(57)【要約】【課題】殆どの質量分析機の核心装置である四極子質量分析機に関することで、特に質量分析機の分解能と耐久性及び諸般性能を向上できるように双曲線面を持つ石英材質の四極子質量分析機を提供する。【解決手段】所定の距離で離隔され回転対称形状でお互いに平行に具備される４個の円形石英管と、前記石英管の回転対称軸方向円周表面に白金膜が石英管の長さ方向でプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部と主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部に区画されて所定の面積で形成されて、対向される石英管の白金族金属膜断面が実質的に双曲線面を成す電極部と、石英管と同一曲率半径を持つ形状で左右面取り処理されて隣接石英管の間に密着・固定される石英ピンと、対向される石英管のプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加されるようにする帯形状の導電性接続部材で構成されることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の距離で離隔され回転対称形状でお互いに平行に具備される４個の円形石英管と、前記石英管の回転対称軸方向円周表面に白金膜が石英管の長さ方向でプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部と主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部に区画されて所定の面積で形成されて、対向される石英管の白金族金属膜断面が実質的に双曲線面を成す電極部と、石英管と同一曲率半径を持つ形状で左右面取り処理されて隣接石英管の間に密着・固定される石英ピンと、対向される石英管のプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加されるようにする帯形状の導電性接続部材とで構成されることを特徴とする四極子質量分析機。
【請求項２】
前記石英ピンと隣接した石英管はセラミックス接着剤で固定されることを特徴とする請求項１に記載の四極子質量分析機。
【請求項３】
対向される石英管は同一位置に前記電極部と通電されるように帯形状の導電帯が形成されて、前記導電性接続部材が導電帯上に具備されることを特徴とする請求項２に記載の四極子質量分析機。
【請求項４】
導電性接続部材は‘Ｃ’形状であり、導電性接続部材の内側面には３個の石英管が同時に密着されるように石英管の曲率半径と同一に３個の円弧が形成されることを特徴とする請求項３に記載の四極子質量分析機。
【請求項５】
導電性接続部材には外部電源接続用タップが具備されることを特徴とする請求項４に記載の四極子質量分析機。
【請求項６】
導電性接続部材と石英管は接触位置に結合穴が具備されて結合部材で固定されることを特徴とする請求項５に記載の四極子質量分析機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は大部分の質量分析機の核心装置である四極子質量分析機に関することで、特に質量分析機の分解能と特性を向上できるようにした双曲線面を持つ石英材質の四極子質量分析機に関する。
【背景技術】
【０００２】
四極子質量分析機は４個の電極で構成されて、お互いに対向される２個の電極を連結して生成される２双の電極に電場を加えて通過するイオンの質量を分離する装置として、中央空間の断面が双曲線である時一番理想的である。
【０００３】
図１は理想的な双曲線面四極子質量分析機である。図１に図示されたように四極子（Quadrupole）はＸ2‐Ｙ２＝常数に表示される双曲線面を持つ４個の平行な金属棒（３）で製造されるのが理想的である。
【０００４】
対向する２個の棒を連結して２双（１，２）を製造して、１双にＵ＋Ｖｃｏｓ（２pi ft）、他の双には‐Ｕ‐Ｖｃｏｓ（２pi ft）をかけて（ここでＵは直流電圧、Ｖはラジオ周波数（ＲＦ）電圧のｐｅａｋ値、そしてｆはＲＦ電圧の周波数である）、特定イオンが四極子の中に入って来れば進行軸の垂直の方向に震動運動をする。
【０００５】
この運動はマチュー（Mathieu）方程式という二つの微分方程式によって決まる。ある選択された質量のイオンは安定した運動をしながら四極を通過するが、他の質量のイオンは震動運動の振幅が大きくなる不安定な運動をすることで棒に衝突して消えることになる。双曲線面四極子は精密な製作が難しくて現在までも多くの質量分析機は円形棒で製作された四極子質量分析機を使う。
【０００６】
円形棒（４）は図２のように双曲線面（５）の定中央の一部分のみを取り替えることができるし、中央から脱するほど理想的な双曲線電気場と大きく差が出る。従って四極子内部を通過するイオンの非線形運動によって発生する質量スペクトラムのピークが割れる現象と分解能が減少することになる。
【０００７】
図３は円形棒で構成された一般的な四極子質量分析機と各棒の電気的連結状態を示したことである。一般的な四極子質量分析機は長さ１００ｍｍ以上の主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部（６）と長さが約２０ｍｍであるプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部（７）で構成される。
【０００８】
四極子の主フィルター電極部（６）とプリフィルター電極部（７）の間隔は約２ｍｍである。四極子の主フィルター電極部にＲＦ／ＤＣ電源（９）を連結するのに、１双にはＵ＋Ｖｃｏｓ（２pi ft）、他の双には正反対位相である‐Ｕ‐Ｖｃｏｓ（２pi ft）を印加する。
【０００９】
各双の同じ位置にあたる主フィルター電極部（６）とプリフィルター電極部（７）はキャパシター（１０）で連結してＤＣ電圧Ｕを遮断したＲＦ電圧Ｖｃｏｓ（２pi ft）を印加する。四極子プリフィルター電極部（７）には約１０ＭΩ抵抗（１１）を通じて適切なＤＣ電圧を印加して四極子の中にイオンビーム（８）が易しく入って来るようにする。
【００１０】
イオンビーム（８）がＲＦ電圧だけ加えられた四極子プリフィルター電極部（７）の中を通過する時、四極子主フィルター電極部（６）は通過させるイオン質量の約３０％以下で小さなイオンをあらかじめ除去する役割をする。
【００１１】
気体クロマトグラフィー質量分析機（ＧＣＭＳ）のように有機物試料を分析する質量分析機は試料気体が導入されるイオン源と四極子質量分析機に有機物が吸着されないようにカートリッジヒーターを使って約２００〜２５０℃温度を維持するように熱を加えるし、また真空部品及び気体分析に使われる残留ガス分析（residual gas analyzer、RGA）質量分析機もバックグラウンドピーク（background peak）を低めるために全体真空チェンバーを約２００℃で加熱する。
【００１２】
この場合金属棒で製作された従来の四極子質量分析機は熱による膨脹及び収縮がひどくて初めての組立精密度が少しずつ落ちると同時に金属表面の酸化のため性能が徐徐に減少する。
【００１３】
このように従来の円形金属棒に組立された四極子質量分析機は円形棒を使って発生するイオンの非線形運動によるピークの割れ現象と分解能減少、そして性能の漸進的な減少だけではなく四極子主フィルター外にプリフィルターを別に製作して主フィルターと同軸上に平行になるように精密に附着しなければならない問題もある。
【００１４】
４個の円形棒を精密に組立する難しさと金属材質の膨脹及び収縮による漸進的な拗れる問題を解決するために１９６７年アメリカ特許（ＵＳ特許Ｎｏ．３，３２８，１４６）が初めて公知された。前記発明では凹なシリンダー面４個を持つ心軸（mandrel）をＣｒ‐Ｎｉ鋼又はステンレス鋼で製作して、この心軸にガラスチューブを挟みこんでガラスが変形できる温度で加熱しながらガラスチューブの中を真空ポンプでポンピングする。
【００１５】
そうすればガラスは収縮しながら心軸表面に付いて、心軸温度が常温に下がった後心軸を抜き出せば一体型四極子形態がガラスチューブ内部に形成され、このガラス内部のシリンダー４面を金メッキして四極子として使用する。
【００１６】
この方法に使われるガラスチューブは熱膨脹係数が心軸で使われる鉄鋼の熱膨脹係数と似ている特殊ガラスを使わなければならない。熱膨脹係数が少しでも違えば温度が下がる時ガラスチューブは壊れることになる。
【００１７】
このような方法で重さが軽い一体型四極子を作ることができるがガラスの熱膨脹係数が鉄鋼水準まで高くて当時の金メッキ能力及び製作上の難しさのため４個の金属棒で組立製作された四極子と比べて実際には販売できなかった。
【００１８】
１９８８年にはガラス管代りに石英管を使って双曲線面を持つモリブデン心軸を使って同じ方法で一体形石英四極子質量分析機を製造する方法がヒューレット・パッカード（Hewlett-Packard）社によって公知された（ＵＳ特許Ｎｏ．４，８８５，５００）。この方法では狭い空間の一体型石英内部に位置する長さ約２００ｍｍである双曲線面４個を精密に金メッキする難しさのため心軸にステンレス鋼板４個を置いて石英管が心軸に付く時押されられて石英管内部に付いて４個の双曲線面電極が構成されるようにした。
【００１９】
しかし、石英管とステンレス鋼板の熱膨脹係数が違うので石英管が双曲線面を持つように変形されることができる温度である約１５５０℃に加熱されてから、又常温に温度が下がる時、石英管が壊れやすくなりモリブデン心軸とステンレス鋼版の酸化がひどくて、ステンレス鋼版電極間の谷の部分に電荷が積もって電極部分の双曲線電場を変形させる問題も発生する。従ってこの方法で四極子を製作することは実在にはとても難しくてヒューレット・パッカード社から販売される質量分析機にはこのような四極子は装着された事がない。
【００２０】
【特許文献１】ＵＳ特許３，３２８，１４６号
【特許文献２】ＵＳ特許４，８８５，５００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従って本発明の目的は低い熱膨脹係数を持つ４個の石英管表面に白金族金属膜で成り立った双曲線面を形成することで四極子の膨脹及び収縮による漸進的性能減少が少ない四極子質量分析機を提供することであり、又他の目的として各石英管の双曲線面に精密な形態の白金膜を形成して緻密で堅い組職を持つようにして易しく損傷を受けない双曲線面を持つ四極子質量分析機を提供することである。又、本発明の目的は一つの石英管に主フィルター電極とプリフィルター電極を形成することで精密組立ての手数がなくて正確な位置にプリフィルターを装着することができるし、最終的に、高分解能、高性能と共に良い耐久性を持つ四極子マスフィルタ（mass filter）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、所定の距離で離隔され回転対称形状でお互いに平行に具備される４個の円形石英管と、前記石英管の回転対称軸方向円周表面に白金膜が石英管の長さ方向でプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部と主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部に区画されて所定の面積で形成されて、対向される石英管の白金族金属膜断面が実質的に双曲線面を成す電極部と、石英管と同一曲率半径を持つ形状で左右面取り処理されて隣接石英管の間に密着・固定される石英ピンと、対向される石英管のプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加されるようにする帯形状の導電性接続部材で構成されることを特徴とする。
【００２３】
また、前記石英ピンと隣接した石英管はセラミックス接着剤で固定されるし、対向される石英管は同一位置に前記電極部と通電されるように帯形状の導電帯が形成されて、前記導電性接続部材が導電帯上に具備されることを特徴とする。
【００２４】
さらに、導電性接続部材は‘Ｃ’形状であり、導電性接続部材の内側面には３個の石英管が同時に密着されるように石英管の曲率半径と同一に３個の円弧が形成されることを特徴とするし、特に、導電性接続部材には外部電源接続用タップが具備されるし、導電性接続部材と石英管は接触位置に結合穴が具備されて結合部材で固定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による石英材質の双曲線面四極子質量分析機は金属棒代りに白金をメッキした石英管を使うし、この石英管を石英ピンとセラミックスボンドを使って結合することで質量分析するうちに約２００℃の温度で加熱しても熱膨脹による変形あるいは性能減少のない長所がある。
【００２６】
又、白金表面は酸化しないので無機酸及び有機物を長期間分析しても表面変化がなくて初めての性能が維持できる。そして円形棒代りに双曲線面を使うので四極子電場の非線形不完全性が減少されてピークの割れ現象がないきれいなピークを得る事ができるので分解能が向上する。
【００２７】
以上、説明した内容を通じて当業者は本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であり、本発明の技術的範囲は明細書の詳細な説明に記載した内容に限定されるのではなく特許請求範囲によって決められなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
前記目的を果たすために、本発明による四極子質量分析機は所定の距離で離隔され回転対称形状を成して、お互いに平行に具備される４個の円形石英管と、前記石英管の回転対称軸方向円周表面に白金膜が石英管の長さ方向にプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部と主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部に区画されて所定の面積で形成されて、対向される石英管の金又は白金膜の断面が実質的に双曲線面を成す電極部と、石英管と同一曲率半径を持つ形状で左右面取り処理されて隣接する石英管の間に密着・固定される石英ピンと、対向される石英管のプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加できるようにする帯形状の導電性接続部材で構成されることを特徴とする。
【００２９】
前記石英ピンと接した石英管はセラミックス接着剤で固定されて、対向される石英管の直径が等しくて、また４個の石英管の直径が同一である。
【００３０】
対向される石英管どうしプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれが電気的に繋がれてＲＦ及びＤＣ電源が印加できるように帯形状の導電性接続部材が対向される石英管に対して等しい位置であり、対向されない石英管に対しては離隔され相異な位置になるように帯形状の導電帯が石英管のプリフィルター電極部と主フィルター電極部それぞれに対して具備され、前記導電帯上に電性接続部材が密着されて位置されるようにすることで対向される石英管が前記導電帯を通じて電気的に繋がれるようにすることも本発明の特徴である。
【００３１】
前記導電性接続部材は銅材質として閉曲線又は開曲線形態にすることが可能だが３個の石英管を包むように‘Ｃ’形状が望ましいし、特に前記‘Ｃ’形状の導電性接続部材の内側面には３個の石英管が同時に密着されるように石英管の曲率半径と同一に３個の円弧が形成されるのが望ましい。
【００３２】
導電性接続部材には外部電源が容易く接続されるように接続用タップが具備されるし、導電性接続部材と石英管の接触位置にそれぞれ結合穴が具備されて導電性接続部材と石英管がナット／ボルトなどの結合部材によって密着・固定される。
【００３３】
以下、添付された図面を参照して、本発明による四極子質量分析機の実試例を説明するが、これは本発明を明確に説明するための例示であるだけで、本発明がこれに限定されるのを意味することではなくて、当分野の通常の知識を持った者ならこれを基にして本発明の追加的な修正及び変更が可能である。
【００３４】
図４は本発明による四極子質量分析機の双曲線面石英管の組立斜視図で、図５は本発明による四極子質量分析機の双曲線面石英管分解斜視図であり、図６は図４のＡ‐Ａ断面図として石英管四極子質量分析機の中央部双曲線断面と４個石英管の組立に使われる石英ピンの結合形態を示す断面図であり、図７は対向される石英管の電極部を連結する接続部材の斜視図であり、図８は図４のＢ‐Ｂ断面図として接続部材と石英管の結合断面図である。
【００３５】
図４ないし図６を参照すれば、本発明の実施例による石英材質の双曲線面四極子質量分析機は所定の距離で離隔され回転対称形状を成してお互いに平行に具備される５×１０‐７ｃｍ／ｃｍ℃に低い熱膨脹係数を持って直径が同一な４個の円形石英管（１２）を精密に加工した後、石英管の回転対称軸方向円周表面に白金を石英管の長さ方向にプリフィルター電極部（７）と主フィルター電極部（６）を電気的に縁切りされるようにプリフィルター電極部（７）と主フィルター電極部（６）で区画するために２ｍｍｍ程度をメッキしない部分が存在するようにして所定の面積にメッキして対向される石英管（１２）の白金膜（１４）断面が実質的に双曲線面を成すように電極部を形成する。この時白金メッキの幅は石英管（１２）円周の約１／３面位が望ましい。
【００３６】
白金がメッキされた前記４個の石英管（１２）はモリブデン心軸に位置を合わせた後、前記石英管と同一曲率半径を持つ形状で左右面取り処理されて石英管（１２）に密着されるように加工した形状約１０ｍｍ広さの石英ピン（１３）を4方向４個ずつ合わせて８個を５００℃以上の高温にも耐えるセラミックス接着剤を利用して隣接な石英管（１２）の間に密着・固定させることによって４個の石英管がお互いに離隔され固定されるようにする。
【００３７】
一方、お互いに対向される石英管（１２）のプリフィルター電極部（７）と主フィルター電極部（６）のそれぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加されるようにする帯形状の導電性接続部材（１６）が４個具備されるし、前記導電性接続部材（１６）は銅材質が望ましいし、図７に図示されたように‘Ｃ’形状になったことで導電性接続部材（１６）の内側面には３個の石英管（１２）が同時に密着されるように石英管の曲率半径と同一に３個の円弧が形成される。
【００３８】
前記帯形状の導電性接続部材（１６）は対向される石英管（１２）のプリフィルター電極部（７）と主フィルター電極部（６）それぞれを電気的に連結してＲＦ及びＤＣ電源が印加されるようにするために図８に図示されたようにお互いに対向される一双の石英管（１２）プリフィルター電極部（７）と主フィルター電極部（６）をそれぞれの所定の位置に約８ｍｍ程度の帯形状の白金にメッキされた導電帯（１５）が形成されるし、前記導電性接続部材（１６）が導電帯（１５）上に具備されるようにすることで一つの導電性接続部材（１６）が対向される石英管（１２）２個の特定電極部だけ通電されるようにする。
【００３９】
導電性接続部材（１６）には外部電源の接続のために外部電源接続用Ｍ３タップ（１７）が具備される。前記双曲線面石英管（１２）と導電性接続部材（１６）が接触される位置である双曲線面の反対側に双曲線面石英管（１２）と導電性接続部材（１６）が通穴になるようにそれぞれ直径約３ｍｍの結合穴（１８）が具備されて前記結合穴（１８）を固定ボルト／ナット（１９）で固定することで導電帯（１５）と導電性接続部材（１６）の間にＲＦ＋ＤＣ電圧が円滑に流れるようにする。この時、固定方法はＭ２或いはＭ２．５ナットを石英管の空いている空間の中に入れてＭ２或いはＭ２．５ボルトで固定する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】理想的な双曲線面を持つ四極子質量分析機であり、
【図２】理想的な双曲線面と円形面を比較して円形面は双曲線面の中心の一部分のみを取り替えることができるということを示す概念図であり、
【図３】従来の円形金属峰に組立された四極子質量分析機であり、
【図４】本発明による四極子質量分析機の双曲線面石英管組立斜視図であり、
【図５】本発明による四極子質量分析機の双曲線面石英管分解斜視図であり、
【図６】図４のＡ‐Ａ断面図であり、
【図７】対向される石英管の電極部を連結する接続部材の斜視図であり、
【図８】図４のＢ‐Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，２  双曲線面四極子の対向電極の電気的連結、  ３  双曲線面を成す金属峰、  ４  円形棒の断面、  ５  双曲線面の断面、  ６  円形峰四極子主フィルター（ｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）電極部、  ７  円形棒四極子のプリフィルター（ｐｒｅｆｉｌｔｅｒ）電極部、  ８  イオンビーム、  ９  ＲＦ／ＤＣ四極子電源、  １０  直流電圧を除去するキャパシター、  １１  プリフィルター直流電圧印加用抵抗、  １２  石英管、  １３  石英ピン、  １４  白金膜、  １５  導電帯、  １６  導電性接続部材、  １７  ＲＦ＋ＤＣ電線連結用タップ、  １８  結合穴、  １９  固定ボルト／ナット
【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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【図７】
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【図８】
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