(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微分イオン移動度分光器のための高電界非対称波形装置であって、該装置は、
第１の電極と、
該第１の電極に対して実質的に一定の間隔を有する第２の電極と、
第１の周波数において、かつ、第１の振幅において正弦波形を生成する第１の高電圧波形発生器であって、該第１の波形発生器は、該第１の電極に電気的に接続されており、該第１の周波数値は調節可能であり、該第１の振幅値は調節可能である、第１の高電圧発生器と、
第２の周波数において、かつ、第２の振幅において電気的に正弦波形を生成する第２の高電圧波形発生器であって、該第２の波形発生器は、該第２の電極に電気的に接続されており、該第２の周波数値は調節可能であり、該第２の振幅値は調節可能であり、該第２の周波数値は、該第１の周波数値の高調波である、第２の高電圧波形発生器と、
該波形発生器のうちの少なくとも１つの該位相を調節するように適合された位相調節回路と
を含み、
該第１の高電圧波形および該第２の高電圧波形の適用からの結果である、該第１の電極と第２の電極との間に生成された該電界は、非対称であり、実質的にゼロに等しい時間平均値を有する、
装置。
【請求項２】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続された調節可能な直流電圧源をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の電極および前記第２の電極は、実質的に平面電極である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記波形サイクルの少なくとも一部分に対する、前記第１の電極と第２の電極との間に生成された前記電界の強度は、約５，０００ボルトｃｍ−１より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の周波数は、約６００ｋＨｚより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の周波数は、前記第１の周波数を電気的に２倍することによって得られる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の周波数は、前記第２の周波数を電気的に分割することによって得られる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の周波数は、前記第２の周波数を電気的にフィルタリングすることによって得られる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の波形発生器および前記第２の波形発生器に結合された振幅制御回路をさらに含み、該振幅制御回路は、前記第１の振幅の前記第２の振幅に対する比を実質的に一定の値に維持する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の波形発生器および第２の波形発生器に結合された位相制御回路をさらに含み、該位相制御回路は、前記第１の波形と前記第２の波形との間の相対位相差を、実質的に一定の値に維持する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記２つの電極は、幾何学的に平面である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記２つの電極は、湾曲した幾何学形状に形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の高電圧波形発生器および前記第２の高電圧波形発生器は、単一の高電圧発生器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
微分イオン移動度分光法のための非対称電界を提供する方法であって、該方法は、
第１の電極に、第２の電極に対する実質的に一定の間隔を提供することと、
該第１の電極に、第１の周波数において、かつ、第１の振幅において実質的に正弦波形である第１の高電圧を適用することと、
該第２の電極に、第２の周波数において、かつ、第２の振幅において実質的に正弦波形である第２の高電圧を適用することと、
該第１の周波数値の実質的に高調波である該第２の周波数を選択することと、
該第１の振幅の該第２の振幅に対する比、および該第１の波形と該第２の波形との間の相対的位相差を選択して、該第１の電極と該第２の電極との間に電界を提供することであって、該電界は、非対称であり、実質的にゼロに等しい時間平均値を有する、ことと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記第１の電極または前記第２の電極のうちの少なくとも１つに直流電圧を適用することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に生成された、前記波形サイクルの少なくとも一部分に対する前記電界の強度は、約５，０００ボルトｃｍ−１よりも大きい、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の周波数は、約６００ｋＨｚよりも大きい、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の周波数を電気的に２倍にすることによって、前記第２の周波数を得ることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の周波数を電気的に分割することによって、前記第１の周波数を得ることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の周波数を電気的にフィルタリングすることによって、前記第１の周波数を得ることとさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
感知回路およびフィードバック回路を使用して、前記第１の振幅の前記第２の振幅に対する比を実質的に一定の値に電気的に維持することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
感知回路およびフィードバック回路を使用して、前記第１の波形と前記第２の波形との間の前記相対的な位相差を実質的に一定の値に電気的に維持することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本願は、２００７年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６０／９８６，９０７号の優先権を主張するものである。米国仮特許出願第６０／９８６，９０７号の内容全体が、参照により本明細書に援用されている。
【背景技術】
【０００２】
微分移動度分光器は、ある等級のイオン分光装置であり、高電界移動度の低電界移動度に対する比における差に基づいて、イオンを分離できる。そのような装置は、材料の組成を分析するために有用であり、生命科学の分野（例えば、プロテオミクスと生体有機体に存在する生体分子の生物的機能のモデル化）で、また、科学捜査と国家安全保障（例えば、化学構造あるいは化学的生物的作用物質の存在の検出）で有用な情報を提供できる。
【０００３】
高電界非対称波形イオン質量分光器（ＦＡＩＭＳ）は、イオンの気体に存在するイオン種の分離を提供し得るあるタイプの分光器である。様々な実施形態において、ＦＡＩＭＳは、高電圧信号により励起される平行電極板を含む。イオンは、高電圧信号によって生成された高電界に直角な方向に、平行電極の間の隙間を通り過ぎ、高電界移動度の低電界移動度に対する比における差に基づいて、空間的に分離され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本教示は、例えば微分イオン質量分光法に使用する高電圧非対称波形電源を提供する。様々な実施形態において、本教示の高電圧源は、電極間に、約５，０００ボルトｃｍ−１より大きい電界を生成し、約６００キロヘルツ（ｋＨｚ）より大きい繰り返しレートで動作する非対称波形を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
様々な実施形態において、高電圧非対称電界発生装置は、第１の電極と第２の電極とを含む。第１および第２の電極は、互いに平行に方向付けられるか、あるいは、同心円筒であり、隙間によって分離されている。第１の高電圧波形発生器は、第１の電極に接続され得、第２の高電圧波形発生器は、第２の電極に接続され得る。各波形発生器は、正弦波形を生成でき得る。様々な実施形態において、第１の波形発生器は、第１の周波数および第１の振幅において正弦出力信号を生成し、第２の波形発生器は、第２の周波数および第２の振幅において正弦出力信号を生成する。各波形発生器は、出力波形の振幅および／または周波数の手動制御あるいは電子的にプログラム可能な制御を提供できる。非対称電界発生装置は、波形発生器のうちの少なくとも１つの位相を調節するように適合された位相調節回路を含み得る。動作では、第１の高電圧波形および第２の高電圧波形のそれぞれの電極への適用からの結果である、第１の電極と第２の電極との間に生成された電界は、非対称であり、実質的にゼロに等しい時間平均値を有し得る。様々な実施形態において、電極の間に生成された電界の強度は、約５，０００ボルトｃｍ−１より大きく、約６００キロヘルツより大きい繰り返しレートにおいて変化する。
【０００６】
高電圧非対称電界発生装置は、２つの電極のうちの少なくとも１つに電気的に接続された直流（ＤＣ）電圧電源をさらに含み得る。このＤＣ電源は、電極間の補償ＤＣ電界を提供し得、特定のイオン種の選択を可能にし得る。
【０００７】
様々な実施形態において、電界発生装置は、検知およびフィードバック制御回路網をさらに含み得る。様々な実施形態において、制御回路網は、第２の波形発生器に対する第１の波形発生器の振幅比を感知でき、フィードバック制御を提供して、比を実質的に一定の値に維持する。様々な実施形態において、制御回路網は、第２の波形発生器に対する第１の波形発生器から出力された信号の相対位相差を感知し得、また、フィードバック制御を提供して、位相関係を実質的に一定の値に維持する。
【０００８】
電界発生装置は、電子回路網を含み得て、１つの波形発生器のための周波数を他方の波形発生器から引き出す。例えば、様々な実施形態において、周波数２倍化回路あるいはデバイスが使用され得ることによって、第２の波形発生器に対する発振周波数を第１の波形発生器から提供する。様々な実施形態において、周波数分割回路が使用され得ることによって、第１の波形発生器に対する発振周波数を第２の波形発生器から提供する。様々な実施形態において、ローパス電子フィルタあるいはバンドパス電子フィルタが使用され得ることによって、第１の波形発生器に対する発振周波数を第２の波形発生器から選択する。
【０００９】
様々な実施形態において、微分移動度分光法のための非対称電界を提供するため方法が提供され、実質的に第２の電極に平行な第１の電極、および／または平行円筒電極を提供し、第１の電極に、実質的に正弦波形である、第１の周波数および第１の振幅における第１の高電圧を適用し、第２の電極に、実質的に正弦波形である、第２の周波数および第２の振幅における第２の高電圧を適用する。様々な実施形態において、方法は、第１の周波数値の実質的に高調波である第２の周波数を選択することを含み得る。例えば、ｎを偶数の整数であるとして、第２の周波数は第１の周波数のｎ倍であり得る。様々な実施形態において、方法は、第１の振幅の第２の振幅に対する比、および第１の波形と第２の波形との間の相対位相差を選択することによって、第１の電極と第２の電極との間に、非対称であり実質的にゼロに等しい時間平均値を有する電界を提供する。様々な実施形態において、電極の間に生成された電界強度は、約５，０００ボルトｃｍ−１（Ｖ／ｃｍ）より大きいように選択され、約６００キロヘルツ（ｋＨｚ）の繰り返しレートにおいて変化させられる。様々な実施形態において、電極の間に生成される電界強度は、（ａ）５，０００Ｖ／ｃｍ、（ｂ）７，０００Ｖ／ｃｍ、および／または、（ｃ）１０，０００Ｖ／ｃｍ  のうちの１つ以上よりも概ね大きいように選択され、（ａ）６００ｋＨｚ、（ｂ）２ＭＨｚ、（ｃ）３ＭＨｚ、および／または（ｄ）５ＭＨｚのうちの１つ以上よりも概ね大きい繰り返しレートを有する。
【００１０】
様々な実施形態において、非対称電界を提供するための方法は、その移動度特性に基づいた特定のイオン種の選択のために、２つの電極のうちの少なくとも１つに直流（ＤＣ）電圧を適用して、電極間に補償ＤＣ電界を生成する。
【００１１】
様々な実施形態において、非対称電界を提供するための方法は、検知およびフィードバック制御信号をさらに含む。様々な実施形態において、制御回路網は使用されることによって第２の波形発生器に対する第１の波形発生器の振幅の比を感知し、また、フィードバック制御を提供することによって、比を実質的に一定の値に維持する。様々な実施形態において、制御回路網が使用されることによって、第１の波形発生器からの信号出力と第２の波形発生器に関する相対位相差を感知し、フィードバック制御を提供することによって位相関係を実質的に一定の値に維持する。
【００１２】
様々な実施形態において、非対称電界を提供するための方法は、１つの波形発生器のための周波数を他方の波形発生器から引き出すことを含む。様々な実施形態において、周波数２倍回路あるいはデバイスが使用され得ることによって、第２の波形発生器の発振周波数を第１の波形発生器から生成する。様々な実施形態において、周波数分割回路が使用され得ることによって、第１の波形発生器の発振周波数を第２の波形発生器から生成する。様々な実施形態において、ローパス電子フィルタあるいはバンドパス電子フィルタが使用され得ることによって、第１の波形発生器の発振周波数を第２の波形発生器から選択する。
【００１３】
本教示の上述のおよび他の局面、実施形態および特徴が、添付の図面と共に、以下の記述からより完全に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本明細書に記述される図面は、例示目的のためのみである。図面において、同様な参照記号は、概して同様な特徴、機能的に同様なおよび／または構造的に同様な要素を示す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明する上で、正しく配置される代わりに強調されている。図面は、どのような方法であれ、本教示の範囲を限定することを意図されていない。
【図１】図１は、２つの仮定的イオンに対する電界強度の関数としてのイオン移動度のプロットである。
【図２Ａ】図２Ａは、非対称時間変動電界の実施形態を表わす。波形２１２の部分は、高い電界強度
【化１】
0005443374.tif 000002
を有しており、２１４の部分は、低い電界強度
【化２】
0005443374.tif 000003
を有している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、非対称時間変動電界の実施形態を表わす。
【図２Ｃ】図２Ｃは、非対称時間変動電界の実施形態を表わす。
【図３】図３は、図４Ａ−４Ｂに図示された装置の電極に適用された２つの高電圧信号のプロットを表わす。振幅および相対位相の調節は、この例では、電極４１５、４２５の間に非対称電界を生成するために使用され、非対称電界は、図２Ｂあるいは図２Ｃに概略が示されているような時間変動をしている。
【図４Ａ】図４Ａは、高電圧非対称電界発生装置の１つの実施形態の立面図の例示である。２つの波形発生器からの高電圧信号は、各電極に適用される。電極間の結果の電界は、時間および強度において非対称な様子で変化する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、高電圧非対称電界発生装置の１つの実施形態の立面図の例示である。２つの波形発生器からの高電圧信号は、各電極に適用される。電極間の結果の電界は、時間および強度において非対称な様子で変化する。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａ−４Ｂに図示された装置の電極を励起するための高電圧信号を提供する電子回路の実施形態のブロックダイアグラムを表わす。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａ−４Ｂに図示された装置の電極を励起するための高電圧信号を提供する電子回路の実施形態のブロックダイアグラムを表わす。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４Ａ−４Ｂに図示された装置の電極を励起するための高電圧信号を提供する電子回路の実施形態のブロックダイアグラムを表わす。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図４Ａ−４Ｂに図示された装置の電極を励起するための高電圧信号を提供する電子回路の実施形態のブロックダイアグラムを表わす。
【００１５】
本発明の特徴および利点は、図面と共に取られる場合に、以下に示される詳細な記述からより明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書に表わされた教示は、時間変動する、非対称な、例えば微分移動度分光法に有益な高い値の電界を提供するための装置および方法の様々な局面に属する。様々な実施形態において、高い電界は、２つの波形発生器から２つの実質的に平行な電極に、正弦高電圧波形を適用することによって生成される。正弦波形は、同期された、振幅が選択された、電極間に望まれる非対称な時間変化する電界を生成するように制御可能に変化する、２つの波形の間の相対位相差であり得る。様々な実施形態において、５，０００ボルトｃｍ−１より大きいピーク電界値は、約６００キロヘルツ（ｋＨｚ）の繰り返しレートにおいて生成され得る。電極間を横切って進行するイオンは、それらの微分高電界移動度および低電界移動度に従って分離され得る。
【００１７】
異なるタイプのイオンは、高電界および低電界の存在において異なるイオン移動度を示し得、これらの効果はイオンを分離するために、あるいは特定のイオンを選択するために使用され得る。理解の目的に対して、図１は、２つの非線形イオン移動度曲線１１０および１２０を表わす例示的プロットである。各曲線は、固定圧力における特定のイオン種に対する電界の関数として、イオン移動度の挙動を表わす。当該分野で理解されているように、電界から獲得された（しばしば、「場のエネルギ」と言われる）平均イオンエネルギを決定する関数パラメータは、圧力（ｐ）あるいは気体の数密度（Ｎ）によって割られた電界強度（Ｅ）、つまり、それぞれＥ／ｐあるいはＥ／Ｎである。イオン移動度対電界強度のプロットは、当該分野においてよく理解された慣例であり、説明の利便性および簡明性のために本明細で使用され得る。従って、電界強度を増加することによって電界エネルギを増加することは、また、気体圧力を（また、従って数密度を）下げることによって、あるいは、電界強度を上げて気体圧力を下げることの両方の組み合わせによって、達成され得る。この理由で、タウンゼント単位つまりＥ／Ｎの用語で電界の強度を議論することは利便性があり、それによって、大気圧において、窒素分子の数密度は、２９５°Ｋにおいて２．５×１０１９分子／ｃｍ３である。従って、５０００Ｖ／ｃｍの電界は、約２×１０−１６Ｖｃｍ２×（１×１０１７Ｔｄ）＝２０Ｔｄとなる。
【００１８】
再び、図１を参照して、様々な実施形態において、示されるように、曲線は上向きに折れ曲がるよりも下向きに折れ曲がるか、あるいは、これらは反対方向に折れ曲がる。曲線の非線形特性は、イオンの移動度が、高電界エネルギにおいては、電界エネルギに線形には比例しないことを表わす。例えば、曲線１１０および１２０に各々に対して、１０ｋＶｃｍ−１内の電界におけるイオンの移動度は、５ｋＶｃｍ−１の電界におけるイオンの移動度の値の２倍より大きい。曲線が下向きに折れ曲がるとすると、例えば、高電界におけるイオンの移動度は、高電界の値の半分を有する電界における移動度の２倍よりも小さい。イオン対イオンからのイオン移動度曲線における差と組み合わされた非線形特性は、イオンに、高い値の、非対称な、時間変動する電界を受けさせることによって、イオンの分離のために使用され得る。
【００１９】
図２Ａ−２Ｃは、非対称時間変動電界の例示的プロットである。様々な実施形態において、これらのタイプの電界は、高電界非対称波形イオン移動度分光器（ＦＡＩＭＳ）において、イオンを分離するために使用される。ＦＡＩＭＳ装置に使用され得る装置の様々な実施形態が、図４Ａに図示されている。様々な実施形態において、図２Ａ−２Ｃで示されたものと同様である電界は、装置の中の平行なあるいは円筒の電極４１５および４２５の間に生成され、イオンは電極の間を図に例示されているｘ方向に進行する。これらは電極間を進行するので、イオンは時間変動電界を受ける。
【００２０】
ここで、図２Ａを参照すると、方形波タイプの波形が示されている。この例では、電界は高電界値
【化３】
0005443374.tif 000004
と低電界値
【化４】
0005443374.tif 000005
との間で、約０．７５マイクロ秒のサイクル周期で変化する。この周期は、約１．３３３メガハルツ（ＭＨｚ）の周波数あるいは繰り返しレートに対応する。様々な実施形態において、繰り返しレートは約６００ｋＨｚより大きいか、約２ＭＨｚより大きいか、および／または約５ＭＫｚより大きいかのうちの１つ以上であり得る。様々な実施形態において、プロットに１．００で基準化されて示された電界のピーク振幅は、５，０００Ｖｃｍ−１より大きいか、１０，０００Ｖｃｍ−１より大きいか、および／または約１５，０００Ｖｃｍ−１より大きいかのうちの１つ以上であり得る。
【００２１】
図２Ａに示された波形は、その時間平均値がゼロであるという意味において、追加の特性を有している。これは、数学的には、次のように表わされ得る。
【化５】
0005443374.tif 000006
ここで、Ｔは、波形の周期であり、Ｅ（ｔ）は，時間の関数としての電界の値である。グラフ的には、波形の正の部分の間のこの特性の影付部分２１２は、波形の負の部分の間の領域２１４の面積に等しい面積を有することを意味する。様々な実施形態において、波形のこの特性は、電極４１５および４２５の間を進行する場合、イオンを実質的に減少する、あるいはイオンが元の軌跡から遠く離れて偏移することを防ぐように働く。
【００２２】
非線形イオン移動度曲線を有するイオンは、図２Ａの時間変動電界を受ける場合、２つの電界値
【化６】
0005443374.tif 000007
が曲線の非線形部分をまたぐとすると、電界エネルギの関数として、正味の運動あるいは正味のドリフトを受ける。例えば、
【化７】
0005443374.tif 000008
の場合、図１に１１０として例示された移動度曲線を有するイオンは、波形の−５ｋＶ／ｃｍの部分の間に反対方向に進行するよりも波形の１０ｋＶ／ｃｍの部分の間に１つの方向にさらに多く進行する。これらの電界エネルギにおいてイオンが一定の移動度を有する場合、どの正味の運動あるいはドリフトも、非対称波形をもたらさない。比較すると、例えば、異なるイオン移動度曲線１２０を有するイオンは、同じ波形を受ける場合であっても、異なる量の正味運動あるいはドリフトを受け得、これは、これらの２つのタイプのイオンを分離するために使用され得る。分離がイオン移動度に基づくので、同じ質量電荷比であるが異なる立体配座の（例えば、線形対分岐の）２つのイオンが、例えば分離され得ることを理解すべきである。
【００２３】
図２Ｂ−２Ｃは、微分イオン移動度分光法のための本教示の様々な実施形態において有益な非対称の時間変動する電界波形２２０、２３０の非限定例を例示する。波形の多様性は、調査中のイオンに対するイオン移動度曲線の実質的に非線形部分をまたぐ最大正方向の値および最大負方向の値を有する波形を含むが、それに限定されない本教示において有益である。様々な実施形態において、波形は、また、様々な実施形態において、小さな正の値あるいは負の値のオフセットが波形に加えられるが、近似的にゼロに等しい時間平均値を有し得る。
【００２４】
再び図４Ａを参照すると、電界エネルギの関数として異なるイオン移動度曲線を有する、電極４１５と４２５との間で＋ｘ方向に進行する異なるタイプのイオンは、図２Ａ−２Ｃに例示された高い値の、時間変動する電界を受ける場合、異なる量の正味ドリフトを±ｙ方向に受ける。正味ドリフトの方向は、イオン電荷、高電界移動度と低電界移動度との関係、および、例えば、
【化８】
0005443374.tif 000009
が＋ｙあるいは−ｙのいずれに沿う方向を示すかの、適用された電界の方向とに依存する。小さな電界バイアスあるいはオフセットの適用は、選択されたイオン種に対する正味ドリフトの打ち消しのために使用され得る。様々な実施形態において、選択されたイオン種は、小さなＤＣバイアスの適用によって「平衡された」状態に配置されており、電極と衝突することなしに、電極アセンブリを通り過ぎる。様々な実施形態において、ＤＣバイアスは、１つの電極に直接適用され得る。様々な実施形態において、ＤＣオフセットは、電極に加えられる非対称波形に適用され得る。
【００２５】
方形波タイプの波形（例えば、図２Ａに図示されたような）を作り出すことは、駆動回路網上に配置された電力およびバンド幅の要請があるので、高電圧、高スピード適用に対して実装することがしばしば困難である。ＦＡＩＭＳ装置の電極アセンブリのような、大容量負荷を駆動する場合に、さらなる複雑さが生じる。
【００２６】
図２Ｂ−２Ｃに示されたタイプの非対称の電界波形は、２つの電極４１５および４２５に適用された２つの実質的に正弦波の電圧波形（例えば、図３に示された波形３１０および３２０）の重ね合わせによって、発生され得る。様々な実施形態において、１つの電圧波形３２０は、他の電圧波形３１０の高調波である。様々な実施形態において、１つの波形は、他方の波形の第２高調波である。様々な実施形態において、高調波関係を有する２つより多い波形が電極に適用され得る。適用された電圧波形３１０と３２０との間の相対的位相差を選択することによって、また、各波形の振幅を選択することによって、所望の特性を有する非対称な電界波形が電極間に生成され得る。
【００２７】
数学的には、電極間の電界は、次の様に表わされる。
【化９】
0005443374.tif 000010
ここで、Ｖａ（ｔ）は、１つの電極４１５に加えられた高電圧波形３１０であり、Ｖｂ（ｔ）は、他の電極４２５に加えられた高電圧波形３２０であり、Ｇは電極間の間隔である。２つの高電圧波形は、次の様に表わされ得る。
【化１０】
0005443374.tif 000011
ここで、Ａａ、Ａｂは、波形の振幅を表わし、νａ、νｂは、波形の周波数を表わし、φａ、φｂは、波形の位相を表わす。２つの電圧波形間の相対的位相差は、φｒ＝φａ−φｂとして表わされる。様々な実施形態において、所望の非対称電界波形Ｅ（ｔ）は、十分な数のパラメータＡａ、Ａｂ、φａ、φｂおよび、Ｇを制御可能に変化することによって生成され得る。
【００２８】
様々な実施形態において、波形Ｖａ（ｔ）およびＶｂ（ｔ）は、例えば、歪んだ正弦波、歪んだ余弦波、フィルタリングされた整流波形、あるいは、クリップされた波形等の、純粋な正弦波あるいは、余弦波ではない周期信号である。様々な実施形態において、電圧波形の振幅Ａａ、Ａｂは、約５００ボルトより大きい、約１，０００ボルトより大きい、また、約２，０００ボルトより大きい。電圧波形間の相対的位相差φｒは、約０ラジアンと２πラジアンとの間の任意の値であり得る。様々な実施形態において、νｂ＝２νａであり、νａは、約６００ｋＨｚより大きい、約２ＭＨｚより大きい、また、約５ＭＨｚより大きい。電極間の間隔Ｇは、約０．２５ミリメータと約５ミリメータとの間の任意の値であり得る。
【００２９】
図４Ａ−４Ｂは、微分移動度分光法のための高電界非対称波形装置４００の実施形態を、簡単化したフロックダイアグラム形式で図示している。動作では、時間変動する、非対称の電界４６１および４６２が、２つの電極４１５と４２５との間で生成される。イオンは、時間変化する電界の方向に直角な電極間をｘ方向に沿って進行する。高値の、時間変化する非対称電界は、ｙ方向におけるイオンの正味ドリフトを伝える。様々な実施形態において、１つの高電圧波形発生器４１０は、１つの電極４１５を駆動し、一方、第２の高電圧波形発生器４２０は、第２の電極４２５を駆動する。電極は、例えば、平行ストリップ電極、平行平板電極、同心円筒、湾曲要素等であり得る。補助直流（ＤＣ）電源４３０は、合算回路デバイス４４０によって１つの発生器４２０からの出力に加えられて、電界４６１に実質的に一定なＤＣバイアスあるいはオフセットを適用する。様々な実施形態において、ＤＣ電源４３０からの出力は、電極４１５あるいは４２５のうちの１つに直接加えられる。ＤＣバイアスが使用され得て、例えば、選択されたイオン種を電極間の「平衡した」状態に配置することによって、そして、選択されたイオン種は、電極を実質的にドリフトなしでｙ方向に通り過ぎる。様々な実施形態において、ＤＣ電源からの電圧は、約０ボルトと約５００ボルトとの間で、制御可能に変化可能である。２つの高電圧波形ドライバ４１０および４２０と、ＤＣ電源４３０とは、共通接地部４９０を共有する。回路要素および電極は、高速信号を運ぶのに適切な電気ケーブル４５０によって接続され得る。様々な実施形態において、ケーブルのいくつかは、高電圧動作に適合した５０オームのＢＮＣケーブルである。
【００３０】
図４Ｂは、高電圧波形安定化を組み込んでいる様々な実施形態を図示する。例えば、１つのドライバ４１０からの波形は、感知され、そして、他のドライバ４２１にフィードバックされる。様々な実施形態において、内部あるいは外部回路網は、少なくとも１つの波形ドライバ４１０の振幅および位相を監視して、実質的に一定の、２つの波形の間の相対位相差φｒを維持する、および／または、２つの波形に対して実質的に一定のピーク振幅比Ｖａ（ｐｋ）／Ｖｂ（ｐｋ）維持する。
【００３１】
様々な実施形態において、高電界非対称波形装置に対する回路構成部品が、図５Ａ−５Ｄに示されている。図５Ａを参照すると、局部発振器５０５が使用され得て、正弦波信号を生成する。発振器からの出力の一部分は、第１の高電圧ドライバ５１０によって増幅され得て、１つの電極４１５に適用される。局部発振器からの出力の一部分は、第２の高電圧ドライバ５２０による増幅の前に、また、第２の電極４２５への適用の前に、周波数変換器５０７を通ってフィードされ得、２つのドライバの間の周波数関係を規定し維持することを容易にする。ドライバ５１０および５２０は、共通接地部４９０を共有する。周波数変換器５０７は、局部発振器５０５からの周波数を２倍にするか、半分にする等のために使用され得る。例えば、変換器５０７は、２倍された周波数を提供し得る、ＡＣ結合のフィルタされた全波整流器を含み得る。例えば、変換器５０７は、ｎ＝２である、ｎ分割の回路構成部品を含み得、あるいは、局部発振器の周波数の約半分の遮断周波数を有するローパスフィルタを含み得る。様々な実施形態において、高電圧ドライバ５１０および５２０は、内部回路網を各々有しており、出力波形の振幅および位相を調節することを可能にする。
【００３２】
図５Ｂ−５Ｃは、高電界非対称波形装置の様々な実施形態を図示しており、ここでは、１つの高電圧ドライバ５１２は内部局部発振器を含む。発振器からの出力波形の一部分は、周波数変換器５０７を通り、外部位相調節デバイス５３０、５３３、を通って、第２のドライバ５２２にフィードされ得る。外部位相調節構成部品は、４１５および４２５に適用された２つの高電圧波形の間の相対的位相差を、約０ラジアンから約２πラジアンの間の範囲内に設定するために使用され得る。高電圧合算回路４４０およびＤＣ電源４３０は、電極４１５と４２５との間に現れる電界に、オフセットあるいはＤＣバイアスを提供するために使用され得る。
【００３３】
様々な実施形態において、波形安定回路網が、図５Ｃに模式的に図示されているように、高電界非対称波形装置の中に組み込まれる。様々な実施形態において、位相検出回路デバイス５４０は、電極４１５および４２５に適用される各出力高電圧波形の位相を感知し、比較し、信号を位相調節デバイス５３３にフィードバックすることにより、２つの高電圧波形の間の実質的に一定な相対位相差φｒを維持する。様々な実施形態において、振幅検出回路デバイス５５０は、各高電圧波形のピーク振幅を感知し比較し、信号を少なくとも１つの高電圧ドライバ５２２にフィードバックして、２つの高電圧波形の間の実質的に一定なピーク振幅比Ｖａ（ｐｋ）／Ｖｂ（ｐｋ）を維持する。様々な実施形態において、位相および振幅の検出および比較は、１つのデバイス内で実行され得る。
【００３４】
図５Ｄは、高電界非対称波形装置の様々な実施形態を図示しており、高電界非対称波形装置は、クロック源５０６、パルス幅変調器５１３および５２３、電力増幅器５１４および５２４と、タンク回路５１５および５２５とを組み込んでおり、各電極に対して高電圧波形を生成する。様々な実施形態において、振幅の基準値が、安定化電源５０１、５０２によって設定され、安定化電源は、ピーク振幅比較器５５１、５５２のための規準信号をそれぞれ提供する。ピーク振幅比較器への他の入力は、電極４１５、４２５に適用される高電圧波形をサンプリングする位相およびピーク振幅センサ５４５、５４６から引き出され得る。ピーク振幅比較器からの出力は、パルス幅変調器５１３および５２３にフィードされ、変調器からの電圧波形振幅を実質的に一定な所定の値に維持するために使用され得る。電圧波形の間のピーク振幅比は、安定化電源５０１、５０２を調節することによって、設定され得る。
【００３５】
各パルス幅変調器５１３、５２３に対する発振周波数は、単一のクロック源５０６から引き出され得る。様々な実施形態において、クロック源からの周波数出力は、基準クロック信号をパルス幅変調器５１３に提供する前に、周波数変換器５０７において２で除される。様々な実施形態において、クロック源５０６からの周波数出力は、規準クロック信号をパルス幅変調器５２３に提供する前に、位相調節デバイス５３３にフィードされる。
【００３６】
様々な実施形態において、パルス幅変調器５１３、５２３からの出力は、電力増幅器５１４、５２４にフィードされ、電力増幅器５１４、５２４は、２つの別々のタンク回路５１５、５２５を駆動する。タンク回路は、誘導性要素および容量性要素を含み得、タンク回路は、電気エネルギを格納し、電極４１５および４２５を駆動するための全体の電力要求を減少する。タンク回路内の誘導性および容量性の値は、それらの共振周波数特性が、各パルス幅変調器において確立された駆動周波数に実質的に等しいように選択され得る。様々な実施形態において、２つのＤＣ電源４３１、４３２は、各タンク回路からの高電圧波形に、オフセットあるいはバイアスを提供するために使用され得る。
【００３７】
様々な実施形態において、各タンク回路５１５、５２５からの高電圧出力は、ピーク振幅および位相感知回路デバイス５４５、５４６により、それぞれサンプリングされる。感知された振幅値は、振幅比較器５５１、５５２にフィードバックされて、実質的に一定なピーク振幅比Ｖａ（ｐｋ）／Ｖｂ（ｐｋ）を維持する。例えば、デバイス５４５において検出されるような、低周波数波形の位相は、位相比較器５４２に直接フィードバックされ得る。高周波数波形に対しては、サンプリングされた信号は、位相検出の前に、第２の変換器５０７によって半分にされ得る。検出された位相は、そして、位相比較器５４２にフィードバックされ得る。位相基準源５０３からの相対的位相差基準値は、また、比較器５４２に適用され得る。位相基準源５０３からの相対的位相差基準値は、また、比較器５４２に提供され得る。位相比較器からの出力は、実質的に一定な、電極４１５、４２５に適用される２つの高電圧信号の間の相対的位相差を維持するように、位相調節デバイス５３３に適用され得る。様々な実施形態において、２つの位相比較器が１つの位相比較器の代わりに使用され得る。例えば、第１の位相比較器は、２つのデバイス５４５、５４６から検出された位相を比較し得、その出力が第２の比較器にフィードされる。第２の位相比較器は、その第２の入力として、位相基準源５０３からの出力を受信し得て、その出力を位相調節デバイス５３３にフィードし得る。
【００３８】
本教示が様々な実施形態および例と共に記述されてきたが、本開示はそのような実施形態あるいは例に限定されることを意図されてはいない。例えば、実施形態は、ＦＡＩＭＳのための駆動電極を対象にしてきたが、同等な装置が電子光学装置内の電極を駆動するために有益であり得る。例示された本教示は、平面的微分移動度デバイスによって例示されてきたが、これらの原理が円筒および他の湾曲した幾何構成に適用することは、当業者には明らかであろう。それに対して、当業者には容易に理解できるように、本教示は、様々な代替、修正、および均等物を囲む。
【００３９】
特許、特許出願、文献、本、論文、およびウェブページを含むがそれらに限定はされない、本願に引用されたすべての文章および同様な材料は、そのような文献および同等な材料の形式に拘わらず、参照によりそれらの全体が援用されている。１つ以上の援用された文献および同等な材料が、規定された用語、用語使用、記述された技術等を含むがそれに限定はされない本出願から異なっている場合、あるいは本願を否定する場合、この出願が制御する。
【００４０】
本明細書に使用された節の表題は、組織的目的のみのためであり、どのように記述されていても、対象項目を限定するとは解釈されるべきではない。
【００４１】
特許請求範囲は、その効果に言及していない限り、記述された順序あるいは要素に限定されると読まれるべきではない。形式上あるいは詳細における様々な変更が、添付の特許請求の範囲と精神から外れることなく、当業者によってなされ得ることが理解されるべきである。以下の特許請求範囲および均等物の範囲と精神内にあるすべての実施形態がここに主張される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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