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JPS588107B2 - quadrupole lens - Google Patents
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JPS588107B2 - quadrupole lens - Google Patents

quadrupole lens

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Publication number
JPS588107B2
JPS588107B2 JP51086326A JP8632676A JPS588107B2 JP S588107 B2 JPS588107 B2 JP S588107B2 JP 51086326 A JP51086326 A JP 51086326A JP 8632676 A JP8632676 A JP 8632676A JP S588107 B2 JPS588107 B2 JP S588107B2
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JP
Japan
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electrodes
electric field
needle
cylinder
quadrupole lens
Prior art date
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JP51086326A
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JPS5311566A (en
Inventor
松田久
松尾武清
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Jeol Ltd
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Nihon Denshi KK
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は質量分析装置等に用いる四極子レンズに関し、
製造が容易で双曲線電界に極めて近い電界を形成し得る
四極子レンズを提供するものである。
[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a quadrupole lens used in a mass spectrometer, etc.
The present invention provides a quadrupole lens that is easy to manufacture and can form an electric field extremely close to a hyperbolic electric field.

四極子レンズは周知のようにマスフィルターとして広く
使用されている。
As is well known, quadrupole lenses are widely used as mass filters.

この四極子レンズによって形成される電界を理想的な四
極子電界とするには、断面が双曲線の端部を有する四個
の電極を用いる必要があるが、加工精度等の点から製造
が極めて面倒である欠点がある。
In order to make the electric field formed by this quadrupole lens an ideal quadrupole electric field, it is necessary to use four electrodes with hyperbolic cross-sections, but manufacturing is extremely difficult due to processing accuracy etc. There is a drawback.

そのため従来、第1図aに示すような円形の断面を有す
る丸棒電極Cを4本並べて使用している。
For this reason, conventionally, four round bar electrodes C having a circular cross section as shown in FIG. 1a are used side by side.

円形断面を有する電極を用いて生じる電界は、第1図b
に示すようなものであり、一般的にはレンズ中心からの
距離rの2次、6次、10次、14次・・・・・・の項
を持つべき級に展開される。
The electric field generated using an electrode with a circular cross section is shown in Figure 1b.
It is generally expanded into a power class having terms of second order, sixth order, tenth order, fourteenth order, etc. of the distance r from the lens center.

2次の項は理想的な四極子電界である双曲線電界であり
、6次項以降は双曲線電界からのずれを表わす。
The second-order term is a hyperbolic electric field, which is an ideal quadrupole electric field, and the sixth-order and subsequent terms represent deviations from the hyperbolic electric field.

この円形断面を有する電極を用いる場合、第1図aに示
すような四極子レンズの中心から各電極までの距離をR
0、電極の半径をRとするとR/R0が1,147程度
に選ばれていると第6次の項も0にし得ることから、R
/R6がこの値になるように電極の半径と位置関係が設
定されているが、より高次のずれの項は零にすることが
できないため、従来の四極子レンズにおいては、レンズ
の中心から離れるに従って収差は大きくなり、感度及び
分解能を共に向上させることが阻まれていた。
When using electrodes with this circular cross section, the distance from the center of the quadrupole lens to each electrode as shown in Figure 1a is R.
0, and if the radius of the electrode is R, then if R/R0 is selected to be about 1,147, the 6th order term can also be set to 0, so R
The radius and positional relationship of the electrodes are set so that /R6 becomes this value, but higher-order deviation terms cannot be made zero, so in conventional quadrupole lenses, the distance from the center of the lens Aberrations increase as the distance increases, making it difficult to improve both sensitivity and resolution.

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、製造が
容易で理想的な四極子電界である双曲数電界に極めて近
い電界を形成することのできる四極子レンズを提供する
ことを目的としており、合計12本の針線状電極を特定
の位置に配置し、これら電極に特定の電位を与えるよう
にしたもので、以下図面に基づき本発明の実施例を詳述
する。
The present invention was made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a quadrupole lens that is easy to manufacture and can form an electric field extremely close to a hyperbolic number electric field, which is an ideal quadrupole electric field. A total of 12 needle-like electrodes are arranged at specific positions, and a specific potential is applied to these electrodes.Examples of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

第2図は本発明に基づく四極子レンズの電極位置関係を
説明するための図であり、レンズの中心軸に一致するよ
うに直交座標の原点0がとられている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the electrode positional relationship of the quadrupole lens according to the present invention, and the origin 0 of the orthogonal coordinates is set to coincide with the central axis of the lens.

該原点0を中心とする半径raの円周上には針線状電極
1,2,3,4が等間隔を置いて配置されており、又原
点0を中心とする半径rbの円周上には針線状電極5,
6,7,9,9,10,11,12が配置されている。
Needle wire electrodes 1, 2, 3, and 4 are arranged at equal intervals on a circumference of a radius ra centered on the origin 0, and on a circumference of a radius rb centered on the origin 0. is a needle wire electrode 5,
6, 7, 9, 9, 10, 11, and 12 are arranged.

電極5,12、電極6,7、電極8,9及び電極10,
11は各々電極1,2,3,4を中心として角度φだけ
隔った位置に配置されている。
electrodes 5, 12, electrodes 6, 7, electrodes 8, 9 and electrode 10,
11 are arranged at positions separated by an angle φ from the electrodes 1, 2, 3, and 4, respectively.

又電極1,3に与えられている電位を−A、電極2,4
に与えられている電位を+A、又電極5,8,9,12
に与えられる電位を+B、電極6,7,10,11に与
えられる電位を−Bとすると生成される。
Also, the potential given to electrodes 1 and 3 is −A, and the potential given to electrodes 2 and 4 is
The potential given to +A, and the electrodes 5, 8, 9, 12
It is generated when the potential applied to the electrodes is +B and the potential applied to the electrodes 6, 7, 10, and 11 is -B.

電位分布の様子は新座標(r,θ)を用いて、下記の電
位函数V(r,θ)によって表わされる。
The state of the potential distribution is expressed by the following potential function V(r, θ) using new coordinates (r, θ).

但しλ=ra/rb,ρa=r/raである。However, λ=ra/rb, ρa=r/ra.

第(1)式において、第1項(rに関する2次の項)は
理想的な四極子電界である双曲線電界を与えており、第
2項以下の項は各々双極線電界からの6次、10次、1
4次のずれを表わしている。
In equation (1), the first term (second-order term with respect to r) gives a hyperbolic electric field, which is an ideal quadrupole electric field, and the terms after the second term are the sixth-order term from the dipole electric field, 10th order, 1
This represents a fourth-order shift.

上式において、B/A,λ,φは独立変数であり、co
snφ(n−2,6,10,14,・・・・・・)の項
は0になるφの値が存在しないため、6次と10次の項
のみ同時に零とする解を求める。
In the above equation, B/A, λ, φ are independent variables, and co
Since there is no value of φ that makes the terms snφ (n-2, 6, 10, 14, . . .) 0, a solution is found in which only the 6th and 10th order terms are made zero at the same time.

この場合独立変数が3個あるため、その解は1個ではな
くそのうち実用的な数値を有する代表的な解を例示する
と下記のようになる。
In this case, since there are three independent variables, the solution is not just one, but an example of a typical solution with a practical value is as follows.

(解1) λ=lとすると φ=22.5° は下記のようになる。(Solution 1) If λ=l φ=22.5° is as follows.

V(r,θ)=4A(ρ2acos2θ+0.143p
14acos14θ+・・・・・・・・・)・・・・・
・・・・(2)(解2) A=Bとすると φ=21.83° λ=0.956であり、この時V(r,θ)は下記のよ
うになる。
V(r,θ)=4A(ρ2acos2θ+0.143p
14acos14θ+・・・・・・・・・)・・・・・・
(2) (Solution 2) When A=B, φ=21.83° and λ=0.956, and in this case, V(r, θ) is as follows.

これら2つの解のうち(3)式で与えられた解の方が1
4次の項は小さいことが解る。
Of these two solutions, the one given by equation (3) is 1
It can be seen that the fourth order term is small.

また実際には四極子レンズはアース電位にある真空容器
内に置かれている。
In reality, the quadrupole lens is placed in a vacuum container at ground potential.

従ってこの真空容器の影響を考慮するため第2図に示す
電極を金属性のシリンダーに入れたものを第3図を参考
にして考える。
Therefore, in order to take into account the influence of this vacuum container, we will consider an arrangement in which the electrode shown in FIG. 2 is placed in a metal cylinder with reference to FIG. 3.

第3図においてSがシリンダーの内面を表わしており、
電極2,6,7以外は省略されている。
In Figure 3, S represents the inner surface of the cylinder,
Components other than electrodes 2, 6, and 7 are omitted.

このような場合に与えられる電場を、各電極の前記金属
性シリンダーに対する鏡像を考えて以下に導出する。
The electric field applied in such a case is derived below by considering the mirror image of each electrode with respect to the metallic cylinder.

半径raの円周上に配置された各電極に対する鏡像は半
径ra*a2/raの円周上に形成され、又半径rbの
円周上に配置された各電極に対する鏡像は半径rb*=
a2/rbの円周上に形成される。
The mirror image of each electrode arranged on the circumference of a circle with radius ra is formed on the circumference of radius ra*a2/ra, and the mirror image of each electrode arranged on the circumference of radius rb is formed with radius rb*=
It is formed on the circumference of a2/rb.

又電極に与えられている電位と絶対値が等しく反対符号
の電位が該電極の鏡像に与えられる。
Further, a potential having the same absolute value and the opposite sign as the potential applied to the electrode is applied to the mirror image of the electrode.

この場合の電位函数をベキ数によって展開すると次の様
になる。
When the potential function in this case is expanded by a power, it becomes as follows.

と同様にA/B,λ,φの3つの独立変数が存在するた
め、6次、10次の項を同時に零にする即ち下記の2式
を同時に満足する解を得ることができる。
Similarly, since there are three independent variables, A/B, λ, and φ, it is possible to obtain a solution that simultaneously makes the 6th and 10th order terms zero, that is, simultaneously satisfies the following two equations.

B/Aが1,2、1,4、1,6、1,8の場合の解を
次表に示す。
The solutions when B/A is 1, 2, 1, 4, 1, 6, 1, 8 are shown in the following table.

又λ=1の場合即ちra=rbの場合には第5式及び第
(6)式は各々下記のようになる。
Further, in the case of λ=1, that is, in the case of ra=rb, the fifth equation and the fifth equation (6) become as shown below.

A+2Bcos6φ=0 ・・・・・・・・・・・・
・・・(5´)A+2Bcos10φ=0 ・・・・・
・・・・・・・・・・(6´)従ってこの場合、その解
はaの値によらずに{ φ=22.5° B=A√2・・・・・・・・・(7) となり、鏡像がない場合の(解2)と全く同じになる。
A+2Bcos6φ=0 ・・・・・・・・・・・・
...(5')A+2Bcos10φ=0 ...
・・・・・・・・・・・・(6') Therefore, in this case, the solution is { φ=22.5° B=A√2・・・・・・・・・( 7), which is exactly the same as (solution 2) when there is no mirror image.

このような解に対応した電界図を電子計算機に依ってプ
ロットした例を以下に紹介する。
An example of an electric field diagram corresponding to such a solution plotted using an electronic computer is introduced below.

第4図は(7)式で示された解に対応しており、第5図
はA=Bの場合の解に対応しておりいずるもμa=0.
8の場合である。
FIG. 4 corresponds to the solution shown by equation (7), and FIG. 5 corresponds to the solution when A=B, and μa=0.
This is the case of 8.

又図中の点線は理想的な双曲線電界の場合の等電位線を
示している。
Also, the dotted lines in the figure indicate equipotential lines in the case of an ideal hyperbolic electric field.

この図から明らかなように、0.5aの半径内は理想的
な双曲線電界とみなし得る。
As is clear from this figure, the area within a radius of 0.5a can be regarded as an ideal hyperbolic electric field.

次に12本の針線状電極を用いて構成した四極子レンズ
を質量分析計として実施した例を第6図及びそのA−B
断面と電気的接続関係を示すための第7図を用いて詳述
する。
Next, an example in which a quadrupole lens constructed using 12 needle electrodes is used as a mass spectrometer is shown in Figure 6 and its A-B.
This will be explained in detail using FIG. 7 for showing the cross section and electrical connection relationship.

第6図において、13,14,15,16,17はタン
グステン、モリブデン等の材質で形成された針線状電極
であり、第7図に示す断面図より明らかなように電極1
3及び14の各々の両側には釧線状電極18,19及び
20,21が配置されており、更に電極15,16,1
7に対向して針線状電極22,23,24が配置されて
いる。
In FIG. 6, reference numerals 13, 14, 15, 16, and 17 are needle-like electrodes made of materials such as tungsten and molybdenum.
On both sides of each of electrodes 3 and 14, wire-shaped electrodes 18, 19 and 20, 21 are arranged, and electrodes 15, 16, 1
Needle wire electrodes 22, 23, and 24 are arranged opposite to 7.

電極13,14,16,23が配置されている内側円2
5の半径raは4.38mmにとられており、電極15
,17,18,19,20,21 ,22,24が配置
されている外側円26の半径rbは4、65mmにとら
れている。
Inner circle 2 where electrodes 13, 14, 16, 23 are arranged
The radius ra of electrode 15 is set to 4.38 mm.
, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24 are arranged, the radius rb of the outer circle 26 is set to 4.65 mm.

又φは20°にとられている。Also, φ is set at 20°.

又電極13,18,19及び14,20,21には−(
U+Vcosωt)で表わされる電位が、電極15,1
6,17及び22,23,24には+(U+Vcosω
t)で表わされる電位が与えられる。
Moreover, -(
The potential represented by U+Vcosωt) is
6, 17 and 22, 23, 24 have +(U+Vcosω
A potential represented by t) is given.

第6図に戻って前記電極の各々は絶縁物よりなるドーナ
ツ状の保持板27,28に保持されている。
Returning to FIG. 6, each of the electrodes is held by doughnut-shaped holding plates 27 and 28 made of an insulator.

該保持板27,28は金属よりなるシリンダ29に固定
されている。
The holding plates 27 and 28 are fixed to a cylinder 29 made of metal.

該シリンダ29の前段にはイオン源30が配置されてお
り、該イオン源30より発生したイオンはフォーカスス
リット31及びアーススリット32を介して前記シリン
ダ29内に形成されている四極子場に導入される。
An ion source 30 is arranged in front of the cylinder 29, and ions generated from the ion source 30 are introduced into a quadrupole field formed in the cylinder 29 through a focus slit 31 and a ground slit 32. Ru.

該四極子場を出射したイオンはイオンマルチプライヤー
33に導入され、該イオンマルチプライヤー33の出力
信号は図示外の記録計に供給されている。
The ions emitted from the quadrupole field are introduced into an ion multiplier 33, and the output signal of the ion multiplier 33 is supplied to a recorder (not shown).

上述した如き、イオン源チャンパー30より発生したイ
オンはフォーカススリット31及びアーススリット32
を経てシリンダ29内に導入される。
As mentioned above, ions generated from the ion source chamber 30 pass through the focus slit 31 and the ground slit 32.
It is introduced into the cylinder 29 through the.

該シリンダ29内には前述したように6次の項のみなら
ず10次の項をも零にし得る理想的な双曲線電界に極め
て近い電界を有する低収差の四極子レンズが形成されて
おり、該レンズ内に導入されたイオンは質量対電荷比に
応じて極めて高分解能にて分離される。
As described above, a low-aberration quadrupole lens is formed within the cylinder 29 and has an electric field extremely close to the ideal hyperbolic electric field that can eliminate not only the 6th-order term but also the 10th-order term. Ions introduced into the lens are separated with extremely high resolution according to their mass-to-charge ratio.

又針線状電極付近までの広い範囲が理想的な双曲線電界
であり、イオンが通電できる有渇な電界範囲が広く、従
って高感度の検出を可能とする。
In addition, a wide range up to the vicinity of the needle wire electrode is an ideal hyperbolic electric field, and the range of the electric field in which ions can be energized is wide, thus enabling highly sensitive detection.

更に、従来の丸棒電極を用いた四極子レンズにおいては
、製作精度は極めて高いものが要求されるが、本発明に
基づく四極子レンズにおいては針線状電極の寸法精度は
さほど高くなくて良く、製作が容易で安価となる。
Furthermore, in the case of a quadrupole lens using conventional round bar electrodes, extremely high manufacturing precision is required, but in the quadrupole lens based on the present invention, the dimensional precision of the needle-like electrodes does not need to be so high. It is easy and inexpensive to manufacture.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図aは従来の四極子レンズの概略を示すための図で
あり、同図bは従来の四極子レンズによって形成される
電場を説明するための図、第2図は本発明に基づく四極
子レンズによって作られる電場を計算するための説明図
であり、第3図はシリンダーによる各電極の鏡像をも考
慮した場合に形成される電場を計算するための説明図で
あり、第4図及び第5図は本発明に基づく四極子レンズ
によって形成される場を例示しており、第6図及び第7
図は本発明に基づく四極子レンズを質量分析装置に組み
込んだ場合の実施例を例示するための図である。 C・・・・・・丸棒電極、1〜24・・・・・・針線状
電極、25・・・・・・内側円、26・・・・・・外側
円、27,28・・・・・・保持板、29・・・・・・
シリンダ、30・・・・・・イオン源、31・・・・・
・フォーカススリット、32・・・・・・アーススリッ
ト、33・・・・・・イオンマルチプライヤー。
FIG. 1a is a diagram for schematically showing a conventional quadrupole lens, FIG. 1b is a diagram for explaining the electric field formed by the conventional quadrupole lens, and FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for calculating the electric field created by the polar lens, and FIG. 3 is an explanatory diagram for calculating the electric field formed when the mirror image of each electrode by the cylinder is also considered. FIG. 5 illustrates the field formed by a quadrupole lens according to the invention, and FIGS.
The figure is a diagram for illustrating an example in which a quadrupole lens based on the present invention is incorporated into a mass spectrometer. C... Round bar electrode, 1 to 24... Needle wire electrode, 25... Inner circle, 26... Outer circle, 27, 28... ...Retaining plate, 29...
Cylinder, 30...Ion source, 31...
・Focus slit, 32...Earth slit, 33...Ion multiplier.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 導体より形成された内径aのシリンダーと、該シリ
ンダーの中心から半径raの円周上に互いに等間隔に配
置された4個の針線状電極と、半径rbの円周上に配置
され前記4個の針線状電極の各々の両側に角度φを置い
て配置された8個の針線状電極とを備え、前記シリンダ
ーと前記4個の針線状電極との電位差をA、前記シリン
ダーと前記8個の針線状電極との電位差をBとするとき
、A{1−(ra/a)12}+2B(ra/rb)6
{1−(rb/n)12}×cos6φ=0 かつ A{1−(ra/a)20}+2B(ra/rb)10
{1−(ra/a)20}×cos10φ=0 を満たすように前記a,ra,rb,φ,A,Bが選ば
れていることを特徴とする四極子レンズ。 2 前記raとrbとの間にra=rbの関係が成立し
、且つφ−2. 2. 5°,A/B√2でaが任意に
選ばれていることを特徴とする特許請求の範囲1に記載
した四極子レンズ。
[Scope of Claims] 1. A cylinder with an inner diameter a formed of a conductor, four needle-like electrodes arranged at equal intervals on a circumference with a radius ra from the center of the cylinder, and a circumference with a radius rb. eight needle-like electrodes arranged above and placed at an angle φ on both sides of each of the four needle-like electrodes, and the potential difference between the cylinder and the four needle-like electrodes is A, When the potential difference between the cylinder and the eight needle wire electrodes is B, A{1-(ra/a)12}+2B(ra/rb)6
{1-(rb/n)12}×cos6φ=0 and A{1-(ra/a)20}+2B(ra/rb)10
A quadrupole lens characterized in that a, ra, rb, φ, A, and B are selected to satisfy {1-(ra/a)20}×cos10φ=0. 2. The relationship ra=rb holds true between ra and rb, and φ-2. 2. The quadrupole lens according to claim 1, wherein a is arbitrarily selected from 5° and A/B√2.
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WO2013136509A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 株式会社島津製作所 Mass spectrograph apparatus and method of driving ion guide

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