(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析装置において、
チャンバを備え、
前記チャンバに荷電粒子を導入するための導入装置を備え、
荷電粒子に作用を及ぼす少なくとも１つのフィールドを生成するためのフィールド生成装置を備え、
前記少なくとも１つのフィールドは周方向トラッピング作用成分を有しており、該周方向トラッピング作用成分は、該周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成され回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を延在する少なくとも１本のチャネルを形成し、前記フィールド生成装置は更に、前記回転軸心を中心として該周方向トラッピング作用成分を回転させるように構成されており、該質量分析装置の使用中に、荷電粒子が該周方向トラッピング作用成分によって周方向に拘束されて前記少なくとも１本のチャネルの中に閉じ込められ該周方向トラッピング作用成分と共に回転させられることにより、荷電粒子に遠心力が作用するようにしてあり、
前記少なくとも１つのフィールドは径方向バランシング作用成分を有しており、該径方向バランシング作用成分は、少なくとも前記少なくとも１本のチャネルの近傍領域において、その強度が前記回転軸心を中心とした径方向位置に関して単調増加しており、それによって、該質量分析装置の使用中に、前記遠心力と該径方向バランシング作用成分との複合影響下において荷電粒子が前記少なくとも１本のチャネルの中をそのチャンバに沿って移動し、もって、荷電粒子がその電荷質量比に応じて１つまたは複数の荷電粒子軌道を形成するようにしてあり、
少なくとも１つの荷電粒子軌道を検出するための検出装置を備える、
ことを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドにより提供され、前記径方向バランシング作用成分は径方向バランシング用フィールドにより提供されることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドにより提供され、前記径方向バランシング作用成分は該周方向トラッピング用フィールドの成分であることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項４】
前記エネルギミニマム部は、周方向トラッピング作用成分の強度が実質的にゼロになる位置に対応しており、また好ましくは前記周方向トラッピング作用成分のゼロクロス点に対応しており、該ゼロクロス点は、該ゼロクロス点の一方の側では第１方向であり該ゼロクロス点の他方の側では前記第１方向に対して逆方向の第２方向であるところの点であることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項５】
前記フィールド生成装置は、前記チャンバ内の前記回転軸心を中心とした部分角度領域にのみ前記周方向トラッピング作用成分を生成するようにしてあることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項６】
前記周方向トラッピング用フィールドは電界であることを特徴とする請求項２又は３記載の質量分析装置。
【請求項７】
前記フィールド生成装置は周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリを備えており、該周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、複数本のトラッピング電極または複数個のトラッピング電極要素と、前記複数本のトラッピング電極のうちの少なくとも幾つかまたは前記複数個のトラッピング電極要素のうちの少なくとも幾つかに電圧を印加するように構成された電圧源とを備えていることを特徴とする請求項６記載の質量分析装置。
【請求項８】
前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、前記回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を延在する少なくとも２本のトラッピング電極を備えており、好ましくはそれらトラッピング電極は、前記回転軸心を中心としたそれらトラッピング電極の間の角度間隔が等間隔とされていることを特徴とする請求項７記載の質量分析装置。
【請求項９】
前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、各々が前記回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を夫々の経路に沿って延在する少なくとも２列のトラッピング電極要素アレイを備えており、好ましくはそれらトラッピング電極要素アレイは、前記回転軸心を中心とした角度間隔が等間隔とされていることを特徴とする請求項７記載の質量分析装置。
【請求項１０】
前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、前記回転軸心と前記チャンバの周縁部との間に２次元的に配設された複数個のトラッピング電極要素から成るトラッピング電極要素アレイを備えており、好ましくは前記複数個のトラッピング電極要素は、直交格子パターン、六方格子パターン、細密充填パターン、または、同心円パターンを成すように配列されていることを特徴とする請求項７記載の質量分析装置。
【請求項１１】
前記トラッピング電極または前記トラッピング電極要素は、高電気抵抗のポリマーまたはシリコンから成ることを特徴とする請求項７記載の質量分析装置。
【請求項１２】
前記径方向バランシング作用成分は、前記チャンバの複数の部分角度領域のうちの、少なくとも１つの第１部分角度領域においてはその作用方向が第１方向であり、少なくとも１つの第２部分角度領域においてはその作用方向が第１方向とは逆方向の第２方向であり、前記第１部分角度領域及び前記第２部分角度領域は、前記周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成される第１チャネル及び第２チャネルに該当する領域であることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項１３】
前記径方向バランシング用フィールドは磁界であることを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。
【請求項１４】
前記フィールド生成装置はマグネットアセンブリを備えており、該マグネットアセンブリは、該マグネットアセンブリの互いに対向する磁極の間に前記チャンバが配設されるように構成されていることを特徴とする請求項１３記載の質量分析装置。
【請求項１５】
前記径方向バランシング用フィールドは電界であることを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。
【請求項１６】
前記フィールド生成装置は、前記チャンバに近接して配設された少なくとも１つのバランシング電極を備えた径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリを備えており、該バランシング電極は、該バランシング電極に電圧が印加されたときに、フィールド強度が径方向位置に関して単調増加する径方向バランシング用フィールドを生成する形状に形成されていることを特徴とする請求項１５記載の質量分析装置。
【請求項１７】
前記フィールド生成装置は、前記回転軸心に対して同心的に配設され誘電体により互いに絶縁された複数のリング形電極を備えた径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリと、前記複数のリング形電極に個別に電圧を印加する電圧源とを備えていることを特徴とする請求項１５記載の質量分析装置。
【請求項１８】
前記径方向バランシング作用成分は、周方向トラッピング用フィールドの成分であり、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、前記トラッピング電極上の電圧又はトラッピング電極要素アレイが、前記回転軸心側の該トラッピング電極又はアレイの端部と前記チャンバの周縁部側の該トラッピング電極の端部との間で位置に応じて変化しているようにすることで、フィールド強度が径方向位置に関して単調増加する径方向バランシング用フィールドを生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１２記載の質量分析装置。
【請求項１９】
前記検出装置は、少なくとも１つの荷電粒子軌道の軌道半径を測定するように構成されているか、又は１つまたは複数の所定半径を有する荷電粒子軌道を検出するように構成されているか、又は１つまたは複数の荷電粒子軌道から荷電粒子を収集するための収集装置から成ることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
【請求項２０】
質量分析方法において、
チャンバに荷電粒子を導入するステップを含み、
周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを有し荷電粒子に作用を及ぼす少なくとも１つのフィールドを生成するステップであって、前記周方向トラッピング作用成分は、該周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成され回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を延在する少なくとも１本のチャネルを形成し、前記径方向バランシング作用成分は、少なくとも前記少なくとも１本のチャネルの近傍領域において、その強度が前記回転軸心を中心とした径方向位置に関して単調増加しているようにする、フィールド生成ステップを含み、
前記回転軸心を中心として該周方向トラッピング作用成分を回転させ、それによって、荷電粒子が該周方向トラッピング作用成分によって周方向に拘束されて前記少なくとも１本のチャネルの中に閉じ込められ該周方向トラッピング作用成分と共に回転させられることにより、荷電粒子に遠心力が作用するようにし、更に、前記遠心力と前記径方向バランシング作用成分との複合影響下において荷電粒子が前記少なくとも１本のチャネルの中をそのチャネルに沿って移動し、もって、荷電粒子がその電荷質量比に応じて１つまたは複数の荷電粒子軌道を形成するようにするステップを含み、
少なくとも１つの荷電粒子軌道を検出するステップを含む、
ことを特徴とする質量分析方法。
【請求項２１】
前記周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドにより提供され、前記径方向バランシング作用成分は径方向バランシング用フィールドにより提供されるようにすることを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２２】
前記周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドにより提供されるようにし、前記径方向バランシング作用成分は該周方向トラッピング用フィールドの成分であるようにすることを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２３】
前記チャンバ内の前記回転軸心を中心とした部分角度領域にのみ前記周方向トラッピング作用成分が生成されるようにすることを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２４】
前記周方向トラッピング用フィールドは電界であることを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２５】
前記径方向バランシング用フィールドは磁界であることを特徴とする請求項２１又は２２記載の質量分析方法。
【請求項２６】
前記径方向バランシング用フィールドは電界であることを特徴とする請求項２１又は２２記載の質量分析方法。
【請求項２７】
荷電粒子が運動しているときに前記径方向バランシング作用成分の強度及び／または形状を変化させることにより荷電粒子軌道の軌道半径に調節を加えるステップを更に含むことを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２８】
少なくとも１つの荷電粒子軌道を検出する前記検出ステップは、少なくとも１つの荷電粒子軌道の軌道半径を測定するステップと、１つまたは複数の所定径方向位置において荷電粒子を検出するステップと、１つまたは複数の荷電粒子軌道から粒子を回収するステップの何れか１つのステップから成ることを特徴とする請求項２０記載の質量分析方法。
【請求項２９】
複数の荷電粒子が混在している試料中の荷電粒子を類別する方法において、
複数の荷電粒子が混在している試料をチャンバの中へ導入するステップと、
請求項２０記載の方法を実行するステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子類別方法。
【請求項３０】
荷電粒子の質量を測定する方法において、
荷電粒子の試料をチャンバの中へ導入するステップと、
請求項２０記載の方法を実行するステップと、その際に、前記検出するステップが、少なくとも１つの荷電粒子軌道の半径を測定するステップを含み、
少なくとも１つの軌道半径測定値に基づいて荷電粒子の質量を算出するステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子質量測定方法。
【請求項３１】
荷電粒子の質量を測定する方法において、
荷電粒子の試料をチャンバの中へ導入するステップと、
請求項２０記載の方法を実行するステップと、その際に、前記検出するステップが、１つまたは複数の所定径方向位置の荷電粒子を検出し、該荷電粒子が運動しているときに前記径方向バランシング作用成分の強度及び／または形状を変化させることにより荷電粒子軌道の軌道半径に調節を加えるステップを含み、
前記径方向バランシング作用成分の変化量と前記所定径方向位置とに基づいて荷電粒子の質量を算出するステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子質量測定方法。
【請求項３２】
所与の検出対象粒子を検出する粒子検出方法において、
粒子の試料をチャンバの中へ導入するステップと、請求項２０記載の方法を実行するステップと、を含み、
前記検出するステップが、１つまたは複数の所定径方向位置の荷電粒子と、少なくとも１つの前記所定径方向位置を前記検出対象粒子の既知質量に対応した径方向位置として、前記検出対象粒子が存在することを示す、前記少なくとも１つの所定径方向位置における荷電粒子とを検出するステップを含むことを特徴とする粒子検出方法。
【請求項３３】
複数の粒子が混在している試料中から所与の抽出対象粒子を抽出する粒子抽出方法において、
複数の粒子が混在している試料をチャンバの中へ導入するステップと、請求項２０記載の方法を実行するステップと、を含み、
前記検出するステップが、前記抽出対象粒子の質量に基づいて決定された軌道半径を有する選択された荷電粒子軌道から粒子を抽出するために、１つまたは複数の荷電粒子軌道から荷電粒子を収集するステップを含むことを特徴とする粒子抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子の検出を電荷質量比に基づいて行う質量分析装置及び質量分析方法に関する。ここに開示する技法は数多くの用途を有するものであり、それら用途のうちには、例えば、混在している多種の粒子の類別、粒子種の特定、物質の検出、それに物質の精製などが含まれる。
【背景技術】
【０００２】
質量分析方法は、電荷を付与した粒子（荷電粒子）に電界及び／または磁界を利用して操作を加え、それによって荷電粒子の電荷質量比（ｑ／ｍ）に基づいた分析結果を得る、周知の方法である。その１つの具体例を挙げるならば、例えばイオン化した分子を、電圧を印加した電極板で加速して、その分子の運動方向に直交する方向の磁場が存在する領域に導入する。イオン化した分子（即ち荷電粒子）が磁場の中で運動するため、その荷電粒子にローレンツ力が作用し、その荷電粒子の飛翔経路を湾曲させる。飛翔経路の湾曲度はその分子の質量と電荷とに応じた大きさになり、質量の大きな粒子及び／または電荷の小さな粒子は、質量の小さな粒子及び／または電荷の大きな粒子と比べて湾曲度が小さい。飛翔経路が湾曲した荷電粒子を１つまたは複数の検出装置で回収し、回収して得られた荷電粒子の分布から、例えば個々の粒子種ごとの粒子質量や、多種の粒子が混在している試料における夫々の粒子種の混合比などの、様々な情報を導出することができる。更に、質量分析方法は、分子構造などの情報を導出するためにも用いられ、試料中の物質を特定するためにも用いられる。また、個々の用途に適合させた、様々な特殊な形態の質量分析装置が開発されている。
【０００３】
従って質量分析方法は多くの用途に用いられており、それら用途のうちには、例えば、未知の混合体の成分の特定、同位体の存在比の特定、分子構造の究明、多種の粒子種が混在している試料中の粒子の類別、それに、試料中の物質の定量などがあり、更にその他にも多くの用途がある。また、質量分析方法は、電荷を付与することができる粒子でありさえすれば、殆どあらゆる種類の粒子の質量分析に利用することができ、例えば、化学元素の粒子も分析対象となり、医薬品類などの化学化合物の粒子も分析対象となり、タンパク質分子、タンパク質分子の構成要素であるペプチドの分子、ＤＮＡ、ＲＮＡ、酵素類などの生物分子も分析対象となり、更には、粉塵などの汚染物質粒子をはじめとする、その他の数多くの種類の粒子が分析対象となる。
【０００４】
本発明に関連した在来技術としては、特許文献１（ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-03/051520号）に、遠心スペクトロメータを用いた方法が開示されている。その方法は、好適な形状の電界を形成し、その電界の影響下において、試料中に混在している様々な粒子種の荷電粒子をそれらの電荷質量比に従って類別するものである。類別しようとする多種の粒子は、緩衝液を満たしたキャビティに入れて、そのキャビティを高速回転させる。径方向における電界強度の変化形状を好適な形状とした電界を作用させ、その電界による径方向の力と遠心力との双方の影響下において、多種の粒子はキャビティの長手方向に分離し、これによって個々の粒子種ごとの単離と相対測定とが可能になる。また、その他の粒子類別装置を開示した文献として、特許文献２（米国特許出願公開公報第US-A-5,565,105号）、特許文献３（ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-2008/132227号）、特許文献４（英国特許出願公開公報第GB-A-1488244号）、それに、特許文献５（ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-2004/086441号）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-03/051520号
【特許文献２】米国特許出願公開公報第US-A-5,565,105号
【特許文献３】ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-2008/132227号
【特許文献４】英国特許出願公開公報第GB-A-1488244号
【特許文献５】ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-2004/086441号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は質量分析装置を提供するものであり、この質量分析装置は、チャンバを備え、前記チャンバに荷電粒子を導入するための導入装置を備え、荷電粒子に作用を及ぼす少なくとも１つのフィールドを生成するためのフィールド生成装置を備え、前記少なくとも１つのフィールドは周方向トラッピング作用成分を有しており、該周方向トラッピング作用成分は、該周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成され回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を延在する少なくとも１本のチャネルを形成し、前記フィールド生成装置は更に、前記回転軸心を中心として該周方向トラッピング作用成分を回転させるように構成されており、該質量分析装置の使用中に、荷電粒子が該周方向トラッピング作用成分によって周方向に拘束されて前記少なくとも１本のチャネルの中に閉じ込められ該周方向トラッピング作用成分と共に回転させられることにより、荷電粒子に遠心力が作用するようにしてあり、前記少なくとも１つのフィールドは径方向バランシング作用成分を有しており、該径方向バランシング作用成分は、少なくとも前記少なくとも１本のチャネルの近傍領域において、その強度が前記回転軸心を中心とした径方向位置に関して単調増加しており、それによって、該質量分析装置の使用中に、前記遠心力と該径方向バランシング作用成分との複合影響下において荷電粒子が前記少なくとも１本のチャネルの中をそのチャンバに沿って移動し、もって、荷電粒子がその電荷質量比に応じて１つまたは複数の荷電粒子軌道を形成するようにしてあり、この質量分析装置は更に、少なくとも１つの荷電粒子軌道を検出するための検出装置を備えるものである。
【０００７】
本発明は更に質量分析方法を提供するものであり、この質量分析方法は、チャンバに荷電粒子を導入するステップを含み、周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを有し荷電粒子に作用を及ぼす少なくとも１つのフィールドを生成するステップであって、前記周方向トラッピング作用成分は、該周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成され回転軸心と前記チャンバの周縁部との間を延在する少なくとも１本のチャネルを形成し、前記径方向バランシング作用成分は、少なくとも前記少なくとも１本のチャネルの近傍領域において，その強度が前記回転軸心を中心とした径方向位置に関して単調増加しているようにする、フィールド生成ステップを含み、前記回転軸心を中心として該周方向トラッピング作用成分を回転させ、それによって、荷電粒子が該周方向トラッピング作用成分によって周方向に拘束されて前記少なくとも１本のチャネルの中に閉じ込められ該周方向トラッピング作用成分と共に回転させられることにより、荷電粒子に遠心力が作用するようにし、更に、前記遠心力と前記径方向バランシング作用成分との複合影響下において荷電粒子が前記少なくとも１本のチャネルの中をそのチャネルに沿って移動し、もって、荷電粒子がその電荷質量比に応じて１つまたは複数の荷電粒子軌道を形成するようにするステップを含み、少なくとも１つの荷電粒子軌道を検出するステップを含むものである。
【０００８】
特許文献１（ＰＣＴ特許出願公開公報第WO-A-03/051520号）に開示されている方法は緩衝液を必要とするため、例えば粒子の質量や組成などの絶対的な情報は、試料の質量分析結果から推定することができない。これに対して、本願の請求項１に記載しているように、荷電粒子をトラッピングするチャネルを周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部によって画成するならば、物理的なキャビティも緩衝液も必要とすることなく、荷電粒子をその電荷質量比（ｑ／ｍ）に応じてそのチャネルの中で分離することができる。そのため、粒子の絶対質量を決定することができる（なぜならば緩衝液による浮力の影響を排除できるからである）のみならず、質量分析装置の構造を格段に簡明化することができる。更に、同時に複数の粒子軌道を形成させることができるため、多種の粒子を同時に質量分析することができ、従来の質量分析装置と比べて、はるかに広い電荷質量比（ｑ／ｍ）のダイナミックレンジに亘って質量分析することができる。また、物理的なキャビティを備えないため、生成するフィールドに調節を施すだけで、質量分析装置のパラメータ（例えば「仮想」チャネルの本数、形状、長さなど）を用途に応じて任意に変更することができる。しかもこの変更は、動的に（即ち、質量分析の実行中に）行うことも可能である。
【０００９】
周方向トラッピング作用成分は、荷電粒子に対して周方向に作用を及ぼすものである。そのため、荷電粒子は、この周方向トラッピング作用成分の影響下において（それ以外のものから影響を受けないものとするならば）回転軸心を中心とした同一円周上を周回させられる。径方向バランシング作用成分は、荷電粒子に対して径方向に（即ち、周方向トラッピング作用成分の作用方向と直交する方向に）作用を及ぼすものである。多くの場合、フィールドが荷電粒子に対して作用を及ぼす方向（即ち、フィールドによって荷電粒子に作用する力の方向）は、フィールドの方向と同一であるが（例えばフィールドが電界である場合にはそうなる）、本発明に関しては必ずそうなるわけではない。例えば、フィールドが磁界である場合には、その磁界であるフィールドが荷電粒子に及ぼす力の方向は磁界の方向と直交する方向である。従って、重要なことは、フィールドの２つの作用成分が荷電粒子に作用を及ぼす方向（即ち、それら作用成分による力の方向）が、夫々、周方向と径方向とであることである。
【００１０】
径方向バランシング作用成分が荷電粒子に及ぼす力は、荷電粒子に作用する遠心力に対する対抗力として働き、荷電粒子はそれら２つの力を受けて「仮想」チャネルの中をその長手方向に移動し、そして、遠心力の大きさと径方向バランシング作用成分による（径方向の）力の大きさとが等しくなる径方向の平衡点に達する。この径方向の平衡点に至った荷電粒子は周回運動をするため、この径方向の平衡点が存在する径方向位置に、荷電粒子軌道が形成される。この荷電粒子軌道の径方向位置を検出装置で測定することによって、様々な分析結果を得ることができる。後に更に詳細に説明するように、本発明に係る質量分析装置は多くの用途に用い得るものであり、それら用途のうちには、例えば、粒子の分離（類別）、粒子の質量の特定、物質の特定、物質の検出、それに物質の精製などが含まれる。
【００１１】
周方向トラッピング作用成分及び径方向バランシング作用成分の強度は、質量分析しようとする粒子の種類とチャンバ内の状態とに応じて選択し、広範な強度範囲のうちから適宜の強度を選択することができる。一般的に述べるならば、大きな電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する荷電粒子は、小さな電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する荷電粒子と比べて、径方向バランシング作用成分の必要強度は小さくなる。幾つかの好適な実施の形態では、周方向トラッピング作用成分の同一円周上における最大強度を、当該円周上における径方向バランシング作用成分の強度と同程度にしている。そうすることで、荷電粒子がチャネルの中に容易にセトリングするようになることが確認されており、ただし、そうすることは必須要件ではない。
【００１２】
第１の構成例では、周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドによって提供されており、径方向バランシング作用成分は径方向バランシング用フィールドによって提供されている。即ち、それら２つのフィールドを個別に生成した上で、それらを重ね合わせることにより、所要の２つの作用成分を提供するようにしている。後に詳述するように、周方向トラッピング用フィールドと径方向トラッピング用フィールドとのいずれをも電界とすることもでき、また、周方向トラッピング用フィールドを電界として、径方向バランシング用フィールドを磁界とすることもできる。２つの個別のフィールドを利用することで、各々のフィールドを独立的に制御することが可能となる。
【００１３】
第２の構成例では、周方向トラッピング作用成分は周方向トラッピング用フィールドにより提供されており、径方向バランシング作用成分はその周方向トラッピング用フィールドの成分となっている。この構成によれば、周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分との両方を１つのフィールドで提供することができる。これによってフィールド生成装置の構造が簡明化されると共に、荷電粒子軌道を１つのフィールドで制御することが可能となる。
【００１４】
エネルギミニマム部は、フィールドによって荷電粒子に作用する周方向の力が極小値を取る位置である。エネルギミニマム部は、周方向フィールドの強度が実質的にゼロになる位置に対応しているものとすることが好ましい。エネルギミニマム部は、多くの場合、周方向フィールドが最小値（負値の場合にはその絶対値が最大の値）を取る位置に対応していない。質量分析装置の使用中に、荷電粒子は周方向トラッピング作用成分の影響下においてエネルギミニマム部へ移動し、そして、荷電粒子がエネルギミニマム部から離れる方向へ移動するときにはエネルギが増大することから、荷電粒子はエネルギミニマム部の近傍領域に拘束される。尚、荷電粒子は、減衰作用のために、エネルギミニマム部に正確にセトリングしないことがあり、これについては後に詳述する。
【００１５】
エネルギミニマム部は、周方向トラッピングフィールドのゼロクロス点に対応したものとすることが好ましい。即ち、周方向トラッピングフィールドの作用方向が、エネルギミニマム部の（径方向の）一方の側では正方向で、他方の側では負方向であるようにすることが好ましい。この構成によれば、周方向フィールドの作用方向はエネルギミニマム部において反転する。これによって、荷電粒子をエネルギミニマム部に拘束する「トラッピング」機能が特に安定したものとなる。なぜならば、荷電粒子がエネルギミニマム部からいずれの側に変位したときにも、その変位方向と逆方向に作用を及ぼす周方向フィールドによって、荷電粒子はエネルギミニマム部へ引き戻されるからである。ただし、全ての荷電粒子にとってそのゼロクロス点が安定した平衡点となるのではない。正荷電粒子に作用する力の方向と負荷電粒子に作用する力の方向とは互いに逆方向であるため、正荷電粒子にとっては、周方向フィールドの作用方向が正方向から負方向へ反転するゼロクロス点が安定したトラッピング部になり、それに対して、負荷電粒子にとっては、周方向フィールドの作用方向が負方向から正方向へ反転するゼロクロス点が安定したトラッピング部になる。
【００１６】
チャネルを画成しているエネルギミニマム部はそのチャネルに沿って連続していることが好ましい。これは、１本のチャネル上の全ての点がエネルギミニマム部であるということである。エネルギミニマム部が連続していれば、荷電粒子は、みずからそのチャネルに沿って移動して、みずからの電荷質量比に応じた位置へ到達することができる。画成するチャネルの本数は１本だけとしてもよい。ただし、全ての荷電粒子が同じ箇所にトラッピングされたならば、荷電粒子どうしの反発力の影響が大きなものとなる。そのため、周方向トラッピング作用成分によって複数本のチャネルが画成されるようにして、互いに電荷質量比が同一ないし略々同一の荷電粒子が、夫々のチャネルの中で荷電粒子群を形成するようにすることが好ましい。
【００１７】
好適な幾つかの構成例においては、上述した少なくとも１本のチャネルが、前記回転軸心からチャンバの周縁部まで延在している。そのチャネルの長さは、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の全行程以内の任意の長さとすることができる。ただし、上述した少なくとも１本のチャネルの長さが長いほど、夫々のチャネルの中に収めることのできる荷電粒子軌道の数が多くなる。従って、そのチャネルが前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の全行程に亘って延在しているようにすることで、そのチャネルの長さを最長可能長さにすることが理想的である。別の実施の形態として、周方向トラッピング作用成分にエネルギマキシマム部が存在するようにすることで、１本のチャネルを複数のサブチャネルに区分するようにしてもよい。こうすることは、複数の電荷質量比ウィンドウにおいて同時に質量分析を行う場合に有用である。
【００１８】
上述した少なくとも１本のチャネルは、径方向チャネルであるようにすることが好ましい。径方向に延在しているということは、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を直線的に延在しているということである。上述した少なくとも１本のチャネルが前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を延在する長さは任意に定めることができる。別の構成例として、そのチャネルが前記回転軸心とチャンバとの間を非直線形の経路に沿って延在しているようにしてもよい。例えば、幾つかの有利な実施の形態においては、上述した少なくとも１本のチャネルが、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を円弧形経路に沿って延在している。円弧形の（或いはその他の非直線形の）チャネルを採用することで、チャネルの長さを長くすることができ、それによって、チャネルに収まる荷電粒子軌道の数が増大し、より多くの互いに異なった電荷質量比を有する粒子の質量分析を行えるようになる。また、複数本の円弧形チャネルが密集して画成されるようにすることによって、チャンバのチャネル収容力を増大させることができる。円弧形チャネルも、直線形チャネルと同様にエネルギミニマム部によって画成される。
【００１９】
好適な幾つかの構成例では、周方向トラッピング作用成分は、前記回転軸心を中心とした同一円周上において、周方向位置に応じて交番状に変化している。即ち、周方向トラッピング作用成分は、前記回転軸心の周囲を一周する間にその作用方向が正方向と負方向との間で交互に反転しており、それによって、上で述べたように周方向トラッピング作用成分のゼロクロス点に対応したエネルギミニマム部が画成されている。特に好適な幾つかの実施の形態では、周方向トラッピング作用成分の前記交番状の変化は正弦波状であるが、その他の変化形状とすることもでき、例えば三角波状または矩形波状とすることもできる。
【００２０】
多くの構成例において、周方向トラッピング作用成分は、チャンバ内の前記回転軸心を中心とした全周領域に亘って生成されている。しかしながら、このことは必須要件ではなく、好適な実施の形態のうちには、上述したフィールド生成装置が、チャンバ内の前記回転軸心を中心とした部分角度領域（見込み角が３６０°未満の領域）にのみ周方向トラッピング作用成分を生成するようにしたものもある。こうすることによって、所要の周方向トラッピング作用成分を生成するために必要とされる構成要素（例えば電極）を、チャンバの部分角度領域に配設するだけで済むという利点が得られる。
【００２１】
上述した周方向トラッピング用フィールドは電界とすることが好ましい。そして、その電界によって、上述したようなチャネルを画成する。ただし別法として、上述した周方向トラッピング用フィールドを磁界とすることも可能である。
【００２２】
幾つかの好適な構成例では、上述したフィールド生成装置は周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリを備えており、この周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、複数本のトラッピング電極または複数個のトラッピング電極要素と、それら複数本のトラッピング電極のうちの少なくとも幾つかまたはそれら複数個のトラッピング電極要素のうちの少なくとも幾つかに電圧を印加するように構成された電圧源とを備えている。それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素は、通常、前記回転軸心に対して垂直な平面上に配設され、例えば、チャンバの上面または下面（或いは上面と下面の両方）に配設される。それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素の配列は、生成しようとするフィールドの形状と、質量分析装置に要求される融通性とを考慮して適宜に選定すればよい。
【００２３】
例えば、幾つかの好適な構成例において、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を延在する少なくとも２本のトラッピング電極を備えており、それらトラッピング電極は、前記回転軸心を中心としたそれらトラッピング電極の間の角度間隔を等間隔とすることが好ましい。前記周方向トラッピング用フィールドをチャンバの部分角度領域にのみ生成する場合には、その部分角度領域が２本のトラッピング電極の間に画成されるようにするとよく、また、３本以上のトラッピング電極を配設する場合には、それらトラッピング電極をその部分角度領域内に等角度間隔で配設することが好ましい。前記周方向トラッピング用フィールドには、個々のトラッピング電極に印加する電圧レベルに応じて、それら電極の形状に応じた電圧山部ないし電圧谷部が形成され、それら電圧山部ないし電圧谷部は、最終的に形成される電界におけるエネルギミニマム部に対応するものである（なぜならば、電界は電圧分布の空間的微分値として与えられるからである）。複数本のトラッピング電極を等角度間隔で配設することによって、回転対称形状の電界を生成する場合に、その電界を容易に生成することができるようになる。
【００２４】
別の構成例では、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、各々が前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を夫々の経路に沿って延在する少なくとも２列のトラッピング電極要素アレイを備えており、それらトラッピング電極要素アレイは、前記回転軸心を中心としたそれらトラッピング電極要素アレイの間の角度間隔を等間隔とすることが好ましい（尚、上述した前記周方向トラッピング用フィールドをチャンバの部分角度領域にのみ生成する場合の説明は、この構成例にも当てはまる）。従ってこの構成例は、上述した構成例における複数本のトラッピング電極の各々を、複数個の電極要素から成る電極要素アレイとして構成したものに他ならない。電極要素アレイの個々の電極要素に個別に電圧を印加することができるため、フィールドの制御の自由度が広がっており、これについても後に詳述する。
【００２５】
前記少なくとも２本のトラッピング電極または前記少なくとも２列のトラッピング電極要素アレイの各々は、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を径方向に延在しているようにすることが好ましい。これは即ち、それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素アレイの各々を直線形として、前記回転軸心とチャンバとの間を延在しているようにするということである。この構成によれば、上で説明したようにして、前記周方向トラッピング用フィールドにチャネルが画成される。それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素アレイの各々は、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の全行程に亘って延在している必要はなく、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の任意の点から任意の点まで延在しているようにすることができる。ただし、チャネルの長さを可及的に長くするために、それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素アレイは、前記回転軸心からチャンバの周縁部まで延在しているようにすることが好ましい。
【００２６】
別の好適な構成例では、前記少なくとも２本のトラッピング電極または前記少なくとも２列のトラッピング電極要素アレイの各々は、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間を夫々の円弧形経路に沿って延在している。この構成によれば、上で説明したようにして、渦巻形のチャネルが画成される。それらトラッピング電極またはそれらトラッピング電極要素アレイの円弧形の経路は、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の任意の点から任意の点まで延在しているようにすることができ、必ずしも前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の全行程に亘って延在している必要はない。
【００２７】
トラッピング電極ないしトラッピング電極要素アレイのためにチャネルの形状が固定されてしまうことは望ましいことではない。特に好適な幾つかの実施の形態によれば、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間に２次元的に配設された複数個のトラッピング電極要素から成るトラッピング電極要素アレイを備えており、それら複数個のトラッピング電極要素は、直交格子パターン、六方格子パターン、細密充填パターン、または、同心円パターンを成すように配列したものとすることが好ましい。この構成によれば、２次元アレイとされている複数個のトラッピング電極要素の幾つかまたは全てに適切に電圧を印加することによって、チャネルを所望の形状で画成することができる。
【００２８】
様々な構成例のうちには、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリをチャンバに対して相対的に回転させることによって周方向トラッピング作用成分を回転させるようにしたものがある。この構成とする場合には、上述したフィールド生成装置が更に、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリまたはチャンバを回転させるための回転機構を備えるようにするとよく、その回転機構は、例えば、前記周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリを搭載したモータなどとすることができる。
【００２９】
ただし、好適な１つの構成例においては、上述した電圧源が、トラッピング電極またはトラッピング電極要素に印加する電圧をシーケンシャルに変化させることによって、前記回転軸心を中心として前記周方向トラッピング用フィールドを回転させるように構成されている。複数本のトラッピング電極の各々に印加する電圧をシーケンシャルに変化させることによって、それらトラッピング電極に印加する電圧を循環させることができ、それによって、上述した回転機構を用いた場合と同じ結果が得られる。
【００３０】
トラッピング電極ないしトラッピング電極要素は、有限の（非ゼロの）電気抵抗を有するものとし、それによって、トラッピング電極の長手方向に電圧が変化しているようにすることが好ましい。トラッピング電極ないしトラッピング電極要素アレイの、前記回転軸心の側の端部と、チャンバ周縁部の側の端部とに印加する電圧は、正電圧か負電圧かにかかわらず、前記回転軸心の側の端部の電圧よりも、チャンバの周縁部の側の端部の電圧を大きく変化させるようにすると有利である。一般的には、トラッピング電極の両端部のうち、前記回転軸心の側の端部に接地電圧を印加し、チャンバの周縁部側の端部に大きく変化する電圧を印加するようにするとよい。こうして電圧を印加することで、トラッピング電極はその長手方向の位置に応じて変化する電圧を持つようになり、これは、トラッピング電極が有限の電気抵抗を有することによるものである。また、こうすることは、前記回転軸心の位置において連続した形状を有する電界を生成するのに役立つ。１つの構成例では、トラッピング電極ないしトラッピング電極要素を、高電気抵抗のポリマーまたはシリコンから成るものとしている。これら材料が好ましいのは、固有の既知の電気抵抗を有するからである。これに対して、通常の導電性の電極材料（多くの場合金属材料である）は電気抵抗がゼロに近く調節が不可能である。
【００３１】
既述のごとく、径方向バランシング作用成分は、少なくともチャネルの（周方向及び／または径方向の）近傍領域において、その強度が径方向位置に関して単調増加するものである。単調増加関数とは、その関数の微分関数の値が常に正値である関数をいう。これは上述したフィールドの強度が正値であるか負値であるかにかかわらずいえることである。従って、上述したフィールドの強度が負値となっている領域では、その絶対値が径方向位置に関して単調減少していることは、その強度が径方向位置に関して単調増加していることに他ならない。従って、径方向バランシング作用成分は、常に、その強度が径方向位置に関して単調増加している。このことは、遠心方向に作用する遠心力と向心方向に作用する径方向バランシング作用成分による力との間で安定した平衡状態が得られるようにするために必要なことである。単調増加関数として様々な関数を選択することができるが、ただし、径方向バランシング作用成分は、ｎを１以上の数、ｒを前記回転軸心を中心とした径方向位置とするとき、その強度がｒｎに比例して増加するものとすることが好ましい。例えば、径方向バランシング作用成分は、その強度が径方向位置に比例して（径方向位置の一次関数として）増加するものとしてもよく、或いは、二次関数などのその他の関数に従って増加するものとしてもよい。
【００３２】
好適な１つの構成例によれば、径方向バランシング作用成分は、前記回転軸心を中心とした同一円周上の少なくとも前記チャネルに対応した周方向角度位置において、その強度が一定とされている。径方向バランシング作用成分の強度が前記回転軸心を中心とした同一円周上の全周において一定であるようにする必要はないが、径方向バランシング作用成分の強度が少なくとも前記チャネルに対応した位置において一定であるようにすることによって、複数の平衡点が前記回転軸心を中心とした同一半径上に位置するようになり、それによって荷電粒子軌道の形状が円形（または略々円形）になるため、その荷電粒子軌道をより高精度で測定できるようになる。
【００３３】
幾つかの構成例では、径方向バランシング作用成分は、前記回転軸心を中心とした同一円周上において、その強度が変化している。このように、径方向バランシング作用成分の強度が径方向位置によって異なるものである場合には、その径方向バランシング作用成分を周方向トラッピング作用成分と同期させて回転させることで、径方向バランシング作用成分の位置とチャネルの位置とを適切に揃えるようにする。また、上述したフィールド生成装置は更に、前記回転軸心を中心として径方向バランシング作用成分を周方向トラッピング作用成分転と同期させて回転させるように構成したものとすることが好ましい。
【００３４】
特に有用な１つの実施の形態によれば、径方向バランシング作用成分は、チャンバの複数の部分角度領域のうちの、少なくとも１つの第１部分角度領域においてはその作用方向が第１方向であり、少なくとも１つの第２部分角度領域においてはその作用方向が第１方向とは逆方向の第２方向であり、前記第１部分角度領域及び前記第２部分角度領域は、周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成される第１チャネル及び第２チャネルに該当する領域である。この構成では、径方向バランシング作用成分の作用方向が、あるチャネルの近傍領域では、正荷電粒子に対して向心方向で負荷電粒子に対して遠心方向となり、別のチャネルの近傍領域では、それらの逆方向になる。これによって、正荷電粒子と負荷電粒子とを同時に質量分析することが可能となる。
【００３５】
好適な構成例として、上述した径方向バランシング用フィールドを磁界としたものがある。この磁界が遠心力とバランスする力を荷電粒子に作用させることによって、荷電粒子がその電荷質量比に応じて１つまたは複数の荷電粒子軌道を形成するようにしてある。磁界が荷電粒子に力を作用させることができるのは、荷電粒子が運動することによって電流が形成され、その電流に対してローレンツ力が作用するからである。この構成の実施の形態では、上述したフィールド生成装置がマグネットアセンブリを備えているようにすることが好ましい。このマグネットアセンブリの互いに対向する磁極の間にチャンバを配設して、それら磁極の間に生成される磁界がチャンバを貫通するようにするとよい。
【００３６】
マグネットアセンブリは電磁石を備えたものとすることが好ましく、なぜならば、それによって、強力な磁界を生成することができ、制御も容易に行えるからである。ただし、例えば永久磁石などのその他の磁界生成装置を用いるようにしてもよい。
【００３７】
マグネットアセンブリの各々の磁極は、その先端の表面形状を、前記回転軸心の位置よりもチャンバの周縁部の位置において、先端側へより大きく突き出してチャンバに近付いた形状とし、もって、磁界強度が径方向位置に関して単調増加する磁界を生成する形状とするとよく、また特に、その先端の表面形状を凹面形状とすることが好ましい。かかる表面形状の磁極によって生成される磁界は、チャンバの断面において非一様な磁界強度を持つものとなる。この表面形状によれば、磁界強度は前記回転軸心へ近付くほど低下し、なぜならば前記回転軸心の位置において２つの磁極の間の間隔が最大になるからである。磁極の先端の表面形状をこのようにすることで、磁界強度が径方向位置に関して単調増加するという所要の特性が得られる。別構成例として、同様の非一様な磁界強度を持つ磁界を生成するために、２種類以上の磁性材料を同心的に積層して構成した磁極を用いて、夫々の磁性材料が異なった磁界強度の磁界を生成するようにしてもよく、そうした場合にも、前記回転軸心に近付くほど磁界強度が低下するという所要の特性が得られる。
【００３８】
別の好適な構成例として、上述した径方向バランシング用フィールドを電界としたものがある。この構成例では、上述したフィールド生成装置が、チャンバに近接して配設された少なくとも１つのバランシング電極を備えた径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリを備えており、このバランシング電極は、このバランシング電極に電圧が印加されたときに、フィールド強度（電界強度）が径方向位置に関して単調増加する径方向バランシング用フィールド（径方向バランシング用電界）を生成する形状に形成されている。このバランシング電極は、その中心部の位置が前記回転軸心の位置に揃えられ、略々円形の周縁部を有しており、また、このバランシング電極は、その厚さが中心部と周縁部との間で変化しており、その厚さの変化によって、フィールド強度が径方向位置に関して単調増加する径方向バランシング用フィールドを生成するようにしたものである。更に、このバランシング電極を、複数個の電極要素を配列して構成した電極要素アレイとすることも考えられ、そのようなものを用いても好適な結果が得られる。
【００３９】
バランシング電極は、その形状を、直線状の母線を有する円錐形状、または、その母線が湾曲した、側面が膨出または陥凹した円錐形状とすることが好ましい。バランシング電極をこれらの形状とする場合には、その円錐形状の側面の形状を変化させることにより、径方向バランシング作用成分の変化形状を所望の形状にすることができる。また、その円錐形状の頂頭部をチャンバへ向けるか、または、チャンバとは反対側へ向けるようにするとよい。
【００４０】
上述したフィールド生成装置が更に、バランシング電極に電圧を印加するように構成された電圧源を備えているようにするとよい。また、その電圧源は、電圧出力を調節可能なものであることが好ましい。
【００４１】
バランシング電極は、高電気抵抗のポリマーまたはシリコンから成る中実体とすることが好ましい。先にトラッピング電極に関連して述べたように、これらの材料を用いることによって、バランシング電極を十分に大きな電気抵抗を有するものとすることができ、それによって、所望の変化形状の径方向バランシング用フィールドを生成することが可能となる。
【００４２】
径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリが第２のバランシング電極を備えているようにし、チャンバがそれら第１と第２のバランシング電極の間に配設されているようにすることが好ましい。２つのバランシング電極を使用してそれらの間にチャンバを配設することは、径方向バランシング用フィールドの形状が軸方向に歪むのを防止するのに役立つ。また、それら２つのバランシング電極は、同一材料で同一形状に形成することが好ましく、そうすることによって、生成する径方向バランシング用フィールドの形状を対称形状にすることができる。
【００４３】
径方向バランシング用フィールドを生成するための電極アセンブリとしては、更にその他の様々な構成の電極アセンブリを用いることが可能である。好適な１つの構成例では、上述したフィールド生成装置は、前記回転軸心に対して同心的に配設され誘電体により互いに絶縁された複数のリング形電極を備えた径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリと、前記複数のリング形電極に個別に電圧を印加する電圧源とを備えている。
【００４４】
以上に挙げた様々な構成例は、径方向バランシング作用成分と周方向トラッピング作用成分とを別々のフィールドで生成した上で、重ね合わせるようにしたものであった。これに対して、別の構成例として、径方向バランシング作用成分が周方向トラッピング用フィールドによって提供されるようにすることもできる。この場合、周方向トラッピング用フィールドを生成するために用いるフィールド生成装置に、径方向バランシング作用成分を提供することができるように改変を加えるようにすれば、径方向バランシング用フィールドを生成するための構成要素を不要化することができる。そうするために、この構成例における周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリは、トラッピング電極上の電圧が、前記回転軸心側の該トラッピング電極の端部とチャンバの周縁部側の該トラッピング電極の端部との間で位置に応じて変化しているようにすることで、フィールド強度が径方向位置に関して単調増加する径方向バランシング用フィールドを生成するように構成されている。それには、例えば、高電気抵抗の材料を用いて適切な形状に形成したトラッピング電極を用いてもよく、或いは、個々の前記チャネルに沿って配設された複数個の電極要素から成る電極要素アレイを用いてもよい。電極要素アレイを用いる場合には、個々の電極要素に印加する夫々の電圧レベルを適切に定めることにより、径方向バランシング作用成分の形状を高精度で制御し、また任意に変更することができる。
【００４５】
別構成例として、チャンバの表面の少なくとも一部領域に複数個の電極要素を２次元グリッド状に配列して構成した電極グリッドを用いるのもよく、それによって、チャネルの形状が複数本の電極の配置によって一定の形状に固定されることがなくなり、複数個の電極要素のうちの幾つかまたは全部に適切に電圧を印加することによってチャネルの形状を選択できるようになる。
【００４６】
チャンバの形状は、前記回転軸心に対して実質的に垂直に延展する切断面における断面形状が円形であるような形状とすることが好ましい。チャンバの断面形状が円形であることが好ましい理由は、径方向バランシング作用成分の強度が前記回転軸心を中心とした周方向位置に応じて変化することのないものであれば、荷電粒子軌道の形状は円形（または略々円形）になる傾向があるからである。それゆえ、断面形状が円形のチャンバを用いることは、省スペースという点で最も効果的である。ただしこれは必須要件ではなく、使用するチャンバの形状は任意であり、例えば立方体や直方体の形状のチャンバを使用することも可能である。特に好適な幾つかの構成例では、チャンバの形状はディスク形状または円筒形状であって、前記回転軸心が、かかる形状のチャンバの中心軸に平行に延在して、そのチャンバと交わるようにしてある。その他の構成例として、チャンバの形状を、前記回転軸心に対して実質的に垂直に延展する切断面における断面形状がリング形状であるようにしたものがある。この構成では、前記回転軸心はチャンバそれ自体と交わらず、そのチャンバの中央の「孔」を通って延在している。断面形状が非円形のチャンバでも、その中央に「孔」を設けたものとすることができ、その孔の形状は円形であってもよく、非円形であってもよい。
【００４７】
チャンバを真空チャンバとし、質量分析装置が更に、そのチャンバ内の雰囲気を制御するためのチャンバ内雰囲気制御装置を備えているようにするのもよく、そのチャンバ内雰囲気制御装置は排気装置ないしポンプとすることが好ましい。チャンバ内の雰囲気を制御することによって、荷電粒子に作用する空気抵抗を最小に維持することができる。この空気抵抗が最小に維持されていない場合には、分析結果がゆがめられるおそれがあり、この空気抵抗を最小に維持しておくことで、チャンバ内に存在するその他の物質に原因する偽分析結果の発生を抑制することができる。
【００４８】
特に好適な幾つかの実施の形態では、チャンバ内雰囲気制御装置は、チャンバ内を不完全真空状態（即ち、ガス圧力が調圧されて低圧にされた状態）に維持するように構成されている。チャンバ内のガス圧力を低圧にすることによって、荷電粒子の自由な運動を許容しつつ、尚且つ、荷電粒子をチャネルの中に拘束するのに役立つ減衰作用が得られるようにすることができる。ただし、減衰作用が得られるようにすることは必須要件ではなく、なぜならば、径方向バランシング用フィールド及び周方向トラッピング用フィールドの形状を適切に設定することによって荷電粒子をチャネルの中に閉じ込める強力な限局作用が得られるため、減衰作用の代わりにその限局作用によって、エネルギミニマム部を中心とした荷電粒子の振動がある程度大きくてもその荷電粒子をエネルギミニマム部の中に拘束することができるからである。
【００４９】
場合によっては、チャンバ内のガス圧力を、より高い圧力にすることが好ましいこともあり、そのような場合にはチャンバ内をその高いガス圧力に維持するようにポンプを設定すればよい。これは、例えば、細胞などの大質量の粒子の質量分析を、小さな角速度で、そして、フィールドの強度を高めて実行するときなどである。そのような場合には、もしチャンバ内のガス圧力が低すぎると、そのように調圧されているチャンバ内の雰囲気が、そこに作用している大きな強度のフィールド（電界）のために絶縁破壊を起こすおそれがある。パッシェンの法則によれば、高圧領域では圧力が高くなるほど降伏電圧が上昇するため、チャンバ内のガス圧力を高めることによって絶縁破壊を防止できるのである。
【００５０】
減衰作用が得られるようにする場合には（それには、例えばチャンバ内の雰囲気を適切に調圧すればよい）、前記回転軸心を中心としたどの径方向位置にある円周上でも、その円周上において周方向トラッピング作用成分により荷電粒子に作用する最大の力が、減衰作用を提供するために荷電粒子に作用するようにした力を十分に凌駕しているようにすることが望ましい。例えば、ガスの摩擦力によって荷電粒子の振動を減衰させるようにする場合には、最大の強度の周方向トラッピング作用成分によって荷電粒子に作用する周方向の力が、荷電粒子とガスとの間に作用する摩擦力より大きくなるようにしておくことが望ましい。こうすることが荷電粒子をチャネルの中に拘束するのに有効であることが確認されているが、ただしこれは必須要件ではない。
【００５１】
様々な構成例のうちには、粒子に電荷を付与して荷電粒子とした後にそれを質量分析装置に供給するようにしているものもある。ただし、質量分析装置が、チャンバへ導入する前に、粒子をイオン化するように構成されたイオン化装置を更に備えているようにすることが好ましい。そのイオン化装置として用いるのに適した公知の様々な装置があり、それらのうちには、電子ビームの中に粒子を通過させてイオン化する電子イオン化装置や、衝突時に発生する化学反応であるイオン‐分子反応により分析対象物質をイオン化する化学イオン化装置などがある。イオン化装置と導入装置とは、各々を個別の装置として構成してもよく、両者を一体化した装置として構成してもよい。導入装置は、通常、加速電極を備えた構成とされ、その加速電極に電圧を印加することによって、荷電粒子をその加速電極に引き寄せてチャンバの中に導入するものである。正荷電粒子と負荷電粒子との両方の質量分析を行う場合には、このような導入装置を２台備えるようにしてもよく、或いは、加速電極に印加する電圧の極性を正電圧と負電圧との間で切換え可能にしておいてもよい。導入装置はチャンバのどの位置にでも配設することができ、例えばチャンバの周縁部に接するように配設することも、チャンバの内部に（例えば、チャンバが中央に「孔」を有するものである場合にはその「孔」の中に）配設することも、また、チャンバの上面または下面における任意の径方向位置に配設することもできる。
【００５２】
上述したフィールド生成装置は、このフィールド生成装置を制御して周方向トラッピング作用成分及び／または径方向バランシング作用成分の強度及び／または形状を変化させる制御装置を更に備えているものとすると有利である。その制御装置はコンピュータとしてもよく、プログラム可能な電圧源としてもよい。好適な構成例では、荷電粒子が軌道上を周回しているときに、径方向バランシング作用成分の強度及び／または形状を変化させて、その荷電粒子軌道の軌道半径に調節を加えるようにしている。また、周方向トラッピング作用成分を変化させるようにするのもよく、例えば、周方向トラッピング作用成分の回転周波数を（従って角速度を）を変化させること、及び／または、周方向トラッピング作用成分に画成されるチャネルの形状を変化させることが可能である。
【００５３】
既述のごとく、本発明に係る質量分析装置は様々な多くの用途に用い得るものであり、そのため、様々な検出方法に適合できるものとなっている。幾つかの構成例においては、前記検出装置が、少なくとも１つの荷電粒子軌道の軌道半径を測定するように構成されている。この検出装置は特に、粒子の質量を決定する場合や、粒子の組成が未知である場合に用いられる。軌道半径を測定することによって、その荷電粒子軌道を形成している粒子の質量を判定することができ、更にそれに基づいて粒子の組成を推定することができる。
【００５４】
一方、軌道半径の測定値を必要としないような用途も数多く存在する。例えば、分析対象粒子の質量が既知であれば、その粒子が形成する粒子軌道の軌道半径も既知である。そのため、幾つかの構成例においては、前記検出装置が、１つまたは複数の所定半径を有する荷電粒子軌道を検出するように構成されている。上述した荷電粒子に作用を及ぼすフィールドの形状が一定であれば（即ち既知であれば）所定の径方向位置に粒子が存在していることが検出されることによって、ある物質が存在していることが確認される。別構成例として、質量分析装置の使用中に径方向バランシング作用成分の強度を変化させることによって、荷電粒子軌道を検出装置が配設されている既知の径方向位置へ移動させ、その移動に要した径方向バランシング作用成分の強度の変化量に基づいて粒子の質量を決定するようにしたものがある。
【００５５】
更に別の構成例として、前記検出装置を、荷電粒子軌道上の荷電粒子の密度を検出するように構成したものがある。荷電粒子軌道上の荷電粒子の密度に応じて検出装置の出力が変化するため、検出装置の出力に基づいて夫々の荷電粒子軌道上の荷電粒子の密度を測定することができる。これは、例えば同位体の存在比の検出などに利用することができる。またその他の構成例として、前記検出装置を、所与の領域における荷電粒子軌道の数だけを検出するように構成してもよく、それによって、例えば、試料中に含まれている粒子種の種類数を判定することができる。
【００５６】
前記検出装置は様々な形態のものとすることができる。好適な１つの構成例では、前記検出装置はチャンバを透過した放射を検出するように構成された少なくとも１つの放射吸収素子を備えている。一般的に、放射はチャンバ内の粒子によって吸収されるため、夫々の検出素子に入射する放射の放射強度が低下することによって、その検出素子の配設位置に粒子が存在することが示される。複数個の検出素子を、１つまたは複数の所定の径方向位置に配設するようにするのもよい。ただし、より好ましい構成は、前記検出装置が、前記回転軸心とチャンバの周縁部との間の径方向経路に沿って配設された複数の放射吸収素子から成る放射吸収素子アレイを備えているようにしたものである。この構成によれば、軌道半径が未知の荷電粒子軌道を検出すること、及び／または、形成された荷電粒子軌道の軌道半径を測定することが可能である。更に別の構成例として、チャンバ内の全領域の映像を撮影するようにしてもよく、そうすることで、前記検出装置を前記回転軸心に対して高精度で位置合せせずに済むという利点が得られ、なぜならば、荷電粒子軌道の全体を測定することができ、測定した荷電粒子軌道の差し渡し寸法から、その荷電粒子軌道の軌道半径を算出できるからである。この構成とする場合には、前記検出装置が、チャンバの表面に配列された複数個の放射吸収素子を備えているようにするのもよく、そうすることで、一度に多くの測定値を得ることができる。
【００５７】
ただし、そのように配設した放射吸収素子は、周囲光を検出してしまうことがある。そこで、前記検出装置に放射射出素子を装備して、前記複数個の放射吸収素子はその放射射出素子が射出した放射を検出するのに適合した素子とするとよい。この構成によれば、前記検出装置に干渉するおそれのある放射源を排除することができる。特に好適な構成例では、その放射として、紫外線、赤外線、可視光などを用いるようにしているが、これら以外の波長領域の放射を用いてもよい。
【００５８】
その他の構成例として、チャンバ内に形成された荷電粒子軌道から粒子を抽出するようにするのもよい。そのような更なる１つの好適構成例においては、前記検出装置は、１つまたは複数の荷電粒子軌道から荷電粒子を回収するように構成された回収装置から成る。特に有利な構成例によれば、前記回収装置は、所定の軌道半径を有する荷電粒子軌道上の荷電粒子をチャンバから抽出し得るように構成されたチャンバ上の少なくとも１つの粒子抽出部と、前記粒子抽出部の近傍でチャンバの外部に配設された少なくとも１つの粒子抽出電極と、前記少なくとも１つの粒子抽出電極に電圧を印加する電圧源とを備えており、前記少なくとも１つの粒子抽出電極に電圧が印加されたならば、所定半径の荷電粒子軌道上の荷電粒子が加速させられて前記少なくとも１つの粒子抽出電極に引き寄せられるようにしてある。この構成によれば、質量分析装置の使用中に、粒子抽出電極に電圧が印加されると、粒子抽出部の近傍領域の荷電粒子が、粒子抽出電極に引き寄せられて、粒子抽出部からチャンバの外へ抽出される。粒子抽出電極に印加される電圧はチャンバから取出す荷電粒子の電荷と逆極性の電圧である。正荷電粒子と負荷電粒子との両方を抽出するためには、２台の前記回収装置を備えるようにしてもよく、或いは、前記回収装置を１台だけとして印加する電圧の極性を必要に応じて切り替えるようにしてもよい。前記回収装置を備えることによって、本発明に係る質量分析装置は物質の精製に用い得るものとなる。例えば、前記回収装置を１つの所望の電荷質量比ｌを有する粒子だけをチャンバから抽出できるような位置に配設するのもよい。別法として、この質量分析装置の使用中に、径方向バランシング作用成分及び周方向トラッピング作用成分を変化させることにより、複数の荷電粒子軌道から次々と粒子を回収するようにすることもできる。
【００５９】
本発明に係る質量分析装置は様々な動作モードで動作させることが可能である。１つの局面によれば、本発明は複数の荷電粒子が混在している試料中の荷電粒子を類別する荷電粒子類別方法を提供するものであり、この荷電粒子類別方法は、複数の荷電粒子が混在している試料をチャンバの中へ導入するステップと、上で説明した質量分析方法を実行するステップとを含むものである。類別した荷電粒子を検出するには、上で説明した様々な検出方法のうちのどれを用いてもよい。
【００６０】
別の１つの局面によれば、本発明は荷電粒子の質量を測定する荷電粒子質量測定方法を提供するものであり、この荷電粒子質量測定方法は、荷電粒子の試料をチャンバの中へ導入するステップと、上で説明した質量分析方法を実行するステップと、少なくとも１つの軌道半径測定値に基づいて荷電粒子の質量を算出するステップとを含むものである。
【００６１】
本発明の更に別の１つの局面は、所与の検出対象粒子を検出する粒子検出方法を提供するものであり、この粒子検出方法は、粒子の試料をチャンバの中へ導入するステップと、少なくとも１つの前記所定径方向位置を前記検出対象粒子の既知質量に対応した径方向位置として上述の質量分析方法を実行することで１つまたは複数の所定径方向位置において粒子の検出を行うステップと、前記検出対象粒子が存在することを示す、前記少なくとも１つの所定径方向位置における荷電粒子を検出するステップとを含むものである。
【００６２】
本発明の更に別の１つの局面によれば、複数の粒子が混在している試料中から所与の抽出対象粒子を抽出する粒子抽出方法が提供され、この粒子抽出方法は、複数の粒子が混在している試料をチャンバの中へ導入するステップと、上述の質量分析方法を実行して、前記抽出対象粒子の質量に基づいて決定された軌道半径を有する選択された荷電粒子軌道から前記回収装置を用いて粒子を抽出するステップとを含むものである。尚、複数の粒子が混在している前記試料を連続的にチャンバの中へ導入し、前記選択された荷電粒子軌道から粒子を連続的に抽出するようにすれば、本発明に係る質量分析装置を精製装置として機能させることができる。
【００６３】
以下に、本発明に係る質量分析装置及び質量分析方法の具体的な構成例について、図面を参照して説明して行く。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】１つの構成例に係る質量分析装置の構成要素を示したブロック図である。
【図２】図１の質量分析装置に用いられるチャンバ及びその他の構成要素の平面図である。
【図３】明細書中で言及されている様々な方向を示した図である。
【図４】第１の実施の形態における電圧分布の具体例を示した図である。
【図５】第１の実施の形態に対応した電圧及び電界を周方向位置に対して示したグラフである。
【図６】第１の実施の形態における周方向フィールドのトラッピング作用成分を生成するための構成要素を示した図である。
【図７】具体例の２本の電極に印加される電圧を時間に対して示したグラフである。
【図８】図６に示した構成要素によって形成される電圧分布を示した図である。
【図９】径方向バランシング作用成分に対応した電圧分布及び電界強度分布の具体例を示した図である。
【図１０】第１の実施の形態における径方向フィールドのバランシング作用成分を生成するための構成要素を示した図である。
【図１０ａ】図１０の構成要素により生成される電界を示したベクトル図である。
【図１０ｂ】図１０ａに示したチャンバの内部の径方向における電圧分布を示したグラフである。
【図１０ｃ】図１０ａに示したチャンバの内部の径方向における電界強度の変化を示したグラフである。
【図１１】第１の実施の形態における荷電粒子に作用する径方向の力を示したグラフである。
【図１２】第１の実施の形態における荷電粒子の径方向の振動の説明図である。
【図１３】第１の実施の形態における荷電粒子の周方向の振動の説明図である。
【図１４】第１の実施の形態における荷電粒子の径方向及び周方向の振動の説明図である。
【図１５】第１の実施の形態における検出装置の構成要素を示した図である。
【図１５ａ】図１５の検出装置から出力される信号に基づいてプロセッサが生成するスペクトルの具体例を示した図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素を示した模式図である。
【図１７】第３の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素を示した模式図である。
【図１８】第３の実施の形態における周方向位置による電圧プロファイルの形状を示したグラフである。
【図１９】第４の実施の形態における電圧分布をある１つの視点から見た図である。
【図２０】第４の実施の形態における電圧分布を別の１つの視点から見た図である。
【図２１】第５の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素を示した模式図である。
【図２２】第５の実施の形態における電圧分布を示した図である。
【図２３ａ】電極要素の配列の３つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２３ｂ】電極要素の配列の３つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２３ｃ】電極要素の配列の３つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２４ａ】第６の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素の２つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２４ｂ】第６の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素の２つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２５ａ】第６の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素のさらなる２つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２５ｂ】第６の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素のさらなる２つの具体例のうちの１つを示した図である。
【図２６】第７の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素を示した図である。
【図２６ａ】図２６に示した第７の実施の形態の構成要素により生成される電界の径方向における電圧分布を示したグラフである。
【図２６ｂ】図２６に示した第７の実施の形態の構成要素により生成される電界の径方向における電界強度の変化を示したグラフである。
【図２７ａ】第７の実施の形態の構成要素の変形例を用いたときに生成される電界の径方向における電圧分布を示したグラフである。
【図２７ｂ】第７の実施の形態の構成要素の変形例を用いたときに生成される電界の径方向における電界強度の変化を示したグラフである。
【図２８】別構成例の検出装置の構成要素を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図１に、１つの構成例に係る質量分析装置の様々な主要な構成要素のうちの、幾つかの構成要素を模式図で示した。図示したそれら構成要素は、以下に説明する様々な実施の形態を構成するために用いられるものである。参照符号１は質量分析装置の全体を指している。フィールド生成装置３は、チャンバ２の内部に１つまたは複数のフィールドを生成するための構成要素である。後に詳細に説明するように、フィールド生成装置３が生成するフィールドは、チャンバ２内の荷電粒子に作用を及ぼすフィールドである。そのようなフィールドとして適当なものは、例えば、電界及び／または磁界であり、フィールド生成装置３はそのようなフィールドを発生させるように構成されている。導入装置７はチャンバ２内へ荷電粒子を導入するための構成要素である。導入装置７が導入する荷電粒子は、質量分析装置とは別体の荷電粒子生成源で生成したものを導入装置７へ供給するようにしてもよく、或いは、質量分析装置が荷電粒子生成源としてのイオン化装置６を備えているようにしてもよい。図示例ではイオン化装置６と導入装置７とが流体の輸送が可能なように接続されており、イオン化装置６において電荷が付与された荷電粒子がチャンバ２内へ導入されるようにしてある。尚、イオン化装置６と導入装置７とは、両者を一体化した装置として構成してもよく、各々を個別の装置として構成してもよい。
【００６６】
好適な１つの構成例では、チャンバ２内のガス圧力を減圧状態（不完全真空状態）に維持するようにしている。またそのために、排気装置９が装備されており、この排気装置９は例えばポンプなどである。ただし後に詳細に説明するように、排気装置９を装備することは必須要件ではない。
【００６７】
検出装置４は、チャンバ２から分析結果を取出すための構成要素である。検出装置４としては様々な構成のものを用いることができ、それらのうちには、チャンバ２内の粒子群の映像を撮影するようにしたものから、チャンバ２内から粒子を抽出するようにしたものまで種々のものがある。
【００６８】
多くの場合、フィールド生成装置３には制御装置５を接続しておくようにし、この制御装置５は例えば、コンピュータやプロセッサなどである。この制御装置５によって、フィールド生成装置３が生成するフィールドの寸法、形状、強度、及び方向を制御することができる。ただし、フィールドの形状を可変としないのであれば、制御装置５を装備しない構成とすることも可能である。また、制御装置５を検出装置４に接続して、得られた分析結果のモニタ並びにデータ処理を行わせるようにするのもよい。
【００６９】
以上に言及した様々な構成要素については、後の具体的な実施の形態の説明において、質量分析装置の全体動作を説明する際に更に詳細に説明する。
【００７０】
図２は、本発明に係る質量分析装置に用いるのに適した１つの具体例に係るチャンバ２の平面図である。この具体例において、チャンバ２の形状はディスク形状であり、即ち、その断面形状が円形で、アスペクト比の小さな形状である。この具体例のチャンバ２の寸法例を示すと、例えば、その直径は２ｃｍ程度とし、軸心方向の寸法である厚さは０．５ｃｍ程度とすることができる。このようにチャンバ２の形状としては、その断面形状が実質的に円形の形状とすることが好ましいが、ただし、その他の様々な形状とすることも可能であり、例えば、球形状、円筒形状、それに、リング形のチャンバを用いることも可能である。チャンバ２の形状を、その断面形状が円形のものとすることが好ましいのは、荷電粒子軌道が、通常、円形軌道（または略々円形軌道）となるため（これについては図２４及び図２５を参照されたい）、断面形状が円形のチャンバとすることで省スペース性が最大となるからである。ただしチャンバの断面形状が例えば正方形や長方形などのその他のいかなる形状であっても、荷電粒子軌道を円形軌道または略々円形軌道とすることは可能である。また、好適な構成例のうちには、チャンバ２を真空チャンバとして構成したものがある。これは、チャンバ２を密閉可能な構造とし、その内部の雰囲気圧力を上で言及したポンプ９などの適当な調圧手段によって高精度で調圧できるようにしたものである。チャンバ２はイオンを吸収しにくい材料で製作するか、或いは、チャンバ２の内壁面に例えば界面活性剤などのイオンを吸収しにくい物質をコーティングすることが好ましい。特に好適な構成例においては、チャンバ２の内壁面に近接した領域において、イオン（荷電粒子）に対して小さな斥力が作用するようにしており、それには、例えば正荷電粒子に対し斥力を作用させるのであれば内壁面に陽イオン含有物質をコーティングすればよく、負荷電粒子に対して斥力を作用させるのであれば陰イオン含有物質をコーティングすればよい。ただし、これらのことは必須要件ではない。
【００７１】
図示例では、イオン化装置６及び導入装置７の配設位置である粒子導入点がチャンバ２の周縁部２ａに設定されている。ただし、この粒子導入点はチャンバ２のどの箇所に設定してもよく、例えばチャンバ２の中心部（例えば回転軸心８上またはその近傍）に設定してもよく、或いは、回転軸心８とチャンバ周縁部２ａとの間の任意の径方向位置に設定してもよい。イオン化装置６は荷電粒子を導入装置７へ供給し、導入装置７は供給された荷電粒子をチャンバ２内へ導入する。荷電粒子の導入速度及び導入方向は高精度である必要はない。それらイオン化装置６及び導入装置７の動作は、従来の質量分析装置に装備されているそれら装置の動作と同様のものである。
【００７２】
イオン化法としては、目的に応じて適宜の方法を用いればよい。例えば、生体分子をイオン化するのであれば、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）や、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）などが好適であり、なぜならば、これらは周知の「ソフトな」イオン化法であり、荷電する際に粒子を損傷させることがないからである。ＥＳＩでは、液相状態の分析対象物質（即ち試料を含有する溶液）をポンプで加圧して噴霧ニードルからコレクタへ向けて噴霧する。噴霧ニードルとコレクタとの間には高電位差が印加されている。噴霧ニードルから押出された小滴には、噴霧ニードルに印加されている電圧極性と同極性の表面電荷が付与される。この小滴が噴霧ニードルからコレクタまで飛翔する間に溶剤が蒸発する。そのため小滴は体積が減少し、ついには小滴の持つ電荷を表面張力で保持することができなくなり（これをレイリーリミットという）、その時点で小滴は分裂して多数の更に微細な小滴になる。このプロセスが繰り返されて、最終的に１つ１つの分子にまで分離されて荷電された分子が得られる。ＥＳＩイオン化法が（液相状態の試料を用いる場合に）特に優れているのは、ＥＳＩイオン化装置は小型の装置として構成し得るからである。一方、ＭＡＬＤＩでは、試料とマトリックスとを混合した混合物をターゲットプレートの表面に塗布して乾燥させることで固相状態とし、この固相状態の混合物にレーザーを照射して気相とする。ＥＳＩイオン化装置も、またＭＡＬＤＩイオン化装置も、適当な装置が一般的に市販されている。ただし、その他の多くのイオン化法を用いることが可能であり、用途によってはその他のイオン化法を用いることが好ましいこともある。例えばこの質量分析装置を用いて空気中に混在している試料を分析する場合には、空気イオン化法を採用するのもよい。空気イオン化法においては、通常、互いに近接して配設した電極どうしの間に空気の降伏電圧以下の電圧を印加することによって、絶縁破壊を発生させることなく適切なイオン化を行うものである。
【００７３】
導入装置７の典型的な構成例としては直線粒子加速器を用いて構成したものがあり、その直線粒子加速器としては、例えば、導入開口を囲繞する形状の極板または列設した一連の環状電極を備え、その極板の中を、またはそれら環状電極の中を通過する粒子を加速するようにしたものなどを用いることができる。
【００７４】
フィールド生成装置３は、チャンバ２内に少なくとも１つのフィールド（電界ないし磁界）を生成するための装置である。フィールドを生成する方法としては様々な方法を用いることができるが、いずれの方法を用いるにせよ、周方向トラッピング作用を提供するフィールド成分と、径方向バランシング作用を提供するフィールド成分とを生成するようにする。これら２つのフィールド成分は、各々を個別に生成することもでき（その場合には個別に生成した複数のフィールドを重ね合わせるようにする）、或いは、単一のフィールドがこれら２つのフィールド成分を提供するようにすることもできる。一方のフィールド成分である周方向トラッピング作用成分は、チャンバ２内の荷電粒子に対して周方向の作用を及ぼすものであり、そのフィールドから作用する力のために、荷電粒子は図３に矢印φで示したように回転軸心８を中心とする半径が一定の円軌道上を運動させられる。回転軸心８の位置は図２に示したようにチャンバ２の中心点に一致させることが好ましいが、ただしこのことは必須の要件ではない。他方のフィールド成分である径方向バランシング作用成分の作用方向は、図３に矢印ｒで示したように、周方向トラッピング作用成分の作用方向に直交する方向であって、回転軸心８とチャンバの外周２ａとを結ぶ方向即ち径方向である。２つのフィールド成分のいずれも、そのフィールド成分が荷電粒子に及ぼす作用の方向（即ち、周方向トラッピング作用成分であれば周方向、径方向バランシング作用成分であれば径方向）は、そのフィールド成分（電界成分または磁界線分）それ自体の方向と必ずしも同一方向であるとは限らず、例えばフィールドが磁界である場合には同一方向にはならない。
【００７５】
周方向トラッピング作用成分は、回転軸心８とチャンバ周縁部２ａとの間を延在して荷電粒子をその中にトラッピングする少なくとも１本の「チャネル」を画成するエネルギミニマム部を含むものである。そのような周方向トラッピング作用成分をどのようにして生成するかについては後に詳述する。フィールド生成装置３は、そのような周方向トラッピング作用成分を、回転軸心８を中心として回転させるように構成されており、この周方向トラッピング作用成分の回転によって、チャネルの中にトラッピングされた荷電粒子も、回転軸心８を中心として回転して、遠心力の作用を受けるようにしてある。
【００７６】
径方向バランシング作用成分は、以上に説明した遠心力と釣り合う対抗力を提供するものである。それゆえ、周方向トラッピング作用成分によって画成されているチャネルの中にトラッピングされた荷電粒子は、遠心力と径方向バランシング作用成分の複合作用下において、そのチャネルの中をそのチャネルに沿って移動することになる。径方向バランシング作用成分は、その大きさが、回転軸心８を中心とした径方向位置に関して単調増加している。そのため、そのチャネルの中に、固有の電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する荷電粒子が、その電荷質量比に応じてセトリングする位置である平衡点が安定して形成される。周方向トラッピング作用成分は常に回転しているため、電荷質量比に応じた平衡点にセトリングした荷電粒子は回転軸心８を中心とした荷電粒子軌道上を周回するようになり、これを２種類の荷電粒子について示したのが、図２の（ｉ）及び（ｉｉ）の運動軌跡である。これら２種類の荷電粒子の夫々の軌道半径は、それら荷電粒子の電荷質量比に応じた半径となり、そのため、どのチャネルの中にトラッピングされている荷電粒子であっても、電荷質量比が互いに同一であれば、セトリングした後には互いに同一の荷電粒子軌道上を周回するようになる。図２において、軌道半径がｒ１の外周側の荷電粒子軌道（ｉ）を形成している荷電粒子の電荷質量比（ｑ１／ｍ１）は、軌道半径がそれより小さいｒ２の内周側の荷電粒子軌道（ｉｉ）を形成している荷電粒子の電荷質量比よりも小さい。即ち、質量が大きく電荷の小さい荷電粒子は、質量が小さく電荷の大きい荷電粒子と比べて、より大きな軌道半径の荷電粒子軌道上を周回するようになる。こうして形成された荷電粒子軌道を、後に詳細に説明する様々な検出方法で検出することにより、荷電粒子の質量（及び電荷）に関する情報が得られる。
【００７７】
荷電粒子に作用させるフィールドの径方向バランシング作用成分の強度及び周方向トラッピング作用成分の強度は、用途に応じて夫々に適当な強度に設定すればよく、選択可能な強度範囲は非常に広い。径方向バランシング作用成分の強度に関していえば、大きな電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する荷電粒子は、小さな電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する（例えば質量の大きな）荷電粒子と比べて、必要とされる強度が低い。従って、荷電粒子に作用させるフィールドの強度はこれらを勘案して適宜の強度に設定すればよいが、ただし、作用させるフィールドが電界である場合には、その電界強度がチャンバ内の雰囲気の絶縁破壊限度を超えないようにすることが望ましい。荷電粒子に作用させる電界の通常の電界強度設定範囲は１ｋＶ／ｃｍ〜１０ｋＶ／ｃｍであるが、ただし４０ｋＶ／ｃｍ程度の高強度とすることも可能であり、この４０ｋＶ／ｃｍという電界強度値は、パッシェン曲線による、空気の絶縁破壊を発生させずに済む上限値である。
【００７８】
周方向トラッピング作用成分の強度は、径方向バランシング作用成分の強度より低強度に設定することが適当である場合がある。なぜならば、周方向トラッピング作用成分が提供する作用は、荷電粒子を所要の角速度にまで加速するという作用であり、これは大きな力に対抗することを要求されるものではないからである。好適な幾つかの具体例においては、ある円周上における周方向トラッピング作用成分の最大強度が、その円周上における径方向バランシング作用成分の強度と略々同程度であるようにそれら作用成分の強度を設定しており、このような強度設定にしているのは、そうすることで荷電粒子をチャネルの中に迅速にトラッピングできることが確認されているからである。ただしこのような強度設定とすることは必須要件ではない。
【００７９】
従来の質量分析方法と比べて、本発明に係る質量分析装置を用いた質量分析方法では、高分解能の質量分析を、極めて広い電荷質量比の範囲に亘って行うことができ、しかも、作用させるフィールドの強度に調節を加えることによって、分析可能な電荷質量比の範囲を動的に（即ち質量分析装置の使用中に）変更することまでも可能である。そのため、小型のコンパクトな質量分析装置でありながら、大粒子から小粒子までの質量分析を行うことができる。従来の質量分析装置では、様々な事情から、質量分析が可能な粒子は小質量の（例えば２０ｋＤａ（キロダルトン）以下の）粒子に限られていた。その原因のうちの最大のものは、大質量の粒子では分解能が低下するということであった。これに対して、本発明に係る質量分析装置は、ｋＤａ領域をはるかに超えてＭＤａ領域の粒子の質量分析も行うことができ、しかも、試料が微量であっても非常に高い分解能が得られ、これが可能であるのは、従来の質量分析装置とは異なり、上で説明したように、粒子を閉軌道（周回軌道）の中に閉じ込めるようにしており、閉じ込められた粒子は高い集中度をもって集中するからである。そのため、分子量の非常に大きなＤＮＡ分子やタンパク質分子の質量分析も可能となっており、更には、まるごとの細胞の質量分析すら可能となっている。また、本発明に係る質量分析装置は、例えば無機化学物質の粒子などの、小質量の粒子の質量分析にも同様に好適に用い得るものである。
【００８０】
図４は、本発明の第１の実施の形態におけるチャンバ内の電圧分布を示した模式図である。第１の実施の形態では、周方向トラッピング用フィールド（周方向トラッピング用電界）と、径方向バランシング用フィールド（径方向バランシング用電界）とを、夫々個別に生成した上で、それら２つのフィールド（電界）を重ね合わせることによって、図４に示した電圧分布を生成するようにしている。図４から明らかなように、この実施の形態では、回転軸心８を中心とした同一円周上において電圧が正弦波状に変化している。即ち、この電圧分布では、回転軸心８を中心としたどの円周上においても周方向位置に応じて電圧が正弦波状に変化しており、その結果、どの円周上にも電圧谷部１０と電圧山部１１とが交互に存在している。それら電圧谷部１０及び電圧山部１１は形成されている電界におけるエネルギミニマム部であり、これについて図５を参照して以下に説明する。図５は、チャンバ内の電圧分布とそれによって形成されている電界の電界強度との関係を、横軸を偏角φに取って示したグラフである。尚、周方向トラッピング作用成分は、チャンバ内の全領域に亘って存在している必要はない。例えば、後に説明する第６の実施の形態では、周方向トラッピング作用成分はチャンバの一部角度領域にしか存在していない。
【００８１】
既述のごとく、第１の実施の形態の電圧分布では、電圧Ｖが正弦波状に変化している。電界強度Ｅは電圧Ｖを空間距離で微分した値に比例する（即ち、Ｅ＝ｄＶ／ｄφ）ため、電界強度Ｅもまた正弦波状に変化しており、ただし電界強度Ｅの位相は電圧Ｖの位相に対してπ／２だけ変位している（即ち、電圧Ｖがｓｉｎφのとき、電界強度Ｅはｃｏｓφとなり、なぜならばｄ／ｄφ（ｓｉｎφ）＝ｃｏｓφだからである）。従って、電界強度Ｅの大きさ（絶対値）が最小値（図示例では「０」）を取るのは、電圧分布における電圧山部１１及び電圧谷部１０の位置である。図４に示したように、電圧山部１１及び電圧谷部１０は径方向に連続しており、即ち、ある円周上の電圧山部１１及び電圧谷部１０の位置とそれに隣接する円周上の電圧山部１１及び電圧谷部１０の位置とが揃っており、それによって、回転軸心８とチャンバ周縁部との間を延在する複数本のチャネル１３及び１４が画成されている。チャネル１３はこの電圧分布における「谷筋」に沿って延在しており、チャネル１４はこの電圧分布における「尾根筋」に沿って延在している。尚、図４に示した実施の形態では、チャネル１３、１４はいずれも回転軸心８とチャンバ周縁部との間の全行程に亘って延在しているが、このようにすることは必須要件ではない。
【００８２】
チャンバ２内の荷電粒子は、周方向トラッピング作用成分の影響下において、エネルギミニマム部であるチャネル１３及び／またはチャネル１４の中へ移動する。例えば、図５に示した正荷電粒子１２は、電圧分布における電圧谷部１０に対応したエネルギミニマム部「Ａ」の近傍に位置している。図示例の電圧分布において、エネルギミニマム部Ａは、周方向トラッピング作用成分である電界成分（以下、周方向電界成分）の大きさがゼロを通過するゼロクロス点であり、そのため、周方向電界成分の向き（即ち、周方向トラッピング作用成分の作用方向）は、このエネルギミニマム部Ａの（周方向の）一方の側では正方向であり、他方の側では負方向である。図５に即していうならば、向きが正方向の周方向電界成分は正荷電粒子を図中右側へ移動させ、向きが負方向の周方向電界成分は正荷電粒子を図中左側へ移動させる。従って、図中の位置Ｘにある正荷電粒子１２は、周方向電界成分によって矢印で示したように右側へ移動させられる。そして、その正荷電粒子１２がエネルギミニマム部Ａを通過するとき、周方向電界成分の向きが正方向から負方向に反転する。正荷電粒子１２は、エネルギミニマム部Ａを超えて更に移動したならば向きが負方向の周方向電界成分によって、図中の位置Ｙにある正荷電粒子に付した矢印が示しているように、左側へ移動させようとする力を受けるようになる。そのため正荷電粒子は、エネルギミニマム部Ａの近傍において、実質的に周方向にトラッピングされた状態になる。ただし実際には、荷電粒子はエネルギミニマム部を中心として振動し、その振動が次第に減衰して行くという経過をたどり、これについては後に詳述する。
【００８３】
図５のグラフから明らかなように、電圧分布における電圧山部１１に対応した箇所に、また別のエネルギミニマム部Ｂが存在している。正荷電粒子１２にとっては、このエネルギミニマム部Ｂは不安定な平衡点であり、なぜならば、正荷電粒子がこのエネルギミニマム部Ｂから変位したならば、その正荷電粒子に、エネルギミニマム部Ｂから離れる方向へ移動させようとする力が作用するからである。一方、負荷電粒子にとっては、作用する力の向きが逆になることから、電圧山部１１は安定した平衡点となり、電圧谷部１０は不安定な平衡点となる。
【００８４】
上述したエネルギミニマム部Ａ及びＢのような、周方向電界成分のゼロクロス点が存在するようにするには、回転軸心８を中心とした周方向位置に応じて周方向電界成分が交番状に変化して交互に正値と負値とを取るようにすればよい。その交番状の変化は正弦波状とすることが好ましいが、ただし、三角波状または矩形波状としてもよい。また、エネルギミニマム部は、周方向電界成分のゼロクロス点によって形成されたものであることが好ましく、その理由は、上で説明したように、それによって特に安定したトラッピング作用が得られるからであるが、ただしこれは必須要件ではない。例えば、エネルギミニマム部の両側において周方向電界成分の向きが同一であるような、そのようなエネルギミニマム部とすることも不可能ではない。そのようなエネルギミニマム部は不安定な平衡点となるが、ただし、周方向トラッピング作用成分の回転角速度を、十分に大きな角速度（即ち、荷電粒子がエネルギミニマム部から離れる方向に移動する移動速度より大きな周速度が得られる角速度）とするのであれば、そのようなエネルギミニマム部であっても必要なトラッピング作用を提供することができる。同様に、エネルギミニマム部における周方向電界成分の大きさ（絶対値）は「０」とすると有利であるが、以上と同じ理由でこれも必須要件ではない。
【００８５】
従って、チャンバ２内の荷電粒子は、周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部によって画成されているチャネル１３及び／またはチャネル１４の中に拘束されて閉じ込められ（チャネル１３と１４のどちらに閉じ込められるかは、荷電粒子の電荷の正負に応じて決まる）、そして、周方向トラッピング作用成分が回転しているため、回転軸心を中心として回転運動をすることになる。
【００８６】
図６は、図４及び図５を参照して説明した種類の周方向トラッピング用フィールド（周方向トラッピング用電界）を生成するために用いられるフィールド生成装置３の構成要素の具体例を示した図である。図６にはチャンバ２が斜視図で示されており、先に述べたように、このチャンバ２の周縁部２ａに導入装置７が設けられている。フィールド生成装置３は周方向トラッピング用電界生成用電極アセンブリを備えており、この電極アセンブリは複数本の電極１５（これらは荷電粒子の周方向トラッピングのための電極であるので、以下「トラッピング電極」と称する）を備えており、それらトラッピング電極１５は、回転軸心８に対して垂直に延展しているチャンバ２の一方の壁面に近接した位置に等角度間隔で配設することが好ましい。それらトラッピング電極１５はチャンバ２の内部に配設してもよく、外部に配設してもよい。それらトラッピング電極１５の本数は任意であるが、２本以上とすることが好ましい。後に図２４及び図２５に関して説明するように、トラッピング電極１５はチャンバの一方の壁面の全域に亘って配設することは必ずしも必要ではなく、チャンバの部分角度領域にのみ配設するようにしてもよい。
【００８７】
図示例ではトラッピング電極１５の各々が回転軸心８からチャンバ２の周縁部２ａまで延在している。ただしトラッピング電極１５は、回転軸心８からチャンバ２の周縁部２ａまでの全長に亘って延在させる必要はなく上で説明したチャネルを画成したい部分にだけ延在させるだけでもよい。電圧源１５ａを備えており、複数本のトラッピング電極１５の各々に（またはそれらトラッピング電極１５のうちの少なくとも一部のものに）電圧を印加している。図を簡明にするために、図６では、複数本のトラッピング電極１５のうちの２本の電極１５＊及び１５＊＊についてだけ、トラッピング電極１５と電圧源１５ａとの接続を図示してあるが、実際には、アセンブリの複数本のトラッピング電極１５の各々に対して接続がなされている。図示例では、トラッピング電極１５の両端のうち、回転軸心８に近い方の端部に０Ｖを印加し、チャンバ２の周縁部２ａに近い側の端部に電圧Ｖ１、電圧Ｖ２、…を印加している。トラッピング電極１５に印加する電圧は、フローティング電圧とする（即ち、グラウンドに対する絶対電圧を印加するのではなく、隣り合った電極の間の電圧差を供給するようにする）ことが好ましく、その理由については後に説明する。電圧源１５ａは、プロセッサ５で制御するようにし、このプロセッサ５が、トラッピング電極１５の各々に印加する電圧を設定することで、チャンバ２内に所望の分布形状の電圧分布を確立するようにするとよい。ただし、電圧源１５ａそれ自体がこの機能を担うようにすることも可能である。周方向トラッピング用電界の分布形態は、トラッピング電極１５の各々へ印加する電圧を精緻に選定することで設定され、周方向トラッピング用電界が上で説明したように回転軸心８を中心とした周方向位置に応じて正弦波状に変化するようにするには、各々のトラッピング電極に印加する電圧を回転軸心８を中心として周方向に正弦波状の分布形態となるようにすればよい。電界の分布形状を、例えば三角波状や矩形波状などの、その他の分布形状とするには、トラッピング電極の各々に印加する電圧をそれに応じて適切に選択することで可能である。
【００８８】
周方向トラッピング用電界をチャンバ２に対して相対的に回転させるには、複数本のトラッピング電極１５に夫々に印加する電圧を、電圧源１５ａが（または制御装置５が）時間と共に変化させるようにし、またその際に、それらトラッピング電極１５に夫々に印加する電圧の強度を次々と隣接するトラッピング電極１５へ移動させて行くようにする。また、その回転速度は、電圧源１５ａまたは制御装置５によって制御する。図７は、図６に示した構成のフィールド生成装置において、その１つの具体例として、トラッピング電極１５＊に印加する電圧（実線）と、トラッピング電極１５＊＊に印加する電圧（破線）とを時間と共にどのように変化させているかを示したものである。図から明らかなように、時刻＝０において、トラッピング電極１５＊の電圧はＶ１であり、一方、トラッピング電極１５＊＊の電極の電圧は最大電圧のＶ２であって、これは電圧分布の山部に相当している。夫々のトラッピング電極の電圧は、周方向トラッピング用電界の角速度に正比例した周波数で、正弦波状に変化させている（或いは、その他の、例えば三角波状などの形状に変化させるようにしてもよい）。図７において、夫々のトラッピング電極に作用する電圧は、時間Ｔが経過する間に電圧山部と電圧谷部とを一度ずつ通過する。図４に示した具体例の電圧分布には、８個の電圧山部と８個の電圧谷部とが存在しているため、時間Ｔは、電界が１回転する時間の８分の１になる。従って、図示例における回転周波数Ｆは、Ｆ＝１／（８Ｔ）となる。一般的な構成例としては、この回転周波数Ｆは、ｋＨｚないしＭＨｚのオーダーとする。また、角速度ωは、ω＝２πＦとなる。
【００８９】
トラッピング電極１５は、例えば高電気抵抗のポリマーやシリコンなどの高電気抵抗材料で製作して、回転軸心８からチャンバ２の周縁部２ａまでに亘って径方向に電位差が存在するようにすることが好ましい。それによって、回転軸心８に近付くほど電圧が降下するような電圧分布とすることができ、もって、チャンバ２内の全領域において連続性を有する電界を容易に形成することができるが、ただしそのようにすることは必須要件ではない。しかしながら、そのようにすることで、更に有利な構成とすることができ、それについては後に詳述する。高電気抵抗材料から成るトラッピング電極を使用することによって更に、トラッピング電極に流れる電流を小さく抑えることができ（或いは電流が殆ど流れないようにすることができ）、それによって電力消費量を抑えることができるという利点も得られる。
【００９０】
図８に、図６に示した装置で生成することのできる電圧分布の形状を模式図で示した。この電圧分布では、径方向位置が外側へ行くほど、周方向トラッピング用電界の正弦波状に変化している電界の振幅が増大しており、このように電界の振幅が増大しているのは、上で説明したようにトラッピング電極の長手方向に電位差が生じているからである。この図８の電圧分布に、更に、径方向バランシング用電界が重ね合わされることにより、図４に示した電圧分布が得られる。
【００９１】
図９は、径方向バランシング作用成分を提供している電圧分布Ｖの具体例と、この電圧分布に対応した径方向電界成分の電界強度Ｅとを示した図である。この具体例の電圧分布における電圧は、径方向位置ｒに応じて増加し、より詳しくはｒ３に比例して増加しており、周方向位置を表す偏角φに対しては依存性を有していない（即ち、回転軸心８を中心とした同一円周上では周方向位置φによらず電圧は一定である）。従って、この電圧分布によって得られる径方向バランシング作用成分の電界強度Ｅは、径方向位置ｒに応じて増加し、より詳しくはｒ２に比例して増加するものである。ただし、径方向バランシング作用成分の電界強度の変化形状はこのようなものに限られず、チャネルに対応した領域において、径方向位置ｒの任意の単調増加関数に従って変化するものであればよく、なぜならば、それによって径方向の平衡点が安定したものとなるからであり、これについては後に詳述する、例えば、径方向バランシング作用成分の電界強度Ｅは、ｎを１以上の数とするとき、ｒｎに比例して変化するものとすることができる（ただし、ｎ＝１の場合には、回転軸心８の位置における径方向バランシング作用成分の電界強度が「０」でないことが必要であり、なぜならば、そうでないと平衡点が回転軸心８上の１箇所だけになってしまうからである）。
【００９２】
径方向バランシング作用成分の分布形状は、径方向位置が同一であれば（即ち同一円周上にあれば）周方向位置が異なっていても径方向バランシング用電界成分の電界強度が一定であるような分布形状とすることが好ましいが、ただしこれは必須要件ではない。荷電粒子は周方向トラッピング作用成分のチャネルの中に閉じ込められるため、荷電粒子の径方向の移動はそのチャネルの中でのみ行われる。従って、チャネル以外の部分では、径方向バランシング作用成分の分布形状は重要でなく、その電界強度が径方向位置に関して単調増加する形状である必要もない。ただし、同一円周上において、径方向バランシング用電界成分の電界強度が一定でない場合には、周方向トラッピング作用成分を回転させるのに同期させて径方向バランシング作用成分を回転させる必要があり、なぜならば、径方向バランシング作用成分の分布形状は、常時、周方向トラッピング作用成分のチャネルに対して所要の相対位置に維持されていなければならないからである。
【００９３】
図９に示した径方向バランシング作用成分を提供するための電圧分布と、図８に示した周方向トラッピング作用成分を提供するための電圧分布とを重ね合わせることによって、図４に示した形状の、径方向バランシング作用成分と周方向トラッピング作用成分との両方を有する電圧分布が得られる。
【００９４】
図１０はフィールド生成装置３の構成要素の具体例を示した図であり、このフィールド生成装置３が生成するフィールドは電界である。図１０には側方から見たチャンバ２が示されると共に、図６を参照して上述した複数本のトラッピング電極１５を備えた周方向トラッピング用フィールド生成用電極アセンブリ（周方向トラッピング用電界生成用電極アセンブリ）が、チャンバ２の上面に配設されているところが示されている。これらに加えて更に、径方向バランシング用フィールド生成用電極アセンブリ（径方向バランシング用電界生成用電極アセンブリ）が示されており、この電極アセンブリは、チャンバ２の上面側と下面側とに１つずつ配設された２つのバランシング電極１７ａ、１７ｂを備えている（ただし、それら２つのバランシング電極のうちの一方だけで径方向バランシング用電界を生成することも可能である）。夫々のバランシング電極１７ａ、１７ｂは、上で説明したトラッピング電極１５と同様に、例えば高電気抵抗のポリマーやシリコンなどの高電気抵抗材料から成る。夫々のバランシング電極１７ａ、１７ｂは、その厚さ分布（チャンバ２の軸心方向の厚さの分布）が、径方向位置に応じて変化する形状とされる。特に図示例では、バランシング電極１７ａ、１７ｂの形状は、直線状の母線を有する円錐形状である。ただし、その他の形状とすることもでき、例えば、その母線が湾曲した、側面が膨出または陥凹した円錐形状としてもよい。バランシング電極１７ａ、１７ｂの中心線は、通常、周方向トラッピング用電界の回転軸心８に一致させる。バランシング電極１７ａ、１７ｂは、それらの円錐形状の頂頭部をチャンバ２の方へ向けて配設することも、また、チャンバ２とは反対側へ向けて配設することもできるが、ただし図１０に示したように、頂頭部をチャンバ２とは反対側へ向けて配設することが好ましい。バランシング電極１７ａ、１７ｂの各々は、複数の「くさび形」電極を放射状に並べて構成した電極アレイとして構成したものを用いることもできる。
【００９５】
バランシング電極１７ａ、１７ｂには、その中心部と周縁部との間に直流電圧を印加する。特に図示例では、バランシング電極１７ａ、１７ｂの夫々において、円錐頂頭部を接地し、周縁部１８ａ、１８ｂに正電圧＋Ｖを印加するようにしている。この電圧印加のためには、例えば、バランシング電極１７ａ、１７ｂの夫々の円錐頂頭部に挿入した２本の接触通電式軸部材１９ａ、１９ｂと、夫々の周縁部に設けた２枚のリング状の周縁接点板２０ａ、２０ｂとを用いるとよい。ただし、２本の接触通電式軸部材１９ａ、１９ｂを用いる替わりに、１本の連続した接触通電式軸部材を用いることも可能であり、その場合には、その接触通電式軸部材が、チャンバ２の中を貫通するように（または、チャンバ２がリング形のものであるならば、そのチャンバ２のリング孔を通過するように）して、その接触通電式軸部材が回転軸心８上に位置するようにすればよく、そうすることで、その接触通電式軸部材を電界形成に利用し得る可能性もある。バランシング電極１７ａ、１７ｂは、高電気抵抗の材料で製作されるため、回転軸心８とそれらバランシング電極の周縁部１８ａ、１８ｂとの間に電位差が確立され、そして、形状は、バランシング電極１７ａ、１７ｂが上述した形状であることから、図９に関連して上で説明した形状の電圧分布がチャンバ２の中に形成される。
【００９６】
図１０ａは、以上に説明したフィールド生成装置を用いて生成した径方向バランシング用電界における電界の方向を表したベクトル図であり、このベクトル図は有限要素解析法を用いて作成したものである。同図には、側面から見たバランシング電極１７ａ、１７ｂ及びチャンバ２が示されており、その他の構成要素は図を見易くするために図示省略されている。図中の多数の矢印はバランシング電極１７ａ、１７ｂの近傍の夫々の位置における電界の電界強度（矢印の長さ）及び方向を示しており、２つのバランシング電極に挟まれた領域、即ちチャンバ２の内部の領域では、電界の方向は放射方向（回転軸心８に直交する方向）となっている。チャンバ２の径方向における電圧分布の具体例を示したのが図１０ｂのグラフであり、この具体例は、バランシング電極の周縁部に＋１０００Ｖの電圧を印加し、円錐頂頭部を接地した（０Ｖにした）ものである。この図１０ｂの電圧分布における径方向バランシング作用成分の電界強度を示したのが図１０ｃである。図示したように、その電界強度が（ただし負値であるため正確にはその絶対値が）径方向位置に関して単調増加するという、好ましいものとなっている。
【００９７】
以上のようにして生成した周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを重ね合わせるための方法には様々な方法がある。既述のごとく、周方向トラッピング作用成分を生成するために用いる電圧源は、径方向バランシング作用成分を生成するために用いる直流電圧源とは別の専用の電圧源とするのがよく、そうすることで、トラッピング電極を、径方向バランシング用電界を生成するための電圧から「フロート」した状態にすることができる。即ち、トラッピング電極に印加する電圧は、接地電位を基準とした絶対電圧とせずに、隣り合ったトラッピング電極どうしの間の電圧差の形で供給するようにすることが望ましく、なぜならば、絶対電圧の形で供給したならば、径方向バランシング作用成分のための電圧分布を著しく歪ませるおそれがあるからである。トラッピング電極を「フロート」した状態にすることによって、個々のトラッピング電極における電圧は、径方向バランシング作用成分のための電圧と周方向トラッピング作用成分のための電圧とを足し合わせた電圧になる。周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを互いに重ね合わせる別の方法として、トラッピング電極とバランシング電極とを適当な抵抗器ないし電気抵抗材料を介して電気接続することによって、トラッピング電極にバイアスをかけるという方法もある。更に別の方法として、Ｖを径方向バランシング作用成分を生成するための電圧、ｄＶを周方向トラッピング作用成分を生成するための電圧とするとき、電圧Ｖ＋ｄＶを絶対電圧として印加するような、ノンフロート状態の電圧源を用いるという方法もある。この方法は、後に説明する別の実施の形態に適した方法である。
【００９８】
周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを重ね合わせたならば、それによって得られる電圧分布は、チャンバ内の個々の位置において、周方向トラッピング作用成分を提供するための電圧分布における電圧と、径方向バランシング作用成分を提供するための電圧分布における電圧とを足し合わせた電圧分布となり、これを図示したのが図４である。既述のごとく、径方向バランシング作用成分の強度は周方向トラッピング作用成分の強度よりも格段に大きく設定することができ、そうすることで、径方向バランシング作用成分を提供するための電圧分布の形状が支配的となるため、径方向バランシング作用成分の作用方向を所要の方向に任意に設定することが可能になる。例えば、図８から明らかなように、周方向トラッピング作用成分を提供するための電圧分布を単独で見たとき、電圧谷部から成るチャネルに沿った電圧変化は、回転軸心８から離れるにつれて負方向へ変化する（低下する）ものであるのに対して、電圧山部から成るチャネルに沿った電圧変化は、回転軸心８から離れるにつれて正方向へ変化する（上昇する）ものである。従って、周方向トラッピング作用成分を提供するための電圧分布それ自体に、径方向バランシング作用成分が含まれており、その径方向バランシング作用成分の作用方向は、電圧山部では回転軸心へ向かう方向であり、電圧谷部ではチャンバ周縁部へ向かう方向となっている。しかしながら、上で述べたように、径方向バランシング作用成分を提供するための電圧分布を高強度の電圧分布として、それを重ね合わせるならば、その重ね合わせによって得られる電圧分布において、径方向バランシング作用成分による径方向作用力の方向を、向心方向と遠心方向とのいずれか一方に揃えることができる。図４の電圧分布では、まさしくそのようになっており、同図から明らかなように、電圧山部によって画成されたチャネルに沿った電圧変化も、また、電圧谷部によって画成されたチャネルに沿った電圧変化も、いずれも回転軸心８から離れるにつれて上昇するものとなっている。そのため、この電圧分布における径方向バランシング作用成分による径方向作用力の方向は、この電圧分布の全ての位置において、向心方向となっている。尚、重ね合わせた電圧分布の形態は、図４に示した電圧分布の形態以外にも有利な様々な形態があり、それらについては後に説明する。
【００９９】
図４に示した具体例の電圧分布は、Ｖ＝Ａ（ｒ／Ｒ）３＋Ｂ（ｒ／Ｒ）ｓｉｎ（Ｎφ＋ωｔ）という式で表され、ここでＡ及びＢは定数、ｒは極座標における動径、φは極座標における偏角、ｔは時刻、Ｒは電圧分布の半径寸法（即ちチャンバ２の半径寸法）、Ｎは回転軸心８を中心とした円周上を一周する間に正弦波状に変化する周方向トラッピング作用成分の波数、ωは周方向トラッピング作用成分の回転角速度である。この具体例の電圧分布ではＮ＝８であり、そのため、回転軸心８を中心とした円周上に８個の電圧谷部と８個の電圧山部とが存在し、それらによって１６本のチャネルが画成されており、どの荷電粒子にとっても、それらチャネルのうちの半数が、その荷電粒子にとっての安定した「トラッピング領域」となる。Ｎは任意の値に設定することができ、波数を表すものであるため整数とすることが好ましいが、ただしこれは必須要件ではない。Ｎを大きな値に設定するほど画成されるチャネルの本数が増加し、それによって１本のチャネルの中にトラッピングされる荷電粒子の個数が減少するため、同一のチャネルの中にトラッピングされた同極性の荷電粒子どうしが反発し合うことによって生じる問題が緩和される。
【０１００】
あるチャネルの中にトラッピングされた荷電粒子は、径方向バランシング作用成分と遠心力との複合影響下において、そのチャネルの中をそのチャネルに沿って移動する。既述のごとく、径方向バランシング作用成分が荷電粒子に及ぼす作用力の方向は向心方向となるようにしてあり、そのためこの作用力は、遠心方向に作用する遠心力に対抗する力として機能する。従って、質量分析を行う対象が正荷電粒子である場合には、図４に示した形状の電圧分布（この電圧分布では、チャンバ周縁部から回転軸心へ近付くほど電圧は負方向へ変化（低下）している）を用いるのが適当である。一方、質量分析を行う対象が負荷電粒子である場合には、その電圧の変化の方向を逆にした電圧分布を用いるのが適当である。ただし、その電圧の変化の方向がいずれであっても、径方向バランシング作用成分の強度は、上で説明したように径方向位置に関して単調増加するようにしておく。様々な実施の形態のうちには、正荷電粒子と負荷電粒子とを同時に質量分析できるようにしたものもあり、それについては後に説明する。
【０１０１】
図１１は、チャネルの中にトラッピングされた荷電粒子に対して径方向に作用する２つの力の具体例を示した図である。遠心力ＦＣは荷電粒子に対して常に遠心方向（図１１では右方）に作用し、その大きさはｍω２ｒであり、ここでｍは荷電粒子の質量、ωは荷電粒子の角速度、ｒは荷電粒子の径方向位置である。一方、径方向バランシング作用成分による力ＦＲは向心方向に作用し、その大きさは図示例ではｑｒ２に比例しており、ここでｑは荷電粒子の電荷、ｒは荷電粒子の径方向位置である。図１１に示したように、荷電粒子の電荷質量比（ｑ／ｍ）の値に応じて、互いに逆向きの力ＦＣとＦＲの大きさが等しくなる径方向位置ｒ＊が存在する。そして、径方向バランシング作用成分は、その大きさが径方向位置ｒに関して単調増加するようにしてある（図示例ではｒ２に比例するようにしてある）ことから、この径方向位置ｒ＊は安定した平衡点となっている。荷電粒子が動揺によりこの平衡点ｒ＊から変位して、回転軸心の側へ（図１１では左方へ）移動したならば、その荷電粒子はＦＣ＞ＦＲの領域へ入るため、それら２つの力ＦＣとＦＲの合力は、その方向が遠心方向となり、その荷電粒子を平衡点ｒ＊へ戻すように作用する。同様に、荷電粒子が平衡点ｒ＊よりチャンバ周縁部の側へ（図１１では右方へ）移動したならば、その荷電粒子に作用する合力は、その方向が向心方向となり、この場合にもその荷電粒子を平衡点ｒ＊へ戻すように作用する。
【０１０２】
従って荷電粒子は、その電荷質量比（ｑ／ｍ）に応じた平衡点ｒ＊にセトリングする。それゆえ、互いに電荷質量比（ｑ／ｍ）が同一ないし略々同一の荷電粒子は、同一の径方向位置にある平衡点ｒ＊に集結して荷電粒子群を形成する。また、同種の粒子から成る荷電粒子群は、回転軸心を中心とした同一の荷電粒子軌道上を、径方向バランシング作用成分の回転と同期して周回する。
【０１０３】
先にも言及したように、荷電粒子は平衡点を中心として振動するという挙動を示す。平衡点を中心とした荷電粒子の振動は、周方向にも発生し（周方向の振動はエネルギミニマム部、即ち「バーチャル」チャネルを中心とした振動である）、径方向にも発生する（径方向の振動は平衡点ｒ＊を中心とした振動である）。ただし、チャンバ内の電界の周方向トラッピング作用成分並びに径方向バランシング作用成分が、荷電粒子群を十分に小さな体積の中に局在させるように設定されていれば、そのような荷電粒子の振動は何ら不都合をもたらすことはない。例えば、チャネル１３を画成している電圧谷部の両側の勾配が十分に急峻であれば、正荷電粒子の周方向の振動は、実際上、非常に幅の狭い電位窪み部の内部のみに限局されることになる。同様に、径方向バランシング作用成分の形状を適切に制御することによって径方向の振動も小さく抑えることができる。ただし、質量分析装置の分解能を向上させるためには、荷電粒子の振動が減衰するようにしておくことが望ましい。それには、チャンバ内のガス圧力及び温度を制御して、適切な圧力及び温度に維持するとよく、また特に、チャンバ内を不完全真空状態に維持することが望ましい。それによって、チャンバ内の電界による荷電粒子の移動を甚だしく阻害することなく、荷電粒子の振動運動を抑止する適度の摩擦力を作用させることができる。更に加えて、チャンバ内を不完全真空状態に維持するのであれば、質量分析装置に装備するポンプは、完全真空を作り出すほどの能力を必要とされず、そのことも利点となる。そのような大能力のポンプは通常かなり大型であるため、質量分析装置の可搬性を損なうおそれがあるのである。
【０１０４】
荷電粒子の振動を減衰させるためのガスとしては様々なガスを使用することができる。使用するガスを選択する際には以下の点を考慮すべきである。
・ガスの降伏電圧：一般的に、良好な分解能を得るためには、チャンバ内の電界の強度を高強度（１０〜５０ｋＶ／ｃｍ）にする必要がある。そのためには、いわゆる誘電体ガスを選択することが好ましく、誘電体ガスには、例えば、空気、窒素、アルゴン／酸素、キセノン、水素、六フッ化硫黄（これは希ガスと混合するとよい）などがある。更にその他にも、使用に適した様々な公知の誘電体ガスが存在する。
・ガスの減衰効果：ガスの種類によって荷電粒子の運動の減衰効果の大きさが異なる。
・ガスが化学不活性であること。
キセノンは、以上の点に関して好適な特性を兼ね備えたガスであることが、確認されている。また、キセノン以外にも使用に適した様々なガス（単一ガスないし混合ガス）が存在している。
【０１０５】
適切なガス圧力を決定する際にも様々な要因を考慮する必要があり、それら要因のうちには、質量分析の対象となる粒子の特性や、チャンバ内の電界の必要電界強度などが含まれる。例えば、荷電粒子の振動を減衰させることと、荷電粒子の荷電粒子軌道上の周回運動を妨げないこととを、適切に折り合わせる必要があるが、多くの場合、それらを両立させるために、ガス圧力を比較的低圧に設定するようにしている。しかしながら、いかなる場合にもガス圧力を比較的低圧に設定すればよいというものではなく、ガス圧力をかなり高圧に設定しなければならない場合もあり、例えば、チャンバ内の電界によってガスの絶縁破壊が発生するのを防止するために、そうしなければならないことがある。ガスの絶縁破壊の防止が必要とされるのは、例えば細胞などの大質量粒子の質量分析を行うために、電界の回転角速度を比較的低速とし、その電界強度を比較的高強度とする場合である（大質量粒子には、回転角速度が低速であっても大きな遠心力が作用するため、電界強度を高強度とする必要がある）。パッシェン曲線によれば、空気の降伏電圧は、圧力が高いほど高くなる。
【０１０６】
ガスの摩擦力によって荷電粒子の振動が減衰することにより、荷電粒子は運動エネルギを失い、しかるべき平衡点の近傍にセトリングする。荷電粒子が最終的にセトリングする位置は、後に説明するように、平衡点に厳密に一致しないこともある。ただし、そのようなセトリング位置のずれは、一般的に、荷電粒子の軌道半径と比べれば無視可能なほど小さく、そのため質量分析結果には殆ど影響しない。尚、そのセトリング位置のずれは、質量分析結果のデータに対するデータ処理の際に勘案することも可能である。
【０１０７】
以下に、荷電粒子の振動の減衰について説明する。以下の説明においては、幾つかの単純化を導入することで数式を線形方程式の形としており、そしてその線形方程式から、解析的手法によって、平衡点の近傍における荷電粒子の運動の特性を定量的に示す解を求める。ここではその単純化として、径方向電界成分の電界強度Ｅｒが、径方向位置ｒの線形関数で表されるものとする（即ち、Ｅｒ∝ｒ）。また同様に、周方向電界成分の電界強度（Ｅφ）も、平衡点の近傍では周方向位置（φ）の線形関数で表されるものとする（図５参照）。
【０１０８】
以上の単純化によれば、径方向バランシング作用成分の電界強度（Ｅφ）は次の式（１）で表される。
【０１０９】
【数１】
0005540392.tif 000002
この式（１）において、Ａ及びＢは定数である。また、径方向バランシング作用成分の電界強度Ｅｒは次の式（２）で表される。
【０１１０】
【数２】
0005540392.tif 000003
この式（２）において、Ｃ及びＤは定数である。定数Ｃの前に負号が付されているのは、電界の方向が負方向であること、即ち、正荷電粒子に向心方向の力を及ぼすことを表している。荷電粒子に作用する遠心力は次の式（３）で表される。
【０１１１】
【数３】
0005540392.tif 000004
従って、径方向の運動方程式は次の式（４）で表される。
【０１１２】
【数４】
0005540392.tif 000005
この式（４）において、ｍは荷電粒子の質量、ｑは荷電粒子の電荷、ρはチャンバ内の調圧されたガスが荷電粒子に及ぼす摩擦力の摩擦係数である。また、式中の記号「’」は導関数であることを表している。従って、周方向の運動方程式は次の式（５）で表される。
【０１１３】
【数５】
0005540392.tif 000006
【０１１４】
以上の２つの運動方程式（４）及び（５）に、周方向トラッピング作用成分の電界強度の形状を表している式（１）及び径方向バランシング作用成分の電界強度の形状を表している式（２）を代入して得られる微分方程式に、境界条件を適用し、そしてその微分方程式を解くことによって、荷電粒子の運動を記述した数式が得られる。径方向の運動を記述した式（６）は以下の通りである。
【０１１５】
【数６】
0005540392.tif 000007
【０１１６】
また、周方向の運動を記述した式（７）は以下の通りである。
【数７】
0005540392.tif 000008
従って、ｔ→∞のとき、荷電粒子は平衡点へ限りなく近付き、その平衡点の位置は次の式（８）及び（９）で表される。
【０１１７】
【数８】
0005540392.tif 000009
【０１１８】
【数９】
0005540392.tif 000010
【０１１９】
尚、ここで注意すべきことは、式中のφは、周方向（接線方向）の距離を表すものであって、その距離に対応した見込み角を表すものではないということである。
【０１２０】
平衡点を中心とした荷電粒子の振動の振動周波数ｆｒ及びｆφ（これら振動周波数は、周方向トラッピング作用成分の回転周波数Ｆとは異なるものであるので混同しないように注意されたい）は、次の式（１０）及び式（１１）で表される。
【０１２１】
【数１０】
0005540392.tif 000011
【０１２２】
【数１１】
0005540392.tif 000012
【０１２３】
以下に、荷電粒子の振動の１つの具体例について、図１２、図１３、及び図１４を参照して説明する。この具体例における様々なパラメータの値は以下に示す通りである。
回転周波数：Ｆ（＝ω／２π）＝１００ｋＨｚ
摩擦係数：ρ＝１×１０−１９Ｎｓ／ｍ
荷電粒子の質量：ｍ＝５０ｋＤａ（１ダルトン＝１統一原子質量単位である）
荷電粒子の電荷：ｑ＝＋１
初期径方向位置：ｒ０＝１ｃｍ
初期周方向位置：φ０＝０ラジアン
定数Ａ＝‐２×１０６
定数Ｂ＝０
定数Ｃ＝２×１０７
定数Ｄ＝５×１０３
【０１２４】
図１２は、径方向平衡点（ｒ＝０の位置）を中心とした０．０００５秒間余りの期間の径方向振動を示した線図である。この線図から分かるように、径方向振動が減衰して、荷電粒子はｔ＝０．０００５秒以内で略々径方向平衡点にセトリングしている。図１３は、図１２の線図の期間を含み更にｔ＝０．００１秒まで延長した期間の周方向振動を示した線図である。この周方向振動に関しては平衡点が一定速度で移動しているが、これは、周方向トラッピング作用成分が回転していることによるものであり、そのため時間の経過と共に荷電粒子は「ゼロ」位置から次第に離れて行っている。ただし振動それ自体はｔ＝０．００１秒以内でその振幅が略々ゼロにまで減衰している。図１４は２次元的な振動を示した線図であり、これは図１２の線図と図１３の線図とを合成したものであり、ｔ＝０．００１秒までの期間の振動を示している。荷電粒子は線図の曲線の最上部の点に至ってセトリングしており、この点では振動が略々ゼロにまで減衰している。
【０１２５】
以上に説明したようにして減衰作用が得られる構成とする場合には、どの円周上においても、その円周上における最大強度の周方向フィールドが荷電粒子に作用する減衰力を十分に凌駕しているようにすることが望ましい。換言するならば、ガスの摩擦力によって荷電粒子の振動を減衰させるのであれば、（最大強度の）周方向フィールドにより荷電粒子に作用する力が、角速度ωにおいて荷電粒子とガスとの間に作用する摩擦力より大きくなるようにしておくことが望ましい。これによって、荷電粒子を各々のチャネル内に保持することをアシストすることが確認されており、ただしこれは必須要件ではない。
【０１２６】
荷電粒子により形成された荷電粒子軌道を検出する方法として、幾つかの異なる方法がある。上術の実施の形態において、検出装置４は、図６に示したように、複数個の放射検出素子１６をアレイ状に配列した放射検出素子アレイを備えたものである。それら複数個の放射検出素子１６は、チャンバ２の内部に配設してもよく、或いは、チャンバ２の外壁のうちの少なくともそれら放射検出素子１６の配設領域を放射透過性にして配設してもよい。配設する放射検出素子１６の個数は適宜に決定すればよい。それら放射検出素子１６は、ＣＣＤなどの光検出素子であり、放射（光）が入射したときに信号を発する素子である。それら放射検出素子１６の出力は、制御装置５などのプロセッサに接続されている。
【０１２７】
チャンバ２内に存在する荷電粒子は、放射（光）を吸収するなどして、放射がチャンバ２を通過するのを妨げようとするため、配設位置の近傍に荷電粒子軌道が形成された放射検出素子１６は、入射する放射の強度が低下する。これによって検出を行う場合の放射としては、周囲光を利用することも可能であるが、好適な構成例としては、検出装置４が更に放射エミッタ（発光素子ないし光源）１６ａを備えているようにし、その放射射出素子１６ａが射出した放射（光）が、放射検出素子（光検出素子）１６に入射するような構成とするとよい。専用の放射源を備えると共に、それに応じて放射検出素子（光検出素子）を調整することにより、周囲放射源（周囲光源）からの干渉を抑制することができる。放射（光）の種類は任意に選択することができ、可視光を選択してもよく、その他の放射を選択してもよいが、紫外光を選択することが好ましい。
【０１２８】
複数の放射検出素子１６の各々に入射する放射の強度に基づいて、荷電粒子軌道の位置を決定することができ、また更に、夫々の荷電粒子軌道上を周回している荷電粒子の密度を決定することもできる。
【０１２９】
図１５に検出装置を更に詳細に示した。同図において、チャンバ２の下側に、複数個の検出素子１６が一列に並べて配設されており、この検出素子の列は回転軸心８とチャンバ周縁部との間を径方向に延在している。チャンバ２の反対側の、検出素子の列に対向する位置に、放射エミッタ１６ａが配設されている。ただし、チャンバ２の周囲壁の全体が放射透過性（透光性）を有する場合には、この放射エミッタ１６ａをその他の様々な箇所に配設することも可能である。射出された放射Ｒはチャンバ２内を通過し、チャンバ２内の荷電粒子軌道Ｐの位置とその軌道上の荷電粒子密度とに応じて、その一部分が複数個の検出素子１６に入射する。それら検出素子１６から出力される放射強度信号はプロセッサへ供給されており、図示例ではそのプロセッサによって、図１５ａに示したようなスペクトル曲線が生成される。このスペクトル曲線の複数のピークは、それらの各々が夫々に異なった荷電粒子軌道を表しており、それら荷電粒子軌道は、その荷電粒子軌道上を周回している荷電粒子の質量と電荷とに応じて決まる軌道半径を有する。それゆえ、それら荷電粒子軌道の夫々の軌道半径を測定すれば、その測定によって得られた軌道半径の値に基づいて、それら荷電粒子軌道を形成している荷電粒子の質量を求めることができる。好適なイオン化法の１つであるＭＡＬＤＩ法によって生成される荷電粒子は、１価または２価の（即ち、＋１、−１、＋２、−２の）電荷を持つ荷電粒子となるため、ＭＡＬＤＩ法を採用している場合には、通常、荷電粒子軌道を形成している荷電粒子の電荷を判定することは容易である。一方、ＭＡＬＤＩ法以外の、例えばＥＳＩ法などによって生成される荷電粒子のうちには、より高い電荷を持つものも含まれており、従ってイオン化における電荷レベルが多段階になることから、そのような場合には、検出された軌道のデータに基づいて荷電粒子の電荷及び質量を判定するための適当なソフトウェアを使用するとよい。また場合によっては、イオン化装置によって、粒子種が同一でありながら電荷が異なる荷電粒子が生成されることもあり、その場合には同一種の粒子が複数の荷電粒子軌道を形成することになる。ただし通常は、どの粒子種の粒子も、イオン化されたならばその粒子種に固有のただ１つの電荷レベルを持つ傾向があり、そのため、同一種の粒子はその大部分がただ１つの荷電粒子軌道上にセトリングする傾向がある。
【０１３０】
その他の検出方法については、後に詳述する。
【０１３１】
以上に説明した実施の形態は、２つの電界を用いて粒子の操作を行うようにしたものである。しかるに、本発明はこれと異なる方式とすることも可能である。第２の実施の形態では、周方向トラッピング作用成分は電界成分であって以上に説明したものと同様にして提供されるのに対して、径方向バランシング作用成分は磁界により提供されるようにしている。磁界を利用することが有利となり得るのは、上術のように径方向電界を生成することと比べて、磁界を生成する方が簡単である場合がしばしばあるからである。非常に強力な磁界を生成することは容易ではない。しかしながら、電荷質量比の大きな荷電粒子の質量分析には磁界を利用する方式が有用である。
【０１３２】
図１６に、径方向磁界を提供するために用いられるフィールド生成装置３の構成要素を示した。図示したごとく、チャンバ２が、マグネットアセンブリ２１の一対の磁極２４、２５の間に配設されている。図を見やすくするためにチャンバ２を拡大して描いてあることから、同図ではチャンバ２の周縁部が一対の磁極２４、２５の間の空間から外側へはみ出ているが、通常はチャンバ２の周縁部を実際にはみ出させたりせず、それら磁極２４、２５により発生させた、その方向が回転軸心８と実質的に平行な磁界Ｂが、チャンバ２の全領域を貫いて存在するようにする。マグネットとしては様々な適宜の構成のものを使用することができるが、ただし、「Ｃ字形」の磁芯２２とコイル２３とを備え、そのコイル２３に電流を流すことで磁界を生成するようにした電磁石を用いることが好ましい。また、その電磁石をプロセッサ５で制御できるようにしておくのもよい。
【０１３３】
必要とされる磁界は、磁界強度が径方向位置に関して単調増加する形状の磁界であり、そのような磁界を生成するために、各々の磁極２４、２５の表面形状を、回転軸心よりもチャンバ２の周縁部よりさらに広がる形状としてある。より具体的には、図示した実施の形態では、磁極２４、２５は、その先端の表面形状を、図１６中に破線で表したように凹面形状としてある。更に、それら磁極２４、２５の凹面形状の最も深く窪んだ位置を回転軸心８に一致させるように、磁極２４、２５の中心を回転軸心８に揃えることが好ましい。この構成によれば、磁極２４、２５の増加した間隔のために、磁極２４、２５間の磁界強度は極小となる。また、チャンバ２の周縁部へ近付くにつれて、磁極２４、２５の表面どうしの間隔が縮小して行くため、磁極２４、２５間の磁界強度が増大して行く。この磁界の形状は、磁極２４、２５の表面形状に応じて決まり、その表面形状は任意の形状とすることができる。図示例では、チャンバ２内に生成される磁界は、その中心が回転軸心８に一致した回転対称形状の磁界となり、この磁界の磁界強度は、回転軸心８を中心とした径方向位置に応じて増加しており、この点では、図９を参照して上で説明した径方向バランシング作用成分を提供するための電界の電界強度と同様である。図１６の具体例では、ｒを「１」より大きな数とするとき、磁界強度がｒｎに比例して増加するようにしており、例えばｒ２に比例して、或いはｒ３に比例して増加するようにしている。磁界強度が径方向位置の一次関数として増加するような磁界を用いることも可能であるが、ただしそうする場合には、磁界強度が最小となる位置が回転軸心８から外れた位置にくるようにする必要があり、なぜならば、そうしなければ、磁界の径方向バランシング作用成分による力と遠心力とが（いかなる荷電粒子についても）ｒ＝０の位置以外ではバランスしなくなるからである。従って、磁界強度は、径方向位置に関して単調増加するものであって、しかも、一次関数以外の単調増加関数に従って変化するものとすることが好ましい。既述のごとく、径方向バランシング作用成分の形状は、その他の様々な形状とすることも可能であり、必ずしも回転対称形状である必要はなく、その場合には、径方向バランシング作用成分を周方向トラッピング作用成分と同期させて回転させるようにするとよい。
【０１３４】
以上のようにして生成した磁界が、チャンバ２内で運動している荷電粒子に作用を及ぼすのは、荷電粒子が運動するということが取りも直さず電流が流れることだからである。荷電粒子の運動は（周方向トラッピングフィールドの回転によるものであることから）角運動であり、そのため、この磁界によって荷電粒子に作用する力ＦＢの方向は径方向である（この力ＦＢはローレンツ力であり、ＦＢ＝ｑ（ｖ×Ｂ）である）。それゆえ、この力ＦＢを、荷電粒子に作用する遠心力に対する対抗力として利用することができ、即ち、第１の実施の形態で用いられる電界の径方向フィールドの代わりに、この実施の形態では磁界の径方向フィールドが用いられる。一方、周方向トラッピングフィールドは、第１の実施の形態と全く同様にして生成するようにしており、そのため、先に説明したところのトラッピング電極１５及び電圧源を備えている。この周方向トラッピング電界フィールドは、磁界の作用を受けても変形することはなく、そのためチャンバ２内の電圧分布は、図８に示した形状のまま維持される（正弦波形状が選ばれるならば）。この電圧分布の形状では、その幾つかの部分において、電界が荷電粒子に対して遠心方向の力を及ぼすため、作用させる磁界の磁界強度は、その電界による遠心方向の力に打ち克つことのできる十分な強度とする必要がある（即ち、正味の荷電粒子に作用する径方向の力は、磁力である必要がある）。
【０１３５】
従って、この実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子は周方向トラッピング作用成分のエネルギミニマム部により画成されているチャネルの中にセトリングし、そして、遠心力と径方向フィールド力（磁界によるものと電界によるものとを含む）との複合影響下において、第１の実施の形態と同様に、そのチャネルの中をそのチャネルに沿って移動して、最終的に荷電粒子軌道を形成する。また、荷電粒子の振動を、第１の実施の形態と同様に調圧したガスを利用して減衰させるようにするとよい。荷電粒子軌道の検出も、第１の実施の形態と同様に複数の検出素子１６を用いて行うようにするとよい。
【０１３６】
以上に説明した磁界強度分布を有する磁界は、以上に説明したものとは異なる構成によって生成することも可能であり、即ち、以上に説明したように各々の磁極２４、２５の表面形状を形成する替わりに、磁界強度が互いに異なる複数の同心的に配設したマグネットを用いて生成することもできる。
【０１３７】
以上に説明した第１及び第２の実施の形態では、周方向トラッピング作用成分と径方向バランシング作用成分とを個別に生成した上で、このフィールドのそれら２つの作用成分を互いに重ね合わせる方式を採用している。この方式によれば、各々のフィールドの作用成分の各々を個別に変化させることができるという利点が得られる。これに対して、第３の実施の形態は、単一の電極アセンブリを用いて、荷電粒子に作用を及ぼすフィールドの２つの作用成分を共に生成するものである。これによって、フィールド生成装置の構成を簡明なものとすることができ、ただし、フィールド・プロフィールはより複雑なものとならざるを得ない。
【０１３８】
図６を参照して上で説明した周方向フィールド電極アセンブリは、それを用いることで、径方向作用成分と周方向作用成分との両方を有する電界を生成することのできる電極アセンブリである。この電極アセンブリで生成された電界がそれら２つの作用成分を有するのは、この電極アセンブリの複数本の電極の回転軸心８側の端部とチャンバ周縁部側の端部との間に電位差を付与しているからである。ただしその電位差は、それら電極の材料の電気抵抗によって発生させているに過ぎず、そのため、単調増加するような径方向作用成分を生成するには、この径方向フィールドの形状に更なる制御を加えることが望まれる。図１７に示した本発明の第３の実施の形態では、リング形のチャンバ２の一方の面に複数個の電極要素がアレイ状に配設されている。それら複数個の電極要素３０ａ、３０ｂ、…は、放射状に延在する複数本の電極要素列３０を成すように配列されており、それによって、前述の電極アセンブリのように複数本の線状電極を等角度間隔で配設したものと類似した電極集合体が構成されている。個々の電極要素の電圧レベルを個別に制御することによって、周方向の電圧分布のみならず径方向の電圧分布をも制御することが可能となっている。また、そのような制御を行うために、複数個の電極要素３０ａ、３０ｂ、…の各々に電圧を印加するように構成された電圧源３５を備えている。先に説明した実施の形態と同様に、印加する電圧の制御は電圧源３５それ自体が行うようにしてもよく、電圧源３５に接続した制御装置５が行うようにしてもよい。そして、個々の電極要素に印加する電圧を時間と共に変化させることによって電界を回転させる。この具体例では、個々の電極要素に印加する電圧はＶ＋ｄＶで表され、ここでＶは径方向電圧であり、ｄＶは周方向電圧である。
【０１３９】
径方向フィールドを制御するための別の具体例として、線状電極の形状を適切に定めるという方法がある。例えば、図６に示したような、複数本の電極１５をアレイ状に配設した電極アセンブリにおいて、その個々の電極１５の厚さ寸法（回転軸心８と平行する）が、回転軸心８に近付くほど大きくなるようにするのもよい。電極１５をこの形状とすることによって、径方向バランシング作用成分の変化形状を、図１０に示した径方向バランシング用電極アセンブリによって生成される電界の径方向フィールドの変化形状と同様のものとすることができる。
【０１４０】
検出装置４は、第１及び第２の実施の形態に用いられている検出装置と同様に、チャンバの表面に複数個の検出素子１６をアレイ状に配設して構成したものであるが、ただし、それら複数個の検出素子１６の配列パターンを、上で説明した電極要素アレイ３０の配列パターンと同様のパターンにしたものである。こうすることによって、荷電粒子軌道の軌道半径を複数の検出点で測定できるため、測定結果の精度が向上するという利点が得られる。この方式を更に進めて、チャンバの表面の全面に亘って複数個の検出素子をグリッド状に配設した検出装置を用いて、荷電粒子軌道の全体像を取得するようにするのもよい。そうすることで、検出装置を回転軸心８に対して高精度で位置合せせずに済むという利点が得られ、なぜならば、検出装置で測定した荷電粒子軌道の直径から、その荷電粒子軌道の軌道半径が求まるからである。また、複数個の検出素子を一列に並べて配設した検出素子リニアアレイを２本用いて、それらリニアアレイを回転軸心で互いに交差するように配設することによっても、以上と同様の好結果が得られる。この場合、１つの円形粒子軌道の検出が４箇所で行われるため、回転軸心の位置を考慮することなく、荷電粒子軌道の大きさを決定することができる。
【０１４１】
既述のごとく、図８に示した形状の電圧分布は、ただ１つの電極アセンブリで生成することができ、上述の電極アセンブリでも生成することが可能である。ただし、先の説明から明らかなように、図８の電圧分布では、電界の径方向成分の方向が回転軸心８を中心とした同一円周上において周方向位置に応じて交互に反転しており、即ち、電圧谷部の領域では電界の径方向成分の方向が正方向である（即ち、回転軸心８からチャンバ周縁部へ行くに従って＋から−へ電圧が低下している）のに対して、電圧山部の領域では逆方向となっている。一方、周方向の移動に関しては、正荷電粒子は電圧谷部へ向かって移動し、負荷電粒子は電圧山部へ向かって移動する（これについては図５に関する説明を参照されたい）ため、周方向にトラッピングされた荷電粒子に対して電界の径方向成分が及ぼす力は遠心方向となるため、遠心力に対抗する力とはなり得ない。そのような構成では、適切な荷電粒子軌道を形成させることはできない。
【０１４２】
この問題を克服するには、例えば、図１８にグラフで示した形状を有する電圧分布を用いればよい。同図のグラフは、回転軸心８を中心とした同一円周上において周方向距離φに応じて変化する電圧変化の一部を示したものである。電圧山部４０に「二次的」電圧谷部４１が存在するようにし、同様に、電圧谷部４２に「二次的」電圧山部４３が存在するようにしてある。二次的電圧山部４３により形成される尾根筋は電圧谷部４２により形成される径方向の谷筋の中にあってその谷筋に沿って径方向に延在する。同様に、二次的電圧谷部４１により形成される谷筋は電圧山部４０により形成される径方向の尾根筋の上にあってその尾根筋に沿って延在する。二次的電圧谷部４１に遭遇した正荷電粒子は、先に説明したように径方向へ移動してこの二次的電圧谷部４１の中に閉じ込められ、同様に、二次的電圧山部４３に遭遇した負荷電粒子はこの二次的電圧山部４３の中にトラッピングされる。二次的電圧谷部４１の中に閉じ込められた荷電粒子（正荷電粒子）並びに二次的電圧山部４３の中に閉じ込められた荷電粒子（負荷電粒子）に作用する径方向の力は、その方向が適切な方向、即ち向心方向であるため、遠心力に対する対抗力となり、適切な荷電粒子軌道を形成させることができる。従って、以上の構成によれば、チャンバ内の部分角度領域ごとに電界の径方向成分の方向が反転することを利用して、正荷電粒子と負荷電粒子との両方を同時に分析できるという利点が得られる。ただし、この構成例では試料の損失が発生する。なぜならば、その初期位置が二次的電圧谷部ないし二次的電圧山部の近傍ではないところにあった荷電粒子は、周方向に移動し始める際に、二次的電圧谷部ないし二次的電圧山部から離れる方向へ移動するため、電界の径方向成分から作用する力の方向が遠心方向となる領域へ移動してしまい、その結果、チャンバの周縁部に衝突することになるからである。
【０１４３】
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態とはまた別の方式によって、正荷電粒子と負荷電粒子とを同時に質量分析できるようにしたものであり、この第４の実施の形態において生成する電界の電圧分布を図１９及び図２０に示した。図示した電界を生成するために用いる装置は、図１７を参照して先に説明したものと同一構成の装置であるが、ただし、個々の電極要素に印加する電圧を異ならせることで、図示した電界を生成するようにしている。図から分かるように、生成する電界の全領域のうちの半分の領域では、電界の径方向フィールドを、回転軸心へ向かう方向（向心方向）とし、残りの半分の領域ではそれと逆方向（遠心方向）としている。この電圧分布は、Ｖ（ｒ，φ）＝Ａ・ｒ３／Ｒ３・Ｓｉｇｎ（Ｎφ）＋Ｂ・ｒ／Ｒ・ｓｉｎ（Ｎφ）２という式で表され、ここで「Ｓｉｇｎ」は、Ｎφが正数であれば「＋１」であり、Ｎφが負数であれば「−１」である。また、偏角φは「−π」から「＋π」までの値を取る。
【０１４４】
第１及び第２の実施の形態と同様に、正荷電粒子は電圧谷部へ向かって移動し、負荷電粒子は電圧山部へ向かって移動する。ただし、電界の全領域のうちの負電圧領域（図２０の左半分の領域）にあった正荷電粒子は、その全てが、作用する径方向の力の方向が遠心方向であるために失われてしまう。同様に、電界の全体のうちの正電圧領域にあった負荷電粒子も、その全てが失われることになる。従って、試料の略々半量がロスになると予測される。ただし、この損失割合は、図１８に示した第３の実施の形態における損失割合よりは小さく済むであろう。
【０１４５】
以上のように、正荷電粒子と負荷電粒子とを分析するために、電界の全領域のうちの夫々の部分角度領域の間で電界の径方向成分の方向を異ならせる方式を採用する際に利用可能な電界の形状としては、以上に例示したもの以外にも様々な形状があり得る。
【０１４６】
以上に説明した第１〜第４の実施の形態のいずれにおいても、荷電粒子を周方向に拘束するためのチャネルは径方向に延在する直線形のチャネルであった。しかしながら、チャネルは、必ずしも径方向に延在する直線形である必要はなく、これと異なる形状とすることが有利である場合も少なからず存在する。本発明の第５の実施の形態は、チャネルの形状を円弧形としたものであり、図２１に、この実施の形態に用いるチャンバ２と、周方向フィールド生成用電極アセンブリとを示した。チャネルを円弧形とすることによって、チャンバ２の半径を増大させずとも、個々のチャネルの長さを増大させることができるという利点が得られる。それによって、個々のチャネルの中により多くの荷電粒子軌道を形成することができる。
【０１４７】
図示したトラッピング電極１５’は、図６を参照して説明したトラッピング電極とかなり類似したものであるが、ただし、このトラッピング電極１５’の形状は湾曲形状であって、回転軸心８とチャンバ周縁部との間を円弧形の経路に沿って延在している。図６を参照して説明したものと同様に、電圧源１５ａが複数本のトラッピング電極１５’の各々に個別に電圧を印加すると共に、その電圧をシーケンシャルに変化させることで、電界を回転させるようにしている。
【０１４８】
以上の構成により生成される電圧分布に、例えば図１０の装置によって生成される径方向バランシング作用成分を提供するための電圧分布を重ね合わせることにより、図２２に示した電圧分布が得られる。電圧分布は、Ｖ（ｒ，φ）＝Ａ・ｒ３／Ｒ３＋Ｂ・ｒ／Ｒ・ｓｉｎ（φＮ＋ｋｒ／Ｒ）という式で表される。この電圧分布においては、図から明らかなように、電圧山部の円弧形経路と電圧谷部の円弧形経路とは交互に密接して並んでおり、それら円弧形経路の形状は電極１５’の形状に従って決まるものである。荷電粒子は（その電荷の正負に応じて）電圧山部または電圧谷部のチャネルに閉じ込められ、この点については前述のものと全く同じである。円弧形チャネルに閉じ込められた荷電粒子は、遠心力と径方向フィールドとの複合影響下において、その円弧形チャネルの中をその円弧形チャネルに沿って移動する。この点についても前述のものと殆ど同じであり、単にその荷電粒子の移動経路の形状が、上述した周方向トラッピング作用成分を提供するための電圧分布の影響を受けて円弧形となっているに過ぎない。従って、荷電粒子はチャネルの円弧形の経路をたどって、平衡点に相当する径方向位置にセトリングすることになる。これによって荷電粒子軌道が形成されるため、形成された荷電粒子軌道を先に説明したものと同様の検出方法を用いて検出すればよい。
【０１４９】
以上に説明した実施の形態では、チャネルの形状が電極１５ないし１５’の形状によって決まるが、チャネルの形状が電極の形状に束縛されないような実施の形態とすることも可能であり、そのようにした好適な実施の形態の１つに、チャンバ２の表面に（またはチャンバ２の表面の少なくとも一部領域に）複数個の電極要素３０を２次元グリッド状に配列して構成した電極グリッドを備えたものがある。かかる電極グリッドの３つの具体例を示したのが、図２３ａ、図２３ｂ、及び図２３ｃである。これらの図には、平面視したディスク形のチャンバ２と、そのチャンバ２の表面に配設されている複数個の電極要素３０のうちの一部とが描かれている。図２３ａでは複数個の電極要素３０が直交格子を成すようにグリッド状に配列されており、図２３ｂでは複数個の電極要素３０が何重もの同心円上に配列されており、図２３ｃでは複数個の電極要素３０が六方最密充填格子を成すように配列されている。これらの構成によれば、複数個の電極要素のうちの幾つかないし全てに適切な電圧を印加することにより、所望の形状の電圧分布を有する電界を生成することができる。このことを例示するために、図２３ａ、図２３ｂ、及び図２３ｃでは、３つの具体例の夫々において、ある時刻に電圧山部に相当する電圧が印加されている電極要素を網掛けによって示した。図２３ａでは、径方向に延在する直線形のチャネルが形成されており、図２３ｂ及び図２３ｃでは、円弧形のチャネルが形成されている。図示した３通りの電極要素の配列のいずれによっても、任意の形状のチャネルを形成することができる。
【０１５０】
先に言及したように、チャネルの長さは長い方が好ましく、なぜならば、チャネルが長ければ、互いに電荷質量比（ｑ／ｍ）が異なるより多くの粒子種の粒子が、質量分析装置の中に平衡点を持つことができるからである。従って、チャネルは回転軸心とチャンバ周縁部との間の全行程に亘って延在しているようにすることが好ましい。ただし、このことは必須要件ではなく、チャネルの端部が回転軸心の手前及び／またはチャンバ周縁部の手前で終わっていて、回転軸心とチャンバ周縁部との間の一部にしかチャネルが延在していないようにすることが望ましい場合には、そのようにすればよい。
【０１５１】
また、これも先に言及したように、チャンバの全角度領域に亘ってトラッピング電極を配列する必要はなく、トラッピング電極の配列を回転対称配列とする必要もない。特に、周方向トラッピングフィールドは、チャンバの部分角度領域にだけ配列したトラッピング電極で生成することもでき、そのような構成とした本発明の第６の実施の形態に係る質量分析装置について以下に説明する。図２４ａは、この第６の実施の形態における、周方向フィールドを生成するための構成要素を示した図であり、径方向バランシングフィールドを生成するための構成要素をはじめとするその他の構成要素は、図を見易くするために図示省略してあり、それら構成要素は先に説明した実施の形態におけるそれら構成要素と同様に構成すればよい。
【０１５２】
チャンバ２のある部分角度領域だけにトラッピング電極を配列するようにしてトラッピング電極の配設領域を限局することで、トラッピング電極の所要本数を低減することができ、ひいては製作コストを低減して製作工程を簡明化することができる。更には、チャンバ２のトラッピング電極を配設する表面に、その他の装置（例えば検出装置、導入装置、排気装置など）も併せて配設したい場合には、それら装置を配設するために、チャンバ２のその表面の一部領域を、トラッピング電極を配設せずに空けておく必要があり、その点でも、このような構成は有利である。
【０１５３】
図２４ａに示した構成例では、２本のトラッピング電極１５’及び１５”だけが配設されており、それらトラッピング電極１５’と１５”との間に挟まれたチャンバ２の部分角度領域３５の角度幅はΔφである。この部分角度領域３５内に更にトラッピング電極１５を追加して配設することが望ましい場合には、そうしてもよいが、ただしトラッピング電極の最少所要本数は２本である。トラッピング電極１５の各々は、先に説明したものと同様に（特に、図６と図２１の夫々に示したものと同様に）回転軸心８とチャンバ周縁部との間を延在しており、また、それらの構成及び制御方式は先に説明したものと同様の構成及び制御方式とすればよい。
【０１５４】
部分角度領域３５に配設されているトラッピング電極によって、チャンバ内のそれに対応した部分角度領域に周方向トラッピング用電界が生成される。この周方向トラッピング用電界の特性は必要に応じて適宜選択すればよく、例えば、この周方向トラッピング用電界の電圧分布として、上で説明した様々な形状の電圧分布のうちのどれを採用してもよい。ただし、上で説明したものとの唯一の相違点として、この実施の形態では、回転軸心８の周囲の全周領域に亘って電界が形成されるのではなく、トラッピング電極によって規定されるチャンバ内の部分角度領域にのみ電界が形成される。これは、先に説明した実施の形態における周方向トラッピング用電界のうちの一部をマスキングしたのと同じことになる。個々の電極１５’、１５”に印加する電圧の制御は、先に説明した実施の形態の場合と同様の方法で行うことができ、それによって、部分角度領域において、先に説明した実施の形態と同様に回転軸心８を中心として周方向トラッピング用電界を回転させればよい。
【０１５５】
チャンバ内に導入された荷電粒子は、部分角度領域３５を通過する際に、図５を参照して説明したようにして、周方向トラッピング作用成分によって画成されている仮想「チャネル」の中へ引き込まれ、そのため、チャンバ内の全領域に周方向トラッピング用電界が存在している場合と全く同様に、その電界の回転によって加速される。ただしその荷電粒子は（周方向に角度幅Δφだけ移動して）部分角度領域３５を抜け出したならば、そこにはもはや回転する電界が存在していないため、摩擦力（この摩擦力については図１２〜図１４を参照して先に説明した通りである）の影響を受けてある程度減速する。それによって荷電粒子の移動経路に僅かながら偏向が発生するため、この荷電粒子の軌道の形状は真円にならず、図２４ａに示した経路Ｐのような形状になる。この荷電粒子は、一周して部分角度領域３５に再突入したならば、周方向トラッピング用電界によって再び加速され、そして以上のサイクルが反復される。結局、以上の作用の全体としては、先に説明した実施の形態の場合と殆ど同じことになり、相違しているのは、荷電粒子の軌道の形状が真円から僅かに歪んだ形状になっていることだけである。
【０１５６】
従ってこの実施の形態によれば、周方向トラッピング用電界は回転軸心８の周囲の全周領域に亘って存在してはおらず、荷電粒子軌道の一部分でのみ荷電粒子に作用を及ぼすだけであるにもかかわらず、先に説明した実施の形態と同様に、荷電粒子は周方向トラッピング用電界に存在する仮想「チャネル」の中に拘束されるのである。ここで、もし仮に、摩擦力が存在しなかったならば、どうなるであろうか。その場合、部分角度領域３５内では、周方向トラッピング用電界が角速度ωで回転している。部分角度領域３５内の荷電粒子は周方向に移動してエネルギミニマム部（即ち仮想「チャネル」）の中へ引き込まれ、そして加速されることによって、その角速度が電界の角速度ωと同一になる。またそれと同時に、荷電粒子は遠心力と径方向バランシング作用成分との複合影響下において、径方向に移動して平衡点ｒ＊に達する。荷電粒子が部分角度領域３５から抜け出す時点で、既に平衡状態に達していたものとするならば、摩擦力が存在していなければ荷電粒子は速度ωｒ＊を維持したまま円形軌道上を周回し続け、そしてその軌道を一周して部分角度領域３５に再突入したときには、周方向トラッピング用電界と同位相になっている。
【０１５７】
しかしながら実際には、荷電粒子に摩擦力が作用するため、部分角度領域３５を抜け出した荷電粒子は減速させられる。そのため荷電粒子は、軌道を一周して部分角度領域３５に再突入したときには、部分角度領域３５を抜け出したときと比べて、その速度が僅かながら減速して（ωｒ＊‐ｄｖ）となっており、また、その径方向位置も僅かながら短縮して（ｒ＊‐ｄｒ）となっている。更に、荷電粒子が部分角度領域３５に再突入する時刻には、もし減速させられていなかったならばその時刻に位置していたはずの周方向位置より僅かながら手前の位置にあり、それゆえ、部分角度領域３５の周方向トラッピング用電界の位相より僅かながら位相が遅れている。そのため、再突入した荷電粒子には、同位相である場合に作用する周方向の力よりも大きな周方向の力が作用して、荷電粒子は仮想「チャネル」の中へ引き込まれ、その際に角運動が加速されて荷電粒子の角速度がωに復帰して周方向トラッピング用電界と同位相になる。基本的に、部分角度領域３５の周方向トラッピング用電界は、荷電粒子に対して、その荷電粒子を平衡状態へ復帰させるように作用するものである。ただし実際には、荷電粒子が完全に平衡状態にセトリングするまでには至らないため、荷電粒子は理想的な円形軌道の近傍に位置する真円から多少外れた形状の軌道上を周回することになる。そして、荷電粒子は軌道上を一周するごとに加速と減速とが繰り返されてその平均角速度が略々ωに維持され、その状態で径方向に移動することによって、最終的に同種の荷電粒子が寄り集まって粒子種の夫々に対応した荷電粒子軌道が形成される。それら荷電粒子軌道の検出、及び／または、それら荷電粒子軌道からの荷電粒子の収集を、先に説明したような検出方法、及び／または、収集方法によって行うようにすればよい。
【０１５８】
以上に説明した方式は、使用するトラッピング電極を、電極要素を列設して構成したトラッピング電極要素アレイとした場合にも、全く同じように適用することができ、そのようにした場合の具体例を図２４ｂに示した。この具体例では、２列のトラッピング電極要素アレイ３０’、３０”によって部分角度領域３５が画成されており、それら２列のアレイ３０’、３０”は、各々が複数個の電極要素３０’ａ、３０’ｂ、…、３０”ａ、３０”ｂ、…で構成されている。生成する電界の電圧分布形状を所要の形状とするためには、同一円周上に少なくとも２個の電極要素（例えば３０’ｂ及び３０”など）を配設する必要がある。また、必要に応じて同一円周上に更なる電極要素を配設するようにしてもよい。
【０１５９】
チャンバ２上の部分角度領域３５の設定位置は様々な位置とすることができ、チャンバ２上の２箇所以上の位置に部分角度領域３５を設定するようにしてもよい。一般的に、電極が作用を及ぼす領域であるこの部分角度領域３５を設定する際には、荷電粒子の軌道を十分な精度をもって維持し得る適切な周方向トラッピング用電界存在領域をチャンバ内に確保できるように設定するが、ただし、適切な周方向トラッピング用電界存在領域は具体的な動作条件に応じて決まるものである。例えば、図２５ａに示した具体例は、多数の電極要素３０がチャンバ２上の大部分の領域に亘って配設されており、小さな部分だけが、周方向トラッピング用電界が存在しない部分とされている。図２５ｂに示した別の具体例では、周方向トラッピング用電界が存在する部分角度領域が４箇所に設定されており、軌道上を一周する間に荷電粒子が４回加速されるようになっている。この具体例では、図から分かるように４箇所の部分角度領域はそれらの各々の角度幅Δφ１、Δφ２、Δφ３、Δφ４が同じ大きさに設定されているが、それら角度幅を互いに異なった大きさに設定するようにしてもよい。
【０１６０】
図２４〜２５に示した実施の形態では、その他の実施の形態と比べて、荷電粒子の導入に関するパラメータを高精度で指定しておく必要がある。なぜならば、荷電粒子の角運動の加速を断続的に行うため、荷電粒子の導入速度が質量分析装置の性能に大きな影響を及ぼすからである。例えば、荷電粒子の導入速度が、回転する周方向トラッピング用電界の回転速度に適合する速度から大きく外れている場合には、その電界が存在している部分角度領域における電界の変化に荷電粒子が同期することができず、最悪の場合には、荷電粒子が平衡状態に全く到達できないことがある。そのため、この第６の実施の形態では、荷電粒子の導入速度がωｒｉｎｊ（ここでｒｉｎｊは導入装置の径方向位置である）に近似した速度となるように質量分析装置を構成することが好ましい。ただし、一般的には、導入する荷電粒子のうちの少なくともある程度の割合のものが確実に平衡状態に到達できるように導入装置を構成しておけばよい。
【０１６１】
図２６は本発明の第７の実施の形態に係る質量分析装置の構成要素を示した図である。上で説明した様々な実施の形態では、電極に電流を流すことで径方向バランシング用電界を生成していたのに対して、この実施の形態では、静電誘導方式で径方向バランシング用電界を生成するようにしている。先に述べたように、電極の材料としては、有限の電気抵抗を有する材料を使用しており、その場合、電流をできる限り小さく抑え、もって電力消費量を低減できるようにすることが望まれる。しかるに、この実施の形態のように静電誘導方式で径方向バランシング用電界を生成することによって、電力消費量を更に低減することができる。
【０１６２】
この第７の実施の形態では、径方向バランシング用電界を生成するための電極アセンブリを、多数のリング形電極を同心的に密集させて配置したリング形電極アセンブリ５０として構成してあり、図２６では、多数のリング形電極のうちの３つのリング電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃにだけ参照符号を付してある。多数のリング形電極は、互いに隣接する電極どうしの間の領域５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、…に、適当な誘電体物質（気体、液体、固体のいずれでもよい）が介在することで、互いに絶縁されている。この実施の形態では、リング形電極５０は、例えば金属材料などの良好な導電性を有する材料で製作されている。チャンバの上面と下面とに、同一構造のリング形電極アセンブリが装備されており、図２６では、チャンバ２の下面側のリング形電極アセンブリに参照符号５０’を付してある。リング形電極アセンブリ５０、５０’の夫々の一連のリング形電極には電圧源（不図示）から適切な電圧分布の直流電圧を印加するようにしている。例えば１つの具体例では、一連のリング形電極に、０Ｖ（最内周のリング形電極）から１０００Ｖ（最外周のリング形電極）までの電圧を印加するようにし、そして、その印加電圧がｒ３に比例するようにして（ここでｒは回転軸心８を中心とした径方向位置である）、内周側から外周側へリング形電極ごとに電圧をステップ状に増大させている。周方向トラッピング用電界を印加する方法は、上述の実施の形態に用いられている方法のうちのどの方法を準用してもよい。また、周方向トラッピング用電界を印加するための構成要素は、図を見易くするために図２６には示していないが、例えば、バランシング用電界生成用電極アセンブリ５０とチャンバ２との間に、トラッピング用電界生成用電極アセンブリを配設するようにしてもよい。また、そのトラッピング用電界生成用電極アセンブリのトラッピング電極ないしトラッピング電極要素は、抵抗器ないし適当な電気抵抗を有する材料を介して隣接するリング形電極に電気接続し、それによって、先に説明した実施の形態と同様に、トラッピング電極ないしトラッピング電極要素に印加する電圧を径方向電圧の上に「フロート」させるようにするのもよい。
【０１６３】
一連のリング形電極５０によってチャンバ２内に形成される電界分布における、ある径方向直線に沿った（即ち、径方向位置に応じた）電圧変化は、図２６ａのグラフに示した変化形状を呈しており、一見したところ滑らかに変化しているように見える。しかしながら、この電圧分布に対応した電界強度分布における、同じ径方向直線に沿った（即ち、径方向位置に応じた）電界強度変化は、図２６ｂのグラフに示した変化形状を呈しており、明らかにステップ状に変化していることが認められる。ただし、図２６ｂのグラフにおける鋭いスパイク状の変化部分は、リング形電極アセンブリ５０をチャンバ２からｚ方向（回転軸心８の延在方向）に離して配設することで平滑化することができる。また、スパイク状の変化部分を除いた残りのステップ状の変化部分は、リング形電極の個数を増やして個々のリング形電極の幅を狭くすることで緩和することができる。それには、リソグラフ法を用いてリング形電極５０を製作するとよく、リソグラフ法を用いればリング形電極の密集度を幾らでも増大させることができる。更には、リソグラフ法を用いることによって、検出装置までも含めた全体構造を単一のシリコンチップ上に構成し得る可能性もある。ただし、好適な構成例と考えられるのは、プラスチック材料製のチャンバ２の一方の面に、適宜の形成方法を用いて、金属材料製のリング形電極５０を形成したものであり、その形成方法としては、例えば、リソグラフ法、種々のエッチング法、電着法、等々を用いることができる。これらの方法を用いることで、径方向電界成分の径方向位置に応じた変化形状を滑らかなものとして、荷電粒子に作用する遠心力と好適にバランスすることのできる径方向の力を作用させることのできるものとなる。
【０１６４】
径方向電界成分が径方向位置に応じてステップ状に変化しているのは、隣接する２つのリング形電極の間では回転軸心に近い方が（リング形電極の径が小さいために）電気力線の密度が増大していることと、チャンバ内に生成する電圧分布はそれとは逆の勾配を有することとの、２つの要因が組み合わさった結果である。即ち、隣接する２つのリング形電極の間では、回転軸心に近い方が電気力線の密度が増大するため、チャンバの中心に近くなるほど電界強度が増大するのに対して、この高密集度のリング形電極アレイ５０を用いて生成する電圧分布は、この電界強度の増大の方向を逆転して、径方向電界成分が径方向位置に関して単調増加するようにすることを目的としたものである。その結果、実際に生成される電圧分布において、径方向電界成分の径方向位置に応じた変化は、その全体的な変化形状が、個々のリング形電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、…の電圧レベルをたどるような形状となるものの、隣接する２つのリング形電極の間では、チャンバの中心の増大した電気力線密度の影響が表出するために、局所的な径方向電界成分の低下が生じており、その結果として、径方向電界成分がステップ状の変化を呈しているのである。
【０１６５】
このように径方向電界成分が「ステップ状」に変化しているという特徴は、長所と短所との両方を有するものである。長所と言えるのは、ステップ状の変化部分が荷電粒子をトラッピングするトラッピング部として機能するために、平衡点がデジタル的に得られること、即ち、径方向に離散した複数の平衡点が得られることであり、このことが、質量分析装置の精度向上をもたらす場合がある。一方、短所と言えるのは、質量分析装置の分解能が限定され、一度の質量分析において類別できる粒子種の数が、ステップ状の変化部分の個数までとなってしまうことである。ただし、リング形電極アセンブリ５０の電極の個数を増やし、また、（リング形電極アセンブリ５０をチャンバから離すことで）適度の平滑化を施すことによって、ステップ状の変化部分を事実上排除することができる。例えば、図２７ａ及び図２７ｂに示したグラフは、第７の実施の形態に改変を加えた場合の電圧と電界の径方向位置に応じた変化を示したものであり、その改変とは、個々のリング形電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃの厚さを１０μｍにまで薄くし、それらリング形電極の配設面をチャンバから０．５ｍｍ離すというものである。それらのグラフから分かるように、チャンバの中央近傍部分では、径方向電界成分が非常に滑らかな曲線に沿って変化している。
【０１６６】
以上に説明した静電誘導方式の構成の主たる利点は、電極に電流が流れないため、電力消費量が最小限に抑えられることにある。電極に電流が流れないのは、個々のリング形電極はその電極全体が同一電位に維持されているため、その電極のリングに沿って電流が流れず、また更に、あるリング形電極と別のリング形電極との間でも電流が流れないからである。ここで、（上で言及したように）リング形電極がトラッピング電極に電気接続されている場合には、双方の電極を接続する抵抗器に小さな電流が流れるために、以上の構成は通電方式と静電誘導方式とを組合せたハイブリッド方式になる。しかしながら、そのような抵抗器に流れる電流は非常に小さい。この実施の形態によれば、更に、その他の実施の形態の構成と比べて、より軽量でしかもコンパクトに構成し得るという利点が得られ、それによって質量分析装置の可搬性が向上する。
【０１６７】
以上に説明した様々な実施の形態における検出装置４は、荷電粒子軌道の軌道半径を測定するように構成したものであった。このような検出装置の構成は、多くの場合、望ましいものであるが、ただし、質量分析装置の用途によっては、これとは別の検出方式とすることが好ましいこともある。例えば、径方向位置の端から端まで連続して検出素子を列設することに替えて、所定の径方向位置にのみ検出素子を配設した構成とすることがよいこともある。この場合、検出素子を配設する径方向位置は、ある既知の電荷質量比（ｑ／ｍ）を有する荷電粒子がそこにセトリングすることが予め分かっている径方向位置である。別法として、検出素子を配設する径方向位置を任意の（ただし既知の）径方向位置とし、質量分析装置の使用中に径方向バランシング作用成分の強度を変化させて、夫々の粒子種に対応した径方向の平衡点ｒ＊を変化させるという方式とするのもよい。この方式は荷電粒子軌道の軌道半径を変化させて、荷電粒子軌道を検出素子が配設されている径方向位置へ「シフト」させるものであり、そのシフトに要した径方向バランシング作用成分の強度の変化量から荷電粒子の質量を決定することができる。この方式を用いることで、非常に広い電荷質量比（ｑ／ｍ）範囲に亘ってスキャンを行うことができる。更にその他の様々な方式とすることも可能である。
【０１６８】
別の１つの構成例として、チャンバ２内の荷電粒子軌道上を周回している荷電粒子の集合体の映像を撮影するのではなく、１つ以上の荷電粒子軌道から荷電粒子を抽出する構成の検出装置を用いるようにするのもよい。この方式では、単に荷電粒子軌道の半径を把握するのみならず、荷電粒子そのものを回収することが可能である。図２８に模式図で示したのはそのような検出装置の１つの具体例であり、この検出装置は粒子回収装置６０として構成されている。図中には平面視したチャンバ２が示されており、回収装置６０は図示したようにチャンバ２の上面に装備するばかりでなく、チャンバ２の下面に装備するようにしてもよい。回転軸心８から所定の径方向距離だけ離れたチャンバ２の外壁上の位置に、１つないし複数の粒子抽出部６２が設けられ、各々の粒子抽出部６２の近傍でチャンバ２の外部に粒子抽出電極６１が配設されている。所定の径方向距離は、上で説明した検出装置と同様に、既知の荷電粒子Ｐの平衡点に対応した半径としてもよく、或いは、質量分析装置の使用中に制御装置によって、所望の粒子種の荷電粒子の軌道半径を調節して、その軌道半径を所定の半径にするようにしてもよい。所与の荷電粒子軌道上の荷電粒子を抽出するには、適当な正負極性の高電圧を粒子抽出電極６１に印加し、荷電粒子Ｐを加速させて粒子抽出電極６１へ引き寄せるようにすればよい。こうして抽出する荷電粒子を回収し、そして消イオン化処理が必要な場合には、例えば適当な緩衝液の中に溶解させるなどの消イオン化処理を施すようにする。
【０１６９】
必要に応じて、単一の装置であって、以上に説明した粒子抽出装置として機能すると共に、更に導入装置７としても機能する装置を装備するようにしてもよい。
【０１７０】
本発明に係る質量分析装置は融通性に富むものであるため、極めて多岐に亘る様々な用途に利用可能である。例えば、試料採取に関連した用途としては、本発明に係る質量分析装置を用いて大気浮遊粒子の捕捉を行うこともでき、また、液相中に浮遊している巨大分子をＥＳＩ法またはＭＡＬＤＩ法を用いてイオン化する液体試料処理装置に、本発明に係る質量分析装置を装着して使用するのもよい。また、例えば、生物学的分析の分野では、試験対象生物からタンパク質（またはＤＮＡ）を抽出し、消化処理（分解）し、本発明に係る質量分析装置に導入して分析することができる。更には、本発明に係る質量分析装置と微量流体デバイスとを組合せることによって、ベンチトップ型またはポータブル型の小型装置によって、質量分析のための全工程（分離抽出、消化処理、質量分析）を実行できるようにすることも考えられる。更に、本発明に係る質量分析装置は、様々なフィールド用途にも用い得るものであり、例えば、軍用車両の搭載装置として、或いは更に、兵士の携行装備品として、戦場の大気浮遊物質の検出及び分析に用いることができる。また、本発明に係る質量分析装置は、テロリストの脅威を検出するために空港などの公共の場に設置するのにも適している。
【０１７１】
幾つかの具体的な用途について更に詳述すると、以上の説明からも明らかなように、本発明に係る質量分析装置の主要な用途のうちの１つに、試料中に混在している多種の粒子種を類別する粒子類別という用途がある。互いに電荷質量比（ｑ／ｍ）が異なる粒子は、夫々に半径の異なる荷電粒子軌道上へと分離していくことで区別される。それら荷電粒子軌道の半径から、先に述べたように、夫々の粒子種の質量などの情報が得られる。またその質量などの情報に基づいて、夫々の粒子の成分分析を行うこともできる。更には、夫々の荷電粒子軌道上の粒子密度を比較することによって、試料中に混在している多種の粒子種の間の存在比も推定することもできる。この粒子類別方法は多くの用途に用いられるものであるが、それら用途のうちでも特に、例えばＤＮＡ分析の用途などに好適に用いられるものである。
【０１７２】
いうまでもなく、本発明に係る質量分析装置は多種の粒子種が混在した試料だけを取扱うものではなく、例えば、個別の粒子種について、その質量及び成分を研究室で分析するなどの用途にも用いられるものである。
【０１７３】
本発明に係る質量分析装置は更に、物質検出装置としても用い得るものである。そのためには、例えば、質量分析装置に備える検出装置を、所与の径方向位置に形成される荷電粒子軌道を検出することができるように構成し、そして、その所与の径方向位置を、例えばプロセッサ５のプログラミングなどによって、特定の既知物質に対応した荷電粒子軌道の半径に設定する。こうして設定した所与の径方向位置に荷電粒子軌道が形成されたならば、例えばアラームを発出するようにしておけばよい。この構成とすることで、本発明に係る質量分析装置は、大気中から試料を採取して、例えば毒ガスなどの気体状の汚染物質や粉塵や煤煙などの粒子状の汚染物質をはじめとする様々な汚染物質が存在するときに、それに反応してアラームを発出するようにすることができる。本発明に係る質量分析装置は極めて小型でコンパクトな装置とすることができるため、ポータブル型のモニタ装置に装備するのに適しており、また特に、ユーザが身体に装着するモニタ装置にも装備することができる。或いはまた、本発明に係る質量分析装置は、ある種の特殊な環境、例えば空港で検査される手荷物や、税関で検査される貨物などから採取される試料の分析に用いるのにも適している。そのような場合には、本発明に係る質量分析装置を、例えば既知の爆発物やドラッグなどの物質に反応するように設定しておけばよい。
【０１７４】
最後にもう１つ具体例を挙げると、検出装置を回収装置として構成した場合には、本発明に係る質量分析装置を用いて、物質を精製すること、並びに、混合体からある一種類の物質だけを抽出することができる。例えば、多種の粒子種が混在している試料をチャンバに導入し、１つの荷電粒子軌道上にセトリングする粒子だけを、図２６を参照して説明した抽出方法を用いて抽出するようにすればよい。必要に応じて、これを連続的に実行することもでき、その場合には、多種の粒子種が混在している試料を連続的にチャンバに導入しつつ、所定の径方向位置において粒子の抽出を連続的に実行すればよい。或いはまた、導入操作と抽出操作とを断続的に順序立てて行うようにしてもよい。このように精製処理を簡明に行えるということ自体が、多くの産業分野において重要なことであるが、それに加えて更に、この方法にはその他の多く用途があり、それは、医薬品開発の分野では言うに及ばず、その他の様々な研究開発の用途においても、ある分子の分子量を特定した後には、引き続き、その分子の化学反応性などの諸特性を特定するための試験を行わねばならないことがしばしばあるからである。そのような場合には、粒子種ないし質量が既知の粒子をチャンバから抽出したならば、それをそのまま、それら試験を行うための別の装置へ供給するようにするとよい。以上に示した様々な構成例から明らかなように、本発明に係る質量分析装置は、様々な形態に構成することができ、極めて多くの用途に用いられるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１５ａ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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【図２３ｃ】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２８】
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