JP4037797B2

JP4037797B2 - Time-of-flight mass spectrometer

Info

Publication number: JP4037797B2
Application number: JP2003161123A
Authority: JP
Inventors: 岩永光恭; 小林達次; 佐藤貴弥
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: JP2004362982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源により生成された試料イオンを分析する飛行時間型質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分離して、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分離する飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight ＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。直交加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた中間室１１と、収束レンズおよび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレクター８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。
【０００５】
このような構成において、外部イオン源１において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオンは、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束され、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入される。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、この第３のオリフィス１２によって、丸い一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。
【０００６】
測定室１３の入口には、収束レンズと偏向器とから成るレンズ群６、および図示しない入射ビーム規制スリットが設置されている。測定室１３に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビームの拡散や偏向を是正され、入射ビーム規制スリットでビームの断面形状を整えられた後、ランチャー７に導入される。ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置されている。
【０００７】
イオンビームは、最初、図２に示すように、２０〜５０ｅＶの低エネルギー状態で、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５および加速レンズ１６によって挟まれたイオン溜１７に向けて、平行に進入する。イオン溜１７内を平行に移動する一定の長さを持ったイオンビーム１８は、イオン押し出しプレート１４に、図３に示すような、イオンの極性と同じ極性の、数ｋＶ程度のパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｘ軸方向）とは垂直な方向（Ｚ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパルス１９となって、イオン溜１７と対向する位置に設けられた図示しないリフレクターに向けて飛行を開始する。
【０００８】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室１３に導入されたときのＸ軸方向の速度と、それとは垂直な方向にイオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズによって与えられたＺ軸方向の速度とが足し合わされるため、完全なＺ軸方向ではなく、わずかに斜めを向いたＺ軸方向に飛行し、リフレクター８で反射されて、イオン検出器９に到達する。
【０００９】
イオンの加速の過程では、イオンの質量の大小にかかわらず、同じ電位差がイオンに作用するため、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなる。その結果、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分離することができる。
【００１０】
このようにして、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、イオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズから成るランチャー７によってパルス状に加速することにより、連続型のイオン源を、パルス状のイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに適用することができる（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４３３４３号公報
【非特許文献１】
発明協会公開技報、９３−２９１９１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオン溜１７に、２０〜５０ｅＶ程度の、低い加速エネルギーのイオンが導入された際、イオン溜１７を構成しているイオン押し出しプレート１４とグリッド１５に汚れがある場合は、そこにイオンの持つ電荷が蓄積されて、帯電状態になる。そうなると、その帯電した部位に、本来のイオン光学系に想定しなかった、異常な電位が形成され、そこに生じた電界が、低速のイオンを、イオン溜の中心軸からずれた方向へと偏向し、イオン溜１７への正常なイオン導入の妨げとなってしまう。
【００１３】
このような帯電現象が発生する、最大の理由の１つは、イオンビームの照射に曝される部材の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されたり、部材表面の汚れが経時的に蓄積されたりすることなどにより、部材表面の電気抵抗が、増大することである。
【００１４】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の飛行時間型質量分析装置は、
外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、
該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートとグリッドにより構成されるイオン溜と、
グリッドを介して取り出されたイオンを質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離されたイオンを検出するイオン検出器と
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記イオン押し出しプレートに、イオン溜に導入されるイオンの極性とは逆の極性を持ったパルス電圧を印加し得るように構成し、該イオンの極性とは逆の極性を持ったパルス電圧を印加した際に、該印加電圧によって加速されたイオンを前記イオン押し出しプレートに衝突させ、イオン押し出し電極表面に形成された絶縁性酸化膜や汚れを該イオンの衝突により除去するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
また、前記パルス電圧は、イオンの極性と逆の極性を持つ数百Ｖ以上の直流電圧であることを特徴としている。
【００１７】
また、前記イオン押し出しプレートと、前記グリッドのうちの、少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示した図である。図を簡略化するため、図１に示した、外部イオン源１、差動排気壁１０、中間室１１の３者を、イオン生成・輸送部２１として、１つにまとめた。また、差動排気オリフィス２２は、図１の第３のオリフィス１２に対応している。外部イオン源には、ＥＩイオン源やＣＩイオン源が用いられる。
【００１９】
本実施例が、図１の従来例と異なる点は、イオン生成・輸送部２１に、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどの、不活性ガスや、酸素ガスなどの、活性ガスを導入する、ガス導入部（ｅ）を設けたことである。これらのガスから生成するイオン種は、試料イオンとは異なり、イオン溜２４を構成している、イオン押し出し電極２５やグリッド２６を、汚染することがない。
【００２０】
この実施例の動作について、説明する。ガス導入部（ｅ）から導入されたガスは、イオン生成・輸送部２１でイオン化され、イオンビーム（ａ）となって、直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）２９の内部のイオン溜２４へと入射する。このイオンビーム（ａ）は、途中、入射ビーム規制スリット２３と衝突することで、イオンビームの形状が整えられて、最終のイオン溜２４に到達する。
【００２１】
イオン溜２４を構成するイオン押し出し電極２５には、図５に示すように、直流電源３０、３１から、ＦＥＴなどで構成されたゲート手段３２、３３を介して、任意の極性を持った、数百Ｖ〜数千Ｖ程度のパルス状の加速電圧が印加できるように、構成されている。そして、ゲート手段３２、３３を制御することにより、加速電圧のパルス幅を、任意に設定することができるようになっている。印加電圧の極性は、スイッチ手段３４によって、切り換えて選択することができる。
【００２２】
質量スペクトルを観測する場合には、イオン溜２４内のイオンが、正イオンの場合は、イオンの電荷の極性と同じ極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３０側に、スイッチ手段３４により、切り換える。また、イオン溜２４内のイオンが、負イオンの場合は、イオンの電荷の極性と同じ極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３１側に、スイッチ手段３４により、切り換える。
【００２３】
それに対して、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和させたい場合には、イオン溜２４内のイオンが、正イオンの場合は、イオンの電荷の極性と逆の極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３１側に、スイッチ手段３４により、切り換える。また、イオン溜２４内のイオンが、負イオンの場合は、イオンの電荷の極性と逆の極性の電圧が、イオン押し出し電極２５に印加されるように、使用する電源を、直流電源３０側に、スイッチ手段３４により、切り換える。
【００２４】
このとき、グリッド２６は、常に、接地電位であるから、イオン押し出し電極２５に加速電圧が印加されると、イオン押し出し電極２５とグリッド２６との間には、強い電界が発生する。
【００２５】
質量スペクトルを観測するモードの場合、この電界により、イオン溜２４に蓄積された、ガス由来のイオンビーム（ａ）は、グリッド２６側に向かって加速され、パルス状となって飛行し、飛行時間型分光部２９において、イオンの質量が分析されることになる（図４）。
【００２６】
また、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和させるモードの場合、この電界により、イオン溜２４に蓄積された、ガス由来のイオンビーム（ａ）は、イオン押し出し電極２５側に向かって加速され、パルス状となって飛行し、イオン押し出し電極２５と、激しく衝突することになる（図６）。
【００２７】
ところで、金持徹編、「真空技術ハンドブック」（１９９０年、日刊工業新聞社刊）の第６章、図６.５.３に掲載されているグラフを、図７に示す。これによると、入射イオンエネルギーが、２百数十ｅＶ以上になると、イオンが衝突する際に、スパッタリング効果が見られるようになる。
【００２８】
従って、数百ｅＶ〜数千ｅＶ程度のエネルギーで加速されたガスのイオンパルスが、イオン押し出し電極２５の表面に衝突すると、電極表面のスパッタが起こり、電極表面に形成されていた絶縁性の酸化膜や、電極表面の汚れなどが、削り取られる。
【００２９】
もし、イオン押し出し電極２５の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されていたり、汚れが経時的に蓄積されていたりすると、電極表面の電気抵抗が増大し、イオン由来の電荷が蓄積されて、帯電現象が発生することが、知られている。
【００３０】
イオンビーム（ａ）は、本来、２０〜５０ｅＶ程度の低エネルギー状態であるため、イオン押し出し電極２５に、わずかでも、帯電現象が発生すると、イオンビーム（ａ）は、容易に偏向を受け、イオン溜２５に、まっすぐには導入されなくなってしまう。もし、イオンビームが、イオン溜２５に、斜めに、導入されるようなことになると、飛行時間型質量分析装置の分解能が低下してしまう。
【００３１】
従って、このガス由来のイオンを衝突させた際のスパッタリング効果により、電極表面に形成された、絶縁性の酸化膜や、部材表面の汚れが取り除かれると、イオン押し出し電極２５の帯電現象を、改善ないし緩和する効果があり、飛行時間型質量分析装置の分解能の低下を抑えることができる。
【００３２】
このように、飛行時間型質量分析装置に、測定モードの他に、イオン押し出し電極２５に、イオンの極性とは逆の極性を持つ、数百Ｖ以上のパルス電圧を印加するモードを設け、イオン押し出し電極２５に帯電が起きたときには、そのモードに切り換えるようにしてやれば、飛行時間型質量分析装置を分解掃除することなく、常に、快適な条件で、使用することが可能になる。
【００３３】
尚、本発明には、変形例が可能である。例えば、イオン押し出し電極２５とグリッド２６のうち、少なくとも１つの近傍、または、その両方の近傍に、更に、加熱機構を設け、焼き出し効果をスパッタリング効果と併用することにより、電極表面に付着している汚染物質を除去する作業を、支援するようにしても良い。そうすれば、単に、スパッタリング効果だけによる場合よりも、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和する効果が、大きくなる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の結果、イオン溜内における帯電現象を、改善ないし緩和することのできる飛行時間型質量分析装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】イオン押し出し電極への従来の印加電圧を示す図である。
【図４】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図６】イオン押し出し電極への本発明の印加電圧を示す図である。
【図７】入射イオンエネルギーとそれがもたらす効果との相関図である。
【符号の説明】
１・・・外部イオン源、２・・・第１のオリフィス、３・・・リングレンズ、４・・・第２のオリフィス、５・・・イオンガイド、６・・・レンズ群、７・・・ランチャー、８・・・リフレクター、９・・・イオン検出器、１０・・・差動排気壁、１１・・・中間室、１２・・・第３のオリフィス、１３・・・測定室、１４・・・イオン押し出しプレート、１５・・・グリッド、１６・・・加速レンズ、１７・・・イオン溜、１８・・・イオンビーム、１９・・・イオンパルス、２１・・・イオン生成・輸送部、２２・・・差動排気オリフィス、２３・・・入射ビーム規制スリット、２４・・・イオン溜、２５・・・イオン押し出し電極、２６・・・グリッド、２７・・・リフレクタ、２８・・・検出器、２９・・・直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）、３０・・・直流電源、３１・・・直流電源、３２・・・ゲート手段、３３・・・ゲート手段、３４・・・スイッチ手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer that analyzes sample ions generated by an ion source.
[0002]
[Prior art]
A mass spectrometer is an apparatus that causes ions generated from a sample to fly in a vacuum, separates ions having different masses in the course of flight, and records them as a spectrum. The mass spectrometer includes a magnetic mass spectrometer that performs mass dispersion of ions using a sector magnetic field, and a quadrupole mass spectrometer (QMS) that performs selection (filtering) of ions by mass using a quadrupole electrode. ), A time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) that separates ions using a difference in flight time of ions according to mass, and the like are known.
[0003]
Among these mass spectrometers, the magnetic field type mass spectrometer and the QMS are suitable for ion sources that continuously generate ions, whereas the TOFMS is an ion that generates ions in a pulsed manner. Conforms to the source. Therefore, if an attempt is made to use a continuous ion source for TOFMS, it is necessary to devise how to use the ion source. An orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometer (OA-TOFMS; orthogonal acceleration TOFMS) is an example of TOFMS devised so that pulsed ions can be ejected from a continuous ion source.
[0004]
FIG. 1 shows a typical OA-TOFMS configuration. OA-TOFMS is a continuous type of electron impact (EI) ion source, chemical ionization (CI) ion source, field desorption (FD) ion source, electrospray (ESI) ion source, fast atom bombardment (FAB) ion source, etc. External ion source 1, a differential exhaust wall 10 including first and second partition walls and a vacuum pump (not shown), and a first orifice provided on the first partition wall of the differential exhaust wall 10 2, a ring lens 3 placed in the differential exhaust wall 10, a second orifice 4 provided on the second partition wall constituting the differential exhaust wall 10, and an ion guide 5. An intermediate chamber 11, a lens group 6 comprising a converging lens and a deflector, a launcher 7 comprising an ion extrusion plate and an acceleration lens (grid), a reflector 8 for reflecting ions, and an ion detector 9 Structure composing any ion optics and a measuring chamber 13 placed.
[0005]
In such a configuration, ions generated from the sample in the external ion source 1 are first introduced into the differential exhaust wall 10 through the first orifice 2. The ions to be diffused in the differential exhaust wall 10 are focused by the ring lens 3 in the differential exhaust wall 10 and introduced into the intermediate chamber 11 through the second orifice 4. The ions introduced into the intermediate chamber 11 are guided to the high-vacuum measurement chamber 13 by reducing the kinetic energy in the intermediate chamber 11 and reducing the ion beam diameter by the high frequency electric field generated from the ion guide 5. A third orifice 12 is provided in a partition wall that partitions the intermediate chamber 11 and the measurement chamber 13. The ions guided from the ion guide 5 are shaped into an ion beam having a constant round diameter by the third orifice 12 and introduced into the measurement chamber 13.
[0006]
A lens group 6 including a converging lens and a deflector and an incident beam regulating slit (not shown) are installed at the entrance of the measurement chamber 13. The ion beam that has entered the measurement chamber 13 is corrected for beam diffusion and deflection by the lens group 6, and the cross-sectional shape of the beam is adjusted by the incident beam regulating slit, and then introduced into the launcher 7. In the launcher 7, an ion reservoir in which an ion extrusion plate and a grid are arranged to face each other, and an acceleration lens arranged in a direction orthogonal to the axial direction of the ion reservoir are installed.
[0007]
As shown in FIG. 2, the ion beam first enters in parallel toward the ion reservoir 17 sandwiched between the ion extrusion plate 14, the grid 15, and the acceleration lens 16 in a low energy state of 20 to 50 eV. An ion beam 18 having a certain length moving in parallel in the ion reservoir 17 is accelerated on the ion extrusion plate 14 in the form of a pulse of about several kV having the same polarity as that of ions as shown in FIG. By applying a voltage, the ion beam 18 is accelerated in a pulse shape in a direction (Z-axis direction) perpendicular to the approach axis direction (X-axis direction) of the ion beam 18 to become an ion pulse 19 and a position facing the ion reservoir 17. The flight is started toward a reflector (not shown) provided in FIG.
[0008]
The ions accelerated in the vertical direction are the velocity in the X-axis direction when introduced into the measurement chamber 13, and the velocity in the Z-axis direction given by the ion extrusion plate, the grid, and the acceleration lens in the direction perpendicular thereto. Therefore, they fly not in the complete Z-axis direction but in the slightly Z-axis direction, reflected by the reflector 8, and reach the ion detector 9.
[0009]
In the process of accelerating ions, the same potential difference acts on the ions regardless of the mass of the ions. Therefore, the lighter ions have a higher speed and the heavier ions have a lower speed. As a result, a difference in ion mass appears as a difference in arrival time until it reaches the ion detector 8, and a difference in ion mass can be separated as a difference in flight time of ions.
[0010]
In this way, the ion beam generated from the continuous ion source 1 is accelerated in a pulse form by the launcher 7 including the ion extrusion plate, the grid, and the acceleration lens. It can be applied to TOFMS that is compatible with an ion source (Patent Document 1).
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2002-117802 [Patent Document 2]
JP 2000-243343 A [Non-Patent Document 1]
Japan Society of Invention and Innovation Technical Report, 93-29191
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when ions having a low acceleration energy of about 20 to 50 eV are introduced into the ion reservoir 17, if the ion extrusion plate 14 and the grid 15 constituting the ion reservoir 17 are contaminated, the ions are present there. Charges are accumulated and become charged. In that case, an abnormal electric potential that was not assumed in the original ion optical system was formed in the charged part, and the electric field generated there deflected low-speed ions in a direction shifted from the central axis of the ion reservoir. As a result, normal ion introduction into the ion reservoir 17 is hindered.
[0013]
One of the biggest reasons why such a charging phenomenon occurs is that an insulating oxide film is formed on the surface of the member exposed to ion beam irradiation, and dirt on the member surface accumulates over time. The electrical resistance on the surface of the member is increased.
[0014]
An object of the present invention is to provide a time-of-flight mass spectrometer capable of improving or mitigating a charging phenomenon in an ion reservoir in view of the above points.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the time-of-flight mass spectrometer of the present invention is
An external ion source;
A space where ions generated by an external ion source stay,
An ion reservoir composed of an ion extrusion plate and a grid that are arranged to face each other across the space in order to accelerate and take out ions from the space in a pulsed manner;
A time-of-flight spectroscopic unit that mass-separates ions extracted through the grid;
In a time-of-flight mass spectrometer equipped with an ion detector for detecting mass-separated ions,
The ion extrusion plate is configured so that a pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of ions introduced into the ion reservoir can be applied , and a pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied. The ions accelerated by the applied voltage are made to collide with the ion extrusion plate, and the insulating oxide film and dirt formed on the surface of the ion extrusion electrode are removed by the collision of the ions. Yes.
[0016]
The pulse voltage is a DC voltage of several hundred volts or more having a polarity opposite to the polarity of ions.
[0017]
In addition, a heating mechanism is provided in the vicinity of at least one of the ion extrusion plate and the grid.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention. In order to simplify the drawing, the three members of the external ion source 1, the differential exhaust wall 10, and the intermediate chamber 11 shown in FIG. The differential exhaust orifice 22 corresponds to the third orifice 12 in FIG. An EI ion source or a CI ion source is used as the external ion source.
[0019]
This embodiment is different from the conventional example of FIG. 1 in that an active gas such as an inert gas or an oxygen gas such as helium gas, argon gas, or nitrogen gas is introduced into the ion generating / transporting portion 21. The gas introduction part (e) is provided. Unlike the sample ions, the ion species generated from these gases do not contaminate the ion extrusion electrode 25 and the grid 26 constituting the ion reservoir 24.
[0020]
The operation of this embodiment will be described. The gas introduced from the gas introduction part (e) is ionized by the ion generation / transport part 21 to become an ion beam (a), and the inside of the orthogonal acceleration time-of-flight mass analyzer (time-of-flight spectrometer) 29 Is incident on the ion reservoir 24. The ion beam (a) collides with the incident beam restricting slit 23 in the middle, so that the shape of the ion beam is adjusted and reaches the final ion reservoir 24.
[0021]
As shown in FIG. 5, the ion push-out electrode 25 constituting the ion reservoir 24 has a number of arbitrary polarities from the DC power sources 30 and 31 through the gate means 32 and 33 made of FET or the like. It is configured so that a pulsed acceleration voltage of about 100 V to several thousand V can be applied. The pulse width of the acceleration voltage can be arbitrarily set by controlling the gate means 32 and 33. The polarity of the applied voltage can be switched and selected by the switch means 34.
[0022]
When observing the mass spectrum, if the ion in the ion reservoir 24 is a positive ion, the power supply to be used is set so that a voltage having the same polarity as the charge polarity of the ion is applied to the ion push-out electrode 25. The switch means 34 switches to the DC power source 30 side. In addition, when the ions in the ion reservoir 24 are negative ions, the power supply to be used is directed to the DC power supply 31 side so that a voltage having the same polarity as the charge polarity of the ions is applied to the ion extrusion electrode 25. Switching is performed by the switch means 34.
[0023]
On the other hand, when it is desired to improve or alleviate the charging phenomenon of the ion extrusion electrode 25, when the ions in the ion reservoir 24 are positive ions, a voltage having a polarity opposite to the polarity of the charge of the ions is The power supply to be used is switched to the DC power supply 31 side by the switch means 34 so as to be applied to the extrusion electrode 25. Further, when the ions in the ion reservoir 24 are negative ions, the power source to be used is connected to the DC power source 30 side so that a voltage having a polarity opposite to the polarity of the charge of the ions is applied to the ion extrusion electrode 25. Switching is performed by the switch means 34.
[0024]
At this time, since the grid 26 is always at the ground potential, when an acceleration voltage is applied to the ion push-out electrode 25, a strong electric field is generated between the ion push-out electrode 25 and the grid 26.
[0025]
In the mode for observing the mass spectrum, the ion beam (a) derived from the gas accumulated in the ion reservoir 24 by this electric field is accelerated toward the grid 26 side, flies in a pulse shape, and the flight time In the type spectroscopic unit 29, the mass of ions is analyzed (FIG. 4).
[0026]
Further, in the mode of improving or mitigating the charging phenomenon of the ion extrusion electrode 25, the gas-derived ion beam (a) accumulated in the ion reservoir 24 is accelerated toward the ion extrusion electrode 25 by this electric field. Then, it flies in a pulse shape and collides violently with the ion extrusion electrode 25 (FIG. 6).
[0027]
By the way, FIG. 7 shows a graph published in Chapter 6 and FIG. 6.5.3 of Toru Kanmochi, “Vacuum Technology Handbook” (1990, published by Nikkan Kogyo Shimbun). According to this, when the incident ion energy is 2 hundred and several dozen eV or more, the sputtering effect can be seen when the ions collide.
[0028]
Therefore, when the ion pulse of the gas accelerated by energy of about several hundred eV to several thousand eV collides with the surface of the ion extrusion electrode 25, the electrode surface is sputtered and the insulating oxidation formed on the electrode surface is performed. Membranes and dirt on the electrode surface are scraped off.
[0029]
If an insulating oxide film is formed on the surface of the ion extrusion electrode 25 or if dirt is accumulated over time, the electrical resistance of the electrode surface increases and charges derived from ions accumulate. It is known that a charging phenomenon occurs.
[0030]
Since the ion beam (a) is originally in a low energy state of about 20 to 50 eV, if even a slight charging phenomenon occurs in the ion extrusion electrode 25, the ion beam (a) is easily deflected and ion It will not be introduced straight into the reservoir 25. If the ion beam is introduced into the ion reservoir 25 at an angle, the resolution of the time-of-flight mass spectrometer is reduced.
[0031]
Therefore, the charging effect of the ion-extruded electrode 25 is improved by removing the insulating oxide film formed on the electrode surface and the dirt on the member surface by the sputtering effect when the ions derived from the gas collide. In addition, there is an effect of mitigating, and a decrease in resolution of the time-of-flight mass spectrometer can be suppressed.
[0032]
Thus, in addition to the measurement mode, the time-of-flight mass spectrometer is provided with a mode in which a pulse voltage of several hundred volts or more having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied to the ion extrusion electrode 25. When charging occurs in the push-out electrode 25, if the mode is switched to that mode, the time-of-flight mass spectrometer can always be used under comfortable conditions without being disassembled and cleaned.
[0033]
The present invention can be modified. For example, a heating mechanism is further provided in the vicinity of at least one of the ion-extruded electrode 25 and the grid 26, or in the vicinity of both of them, and the sticking effect is used in combination with the sputtering effect to adhere to the electrode surface. You may make it support the operation | work which removes the contaminant which exists. By doing so, the effect of improving or mitigating the charging phenomenon in the ion reservoir is greater than the case of simply using the sputtering effect alone.
[0034]
【The invention's effect】
As a result of the present invention, it is possible to provide a time-of-flight mass spectrometer that can improve or mitigate the charging phenomenon in the ion reservoir.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a conventional time-of-flight mass spectrometer.
FIG. 2 is a diagram showing a conventional time-of-flight mass spectrometer.
FIG. 3 is a diagram showing a conventional applied voltage to an ion extrusion electrode.
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an applied voltage of the present invention to an ion extrusion electrode.
FIG. 7 is a correlation diagram between incident ion energy and the effect it provides.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... External ion source, 2 ... 1st orifice, 3 ... Ring lens, 4 ... 2nd orifice, 5 ... Ion guide, 6 ... Lens group, 7 ... Launcher, 8 ... reflector, 9 ... ion detector, 10 ... differential exhaust wall, 11 ... intermediate chamber, 12 ... third orifice, 13 ... measurement chamber, 14 ... Ion extrusion plate, 15 ... Grid, 16 ... Acceleration lens, 17 ... Ion reservoir, 18 ... Ion beam, 19 ... Ion pulse, 21 ... Ion generation / transport section 22 ... Differential exhaust orifice, 23 ... Incident beam restriction slit, 24 ... Ion reservoir, 25 ... Ion push-out electrode, 26 ... Grid, 27 ... Reflector, 28 ... Detector, 29 ... orthogonal acceleration time-of-flight mass Crystallizer (time-of-flight spectrometer unit), 30 ... DC power supply, 31 ... DC power supply, 32 ... gate means, 33 ... gate means, 34 ... switch means.

Claims

外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間と、
該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートとグリッドにより構成されるイオン溜と、
グリッドを介して取り出されたイオンを質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離されたイオンを検出するイオン検出器と
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記イオン押し出しプレートに、イオン溜に導入されるイオンの極性とは逆の極性を持ったパルス電圧を印加し得るように構成し、該イオンの極性とは逆の極性を持ったパルス電圧を印加した際に、該印加電圧によって加速されたイオンを前記イオン押し出しプレートに衝突させ、イオン押し出し電極表面に形成された絶縁性酸化膜や汚れを該イオンの衝突により除去するようにしたことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。An external ion source;
A space where ions generated by an external ion source stay,
An ion reservoir composed of an ion extrusion plate and a grid that are arranged to face each other across the space in order to accelerate and take out ions from the space in a pulsed manner;
A time-of-flight spectroscopic unit that mass-separates ions extracted through the grid;
In a time-of-flight mass spectrometer equipped with an ion detector for detecting mass-separated ions,
The ion extrusion plate is configured so that a pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of ions introduced into the ion reservoir can be applied , and a pulse voltage having a polarity opposite to the polarity of the ions is applied. In this case, the ions accelerated by the applied voltage are caused to collide with the ion extrusion plate, and the insulating oxide film and dirt formed on the surface of the ion extrusion electrode are removed by the collision of the ions. A time-of-flight mass spectrometer.

前記パルス電圧は、イオンの極性と逆の極性を持つ数百Ｖ以上の直流電圧であることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the pulse voltage is a DC voltage of several hundred volts or more having a polarity opposite to that of ions.

前記イオン押し出しプレートと、前記グリッドのうちの、少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein a heating mechanism is provided in the vicinity of at least one of the ion extrusion plate and the grid.