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JP4553782B2 - Time-of-flight mass spectrometer - Google Patents
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Description

この発明は、イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を描きつつ、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらし、らせん軌道を描いて飛行する飛行時間型質量分析計に関する。   The present invention provides a flight time in which ions ejected from an ion source draw a spiral orbit by drawing a spiral orbit while drawing a circular orbit by the action of a sectoral electric field and shifting the orbital plane in a direction orthogonal to the orbital plane of the orbit. Type mass spectrometer.

飛行時間型質量分析計(Time Of Flight Mass Spectrometer、以下TOFMSと略称する)は、微量化合物の定量分析、定性一斉分析あるいは試料イオンの構造解析等に用いられる。TOFMSでは、イオンの質量が計測されるが、この質量の分解能は、
(質量分解能)=(T/2)×ΔT
の式で表される。ここで、Tはイオンの総飛行時間、ΔTは計測される電気波形の時間幅である。この式によれば、時間幅ΔTを一定として、総飛行時間Tを長いものとすることにより高い質量分解能を得ることができる。そして、TOFMSでは、総飛行時間Tを長いものとするために総飛行距離が長くされる。しかし、総飛行距離を長くするためには、直線型、反射型のTOFMSでは装置を大型化する必要があった。
A time-of-flight mass spectrometer (Time Of Flight Mass Spectrometer, hereinafter abbreviated as TOFMS) is used for quantitative analysis, qualitative simultaneous analysis, or structural analysis of sample ions. In TOFMS, the mass of ions is measured, but the resolution of this mass is
(Mass resolution) = (T / 2) × ΔT
It is expressed by the following formula. Here, T is the total flight time of ions, and ΔT is the time width of the measured electrical waveform. According to this equation, a high mass resolution can be obtained by keeping the time width ΔT constant and making the total flight time T long. In TOFMS, the total flight distance is increased in order to increase the total flight time T. However, in order to increase the total flight distance, it has been necessary to increase the size of the apparatus in the linear and reflective TOFMS.

ここで、装置の大型化を避けかつ高い質量分解能を実現するために、多重周回型TOFMSが用いられる。この多重周回型TOFMSでは、マツダプレートが組み合わされた円筒状の4つの扇形電極によりトロイダル電場を発生させ、イオンを8の字型の同一の周回軌道上を繰り返し飛行させ、イオンの多重周回を行う。これにより、装置を大型化することなく、イオンの総飛行距離を長いものとし、ひいては総飛行時間Tを伸ばすことができる。なお、この多重周回型TOFMSでは、初期位置、初期速度、初期運動エネルギーによる検出面での空間的な広がりと時間的な広がりを1次の項まで収束することができる。   Here, in order to avoid an increase in the size of the apparatus and to realize high mass resolution, a multi-circular TOFMS is used. In this multi-turn type TOFMS, a toroidal electric field is generated by four cylindrical sector electrodes combined with Mazda plates, and ions are repeatedly caused to fly on the same round orbit of an 8-shaped shape, thereby performing multiple rounds of ions. . As a result, the total flight distance of ions can be increased and the total flight time T can be extended without increasing the size of the apparatus. In this multi-circular TOFMS, the spatial spread and the temporal spread on the detection surface due to the initial position, initial velocity, and initial kinetic energy can be converged to the first order term.

しかし、この多重周回型TOFMSでは、イオンの追い越しと言う問題が生じる。すなわち、同一の周回軌道上を複数種類のイオンが繰り返し飛行する場合には、速度の速い軽いイオンが周回遅れの速度の遅い重いイオンを追い越す。この追い越しにより、検出器に入力するイオンの順序は、質量が軽いものから重いものの順ではなくなり、この結果として時間的な入力順序からイオンの種類を特定することが困難となる。   However, this multi-circular TOFMS has a problem of overtaking ions. That is, when multiple types of ions repeatedly fly on the same orbit, light ions with high speed overtake heavy ions with low speed of circulation delay. By this overtaking, the order of ions input to the detector is not in the order from light to heavy, and as a result, it is difficult to specify the type of ions from the temporal input order.

この困難は、らせん軌道型TOFMSを用いて解決される。らせん軌道型TOFMSは、周回軌道の始点と終点とを周回軌道面と直交する方向にずらし、イオンをらせん軌道を描いて飛行させる。これにより、イオンが多重周回を行う際にも、速度の速いイオンが速度の遅いイオンを追い越すことはなくなり、検出器へのイオンの入力順序からイオンの種類を確定することができる。   This difficulty is solved using a helical orbital TOFMS. The spiral trajectory type TOFMS shifts the starting point and end point of the circular orbit in a direction perpendicular to the circular orbital surface, and flies ions in a spiral orbit. As a result, even when ions perform multiple rounds, fast ions do not overtake slow ions, and the type of ions can be determined from the input order of ions to the detector.

ここで、イオンのらせん軌道を実現するために、
(1)イオンをらせん軌道型TOFMSに入射する際に、斜めから入射する(例え ば、特許文献1参照)、
(2)デフレクタにより周回軌道上のイオンを周回軌道面と直交する方向にずらす (例えば、特許文献2参照)、
ことが行われる。
特開2000―243345号公報、(第1頁、図1) 特開2003―86129号公報、(第1頁、図1) ジャーナルオブマススペクトロメトリー(J.Mass Spectrom.)、38巻(Vol.38)、2003年、p.1125〜1142
Here, in order to realize the spiral trajectory of ions,
(1) When ions are incident on the spiral orbital TOFMS, they are incident obliquely (for example, see Patent Document 1).
(2) The ions on the orbit are shifted by a deflector in a direction perpendicular to the orbital plane (see, for example, Patent Document 2).
Is done.
JP 2000-243345, (first page, FIG. 1) Japanese Patent Laid-Open No. 2003-86129, (first page, FIG. 1) Journal of Mass Spectrometry (Vol. 38), 2003, p. 1125 to 1142

しかしながら、上記背景技術によれば、イオンの周回数を変更することは容易でない。すなわち、上述した(1)のイオンを斜めから入射する方法では、入射角度を変更することで周回数を変更することができる。しかし、イオンを斜めから入射する場合には、軌道面と直交する方向の空間的、時間的収束性がなく、直交する方向の速度分布が大きいと周回数の異なるイオンが同一の検出器に入射する可能性がある。   However, according to the background art described above, it is not easy to change the number of times of ion circulation. That is, in the above-described method (1) in which the ions are incident obliquely, the number of turns can be changed by changing the incident angle. However, when ions are incident at an angle, there is no spatial and temporal convergence in the direction orthogonal to the orbital plane, and ions with different circulation numbers are incident on the same detector when the velocity distribution in the orthogonal direction is large. there's a possibility that.

また、上述した(2)のデフレクタにより周回軌道上のイオンを周回軌道面と直交する方向にずらす場合には、らせん軌道がデフレクタにより固定となるために、検出器位置が固定のままでは周回数の変更を行うことができない。   In addition, when the ions on the circular orbit are shifted in the direction orthogonal to the circular orbital plane by the deflector of (2) described above, the spiral trajectory is fixed by the deflector. Cannot make changes.

なお、らせん軌道型TOFMSにおいては、イオンの周回数を変更することは有用である。周回数を変更することは、総飛行距離を変更することである。一方で、総飛行距離は感度および質量分解能に影響を与え、総飛行距離が長いほど感度が低下し質量分解能は向上する。従って、周回数を変更することで、相反する感度および質量分解能を調節し、イオンの分析に最適なものとすることができる。   In the spiral orbital TOFMS, it is useful to change the number of ion circulations. Changing the number of laps means changing the total flight distance. On the other hand, the total flight distance affects the sensitivity and the mass resolution. The longer the total flight distance, the lower the sensitivity and the higher the mass resolution. Therefore, by changing the number of laps, the conflicting sensitivity and mass resolution can be adjusted to be optimal for ion analysis.

これらのことから、らせん軌道を描くイオンの周回数を変更することができる飛行時間型質量分析計をいかに実現するかが重要となる。
この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、らせん軌道を描くイオンの周回数を変更することができる飛行時間型質量分析計を提供することを目的とする。
From these facts, it is important how to realize a time-of-flight mass spectrometer that can change the number of turns of ions that draw a spiral trajectory.
The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the background art, and an object of the present invention is to provide a time-of-flight mass spectrometer capable of changing the number of ions that draw a spiral trajectory.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項1に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を飛行しつつ、前記周回軌道の一部で、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらしたらせん軌道を描く飛行時間型質量分析計であって、前記周回軌道上に位置し、前記イオンを検出する検出器と、前記軌道面上の前記位置を保ちつつ、前記直交方向に前記検出器を移動させる検出器移動手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a time-of-flight mass spectrometer according to the first aspect of the present invention is such that ions ejected from an ion source fly in a circular orbit by the action of a sector electric field. Meanwhile, a part of the orbit, a time-of-flight mass spectrometer that draws a spiral orbit by shifting the orbital plane in a direction orthogonal to the orbital plane of the orbit, located on the orbit, A detector for detecting ions, and detector moving means for moving the detector in the orthogonal direction while maintaining the position on the orbital plane;
It is characterized by providing.

この請求項1に記載の発明では、検出器移動手段により、周回軌道上に位置するイオンの検出器を、周回軌道面の位置を保ちつつ、直交方向に移動させる。
また、請求項2に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項1に記載の発明において、前記検出器が、電気インピーダンスの整合回路を備えることを特徴とする。
In the first aspect of the present invention, the detector moving means moves the detector of ions located on the circular orbit in the orthogonal direction while maintaining the position of the circular orbit.
According to a second aspect of the present invention, in the time-of-flight mass spectrometer according to the first aspect of the present invention, the detector includes an electrical impedance matching circuit.

また、請求項3に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項1または2に記載の発明において、前記検出器移動手段が、前記検出器を、前記軌道面と直交する面内で支持する支持アームを備えることを特徴とする。   A time-of-flight mass spectrometer according to a third aspect of the present invention is the time-of-flight mass spectrometer according to the first or second aspect, wherein the detector moving means moves the detector to an in-plane perpendicular to the orbital plane. It is characterized by comprising a support arm which is supported by

この請求項3に記載の発明では、支持アームにより、検出器を支持する。
また、請求項4に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項3に記載の発明において、前記検出器移動手段が、前記支持アームを前記直交方向に移動させる駆動手段を備えることを特徴とする。
In the third aspect of the invention, the detector is supported by the support arm.
According to a fourth aspect of the present invention, in the time-of-flight mass spectrometer according to the third aspect of the invention, the detector moving unit includes a driving unit that moves the support arm in the orthogonal direction. It is characterized by.

この請求項4に記載の発明では、駆動手段により、支持アームを移動させる。
また、請求項5に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項4に記載の発明において、前記駆動手段が、前記支持アームを支持し、ねじ穴を有する支持台座および前記支持台座を前記直交方向に移動させる前記ねじ穴に貫通されたねじ切り棒を備えることを特徴とする。
According to the fourth aspect of the present invention, the support arm is moved by the driving means.
A time-of-flight mass spectrometer according to a fifth aspect of the invention is the time-of-flight mass spectrometer according to the fourth aspect of the invention, wherein the driving means supports the support arm and has a screw hole and the support pedestal. Is provided with a threaded rod penetrating the screw hole for moving the screw in the orthogonal direction.

この請求項5に記載の発明では、駆動手段は、ねじ穴を有する支持台座により、支持アームを支持し、ねじ切り棒を、このねじ穴に貫通させて支持台座を移動させる。
また、請求項6に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項5に記載の発明において、前記ねじ切り棒が、ねじ溝を手動で回転させるハンドルを備えることを特徴とする。
In the fifth aspect of the present invention, the driving means supports the support arm by the support base having a screw hole, and moves the support base through the threaded rod passing through the screw hole.
A time-of-flight mass spectrometer according to a sixth aspect of the present invention is the time-of-flight mass spectrometer according to the fifth aspect of the present invention, wherein the threaded rod includes a handle for manually rotating the thread groove.

この請求項6に記載の発明では、ハンドルにより、ねじ切り棒を回転させる。
また、請求項7に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項4に記載の発明において、前記駆動手段が、前記支持アームを前記直交方向に自動で移動させる自動移動手段を備えることを特徴とする。
In the invention according to claim 6, the threaded rod is rotated by the handle.
A time-of-flight mass spectrometer according to a seventh aspect of the invention is the time-of-flight mass spectrometer according to the fourth aspect of the invention, wherein the drive means includes automatic movement means for automatically moving the support arm in the orthogonal direction. It is characterized by that.

この請求項7に記載の発明では、駆動手段は、自動移動手段により、支持アームを移動させる。
また、請求項8に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項5および7に記載の発明において、前記自動移動手段が、前記ねじ切り棒に機械的に接続され、前記ねじ切り棒のねじ溝を回転させるモータであることを特徴とする。
In the invention according to claim 7, the driving means moves the support arm by the automatic moving means.
A time-of-flight mass spectrometer according to the invention described in claim 8 is the time-of-flight mass spectrometer according to claims 5 and 7, wherein the automatic moving means is mechanically connected to the threaded rod. It is a motor that rotates a thread groove.

この請求項8に記載の発明では、自動移動手段は、ねじ切り棒に機械的に接続されるモータとする。
また、請求項9に記載の発明にかかる飛行時間型質量分析計は、請求項7あるいは8に記載の発明において、前記飛行時間型質量分析計が、前記検出器の直交方向の位置を、前記自動移動手段により前記イオンが前記周回軌道を繰り返し飛行する周回数情報に基づいて自動制御する制御部をさらに備えることを特徴とする。
In the invention according to claim 8, the automatic moving means is a motor mechanically connected to the threaded rod.
The time-of-flight mass spectrometer according to the invention described in claim 9 is the invention according to claim 7 or 8, wherein the time-of-flight mass spectrometer determines the position of the detector in the orthogonal direction. The apparatus further includes a control unit that automatically controls the ions based on the number-of-circulations information that the ions repeatedly fly in the orbit.

この請求項9に記載の発明では、飛行時間型質量分析計は、制御部により、検出器の直交方向の位置をイオンの周回数情報に基づいて自動制御する。   In the invention according to claim 9, the time-of-flight mass spectrometer automatically controls the position of the detector in the orthogonal direction based on the number-of-times information of ions.

以上説明したように、請求項1に記載の発明によれば、検出器移動手段により、周回軌道上に位置するイオンの検出器を、周回軌道面の位置を保ちつつ、直交方向に移動させることとしているので、イオンが飛行する周回軌道の周回数に応じた直交方向の位置に検出器を配置しイオンの総飛行距離を可変とし、ひいては飛行時間型質量分析計の質量分解能を可変とし最適なものとすることができる。   As described above, according to the first aspect of the present invention, the detector moving means moves the ion detector located on the orbit in the orthogonal direction while maintaining the position of the orbit. Therefore, a detector is placed at a position in the orthogonal direction according to the number of orbits of the orbit where ions fly, making the total flight distance of the ions variable, and thus making the mass resolution of the time-of-flight mass spectrometer variable and optimal. Can be.

請求項2に記載の発明によれば、検出器が電気インピーダンスの整合回路を備えることとしているので、電気信号の反射を抑え、ひいては擬イオンピークの発生を防止することができる。   According to the second aspect of the present invention, the detector includes the electrical impedance matching circuit, so that reflection of the electrical signal can be suppressed, and generation of a pseudo ion peak can be prevented.

請求項3に記載の発明によれば、支持アームにより、検出器を支持することとしているので、らせん軌道を飛行するイオンの軌道を妨害することなく検出器移動手段を配設することができる。   According to the third aspect of the invention, since the detector is supported by the support arm, the detector moving means can be disposed without obstructing the trajectory of ions flying in the spiral trajectory.

請求項4に記載の発明によれば、駆動手段により、支持アームを移動させることとしているので、検出器も直交方向に移動させることができる。
請求項5に記載の発明によれば、駆動手段は、ねじ穴を有する支持台座により、支持アームを支持し、ねじ切り棒を、このねじ穴に貫通させて支持台座を移動させることとしているので、簡易な構成で精度の高い移動を行うことができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the support arm is moved by the driving means, the detector can also be moved in the orthogonal direction.
According to the fifth aspect of the present invention, the drive means supports the support arm by the support base having the screw hole, and moves the support base through the threaded rod passing through the screw hole. A highly accurate movement can be performed with a simple configuration.

請求項6に記載の発明によれば、ハンドルにより、ねじ切り棒を回転させることとしているので、手動で支持台座、ひいては検出器の位置を変更することができる。
請求項7に記載の発明によれば、駆動手段は、自動移動手段により、支持アームを移動させることとしているので、人手を介することなく検出器の位置を変更することができる。
According to the sixth aspect of the present invention, since the threaded rod is rotated by the handle, it is possible to manually change the position of the support pedestal and thus the detector.
According to the seventh aspect of the invention, since the driving means moves the support arm by the automatic moving means, the position of the detector can be changed without manual intervention.

請求項8に記載の発明によれば、自動移動手段は、ねじ切り棒に機械的に接続されるモータとすることとしているので、ねじ切り棒の回転を電気信号を用いて行うことができる。   According to the invention described in claim 8, since the automatic moving means is a motor mechanically connected to the threaded rod, the threaded rod can be rotated using an electrical signal.

請求項9に記載の発明によれば、飛行時間型質量分析計は、制御部により、検出器の直交方向の位置をイオンの周回数情報に基づいて自動制御することとしているので、オペレータが容易に周回数の変更、ひいては質量分解能の変更を行うことできる。   According to the ninth aspect of the invention, the time-of-flight mass spectrometer automatically controls the position of the detector in the orthogonal direction based on the information on the number of circulations of the ions by the control unit. In addition, the number of laps can be changed, and hence the mass resolution can be changed.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる飛行時間型質量分析計(TOFMSと略称する)を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。   The best mode for carrying out a time-of-flight mass spectrometer (abbreviated as TOFMS) according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited thereby.

まず、本実施の形態にかかるTOFMSの全体構成について、図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態にかかるTOFMSの外観を示す図である。TOFMSは、イオン光学系10およびイオン源20を含む。ここで、イオン光学系10およびイオン源20は、真空容器をなし、内部は高真空状態とされる。イオン源20は、試料をイオン化された気体とし、この気体が収束および加速されたイオンビームを形成し、イオン光学系10に注入する。イオン光学系10は、イオンビームを周回軌道上で飛行させ、イオンビームに含まれる異なる質量の元素を分離検出する。なお、図2に描かれているxyz座標軸は、後述する図に示されるxyz座標軸と同一のものであり、各図で共通する方向を指し示している。   First, the overall configuration of the TOFMS according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an appearance of the TOFMS according to the present embodiment. The TOFMS includes an ion optical system 10 and an ion source 20. Here, the ion optical system 10 and the ion source 20 form a vacuum container, and the inside is in a high vacuum state. The ion source 20 uses an ionized gas as a sample, forms an ion beam in which the gas is focused and accelerated, and injects the ion beam into the ion optical system 10. The ion optical system 10 causes an ion beam to fly on a circular orbit and separates and detects elements having different masses contained in the ion beam. Note that the xyz coordinate axes depicted in FIG. 2 are the same as the xyz coordinate axes shown in the drawings to be described later, and indicate common directions in the respective drawings.

図3は、イオン光学系10のxz軸方向の断面を示す図である。イオン源20は、イオンビーム22を射出する。イオン光学系10は、マツダプレートが被せられた扇形の円筒電極11〜14、デフレクタ15〜16および検出部17を含む。円筒電極11〜14は、内部に円筒電場を発生し、イオンビーム22の進行方向を曲げる。ここで、円筒電極11〜14は、矩形状のイオン光学系10の四隅に配設され、イオンビーム22の飛行経路が8の字型の周回軌道を描くようにされる。   FIG. 3 is a diagram showing a cross section of the ion optical system 10 in the xz-axis direction. The ion source 20 emits an ion beam 22. The ion optical system 10 includes fan-shaped cylindrical electrodes 11 to 14 covered with a Mazda plate, deflectors 15 to 16 and a detection unit 17. The cylindrical electrodes 11 to 14 generate a cylindrical electric field inside and bend the traveling direction of the ion beam 22. Here, the cylindrical electrodes 11 to 14 are arranged at the four corners of the rectangular ion optical system 10 so that the flight path of the ion beam 22 draws an 8-shaped orbit.

デフレクタ15および16は、円筒電極12および13の間の飛行経路上に配設され、イオンビーム22を図3に示されるxz軸断面と直交するy軸方向に移動させる。図4は、円筒電極12および13、並びに、デフレクタ15および16の、図3に示すxz軸断面と直交するxy軸断面の構造を示す断面図である。デフレクタ15および16は、対をなす電極板がy軸方向に複数個並んでおり、対をなす電極板にはデフレクタ15および16で異なる極性の電圧が印加されている。そして、円筒電極12を通過したイオンビーム22は、デフレクタ15でy軸の正方向に曲げられ周回軌道面を移動し、その後、デフレクタ16でy軸の負方向に曲げられて円筒電極13に入射し、y軸方向に移動した新たな周回軌道面の飛行を続ける。   The deflectors 15 and 16 are disposed on the flight path between the cylindrical electrodes 12 and 13, and move the ion beam 22 in the y-axis direction orthogonal to the xz-axis cross section shown in FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structures of the cylindrical electrodes 12 and 13 and the deflectors 15 and 16 on the xy-axis cross section orthogonal to the xz-axis cross section shown in FIG. In the deflectors 15 and 16, a plurality of paired electrode plates are arranged in the y-axis direction, and voltages having different polarities are applied to the deflector 15 and 16 on the paired electrode plates. The ion beam 22 that has passed through the cylindrical electrode 12 is bent in the positive direction of the y-axis by the deflector 15 and moves on the circular orbital surface, and then bent in the negative direction of the y-axis by the deflector 16 and is incident on the cylindrical electrode 13. Then, the flight of the new orbital surface moved in the y-axis direction is continued.

この様にイオンビーム22は、8の字型の周回軌道を飛行しつつ、y軸方向へ周回軌道面を移動させるらせん軌道を描く。そして、イオンビーム22は、周回軌道の周回数に応じて周回軌道面をy軸方向に逐次移動し、長い総飛行距離を確保しつつ異なる飛行経路を維持する。これにより、速度が異なるイオンが、周回遅れで同一飛行経路を飛行することを防止し、速度すなわち質量が異なるイオンを、質量に比例する時間的な順序で計測する。   In this way, the ion beam 22 draws a spiral trajectory that moves the orbital plane in the y-axis direction while flying in an 8-shaped orbit. The ion beam 22 sequentially moves in the y-axis direction along the orbital surface according to the number of orbits of the orbit, and maintains different flight paths while ensuring a long total flight distance. As a result, ions with different velocities are prevented from flying on the same flight path with a delay in circulation, and ions with different velocities, that is, masses, are measured in a temporal order proportional to the masses.

検出部17は、円筒電極11および円筒電極14の間の飛行経路上に配設され、周回軌道上を飛行するイオンを検出する。図1は、検出部17の構成を示す外観図である。検出部17は、筐体46、検出器41および検出器移動手段を有し、この検出器移動手段は、支持アーム42および駆動手段を有し、この駆動手段は、支持台座44、ガイドレール43およびねじ切り棒45を含む。なお、駆動手段には、後述する、図示されないハンドル47が含まれる。   The detection unit 17 is disposed on the flight path between the cylindrical electrode 11 and the cylindrical electrode 14 and detects ions flying on the circular orbit. FIG. 1 is an external view showing a configuration of the detection unit 17. The detection unit 17 includes a housing 46, a detector 41, and detector moving means. The detector moving means includes a support arm 42 and a driving means. The driving means includes a support pedestal 44, a guide rail 43. And a threaded rod 45. The drive means includes a handle 47 (not shown) which will be described later.

検出器41は、イオンビーム22の検出器で、マイクロチャンネルプレート等が用いられる。支持アーム42は、検出器41および支持台座44を固定接続するアームで、支持台座44を含む検出器移動手段が、周回軌道上に位置するイオンビーム22の飛行を妨げることのないz軸方向に張り出している。   The detector 41 is a detector for the ion beam 22 and uses a microchannel plate or the like. The support arm 42 is an arm that fixedly connects the detector 41 and the support pedestal 44, and the detector moving means including the support pedestal 44 does not interfere with the flight of the ion beam 22 located on the circular orbit in the z-axis direction. It is overhanging.

支持台座44は、支持アーム42および検出器41を支持し、ガイドレール43およびねじ切り棒45に沿ったy軸方向に移動可能となっている。ここで、ガイドレール43は、支持台座44がxz軸面内で回転することを防止し、ひいては検出器41のイオンビーム検出面を、常にイオンビーム入射方向と直交させる。   The support base 44 supports the support arm 42 and the detector 41 and is movable in the y-axis direction along the guide rail 43 and the threaded rod 45. Here, the guide rail 43 prevents the support pedestal 44 from rotating in the xz axis plane, and as a result, the ion beam detection surface of the detector 41 is always orthogonal to the ion beam incident direction.

ねじ切り棒45は、オペレータによるねじ溝の回転動作により、支持台座44をy軸方向に移動させる。なお、支持台座44には、ねじ切り棒45に対応するねじ穴が形成されている。筐体46は、上述した検出器移動手段を固定し、かつイオンビーム22の飛行を妨害することのないコの字型の形状とされる。なお、ねじ切り棒45は、図示されない筐体46背面のハンドル47により回転される。   The thread cutting bar 45 moves the support base 44 in the y-axis direction by the rotation operation of the thread groove by the operator. The support pedestal 44 is formed with a screw hole corresponding to the threaded rod 45. The casing 46 has a U-shape that fixes the detector moving means described above and does not obstruct the flight of the ion beam 22. The thread cutting bar 45 is rotated by a handle 47 on the back surface of the housing 46 (not shown).

図5は、検出器41のxy軸断面を示す断面図である。検出器41は、マイクロチャネルプレート51、整合回路52およびシールド53を含む。マイクロチャネルプレート51は、イオンを検出する電子増倍管である。マイクロチャネルプレート51の検出面には、ガラス電極が多数配置されており、入射したイオンビーム22を検出し電子増幅を行う。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing an xy-axis cross section of the detector 41. The detector 41 includes a microchannel plate 51, a matching circuit 52 and a shield 53. The microchannel plate 51 is an electron multiplier that detects ions. A large number of glass electrodes are arranged on the detection surface of the microchannel plate 51, and the incident ion beam 22 is detected and electronic amplification is performed.

整合回路52は、後段に電気ケーブルを介して電気接続される増幅器等の電子機器の入力インピーダンスと、マイクロチャネルプレート51の出力インピーダンスとの電気的なインピーダンスマッチングを行う整合回路である。増幅器等の電子機器の入力インピーダンスは50Ω程度であるのに比較して、マイクロチャネルプレート51から出力される電子流は電流源としての特性を有し、高い出力インピーダンスを有する。従って、整合回路52を介することなくマイクロチャネルプレート51および後段の電子機器が電気接続される際には、電気信号の反射が生じる。   The matching circuit 52 is a matching circuit that performs electrical impedance matching between the input impedance of an electronic device such as an amplifier that is electrically connected to the subsequent stage via an electric cable and the output impedance of the microchannel plate 51. Compared with the input impedance of an electronic device such as an amplifier being about 50Ω, the electron current output from the microchannel plate 51 has characteristics as a current source and has a high output impedance. Therefore, when the microchannel plate 51 and the subsequent electronic device are electrically connected without passing through the matching circuit 52, reflection of the electric signal occurs.

図6は、整合回路52が存在しない場合に、後段の電子機器で検出される電気信号の一例を示す図である。縦軸は電気信号の信号強度、横軸は電気信号の検出時間を示している。ここで、マイクロチャネルプレート51で検出されたイオンビーム22の電気信号は、イオンピーク62として示されている。一方、マイクロチャネルプレート51および後段の電子機器の電気的なインピーダンスの不一致により接続の両端で電気信号の反射波が生じる。そして、この反射波は、両者を接続する電気ケーブルの長さに比例する概ね数十nsec程度にイオンピーク62から遅れた時間軸上の位置に、反射擬イオンピーク63を生じる。ここで、反射擬イオンピーク63は、異なる質量のイオンを、時間軸上のイオンピークの位置により分離検出するTOFMSの場合には、誤検出にもつながり好ましいものではない。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an electrical signal detected by a subsequent electronic device when the matching circuit 52 does not exist. The vertical axis represents the signal intensity of the electric signal, and the horizontal axis represents the detection time of the electric signal. Here, the electric signal of the ion beam 22 detected by the microchannel plate 51 is shown as an ion peak 62. On the other hand, a reflected wave of an electric signal is generated at both ends of the connection due to a mismatch in electrical impedance between the microchannel plate 51 and the subsequent electronic device. The reflected wave generates a reflected pseudo ion peak 63 at a position on the time axis that is delayed from the ion peak 62 by about several tens of nsec, which is proportional to the length of the electric cable connecting the two. Here, the reflection quasi-ion peak 63 is not preferable in the case of TOFMS in which ions having different masses are separated and detected based on the position of the ion peak on the time axis.

図5に戻り、シールド53は、マイクロチャネルプレート51および整合回路52を包含する、金属性のケースである。なお、シールド53は、筐体46ひいてはイオン光学系10のシャーシに電気接続されており、シールド53の近傍空間に不要な電界が発生することを防止している。これにより、検出器41の近傍を通過するイオンビーム22は、周回軌道に影響を受けることなく、安定した飛行を行う。   Returning to FIG. 5, the shield 53 is a metallic case including the microchannel plate 51 and the matching circuit 52. The shield 53 is electrically connected to the casing 46 and thus to the chassis of the ion optical system 10 to prevent an unnecessary electric field from being generated in the space near the shield 53. Thereby, the ion beam 22 passing through the vicinity of the detector 41 performs a stable flight without being affected by the orbit.

つづいて、検出器移動手段の動作について図7を用いて説明する。図7は、検出部17のyz軸断面を示す断面図である。なお、図7の筐体46に接続されたハンドル47は、ねじ切り棒45に接続されており、ハンドル47を手動で回転させることにより、支持台座44ひいては検出器41がy軸方向に移動する。   Next, the operation of the detector moving means will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a yz-axis cross section of the detection unit 17. The handle 47 connected to the housing 46 in FIG. 7 is connected to the threaded rod 45, and by manually rotating the handle 47, the support base 44 and thus the detector 41 move in the y-axis direction.

また、図7に示す複数のイオンビーム22は、らせん軌道を描きつつ、周回軌道面をy軸方向に移動するイオンビーム22の周回ごとのビーム位置である。従って、上部に位置するイオンビーム22から順に周回数1〜5のイオンビーム22の位置を示している。   Further, the plurality of ion beams 22 shown in FIG. 7 are beam positions for each turn of the ion beam 22 that moves in the y-axis direction on the orbital plane while drawing a helical orbit. Therefore, the position of the ion beam 22 having the number of circulations 1 to 5 is shown in order from the ion beam 22 located at the top.

まず、オペレータは、分析を行う試料の質量分解能および感度等を勘案し、イオンビーム22の周回数を決定する。その後、オペレータは、ハンドル47を回転し、支持台座44の固定される検出器41を、y軸方向の目的とする周回数のイオンビーム位置に設定する。図7は、一例として、周回数が1であるイオンビーム位置に検出器41を設定した場合を図示している。その後、オペレータは、TOFMSの動作を開始し、試料の分析を行う。   First, the operator determines the number of revolutions of the ion beam 22 in consideration of the mass resolution and sensitivity of the sample to be analyzed. Thereafter, the operator rotates the handle 47 and sets the detector 41 to which the support pedestal 44 is fixed to the ion beam position of the target number of revolutions in the y-axis direction. FIG. 7 shows a case where the detector 41 is set at an ion beam position where the number of laps is 1, as an example. Thereafter, the operator starts the operation of TOFMS and analyzes the sample.

上述してきたように、本実施の形態では、検出器移動手段である支持アーム42、支持台座44、ねじ切り棒45、ハンドル47、ガイドレール43および筐体46により、整合回路52を含む検出器41を、周回数に応じたイオンビーム22の周回軌道上に位置させることとしているので、検出されるイオンビーム22の総飛行距離を可変にすることができ、ひいては質量分解能あるいは感度等を、オペレータが望むものとすることができる。   As described above, in this embodiment, the detector 41 including the matching circuit 52 is constituted by the support arm 42, the support base 44, the threaded rod 45, the handle 47, the guide rail 43, and the housing 46 that are detector moving means. Is positioned on the orbit of the ion beam 22 corresponding to the number of laps, the total flight distance of the detected ion beam 22 can be made variable, and the operator can control the mass resolution or sensitivity. You can do what you want.

また、本実施の形態では、ねじ切り棒45は、ハンドル47により手動により回転させることとしたが、ハンドル47をモータに置き換え、検出器41の位置を自動制御することもできる。この場合には、このモータを自動制御する制御部に設定された周回軌道の周回数情報等に基づいて、検出器41のy軸方向の位置が自動で位置設定される。さらに、オペレータにより制御部に設定される質量分解能あるいは感度等の設定情報から周回数を決定し、自動で検出器41の位置設定を行うようにすることもできる。   In the present embodiment, the threaded rod 45 is manually rotated by the handle 47. However, the handle 47 can be replaced with a motor to automatically control the position of the detector 41. In this case, the position of the detector 41 in the y-axis direction is automatically set based on the number-of-turns information of the orbital track set in the control unit that automatically controls the motor. Furthermore, the number of turns can be determined from setting information such as mass resolution or sensitivity set in the control unit by the operator, and the position of the detector 41 can be automatically set.

実施の形態の検出部を示す構成図である。It is a block diagram which shows the detection part of embodiment. 飛行時間型質量分析計(TOFMS)の外観を示す外観図である。It is an external view which shows the external appearance of a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS). TOFMSのイオンが飛行する周回軌道面の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the orbital surface where the ion of TOFMS flies. TOFMSのデフレクタの断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the deflector of TOFMS. 実施の形態の検出器の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the detector of embodiment. 整合回路が存在しない場合に受信される、電気信号の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the electrical signal received when a matching circuit does not exist. 実施の形態の検出器の移動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the movement of the detector of embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 イオン光学系
11〜14 円筒電極
15、16 デフレクタ
17 検出部
20 イオン源
22 イオンビーム
41 検出器
42 支持アーム
43 ガイドレール
44 支持台座
45 ねじ切り棒
46 筐体
47 ハンドル
51 マイクロチャネルプレート
52 整合回路
53 シールド
62 イオンピーク
63 反射擬イオンピーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion optical systems 11-14 Cylindrical electrodes 15 and 16 Deflector 17 Detection part 20 Ion source 22 Ion beam 41 Detector 42 Support arm 43 Guide rail 44 Support base 45 Threaded rod 46 Housing 47 Handle 51 Micro channel plate 52 Matching circuit 53 Shield 62 Ion peak 63 Reflected pseudo ion peak

Claims (9)

イオン源から射出されたイオンが、扇形電場の作用により周回軌道を飛行しつつ、前記周回軌道の一部で、前記周回軌道の軌道面と直交する直交方向に軌道面をずらしたらせん軌道を描く飛行時間型質量分析計であって、
前記周回軌道上に位置し、前記イオンを検出する検出器と、
前記軌道面上の前記位置を保ちつつ、前記直交方向に前記検出器を移動させる検出器移動手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析計。
Ions ejected from the ion source fly in a circular orbit by the action of a sector electric field and draw a spiral trajectory by shifting the orbital plane in a direction orthogonal to the orbital plane of the orbital orbit in part of the orbit. A time-of-flight mass spectrometer,
A detector located on the orbit and detecting the ions;
Detector moving means for moving the detector in the orthogonal direction while maintaining the position on the track surface;
A time-of-flight mass spectrometer.
前記検出器は、電気インピーダンスの整合回路を備えることを特徴とする請求項1に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the detector includes an electrical impedance matching circuit. 前記検出器移動手段は、前記検出器を、前記軌道面と直交する面内で支持する支持アームを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the detector moving unit includes a support arm that supports the detector in a plane orthogonal to the orbital plane. 前記検出器移動手段は、前記支持アームを前記直交方向に移動させる駆動手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 3, wherein the detector moving unit includes a driving unit that moves the support arm in the orthogonal direction. 前記駆動手段は、前記支持アームを支持し、ねじ穴を有する支持台座および前記支持台座を前記直交方向に移動させる前記ねじ穴に貫通されたねじ切り棒を備えることを特徴とする請求項4に記載の飛行時間型質量分析計。   The said drive means is provided with the threaded rod penetrated by the said screw hole which supports the said support arm, and has the screw hole which moves the said support base in the said orthogonal direction which has a screw hole. Time-of-flight mass spectrometer. 前記ねじ切り棒は、ねじ溝を手動で回転させるハンドルを備えることを特徴とする請求項5に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 5, wherein the threaded rod includes a handle for manually rotating the thread groove. 前記駆動手段は、前記支持アームを前記直交方向に自動で移動させる自動移動手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 4, wherein the driving unit includes an automatic moving unit that automatically moves the support arm in the orthogonal direction. 前記自動移動手段は、前記ねじ切り棒に機械的に接続され、前記ねじ切り棒のねじ溝を回転させるモータであることを特徴とする請求項5および7に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 5 or 7, wherein the automatic moving means is a motor that is mechanically connected to the threaded rod and rotates a thread groove of the threaded rod. 前記飛行時間型質量分析計は、前記検出器の直交方向の位置を、前記自動移動手段により前記イオンが前記周回軌道を繰り返し飛行する周回数情報に基づいて自動制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項7あるいは8に記載の飛行時間型質量分析計。   The time-of-flight mass spectrometer further includes a control unit that automatically controls the position of the detector in the orthogonal direction based on the number of laps information in which the ions repeatedly fly around the orbit by the automatic moving unit. The time-of-flight mass spectrometer according to claim 7 or 8,
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