JP3571566B2

JP3571566B2 - Ion optical system of time-of-flight mass spectrometer

Info

Publication number: JP3571566B2
Application number: JP04137499A
Authority: JP
Inventors: 久松田
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP2000243345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）のイオン光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）においては、一定の加速エネルギーで加速した試料イオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する飛行時間を計測して質量を求める。
【０００３】
飛行時間型質量分析計では、飛行距離が長い程高い質量分離能が得られるが、飛行距離を長くすると装置の大型化は避けられない。そこで、大型化を防ぎつつ長い飛行距離を実現するために、これまでに多くの工夫がなされている。
【０００４】
その一つは、大阪大学で考案されたモーターウェイ型装置で、直径４１ｃｍの真空容器内に１．７２７ｍの飛行距離を有するイオン光学系を納めることが出来た（Ｉｎｔ．Ｊ．ＭａｓｓＳｐｅｃｔ．ＩｏｎＰｒｏｃ．，６６（１９８５）２８３）。
【０００５】
また、最近では、同一軌道を複数回周回させるマルチターンのイオン光学系が提案されている（第４６回質量分析総合討論会（１９９８）講演要旨集ｐ．３３〜及びｐ３１９〜）。この方法では、トラック状の同一軌道に何回もイオンを周回させることにより飛行距離を長くできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、モーターウェイ型装置は、多数の扇形電場が必要であり、構造が複雑である。
【０００７】
また、マルチターンのイオン光学系は、イオン群を周回軌道へタイミングをはかって打ち込み及び取り出しするための機構が必要になり構造が複雑になる。また、特定のイオン群しか分析できない欠点がある。さらに、同一軌道を何回も回るので、速いイオンと遅いイオンが混合するおそれもある。このため、多成分を持つ未知試料の分析は困難であると考えられる。
【０００８】
本発明は、上述した諸点に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な構造で、限られた狭い空間に長い飛行距離を収容できる、新規な飛行時間型質量分析計のイオン光学系を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、第１の本発明は、イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場は最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴としている。
さらに、第２の本発明は、イオンが順次通過する複数の円筒電場を備えた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であって、該複数の円筒電場はイオンの回転方向が同一で合計の回転角度が３６０°であり、最後の円筒電場を出射したイオンが最初に入射した円筒電場に再び入射するように配置されており、且つイオン軌道が円筒電場の軸に直交する平面に対し傾きを与えられていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。図１は、本発明に従う飛行時間型質量分析計のイオン光学系の一実施例を示す平面図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。図１において、Ｅ１〜Ｅ６は回転角度６０°の同一形状及び同一強度の円筒電場である。各円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、同心円筒電極である内側電極１〜６と外側電極１´〜６´の間の空間に生成される。
【００１１】
図１に示されているように、６つの円筒電場Ｅ１〜Ｅ６は、軸心Ｏを中心として６０°の等間隔で回転対称に配置され、それにより、正六角形状のイオン軌道が形成される。
【００１２】
図２に示されているように、電場Ｅ１とＥ６の間には、イオン源で生成された試料イオンを正六角形状のイオン軌道に向けて入射させるための偏向電場Ｅ０が配置されている。また、同じく電場Ｅ１とＥ６の間には、正六角形状のイオン軌道を飛行してきた試料イオンを外部へ取り出すための偏向電場Ｅ７が配置されている。
【００１３】
上記構成において、イオン源で生成された試料イオンは、軸Ｏと平行に上から下へ向けて飛行し、偏向電場Ｅ０に入射する。そして、偏向電場Ｅ０により飛行方向がほぼ９０°曲げられた試料イオンは、第１の円筒電場Ｅ１に入射し、その後、順次円筒電場Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６を通過して再び円筒電場Ｅ１に再入射する。
【００１４】
ところで、偏向電場Ｅ０により試料イオンを偏向して円筒電場Ｅ１に入射させる際、もしイオンが軸心Ｏに直交する平面に沿って入射するように入射角度を選定すると、試料イオンの軌道はその平面上にあり、同一軌道を周回することとなる。これは、従来例で紹介したマルチターン型の光学系と同じである。
【００１５】
これに対し本発明では、軸心Ｏに直交する平面に対して零でないわずかな角度θ傾けてこの円筒電場へ入射させている。そのため、図２に示されているように、イオン軌道は円筒電場内で徐々に下方（軸心Ｏの方向）に移動して行く。
【００１６】
円筒電場はｙ方向（円筒軸の方向）に対して全く収束作用を持たないため、円筒電場Ｅ１に打ち込まれた試料イオンは、このイオン軌道に沿ってらせん階段を下るように下降して行き、５周したところで円筒電場Ｅ１とＥ６の間の５周後のイオン軌道の高さに合わせて設けられた偏向電場Ｅ７に入射し軸Ｏの方向に取り出されることとなる。取り出された試料イオンは、図示しないイオン検出器により検出される。
【００１７】
入射イオンとしてできる限り平行なビームを用いると、例えば飛行距離を３ｍとしても、ｙ方向の広がりは数ｍｍ程度に抑えられる。従って、１周毎に軸方向にずれるピッチが５〜６ｍｍ程度になるようにθを選定すれば、隣り合う軌道を進むイオンが混じることはない。
【００１８】
このように、本発明では、合計の回転角が３６０°になりイオンが複数回周回可能なように複数の円筒電場を配置すると共に、円筒の軸に直交する平面に対し傾けてイオンを円筒電場に打ち込むことにより、イオン軌道を円筒軸の方向に周回ごとにずらすことができる。このため、イオンが同一軌道を飛行することもなく、また交差することもない長いイオン軌道を限られた空間内に実現することができる。また、イオンを打ち込む軌道と取り出す軌道が別れているため、打ち込みと取り出しのタイミングをはかる必要がなく、打ち込み及び取り出しのための構造が簡単になる。
【００１９】
表１は、図１に示されているイオン光学系において、円筒電場Ｅ１〜Ｅ６の回転半径を５ｃｍ、各電場間の直線軌道の長さを５ｃｍとし、４＋４／６周後に電場Ｅ４とＥ５の間からイオンを取り出した場合について計算により求めた、周回毎のｘ方向の収束性を表わす収差係数（ｘ┃ｘ），（ｘ┃ａ），（ｘ┃ｄ）と、時間収束性を表わす収差係数（ｔ┃ｘ），（ｔ┃ａ），（ｔ┃ｄ）を示している。

表１における４＋４／６周後の収差係数はいずれも極めて小さく、ｘ方向の収束性と時間収束性が共に優れた飛行時間型質量分析計のイオン光学系であることが分かる。また、直径わずか２０ｃｍの空間に、交差の全くない２ｍ以上の飛行距離が得られる。
【００２０】
なお、イオンの周回数は、円筒電場の軸心方向の長さ（高さ）と、イオン軌道の周回ピッチを適宜選定することにより、任意に設定することができる。また、打ち込みの際の傾斜角θを調節できるようにしておけば、取り出しのための構造を固定していても、取り出し位置へ到達するまでのイオンの周回数を変えることが可能である。
【００２１】
本発明は、上述した実施例に限定されることなく、変形が可能である。例えば、円筒電場の間の直線軌道部で周回によりずれて行く各軌道を確実に分離するため、アースプレートを各軌道の間に配置することが好ましい。また、直線軌道の少なくとも１つにアパーチャレンズ（アインツェルレンズ）を配置し、このレンズによりｙ方向の収束を行わせることも可能である。
【００２２】
さらに、上記実施例では回転角度６０°の６つの円筒電場を回転対称に配置したが、これに限らず、合計の回転角度が３６０°となり周回が可能なように複数の円筒電場を組み合わせれば良い。
【００２３】
また、周回軌道へのイオンの打ち込み及び周回軌道からの取り出しのための構造も、上記実施例に限らず変形が可能である。例えば、円筒電場を作るための外側電極の１つに打ち込み用の穴をあけ、この穴からイオン軌道に乗るようにイオンを打ち込んでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる飛行時間型質量分析計のイオン光学系の実施例を示す図である。
【図２】図１のイオン光学系におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１〜Ｅ６…円筒電場
Ｅ０…打ち込み用偏向電場
Ｅ７…取り出し用偏向電場
１〜６…内側電極
１’〜６’…外側電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS).
[0002]
[Prior art]
In a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS), the time of flight required to fly a certain distance is measured based on the fact that sample ions accelerated with a certain acceleration energy have a flight speed according to the mass, and the mass is measured. Ask.
[0003]
In a time-of-flight mass spectrometer, the higher the flight distance, the higher the mass resolving power can be obtained, but if the flight distance is increased, the size of the apparatus cannot be avoided. Therefore, many attempts have been made to achieve a long flight distance while preventing an increase in size.
[0004]
One of them is a motorway type device devised by Osaka University, in which an ion optical system having a flight distance of 1.727 m can be accommodated in a vacuum vessel having a diameter of 41 cm (Int. J. Mass Spect. Ion). Proc., 66 (1985) 283).
[0005]
Recently, a multi-turn ion optical system for orbiting the same orbit a plurality of times has been proposed (the 46th mass spectrometry general discussion meeting (1998) abstracts p.33- and p319-). In this method, the flight distance can be lengthened by making the ions orbit around the same track-like orbit many times.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the motorway type device requires a large number of electric sectors and is complicated in structure.
[0007]
In addition, a multi-turn ion optical system requires a mechanism for implanting and extracting ions into a circular orbit at a proper timing, and the structure becomes complicated. In addition, there is a disadvantage that only a specific ion group can be analyzed. Further, since the orbit goes around the same orbit many times, fast ions and slow ions may be mixed. For this reason, it is considered difficult to analyze an unknown sample having multiple components.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and provides a novel time-of-flight mass spectrometer ion optical system which has a relatively simple structure and can accommodate a long flight distance in a limited narrow space. It is intended to do so.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer having a plurality of cylindrical electric fields through which ions sequentially pass, wherein the plurality of cylindrical electric fields are the last. It is characterized in that ions emitted from the cylindrical electric field are arranged so as to be incident again on the cylindrical electric field which has first entered, and the ion trajectory is inclined with respect to a plane orthogonal to the axis of the cylindrical electric field.
Further, the second invention is an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer provided with a plurality of cylindrical electric fields through which ions sequentially pass, wherein the plurality of cylindrical electric fields have the same rotation direction and the total number of ions. The rotation angle is 360 °, the ions emitted from the last cylindrical electric field are arranged so as to be incident again on the first incident cylindrical electric field, and the ion trajectory is inclined with respect to a plane perpendicular to the axis of the cylindrical electric field. It is characterized by being given.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. In FIG. 1, E1 to E6 are cylindrical electric fields having the same shape and the same strength at a rotation angle of 60 °. Each cylindrical electric field E1 to E6 is generated in a space between inner electrodes 1 to 6 which are concentric cylindrical electrodes and outer electrodes 1 'to 6'.
[0011]
As shown in FIG. 1, the six cylindrical electric fields E1 to E6 are arranged rotationally symmetrically at equal intervals of 60 ° about the axis O, thereby forming a regular hexagonal ion trajectory. .
[0012]
As shown in FIG. 2, between the electric fields E1 and E6, a deflection electric field E0 for causing the sample ions generated by the ion source to be incident toward a regular hexagonal ion orbit. Similarly, between the electric fields E1 and E6, there is arranged a deflection electric field E7 for taking out the sample ions flying in the regular hexagonal ion orbit to the outside.
[0013]
In the above configuration, the sample ions generated by the ion source fly from top to bottom in parallel with the axis O, and enter the deflection electric field E0. The sample ions whose flight direction is bent by about 90 ° by the deflection electric field E0 are incident on the first cylindrical electric field E1, and then sequentially pass through the cylindrical electric fields E2, E3, E4, E5, E6 and again form the cylindrical electric field. It reenters E1.
[0014]
By the way, when the sample ions are deflected by the deflection electric field E0 to be incident on the cylindrical electric field E1, if the incident angle is selected so that the ions are incident along a plane orthogonal to the axis O, the trajectory of the sample ions is in the plane It will be on the same orbit. This is the same as the multi-turn optical system introduced in the conventional example.
[0015]
On the other hand, in the present invention, the light is incident on the cylindrical electric field at a slight non-zero angle θ with respect to a plane perpendicular to the axis O. Therefore, as shown in FIG. 2, the ion trajectory gradually moves downward (in the direction of the axis O) in the cylindrical electric field.
[0016]
Since the cylindrical electric field has no convergence effect in the y direction (the direction of the cylindrical axis), the sample ions injected into the cylindrical electric field E1 descend along the ion trajectory so as to descend a spiral staircase. After five rounds, the light enters the deflection electric field E7 provided in accordance with the height of the ion trajectory after five rounds between the cylindrical electric fields E1 and E6, and is extracted in the direction of the axis O. The extracted sample ions are detected by an ion detector (not shown).
[0017]
If a beam as parallel as possible is used as the incident ions, the spread in the y direction can be suppressed to about several mm even if the flight distance is set to 3 m, for example. Therefore, if .theta. Is selected so that the pitch shifted in the axial direction for each revolution is about 5 to 6 mm, ions traveling on adjacent orbits will not be mixed.
[0018]
As described above, in the present invention, a plurality of cylindrical electric fields are arranged so that the total rotation angle becomes 360 ° and the ions can orbit a plurality of times. , The ion trajectory can be shifted for each revolution in the direction of the cylindrical axis. Therefore, it is possible to realize a long ion trajectory in which ions do not fly in the same trajectory and do not intersect in a limited space. Further, since the trajectory for implanting ions and the trajectory for extracting ions are separated, it is not necessary to measure the timing of implantation and extraction, and the structure for implantation and extraction is simplified.
[0019]
Table 1 shows that, in the ion optical system shown in FIG. 1, the rotation radii of the cylindrical electric fields E1 to E6 were 5 cm, the length of the linear orbit between the electric fields was 5 cm, and the electric fields E4 and E5 were changed after 4 + 4/6 rotations. Aberration coefficients (x┃x), (x┃a), (x┃d) representing convergence in the x direction for each revolution, and aberrations representing time convergence, obtained by calculation when ions are taken out from between The coefficients (t┃x), (t┃a), and (t┃d) are shown.

The aberration coefficients after 4 + 4/6 rotations in Table 1 are all extremely small, indicating that the ion optical system of the time-of-flight mass spectrometer has excellent convergence in the x direction and time convergence. In addition, a flight distance of 2 m or more without any intersection can be obtained in a space having a diameter of only 20 cm.
[0020]
The number of turns of the ions can be arbitrarily set by appropriately selecting the length (height) of the cylindrical electric field in the axial direction and the orbital pitch of the ion orbit. In addition, if the inclination angle θ at the time of implantation can be adjusted, it is possible to change the number of turns of ions before reaching the extraction position, even if the extraction structure is fixed.
[0021]
The present invention can be modified without being limited to the above-described embodiments. For example, it is preferable to arrange an earth plate between the orbits in order to surely separate the orbits that are shifted by orbit in the linear orbit portion between the cylindrical electric fields. It is also possible to arrange an aperture lens (Einzel lens) on at least one of the linear trajectories, and to make the lens converge in the y direction.
[0022]
Furthermore, in the above-described embodiment, six cylindrical electric fields having a rotation angle of 60 ° are arranged rotationally symmetrically. However, the present invention is not limited to this. good.
[0023]
Further, the structure for implanting ions into the orbit and extracting the ions from the orbit can be modified without being limited to the above embodiment. For example, a hole for implantation may be made in one of the outer electrodes for producing a cylindrical electric field, and ions may be implanted from this hole so as to be on an ion orbit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an AA cross section of the ion optical system of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
E1 to E6: cylindrical electric field E0: deflection electric field for driving E7: deflection electric field for extraction 1 to 6: inner electrode 1 'to 6': outer electrode

Claims

An ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer including a plurality of cylindrical electric fields through which ions sequentially pass, wherein the plurality of cylindrical electric fields are incident again on a cylindrical electric field on which ions emitted from the last cylindrical electric field first enter. Characterized in that the ion trajectory is tilted with respect to a plane perpendicular to the axis of the cylindrical electric field.

An ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer including a plurality of cylindrical electric fields through which ions sequentially pass, wherein the plurality of cylindrical electric fields have the same rotation direction of ions, a total rotation angle of 360 °, and a final rotation angle of 360 °. Are arranged so that ions emitted from the cylindrical electric field are incident again on the cylindrical electric field initially incident, and the ion trajectory is inclined with respect to a plane orthogonal to the axis of the cylindrical electric field. Ion optical system of time-of-flight mass spectrometer.

3. The ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer according to claim 2, wherein the cylindrical electric field is composed of six cylindrical electric fields having the same rotation angle and the same rotation radius, and is arranged rotationally symmetrically.