JP2956706B2 - Mass spectrometer - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、４極子レンズを構成要素に含む質量分析装
置の改良に関する。The present invention relates to an improvement in a mass spectrometer including a quadrupole lens as a component.
［従来技術］ 第５図は特開昭59−160949号に紹介されている質量分
析装置の概略を示す。この質量分析装置では、イオン源
1,一様扇形磁場2,円筒電場３及びイオン検出器４がこの
順に並べられ、イオン源１と磁場２との間に、通過する
イオンビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与え、
イオンビームの動径方向には発散性を与える２個の４極
静電レンズQ1,Q2を配置し、更に磁場２と電場３の間に
通過するイオンビームの軌道平面に垂直な方向に集束性
を与える第３の４極静電レンズQ3を配置している。[Prior Art] FIG. 5 schematically shows a mass spectrometer introduced in JP-A-59-160949. In this mass spectrometer, the ion source
1, a uniform sector magnetic field 2, a cylindrical electric field 3, and an ion detector 4 are arranged in this order, and provide convergence between the ion source 1 and the magnetic field 2 in a direction perpendicular to the orbit plane of the passing ion beam,
In the radial direction of the ion beam, two quadrupole electrostatic lenses Q1 and Q2 that provide divergence are arranged, and further, the convergence in the direction perpendicular to the orbit plane of the ion beam passing between the magnetic field 2 and the electric field 3 Is provided.
第６図はこの４極静電レンズの一例を示し、同一円周
上に90゜間隔でイオンビームの進行方向（ｚ方向）に平
行に配置される４本の円柱電極から構成され、例えば、
正の極性を持つイオンを測定する場合、イオンビームの
軌道平面に垂直な方向（ｙ方向）の対向する電極には正
の電位が印加され、イオンビームの動径方向（ｘ方向）
の対向する電極には負の電位が印加される。FIG. 6 shows an example of this quadrupole electrostatic lens, which is composed of four cylindrical electrodes arranged in parallel to the traveling direction (z direction) of the ion beam at 90 ° intervals on the same circumference.
When measuring ions having positive polarity, a positive potential is applied to the opposing electrodes in the direction (y direction) perpendicular to the orbit plane of the ion beam, and the radial direction of the ion beam (x direction)
Are applied with a negative potential.
このような提案装置では、４極静電レンズQ1,Q2によ
りイオンビームの幅が広げられるため、質量分析系のパ
ラメータである像倍率を小さくすることができ、分解能
を向上させることができる。また、４極静電レンズQ1,Q
2,Q3によりイオンビームが軌道平面に垂直な方向に収束
されるため、質量分析系におけるイオンビームの通過効
率が向上し、感度も向上させることができる。In such a proposed apparatus, since the width of the ion beam is widened by the quadrupole electrostatic lenses Q1 and Q2, the image magnification which is a parameter of the mass spectrometry system can be reduced, and the resolution can be improved. Also, the quadrupole electrostatic lenses Q1, Q
Since the ion beam is converged in the direction perpendicular to the orbital plane by Q2 and 2, the passage efficiency of the ion beam in the mass spectrometry system is improved, and the sensitivity can be improved.
［発明が解決しようとする課題］ ところが、このような４極静電レンズを使用した質量
分析系では、第５図に示すように、二重収束点におい
て、イオン軌道に対してθ１の交差角をもつ方向収束面
Ａとイオン軌道に対してθ２の交差角をもつエネルギー
収束面Ｂがほぼ直交する。イオン検出器としてポイント
型検出器を使用する場合、両収束面が交差する位置に検
出器を配置し、一方、アレイ検出器を使用する場合、方
向収束面に沿って検出器を配置することが行われてい
る。どちらの検出器を使用する場合であっても、エネル
ギー幅の狭い（例えば0.1％以下）イオンを対象として
分析する際にはエネルギー収差による影響が小さいた
め、それ程大きな問題とはならない。[Problems to be Solved] However, in the mass spectrometry system using such a 4 Gokusei electrostatic lens, as shown in FIG. 5, the double-focusing point, the intersection of theta 1 with respect to the ion trajectory energy focusing surface B having a crossing angle theta 2 to the direction converging surface a and the ion trajectories with corners substantially perpendicular. If a point-type detector is used as the ion detector, the detector should be placed at the position where both converging surfaces intersect.On the other hand, if an array detector is used, the detector should be placed along the directional converging surface. Is being done. Whichever type of detector is used, when analyzing ions having a narrow energy width (for example, 0.1% or less), the influence of energy aberration is small, so that it is not a serious problem.
しかしながら、リンクドスキャンを行う場合やMS/MS
の第2MSとして使用する場合のように、エネルギー幅の
広い（数％程度）イオンを対象として分析する場合、中
心軌道以外でのエネルギー収差による影響が拡大し、方
向収束面上に配置されるアレイ検出器の端縁部でビーム
が広がるため、分解能が低下してしまうという問題が発
生している。However, when performing linked scan or MS / MS
When analyzing ions with a wide energy range (about several percent), as in the case of using it as the second MS, the effect of energy aberrations other than in the central orbit expands, and the array is arranged on the direction converging surface. Since the beam spreads at the edge of the detector, there is a problem that the resolution is reduced.
本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、４極
子レンズを使用した質量分析系を用いて、エネルギー幅
の広いイオンを対象として方向収束面に沿ってアレイ検
出器を配置しても、中心軌道以外でのエネルギー収差に
よる影響が拡大せず、分解能が低下しない質量分析装置
を提供することを目的としている。The present invention has been made in view of this point, and it is possible to arrange an array detector along a directional converging surface for ions having a wide energy width using a mass spectrometer using a quadrupole lens. It is another object of the present invention to provide a mass spectrometer in which the influence of energy aberration other than the center orbit does not increase and the resolution does not decrease.
［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため、本発明は、イオン源と、イ
オン源で生成されたイオンが入射する一様磁場と、磁場
からでたイオンが入射する電場と、電場からでたイオン
を検出するアレイ検出器と、イオンビームの軌道平面に
垂直な方向に収束性を与えそのイオンビームの動径方向
には発散性を与えるために前記イオン源と磁場との間に
間隔をあけて配置される第１及び第２の４極子レンズ
と、イオンビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与
えるために前記磁場と電場との間に配置される第３の４
極子レンズとから構成され、前記磁場と電場との間のイ
オン軌道上に６極子レンズを設けたことを特徴としてい
る。Means for Solving the Problems To achieve this object, the present invention provides an ion source, a uniform magnetic field in which ions generated by the ion source are incident, an electric field in which ions emitted from the magnetic field are incident, An array detector for detecting ions emitted from an electric field, and between the ion source and the magnetic field to provide convergence in a direction perpendicular to the orbit plane of the ion beam and divergence in the radial direction of the ion beam. First and second quadrupole lenses spaced apart from each other, and a third quadrupole lens disposed between the magnetic field and the electric field to provide convergence in a direction perpendicular to the trajectory plane of the ion beam.
And a hexapole lens provided on an ion trajectory between the magnetic field and the electric field.
［作用］ 磁場と電場との間に配置される６極子レンズにより、
方向収束面とエネルギー収束面の交差角を小さくするこ
とができる。[Operation] By a hexapole lens arranged between a magnetic field and an electric field,
The intersection angle between the direction converging surface and the energy converging surface can be reduced.
［実施例］ 以下、図面に基づき、本発明の一実施例を詳説する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は本発明を実施した同時検出型質量分析装置の
一例を示すイオン光学図である。第１図の実施例が第６
図の従来例と異なるのは、磁場２と第３の４極静電レン
ズQ3との間のイオン軌道上に６極静電レンズ５を挿入し
た点である。この６極静電レンズ５は、レンズ強度調整
回路６によりそのレンズ強度が制御される。FIG. 1 is an ion optical diagram showing an example of a simultaneous detection type mass spectrometer embodying the present invention. The embodiment of FIG.
The difference from the conventional example shown in the figure is that a hexapole electrostatic lens 5 is inserted on the ion trajectory between the magnetic field 2 and the third quadrupole electrostatic lens Q3. The lens strength of the six-pole electrostatic lens 5 is controlled by a lens strength adjustment circuit 6.
第２図は、６極静電レンズ５の断面図を示し、同一円
周上に60゜間隔でイオンビームの進行方向（ｚ方向）に
平行に配置される６本の円柱電極から構成され、各電極
には、交互に＋Ｖ及び−Ｖの電位が印加される。FIG. 2 is a cross-sectional view of the six-pole electrostatic lens 5, which is composed of six cylindrical electrodes arranged at intervals of 60 ° on the same circumference in parallel with the traveling direction (z direction) of the ion beam. The potentials of + V and -V are alternately applied to each electrode.
ここで、６極静電レンズ５の働きについて説明する。
第２図のように配置された６極静電レンズにより６極静
電電場が発生され、この６極静電電場内において光軸に
垂直な面（ｘ−ｙ平面）上の任意の位置（x,y）の電位
Ｖは、次式で示される値Ｖ（x,y）をとる。Here, the function of the six-pole electrostatic lens 5 will be described.
A six-pole electrostatic electric field is generated by the six-pole electrostatic lens arranged as shown in FIG. 2, and an arbitrary position (x-y) on a plane (xy plane) perpendicular to the optical axis within the six-pole electrostatic electric field. , y) takes a value V (x, y) represented by the following equation.
Ｖ（x,y）＝ｈ（x3−3xy2） （１） ここで、ｈはレンズ電極に印加した電圧に比例した係
数である。V (x, y) = h (x 3 −3xy 2 ) (1) Here, h is a coefficient proportional to the voltage applied to the lens electrode.
イオンが質量に応じて展開される軌道平面（ｙ＝０）
内では、（１）式は Ｖ（ｘ）＝hx3 （２） と簡単化される。Orbital plane where ions are developed according to mass (y = 0)
In equation (1), V (x) = hx 3 (2) is simplified.
（２）式で表わされる電位が与えられる電場内を飛行
する電荷ｅを持つイオンが受ける力Ｆ（ｘ）は、次式で
与えられる。The force F (x) received by the ions having the charge e flying in the electric field to which the potential represented by the equation (2) is given is given by the following equation.
Ｆ（ｘ）＝edV（ｘ）/dx＝−3hex2 （３） 今、ｘ＝０を中心とするイオンビームに対するレンズ
効果を考える。レンズ効果は、力Ｆ（ｘ）の位置による
一次の変化率に比例する。従って、ｘ＝x0近傍のレンズ
効果は、 dF（ｘ）/dxＸ＝X0＝−6hex0 （４） となる。F (x) = edV (x) / dx = −3 hex 2 (3) Now, consider the lens effect on the ion beam centered on x = 0. The lens effect is proportional to the first-order rate of change depending on the position of the force F (x). Therefore, x = x 0 near lensing becomes dF (x) / dx X = X0 = -6hex 0 (4).
（４）式は、６極静電レンズによるレンズ効果の強さ
が、イオンの中心軌道（ｘ＝０）からの距離に比例し、
中心軌道を挟んでレンズ効果の向きが逆転することを示
している。従って、６極静電レンズは、中心軸からの距
離に比例して焦点距離を変化させることができ、ｈの値
によってイオンの収束展開面を任意の方向へ任意の角度
回転させることが可能である。Equation (4) indicates that the strength of the lens effect of the six-pole electrostatic lens is proportional to the distance from the central orbit (x = 0) of the ion,
This shows that the direction of the lens effect is reversed with respect to the central orbit. Accordingly, the six-pole electrostatic lens can change the focal length in proportion to the distance from the central axis, and can rotate the convergent and developed surface of ions in any direction by any angle depending on the value of h. is there.
この様な構成において、第１図に示すように、６極静
電レンズ５に適宜な電圧を印加すれば、第６図の従来例
で、直交していた方向収束面Ａとエネルギー収束面Ｂ
は、発明者の実験によると、お互いに逆方向に回転し、
イオン軌道に対してθの交差角をもって方向収束面Ａと
エネルギー収束面Ｂが一致する。第３図に６極静電レン
ズ５にレンズ強度調整回路６から印加する電圧と、イオ
ン軌道に対して方向収束面Ａとエネルギー収束面Ｂの交
差角θ1,θ２の変化を示す。この第３図によると、16〜
17Voltで各々の収束面の交差角θ1,θ２が一致すること
がわかる。In such a configuration, as shown in FIG. 1, if an appropriate voltage is applied to the six-pole electrostatic lens 5, the direction convergence surface A and the energy convergence surface B which are orthogonal to each other in the conventional example of FIG.
Rotate in the opposite direction to each other, according to the inventor's experiments,
The direction convergence plane A and the energy convergence plane B coincide with each other with an intersection angle θ with respect to the ion orbit. FIG. 3 shows the voltage applied from the lens strength adjustment circuit 6 to the hexapole electrostatic lens 5 and the change in the intersection angles θ 1 and θ 2 between the direction convergence plane A and the energy convergence plane B with respect to the ion trajectory. According to FIG.
It can be seen that the intersection angles θ 1 and θ 2 of each convergence plane coincide at 17 Volt.
第１図に示すように、この両収束面の一致したところ
にアレイ検出器10を配置すれば、検出器の検出面全域に
わたって二重収束が成立するため、エネルギー幅の広い
イオンを対象としても、分解能が低下しない。そして、
従来から使用されているポイント型イオン検出器４を用
いて測定する場合は、６極静電レンズ５が機能しないよ
うに、６極静電レンズに印加している電圧を零にすれば
良い。As shown in FIG. 1, if the array detector 10 is arranged at a position where the two converging surfaces coincide with each other, double convergence is established over the entire detection surface of the detector. , Resolution does not decrease. And
When the measurement is performed using the point-type ion detector 4 which has been conventionally used, the voltage applied to the six-pole electrostatic lens may be set to zero so that the six-pole electrostatic lens 5 does not function.
なお、６極静電レンズに印加される電圧の最適値は、
イオンの種類によって異なる。例えば第４図に示すよう
に、イオン源１と４極静電レンズQ1との間のイオン軌道
上に設け、その衝突室７でイオン源１から出射したイオ
ン（ノーマルイオン）を解裂させたイオン（娘イオン）
の場合は、６極静電レンズに印加される電圧の最適値
は、ノーマルイオンの場合と異なるのでイオン強度調整
回路６とは別に娘イオン用の最適電圧を印加できるレン
ズ強度調整回路８を設けて、スイッチ９により切換える
ようにすれば良い。The optimal value of the voltage applied to the six-pole electrostatic lens is
It depends on the type of ion. For example, as shown in FIG. 4, it is provided on the ion trajectory between the ion source 1 and the quadrupole electrostatic lens Q1, and the ions (normal ions) emitted from the ion source 1 are broken in the collision chamber 7. Ion (daughter ion)
In the case of (1), since the optimum value of the voltage applied to the six-pole electrostatic lens is different from that of the normal ion, a lens strength adjusting circuit 8 capable of applying an optimum voltage for daughter ions is provided separately from the ion strength adjusting circuit 6. Then, it may be switched by the switch 9.
なお、上記実施例においては、方向収束面とエネルギ
ー収束面が一致するように述べたが、必ずしも完全な平
面でなく湾曲している場合がある。この様な場合には、
８極静電レンズを磁場２と６極静電レンズ５との間また
は６極静電レンズ５と４極静電レンズQ3との間のイオン
軌道上に挿入すれば良い。In the above embodiment, the direction converging surface and the energy converging surface have been described as being coincident with each other. In such a case,
The octupole electrostatic lens may be inserted between the magnetic field 2 and the hexapole electrostatic lens 5 or on the ion trajectory between the hexapole electrostatic lens 5 and the quadrupole electrostatic lens Q3.
なお、本実施例装置においては、６極静電レンズを設
けて、方向収束面とエネルギー収束面とを一致させるよ
うにしたが、６極静電レンズの代わりに、磁場型６極レ
ンズを用いても同様の効果が得られる。In the apparatus of this embodiment, a six-pole electrostatic lens is provided so that the direction converging surface and the energy converging surface coincide with each other, but a magnetic field type six-pole lens is used instead of the six-pole electrostatic lens. The same effect can be obtained.
［効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、４極静電レンズ
を使用した質量分析系を用いて、磁場と電場との間のイ
オン軌道上に６極レンズを設けることにより、方向収束
面とエネルギー収束面の交差角を小さくし、それにより
接近した収束面上にアレイ検出器を配置するようにした
ので、エネルギー幅の広いイオンを対象としても、分解
能が低下しない質量分析装置を提供できる。[Effects] As described in detail above, according to the present invention, by providing a six-pole lens on an ion trajectory between a magnetic field and an electric field using a mass spectrometer using a four-pole electrostatic lens, Since the intersection angle between the convergence surface and the energy convergence surface is reduced, and the array detector is arranged on the closer convergence surface, a mass spectrometer that does not reduce the resolution even for ions with a wide energy width is used. Can be provided.
第１図は本発明の一実施例を示すイオン光学図、第２図
は、第１図の実施例における６極静電レンズの断面図、
第３図は６極静電レンズに印加する電圧と、各収束面の
交差角θ1,θ２の変化を示す図、第４図は本発明の他の
実施例を示すイオン光学図、第５図は従来例を示すイオ
ン光学図、第６図は４極静電レンズの断面図である。 1:イオン源、2:一様扇形磁場 3:円筒電場、4:イオン検出器 5:6極静電レンズ 6,8:イオン強度調整回路 7:衝突室、9:スイッチ 10:アレイ検出器 Q1〜Q3:4極静電レンズFIG. 1 is an ion optical diagram showing one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a six-pole electrostatic lens in the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a voltage applied to a six-pole electrostatic lens and a change of intersection angles θ 1 and θ 2 of respective converging surfaces. FIG. 4 is an ion optical diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 5 is an ion optical diagram showing a conventional example, and FIG. 6 is a sectional view of a quadrupole electrostatic lens. 1: Ion source, 2: Uniform sector magnetic field 3: Cylindrical electric field, 4: Ion detector 5: 6-pole electrostatic lens 6, 8: Ion intensity adjustment circuit 7: Collision chamber, 9: Switch 10: Array detector Q1 ~ Q3: 4-pole electrostatic lens
Claims (1)
が入射する一様磁場と、磁場からでたイオンが入射する
電場と、電場からでたイオンを検出するアレイ検出器
と、イオンビームの軌道平面に垂直な方向に収束性を与
えそのイオンビームの動径方向には発散性を与えるため
に前記イオン源と磁場との間に間隔をあけて配置される
第１及び第２の４極子レンズと、イオンビームの軌道平
面に垂直な方向に収束性を与えるために前記磁場と電場
との間に配置される第３の４極子レンズとから構成さ
れ、前記磁場と電場との間のイオン軌道上に６極子レン
ズを設けたことを特徴とする質量分析装置。1. An ion source, a uniform magnetic field into which ions generated by the ion source are incident, an electric field into which ions from the magnetic field are incident, an array detector for detecting ions from the electric field, and an ion beam. The first and second 4 are arranged at an interval between the ion source and the magnetic field so as to provide convergence in a direction perpendicular to the orbit plane and to provide divergence in the radial direction of the ion beam. And a third quadrupole lens disposed between the magnetic and electric fields to provide convergence in a direction perpendicular to the trajectory plane of the ion beam. A mass spectrometer comprising a hexapole lens provided on an ion orbit.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2134707A JP2956706B2 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2134707A JP2956706B2 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Mass spectrometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0432147A JPH0432147A (en) | 1992-02-04 |
| JP2956706B2 true JP2956706B2 (en) | 1999-10-04 |
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Family Applications (1)
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| JP2134707A Expired - Fee Related JP2956706B2 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Mass spectrometer |
Country Status (1)
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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-
1990
- 1990-05-24 JP JP2134707A patent/JP2956706B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH0432147A (en) | 1992-02-04 |
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