(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源で発生するイオンを電場及び扇形磁場で構成される質量分散系に通過させて前記イオンを所定の軌道平面内で軌道変換し、前記質量分散系を通過した前記イオンをイオン検出器によって検出する質量分析装置において、前記質量分散系に入射する前のイオンビームの経路中に介挿されるイオンビーム用像縮小レンズ系であって、
イオンビームの縮小像を実像として形成するための複合レンズ系と、
前記複合レンズ系の前段及び／又は後段に配置されるスリット板と、
を備え、
前記複合レンズ系は、いずれもが前記軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズと第２の四重極レンズとを備え、前記第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、前記第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置されて構成されるイオンビーム用像縮小レンズ系。
【請求項２】
イオン源で発生するイオンを電場及び扇形磁場で構成される質量分散系に通過させて前記イオンを所定の軌道平面内で軌道変換し、前記質量分散系を通過した前記イオンをイオン検出器によって検出する質量分析装置であって、
前記イオン源と前記質量分散系との間に配置されてイオンビームの縮小像を実像として形成する複合レンズ系と、
前記複合レンズ系と前記イオン源との間、及び／又は、前記複合レンズ系と前記質量分散系との間に配置されるスリット板と、
を備え、
前記複合レンズ系は、いずれもが前記軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズと第２の四重極レンズとを備え、前記第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、前記第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置されて構成される質量分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の質量分析装置において、
前記質量分散系と前記イオン検出器との間に配置され、前記質量分散系を通過したイオンビームにズーム作用を与えるズームレンズ系と、
前記質量分散系と前記イオン検出器との間に配置され、前記ズームレンズ系のズーム倍率及び前記質量分散系の制御状態に応じてレンズ状態が変更される第１の六重極レンズと、
前記イオン源と前記質量分散系の間に配置され、前記第１の六重極レンズのレンズ状態に応じてレンズ状態が変更される第２の六重極レンズと、
をさらに備える質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源で発生するイオンの質量分析を行う質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イオン源で発生するイオンを電場及び扇形磁場で構成される質量分散系に通過させ、質量分散系を通過したイオンをイオン検出器によって検出する質量分析装置が知られている。
【０００３】
このような質量分析装置では、イオンビームの軌道上にスリット板を配置し、そのスリット板に形成されるスリットの幅を細くすることで質量分析の分解能を高めることが可能になる。
【０００４】
ところが、イオンビームの軌道上に配置されるスリット板のスリット幅を細くすると、スリットを通過するイオン量が減少し、質量分析装置の感度が低下するという問題が発生する。このため、従来の質量分析装置では、分解能を向上させようとすれば感度が低下し、感度を向上させようとすれば分解能が低下することとなり、高分解能かつ高感度の装置を実現することは困難であった。
【０００５】
これを解決する試みが、特開平６−３１００９３号公報に開示されており、イオン源と質量分散系との間に、入力スリットを介して四重極レンズを３枚設置し、イオンビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与え、軌道平面内においてイオン軌道（動径）平面に発散性を与えることで、イオンビーム発射点の虚像を質量分散系の磁場に可能な限り近づけ、それによって実質的なイオンビームの質量分散系への入射角度を大きくして質量分析装置の分解能を改善している。
【０００６】
また、従来の質量分析装置において、質量分散系とイオン検出器との間に、ズームレンズ機能を有するレンズ系を配置し、いわゆるズーム倍率を変化させることで、イオンビームを適切にイオン検出器に導き、それによってイオン検出器における検出感度を高めることも可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示される方法では、イオン源と質量分散系との間に設置される四重極レンズのレンズ作用が、質量分散系における収束発散作用の一部として実現されるため、分解能を向上させるためのレンズ配置等に関し、設計の自由度が極端に低いという問題がある。例えば、イオン検出器として二次元検出器を使用する場合を想定すると、二次元検出器を質量分散系の出力部分に配置することが必要になるため、質量分散系を従来からある「磁場→電場」の順番で構成せざるを得ず、例えば「電場→磁場」のような質量分散系を導入することは困難であった。このため、二次元検出器を採用しつつ、高分解能を実現するためには、設計上極めて大きな制約が課せられることになっていた。
【０００８】
また、ズームレンズ機能を有するレンズ系を配置すると、ズーム倍率の変化に伴って、軌道平面内でイオンビームの収束面が回転する。そのため、ズームレンズ系を配置してイオン検出感度を高めようとすると、それに伴ってイオン検出の分解能が低下するという問題が発生する。これを防止するために、従来の質量分析装置ではズームレンズ系を配置する場合、ズーム倍率の変化に伴ってイオン検出器を軌道平面内で回転させる機構を別途設ける必要があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、分解能を向上させるレンズ系と質量分散系とが各々独立した作用を示し、例えばイオン検出器として二次元検出器を採用した場合でも高分解能を維持しつつ、自由度の高い設計を行うことの可能な技術の提供を第１の目的とする。またズーム倍率を変化させてもイオン検出器を回転させる必要のない構成を提供することを第２の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、イオン源で発生するイオンを電場及び扇形磁場で構成される質量分散系に通過させて前記イオンを所定の軌道平面内で軌道変換し、前記質量分散系を通過した前記イオンをイオン検出器によって検出する質量分析装置において、前記質量分散系に入射する前のイオンビームの経路中に介挿されるイオンビーム用像縮小レンズ系であって、イオンビームの縮小像を実像として形成するための複合レンズ系と、前記複合レンズ系の前段及び／又は後段に配置されるスリット板と、を備え、前記複合レンズ系が、いずれもが前記軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズと第２の四重極レンズとを備え、前記第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、前記第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置されて構成される。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、イオン源で発生するイオンを電場及び扇形磁場で構成される質量分散系に通過させて前記イオンを所定の軌道平面内で軌道変換し、前記質量分散系を通過した前記イオンをイオン検出器によって検出する質量分析装置であって、前記イオン源と前記質量分散系との間に配置されてイオンビームの縮小像を実像として形成する複合レンズ系と、前記複合レンズ系と前記イオン源との間、及び／又は、前記複合レンズ系と前記質量分散系との間に配置されるスリット板と、を備え、前記複合レンズ系が、いずれもが前記軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズと第２の四重極レンズとを備え、前記第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、前記第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置されて構成される。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の質量分析装置において、前記質量分散系と前記イオン検出器との間に配置され、前記質量分散系を通過したイオンビームにズーム作用を与えるズームレンズ系と、前記質量分散系と前記イオン検出器との間に配置され、前記ズームレンズ系のズーム倍率及び前記質量分散系の制御状態に応じてレンズ状態が変更される第１の六重極レンズと、前記イオン源と前記質量分散系の間に配置され、前記第１の六重極レンズのレンズ状態に応じてレンズ状態が変更される第２の六重極レンズと、をさらに備えて構成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態における質量分析装置１のイオンビーム光学系を示す図である。図１に示すように質量分析装置１においては、イオン源１０で発生するイオンが光軸Ｌに沿って移動し、質量分散系３０によって質量に応じた軌道変換作用を受け、イオン検出器５０によって検出されるように構成される。そしてイオンビームの軌道上には、イオン源１０から順に、イオンビーム用像縮小レンズ系２０、六重極レンズ４３、質量分散系３０、ズームレンズ系４１、六重極レンズ４２及びイオン検出器５０が配置されている。なお、図１に示すイオンビームの軌道を含む平面（ＸＺ平面）を軌道平面という。
【００２３】
イオンビーム用像縮小レンズ系２０は、複合レンズ系２１とスリット板２８，２９とを備えて構成される。複合レンズ系２１は特定の位置にイオン源１０の像（実像）を形成するものである。また、スリット板２８はイオンビームの経路に沿って複合レンズ系２１の前段に配置され、スリット板２９は後段に配置される。各スリット板２８，２９には、軌道平面（Ｘ方向）に分解能を改善する小さな幅のスリットが形成され、軌道平面に垂直な方向（Ｙ方向）には質量分散系３０の許容範囲となる大きなスリットが形成される。スリット板２９は例えば複合レンズ系２１による結像位置に配置される。スリット板２９が配置された位置にイオン源１０から出射するイオンビームを結像させることで、スリット板２９に形成されるスリットを通過するイオン密度を高くすることが可能になる。このようにイオンビーム用像縮小レンズ系２０は、イオン源１０の縮小像を特定の位置に形成するように構成される。
【００２４】
ここで一般的なイオン光学系の特性について説明する。図２はイオン光学系の特性を説明するための図である。イオン光学系において使用されるレンズ系１００に対し、入射する任意のイオンビームの光軸Ｌからのずれ量（距離）をＸ０、そのイオンビームの光軸Ｌとの角度をα０とし、かつ、レンズ系１００から出射するイオンビームの光軸Ｌからのずれ量をＸ１、そのイオンビームの光軸Ｌとの角度をα１と定義したとき、レンズ系１００のレンズ系特性マトリクスを一次近似して示すと、
【００２５】
【数５】
0004009900.tif 000002
【００２６】
で表すことができる。なお、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは任意の実数である。
【００２７】
また、複数のレンズからなる複合レンズ系２１のレンズ系特性マトリクスは、複合レンズ系２１を構成する個々のレンズ系特性マトリクスの積として表すことができる。
【００２８】
そして数５の式において、Ｂ＝０を満たすレンズ系を構成すれば、Ｘ１＝Ａ・Ｘ０となり、結像位置における軌道平面内でのイオンビーム幅はイオン源１０のＡ倍になる。このため、数５の式において、Ｂ＝０を満たし、かつ、Ａ＜１を満たす複合レンズ系２１を構成すれば、結像位置においてイオン源１０の縮小像を形成することができる。そして、その結像位置にスリット板２９を配置すればスリット板２９に形成されるスリット幅を細くすることが可能になる。
【００２９】
ところが、Ｂ＝０かつＡ＜１の条件を満たすだけでは良好な質量分析装置１を構成することができない。なぜなら、Ｂ＝０が成立する場合、数５の行列式より、Ａ・Ｄ＝１の関係が成立することとなり、Ｄ＞１となるからである。つまり、図２においてレンズ系１００を通過したイオンビームの角度α１が増加し、イオンビームは大きく広がりつつ光軸Ｌに沿って進行することになる。その結果、イオン検出器５０において十分なイオン量を検出することができず、質量分析装置１の感度低下が生じる原因となる。
【００３０】
そこで本実施形態においては、イオンビーム用像縮小レンズ系２０の複合レンズ系２１を構築する際、上記数５の式においてＢ＝０とするとともに、Ｃ＝０とすることで、複合レンズ系２１を通過したイオンビームの角度α１が、α１＝Ｄ・α０となるように実現し、イオンビーム用像縮小レンズ系２０を通過した出射イオンビームの角度α１が増大化することを最小限に抑制するように構成される。
【００３１】
次に、具体的な複合レンズ系２１の構築手法について説明する。複合レンズ系２１をある位置で２分割し、イオンビームが通過する順に従ってそれぞれのレンズ系を第１のレンズ系及び第２のレンズ系とすると、第１及び第２のレンズ系それぞれのレンズ系特性マトリクスも上記数５の式と同様に表現される。そして複合レンズ系２１の全体でのレンズ系特性マトリクスは、
【００３２】
【数６】
0004009900.tif 000003
【００３３】
として表現される。
【００３４】
ここで第１及び第２のレンズ系の各レンズ系特性マトリクスにおいて、Ａ１＝Ｄ１＝Ａ２＝Ｄ２＝０とする構成を考える。図３はＡ１＝０及びＡ２＝０を実現するためのレンズ構成概念を示す図である。レンズ系１０１に対し、光軸Ｌに平行なイオンビームを入射させた際、イオンビームをある一点Ｐ１に収束させるようなレンズ作用を実現すれば、Ａ１＝０及びＡ２＝０の条件が満たされる。つまり、入射イオンビームの光軸Ｌからのずれ量Ｘ０にかかわらず、出射イオンビームを一点Ｐ１に収束させることになるので、上記数５の式において実質的にＡ＝０が実現されるのである。
【００３５】
次に、図４はＤ１＝０及びＤ２＝０を実現するためのレンズ構成概念を示す図である。レンズ系１０１に対し、ある一点Ｐ２から平行でないイオンビームを入射させた際、光軸Ｌに平行なイオンビームを出射させるようなレンズ作用を実現すれば、Ｄ１＝０及びＤ２＝０の条件が満たされる。つまり、入射イオンビームの光軸Ｌとの角度α０にかかわらず、出射イオンビームを光軸Ｌと平行な状態（すなわち角度α１＝０）とすることになるので、上記数５の式において実質的にＤ＝０が実現されるのである。
【００３６】
そして、上記図３及び図４のそれぞれに示したレンズ構成概念を同時に実現するレンズ系を２個用意し、それぞれを上記第１及び第２のレンズ系として直列に配置すれば、数６の式において示される複合レンズ系全体でのレンズ系特性マトリクスは、
【００３７】
【数７】
0004009900.tif 000004
【００３８】
として表現される。
【００３９】
このような複合レンズ系２１としては、例えば四重極レンズを少なくとも２個使用すれば実現可能である。図５は、複合レンズ系２１を２個の四重極レンズ２２，２３で構成する場合を示す図である。複合レンズ系２１は、イオン源１０から順に、第１の四重極レンズ２２及び第２の四重極レンズ２３を備えて構成される。そして複合レンズ系２１の入口に相対的に大きい幅のスリット板２８を配置し、イオンビームの出射側の結像位置に小さい幅のスリット板２９が配置される。そして、第１の四重極レンズ２２及び第２の四重極レンズ２３は、第１の四重極レンズ２２の出射側焦点位置と、第２の四重極レンズ２３の入射側焦点位置とが一致するように配置される。このような配置とすることにより、数７の式によって表現されるレンズ系特性マトリクスが実現される。
【００４０】
そして、数７のレンズ系特性マトリクスは、
【００４１】
【数８】
0004009900.tif 000005
【００４２】
として表される。
【００４３】
したがって、上記のように複合レンズ系２１を構成すると、上記数５の式においてＢ＝Ｃ＝０とすることができる。
【００４４】
ただし、そのように構成された複合レンズ系２１においても、結像位置においてイオン源１０の縮小像を形成するためには、数８の式において、Ｂ２・Ｃ１＜１を満たす必要はある。例えば、複合レンズ系２１を２個の四重極レンズ２２，２３で構成する場合、各四重極レンズ２２，２３を制御する際の制御量を調整することで、Ｂ２・Ｃ１＜１の条件を満たすことが可能である。
【００４５】
そして上記のような複合レンズ系２１を構成すれば、最終的にレンズ系特性マトリクスが、
【００４６】
【数９】
0004009900.tif 000006
【００４７】
で表現されるレンズ系が実現されることになり、イオン源１０の縮小像を形成してスリット板２９のスリット幅を細くすることができ、それによって質量分析装置１の分解能を向上させることが可能になる。さらに、イオンビーム用像縮小レンズ系２０を通過した出射イオンビームの光軸Ｌとの角度（広がり角度）が増加することを抑制するように実現されるので、質量分析装置１の感度低下を抑制することが可能である。
【００４８】
図６は、イオンビーム用像縮小レンズ系２０の複合レンズ系２１を２個の四重極レンズ２２，２３を用いて構成した場合（図５参照）における、軌道平面に関するイオン軌道を示す図であり、横方向にイオン源１０からの距離を、縦方向に光軸Ｌからのずれ量Ｘを示している。
【００４９】
四重極レンズ２２，２３によって構成される複合レンズ系２１に対し、スリット板２８を介して、Ｘ方向に一定のビーム幅を有する平行イオンビームＢＭ１を入射させると、四重極レンズ２２，２３の作用により、平行イオンビームＢＭ１のビーム幅は小さくなってスリット板２９に導かれる。また、入射面の一点からスリット板２８を介してある角度をもったイオンビームＢＭ２を入射させると、そのイオンビームＢＭ２はスリット板２９の配置位置において再び一点に収束する。したがって、複合レンズ系２１を少なくとも２個の四重極レンズ２２，２３で構成することにより、スリット板２９に形成するスリット幅を小さくすることができ、質量分析装置１の分解能を向上させることができるのである。
【００５０】
なお、上述したレンズ系特性マトリクスは、軌道平面についてのものであり、軌道平面に垂直な方向（Ｙ方向）について適用されるものではない。また、イオンビーム用像縮小レンズ系２０の複合レンズ系２１を２個の四重極レンズ２２，２３を用いて構成する場合を例示したが、それに限定されるものではなく、他のレンズ構成を採用してもよい。
【００５１】
また、この他にも軌道平面に垂直なＹ方向についてイオンビームを調整するためのレンズ系を配置してもよい。ただし、その場合であっても軌道平面については上記数９の式を満たすことが望まれる。
【００５２】
図７は、軌道平面に垂直なＹ方向についてイオンビームを調整するために、複合レンズ系２１を３個の四重極レンズ２４，２５，２６で構成した場合のイオン軌道図であり、図７（ａ）は軌道平面（ＸＺ平面）に関するイオン軌道を、図７（ｂ）は軌道平面に垂直な方向（Ｙ方向）に関するイオン軌道を示している。
【００５３】
３個の四重極レンズ２４〜２６を用いて、レンズ系特性マトリクスが上記数９の式を満たすように配置すると、図７（ａ）に示すようなイオン軌道が形成される。スリット板２８を介して入射面から一定の幅をもった平行イオンビームＢＭ３を入射させると、そのイオンビームＢＭ３はスリット板２９の配置位置において入射幅よりも小さな幅の平行イオンビームに変換される。また、入射面の一点からある角度をもったイオンビームＢＭ４を入射させると、そのイオンビームＢＭ４はスリット板２９の配置位置において再び一点に収束する。
【００５４】
また、図７（ｂ）に示すように、３個の四重極レンズ２４〜２６を配置して複合レンズ系２１を構成すると、軌道平面に垂直な方向（Ｙ方向）についても良好なイオンビームを形成させることができる。すなわち、スリット板２８を介して入射面から一定の幅をもった平行イオンビームＢＭ５を入射させると、そのイオンビームＢＭ５はスリット板２９の配置位置において入射幅よりも小さな幅の平行イオンビームに変換されるとともに、入射面の一点からある角度をもったイオンビームＢＭ６を入射すると、そのイオンビームＢＭ６はスリット板２９の配置位置においてある広がり角度をもったイオンビームに変換される。このとき、各イオンビームを全体的に観察すると、出射イオンビームのビーム幅は入射イオンビームのビーム幅よりも小さくなるので軌道平面に垂直な方向についても良好なイオンビームを得ることが可能になる。
【００５５】
このように四重極レンズを３個以上使用すれば、軌道平面に垂直方向な方向についてもイオンビームの調整を行うことができ、質量分析装置１に適した任意の複合レンズ系２１を実現することが可能である。
【００５６】
次に、上述した数９の式は理論的なレンズ系特性マトリクスを示すものであるが、実際の複合レンズ系２１において上記数９の式を厳密に満足させることが困難な場合が想定される。そのため、上記数５の式から得られる、Ｃ・Ｘ０がＤ・α０の１／１０以下である場合（すなわち、Ｃ・Ｘ０≦（Ｄ・α０）／１０の場合）には、実質的にＣ＝０であると近似して、上記数９の式が満足された複合レンズ系２１を構築してもよい。
【００５７】
以上のように構成されたイオンビーム用像縮小レンズ系２０により、高密度のイオンビームがスリット板２９を通過する。そしてスリット板２９を通過したイオンビームは、六重極レンズ４３を通過して、電場３１及び扇形磁場３２を備えて構成される質量分散系３０に入射する。
【００５８】
図８は質量分散系３０及びイオン検出器５０の周辺構成に関する拡大図である。また図８には各部を制御するための制御ユニット６０を示している。
【００５９】
質量分散系３０ではイオン質量に応じてイオンビームに適当な軌道変化が生じるように、電場３１及び扇形磁場３２が制御される。具体的には、制御ユニット６０の質量分散系制御部６１が、質量分散系３０に含まれる電場３１及び扇形磁場３２を制御するように構成される。
【００６０】
イオン検出器５０は例えば二次元の検出領域を有する二次元検出器で構成され、その検出面は質量分散系３０からの光軸Ｌに対して所定角度傾斜した状態（図の例ではＸＹ平面と平行な状態）に固定される。ただし、イオン検出器５０は二次元検出器に限定されるものではない。
【００６１】
そしてズームレンズ系４１は、質量分散系３０で軌道変換されたイオンビームをイオン検出器５０の検出領域内に導くように、そのズーム倍率が変更される。このズーム倍率の変更は、制御ユニット６０におけるズーム倍率変更部６２によって制御される。なお、ズームレンズ系４１は、簡単には四重極レンズ２個を組み合わせれば実現されるが、それ以外の構成（例えば、四重極レンズ、八重極レンズ、四重極レンズの組み合わせ等）によって実現されてもよい。
【００６２】
ズームレンズ系４１、六重極レンズ４２及び六重極レンズ４３は、固定されたイオン検出器５０に対する、イオンビーム用ズーム装置４０として機能するものであり、ズームレンズ系４１のズーム倍率を変更した際に、任意の軌道を辿るイオンビームをイオン検出器５０の検出面に対して適切に結像させる機能を有する。
【００６３】
六重極レンズ４２は、ズームレンズ系４１のズーム倍率変化に伴って軌道平面内でイオンビームの収束面が回転することを防止するために設けられるものであり、制御ユニット６０の結像面回転補正部６３によってレンズ作用が制御されるように構成される。結像面回転補正部６３は、ズームレンズ系４１のズーム倍率及び質量分散系３０の制御状態に応じて、六重極レンズ４２のレンズ状態を変更（具体的には、レンズ極性の変更や励起強度の変更等）し、ズーム倍率が変更したことに伴うイオンビーム収束面の回転作用をうち消す。
【００６４】
また六重極レンズ４２の制御量に関しては、ズーム倍率に応じた結像面の回転角を理論式を用いて導き、それをうち消すような補正を行うように構成すればよい。また、各ズーム倍率に応じた結像面の回転角を予め実験的に求めてテーブル化しておき、実際の質量分析装置１においてはズーム倍率に応じた値をそのテーブルから読み出すことで、結像面の回転をうち消す補正を行うように構成してもよい。
【００６５】
この結果、ズームレンズ系４１のズーム倍率を変更した場合であっても、固定されたイオン検出器５０の検出面と、イオンビームの収束面とを常に一致させることが可能になり、イオン検出器５０を軌道平面内で回転させる回転機構を設ける必要がなくなる。
【００６６】
なお、図１及び図８においては、六重極レンズ４２がズームレンズ系４１とイオン検出器５０との間に配置される場合を例示しているが、質量分散系３０とズームレンズ系４１との間に配置されてもイオンビームに対して上記と同様の作用を及ぼすことが可能である。したがって、六重極レンズ４２は質量分散系３０とイオン検出器５０との間に配置されればよい。
【００６７】
ところで、イオンビームの経路中に六重極レンズ４２を配置すると、それによって新たに二次収差が発生し、イオン検出器５０において高分解能でのイオン検出が困難になる。
【００６８】
そこで本実施形態では、六重極レンズ４２をイオンビーム経路中に介挿したことに伴う二次収差を、質量分散系３０とイオン源１０との間に配置される六重極レンズ４３でうち消すように構成される。六重極レンズ４３は制御ユニット６０の収差補正部６４によって制御されるように構成されており、収差補正部６４はズーム倍率変更に伴って制御される六重極レンズ４２のレンズ状態に応じて、六重極レンズ４３のレンズ状態を変更する。具体的には、六重極レンズ４３のレンズ極性の変更やレンズ界強度の変更等が行われる。
【００６９】
また六重極レンズ４３の制御量に関しても、六重極レンズ４２のレンズ状態によって生じる二次収差の影響を理論式に基づいて導き、それをうち消すような補正を行うように構成すればよい。また、六重極レンズ４２のレンズ状態による二次収差を予め実験的に求め、制御量との関係をテーブル化しておき、実際の質量分析装置１においては六重極レンズ４２のレンズ状態に基づいてテーブルから制御量を読み出すことで、二次収差の影響をうち消す補正を行うように構成してもよい。
【００７０】
この結果、イオンビーム収束面の回転を防止することにより発生する二次収差を、六重極レンズ４３において予めうち消しておくことができ、イオン検出器５０における分解能低下を抑制することが可能になる。
【００７１】
なお、図１及び図８においては、イオンビームが質量分散系３０に入射する前に六重極レンズ４３が作用するように配置されている。この理由は、質量分散系３０に入射する前の段階では、イオンビームに質量分散もエネルギー分散も発生しておらず、質量差やエネルギー差による二次収差には影響を及ぼさない好適な位置だからである。
【００７２】
図９は図８の構成による軌道平面でのイオン軌道を示す図である。イオンビーム用縮小レンズ系２０から入射するイオンビームＢＭ７，ＢＭ８は、図９に示すようなイオン軌道を辿ってイオン検出器５０に導かれることになる。
【００７３】
また、図１０は六重極レンズ４３を配置することによる収差抑制効果を示す図であり、イオン検出器５０において検出されるイオン分布の一例を示す図である。そして図１０（ａ）は六重極レンズ４３を配置しない場合を示しており、図１０（ｂ）は六重極レンズ４３を配置した場合を示している。なお、図１０において横方向はイオン検出器５０のＸ方向を、縦方向はイオン検出器５０のＹ方向を示している。
【００７４】
図１０（ａ）に示すように、六重極レンズ４３を配置しない場合には、六重極レンズ４２を配置したことに伴う二次収差の発生により、イオン検出器５０に結像されるイオン像の幅は大きくなる。これに対し、六重極レンズ４３を配置する場合には、六重極レンズ４２を配置したことに伴う二次収差は六重極レンズ４３によってうち消すことができるため、イオン検出器５０に結像されるイオン像の幅を小さくすることができる。したがって、上記のようにイオンビーム用ズーム装置４０を構成することで、イオン検出器５０における分解能低下を抑制することが可能になる。
【００７５】
以上のように、本実施形態の質量分析装置１は、イオン源１０で発生するイオンが、スリット板２８を介してイオンビーム用像縮小レンズ系２０の作用によって特定位置に結像され、かつ、その結像位置に配置されたスリット板２９のスリットを通過するように構成されるので、スリット板２９に形成されるスリットの幅を細くすることができる。その結果、イオン検出器５０に対して幅の細いイオンビームを結像させることができ、イオンの高分解能検出が可能になる。
【００７６】
また、イオンビーム用像縮小レンズ系２０は、複合レンズ系２１を通過するイオンビームが光軸Ｌとのなす角度を最小にするように実現されるので、縮小像を形成したことに伴う感度低下を抑制することができるように構成されている。そのため、イオン検出器５０において高分解能かつ高感度のイオン検出が可能になる。
【００７７】
また、実像を結ぶことによって、イオンビーム用像縮小レンズ系２０は、質量分散系３０やイオンビーム用ズーム装置４０等と独立したレンズ作用を示すこととなり、上述のようにイオン検出器５０として二次元検出器を採用した場合でも高分解能を維持しつつ、自由度の高い設計を行うことが可能になる。このため、本実施形態でも、質量分散系３０において「電場→磁場」なる構成が実現されている。
【００７８】
さらに、本実施形態の質量分析装置１は、イオンビーム用ズーム装置４０の作用によって、固定状態で配置されたイオン検出器５０に対して良好にイオンビームを導くことができる。そのため、高精度な駆動制御が要求されるイオン検出器５０の回転駆動機構を設ける必要がなく、質量分析装置１の低コスト化及び小型化を実現することが可能になる。つまり、上述したイオンビーム用ズーム装置４０により、高分解能かつ高感度にイオン検出可能な質量分析装置１を実現しつつも、さらに低コスト化及び小型化を実現することができるのである。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。以下にいくつかの変形例について説明する。
【００８０】
まず、上記図１及び図５においては、イオンビーム用像縮小レンズ系２０において、スリット板２８が複合レンズ系２１の前段に配置され、かつ、スリット板２９が複合レンズ系２１の後段に配置される場合を例示したが、スリット板が配置される位置は、複合レンズ系２１の前段又は後段のいずれか一方であっても構わない。
【００８１】
図１１は複合レンズ系２１の前段にのみスリット板２８を配置したイオンビーム用像縮小レンズ系２０ａの構成例を示す図である。イオンビーム用像縮小レンズ系２０ａは、イオン源１０から順に、スリット板２８、複合レンズ系２１を備えて構成される。また複合レンズ系２１は、イオン源１０から順に、第１の四重極レンズ２２及び第２の四重極レンズ２３を備えて構成され、第１及び第２の四重極レンズ２２，２３の配置条件は上述した条件と同様であり、レンズ系特性マトリクスが数９の式で表現されるレンズ系が実現される。そして図１１の構成の場合、イオン源１０から出射するイオンビームに対してスリット板２８を配置することで、スリット板２８を通過するイオンの縮小像が複合レンズ系２１によって形成されることになる。したがって、この場合、スリット板２８のスリット幅が比較的大きくても、そのスリット板２８の縮小像を形成することができるので、高分解能かつ高感度でのイオン検出が可能になる。すなわち、複合レンズ系２１の前段にスリット板２８だけを配置しても、図１及び図５の場合と同様に、質量分析装置１における高分解能かつ高感度でのイオン検出が可能になる。
【００８２】
また、図１２は複合レンズ系２１の後段にのみスリット板２９を配置したイオンビーム用像縮小レンズ系２０ｂの構成例を示す図である。イオンビーム用像縮小レンズ系２０ｂは、イオン源１０から順に、複合レンズ系２１、スリット板２９を備えて構成される。また複合レンズ系２１は、イオン源１０から順に、第１の四重極レンズ２２及び第２の四重極レンズ２３を備えて構成され、第１及び第２の四重極レンズ２２，２３の配置条件は上述した条件と同様であり、レンズ系特性マトリクスが数９の式で表現されるレンズ系が実現される。そして図１２の構成の場合、スリット板２９は複合レンズ系２１によるイオンの結像位置に配置される。この場合、スリット板２９のスリット幅を小さくしておき、その小さなスリットを高密度なイオンビームが通過することで、高分解能かつ高感度でのイオン検出が可能になる。すなわち、複合レンズ系２１の後段にスリット板２９だけを配置しても、図１及び図５の場合と同様に、質量分析装置１における高分解能かつ高感度でのイオン検出が可能になる。
【００８３】
ただし、図１２に示すように複合レンズ２１の後段にのみ、スリット板２９を配置する場合には、数ミクロン程度のスリット幅を正確に形成するとともに、スリット板２９を複合レンズ系２１の結像位置に正確に配置することが必要となり、スリット板２９の形成及び配置に関して精度上の許容範囲は狭くなる。このため、図１及び図５に示したように、複合レンズ系２１の前段及び後段の双方にスリット板２８，２９を配置して、スリット板２９が許容範囲を外れた場合に、スリット板２８がそれを補完するように構成してもよい。
【００８４】
次に、上記説明においては、イオンビーム用ズーム装置４０が制御ユニット６０によって六重極レンズ４２，４３が自動調整される場合を例示したが、これに限定されるものではなく、それらを手動調整するように構成しても構わない。例えば、図８において、六重極レンズ４２のレンズ状態を、ズームレンズ系４１のズーム倍率及び質量分散系３０の状態に応じてユーザが手動で調整するようにしても構わないし、また六重極レンズ４３のレンズ状態を、六重極レンズ４２のレンズ状態に応じてユーザが手動で調整するようにしても構わない。
【００８５】
また、上記説明では、質量分析装置１において、イオンビーム用像縮小レンズ系２０とイオンビーム用ズーム装置４０との双方が組み込まれた構成を例示しているが、イオンビーム用像縮小レンズ系２０及びイオンビーム用ズーム装置４０のうちのいずれか一方を質量分析装置１に対して組み込み、一方のみによる特徴的作用効果を実現するように構成しても構わない。
【００８６】
また、上記説明においては、イオン源１０が質量分析装置１に含まれる場合を例示しているが、イオン源１０は質量分析装置１と別体であっても構わない。なお、イオン源１０としては任意のイオン源が適用可能である。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、いずれもが軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置された複合レンズ系を用いることにより、イオンビームの縮小像を実像として形成し、かつ、イオンビームの広がり角度を抑制することができるため、小さなイオンビーム像を形成することが可能になる。また、これによりイオンビームに対して独立した作用を与えることができる。
【００９０】
請求項２に記載の発明によれば、いずれもが軌道平面を収束面とする第１の四重極レンズの出射側焦点位置と、第２の四重極レンズの入射側焦点位置とが一致するように配置された複合レンズ系を用いることにより、イオンビームの縮小像を形成し、かつ、イオンビームの広がり角度を抑制することができるため、イオン検出器に対して小さな（幅の細い）像を実像として結像させることができ、高分解能かつ高感度でイオン検出を行うことが可能になる。
【００９２】
請求項３に記載の発明によれば、イオン検出器を回転させる機構を設けることなく、さらに高分解能かつ高感度なイオン検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】質量分析装置のイオンビーム光学系を示す図である。
【図２】イオン光学系の一般的特性を説明するための図である。
【図３】レンズ構成の一概念を説明するための図である。
【図４】レンズ構成の一概念を説明するための図である。
【図５】２個の四重極レンズで構成した複合レンズ系を示す図である。
【図６】２個の四重極レンズを用いた場合のイオン軌道を示す図である。
【図７】３個の四重極レンズを用いた場合のイオン軌道を示す図である。
【図８】質量分散系及びイオン検出器の周辺構成に関する拡大図である。
【図９】図８の構成による軌道平面でのイオン軌道を示す図である。
【図１０】イオンビーム用ズーム装置に対して六重極レンズを配置することによる収差抑制効果を示す図である。
【図１１】図５とは異なるイオンビーム用像縮小レンズ系の構成例を示す図である。
【図１２】図５及び図１１とは異なるイオンビーム用像縮小レンズ系の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１  質量分析装置
１０  イオン源
２０，２０ａ，２０ｂ  イオンビーム用像縮小レンズ系
２１  複合レンズ系
２２〜２６  四重極レンズ
２８，２９  スリット板
３０  質量分散系
３１  電場
３２  扇形磁場
４０  イオンビーム用ズーム装置
４１  ズームレンズ系
４２，４３  六重極レンズ
５０  イオン検出器
６０  制御ユニット
Ｌ  光軸
【図１】
0004009900.tif 000007
【図２】
0004009900.tif 000008
【図３】
0004009900.tif 000009
【図４】
0004009900.tif 000010
【図５】
0004009900.tif 000011
【図６】
0004009900.tif 000012
【図７】
0004009900.tif 000013
【図８】
0004009900.tif 000014
【図９】
0004009900.tif 000015
【図１０】
0004009900.tif 000016
【図１１】
0004009900.tif 000017
【図１２】
0004009900.tif 000018