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JP3707082B2 - Quadrupole mass spectrometer - Google Patents
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、所定の質量(実際には質量数mを電荷zで除した値m/z)を有するイオンのみを通過させることにより目的イオンを分離し又は所定の質量範囲を走査し、試料の分析を行なう四重極質量分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
四重極質量分析装置で用いる四重極質量フィルタ(QMF)は、イオンの進行方向(これをZ軸とする)に対して直交するX軸方向及びY軸方向に各1対の電極棒をZ軸に平行に配置したものであり、これらの間に直流電圧と交流電圧を重畳した電圧を印加することにより、その電圧に対応した質量を有する目的イオンのみをZ軸方向に通過させ、他の質量のイオンを発散させる。四重極質量フィルタがこのようなフィルタとして正しく、しかも高感度に機能するためには、四重極質量フィルタの入射側の所定の位置におけるイオンの入射範囲及びその運動方向がその四重極質量フィルタのアクセプタンスに適合したものでなければならない。
【0003】
アクセプタンスは、各四重極質量フィルタの粒子受入れ特性を示すものであり、四重極質量フィルタの出口から出射されるイオンを所定の目標範囲内に収めるために必要な入射イオンの空間的範囲及び運動方向の範囲で表わされる。アクセプタンスは図8に示すようなX−X'平面及びY−Y'平面における範囲で表わされ、例えばX軸方向については、入射イオンのX座標が入射側の所定位置においてその範囲内に収まっており、しかも、その入射方向(X')がその範囲内に収まっているときに、四重極質量フィルタの出口から出射されるイオンは目標範囲内に収まる。Y軸方向についても同様である。アクセプタンスの形状については、一般的に次のようなことが言える。例えば、図7(a)に示すように、多数のイオンが或る1点Fから出射されるときは、Z=0のX−Y平面内において、イオンの通過位置の座標X1(又はY1)が大きくなるほど、イオンの運動方向の傾きX'1(又はY'1)もそれに比例して大きくなる。従って、この場合のアクセプタンスは図8(a)及び(b)の線Dvに示すように右上がりの直線となる。一方、図7(b)に示すように、多数のイオンが或る1点に集束するように飛行しているときは、座標X1(又はY1)が大きくなるほど傾きX'1(又はY'1)は負の方向に大きくなる。この場合のアクセプタンスは図8(a)及び(b)の線Cvのように右下がりの直線となる。
【0004】
四重極質量フィルタにイオンを入射させる場合、入射イオンの位置及び運動方向をその四重極質量フィルタのアクセプタンスに適合させるために、従来よりイオン源と四重極質量フィルタの間には入射イオン光学系が設けられていた。この入射イオン光学系のイオン出射特性(これをエミッタンスと呼ぶ)を四重極質量フィルタのアクセプタンスに一致させておくことにより、四重極質量分析装置においてイオンは効率よく検出され、高感度の分析を行なうことができる。
【0005】
従来の四重極質量分析装置における入射イオン光学系は、一般に、イオンの通路の周囲に直流電圧を印加することによりイオンを集束させるものであり、その印加電圧は固定されていた。また、入射イオン光学系の形状及び電場はイオンの入射軸に対して回転対称となっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
入射イオン光学系の集束特性を一定としておいても、入射イオンのエネルギが変化するとエミッタンスは変化する。例えば、誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP/MS)ではイオンの運動エネルギはプラズマ膨張により与えられるため、イオンの速度は質量によらずほぼ同じとなり、図9に示すように、イオンの質量が大きくなるにつれてそのエネルギが増加する。そのため、入射イオン光学系の印加電圧を一定にしておくと、図11(a)〜(f)に示すように、入射イオンのエネルギが高くなるにつれてエミッタンスは第2及び第4象限に強く現われるようになり、集束性の強いものとなる。従って、四重極質量フィルタ側で通過目的イオンを変えたり質量走査を行なう場合、それに伴い入射エネルギが変化するために、入射イオン光学系のエミッタンスと四重極質量フィルタのアクセプタンスのマッチングが崩れ、イオンの質量によって感度が変化するという問題が生ずる。
【0007】
また、図11を見ると明かな通り、同一入射エネルギでは、X方向のエミッタンスとY方向のエミッタンスはほぼ同じ形状をしている。これは、入射イオン光学系が軸対称であることをそのまま反映しているものである。しかし、四重極質量フィルタのアクセプタンスは実際には軸対称ではなく、図10に示すように、X方向とY方向とで形状が異なっている。従って、従来のような軸対称の入射イオン光学系ではエミッタンスとアクセプタンスの十分なマッチングがとれず、十分な効率が得らない。
【0008】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、入射イオン光学系のエミッタンスと四重極質量フィルタのアクセプタンスとが常に良好にマッチングするようにした四重極質量分析装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る四重極質量分析装置は、Z軸を中心軸とし、それに直交するX軸方向及びY軸方向に各1対の電極棒が配置された四重極から成り、直流電圧及び交流電圧を重畳した電圧を電極棒間に印加することにより所定の質量のイオンのみをZ軸方向に通過させる四重極質量フィルタを備えた四重極質量分析装置において、
入射イオンに対してX軸方向及びY軸方向に異なった集束性又は発散性を与える入射イオン光学系を備え、該入射イオン光学系はZ軸に対して回転対称である四重極とZ軸の周りに開口を有するアパーチャ板とを組み合わせたものであり、前記四重極及び前記アパーチャ板を用いて、イオンの空間的な通過範囲及び運動方向の傾きをX軸方向及びY軸方向に関して制限することにより、前記入射イオン光学系のエミッタンスの形状を、X軸方向、Y軸方向ともに前記四重極質量フィルタのアクセプタンスの形状と一致させるようにしたことを特徴としている。
【0012】
【作用】
本発明の四重極質量分析装置では、入射イオン光学系が従来のように軸対称ではなく、X軸方向及びY軸方向に異なった集束性又は発散性を与えるように設定されているため、入射イオン光学系のエミッタンスを、各軸方向に異なった形状を有する四重極質量フィルタのアクセプタンスに常に合わせた状態としておくことができる。なお、四重極質量フィルタに印加する電圧は、四重極質量フィルタを通過させるべき目的イオンの質量に応じて変化するため、その四重極質量フィルタの印加電圧の変化に関する情報を利用することにより、入射イオンの質量に応じてX軸方向及びY軸方向の集束性又は発散性を変化させるようにしてもよい。
【0013】
【実施例】
まず本発明が適用される四重極質量分析装置の一実施例を図1及び図2により説明する。本実施例の四重極質量分析装置は図1に示すように、イオン源11から出射されるイオンを入射イオン光学系であるアインツェルレンズ12で集束し、四重極質量フィルタ(QMF)13に入射させる。四重極質量フィルタ13へは、四重極電圧印加回路(AC/DC)18から直流/交流重畳電圧が印加され、これにより、目的の質量を有するイオンのみが四重極を通過する。四重極質量フィルタ13を通過した目的イオンは、デフレクタ14により偏向され、イオン検出器15により検出される。
【0014】
従来の四重極質量分析装置では、レンズ12へ印加する直流電圧は固定されていたが、本実施例の装置では、図1に示すように、レンズ電圧印加回路(DC)17が可変の直流電圧をレンズ12に印加することができるようになっており、その印加電圧の値は制御部19からの制御信号により制御可能となっている。
【0015】
一般にアインツェルレンズ12は図2に示すように、中央に円孔21を有する3枚の電極板12a、12b、12cから成り、レンズ電圧印加回路(DC)は各電極板12a、12b、12cに対して独立に直流電圧を印加する。レンズ12によるエミッタンスはいずれの電極板12a、12b、12cに対する印加電圧の変化によっても変化するが、中間の電極板12bに対する印加電圧を主に変化させることにより、エミッタンス(すなわち集束度)の変化の制御がより容易となる。
【0016】
本実施例の四重極質量分析装置では、制御部19が四重極電圧印加回路18とレンズ電圧印加回路17の双方を制御する。四重極電圧は上記の通り、四重極質量フィルタ13を通過させるべき目的イオンの質量に応じて変化する。従って、制御部19はレンズ電圧印加回路17に対しても、通過目的イオンの質量に応じた制御信号を与え、レンズ12への印加電圧を変化させる。これにより、目的イオンの質量が変化し、そのエネルギが変化しても、同時にレンズ12に対する印加電圧の値が変化することにより、入射イオンのエミッタンスは常に四重極質量フィルタ13のアクセプタンスに適合する。
【0017】
本発明の一実施例を図3及び図4により説明する。上記実施例では図2に示すように入射光学系がZ軸に対して軸対称であったが、四重極質量フィルタ13のアクセプタンスは図10に示すように、X軸方向とY軸方向とで形状が異なる。そこで本実施例の四重極質量分析装置では、従来の四重極質量分析装置で入射イオン光学系12と四重極質量フィルタ13との間に設けていたノーズ電極22の内部の空間に第2入射イオン光学系24を付加し、これによりX軸方向とY軸方向のエミッタンスに差を設けている。
【0018】
第2入射イオン光学系24は図4に示すように、四重極25と二重アパーチャ26から成る。四重極25は四重極質量フィルタ13と同じく4本の電極棒25a〜25dをZ軸に関して回転対称に配置したものであるが、四重極質量フィルタ13とは異なり、直流電圧のみを印加する。すなわち、X軸方向の1対の電極棒25b及び25dには+Vの直流電圧を、Y軸方向の1対の電極棒25a及び25cにはそれとは逆極性で同じ大きさの−Vの直流電圧を印加する。ここにおけるVは正又は負の電圧であり、後述の通り、第1入射イオン光学系12の特性と四重極質量フィルタ13のアクセプタンスに応じて設定する。なお、図4に示す電圧+V0については後述する。
【0019】
二重アパーチャ26は、同一の開口26c及び26dを有する2枚のアパーチャ板26a及び26bから成る。開口26c及び26dはX軸及びY軸の双方に関して対称となっており、イオンの通過範囲をX軸方向及びY軸方向に関して空間的に制限すると共に、四重極25との間の距離により、イオンの運動方向の傾きX'及びY'についても制限する。通過範囲の制限及び運動方向の傾きの制限は1枚のアパーチャ板のみでも可能であるが、イオンビーム源は一般に空間的広がりを有する(これは、図10で示されるようにエミッタンスが一直線とはならないことから分かる)ため、アパーチャ板を2枚用いることにより通過範囲及び運動方向の制限をより確実にしている。
【0020】
本実施例の四重極質量分析装置では、第1入射イオン光学系12と第2入射イオン光学系24を次のように設定する。まず、図5に示すように、第1入射イオン光学系12の集束点を、四重極質量フィルタ13のX軸方向のアクセプタンスから得られる仮想イオン源(図7(a)又は(b)の集束点F)の位置FXとY軸方向のアクセプタンスから得られる仮想イオン源の位置FYとの中間点FCとなるように設定する。次に、この集束点FCが四重極質量フィルタ13のX軸方向の仮想イオン源FXの位置まで距離dXだけ移動するように、四重極25のX軸方向に配置された1対の電極棒25b及び25dに印加する直流電圧Vを設定する。図5の場合、集束点を遠方に移動させるためには、四重極25は第1入射イオン光学系12により集束されているイオンをX軸方向に関してやや発散させるように設定する必要がある。従って、例えばプラスイオンを扱う場合はX軸方向の1対の電極棒25b及び25dにはマイナスの電圧Vを与える。上記の通り、Y軸方向の1対の電極棒25a及び25cには逆方向の電圧−Vが印加されるため、四重極25を通過するイオンはY軸方向に関しては集束され、集束点は距離dYだけ手前に移動してFYと一致する。
【0021】
これにより、X−X'平面及びY−Y'平面において、エミッタンスの傾きは四重極質量フィルタのアクセプタンスの傾きに一致した。次に、上述のように2枚のアパーチャ板26a、26bによりイオンの通過範囲及び運動方向が制限されることにより、X−X'平面及びY−Y'平面におけるエミッタンスの最大範囲がアクセプタンスの最大範囲と一致する。これらにより、第1入射イオン光学系12と第2入射イオン光学系24とを合わせた入射イオン光学系のエミッタンスの形状は、X軸方向、Y軸方向とも四重極質量フィルタ13のアクセプタンスの形状と一致するようになる。
【0022】
ノーズ電極22は、四重極質量分析装置において従来より四重極質量フィルタ13の入射口に配置されており、バイアス電圧を印加することにより、四重極質量フィルタ13の端縁で形成される電場によってイオンが滞在する時間を短くするために設けられている。本実施例においては、第2入射イオン光学系24の全体(四重極25及びアパーチャ26)にこのバイアス電圧V0を印加することにより、同じ効果を得るようにしている。
【0023】
上記実施例では、イオンのX軸方向とY軸方向の集束性を独立に制御するために図4に示すような四重極25を用いたが、このような棒電極の代わりに、図6(a)に示すような2対の平板電極31、32、33、34を用いてもよい。この場合の電圧の印加方法は上記実施例と同様である。また、図6(b)に示すようなクロスドレンズを使用することもできる。クロスドレンズはX軸方向及びY軸方向の2軸に関して対称な開口を有する3枚以上のアパーチャレンズ41、42、43を互いに90°回転させて配置したものであり、この場合、アパーチャレンズ41、42、43はイオンの集束性をX軸方向及びY軸方向に独立に制御すると共に、その通過範囲及び運動方向を規制して、エミッタンスを四重極質量フィルタのアクセプタンスに適合させる。
【0025】
【発明の効果】
本発明の四重極質量分析装置では、入射イオン光学系のエミッタンスをX軸方向、Y軸方向に別個に制御することができるため、両方向で異なった形状を有する四重極質量フィルタのアクセプタンスに常に合わせた状態としておくことができ、常に高感度の質量分析を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施例の四重極質量分析装置の概略構成図。
【図2】 第1実施例の入射イオン光学系の斜視図。
【図3】 第2実施例の四重極質量分析装置の主要部の構成図。
【図4】 第2実施例の四重極質量分析装置の第2入射イオン光学系の斜視図。
【図5】 第1入射イオン光学系と第2入射イオン光学系の関係を示す説明図。
【図6】 第2入射イオン光学系の別の例を示す斜視図。
【図7】 イオンが1点から発散する場合(a)と1点に集束する場合(b)のX−Y平面上の座標と運動方向の関係を示すグラフ。
【図8】 1点発散(Dv)及び1点集束(Cv)の場合のX−X'平面及びY−Y'平面上のアクセプタンス又はエミッタンスを示すグラフ。
【図9】 ICP/MSにおける入射イオンの質量とエネルギとの関係を示すグラフ。
【図10】 四重極質量フィルタのアクセプタンスを示すグラフ。
【図11】 エネルギ変化により従来の入射イオン光学系のエミッタンスが変化することを示すグラフ。
【符号の説明】
11…イオン源
12…入射イオン光学系
13…四重極質量フィルタ
14…デフレクタ
15…イオン検出器
17…レンズ電圧印加回路
18…四重極電圧印加回路
19…制御部
21…ノーズ電極
24…第2入射イオン光学系
25…四重極
26…二重アパーチャ
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention separates target ions by passing only ions having a predetermined mass (actually, the value m / z obtained by dividing the mass number m by the charge z) or scans a predetermined mass range. The present invention relates to a quadrupole mass spectrometer that performs analysis.
[0002]
[Prior art]
The quadrupole mass filter (QMF) used in the quadrupole mass spectrometer has a pair of electrode rods in the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to the ion traveling direction (this is the Z-axis). It is arranged parallel to the Z axis, and by applying a voltage in which a DC voltage and an AC voltage are superimposed between them, only target ions having a mass corresponding to the voltage are passed in the Z axis direction. Of ions with a mass of In order for the quadrupole mass filter to function correctly and with high sensitivity as such a filter, the incident range of ions and the direction of motion at a predetermined position on the incident side of the quadrupole mass filter are determined based on the quadrupole mass filter. It must be compatible with the acceptance of the filter.
[0003]
The acceptance indicates the particle acceptance characteristics of each quadrupole mass filter, and includes the spatial range of incident ions necessary to keep ions emitted from the exit of the quadrupole mass filter within a predetermined target range, and It is expressed in the range of movement direction. The acceptance is represented by ranges in the XX ′ plane and the YY ′ plane as shown in FIG. 8. For example, in the X-axis direction, the X coordinate of the incident ions falls within the range at a predetermined position on the incident side. In addition, when the incident direction (X ′) is within the range, the ions emitted from the exit of the quadrupole mass filter are within the target range. The same applies to the Y-axis direction. Regarding the shape of acceptance, the following can generally be said. For example, as shown in FIG. 7A, when a large number of ions are emitted from a certain point F, the coordinates X1 (or Y1) of the ion passage position in the XY plane with Z = 0. As the value of becomes larger, the inclination X′1 (or Y′1) of the ion movement direction also increases in proportion thereto. Accordingly, the acceptance in this case is a straight line rising to the right as shown by the line Dv in FIGS. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when a large number of ions fly so as to be focused on a certain point, the gradient X′1 (or Y′1) increases as the coordinate X1 (or Y1) increases. ) Increases in the negative direction. In this case, the acceptance is a straight line descending to the right as shown by a line Cv in FIGS.
[0004]
In the case where ions are incident on a quadrupole mass filter, in order to adapt the position and direction of motion of the incident ions to the acceptance of the quadrupole mass filter, the incident ions are conventionally placed between the ion source and the quadrupole mass filter. An optical system was provided. By matching the ion emission characteristics of this incident ion optical system (referred to as emittance) with the acceptance of the quadrupole mass filter, ions can be detected efficiently in a quadrupole mass spectrometer and highly sensitive analysis can be performed. Can be performed.
[0005]
An incident ion optical system in a conventional quadrupole mass spectrometer generally focuses ions by applying a DC voltage around the ion passage, and the applied voltage is fixed. The shape and electric field of the incident ion optical system were rotationally symmetric with respect to the ion incident axis.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Even if the focusing characteristic of the incident ion optical system is constant, the emittance changes when the energy of the incident ions changes. For example, in an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP / MS), the kinetic energy of ions is given by plasma expansion, so the ion velocity is almost the same regardless of the mass. As shown in FIG. The energy increases with time. Therefore, if the applied voltage of the incident ion optical system is kept constant, the emittance appears more strongly in the second and fourth quadrants as the incident ion energy increases, as shown in FIGS. It becomes a thing with strong convergence. Therefore, when changing the target ion passing through the quadrupole mass filter side or performing mass scanning, the incident energy changes accordingly, so the match between the emittance of the incident ion optical system and the acceptance of the quadrupole mass filter is disrupted, There arises a problem that the sensitivity varies depending on the mass of ions.
[0007]
Further, as apparent from FIG. 11, at the same incident energy, the emittance in the X direction and the emittance in the Y direction have substantially the same shape. This reflects the fact that the incident ion optical system is axially symmetric. However, the acceptance of the quadrupole mass filter is not actually axially symmetric, and as shown in FIG. 10, the X and Y directions have different shapes. Therefore, in a conventional axially symmetric incident ion optical system, sufficient matching between emittance and acceptance cannot be obtained, and sufficient efficiency cannot be obtained.
[0008]
The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to always match the emittance of the incident ion optical system and the acceptance of the quadrupole mass filter well. It is to provide a quadrupole mass spectrometer.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The quadrupole mass spectrometer according to the present invention made to solve the above problems has a Z axis as a central axis, and a pair of electrode rods are arranged in the X axis direction and the Y axis direction perpendicular to the Z axis. Quadrupole mass spectrometry with a quadrupole mass filter that consists of quadrupoles and allows only ions of a predetermined mass to pass in the Z-axis direction by applying a voltage superimposed with a DC voltage and an AC voltage between the electrode rods. In the device
An incident ion optical system that provides different convergence or divergence in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the incident ions, the incident ion optical system including a quadrupole and a Z-axis that are rotationally symmetric with respect to the Z-axis A combination of an aperture plate having an opening around the aperture, and using the quadrupole and the aperture plate, restricts the spatial passage range of ions and the inclination of the movement direction with respect to the X-axis direction and the Y-axis direction. Thus, the emittance shape of the incident ion optical system is made to coincide with the acceptance shape of the quadrupole mass filter in both the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0012]
[Action]
In the quadrupole mass spectrometer of the present invention, the incident ion optical system is not axially symmetric as in the prior art, but is set to give different convergence or divergence in the X-axis direction and the Y-axis direction. The emittance of the incident ion optical system can always be matched with the acceptance of the quadrupole mass filter having a different shape in each axial direction. In addition, since the voltage applied to the quadrupole mass filter changes according to the mass of the target ion to be passed through the quadrupole mass filter, use information on the change in the applied voltage of the quadrupole mass filter. Thus, the convergence or divergence in the X-axis direction and the Y-axis direction may be changed according to the mass of incident ions.
[0013]
【Example】
First, an embodiment of a quadrupole mass spectrometer to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the quadrupole mass spectrometer of the present embodiment focuses ions emitted from the ion source 11 with an Einzel lens 12 that is an incident ion optical system, and a quadrupole mass filter (QMF) 13. To enter. A DC / AC superimposed voltage is applied to the quadrupole mass filter 13 from a quadrupole voltage application circuit (AC / DC) 18, whereby only ions having a target mass pass through the quadrupole. The target ions that have passed through the quadrupole mass filter 13 are deflected by the deflector 14 and detected by the ion detector 15.
[0014]
In the conventional quadrupole mass spectrometer, the DC voltage applied to the lens 12 is fixed. However, in the apparatus of this embodiment, as shown in FIG. 1, the lens voltage application circuit (DC) 17 is variable DC. A voltage can be applied to the lens 12, and the value of the applied voltage can be controlled by a control signal from the control unit 19.
[0015]
In general, as shown in FIG. 2, the Einzel lens 12 is composed of three electrode plates 12a, 12b, and 12c having a circular hole 21 in the center. A lens voltage application circuit (DC) is connected to each of the electrode plates 12a, 12b, and 12c. In contrast, a DC voltage is applied independently. The emittance by the lens 12 changes depending on the change of the applied voltage to any of the electrode plates 12a, 12b, and 12c, but the emittance (that is, the degree of convergence) changes by mainly changing the applied voltage to the intermediate electrode plate 12b. Control becomes easier.
[0016]
In the quadrupole mass spectrometer of the present embodiment, the control unit 19 controls both the quadrupole voltage application circuit 18 and the lens voltage application circuit 17. As described above, the quadrupole voltage changes according to the mass of the target ion to be passed through the quadrupole mass filter 13. Therefore, the control unit 19 also gives a control signal corresponding to the mass of the passing target ions to the lens voltage application circuit 17 to change the voltage applied to the lens 12. As a result, even if the mass of the target ion changes and its energy changes, the value of the voltage applied to the lens 12 changes at the same time, so that the emittance of the incident ions always matches the acceptance of the quadrupole mass filter 13. .
[0017]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the above embodiment, the incident optical system is axisymmetric with respect to the Z axis as shown in FIG. 2, but the acceptance of the quadrupole mass filter 13 is the X axis direction and the Y axis direction as shown in FIG. The shape is different. Therefore, in the quadrupole mass spectrometer according to the present embodiment, the space inside the nose electrode 22 provided between the incident ion optical system 12 and the quadrupole mass filter 13 in the conventional quadrupole mass spectrometer is the second. A two-incidence ion optical system 24 is added, thereby providing a difference in emittance between the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0018]
As shown in FIG. 4, the second incident ion optical system 24 includes a quadrupole 25 and a double aperture 26. The quadrupole 25 is the same as the quadrupole mass filter 13 except that four electrode rods 25a to 25d are arranged rotationally symmetrically with respect to the Z axis. Unlike the quadrupole mass filter 13, only a DC voltage is applied. To do. That is, a + V DC voltage is applied to the pair of electrode rods 25b and 25d in the X-axis direction, and a -V DC voltage having the same polarity and the opposite polarity to the pair of electrode rods 25a and 25c in the Y-axis direction. Apply. Here, V is a positive or negative voltage, and is set according to the characteristics of the first incident ion optical system 12 and the acceptance of the quadrupole mass filter 13 as described later. The voltage + V0 shown in FIG. 4 will be described later.
[0019]
The double aperture 26 includes two aperture plates 26a and 26b having the same openings 26c and 26d. The openings 26c and 26d are symmetric with respect to both the X-axis and the Y-axis, spatially restrict the ion passage range with respect to the X-axis direction and the Y-axis direction, and depending on the distance from the quadrupole 25, The inclinations X ′ and Y ′ of the ion movement direction are also limited. Although it is possible to limit the passage range and the inclination of the movement direction with only one aperture plate, the ion beam source generally has a spatial extension (this means that the emittance is a straight line as shown in FIG. 10). Therefore, by using two aperture plates, the passage range and the direction of movement are more reliably restricted.
[0020]
In the quadrupole mass spectrometer of the present embodiment, the first incident ion optical system 12 and the second incident ion optical system 24 are set as follows. First, as shown in FIG. 5, the virtual ion source (of FIG. 7A or 7B) obtained from the acceptance of the quadrupole mass filter 13 in the X-axis direction is used as the focal point of the first incident ion optical system 12. It is set to be an intermediate point FC between the position FX of the focusing point F) and the position FY of the virtual ion source obtained from the acceptance in the Y-axis direction. Next, a pair of electrodes arranged in the X-axis direction of the quadrupole 25 so that the focal point FC moves to the position of the virtual ion source FX in the X-axis direction of the quadrupole mass filter 13 by a distance dX. The DC voltage V applied to the bars 25b and 25d is set. In the case of FIG. 5, in order to move the focusing point far away, the quadrupole 25 needs to be set so that ions focused by the first incident ion optical system 12 are slightly diverged in the X-axis direction. Therefore, for example, when handling positive ions, a negative voltage V is applied to the pair of electrode rods 25b and 25d in the X-axis direction. As described above, since a voltage −V in the reverse direction is applied to the pair of electrode rods 25a and 25c in the Y-axis direction, ions passing through the quadrupole 25 are focused in the Y-axis direction, and the focusing point is Move forward by a distance dY to coincide with FY.
[0021]
Thereby, in the XX ′ plane and the YY ′ plane, the emittance inclination coincided with the acceptance inclination of the quadrupole mass filter. Next, as described above, the ion passing range and the movement direction are limited by the two aperture plates 26a and 26b, so that the maximum emittance range in the XX ′ plane and the YY ′ plane is the maximum acceptance. Match the range. Accordingly, the emittance shape of the incident ion optical system including the first incident ion optical system 12 and the second incident ion optical system 24 is the acceptance shape of the quadrupole mass filter 13 in both the X-axis direction and the Y-axis direction. To come to match.
[0022]
The nose electrode 22 is conventionally disposed at the entrance of the quadrupole mass filter 13 in the quadrupole mass spectrometer, and is formed at the edge of the quadrupole mass filter 13 by applying a bias voltage. It is provided to shorten the time for ions to stay in the electric field. In this embodiment, the same effect is obtained by applying the bias voltage V0 to the entire second incident ion optical system 24 (quadrupole 25 and aperture 26).
[0023]
In the above embodiment, the quadrupole 25 as shown in FIG. 4 is used in order to independently control the focusing property of the ions in the X-axis direction and the Y-axis direction. Two pairs of flat plate electrodes 31, 32, 33, and 34 as shown in FIG. The voltage application method in this case is the same as in the above embodiment. A crossed lens as shown in FIG. 6B can also be used. In the crossed lens, three or more aperture lenses 41, 42, and 43 having openings symmetrical with respect to two axes in the X-axis direction and the Y-axis direction are arranged by rotating each other by 90 °. In this case, the aperture lens 41 , 42 and 43 independently control the focusing property of the ions in the X-axis direction and the Y-axis direction, and regulate the passing range and the moving direction thereof so that the emittance is adapted to the acceptance of the quadrupole mass filter.
[0025]
【The invention's effect】
In the quadrupole mass spectrometer of the present invention, since the emittance of the incident ion optical system can be controlled separately in the X-axis direction and the Y-axis direction, the acceptance of the quadrupole mass filter having different shapes in both directions is achieved. It can always be in a combined state, and high sensitivity mass spectrometry can always be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a quadrupole mass spectrometer according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of an incident ion optical system according to a first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of a quadrupole mass spectrometer according to a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a second incident ion optical system of the quadrupole mass spectrometer of the second embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a first incident ion optical system and a second incident ion optical system.
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the second incident ion optical system.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the coordinate on the XY plane and the direction of motion when ions diverge from one point (a) and when they converge at one point (b).
FIG. 8 is a graph showing acceptance or emittance on the XX ′ plane and the YY ′ plane in the case of one-point divergence (Dv) and one-point convergence (Cv).
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the mass and energy of incident ions in ICP / MS.
FIG. 10 is a graph showing the acceptance of a quadrupole mass filter.
FIG. 11 is a graph showing that emittance of a conventional incident ion optical system changes due to energy change.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Ion source 12 ... Incident ion optical system 13 ... Quadrupole mass filter 14 ... Deflector 15 ... Ion detector 17 ... Lens voltage application circuit 18 ... Quadrupole voltage application circuit 19 ... Control part 21 ... Nose electrode 24 ... No. Two-incidence ion optical system 25 ... quadrupole 26 ... double aperture

Claims (1)

Z軸を中心軸とし、それに直交するX軸方向及びY軸方向に各1対の電極棒が配置された四重極から成り、直流電圧及び交流電圧を重畳した電圧を電極棒間に印加することにより所定の質量のイオンのみをZ軸方向に通過させる四重極質量フィルタを備えた四重極質量分析装置において、
入射イオンに対してX軸方向及びY軸方向に異なった集束性又は発散性を与える入射イオン光学系を備え、該入射イオン光学系はZ軸に対して回転対称である四重極とZ軸の周りに開口を有するアパーチャ板とを組み合わせたものであり、前記四重極及び前記アパーチャ板を用いて、イオンの空間的な通過範囲及び運動方向の傾きをX軸方向及びY軸方向に関して制限することにより、前記入射イオン光学系のエミッタンスの形状を、X軸方向、Y軸方向ともに前記四重極質量フィルタのアクセプタンスの形状と一致させるようにしたことを特徴とする四重極質量分析装置。
It consists of a quadrupole with the Z axis as the central axis and a pair of electrode bars arranged in the X axis direction and Y axis direction orthogonal to the Z axis, and a voltage on which a DC voltage and an AC voltage are superimposed is applied between the electrode bars. In a quadrupole mass spectrometer equipped with a quadrupole mass filter that allows only ions of a predetermined mass to pass in the Z-axis direction,
An incident ion optical system that provides different convergence or divergence in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the incident ions, the incident ion optical system including a quadrupole and a Z-axis that are rotationally symmetric with respect to the Z-axis A combination of an aperture plate having an opening around the aperture, and using the quadrupole and the aperture plate, restricts the spatial passage range of ions and the inclination of the movement direction with respect to the X-axis direction and the Y-axis direction. By doing so, the emittance shape of the incident ion optical system is made to coincide with the acceptance shape of the quadrupole mass filter in both the X-axis direction and the Y-axis direction. .
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