JPH0740483B2

JPH0740483B2 - Mass spectrometer

Info

Publication number: JPH0740483B2
Application number: JP59033268A
Authority: JP
Inventors: 宏山本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1984-02-22
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1995-05-01
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: JPS60177542A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は質量分析装置に関し、より詳しくは、イオンを
発生するイオン源からイオンを引き出して加速する質量
分析装置の電極群を構成する電極のスリット巾の微調整
構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass spectrometer, and more specifically, to an electrode constituting an electrode group of a mass spectrometer for extracting and accelerating ions from an ion source that generates ions. A structure for finely adjusting the slit width.

（従来技術）質量分析とは、質量と異なったイオンを電界そして、ま
たは磁界の下で分離し、イオンの質量の分布を求めるこ
とであり、化学分析などに用いられる。質量分析装置
は、イオンを発生するためのイオン源と、このイオンを
磁界そして、または電界を適切に用いて質量の異ったイ
オンを分離する質量分離系と、分離されたイオンを検出
・記録する検出記録系とから構成される。質量分離系と
しては、たとえば、加速されたイオンの方向と速度（エ
ネルギー）とを、扇形一様磁界を用いて収束する単収束
型や、扇形一様磁界の他に扇形電界をも用いて収束する
二重収束型がある。(Prior Art) Mass spectrometry is to separate ions having a different mass under an electric field and / or a magnetic field to obtain a mass distribution of ions, which is used for chemical analysis and the like. A mass spectrometer uses an ion source for generating ions, a mass separation system that separates ions with different masses by using this magnetic field and / or electric field appropriately, and detects and records the separated ions. And a recording system for detection. As the mass separation system, for example, the direction and velocity (energy) of the accelerated ions are converged by using a fan-shaped uniform magnetic field, or by using a fan-shaped electric field in addition to the fan-shaped uniform magnetic field. There is a double convergence type.

第１図に、小型二重収束型質量分析装置の一例を図式的
に示す。図示しない真空排気系により高真空に排気され
た真空容器１の中に、イオン化室２を設ける。このイオ
ン化室２の中でイオン化された粒子（通常は正イオン）
は電極群3,3,…によって加速され、エネルギーを得、そ
して、第１図において、最も左側の電極３のスリットか
ら粒子線４として引き出される。粒子線４は、次いで、
扇形電界を発生する電極5,5（静電アナライザという）
の下で曲げられる。第１図において、扇形電界は下側の
方向にあり、粒子線４は上方向に曲げられる。イオン化
室２でイオン化された粒子は、エネルギーの広い分布を
持っているが、この扇形電界の作用の下で、扇形電界の
出口に設けられたスリット６を通るとき、ある一定のエ
ネルギー幅にあるイオンだけが選び出される。スリット
６を出た粒子線は、次いで、扇形一様磁界の下でローレ
ンツ力により質量と電荷とに応じて曲げられる。第１図
において、磁石ポールピース面７は、図の上側と下側に
設けられ、磁界の方向は、下向きである。扇形一様磁界
を出て、スリット８を経た粒子線４の強度は、検出器で
ある増倍管９により検出される。FIG. 1 schematically shows an example of a compact double-focusing mass spectrometer. An ionization chamber 2 is provided in a vacuum container 1 evacuated to a high vacuum by a vacuum exhaust system (not shown). Particles ionized in this ionization chamber 2 (usually positive ions)
Are accelerated by the electrode groups 3, 3, ..., Obtain energy, and are extracted as a particle beam 4 from the slit of the leftmost electrode 3 in FIG. Particle beam 4 is then
Electrodes 5,5 that generate a fan-shaped electric field (called electrostatic analyzer)
Bent under. In FIG. 1, the sectoral electric field is in the downward direction, and the particle beam 4 is bent upward. The particles ionized in the ionization chamber 2 have a wide distribution of energy, but under the action of this fan-shaped electric field, when passing through the slit 6 provided at the outlet of the fan-shaped electric field, they have a certain energy width. Only the ions are selected. The particle beam exiting the slit 6 is then bent according to the mass and the electric charge by Lorentz force under a fan-shaped uniform magnetic field. In FIG. 1, the magnet pole piece surfaces 7 are provided on the upper side and the lower side of the figure, and the direction of the magnetic field is downward. The intensity of the particle beam 4 that has passed through the slit 8 after having emitted a fan-shaped uniform magnetic field is detected by a multiplier tube 9 which is a detector.

第２図は、イオン化室２と電極群3,3,…を、さらに詳し
く図式的に示す。イオン化室２は、壁部11と加速電極12
とにより区画され、両者は接合されている。イオン源
は、広く用いられている電子衝撃型イオン源である。壁
部11の外側に、熱電子を放射するフィラメント13と、電
子を引きつけるターゲット14とが、第２図において上側
と下側とに、それぞれ設けられる。ターゲット14と加熱
されたフィラメント13との間に正の電圧が加えられる
と、壁部11に設けられた開口を通って、放射された熱電
子のビーム15が発生し、一定の電流（エミッション電
流）が流れる。グリッド16は、フィラメント13に関し
て、ターゲット14の反対側に設けられる。フィラメント
13とグリッド16との間に正の電圧が加えられていて、放
射された熱電子を反発する。また、ターゲット14と壁部
11との間に、正の電圧が加えられている。さらに、リペ
ラ17は、イオン化室２の第２図において右側に配置した
板部17aと、壁部11の左側面中央部に設けた開口を通っ
て左側に突き出ている試料の導入管17bとから構成され
ているが、リペラ17と壁部11との間にも正の電圧が加え
られて、いずれも、粒子線４がイオン化室２から出射す
ることを助ける。FIG. 2 schematically shows the ionization chamber 2 and the electrode groups 3, 3, ... In more detail. The ionization chamber 2 has a wall 11 and an acceleration electrode 12.
It is divided by and and both are joined. The ion source is a widely used electron impact type ion source. A filament 13 that emits thermoelectrons and a target 14 that attracts electrons are provided outside the wall 11 on the upper side and the lower side in FIG. 2, respectively. When a positive voltage is applied between the target 14 and the heated filament 13, a beam 15 of emitted thermoelectrons is generated through an opening provided in the wall 11 and a constant current (emission current) is generated. ) Flows. The grid 16 is provided on the opposite side of the target 14 with respect to the filament 13. filament
A positive voltage is applied between 13 and the grid 16 and repels the emitted thermoelectrons. Also, the target 14 and the wall
A positive voltage is applied between 11 and. Further, the repeller 17 includes a plate portion 17a arranged on the right side in FIG. 2 of the ionization chamber 2 and a sample introduction tube 17b protruding to the left side through an opening provided in a central portion of the left side surface of the wall portion 11. Although configured, a positive voltage is also applied between the repeller 17 and the wall 11, both of which help the particle beam 4 to emerge from the ionization chamber 2.

ところで、リペラ17の導入管17bを通し、外部から予め
低圧力になるように処理された気体試料や気化した液体
試料や蒸発した固体試料などが、イオン化室２に導入さ
れと、試料は、電子ビーム15と衝突してイオンとなる。
加速電極12は、イオン化室２の第２図において右側に配
置されていて、中央部に設けた開口から、イオン化され
た粒子が、下記のように、電界により引き出される。な
お、イオン化室内で固体試料を蒸発させイオン化するこ
ともなされている。By the way, when a gas sample, a vaporized liquid sample, a vaporized solid sample, or the like which has been preliminarily processed to have a low pressure through the introduction pipe 17b of the repeller 17 is introduced into the ionization chamber 2, the sample is Collides with beam 15 and becomes ions.
The accelerating electrode 12 is arranged on the right side of the ionization chamber 2 in FIG. 2, and ionized particles are extracted by an electric field from the opening provided in the central portion as described below. In addition, the solid sample is also vaporized and ionized in the ionization chamber.

加速電極12の右側に、順次、レンズ電極18,ハーフプレ
ート19と出射電極20とが設けられている。加速電極12と
引出し電極18の間に加速電極12の電位が、例えば100V高
くなるように正の電圧を加え、またハーフプレート19に
は加速電極12の電位の、例えば80％程度の正の電圧を加
え、さらに出射電極20はアース電位とする。上記の電子
衝撃により発生したイオンは、各電極の中央部に設けら
れたスリットを通って引き出され、出射電極20に設けら
れた出射スリット21から出ていく。なお、第１図では、
さらに、広い間を隔てて出射電極20と同じ電位の電極が
設けられていて、イオンビーム４の方向をそろえ、開き
角を制限する。A lens electrode 18, a half plate 19 and an emission electrode 20 are sequentially provided on the right side of the acceleration electrode 12. A positive voltage is applied between the accelerating electrode 12 and the extraction electrode 18 so that the potential of the accelerating electrode 12 becomes, for example, 100 V higher, and the positive voltage of the potential of the accelerating electrode 12, for example, about 80%, is applied to the half plate 19. And the emission electrode 20 is set to the ground potential. The ions generated by the electron impact described above are extracted through the slits provided in the central portion of each electrode, and exit from the emission slit 21 provided in the emission electrode 20. In addition, in FIG.
Further, electrodes having the same potential as the emitting electrode 20 are provided across a wide space to align the directions of the ion beams 4 and limit the opening angle.

ところで、上記質量分析装置では、ビーム断面がスリッ
ト状のイオンビームの制御および調整上問題となる。特
に出射電極20の出射スリット21および結像電極（図示せ
ず。）の結像スリットは、イオンの軌道中心からミクロ
ンオーダのずれが問題となる。そこで、上記出射スリッ
ト21や結像スリットのズレを調整する必要があるが、従
来の質量分析装置では、調整の都度、真空容器１の真空
を破り、ネジをゆるめる等により上記調整を行うか、あ
るいは、真空容器１の外部から直線導入機等を用いて機
械的に上記調整を行うようにしていた。By the way, in the above-mentioned mass spectrometer, there is a problem in controlling and adjusting an ion beam having a beam cross section of a slit. In particular, with respect to the exit slit 21 of the exit electrode 20 and the imaging slit of the imaging electrode (not shown), a deviation of the order of micron from the center of the orbit of the ions becomes a problem. Therefore, it is necessary to adjust the deviations of the exit slit 21 and the imaging slit, but in the conventional mass spectrometer, each time the adjustment is performed, the vacuum of the vacuum container 1 is broken, and the adjustment is performed by loosening the screw or the like. Alternatively, the above adjustment is performed mechanically from the outside of the vacuum container 1 using a straight line introduction machine or the like.

しかしながら、上記のように調整の都度、真空容器１の
真空を破って出射スリット21や結像スリットの調整を行
うのは非常に面倒であり、一方、直線導入機等を使用す
るものでは、質量分析装置が大形で複雑、高価になると
いった問題があった。However, it is very troublesome to break the vacuum of the vacuum container 1 and adjust the exit slit 21 and the imaging slit each time the adjustment is performed as described above. There was a problem that the analyzer was large, complicated, and expensive.

（発明の目的）本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、そ
の目的は、質量分析装置においてイオンビームの制御を
行う電極の微調整を電気機械変換素子を用いて電気的に
行うことである。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to perform fine adjustment of an electrode for controlling an ion beam in a mass spectrometer using an electromechanical conversion element electrically. Is to do.

（発明の構成）このため、本発明は、イオンを発生するためのイオン源
からイオンを引き出して加速する電極群を構成する電極
が上記イオンが通過する所定のスリット巾をおいて配置
されてなる一対の電極板からなる質量分析装置におい
て、上記スリット巾が電気機械変換素子に印加される電
圧により微調整されるようにしたことを特徴としてい
る。(Structure of the Invention) Therefore, according to the present invention, the electrodes constituting the electrode group for extracting and accelerating the ions from the ion source for generating the ions are arranged with a predetermined slit width through which the ions pass. A mass spectrometer comprising a pair of electrode plates is characterized in that the slit width is finely adjusted by a voltage applied to the electromechanical conversion element.

（実施例）以下、第１図の斜入出射型質量分析装置の出射電極20の
出射スリット21の微調整に本発明を適用した実施例によ
り、本発明を具体的に説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to an example in which the present invention is applied to the fine adjustment of the emission slit 21 of the emission electrode 20 of the oblique incidence / emission type mass spectrometer of FIG.

出射電極20は、第３図にその平面図を示すように、一対
の電極板20a,20bからなり、これら電極板20a,20bは巾Ｗ
が100μｍの出射スリット21をおいて同一平面上に配置
され、この巾Ｗは上記出射スリット21を通過するイオン
の中心軌道に対して50μｍの巾w₁，w₂に振り分けられて
いる。この巾w₁，w₂を正確に50μｍに設定することは困
難で、10μｍ程度のずれは容易に生じる。As shown in the plan view of FIG. 3, the emission electrode 20 is composed of a pair of electrode plates 20a and 20b, and these electrode plates 20a and 20b have a width W.
Are arranged on the same plane with an exit slit 21 of 100 μm, and this width W is divided into widths w ₁ and w ₂ of 50 μm with respect to the central orbit of the ions passing through the exit slit 21. It is difficult to accurately set the widths w ₁ and w ₂ to 50 μm, and a deviation of about 10 μm easily occurs.

そこで、上記電極板20a,20bとして、第４図に示すよう
に、圧電板31の対向する両主表面に電極膜32,33を形成
し、この電極膜32,33のうえに、さらに、上記圧電板31
の厚み方向に電圧を印加するための電極膜34,35を形成
したものを使用する。上記圧電板31はスリット21の反対
側の端部が固定台36に固定され、上記電極膜34,35には
出力電圧可変の電流電源37から直流電圧が印加される。
圧電板31の両主表面に形成された電極膜32,33のうち、
電極膜32を実質的な出射電極20として機能させるため、
この電極膜32はアースに接続される（第２図参照）。Therefore, as the electrode plates 20a, 20b, as shown in FIG. 4, electrode films 32, 33 are formed on both main surfaces of the piezoelectric plate 31 facing each other, and the electrode films 32, 33 are further formed on the electrode films 32, 33. Piezoelectric plate 31
The electrode films 34 and 35 for applying a voltage in the thickness direction are used. The end of the piezoelectric plate 31 on the opposite side of the slit 21 is fixed to a fixed base 36, and a DC voltage is applied to the electrode films 34 and 35 from a current source 37 with variable output voltage.
Of the electrode films 32, 33 formed on both main surfaces of the piezoelectric plate 31,
In order to make the electrode film 32 substantially function as the emitting electrode 20,
The electrode film 32 is connected to the ground (see FIG. 2).

上記のようにすれば、圧電板31が横効果圧電特性を有す
るものである場合、直流電源37の出力電圧を変化させる
と、圧電板31が厚み方向に対して直角に伸縮し、出射ス
リット21の振分け巾w₁を、真空容器１（第１図参照）の
真空を破ることなく微調整することができる。出射スリ
ット21のいま１つの振分け巾w₂についても、図示しない
いま一つの直流電源により、上記振分け巾w₁とは独立し
て微調整することができる。According to the above, when the piezoelectric plate 31 has a lateral effect piezoelectric characteristic, when the output voltage of the DC power supply 37 is changed, the piezoelectric plate 31 expands and contracts at right angles to the thickness direction, and the exit slit 21 is formed. The distribution width w ₁ can be finely adjusted without breaking the vacuum of the vacuum container 1 (see FIG. 1). The other distribution width w ₂ of the exit slit 21 can be finely adjusted independently of the distribution width w ₁ by another DC power supply (not shown).

次に、本発明のいま一つの実施例を第５図に示す。Next, another embodiment of the present invention is shown in FIG.

第５図の実施例は、対向する両主表面に夫々電極膜（図
示せず。）が形成された圧電板41を多数枚積層した積層
体42をケーシング43内に収容し、一端を固定端としてこ
のケーシング43に固定する一方、他端を自由端としてこ
の自由端に金属片44を取り付け、この金属片44に出射電
極20の電極板20aを取着したものである。各圧電板41の
両主表面に夫々形成された上記電極膜はリード線45およ
び46により端子47,48に接続され、これら端子47,48間に
は出力電圧が可変の直流電源37から直流電圧が印加され
る。In the embodiment shown in FIG. 5, a laminated body 42, in which a large number of piezoelectric plates 41 having electrode films (not shown) respectively formed on opposite main surfaces thereof, are laminated, is housed in a casing 43, and one end thereof is fixed. The metal piece 44 is attached to the free end while the other end is fixed to the casing 43, and the electrode plate 20a of the emitting electrode 20 is attached to the metal piece 44. The above-mentioned electrode films respectively formed on both main surfaces of each piezoelectric plate 41 are connected to terminals 47 and 48 by lead wires 45 and 46, and a DC voltage from a DC power supply 37 whose output voltage is variable is applied between these terminals 47 and 48. Is applied.

上記のように、端子47,48に直流電源37の出力電圧が印
加されると、積層体42の各圧電板41には夫々上記出力電
圧が印加され、第６図に示すように、上記積層体42の長
さｌは電圧の印加方向に応じてΔｌだけ伸縮する。As described above, when the output voltage of the DC power supply 37 is applied to the terminals 47 and 48, the output voltage is applied to each piezoelectric plate 41 of the laminated body 42, and as shown in FIG. The length l of the body 42 expands or contracts by Δl depending on the direction of voltage application.

この変位量Δｌは、圧電板41の積層枚数をn,厚さをt,圧
電歪定数をd₃₃，圧電板41の１枚当りの変位量をΔt,圧
電板41の厚み方向の電場をＥとすると、次の（１）式で
表わされる。The displacement amount Δl is n, the thickness is t, the piezoelectric strain constant is d ₃₃ , the displacement amount per piezoelectric plate 41 is Δt, and the electric field in the thickness direction of the piezoelectric plate 41 is E. Then, it is expressed by the following equation (1).

Δｌ＝ｎ・Δｔ＝ｎ・ｔ・d₃₃・Ｅ＝ｌ・d₃₃・Ｅ …（１）また、上記直流電源37の出力電圧をＶとすれば、上記電
界Ｅは次の（２）式で表わされる。Δl = n · Δt = n · t · d 33 · E = l · d 33 · E ... (1) In addition, if the output voltage of the DC power source 37 is V, the electric field E is the following equation (2) It is represented by.

Ｅ＝V/t …（２）この（１）式および（２）式から、直流電源37の出力電
圧Ｖを変化させることにより、上記変位量Δｌを変化さ
せることができる。これにより、積層体42の自由端に取
り付けられた電極板20aを上記出力電圧ＶによりΔｌだ
け変位させ、振分け巾w₁を調整することができる。出射
スリット21のいま一つの振分け巾w₂についても、図示し
ないいま一つの直流電源により、上記振分け巾w₁とは独
立して微調整することができる。E = V / t (2) From the equations (1) and (2), the displacement amount Δl can be changed by changing the output voltage V of the DC power supply 37. Thereby, the electrode plate 20a attached to the free end of the laminated body 42 can be displaced by Δl by the output voltage V, and the distribution width w ₁ can be adjusted. The other distribution width w ₂ of the exit slit 21 can also be finely adjusted independently of the distribution width w ₁ by another DC power supply (not shown).

第５図の実施例では、多数の圧電板41を積層した積層体
42を使用しているため、振分け巾w₁，w₂の調整巾が大き
くなる。In the embodiment shown in FIG. 5, a laminated body in which a large number of piezoelectric plates 41 are laminated
Since 42 is used, the adjustment width of the distribution widths w ₁ and w ₂ becomes large.

本発明は、出射電極20の他に種々の形式の質量分析装置
の他の電極にも適用することができる。The present invention can be applied to other electrodes of various types of mass spectrometers in addition to the emission electrode 20.

（発明の効果）以上、詳述したことからも明らかなように、本発明は、
質量分析装置において、電気機械変換素子を使用してイ
オン源からイオンを引き出して加速する電極のスリット
巾を真空容器の外部から電気的に調整するようにしたか
ら、真空容器の真空を破ることなく電極のスリット巾を
調整することができ、質量分析装置の操作が非常に容易
になるとともに質量分析装置の構成も簡単化され、スリ
ット巾の調整をミクロンオーダで行うことができる。ま
た、電極のスリット巾の調整はmsecないしはμsecのオ
ーダで完了することができ、繰り返し特定のスリット巾
を再現することもできる。(Effects of the Invention) As is apparent from the above description, the present invention is
In the mass spectrometer, the electromechanical conversion element is used to electrically adjust the slit width of the electrode for extracting and accelerating the ions from the ion source from the outside of the vacuum container, so that the vacuum of the vacuum container is not broken. The slit width of the electrode can be adjusted, the operation of the mass spectrometer becomes very easy, the configuration of the mass spectrometer is simplified, and the slit width can be adjusted in the order of microns. The adjustment of the slit width of the electrode can be completed in the order of msec or μsec, and a specific slit width can be repeatedly reproduced.

[Brief description of drawings]

第１図は二重収束型質量分析装置の構成を示す模式図、
第２図は電子衝撃型イオン源の構成を示す模式図、第３
図は出射電極の平面図、第４図および第５図は夫々本発
明の一実施例の説明図、第６図は積層体の自由端の変位
量の説明図である。 20…出射電極、20a,20b…電極板、21…出射スリット、3
1…圧電板、32〜35…電極膜、36…固定台、37…直流電
源、41…圧電板、42…積層体。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a double-focusing mass spectrometer,
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of an electron impact ion source, FIG.
FIG. 4 is a plan view of the emission electrode, FIGS. 4 and 5 are explanatory views of one embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an explanatory view of the displacement amount of the free end of the laminated body. 20 ... Emitting electrode, 20a, 20b ... Electrode plate, 21 ... Emitting slit, 3
1 ... Piezoelectric plate, 32 to 35 ... Electrode film, 36 ... Fixed base, 37 ... DC power supply, 41 ... Piezoelectric plate, 42 ... Laminated body.

Claims

[Claims]

1. A mass comprising a pair of electrode plates in which electrodes constituting an electrode group for extracting and accelerating ions from an ion source for generating ions are arranged with a predetermined slit width through which the ions pass. A mass spectrometer, wherein the slit width is finely adjusted by a voltage applied to the electromechanical conversion element.