JP5304749B2 - 真空分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空分析装置に関し、より詳しくはＭＳ／ＭＳ分析法で用いられる衝突誘起解離室に関する。

図１に衝突誘起解離法（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：ＣＩＤ）を用いた一般的なＭＳ／ＭＳ分析法の概略を示す。第１質量分析器（ＭＳ１）２はイオン源１から到来したイオンから前駆イオン（Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｉｏｎ）を選択する。選択された前駆イオンは衝突誘起解離室（ＣＩＤ室）３に運ばれ、ＣＩＤ室３内でＣＩＤガス源４から導入されたＣＩＤガスと衝突して解離し、フラグメントイオンとなる。発生したフラグメントイオンは第２質量分析器（ＭＳ２）５に運ばれ、検出器６で検出される。これにより、構造情報をもったスペクトルを得ることができる（特許文献１）。

図２はＣＩＤ室３内に導入するガスの流量を制御するために用いられる流路構成図である。ＣＩＤ室３は図示しない真空ポンプにより中真空または高真空に維持される。ＣＩＤガス源４の直下には制御バルブ７が設置され、その下流で流路は、ＣＩＤ室３に向かうメイン流路８、大気開放流路９、スプリット流路１０の３つに分かれる。メイン流路８には流量制御用抵抗管１１が、スプリット流路１０にはスプリット用抵抗管１２がそれぞれ配置され、大気開放流路９には大気開放バルブ１３が備えられている。また、メイン流路８の流量制御用抵抗管１１の上流には圧力計１４が設置されている。制御部１５は、圧力計１４で測定されるガス圧が所定の値になるように制御バルブ１３の開度を調整する。ＣＩＤ室３内に流れ込む単位時間当たりのガスの標準状態(２０℃、大気圧)における体積流量は、メイン流路８の流量制御用抵抗管１１上流のガス圧の二乗と比例関係にあるため、制御バルブ１３の開度を調整することによって、ＣＩＤ室３へ流入するガス流量を制御することができる。

ＣＩＤ室３内にはＣＩＤガス源４からメイン流路８を通ってＣＩＤガスが導入されるが、その流量は非常に微量（たとえば標準状態で０．１ｃｃ／ｍｉｎ程度）である。そこで、図２に記載の流路構成図では、スプリット流路１０から常時ＣＩＤガスを放出させ、これにより、メイン流路８内に流れ込むガス量を少なくしている。このような構成により、メイン流路８における単位時間当たりの流量変化率が抑えられ、微量範囲での流量コントロールが行いやすくなる。

メイン流路８及びスプリット流路１０にはそれぞれ抵抗管１１、１２が配置されているため、抵抗管１１、１２の下流側のガス圧は上流側のガス圧より低くなる。それぞれの抵抗管１１、１２の内径、長さを適宜設定することで、ＣＩＤ室３内に所望の流量のガスを導入することができる。ＣＩＤガス源４から排出されるガス圧を大気圧以上（例えば約３００ｋｐａ〜５００ｋｐａ）とした上で、ＣＩＤ室３内へのガス流量を上記のような極微量に制御するためには、抵抗管１１、１２の抵抗を非常に大きく設定する必要がある。

このような流路構成では、ＣＩＤ室３内に流入するガス流量を減少させるために制御バルブ７の開度を絞っても、抵抗管１１、１２の上流のガス圧はなかなか低下しない。そこで制御部１５は、制御バルブ７の開度を絞ると同時に大気開放バルブ１３を開くことにより、抵抗管１１、１２上流の高圧ガスを大気開放流路９を介して大気中に開放する。これによって、抵抗管１１、１２上流のガス圧を瞬時に下げることができ、結果的に、ＣＩＤ室３内に流入するガス流量を短時間で所望の値まで減少させることができる。

特開2009-174994号公報

もっとも、大気開放バルブ１３を開放する前は、大気開放バルブ１３の上流側流路にはＣＩＤガスが、下流側流路には大気ガスが充満している。即ち、大気開放バルブ１３の上流側と下流側とで、ＣＩＤガス及び大気ガスの濃度差が生じている。このような状態で大気開放バルブ１３を開放すると、大気開放流路９末端外部に存在する大気が拡散作用により末端から混入する。これを放置すると、最終的にはＣＩＤ室３内に大気ガスが混入し、衝突誘起解離の効率が低下する恐れがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、上記のような構成をとる真空分析装置において、大気開放流路の末端から反応室内に大気ガスを拡散作用により混入させない真空分析装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために成された本発明の第一の態様に係る真空分析装置は、
a)真空反応室と、
b)前記真空反応室内にガスを供給するガス源と、
c)前記真空反応室に出口端が接続された流量制御用抵抗管と、
d)前記流量制御用抵抗管の上流に配置された圧力検出手段と、
e)前記圧力検出手段と前記ガス源との間に配置され、前記圧力検出手段による検出値が所定値になるように、前記流量制御用抵抗管から流れ出るガス量を調節する流量調節手段と、
f)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐し、スプリット用抵抗管を備えるスプリット流路と、
g)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐して大気中に放出する大気開放路と、
h)前記大気開放路に設けられたバルブと、
を有する真空分析装置において、
前記大気開放路の前記バルブの直下に前記スプリット流路を接続したことを特徴とする。

上記課題を解決するために成された本発明の第二の態様に係る真空分析装置は、
a)真空反応室と、
b)前記真空反応室内にガスを供給するガス源と、
c)前記真空反応室に出口端が接続された流量制御用抵抗管と、
d)前記流量制御用抵抗管の上流に配置された圧力検出手段と、
e)前記圧力検出手段と前記ガス源との間に配置され、前記圧力検出手段による検出値が所定値になるように、前記流量制御用抵抗管から流れ出るガス量を調節する流量調節手段と、
f)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐し、スプリット用抵抗管を備えるスプリット流路と、
g)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐して大気中に放出する大気開放路と、
h)前記大気開放路に設けられたバルブと、
i)前記流量調節手段の上流で、前記ガス源からのガスを分岐するバイパス流路と、
を有する真空分析装置において、
前記大気開放路の前記バルブの直下に前記バイパス流路を接続したことを特徴とする。

上記課題を解決するために成された本発明の第三の態様に係る真空分析装置は、第一、又は第二の態様に係る真空分析装置において、
前記真空反応室は、衝突誘起解離用の衝突室であり、
前記ガスは、衝突誘起解離のために用いられるガスであることを特徴とする。

本発明に係る真空分析装置では、大気開放路に設けられたバルブ（以下、大気開放バルブ）直下にスプリット流路、又はバイパス流路が接続されているため、スプリット流路又はバイパス流路を介してガス源からのガスを大気開放バルブ直下に常に流入させることができる。大気開放バルブ直下に流入したガスは、大気開放路の末端側に向かって流れ続ける。これにより、大気開放路の末端側と大気開放バルブ直下部ではガスの濃度が等しくなる。また、大気開放バルブを開放するとガス源からのガスは大気開放バルブを介して大気開放路に流入する。これにより、大気開放バルブの上流部と下流部においてもガスの濃度が等しくなる。大気開放路の末端側、大気開放バルブ直下部、及び大気開放バルブ上流側でガスの濃度に差がある場合には、拡散により大気開放路外部に存在する大気が末端から混入する。しかし、本発明に係る真空分析装置では、大気開放路内でガスの濃度に差が生じないため、大気ガスが拡散によって大気開放バルブ上流に混入することを防止することができる。

衝突誘起解離法を用いた一般的なＭＳ／ＭＳ法の概略図。 ＣＩＤ室へＣＩＤガスを導入するための従来の流路構成図。 ＣＩＤ室へＣＩＤガスを導入するための本発明に係る流路構成図。 ＣＩＤ室へＣＩＤガスを導入するための本発明の変形例に係る流路構成図。

本発明の実施例について図３を参照して説明する。

本発明に係る真空分析装置の一実施例である、ＭＳ／ＭＳ分析を行う質量分析装置の全体の構成図は図１に示した従来の構成図と同様である。図１の第１及び第２質量分析器２、４としては、四重極型質量分析器やエンドキャップ型、飛行時間型など、さまざまな質量分析器を用いることができる。

図３はＣＩＤ室３へＣＩＤガスを供給するための本実施例に係る流路構成図を示している。本実施例ではＣＩＤガスとして純粋アルゴンガスを使用している。アルゴンガス源４の直下には制御バルブ７が設置され、流路はその下流で、ＣＩＤ室３に向かうメイン流路８、スプリット流路１０１、大気開放流路１０２の３つに分かれる。スプリット流路１０１にはスプリット用抵抗管１０３が、大気開放流路１０２には大気開放バルブ１０４がそれぞれ設置されている。大気開放バルブ１０４の直下でスプリット流路１０１と大気開放流路１０２は再度合流し（合流点１０５）、ガスパージ流路１０６を形成する。ガスパージ流路１０６にも抵抗管（ガスパージ用抵抗管１０７、内径１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍ）が設置されている。ガスパージ用抵抗管１０７の抵抗は流量制御用抵抗管１１（内径４０μｍ、長さ６００ｍｍ）やスプリット用抵抗管１０３（内径４０μｍ、長さ２５ｍｍ）と比べ、かなり小さくなっている。メイン流路８、流量制御用抵抗管１１、圧力計１４、及び制御部１５は図２に記載された従来の流路構成図に記載のものと同一である。

以下、図３に記載の流路構成図において、アルゴンガスをＣＩＤ室３へ０．１５ｃｃ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）で流入させ、次に０．１ｃｃ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に流量を変更する場合の動作について説明する。
まず、図示しない真空ポンプによりＣＩＤ室３内のガスを排出し、ＣＩＤ室３内を高真空に維持する。このとき、制御バルブ７及び大気開放バルブ１０４は閉じられている。

本実施例に係る流路構成でＣＩＤ室３へのガス流量を０．１５ｃｃ／ｍｉｎにするためには、メイン流路８における圧力を２３０ｋＰａに維持する必要があるため、制御部１５は、圧力計１４が２３０ｋＰａを示すように制御バルブ７の開度を調整する。アルゴンガス源４の純粋アルゴンガスはメイン流路８及びスプリット流路１０１に流入する。スプリット流路１０１におけるアルゴンガス流量は６ｃｃ／ｍｉｎになる。メイン流路８及びスプリット流路１０１には、それぞれ流量制御用抵抗管１１、スプリット用抵抗管１０３が配置されており、それぞれの抵抗管を通過したアルゴンガスは抵抗管の存在により、その下流の圧力が低下する。スプリット用抵抗管１０３を通過したアルゴンガスは、大気開放バルブ１０４直下の合流点１０５を経てガスパージ流路１０６に流入する。ガスパージ流路１０６の末端は大気中に開放されているため、ガスパージ流路１０６に流入したアルゴンガスは常時大気中に排出され続けている。

次いでＣＩＤ室３へのアルゴンガス流量を０．１ｃｃ／ｍｉｎに変更する。本実施例に係る流路構成でＣＩＤ室３へのガス流量を０．１ｃｃ／ｍｉｎにするためには、メイン流路８における圧力を１８０ｋＰａに変更する必要がある。制御部１５は、圧力計１４が１８０ｋＰａを示すように制御バルブ７の開度を調整する。このとき、スプリット流路１０１におけるアルゴンガス流量は４．７ｃｃ／ｍｉｎになる。その後、制御部１５が大気開放バルブ１０４を開くと、抵抗管１１、１０３の上流に滞留していた高圧ガスは大気開放バルブ１０４を介してガスパージ流路１０６に流れ、末端から排出される。ガスパージ流路１０６にはガスパージ用抵抗管１０７が配置されているが、その抵抗は流量制御用抵抗管１１やスプリット用抵抗管１０３と比べてかなり小さいからである。これによって、流量制御用抵抗管１１やスプリット用抵抗管１０３上流のガス圧を短時間で下げることができる。

前述のように、本実施例に係る流路構成図では、アルゴンガスがガスパージ流路１０６から大気中に常時排出され続けている。即ち、大気開放バルブ１０４直下の合流点１０５には、絶えずアルゴンガスがスプリット流路１０１から流れ込み、ガスパージ流路１０４末端に向けて流れ続けているため、アルゴンガスの濃度はガスパージ流路１０６内で等しくなる。また、大気開放バルブ１０４を開放直後は抵抗管１１、１０３上流の高圧ガスが大気開放流路１０２を通り、大気開放バルブ１０４を介してガスパージ流路１０６に流入するが、一定時間経過後は、アルゴンガス源４からのガスは、メイン流路８、スプリット流路１０１、大気開放流路１０２に分岐して流れ続ける。従って、大気開放流路１０２内、及びガスパージ流路１０６内でアルゴンガスの濃度が等しくなるため、大気開放バルブ１０４を開放しても大気が拡散作用によりガスパージ流路下流側から大気開放バルブ１０４の上流側に混入することはない。

本実施例の変形例に係る流路構成図を図４に示す。この変形例では、制御バルブ７の上流からバイパス流路２０１が分岐し、大気開放バルブ１０４の直下の合流点１０５で大気開放流路１０２に合流し、ガスパージ流路１０６を形成する。バイパス流路２０１にはバイパス用抵抗管２０２が配置されている。バイパス用抵抗管２０２の抵抗は抵抗管１０７の抵抗より十分に大きければよく、例えば、内径４０μｍ、長さ３００ｍｍのものを用いるとよい。スプリット流路１０１は大気開放流路１０２に合流せず、スプリット用抵抗管１０３を備え、末端は大気中に開放されている。

この変形例に係る流路構成図では、アルゴンガス源４からバイパス経路２０１に分岐したアルゴンガス流が大気開放バルブ１０４の直下の合流点１０５に接続しており、アルゴンガスが常時ガスパージ流路１０６から大気中に放出されている。アルゴンガスの流量を下げるために制御バルブ７の開度を絞り、大気開放バルブ１０４を開いた場合も、アルゴンガスは大気開放流路１０２、ガスパージ流路１０６内を流れ続ける。従って、前記実施例と同様、大気開放バルブ１０４の上流部と下流部でアルゴンガスの濃度差はなく、大気がガスパージ流路１０６の末端から大気開放バルブ１０４の上流側に混入することはない。なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨の範囲内で変更が許容される。

１…イオン源
２…第１質量分析器
３…衝突誘起解離（ＣＩＤ）室
４…ＣＩＤガス源
５…第２質量分析器
６…検出器
７…制御バルブ
８…メイン流路
９、１０２…大気開放流路
１０、１０１…スプリット流路
１１…流量制御用抵抗管
１２、１０３…スプリット用抵抗管
１３、１０４…大気開放バルブ
１４…圧力計
１５…制御部
１０５…合流点
１０６…ガスパージ流路
１０７…ガスパージ用抵抗管
２０１…バイパス流路
２０２…バイパス流路用抵抗管

Claims (3)

1. a)真空反応室と、
   b)前記真空反応室内にガスを供給するガス源と、
   c)前記真空反応室に出口端が接続された流量制御用抵抗管と、
   d)前記流量制御用抵抗管の上流に配置された圧力検出手段と、
   e)前記圧力検出手段と前記ガス源との間に配置され、前記圧力検出手段による検出値が所定値になるように、前記流量制御用抵抗管から流れ出るガス量を調節する流量調節手段と、
   f)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐し、スプリット用抵抗管を備えるスプリット流路と、
   g)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐して大気中に放出する大気開放路と、
   h)前記大気開放路に設けられたバルブと、
   を有する真空分析装置において、
   前記大気開放路の前記バルブの直下に前記スプリット流路を接続したことを特徴とする真空分析装置。
2. a)真空反応室と、
   b)前記真空反応室内にガスを供給するガス源と、
   c)前記真空反応室に出口端が接続された流量制御用抵抗管と、
   d)前記流量制御用抵抗管の上流に配置された圧力検出手段と、
   e)前記圧力検出手段と前記ガス源との間に配置され、前記圧力検出手段による検出値が所定値になるように、前記流量制御用抵抗管から流れ出るガス量を調節する流量調節手段と、
   f)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐し、スプリット用抵抗管を備えるスプリット流路と、
   g)前記流量調節手段と前記圧力検出手段との間で、その上流から流れてくるガスを分岐して大気中に放出する大気開放路と、
   h)前記大気開放路に設けられたバルブと、
   i)前記流量調節手段の上流で、前記ガス源からのガスを分岐するバイパス流路と、
   を有する真空分析装置において、
   前記大気開放路の前記バルブの直下に前記バイパス流路を接続したことを特徴とする真空分析装置。
3. 請求項１、又は２に記載の真空分析装置において、
   前記真空反応室は、衝突誘起解離用の衝突室であり、
   前記ガスは、衝突誘起解離のために用いられるガスであることを特徴とする真空分析装置。

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