(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンに、ある周期で振動するイオンパケットを形成させる質量分析器用のイオン検出器であって、
前記質量分析器においてイオンから複数のイメージ電流信号を検出するよう構成された複数の検出電極、および、前記複数の検出イメージ電流信号に基づいて出力信号を提供するよう構成された前置増幅器であって、前記出力信号はある信号対雑音比を有する、前置増幅器を備える検出構成と、
少なくとも１つの補償信号を提供するよう構成された補償回路であって、各補償信号は、前記検出構成のそれぞれの遮蔽導体に提供され、前記複数の検出イメージ電流信号のうちの１つまたは複数に基づく、補償回路と
を備え、
前記検出構成の前記遮蔽導体の各々と前記検出構成のそれぞれの信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前記前置増幅器出力信号の前記信号対雑音比に影響を及ぼし、前記補償回路は、各キャパシタンスを低減させ、信号対雑音比を改善するように構成されている、イオン検出器。
【請求項２】
前記検出構成の信号搬送部は、前記複数の検出電極の中の１つの検出電極を備え、前記検出構成の前記それぞれの遮蔽導体は、前記検出電極用のシールドを備える、請求項１に記載のイオン検出器。
【請求項３】
前記検出電極用の前記シールドは、前記検出電極の周りに導電面を備え、前記検出電極から絶縁される、請求項２に記載のイオン検出器。
【請求項４】
前記検出電極用の前記シールドは、誘電材料で作られ、外部金属塗装が施され、前記外部金属塗装は前記補償信号を受信するよう構成される、請求項３に記載のイオン検出器。
【請求項５】
前記検出構成の信号搬送部は、前記複数の検出電極の中の１つの検出電極と前記前置増幅器との間に接続部を備え、前記検出構成の前記それぞれの遮蔽導体は、前記接続部用のシールドを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項６】
前記前置増幅器は、前記複数のイメージ電流信号からの第１のイメージ電流信号を受信するよう構成された第１の電圧緩衝器を備え、
前記補償回路は、第１の補償信号を前記検出構成の第１の遮蔽導体に提供するよう構成され、前記第１の補償信号は、前記第１の電圧緩衝器の出力を含み、それにより、前記第１の補償信号は、前記第１のイメージ電流信号に基づく、請求項１〜５のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項７】
前記補償回路は、前記複数の検出イメージ電流信号からの第２のイメージ電流信号に基づいて、第２の補償信号を提供するようさらに構成され、前記第２の補償信号は、前記検出構成の第２の遮蔽導体に提供され、前記検出構成の前記第２の遮蔽導体と前記検出構成のそれぞれの第２の信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前記前置増幅器出力信号の前記信号対雑音比に影響を及ぼし、
前記前置増幅器は、前記第２のイメージ電流信号を受信するよう構成された第２の電圧緩衝器をさらに備え、前記第２の補償信号は、前記第２の電圧緩衝器の出力を含む、請求項６に記載のイオン検出器。
【請求項８】
前記検出構成の第１の信号搬送部は、第１の検出電極を備え、前記第１の遮蔽導体は、前記第１の検出電極用の第１のシールドを備え、前記第２の信号搬送部は、第２の検出電極を備え、前記第２の遮蔽導体は、前記第２の検出電極用の第２のシールドを備える、請求項７に記載のイオン検出器。
【請求項９】
前記第１の電圧緩衝器は、ドレインを含むトランジスタを備え、前記補償回路は、前記トランジスタの前記ドレインにドレイン補償信号を提供するようさらに構成される、請求項６〜８のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項１０】
前記前置増幅器は、前記第１の電圧緩衝器の前記出力および前記第２の電圧緩衝器の前記出力を受信して差動出力を提供するよう構成された差動増幅器をさらに備え、前記差動増幅器は、前記ドレイン補償信号を提供するようさらに構成される、請求項７に従属する際の請求項９に記載のイオン検出器。
【請求項１１】
前記ドレイン補償信号は、前記第２のイメージ電流信号に基づく、請求項７に従属する際の請求項１０または９に記載のイオン検出器。
【請求項１２】
前記差動増幅器は、前記第１の電圧緩衝器の前記出力を受信するよう構成された第１の増幅トランジスタと、前記第２の電圧緩衝器の前記出力を受信するよう構成された第２の増幅トランジスタとを備え、前記第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成され、前記ドレイン補償信号は、前記第２の増幅トランジスタの前記ドレイン側の信号から提供される、請求項１０に記載のイオン検出器。
【請求項１３】
前記ドレイン補償信号は、第１のドレイン補償信号であり、前記第２の電圧緩衝器は、ドレインを含むトランジスタを備え、前記少なくとも１つの補償信号は、前記第２の電圧緩衝器の前記トランジスタの前記ドレインに提供される第２のドレイン補償信号をさらに含み、前記第２のドレイン補償信号は、前記第１の増幅トランジスタの前記ドレイン側の信号から提供される、請求項１２に記載のイオン検出器。
【請求項１４】
前記補償回路は、前記検出構成の第１の遮蔽導体シールドに第１のシールド補償信号を提供し、前記検出構成の第２の遮蔽導体シールドに第２のシールド補償信号を提供するよう構成され、前記第１のシールド補償信号と前記第２のシールド補償信号は同じ電圧を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項１５】
前記第１の遮蔽導体シールドは、前記複数の検出電極からの第１の検出電極用のシールドを備え、前記第２の遮蔽導体シールドは、前記第２の検出電極と前記前置増幅器との間の接続部用のシールドを備える、請求項１４に記載のイオン検出器。
【請求項１６】
前記複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置され、電圧源に接続するよう構成された遮蔽導体
をさらに備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項１７】
前記前置増幅器は、複数の増幅トランジスタ対を備える差動増幅器を備え、各増幅トランジスタ対は、第１のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第１の増幅トランジスタと、第２のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第２の増幅トランジスタとを備え、各増幅トランジスタ対の前記それぞれの第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成され、前記複数の増幅トランジスタ対は、並列に配列される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のイオン検出器。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の質量分析器とイオン検出器とを備える質量分析計。
【請求項１９】
イオンが閉じ込められるイオントラッピングボリュームを定義するトラッピング場を提供するよう構成されたトラッピング場生成器と、
複数の検出電極を使用して、前記イオントラッピングボリュームに捕捉されたイオンからイメージ電流を検出するよう構成された検出構成と、
前記複数の検出電極の中の第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される遮蔽導体と、
前記複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて決定される電圧を前記遮蔽導体に印加し、前記遮蔽導体と、前記検出構成の信号搬送部との間のキャパシタンスを低減させるよう構成されたコントローラと
を備える、静電イオントラッピングデバイス。
【請求項２０】
イオンに、ある周期で振動するイオンパケットを形成させる質量分析器のイオン検出方法であって、
検出構成の一部を形成する複数の検出電極を使用して複数のイメージ電流信号を検出する工程であって、前記検出構成は、前置増幅器をさらに備え、前記前置増幅器は、前記複数の検出イメージ電流信号に基づいて出力信号を提供するよう構成され、前記出力信号は、ある信号対雑音比を有する、工程と、
少なくとも１つの補償信号を提供する工程であって、各補償信号は、前記検出構成のそれぞれの遮蔽導体に提供され、前記複数の検出イメージ電流信号のうちの１つまたは複数に基づく、工程と
を含み、
前記検出構成の前記遮蔽導体の各々と前記検出構成のそれぞれの信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前記前置増幅器出力信号の前記信号対雑音比に影響を及ぼし、
前記補償回路は、各キャパシタンスを低減させ、信号対雑音比を改善するように構成されている、方法。
【請求項２１】
前記検出構成の信号搬送部は、前記複数の検出電極の中の１つの検出電極を備え、前記検出構成の前記それぞれの遮蔽導体は、前記検出電極用のシールドを備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記検出電極用の前記シールドは、前記検出電極の周りに導電面を備え、前記検出電極から絶縁される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記検出構成の信号搬送部は、前記複数の検出電極の中の１つの検出電極と前記前置増幅器との間に接続部を備え、前記検出構成の前記それぞれの遮蔽導体は、前記接続部用のシールドを備える、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記前置増幅器は、前記複数のイメージ電流信号からの第１のイメージ電流信号を受信するよう構成された第１のトランジスタ電圧緩衝器を備え、
前記少なくとも１つの補償信号は、前記検出構成の第１の遮蔽導体に提供される第１の補償信号を含み、前記第１の補償信号は、前記第１のトランジスタ電圧緩衝器の出力を含み、それにより、前記第１の補償信号は、前記第１のイメージ電流信号に基づく、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの補償信号は、前記複数の検出イメージ電流信号からの第２のイメージ電流信号に基づいて、第２の補償信号をさらに含み、前記第２の補償信号は、前記検出構成の第２の遮蔽導体に提供され、前記検出構成の前記第２の遮蔽導体と前記検出構成のそれぞれの第２の信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前記前置増幅器出力信号の前記信号対雑音比に影響を及ぼし、
前記前置増幅器は、前記第２のイメージ電流信号を受信するよう構成された第２のトランジスタ電圧緩衝器をさらに備え、前記第２の補償信号は、前記第２のトランジスタ電圧緩衝器の出力を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記検出構成の第１の信号搬送部は、第１の検出電極を備え、前記第１の遮蔽導体は、前記第１の検出電極用の第１のシールドを備え、前記第２の信号搬送部は、第２の検出電極を備え、前記第２の遮蔽導体は、前記第２の検出電極用の第２のシールドを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の電圧緩衝器は、ドレインを含むトランジスタを備え、前記少なくとも１つの補償信号は、前記トランジスタの前記ドレインに提供されるドレイン補償信号をさらに含む、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記前置増幅器の差動増幅器で前記第１のトランジスタ電圧緩衝器の前記出力および前記第２のトランジスタ電圧緩衝器の前記出力を受信する工程と、
前記差動増幅器から差動出力を提供する工程と
をさらに含み、
少なくとも１つの補償信号を提供する前記工程は、前記差動増幅器から前記ドレイン補償信号を提供する工程を含む、請求項２５に従属する際の請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ドレイン補償信号は、前記第２のイメージ電流信号に基づく、請求項２５に従属する際の請求項２８または２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記差動増幅器は、前記第１のトランジスタ電圧緩衝器の前記出力を受信するよう構成された第１の増幅トランジスタと、前記第２のトランジスタ電圧緩衝器の前記出力を受信するよう構成された第２の増幅トランジスタとを備え、前記第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成され、前記ドレイン補償信号は、前記第２の増幅トランジスタの前記ドレイン側の信号から提供される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記ドレイン補償信号は、第１のドレイン補償信号であり、前記第２の電圧緩衝器は、ドレインを含むトランジスタを備え、前記少なくとも１つの補償信号は、前記第２の電圧緩衝器の前記トランジスタの前記ドレインに提供される第２のドレイン補償信号をさらに含み、前記第２のドレイン補償信号は、前記第１の増幅トランジスタの前記ドレイン側の信号から提供される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの補償信号は、前記検出構成の第１の遮蔽導体シールドに提供される第１のシールド補償信号と、前記検出構成の第２の遮蔽導体シールドに提供される第２のシールド補償信号とを含み、前記第１のシールド補償信号と前記第２のシールド補償信号は同じ電圧を有する、請求項２０〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の遮蔽導体シールドは、前記複数の検出電極からの第１の検出電極用のシールドを備え、前記第２の遮蔽導体シールドは、前記第２の検出電極と前記前置増幅器との間の接続部用のシールドを備え得る、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される、電圧と結合された遮蔽導体を提供する工程
をさらに含む、請求項２０〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記前置増幅器は、複数の増幅トランジスタ対を備える差動増幅器を備え、各増幅トランジスタ対は、第１のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第１の増幅トランジスタと、第２のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第２の増幅トランジスタとを備え、各増幅トランジスタ対の前記それぞれの第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成され、前記複数の増幅トランジスタ対は、並列に配列される、請求項２０〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
イオントラッピングボリュームにイオンを捕捉する工程と、
複数の検出電極を使用して、前記イオントラッピングボリュームに捕捉されたイオンからイメージ電流を検出する工程と、
前記複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される遮蔽導体を提供する工程と、
前記複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて決定される電圧を前記遮蔽導体に印加し、前記遮蔽導体と、前記第１の検出電極および前記第２の検出電極を含む検出構成の信号搬送部との間のキャパシタンスを低減させる工程と
を含む、静電イオントラッピング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンにある周期で振動するイオンパケットを形成させる質量分析器のイオン検出に関し、イオン検出器およびイオン検出方法を含む。そのような質量分析器は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型（ＦＴＩＣＲ）質量分析器、静電軌道トラッピング型質量分析器または他の任意のイメージ電流検出イオントラップを含み得る。
【背景技術】
【０００２】
フーリエ変換質量分析法（ＦＴＭＳ）の場合、質量対電荷（ｍ／ｚ）比分析の検出限界については、Ｍａｒｓｈａｌｌ，Ａ．Ｇ．，Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓｏｎ  Ｃ．Ｌ．，“Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ”，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．２００２，２１５，５９−７５で定義されている。そこでは、検出限界は、信号対雑音比３：１で検出された電荷ｑのイオンの最小数Ｍと見なされている。この検出限界は、前置増幅器の入力トランジスタの電圧雑音（Ｖｎ）と検出回路のキャパシタンス（Ｃｄｅｔ）とに比例し、検出された振動の相対振幅Ａに反比例するものとして示されている。言い換えれば、以下の通りである。
【数１】
0006002755.tif 000002
【０００３】
電圧雑音は半導体製造過程によって決定され、ここでの改善は制限される。また、検出された振動の相対振幅はトラッピング場の質によって制限され、ここでの改善もまた難しい（例えば、実用的な静電軌道トラッピング型分析器では、Ａは６０〜７０％近くである）。したがって、検出限界の改善は、検出回路のキャパシタンスＣｄｅｔを低減することによって達成できる可能性が高い。
【０００４】
国際公開第２００８／１０３９７０号パンフレットは、ＦＴＭＳ用の広帯域前置増幅器を示している。しかし、この設計では、前置増幅器のＪＦＥＴトランジスタの入力キャパシタンスが配線キャパシタンスと検出板のキャパシタンスとの和に等しいときに信号対雑音比が最適化されることが示唆される。これは、上記で推奨されるキャパシタンスの低減とは異なる手法である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
質量分析器の寄生キャパシタンスの低減は、通常、例えば、検出電極を分離することによって、検出電極のサイズを縮小することによって、または、ワイヤをできる限り短く薄くすることによってなどの消極策を介して実装される。これらのすべての方法は、漸進的な改善のみを提供する。別の方法を使用して複数のキャパシタンス源の大幅な低減を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この背景に対して、イオンに、ある周期で振動するイオンパケットを形成させる質量分析器用のイオン検出器が提供される。イオン検出器は、質量分析器においてイオンから複数のイメージ電流信号を検出するよう構成された複数の検出電極、および、複数の検出イメージ電流信号に基づいて出力信号を提供するよう構成された前置増幅器であって、出力信号はある信号対雑音比を有する、前置増幅器を備える検出構成と、少なくとも１つの補償信号を提供するよう構成された補償回路であって、各補償信号は、検出構成のそれぞれの補償部に提供され、複数の検出イメージ電流信号のうちの１つまたは複数に基づく、補償回路とを備える。検出構成の補償部の各々と検出構成のそれぞれの信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。
【０００７】
それにより、補償回路は、検出構成の各補償部と検出構成のそのそれぞれの信号搬送部との間のキャパシタンスを低減させる。この低減は、そうでなければ補償回路が存在しない場合にそうであろう値から来ている。
【０００８】
言い換えれば、検出構成の補償部の各々と検出構成のそれぞれの信号搬送部との間のキャパシタンスは、補償信号が印加されていないときに定義される。しかし、各補償信号が印加されると、各補償信号は、検出構成のそれぞれのキャパシタンスを補償し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。補償信号が印加されているときの検出構成の補償部の各々と検出構成のそれぞれの信号搬送部との間のキャパシタンスは、補償信号が印加されていないときのキャパシタンスと比べて低減される。実際には、補償信号が印加されているときの検出構成の補償部と検出構成のそれぞれの信号搬送部との間のキャパシタンスは、事実上または実質的にゼロであり得る。
【０００９】
有利には、検出構成の補償部に印加される補償信号は、検出構成のそれぞれの信号搬送部によって搬送された信号に基づく。好ましくは、補償信号のａｃ部分とそれぞれの信号搬送部によって搬送された信号のａｃ部分との間の信号振幅の差は、それぞれの信号搬送部によって搬送された信号のａｃ部分の信号振幅と比べて比較的小さい。場合により、ａｃ部分の信号振幅の差は、１０％、５％、２．５％、１％または０．５％以下であってもよい。有益には、補償信号とそれぞれの信号搬送部によって搬送された信号との間の位相の差は小さい。場合により、位相の差は、９０度、４５度、３０度、１５度、１０度、５度または１度未満であってもよい。
【００１０】
一実施形態では、検出構成の信号搬送部は、複数の検出電極からの検出電極を備え、検出構成のそれぞれの補償部は、検出電極用のシールドを備える。それぞれの補償信号をシールドに提供して、シールドと検出電極との間に事実上ゼロのキャパシタンスを生じさせることができる。ここで、シールドは、検出電極に隣接し得る。好ましくは、検出電極用のシールドは、検出電極の周りに導電面を備え、検出電極から絶縁される。より好ましくは、検出電極用のシールドは、誘電材料、好ましくは、ガラスで作られ、外部および内部金属塗装が施され、内部金属塗装はイオン信号を検出するよう構成され、外部金属塗装は補償信号を受信するよう構成される。この構成は、例えば、米国特許第５，８８６，３４６号明細書で説明される型で、Ｏｒｂｉｔｒａｐの商号で入手可能な、静電軌道トラッピング型質量分析器の場合に特に有利である。
【００１１】
それに加えてまたはその代替として、検出構成の信号搬送部は、複数の検出電極からの検出電極と前置増幅器との間にワイヤなどの接続部を備え得、検出構成のそれぞれの補償部は、接続部用のシールドを備え得る。それぞれの補償信号をシールドに提供して、シールドと接続部との間に事実上ゼロのキャパシタンスを生じさせることができる。検出電極用のシールドおよび接続部用のシールドは、電気的に接続することができる。そして、検出電極用のシールドと接続部用のシールドの両方に単一の共通の補償信号を提供することができる。
【００１２】
好ましい実施形態では、前置増幅器は、複数のイメージ電流信号からの第１のイメージ電流信号を受信するよう構成された第１の電圧緩衝器を備える。そのような実施形態では、補償回路は、第１の補償信号を提供するよう構成することができ、第１の補償信号は、第１の電圧緩衝器の出力を含む。このように、第１の補償信号は、第１のイメージ電流信号に基づく。第１の電圧緩衝器は、低出力インピーダンスを提供することができる。好ましくは、第１の電圧緩衝器は、トランジスタを備え、最も好ましくは、ゲートキャパシタンスが可能な限り低く、相互コンダクタンスが可能な限り高い低雑音ＪＦＥＴを備える。
【００１３】
いくつかの実施形態では、補償回路は、複数の検出イメージ電流信号からの第２のイメージ電流信号に基づいて、第２の補償信号を提供するようさらに構成される。第２の補償信号は、検出構成の第２の補償部に提供することができ、検出構成の第２の補償部と検出構成のそれぞれの第２の信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。ここで、前置増幅器は、第２のイメージ電流信号を受信するよう構成された第２の電圧緩衝器をさらに備え得、第２の補償信号は、第２の電圧緩衝器の出力を含む。この場合もやはり、第２の電圧緩衝器は、低出力インピーダンスを提供することができる。好ましくは、第２の電圧緩衝器は、トランジスタを備え、最も好ましくは、ゲートキャパシタンスが可能な限り低く、相互コンダクタンスが可能な限り高い低雑音ＪＦＥＴを備える。場合により、この構成の場合、検出構成の第１の信号搬送部は、第１の検出電極を備え、それぞれの補償部は、第１の検出電極用の第１のシールドを備える。これにより、第１の検出電極と接地との間のキャパシタンスが低減される。また、第２の信号搬送部は、第２の検出電極を備え得、それぞれの補償部は、第２の検出電極用の第２のシールドを備える。これにより、第２の検出電極と接地との間のキャパシタンスが低減される。
【００１４】
場合により、第１の電圧緩衝器は、共通のドレイン構成のトランジスタを備えてもよい。そして、補償回路は、トランジスタのドレインにドレイン補償信号を提供するようさらに構成することができる。これにより、トランジスタのゲートとドレインとの間の実効キャパシタンスを低減することができる。いくつかの事例では、補償回路は、検出構成の第２の補償部に第２の補償信号を提供するよう構成され、前置増幅器は、第２のイメージ電流信号を受信するよう構成された第２の電圧緩衝器を備え、第２の補償信号は、第２の電圧緩衝器の出力を含む。そのような事例では、前置増幅器は、第１の電圧緩衝器の出力および第２の電圧緩衝器の出力を受信して差動出力を提供するよう構成された差動増幅器をさらに備え得、好ましくは、差動増幅器は、ドレイン補償信号を提供するようさらに構成される。場合により、ドレイン補償信号は、特に対称差動入力信号の場合は、第２のイメージ電流信号に基づく。
【００１５】
場合により、補償信号は、より従来の方法で、すなわち、入力緩衝器のカスケード構成を使用して、提供してもよい。これは、入力緩衝器の追加のトランジスタが入力フォロワのドレインと共通のベース（またはゲート）構成で直列に接続され、共通のベース（またはゲート）トランジスタのベース（またはゲート）は、入力緩衝器の出力とＤＣ結合またはＡＣ結合されることを意味する。したがって、これにより、補償信号の提供に不要な第２の信号出力を活用することができる。
【００１６】
好ましくは、差動増幅器は、第１の電圧緩衝器の出力を受信するよう構成された第１の増幅トランジスタと、第２の電圧緩衝器の出力を受信するよう構成された第２の増幅トランジスタとを備え、第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成される。ドレイン補償信号は、第２の増幅トランジスタのドレイン側の信号から提供することができる。場合により、ドレイン補償信号は、第１の電圧緩衝器のトランジスタのドレインに提供される第１のドレイン補償信号であり、第２の電圧緩衝器は、共通のドレイン構成のトランジスタを備えてもよい。そして、少なくとも１つの補償信号は、第２の電圧緩衝器のトランジスタのドレインに提供される第２のドレイン補償信号をさらに含み得、第２のドレイン補償信号は、第１の増幅トランジスタのドレイン側の信号から提供される。これにより、トランジスタのゲートとドレインとの間のキャパシタンスを低減することができる。
【００１７】
好ましい実施形態では、補償回路は、検出構成の第１のシールド補償部に第１のシールド補償信号を提供し、検出構成の第２のシールド補償部に第２のシールド補償信号を提供するよう構成される。そして、第１のシールド補償信号と第２のシールド補償信号は同じであり得る。場合により、第１のシールド補償部は、複数の検出電極からの第１の検出電極用のシールドを備えてもよく、第２のシールド補償部は、第１の検出電極と前置増幅器との間の接続部用のシールドを備えてもよい。あるいは、第１のシールド補償部は、複数の検出電極からの第２の検出電極用のシールドを備え得、第２のシールド補償部は、第２の検出電極と前置増幅器との間の接続部用のシールドを備え得る。有利には、第１の検出電極用のシールド、第２の検出電極用のシールド、第１の検出電極と前置増幅器との間の接続部用のシールド、および、第２の検出電極と前置増幅器との間の接続部用のシールドに対する補償信号が提供される。
【００１８】
イオン検出器のさらなる有利な特徴は、複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置され、好ましくは外部の、電圧源に接続するよう構成された遮蔽導体であり得る。電圧源は、場合により、固定電圧を提供してもよい。これにより、第１の検出電極と第２の検出電極との間のキャパシタンスが低減される。場合により、電圧源は、空間電荷に起因するイオントラッピングボリュームに閉じ込められたイオンの振動の周波数の変化を補償するために、複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて遮蔽導体に電圧を提供するよう構成されてもよい。
【００１９】
有益には、前置増幅器は、複数の増幅トランジスタ対を備える差動増幅器を備え得る。ここで、各増幅トランジスタ対は、第１のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第１の増幅トランジスタと、第２のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第２の増幅トランジスタとを備え得る。そして、各増幅トランジスタ対のそれぞれの第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成することができ、複数の増幅トランジスタ対は、並列に配列することができる。これにより、１つの増幅トランジスタ対のみが使用される場合と比べて、複数の増幅トランジスタ対によって生成された雑音の総パワースペクトル密度が低減される。
【００２０】
また、本発明は、本明細書に記載されるような質量分析器とイオン検出器とを備える質量分析計も提供する。
【００２１】
本発明の関連態様では、ある周期で振動するイオンパケットをイオンに形成させる質量分析器のイオン検出方法が提供される。本方法は、検出構成の一部を形成する複数の検出電極を使用して複数のイメージ電流信号を検出する工程であって、検出構成は、前置増幅器をさらに備え、前置増幅器は、複数の検出イメージ電流信号に基づいて出力信号を提供するよう構成され、出力信号は、ある信号対雑音比を有する、工程と、少なくとも１つの補償信号を提供する工程であって、各補償信号は、検出構成のそれぞれの補償部に提供され、複数の検出イメージ電流信号のうちの１つまたは複数に基づく、工程とを含む。検出構成の補償部の各々と検出構成のそれぞれの信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。
【００２２】
あるいは、イオンに、ある周期で振動するイオンパケットを形成させる質量分析器のイオン検出方法について説明することができる。本方法は、検出構成の一部を形成する複数の検出電極を使用して複数のイメージ電流信号を検出する工程であって、検出構成は、前置増幅器をさらに備え、前置増幅器は、複数の検出イメージ電流信号に基づいて出力信号を提供するよう構成され、出力信号は、ある信号対雑音比を有する、工程と、少なくとも１つの補償信号を提供する工程であって、各補償信号は、検出構成のそれぞれの補償部に提供され、検出構成のそれぞれのキャパシタンスを補償し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす、工程とを含む。好ましくは、各補償信号は、複数の検出イメージ電流信号のうちの１つまたは複数に基づく。
【００２３】
好ましくは、検出構成の信号搬送部は、複数の検出電極からの検出電極を備え、検出構成のそれぞれの補償部は、検出電極用のシールドを備える。より好ましくは、検出電極用のシールドは、検出電極の周りに導電面を備え、検出電極から絶縁される。
【００２４】
それに加えてまたはその代替として、検出構成の信号搬送部は、複数の検出電極からの検出電極と前置増幅器との間に接続部を備え、検出構成のそれぞれの補償部は、接続部用のシールドを備える。
【００２５】
いくつかの実施形態では、前置増幅器は、複数のイメージ電流信号からの第１のイメージ電流信号を受信するよう構成された第１のトランジスタ電圧緩衝器を備え、少なくとも１つの補償信号は、第１の補償信号を含み、第１の補償信号は、第１のトランジスタ電圧緩衝器の出力を含む。このように、第１の補償信号は、第１のイメージ電流信号に基づく。場合により、少なくとも１つの補償信号は、複数の検出イメージ電流信号からの第２のイメージ電流信号に基づいて、第２の補償信号をさらに含んでもよく、第２の補償信号は、検出構成の第２の補償部に提供され、検出構成の第２の補償部と検出構成のそれぞれの第２の信号搬送部との間にはキャパシタンスが存在し、前置増幅器出力信号の信号対雑音比に影響を及ぼす。そして、前置増幅器は、第２のイメージ電流信号を受信するよう構成された第２のトランジスタ電圧緩衝器をさらに備え得、第２の補償信号は、第２のトランジスタ電圧緩衝器の出力を含む。一実施形態では、検出構成の第１の信号搬送部は、第１の検出電極を備え、それぞれの補償部は、第１の検出電極用の第１のシールドを備え、第２の信号搬送部は、第２の検出電極を備え、それぞれの補償部は、第２の検出電極用の第２のシールドを備える。
【００２６】
いくつかの実施形態では、第１の電圧緩衝器は、共通のドレイン構成のトランジスタを備え、少なくとも１つの補償信号は、トランジスタのドレインに提供されるドレイン補償信号をさらに含む。
【００２７】
そして、本方法は、場合により、前置増幅器の差動増幅器で第１のトランジスタ電圧緩衝器の出力および第２のトランジスタ電圧緩衝器の出力を受信する工程と、差動増幅器から差動出力を提供する工程とをさらに含んでもよい。そして、少なくとも１つの補償信号を提供する工程は、差動増幅器からドレイン補償信号を提供する工程を含み得る。ここで、ドレイン補償信号は、第２のイメージ電流信号に基づき得る。
【００２８】
好ましくは、差動増幅器は、第１のトランジスタ電圧緩衝器の出力を受信するよう構成された第１の増幅トランジスタと、第２のトランジスタ電圧緩衝器の出力を受信するよう構成された第２の増幅トランジスタとを備え、第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成される。好ましくは、ドレイン補償信号は、第２の増幅トランジスタのドレイン側の信号から提供される。場合により、ドレイン補償信号は、第１のドレイン補償信号であり、第２の電圧緩衝器は、共通のドレイン構成のトランジスタを備え、少なくとも１つの補償信号は、第２の電圧緩衝器のトランジスタのドレインに提供される第２のドレイン補償信号をさらに含む。そして、第２のドレイン補償信号は、第１の増幅トランジスタのドレイン側の信号から提供することができる。これにより、トランジスタのゲートとドレインとの間のキャパシタンスを低減することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの補償信号は、検出構成の第１のシールド補償部に提供される第１のシールド補償信号と、検出構成の第２のシールド補償部に提供される第２のシールド補償信号とを含む。そして、第１のシールド補償信号と第２のシールド補償信号は、好ましくは、同じである。第１のシールド補償部は、複数の検出電極からの第１の検出電極用のシールドを備え得、第２のシールド補償部は、第１の検出電極と前置増幅器との間の接続部用のシールドを備え得る。
【００３０】
好ましい実施形態では、本方法は、複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される、電圧と結合された遮蔽導体を提供する工程をさらに含む。
【００３１】
また、好ましい実施形態では、前置増幅器は、複数の増幅トランジスタ対を備える差動増幅器を備え得、各増幅トランジスタ対は、第１のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第１の増幅トランジスタと、第２のイメージ電流信号に基づいて信号を受信するよう構成されたそれぞれの第２の増幅トランジスタとを備え、各増幅トランジスタ対のそれぞれの第１および第２の増幅トランジスタは、差動対として構成され、複数の増幅トランジスタ対は、並列に配列される。
【００３２】
別の態様では、本発明は、イオンが閉じ込められるイオントラッピングボリュームを定義するトラッピング場を提供するよう構成されたトラッピング場生成器と、複数の検出電極を使用して、イオントラッピングボリュームに捕捉されたイオンからイメージ電流を検出するよう構成された検出構成と、複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される遮蔽導体と、複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて遮蔽導体に電圧を印加するよう構成されたコントローラとを備える静電イオントラッピングデバイスを提供する。
【００３３】
この静電イオントラッピングデバイス（場合により、静電軌道トラッピング型デバイスでもよい）は、有利には、第１の検出電極と第２の検出電極との間に遮蔽導体を備え、遮蔽導体は、これらの２つの電極間のキャパシタンスを低減する。好ましくは、イオントラッピングデバイスは、軸を定義し、遮蔽導体は、この軸に沿って第１の検出電極と第２の検出電極との間にある。より好ましくは、トラッピング場生成器は、軸に沿ってイオンを振動させるため、イオンを閉じ込めるよう構成される。軸は、場合により、長手方向であってもよい。有益には、コントローラは、ＡＣ電圧を遮蔽導体に印加するよう構成される。
【００３４】
その上、遮蔽導体は、上記で説明される補償回路とは異なる利益を提供する。イオン数が多いと、イオンの移動によってすべての電極に誘起されるイメージ電荷が主な原因で、イオンの振動周波数はシフトする。電極で誘起された電圧を、検出イメージ電流信号と同相のまたは位相がずれた状態に変調することで、この影響は無効になり、質量精度および分析のダイナミックレンジが改善される。
【００３５】
有利には、コントローラは、空間電荷に起因するイオントラッピングボリュームに閉じ込められたイオンの振動の周波数の変化を補償するために、複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて遮蔽導体に電圧を印加するよう構成される。イオントラッピングボリュームは軸を定義し、振動の周波数は軸方向振動に関連することが理解できる。
【００３６】
場合により、トラッピング場生成器は、軸に沿って配列された内部電極を備えてもよく、静電イオントラッピングデバイスは、第１および第２の外部電極をさらに備え、第１および第２の外部電極は、内部電極に同心円状に軸に沿って配置され、内部電極を包み込み、内部電極と外部電極との間の空間を定義し、前記空間は、イオントラッピングボリュームを定義してもよい。実施形態では、複数の検出電極は、内部電極、第１の外部電極および第２の外部電極のうちの１つまたは複数を備える。
【００３７】
好ましくは、第１の検出電極は第１の外部電極であり、第２の検出電極は第２の外部電極である。あるいは、検出電極のうちの１つは、内部電極を含み得る。また、場合により、複数の内部電極を提供してもよい。そのようないくつかの事例では、第１の検出電極は、第１の内部電極であり得る。場合により、第２の検出電極は、第２の内部電極であってもよい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、遮蔽導体は、内部電極に同心円状のリングを備える。それに加えてまたはその代替として、遮蔽導体は、内部電極の中央部分（軸に沿って）で形成されるセグメントを備え得る。
【００３９】
好ましくは、遮蔽導体は、検出電極からのＡＣ信号の有意な結合を回避するために位置する。これにより、遮蔽導体に向かう大き過ぎる引力が回避される。
【００４０】
さらなる態様では、イオントラッピングボリュームにイオンを捕捉する工程と、複数の検出電極を使用して、イオントラッピングボリュームに捕捉されたイオンからイメージ電流を検出する工程と、複数の検出電極からの第１の検出電極と第２の検出電極との間に配置される遮蔽導体を提供する工程と、複数の検出電極のうちの少なくとも１つで検出されたイメージ電流に基づいて遮蔽導体に電圧を印加する工程とを含む静電イオントラッピング方法が提供される。この方法は、場合により、本明細書で定義される対応する静電イオントラッピングデバイスに関して定義されたものを反映するため、追加の特徴をさらに含み得る。
【００４１】
また、本発明は、明確に開示される特徴の特定の組合せばかりでなく、独立して説明され、当業者が一緒に実装できる特徴のいかなる組合せにも限定されないことが理解されよう。
【００４２】
本発明は、様々な方法で実践することができ、ここでは、その中の１つが、単なる例示として、添付の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】静電トラップ型質量分析器と外部貯蔵デバイスとを含む既存の質量分析計の概略構成を示す。
【図２】既存の検出回路とともに、より詳細に、図１の既存の静電トラップ型質量分析器を示す。
【図３】本発明によるイオン検出構成の第１の実施形態を示す。
【図４】追加の詳細とともに、図３に示されるイオン検出構成実施形態の概略図を示す。
【図５】図４のイオン検出構成とともに使用するための、本発明による前置増幅器の第２の実施形態を示す。
【図６】本発明の第３の実施形態による静電トラップ型質量分析器を描写する。
【図７】図４のイオン検出構成とともに使用するための、本発明による前置増幅器の第３の実施形態を示す。
【図８】図６の静電トラップ型質量分析器と図７の前置増幅器の第３の実施形態とを組み込んだイオン検出構成を示す。
【図９】図７および８の差動入力段のための設計解の変形形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
最初に図１を参照すると、静電トラップ型と外部貯蔵デバイスとを含む既存の質量分析計の概略構成が示されている。図１の構成については、同一出願人による国際公開第Ａ０２／０７８０４６号パンフレットおよび国際公開第Ａ２００６／１２９１０９号パンフレットで詳細に説明されており、ここでは詳細に説明しない。この構成のさらなる詳細に関しては、これらの２つの文書で見ることができ、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４５】
図１は、静電トラップ型質量分析器の用途や目的をより良く理解するために含まれている。本発明はそのような静電トラップ型質量分析器に関連して説明されているが、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型（ＦＴＩＣＲ）質量分析器など、イメージ電流検出またはイオンにある周期で振動するイオンパケットを形成させる静電場を使用する他の種類の静電トラップ型質量分析器にも適用することができることが理解されよう。
【００４６】
図１に示されるように、質量分析計１０は、連続またはパルスイオン源２０と、イオン源ブロック３０と、イオンを冷却するためのＲＦ伝送デバイス４０と、線形イオントラップ質量フィルタ５０と、移動八重極デバイス５５と、イオンを貯蔵するための曲線状の線形トラップ６０と、偏向レンズ構成７０と、静電軌道トラッピング型質量分析器（Ｏｒｂｉｔｒａｐの商号の下、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃによって販売されるような）である静電トラップ７５とを備え、静電トラップ７５は、分割した外部電極（第１の電極８０および第２の電極８５を備える）と、内部電極９０とを備える。また、イオンビームの光軸上に、任意選択の補助電子増倍管（図示せず）も存在し得る。
【００４７】
ここで図２を参照すると、既存の検出回路とともに、より詳細に、図１の既存の静電トラップ型質量分析器が示されている。イメージ電流は、図２に示されるように、トラップの第１の外部電極８０および第２の外部電極８５上の差動増幅器を使用して検出される。第１の外部電極８０および第２の外部電極８５は、検出電極と呼ばれる。第１の導体８１および第２の導体８６はそれぞれ、第１のイメージ電流信号および第２のイメージ電流信号を前置増幅器２００に搬送する。
【００４８】
前置増幅器２００は、第１の増幅トランジスタＴ２と、第２の増幅トランジスタＴ１と、第１の抵抗器Ｒ１と、第２の抵抗器Ｒ２と、演算増幅器ＯＰ１とを備える。第１の増幅トランジスタＴ２および第２の増幅トランジスタＴ１は、差動対として、第１の抵抗器Ｒ１、第２の抵抗器Ｒ２および定電流源とともに接続され、差動増幅器を形成する。
【００４９】
また、図２は、様々な部分的な寄生キャパシタンスを概略的に描写し、その相互作用により、検出回路の総キャパシタンスが生じる。また、いくつかの寄生抵抗も完全を期すために示されている。検出回路の総キャパシタンスＣｄｅｔは、以下の部分的なキャパシタンスの組合せである（標準の静電軌道トラッピング型分析器に対する標準値は括弧内に提示されている）。
１．第１の外部電極８０と第２の外部電極８５との間のキャパシタンス（Ｃ１＝５ｐＦ、概算）
２．各検出電極と接地との間のキャパシタンス（Ｃ２＝２０ｐＦ）
３．各検出電極から前置増幅器に通じる導体（ワイヤ）と接地との間のキャパシタンス（Ｃ３＝５ｐＦ）
４．各検出電極と中央電極９０との間のキャパシタンス（Ｃ４＝３ｐＦ）
５．各検出電極と例えば偏向レンズ構成７０などの他の電極との間のキャパシタンス（Ｃ５＝３ｐＦ）
６．前置増幅器の第１の入力トランジスタＴ２のゲートドレインキャパシタンスおよび前置増幅器の第２の入力トランジスタＴ１のゲートドレインキャパシタンス（Ｃ６＝１０ｐＦ）
【００５０】
上記で例示されたキャパシタンス値に対し、検出器電極および前置増幅器を含む検出構成の総キャパシタンスは、以下の数式から得られる。
Ｃｄｅｔ＝Ｃ１＋  ０．５＊（Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６）
【００５１】
上記で得られる標準推定値に基づくと、Ｃｄｅｔ＝２５．５ｐＦである。
【００５２】
第１の増幅トランジスタＴ２および第２の増幅トランジスタＴ１は、通常、ＪＦＥＴトランジスタである。単一のＪＦＥＴトランジスタは、スペクトル雑音密度Ｎ（通常、ｎＶ／√Ｈｚで測定される）を有し、標準値は０．８５ｎＶ／√Ｈｚである。差動入力段の総雑音密度は、√２＊Ｎによって得られる。したがって、図２に示される構成の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、以下の数式に比例する。
Ｓ／Ｎ∝１／（Ｃｄｅｔ＊√２＊Ｎ）
【００５３】
Ｃｄｅｔを減少することによって信号対雑音比を増加することで、上記で特定される検出限界Ｍも改善できることが理解されよう。Ｃｄｅｔを低減することによって信号対雑音比を増加すれば、逆に、同じ信号対雑音比の達成に必要とされるイオンの数は低減される。
【００５４】
次に図３を参照すると、本発明によるイオン検出構成の第１の実施形態が示されている。図３に示される実施形態は、図２のものに基づいているが、かなりの数の変更を伴う。この実施形態は、イメージ電流信号を検出する方法を例示する。図１または２に示されるものと同じ特徴は、同一の参照番号で識別される。
【００５５】
この場合、外部電極８０および８５は、好ましくは、温度膨張係数の低い透明または高抵抗のガラスで作られる。それは、外部塗装は、電極８０および８５を形成する内部塗装とは接続されないが、第１の導電面１００および第２の導電面１０５を形成し、その各々は、電極８０および８５の周りを囲み、それに応じておよびそれにより、シールドとして機能するように、金属塗装（すなわち、金属被覆）される。これらの表面１００、１０５は、それらの間に間隙を有することも、場合により、この間隙を高抵抗層１１０で覆うこともできる（全抵抗は、好ましくは、１ＭＯｈｍを上回り、より好ましくは、１０ＭＯｈｍを上回る）。好ましくは、これらの表面は、ガラス形態の内部表面（図示せず）との接続も有し、電極８０と電極８５との間にバリアを形成する。
【００５６】
第１の検出電極８０および第２の検出電極８５からの第１の導体（ワイヤ）８１および第２の導体（ワイヤ）８６は、ＦＥＴトランジスタ８２および８７によってそれぞれ形成される緩衝または増幅の第１の段にこれらの電極を接続する。これらのワイヤは、第１の導電性シールド１０１および第２の導電性シールド１０６によって周りを囲まれ、第１の導電性シールド１０１および第２の導電性シールド１０６もまた、導電面１００および１０５にそれぞれ電気的に接続される。しかし、導電面１００および１０５が補償信号とのそれら自体の接続を有する場合は、接続用の導電性シールド１０１および１０６は、導電面１００および１０５に電気的に接続する必要はない。
【００５７】
電極８０および８５からの信号がＦＥＴトランジスタ８２および８７によって増幅されると、入力信号とは分離され、増幅器１２０による差動増幅ばかりでなく、能動的補償にも使用することができる。後者の場合、第１の中継器（緩衝器または増幅器）８３および第２の中継器（緩衝器または増幅器）８８は、シールド１０１および１０６ならびに導電面１００および１０５に信号を返す。このように、入力信号の全減衰は、ちょうど１である（または１に近い）。
【００５８】
したがって、電極８０、８５と、対応する導電面（シールドとして機能する）１００および１０５との間には、電圧差は形成されない。これは、第１の電極８０と第１の導電面１００との間の電位差が最小化され、その結果、第１の電極８０と第１の導電面１００との間のキャパシタンスが事実上無効化されるためである。同じことが、第２の電極８５と第２の導電面１０５にも当てはまる。拡大解釈すれば、これは、第１の導体８１と第１のシールド１０１、そして、第２の導体８６と第２のシールド１０６にも当てはまる。この手法により、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ５を実質的にゼロに低減することができる。それに加えて、上記で説明されるように、第１の電極８０と第２の電極８５との間にバリアが提供されれば、Ｃ１を減少することができる。国際公開第０３／０４８７８９号パンフレットは、医学的応用のための動電型センサに適用されるような、ある意味ではここで使用される補償と同様の一般的なキャパシタンス補償手法についての何らかの情報を提供する。
【００５９】
実際には、第１のＦＥＴ  ８２、第２のＦＥＴ  ８７、第１の中継器８３および第２の中継器８８の有限応答時間により、電極によって検出されたイメージ電流信号と能動的補償信号との間の小さな位相シフトが現れる。しかし、通常の対象周波数範囲（２００〜２０００ｋＨｚ）の場合、この位相シフトはほんの数度である。これは、少なくとも５〜１０倍でのＣ２、Ｃ３、Ｃ５の減少を妨げることはない。
【００６０】
次に図４を参照すると、追加の詳細とともに、図３に示される実施形態の概略図が示されている。また、図２に示される寄生キャパシタンスおよび抵抗もこの図面に示されている。ここでは、検出電極の各々と接地との間および導体（ワイヤ）と接地との間のキャパシタンス（Ｃ２＋Ｃ３）ならびに前置増幅器への入力と接地との間のキャパシタンス（Ｃ６）がＣｄｅｔに最も貢献している。シールド１００、１０５および１０１、１０６に加えて、第１の電圧フォロワ１３０の一部として第１の緩衝トランジスタＴ４を、そして、第２の電圧フォロワ１３５の一部として第２の緩衝トランジスタＴ３を使用して（第１の緩衝トランジスタＴ４と第２の緩衝トランジスタＴ３は同じ雑音スペクトル密度Ｎを有する）、追加の緩衝増幅器を提供することによって、さらなる能動的遮蔽が実装される。第１の電圧フォロワ１３０は、第１のシールド１０１および第１の導電面１００を駆動し、第２の電圧フォロワ１３５は、第２のシールド１０６および第２の導電面１０５を駆動する。
【００６１】
この手法は、実際に、総雑音スペクトル密度を√２倍に増加するが、検出回路の実効キャパシタンス値Ｃｄｅｔは、大幅に低減する。キャパシタンスＣ２およびＣ３を補償し、キャパシタンスＣ６を元の値の約１／５に減少することで、標準実効キャパシタンスの合計は、以下の通りとなる。
Ｃ’ｄｅｔ＝Ｃ１＋０．５＊（Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６）
＝５＋０．５＊（０＋０＋３＋０＋２）＝７．５ｐＦ
【００６２】
上述のように、前置増幅器１２０の雑音スペクトル密度は、√２倍に悪化され、２Ｎ  ｎＶ／√Ｈｚと等しくなる。それにもかかわらず、この回路のＳ／Ｎは、以下の通りとなる。
Ｓ／Ｎ’  〜１／（７．５＊２＊Ｎ）
【００６３】
図２の実施形態に対して上記で得られる１／（Ｃｄｅｔ＊√２＊Ｎ）と比べると、Ｓ／Ｎの改善Ｇは、大体以下の通りである。
Ｇ＝（２５．５＊√２）／（７．５＊２）＝２．４
【００６４】
したがって、キャパシタンスの低減はＳ／Ｎを改善させ、それは、前置増幅器の雑音パワースペクトル密度の増加に起因するＳ／Ｎの低減よりもはるかに優れたものである。しかし、特に前置増幅器内において、さらなる改善も可能である。
【００６５】
ここで図５を参照すると、図４のイオン検出構成とともに使用するための、本発明による前置増幅器の第２の実施形態が示されている。前置増幅器３００は、図４に示される前置増幅器１２０と同様である。しかし、前置増幅器３００は、前置増幅器の入力キャパシタンスを補償するための追加の特徴も含む。
【００６６】
第１の検出電極８０から前置増幅器への入力信号と同じ振幅および位相を有する信号は、第１の電圧フォロワ１３０の一部であるＦＥＴトランジスタＴ４のドレインに接続される。同様に、第２の検出電極８５から前置増幅器への入力信号と同じ振幅および位相を有する信号は、第２の電圧フォロワ１３５の一部であるＦＥＴトランジスタＴ３のドレインに接続される。これは、各電圧フォロワに対するトランジスタのすべての３つの端子が同じＡＣ電圧を有し、事実上、端子間の入力キャパシタンスがないことを意味する。
【００６７】
これは、第１の電圧フォロワ１３０のＦＥＴトランジスタＴ４のドレインに印加される信号を、追加の抵抗器Ｒ４を用いて、第２の増幅トランジスタＴ１のドレインから得ることによって達成される。同様に、第２の電圧フォロワ１３５のＦＥＴトランジスタＴ３のドレインに印加される信号は、追加の抵抗器Ｒ３を用いて、第１の増幅トランジスタＴ２のドレインから得られる。Ｒ３およびＲ４の抵抗値は、以下の方程式から選ぶべきである。
Ｒ＝２／Ｙｆｓ
式中、Ｙｆｓは、ＪＦＥＴトランジスタの順伝達アドミタンスである。ここでは、Ｃ６が事実上およそゼロまで減少するため、Ｃｄｅｔの標準値は、７．５ｐＦから６．５ｐＦに低減される。そして、Ｓ／Ｎの総合的な改善Ｇは、この場合、以下の通りとなる。
Ｇ＝（２５．５＊√２）／（６．５＊２）＝２．７７
【００６８】
Ｒ３およびＲ４の抵抗値は、上記の方程式とは異なるように選ぶこともできる。例えば、Ｒ３およびＲ４の抵抗値は、Ｃ６を過補償するように選ぶことができる。しかし、検出回路の全体的な総キャパシタンスの過補償は、前置増幅器の不安定性に通じる恐れがあるため、望ましくはない。
【００６９】
キャパシタンスのさらなる低減は、補償以外の手段で達成することができる。次に図６を参照すると、本発明の第３の実施形態による静電トラップ型質量分析器が示されている。これは、図１〜４に示される静電軌道トラッピング型質量分析器を示すが、追加の特徴を備えている。ここでは金属リング１４０として形成される導体は、第１の検出器電極８０と第２の検出器電極８５との間に設置される。金属リング１４０と電極の各々との間の間隙は同じであり、金属リング１４０は電圧源１４５に接続される。電圧源１４５は、好ましくは、外部にある。
【００７０】
通常、質量分析器の内側に適正に場を得るため、金属リング１４０には数百ボルトが印加される。この電圧は、望ましくは、検出の間は静電圧であるが、他の時間は切替可能であり得る。好ましくは、この電圧は、数（１、２または３）ミリボルトを下回るリップルを有し、好ましくは、１００〜２００ｋＨｚを下回る周波数範囲内である。金属リング１４０上の電圧は、例えば、分析されたすべてのｍ／ｚに対する最小限の過渡減衰など、機器の最適な性能を提供するように調整される。
【００７１】
この導体は、寄生キャパシタンスＣ１を同じ値で２つの部分に分割し、そのキャパシタンスを半分に低減させる。この導体に印加される電圧は、好ましくは、外部源からのものであり、米国特許第７，３９９，９６２号明細書の図１１または米国特許第７，７１４，２８３号明細書の図５で説明されるように、イオン周波数の調整に使用することができる。この金属リング電極１４０は、デバイス性能の優れた最適化に使用され、この最適化は、好ましくは、異なるｍ／ｚ比を有するイオンの異なる強度に対して較正を行う過程中に行われる。最適化の基準は、所定のｍ／ｚに対するすべての強度のイオン動態に対する一定の減衰定数、および、ｍ／ｚ（好ましくは（ｍ／ｚ）−１／２）に対するこの減衰定数の単調依存性を提供することである。
【００７２】
この場合、Ｃｄｅｔの標準値は４ｐＦに低減し、ここでは、Ｓ／Ｎは以下の数式に比例する。
Ｓ／Ｎ’’∝１／（４＊２＊Ｎ）
そして、Ｓ／Ｎの総合的な改善は、以下の通りとなる。
Ｇ＝（２５．５＊√２）／（４＊２）＝４．５
【００７３】
次に図７を参照すると、図４のイオン検出構成とともに使用するための、本発明による前置増幅器の第３の実施形態が示されている。この前置増幅器３１０は、図５の前置増幅器３００に示される特徴のすべてを含む。しかし、ここでは、前置増幅器３１０は、Ｓ／Ｎ比をさらに改善するための追加の特徴を含む。第１の増幅トランジスタＴ２および第２の増幅トランジスタＴ１は、並列に接続された一連のトランジスタ（通常、実質的に同一である）から形成される。Ｋ個のそのようなトランジスタが提供される場合（Ｋは１より大きい整数である）、複数の第１の増幅トランジスタＴ２＿１〜Ｔ２＿Ｋおよび複数の第２の増幅トランジスタＴ１＿１〜Ｔ１＿Ｋが存在する。
【００７４】
この手法は、前置増幅器の総スペクトル雑音密度を２Ｎ〜√２Ｎの範囲で低減する。Ｋ個のそのような並列のトランジスタ対の場合、緩衝段での前置増幅器の総雑音スペクトル密度は、Ｎ・［２（１＋１／Ｋ）］１／２と等しくなる。
【００７５】
実際には、並列トランジスタの入力キャパシタンスが高くなり過ぎるため、単一のＪＦＥＴから形成される単一の電圧緩衝器によって３または４つを超える並列トランジスタを駆動する際に困難があり得る。以下の表は、図２に示される設計に対して、差動段の両側に最大４つのトランジスタを備えた回路におけるＳ／Ｎの改善の推定値を提供する。また、図３〜６に示される改善についても考慮される。
【００７６】
【表１】
0006002755.tif 000003
【００７７】
Ｓ／Ｎの総合的な改善に対して表に示されるすべての数値は、イメージ電流検出システムの単純解析のための絶対上限値と見なすことができる。実際には、Ｓ／Ｎの改善は、より低いものであり得、入力トランジスタの型や、増幅器の入力緩衝段で補償信号によって作成される容量帰還の深さに依存し得る。
【００７８】
ここで図８を参照すると、図６の静電トラップ型質量分析器と図７の前置増幅器の第３の実施形態とを組み込んだイオン検出構成が示されている。また、図２に示されるものと比較するため、残存するいかなる寄生キャパシタンスおよび抵抗も示されている。
【００７９】
寄生キャパシタンスＣ４は、静電軌道トラッピング型質量分析器の物理設計によって決定される。原理上、寄生キャパシタンスＣ４は、図６に示される実施形態によって採られる手法と同様の方法で、中央電極９０を２つに分割し、高電圧キャパシタンスの分離を介して能動的補償を各半分に供給することによって、低減することができる。これは、講じられる他の対策から独立して取り組むことができる。しかし、この対策からの利得は、実質的である可能性が低く、したがって、複雑性およびコストの大幅な増加を正当化しない。その上、Ｃ４は、信号強度に影響を及ぼす最小寄生キャパシタンスを表し、中央電極９０に印加される高電圧（通常、５ｋＶに達し得る）が原因で補償が最も難しいものである。
【００８０】
要するに、上記で説明されるように、能動的補償により、原理上、標準実効キャパシタンス（Ｃｄｅｔ）を約２４ｐＦから約５または６ｐＦに低減することができる。それに加えて、採られる補償手法は、追加の設計の自由を可能にすることが期待される。例えば、ここでは、質量分析計チャンバの壁を質量分析器アセンブリにかなり近付けることができ、前置増幅器へのワイヤをより長くすることができる（必要に応じて）。最も重要なことに、能動的補償に使用されるシールド１０１および１０６ならびに導電面１００および１０５は、他の雑音源から（特に、接地ループから）の検出電極８０および８５の遮蔽も行う。したがって、上記で推奨されるものに対するさらなるＳ／Ｎの改善が可能であり得る。
【００８１】
次に図９を参照すると、図７および８の差動入力段のための設計解の変形形態が示されている。示される入力差動段は、トランジスタの何らかのカスコード組合せを備える任意の公知の回路または図９に示されるものと同じ効果を提供する他の任意の公知の回路ソリューションであり得る。
【００８２】
その段上のトランジスタは、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴまたはＢＪＴ  ｎｐｎ／ｐｎｐのような任意の低雑音型のものであり得る。Ｖｂｉａｓ電圧は、定電位でも、入力同相信号に従う電圧でもあり得る。図７および８の入力緩衝トランジスタＴ３およびＴ４は、非常に低いスペクトル雑音密度を有するトランジスタを使用することによって、総雑音密度の低減を可能にする。通常、そのような超低雑音トランジスタは、極めて大きな入力キャパシタンスを有し、例えば、ＩＦ３６０１（ＩｎｔｅｒＦｅｔ  Ｃｏｒｐ．が製造）は、雑音スペクトル密度０．３ｎＶ／√Ｈｚおよび入力キャパシタンス３００ｐＦを有し、ＩＦ９０３０の場合は、これらの数値は、０．５ｎＶ／√Ｈｚおよび６０ｐＦである。
【００８３】
図７および８に示される共通のドレイン（コレクタ）トポロジを有する入力緩衝器は、その入力キャパシタンスを無効にし、したがって、大きな入力キャパシタンスで並列トランジスタを駆動する可能性を開く。この技法は、入力緩衝器なしで差動段においてＢＦ８６２（雑音スペクトル密度０．８ｎＶ／√Ｈｚおよび入力キャパシタンス１０ｐＦでＮＸＰ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒが製造）などの従来の低キャパシタンスＪＦＥＴを使用する前置増幅器と比べて、前置増幅器雑音スペクトル密度（最大２倍まで）の良い改善を提供することができる。
【００８４】
特定の実施形態について本明細書で説明してきたが、当業者は、様々な変更形態および代替形態を企図することができる。
【００８５】
例えば、この発明は、ＦＴ−ＩＣＲ機器、ＲＦイオントラップおよび静電トラップのすべての型に適用することができ、複数の検出電極（奇数個と偶数個の両方のそのような電極）を備えた機器を含む。
【００８６】
また、この発明は、空間電荷に関連する影響の能動的補償にも使用することができる。例えば、イオン数が多いと、いかなるトラップにおいてもイオンの振動周波数はシフトする。これは、イオンの移動によってすべての電極に誘起されるイメージ電荷が主な原因である。いくつかの電極上で誘起された電圧が信号と同相のまたは位相がずれた状態に変調されれば、この影響を無効にすることができ、高い空間電荷に対するトラップの耐性をより高くすることができる。これは、順に、質量精度および分析のダイナミックレンジを改善する。
【００８７】
これを達成する方法の１つは、補償ＤＣ電圧ばかりでなく、ＡＣ信号も、金属リング１４０に印加することである。好ましくは、ＡＣ電圧は、両方の検出信号から得られ、例えば、それらの差は、ある係数でスケーリングされる。ＤＣ電圧もまた、空間電荷に起因する周波数変化を補償するためなど、信号に応じて補正することができる。これにより、質量精度を改善することができる。同じ効果に対して、検出電極自体を含む他の電極を使用することができる。
【００８８】
一例として、すべての外部電極上のＤＣ電圧は、空間電荷に起因する軸方向の周波数の低下を補償する電圧によってバイアスを付加することができる。予想される空間電荷は、分析器に注入するよう要求されたイオン数から、または、過渡信号の最初の数ミリ秒から直接、推定することができる。次いで、補償電圧を必要なレベルまでゆっくり直線状に増減することができ、その結果、全過渡信号にわたる周波数シフトが無効化される。
【００８９】
別の例では、中央電極の中央部分の近くに追加のセグメントを形成し、その結果、イオンはこれらの追加のセグメント近くを通過するが、これらのセグメントが検出電極から遠過ぎて後者へのＡＣ信号の有意な結合を引き起こすことができないようにすることができる。ＡＣ信号が検出信号から形成され、次いで、これらのセグメントに同相で印加されれば、これにより、イオンがセグメントに引き付けられる可能性がある。追加の増幅器を使用してＡＣ信号の振幅を調整することで、検出電極に形成されたミラー電荷からの引力を完全に補償する引力を引き起こすことが可能になる。その結果、振動の周波数は、ビーム全体に対して全体的にも、そして、特定のｍ／ｚまたは限られたｍ／ｚ範囲に対して部分的にも、空間電荷に依存しなくなる。
【００９０】
当業者であれば、この発明と併せて異なる型のトランジスタを使用することができることが理解されよう。一部のトランジスタは、他のトランジスタよりも低い雑音レベルではあるが、高いキャパシタンスを有し得る。そのような事例でも、これらのトランジスタがこの発明とともに使用される場合は、依然として、前置増幅器の出力側の総雑音が低減されることになる。これは、上記で説明されるように、他の発生源に起因するＣｄｅｔの低減も考慮している。
【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８】
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【図９】
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【図１】
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【図７】
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