(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（a）対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域と、
（b）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極を前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
を備えた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記支持部材の穴の内周壁表面に前記イオン押し出し電極の電位とイオン引き出し電極の電位の中間の電圧が印加される手段を設け、イオン押し出し電極とイオン引き出し電極との間の電位分布を補正するようにしたことを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
【請求項２】
（a）連続的にイオンを出射するイオン源と、
（b）イオン源から出射されたイオンを対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域に導入する導入手段と、
（c）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極の一部を成すメッシュを前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
（d）該支持部材の穴の内周壁表面に設けられた抵抗体の層と、
（e）該抵抗体の層に電圧を印加して、前記垂直加速領域へのイオン導入方向に対して直交する方向に電界を発生させる垂直加速電源と、
（f）該パルス電圧によってパルス的に垂直加速されたイオンが検出器に到達する時間を計測する時間計測手段と、
から成ることを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
【請求項３】
前記支持部材は、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とにそれぞれ金属電極を有し、イオン押し出し電極とメッシュとに異なる電位が印加された場合、イオン押し出し電極に対向している面の金属電極には、イオン押し出し電極とメッシュとの間の電位勾配に基づいて配分される電位を印加すると共に、メッシュ支持部材の穴の内周壁表面には、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とに存在する金属電極同士を結ぶ前記抵抗体の層を設け、該層の電位が層自身の抵抗値によって勾配を持つように構成したことを特徴とする請求項２記載の垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
【請求項４】
前記抵抗体の組成は、カーボンであることを特徴とする請求項２または３記載の垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
【請求項５】
（a）連続的にイオンを出射するイオン源と、
（b）イオン源から出射されたイオンを対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域に導入する導入手段と、
（c）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極の一部を成すメッシュを前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
（d）該支持部材の穴の内周壁表面に設けられた複数の小電極と、
（e）該小電極に電圧を印加して、前記垂直加速領域へのイオン導入方向に対して直交する方向に電界を発生させる垂直加速電源と、
（f）該パルス電圧によってパルス的に垂直加速されたイオンが検出器に到達する時間を計測する時間計測手段と、
から成ることを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析装置。
【請求項６】
前記イオン引き出し電極のメッシュ支持部材は、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とにそれぞれ金属電極を有し、イオン押し出し電極とメッシュとに異なる電位が印加された場合、イオン押し出し電極に対向している面の金属電極には、イオン押し出し電極とメッシュとの間の電位勾配に基づいて配分される電位を印加すると共に、メッシュ支持部材の穴の内周壁表面には、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とに存在する金属電極同士を結ぶ分割抵抗によって分割された電位を印加する前記複数の小電極を設け、該小電極によって構成されるメッシュ支持部材の内側面の電位が分割抵抗の抵抗値によって全体として勾配を持つように構成したことを特徴とする請求項５記載の垂直加速型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、垂直加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；Orthogonal Acceleration Time of Fright Mass Spectrometer）に関し、特に、スペクトルの分解能を高めることのできるＯＡ−ＴＯＦＭＳに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、連続的にイオンを生成するイオン源からのイオンビームをイオン加速領域に導入し、イオンビームの導入方向とは直交する方向にパルス的にイオンビームを加速し、加速直後からイオンビームがイオン検出器で検出されるまでの時間を計測して質量分析する装置である。
【０００３】
図１は、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を模式的に表わしたものである。図中１は、図示しない外部イオン源からイオンを取り込むために設けられた第１のオリフィスである。第１のオリフィス１の後段には、第２のオリフィス２が設けられ、２つのオリフィス１及び２に囲まれた差動排気室３が形成されている。
【０００４】
第２のオリフィス２の後段には、イオントランスポート４を備えた第１の中間室５、及び第２の中間室６が設けられており、次第に高度の真空領域にイオンが導入されていくようになっている。２つの中間室５及び６の後段には、質量分析のための諸要素を備えた測定室７が配置されている。測定室７に導入されたイオンは、最後のイオントランスポート４を経て、イオン加速領域８の細長い空間に導かれる。
【０００５】
イオン加速領域には、図２に示すように、イオンが導入されるイオン加速領域８の空間を挟んで、イオン押し出し電極９とイオン引き出し電極１０及びメッシュ１１が対向配置されている。イオン加速領域８に導入されたイオンは、イオン押し出し電極９とイオン引き出し電極１０及びメッシュ１１に対して同時にパルス的に印加されるイオン加速電圧によって、イオンの導入方向とは直交する方向に加速され、イオンパルスとなって、イオン加速領域８に対向するリフレクトロン１２に向けて飛行を開始する。
【０００６】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室７に導入されたときの速度と、それとは垂直な方向にイオン押し出し電極９、イオン引き出し電極１０及びメッシュ１１によって与えられた速度とが合成されて、斜め方向に飛行し、リフレクトロン１２で反射されて、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）などで構成されているイオン検出器１３に到達する。
【０００７】
イオン加速領域８での加速の過程では、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ため、イオンの質量の違いがイオン検出器１３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。
【０００８】
こうしてイオン検出器１３によって検出された信号は、測定室７の外部に設けられた電子回路１４によって増幅され、質量スペクトルとして処理される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成において、イオン加速領域８でのパルス的な加速を均一に行なうためには、イオン加速領域８で発生するパルス電場の方向をイオンの導入方向に対して正しく直角にしておく必要がある。このため、図２に示すように、イオン加速領域８を挟んでイオン押し出し電極９に対向するイオン引き出し電極１０の中央部にはメッシュ１１を張って、できるだけ発生するパルス電場が均一になるようにしている。
【００１０】
しかしながら、メッシュ１１の部分では厚みがほとんどゼロのイオン引き出し電極１０も、所定の機械的強度を得る必要上、周辺部においては厚みをゼロにすることはできないため、該電極の周辺部近傍においては発生する電場が乱れるという問題があった。
【００１１】
図３は、メッシュ１１を張ったイオン引き出し電極１０における電場の乱れを模式的に表わしたものである。電場の強度分布を示す等高線が、厚みのほとんどないメッシュ１１の近傍では水平方向に均一化しているのに対し、所定の厚みを持った金属でできたイオン引き出し電極１０の近傍では大きく湾曲し、歪んでいる。
【００１２】
このため、イオン引き出し電極１０の近傍では、イオンの加速の向きがイオンの導入方向に対して直角にならず、その結果、同じ質量数のイオンでも、イオン引き出し電極１０の近傍で加速された場合とメッシュ１１の近傍で加速された場合とでイオン検出器に到達するのに要する時間が異なる結果となり、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの分解能の低下を引き起こしていた。
【００１３】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、所定の厚みを持ったイオン引き出し電極がメッシュの端部に用いられていても、電場の強度分布を示す等高線が歪まず、イオン引き出し電極の近傍においてもメッシュの近傍におけると同様に、イオンの導入方向に対して直角方向にイオンを加速させることのできるイオン引き出し電極を備えたＯＡ−ＴＯＦＭＳを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかるＯＡ−ＴＯＦＭＳは、（a）対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域と、
（b）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極を前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
を備えた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記支持部材の穴の内周壁表面に前記イオン押し出し電極の電位とイオン引き出し電極の電位の中間の電圧が印加される手段を設け、イオン押し出し電極とイオン引き出し電極との間の電位分布を補正するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、（a）連続的にイオンを出射するイオン源と、
（b）イオン源から出射されたイオンを対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域に導入する導入手段と、
（c）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極の一部を成すメッシュを前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
（d）該支持部材の穴の内周壁表面に設けられた抵抗体の層と、
（e）該抵抗体の層に電圧を印加して、前記垂直加速領域へのイオン導入方向に対して直交する方向に電界を発生させる垂直加速電源と、
（f）該パルス電圧によってパルス的に垂直加速されたイオンが検出器に到達する時間を計測する時間計測手段と、
から成ることを特徴としている。
【００１７】
また、前記支持部材は、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とにそれぞれ金属電極を有し、イオン押し出し電極とメッシュとに異なる電位が印加された場合、イオン押し出し電極に対向している面の金属電極には、イオン押し出し電極とメッシュとの間の電位勾配に基づいて配分される電位を印加すると共に、メッシュ支持部材の穴の内周壁表面には、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とに存在する金属電極同士を結ぶ前記抵抗体の層を設け、該層の電位が層自身の抵抗値によって勾配を持つように構成したことを特徴としている。
【００１８】
また、前記抵抗体の組成は、カーボンであることを特徴としている。
【００１９】
また、（a）連続的にイオンを出射するイオン源と、
（b）イオン源から出射されたイオンを対向するイオン押し出し電極とイオン引き出し電極とから成る垂直加速領域に導入する導入手段と、
（c）該垂直加速領域で加速されたイオンが通過する穴を備え、前記イオン引き出し電極の一部を成すメッシュを前記イオン押し出し電極とは反対側の表面において支持する支持部材と、
（d）該支持部材の穴の内周壁表面に設けられた複数の小電極と、
（e）該小電極に電圧を印加して、前記垂直加速領域へのイオン導入方向に対して直交する方向に電界を発生させる垂直加速電源と、
（f）該パルス電圧によってパルス的に垂直加速されたイオンが検出器に到達する時間を計測する時間計測手段と、
から成ることを特徴としている。
【００２０】
また、前記イオン引き出し電極のメッシュ支持部材は、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とにそれぞれ金属電極を有し、イオン押し出し電極とメッシュとに異なる電位が印加された場合、イオン押し出し電極に対向している面の金属電極には、イオン押し出し電極とメッシュとの間の電位勾配に基づいて配分される電位を印加すると共に、メッシュ支持部材の穴の内周壁表面には、メッシュに接している面とイオン押し出し電極に対向している面とに存在する金属電極同士を結ぶ分割抵抗によって分割された電位を印加する前記複数の小電極を設け、該小電極によって構成されるメッシュ支持部材の内側面の電位が分割抵抗の抵抗値によって全体として勾配を持つように構成したことを特徴としている。
【００２１】
【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ＯＡ−ＴＯＦＭＳの一実施例を表わしたものである。図面では、従来例において問題となったイオン加速領域の部分のみを取り上げて図示しており、他の省略した部分については、従来の実施例と全く同一である。
【００２２】
本実施例では、所定の厚みを持った金属で作られたイオン引き出し電極によってメッシュを保持する代わりに、セラミックなどの絶縁体で作られたメッシュ支持部材１５を用いてメッシュ１１を保持している。このメッシュ支持部材１５のメッシュ側の表面と、イオン押し出し電極９に対向する側の表面には、それぞれ薄い金属膜でできた電極１６及び１７が設けられていて、それぞれに所望の電位を印加することができるようになっている。
【００２３】
また、メッシュ支持部材１５の内側面には、カーボンなどの抵抗体層を形成した層部１８が設けられていて、所定の抵抗値を保有しながら、電極１６及び１７をつなぐ構造になっている。メッシュ支持部材１５のイオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７には、イオン押し出し電極９とメッシュ１４との間の電位勾配の勾配率に基づいて電極１７の位置に適正配分された電位が印加される。
【００２４】
このような構成において、まず、イオンがイオン加速領域に導入されるモードでは、連動して動くスイッチＳ1及びＳ2が共にアース側に接続され、イオン押し出し電極９、イオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７、及びメッシュ１１にそれぞれ接地電位が印加される。したがって、このモードでは、導入されたイオンが垂直加速されることはない。
【００２５】
次に、イオンをパルス的に垂直加速させるモードでは、連動して動くスイッチＳ1及びＳ2が共に直流電源Ｖ1及びＶ2側に接続され、イオン押し出し電極９、メッシュ支持部材１５のイオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７、及びメッシュ１１に直流電圧を印加して、イオン加速領域からイオンを引き出す。
【００２６】
このとき、メッシュ支持部材１５のイオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７の印加電圧を抵抗Ｒ1で調整して、図５に示すように、イオン押し出し電極９からメッシュ１１までの電位勾配が連続的に推移するように、電極１７に適当な電位−Ｒ1Ｖ2／（Ｒ1＋Ｒ2）を配分する。
【００２７】
このようにしたとき、電極１７とメッシュ１１の間には、カーボンなどの抵抗体層が形成された層部１８において、抵抗で分割される電位が自動的に発生するため、メッシュ支持部材１５の近傍にも、メッシュ１１の近傍の場合と同様な歪みのない電場を生じ、イオンの垂直加速による引き出しも均一なものとなる。
【００２８】
図６は、本発明にかかるＯＡ−ＴＯＦＭＳの別の一実施例を表わしたものである。この図面でも、従来例において問題となったイオン加速領域の部分のみを取り上げて図示しており、他の省略した部分については、従来の実施例と全く同一である。
【００２９】
図６の実施例では、メッシュ支持部材１５の内側面に抵抗体の層部を設ける代わりに、メッシュ支持部材１５の内側面を相互に絶縁された複数の小電極１９に分割し、分割抵抗Ｒ2を用いて該小電極ごとに異なる電位を与えることにより、全体として電位の勾配を持たせるものである。
【００３０】
このような構成において、まず、イオンがイオン加速領域に導入されるモードでは、連動して動くスイッチＳ1及びＳ2が共にアース側に接続され、イオン押し出し電極９、イオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７、及びメッシュ１１にそれぞれ接地電位が印加される。したがって、このモードでは、導入されたイオンが垂直加速されることはない。
【００３１】
次に、イオンをパルス的に垂直加速させるモードでは、連動して動くスイッチＳ1及びＳ2が共に直流電源Ｖ1及びＶ2側に接続され、イオン押し出し電極９、メッシュ支持部材１５のイオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７、及びメッシュ１１に直流電圧を印加して、イオン加速領域からイオンを引き出す。
【００３２】
このとき、メッシュ支持部材１５のイオン押し出し電極９に対向する側の表面に設けられた電極１７の印加電圧を抵抗Ｒ1で調整して、イオン押し出し電極９からメッシュ１１までの電位勾配が連続的に推移するように、電極１７に適当な電位−Ｒ1Ｖ2／（Ｒ1＋Ｒ2）を配分する。
【００３３】
このようにしたとき、電極１７とメッシュ１１の間には、相互に絶縁された複数の小電極１９において、分割抵抗Ｒ2で分割される電位が自動的に発生するため、メッシュ支持部材１５の近傍にも、メッシュ１１の近傍の場合と同様な歪みのない電場を生じ、イオンの垂直加速による引き出しも均一なものとなる。
【００３４】
尚、イオンの垂直加速領域の周壁上に垂直加速電源から印加される電圧を分圧する分圧手段を設ければ、イオンの垂直加速領域の周壁付近においても、メッシュ近傍の場合と同様な歪みのない電場を生じさせることができ、イオンの垂直加速による引き出しをより均一なものとすることができる。
【００３５】
また、イオン加速領域においてイオン引き出し電極が１枚ではなく、複数枚の電極から成る場合にも、図４または図６で説明した構造の電極を用いることにより、均一な勾配の電場を発生させることができる。
【００３６】
また、図７に示すように、イオンの引き出し電位を多段階とする場合には、電位の変曲点にメッシュ電極を用いるのが一般的であるが、その場合も、変曲点の電極に本発明を適用することにより、均一なイオンの引き出しを実現することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明のＯＡ−ＴＯＦＭＳによれば、イオン加速領域に設けられたイオン引き出し電極のメッシュ支持部材の近傍でも、メッシュの近傍の場合と同様に、イオンの導入方向に対して直角な方向に電場が発生するため、イオン加速領域に導入されたイオンの均一な加速と、イオン加速領域からの均一なイオン引き出しを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置におけるイオン加速領域の構造を示す図である。
【図３】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置におけるイオン引き出し電極近傍の電場の乱れを示す図である。
【図４】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置におけるイオン加速領域の構造の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置におけるイオン加速領域の電位勾配を示す図である。
【図６】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置におけるイオン加速領域の別の構造を示す図である。
【図７】イオンの引き出し方向の電位分布を示す図である。
【符号の説明】
１・・・オリフィス、２・・・オリフィス、３・・・差動排気室、４・・・イオントランスポート、５・・・第１の中間室、６・・・第２の中間室、７・・・測定室、８・・・イオン加速領域、９・・・イオン押し出し電極、１０・・・イオン引き出し電極、１１・・・メッシュ、１２・・・リフレクトロン、１３・・・イオン検出器、１４・・・電子回路、１５・・・メッシュ支持部材、１６・・・電極、１７・・・電極、１８・・・層部、１９・・・小電極。
【図１】
0003746629.tif 000002
【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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