JP4206598B2

JP4206598B2 - 質量分析装置

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Publication number: JP4206598B2
Application number: JP2000045718A
Authority: JP
Inventors: 生剛寺倉
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: US20010017351A1; US6492640B2; JP2001236922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は質量分析装置に関し、更に詳しくは、電子衝撃イオン化（ＥＩ）や化学イオン化（ＣＩ）等の熱電子を利用するイオン化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置では、気体試料をイオン化するために電子衝撃イオン化（ＥＩ）や化学イオン化（ＣＩ）などの各種イオン化法によるイオン化装置が用いられる。例えば、ＥＩでは、フィラメントに加熱電流を供給してフィラメントから熱電子を放出させると共に、該フィラメントとトラップ電極（電子コレクタ、ターゲット等とも呼ばれる）との間に適宜の電位差を生じさせて熱電子に運動エネルギを与える。これにより、フィラメントから放射された熱電子はトラップ電極に向けて飛行し、その途中のイオン化室内で熱電子が試料分子に接触すると、試料分子から電子が叩き出されて該試料分子は正イオンになる。通常、トラップ電極に捕捉される電子の数はフィラメントから放射された電子数に依存している。そこで、トラップ電極に到達した熱電子により流れるトラップ電流が所定値になるようにフィラメントに流す加熱電流をフィードバック制御することにより、フィラメントでの熱電子の発生量はほぼ一定になり、その結果、安定したイオン化が達成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱電子流を利用したイオン化においては、イオン化を行うためのイオン化室に対して、フィラメントとトラップ電極とが所定の位置に適切に装着されていないと、フィラメントに最大源の加熱電流を供給してもトラップ電流が所望値に達せず、上述したような加熱電流の制御を行うことができなくなる。そこで、従来の質量分析装置では、トラップ電流の大きさをモニタし、フィラメントを点灯して加熱電流のフィードバック制御を行った状態でトラップ電流が所定値に達しない場合には、異常状態であると判断して例えばエラーの表示を行うようにしている。
【０００４】
上述したような加熱電流の制御が異常である原因としては、フィラメントやトラップ電極の取付位置のずれの他、フィラメントやトラップ電極とイオン化室との接触、或いはフィラメントの断線など、種々の原因が考え得る。しかしながら、上記のような従来の質量分析装置では、単にトラップ電流が正常でないことを検出できるのみであって、その異常の原因を特定することはできない。そのため、どのような異常であるのかを確認するには、真空状態に保たれた質量分析装置の真空チャンバ内を大気圧に戻し、その内部を目視で確認するという作業が必要であった。そのため、異常原因の確認作業や再調整の作業はたいへんに面倒なものであった。
【０００５】
また、上記構成では、フィラメントに加熱電流を流さないと異常の有無の確認が行えないが、異常の状態に依っては、フィラメントに加熱電流を供給してフィードバック制御を行おうとすると、フィラメントや回路の一部に過大な電流が流れ、更なる故障の原因となるという恐れもあった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、フィラメントに電流を流す以前にフィラメントやトラップ電極の一部の異常を診断し、更にフィラメントに電流を流した状態ではより詳細な異常箇所の診断が行えるようなイオン化装置を備えた質量分析装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、真空室内に配設されたイオン化室と、該イオン化室内で気体分子をイオン化するための熱電子を発生するフィラメントと、該フィラメントとの間の電位差により熱電子を加速すると共に、イオン化室内を通過した該熱電子を捕集するトラップ電極とを含むイオン化装置を具備する質量分析装置において、該イオン化装置は、
a)前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流であるトラップ電流を測定する第１電流測定手段と、
b)前記フィラメントから放射された熱電子により流れる全電流であるトータル電流を測定する第２電流測定手段と、
c)前記トラップ電流又はトータル電流が所定値になるように前記フィラメントに流す加熱電流を制御する電流制御手段と、
d)前記フィラメントに通電せずに前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第１異常診断手段と、
e)前記電流制御手段により所定の制御を行っている状態で前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第２異常診断手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量分析装置のイオン化装置において、トータル電流は、トラップ電流の他に、フィラメントから放射された熱電子がトラップ電極でなくイオン化室に接触することにより流れる電流を少なくとも含んでいる。従って、第２電流測定手段は、例えば、フィラメントをトラップ電極及びイオン化室に対して負の電位にバイアスするバイアス電源に流れる電流を測定することによりトータル電流を取得することができる。
【０００９】
第１異常診断手段は、フィラメントに通電しない状態でトラップ電流とトータル電流とをそれぞれ測定する。この場合、フィラメントで熱電子は発生しないから、トラップ電流及びトータル電流は共に零である筈であるが、フィラメント及びトラップ電極にはイオン化室自体の電位（通常は接地電位）と異なる所定電位が印加されているので、フィラメント又はトラップ電極がイオン化室と接触しているとトラップ電流又はトータル電流が流れる。そこで、第１異常診断手段は、測定されたトラップ電流及びトータル電流が零でない場合には、トラップ電極又はフィラメントとイオン化室との接触による異常があるものと判断を下す。
【００１０】
第２異常診断手段は、フィラメントに通電を行い電流制御手段により加熱電流の制御を行っている状態において、トラップ電流とトータル電流とをそれぞれ測定する。フィラメントに供給可能な加熱電流には上限があるが、正常な状態であれば、電流制御手段は、フィラメントにその上限値よりも小さな加熱電流を供給した状態でトラップ電流を略所定値に安定させることができる。しかしながら、フィラメントやトラップ電極の取付位置が大きくずれていると、フィラメントから放射された熱電子がトラップ電極に到達する割合が極端に少なくなり（つまり、多くの熱電子がイオン化室へと到達してしまう）、加熱電流を増加させてもトラップ電流があまり増加しない。そのため、フィラメントに上記加熱電流の上限値を流したとしてもトラップ電流は上記所定値に達しない。そこで、第２異常診断手段は、測定されたトラップ電流が例えばその所定値よりも小さいときにトラップ電極やフィラメントの取付位置のずれによる異常があると判断する。また、フィラメントが断線している場合には加熱電流が流れないから、熱電子は発生せず、トラップ電流、トータル電流は共に零になる。そこで、第２異常診断手段は、トラップ電流及びトータル電流が零である場合にはフィラメントが断線しているものと判断する。
【００１１】
上記第１及び第２異常診断手段の診断結果に基づいて、表示又は音等で異常の有無や異常箇所をユーザに警告する構成としておけば、ユーザは異常箇所を認識して必要な処置を速やかにとることができる。また、第１異常診断手段により正常であると判断された場合にのみ第２異常診断手段による異常診断を実行する構成とすれば、フィラメント又はトラップ電極とイオン化室とが接触している場合に、フィラメントに通電を行わずに済む。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る質量分析装置によれば、イオン化装置の異常箇所やその原因が詳細に検知され、その結果がユーザに報知される。従って、ユーザは異常箇所を迅速に点検し、必要に応じて再調整や交換等の適切な作業に取り掛かることができる。そのため、このような作業を迅速に行うことができるので、分析作業の効率化が図れる。また、本発明に係る質量分析装置によれば、フィラメントを点灯させる以前に、フィラメントやトラップ電極とイオン化室との接触による異常を検知し、これをユーザに報知することができる。このような異常状態でフィラメントを点灯させると回路に過大電流が流れる恐れがあるが、フィラメントを点灯させることなくこれら異常を見つけることができるので、そのような過大電流による不所望の回路の損傷を回避することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明に係る質量分析装置の一実施例を図面を参照して説明する。図１は本実施例の質量分析装置におけるイオン化装置の要部の構成図である。
【００１４】
真空雰囲気中に配設されるイオン化室１には試料導入管２が接続されており、ここからイオン化室１内へ気体試料分子が導入される。イオン化室１壁面に開口した熱電子照射孔３の外側には熱電子発生用のフィラメント４が配置されており、熱電子照射孔３に対面して開口した熱電子出射孔５の外側にはトラップ電極６が配置されている。フィラメント４には加熱電流源７が接続されており、加熱電流源７からフィラメント４に加熱電流が供給されるとフィラメント４の温度が上昇して熱電子が放出される。また、フィラメント４は第３バイアス電圧源１２により、接地電位に対してＶ３なる負電位にバイアスされており、更に、この第３バイアス電圧源１２に流れる電流（以下「トータル電流」と呼ぶ）Ｉｔを検出して電圧に変換する第２電流／電圧変換部１３が接続されている。
【００１５】
トラップ電極６は第１バイアス電圧源８によりＶ１なる正電位にバイアスされており、更に、この第１バイアス電圧源８に流れるトラップ電流Ｉｒを検出して電圧に変換する第１電流／電圧変換部９が接続されている。この第１電流／電圧変換部９の電圧出力は誤差増幅器１０の一方の入力端子に入力されると共に、切替スイッチ１４の端子ａに与えられている。誤差増幅器１０の他の入力端子は第２バイアス電圧源１１により接地電位に対してＶ２なる正の電位にバイアスされており、誤差増幅器１０はこの電位Ｖ２と第１電流／電圧変換部９の電圧出力との差に応じた電圧を出力し、制御電圧として加熱電流源７に与える。切替スイッチ１４の端子ｂには第２電流／電圧変換部１３の出力電圧が与えられており、切替スイッチ１４により選択された電圧はＡ／Ｄ変換器１５を介して制御部１６へと入力される。制御部１６はＣＰＵなどを含むマイクロコンピュータ等により構成され、加熱電流源７や切替スイッチ１４を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換器１５から得られる信号を後述のように処理し、表示部１７に対して所定の表示を行わせる。
【００１６】
次いで、上記構成における熱電子流の制御について説明する。ここでは、例えば、第１、第２、第３バイアス電圧源８、１１、１２の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をそれぞれ１０Ｖ、６Ｖ、７０Ｖであるものとする。また、第１、第２電流／電圧変換部９、１３の変換感度は共に１Ｖ／１０μＡであるものとし、トラップ電流Ｉｒの制御目標値は６０μＡであるとする。
【００１７】
加熱電流源７から供給される加熱電流によりフィラメント４が加熱され熱電子（図１中のｅ⁻）が発生すると、フィラメント４とイオン化室１及びトラップ電極６との間の電位差によって熱電子はトラップ電極６に向けて加速される。試料導入管２からイオン化室１内部へ導入された気化試料分子（又は原子）にこの熱電子が接触すると試料分子から電子が飛び出し、該分子はイオン化される。熱電子がトラップ電極６に到達するとこれによりトラップ電流Ｉｒが流れ、このトラップ電流Ｉｒに応じた電圧が第１電流／電圧変換部９で発生し、誤差増幅器１０の一方の入力端子にこの電圧が加わる。
【００１８】
トラップ電流Ｉｒが６０μＡであるとき第１電流／電圧変換部９の出力電圧は６Ｖとなり、誤差増幅器１０の両入力端子間の電圧差は零となり、これに対応して誤差増幅器１０は所定電圧を出力する。トラップ電流Ｉｒが６０μＡよりも少なくなり第１電流／電圧変換部９の出力電圧が６Ｖよりも低下すると、それに応じて誤差増幅器１０は出力電圧を増加させる。逆に、トラップ電流Ｉｒが６０μＡを越えて第１電流／電圧変換部９の出力電圧が６Ｖよりも上昇すると、それに応じて誤差増幅器１０は出力電圧を減少させる。加熱電流源７はこのような電圧の増減に応じて電流値を調整し、誤差増幅器１０の両入力端子間の電圧差が縮小するようにしている。而して、このようなフィードバック制御によって、予め決められたトラップ電流Ｉｒ（ここでは６０μＡ）になるように熱電子の発生量が制御される。
【００１９】
なお、フィラメント４から放出された熱電子の全量がトラップ電極６に到達し得るわけではなく、その一部はイオン化室１の壁面に衝突する。従って、トータル電流Ｉｔは、このようにフィラメント４から発してイオン化室１に到達する熱電子流により流れる電流と、トラップ電流Ｉｒとが加算されたものとなる。
【００２０】
次に、本実施例によるイオン化装置における異常診断処理を図３のフローチャートを参照して説明する。この異常診断処理は、例えばイオン化室１、フィラメント４、トラップ電極６を含むイオン化装置の組立調整の後などに、質量分析装置で所定のキー操作が行われることにより実行するようにしてもよいし、或いは、質量分析装置の起動時に自動的に行うようにしてもよい。
【００２１】
診断が開始されると、まず、制御部１６は、フィラメント４を消灯した状態、つまり加熱電流源７からフィラメント４への加熱電流の供給を停止した状態で（ステップＳ１）、切替スイッチ１４を端子ａ側へ倒し、第１電流／電圧変換部９の出力電圧、つまりトラップ電流Ｉｒに対応する出力電圧を測定する（ステップＳ２）。次に、制御部１６は切替スイッチ１４を端子ｂ側へ倒し、第２電流／電圧変換部１３の出力電圧、つまりトータル電流Ｉｔに対応する出力電圧を測定する（ステップＳ３）。そして、制御部１６は測定されたトラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔ（に対応する電圧）に基づいて第１異常判定処理を実行する（ステップＳ４）。ここでの異常判定処理は次の通りである。
【００２２】
いま、フィラメント４には加熱電流が流れていないから、当然、熱電子は発生せず、正常な状態であれば、トラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔは零になる筈である。しかしながら、フィラメント４がイオン化室１に接触しているという異常があると、フィラメント４はイオン化室１よりも電位が低いから、イオン化室１からフィラメント４に向かって電流が流れ込む。そのため、トータル電流Ｉｔは零よりも大きくなる。一方、トラップ電極６がイオン化室１に接触しているという異常があると、トラップ電極６はイオン化室１よりも電位が高いから、トラップ電極６からイオン化室１に向かって電流が流れ込む。そのため、トラップ電流Ｉｒは零よりも大きくなる。このようなことから、図２の上部に示したように、測定されたトラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔの値を判定し、フィラメント４とトラップ電極６の何れか一方又は両方がイオン化室１に接触しているか、原因不明の異常であるか、或いは正常であるかを判断する。
【００２３】
この第１異常判定処理において正常でないと判断された場合には（ステップＳ５で「Ｎ」）、上述のような異常判定結果に従って予め定められたエラー状態表示を表示部１７に行い、診断処理を終了する。従って、第１異常判定処理で異常が見つかった場合には、フィラメント４には加熱電流が供給されない。
【００２４】
第１異常判定処理において正常であると判断された場合には（ステップＳ５で「Ｙ」）、次に、制御部１６は、加熱電流源７からフィラメント４への加熱電流の供給を行い、フィラメント４を点灯させる（ステップＳ６）。そして、切替スイッチ１４を端子ａ側へ倒し、第１電流／電圧変換部９の出力電圧、つまりトラップ電流Ｉｒに対応する出力電圧を測定する（ステップＳ７）。次に、制御部１６は切替スイッチ１４を端子ｂ側へ倒し、第２電流／電圧変換部１３の出力電圧、つまりトータル電流Ｉｔに対応する出力電圧を測定する（ステップＳ８）。制御部１６は測定されたトラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔ（に対応する電圧）に基づいて第２異常判定処理を実行する（ステップＳ９）。ここでの異常判定処理は次の通りである。
【００２５】
この場合、フィラメント４で熱電子が発生し、上述したようにトラップ電流Ｉｒが所定値になるように加熱電流のフィードバック制御が実行される。従って、正常な状態であれば、トラップ電流Ｉｒは６０μＡ又はそれにきわめて近い値となり、トータル電流Ｉｔは熱電子がイオン化室１に到達して流れる電流が該トラップ電流Ｉｒに加わるため、６０μＡよりも大きな値となる筈である。これに対し、フィラメント４やトラップ電極６の取付位置が適当でないため、フィラメント４で発生した熱電子のうちトラップ電極６に到達する熱電子の割合がかなり低い場合（換言すれば、イオン化室１へ到達する熱電子の割合が高い場合）、誤差増幅器１０はトラップ電流Ｉｒが目標値まで増加するように出力電圧を増加させようとするが、加熱電流源７が最大限の加熱電流をフィラメント４に供給してもトラップ電流Ｉｒは目標値に達しない。従って、トラップ電流Ｉｒは目標値である６０μＡよりも小さくなる。更に、フィラメント４が断線していて加熱電流自体が流れない場合には、トラップ電流Ｉｒもトータル電流Ｉｔも零となる。
【００２６】
このようなことから、制御部１６は、図２の下部に記したように測定されたトラップ電流Ｉｒ及びトータル電流Ｉｔの値を判定し、フィラメント４やトラップ電極６の位置ずれであるか、フィラメント４が断線しているか、原因不明の異常であるか、或いは正常であるかを判断する。なお、実際には、熱電子流のフィードバック制御が正常であっても種々の誤差要因によりトラップ電流Ｉｒは６０μＡになるとは限らないから、６０μＡに対して所定の許容範囲を見込んでトラップ電流Ｉｒがその範囲に収まっており、トータル電流Ｉｔが６０μＡよりも所定値だけ大きな値よりも更に大きい場合に正常であると判断すればよい。
【００２７】
この第２異常判定処理において正常でないと判断された場合には（ステップＳ１０で「Ｎ」）、上述のような異常判定結果に従って予め定められたエラー状態表示を表示部１７に行い（ステップＳ１２）、診断処理を終了する。一方、正常であると判断された場合には（ステップＳ１０で「Ｙ」）、正常である旨の表示を表示部１７に行い（ステップＳ１１）、この診断処理を終了する。勿論、正常である場合には何も表示しない等の適宜の変形は容易に行える。
【００２８】
このように、本実施例によるイオン化装置では、まずフィラメント４に通電しない状態でフィラメント４及びトラップ電極６とイオン化室１との接触の有無を診断することができ、また、そのときに正常であると判断された場合に、フィラメント４に通電を行ってフィラメント４及びトラップ電極６の位置ずれやフィラメント４の断線の有無を診断することができる。従って、フィラメント４又はトラップ電極６とイオン化室１とが接触しているときにフィラメント４への通電を避けることができるので、回路に不所望の過大電流が流れる恐れがなく、無用の損傷を回避することができる。また、従来の質量分析装置と異なり、不具合の原因、つまり異常箇所が具体的にユーザに指示されるので、指示された箇所を点検し、再調整又は交換等の適切な処置を迅速に行うことができる。
【００２９】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜修正や変更を行なえることは明らかである。
【００３０】
例えば、上記実施例は電子衝撃イオン化法を用いたイオン化装置であるが、本発明は、熱電子を発生するためのフィラメントと、この熱電子を捕集するためのトラップ電極を備えたイオン化装置全般に、例えば化学イオン化法を用いたイオン化装置にも適用できる。但し、化学イオン化法によるイオン化装置の場合、一般にイオン化室１の密閉性が高いため、熱電子がイオン化室１を通り抜けてトラップ電極６に到達する割合がもともと小さい。そのため、上述したようなトラップ電流を用いたフィードバック制御は困難で、その代わりにトータル電流を利用したフィードバック制御を行うことになる。
【００３１】
図４は、図１に示したイオン化装置の構成を化学イオン化装置に適用するように変形した例である。この構成では、第１電流／電圧変換部９と第２電流／電圧変換部１３の出力電圧が切替スイッチ１４により選択されて誤差増幅器１０の一方の入力端子とＡ／Ｄ変換器１５とに入力されるようになっている。従って、フィラメント４に加熱電流を供給した状態でトータル電流Ｉｔを測定する際には、このトータル電流Ｉｔが所定値になるように加熱電流がフィードバック制御され、上記実施例と同様の異常診断が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の質量分析装置の一実施例によるイオン化装置の要部の構成図。
【図２】本実施例のイオン化装置における異常診断の判定内容を示す図。
【図３】本実施例のイオン化装置における異常診断処理のフローチャート。
【図４】本発明の質量分析装置の他の実施例によるイオン化装置の要部の構成図。
【符号の説明】
１…イオン化室
２…試料導入管
３…熱電子照射孔
４…フィラメント
５…熱電子出射孔
６…トラップ電極
７…加熱電流源
８、１１、１２…バイアス電圧源
９…第１電流／電圧変換部
１０…誤差増幅器
１３…第２電流／電圧変換部
１４…切替スイッチ
１５…Ａ／Ｄ変換器
１６…制御部
１７…表示部

Claims

真空室内に配設されたイオン化室と、該イオン化室内で気体分子をイオン化するための熱電子を発生するフィラメントと、該フィラメントとの間の電位差により熱電子を加速すると共に、イオン化室内を通過した該熱電子を捕集するトラップ電極とを含むイオン化装置を具備する質量分析装置において、該イオン化装置は、
a)前記トラップ電極に到達した熱電子により流れる電流であるトラップ電流を測定する第１電流測定手段と、
b)前記フィラメントから放射された熱電子により流れる全電流であるトータル電流を測定する第２電流測定手段と、
c)前記トラップ電流又はトータル電流が所定値になるように前記フィラメントに流す加熱電流を制御する電流制御手段と、
d)前記フィラメントに通電せずに前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第１異常診断手段と、
e)前記電流制御手段により所定の制御を行っている状態で前記第１及び第２電流測定手段によりそれぞれ電流値を測定し、その電流値に基づいて異常を判定する第２異常診断手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。