(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成する電極構造体であって、前記閉じ込め電位は非調和である、電極構造体と、
前記電極構造体に接続され、前記イオンの前記固有振動周波数の約整数倍である周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源と、
前記電極構造体と一体化され制御パラメータを記憶する不揮発性メモリと、
前記ＡＣ励起源および前記電極構造体に動作可能に接続された制御電子装置であって、前記制御パラメータを使用して、前記ＡＣ励起源および前記静電電位を制御する、制御電子装置と
を備える、イオントラップ。
【請求項２】
前記制御電子装置は、前記電極構造体に一体化される、請求項１に記載のイオントラップ。
【請求項３】
前記制御パラメータは、構成パラメータ、校正パラメータ、および感度係数またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載のイオントラップ。
【請求項４】
前記構成パラメータは、イオンが閉じ込められる前記静電電位を生成する前記電極構造体に印加される静電電位の大きさならびに前記ＡＣ励起源の振幅および周波数を含み、前記校正パラメータは、前記イオントラップの電圧および電流の入出力校正パラメータを含み、前記感度係数は、イオンの固有振動周波数からイオンの質量電荷比（ｍ／ｑ）への変換係数を含む、請求項３に記載のイオントラップ。
【請求項５】
前記励起周波数は、前記イオンの前記固有振動周波数の約２倍の周波数で、閉じ込められたイオンを励起させる、請求項１に記載のイオントラップ。
【請求項６】
イオンをイオントラップに捕捉する方法であって、
電極構造体内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成するステップと、
前記電極構造体に接続され、励起周波数を有するＡＣ励起源を使用して、前記イオンの前記固有振動周波数の約整数倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させるステップと、
制御パラメータを、前記電極構造体に一体化された不揮発性メモリに記憶するステップと、
前記制御パラメータならびに前記ＡＣ励起源および前記電極構造体に動作可能に接続された制御電子装置を使用して、前記ＡＣ励起源および前記静電電位を制御するステップと
を含む、方法。
【請求項７】
前記制御電子装置は、前記電極構造体に一体化される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記制御パラメータは、構成パラメータ、校正パラメータ、および感度係数またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記構成パラメータは、イオンが閉じ込められる前記静電電位を生成する前記電極構造体に印加される静電電位の大きさならびに前記ＡＣ励起源の振幅および周波数を含み、前記校正パラメータは、前記イオントラップの電圧および電流の入出力校正パラメータを含み、前記感度係数は、イオンの固有振動周波数からイオンの質量電荷比（ｍ／ｑ）への変換係数を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記励起周波数は、前記イオンの前記固有振動周波数の約２倍の周波数で、閉じ込められたイオンを励起させる、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、２００９年５月６日に出願された米国仮特許出願第６１／２１５，５０１号明細書、２００９年５月７日に出願された米国仮特許出願６１／１７６，３９０号明細書、２０１０年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／３２５，１１９号明細書、および２０１０年４月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／３２９，１６３号明細書の優先権を主張するものである。
【０００２】
上記出願の教示全体を参照により本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、質量分析計に用いられる、静電型イオントラップに関する。
【背景技術】
【０００４】
質量分析計は、イオンの質量電荷比に従ってイオンを分離し、検出する解析機器である。質量分析計は、質量の分離および解析を可能にするために、イオンを捕捉または蓄積する必要があるか否かに基づいて区別することができる。非トラップ式質量分析計は、イオンを捕捉または蓄積せず、質量の分離および分析に先立って、装置内部にイオン濃度が累積または蓄積されない。この分類の一般的な例は、高電力動的電場または高電力磁場のそれぞれが、単一の質量電荷比（ｍ／ｑ）のイオンビームの軌跡を選択的に安定化するために使用される四重極質量フィルタおよび磁気センサ質量分析計である。トラップ式分析計は、２つの下位分類：例えば、Ｐａｕｌ設計の四重極イオントラップ（ＱＩＴ）等の動的トラップおよびより最近になって開発された静電閉じ込めトラップ等の静的トラップに細分することができる。現在利用可能であり、質量分析計に使用される静電トラップは一般に、調和電位捕捉ウェルに頼ってイオンをトラップ内のイオンエネルギー独立振動内に捕捉し、振動周期はイオンの質量電荷比のみに関連する。近代の静電トラップによっては、質量解析は、遠隔の誘導性獲得・感知電子装置およびフーリエ変換質量分析法（ＦＴＭＳ）での高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルデコンボリューションの使用を通して実行されてきた。あるいは、イオンは、任意の瞬間に、高電圧捕捉電位を高速にオフに切り替えることにより抽出されてきた。次に、すべてのイオンが排出され、イオンの質量電荷比が、飛行時間（ＴＯＦ）解析を通して突き止められる。いくつかの最近の開発では、イオンの捕捉を動的（疑似）電場および静電電場の両方と、円筒形トラップ設計内で組み合わせている。これらの設計では、四重極半径方向閉じ込め場が、半径方向でのイオン軌跡を拘束するために使用され、その一方で、静電電位ウェルが、軸方向での略調和振動運動内へのイオン拘束に使用される。次に、軸方向でのイオン運動の共振励起が使用されて、質量選択的なイオン放出が行われる。
【０００５】
Ｅｒｍａｋｏｖ等による出願（特許文献１）には、質量電荷比および運動エネルギーが異なるイオンを非調和電位ウェル内に閉じ込める静電イオントラップが開示されている。このイオントラップには、閉じ込められたイオンを励起させる小振幅ＡＣ駆動装置も設けられる。閉じ込められたイオンの振動の振幅は、イオンの振動振幅がトラップの物理的寸法を超え、質量選択されたイオンが検出されるか、またはイオンが断片化するか、もしくは他の任意の物理的もしくは化学的な変換を受けるまで、ＡＣ駆動周波数とイオンの質量依存性固有振動周波数との自動共振（自己共鳴）によって、イオンのエネルギーが増大するにつれて増大する。
【０００６】
自動共振とは、励起した非線形振動器の駆動周波数が時間と共にゆっくりと変化する際に発生する永続的な位相ロック現象である。位相がロックされた状態で、振動器の周波数は駆動周波数にロックされ、駆動周波数を辿る。すなわち、非線形振動器は駆動周波数と自動的に共振する。この状態で、共振励起は連続的であり、振動器の非線形性の影響を受けない。自動共振は、時間に伴って略周期的に、比較的小さな外力により駆動される非線形振動器において観測される。駆動周波数が時間に伴ってゆっくりと変化する（非線形の符号により決まる正しい方向に）場合、振動器は、位相がロックされた状態を保つが、平均して振幅を時間と共に増大させる。これは、フィードバックの必要のない連続共振励起プロセスに繋がる。摂動を有する長時間の位相ロックは、駆動振幅が小さい場合であっても、共振振幅の大きな増大に繋がる。駆動振幅は周波数掃引率に関連し、自動共振閾値は、掃引率の３／４乗に比例する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２３８３４号の国際公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｅｒｍａｋｏｖ等により開示される静電イオントラップは、接地（０ＶＤＣ）電位に保たれた２つの円筒形対称カップ電極と、負ＤＣ電位（通常、−１０００ＶＤＣ）に保たれ、カップ電極の中間に配置された平坦アパーチャ捕捉電極とを含んだ。このイオントラップは全体的に、円筒形で対称であり、ガス分子および原子は、ホットフィラメントからトラップに送られる電子との衝突により軸上（軸心に沿って）イオン化され、小振幅ＲＦ電位をカップ電極のうちの一方に印加することによりイオンをＡＣ励起させ、軸上電子倍増装置により質量選択的に放出されるイオンが検出される。この設計は、高真空環境（１０−６Ｔｏｒｒ未満の圧力）では良質なスペクトルを生み出すが、より高い圧力（１０−４〜１０−５Ｔｏｒｒ）ではノイズの多いスペクトルを生み出し、基線オフセットおよびスペクトル分解能の損失が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
いくつかの実施形態では、イオントラップは、第１および第２の対向ミラー電極ならびにミラー電極間の中央レンズを含む電極構造を含み、電極構造は、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成し、閉じ込め電位は非調和である。このイオントラップは、イオンの固有振動周波数に関連する周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数ｆを有するＡＣ励起源も含み、ＡＣ励起周波数源は、好ましくは、中央レンズに接続される。一実施形態では、イオントラップは、ＡＣ励起周波数とイオンの固有振動周波数との関係を制御する走査制御装置を含む。
【００１０】
特定の実施形態では、イオントラップは、第１および第２の対向ミラー電極ならびにミラー電極間の中央レンズを含む電極構造を備え、電極構造は、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成し、閉じ込め電位は非調和である。このイオントラップは、イオンの固有振動周波数の約倍数である周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数ｆを有するＡＣ励起源も含み、ＡＣ励起周波数源は、好ましくは、中央レンズに接続される。一実施形態では、イオントラップは、ＡＣ励起源とイオンの固有振動周波数の約２倍の周波数との周波数差を質量選択的に低減する走査制御装置を含む。走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の２倍よりも高い励起周波数からの方向での掃引率でＡＣ励起周波数ｆを掃引して、自動共振を達成することができる。あるいは、走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の２倍よりも低い励起周波数からの方向での掃引率でＡＣ励起周波数ｆを掃引することができる。いくつかの実施形態では、走査制御装置は、非線形掃引率でＡＣ励起周波数ｆを掃引することができる。特定の実施形態では、非線形掃引は、連結された線形掃引で構成することができる。掃引率（掃引速度）は、ｄ（１／ｆｎ）／ｄｔが定数におおよそ等しくなるようなものであることができ、ｎはゼロよりも大きい。一実施形態では、ｎは１におおよそ等しい。別の実施形態では、ｎは２におおよそ等しい。
【００１１】
他の実施形態では、走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも低い周波数から変化するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引して、自動共振を達成することができる。あるいは、走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数から変化するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、第１の対向ミラー電極構造および第２の対向ミラー電極構造に不等に（それぞれ異なる）バイアスをかけることができる。一実施形態では、第１および第２の対向ミラー電極構造のそれぞれは、軸方向に配置されたアパーチャを有する第１のプレート形電極と、中央に配置されたアパーチャを有する、中央レンズに向かって開いたカップ形状の第２の電極とを含み、中央レンズはプレート形状であり、軸方向に配置されたアパーチャを含む。
【００１３】
別の実施形態では、電極構造の第１の対向ミラー電極は、少なくとも１つのアパーチャを有し、対向ミラー電極構造の軸に対して軸外（軸心から離れて）に配置された第１のプレート形電極と、中央レンズに向かって開くカップ形状であり、中央に配置されたアパーチャを有する第２の電極とを含む。この実施形態では、電極構造の第２の対向ミラー電極は、軸方向に配置されたアパーチャを有する第１のプレート形電極と、中央レンズに向かって開くカップ形状であり、中央に配置されたアパーチャを有する第２の電極とを含む。中央レンズはプレート形状であり、軸方向に配置されたアパーチャを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、イオントラップはイオン源を含むことができる。イオン源は、ガス種の電子衝突イオン化によりイオンを生成する少なくとも１つの電子放射源を含むことができる。一実施形態では、イオン源は２つの電子放射源を含むことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、ホットフィラメントであることができる。他の実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、低温電子放射源であることができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、電極構造に対して軸外に配置することができる。これらの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源により生成される電子を、電極構造に沿った軸に直交する軸から約２０度〜約３０度離れた角度で注入することができる。
【００１６】
イオントラップは、イオン検出器をさらに含むことにより、質量分析計として構成することができる。いくつかの実施形態では、イオン検出器は、電極構造に対して軸上に配置することができる。他の実施形態では、イオン検出器は、電極構造に対して軸外に配置することができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、イオン検出器は電子倍増装置であることができる。他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起源周波数が変動する際に、ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起周波数が変動する際に、電極構造の電気インピーダンスの変化を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起周波数が変動する際に、影像電荷により誘導される電流を測定することにより、イオンを検出することができる。
【００１８】
他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、電極構造の電気インピーダンスの変化を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、影像電荷により誘導される電流を測定することにより、イオンを検出することができる。
【００１９】
別の実施形態では、イオントラップは、第１および第２の対向ミラー電極ならびにミラー電極間の中央レンズを含む電極構造であって、電極構造は、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成し、閉じ込め電位は非調和である、電極構造と、電極構造に接続されたＡＣ励起周波数とイオンの固有振動周波数の倍数との周波数差を、イオンの固有振動周波数の倍数よりも低い励起周波数から、質量選択的に低減する走査制御装置とを備える。一実施形態では、走査制御装置は、ある掃引率でＡＣ励起周波数を掃引することにより、周波数差を低減する。いくつかの実施形態では、掃引率は非線形掃引率であることができる。特定の実施形態では、非線形掃引は、連結された線形掃引で構成することができる。別の実施形態では、走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の倍数が、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数から変化するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引することにより、周波数差を低減する。
【００２０】
一実施形態では、イオントラップは、ガス種の電子衝突イオン化によりイオンを生成する電子源と、イオンを収集して、総圧測定値を生じさせるコレクタ電極とを含む。イオントラップは、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる静電電位を生成する電極構造と、ガス種を解析する質量解析器とをさらに含む。いくつかの実施形態では、電極構造は中央レンズを含む。静電電位は非調和であることができる。特定の実施形態では、イオントラップは、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源をさらに含むことができ、ＡＣ励起源は中央レンズに接続される。いくつかの実施形態では、電子源は、電極構造に対して軸外に配置することができる。一実施形態では、コレクタ電極はプレート形状であり、電極構造と軸方向に並んで配置されたアパーチャを含む。別の実施形態では、コレクタ電極は電子源を囲む。さらに別の実施形態では、コレクタ電極は電極構造内部に配置される。
【００２１】
別の実施形態では、イオントラップは、ガス種の電子衝突イオン化によりイオンを生成する電子源と、中央レンズを含む電極構造とを含み、電極構造は、固有振動周波数において軌跡にイオンを閉じ込める静電電位を生成する。イオントラップは、総圧（全圧力）を測定するゲージと、特定の固有振動周波数を有する閉じ込められたイオンの濃度を総圧に関連付ける部分圧解析器とをさらに含む。いくつかの実施形態では、電極構造により生成される静電電位は、非調和であることができる。特定の実施形態では、イオントラップは、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源を含むことができ、ＡＣ励起源は中央レンズに接続される。一実施形態では、総圧ゲージはイオン化ゲージを含むことができる。
【００２２】
さらに別の実施形態では、イオントラップは、第１および第２の対向ミラー電極ならびにミラー電極間の中央レンズを含む電極構造であって、電極構造は、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成し、閉じ込め電位は非調和である、電極構造と、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源であって、中央レンズに接続される、ＡＣ励起源とを含む。イオントラップは、ほぼすべてのイオンがトラップから排出され、イオン検出器により収集されるように、十分に不等に第１および第２の対向ミラー電極構造のうちの一方をバイアスして、総圧測定値を生じさせるバイアスコントローラをさらに含む。
【００２３】
さらに別の実施形態では、イオントラップは、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成する電極構造であって、閉じ込め電位は非調和である、電極構造と、電極構造に接続され、イオンの固有振動周波数の約整数倍である周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源とを含む。イオントラップは、制御パラメータを記憶する不揮発性メモリと、ＡＣ励起源および電極構造に動作可能に接続された制御電子装置とをさらに含み、制御電子装置は、制御パラメータを使用して、ＡＣ励起源および静電電位を制御する。制御パラメータは、構成パラメータ、校正パラメータ、および感度係数を含むことができる。いくつかの実施形態では、不揮発性メモリおよび制御電子装置は、電極構造に一体化することができる。構成パラメータは、イオンが閉じ込められる静電電位を生成する電極構造に印加される静電電位の大きさならびにＡＣ励起源の振幅および周波数を含むことができ、校正パラメータは、イオントラップの電圧および電流の入出力校正パラメータを含むことができ、感度係数は、イオンの固有振動周波数からイオンの質量電荷比（ｍ／ｑ）への変換係数を含むことができる。いくつかの実施形態では、励起周波数は、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で、閉じ込められたイオンを励起させる。
【００２４】
さらに別の実施形態では、イオントラップは、イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める静電電位を生成する電極構造であって、閉じ込め電位は非調和である、電極構造と、電極構造に接続され、イオンの固有振動周波数の約整数倍である周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源とを含む。イオントラップは、ｄ（１／ｆｎ）／ｄｔが定数に等しくなるように（一定となるように）設定される掃引率で、ＡＣ励起周波数を掃引する走査制御装置をさらに含み、ｎはゼロよりも大きい。一実施形態では、ｎは１におおよそ等しい。別の実施形態では、ｎは２におおよそ等しい。
【００２５】
イオンをイオントラップに捕捉する方法は、第１および第２の対向ミラー電極と、ミラー電極間の中央レンズとを含む電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成すること、ならびに励起周波数ｆを有するＡＣ励起源を使用して、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させることであって、ＡＣ励起源は中央レンズに接続される、励起させることを含む。一実施形態では、この方法は、ＡＣ励起源の励起周波数を走査するステップと、ＡＣ励起周波数と、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数との周波数差を質量選択的に低減するステップとを含む。励起周波数を走査するステップは、イオンの固有振動周波数の約２倍よりも高い励起周波数からの掃引率で実行されて、周波数差がゼロに近づくにつれて、質量選択的に自動共振を達成することができる。あるいは、励起周波数を走査するステップは、イオンの固有振動周波数の約２倍よりも低い励起周波数からの掃引率で実行することができる。いくつかの実施形態では、掃引率は非線形掃引率であることができる。特定の実施形態では、非線形掃引は、連結された線形掃引率で構成することができる。掃引率は、ｄ（１／ｆｎ）／ｄｔがおおよそ定数に等しくなるように設定することができ、ｎはゼロよりも大きい。一実施形態では、ｎは１におおよそ等しい。別の実施形態では、ｎは２におおよそ等しい。
【００２６】
他の実施形態では、励起周波数を走査することは、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも低い周波数から変化するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引するステップを含むことができる。あるいは、励起周波数を走査することは、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数から変化するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引するステップを含むことができる。掃引率は非線形であることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第１の対向ミラー電極構造および第２の対向ミラー電極構造に、不等にバイアスをかけることができる。一実施形態では、第１および第２の対向ミラー電極構造のそれぞれは、軸方向に配置されたアパーチャを有する第１のプレート形電極と、中央に配置されたアパーチャを有する、中央レンズに向かって開いたカップ形状の第２の電極とを含み、中央レンズはプレート形状であり、軸方向に配置されたアパーチャを含む。
【００２８】
別の実施形態では、第１の対向ミラー電極構造は、少なくとも１つのアパーチャを有し、対向ミラー電極構造の軸に対して軸外に配置された第１のプレート形電極と、中央レンズに向かって開くカップ形状であり、中央に配置されたアパーチャを有する第２の電極とを含む。この実施形態では、第２の対向ミラー電極構造は、軸方向に配置されたアパーチャを有する第１のプレート形電極と、中央レンズに向かって開くカップ形状であり、中央に配置されたアパーチャを有する第２の電極とを含む。中央レンズはプレート形状であり、軸方向に配置されたアパーチャを含む。
【００２９】
いくつかの実施形態では、方法はイオン源を使用することを含むことができる。他の実施形態では、方法は、質量分析計として構成されたイオン検出器を使用することを含むことができる。イオン源は、ガス種の電子衝突イオン化によりイオンを生成する少なくとも１つの電子放射源を含むことができる。イオン源は２つの電子放射源を含むことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、ホットフィラメントであることができる。他の実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、低温電子放射源であることができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源は、電極構造に対して軸外に配置することができる。これらの実施形態では、少なくとも１つの電子放射源により生成される電子を、電極構造に沿った軸に直交する軸から約２０度〜約３０度離れた角度で注入することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、イオン検出器は、電極構造に対して軸上に配置することができる。他の実施形態では、イオン検出器は、電極構造に対して軸外に配置することができる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、イオン検出器は電子倍増装置であることができる。他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起源周波数が変動する際に、ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起周波数が変動する際に、電極構造の電気インピーダンスの変化を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、ＡＣ励起周波数が変動する際に、影像電荷により誘導される電流を測定することにより、イオンを検出することができる。
【００３３】
他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、電極構造の電気インピーダンスの変化を測定することにより、イオンを検出することができる。さらに他の実施形態では、イオン検出器は、静電電位の大きさが変動する際に、影像電荷により誘導される電流を測定することにより、イオンを検出することができる。
【００３４】
別の実施形態では、イオンをイオントラップに捕捉する方法は、第１および第２の対向ミラー電極と、対向ミラー電極間の中央レンズとを含む電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成することを含む。この方法は、電極構造に接続されたＡＣ励起源の励起周波数を走査すること、およびイオンの固有振動周波数の倍数よりも低い励起周波数から、ＡＣ励起周波数とイオンの固有振動周波数の倍数との周波数差を質量選択的に低減することをさらに含む。一実施形態では、走査制御装置は、ある掃引率でＡＣ励起周波数を掃引することにより、周波数差を低減する。別の実施形態では、走査制御装置は、イオンの固有振動周波数の倍数が、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数から変更するような方向に、ある掃引率で、静電電位の大きさＶを掃引することにより、周波数差を低減する。いくつかの実施形態では、掃引率は非線形掃引率であることができる。
【００３５】
一実施形態では、イオンをイオントラップに捕捉する方法は、ガス種の電子衝突イオン化により電子源を使用してイオンを生成すること、コレクタ電極を使用してイオンを収集して、総圧測定値を生じさせること、電極構造を使用して、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる静電電位を生成すること、およびガス種を解析する質量解析器を提供することを含む。いくつかの実施形態では、静電電位は非調和であることができる。この方法は、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源を提供することをさらに含むことができ、ＡＣ励起源は中央レンズに接続される。特定の実施形態では、電極構造は中央レンズを含むことができる。いくつかの実施形態では、電子源は、電極構造に対して軸外に配置することができる。一実施形態では、コレクタ電極は、プレート形状であり、電極構造と軸方向に並んで配置されたアパーチャを含む。別の実施形態では、コレクタ電極は電子源を囲む。さらに別の実施形態では、コレクタ電極は電極構造内部に配置される。
【００３６】
別の実施形態では、イオントラップを使用して絶対部分圧を測定する方法は、ガス種の電子衝突イオン化により電子源を使用してイオンを生成すること、中央レンズを含む電極構造を使用して、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる静電電位を生成すること、総圧ゲージを使用して総圧を測定すること、および部分圧解析器を使用して、特定の固有振動周波数を有する閉じ込められたイオンの濃度を総圧に関連付けることを含む。いくつかの実施形態では、電極構造により生成される静電電位は、非調和であることができる。特定の実施形態では、イオントラップは、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数を有するＡＣ励起源を含むことができ、ＡＣ励起源は中央レンズに接続される。一実施形態では、総圧ゲージはイオン化ゲージを含むことができる。
【００３７】
さらに別の実施形態では、イオントラップを使用して総圧を測定する方法は、第１および第２の対向ミラー電極と、対向ミラー電極間の中央レンズとを含む電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和の静電電位を生成すること、励起周波数を有し、中央レンズに接続されたＡＣ励起源を使用して、イオンの固有振動周波数の約２倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させること、ならびにほぼすべてのイオンがトラップから排出され、イオン検出器により収集されるように、十分に不等に、バイアスコントローラを使用して第１および第２の対向ミラー電極のうちの一方にバイアスをかけることを含む。
【００３８】
さらに別の実施形態では、イオンをイオントラップに捕捉する方法は、電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成すること、電極構造に接続され、励起周波数を有するＡＣ励起源を使用して、イオンの固有振動周波数の約整数倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させること、ならびに構成パラメータ、校正パラメータ、および感度係数を不揮発性メモリに記憶することを含む。一実施形態では、構成パラメータは、イオンが閉じ込められる静電電位を生成する電極構造に印加される静電電位の大きさならびにＡＣ励起源の振幅および周波数を含むことができ、校正パラメータは、イオントラップの電圧および電流の入出力校正パラメータを含むことができ、感度係数は、イオンの固有振動周波数からイオンの質量電荷比（ｍ／ｑ）への変換係数を含むことができる。
【００３９】
さらに別の実施形態では、イオンをイオントラップに捕捉する方法は、電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成すること、電極構造に接続され、励起周波数を有するＡＣ励起源を使用して、イオンの固有振動周波数の約整数倍の周波数で閉じ込められたイオンを励起させること、ならびにｄ（１／ｆｎ）／ｄｔが定数におおよそ等しくなるように設定された掃引率で、励起周波数ｆを走査することであって、ｎはゼロよりも大きい、走査することを含む。一実施形態では、ｎは１におおよそ等しい。別の実施形態では、ｎは２におおよそ等しい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、高圧（１０−４〜１０−５Ｔｏｒｒ）での質量スペクトルの品質向上およびイオントラップの動作圧力範囲（１０−４Ｔｏｒｒ〜１０−１０Ｔｏｒｒ）全体を通しての質量スペクトルの基線の低減等の多くの利点を有する。
【００４１】
上記は、異なる図全体を通して、同様の参照文字が同じ部分を指す添付図面に示される、以下の本発明の実施形態例のより具体的な説明から明らかとなろう。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、本発明の実施形態の説明に重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】静電イオントラップの概略図である。
【図２Ａ】非調和電位ウェルの図である。
【図２Ｂ】出口プレート電圧０ＶＤＣおよび出口プレート電圧−１５ＶＤＣでの図２Ａの非調和電位ウェルの一部分の図である。
【図２Ｃ】調和電位ウェルおよび非調和電位ウェルの図である。
【図３】自動共振を利用することにより得られる質量スペクトルおよびＡＣ励起周波数を逆方向に走査することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図４】線形、対数、１／ｆ、および１／ｆ２周波数走査での掃引時間の関数としてのＡＣ励起周波数の図である。
【図５Ａ】固定ＲＦ周波数３８９ｋＨｚで中央レンズの高電圧（ＨＶ）を走査することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図５Ｂ】軸上イオン化を利用し、ＲＦ周波数を自動共振的に逆方向に走査することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図５Ｃ】軸外イオン化を利用し、ＲＦ周波数を自動共振的に逆方向に走査することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図６Ａ】軸上イオン化を利用するイオントラップの静電イオンの一部分の概略図および距離の関数としての電子密度の図である。
【図６Ｂ】軸外イオン化を利用するイオントラップの静電イオンの一部分の概略図および距離の関数としての電子密度の図である。
【図７】２つの電子放射源を有する静電イオントラップの図である。
【図８】冷温電子放射源を利用する静電イオントラップの概略図である。
【図９】軸上イオン検出を利用する静電イオントラップの概略図である。
【図１０】軸外イオン検出を利用する静電イオントラップの概略図である。
【図１１】ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンの検出に使用される静電イオントラップの概略図である。
【図１２】図１１のイオントラップを使用すると共に、固定中央レンズ電圧−４００ＶＤＣを使用して得られる質量スペクトルの図であり、水の放出周波数は６５４ｋＨｚであり、アルゴンの放出周波数は４３７ｋＨｚであり、イオンは電子倍増検出器により検出された。
【図１３】固定ＲＦ周波数５４０ｋＨｚで静電電位の大きさを走査することにより、図１１のイオントラップを使用して得られる質量スペクトルの図であり、水は−２７０ＶＤＣで放出され、アルゴンは−６００ＶＤＣで放出され、イオンは電子倍増検出器により検出された。
【図１４】出口カップ７内に結合されたＲＦを有し、静電電位の大きさが変動する際に吸収されるＲＦ電力量を測定することにより、イオンを質量選択的に検出するように構成された図１１のイオントラップの概略図である。
【図１５】図１４の静電イオントラップおよび回路と等価な電気回路の概略図である。
【図１６】静電電位の大きさが変動する際に、弱駆動される振動源からのＲＦ信号の振幅変化を測定することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図１７】−２００ＶＤＣおよび−２７５ＶＤＣ遷移プレート電圧で４４５ｋＨｚで振動する窒素イオンのエネルギーを示す、静電電位の大きさの走査中の２点での電位エネルギーウェルの図である。
【図１８】静電イオントラップ内の距離の関数としての電子エネルギーの図である。
【図１９】５０ｅＶ、６０ｅＶ、および７０ｅＶの電子を使用して、イオンを生成し、静電電位の大きさが変動する際に電極構造の電気インピーダンスの変化を測定することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図２０】静電電位の大きさが変動する際に結合ＲＦ振幅の変化を測定することにより得られる、イオンを検出するために使用される静電イオントラップの概略図である。
【図２１】静電電位の大きさが変動する際に結合ＲＦ振幅の降下を測定することにより得られる質量スペクトルの図である。
【図２２】計算された放出周波数および実験から得られた放出周波数を使用する質量スペクトルの図である。
【図２３】３．５×１０−７Ｔｏｒｒの本質的に純粋な窒素および７．５×１０−７ＴｏｒｒのＮ２：Ａｒの１：１容量混合での質量スペクトルの図である。
【図２４】電子放射源を囲むイオンコレクタの概略図である。
【図２５】電子放射源に隣接するリング電極としての形状のイオンコレクタの概略図である。
【図２６】入口プレート外部に配置されたリング電極としての形状のイオンコレクタの概略図である。
【図２７】静電イオントラップの電極構造内部に配置されたイオンコレクタの概略図である。
【図２８】静電イオントラップを利用する総圧測定装置と部分圧測定装置との組み合わせの概略図である。
【図２９】掃引率の増大に伴う自動共振放出閾値のグラフの図である。
【図３０Ａ】電子ゲートが開いた状態での各電子ビームプロファイルを示す、パルス電子源を使用する静電イオントラップの概略図である。
【図３０Ｂ】電子ゲートが閉じた状態での各電子ビームプロファイルを示す、パルス電子源を使用する静電イオントラップの概略図である。
【図３１】静電イオントラップのパルス動作での単一のパルス電子放射源およびＲＦ励起源の走査のタイミング図である。
【図３２】静電イオントラップのパルス動作での二重のパルス電子放射源およびＲＦ励起源の走査のタイミング図である。
【図３３】真空チャンバ内に存在する２つのガスの図である。
【図３４】イオン化ゲージにより報告される総圧の導出を示す図である。
【図３５】質量毎に放出される電荷量の導出を示す図である。
【図３６】ガスＡの部分圧の導出を示す図である。
【図３７】ＡＲＴ  ＭＳおよびＳＲＳ  ＲＧＡにより測定された窒素ガスおよび不活性ガスの部分圧のグラフである。
【図３８】ＡＲＴ  ＭＳシステムの図である。
【図３９】前面パネル組立体がマスタであるＡＲＴ  ＭＳ単独構成の図である。
【図４０】単一（外部）のホスト構成を使用するＡＲＴ  ＭＳの図である。
【図４１】ネットワークホスト構成を使用するＡＲＴ  ＭＳの図である。
【図４２】ローカル／リモート状態遷移図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の実施形態例の説明は以下である。
【００４４】
イオントラップは、第１および第２の対向ミラー電極ならびに対向ミラー電極間の中央レンズを含む電極構造を備え、電極構造は、イオンを固有振動周波数（固有振動数）において軌跡に閉じ込める静電電位を生成し、閉じ込め電位は非調和である。このイオントラップは、イオンの固有振動周波数の約倍数である（倍数にほぼ等しい）周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数ｆを有するＡＣ励起源も含み、ＡＣ励起周波数源は、好ましくは、中央レンズに接続される。
【００４５】
これより図１を参照すると、イオントラップ１１０は、２枚のプレート１および２、２つのカップ形電極６および７、ならびに平面中央レンズ３で構成される電極構造を備える。この例では、各プレート１および２は、厚さ約０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）であり、直径約１インチ（２．５４ｃｍ）である。プレート１は、高さ約０．０７５インチ（０．１９０５ｃｍ）高さおよび約０．６２５インチ（１．５９ｃｍ）の最長寸法の突起部を含み（突起部は円形または矩形であり得る）、突起部は、イオントラップ１１０の円柱形対称軸の軸外に、突起部の側部に沿って配置された少なくとも１つのスリットを有する。プレート２は平坦であり、約０．１２５インチ（３．１８ｍｍ）直径（ｒＯ＝０．０６２５インチ（１．５９ｍｍ））の円形穴を含み、円形穴上に電鋳された金属で作られた微細格子を有する。各カップ形電極６および７は、長さ約０．７５インチ（１．９１ｃｍ）（ｚ１＝０．７５インチ（１．９１ｃｍ））、直径約１インチ（２．５４ｃｍ）（ｒ＝０．５インチ（１．２７ｃｍ））であり、各カップ電極の底部に、直径約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）（ｒｉ＝０．１２５インチ（３．１８ｃｍ））の円形穴を有する。カップ形電極６および７には、図１に示されるように、対向ミラー画像配置において互いに対向するカップの広い開口部が構成される。プレート１の突起部は、カップ電極６から離れている。プレート１とカップ電極６との間隔は約０．１７５インチ（４．４５ｍｍ）であり、プレート２とカップ電極７との間隔は約０．２５インチ（６．３５ｍｍ）である。平坦プレート１および２のそれぞれは、カップ電極６および７の底部に隣接する。平面中央レンズ３は、各カップ電極から約０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）離れた間隔で、カップ電極６および７の間に配置される。平面中央レンズ３は、直径約１インチ（２．５４ｃｍ）であり、直径約０．１８７インチ（４．７５ｍｍ）（ｒｍ＝０．０９３５インチ（２．３７ｍｍ））の円形穴を有する。あるいは、中央レンズ３は円柱形であり得る。電極構造は、円柱状に対称であり、約２．０７５インチ（５．２８ｃｍ）の全長および直径約１インチ（２．５４ｃｍ）を有する。以下の図１のさらなる説明では、プレート１は入口プレート１と呼ばれ、カップ形電極６は入口カップ６と呼ばれ、中央レンズ３は遷移プレート３と呼ばれ、カップ形電極７は出口カップ７と呼ばれ、プレート２は出口プレート２と呼ばれる。この理由は、別記される場合を除き、イオンが左から電極構造に入り、右側の出口プレート２を通って出る際に検出されるためである。入口カップ６および出口カップ７は、図１では中実カップとして示されるが、そのような電極構造が穴あき金属または格子材料で構成されてもよいことが当分野では周知である。開いた電極構造は、高いガス伝導、ガス組成物の遷移変化に対する高速の応答、および静電場を歪ませる恐れがあるカップ内部の表面への汚染物蓄積の受けにくさを提供する。中実金属構造を、例えば、プラスチック、セラミック、または他の同様の材料等の物質で作られた金属成膜構造で置換してもよいことも、当分野において周知である。
【００４６】
陽イオンを捕捉する静電電位は、遷移プレート３を約−８５０ＶＤＣに、カップ電極６および７のそれぞれを約−９０ＶＤＣに、入口プレート１を約０ＶＤＣに、そして出口プレート２を約０〜約−３０ＶＤＣ、好ましくは約０〜約−１０ＶＤＣの調整可能なバイアスにバイアスすることにより、電極構造内部で生成される。ＳＩＭＩＯＮ（ＮＪ州、Ｒｉｎｇｏｅｓ、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）を使用して計算され、図２Ａに示される中央軸に沿った静電電位は、非調和であり、出口プレート２に印加されるバイアスに応じて、図２Ａと、図２Ｂに示される出口プレート２の近傍の静電電位プロファイルの拡大図とに示されるように、可変的に非対称である。さらに後述するように、トラップの出口側でイオンを優先的に放出するために、静電電位プロファイルの非対称性が生成される。陰イオンを捕捉する静電電位は、電極構造に印加されるバイアス電位の符号を逆にすることにより、生成することができる。
【００４７】
調和振動器とは、平衡位置から変位した場合に、変位に比例して（すなわち、フックの法則に従って）復元力を受けるシステムである。線形復元力がシステムに対して作用する唯一の力である場合、システムは単純な調和振動器になり、単純な調和運動：振幅（または蓄えられたエネルギー）に依存しない一定の周波数を有する、平衡点を中心とした正弦波振動を受ける。調和電位ウェル内に捕捉されたイオンは、線形場を受けると共に、イオンの質量電荷比および二次電位ウェルの具体的な形状（トラップの幾何学的形状と、静電電圧の大きさとの組み合わせによって定義される）のみに依存する固定固有周波数で単純な調和運動振動を受ける。調和振動器の電位エネルギーウェル内に捕捉された所与のイオンの固有振動周波数は、振動のエネルギーまたは振幅による影響を受けず、固有振動周波数と質量電荷比の平方根との間には厳密な関係がある。すなわち、質量電荷比が大きなイオンほど、小さな質量電荷比を有するイオンよりも低い固有周波数で振動する。入念に選択された調和電位ウェル、自己集群的で等時性の振動、および高分解能スペクトル出力を誘導性ピックアップ（ＦＴＭＳ）検出方式およびＴＯＦ検出方式の両方に対して確立するためには、耐久性の高い機械的な組立体が一般に必要とされる。
【００４８】
最も一般用語では、非調和性は単純に、調和振動器からのシステムの逸脱（系の偏移）である。すなわち、単純な調和運動で振動していない振動器が、調和振動器または非線形振動器として知られている。調和トラップとは全く逆で、このトラップは、（１）イオンを捕捉すると共に、（２）イオンを質量選択的に自動共振励起させて放出する手段として、イオン振動運動の強い非調和性を利用する。典型的な静電イオントラップでのイオン電位とイオン捕捉軸に沿った変位との関係を図２Ａに示す。そのような電位ウェル内のイオンの固有振動周波数は、振動の振幅に依存し、非調和振動運動を生じさせる。これは、そのような電位ウェル内に捕捉された特定のイオンの固有振動周波数が、４つの要因：（１）トラップの幾何学的形状の細部、（２）イオンの質量電荷比（ｍ／ｑ）、（３）イオンの振動の瞬間振幅（エネルギーに関連する）、および（４）カップ電極と中央レンズ電極との間に確立される電圧勾配により定義される電位ウェルの深さにより決まることを意味する。図２Ａに示されるような非線形軸方向電場では、振動振幅の大きなイオンほど、小さな振動振幅を有する同質量のイオンよりも低い固有振動周波数を有する。換言すれば、非調和振動において、捕捉されたイオンは、エネルギーが増大した場合、固有振動周波数の低減および振動振幅の増大を受ける。
【００４９】
図２Ａは、通常、好ましいトラップ実施形態の大半において直面する、負の非線形性符号を有する非調和電位の例を示す。図２Ｃは、調和電位プロファイルと非調和イオントラップとの差を示す。この種の非調和電位トラップ内で振動するイオンは、例えば、自動共振によりエネルギーを獲得すると、振動軌跡の増大および周波数の低減を受ける。しかし、本発明は、線形性からの負方向へのずれを有する非調和電位を使用するトラップに限定されない。調和（すなわち、二次）電位からの正方向へのずれを使用する静電トラップを構築することも可能であり、その場合、自動共振を行うために必要なトラップ条件の変更が、負方向にずれた電位で必要とされる条件の変更とは逆になる。そのような電位は、イオンの非調和振動を担うこともできるが、イオンエネルギーと振動周波数との関係は、図２Ｃに示される負の非調和曲線と比較して逆になる。自動共振下で改良された断片率（フラグメンテーション速度）に繋がり得るイオンエネルギーと振動周波数との特定の関係を達成するために、正方向にずれた電位を非調和トラップに使用することが可能である。
【００５０】
イオンを振動運動に閉じ込めるために非調和電位を使用することの利点は、製造要件の複雑さがはるかに低く、かつ機械加工許容差が、厳密な線形電場が必要とされる調和電位静電トラップよりもはるかに緩いことである。トラップの性能は、非調和電位の厳密または固有の関数形式に依存しない。電位捕捉ウェル内の強い非調和性の存在は、自動共振を通してのイオン励起に対する基本的な前提条件であるが、トラップ内部に存在する捕捉電位の厳密な関数形式に関して満たすべき厳密または固有の要件または条件はない。さらに、質量分析計またはイオンビームソーシング性能も、ユニット毎のばらつきの影響をあまり受けず、大半の他の質量分析技術と比較して、非調和共振イオントラップ質量分析計（ＡＲＴ  ＭＳ）に対してより緩い製造要件が可能である。図２Ａの曲線に示される非調和電位は、明らかに参照のみのために提示されており、本発明の範囲から逸脱せずに、形態および細部に様々な変更を非調和電位に対して行い得ることが、当業者には理解されよう。
【００５１】
イオントラップは、イオンの固有振動周波数の約倍数の周波数で閉じ込められたイオンを励起させる励起周波数ｆを有するＡＣ励起源も含む。イオンの固有振動周波数の倍数は、固有振動周波数の１倍、２倍、または３倍以上の倍数を含む。ＡＣ励起源は、図１に示されるように、カップ電極６および７ならびに入口プレート１および出口プレート２に、例えば、入口カップ６および入口プレート１に、または好ましくは、遷移プレート３（中央レンズ）に直接接続することができる。図１を参照すると、ＡＣ励起源２１は遷移プレート３に接続され、印加されるＲＦは、オプションのコンデンサ４３および４４を通してカップ電極６および７のそれぞれにも分配される。ＡＣ励起源２１を遷移プレート３に直接印加することにより、対称構成のＲＦ分配が生み出されると共に、驚くべきことに、固有振動周波数の２倍でイオンを効率的に励起させることが可能になる。遷移プレート３に印加された場合、ＡＣ励起源は、イオンが出口カップに向かって移動する際、およびイオンが入口カップに向かって移動する帰路においてイオンを励起する。
【００５２】
イオントラップには、図１に示される走査制御装置１００も設けられ、走査制御装置は、ＡＣ励起周波数とイオンの固有振動周波数の２倍の周波数との周波数差を質量選択的に（質量選別して）低減する。一実施形態では、走査制御装置１００は、イオンの固有振動周波数の２倍よりも高い周波数から、イオンの固有振動周波数の２倍よりも低い周波数に向かう方向に、ある掃引率（掃引速度）で、ＡＣ励起周波数ｆを掃引して、自動共振を達成する。非調和電位ウェルを使用する典型的な静電イオントラップでは、所与の質量電荷比ｍ／ｑのイオン群の自動共振励起が、以下の様式で達成される。
１．イオンが、静電的に捕捉され、固有振動周波数ｆＭを有する非調和電位内で非線形振動を受ける。
２．イオンの固有振動周波数よりも高いか：ｆｄ＞ｆＭ、あるいはイオンの固有振動周波数の倍数、例えば、２倍よりも高い：ｆｄ＞２ｆＭ、初期駆動周波数ｆｄを有するＡＣ駆動装置が、システムに接続される。
３．駆動周波数ｆｄと、イオンの固有振動周波数ｆＭの倍数との正の周波数差を、瞬間周波数差が略ゼロに近づくまで、連続して低減させ、イオンの振動運動を駆動装置との永続的な自動共振に位相ロックさせる（自動共振振動器内では、イオンは、必要に応じて駆動装置からエネルギーを抽出することにより、振動の瞬間振幅を自動的に調整して、固有振動周波数を駆動装置の周波数に位相ロックした状態を保つ）。
４．次に、駆動周波数とイオンの固有振動周波数との負の差に向けてトラップ条件を変更しようとさらに試みることにより、エネルギーがＡＣ駆動装置から振動システム内に伝達され、振動振幅およびイオンの振幅周波数が変化する。
５．図２Ｃに示されるような電位（負の非線形性）を使用する典型的な静電イオントラップの場合、エネルギーが駆動装置から振動システム内に伝達されるにつれて、振動振幅は大きくなり、イオンは、エンドプレート（両端プレート）に近づいて振動する。最終的に、イオンの振動振幅は、イオンがサイド電極に衝突するか、またはサイド電極が半透明（例えば、メッシュ）である場合、トラップを出る地点にイオンが到達することになる。
【００５３】
上述した自動共振励起プロセスは、１）イオンを励起させて、イオンが蓄えられている間に新しい化学的プロセスおよび物理的プロセスを受けさせるため、ならびに／あるいは２）質量選択的にトラップからイオンを放出するために使用することができる。イオン放出は、パルスイオン源を動作させるため、ならびに完全な質量分析検出システムを実施するために使用することができ、後者の場合、自動共振イベントおよび／または放出されたイオンを検出する検出方法が必要である。
【００５４】
あるいは、走査制御装置１００は、イオンの固有振動周波数の２倍よりも低い周波数から、イオンの固有振動周波数の２倍よりも高い周波数に向かう逆方向に、ある掃引率で、ＡＣ励起周波数ｆを掃引することができる。この逆走査モードは、上述した永続的な位相ロックおよび自動共振を生み出さないが、大半の場合で、図３に示されるように程々に有用なスペクトルをもたらす。
【００５５】
走査制御装置１００がＡＣ励起周波数ｆを掃引する掃引率は、線形掃引率（すなわち、ｄｆ／ｄｔが定数に等しい）であってもよく、または好ましくは、非線形掃引率であってもよく、最も好ましくは、ｄ（１／ｆｎ）／ｄｔが定数に等しくなり、ｎがゼロよりも大きくなるように設定することができる。いくつかの可能な周波数操作プロファイルを図４に示す。ＡＲＴ  ＭＳトラップが自動共振条件下で適宜動作するには、周波数を高値から低値に走査する必要がある。線形周波数走査は、ＡＲＴ  ＭＳ励起に適合するが、広い質量範囲にわたり最も効率的なイオン放出を提供しない。ＡＲＴ  ＭＳを適宜実施するには、ＡＣ励起の提供に使用される関数生成器は、事前に指定された電圧ＶＰＰおよび適切な周波数走査時間プロファイを有する、事前に指定された周波数値間の位相連続ＲＦ信号のソースでなければならない。直接デジタル周波数合成（ＤＤＳ）の場合、歪んだピークおよび優調和がないことを保証するために、適切な出力フィルタリングと共に、高サンプリング率のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）出力を有することも重要である。最も低コストの市販のＤＤＳチップは、離散した小さな周波数増分の位相連続連結として周波数掃引を生み出す。ステップ毎に最高で約１３６Ｈｚの小さな周波数ステップが、本明細書において説明されるすべての実施形態との実験で良質なスペクトルを生成した。
【００５６】
線形走査（ｄｆ／ｄｔ＝定数）が、非調和共振イオントラップ質量分析計の動作に使用されてきた。線形走査は、大半の商業的な関数／任意波形生成器（ＦＡＷＧ）によりサポートされているため、都合がよく、実施が容易である。線形走査は、狭い質量範囲の走査には完璧に適切であり、一般に好ましいが、周波数が定率で低減するのに対して、イオンの質量は周波数の二乗に反比例するため、軽いイオンは走査の初期に放出され、隣接する質量の時間間隔が、周波数の低減に伴って低減するため、広い質量範囲では上手く機能しない。したがって、線形走査は、走査時間の利用の点で効率的ではない。線形走査は、低周波数で費やされる比較的長い走査時間が優調和周波数でのイオンの放出を助長する（すなわち、非常に複雑なスペクトルを提供する）ため、低質量（すなわち、＜１０原子質量単位（ａｍｕ））を含め、広い質量範囲の走査には勧められない。線形周波数走査は、低分子重量種および高分子重量種の両方を妥当な効率で適宜放出することもできないため、広い質量範囲では勧められない。固定周波数範囲の場合、重いイオンを効率的に放出するには、軽いイオンの走査時間よりも長い走査時間が必要である。線形走査を適用する場合、関心のある特定のピークに理想的な走査時間が選択される。線形走査は一般に、本当に狭い質量範囲（すなわち、数ａｍｕ）が望まれない限り、ＡＲＴ  ＭＳトラップの動作に理想的ではないものとして認識されている。個々の質量範囲のそれぞれに最適化された線形走査の連結シリーズを使用して、広い質量範囲にわたる走査を実行することができ、複数セグメントの線形走査を使用して、後述する非線形周波数走査プロファイルを近似することができる。任意の波形の理想的または好ましい非線形走査の近似を提供する線形走査プロファイルの連結により、機器性能を実質的に失わずに、安価なＤＤＳチップに基づくＡＲＴ  ＭＳの開発が可能である。連続線形セグメント間の位相連続を保証できない最低コストのＤＤＳチップによっては、周波数範囲の入念な計算を使用して、関心のある質量ピークでの位相不連続を回避することができる。
【００５７】
入念な解析により、すべての質量においてイオンの放出を最適化するために必要な時間に伴う周波数の変更率（ｄｆ／ｄｔ）の振幅が、イオンの質量に反比例して低減する必要があることが分かった。換言すれば、重いイオンほど、軽いイオンよりも遅い走査率（すなわち、小さな［ｄｆ／ｄｔ］値）でより効率的に放出される。重いイオンは遅く振動するため、ＲＦ場振動から十分なエネルギーを集めるためにより多くの時間を必要とする。所与のＲＦ振幅の場合、イオンを自動共振によりトラップから放出できるようになるまでに、最小数の振動が必要であると考えられる。したがって、理想的には、時間に伴う周波数の変更率［ｄｆ／ｄｔ］は、トラップから放出されるイオンの質量が増大するにつれて低減すべきである。しかし、この走査プロファイルは、位相連続ＲＦ信号の生成をより複雑にすると共に、成功するには高速任意波形生成器を使用する必要がある。上述したように、区分線形近似も、理想的な非線形周波数プロファイルを近似するために使用されており、低コストＤＤＳチップを商業的な機器の開発に使用することが可能である。
【００５８】
時間に伴って線形変化する周波数の対数を、最も市販されているＦＡＷＧｓ．Ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ走査を使用して生成できる対数周波数走査（ｄ（ｌｏｇｆ）／ｄｔ＝定数）は、一般に、線形走査よりも良好な結果を提供する：１）スペクトルが低質量において含む優調和ピークが少ない（後述）、２）高分子重量化合物が、線形走査の走査時間と比較して、走査時間に関してトラップからより効率的に放出される。対数周波数走査は、広い質量範囲のスペクトル収集では線形走査よりも常に好ましいが、放出する必要があるイオンが軽いか、それとも重いかに応じて走査時間を入念に調整する必要がまだあるため、まだ理想的ではない。重いイオンを効率的に放出できるようにするには、走査時間を増大させる必要があるが、それでもなお、優調和（さらに後述する）がスペクトルを汚染する恐れがある。
【００５９】
好ましい走査モードは、ｄ（１／ｆｎ）／ｄｔが定数におおよそ等しく、ｎが、ｎ＝１およびｎ＝２の場合が図４に示されるように、ゼロよりも大きいように、周波数掃引率を設定することを含む。「１／ｆ」周波数掃引は、質量に伴って線形的に低減する周波数掃引を提供する。これは厳密に、イオン放出に最適であると経験的に決定された種類の関係である。「１／ｆ」走査は、すべての走査掃引モードで最もクリーンで最も効率的なスペクトルを系統的に提供した。例えば、７０ミリ秒周波数掃引は、７０ミリ秒内で１ａｍｕ〜１００ａｍｕの最適なデータ出力を提供し、これとは対照的に、対数走査では２５０ミリ秒が必要である。走査はより高速であり、高周波数で費やされる時間が比較的わずかであるため、調和の高寄与の点ではるかに鮮明である。１／ｆ走査に加えて、１／ｆ２（ｄ（１／ｆ２）／ｄｔ＝定数）走査の考慮も有用であり得る。この走査モードの最も重要な利点は、周波数は時間に対して非線形的に走査されるが、異なる質量ピークが質量と時間との線形関係で放出されるためである。１／ｆ２走査では、イオンは、質量電荷比に厳密に比例する時間で、トラップから放出される。すなわち、質量電荷比と放出時間との間に明確な線形の関係がある：Δｍ／Δｔ＝定数。質量基準に対する適切な校正を使用して、放出時間を質量に変換することは簡単であり、収集された質量放出データから質量スペクトルを生成するために、多くの処理電力を必要としない。
【００６０】
あるいは、図１に示される走査制御装置１００を使用して、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも低い周波数から、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数に向かって変化するような方向に、ある掃引率で、大きさＶの静電電位を掃引することができる。遷移プレート３に対するバイアスは、図２Ａに示される静電電位ウェルの底部において電圧を設定する。イオンの固有振動周波数は、捕捉電位ウェルの深さによって設定される。遷移プレートのバイアス電圧のいかなる変更も、イオンの固有振動周波数のシフトに繋がる。実際に、固定質量電荷比のイオンの往復時間は、図２Ａに示される捕捉電位の平方根に関連する。捕捉電位ウェルが浅くなるにつれて、イオンの往復時間は長くなり、固有振動周波数は小さくなる。すなわち、スペクトルのピークは、遷移電圧が低減するにつれて低周波数に移る。遷移プレート３に対するバイアスの掃引率は、非線形掃引率であることができる。遷移プレート３に対するバイアスは、図５Ａに示されるように、自動共振を利用してイオンを質量選択的に励起させて、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも低い周波数から、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数に向かって変化するように、低値から高値への方向に掃引することができる。あるいは、遷移プレート３に対するバイアスは、逆走査モードで掃引することができ、その場合、遷移プレート３に対するバイアスは、イオンの固有振動周波数の２倍の周波数が、ＡＣ励起源の周波数よりも高い周波数から、ＡＣ励起源の周波数よりも低い周波数に向かって変化するように、高値から低値の方向に掃引される。逆走査モードは、自動共振を利用しないが、それにも関わらず、多くの場合、特に、逆走査モードでの周波数掃引を利用するスペクトルを示す図５Ｂに示されるように、軸上イオン化（後述）を使用する場合、良質なスペクトルを生成することができる。図５Ｃに示されるように、軸外イオン化（後述）を使用する周波数の逆走査は、不良な品質のスペクトルを生成する。一実施形態では、ＡＣ励起源の周波数および遷移プレート３に対するバイアスは両方とも、走査中に変更される。
【００６１】
図６Ａに部分的に示される軸上イオン化を利用する一実施形態では、第１および第２の対向ミラー電極構造のそれぞれは、軸方向に配置されたアパーチャを有する第１のプレート形電極（入口プレート）１と、中央に配置されたアパーチャを有する、中央レンズに向かって開いたカップ形状の第２の電極６とを含み、中央レンズは、プレート形状であり、軸方向に配置されたアパーチャを含む。この実施形態では、図６Ａに示されるように、電子放射源１６により生成される電子密度は、入口プレート１の近傍で最大であり、入口プレート１の近傍では、電子エネルギーも、入口プレート１から離れた場所よりも大きい。したがって、イオンの大半は、比較的高いエネルギーの電子と衝突することにより、入口プレート１の近傍で生成され、高エネルギーイオンは、捕捉される前に電極構造から排出される可能性がより高く、スペクトルの基線に大きなオフセットを生じさせる。図６Ａは、トラップに入った電子が、最終的には反射してＵターンし、再び入口プレート１に戻る電子も示す。そのようなイオンは入口プレート１の背面に向かって加速するため、より多くのイオンが、２回目のイオン化で形成される。電子が入口格子に達すると、電子のうちのいくつかは格子のワイヤおよび隣接する表面に衝突し、電子刺激脱離（ＥＳＤ）を通して大きなエネルギーを有するイオンを解放する。ＥＳＤにより解放される大きなエネルギーを有するイオンのうちのいくつかは、捕捉されずに電極構造から排出される可能性が高く、質量分析計の基線オフセット信号のさらなる原因を提供する。
【００６２】
図６Ｂに部分的に示される、軸外イオン化を利用する好ましい実施形態では、第１のプレート形電極（入口プレート）１は、対向ミラー電極構造の軸に対して軸外に配置された少なくとも１つのアパーチャを含む。この実施形態では、図６Ｂのグラフに示されるように、電子放射源１６により生成される電子密度は、トラップ内部の深い場所に局部集中し、したがって、入口プレート１から離れた場所では、電子との衝突により生成されるイオンは、より低いエネルギーを有し、捕捉される確率が高くなる。軸外イオン化は、軸上イオン化（すなわち、図６Ａ）に関連して説明したようなトラップの出口プレート２に対する一直線上の視野方向でのＥＳＤイオンの生成をなくす。その結果、図６Ｂに示される軸外イオン化方式での基線オフセット信号に対するＥＳＤの寄与は、はるかに低減する。入口プレート１の近傍で形成されるイオンは、捕捉されずにトラップから排出されるために十分なエネルギーを有するため、それらのイオンは、イオン検出器により想定される信号に基線オフセット（増大）を生成し、基線オフセットは、イオン質量とは無関係であるため、検出器ノイズの大きな原因である。常にイオン衝撃があるため、基線ノイズの増大は、イオン検出器の寿命を損ない、基線減算のために追加の信号処理を必要とし、センサの検出限界を増大させる（損なう）。センサの出力信号に対する基線オフセットの相対的な寄与も、軸上イオン化が使用される場合、システムの総圧の関数として増大するように見える。軸外イオン化は、基線オフセットを最小化し、ＡＲＴ  ＭＳ機器の動作圧力のダイナミックレンジを効率的に増大させること、すなわち、トラップをより広い圧力範囲で動作させることが可能であり、圧力の増大につれての分解能の劣化が小さいことが分かっている。軸外イオン化のさらなる利点は、図７に示されるように、２つの電子放射源１６を使用できることである。少なくとも１つ、好ましくは２つの電子放射源により生成される電子は、電極構造に沿った軸に直交する軸から約２０度〜約３０度、好ましくは約２５度の角度だけ離れて注入される。電子注入の角度は、電子が圧力プレート７６（図１に示される）または隣接する電子構造のいかなる部分にも衝突しないように選択され、仮にそのように選択されない場合には、電子ビームが二次電子を生成し、結果として生じるスペクトルに電気ノイズを生じさせる恐れがある。図６Ｂに示されるように、電子放射源の好ましい位置合わせでは、電子放射源１６からの電子ビームは、電位計プレート７２が電流を測定することができる入口プレート１の逆側にある出口スリットに向けられる。あるいは、出口スリットから流出する電子ビームを、後述され、図２６に示される外部に配置されるイオン化ゲージ構造のイオン化源として使用することができる。電子放射イオン源１６は、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、ホットフィラメントであってもよく、または例えば、図８に示されるような電子生成器アレイ（ＥＧＡ）８０等の冷温電子放射源であってもよい。電子の点源として動作するＥＧＡが利用可能であり、軸外イオン化での使用に適する。代替の軸外イオン化構成は、例えば、入口カップ６のサイド開口部を通してのイオン導入ま���はパルス注入を使用することにより機器外部で生成されたイオンの導入を含むことができる。図１に示される単純な構成が、製造が比較的容易かつ低コストであること、総圧測定との適合性、およびフィラメントが電極構造の一番上に配置された現場で交換可能なフィラメント組立体の設計との適合性から、好ましい。
【００６３】
質量分析計として構成される場合、イオントラップはイオン検出器も含む。図９に示される一実施形態では、イオン検出器１７は、電極構造に対して軸上に、トラップ外部に配置することができる。図１０に示される好ましい実施形態では、イオン検出器１７は、電極構造に対して軸外に配置される。イオン検出器は、例えば、電子倍増装置であることができる。ファラデーカップをイオン信号の収集に使用することもできるが、得られる信号が小さいため、センサの速度利点を保持するためには、ピコアンプレベルの信号に対応する高速電位計の設計に過大な要件が課される。あるいは、イオン検出器は、２００９年３月３１日にＳｃｈｅｉｄｅｍａｎｎ等に発行された米国特許第７，５１１，２７８号明細書に説明されるように、支持要素に配置された複数の導電構造を含むことができ、この米国特許の内容全体および教示は、参照により本明細書に援用される。この構造は、互いに電気的に絶縁され、各構造は、電子読み出し装置に電気的に接続することができる。この構造は、支持要素に対して入射角度を形成する方向において粒子ビームを受信する。溝が、ビーム方向から見て連続する２つの構造のそれぞれの間に配置され、２つの連続した構造のそれぞれの間には、少なくとも部分的な重複が存在する。Ｍ．Ｂｏｎｎｅｒ  Ｄｅｎｔｏｎは、２００９年３月３日にＤｅｎｔｏｎ等に発行された米国特許第７，４９８，５８５号明細書において、質量分析検出に対するそのような構造の実際の実施および有用性を実証し、この米国特許の内容全体および教示は、参照により本明細書に援用される。本明細書において説明されるイオン検出器および電子検出器の大半は、イオンまたは電流を測定するように特に設計されたトランスインピーダンス増幅器に頼っているが、電荷感度増幅器を使用して、イオンおよび電子の検出および測定を実行することも可能である。質量分光計およびイオン移動度分析計に対応する高速電荷感度トランスインピーダンス増幅器は、いくつかの研究グループにより実証されており、簡単な例が、２００８年７月２２日にＧｒｅｓｈａｍ等に発行された米国特許第７，４０３，０６５号明細書に説明されており、この米国特許の内容全体および教示は、参照により本明細書に援用される。
【００６４】
あるいは、ＡＣ励起源の周波数変動として、または静電電位の大きさの変動として、イオントラップの電気特徴を測定することにより、イオンを質量選択的に検出することができる。電気特徴は、（１）ＡＣ励起源から吸収されるＲＦ電力の量、（２）電極構造の電気インピーダンスの変化、および（３）イオン位相がＡＣ励起源に位相ロックされ、振動器がエンドプレートに近づく際にエンドプレートにおいて生じる影像電荷により誘導される電流を含む。本明細書に記載の静電イオントラップは、イオンエネルギーおよび／または注入時刻の厳密な制御を含まず、したがって、同じ質量電荷比のイオンが広範囲の振動周波数および位相を有し得る。その結果、イオンは等時性で振動するわけではなく、高速フーリエ変換デコンボリューションと組み合わせられた、中央プレート（または管）において誘導されたミラー電荷遷移の誘導性ピックアップが、ここでは適用されなかった。しかし、入念に制御されたイオンエネルギーおよび注入時刻を使用する静電イオントラップの場合、自動共振励起を、イオンの振動周波数が、現在利用可能な非自動共振静電イオントラップの大半と同様に、中央プレート（または管）での影像電荷遷移を辿ることにより監視される検出方式と組み合わせることができる。
【００６５】
質量選択的なイオン検出は、トラップ内へのＲＦ電力の放散の変化を監視することにより実行することができる。周波数は固定ＨＶにおいて走査される場合、またはＨＶが固定周波数で走査される場合、異なる質量のイオンは、ＲＦ電場と自動共振するようになり、振動をＲＦ電場振動に位相ロックする。自動共振励起中にイオンが獲得するエネルギーは、ＲＦ電場から抽出され、専用回路を使用して、ＲＦ消費電力のそれらの急激な変化を検出することが可能である。例えば、ＲＦ電力の吸収は、「弱駆動振動器」（ＷＤＯ）を用いて検出し、定量化することができる。ＷＤＯは、例えば、ポールトラップ内でイオン振動を追跡するなどのイオントラップ内のＲＦ電場からのエネルギー吸収を検出するために使用されている。Ａ．Ｋａｊｉｔａ，Ｍ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｓ．Ｏｈｔａｎｉ，Ｈ．Ｔａｗａｒａ，およびＹ．Ｓａｉｔｏ，Ａｎｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｍｉｘｅｄ  Ｉｏｎｓ  ｉｎ  ａｎ  ＲＦ  Ｉｏｎ  Ｔｒａｐ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，５９（４）ｐｐ．１１２７−１１３０（１９９０）を参照のこと。イオントラップの電気特徴の変化を測定することにより、イオンを検出するために使用されるＡＲＴ  ＭＳイオントラップの一実施形態を図１１に示す。前のトラップ設計からの主な違いは、入口／出口プレートおよびカップが互いに電気的に絶縁されたことであった。カップおよびプレートに対して別個の電圧バイアス制御装置を有することが、エンドプレートに対する影像電流の影響をよりよく特徴付けるために必要であると考えられた。このトラップはまず、１００ｋΩ抵抗器を通して入口カップを接地しながら、ＲＦ励振を入口プレートに印加することを特徴とした。水およびアルゴンの放出周波数を、異なる遷移プレート電圧および以下の走査条件：１．２５ＭＨｚ〜３７５ｋＨｚ対数周波数掃引、１２ミリ秒走査時間、５０ｍＶ  ＲＦ  Ｖｐ−ｐで測定した。
【００６６】
放出周波数を、ＳＩＭＩＯＮを使用する同じ２つのイオン（水およびアルゴン）の場合に計算される放出周波数と比較した。表１に編纂されたデータは、ＳＩＭＩＯＮが異なる電圧での放出周波数の非常に正確な測定を提供したことを示し、ａ）ＳＩＭＩＯＮを使用して、放出周波数を数パーセント精度以内で計算することができ、（ｂ）放出周波数が、入口／出口プレートに隣接して配置されたイオンの振動周波数に対応することを示した。周波数走査は、−１０００ＶＤＣ〜−３００ＶＤＣ捕捉電位で得られた。図１２は、−４００ＶＤＣ中央レンズ捕捉電位で得られた代表的なスペクトルを示す。ｘ軸は、デジタルオシロスコープを使用して測定された走査時間であり、ｙ軸は、ＳＲ５７０トランスインピーダンス増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）により提供されるような電子倍増器１７により検出されるｍＶ単位でのイオン電流である。観測されたアルゴンのピーク４３７ｋＨｚは、計算された放出周波数４４８ｋＨｚと同等である。
【００６７】
【表１】
0005918821.tif 000002
【００６８】
次に、図１１に示される同じトラップを、ＥＭＣＯ  ＨＶモジュール、ＣＡ２０Ｎ−５モデル（ＥＭＣＯ，Ｓｕｔｔｅｒ  Ｃｒｅｅｋ，ＣＡ）に基づくＨＶ倍増回路を使用して、ＨＶ走査（すなわち、固定周波数走査）を実行するように再構成した。ＡＣ励起周波数を５４０ｋＨｚに固定しながら、中央レンズのＨＶを約−２００ＶＤＣ〜−８００ＶＤＣで走査した。イオン放出を電圧掃引傾きの両側：自動共振および逆走査で観測した。すなわち、イオンは、電圧が上方に走査されたか、それとも下方に走査されたかに関わりなく放出された。ＲＦ源は、振幅１２０ｍＶｐｐを有する周波数５４０ｋＨｚに設定されたＦＡＷＧ，Ａｇｉｌｅｎｔ  ３３２２０であった。ＲＦのＲＦ注入点を、入口プレートから入口カップに切り替えて（図１１に示されるように）、関数生成器の出力に、フィラメントからの電子電流が入らないようにした。前の周波数走査結果（表１）に基づいて、Ａｒイオンは、励起周波数５４０ｋＨｚの場合に約−６００ＶＤＣの電位で放出されたと予期された。図１３は、電子倍増イオン検出器１７（図１に示される）により検出された水およびアルゴンのピークを含むＨＶ走査スペクトルを示す。アルゴンは、表１から予測されるように、−６００ＶＤＣにおいて放出された。図１２および図１３から、周波数およびＨＶ走査の両方を使用して、このトラップ内の質量スペクトルを生成できることが明らかである。図１３は、ＨＶを振幅が増大する方法、すなわち、自動共振走査で走査したＨＶ掃引の例である。アルゴンは、電圧が大きくなる方向で走査されたか、または小さくなる方向で走査されたかに関わりなく、−６００ＶＤＣで放出された。すなわち、ＨＶ走査は、自動共振放出と逆走査放出のいずれにも使用することができる。
【００６９】
別の実施形態では、図１１のＡＲＴ  ＭＳイオントラップを、図１４に示されるように変更した。ＲＦは、トラップに物理的に接続されながら、周波数４４６ｋＨｚで共振する弱駆動振動器（ＷＤＯ）を通して出口カップ７内に結合された。ＷＤＯは、２９８個のマイクロＨインダクタおよび並列接続された２７０個のｐＦコンデンサ（セラミック）からなるＬＣタンク回路として設計された。タンクと直列の５００ＫΩ抵抗器が、ＷＤＯがＲＦを蓄積エネルギーからトラップに送出するように、関数生成器がＬＣタンクに送出可能な電力量を制限した。ＬＣタンクそれ自体は、共振時にＱ値≒１００を有し、関数生成器が３００ｍＶｐｐに設定されている間、２７ｖＶｒｍｓの信号をトラップに提供した。タンクを、入口カップではなく出口カップに接続することにより、電子ビーム電流の変化がタンクの位相ロック出力に影響することが回避されるため、ＷＤＯ出力を監視しながら、はるかにクリーンな信号が提供された。ＳＲ８４４ロックイン増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）を使用して、ＷＤＯの出力を監視した。ロックイン増幅器のＣｈ１（Ｘ）出力およびＣｈ２（Ｙ）出力は、ＷＤＯ信号の振幅（Ｒ）および位相（θ）を表示するように構成されると共に、デジタルオシロスコープの別個の入力に接続されるように構成される。共振タンクは、ＡＣ信号をトラップに送出し、エネルギーがＲＦ電場から吸収される（すなわち、タンク損失）都度、ＲＦ振幅に検出可能な降下を提供した。ロックイン増幅器は、関数生成器の出力を基準信号として使用して、ＷＤＯ信号の振幅を監視した。この単純な電気回路では、トラップを、図１５のＺｔｒａｐとして示される、ＬＣタンクに並列接続されたインピーダンス負荷として電気的に表すことができた。ＲＦ信号をこの位相に対する感度が高い様式で測定することにより、自動共振励起を検出する２つの代替の方法が提供された：１）ＷＤＯ出力の振幅の降下を測定することにより、トラップからの電力吸収を測定する方法、および２）ＲＦ電力が、電極構造内部に捕捉されたイオンにより吸収される際の、ＲＦ信号のＸ成分およびＹ成分、すなわち、電極構造の電気インピーダンス（図１５に示されるＺｔｒａｐ）の変化を測定する方法。
【００７０】
図１６は、３．５Ｅ−７Ｔｏｒｒでの空気の場合のＲＦ電力吸収スペクトルを示す。線形ＨＶ掃引は、関数生成器の鋸波出力に接続された高電力ＨＶ増幅器（Ｔｒｅｋ  Ｉｎｃ．，型番６２３Ｂ−Ｌ−ＣＥ）を使用して生成した。ＡＣ励起周波数は４４６ｋＨｚであり、走査率は３０Ｈｚであり、ＨＶを−１００ＶＤＣから−６００ＶＤＣまで走査した。上向きのピークを示すトレースは、イオン放出信号、すなわち、電子倍増器１７（図１に示される）により検出された倍増したイオン電流に対応する。予期されたように、窒素に１つ（−２７０ＶＤＣ，２８ａｍｕ）、酸素に１つ（−３１０ＶＤＣ，３２ａｍｕ）、合計で２つの放出ピークがある。このトラップ設計で使用した電子倍増器１７が、イオンがトラップから放出された厳密な電圧を特定するためにのみ含められたが、電力吸収が、トラップ内の特定の質量電荷比の存在を検出するためにのみ必要とされる（すなわち、この検出方法では電子倍増器は必要ない）ことが後述されることに留意する。下のトレースは、ＨＶが走査された際のＷＤＯのＲＦ出力の振幅Ｒに対応する。予期されたように、ＲＦ振幅は、自動共振が開始する際に降下する（ＨＶ＝−２００ＶＤＣにおいて）。振幅は、イオンがエネルギーを獲得し、非調和静電イオントラップでの自動共振励起の特徴である「エネルギー集群（ｅｎｅｒｇｙ  ｂｕｎｃｈｉｎｇ）」プロセスにおいて、より高いエネルギーのイオンが加わるにつれて、低減し続ける。ＲＦ強度の低減は、イオンがトラップを出始め、ＲＦ吸収を行うことがもはやできなくなるとすぐに、終了する。窒素イオンの放出は、約−２７０ＶＤＣにおいて行われ（ＳＩＭＩＯＮモデル計算に従って）、予期されたように、位相ロックされたイオンがトラップを出るとすぐに、または出口プレートの壁に吸収されるとすぐに、最高強度に戻る。Ｎ２イオンおよびＯ２イオンに予期されるように、２つのイオン放出ピークがあると共に、２つのＲＦ吸収遷移もある。ＲＦ吸収が、イオン放出電圧よりもはるかに低いＨＶ振幅において開始されることは、電位の非調和性の現れであり、ＨＶの増大につれての強度の降下が非常に漸進的であることは、現在の自動共振励起理論に従って、エネルギー集群プロセスが実施されることの裏付けである。イオン放出ピークが現れる際にＲＦ吸収が急激に終わることは、イオンがトラップから効率的に放出され、かつ／または入口プレートおよび出口プレートの壁に吸収されたことを示す。ＲＦ電力吸収は、１０−４Ｔｏｒｒという高い圧力でイオンを検出するために適用され、ＡＲＴ  ＭＳ用途の圧力範囲を効率的に増大させた。ＲＦ電力吸収は、イオン放出が電子倍増器により観測されないように、トラップの条件が調整される場合であっても、なお検出可能である。すなわち、ＲＦ振幅値が放出閾値未満に調整された場合、またはイオンがトラップをもはや出られなくなるポイントまで、出口プレートの電圧が上げられた場合であっても、ＲＦ電力吸収は観測された。電力吸収測定は、トラップ外へのイオン漏れの影響を受けないため、軸上イオン化はこの検出方式に完璧に適合する。ＲＦ電力吸収検出を使用して、衝突誘導による断片化の励起前に、特定の種の存在を確認することの考案が可能である。
【００７１】
図１６のＲＦ電力吸収は、−２００ＶＤＣにおいて検出可能になるため、ＳＩＭＩＯＮを使用して、イオンがＲＦ電場に位相ロックする際に、最初に検出可能な吸収信号を生成するイオンのエネルギーを計算した。ＳＩＭＩＯＮを使用して計算したように、−２００ＶＤＣ捕捉電位の場合、−１８Ｖ等電位での窒素イオンは、固有振動周波数４４０ｋＨｚで振動し、この検出方式で検出可能なＲＦ吸収レベルを提供する最初のイオンである（図１７参照）。わずか７０ｅＶ電子の使用が、≒−２０ＶＤＣ等電位で開始するイオンの有意な（すなわち、検出可能な）ＲＦ吸収信号を生成するように見える。より低い電位エネルギーのイオンは、より低濃度で存在し（すなわち、トラップ内部をさらに貫通する電子の効率のより低いイオン化により）、自動共振位相ロックが行われる際に、ＲＦ信号に有意の低減を生成しない。図１８は、トラップ内部のイオンおよび電子のエネルギー特性を示す。電子は、運動エネルギー（ＫＥ）７０ｅＶでトラップに入り、−７０ＶＤＣの等電位でＵターンし、Ｕターンする箇所での運動エネルギーはゼロである。窒素をイオン化するために、電子のＫＥは少なくとも１５ｅＶである必要があるため、有意なイオン濃度は−５５ＶＤＣの等電位を超えない（すなわち、この等電位の右側に）予期される。すなわち、イオン化ボリュームは、入口プレート格子で開始され、−５５ＶＤＣ等電位で終了する。０ＶＤＣおよび−５５ＶＤＣ等電位内で、電子は、運動エネルギー７０ｅＶ〜１５ｅＶを有し、これはすべて、窒素のイオン化閾値を上回る。しかし、閾値を超えるイオン化効率は、電子エネルギーに対応し、電子衝突イオン化により形成されるイオンの濃度は、入口プレート格子から離れ、トラップ内に移動する（すなわち、図１８において右側に移動する）につれて低減するものと予期される。この実験セットアップを使用してＲＦ振幅の検出可能な降下を提供する位相ロックされたイオンの臨界濃度を得るために、少なくとも５０ｅＶの運動エネルギーを有する電子が、このトラップ内に必要とされる。
【００７２】
図１９に示されるように、ＲＦ吸収帯の幅は、電子エネルギーに対応する。トラップに入る電子のエネルギーが低減するにつれて、イオン化ボリュームも低減し、ＲＦ電力を吸収できるイオンのエネルギー範囲は低減し、図１９に示されるように、電子エネルギーが７０ｅＶから５０ｅＶに低減するにつれて、振幅降下の傾きを急傾斜にする。この得ロット内の３つの曲線は、ＨＶ範囲の差を強調するために、振幅を正規化した。電子エネルギーの変化は、放出電圧に対して影響を及ぼさないが、ＲＦ吸収が行われる電圧範囲に対して実質的な影響を及ぼす。電子エネルギーが増大し、トラップ内のイオン化ボリュームが増大するにつれて、ＲＦ吸収を検出可能なＨＶの範囲も増大する。図１９に示されるように、ＲＦ吸収の開始は、７０ｅＶ電子の場合の約−２５０ＶＤＣから、５０ｅＶ電子の場合の−３００ＶＤＣに変化するように見える。ＲＦ吸収が観測されたＨＶの範囲の同様の低減も、ガス圧が増大するにつれて発生した。イオンが排出されないポイントまで、出口プレートに対する電圧を増大させることは、吸収信号を否定せず、開始閾値に対する影響は最小であった。しかし、イオンが排出されないポイントまで、出口プレートに対する電圧を増大させることは一般に、イオンがトラップから排出できる場合に通常観測される急激な放出遷移の傾きを低減した。イオンがトラップから排出されない場合、放出曲線の傾きはもはや、図１９に見られるような急激なものではない。
【００７３】
ＨＶ走査では、特定の質量電荷比のイオンは、特定の閾値高電圧においてＲＦ電場とロック（位相ロック）し、高電圧振幅が増大するにつれて、さらなるイオン（より高いエネルギーの）が位相ロックのまとまりに加わるため、それらのイオンはエネルギーを獲得し始める。イオンの位相ロックされたまとまりの中のイオンの数は、イオンがエネルギーを増大させるにつれて増大し、これはエネルギー集群として説明される。イオン数の増大は、イオン化エネルギー電圧よりもはるかに低いＨＶ振幅で開始するＲＦ吸収のゆっくりとした上昇として、図１９において容易に見られる。イオンのまとまりが新しいイオンを獲得し、まとまりがエネルギーを上昇させるにつれて、イオンは、より大きな振動振幅でエンドプレート間を前後に振動する。このイベントを視覚化する便利な方法は、２枚のプレート間を前後に振動し、壁に徐々に近づいているイオンのグループの重心について考えることである。自動共振するイオンのまとまりの重心（ＣＭ）が、エンドプレート間で前後に振動し、この双極振動は、エンドプレートに影像電流を誘導させることが予期される。ＨＶが増大するにつれて、双極振動の振幅は増大し、イオンは壁に近づくため、影像電流も、ＨＶが走査されるにつれて増大することが予期される。誘導される影像電流のこの増大は、自動共振励起に起因して、エネルギー集群プロセスを通してさらなるイオンがピックアップされるにつれて、ＣＭ内に蓄積される電荷も増大することによってもさらに増大する。周波数に依存する影像電流は、ＡＲＴ  ＭＳトラップでの質量スペクトル生成に相補的な検出方式を提供することが予期される。影像電流ピックアップは、エンドプレート検出、中央プレート検出、ならびにトラップボリューム内部の補助誘導コイルおよびリングの位置決めさえも含め、様々な方法で達成することができる。誘導ピックアップは、過去において、質量分析計でのイオン検出に使用されてきたが、従来技術による実施では一般に、影像電流スパイク検出に対して必要なコヒーレンス性を提供するために、等時性および等エネルギー性を有するイオンを生成する必要がある。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、イオンをトラップ内部の任意の場所に導入でき、等エネルギー性または等時性の要件がないという利点を有する。高感度の影像電流検出を実現するためには、コヒーレントなＣＭ運動を生成するＲＦ電場のイオン群の位相ロックが必要であった。
【００７４】
ＷＤＯを必要としない、トラップ内のＲＦ電力吸収を検出する簡単な方法は、ＲＦソースプレートに容量的に結合された電極での「ＲＦ  ｒｍｓ振幅」の、周波数に依存する降下を検出することである。トラップ内のＲＦ電力吸収は、トラップ内部のＲＦ電場強度を低減させ、そして、隣接する電極構造に容量的に結合されたＲＦの振幅を低減させる。純粋な電気的観点から、ＲＦ振幅の降下は、ＲＦソースプレートに隣接する電極プレート内へのＲＦ結合量に影響するトラップのインピーダンスの変化として解釈することができる。したがって、図２０に示されるイオントラップの実施形態を使用して、ＨＶが走査される際、エンドプレートでのＲＦ電場振幅または捕捉インピーダンスのわずかな変化を検出することができる。これがトラップのインピーダンスの変化測定に頼る非常に単純な測定の実施であることに留意する。ＦＡＷＧからのＲＦをＷＤＯなしで入口カップに直接印加した。ＦＡＷＧからのＲＦ信号を分割し、ロックインのＲＥＦ入力に接続して、影像電流の位相検波を行った。次に、ロックインの入力を使用して、出口カップおよび出口プレートに誘導された電流を位相検波した。ロックイン増幅器は、結合ＲＦ振幅がＲＦ励起信号に位相ロックされるため、この種の測定に理想的な検出器である。まず、入口カップに印加されたＲＦ電圧を入念に監視して、エネルギーがＦＡＷＧから位相ロックイオンに吸収される際に、振幅の低減が観測されないこと：ＦＡＷＧが電力需要に対応しており、振幅の検出可能な変化が入口プレートにおいて観測されないことを保証した。次に、ロックイン信号入力を出口プレートに接続し、イオンの自動共振励起に対応する周波数で走査しながら、ＲＦ信号の振幅の有意な変更を観測した。出口プレートで観測された振幅変化は、トラップ内部のＲＦ電場強度の低減（すなわち、インピーダンスの変化）に起因する。信号は、検出および測定が比較的容易であり、ＲＦ振幅検出の例を示す図２１に示されるように、ＷＤＯと使用して収集される吸収信号の形状を辿る。ＲＦ周波数は６００ｋＨｚであり、入口カップ内に接続された電圧は１００ｍＶｐｐであった。出口プレートでの公称容量結合ＲＦ振幅は、０．５ｍＶであり、ＲＦ源に対して＋１５度の位相シフトを有した（ガス負荷がない状態で測定される）。信号遷移は３．５×１０−７Ｔｏｒｒレベルの空気を基にしており、Ｎ２信号およびＯ２信号の両方が明らかである。出口プレートでのＲＦ振幅の降下は、容易に検出され、図２１に示される曲線の形状が、例えば、図１９等の上述した電力吸収曲線によく対応する。換言すれば、ＲＦ振幅は、電力がＲＦ電場から吸収される率に関連して降下する。窒素および酸素は両方とも、図２１に示される吸収スペクトルではっきりと見ることができ、イオン放出または電子倍増器なしでのイオン検出を実証する。ここでも、−５００ＶＤＣの急なエッジは、窒素イオンがトラップから放出する電圧に対応する。イオン放出エッジの左側のＲＦ振幅のゆっくりとした低減は、エネルギー集群効果が発揮される際の電荷の漸進的な蓄積に対応する。図２１で実施される簡単な検出方式は、ＲＦ振幅の測定を実行するためにロックイン増幅器に頼るが、近代のＲＭＳ感知方法論��よびチップを使用して、非常に低コストで同一の測定を実行することも可能である。
【００７５】
自動共振が行われる際のトラップ内部のＲＦ電場強度の低減も、トラップが放出閾値に非常に近いＲＦ振幅で動作する場合、興味深い効果をもたらすことができる。例えば、質量ピークに対応するガス分子の濃度が増大し、トラップ内部のＲＦ電力吸収により、ＲＦ電場を放出閾値未満にすると、それらの質量ピークがスペクトルから消失することが観測された。大半の一般的な現れ方では、スペクトルの主ピークは、その種のガス濃度が増大すると、スペクトルから急に消失し、ＲＦ振幅が増大して、ＲＦ電場が再び閾値を上回るようになるとすぐに、ピークが再び現れる。
【００７６】
上述したように、ＡＲＴ  ＭＳトラップは、ガス混合物内に存在する分子の質量を高速で簡単に識別する。ガスを電子でイオン化可能な限り、対応するイオンは、イオンの厳密な質量電荷比順で検出される。分解能がイオンの質量で十分に高い場合、または同様の重量の分子がない場合、イオンの存在は、質量スペクトルの分離したピークにより容易に識別される。実際に、ＡＲＴ  ＭＳ装置は、図２２に示されるように、放出周波数と質量との厳密で決定論的な線形関係により、単一のガス校正のみが必要であるため、四重極質量分析計よりも質量軸校正の点で優れている。ＡＲＴ  ＭＳ装置は、優れたレシオメトリック装置でもある。ガス混合物内に存在する異なる種の相対量、すなわち相対濃度は一般に、スペクトルのピーク振幅の比率により適宜表される。ＡＲＴ  ＭＳ装置は、低質量での小型四重極質量分析計の動作に影響するゼロブラスト（ｚｅｒｏ  ｂｌａｓｔ）がなく、そのため、ＡＲＴ  ＭＳセンサは同位体比質量分析計の優れた候補である。ゼロブラスト信号は、ＲＦ／ＤＣ電場が低すぎて、すべてのイオンが検出器に達することを止められない間、溢れて、低質量において四重極質量分析計のイオン検出器に大きすぎる負荷をかける、質量から独立した信号である。
【００７７】
しかし、ＡＲＴ  ＭＳトラップは、計算が困難であり、振動イオンビーム内に蓄えることができる任意のｍ／ｑのイオンの数に上限を課すイオントラップの空間電荷限界により、混合物中の成分の絶対部分圧に対応するイオンピーク信号振幅を提供しない。図２３は、イオントラップ内で発生する電荷濃度飽和効果の例を示す。手前のトレースは、３．５Ｅ−７Ｔｏｒｒの圧力での空気のスペクトルに対応する。奥のトレースは、同じ空気試料であるが、追加の４Ｅ−７Ｔｏｒｒのアルゴンがガス混合物に追加された場合に得られるスペクトルに対応する。２つのガスは、適正な比率で検出されるが、トラップへのアルゴンイオンの追加により、窒素イオンおよび酸素イオンは、同じ全体レベルでイオン濃度を保つために、捕捉ビームから変位した。この電荷飽和効果の結果、ＡＲＴ  ＭＳの定量的動作では、質量スペクトルにより提供されるレシオメトリック情報を正規化し、絶対部分圧測定値を提供するために、システム内の絶対総圧の知識が必要である。例えば、イオン化ゲージ等の補助圧力ゲージを使用して真空システム内の総圧を独立して測定することの他に、ＡＲＴ  ＭＳトラップを使用して絶対総圧測定値を取得する少なくとも２つの可能な方法がある。
【００７８】
第１の手法は、静電イオントラップ構造の内部または外部に配置され、適宜バイアスされたイオンコレクタ面（収集面）により収集されるイオン電流を測定することである。コレクタ電極（収集電極）の位置およびバイアスに応じて、総圧測定を、部分圧測定と並行して行う場合もあれば、または総圧測定値を収集するために、部分圧測定値の一時的な中断が必要な場合もある。図２４を参照すると、外部イオンコレクタ面７６は、電子放射フィラメント１６を囲むことができ、電子放射フィラメント１６で、トラップに向かって進む途中、電子により形成されるイオン８９が、周囲シールドまたは管で形成されたイオンコレクタ７６により収集され、絶対総圧に対応するイオン電流９０を提供する。あるいは、イオンコレクタ７６は、図２５に示されるように、リング電極またはチューブ電極であり得る。外部イオンコレクタ面７６は、図２６に示されるように、入口プレート１の電子ビーム用の出口スリットに配置されてもよく、この場合、電子コレクタ（電子収集体）７２が使用されて、電子放射電流の測定が提供される。図２７に示される別の実施形態では、イオンコレクタ面７６は、入口カップ電極６の内部に配置し得る。この動作モードでは、入口カップ６および遷移プレート３は、同じ電圧、好ましくは＋１８０ＶＤＣで瞬間的にバイアスされ、イオンコレクタ電極は、好ましくは、接地され（０ＶＤＣ）、それにより、イオンは収集面７６に効率的に捕捉される。図２８に示されるさらに別の実施形態では、ベイアード−アルパートイオン化ゲージをトラップにタンデム接続することができる。この実施形態では、総圧測定はトラップの外部で行われ、イオンの部分が、部分圧解析のためにトラップ内に移る際に瞬間的に中断されるだけである。総圧測定中、イオン化格子９２のバイアス電圧は、入口カップ６と同じ＋１８０ＶＤＣである。接地された１つまたは複数のコレクタ（収集体）７６が、電子衝突イオン化により格子内部に形成されたイオンを捕捉し、システム内のガスの総圧に比例するイオン電流を提供する。陽極格子イオンの部分をトラップボリューム内に注入するために、入口カップの電圧は、約＋１８０ＶＤＣから約＋１７０ＶＤＣに瞬間的に低減して、いくつかの格子イオンをトラップ内に引き込み、次に、再び＋１８０ＶＤＣに上昇して、注入されたイオンを捕捉し、イオン検出器１７を使用して部分圧解析を実行し、ＡＲＴ  ＭＳトラップをパルスモードで動作する。電子放射源１６は、典型的なベイアード−アルパートイオン化ゲージと同様に、電極構造に対して軸外に配置される。この手法の利点は、総圧測定を部分圧（質量）解析と組み合わせて、真空システム内で定量的および定性的の両方の部分圧組成解析を提供可能な高質の総圧ゲージを提供できることである。図２８に示されるようなタンデム構成は、ＡＲＴ  ＭＳ技術で可能な組み合わせゲージセンサ構成の優れた例である。この種の構成は、イオンがトラップボリューム外部で形成され、静電ゲートパルスを使用してトラップ内部に注入される機器セットアップする良好な例でもある。例えば、イオン移動度分析計（ＩＭＳ）から出るイオンをＡＲＴ  ＭＳトラップ内に移すためにも、同様のセットアップを考案することができる。
【００７９】
図１に示される好ましい実施形態では、イオンコレクタ面７６は、トラップボリューム内部で、入口プレート１と入口カップ６との間に配置されるプレートであってもよく、電極構造と軸方向に並んで配置されたアパーチャを含む。総圧測定中、イオンコレクタ面７６は、フィラメント１６のバイアスよりもマイナスの電圧でバイアスされて、フィラメントからあらゆる電子を反発させながら、入口プレート１と入口カップ６との間に形成されるすべてのイオンを引きつけて収集する。
【００８０】
総圧を測定する第２の手法は、ほぼすべてのイオンがトラップから排出され、イオン検出器により収集されて、総圧測定値を生じさせるように、出口プレートを十分に不等にバイアスすることである。イオンコレクタは、図１に示される好ましい実施形態に示されるように、ファラデーカップコレクタとして動作する単純な電極または電子倍増器であり得る。約−１５ＶＤＣの電圧が、図１に示される出口プレート２に印加される場合、図２Ａに示される非調和電位は、図２Ｂにさらに詳細に示されるように、すべてのｍ／ｑ比のすべてのイオンが一緒にトラップから排出され、図１に示されるイオン検出器１７により収集されるように十分に非対称である。実際の用途では、出口プレートに対する電圧を高速で切り替えて、トラップ内部で形成されたすべてのイオンを瞬間的に放出し、部分圧動作の割り込みを最小にして、高速の総圧測定値を提供することが可能である。この動作モードでは、マイクロ秒の時間単位の総圧測定が可能である。そのような高速総圧測定は、高速電位計測定に必要なより高い電流レベル（すなわち、より大きな電位計帯域幅）を提供する電子倍増検出器の使用から恩恵を受ける。一般に、最初に出口プレート電圧を瞬間的に上昇させてから、電圧値を下降させてイオンを放出することが好都合であることが観測されている。出口プレートの電圧を増大させると、イオンクラウドをさらにトラップ内に強制し、通常、出口プレート電圧が下に切り替えられる際に存在する大きなイオン遷移電流スパイクが回避される。大きな電流スパイクは、電子倍増検出器に大きすぎる負荷をかけ、出口プレート電圧が下に切り替えられた後、電位計が安定状態イオン電流測定値になるまでに追加の時間をかけさせる恐れがある。
【００８１】
さらに別の手法では、真空システムに同時に存在する補助ゲージの独立した測定値を使用して、ＡＲＴ  ＭＳのレシオメトリック部分圧値を測定し、絶対部分圧測定値を提供して、補助ゲージから有用な総圧測定値を得ることも可能である。一般的な実施は、アナログ入力ポートをＡＲＴ  ＭＳ電子制御ユニット（ＥＣＵ）に構築し、補助ゲージからのアナログおよびデジタルの出力信号を使用して、確実で正確かつリアルタイムの圧力測定値をＥＣＵのマイクロプロセッサおよびその制御ソフトウェアに提供することである。デジタル入力ポートおよびアナログ入力ポートをＥＣＵに追加して、補助ゲージコントローラのデジタル出力ポートおよびアナログ出力ポートから圧力測定値を取得することができる。柔軟なＩ／Ｏインタフェースが、現在利用可能であり、ＡＲＴ  ＭＳトラップの圧力範囲に適合する商業的な広範囲のゲージ技術とインタフェースするために必要な主要特徴である。イオントラップのフィラメントおよび電子倍増器を保護すると共に、プロセスにおいて、トラップ動作を作動させる適切な時間を決めるために、外部圧力測定も使用し得る。トラップから送られたレシオメトリック部分圧情報が、総圧ゲージコントローラにより使用されて、ガス種に依存する圧力測定値を調整し補正する、外部総圧ゲージと、イオントラップとの相助関係的な対話を考案することも可能である。
【００８２】
ＡＲＴ  ＭＳ技術に基づき、総圧測定設備（内部または外部）を含む部分圧解析器は、総圧測定、レシオメトリック部分圧濃度を実行することが可能であり、適切な計算機能をＥＣＵに内蔵した状態で、絶対部分圧測定を実行することも可能である。レシオメトリック部分圧および絶対総圧情報の組み合わせから絶対部分圧測定値を導出するために必要な計算およびアルゴリズムは、様々なレベルの複雑性および仮定を含み得るが、当分野においてよく理解されている。関わる計算の複雑さのレベルは、すべてのイオン断片（フラグメント）、すべての分子種、およびすべてのイオン化効率、抽出効率、および検出効率が既知であるか否か、かつ／または真空環境内に存在する複数の分子種が考慮されるか否かに依存する。汚染解析、漏れ検出、および真空監視を含め、最も一般的な用途では、質量スペクトルの異なるピークの存在度の単純なレシオメトリック表現で十分であろう。しかし、プロセス指向の用途によっては、プロセス化学を厳密な制御下に保つために、絶対部分圧レベルをリアルタイムで計算する必要があるものがある。
【００８３】
ＡＲＴ  ＭＳトラップに対処する場合に考慮する必要がある第１の要因は、静電トラップ内の電荷容量が限られていること、すなわち、ＡＲＴ  ＭＳトラップ内部に蓄えることができるイオンの数に制限があることである。新しいイオンを、すでに電荷飽和限界であるトラップ内に導入しようとするいかなる試みも、（１）余剰イオンがトラップから放出されて、新しいイオンのために場所を空け、（２）イオン電荷の化学的組成が変化することになる。これは、新しいガス成分をガス混合物に追加しても、トラップ内部の総電荷量は増大せず、むしろ、トラップ内部に蓄えられている種のイオン相対濃度をシフトさせることを意味する。総電荷は同じままであるが、異なる種の電荷比率が、ガス組成の変化を反映するように変化する。ＡＲＴ  ＭＳトラップの化学組成の変化は、非常に高速であり、周囲のガス環境内のガス組成の変化を綿密に辿る。ＡＲＴ  ＭＳトラップの電荷容量限界は、トラップの（１）物理的な特徴（特性）および（２）静電特徴（特性）の複雑な関数である。動作中の正味電荷量は、（１）電子放射電流、（２）総圧、（３）走査率、（４）ＲＦ振幅等を含む複数の要因に動的に依存する。ＡＲＴ  ＭＳトラップに使用される静電トラップでは、最高電荷（すなわち、電荷飽和）は、１Ｅ−７Ｔｏｒｒという低圧で達成される（すなわち、放射電流が１００μＡを上回り、≒４０ｍＶ  ＲＦ  ＶＰＰ、および典型的な８０ミリ秒走査時間と仮定して）。
【００８４】
ガス分子は、それぞれの部分圧に比例してトラップ内部でイオン化されるが、総電荷に対するそれぞれの相対寄与は、それぞれの相対イオン化効率により重み付けされる。例えば、２つのガスの５０／５０混合物の場合、大きなイオン化効率を有するガスは、トラップ内部に相対的により多くの電荷を寄与することになる。すなわち、２つの種のイオン化効率比に比例して寄与することになる。図３３は、２つのガスが真空チャンバ内に存在する例を示す。ガスＡは部分圧ＰＰＡで存在し、ガスＢは部分圧ＰＰＢで存在する。２つの部分圧を一緒に合算すると、システム内の実際の総圧になり、総圧は、以下において分かるように、イオン化ゲージから報告される総圧測定値とは異なる。この例では、ガスＢは、ＡよりもＸＡＢ倍大きなイオン化効率を有すると仮定される。簡単にするために、各ガスが断片化なしでイオン化される（すなわち、スペクトルに親分子による主ピークのみがある）ものと仮定する。電荷限界において、両ガスの電荷の比率は、
ＱＢ／ＱＡ＝（ＰＰＢ／ＰＰＡ）×ＸＡＢ
である。
【００８５】
電荷限界において、トラップ内部の総電荷ＱＴが定数であり、
ＱＴ＝ＱＡ＋ＱＢ
に等しいことにも留意する。
【００８６】
同様にして、イオンゲージを使用して測定される同じガス混合物のイオン電流も、図３４に示されるように、両ガスの相対イオン化効率により重み付けされる。
【００８７】
イオン化ゲージにより報告される総圧は、
ＰＴ＝ＰＰＡ＋ＸＡＢ×ＰＰＢ
である。
【００８８】
これがシステムの実際の総圧（ＰＰＡ＋ＰＰＢ）ではなく、むしろ、イオン化ゲージにより報告され、２つのガスのイオン化効率により重み付けされた総圧であることに留意する。
【００８９】
両ガスで同じであると仮定された共通の感度係数αが上記計算で使用されることにも留意する：ＸＡＢは、２つのガスのイオン化効率に対するゲージの感度係数への依存度を調整する補正係数として働く。イオン化ゲージの陽極格子内部で形成されるイオンは、通常、質量から独立した同じ効率で一般に収集されるが、それぞれのイオン化効率に比例する異なる率でイオン化されるため、これは非常に妥当な仮定である。
【００９０】
走査中にトラップから放出された質量依存性の電荷は、ガス種毎にトラップ内に蓄えられた電荷量に比例するものと予期される。各質量の放出電荷量は、図３５に示されるように、質量に依存するイオン電流を積分することにより計算することができる。この第１の例では、ガスＡおよびＢが単一のピークを生じさせ（すなわち、断片化がなく）、それらの２つのピークにスペクトルの重複がない非常に単純な事例を仮定することに留意する。しかし、断片化パターンパッケージ全体が種毎の計算に考慮される場合、同じ議論を拡張することができる。
【００９１】
トラップ内に蓄えられている種ＡおよびＢの電荷量は、トラップから放出された種ＡおよびＢの電荷に比例する。放出された電荷は、種ＡおよびＢに対応する質量ピークの時間にわたるイオン電流の計算される積分である。この例では、ｑＡおよびｑＢは、ガスＡおよびＢに対応するスペクトルの質量ピークの部分としての放出電荷である。
【００９２】
本例でのガスＡおよびＢの絶対部分圧を測定するために、使用者は、
１．総圧：ＰＴ、
２．ＡおよびＢの放出電荷：ｑＡおよびｑＢ
を測定しなければならない。
【００９３】
ピーク電荷の計算は、ピーク識別、ピーク積分、およびガス割り当てを必要とする。
【００９４】
次に、部分圧の実際の計算に必要なのは、単純な乗算であるため、部分圧の実際の計算は非常に単純である。
ＰＴ×（ｑＡ／（ｑＴ））＝ＰＰＡ
ＰＴ×（ｑＢ／（ｑＴ））＝ＸＡＢ×ＰＰＢ
【００９５】
この非常に単純な計算は、イオン化ゲージ電流のガス依存成分への分解を提供する。成分が識別され（すなわち、ガスフィッティングを通して）、相対イオン化効率が適用されると、イオン化ゲージにより提供される総圧測定値に対するイオン化効率の影響をなくすことが可能である。換言すれば、ＡおよびＢが識別され、イオン電流へのそれぞれの寄与が識別されると、実際の部分圧ＰＰＡおよびＰＰＢを計算し表示することができる。次に、「補正された」部分圧を合算して、種から独立した総圧測定値を提供する。ＡＲＴ  ＭＳ質量分析計センサと総圧イオン化ゲージとの組み合わせは、センサの非常に相助的な組み合わせを提供し、最終的に、絶対部分圧を計算し、種から独立した総圧をリアルタイムで報告することが可能になる。
【００９６】
ガスＡの数学的導出を図３６に示し、上述したように、イオン電流が相対電荷と結合される際に、相対イオン化効率の影響は相殺される。
【００９７】
複数のガスを有するより複雑なガス混合物の場合、計算は同じままである。各種の質量ピークが検出され、混合物中に存在する異なるガスに関連付けられる。各ガスからの電荷寄与は、質量ピークのデコンボリューションおよびイオン電流の積分から得られる。すべてのガスからの電荷寄与が特定されると、イオン化ゲージにより報告される総圧を各ガス種の電荷寄与（すなわち、％寄与）を掛けることにより、各成分の部分圧が計算される。
【００９８】
上記計算には、いくつかの暗黙的な仮定がある。
【００９９】
１．トラップは電荷限界（電荷制限）であるか、略電荷限界であるか、または電荷限界を超えて動作するものと仮定される。これは、小型サイズのＡＲＴ  ＭＳトラップ内の飽和が、ＡＲＴ  ＭＳセンサで１Ｅ−７Ｔｏｒｒという低圧では表面化することを考慮している、大きな仮定というわけではない。１Ｅ−７Ｔｏｒｒを超えて動作するＡＲＴ  ＭＳセンサから放出される電荷の積分は、ガス組成から独立しているように見える。電荷飽和の開始も、捕捉電位、走査率、および放射電流等のパラメータを変更することにより調整することができる。さらに、上記計算は、電荷限界で動作するトラップに厳密には依存せず、実際には、これがそのような限界未満でも機能するものと予期される。
【０１００】
２．電荷放出効率は、入念に選択された周波数走査プロファイル下では強力な質量関数ではない。この仮定は、集中的な実験を通して厳密に証明されていないが、本発明による絶対部分圧計算の正確性により実証されているように思える。イオン検出の効率は、ＲＦ振幅および選択される走査プロファイルに高度に依存する。イオン放出効率に対する強い質量依存性が、線形掃引および対数掃引の場合に観測されている。しかし、１／ｆ周波数掃引プロファイルを使用して動作するＡＲＴ  ＭＳトラップは、質量に対する依存度がはるかに低い放出効率を提供するように思える。仮に質量依存性が放出効率に観測された場合であっても、その依存性は、容易に計算できる質量依存度調整係数として計算に含めることができる。トラップから放出される各ガス種のイオン数は、トラップ内部に蓄えられる種のイオン数に比例する。すなわち、トラップから放出されるイオンの電荷比率が、トラップ内部のイオン電荷の比率を密接に反映するものと予期される。走査が進むにつれて、各ＲＦ掃引後、蓄えられているイオンの部分が、質量選択的に放出される。連続イオン化が使用される場合、トラップに新しいイオンが常時取り入れられるため、残りの質量走査中、トラップは補充される。この仮定が実験を通して厳密には実証されない場合であっても、絶対部分圧測定結果の正確性がこの仮定をサポートする。
【０１０１】
３．上に提示した例は、親イオンの断片化が行われず、ピーク重複も観測されない単純な質量スペクトルに基づいた。現実には、複雑な分子には、断片化が一般に存在する。その場合、各種に対応するすべての断片からの寄与を追加することにより、電荷を計上する必要がある。これは、スペクトル重複が存在しない場合には非常に容易に行われるが、スペクトルのスペクトルデコンボリューションが必要な場合にはより複雑になる。ガス種からの総電荷への寄与を、親分子イオンの寄与に、すべての断片からの電荷寄与を加算したものに基づいて特定する必要がある。例えば、窒素は、質量２８ａｍｕおよび１４ａｍｕでイオン電荷に寄与し、トラップ内部に蓄えられている総電荷に対する窒素ガスの総寄与を特定するには、両質量を考慮しなければならない。ガス混合物内の成分の絶対部分圧を計算するには、イオントラップに蓄えられている電荷に対してその成分が寄与する総電荷を計上する必要があり、それには、すべての断片からの寄与を考慮する必要がある。
【０１０２】
４．倍増器の利得の質量依存性も、このモデルで同様に考慮する必要がある。しかし、最も単純な形成では、増幅の質量依存性は考慮されない。
【０１０３】
５．イオン化ゲージの収集効率は、質量に関係なくすべてのイオンで同じである。その他のガスのイオン化ゲージの感度係数の調整に必要な補正係数は、異なるガスのイオン化効率の比率に厳密に関連する。
【０１０４】
６．トラップ内部に蓄えられるすべての種は、各走査中に掃引される。換言すれば、ｑＴがＱＴの適切な表現であるには、トラップ内部に蓄えられる種の質量範囲全体の走査が必要である。
【０１０５】
トラップ内に蓄えられる各ガスに対応する電荷量を特定するには、トラップから放出される各ガス種の電荷量を測定する必要がある。ガス分子が断片化なしでイオン化する場合、総電荷への寄与は、各走査時間にわたり質量ピークのみの電荷を積分することで、容易に計算することができる。イオンは質量選択的に放出され、放出されたイオン電流は時間との関係で収集されるため、総電荷へのピークの寄与を計算するために、ピークと時間との関係下で電流を積分する必要がある。これは、総電荷への各ピークの寄与を特定するために、スペクトルで検出される各ピークの走査中に生成されるイオン電流を積分する必要があることも意味する。質量が高いほど、ピークが広く、電荷がピークの広域に分布するため、ピークの振幅が、各ピークの相対電荷の適切な表現ではないことに留意する。電子衝突中の親イオンの断片化も、さらなる複雑性を生じさせる。ガスが断片化を伴ってイオン化する場合、すべての断片ピークの面積を識別し、積分する必要がある。スペクトルの重複が、異なるガス種間に存在する場合にも、スペクトルデコンボリューション技法を使用して、重複する質量ピークへの各ガスの寄与をデコンボリューションする必要がある。
【０１０６】
トラップ内部の総電荷への各ガスの寄与が計算されると、各ガス成分からの絶対部分圧寄与を、総電荷への各ガス種の相対寄与を総圧と乗算することにより、計算することができる。イオン化効率が、イオン化ゲージ内のイオン電流およびイオントラップ内に蓄えられている電荷の両方への各ガス種の寄与を重み付けるため、イオン化効率の影響は、このプロセスにおいて相殺される。これは、四重極質量分析計にはないＡＲＴ  ＭＳトラップの利点である。イオン化ゲージ電流測定値とＡＲＴ  ＭＳ電荷積分との組み合わせにより、絶対部分圧の計算からガス依存性をなくすことが可能になる。
【０１０７】
正確な絶対部分圧の計算を実行するためには、以下のステップを辿らなければならない。
【０１０８】
１．質量スペクトルを収集し、メモリに記憶する。これは、データの速度要件およびダイナミックレンジ要件に応じて、単一のスペクトルであってもよく、または平均スペクトルであってもよい。
【０１０９】
２．ピーク発見アルゴリズムを実行して、スペクトルのすべての質量ピークを識別する。ピークの識別は、文献で十分に裏付けされている多種多様なピーク発見アルゴリズムおよび方法論を通して実行することができる。ピークを検出しタグ付けする厳密な方法は、本方法論にとって重要ではない。
【０１１０】
３．ピークの重複が、高質量で存在する場合、ピークデコンボリューションアルゴリズムを適用して、広いピークを個々の成分に分割しなければならない。例えば、小型トラップが、約１３０ａｍｕでキセノンガスに分解されない同位体エンベロープを提供することは珍しいことではない。その場合、ピークデコンボリューションアルゴリズムを使用して、装置の既知の分解能に基づいて、分解されない同位体エンベロープピークを個々の完全な質量成分に分割することができる。ピークデコンボリューションアルゴリズムは、質量分析者には周知であり、多くの市販されている質量分析解析パッケージの一部である。
【０１１１】
４．図３５に示されるように、識別されたピークの下の面積を時間で積分して、総電荷への寄与を特定する。イオン電流の積分は、その特定の質量でイオントラップから放出される電荷の測定値を提供するために、時間にわたって行わなければならない。
【０１１２】
５．識別されたすべてのピークおよび総電荷への寄与は、次に、ガス識別エンジンに供給され、ガス識別エンジンは、スペクトルのピークを個々のガスに割り当て、複雑な断片パターンおよびスペクトル重複等の問題を解決する。スペクトル識別は、真空システム内で一般に見られるガスの質量ならびに親分子および断片の存在度を含む正確なガススペクトルライブラリに頼る。大半の商業的なライブラリでは、使用者が関心を有し得るより希なガスを含むように、使用者が編集を行うこともできる。質量ピークをスペクトルライブラリに照会することは、質量分析業界で周知の様々な数学的統計手順を通して実行することができる。
【０１１３】
６．次に、識別されたガスおよび総電荷への個々の相対寄与を使用して、部分圧を計算する。
【０１１４】
７．電荷寄与がパーセント単位で、識別された各ガス種に特定されると、単純な上記例に示されるように、それらのパーセントを総圧データで乗算して、総圧への各ガスからの部分圧寄与をもたらす。
【０１１５】
８．イオン化ゲージからの総圧測定値への各ガスからの寄与が特定されると、識別されたガスに関連付けられたイオン化効率係数を使用して、部分圧測定値のガス依存性をなくし、ガス種から独立した部分圧測定値を提供する。
【０１１６】
明らかに、ピーク識別、ピークデコンボリューション、スペクトルデコンボリューション、およびガス識別を実行する多くの異なる方法がある。しかし、本願は、いかなる特定の手順も支持せず、または好まない。ピークを識別し、高質量でのピーク重複を分解し、総電荷への寄与を計算し、ガスを識別し、総電荷への寄与を特定するプロセスは、実施の詳細が本願にとってそれほど重要ではないことを知らしめるために、非常に一般的に説明された。
【０１１７】
この一般的な方法論の利点の１つは、ガス校正物質を利用できない場合であっても、正確な絶対部分圧測定値を提供できることである。これは、四重極フィルタの予測不能の質量依存性スループットにより、ガス参照シリンダを使用せずには部分圧が計算不可能になる四重極質量分析計との大きな違いである。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、校正物質を利用できない場合であっても、質量範囲にわたる質量放出効率の均一性およびトラップ電荷がイオン化ゲージのイオン電流出力と組み合わせられた際のイオン化効率の影響の相殺のおかげで、正確な部分圧数値を提供することができる。
【０１１８】
ピーク識別アルゴリズムの厳密な詳細は、本願にとって重要ではない。例としては、ガウス近似およびウェーブレット解析が挙げられる。ピーク発見アルゴリズムの複雑さおよび洗練度は、アルゴリズムの実施に利用可能なハードウェアおよび新しいスペクトルが利用可能になる前に解析の完了に利用可能な時間量に依存することになる。本方法論の主要件は、ピークの大半が適宜識別され、正確な電荷寄与計算をガス毎に実行できるように、スペクトルの重複が分解されることである。
【０１１９】
電荷の計算に必要とされるピーク積分アルゴリズムの厳密な詳細は、本願にとって重要ではない。単純な実施では、ピークの面積が、ピークの振幅を時間でのＦＷＨＭ（半値全幅）で乗算することにより、計算される。より高度な計算では、識別され完全に分解されたピークに関数形式（すなわち、ガウスまたはローレンツ等）を近似し、面積は数学的計算される。ガウス近似は、共通ピークに埋もれた複数のピークをデコンボリューションするために使用できるというさらなる利点を提供する。スペクトルの重複は、ピークのＦＷＨＭが増大するため、高質量で増大するものと予期される。例えば、大半の小型ＡＲＴ  ＭＳトラップは、１００ａｍｕよりも下に１ａｍｕ離れたピークの完全な分解に問題がないが、ピークの重複が１００ａｍｕを超えるほど深刻になり、同位体エンベロープを分解し、質量が非常に近い種の重複を分割するために、ピークデコンボリューションが必要とされる。その場合、ピークデコンボリューション技法を適用して、スペクトルを近似し、総電荷への各同位体またはガスの寄与を推定することができる。一般に、ピークの幅が、分解する必要があるスペクトル重複があり得る第１の指標を提供する。
【０１２０】
この基本的な方法論は、ガス混合物の解析に適用されている。一般に、複雑なガス混合物の部分圧組成の非常に正確な表現が、ガス校正標準がない場合であっても可能であった。図３７は、２つの独立したガス源を使用して、ガスをシステムに漏出させたシステムの例を示す。
【０１２１】
図３７は、絶対部分圧の計算の点での四重極に基づく残留ガス解析器に対するＡＲＴ  ＭＳトラップの利点のうちのいくつかを実証する。図３７は、上述した方法論の正確性も実証する。総圧測定は、ＡＲＴ  ＭＳトラップコントローラに接続された３９０イオン化ゲージモジュール（Ｇｒａｎｖｉｌｌｅ  Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｌｏｎｇｍｏｎｔ，ＣＯ）を使用して実行した。ファラデーカップ（ＦＣ）動作モード（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＳＲＳ），Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）で２００ａｍｕ範囲四重極残留ガス解析器（ＲＧＡ）を使用して、ＲＧＡデータを得た。グラフの左側から開始し、システムを基準圧５Ｅ−８Ｔｏｒｒまでポンピングにより低減し、２８ａｍｕでのピークの部分圧を、ＳＲＳ  ＲＧＡ（ピーク強度２８ａｍｕ）およびＡＲＴ  ＭＳ装置（２８ａｍｕピークからの総圧への寄与）の両方を使用して計算した。この場合、２８ａｍｕでの信号の大半がＣＯによるものであるが、ＳＲＳ  ＲＧＡおよびＡＲＴ  ＭＳセンサは両方とも、２８ａｍｕでの質量ピークに妥当な種の非常に類似した部分圧結果を提供した。右側に移動して、システムを純粋な窒素ガス源に曝した。ＳＲＳ  ＲＧＡおよびＡＲＴ  ＭＳセンサーは、明らかに窒素ガスにより支配された２．６Ｅ−７Ｔｏｒｒの総圧下でＮ２に対して同様の部分圧値を提供した。さらに右側に移動して、システムを、ＫｒおよびＸｅの両方を含む第２のガス源に曝した。さらに２つのガスを混合物に追加することにより、チャンバ内の総圧が約３．２Ｅ−７Ｔｏｒｒまで増大した。ＡＲＴ  ＭＳセンサは、予期通り、窒素レベルに変更を示さなかったが、ＳＲＳ  ＲＧＡは、新しいイオンが窒素イオンのいくつかをイオン化装置から変位したため、２８ａｍｕにおいて窒素信号の小さな下向きの傾斜を示した。ＡＲＴ  ＭＳ装置により報告されたクリプトンおよびキセノンのレベルは、真空システム内の実際の部分圧に非常に近かったが、ＳＲＳ  ＲＧＡは完全に、１０ものレベルを過小評価した。さらに右側に移動して、窒素ガス源を遮断した。予期通り、ＫｒおよびＸｅのレベルには、非常に小さな変化が観測された。ＳＲＳ  ＲＧＡおよびＡＲＴ  ＭＳセンサは両方とも、不活性ガスレベルに小さな低減を示し、ＳＲＳ四重極ＲＧＡは、より重いガスを１０も過小報告し続けた。
【０１２２】
上記結果は、広範囲の質量にわたって分布する種の絶対部分圧レベルを適宜報告するＡＲＴ  ＭＳゲージの機能を実証している。ＡＲＴ  ＭＳセンサからのデータと、イオン化ゲージからのデータとを組み合わせることにより、イオン化ゲージからの未処理の総圧測定値を、異なるガス成分からの寄与に分解することが可能である。スループットが質量の増大に伴って低減するため、四重極ＲＧＡが一貫してかつ劇的に、重いガスを過小表示することも実証される。この特定の場合、使用者がＳＲＳ  ＲＧＡを使用してＫｒおよびＸｅの適切な部分圧力値を得る唯一の方法は、校正ガス基準を用いて、ガス補正係数を通して部分圧測定値を調整することである。図３７は、ＬａｂＶＩＥＷプログラミング環境下で開発されたカスタムソフトウェアを使用して得られ、そのプログラミング環境に内蔵されたピーク発見、関数当てはめ、および積分関数のうちの多くを使用した。
【０１２３】
イオントラップには、制御パラメータを記憶した不揮発性メモリを設けることができる。不揮発性メモリは、（１）ＥＣＵ（例えば、コネクタフランジの空気側に取り付けられたメモリチップ）とは別個のセンサヘッド（すなわち、電極構造）に関連付けてもよく、（２）センサヘッドに一体化されるか、またはリモートにＥＣＵの基盤の一部であってもよく、（３）別個に設けられる着脱可能なフラッシュカードもしくはチップであってもよく、または（４）上記のすべての組み合わせであってもよい。ＥＣＵは、センサヘッドと一体であってもよく、またはセンサヘッドからリモートであり、例えば、ケーブルもしくはワイヤレスに動作可能に接続されてもよい。制御パラメータは、構成パラメータ、校正パラメータ、および感度計数を含み得る。構成パラメータは、イオンが閉じ込められた電極構造に印加され、静電電位を生成する静電電位の大きさ、ＡＣ励起源の振幅設定および周波数設定、ならびにイオン化源の電子放射電流でさえも含み得る。校正パラメータは、イオントラップ電子装置の電圧および電流の入出力に関し、感度係数は、イオンの固有振動周波数からイオン質量電荷比（ｍ／ｑ）への変換を含む。構成パラメータは、動作中、トラップを適宜構成するために使用される。例えば、選択された質量範囲に応じて、（１）トラップを工場で選択された静電電位を使用してバイアスする必要がある、（２）電子放射電流を流し、適切なレベルに維持する必要がある、（３）使用者により選択された走査条件に基づいて、ＲＦ走査パラメータを調整する必要がある、および（４）ＲＦ掃引に適切な関数形式および走査時間を選択する必要がある。ＡＲＴ  ＭＳの構成パラメータは、質量スペクトルの生成に必要なバイアス電圧および周波数を含む。校正パラメータは、（１）正確な電圧がデジタル／アナログ変換器により出力されることを保証し、（２）正確な電圧測定値がすべてのアナログ／デジタル変換器により送出されることを保証し、（３）正確な電流測定値がすべての内蔵電位計を使用して生成されることを保証し、（４）質量スペクトルの生成中、適切なＲＦ走査（周波数、振幅、プロファイル、および時間）が直接デジタル周波数合成器により送出されることを保証し、かつ（５）適切な電子放射電流が測定中に確立されることを保証するために必要である。校正パラメータは一般に、ＥＣＵの電子装置に固有であると考慮される。感度係数は、コントローラの校正された電圧、電流、および周波数の測定値を（１）質量電荷比、（２）総圧、および（３）部分圧に変換するために必要である。感度係数は、センサに固有であり、トラップの幾何学的形状ならびに構成の選択により影響を受ける。
【０１２４】
質量スペクトル走査のセットアップでは、以下の構成パラメータが必要である：
１．電子放射電流、ｍＡ、
２．電子エネルギー、ｅＶ、
３．入口プレートバイアス、ＶＤＣ（通常、０ＶＤＣ）、
４．圧力プレートバイアス、ＶＤＣ、総圧（通常、−４０ＶＤＣ）測定が実行中であるか、それとも部分圧（通常、入口カップバイアスに等しい）測定が実行中であるかに依存する２つの値、
５．入口カップバイアス、ＶＤＣ（通常、−９０ＶＤＣ）、
６．中央レンズＨＶ、ＶＤＣ（通常、−８５０ＶＤＣ）、
７．出口カップバイアス−通常、入口カップのバイアスと同じ、
８．出口プレートバイアス、ＶＤＣは、圧力、ＲＦ振幅、および走査率に依存し、
９．電子倍増器シールドプレートバイアス、ＶＤＣ（検出器の幾何学的形状および場所に応じて−１３６ＶＤＣ〜＋１３６ＶＤＣ）、
１０．電子倍増器入力電圧、
１１．電子倍増器出力電圧、
１２．電位計の利得、Ａ／Ｖ、
１３．ＲＦ振幅ＶＰＰ、
１４．ＲＦ走査プロファイル、線形、対数、１／ｆｎ、ならびに
１５．ＲＦ走査時間。
【０１２５】
用途に応じて、バイアスをトラップ全体で変動させることが好都合でもあり得る。例えば、電子エミッタに正バイアスを使用して、接地面への電子の損失を回避し、隣接するイオン化装置との干渉を最小にすることが有用であり得る。イオンをイオントラップ内に蓄えることは、第１および第２の対向ミラー電極と、対向ミラー電極間の中央レンズとを含む電極構造内で、イオンが固有振動周波数において軌跡に閉じ込められる非調和静電電位を生成するステップを含む。ＡＲＴ  ＭＳイオントラップのピーク分解能は、少なくとも２つの主要因：トラップの設計およびトラップのサイズに関連する。一般に、分解能は、トラップサイズと共に増大する。図１に示される実施形態は、長さ約２インチ（５．０８ｃｍ）、直径約１インチ（２．５４ｃｍ）のトラップ内で約１００Ｘという典型的な分解能で動作する（ピーク高さを半値全幅で除算したものとして測定される）。同様であるが、直径約０．６インチ（１．５２ｃｍ）、長さ１インチ（２．５４ｃｍ）というより小型のトラップは、約６０Ｘの分解能を実証した。長さ約３インチ（４．６２ｃｍ）のより大型のトラップは、約１８０Ｘの分解能を実証した。一般に、小さなトラップほど、高速の走査率が可能でもあった。上述した自動共振の原理は、上記イオントラップにも同様に当てはまる。
【０１２６】
分機能は、図１の入口プレート１および出口プレート２のそれぞれを含むトラップ設計において改良することもできる。図１１に示されるように、入口カップ６および出口カップ７のそれぞれのみを含む単純なカップ設計が、プレート１および２を含むトラップよりも低い分解能力を一貫して示した。ＡＲＴ  ＭＳトラップの分解能は、振動運動の振幅が出口格子に達した際に、半径方向に拡散したイオン群によりサンプリングされる捕捉電位ウェルの均一性によって決まると考えられる。入口／出口プレートを含むトラップでは、プレートとカップとの間の静電等電位線は、より平坦であり（すなわち、電位は半径方向位置から独立しており）、エンドプレートの近傍で振動するすべてのイオンは、初期半径方向位置から独立して、軸方向振動中、同様の電位ウェルを経験する。プレートのないトラップでは、イオンはカップ内部で形成され、異なる半径方向位置で振動するイオンが経験する電位ウェルの形状の大きな差が観測される。電位ウェル形状の広がりにより、異なる半径方向位置から生じるイオンの固有振動周波数が異なるようになり、単一の質量のイオンの放出周波数が広がり、そして当然ながら、より低い分解能の質量スペクトルをもたらす。ＳＩＭＩＯＮの計算は、ＡＲＴ  ＭＳトラップでのプレートおよびカップの寸法および幾何学的形状を最適化するため、ならびに効率的なイオン捕捉および適切なスペクトル分解能に繋がる適切なバイアス条件を定義するために、成功裏に使用されている。図１の単純なプレート／カップ設計は、トラップ内の等電位線を操作し、トラップの半径方向寸法にわたって均一の静電電位を提供するために利用可能な多くの設計選択肢のうちの単なる１つである。図１は、単に、低コストの製造ならびに軸外イオン化および総圧測定への適合という利点をなお保ちながら、単一のカップ設計に対する実質的な分解能の向上を提供するため、現在、好ましい実施形態と考えられている。
【０１２７】
イオンを固有振動周波数において軌跡に閉じ込める非調和静電電位を生成することは、電極構造のバイアス電圧を設定することを含む。入口および出口という２つのカップは、好ましくは、すべての電流ＡＲＴ  ＭＳトラップ実施において同一の電圧にバイアスされるが、出口カップを、入口カップに相対して調整可能な負のオフセットに設定することもできる。
【０１２８】
２つのカップ（入口および出口）は、好ましくは、高電圧（ＨＶ）コンデンサにより遷移プレートにＡＣ結合される。コンデンサを使用して、遷移からのＲＦをカップに結合することは、実験を通して、最小量のＲＦ  ＶＰＰおよび優調和からの最小量の質量ピーク寄与で、最高の信号を提供する値を見つけることにより、最適化することができる。図１に示されるトラップは、遷移プレートと隣接するカップとの間に結合コンデンサを有さずに動作したが、性能は、好ましい実施形態ほど効率的ではなかった。
【０１２９】
カップの電圧は、最大信号およびスペクトルの分解能を保証するように、調整される。カップの電圧は、通常、遷移プレート電圧の一定の部分である。実際には、通常、遷移プレート電圧が新しい値に変更される場合、遷移プレート電圧とカップ電圧とを一定の比率で維持することが望ましい。遷移プレート電圧とカップ電圧とを一定の比率に保つことは、広い電圧範囲にわたってＨＶ走査を実行する間に、間違いなく必要とされる。好ましい実施形態では、カップ電圧は、通常、遷移バイアス電圧の約１／１０である（入口プレートが接地であると仮定して）。カップの適切な電圧は一般に、安定したイオン軌跡および大きくかつ安定した信号を保証するように調整される。一般に、適切なトラップ動作につながる電圧範囲は狭い。一般に、理想的な電圧は、最大強度が質量スペクトルのすべての信号に対して達成されるまで、カップ電位を調整することにより選択される。カップ電圧は、強度および分解能の両方に影響し、場合によっては、信号が分解能増大の犠牲になり得る。
【０１３０】
入口カップ電圧は、トラップ内部の電子により記述されるアーチ軌跡にも影響し、入口カップ電圧が調整される場合には、電子エネルギーの再調整が必要であり得る。一般に、より高い分解能が必要である場合以外、カップ電圧を、最大信号を提供する電圧以外のいかなる電圧にも調整する理由はない。
【０１３１】
好ましい実施形態は、約−８５０ＶＤＣを遷移プレートに使用し、カップ電圧は、一般に、約−９０ＶＤＣに調整されて、最大信号を提供する。カップ電圧は、−８０ＶＤＣと−１００ＶＤＣのどこかに調整することができ、強度と解像度との関係の点で異なることになる。カップ電圧の変更は、ピークの振幅および分解能に影響するのみならず、放出周波数にも影響する。カップ電圧の変更は、非調和電位曲線の形状を変更させるため、固有振動周波数にも影響するものと予期される。したがって、カップ電圧が変更される都度、遷移バイアス電圧は変更されない場合であても、ＡＲＴ  ＭＳ装置の質量軸を再校正する必要がある。
【０１３２】
通常のセットアップ中、遷移バイアス電圧がまず選択される。好ましい実施形態では、好ましい遷移プレート電圧は−８５０ＶＤＣであり、カップは−８０〜−１１０ＶＤＣで動作した。最高分解能は、一般に、この範囲の−１００ＶＤＣ端で得られる。トラップで使用される実際の電圧は、最適化の結果であるが、一般に、ＳＩＭＩＯＮモデルを使用して正確に予測することができる。ピークの振幅および分解能は、最適化中に追跡される性能指数である。一般に、可能な限りシャープなピークおよび大きな振幅を見つけようとする。質量分析では往々にして当てはまるように、ピーク強度は、ピークが狭くなるほど低減する傾向を有するため、これらの２つの性能指数の間で折衷が常に行われる。カップ電圧が調整される場合、放出周波数が変更するため、校正を調整する必要がある。
【０１３３】
遷移プレートバイアスは、電圧を静電電位ウェルの底部に設定する。イオンの固有振動周波数は、捕捉電位ウェルの深度によって設定される。遷移プレートバイアス電圧のいかなる変更も、イオンの固有振動周波数のシフトを生じさせる。実際に、固定ｍ／ｑ比のイオンの往復時間は、捕捉電位の平方根に関連する。捕捉電位ウェルが浅くなるにつれて、イオンの往復に長い時間がかかるようになり、固有振動周波数は小さくなる。すなわち、スペクトルのピークは、遷移プレート電圧の大きさが低減する（負性が小さくなる）につれて、低い周波数に移動する。遷移プレートバイアス電圧は、一般に、トラップの幾何学的設計に基づいて選択され設定され、周波数走査中、変更されることは希である。−２００ＶＤＣ〜−２０００ＶＤＣの電圧が、ＡＲＴ  ＭＳトラップを首尾良く動作させるために使用され、それらのすべてが有用なスペクトルであることを証明した。図１に示される実施形態に好ましい遷移プレートバイアス電圧は、−８５０ＶＤＣであり、その理由は、−８５０ＶＤＣが、高価なＨＶ絶縁構成要素、ケーブル、およびコネクタを必要とせずに、適正な性能を提供するためである。一般に、遷移プレート電圧は、トラップに入る電子がトラップ内に入り込み過ぎて移動しないように選択され、これは、トラップが、入口／出口カップに加えて入口／出口プレートを含む場合に特に重要である。入口プレートが設計に存在する場合、イオンは、入口プレートと入口カップとの間で形成すべきである。
【０１３４】
捕捉電位ウェルの深度も、イオンを放出するために必要なＲＦ  ＶＰＰの最小値に影響する。ＲＦ  ＶＰＰ「閾値」は、トラップからイオンを放出するために必要な最小ＲＦピークツーピーク振幅である。一般に、ＲＦ  ＶＰＰ閾値の振幅は、電位ウェルが深くなるにつれて、すなわち、イオンをトラップから放出するために、イオンを「より強く蹴る」必要性があるほど、増大する。電位ウェルが浅くなるにつれて、イオンを放出するために必要なＲＦ  ＶＰＰの振幅は小さくなる。電位ウェルが深くなり、イオンの振動周波数が増大するにつれて、イオンがより高速で移動するため、トラップでの走査時間も低減することができる。
【０１３５】
ＡＲＴ  ＭＳイオントラップを動作させることは、励起周波数ｆを有するＡＣ励起源を使用して、イオンの固有振動周波数の好ましくは約２倍の周波数で、閉じ込められたイオンを励起するステップを含むこともでき、ＡＣ励起源は、好ましくは、中央レンズに接続される。ＡＲＴ  ＭＳイオントラップの利点は、非調和静電捕捉電位により生成される自動共振により、閉じ込められたイオンを比較的低い振幅であるＲＦ振幅ＲＦ  ＶＰＰで励起させることが可能なことである。ＡＣ励起源を遷移プレートに結合することの利点は、入口プレートまたは出口プレートへのＲＦ結合と比較して、より対称なＲＦ結合であり、より高い調和成分からのスペクトルへの寄与を最小化することである。上述したように、ＡＣ励起源を遷移プレートに結合することに起因するさらなる驚きは、イオンが、固有振動周波数の２倍でトラップから放出されることである。
【０１３６】
ＡＲＴ  ＭＳトラップの動作中のＡＣ励起を定義する主要パラメータは：
１．周波数範囲：所望の質量範囲により決まる。放出周波数は、イオン質量の平方根に厳密に関連する。好ましい実施形態では、−８５０ＶＤＣ遷移電圧を使用して、水に対応する放出周波数は、約５７０ｋＨｚ〜６００ｋＨｚであり、これは、両エンドプレート間の水イオンの固有振動周波数の２倍である。
２．振幅−ＲＦ  ＶＰＰ。ＲＦ  ＶＰＰの振幅は、イオン放出用の閾値を超える必要性と、優調和を有する放出用の閾値を下回る必要性とのトレードオフにより、重要である。閾値に達すると、質量ピークの振幅はＲＦ  ＶＰＰに伴って増大する。しかし、高いＲＦ  ＶＰＰ値は、ＲＦ  ＶＰＰ閾値の真上で動作する場合と比較して、優調和からより高い寄与を有すると共に、低減した分解能力を有するスペクトルに繋がる。
３．走査時間：これは、電子装置が高周波数（低質量）から低周波数（高質量）に走査するためにかかる時間である。走査率が高いほど、通常、閾値よりも上の状態を保つためにより大きなＲＦ  ＶＰＰを必要とし、低減した分解能を表示する。
４．掃引関数形式：これは、周波数掃引の関数形式である。一般に、以下の関数形式が走査に考慮され：線形、対数、１／ｆ、１／ｆ２、およびより一般的に１／ｆｎ。ｎは１以上である。
５．ＲＦ波形：正弦波および方形波の両方のＲＦ励起が、イオン励起に慣習的に使用される。実用的な理由から、正弦波が好ましいが、方形波は非常に有用であり得る。その理由は、そのような設計が専用の直接デジタル合成源を必要とせず、標準のマイクロプロセッサ電子基板、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または特定用途向け集積回路内にすでに内蔵されたパルス幅変調（ＰＷＭ）出力モジュールの使用が可能であり、したがって、コスト、消費電力、複雑性、およびサイズが低減するためである。
６．ＡＣ結合方式：ＡＣ励起は、トラップ内のいくつかの異なる電極、例えば、入口カップまたはプレート、遷移プレート、または出口カップもしくはプレート等に印加し得る。遷移プレート結合が、好ましい励起方法である。
【０１３７】
振幅−ＲＦ  ＶＰＰ
好ましい実施形態のＡＣ励起は、通常、５０Ω抵抗器で終端する平衡／不平衡（ＢＡＬＵＮ）変成器を使用して遷移プレートに結合される。ＢＡＬＵＮ変成器は、低コストおよび大きな帯域幅により、ケーブルＴＶスプリッタに一般に使用される。ＲＦを中央プレートに結合することは、トラップを通してＲＦを分配するために必要な電気方式を単純化すると共に、イオンの固有振動周波数の２倍でイオンを放出することが分かっているため、好ましい。中央プレート励起は、好ましい実施形態では、優調和励起により生成される偽ピークがより少ないことも分かっている。
【０１３８】
ＡＣ励起振幅は、イオンを放出するために、自動共振閾値の上にある状態を保つ必要がある。放出閾値は、走査速度、イオンの初期エネルギー、電位の深度、捕捉電位の対称性、および総圧に依存する。ＲＦの振幅は、任意の信号を得るために、閾値を超えて設定される必要がある。一般に、閾値に近い動作が、最高の質量分解能を提供する。ＲＦ  ＶＰＰが増大するにつれて、信号の振幅も、プラトーが達成されるまで増大する。プラトーが達成された時点で、ＲＦ強度を増大させると、いかなる有意な強度利得もなく、ピークが広がる（すなわち、分解能が失われる）ことになる。ＲＦ  ＶＰＰの増大は通常、より高い高調波による励起により、偽ピークの出現にも繋がる。
【０１３９】
好ましい実施形態での典型的なトラップは、−８５０ＶＤＣ捕捉電位を使用し、２ＭＨｚ〜１００ＫＨｚで走査される約５０ｍＶのＲＦ  ＶＰＰを使用して動作する。走査率が高いほど、そして圧力が高いほど、高いＲＦ  ＶＰＰ値が求められる。ＲＦ  ＶＰＰ値は、好ましい実施形態では、２５０ｍＶを決して超えない。ＲＦ  ＶＰＰは、
１．より高い圧力、
２．走査率／走査速度の変更、
３．異なる遷移／カップバイアス電圧、
４．捕捉電位対称性の変更、
５．周波数走査の関数形式の調整
に適合するために、動的に調整する必要がある。ＲＦ  ＶＰＰの調整は、分解能、強度、およびスペクトルへの優調和の相対寄与の相互作用を制御するように設計される。ＲＦ  ＶＰＰは、走査中にも、例えば、周波数の低減に伴い、ＲＦ  ＶＰＰ振幅を増大させることにより、調整することができる。周波数走査中の振幅の動的な調整は、四重極および磁場型質量分析計等の他の質量分析機器からのスペクトルにＡＲＴ  ＭＳスペクトルをより良好に一致させる。
【０１４０】
システム内の圧力が増大するにつれて、信号の振幅および分解能は、多くの場合、ＲＦ  ＶＰＰ電圧の増大により向上する。この概念は、散乱衝突がイオンの効率的な抽出を妨げる前に、イオンをトラップから放出するために必要な時間を低減することである。より高いＲＦ値を使用して「イオンをより強く蹴る」ことにより、イオンは、より高速に、散乱衝突による損失なしでトラップを強制的に出される。
【０１４１】
走査時間が短くなるにつれて、多くの場合、ＡＣ励起周波数がイオンの固有振動周波数を交差する時間中に、十分なイオンがトラップから放出されることを保証するために、ＲＦ  ＶＰＰ電圧を増大することが必要である。イオンの放出閾値は、周波数掃引率に直接関連する。すなわち、図２９に示されるように、周波数掃引率が高いほど、放出閾値は高く、印加しなければならないＲＦ  ＶＰＰも高くなる。図２９に示される実験結果は、自動共振理論の予測に一致する。
【０１４２】
捕捉電位の深度が増大するにつれて、イオンがより深いウェルから抜け出すために、ＲＦ励起の振幅も同様に増大させる必要がある。換言すれば、放出閾値は、イオンがトラップから出るために必要とするエネルギーが多くなるにつれて増大する。
【０１４３】
ＡＣ励起振幅は、励起プレート電圧設定に基づいても設定される。出口プレートの電圧の負性が増大するにつれて、放出閾値が低減するため、イオンは、より低いＡＣ励起振幅でより容易に放出される。しかし、出口プレートの電圧が降下するにつれて、優調和によるより多数の質量ピークの存在を認めることも一般的である。出口プレートの電圧を上昇させ（出口プレートの負性を弱めて設定し）、それと同時に、ＲＦ  ＶＰＰを増大させて、重要なピークのピーク強度を同じレベルに保つことにより、優調和の出現率を低減して、スペクトルの見た目を改良することは珍しくない。
【０１４４】
軸外電子イオン化が使用される場合、ＲＦ  ＶＰＰと出口プレートの電圧とに厳密な関係がある。この理由は単純である：軸外イオン化が使用される場合、イオンは電位ウェル内の深部で形成される。その結果、軸上電子イオン化が使用される場合よりも、イオンをトラップから放出するために必要なＲＦ  ＶＰＰ閾値は高くなる。出口プレートの電圧を降下させる（負性をより高める）につれて、イオンをトラップから放出するために必要な励起量は低減し、イオンを放出するために必要なＲＦ  ＶＰＰの量も、同じ走査時間の場合に低減する。ＡＲＴ  ＭＳ走査は、関わる質量範囲および必要とされる走査時間に応じて、異なる周波数掃引プロファイルを使用することができる。一般に、走査プロファイルが変更される場合、トラップからの放出を最適化するために、異なる電圧が必要とされる。異なる走査率のＲＦ  ＶＰＰは、許容できる優調和レベルと両立し得る最大イオン放出を保証するために、調整する必要がある。
【０１４５】
ＲＦ  ＶＰＰの振幅は、正弦波ＡＣ励起が選択されるのか、それとも方形波ＡＣ励起が選択されるのかにも依存する。一般に、方形波がＡＣ励起に選択される場合、必要とされるＲＦ  ＶＰＰは低くなる。正弦波から方形波への切り替えでは、多くの場合、優調和の存在を低減すると共に、分解能を閾値の近傍に保つために、ＲＦ  ＶＰＰを低減する必要性が生じる。
【０１４６】
印加される励起周波数の倍数に対応する周波数でのイオン放出に対応するピークは、優調和ピークと呼ばれ、一般に低質量において出現する。例えば、特定のトラップ条件下で、大きなピークが１８ａｍｕ（Ｈ２Ｏ＋イオンに対応する）に存在する場合、スペクトルには４．５ａｍｕにもピークが出現し得る。４．５ａｍｕでのピークは、主である１８ａｍｕ励起周波数（すなわち、６００ｋＨｚ）の第２高調波（すなわち、１．２ＭＨｚ優調和）での励起に対応する。通例として、イオンの優調和放出には、固有振動周波数での、またはＲＦ励起が遷移プレートに印加される場合には固有振動周波数の２倍での放出よりも高いＲＦ  ＶＰＰ閾値を必要とする。好ましい実施形態では、優調和の発生および軽減に繋がる要因は：
【０１４７】
１．ＲＦ  ＶＰＰ。ＲＦ  ＶＰＰが、固有振動周波数の倍数によりイオンを放出させる特定の閾値を超えて増大される場合、優調和ピークが出現する。一般に、優調和ピークは、最高閾値を有するため、ＲＦ  ＶＰＰを低減した場合に、スペクトルから最初に消えるものである。換言すれば、優調和放出の閾値は、固有信号周波数（または遷移プレートポンピングのために固有振動周波数の２倍）で放出する閾値よりも大きいため、優調和ピークは、ＲＦ  ＶＰＰを低減した場合に、スペクトルから最初に消えるものである。
【０１４８】
２．出口プレート電圧：優調和の存在は、出口プレートの電圧の影響を受ける。出口プレートの電圧が降下する（すなわち、正イオンに対する負性がより大きくなる）につれて、優調和ピークの相対存在度は増大する。非常に多くの場合、出口プレートの電圧を増大することにより、優調和ピークをスペクトルから消すことが可能である。出口プレートの電圧を下げる（出口プレートバイアスの負性をより高く設定する）と、優調和放出の閾値は下がる。
【０１４９】
３．走査プロファイル：周波数走査関数の形状は、スペクトルの品質に影響する。線形走査は、低質量での相対的に遅い走査率により、優調和の存在の影響を特に受けやすい。一般に、好ましい実施形態では、低存在度の優調和を提供し、それと同時に、低湿量と高質量との放出効率の最良のバランスを提供するために、１／ｆ走査プロファイルが使用されている。優調和の大半は低質量に出現し、低質量は、高質量よりも高速の走査率で放出することができるため、低質量で比較的高速で走査することにより、優調和放出の放出閾値が増大し、スペクトルへの優調和寄与が低減する。低質量での絶対質量分解能値は、一般に非常に高く、その結果、一般に、スペクトル内の断片ピークと重複しない限り、優調和による偽ピークを識別しやすい。
【０１５０】
４．走査時間。走査時間は、優調和の存在に対して重大な影響を有する。これは、図２９に示されるように、イオン放出のＲＦ  ＶＰＰ閾値が、走査時間の増大と共に低減するためである。走査時間が短くなるにつれて、放出の閾値は増大し、優調和ピークはスペクトルから消える。これは、より高速で走査するか、または低質量で高質量よりも高速（すなわち、より高い周波数）で走査する走査プロファイルを使用することが、多くの場合、スペクトルの純粋性を得る最良の手法であることの理由である。
【０１５１】
５．電子エネルギー。優調和の放出閾値は、イオンが電位ウェル内のどの程度の深さの箇所で形成されるかに関連する。入口プレートの近くで形成されるイオン（すなわち、より高いエネルギー）ほど、トラップを出るために必要な励起は低く、励起閾値は低くなる。その結果、電子エネルギーが低減され、イオンが入口プレートの背面の近くで形成される場合は常に、優調和からの寄与の増大が観測される。これも、出口プレート電圧が低減される（すなわち、負性をより高める）場合、優調和ピークがより顕著になる（すなわち、大きさが大きくなる）ことの理由である。
【０１５２】
６．捕捉電位ウェル。電位ウェルが深くなるにつれて、イオン放出の閾値は大きくなる。優調和ピークは、閾値がすでに高いため、スペクトルから消える最初のものである。ＲＦ  ＶＰＰを一定に保つ場合、電位の深さを単に増大することにより、優調和をなくすことが可能である。捕捉電位が、本明細書に説明される周波数掃引の大半中に一定に保たれた場合であっても、走査中、捕捉条件を変更するように、電極電源を変調可能なことも、当業者には明らかなはずである。
【０１５３】
７．遷移プレート／入口−出口カップＲＦ結合。スペクトルへの優調和の寄与は、ＲＦがトラップ全体を通して分配される方法によっても影響される。好ましい実施形態では、ＲＦ  ＶＰＰは、一対のコンデンサを使用してトラップ全体を通して分配され、厳密な結合構成は、経験的に決定された。遷移プレートとカップとの間に配置される結合コンデンサを取り外すと、トラップの動作に必要なＲＦ  ＶＰＰが高くなるにつれて、大量の追加の優調和が生じることが分かった。
【０１５４】
好ましい実施形態は、遷移プレートＲＦ結合を使用して動作する。その結果、イオンは自然に、固有振動周波数の２倍で放出される。遷移プレートＲＦ結合を使用するイオントラップの動作を視覚化する一方法は、ブランコに乗った子供を、単に子供を片側から押すのではなく、むしろ、チェーンを引っ張ることにより前後運動させることを考えることである。この場合、最も効率的な前後運動は、ブランコに乗っている子供の固有振動周波数の２倍で達成される。遷移プレートＲＦ結合は、固有振動周波数の２倍で放出されたイオンをすでに生成しているにも関わらず、これは、優調和励起として技術的に説明されていない。遷移プレートＲＦ結合が使用されるが、標準放出周波数の２倍（すなわち、イオンの固有振動周波数の４倍）で放出されるピークに対応する場合、優調和ピークはなお存在する。上述した指針と同じ指針は、イオンが厳密に固有振動周波数で放出される場合でも当てはまるため、優調和の軽減に対しても当てはまる。
【０１５５】
ＡＲＴ  ＭＳイオントラップでは、すべてのイオンがまず捕捉され、次に、質量が増大する順に、質量選択的にトラップから放出される。質量選択的な放出は、好ましくは、ＲＦ走査を利用して、イオンをトラップから放出する。自動共振を使用して放出することは、高周波数値から低周波数値に、固有振動周波数（または、好ましい実施形態では、固有振動周波数の２倍）を横切って走査することを意味する。大半の場合、周波数範囲は、完全な質量スペクトル情報が得られるように、非常に広い範囲の質量を包含するように走査される。しかし、１つまたは少数の質量のみをトラップから放出する狭い周波数範囲を走査することも等しく可能である。
【０１５６】
狭い周波数の走査は、間隔の狭いイオンの比率をリアルタイムで高速監視が可能なため、有用である。例えば、２６ａｍｕ〜３４ａｍｕを走査して、Ｎ２／Ｏ２混合物を監視し、複雑な真空チャンバ内に空気漏れがないことを確認することが意味を有し得る。そのような狭い範囲の走査の利点は、非常に高速で実行できることである。実際には、好ましい実施形態では、単一の種を０．５ミリ秒という短時間で監視することができる。Ｎ２およびＯ２の両方のピークを網羅する空気走査は、図１の好ましい実施形態を使用して、１ＫＨｚ反復率で実行された。
【０１５７】
ＡＲＴ  ＭＳと四重極質量フィルタとの違いは、ＡＲＴ  ＭＳでは、アクティブ質量走査が、特定の質量電荷比を選択的に放出することである。四重極質量フィルタでは、フィルタは、特定の質量に実際に留まり、次に、そのピークの瞬間的な濃度変化をリアルタイムで監視することができる。これは、単一ガスの監視にとって重大な利点のように見えるにも拘わらず、大半の四重極質量フィルタは、この測定をリアルタイムで実行するために必要な帯域幅を有さず、標準の四重極質量フィルタに基づく残留ガス解析器（ＲＧＡ）では、質量の濃度変換の監視は一般に、数１０ミリ秒毎のデータ収集に制限される。
【０１５８】
ＡＲＴ  ＭＳイオントラップでは、ＦＦＴ逆変換を介して生成された広周波数スペクトルＲＦを使用することにより、質量選択的にイオンを放出することも可能である。指定された質量のイオンを帯電させて、質量選択的に放出することは、関心のあるイオンの周波数ピークに重複する周波数範囲にＲＦを調整することにより、達成することができる。ＦＦＴ逆変換アルゴリズムは、トラップに適用できる広スペクトルＲＦを生成することができる。これは、効率的なイオン放出に繋がらない場合があるが（実際の走査が行われない場合、自動共振が含まれないため）、このモードは、トラップが本質的に、特定の質量のイオンのみを放出させるフィルタとして動作できるようにし得る。トラップは、特定の質量に保持し、瞬間的な濃度変化を監視することができる。
【０１５９】
イオンは、図１に示されるホットフィラメント１６等の放射源からの電子を使用する電子衝突イオン化により、ＡＲＴ  ＭＳイオントラップ内で生成される。軸上ＡＲＴ  ＭＳトラップでは、フィラメントと入口プレートとの電圧差が、電子がトラップに入る際の電子の最大エネルギーおよび電子が電位ウェル内でＵターンする電位を設定する。電子ビームにより定義されるイオン化容量は、電子がトラップに入る際のエネルギーを変更することにより、および遷移プレートバイアス電圧を変更することによっても修正することができる。一般に、イオン化容量は、電子のエネルギーを増大させることにより、または遷移プレートのバイアス電位の大きさを低減することにより増大する。イオン化容量の増大は一般に、よりシャープなピークを生成するが、イオンが電位ウェルのより広い空間分布にわたって振動するため、装置の分解能は低減する。真空システムの壁に対するフィラメントバイアスも、真空システムの壁およびシステム内の他のイオン化に基づく装置に達する電子の可能性を定義するため、重要である。フィラメントは、通常、負電位にバイアスされて、エネルギーの高い電子を接地された入口プレートに送る。しかし、入口プレートおよびフィラメントは両方とも、電子がフィラメントから入口プレートまでなお加速するが、真空システムの壁に達する（接地する）機会を有さないように、正電位にバイアスすることができる。実験では、フィラメントエミッタがチャンバの壁の電位に対して正にバイアスされる場合は常に、トラップ内に放出された電子のより効率的な結合が一貫して示された。フィラメントまたは冷温電子放射面への正バイアスは、ＡＲＴ  ＭＳトラップと真空システム内の他のゲージまたはセンサとの干渉の可能性も低減する。
【０１６０】
フィラメントバイアス電圧の入念な制御は、軸外イオン化では関連性がはるかに高い。この場合、フィラメントと入口プレートとの電圧差は、電子がトラップに入る際の電子の最大エネルギーを設定すると共に、電子がトラップ内部で辿るアーチ軌跡も設定する。イオンの初期エネルギーは、イオンが形成されるトラップボリューム内部の厳密な場所に密接に関連する。電子エネルギーの変更は、イオンの放出周波数（予測されるような）に対して絶対に影響を有さないことが分かっているが、
１．ピークの高さ、
２．優調和寄与、および
３．基線オフセットレベル
に対して大きな影響を有する。
【０１６１】
軸外イオン化トラップでは、イオンは通常、トラップ内の深部で形成される。イオンの厳密な出所（起点）は、入口プレートの平面に対するフィラメントの角度向きおよび電子のエネルギーに依存する。電子のエネルギーが増大するにつれて、電子はトラップ内部のより遠くに達し（すなわち、より低い電位エネルギー値を有し）、イオンをトラップから同じ走査時間内に放出するために、より高いＲＦ  ＶＰＰが必要になる（すなわち、放出閾値が増大する）。アーチが短くなりすぎる場合、電子アーチの端部が、入口プレートの背面に達し、振動ビームの視線（視野方向）内にイオンを形成し得る。その結果、次に、後壁近くで形成されたイオンのうちのいくつかは、振動せずにトラップから放出され、基線オフセット、ノイズが増大し、電子倍増器の寿命を縮める。入口プレートの背面近くで形成されたイオンは、より低い放出閾値も有し、優調和としてより容易に放出し、低質量での優調和ピークに寄与する恐れがある。
【０１６２】
図１の好ましい実施形態内では、電子バイアス電圧の調整に使用される典型的な手順は：
１．入口カップに対して低い電圧差、例えば、入口カップに対して−５０ＶＤＣで開始する。この設定では、多くの場合、大きな基線オフセット、低信号、および高ノイズレベルがある。
２．電圧差を増大させる。電圧差が−６０ＶＤＣを超える（負性を高める）と、基線は低下しはじめ、信号は増大する。いくつかの優調和がなお見て取れる場合があるが、基線は消え始める。
３．ピーク高さの高さが最適化され、基線が最小化され、優調和も最小化されるまで、電子エネルギーを増大させ続ける、すなわち、フィラメントバイアスの負性をより高める。
【０１６３】
好ましい実施形態では、基線オフセットは、フィラメントバイアスが入口カップに対して−６０ＶＤＣよりも正性を有する場合に見て取れる。電圧差の大きさが増大するにつれて、スペクトルの品質は向上し、スペクトルは一般に、電圧差が−９０ＶＤＣに達した場合に最適化される。妥当なスペクトルは通常、−７０ＶＤＣ〜−１１０ＶＤＣで収集される。
【０１６４】
電子エネルギーが低減し、電子アーチが短くなるにつれて、イオンは入口プレートの背面近くで形成され、トラップからの放出がより容易である。一般に、これも優調和のレベル増大の一因である。一般に、優調和は、出口プレート電圧を増大させ（負性が低くなるように設定し）、電子エネルギーを増大させ、ＲＦ  ＶＰＰを低減することによりなくなる。入口プレートの背面に衝突する低エネルギー電子も、上述したＥＳＤプロセスを通してエネルギーの高いイオンを形成し得る。出口プレートアパーチャとの視線（視野方向）において形成されるＥＳＤイオンは、基線オフセットレベルおよびノイズの一因となり得る。入口プレートの背面と衝突する漂遊電子によるＥＳＤイオンの放出は、ステンレス鋼と比較してＥＳＤイオンレベルを低減することが分かっている、例えば、金および白金のコーティング等の専用コーティングをプレートの平面に塗布することにより、最小化することができる。
【０１６５】
軸外イオン化の自然な結果は、振動イオンビームと並んでイオンを生成する電子ビームアーチの部分が、可能な限り高い電子エネルギーでの電子を有さないことである。ビームに曝されるアーチ視線（視野方向）のＵターン点では、電子ビームは、軸方向速度成分を失っているが、半径方向速度の初期成分はまだ保持している。フィラメントと入口プレートとの電圧差は、異なるガスのイオン化電位の計算に使用すべきではない。その理由は、この方法で計算される出現電位が常に、過剰評価されるためである。
【０１６６】
イオンは、ＡＲＴ  ＭＳイオントラップ内でパルスで連続して、または断続的に生成することができる。パルス充填は、事前に指定された短い時間期間中にイオンを内部で生成するか、またはトラップ内に入れる代替の動作モードである。この最も単純で最も一般的な実施態様では、パルス充填は、ＡＣ励起がまったくない状態でのイオンの生成を含み、イオンは生成され、純粋な静電捕捉条件の影響下で捕捉され、次に、ＲＦ周波数または捕捉電位走査が開始されて、イオンの質量選択的な放出を生み出す。新しいイオンパルス毎に、このサイクルを繰り返すことができる。パルス動作の利点は、イオントラップ内部に蓄積される空間電荷のより向上した制御である。トラップ内部の高いイオン濃度は、ピークの広化、分解能の損失、ダイナミックレンジの損失、ピーク位置のシフト、非線形の圧力依存応答、信号飽和、および背景ノイズレベルの増大を生じさせる恐れがある。パルス動作の別の利点は、質量選択的蓄積実験、断片化実験、または解離実験中、初期イオン化条件のよりよい制御である。例えば、トラップから望ましくないイオンを完全になくすには、清掃周波数掃引（クリーニング周波数掃引）をオンにしながら、新しいオンの導入を停止する必要がある。
【０１６７】
電子衝突イオン化に頼る非調和静電イオントラップは、トラップのイオン化ボリューム内に入る電子束のデューティサイクルを制御するために、電子ビームをオンオフ切り替える電子ゲートを含み、または代替として、例えば、電子生成器アレイ等の電界放射に基づく冷温電子エミッタの高速オン／オフ切り替え時間に頼り得る。ゲート外部イオン化源（ｇａｔｅｄ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）が、当分野において周知である。
【０１６８】
パルス充填動作でのイオン化デューティサイクルまたは充填時間は、フィードバック構成を通して決定することができる。トラップ内部の総電荷を、各走査の終了時に積分することができ、次の走査サイクルの充填条件を決定するために使用することができる。電荷積分は、（１）単純に、上述したように、総圧測定での専用電荷収集電極を使用して、トラップ内のすべてのイオンを収集すること、または（２）質量分析計内の総電荷を積分すること、または（３）例えば、補助電極内に流れる電流等の総イオン電荷の代表的な測定値を使用して、次の走査のイオン化デューティサイクルを定義することにより達成することができる。上述し、図２４〜図２６に示したように、総圧は、圧力が増大するにつれて、トラップ外部で形成されるイオンの数を測定することによっても特定できる。イオン充填時間は、前の質量スペクトルに存在した特定の質量分布もしくは濃度プロファイルに基づいて、またはガス混合物内の特定の検体分子の存在、識別、および相対濃度に基づいて、または例えば、特定の種の質量分解能、感度、信号ダイナミックレンジ、もしくは検出限界等の質量分析計のターゲット仕様に基づいても調整できる。
【０１６９】
電子衝突状況下でのパルス充填動作を図３０Ａおよび図３０Ｂに示す。ＡＣ励起がない状態で、電子ゲートおよび軸上電子衝突イオン化を使用して、短パルスの高エネルギー電子をトラップ内に導入した。パルスイオン化は、例えば、ＭＥＭＳ設計または冷温電子エミッタに基づくＡＲＴ  ＭＳアレイ等において、軸上電子ビームを使用して動作する場合、基線ノイズを最小化する。図３０Ａに示されるように、電子エミッタ１６、リペラプレート８５、格子電極８６、およびゲート電極８７からなる電子銃を使用して、電子ビーム８８を、接地した入口カップ６内にパルスさせる。フィラメント１６およびリペラ８５を−７０ＶＤＣにバイアスし、その一方で、格子電極およびゲート電極を−６０ＶＤＣにバイアスし、その結果、電子は、７０ｅＶのエネルギーで入口カップの格子に達した−すなわち、ゲートは開いていた。次に、ゲートは、ゲートバイアス８７を≦−８５ＶＤＣ（すなわち、電子エミッタバイアスよりも高い負性）に高速で切り替えることにより閉じられ、それにより、図３０Ｂに示されるように、電子はＵターンし、入口カップのメッシュに決して到達しない。この最も単純な電子銃設計の利点としては、ナノ秒範囲の切り替え時間での高速応答、一定の電子抽出電場、および比較的コンパクトな設計が挙げられる。ゲートがオンまたはオフになる際に、エミッタの表面と格子電極との電圧差により設定される格子バイアスが変更しないため、電子抽出電場は一定であり、電子放射効率が向上する。フィラメント放射は、ゲートが閉じている場合、フィラメントを焼く危険性なく、フィードバックループを使用して制御することができる。ゲート電子源は、当分野において周知であり、図３０Ａおよび図３０Ｂに示される例は、単なる１つの代表的な実施態様である。
【０１７０】
パルス充填実験のタイミング図を図３１に示す。上のグラフは、電子放射電流がアクティブ化されている間の時間を示し、この場合、５ミリ秒充填時間に対応する。この時間は、数１０ナノ秒〜数ミリ秒の範囲であり得る。ゲートオン期間中の放射電流レベルは、数マイクロアンプ〜数ミリアンプの範囲であり得る。中間のグラフは、ＲＦ周波数が高値から低値に走査される間の時間を示す。グラフに示されるように、振動ビームに蓄えられないイオンをトラップから出すと共に、検出電極が新しいレベルに応答できるように、ゲートが閉じられる時刻と、ＲＦ走査が開始される時刻との間に小さな遅延期間がある。この遅延は、蓄えられないイオンに起因するすべての背景信号が、下のグラフに明確に示されるように、トラップから散逸することを保証するために必要である。一般に、＜０．１ミリ秒の遅延が、ノイズの散逸に十分であるが、検出電極が限られた帯域幅を有する場合には、より長い遅延時間が必要であり得る。下のグラフでの低基線レベルにより実証されるように、ＲＦ走査が開始する際、トラップから質量選択的に放出された捕捉イオンを除き、イオンは本質的に検出されない。パルス電子衝突イオン化は、軸上イオン化を使用するＡＲＴ  ＭＳトラップにおいて基線オフセットノイズを低減する都合のよい方法である。
【０１７１】
電子ゲートが閉じられると、電子衝突イオン化によりそれ以上イオンはトラップに追加されない。イオンは、それぞれの振動運動に捕捉されると、一方のカップから他方のカップに振動する際、中性原子および分子と衝突し、いくつかのイオンは、散乱衝突により、振動サイクル毎に失われることになる。したがって、トラップ内のイオンの滞留時間を超えないような走査時間の調整が重要である。一般に、超高真空（ＵＨＶ）圧（１０−８Ｔｏｒｒ未満）でのトラップ内のイオンの滞留時間は、通常、約１０ミリ秒〜約１００ミリ秒の範囲である。図３１は、走査時間４５ミリ秒を使用して、１０−８Ｔｏｒｒにおいて有用なスペクトルを生成する能力を明確に実証している。しかし、トラップ内の圧力が増大するにつれて、イオン中和散乱で失われる前に、すべてのイオンをトラップから放出するために、走査時間を調整（すなわち、低減）する必要がある。約１０−５Ｔｏｒｒにおいて、走査時間、すなわち、トラップ内のイオンの滞留時間は、イオンが失われる前に放出されることを確実にするために、１ミリ秒と高速でなければならない。より高速の走査時間を達成するためには、走査する質量範囲を制限するか、または質量ピークがスペクトルに現れると予期される直前に、走査全体にイオン化パルスを送出する必要があり得る。イオン化（電子ゲートオン）と検出（電子ゲートオフ）との時間を短縮することにより、そしてＲＦ  ＶＰＰを増大することによっても、より高い圧力であっても、より多くの信号を得ることが可能である。イオン化が、スペクトルに関心のある２つのピークが現れる直前に２回実行される操作モードの例を図３２に示す。走査中、関心のあるピークが現れる直前でイオン化パルスを導入することにより、イオンが励起し、トラップから放出する直前のイオンが生成され、それにより、衝突損失が最小化される。この動作方法は、イオン信号を向上させながら、それでもなおノイズを最小化する。関心のある２つのピーク：質量ピーク１および２は、事前に選択され、イオン化は、質量ピーク１および質量ピーク２に対応するイオンが、高圧での散乱衝突により失われる時間を有さないように、タイミングがとられる。しかし、高速周波数走査では一般に、分解能の低減に繋がる恐れがあるより高いＲＦ  ＶＰＰを必要とする。
【０１７２】
パルス動作は、ＡＲＴ  ＭＳをイオン蓄積装置として使用する場合にも重要である。トラップにイオンを充填し、次に、ＲＦ励起を使用して、特定の質量の望ましくないイオンをトラップから放出するか、または事前に選択された質量のイオンを、他のすべての質量を放出することにより、トラップ内に蓄積もしくは予備濃縮することができる。自動共振励起が、衝突誘起解離または電子付着解離を通してトラップ内に蓄積されているイオンとの化学的反応に使用される場合、パルス動作が一般に好ましい。あるいは、トラップに短電子パルスを充填し、続けて、複数の周波数走査後、時間に伴うイオン信号の減衰を測定することにより、総圧測定を得ることができる−信号減衰率は圧力に厳密に関連する。例えば、単一のイオン化パルスに続けて、２回の走査サイクルを一定時間の間隔を空けて行うことができる。１回目の走査と２回目の走査との間での信号の減衰は、トラップ内部の圧力に直接関連する。あるいは、２回の周波数走査を続けて実行するが、イオン化パルスから周波数走査の開始までの遅延を異なる値にすることができる。遅延の短い走査の減衰率と比較した遅延の長い走査で測定された信号の減衰率の差は、トラップ内部の総圧を示すものであり得る。
【０１７３】
高真空システムの圧力が増大するにつれて、ＡＲＴ  ＭＳトラップの動作パラメータは、可能な限り良好な振動を提供するように最適化する必要がある。圧力が高くなりすぎた場合、フィラメントおよび電子倍増器を、寿命の短縮またはさらには破滅的な故障に繋がる恐れがある破損条件下での動作から保護する必要もある。
【０１７４】
一般に、総圧が増大するにつれて、固定パラメータで動作して、ＡＲＴ  ＭＳセンサからの信号を予期して、
１．信号振幅、
２．質量分解能、
３．信号対雑音比（ＳＮＲ）、
４．質量校正、
５．ピーク形状、
６．背景オフセット信号レベル
の点を変更すべきである。
【０１７５】
圧力の増大の関数としてトラップ性能に影響するいくつかの物理的な電子要因がある。以下のリストに、いくつかの例を挙げる。
１．圧力の増大に伴う、平均自由行程の低減
２．圧力の増大に伴う、より頻繁な散乱衝突を受けるイオンのＲＦとの位相ロックの損失
３．圧力の増大に伴う、イオンクラウドの物理的な散乱
４．圧力の増大に伴う、すなわち、衝突誘起解離（ＣＩＤ）による、断片パターンの変化
５．圧力の増大に伴う、イオン滞留時間の低減
６．圧力に伴う、電子倍増器のノイズの増大
７．圧力の増大に伴う、トラップ内部の電荷蓄積の高速化
８．圧力の増大に伴う、イオンクラウド密度の飽和
９．圧力の増大に伴う、トラップ内部の空間電荷の変化
１０．圧力の増大に伴う、ＲＦ電力吸収の増大
１１．圧力の増大に伴う、フィラメント温度の増大
１２．圧力の増大に伴う、フィラメントでの熱プロセスの増大
１３．総圧に伴う、フィラメント周囲のイオン電荷密度の変化
１４．圧力の増大に伴う、電極間でのアーク放電の可能性
【０１７６】
異なる圧力にして動作中に最も一般的に調整されるパラメータは（これらに限定されないが）、
１．電子放射電流、
２．フィラメントリペラーバイアス電圧、
３．ＲＦ  ＶＰＰ振幅、
４．出口プレートバイアス電圧、
５．電子倍増器バイアス電圧、
６．質量軸校正パラメータ、
７．走査速度
を含む。
【０１７７】
電子放射電流：超高真空（ＵＨＶ）レベルでの動作では、標準高真空（ＨＶ）レベル下での動作と比較して、電子放射電流を増大して、高信号レベルおよびＳＮＲの増大を達成する必要がある。ＵＨＶレベルでは、トラップが電荷で完全には飽和せず、スペクトルのイオン信号は、システム内の総圧を辿る傾向がある。圧力が増大するにつれて、トラップが電荷で飽和する（すなわち、トラップが満杯になる）ため、質量スペクトルの信号強度は、最終的にプラトーに達する。ＵＨＶレベルにおいてイオン信号を増大させ、最適なＳＮＲを達成するためには、走査率を低減し、かつ／または電子放射電流を増大させる必要がある。圧力が１Ｅ−５Ｔｏｒｒに近いレベルに達した場合、一般に、電子放射電流を低減して、信号のＳＮＲを向上させることが好都合なことが観測される。ノイズフロアレベルの増大は一般に、総圧が増大する場合に見られ、電子放射電流の低減は、多くの場合、問題を軽減する。電子放射電流は、基線オフセット信号の制御にも役割を有する（以下参照）。電子放射設定は、フィラメント温度に影響し、したがって、フィラメントの寿命およびフィラメントの検体分解に影響を有する。高圧において放射電流を低減することにより、フィラメントの寿命が増大すると共に、フィラメント源での熱分解を通しての副産物生成も制限される。
【０１７８】
フィラメントリペラ電圧：リペラは、多くの場合、ホットフィラメントの背後に配置されて、電子ビームを集束させると共に、トラップボリューム内への電子ビームの結合を向上させる。リペラの使用は、通常、厳しい結合要件が課される軸外イオン化源において非常に一般的である。フィラメントリペラ電圧は、電子エネルギー、フィラメントバイアス、および電子放射電流の関数である。最適なＳＮＲを達成するために、リペラ電圧は、放射電流が新しくなる毎に最適化する必要がある。放射電流を圧力に伴って調整する必要があるため、フィラメントリペラ電圧も同様である。リペラ電圧は、トラップ内への電子の結合に直接影響し、したがって、信号強度、ＳＮＲ、およびピーク形状に影響する。
【０１７９】
ＲＦ振幅：ＲＦ  ＶＰＰ振幅は、ＡＲＴ  ＭＳトラップにおいて極めて重要パラメータである。閾値に近すぎるＲＦ  ＶＰＰを使用するＡＲＴ  ＭＳセンサの動作は、イオンの集団が、圧力の増大に伴って増大する際の信号損失に繋がる恐れがあり、トラップ内部の有効ＲＦ電場が閾値未満に降下する。一般に、ＡＲＴ  ＭＳトラップ内で一貫したＳＮＲレベルを得るために必要なＲＦ  ＶＰＰ振幅は、圧力と共に増大する。ＲＦ  ＶＰＰの増大は一般に、質量分解能の低減を伴うイオン信号の増大を生じさせる。一般に、トラップ動作が１〜２Ｅ−７Ｔｏｒｒ値で調整され、圧力が１Ｅ−５Ｔｏｒｒレベル近くに達する場合、ＲＦ  ＶＰＰを調整する必要がある。高圧でのＲＦ  ＶＰＰの増大は一般に、質量分解能の低減を生み出し、この質量分解能の低減は一般に、ＳＮＲの大きな利得によりオフセットされる。優調和がスペクトルに影響する恐れがあるため、ＲＦ  ＶＰＰレベルは、入念にバランスをとる必要がある。使用者は、ＳＮＲ、質量分解能、および優調和寄与の最良のバランスを決定しなければならない。ＲＦ  ＶＰＰ振幅の増大は一般に、１Ｅ−５Ｔｏｒｒであるか、それを超えるレベルで収集されたスペクトルのＳＮＲを向上させる最良の方法である。ＲＦ  ＶＰＰ振幅の増大は、出口プレート電圧の増大が行われる（以下参照）場合、信号を一貫して保つためにも必要である。
【０１８０】
出口プレートバイアス電圧：大半のＡＲＴ  ＭＳトラップでは、基線オフセット信号の増大が、圧力が増大するにつれて観測される。この問題は、軸上イオン化で最も深刻であり、軸外イオン化源ではあまり重大ではない。基線オフセット信号の振幅を低減するために、出口プレート電圧を増大させ、入口プレート電圧近くに移動させなければならない。ＡＲＴ  ＭＳトラップは通常、出口プレートに対してわずかに正にバイアスされた入口プレートを使用して動作する。しかし、一般には、圧力が増大するにつれて、出口プレートの電圧を増大させることが好ましい。出口プレート電圧とＲＦ  ＶＰＰ値との間には、明確な相互関係があり、使用者は、パラメータ選択中、ＳＮＲを最適化し、基線オフセットを低減し、優調和が抑制された状態を保つために、注意深くなければならない。基線の増大は、トラップを出る、閉じ込められないイオンによって生じる。圧力増大時に基線オフセットの低減に有用な別の手法は、放射電流を低減することである。
【０１８１】
質量軸校正パラメータ：ＡＲＴ  ＭＳトラップ内の圧力が増大するにつれて、質量スペクトルのピーク位置の変更が見られることは珍しくない。微細な変更は、トラップ内部の電荷濃度の変更に起因する。質量軸校正の変更は、トラップ内部の電圧が変更された場合にも予期される。使用者は、圧力毎または圧力範囲毎にトラップ動作パラメータに合った校正パラメータを有さなければならない。
【０１８２】
電子倍増器（ＥＭ）電圧：システム内の圧力が増大するにつれて、イオンフィードバックにより、電子倍増器からのノイズの増大を見ることが可能である。イオンフィードバック補償を使用する良質の電子倍増器は、影響を受けにくい。これとは逆に、信号振幅（すなわち、トラップイオン出力）が、圧力と共に低減する場合、倍増器の利得を増大させて、ＳＮＲを向上させる必要があり得る。ＥＭ電圧の増大は一般に、ＥＭ寿命の低減に繋がるが、ＳＮＲレベルを保つために必要であり得る。
【０１８３】
走査速度：高圧では、多くの場合、高走査率での走査が意味を有する。高走査率は、トラップ内部の低電荷濃度につながり、信号に対するノイズおよび基線オフセットの影響を低減することができる。高走査率は、ＲＦ  ＶＰＰ閾値を増大させるため、この調整の後、通常、対応するＲＦ信号レベルの調整が続けられる。高圧での高走査率も、圧力が増大するにつれて、トラップ内のイオンの滞留時間が短くなるという概念に一致する。
【０１８４】
保護モード：圧力が増大するにつれて、ユニットを最初のオンにした場合、バイアス電圧が電子倍増器および遷移プレートで増大される率を入念に制御することが有用であり得る。一般に、バイアス電圧の急激な増大は、高圧でのより遅い増大と比較して、より多くのアークを生じさせることが分かっている。
【０１８５】
圧力が増大するにつれて、最大圧力値−すなわち、閾値を設定することが有用であり得、その閾値を下回る場合、使用者は、ＥＭおよびフィラメントを動作させることに問題がない。使用者は、圧力が事前に指定された時間量にわたって閾値を上回る状態のままである場合、ＡＲＴ  ＭＳセンサを遮断する時間遅延したトリガを設定することもできる。この機能は、ユニットを破損し得ない短い圧力遷移が存在する場合のセンサ遮断を最小化するために、有用である。
【０１８６】
フィラメントは特定の種に対する影響を、他の種よりも受けやすいため、フィラメントおよびＥＭの保護モードおよび閾値は、種に依存もし得る。
【０１８７】
非調和共振イオントラップの特徴
ＡＲＴ  ＭＳ装置の性質は、解析すべきガス試料からイオンを高速に充填し、各ガス成分がそれ自体の共振周波数で振動することである。一連のｍ／ｑイオンを選択的に放出するためのエネルギー要件は、非常に小さく、低電力電子信号を使用して行うことができる。これにより、図１のトラップは、３００ａｍｕ範囲の走査を２００ミリ秒以内に、または１００ａｍｕ範囲の走査を７０ミリ秒未満で完了することができる。この走査率は、四重極質量分析計に基づく典型的な残留ガス解析器（ＲＧＡ）に関連付けられた典型的な１００ａｍｕに対して１〜２秒という走査速度よりもはるかに高速である。この速度利点は、２つの方法で使用することができる：（１）閉ループ制御システムでの超高速測定機器として、および（２）測定平均化を追加して、汚染量追跡制御の信号対雑音比を向上させるため。好感度と高速との組み合わせは、ＡＲＴ  ＭＳ装置を、成分解析に基づく高速閉ループプロセス制御に理想的に合うものとする。実際には、ＡＲＴ  ＭＳに匹敵する走査速度が可能な市販の四重極質量分析計が少数ある。しかし、そのような高性能システムは、非常に大きく、嵩張る電子装置を必要とし、購入および保守が非常に高価である。総圧測定性能を含め（すなわち、図１の実施形態として）、ＡＲＴ  ＭＳセンサの十分に認識されている利点は、総圧情報および部分圧情報の両方をリアルタイムで、従来のイオン化ゲージよりも真空ポート内で場所をとらない単純で小型のパッケージから送出する能力である。
【０１８８】
振動ビーム内のイオン間の静電反発は、最終的に、ＡＲＴ  ＭＳ装置内に蓄積できる電荷の濃度を固定する空間電荷制限に繋がり、長さ（Ｌ）および直径（Ｄ）に関連する−大きなトラップほど、多くのイオンを蓄積することができ、小さなトラップほど、少数のイオンを蓄積することができる。この性質は大方、圧力から独立しており、トラップ内に蓄積される電荷量は、使用可能な範囲全体を通して比較的一定しており、したがって、トラップの性能は、使用可能な範囲全体を通してより一貫している。したがって、四重極ＭＳは質量フィルタに追加の電荷を通すために、追加の走査時間を必要とするため、四重極ＭＳに対するＡＲＴ  ＭＳの速度および感度の利点は、圧力の低減に伴って増大する。典型的なＡＲＴ  ＭＳ装置のさらなる利点は、小さなサイズが、大半の最高範囲の四重極装置よりも真空に露出される表面積が少なく、真空表面およびプロセスメモリ影響を最小化することである。
【０１８９】
ＡＲＴ  ＭＳ高速走査速度の別の特徴は、ガス成分が高速で変化しつつある場合、サンプリングされるデータが、測定時にガス成分をよりよく表すことである。高速走査率は、ＡＲＴ  ＭＳが、特にＵＨＶ圧力範囲において、遷移イベントをよりよく捕捉できるようにする、試料ガスのより正確な「ポイント測定」を提供する。不完全な真空値動作による表面科学実験および圧力バースト検出は、ＡＲＴ  ＭＳ装置の「ポイント測定」機能を利用できる用途の例である。
【０１９０】
ＡＲＴ  ＭＳ装置は、固定量の電荷を蓄積するため、センサは本質的に、レシオメトリック装置であり、最大イオン電荷は１００％固定され、ガス成分の部分圧は、１００％のうちの一部を表す。濃度を追跡し、報告する必要がある多くの用途では、レシオメトリック情報が、絶対部分圧力情報よりも好ましく、ＡＲＴ  ＭＳ装置の固有の出力である。絶対部分圧情報が必要な場合、総圧情報を使用して、ＡＲＴ  ＭＳトラップの出力を容易にスケーリングして、部分圧出力を提供することができる。
【０１９１】
ＡＲＴ  ＭＳ装置の低駆動・動作電力要件は、センサヘッドをケーブルの端部で、またはモジュール形式に一体化できるようにする（一体化された電子装置およびセンサ）。大半の四重極に基づく機器では、ＲＦ駆動電子装置を四重極センサに密な物理的および電気的な結合が必要であり、モジュール形式でしか利用できない（すなわち、ゲージとコントローラとの間にケーブルがない）。ＡＲＴ  ＭＳ装置の場合、ケーブルを使用して、駆動電子装置に接続することができる。リモートケーブル動作の能力、ＡＲＴ  ＭＳ装置の小型サイズ、およびＡＲＴ  ＭＳに基づくシステムのより小型の電子パッケージの能力を組み合わせて、混み合った真空ツールに設置するための追加の柔軟性が提供される。
【０１９２】
ＡＲＴ  ＭＳ装置の質量固有の振動周波数は、イオントラップの物理的な寸法および捕捉電位の振幅に大方依存し、駆動電子装置には依存しない。したがって、単一のｍ／ｑの抽出条件が分かれば、すべての他のｍ／ｑを単一のガスに校正することができる。これにより、ゲージ製造寸法制御に基づく、または単一ガス校正を通しての高速で容易な単一点校正が可能である。例えば、ＡＲＴ  ＭＳ装置で水のピーク（１８ａｍｕ）を検出することにより、１〜３００ａｍｕ範囲の完全な校正が可能である。これは、新たに製造される機器および現場でサポートされる機器の両方にとって重要な使用し易さという恩益である。
【０１９３】
多くの四重極質量分析装置は、ゼロブラスト制限により、２〜４ａｍｕ未満を正確に測定できず、したがって、四重極の１〜３００ａｍｕ範囲は、場合によっては、より正確には２〜３００ａｍｕ範囲、またはさらには４〜３００ａｍｕ範囲である。ＡＲＴ  ＭＳは、設計により、ゼロブラストの影響を有さず、センサ最高分解能でより低ａｍｕのすべてのピークを完全に分解することができる。したがって、永久的に設置されたＡＲＴ  ＭＳ装置は、そのままの位置でヘリウム漏れ検出器として、ポータブル漏出検出用途で、および効率的な同位体比質量分析計として容易に使用することができる。ＡＲＴ  ＭＳトラップにより提供される非常に胸が躍る機会は、１ａｍｕおよび２ａｍｕの各質量の原子状水素および分子状水素の両方を監視する能力である。
【０１９４】
ＡＲＴ  ＭＳセンサは、通常、一定の質量分解能モードで動作する四重極質量分析計に基づくＲＧＡと比較されることが多い。四重極質量フィルタのスループットは、質量に依存する。イオンの質量が増大するにつれて、半径方向振動振幅が増大し、ロッドとの衝突により、より多くのイオンが失われる。その結果、四重極質量分光計は、イオンの質量が増大するにつれて感度を失う。ＡＲＴ  ＭＳは、すべてのイオンをトラップ内部に蓄積し、放出中にイオンの相対濃度を保持し、試料ガスのガス濃度のより正確な表現を提供する。ＡＲＴ  ＭＳセンサは、超高および極高真空実験において、水素レベルのはるかに正確な表現を提供するものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳセンサは、極低温冷却面から出現する残留ガスのガス組成内のわずかな変更に基づいて冷温アレイ（ｃｏｌｄ  ａｒｒａｙ）を再生成の必要性を示す低温ポンプの充足検出器（ｆｕｌｌｎｅｓｓ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）としての用途を見つけるものと予期される。
【０１９５】
ＡＲＴ  ＭＳセンサは、質量上限または質量範囲を技術的に有さない。実際には、ＡＲＴ  ＭＳトラップは、６００ａｍｕを優に上回る範囲の質量情報を提供することが分かっている。しかし、大半の揮発性化学物質は、３５０ａｍｕを下回る分子重量を有し、電子装置およびデータ取得ソフトウェアは通常、３００ａｍｕの質量範囲に制限されて、大半の一般的なガスサンプリング用途をサポートする。より高い分子重量範囲を有するＡＲＴ  ＭＳ装置は、専用イオン源またはタンデム質量分析計を含むより高度な用途に利用法を見いだすと予期される。
【０１９６】
ＡＲＴ  ＭＳ技術は、多種多様な研究および産業処理用途への計り知れない潜在力を実証した。（１）低電力要件、（２）小型サイズ、（３）組み立てやすさ、（４）使用しやすさ、および（５）高分解力の組み合わせは、ＡＲＴ  ＭＳ技術を、電池、太陽、および他の代替電力源に頼る現場での用途に理想的なものにする。内蔵型で現場で展開可能なガスサンプリングユニット（すなわち、低電力高真空ポンピングシステムを一体化した）にパッケージングされたＡＲＴ  ＭＳ装置を、大気中、宇宙空間、水中、厳しい環境、および国土安全ガスサンプリング用途で使用することができる。ＡＲＴ  ＭＳトラップ設計の小型化は、電池充電の間の前例のない動作時間を特徴とした初めての真に手のひらサイズの高速ガス解析装置を、軍事用途および法医学用途の両方に提供する潜在性を有する。より高い室料範囲限界を有する大型ＡＲＴ  ＭＳトラップは、ＤＡＲＴ、ＤＥＳＩ、ＭＡＬＤＩ、ＥＳＩ、ＦＡＲＰＡ、ＳＩＭＳ等の特殊イオン化方式と組み合わせて生物学的サンプリング用途に道を見つけるものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、別個の技術（ガストと液体のクロマトグラフィ等）との併用ならびに競争の激しい質量分析技法（飛行時間システム、四重極、磁場型、およびさらにはオービトラップ等）およびイオン移動度分析計に用途を見つける可能性が非常に高い。複数の圧力ゲージならびにＡＲＴ  ＭＳトラップを含む組み合わせセンサは、高真空（ＨＶ）および超高真空（ＵＨＶ）システムでのガス解析および真空品質測定ならびに半導体処理、太陽パネル製造、薄膜コーティング、およびエッチングを含む産業用途の新しい標準となるものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、調整可能なイオン源、イオン蓄積装置、イオン攪拌装置、イオン化学反応器、およびイオンフィルタとしても用途を見つけるであろう。本明細書において説明した電力吸収方式等の代替の検出方式のさらなる開発も、前例のない信頼性および低保守性能を提供しながら、単一のガスのリアルタイム解析に専用の特定ガスサンプリングシステムの新規生成を開発する新しい方法論を提供するものと予期される。外部イオン導入方式と組み合わせたパルス動作は、はるかに大きく複雑なタンデム質量分析システムへの途中でイオンを操作する能力を提供すると共に、超微量ガス解析要件に適合した予備濃縮方式の開発を可能にする。例えば、ＡＲＴ  ＭＳトラップをＭＡＬＤＩ源に追加して、マトリックスイオンを関心のある生物学的イオンから分離し、かつ／または飛行時間源に送る前に、生物学的分子を予備濃縮することを想像することが可能である。低質量（すなわち、１０ａｍｕ未満）でのＡＲＴ  ＭＳトラップの高分解力は、漏出検出器ならびに低質量同位体比質量分析計への技術用途が生じるものと予期される。高感度電荷検出器と組み合わされたＡＲＴ  ＭＳトラップは、現場で展開可能な同位体比質量分析計の新しい標準となるものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳ装置の高速さは、肝心な点で測定を実行する能力と組み合わせて、表面科学および触媒作用に関して質量分析計の分野に大変革をもたらすものと予期される。電子生成器アレイ、スピントのようなエミッタアレイ、およびカーボンナノチューブエミッタ等の冷温電子エミッタを含め、代替の光イオン化方式および電子衝突イオン化方式の開発は、ＡＲＴ  ＭＳセンサの電力要件をさらに低減し、低電力要件への適合性を向上させるものと予期される。
【０１９７】
標準の高真空システム監視用途の場合、ＡＲＴ  ＭＳセンサを使用して、前例のないサンプリング率で、重大なスペース要件なしで、基準圧条件を監視することができる。ＡＲＴ  ＭＳ装置を使用して、基準圧力条件を監視し、ポンプダウン問題を診断し、漏れ検出手順を実行し、ポンプダウン率を特徴付けることができる。ＡＲＴ  ＭＳ装置の比較的低いコストは、高または超高真空システム内に現在設置されているありとあらゆるイオン化ゲージを、総圧機能およびＡＲＴ  ＭＳの部分圧機能の両方を含む組み合わせゲージで置き換えることを正当化する。研究所で使用されるＡＲＴ  ＭＳ装置の標準ゲージ／ＥＣＵ構造は、ケーブルを使用してコントローラ（ＥＣＵ）に接続されたゲージ（トランスデューサ）を含む。トランスデューサは、標準真空ポートに接続され、その一方で、ＥＣＵは、真空チャンバに取り付けられた他の構成要素を邪魔せずに、システム内の他のどこかに配置される。別の好ましい実施態様は、寸法を低減したＡＲＴ  ＭＳセンサを含み、ＥＣＵは、トランスデューサのエンベロープに永久的に取り付けられて、物理的寸法が小さく、操作が単純化されたモノリシック／モジュール式装置を提供する。質量分析システムにより提供される情報は、未処理の質量分析計データとしてリモートコンピュータのディスプレイに表示することができ、または利用可能な場合、必要な情報をスペクトルから抽出し、使用者のスクリプトに従って処理し、ＥＣＵ内に直接組み込まれたグラフィカルフロントパネルディスプレイに表示することができる。部分圧情報は、コントローラのバックプレーンに配置された１つまたは複数の異なるアナログＩ／Ｏポート、デジタルＩ／Ｏポート、リレークロージャＩ／Ｏポートにリンクして、リアルタイムプロセス制御を提供することもできる。
【０１９８】
プロセス用途の場合、ＡＲＴ  ＭＳセンサは、目障りではない取り付け構成およびポイントユース機能と組み合わせて、前例のないサンプリング率を提供する。ＡＲＴ  ＭＳに適合した使用事例としては、（１）固定容積サンプリング、（２）パッケージ／気密性テスト、（３）遷移応答検出、（４）濃度制御、および（５）プロセスフィンガープリントが挙げられる。ＡＲＴ  ＭＳセンサは、ガス成分の入念な制御が、ウェーハクリーン性の保証のみならず、適切な添加物投与を保証するために極めて重要である近代半導体イオン注入ツールのすべての領域に対する即時応用を見つけるものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳ装置は、ガス組成の変更に基づく予防保守ならびに予防保守後のシステム測定解析のリアルタイムプロンプトを提供するものと予期される。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、送出前に断片から不安定な親イオンクラスタを分離する能力を提供する近代の注入クラスタ源にも用途を見つけるであろう。ＡＲＴ  ＭＳ装置は、ガス成分解析がウェーハプロセスステップ間で利用可能な場合に、ウェーハ間の時間を大幅に低減でき、フォトレジスト汚染が、検出されなかった場合には大きな問題になり得る半導体ＰＶＤプロセスにも、用途を見つけるであろう。ＡＲＴ  ＭＳトラップは、磁気媒体ディスク製造に使用される高速循環プロセスにも用途を見つけるものと予期される。ディスク製造ステップの典型的なサイクル時間は、３秒と短く、チャンバの圧力は、各サイクル中、中真空〜高真空で変動する。ＡＲＴ  ＭＳ装置は、（１）ポンプダウン率、（２）ガス混合率、および（３）チャンバの相互汚染を同時に制御して、ガス成分のリアルタイム解析を実行する初めての機会を提供する。プロセスアプリケーションは、多くの場合、部分圧情報に基づいて制御ループを閉じるために、リアルタイムのデジタルおよび／またはアナログの出力信号を必要とする。ＡＲＴ  ＭＳ  ＥＣＵコントローラは一般に、（１）デジタルＩ／Ｏ、（２）アナログＩ／Ｏ、および（３）リレークロージャＩ／Ｏ、ならびに（４）ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ  Ｎｅｔ、およびＲＳ４８５等の標準の通信ポートを含む複数のＩ／Ｏオプションを含む。
【０１９９】
一実施形態では、テスト機器は、マルチクライアント接続階層をテスト機器に組み込むことにより（すなわち、イーサネット（登録商標）伝送制御プロトコル／インターネットプロトコル［ＴＣＰ／ＩＰ］ネットワーク、直接シリアル接続、ユニバーサルシリアルバス、および／または他のテスト機器とホストデータとの接続）、複数の情報セットを複数の独立したコンピュータホストアプリケーションに提供する。このようにして、テスト機器を、プライマリホストにより要求される機能を実行するプライマリホスト接続（すなわち、プロセスツール）に接続しながら、別個のアプリケーション（すなわち、高度プロセス制御ソフトウェア）は、同じまたは異なるデータセットを収集し、第３のアプリケーション（すなわち、保守アプリケーションソフトウェア）が、同じまたは異なるデータセットまたは命令状態セットを収集することができる。
【０２００】
これは、プライマリホストアプリケーションを使用して、テスト機器を材料処理という主目的に使用でき、第２のアプリケーション（第１のアプリケーションから独立している）をテスト機器に接続し、特定の汚染物または真空漏れを検出できるデータを収集できる、強力な概念である。
【０２０１】
図３８は、３つ（以上）のホスト／クライアント接続へのイーサネット（登録商標）ＴＣＰ／ＩＰ接続を介してネットワークに接続されたＡＲＴ  ＭＳトラップの概念を示す。ＡＲＴ  ＭＳは、真空システムまたはチャンバに接続されたＡＲＴ  ＭＳセンサ（図３８の右側）により行われる総圧および部分圧の測定情報／データを提供する高性能テスト機器である。ＡＲＴ  ＭＳテスト機器は、コントローラ、センサ、およびケーブルを有する。コントローラには、フロントパネルユーザインタフェース（ディスプレイおよびボタン、図示せず）があり、バックパネルには、様々な入出力電気信号接続、セットポイント中継器、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）データ接続、およびイーサネット（登録商標）データ接続がある。ＡＲＴ  ＭＳは、センサの真空測定を、電気信号接続、セットポイント中継器、あるいはＵＳＢおよび／またはコンピュータ機能のアプリケーションプログラマーインタフェース（ＡＰＩ）セットを使用するイーサネット（登録商標）データインタフェースへの外部ホストを介してアクセスされる複数の測定出力フォーマットに処理する能力を有する。
【０２０２】
ＡＲＴ  ＭＳは、イーサネット（登録商標）コネクタおよび１つのＵＳＢ−２コネクタを含む。これらの任意の接続に接続された装置は、装置固有のコマンドおよび応答を介して、ＡＲＴ  ＭＳを制御し（マスタとして）、またはデータにアクセスする（モニタとして）。データ通信は、イーサネット（登録商標）フレームまたはＵＳＢデータパケットのペイロードである。イーサネット（登録商標）および１つのＵＳＢ−２コネクタは、ＡＲＴ  ＭＳバックパネルに配置される。ＡＲＴ  ＭＳは、データモニタとして複数のクライアント接続をサポートするが、ＡＲＴ  ＭＳマスタであることができるのは、１つのみの装置である。
【０２０３】
ＡＲＴ  ＭＳはユーザレベル階層を有する。
【０２０４】
管理者：これは、いかなるマスタ（管理者がマスタとして登録する場合）にも取って代わることができ、標準ＡＰＩおよび拡張ＡＰＩを通してＡＲＴ  ＭＳ装置のすべての機能を制御でき、保存されている情報にアクセスできる使用者の特別なレベルである（以下参照）。管理マスタまたは管理モニタとして登録可能なことに留意する。管理マスタ登録のみが、既存のマスタに取って代わることになる。管理モニタは、限られたデータにアクセスできるが、ゲージを制御できない。
【０２０５】
マスタ：このレベルの使用者は、センサドライバおよびデータ収集パラメータを構成でき、フロントパネルボタンおよびディスプレイが許可されるか、または閉め出される。一度に１人のみのマスタが存在する。クライアントがマスタとして登録しようとし、１人のマスタがすでに存在する場合、登録は失敗するか、または登録は既存のマスタに取って代わる（既存のマスタを強制的にモニタ登録にする）。
【０２０６】
モニタ：このレベルの使用者は、ＡＰＩを介して収集データを検索できるが、データの収集方法またはＡＲＴ  ＭＳの構成を変更することはできない。
【０２０７】
これらの使用者レベルにより、１人のマスタがＡＲＴ  ＭＳならびに多くのデータおよび／または保守モニタを駆動することができる。管理者は、前のホスト接続から独立して、ＡＲＴ  ＭＳ機能へのアクセスを保守しサポートすることができる。
【０２０８】
ＡＲＴ  ＭＳフロントパネル組立体（ＦＰＡ）は、グラフィックディスプレイおよびボタンからなり、専用フロントパネルコネクタを介してＡＲＴ  ＭＳに接続される。フロントパネルは、ＡＲＴ  ＭＳに機械的に取り付けることができる。この接続方式では、ＦＰＡはホスト接続であり、ＡＲＴ  ＭＳ電源投入またはリセット状態後のマスタである。ＡＲＴ  ＭＳが、バックパネルＵＳＢまたはイーサネット（登録商標）接続を通して他のホスト接続と共に使用される場合、ＦＰＡは、マスタであることもでき、またはモニタであることもできる。唯一の例外は、マスタまたはモニタのホスト接続の両方よりも優先されるＩＧ  ＯＦＦボタンである。
【０２０９】
図３９に示される標準用途では、フロントパネル組立体（ＦＰＡ）は、ＡＲＴ  ＭＳのすべての機能、操作パラメータ、および入／出力割り当てを制御する。ＦＰＡは２つの表示モードを有する。
１．選択変数を監視する表示モード（例えば、選択された相対部分圧および／または部分圧）。
２．選択変数の傾向を監視する表示モード（例えば、ＲＰＰ、ＰＰ、または総圧）。
【０２１０】
ＦＰＡでは、使用者が、メニュー画面を介してすべてのデータ収集パラメータおよび入／出力割り当てを構成することも可能である。図３９は、専用ＦＰＡインタフェース接続を介してＡＲＴ  ＭＳメインコントローラに取り付けられたＦＰＡを示す。
【０２１１】
図４０は、単一の外部接続されたホストを有するＡＲＴ  ＭＳを示す。一般的な構成は、ホスト／クライアントとしてのＰＣであり、ＵＳＢを介して接続され、ＰＣはマスタであり、ＦＰＡはモニタ機能を実行する。３つのオプションがある。
１．ＰＣ／ホストマスタが、ＡＲＴ  ＭＳおよびフロントパネルに表示される情報を制御し構成する（これは、最も一般的な構成であると予想される）。
２．ＰＣ／ホストマスタが、ＡＲＴ  ＭＳを制御し構成する。ＦＰＡディスプレイは、ＰＣ／ホストマスタまたはフロントパネル「モニタリング」機能から選択することにより制御される。ＦＰＡディスプレイがフロントパネルボタンにより制御される場合、時間切れになると、次のマスタディスプレイの更新時に、ＦＰＡディスプレイの制御権はマスタに自動的に戻る。
３．ＰＣ／ホストは、データ収集のみまたはＡＲＴ  ＭＳの性能監視のみモニタである。
【０２１２】
【表２】
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【０２１３】
図４１は、外部接続されたホストアプリケーションのネットワークを有するＡＲＴ  ＭＳを示す。一般的な構成は、製造中に情報を収集する特定用途ＰＣ／サーバのグループである。この構成では、ＰＣ／サーバのうちの１つのみがマスタであり、多くの場合、マスタは、プロセスツールまたはツールコントローラであり、他のＰＣ／サーバは、高度プロセス制御および／または配合管理についての情報を収集する。他のＰＣ／サーバは、ＡＰＩポーリングまたはパブリッシュ／サブスクライブを通してＡＲＴ  ＭＳから情報を収集する。２つのオプションがある。
１．ＰＣ／サーバマスタが、ＡＲＴ  ＭＳおよびＦＰＡ表示情報を制御し構成する（これは、最も一般的な構成であると予想される）。
２．ＰＣマスタが、ＡＲＴ  ＭＳを制御し構成する。ＦＰＡディスプレイ情報は、マスタまたはフロントパネル「モニタリング」機能から選択することにより制御される。ＦＰＡディスプレイがフロントパネルボタンにより制御される場合、時間切れになると、次のマスタディスプレイの更新時に、ＦＰＡディスプレイは自動的にマスタ制御に戻る。
【０２１４】
図４２は、ＡＲＴ  ＭＳのマスタおよびモニタ制御に関するローカル（ＦＰＡ）およびリモート（ホスト）制御からの状態遷移を示す。電源投入時（リセット状態）（０）は、コントローラの初期化が行われる。別のマスタが登録しない限り、内部に記憶されているプログラムがコントローラである。（１）では、ＦＰＡが「ローカルマスタ」であり、確立されたリモート接続がないか、またはいずれのリモート接続もモニタであり、ＦＰＡディスプレイはＦＰＡの制御下にあり、すべてのＦＰＡボタンはイネーブルされる。ここでは、ＦＰＡ制御機能は、小さなアプリケーションを実行して、コンテンツを表示し、ＡＲＴ  ＭＳメインコントローラへのＡＰＩ呼び出しを介して、必要なＦＰＡデータを引き出している。（２）では、リモートクライアントがマスタである。ローカルマスタは、取って代わられ、強制的にモニタ状態になる。ＦＰＡディスプレイは、リモートマスタの制御下にあり、ＦＰＡボタンはディセーブルされる（フィラメントオン／オフボタンは、安全のためにイネーブルのままである）。
【０２１５】
複数接続の概念は、ＡＲＴ  ＭＳに固有のものではなく、他の機器も、この複数のホスト／クライアント接続手法から恩益を受けることができる。ＡＲＴ  ＭＳは、異なる用途で多種多様な方法で使用できる複数の種類の測定（総圧、部分圧、相対部分圧）の豊富なデータセットを提供する。しかし、より単純な種類のデータ出力（総圧のような）を提供する他の機器が、この同じ手法を使用することができ、プライマリホスト接続が、プロセスツールを処理することができ、セカンダリホスト接続が、機器のパラメータを監視して、サービス要件を予測し、またはデータをデータベースに記憶する、供給業者により提供されるサービスアプリケーションである。
【０２１６】
本明細書において引用したすべての特許、公開出願、および引用文献の教示は、参照により本明細書に援用される。
【０２１７】
本発明を、特に本発明の実施形態例を参照して図示し説明したが、添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の範囲から逸脱せずに、形態および細部に様々な変更を行い得ることが当業者には理解されよう。
【符号の説明】
【０２１８】
３  中央レンズ
６  第１の対向ミラー電極
７  第２の対向ミラー電極
２１  ＡＣ励起源
１１０  イオントラップ
【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４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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