３次元ポールトラップ装置及び該３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置

【課題】本発明は３次元ポールトラップ装置及び該３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置に関し、簡易化した構造のポールトラップにおいてもイオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることを目的としている。
【解決手段】ほぼ円筒状の内部が中空のリング電極１３と、該リング電極１３の一端に設けられた、イオン源からのイオンを受けるエンドキャップ入口電極１４と、前記リング電極１３の中空内に配置される少なくとも４本の棒状電極１６と、前記リング電極１３の他端側に設けられた、リング電極１３から輸送されてくるイオンを受けるエンドキャップ出口電極１５と、を含んで構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元ポールトラップ装置及び該３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置に関し、更に詳しくは荷電粒子の貯蔵と輸送の機能に改良を施した３次元ポールトラップ装置及び３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポールトラップ（ＰａｕｌＴｒａｐ）は、３次元的回転双曲面電極に高周波磁場を印加させてイオンや電子を封じ込める（トラップ）ものである。図１５はポールトラップの基本構造体を示す図である。ポールトラップは、図に示すように内部空間を囲う面が双曲面に加工された導電性部材で、一周するリング電極３と中心軸上に向かい合う形でリング電極３と空隙を置いて、２つのエンドキャップ電極４，５とでリング電極３を挟む構造である。図において、１は中心軸、４はエンドキャップ入口電極、３はリング電極、５はエンドキャップ出口電極である。
【０００３】
図１６は図１５に示すポールトラップの断面形状を示す図である。図において、リング電極３とエンドキャップ電極４，５間には所定の電圧Ｖが印加されている状態を示している。エンドキャップ電極４，５には中心軸１に沿って穴が開いており、その中をイオンが輸送されることになる。この場合において、イオンは中の空間に貯留（トラップ）させることができる。
【０００４】
図１５，図１６に示す理想的なポールトラップは性能がよいが、構造が複雑でありコストがかかる。そこで、図１７に示すような簡易な構造を持つポールトラップが用いられる。図に示すポールトラップは、リング電極を円筒状にしたものである。円筒はリング電極３を構成しており、その両端にはエンドキャップ入口電極４とエンドキャップ出口電極５が設けられている。リング電極３には高周波電圧、エンドキャップ電極４，５には直流電圧が印加される。
【０００５】
従来のこの種の装置としては、イオントラップは、トラップ内に各イオンを集積させ、その後、各イオンを選択的に励起して、各イオンがそれらイオンの質量／電荷比に従ってトラップを出るようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、２次結合型イオントラップにおいて、該イオントラップに親イオンを保持し、そこに電子線を照射することにより、反応時間を制御し、長くとることができるようにした技術が知られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特表２００５−５２９３４２号公報（第６頁、図１，図２）
【特許文献２】特開２００５−２３５４１２号公報（段落００３１、図１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１５に示すポールトラップの基本構造体が３次元的な加工が必要で、技術的に要求される水準も高かったりするため、これを簡易化した図１７に示す簡易構造体にした場合、以下のような問題が生じる。例えばイオンを真空中でガス成分の粒子と衝突させ、運動エネルギーを低下させる効果を利用して中心付近に集めようとした場合、円筒状のリング電極を長くすると、中心軸付近には集まるものの、図１５の場合に可能だった中心の一点付近に集中させることができない。また、そこに集まったイオンをこの領域外へと排出させる場合も、極短時間ではすまなくなる。或いは取り出せなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、簡易化した構造のポールトラップにおいてもイオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる３次元ポールトラップ装置及び該３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）請求項１記載の発明は、ほぼ円筒状の内部が中空のリング電極と、該リング電極の一端に設けられた、イオン源からのイオンを受けるエンドキャップ入口電極と、前記
リング電極の中空内に配置される少なくとも４本の棒状電極と、前記リング電極の他端側に設けられた、リング電極から輸送されてくるイオンを受けるエンドキャップ出口電極と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００９】
（２）請求項２記載の発明は、前記リング電極はエンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側との径が異なることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記リング電極は、エンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側とが径が同じの直管構造であることを特徴とする。
【００１０】
（４）請求項４記載の発明は、前記棒状電極をリング電極の内側に設置する際、上下に向かい合う組では、イオン検出部側の方が中心軸からの距離が離れる角度に傾けられ、左右に向かい合う組では、イオン源側の方が中心軸からの距離が離れる角度に傾けられることを特徴とする。
【００１１】
（５）請求項５記載の発明は、前記棒状電極を６本又は８本とすることを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、前記棒状電極はその断面形状としては、丸型のみならず、三角形状又は四角形状のものか、又はワイヤー線とすることを特徴とする。
【００１２】
（７）請求項７記載の発明は、イオンを出射するイオン源と、該イオン源からのイオンを受けるエンドキャップ入口電極と、ほぼ円筒状の内部が中空のリング電極と、該リング電極の中空内に配置される少なくとも４本の棒状電極と、前記リング電極から輸送されてくるイオンを受けるエンドキャップ出口電極と、該エンドキャップ出口電極から輸送されてくるイオンを収束する収束電極と、該収束電極から出射されるイオンを検出するイオン検出部と、を含んで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
（１）請求項１記載の発明によれば、簡易化した構造のポールトラップにおいてもイオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる。
【００１４】
（２）請求項２記載の発明によれば、エンドキャップ入口側電極とエンドキャップ出口側電極の径を異ならしむることにより、中に配置する棒状電極の接触や放電等の発生を抑えることができる。
【００１５】
（３）請求項３記載の発明によれば、エンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側のリング電極の径が同じ直管構造とすることにより、加工を容易にすることができる。
【００１６】
（４）請求項４記載の発明によれば、前記棒状電極の配置を工夫することにより、軸方向の電場勾配が、イオン源からイオン検出部に向かって電位が低くなるように調整されるため、イオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる。
【００１７】
（５）請求項５記載の発明によれば、棒状電極を６本又は８本にしても最適な電場勾配を作ることができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、棒状電極の断面形状を丸形のみならず、三角形状又は四角形状にしても丸形電極の場合と同様の効果を得ることができる。ワイヤー線とした場合も同様である。
【００１８】
（７）請求項７記載の発明によれば、上述した３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図で、リング電極と棒状電極の構成を示している。図１５と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１３は中空のリング電極、１は中心軸、１６はリング電極１３内に配置された４本の棒状電極である。この棒状電極１６の径は例えば０．４ｍｍ程度であり、リング電極１３の中空領域の上下左右にそれぞれ４個配置されている。
【００２０】
１４はリング電極１３のイオン入口側に設けられたエンドキャップ入口電極、１５はイオン出口側に設けられたエンドキャップ出口電極である。この実施の形態では、エンドキャップ出口電極１５の口径がエンドキャップ入口電極１４より大きくなっている。例えば、エンドキャップ入口電極１４の直径が７．６ｍｍ、エンドキャップ出口電極１５の直径が８．６ｍｍ、リング電極１３の長さが５０ｍｍ程度である。
【００２１】
これら構成を図２に示す構成に組み入れて、トラップの空間をこの内部に形成する。図２は３次元ポールトラップ機構部基本要素を示す図であり、本発明に係るポールトラップ装置の全体を示している。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１４はエンドキャップ入口電極、１５はエンドキャップ出口電極、１３はリング電極、１６は該リング電極１３内に上下左右に４本設けられた棒状電極である。１７はエンドキャップ入口電極１４側に設けられたイオン源、１８はエンドキャップ出口電極１５側に設けられた、輸送されてきたイオンを収束させるための収束電極、１９は収束電極１８を経て輸送されてきたイオンを検出するイオン検出部である。イオン検出部１９の出力は、例えば質量分析計等に入力され、質量分析が行なわれる。
【００２２】
トラップの空間はリング電極１３の内部に形成されるが、リング電極１３の両端開口部にエンドキャップ入口電極１４とエンドキャップ出口電極１５が空隙をおいて配置され、円筒開口両端の電位障壁とする。リング電極１３の入口（上流）側にはイオン源１７が配置される。その反対側の下流側になる位置には、中心軸１上にエンドキャップ出口電極１５、次に収束電極１８やイオン検出部１９等のイオンモニタ或いはその利用部に相当するものが配置される。
【００２３】
イオン源１７と収束電極１８とイオン検出部１９はここでの発明の効果には特に言及する必要のない構成要素であり、これらに供給される電圧、電流等のその他の構成部分は省略している。図２の構成部は、真空容器内に格納・設置され、この空間に任意のガス成分が種類・量共に制御されて供給され得るものとしてそれらの部分は省略している。
【００２４】
エンドキャップ入口電極１４とエンドキャップ出口電極１５と収束電極１８のそれぞれには中心軸１上に開口部分があり、またこれらの電極には電圧が印加できるようになっている。具体的には電圧を印加するための端子が設けられている。棒状電極１６は、この例では、導電性材料で作られた丸棒の電極（極子とも呼ぶ）である。
【００２５】
リング電極１３には、高周波｛Ｖｏ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ）；Ｖｏ；高周波振幅電圧値、ω；角周波数、ｔ；時間、θ；位相｝と２種類の直流電圧Ｕ１（特定質量共鳴用）とＵ２（軸電位設定用）とが印加され、棒状電極１６には直流電圧Ｕ３が印加される。エンドキャップ入口電極１４とエンドキャップ出口電極１５には、それぞれ直流電圧Ｕ４とＵ５が印加される。図２には図示されていないが、構成する電極に供給される各電圧は、印加するタイミングや設定値制御のためのシーケンサやコンピュータ等の制御系とユニットを備えている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２６】
図２において、エンドキャップ出口電極１５の電位Ｕ５（例えば４０Ｖ）を、入ってくるイオン（この場合平均的な質量数１００）の持つエネルギー（例えば１０ｅＶ）よりも高いエネルギー障壁にした条件で、時刻ｔ０（０μｓ）において、例えば４０Ｖの電位にあるイオン源１７からイオンを高周波電圧Ｖ０（例えば３ＭＨｚ，５４０Ｖ）が印加されたリング電極１３に囲まれたこの領域には、例えばヘリウムガスが供給されていて、導入されたイオンと衝突が起こる真空度になっている。その平均自由行程は、０．１〜１０ｍｍ程度（例えば１ｍｍ）である。
【００２７】
イオンが導入されている期間は、エンドキャップ入口電極１４の電位Ｕ４（例えば２０Ｖ）とリング電極１３の軸電位Ｕ２（例えば−８Ｖ）は、低い電位に設定されている。棒状電極１６には、軸方向に電場勾配を形成するために、直流電圧Ｕ３（例えば３０Ｖ）が印加される。任意の時間ｔ２（例えば１５０μｓ）を経過後、エンドキャップ入口電極１４の電位Ｕ４は、通常だとエンドキャップ出口電極１５の電位Ｕ５と等しい値に設定される。この間、リング電極１３の領域に導入されたイオンは、短期的には動径方向に、長期的には軸方向にも振動しながら、ヘリウムガスの粒子との衝突で次第に運動エネルギーを減じながら中心軸１付近の位置に集まってくると同時に、軸方向にも電場勾配があるため、電荷を持ったイオンは、リング電極１３に囲まれた空間領域の中でもエンドキャップ出口電極１５よりの付近にその集団の中心位置が移動してくる。
【００２８】
その状況をシミュレーションで示したのが、図３と図４である。図３はイオン導入中の様子を示す図、図４はイオンが狭い範囲に絞られた様子を示す図である。イオン粒子３０、イオン粒子群３１として記した矢印の先の中心軸１付近に集まって少し横に広がった点の集団が確認できる。この様子は、図３の段階では横方向に広がっているが、次第に図４に示すようにエンドキャップ出口電極１５寄りに集まってくる。
【００２９】
また、この時間ｔ２（例えば１５０μｓ）の時点では、エンドキャップ出口電極１５の電位Ｕ５も同時に下げて（例えば２０Ｖ）、イオン粒子群の中心を更にエンドキャップ出口電極１５に近づけて射出に備える。その様子は、図４の状態から図５の変化で確認できる。図５はイオン群の中心が移動した様子を示す図である。
【００３０】
更に時間が経過すると、図６に示すようにほぼ一点に凝集してくる。図６はイオンがほぼ一塊になった状態を示す図である。この状態に至った頃のｔ３（例えば３００μｓ）の時刻にリング電極１３の高周波電圧Ｖｏを例えば０Ｖ、軸電位Ｕ２を例えば−１０Ｖに設定し、それと同時にエンドキャップ出口電極１５の電位Ｕ４の電圧も例えば０Ｖに設定すると、先に説明した「イオン粒子群３１」の集団は、エンドキャップ出口電極１５の方向へ速やかに移動し、更に先に位置するイオン検出部１９へと飛行して検出される。
【００３１】
この様子を図６から図９のシミュレーションで示す。図６はイオンがほぼ一塊になった様子を示す図、図７はイオンが排出開始直後の様子を示す図、図８はイオンが排出されイオン検出部前を飛行中の様子を示す図、図９はイオンがイオン検出部１９に当たった様子を示す図である。この排出に要する時間は、時刻ｔ３を起点にしてイオン粒子群３１の集団がイオン検出部１９に全て到達し終わるまでとすると、５μｓ程度が得られた。
【００３２】
以上の過程を通して、導入から排出までのイオン１個の軌跡を記録した例を図１０に示す。図１０はイオン１個のみの飛行の様子を示す図である。イオン粒子群３１の全体の軌跡も図１１にその例を示す。図１１は複数のイオンの軌跡を重ねた様子を示す図である。図１２に中心軸１の方向に電場勾配が形成されている様子を示す。図１２はエンドキャップ入口側と出口側の等電位線を示す図である。図１２の（ａ）はエンドキャップ入口電極１４側のリング電極１３の一端から２ｍｍ中へ進んだ位置の中心軸１に垂直な断面での等電位線図である。
【００３３】
ここでの中心軸１上の電位は約１７．０８Ｖである。図１２の（ｂ）はエンドキャップ出口電極１５側のリング電極１３の一端から２ｍｍ中へ戻った位置の中心軸１に垂直な断面での等電位線図である。ここでの、中心軸１上の電位は約１２．４６Ｖである。よって、この例では、軸方向に約０．１００４２Ｖ／ｍｍの電位勾配となる。
【００３４】
このように、第１の実施の形態によれば、簡易化した構造のポールトラップにおいてもイオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる。
【００３５】
また、エンドキャップ入口側電極とエンドキャップ出口側電極の径を異ならしむることにより、中に配置する棒状電極の接触や放電等の発生を抑えることができる。
図１３は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図１３に示す実施の形態は、リング電極１３をエンドキャップ入口側の径とエンドキャップ出口側の径とを等しくした直管構造としたものである。このように、リング電極１３の内径の違いの変更は可能である。
【００３６】
この実施の形態は図１に示す実施の形態と同様な操作並びに動作となる。このように、実施の形態２によれば、エンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側のリング電極の径が同じ直管構造とすることにより、加工を容易にすることができる。なお、図では、エンドキャップ入口電極側の棒状電極１６で構成される径が、エンドキャップ出口電極側の棒状電極１６で構成される径よりも小さい場合を示しているが、この逆でもよい。
【００３７】
図１４は本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。図１３と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の構成は、図１３において示された構成が、図１４に示すような構成に置き換えられた構成となっている。
【００３８】
この例の場合、棒状電極１６をリング電極１３の内側に設置する際、上下にあって向かい合う組では、右側即ちイオン検出部１９の側の方が、中心軸１からの距離が離れる角度に傾けられ、左右にあって向かい合う組では、左側即ちイオン源１７側の方が、中心軸１からの距離が離れる角度に傾けられる。この棒状電極１６に印加される直流電圧は、正電荷のイオンを想定しているが、例えば上下に＋１５Ｖ、左右に−１５Ｖが設定される。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００３９】
この実施の形態の場合、棒状電極１６に逆極性の電圧が印加されることで、実施の形態の場合に形成された軸方向の電場勾配が、イオン源１７側からイオン検出部１９側に向かって電位が低くなるように調整されるため、実施の形態１と同様な操作並びに動作となる。即ち、前記棒状電極の配置を工夫することにより、軸方向の電場勾配が、イオン源からイオン検出部に向かって電位が低くなるように調整されるため、イオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。先に示した例で、「棒状電極１６」とした部分は、六重極や八重極等の多極子構造のものでもよい。また、隣り合う極子で中心軸１との角度が同じである場合は、印加される電圧も同様であるが、第３の実施の形態のように交互に角度が異なる場合は、第３の実施の形態３と同じように、逆極性の電圧を印加する。
【００４１】
また、棒状電極１６の断面形状は、円形ではなく四角、三角などでもよく、ワイヤー等の線材でもよい。その他、イオンの貯蔵、輸送のための条件最適化で、構成部の大きさ、長さ、各部印加電圧値、真空度等の諸条件は必要に応じて変えることができる。棒状電極１６の配置は、中心軸１と対称性を備えた事例を示してきたが、必要があれば、対称性を崩すことも可能である。イオンの正負が逆になれば、印加される直流電圧の極性も逆に設定させることで対応させることができる。
【００４２】
このように構成された装置において、第１の実施の形態とほぼ同様な操作並びに動作となる。但し、印加する電圧値などは異なる。棒状電極１６などの配置で、中心軸１との対称性のある部分を崩した場合は、イオンが運動エネルギーを低下させて行なった時に安定化する位置が中心軸１の上とはならないので、意図すればそのようなこともできる。イオンを空間に留め、排出させる時間の設定変更も可能で、必要に応じて最適化してもよい。
【００４３】
以上説明したように、本発明によればポールトラップ（ＰａｕｌＴｒａｐ）の３次元型において、リング電極の囲う領域に、直流電圧を印加する棒状電極を配して、リング電極の回転軸の方向に電場勾配を形成されるようにしたので、イオンの収束位置を変えることができる。また、円筒型のリング電極とそれが囲む領域に直流電圧を印加する棒状電極を設置することで、イオン輸送の機能も付加できる。
【００４４】
本発明によれば、簡易化した構造のポールトラップにおいてもイオンの排出を速やかにすると共に、長めの円筒状リング電極を使った場合に貯蔵できるイオン量を増大させることができ、イオンガイドとしても機能させることができる３次元ポールトラップ装置を提供することができる。また、該ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】３次元ポールトラップの機構部基本要素を示す図である。
【図３】イオン導入中の様子を示す図である。
【図４】イオンが狭い範囲に絞られた様子を示す図である。
【図５】イオン群の中心が移動した様子を示す図である。
【図６】イオンがほぼ一塊になった様子を示す図である。
【図７】イオンが排出開始直後の様子を示す図である。
【図８】イオンが排出されイオン検出部前を飛行中の様子を示す図である。
【図９】イオンがイオン検出部に当たった様子を示す図である。
【図１０】イオン１個のみの飛行の様子を示す図である。
【図１１】複数のイオンの軌跡を重ねた様子を示す図である。
【図１２】エンドキャップ入口側と出口側の等電位線を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図１５】ポールトラップの基本構造体を示す図である。
【図１６】ポールトラップの断面形状を示す図である。
【図１７】ポールトラップの簡易化構造体を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１中心軸
１３リング電極
１４エンドキャップ入口側電極
１５エンドキャップ出口側電極
１６棒状電極

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ円筒状の内部が中空のリング電極と、
該リング電極の一端に設けられた、イオン源からのイオンを受けるエンドキャップ入口電極と、
前記リング電極の中空内に配置される少なくとも４本の棒状電極と、
前記リング電極の他端側に設けられた、リング電極から輸送されてくるイオンを受けるエンドキャップ出口電極と、
を含んで構成される３次元ポールトラップ装置。
【請求項２】
前記リング電極はエンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側との径が異なることを特徴とする請求項１記載の３次元ポールトラップ装置。
【請求項３】
前記リング電極は、エンドキャップ入口電極側とエンドキャップ出口電極側とが径が同じの直管構造であることを特徴とする請求項１記載の３次元ポールトラップ装置。
【請求項４】
前記棒状電極をリング電極の内側に設置する際、上下に向かい合う組では、イオン検出部側の方が中心軸からの距離が離れる角度に傾けられ、左右に向かい合う組では、イオン源側の方が中心軸からの距離が離れる角度に傾けられることを特徴とする請求項３記載の３次元ポールトラップ装置。
【請求項５】
前記棒状電極を６本又は８本とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の３次元ポールトラップ装置。
【請求項６】
前記棒状電極は、その断面形状としては、丸型のみならず、三角形状又は四角形状のものか、又はワイヤー線とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の３次元ポールトラップ装置。
【請求項７】
イオンを出射するイオン源と
イオン源からのイオンを受けるエンドキャップ入口電極と、
ほぼ円筒状の内部が中空のリング電極と、
該リング電極の中空内に配置される少なくとも４本の棒状電極と、
前記リング電極から輸送されてくるイオンを受けるエンドキャップ出口電極と、
該エンドキャップ出口電極から輸送されてくるイオンを収束する収束電極と、
該収束電極から出射されるイオンを検出するイオン検出部と、
を含んで構成される３次元ポールトラップ装置を用いたイオン検出装置。

【図１】