イオンガイド及びイオンガイド組立体
【課題】 イオン発生源のメンテナンス時等におけるチャンバ内の真空度の低下を防止しながらもイオンガイドによるイオン輸送効率の高いイオンガイドを提供する。
【解決手段】 互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッド１５〜１８を具備するイオンガイド１２であって、イオンガイドに入射されたイオンが、電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線１４上付近をイオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される。
【解決手段】 互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッド１５〜１８を具備するイオンガイド１２であって、イオンガイドに入射されたイオンが、電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線１４上付近をイオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンガイド及びイオンガイド組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラスタ等の質量分析を行う質量分析装置等では、大気圧領域においてイオン発生源によってイオンを発生させ、発生したイオンを高真空領域にある質量分析計等に導入することで質量分析等を行っている。すなわち、イオン発生源におけるイオンの発生は大気圧領域で行う必要があり、質量分析等の各種分析は高真空領域で行う必要がある。このため、イオン発生源によって発生せしめられたイオンを大気圧領域から高真空領域へ輸送する必要がある。
【０００３】
イオンを大気圧領域から高真空領域へ輸送するためには、例えばイオンガイドが用いられる。イオンガイドは互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドから構成される。このように配置された電極ロッド間には直流電源電圧及び高周波電源電圧が重畳的に印加され、これによりイオン発生源から入射したイオンは複雑に振動しながらこれら電極ロッド間を飛行する。特に、質量電荷比に応じて各組の電極ロッドの中央に位置する軸線（以下、「イオン輸送軸線」と称す）付近をイオンが安定な振動をしながら飛行し、よって所定範囲の質量電荷比のイオンがイオン輸送軸線に沿って案内される。
【０００４】
また、イオンガイドは複数のチャンバ毎に設けられる。これらチャンバ間では、チャンバの真空度がイオンの飛行方向に向かって段階的に高くなるように差動排気が行われる。従って、イオン発生源からイオンガイドに入射したイオンは、イオン輸送軸線に沿って飛行するにつれてより真空度の高いチャンバ内へと導入され、結果として大気圧領域で発生せしめられたイオンは高真空領域へと導入されることになる。
【０００５】
このように、イオンを大気圧領域から高真空領域へと輸送するために用いられるイオンガイドが特許文献１に開示されている。このイオンガイドでは、電極ロッドを折り曲げることによりイオン輸送軸線を屈曲させると共に、各電極ロッドの折り曲がり部が切込み部分で折り曲げられている。これにより、イオン輸送軸線が屈曲したイオンガイドであって電極ロッド間のギャップが高い精度で維持されたイオンガイドが提供される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２６８７７０号公報
【特許文献２】特開平８−２２２１８２号公報
【特許文献３】特開平６−６０８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、質量分析等の対象となる物質を変更したり、イオン発生源等のメンテナンスをしたりする場合には、イオンガイドを収容したチャンバからイオン発生源等を取外したり、隣合うチャンバを切り離したりする必要がある。このとき、既に高い真空度にまで真空排気されているチャンバ内の真空度の低下を防止するためには、イオン発生源等に通じるチャンバの開口又は隣合うチャンバ間の開口を閉じる必要があり、このためには斯かる開口近傍にゲートバルブ等を設ける必要がある。
【０００８】
このように、上記開口近傍にゲートバルブを設けた場合、ゲートバルブの閉弁時にゲートバルブのゲートとイオンガイドとが接触・干渉しないようにイオンガイドを配置する必要がある。ところが、ゲートバルブのゲートは一般に比較的厚いため、このようにイオンガイドを配置すると、イオンガイドの端部とチャンバの開口との間の距離が比較的長いものとなってしまい、よってイオン発生源とイオンガイドとの間の間隙又は隣合うチャンバ内のイオンガイド間の間隙が比較的長いものとなってしまう。斯かる間隙においてはイオンがイオンガイドによってイオン輸送軸線方向に案内されないため、一部のイオンは斯かる間隙を通過する間にイオン輸送軸線から離れていってしまい、その結果、イオンガイド等によるイオンの輸送効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、イオン発生源のメンテナンス時等におけるイオンガイドを収容するチャンバ内の真空度の低下を防止しながらも、イオンガイドによるイオン輸送効率の高いイオンガイドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、第１の発明では、互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドを具備するイオンガイドであって、当該イオンガイドに入射されたイオンが、上記電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線上付近を該イオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される。
第一の発明によれば、ゲートバルブの開弁時にはイオンガイドを伸張させてゲートバルブの開口部内にイオンガイドを侵入させ、ゲートバルブの閉弁時にはイオンガイドを収縮させてイオンガイドがゲートバルブのゲートと接触しないようにすることができる。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは複数段の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。
【００１２】
第３の発明では、第１の発明のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは３段以上の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持され、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。
【００１３】
第４の発明では、第２又は第３の発明において、異なる段の中空ロッドを保持するロッドホルダのうち一つのロッドホルダを他のロッドホルダに対して相対的に移動させて、上記イオンガイドを伸縮させるホルダ相対移動装置をさらに具備する。
【００１４】
第５の発明では、第２〜第４のうちのいずれか一つの発明において、上記イオンガイドを収容し且つ該イオンガイドによって案内されるイオンが通過する開口を有するチャンバと、該チャンバの開口を開閉するためのゲートバルブとを具備し、該ゲートバルブが開弁されているときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部を横断して延びると共に、ゲートバルブが閉弁されるときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部から抜け出るように縮められる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ゲートバルブを閉弁させることによりイオン発生源のメンテナンス時等におけるチャンバ内の真空度の低下が防止される。また、ゲートバルブの開弁時にはイオンガイドを伸張させてゲートバルブの開口部内にイオンガイドが侵入せしめられるため、イオン発生源とイオンガイドとの間の間隙又は隣合うチャンバ内のイオンガイド間の間隙が比較的短いものとされる。したがって、イオン発生源のメンテナンス時等におけるチャンバ内の真空度の低下を防止しながらも、イオンガイドによるイオン輸送効率の高いイオンガイドが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明のイオンガイド及びイオンガイド組立体について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明のイオンガイドが用いられた質量分析装置１を示す図である。質量分析装置１は、試料をイオン化するイオン生成装置２と、イオン生成装置２によって生成されたイオンを輸送するイオン輸送装置３と、イオン輸送装置３によって輸送されたイオンの質量分析を行う質量分析計４とを有する。イオン生成装置２は、試料に高エネルギのイオンビームを照射することで試料分子から正に帯電したイオンを生成するスパッタ法を利用したものであってもよいし、或いは試薬ガスの二次イオンと試料分子を反応させることで正に帯電したイオンを生成する化学イオン化法を利用したものであってもよい。いずれの方法を利用したものであっても、イオン生成装置２における試料のイオン化は大気圧又は真空度の低い雰囲気中で行われる。質量分析計４は、例えば磁場分析計と静電場分析計とを用いた二重収束質量分析計であり、正確な質量分析のためには高い真空度に維持されることが必要である。
【００１８】
イオン輸送装置３は、イオン生成装置２と質量分析計４との間に三つのチャンバ５、６、７から構成され、これらチャンバはイオン生成装置２から質量分析計４に向かって低真空チャンバ５、中真空チャンバ６、高真空チャンバ７の順に直列的に配置されている。低真空チャンバ５はターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）８によって低い真空度（以下、「低真空」と称す）に、例えば１０-3Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。中真空チャンバ６はＴＭＰ９によって中程度の真空度（以下、「中真空」と称す）に、例えば１０-5Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。高真空チャンバ７はＴＭＰ１０によって高い真空度（以下、「高真空」と称す）に、例えば１０-7Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。従って、これら真空チャンバの真空度は低真空チャンバ５、中真空チャンバ６、高真空チャンバ７の順に高くなる。
【００１９】
各真空チャンバ５、６、７内にはイオンガイド１１、１２、１３が設けられる。これらイオンガイド１１、１２、１３は、これらイオンガイド１１、１２、１３の長手方向に延びる軸線（以下、「イオン輸送軸線」と称す）１４がイオン生成装置２のイオン放出開口２ａから質量分析計４のイオン入射開口４ａまでを結ぶ直線と同軸となるように、すなわちイオン生成装置２と質量分析計４との間でほぼ一直線に並ぶように配置される。これらイオンガイド１１、１２、１３は互いに同様な形態となっているため、以下では中真空チャンバ６内のイオンガイド１２について説明する。
【００２０】
図２は本発明のイオンガイド１２の斜視図であり、図３は図２の断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから長手方向に見たイオンガイド１２の断面側面図である。図２及び図３に示したように、イオンガイド１２は、本実施形態では、イオン輸送軸線１４と平行に且つ互いに平行に配置された二組の対向する電極ロッド１５、１６、１７、１８を具備する。第一組の電極ロッドは２本の電極ロッド１５、１６から構成され、第二組の電極ロッドも同様に２本の電極ロッド１７、１８から構成される。
【００２１】
各組の２本の電極ロッドは、その中心にイオン輸送軸線１４が位置するように配置される。すなわち、第一組の２本の電極ロッド１５、１６の中心にイオン輸送軸線１４が位置し、よって第一組を構成する２本の電極ロッド１５、１６はイオン輸送軸線１４に対して対称に配置される。同様に第二組の２本の電極ロッド１７、１８の中心にイオン輸送軸線１４が位置し、よって第二組を構成する２本の電極ロッド１７、１８はイオン輸送軸線１４に対して対称に配置される。また、本実施形態では、第一組を構成する各電極ロッド１５、１６からイオン輸送軸線１４までの距離は第二組を構成する各電極ロッド１７、１８からイオン輸送軸線１４までの距離に等しく、また、各電極ロッド１５、１６、１７、１８はその断面がほぼ真円となるように形成されている。
【００２２】
イオンガイド１２の電極ロッド１５、１６、１７、１８はこれら電極ロッド間の相対位置関係が維持されるように、少なくとも二つのロッドホルダ２０によって保持される。ロッドホルダ２０は、絶縁性材料、例えばセラミックスから形成され、その形状は図２及び図３に示したようにほぼ四角形断面の開口２１を有するほぼ四角柱状となっている。各電極ロッド１５、１６、１７、１８は四角形の開口２１の内側であって各角部付近に絶縁性ボルト（図示せず）等により固定される。
【００２３】
また、第一組の電極ロッド１５、１６には正の直流電源電圧Ｖdcと高周波電源電圧Ｖacとが重畳されて印加される。また、第二組の電極ロッド１７、１８には、負の直流電圧電源Ｖdcと高周波電源電圧Ｖacとが重畳されて印加される。すなわち、高周波の角周波数をω、時間をｔとすると、第一組の電極ロッド１５、１６には、（Ｖdc＋Ｖacｃｏｓωｔ）の電圧が印加され、第二組の電極ロッド１７、１８には、−（Ｖdc＋Ｖacｃｏｓωｔ）の電圧が印加される。
【００２４】
このように各組の電極ロッド１５、１６、１７、１８に電圧を印加することによりこれら電極ロッド間の空間には電場が形成される。従って、イオン輸送軸線１４に沿ってイオンガイド１２に侵入したイオンは、イオン輸送軸線１４に沿って進む間に電極ロッド間に形成された電場によってイオン輸送軸線１４に対して垂直方向の力を受ける。そして、直流電源電圧Ｖdc、高周波電源電圧Ｖac、角周波数ω等の設定を適切に行えば、特定範囲の質量電荷比（ｍ／ｅ）を有するイオンがイオン輸送軸線１４付近から離れないようにイオンに力を加えることができる。すなわち、イオンガイド１２によれば、直流電源電圧Ｖdc、高周波電源電圧Ｖac、角周波数ω等の設定に応じて、特定範囲の質量電荷比を有するイオンをイオン輸送軸線１４に沿って案内することができる。
【００２５】
なお、上記説明では中真空チャンバ６内のイオンガイド１２を例にとって説明したが、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１及び高真空チャンバ７内のイオンガイド１３も同様に構成され且つ同様に電圧印加等が行われる。従って、低真空チャンバ５及び高真空チャンバ７内のイオンガイド１１、１３も中真空チャンバ６内のイオンガイド１２と同様に特定範囲の質量電荷比を有するイオンをイオン輸送軸線１４に沿って案内することができる。
【００２６】
低真空チャンバ５と中真空チャンバ６との間の壁、中真空チャンバ６と高真空チャンバ７との間の壁にはイオン通過用開口２２、２３が設けられる。これらイオン通過用開口２２、２３及びイオン放出開口２ａ、イオン入射開口４ａは直径の小さい開口であり、イオン輸送軸線１４に整列して、すなわちイオン輸送軸線１４上に設けられる。従って、イオン生成装置２のイオン放出開口２ａから質量分析計４のイオン入射開口４ａまでを結ぶ直線はチャンバ５、６、７を画成する壁によって遮断されずに延びるようになっている。
【００２７】
このように構成された質量分析装置１のイオン輸送装置３では、イオン生成装置２のイオン放出開口２ａから低真空チャンバ５に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１１によってイオン輸送軸線１４に沿って低真空チャンバ５内を輸送せしめられて、低真空チャンバ５と中真空チャンバ６との間のイオン通過用開口２２を介して中真空チャンバ６に入射せしめられる。中真空チャンバ６に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１２によってイオン輸送軸線１４に沿って中真空チャンバ６内を輸送せしめられて、中真空チャンバ６と高真空チャンバ７との間のイオン通過用開口２３を介して高真空チャンバ７に入射せしめられる。高真空チャンバ７に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１３によってイオン輸送軸線１４に沿って高真空チャンバ７内を輸送せしめられてイオン入射開口４ａを介して質量分析計４に入射せしめられる。本実施形態のイオン輸送装置３によれば、大気圧で作動する（すなわち、低真空領域で作動する）イオン生成装置２から高真空領域で作動する質量分析計４へとイオンが輸送せしめられる。
【００２８】
ところで、イオン生成装置及びイオン輸送装置の低真空チャンバ等は、一般に質量分析対象となる試料の交換等、定期的なメンテナンスが必要となる。斯かるメンテナンスを行う際には少なくともイオン生成装置及びイオン輸送装置の低真空チャンバ内の圧力を大気圧まで戻す必要がある。この場合、低真空チャンバと中真空チャンバとの間のイオン通過用開口又は中真空チャンバと高真空チャンバとの間のイオン通過用開口を開閉するためのゲートバルブ等がイオン通過用開口付近に設けられていないと、低真空チャンバを大気圧まで戻したときに中真空チャンバ及び高真空チャンバも大気圧まで戻してしまうことになる。
【００２９】
ここで、低真空チャンバは高い真空度になるまで真空排気が行われるわけではないため、低真空チャンバが大気圧になっても比較的短時間で目標の真空度にまで真空排気することができる。ところが、高真空チャンバは非常に高い真空度になるまで真空排気が行われるため、高真空チャンバが大気圧になると目標の真空度にまで真空排気するのにかなり長い時間（例えば数日程度）が必要となる。従って、上述したような定期的なメンテナンスを行う際には中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧まで戻すべきではない。
【００３０】
一方、例えば、低真空チャンバと中真空チャンバとの間のイオン通過用開口を開閉するためのゲートバルブ等をイオン通過用開口付近に設けようとするとイオンガイドによるイオンの輸送効率が低下してしまう。この理由について、図４を参照して、ゲートバルブをイオン通過用開口の中真空チャンバ側に配置した場合を例にとって説明する。なお、図４では、本願発明の構成要素と同様な構成要素については同じ参照番号を付している。
【００３１】
イオン通過用開口２２を開閉するためのゲートバルブ３０（図４（ｂ）参照）等を設けていない場合、図４（ａ）に示したように、隣合うチャンバ５、６内のイオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ1はこれらチャンバ５、６間に配置される壁の厚さＷとほぼ同一か僅かに長い程度である。一方、イオン通過用開口２２を開閉するためのゲートバルブ３０等を設けている場合、図４（ｂ）に示したように、イオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ2はこれらチャンバ５、６間に配置される壁の厚さＷよりもかなり長い。これは、ゲートバルブ３０を閉弁したとき（図４（ｂ）中の破線）に、ゲートバルブ３０とイオンガイド１２の電極ロッド１５〜１８とが接触・干渉しないように、イオンガイド１２の端部とチャンバ５、６間に配置される壁との間にゲートバルブ３０のゲート３１に対応する厚さの空間を設けなければならないことによるものである。すなわち、イオンガイド１２の各電極ロッド１５〜１８がゲートバルブ３０の開口部を横断しないようにイオンガイド１２を配置しなければならないためである。
【００３２】
このように、イオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ2が長いと、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１によって輸送されてきたイオンは、イオンガイド１１とイオンガイド１２との間の間隙を通過する際にこれらイオンガイド１１、１２から力を受けず、よってこれらイオンの一部がイオン輸送軸線１４から離れてしまい、よってイオンガイド１１、１２によるイオンの輸送効率が低下してしまう。
【００３３】
これに対して、本発明のイオンガイドによれば、低真空チャンバの定期的なメンテナンス毎に中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧から真空排気する必要性が無くなり、且つイオンの輸送効率の低下が防止せしめられる。以下、本発明のイオンガイドの構成について、中真空チャンバ６のイオンガイド１２を例として説明する。
【００３４】
イオンガイド１２を構成する電極ロッド１５〜１８は、図２に示したように、それぞれ複数の中空ロッドから形成される。例えば、電極ロッド１５は、外径の短い一段目の中空ロッド１５ａと、一段目の中空ロッド１５ａよりも外径が長い二段目の中空ロッド１５ｂとを有する。一段目の中空ロッド１５ａの外径は二段目の中空ロッド１５ｂの内径とほぼ同一であり、一段目の中空ロッド１５ａは二段目の中空ロッド１５ｂ内に同軸に収容される。すなわち、一段目の中空ロッド１５ａが内側に、二段目の中空ロッド１５ｂが外側に配置される。一段目の中空ロッド１５ａは、二段目の中空ロッド１５ｂ内で軸線方向に入れ子式に摺動可能である。このため、一段目の中空ロッド１５ａを二段目の中空ロッド１５ｂ内で入れ子式に摺動させることにより、電極ロッド１５を伸縮させることができる。全ての電極ロッド１５〜１８はこのように形成されており、従って全ての電極ロッド１５〜１８は伸縮可能に形成されている。
【００３５】
図５は、イオンガイド１２を収容した中真空チャンバ６を概略的に示した断面側面図である。図示したように、各段の中空ロッドは各段毎に少なくとも一つのロッドホルダ２０によって保持されている。本実施形態では、各電極ロッド１５〜１８は二段の中空ロッドから形成されているため、少なくとも二つのロッドホルダ２０ａ、２０ｂによって保持される。すなわち、図５に示したように、全ての電極ロッド１５〜１８の一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａは第一ロッドホルダ２０ａによって保持され、電極ロッド１５〜１８の二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂは第二ロッドホルダ２０ｂによって保持される。
【００３６】
上述したように、各電極ロッド１５〜１８は絶縁性ボルト等によりロッドホルダ２０ａ、２０ｂに固定される。すなわち、一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａは第一ロッドホルダ２０ａに固定され、二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂは第二ロッドホルダ２０ｂに固定される。これにより、一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａ同士及び二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂ同士は相対移動することができない。
【００３７】
一方、ロッドホルダ２０同士は相対移動することができる。本実施形態では、図５に示したように、第一ロッドホルダ２０ａは中真空チャンバ６に対してラック＆ピニオン機構２６を介して中真空チャンバ６を画成する壁に連結され、第二ロッドホルダ２０ｂは固定用部材２７を介して中真空チャンバ６を画成する壁に固定される。ラック＆ピニオン機構２６のラック２８は第一ロッドホルダ２０ａに固定され、ピニオン２９ａは中真空チャンバ６を画成する壁に固定された高真空回転導入機２９ｂによって回転せしめられる。高真空回転導入機２９ｂは中真空チャンバ６の外部から手動で又は自動で中真空チャンバ６内に回転運動を導入することができる。ラック＆ピニオン機構２６は、第一ロッドホルダ２０ａを電極ロッド１５〜１８の軸線方向へ、すなわちイオン輸送軸線１４方向へ移動させるように作動する。従って、ラック＆ピニオン機構２６を作動させることにより、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとは互いに対して近づくように又は遠ざかるように移動せしめられる。
【００３８】
上述したように一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが第一ロッドホルダ２０ａに、二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂが第二ロッドホルダ２０ｂに固定されていることから、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとが互いに近づくように移動せしめられると一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂに入り込んでいき、よって全ての電極ロッド１５〜１８が縮められてイオンガイド１２は収縮状態となる。逆に、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとが互いから離れるように移動せしめられると一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂから引き抜かれていき、よって全ての電極ロッド１５〜１８が伸ばされてイオンガイド１２は伸張状態となる。
【００３９】
図６は、イオンガイド１２の伸縮とゲートバルブ３０の開閉の関係を示す図である。図６（ａ）に示した状態では、ゲートバルブ３０は開いていると共にイオンガイド１２は伸張状態にある。このため、中真空チャンバ６内のイオンガイド１２の低真空チャンバ５側の端部は、中真空チャンバ６と低真空チャンバ５との間の壁に近接しており、よって低真空チャンバ５内のイオンガイド１１の端部と中真空チャンバ６内のイオンガイド１２の端部との間の間隙は非常に短い。従って、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１によって輸送されてきたイオンは、イオンガイド１１とイオンガイド１２との間でほとんどイオン輸送軸線１４から離れることなくイオンガイド１２内へと輸送される。従って、高い効率でイオンの輸送を行うことができる。
【００４０】
ただし、このときイオンガイド１２の低真空チャンバ５側の端部はゲートバルブ３０の開口部３１内に侵入している。従って、イオンガイド１２が伸張状態にあるときにゲートバルブ３０を閉弁してしまうとイオンガイド１２とゲートバルブ３０のゲート３２とが接触してしまい、イオンガイド１２及びゲートバルブ３０が破損してしまう。
【００４１】
そこで、図６（ｂ）に示したように、ゲートバルブ３０を閉じるべきときにはイオンガイド１２が収縮状態にせしめられる。すなわち、イオンガイド１２を収縮状態とすることで、ゲートバルブ３０の開口部３１からイオンガイド１２が抜け出される。これにより、ゲートバルブ３０のゲート３２が閉弁せしめられても、ゲートバルブ３０のゲート３２とイオンガイド１２とは接触せず、よってイオンガイド１２及びゲートバルブ３０が破損してしまうことはない。
【００４２】
また、ゲートバルブ３０のゲート３２を閉弁すれば、定期的なメンテナンス等により低真空チャンバ５内の圧力が大気圧に戻されても、中真空チャンバ６及び高真空チャンバ７内の真空度はそのまま維持される。これにより、メンテナンス後に真空排気が必要なチャンバは低真空チャンバのみとなり、よってメンテナンスが終了してから比較的早期に質量分析装置１による質量分析を再開することができる。
【００４３】
このように、本発明のイオンガイドを用いることにより、低真空チャンバの定期的なメンテナンス毎に中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧から真空排気する必要性が無くなり、且つイオンの輸送効率の低下が防止せしめられる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、各電極ロッド１５〜１８は二段の中空ロッドから形成されているが、二段の中空ロッドに限られず、三段又は四段等、他の複数段の中空ロッドから形成されてもよい。この場合、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。すなわち、ロッドホルダは全ての段について少なくとも一つずつ各段の中空ロッドホルダを保持するように配置される。そして、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッドを保持するホルダ又は各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッドを保持するロッドホルダがチャンバを画成する壁に固定され、それ以外のホルダは壁に固定されたロッドホルダに対して相対的に移動することができる。
【００４５】
或いは、各電極ロッドが三段又は四段等の中空ロッドから形成された場合、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士をこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持し、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士をこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持し、それ以外の段の中空ロッド、すなわち中間に位置する中空ロッドをロッドホルダによって保持しないようにしてもよい。この場合、上記実施形態と同様に、最も外側の段の中空ロッド同士を保持するロッドホルダ及び最も内側の段の中空ロッド同士を保持するロッドホルダのうちいずれか一方を、チャンバを画成する壁に固定すると共に、他方を壁に固定されたロッドホルダに対して相対的に移動することができるようにされる。
【００４６】
また、上記実施形態では、中真空チャンバ６内のイオンガイド１２を伸縮可能な構成としているが、イオンガイド１２の代わりに低真空チャンバ５内のイオンガイド１１又は高真空チャンバ７内のイオンガイド１３を伸縮可能な構成としてもよい。或いは、全ての真空チャンバ内のイオンガイドを伸縮可能な構成としてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、ラック＆ピニオン機構２６を利用して第一ロッドホルダ２０ａを移動させることができるようにしているが、他の機構を利用して第一ロッドホルダ２０ａを移動させることができるようにしてもよい。例えば、中真空チャンバ６を画成する壁に、中真空チャンバ６の外部から手動で又は自動で中真空チャンバ６内に直線運動を導入することができる高真空直線導入機を固定すると共に高真空直線導入機に第一ロッドホルダ２０ａを連結し、この高真空直線導入機によって直接的に第一ロッドホルダ２０ａをイオン輸送軸線１４方向へ移動させるようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、質量分析装置１においてイオンを輸送するためにイオンガイドを用いた例を示しているが、本発明のイオンガイドが用いられる装置は質量分析装置に限られない。或いは、本発明のイオンガイドを四重極型質量分析計の四重極として用いてもよい。
【００４９】
さらに、上記実施形態ではイオンガイドは４本の電極ロッドから形成されているが、イオンガイドを形成する電極ロッドの数は４本に限られず、６本、８本、１０本等、他の数の電極ロッドからイオンガイドが形成されてもよい。また、電極ロッドは、円筒状ロッドに限られず、電場を形成できる中空の双曲電極、角棒電極等、他の形状の電極であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のイオンガイドが用いられた質量分析装置を示す図である。
【図２】本発明のイオンガイドの斜視図である。
【図３】図２の断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから長手方向に見たイオンガイドの断面側面図である。
【図４】ゲートバルブをイオン通過用開口付近に設けるとイオンガイドによるイオンの輸送効率が低下してしまう理由を説明するための図である。
【図５】本発明のイオンガイドを収容した中真空チャンバを概略的に示した断面側面図である。
【図６】イオンガイドの伸縮とゲートバルブの開閉の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 質量分析装置
２ イオン生成装置
３ イオン輸送装置
４ 質量分析計
５ 低真空チャンバ
６ 中真空チャンバ
７ 高真空チャンバ
８〜１０ ターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）
１１〜１３ イオンガイド
１５〜１８ 電極ロッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンガイド及びイオンガイド組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラスタ等の質量分析を行う質量分析装置等では、大気圧領域においてイオン発生源によってイオンを発生させ、発生したイオンを高真空領域にある質量分析計等に導入することで質量分析等を行っている。すなわち、イオン発生源におけるイオンの発生は大気圧領域で行う必要があり、質量分析等の各種分析は高真空領域で行う必要がある。このため、イオン発生源によって発生せしめられたイオンを大気圧領域から高真空領域へ輸送する必要がある。
【０００３】
イオンを大気圧領域から高真空領域へ輸送するためには、例えばイオンガイドが用いられる。イオンガイドは互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドから構成される。このように配置された電極ロッド間には直流電源電圧及び高周波電源電圧が重畳的に印加され、これによりイオン発生源から入射したイオンは複雑に振動しながらこれら電極ロッド間を飛行する。特に、質量電荷比に応じて各組の電極ロッドの中央に位置する軸線（以下、「イオン輸送軸線」と称す）付近をイオンが安定な振動をしながら飛行し、よって所定範囲の質量電荷比のイオンがイオン輸送軸線に沿って案内される。
【０００４】
また、イオンガイドは複数のチャンバ毎に設けられる。これらチャンバ間では、チャンバの真空度がイオンの飛行方向に向かって段階的に高くなるように差動排気が行われる。従って、イオン発生源からイオンガイドに入射したイオンは、イオン輸送軸線に沿って飛行するにつれてより真空度の高いチャンバ内へと導入され、結果として大気圧領域で発生せしめられたイオンは高真空領域へと導入されることになる。
【０００５】
このように、イオンを大気圧領域から高真空領域へと輸送するために用いられるイオンガイドが特許文献１に開示されている。このイオンガイドでは、電極ロッドを折り曲げることによりイオン輸送軸線を屈曲させると共に、各電極ロッドの折り曲がり部が切込み部分で折り曲げられている。これにより、イオン輸送軸線が屈曲したイオンガイドであって電極ロッド間のギャップが高い精度で維持されたイオンガイドが提供される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２６８７７０号公報
【特許文献２】特開平８−２２２１８２号公報
【特許文献３】特開平６−６０８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、質量分析等の対象となる物質を変更したり、イオン発生源等のメンテナンスをしたりする場合には、イオンガイドを収容したチャンバからイオン発生源等を取外したり、隣合うチャンバを切り離したりする必要がある。このとき、既に高い真空度にまで真空排気されているチャンバ内の真空度の低下を防止するためには、イオン発生源等に通じるチャンバの開口又は隣合うチャンバ間の開口を閉じる必要があり、このためには斯かる開口近傍にゲートバルブ等を設ける必要がある。
【０００８】
このように、上記開口近傍にゲートバルブを設けた場合、ゲートバルブの閉弁時にゲートバルブのゲートとイオンガイドとが接触・干渉しないようにイオンガイドを配置する必要がある。ところが、ゲートバルブのゲートは一般に比較的厚いため、このようにイオンガイドを配置すると、イオンガイドの端部とチャンバの開口との間の距離が比較的長いものとなってしまい、よってイオン発生源とイオンガイドとの間の間隙又は隣合うチャンバ内のイオンガイド間の間隙が比較的長いものとなってしまう。斯かる間隙においてはイオンがイオンガイドによってイオン輸送軸線方向に案内されないため、一部のイオンは斯かる間隙を通過する間にイオン輸送軸線から離れていってしまい、その結果、イオンガイド等によるイオンの輸送効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、イオン発生源のメンテナンス時等におけるイオンガイドを収容するチャンバ内の真空度の低下を防止しながらも、イオンガイドによるイオン輸送効率の高いイオンガイドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、第１の発明では、互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドを具備するイオンガイドであって、当該イオンガイドに入射されたイオンが、上記電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線上付近を該イオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される。
第一の発明によれば、ゲートバルブの開弁時にはイオンガイドを伸張させてゲートバルブの開口部内にイオンガイドを侵入させ、ゲートバルブの閉弁時にはイオンガイドを収縮させてイオンガイドがゲートバルブのゲートと接触しないようにすることができる。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは複数段の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。
【００１２】
第３の発明では、第１の発明のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは３段以上の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持され、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。
【００１３】
第４の発明では、第２又は第３の発明において、異なる段の中空ロッドを保持するロッドホルダのうち一つのロッドホルダを他のロッドホルダに対して相対的に移動させて、上記イオンガイドを伸縮させるホルダ相対移動装置をさらに具備する。
【００１４】
第５の発明では、第２〜第４のうちのいずれか一つの発明において、上記イオンガイドを収容し且つ該イオンガイドによって案内されるイオンが通過する開口を有するチャンバと、該チャンバの開口を開閉するためのゲートバルブとを具備し、該ゲートバルブが開弁されているときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部を横断して延びると共に、ゲートバルブが閉弁されるときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部から抜け出るように縮められる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ゲートバルブを閉弁させることによりイオン発生源のメンテナンス時等におけるチャンバ内の真空度の低下が防止される。また、ゲートバルブの開弁時にはイオンガイドを伸張させてゲートバルブの開口部内にイオンガイドが侵入せしめられるため、イオン発生源とイオンガイドとの間の間隙又は隣合うチャンバ内のイオンガイド間の間隙が比較的短いものとされる。したがって、イオン発生源のメンテナンス時等におけるチャンバ内の真空度の低下を防止しながらも、イオンガイドによるイオン輸送効率の高いイオンガイドが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明のイオンガイド及びイオンガイド組立体について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明のイオンガイドが用いられた質量分析装置１を示す図である。質量分析装置１は、試料をイオン化するイオン生成装置２と、イオン生成装置２によって生成されたイオンを輸送するイオン輸送装置３と、イオン輸送装置３によって輸送されたイオンの質量分析を行う質量分析計４とを有する。イオン生成装置２は、試料に高エネルギのイオンビームを照射することで試料分子から正に帯電したイオンを生成するスパッタ法を利用したものであってもよいし、或いは試薬ガスの二次イオンと試料分子を反応させることで正に帯電したイオンを生成する化学イオン化法を利用したものであってもよい。いずれの方法を利用したものであっても、イオン生成装置２における試料のイオン化は大気圧又は真空度の低い雰囲気中で行われる。質量分析計４は、例えば磁場分析計と静電場分析計とを用いた二重収束質量分析計であり、正確な質量分析のためには高い真空度に維持されることが必要である。
【００１８】
イオン輸送装置３は、イオン生成装置２と質量分析計４との間に三つのチャンバ５、６、７から構成され、これらチャンバはイオン生成装置２から質量分析計４に向かって低真空チャンバ５、中真空チャンバ６、高真空チャンバ７の順に直列的に配置されている。低真空チャンバ５はターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）８によって低い真空度（以下、「低真空」と称す）に、例えば１０-3Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。中真空チャンバ６はＴＭＰ９によって中程度の真空度（以下、「中真空」と称す）に、例えば１０-5Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。高真空チャンバ７はＴＭＰ１０によって高い真空度（以下、「高真空」と称す）に、例えば１０-7Ｔｏｒｒ程度に真空排気される。従って、これら真空チャンバの真空度は低真空チャンバ５、中真空チャンバ６、高真空チャンバ７の順に高くなる。
【００１９】
各真空チャンバ５、６、７内にはイオンガイド１１、１２、１３が設けられる。これらイオンガイド１１、１２、１３は、これらイオンガイド１１、１２、１３の長手方向に延びる軸線（以下、「イオン輸送軸線」と称す）１４がイオン生成装置２のイオン放出開口２ａから質量分析計４のイオン入射開口４ａまでを結ぶ直線と同軸となるように、すなわちイオン生成装置２と質量分析計４との間でほぼ一直線に並ぶように配置される。これらイオンガイド１１、１２、１３は互いに同様な形態となっているため、以下では中真空チャンバ６内のイオンガイド１２について説明する。
【００２０】
図２は本発明のイオンガイド１２の斜視図であり、図３は図２の断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから長手方向に見たイオンガイド１２の断面側面図である。図２及び図３に示したように、イオンガイド１２は、本実施形態では、イオン輸送軸線１４と平行に且つ互いに平行に配置された二組の対向する電極ロッド１５、１６、１７、１８を具備する。第一組の電極ロッドは２本の電極ロッド１５、１６から構成され、第二組の電極ロッドも同様に２本の電極ロッド１７、１８から構成される。
【００２１】
各組の２本の電極ロッドは、その中心にイオン輸送軸線１４が位置するように配置される。すなわち、第一組の２本の電極ロッド１５、１６の中心にイオン輸送軸線１４が位置し、よって第一組を構成する２本の電極ロッド１５、１６はイオン輸送軸線１４に対して対称に配置される。同様に第二組の２本の電極ロッド１７、１８の中心にイオン輸送軸線１４が位置し、よって第二組を構成する２本の電極ロッド１７、１８はイオン輸送軸線１４に対して対称に配置される。また、本実施形態では、第一組を構成する各電極ロッド１５、１６からイオン輸送軸線１４までの距離は第二組を構成する各電極ロッド１７、１８からイオン輸送軸線１４までの距離に等しく、また、各電極ロッド１５、１６、１７、１８はその断面がほぼ真円となるように形成されている。
【００２２】
イオンガイド１２の電極ロッド１５、１６、１７、１８はこれら電極ロッド間の相対位置関係が維持されるように、少なくとも二つのロッドホルダ２０によって保持される。ロッドホルダ２０は、絶縁性材料、例えばセラミックスから形成され、その形状は図２及び図３に示したようにほぼ四角形断面の開口２１を有するほぼ四角柱状となっている。各電極ロッド１５、１６、１７、１８は四角形の開口２１の内側であって各角部付近に絶縁性ボルト（図示せず）等により固定される。
【００２３】
また、第一組の電極ロッド１５、１６には正の直流電源電圧Ｖdcと高周波電源電圧Ｖacとが重畳されて印加される。また、第二組の電極ロッド１７、１８には、負の直流電圧電源Ｖdcと高周波電源電圧Ｖacとが重畳されて印加される。すなわち、高周波の角周波数をω、時間をｔとすると、第一組の電極ロッド１５、１６には、（Ｖdc＋Ｖacｃｏｓωｔ）の電圧が印加され、第二組の電極ロッド１７、１８には、−（Ｖdc＋Ｖacｃｏｓωｔ）の電圧が印加される。
【００２４】
このように各組の電極ロッド１５、１６、１７、１８に電圧を印加することによりこれら電極ロッド間の空間には電場が形成される。従って、イオン輸送軸線１４に沿ってイオンガイド１２に侵入したイオンは、イオン輸送軸線１４に沿って進む間に電極ロッド間に形成された電場によってイオン輸送軸線１４に対して垂直方向の力を受ける。そして、直流電源電圧Ｖdc、高周波電源電圧Ｖac、角周波数ω等の設定を適切に行えば、特定範囲の質量電荷比（ｍ／ｅ）を有するイオンがイオン輸送軸線１４付近から離れないようにイオンに力を加えることができる。すなわち、イオンガイド１２によれば、直流電源電圧Ｖdc、高周波電源電圧Ｖac、角周波数ω等の設定に応じて、特定範囲の質量電荷比を有するイオンをイオン輸送軸線１４に沿って案内することができる。
【００２５】
なお、上記説明では中真空チャンバ６内のイオンガイド１２を例にとって説明したが、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１及び高真空チャンバ７内のイオンガイド１３も同様に構成され且つ同様に電圧印加等が行われる。従って、低真空チャンバ５及び高真空チャンバ７内のイオンガイド１１、１３も中真空チャンバ６内のイオンガイド１２と同様に特定範囲の質量電荷比を有するイオンをイオン輸送軸線１４に沿って案内することができる。
【００２６】
低真空チャンバ５と中真空チャンバ６との間の壁、中真空チャンバ６と高真空チャンバ７との間の壁にはイオン通過用開口２２、２３が設けられる。これらイオン通過用開口２２、２３及びイオン放出開口２ａ、イオン入射開口４ａは直径の小さい開口であり、イオン輸送軸線１４に整列して、すなわちイオン輸送軸線１４上に設けられる。従って、イオン生成装置２のイオン放出開口２ａから質量分析計４のイオン入射開口４ａまでを結ぶ直線はチャンバ５、６、７を画成する壁によって遮断されずに延びるようになっている。
【００２７】
このように構成された質量分析装置１のイオン輸送装置３では、イオン生成装置２のイオン放出開口２ａから低真空チャンバ５に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１１によってイオン輸送軸線１４に沿って低真空チャンバ５内を輸送せしめられて、低真空チャンバ５と中真空チャンバ６との間のイオン通過用開口２２を介して中真空チャンバ６に入射せしめられる。中真空チャンバ６に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１２によってイオン輸送軸線１４に沿って中真空チャンバ６内を輸送せしめられて、中真空チャンバ６と高真空チャンバ７との間のイオン通過用開口２３を介して高真空チャンバ７に入射せしめられる。高真空チャンバ７に入射せしめられたイオンは、イオンガイド１３によってイオン輸送軸線１４に沿って高真空チャンバ７内を輸送せしめられてイオン入射開口４ａを介して質量分析計４に入射せしめられる。本実施形態のイオン輸送装置３によれば、大気圧で作動する（すなわち、低真空領域で作動する）イオン生成装置２から高真空領域で作動する質量分析計４へとイオンが輸送せしめられる。
【００２８】
ところで、イオン生成装置及びイオン輸送装置の低真空チャンバ等は、一般に質量分析対象となる試料の交換等、定期的なメンテナンスが必要となる。斯かるメンテナンスを行う際には少なくともイオン生成装置及びイオン輸送装置の低真空チャンバ内の圧力を大気圧まで戻す必要がある。この場合、低真空チャンバと中真空チャンバとの間のイオン通過用開口又は中真空チャンバと高真空チャンバとの間のイオン通過用開口を開閉するためのゲートバルブ等がイオン通過用開口付近に設けられていないと、低真空チャンバを大気圧まで戻したときに中真空チャンバ及び高真空チャンバも大気圧まで戻してしまうことになる。
【００２９】
ここで、低真空チャンバは高い真空度になるまで真空排気が行われるわけではないため、低真空チャンバが大気圧になっても比較的短時間で目標の真空度にまで真空排気することができる。ところが、高真空チャンバは非常に高い真空度になるまで真空排気が行われるため、高真空チャンバが大気圧になると目標の真空度にまで真空排気するのにかなり長い時間（例えば数日程度）が必要となる。従って、上述したような定期的なメンテナンスを行う際には中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧まで戻すべきではない。
【００３０】
一方、例えば、低真空チャンバと中真空チャンバとの間のイオン通過用開口を開閉するためのゲートバルブ等をイオン通過用開口付近に設けようとするとイオンガイドによるイオンの輸送効率が低下してしまう。この理由について、図４を参照して、ゲートバルブをイオン通過用開口の中真空チャンバ側に配置した場合を例にとって説明する。なお、図４では、本願発明の構成要素と同様な構成要素については同じ参照番号を付している。
【００３１】
イオン通過用開口２２を開閉するためのゲートバルブ３０（図４（ｂ）参照）等を設けていない場合、図４（ａ）に示したように、隣合うチャンバ５、６内のイオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ1はこれらチャンバ５、６間に配置される壁の厚さＷとほぼ同一か僅かに長い程度である。一方、イオン通過用開口２２を開閉するためのゲートバルブ３０等を設けている場合、図４（ｂ）に示したように、イオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ2はこれらチャンバ５、６間に配置される壁の厚さＷよりもかなり長い。これは、ゲートバルブ３０を閉弁したとき（図４（ｂ）中の破線）に、ゲートバルブ３０とイオンガイド１２の電極ロッド１５〜１８とが接触・干渉しないように、イオンガイド１２の端部とチャンバ５、６間に配置される壁との間にゲートバルブ３０のゲート３１に対応する厚さの空間を設けなければならないことによるものである。すなわち、イオンガイド１２の各電極ロッド１５〜１８がゲートバルブ３０の開口部を横断しないようにイオンガイド１２を配置しなければならないためである。
【００３２】
このように、イオンガイド１１、１２の端部間の距離Ｌ2が長いと、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１によって輸送されてきたイオンは、イオンガイド１１とイオンガイド１２との間の間隙を通過する際にこれらイオンガイド１１、１２から力を受けず、よってこれらイオンの一部がイオン輸送軸線１４から離れてしまい、よってイオンガイド１１、１２によるイオンの輸送効率が低下してしまう。
【００３３】
これに対して、本発明のイオンガイドによれば、低真空チャンバの定期的なメンテナンス毎に中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧から真空排気する必要性が無くなり、且つイオンの輸送効率の低下が防止せしめられる。以下、本発明のイオンガイドの構成について、中真空チャンバ６のイオンガイド１２を例として説明する。
【００３４】
イオンガイド１２を構成する電極ロッド１５〜１８は、図２に示したように、それぞれ複数の中空ロッドから形成される。例えば、電極ロッド１５は、外径の短い一段目の中空ロッド１５ａと、一段目の中空ロッド１５ａよりも外径が長い二段目の中空ロッド１５ｂとを有する。一段目の中空ロッド１５ａの外径は二段目の中空ロッド１５ｂの内径とほぼ同一であり、一段目の中空ロッド１５ａは二段目の中空ロッド１５ｂ内に同軸に収容される。すなわち、一段目の中空ロッド１５ａが内側に、二段目の中空ロッド１５ｂが外側に配置される。一段目の中空ロッド１５ａは、二段目の中空ロッド１５ｂ内で軸線方向に入れ子式に摺動可能である。このため、一段目の中空ロッド１５ａを二段目の中空ロッド１５ｂ内で入れ子式に摺動させることにより、電極ロッド１５を伸縮させることができる。全ての電極ロッド１５〜１８はこのように形成されており、従って全ての電極ロッド１５〜１８は伸縮可能に形成されている。
【００３５】
図５は、イオンガイド１２を収容した中真空チャンバ６を概略的に示した断面側面図である。図示したように、各段の中空ロッドは各段毎に少なくとも一つのロッドホルダ２０によって保持されている。本実施形態では、各電極ロッド１５〜１８は二段の中空ロッドから形成されているため、少なくとも二つのロッドホルダ２０ａ、２０ｂによって保持される。すなわち、図５に示したように、全ての電極ロッド１５〜１８の一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａは第一ロッドホルダ２０ａによって保持され、電極ロッド１５〜１８の二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂは第二ロッドホルダ２０ｂによって保持される。
【００３６】
上述したように、各電極ロッド１５〜１８は絶縁性ボルト等によりロッドホルダ２０ａ、２０ｂに固定される。すなわち、一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａは第一ロッドホルダ２０ａに固定され、二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂは第二ロッドホルダ２０ｂに固定される。これにより、一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａ同士及び二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂ同士は相対移動することができない。
【００３７】
一方、ロッドホルダ２０同士は相対移動することができる。本実施形態では、図５に示したように、第一ロッドホルダ２０ａは中真空チャンバ６に対してラック＆ピニオン機構２６を介して中真空チャンバ６を画成する壁に連結され、第二ロッドホルダ２０ｂは固定用部材２７を介して中真空チャンバ６を画成する壁に固定される。ラック＆ピニオン機構２６のラック２８は第一ロッドホルダ２０ａに固定され、ピニオン２９ａは中真空チャンバ６を画成する壁に固定された高真空回転導入機２９ｂによって回転せしめられる。高真空回転導入機２９ｂは中真空チャンバ６の外部から手動で又は自動で中真空チャンバ６内に回転運動を導入することができる。ラック＆ピニオン機構２６は、第一ロッドホルダ２０ａを電極ロッド１５〜１８の軸線方向へ、すなわちイオン輸送軸線１４方向へ移動させるように作動する。従って、ラック＆ピニオン機構２６を作動させることにより、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとは互いに対して近づくように又は遠ざかるように移動せしめられる。
【００３８】
上述したように一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが第一ロッドホルダ２０ａに、二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂが第二ロッドホルダ２０ｂに固定されていることから、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとが互いに近づくように移動せしめられると一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂに入り込んでいき、よって全ての電極ロッド１５〜１８が縮められてイオンガイド１２は収縮状態となる。逆に、第一ロッドホルダ２０ａと第二ロッドホルダ２０ｂとが互いから離れるように移動せしめられると一段目の中空ロッド１５ａ〜１８ａが二段目の中空ロッド１５ｂ〜１８ｂから引き抜かれていき、よって全ての電極ロッド１５〜１８が伸ばされてイオンガイド１２は伸張状態となる。
【００３９】
図６は、イオンガイド１２の伸縮とゲートバルブ３０の開閉の関係を示す図である。図６（ａ）に示した状態では、ゲートバルブ３０は開いていると共にイオンガイド１２は伸張状態にある。このため、中真空チャンバ６内のイオンガイド１２の低真空チャンバ５側の端部は、中真空チャンバ６と低真空チャンバ５との間の壁に近接しており、よって低真空チャンバ５内のイオンガイド１１の端部と中真空チャンバ６内のイオンガイド１２の端部との間の間隙は非常に短い。従って、低真空チャンバ５内のイオンガイド１１によって輸送されてきたイオンは、イオンガイド１１とイオンガイド１２との間でほとんどイオン輸送軸線１４から離れることなくイオンガイド１２内へと輸送される。従って、高い効率でイオンの輸送を行うことができる。
【００４０】
ただし、このときイオンガイド１２の低真空チャンバ５側の端部はゲートバルブ３０の開口部３１内に侵入している。従って、イオンガイド１２が伸張状態にあるときにゲートバルブ３０を閉弁してしまうとイオンガイド１２とゲートバルブ３０のゲート３２とが接触してしまい、イオンガイド１２及びゲートバルブ３０が破損してしまう。
【００４１】
そこで、図６（ｂ）に示したように、ゲートバルブ３０を閉じるべきときにはイオンガイド１２が収縮状態にせしめられる。すなわち、イオンガイド１２を収縮状態とすることで、ゲートバルブ３０の開口部３１からイオンガイド１２が抜け出される。これにより、ゲートバルブ３０のゲート３２が閉弁せしめられても、ゲートバルブ３０のゲート３２とイオンガイド１２とは接触せず、よってイオンガイド１２及びゲートバルブ３０が破損してしまうことはない。
【００４２】
また、ゲートバルブ３０のゲート３２を閉弁すれば、定期的なメンテナンス等により低真空チャンバ５内の圧力が大気圧に戻されても、中真空チャンバ６及び高真空チャンバ７内の真空度はそのまま維持される。これにより、メンテナンス後に真空排気が必要なチャンバは低真空チャンバのみとなり、よってメンテナンスが終了してから比較的早期に質量分析装置１による質量分析を再開することができる。
【００４３】
このように、本発明のイオンガイドを用いることにより、低真空チャンバの定期的なメンテナンス毎に中真空チャンバや高真空チャンバを大気圧から真空排気する必要性が無くなり、且つイオンの輸送効率の低下が防止せしめられる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、各電極ロッド１５〜１８は二段の中空ロッドから形成されているが、二段の中空ロッドに限られず、三段又は四段等、他の複数段の中空ロッドから形成されてもよい。この場合、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される。すなわち、ロッドホルダは全ての段について少なくとも一つずつ各段の中空ロッドホルダを保持するように配置される。そして、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッドを保持するホルダ又は各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッドを保持するロッドホルダがチャンバを画成する壁に固定され、それ以外のホルダは壁に固定されたロッドホルダに対して相対的に移動することができる。
【００４５】
或いは、各電極ロッドが三段又は四段等の中空ロッドから形成された場合、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士をこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持し、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士をこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持し、それ以外の段の中空ロッド、すなわち中間に位置する中空ロッドをロッドホルダによって保持しないようにしてもよい。この場合、上記実施形態と同様に、最も外側の段の中空ロッド同士を保持するロッドホルダ及び最も内側の段の中空ロッド同士を保持するロッドホルダのうちいずれか一方を、チャンバを画成する壁に固定すると共に、他方を壁に固定されたロッドホルダに対して相対的に移動することができるようにされる。
【００４６】
また、上記実施形態では、中真空チャンバ６内のイオンガイド１２を伸縮可能な構成としているが、イオンガイド１２の代わりに低真空チャンバ５内のイオンガイド１１又は高真空チャンバ７内のイオンガイド１３を伸縮可能な構成としてもよい。或いは、全ての真空チャンバ内のイオンガイドを伸縮可能な構成としてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、ラック＆ピニオン機構２６を利用して第一ロッドホルダ２０ａを移動させることができるようにしているが、他の機構を利用して第一ロッドホルダ２０ａを移動させることができるようにしてもよい。例えば、中真空チャンバ６を画成する壁に、中真空チャンバ６の外部から手動で又は自動で中真空チャンバ６内に直線運動を導入することができる高真空直線導入機を固定すると共に高真空直線導入機に第一ロッドホルダ２０ａを連結し、この高真空直線導入機によって直接的に第一ロッドホルダ２０ａをイオン輸送軸線１４方向へ移動させるようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、質量分析装置１においてイオンを輸送するためにイオンガイドを用いた例を示しているが、本発明のイオンガイドが用いられる装置は質量分析装置に限られない。或いは、本発明のイオンガイドを四重極型質量分析計の四重極として用いてもよい。
【００４９】
さらに、上記実施形態ではイオンガイドは４本の電極ロッドから形成されているが、イオンガイドを形成する電極ロッドの数は４本に限られず、６本、８本、１０本等、他の数の電極ロッドからイオンガイドが形成されてもよい。また、電極ロッドは、円筒状ロッドに限られず、電場を形成できる中空の双曲電極、角棒電極等、他の形状の電極であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のイオンガイドが用いられた質量分析装置を示す図である。
【図２】本発明のイオンガイドの斜視図である。
【図３】図２の断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから長手方向に見たイオンガイドの断面側面図である。
【図４】ゲートバルブをイオン通過用開口付近に設けるとイオンガイドによるイオンの輸送効率が低下してしまう理由を説明するための図である。
【図５】本発明のイオンガイドを収容した中真空チャンバを概略的に示した断面側面図である。
【図６】イオンガイドの伸縮とゲートバルブの開閉の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 質量分析装置
２ イオン生成装置
３ イオン輸送装置
４ 質量分析計
５ 低真空チャンバ
６ 中真空チャンバ
７ 高真空チャンバ
８〜１０ ターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）
１１〜１３ イオンガイド
１５〜１８ 電極ロッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドを具備するイオンガイドであって、当該イオンガイドに入射されたイオンが、上記電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線上付近を該イオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、
各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される、イオンガイド。
【請求項２】
請求項１に記載のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは複数段の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される、イオンガイド組立体。
【請求項３】
請求項１に記載のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは３段以上の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持され、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される、イオンガイド組立体。
【請求項４】
異なる段の中空ロッドを保持するロッドホルダのうち一つのロッドホルダを他のロッドホルダに対して相対的に移動させて、上記イオンガイドを伸縮させるホルダ相対移動装置をさらに具備する、請求項２又は３に記載のイオンガイド組立体。
【請求項５】
上記イオンガイドを収容し且つ該イオンガイドによって案内されるイオンが通過する開口を有するチャンバと、該チャンバの開口を開閉するためのゲートバルブとを具備し、該ゲートバルブが開弁されているときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部を横断して延びると共に、ゲートバルブが閉弁されるときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部から抜け出るように縮められる、請求項２〜４のいずれか１項に記載のイオンガイド組立体。
【請求項１】
互いに平行に配置された複数組の対向する電極ロッドを具備するイオンガイドであって、当該イオンガイドに入射されたイオンが、上記電極ロッドと平行に延び且つ各組の電極ロッドの中心に位置するイオン輸送軸線上付近を該イオン輸送軸線方向に進むようにこれら電極ロッド間に電圧を印加することによりこれらイオンを案内するイオンガイドにおいて、
各電極ロッドは複数の中空ロッドから形成され、これら中空ロッドは当該イオンガイドが伸縮可能であるように入れ子式に連結される、イオンガイド。
【請求項２】
請求項１に記載のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは複数段の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される、イオンガイド組立体。
【請求項３】
請求項１に記載のイオンガイドを用いたイオンガイド組立体において、各電極ロッドは３段以上の中空ロッドが入れ子式に連結されて構成されており、各電極ロッドの最も外側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持され、各電極ロッドの最も内側の段の中空ロッド同士はこれら中空ロッド間の相対位置関係を維持する少なくとも一つのロッドホルダによって保持される、イオンガイド組立体。
【請求項４】
異なる段の中空ロッドを保持するロッドホルダのうち一つのロッドホルダを他のロッドホルダに対して相対的に移動させて、上記イオンガイドを伸縮させるホルダ相対移動装置をさらに具備する、請求項２又は３に記載のイオンガイド組立体。
【請求項５】
上記イオンガイドを収容し且つ該イオンガイドによって案内されるイオンが通過する開口を有するチャンバと、該チャンバの開口を開閉するためのゲートバルブとを具備し、該ゲートバルブが開弁されているときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部を横断して延びると共に、ゲートバルブが閉弁されるときには上記イオンガイドがゲートバルブの開口部から抜け出るように縮められる、請求項２〜４のいずれか１項に記載のイオンガイド組立体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１０３３００（Ｐ２００７−１０３３００Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９５０３８（Ｐ２００５−２９５０３８）
【出願日】平成１７年１０月７日（２００５．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月７日（２００５．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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