は、イオン押し出し電極２５側に向かって加速され、パルス状となって飛行し、イオン押し出し電極２５と、激しく衝突することになる（図６）。
【００２７】
ところで、金持徹編、「真空技術ハンドブック」（１９９０年、日刊工業新聞社刊）の第６章、図６．５．３に掲載されているグラフを、図７に示す。これによると、入射イオンエネルギーが、２百数十ｅＶ以上になると、イオンが衝突する際に、スパッタリング効果が見られるようになる。
【００２８】
従って、数百ｅＶ〜数千ｅＶ程度のエネルギーで加速されたガスのイオンパルスが、イオン押し出し電極２５の表面に衝突すると、電極表面のスパッタが起こり、電極表面に形成されていた絶縁性の酸化膜や、電極表面の汚れなどが、削り取られる。
【００２９】
もし、イオン押し出し電極２５の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されていたり、汚れが経時的に蓄積されていたりすると、電極表面の電気抵抗が増大し、イオン由来の電荷が蓄積されて、帯電現象が発生することが、知られている。
【００３０】
イオンビーム（ａ）は、本来、２０〜５０ｅＶ程度の低エネルギー状態であるため、イオン押し出し電極２５に、わずかでも、帯電現象が発生すると、イオンビーム（ａ）は、容易に偏向を受け、イオン溜２５に、まっすぐには導入されなくなってしまう。もし、イオンビームが、イオン溜２５に、斜めに、導入されるようなことになると、飛行時間型質量分析装置の分解能が低下してしまう。
【００３１】
従って、このガス由来のイオンを衝突させた際のスパッタリング効果により、電極表面に形成された、絶縁性の酸化膜や、部材表面の汚れが取り除かれると、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和する効果があり、飛行時間型質量分析装置の分解能の低下を抑えることができる。
【００３２】
このように、飛行時間型質量分析装置に、測定モードの他に、イオン押し出し電極２５に、イオンの極性とは逆の極性を持つ、数百Ｖ以上のパルス電圧を印加するモードを設け、イオン押し出し電極２５に帯電が起きたときには、そのモードに切り換えるようにしてやれば、飛行時間型質量分析装置を分解掃除することなく、常に、快適な条件で、使用することが可能になる。
【００３３】
尚、本発明には、変形例が可能である。例えば、イオン押し出し電極２５とグリッド２６のうち、少なくとも１つの近傍、または、その両方の近傍に、更に、加熱機構を設け、焼き出し効果をスパッタリング効果と併用することにより、電極表面に付着している汚染物質を除去する作業を、支援するようにしても良い。そうすれば、単に、スパッタリング効果だけによる場合よりも、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和する効果が、大きくなる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の結果、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】イオン押し出し電極への従来の印加電圧を示す図である。
【図４】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図６】イオン押し出し電極への本発明の印加電圧を示す図である。
【図７】入射イオンエネルギーとそれがもたらす効果との相関図である。
【符号の説明】
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、２１・・・イオン生成・輸送部、２２・・・差動排気オリフィス、２３・・・入射ビーム規制スリット、２４・・・イオン溜、２５・・・イオン押し出し電極、２６・・・グリッド、２７・・・リフレクタ、２８・・・検出器、２９・・・直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）、３０・・・直流電源、３１・・・直流電源、３２・・・ゲート手段、３３・・・ゲート手段、３４・・・スイッチ手段。
【図１】
2004362982.tif 000003
【図２】
2004362982.tif 000004
【図３】
2004362982.tif 000005
【図４】
2004362982.tif 000006
【図５】
2004362982.tif 000007
【図６】
2004362982.tif 000008
【図７】
2004362982.tif 000009