(57)【要約】種々の局面において、イオン源、質量分析計システム、およびフィードバック回路に連結される電力供給回路が提供される。少なくとも電力供給回路を含み、かつ電荷を負荷に移動するように動作可能である電力供給部が提供される。フィードバック回路は、第１のフィードバックループにおいて、電力供給部によって供給される出力電圧のＤＣ成分に応答し、また、第２のフィードバックループにおいて出力電圧のＡＣ成分に応答して、電力供給部のコンデンサから負荷への電荷移動前の出力電圧の値、電力供給部のコンデンサから負荷への電荷移動中の出力電圧の値、および電力供給部のコンデンサから負荷への電荷移動後の出力電圧の値、のうちの少なくとも１つを表すフィードバック信号を生成する。
2009536443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析器のためのイオン源であって、
第１の電極と、
第１の電極から離間する第２の電極と、
該第１の電極および該第２の電極のうちの１つ以上に電気的に連結される電源であって、該電源は、
該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つに、スイッチを介して連結される少なくとも１つの出力ノードを有する電力供給回路であって、該第１の電極または該第２の電極のうちの少なくとも１つに電位を供給し、既定の時間に電場を確立する、電力供給回路と、
該電力供給部に供給される出力電圧のＤＣ成分およびＡＣ成分に応答するフィードバック回路であって、（ａ）該電力供給部に関連付けられるコンデンサから該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つへの電荷移動前の該出力電圧の値と、（ｂ）該電力供給部に関連付けられる該コンデンサから該第１の電極および該第２の電極のうちの少なくとも１つへの該電荷移動中の該出力電圧の値と、（ｃ）該電力供給部に関連付けられる該コンデンサから試料支持部または該第１の電極のうちの少なくとも１つへの該電荷移動の後の該出力電圧の値とのうちの少なくとも１つを表すフィードバック信号を、該フィードバック回路の出力ノードにおいて生成する、フィードバック回路と
を備える、電源と
を備える、イオン源。
【請求項２】
前記電源は、前記フィードバック信号に応答して前記出力電圧の前記値を調整する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記フィードバック回路は、
前記第１の信号および前記第２の信号を加算して加算信号を生成する加算回路と、
該加算信号および前記基準信号間の差異を決定して前記フィードバック信号を生成する差分回路と
を備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
前記フィードバック回路は、
前記電力供給部によって前記供給される電圧の前記ＤＣ成分をフィルタリングする第１のフィルタ回路と、
該電力供給部によって該供給される電圧の前記ＡＣ成分をフィルタリングする第２のフィルタ回路と
をさらに備える、請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記フィードバック回路は、
前記電力供給部によって前記供給される電圧の前記ＤＣ成分を第１の値によって分割する第１の分割回路と、
該電力供給部によって該供給される電圧の前記ＡＣ成分を第２の値によって分割する第２の分割回路と
をさらに備える、請求項４に記載のイオン源。
【請求項６】
前記フィードバック回路は、
前記電力供給部によって前記供給される電圧の前記ＡＣ成分に基づいて整流される出力を生成する信号調整回路
をさらに備える、請求項５に記載のイオン源。
【請求項７】
前記フィードバック回路は、
前記信号調整回路の前記整流出力を第３の値によって分割する第３の分割回路
をさらに備える、請求項６に記載のイオン源。
【請求項８】
前記第１の分割回路のための前記第１の値は、前記第２の分割回路のための前記第２値と、前記第３の分割回路のための前記第３の値との合成に実質的に等しい、請求項７に記載のイオン源。
【請求項９】
前記電源は、約５，０００ボルトから約３０，０００ボルトの間の範囲の電圧を質量分析計に供給可能である高圧電力供給回路である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記第１の電極は、ＭＡＬＤＩ試料支持部を備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記イオン源は、直交ＴＯＦ器の仮想イオン源であり、前記第１の電極および前記第２の電極は、第１の軌道から、該第１の軌道に垂直な第２の軌道であって、ＴＯＦ領域を通過する第２の軌道へと既定の時間にイオンを偏向するように構成される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１２】
前記イオン源は、衝突セルの出口を備え、前記第１の電極および第２の電極は、該衝突セルからイオンを引き出すように構成される、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１３】
質量分析計において、少なくとも第１の電極および第２の電極を有するイオン源またはイオン相互作用領域に連結される電力供給回路の出力を調節するための方法であって、該方法は、
該電力供給回路の該出力から、第１のフィードバック信号を受信するステップと、
該電力供給回路の該出力のリップル成分から第２のフィードバック信号を受信するステップと、
該第１のフィードバック信号および該第２のフィードバック信号を加算して、加算信号を生成するステップと、
基準信号および該加算信号間の差異を決定するステップと、
該加算信号および該基準信号間の該差異に基づいて、誤差信号を生成するステップと
を包含し、
該電力供給回路は、該誤差信号に応答して該イオン源の該少なくとも１つの電極に印加される該電圧を調節する、
方法。
【請求項１４】
前記誤差信号を生成するステップは、
第１の値に従い、前記第１のフィードバック信号を分割するステップと、
第２の値に従い、前記第２のフィードバック信号を分割するステップと
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記誤差信号を生成するステップは、前記第２のフィードバック信号を調整して整流信号を生成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記誤差信号を生成するステップは、第３の値に従い、前記整流信号を分割するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のフィードバック信号をフィルタリングするステップと、
前記第２のフィードバック信号をフィルタリングするステップと
をさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
質量分析計のための電力供給部のフィードバック回路であって、
電力供給回路の出力のＤＣ成分を表す第１の信号を生成するように構成される第１のフィードバックループと、
該電力供給回路の該出力のＡＣ成分を表す第２の信号を生成するように構成される第２のフィードバックループと、
該第１の信号、該第２の信号および基準信号に基づき、誤差信号を生成するように構成される制御増幅器と
を備える、フィードバック回路。
【請求項１９】
前記誤差検出回路は、
前記第１の信号および前記第２の信号を加算して加算信号を生成するように構成される加算回路と、
前記基準信号および該加算信号間の差異を決定するように構成される差分回路と
を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２０】
前記第１のフィードバックループは、前記第１の信号をフィルタリングするように構成される第１のフィルタ回路を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２１】
前記第２のフィードバックループは、前記第２の信号をフィルタリングするための第２のフィルタ回路を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２２】
前記第１のフィードバックループは、前記第１の信号を第１の値で分割するための第１の分割回路を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２３】
前記第２のフィードバックループは、前記第２の信号を第２の値で分割するための第２の分割回路を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２４】
前記第２のフィードバックループは、前記電力供給回路の出力の前記ＡＣ成分に基づいて、整流信号を生成するための調整回路を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【請求項２５】
前記第２のフィードバックループは、前記整流信号を分割するための第３の分割回路をさらに備える、請求項２３に記載のフィードバック回路。
【請求項２６】
前記質量分析計は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ、ＴＯＦ−ＴＯＦ、または直交ＴＯＦ器のうちの１つ以上を備える、請求項１８に記載のフィードバック回路。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（序文）
マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ｍａｔｒｉｘ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）（「ＭＡＬＤＩ」）技術の進歩により、質量分析器で研究可能な生体分子の領域が大幅に増加している。ＭＡＬＤＩ技術によって、通常不揮発性の分子をイオン化して、分析に適切な気相の無傷（ｉｎｔａｃｔ）分子イオンを生成することが可能になる。生体分子の研究に特に有用であるＭＡＬＤＩ器の一種類として、ＭＡＬＤＩタンデム飛行時間型質量分析計が挙げられ、本明細書において以下ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ  ＭＳ／ＭＳ器と呼ばれる。
【０００２】
従来のタンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）器は、多数の質量分離器（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を直列に使用する。従来のＭＳ／ＭＳ技術は、第１の質量分離器（多くの場合、質量分析の第１の次元と呼ばれる）を使用して、選択される質量対電荷（ｍ／ｚ）領域にある分子イオン（多くの場合、「親イオン」または「前駆イオン」と呼ばれる）をイオン分裂器（ｆｒａｇｍｅｎｔｏｒ）（例えば、衝突セル、光解離領域（ｐｈｏｔｏｄｉｓｓｏｃａｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）等）に送り、断片イオン（多くの場合、「娘イオン」と呼ばれる）を生成し、その断片イオンの質量スペクトルを、第２の質量分離器（多くの場合、質量分析の第２の次元と呼ばれる）を使用して入手する。
【０００３】
飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析計は、イオンの質量対イオンの電荷の比率（多くの場合、ｍ／ｚと省略される）に基づいてイオンを区別する。従来のＴＯＦ技術は、イオンの質量対電荷比（ｍ／ｚ）が異なると、同一の電場に全てのイオンを露出する場合に達成する速度が異なるという事実に依存している。結果として、イオンが検出器に到達する時間（イオン到達時間または飛行時間）はイオンの質量を表す。理論において、所定の質量対電荷比の各イオンは、独自の到達時間を有するはずである。結果として、異なる質量のイオンの混合物は、各々が異なるイオン質量に対応する到達時間信号のスペクトルを形成するはずである。このようなスペクトルは、一般的に到達時間スペクトルと呼ばれ、あるいは単純に質量スペクトルと呼ばれる。しかしながら、実際は、正確な結果を達成することは容易でなく、分析に必要とされる精度が増す程、作業が困難になる。
【０００４】
質量分析器を用いる多くの生体分子研究（例えば、プロテオミクス（ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ）研究等）において、対象の生体分子の質量の大きさの範囲は１００倍以上にもなり得る。さらに、多くの生物学的研究において、研究に利用可能な試料の量が限られている（例えば、希少（ｒａｒｅ）タンパク質、法医学試料、考古学試料等）。
【０００５】
タンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）において、一般的に、イオンがイオン分裂器（例えば、衝突セル）に入る前に、イオンの衝突エネルギを制御することもまた所望される。典型的には、これは、第１のＴＯＦ領域（ＭＳの第１の次元）から初期エネルギにイオンをまず加速し、次いで衝突セル入口の電位を調整して所望の衝突エネルギにイオンを減速することによって、ＴＯＦ／ＴＯＦタンデム質量分析計において実行される。
【０００６】
ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ  ＭＳ／ＭＳ器は、動作を有用にするための無数の構成要素の正確な整列および相互作用を必要とする非常に複雑な機械であり得る。質量分析には、イオンを集束、加速、減速、操縦、および選択するイオン光学素子が必要となる。これらの構成要素の不整列およびその電場の不均一性により、質量分析器の性能が大幅に低下し得る。
【０００７】
イオンの加速および減速に使用される電力供給部を精密に調節することは、さらに重要なことである。飛行時間型質量分析計およびその他の科学計器に使用されるパルスイオン源は、イオンを既定のエネルギに加速するためにパルス電場を使用する。電力供給部の精密な調節は、正確な結果をもたらすために重要となる。電力供給部が供給する既定のエネルギにおける変化がわずかであっても、イオンが検出器に到達する時間に影響する。つまり、既定のエネルギよりも小さいエネルギを供給することにより、イオンが検出器に到達する時間が長くなり、既定のエネルギよりも大きいエネルギを供給することにより、イオンが検出器に到達する時間が短くなる。従って、イオンを既定のエネルギに加速するために使用される電極に電力供給部が供給する電圧間の相互作用と、電極自体とによって、イオンの各パルスに移動するエネルギの精度および安定性が決定される。
【０００８】
飛行時間型質量分析計に使用されるパルス電場を生成するために、スイッチを介して電源を電極に接続および切断する。スイッチの開放時に、電力供給部は、電極から切断され、電力供給部は、電力供給部の出力部に連結されるストレージコンデンサを充電する。スイッチの閉鎖時に、ストレージコンデンサに保持される電荷は電極に移動する。電極および関連する配線の静電容量との組合せにおいて、ストレージコンデンサからの電荷移動は、電力供給部の出力電圧の急激な低下をもたらす。電極への電荷移動の直後の電力供給部の出力電圧により、加速されるイオンのエネルギが決定されるため、電荷移動直後の電力供給部の出力電圧の精密な調節は、飛行時間型質量分析システムにおいて所望される。
【０００９】
ＴＯＦ  ＭＳ／ＭＳに関連付けられる電力供給部において使用される従来の一電圧調節技術は、出力電圧波形のフィルタリング平均（ｆｉｌｔｅｒｅｄ  ａｖｅｒａｇｅ）または平均ＤＣオフセットを調節することにある。この種類の電圧調節は、鋸歯状波形をもたらし、ここで、電力供給部が負荷に接続されない場合に出力電圧は増加し、電力供給部が負荷に接続される場合に即座に減少する。鋸歯状波形は、電力供給部から負荷への電荷移動によりもたらされる。負荷の静電容量の変化により、波形の振幅が変化するが、波形の平均値は一定のままである。結果として、波形の最小値は、負荷の静電容量の変化に伴い変化する。ＴＯＦ  ＭＳ等のパルス電場を使用するシステムにおいて、この種類の電圧調節は、電荷移動後の電力供給部の出力電圧を調節しないことから不十分である。
【００１０】
負荷に接続および負荷から切断される電力供給部において使用する別の従来の調節技術は、ストレージコンデンサから負荷への電荷移動の後に可能な限り速く、電力供給部のストレージコンデンサを再充電することにある。本手法によると、オーバーシュートおよびリンギングの制御が非常に難しくなり、また、フィードバック制御システムが不安定になるパルス繰り返し速度が存在する。次のパルスが発生する前にリンギングが完全に減衰していない場合、調節は不安的になる。本調節技術は、パルスの後でなくパルスの前に電圧を調節し、負荷の静電容量の変化により、電荷移動後の出力電圧を変化させる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（概要）
種々の局面において、本教示は、電力供給回路から負荷への電荷移動後に、上記電力供給回路の出力ノードにおける、出力電圧が調節され得る精度の向上を促進する装置および方法を提供する。上記負荷は、質量分析器のためのイオン源の第１の電極および第２の電極を備えることが可能である。上記フィードバック回路は、上記電荷移動後に上記出力電圧を調節するための２つのフィードバックループを含む。第１のフィードバックループは、上記出力電圧のＤＣ成分に応答し、第１のフィードバック信号を生成する。第２のフィードバックループは、上記出力電圧のＡＣ成分に応答し、第２のフィードバック信号を生成する。上記フィードバック回路は、上記フィードバック回路の出力ノードにおいてフィードバック信号を生成し、上記電力供給回路から負荷への電荷移動後に、上記電力供給回路の上記出力電圧を調節する。電力供給回路の上記出力電圧の調節のために使用される上記フィードバック信号は、上記第１のフィードバック信号および上記第２のフィードバック信号に基づく。
【００１２】
種々の実施形態において、質量分析器のためのイオン源が提供され、上記イオン源の電力供給部は、本教示の電力供給回路およびフィードバック回路を備える。上記電源は、電力供給回路およびフィードバック回路を含み、上記第１の電極および上記第２の電極に電気的に連結される。種々の実施形態において、上記電力供給回路の上記負荷は、上記イオン源の第１の電極および第２の電極を備える。種々の実施形態において、上記第１の電極および上記第２の電極間において上記電力供給回路により確立される電位差を使用して、イオンを上記質量分析器に加速する。試料支持部が上記第１の電極を備えることが可能であるマトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）源と、イオン発生のタイミング点を提供するが、イオンを中性から必ずしも生成しない、いわゆる仮想イオン源（ｖｉｒｔｕａｌ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）とを含むがそれだけに限定されない多種多様のイオン源は、例えば、遅延引き出し（ｄｅｌａｙｅｄ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）を用いる衝突セルの出口や、直交（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ）飛行時間（Ｏ−ＴＯＦ）器に用いられる偏向器領域等において、本教示の上記電力供給回路と共に使用可能である。
【００１３】
上記電源の上記電力供給回路は、上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも１つに、スイッチを介して連結される少なくとも１つの出力ノードを有する。上記電力供給回路は、上記第１の電極または上記第２の電極のうちの少なくとも１つに電位を供給し、既定の時間に電場を確立する。
【００１４】
上記フィードバック回路は、上記電力供給部によって供給される出力電圧のＤＣ成分およびＡＣ成分に応答し、上記電力供給部に関連付けられるコンデンサから上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも１つへの電荷移動前の上記出力電圧の値、上記電力供給部に関連付けられる上記コンデンサから上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも１つへの上記電荷移動中の上記出力電圧の値、および上記電力供給部に関連付けられる上記コンデンサから上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも１つへの上記電荷移動後の上記出力電圧の値、のうちの少なくとも１つを表すフィードバック信号を、上記フィードバック回路の出力ノードにおいて生成する。
【００１５】
種々の実施形態において、本教示は、電力供給回路の出力を調節するための方法を開示する。上記方法は、電力供給回路の出力から、第１のフィードバック信号を受信するステップと、上記電力供給回路の上記出力のリップル成分から第２のフィードバック信号を受信するステップとを供給する。上記方法は、上記第１のフィードバック信号および上記第２のフィードバック信号を加算して、加算信号を生成するステップと、上記基準信号および上記加算信号間の差異を決定するステップとをさらに提供する。さらなるステップにおいて、上記方法は、上記第１のフィードバック信号、上記第２のフィードバック信号、および基準信号に基づいて誤差信号を生成するステップを提供し、上記電力供給回路は、上記誤差信号に応答して、上記出力を調節する。
【００１６】
種々の実施形態において、本教示は、質量分析計のための電力供給部フィードバック回路を開示する。上記フィードバック回路は、第１のフィードバックループおよび第２のフィードバックループを含む。上記第１のフィードバックループは、電力供給回路の出力のＤＣ成分を表す第１の信号を生成するように構成される。上記第２のフィードバックループは、上記電力供給回路の上記出力のＡＣ成分を表す第２の信号を生成するように構成される。また、上記フィードバック回路は、上記第１の信号、上記第２の信号、および基準信号に基づき、誤差信号を生成するように構成される制御増幅器回路も含む。
【００１７】
本発明の前述およびその他の目的、局面、特徴、および利点は、添付の図面と併用して以下の説明を参照することによって、より明白になり、かつより理解され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（多様な実施形態の詳細な説明）
本教示の種々の実施形態において、電力供給回路から負荷への電荷移動の後に、電力供給回路の出力電圧に関する精密な調節を容易にする調節スキームが提供される。負荷は、質量分析器において第１の電極および第２の電極を含むことが可能である。負荷は、静電容量値において変化を示すことが可能である。電力供給回路は、スイッチを介して負荷に連結される。スイッチは、負荷から電力供給部を定期的に接続および切断するように動作可能である。スイッチが電力供給回路を負荷に接続する場合、電力供給回路から負荷への電荷移動が発生する。
【００１９】
電荷移動の後に電力供給回路の出力電圧を調節するために、２つのフィードバックループを含むフィードバック回路が提供される。出力電圧のＤＣ成分に応答する第１のフィードバックループが提供される。第１のフィードバックループは、出力電圧のＤＣ成分に基づき第１のフィードバック信号を生成する。第１のフィードバック信号は、電圧分割器およびフィルタを通る。出力電圧のＡＣ成分に応答する第２のフィードバックループが提供される。第２のフィードバックループは、出力電圧のＡＣ成分に基づき第２のフィードバック信号を生成する。第２のフィードバック信号は、ＡＣカプラ、分割器、信号調整回路、別の分割器、およびフィルタを通る。
【００２０】
第１および第２のフィードバックループからの第１および第２のフィードバック信号は、加算回路に入力される。加算回路は、第１のフィードバック信号および第２のフィードバック信号を加算し、加算信号を生成する。次に、加算信号は、制御増幅器に渡され、ここで、加算信号は基準信号と比較される。基準信号と加算信号との差異により、フィードバック回路の出力ノードにおいてフィードバック信号が生成される。電力供給回路は、フィードバック信号に応答し、電力供給回路から負荷への電荷移動の後に電力供給回路の出力電圧を調節する。
【００２１】
図１は、従来の電力供給部（図示せず）によって供給される出力電圧のフィルタリングされた平均を使用する、従来の電力供給部の調節スキームの出力波形をグラフで示す。フィルタリング平均の調節スキームは、従来の電力供給部の出力から電力供給部の制御ノードに連続的なフィードバックを提供し、出力電圧の平均値を調節するように動作可能である。グラフ１００は、従来の電力供給部によって供給される出力電圧波形１０２を示す。グラフ１００は、電圧に相当するＹ軸１１０および時間に相当するＸ軸１１２を有する。グラフ１００に示されるように、出力電圧波形１０２は、平均ＤＣオフセット１０６に重畳する鋸歯状リップルによって表される。出力電圧波形は、ピーク電圧ＶＡおよびＶＢ間の差異によって決定される振幅１０８を有する。また、グラフ１００には、定期的パルス信号１０４が示される。定期的パルス信号１０４を使用してスイッチ（図示せず）を制御する。スイッチは、従来の電力供給部の出力を、静電容量値を有する負荷（図示せず）に接続するように動作可能である。定期的パルス信号１０４が高い場合、スイッチは閉鎖され、従来の電力供給部の出力は負荷に接続される。定期的パルス信号１０４が低い場合、スイッチは開放され、従来の電力供給部は負荷から切断される。このように、負荷は、スイッチを使用して、従来の電力供給部に定期的に接続される。
【００２２】
従来の電力供給部の出力は、スイッチの開放時に充電されるストレージコンデンサに連結される。スイッチを閉鎖すると、ストレージコンデンサに蓄電された電荷は、負荷に移動する。例えば、パルス信号１０４がＴＡにおいて高くなると、従来の電力供給部を負荷に接続するスイッチが閉鎖される。これにより、従来の電力供給部から負荷への電荷移動が引き起こされ、従来の電力供給部の出力電圧波形１０２を低下させる。時刻ＴＢにおいて、スイッチは開放され、従来の電力供給部は、負荷から切断される。時刻ＴＢから時刻ＴＣまでに、従来の電力供給部は、負荷から切断され、ストレージコンデンサを再充電する。出力電圧波形１０２は、時刻ＴＣにおいてスイッチが再び閉鎖されるまで着実に増加する。時刻ＴＣにおいて、スイッチは再び閉鎖され、再びストレージコンデンサから負荷への電荷移動があり、これによって出力電圧波形１０２を低下させる。上述の工程は、パルス信号１０４の周波数に応じて繰り返す。
【００２３】
グラフ１５０は、負荷の静電容量値が増加される場合の出力電圧波形１５２に対する影響を示す。ピーク電圧ＶＣおよびＶＤ間の差異によって決定される出力電圧波形１５２の鋸歯状リップルの振幅１５８は、出力電圧波形１０２の鋸歯状リップルの振幅１０８と比べて増加するが、平均ＤＣオフセット１０６は、同一の値のＶＯＳ１のままである。ゆえに、この従来の調節スキームが、平均ＤＣオフセット１０６の適切な調節を提供しているが、負荷の静電容量の増加的な変化が存在する場合に出力電圧波形を調節しないことが認められる。つまり、負荷の静電容量が変化する場合、平均ＤＣオフセット１０６は値ＶＯＳ１のままであるが、出力電圧波形の振幅は、振幅１０８から振幅１５８に変化し、電力供給部から負荷への電荷移動の後の出力電圧は、電圧ＶＡから電圧ＶＣに減少する。出力電圧の振幅の増加は、負荷の静電容量の変化に比例する。従来の調節スキームの結果、電力供給部から負荷への電荷移動の後の電圧は、調節されない。
【００２４】
この種類の調節スキームから利益を受ける多数のシステムが存在する。それにもかかわらず、この従来の調節スキームの使用は、パルス電場を使用してイオンを既定のエネルギに加速する飛行時間型質量分析計等の科学計器において不十分であり得る。飛行時間型質量分析における正確な結果は、イオン加速の精密な制御に依存する。例えば、種々の実施形態において、イオンの加速を精密に制御するために、電力供給部から負荷への電荷移動後の電力供給部の出力電圧が、調節される。なぜならば、この電圧がイオンを既定のエネルギに加速する電場を提供するからである。
【００２５】
図２Ａは、本教示を実施するための回路のトポロジを示す。この回路トポロジは、電力供給部２００Ａ、負荷２４０、および電力供給部を負荷に接続するように動作可能であるスイッチ２３０を含む。電力供給部２００Ａは、電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０を含む。フィードバック回路２２０の入力ノードは、電力供給回路２１０の出力ノード２１８に連結され、フィードバック回路の出力ノードは、電力供給回路２１０の制御ノード２１５に連結される。フィードバック回路２２０は、出力電圧を電力供給回路２１０から受信するように動作可能である。フィードバック回路２２０は、フィードバック信号を出力するように動作可能であり、このフィードバック信号は、電力供給回路２１０の制御ノード２１５への誤差信号と呼ばれ得る。電力供給回路２１０は、フィードバック信号に応答して、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に、電力供給回路２１０の出力電圧を調節する。
【００２６】
図２Ｂは、本教示を実施するために適切な別の回路トポロジを示す。この回路トポロジは、電力供給部２００Ｂ、負荷２４０、スイッチ２３０、およびフィードバック回路２２０を含む。電力供給部２００Ｂは、電力供給回路２１０を含む。フィードバック回路２２０の入力ノードは、電力供給回路２１０の出力ノード２１８に連結され、フィードバック回路の出力ノードは、電力供給部２１０の制御ノード２１５に連結される。フィードバック回路２２０は、出力電圧を電力供給回路から受信し、かつフィードバック信号を出力するように動作可能であり、このフィードバック信号は、電力供給回路２１０の制御ノード２１５への誤差信号と呼ばれ得る。電力供給回路２１０は、フィードバック信号すなわち誤差信号に応答して、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に、電力供給回路２１０の出力電圧を調節する。
【００２７】
電力供給部２００Ａは、電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０を含むように一体型として製造可能である。ゆえに、電力供給部２００Ａは、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に、電力供給部２００Ａの出力電圧を調節するように製造し得る。電力供給部２００Ｂは、電力供給回路２１０を含むが、フィードバック回路２２０を含まずに製造可能である。電力供給部２００Ｂは、汎用に既に製造されている既製の（ｏｆｆ−ｔｈｅ−ｓｈｅｌｆ）電力供給部であり得、ゆえに、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に、電力供給部２００Ｂの出力電圧を調節しない。それにもかかわらず、フィードバック回路２２０は、電力供給部２００Ｂと共に使用することにより、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に、電力供給部２００Ｂの出力電圧の調節を提供することが可能である。
【００２８】
種々の実施形態において、フィードバック回路２２０は、電力供給回路２１０の出力から複数の入力を受信するように構成可能である。電力供給回路２１０は、フィードバック信号をフィードバック回路２２０から受信可能であり、このフィードバック信号は、誤差信号と呼ばれ得る。スイッチ２３０は、電力供給部２００Ａおよび２００Ｂの外部に存在するように図示されるが、当業者は、スイッチ２３０が電力供給部２００Ａおよび２００Ｂの内部に存在可能であることを認識するだろう。電力供給部２００Ａおよび２００Ｂは、簡潔にするために、本明細書の以下において単に電力供給部２００と呼ばれる。当業者は、電力供給部２００と参照がなされる本教示に従い、電力供給部２００Ａまたは２００Ｂが実装可能であることを認識する。例えば、電力供給部２００Ｂを使用する場合、フィードバック回路２２０は、電力供給回路２１０に連結されることを理解されたい。
【００２９】
図２Ｃは、電力供給部２００の本教示に従う、電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０のブロック図をより詳細に示す。本ブロック図は、電力供給回路２１０、負荷２４０、電力供給回路２１０を負荷２４０に接続するように動作可能であるスイッチ２３０、およびフィードバック回路２２０を含む。
【００３０】
電力供給回路２１０は、高圧電流源２１２、抵抗素子２１４、および容量性素子２１６を含む。高圧電流源２１２は、抵抗素子２１４および容量性素子２１６に並列に連結される。電力供給回路２１０は、スイッチ２３０の片方の側に連結される出力ノード２１８を有する。スイッチ２３０の他方の側は、負荷２４０に連結される。容量性素子２１６は、スイッチ２３０の開放時に高圧電流源２１２から受信する電荷を蓄電し、かつスイッチ２３０の閉鎖時にその蓄電した電荷を負荷２４０に移動するように機能する。容量性素子２１６が電力供給回路２１０内に存在するように図示されるが、容量性素子２１６が電力供給回路２１０の外部に存在可能であること、ひいては電力供給部２００の外部に存在可能であることを、当業者は認識するだろう。
【００３１】
負荷２４０は、電力供給回路２１０の出力に接続可能な任意の構成要素であり得る。適切な負荷の一例として、飛行時間型質量分析計システムにおける電極であり得る。本明細書において説明されるように、負荷２４０は、スイッチ２３０によって電力供給回路２１０に接続可能である。飛行時間型質量分析計システムにおいて、例えば、負荷２４０は、電力供給部２１０からの電荷を受信し、例えば、イオンを既定のエネルギに加速するために使用可能な電場を形成する。
【００３２】
フィードバック回路２２０は、電力供給回路２１０の出力ノード２１８に連結される。フィードバック回路２２０は、第１のフィードバックループ２８０、第２のフィードバックループ２９０、加算回路２６８、および制御増幅器２７２を含む。
【００３３】
第１のフィードバックループ２８０は、分割器２５２およびオプションのフィルタ２５４を含む。分割器２５２の入力部は、電力供給回路２１０の出力ノード２１８に接続され、分割器２５２の出力は、フィルタ２５４の入力部に接続される。フィルタ２５４の出力は、加算回路２６８の入力部に接続される。第１のフィードバックループ２８０は、電力供給回路２１０の出力ノード２１８における出力電圧のＤＣ成分に応答し、出力電圧のＤＣ成分を表す第１のフィードバック信号を生成するように構成される。
【００３４】
動作において、分割器２５２は、第１のフィードバック信号を受信し、１／Ｎの値でその信号を分割する。本分割器は、分割された第１のフィードバック信号をフィルタ２５４に出力する。フィルタ２５４（例えば、低域通過フィルタ）は、分割された後の第１のフィードバック信号をフィルタリングするように機能し、第１のフィードバック信号を加算回路２６８に渡す。
【００３５】
第２のフィードバックループ２９０は、ＡＣカプラ２５０、分割器２５８、分割器２６４、信号調整回路２６２、およびオプションのフィルタ２５６（例えば、低域通過フィルタ）を含む。ＡＣカプラ２５０は、電力供給回路２１０の出力ノード２１８および分割器２５８に連結される。分割器２５８の出力は、信号調整回路２６２に連結される。信号調整回路２６２の出力は、分割器２６４の入力ノードに連結される。分割器の出力はフィルタ２５６を通過する。フィルタ２５６の出力は、加算回路２６８の入力部に接続される。
【００３６】
動作において、第２のフィードバックループ２９０は、電力供給回路２１０の出力ノード２１８における出力電圧のＡＣ成分に応答し、出力電圧のＡＣ成分を表す第２のフィードバック信号を生成するように構成される。ＡＣカプラ２５０は、出力電圧のＡＣ成分すなわち第２のフィードバック信号を第２のフィードバックループ２９０に提供するように動作する。第２のフィードバック信号は、分割器２５８によって受信され、ここで、第２のフィードバック信号を１／Ｊの値で分割する。第２のフィードバック信号は、分割された後に分割器２５８から出力され、信号調整回路２６２によって受信される。信号調整回路２６２は、第２のフィードバック信号を整流し、第２のフィードバック信号をＤＣ信号に変換するように動作可能である。第２のフィードバック信号は、信号調整回路２６２から出力され、分割器２６４によって受信され、ここで、整流された後の第２のフィードバック信号は、１／Ｋの値で分割される。次に、第２のフィードバック信号は、第２のフィードバック信号をフィルタリングするように機能するフィルタ２５６を通過する。フィルタリングされた第２のフィードバック信号は、フィルタ２５６から出力され、加算回路２６８に受信される。
【００３７】
加算回路２６８の入力部は、フィルタ２５４および２５６の出力部に連結され、また、加算回路２６８の出力部は、制御増幅器２７２の１つの入力部に連結される。加算回路２６８は、第１のフィードバック信号および第２のフィードバック信号を、第１のフィードバックループ２８０および第２のフィードバックループ２９０からそれぞれ受信する。加算回路２６８は、第１のフィードバック信号および第２のフィードバック信号を加算して、加算信号を生成するように動作する。加算信号は、加算回路２６８から制御増幅器２７２に出力される。
【００３８】
制御増幅器２７２は、加算信号を加算回路２６８から受信し、基準信号２７０を基準源（図示せず）から受信して、フィードバック信号を電力供給回路２１０に出力する。制御増幅器２７２は、加算信号および基準信号２７０間の差異を決定し、フィードバック信号すなわち誤差信号としてその差異を、電力供給回路２１０の制御ノード２１５に出力する。電力供給回路２１０は、フィードバック信号に応答して、電力供給回路２１０の出力ノード２１８において、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後に出力電圧の値を調節する。飛行時間型質量分析計において、電荷移動後の電圧を使用して、例えば、試料イオンを既定のエネルギに加速するための電場が質量分析計システムにおいて提供可能である。ゆえに、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後の電力供給回路２１０の出力電圧の調節の精度が増加することによって、イオンを既定のエネルギに精密に加速することが容易になる。
【００３９】
分割器２５２、２５８、および２６４の値は、分割器２５８および２６４の比率の積が、分割器２５２の比率に実質的に等しくなるように設定される。これらの値は、数学的に、
１／Ｎ＝１／Ｊ＊１／Ｋ
となるように選択され、ここで、１／Ｎは、分割器２５２の値であり、１／Ｊは、分割器２５８の値であり、また、１／Ｋは、分割器２６４の値である。
【００４０】
分割器の値にわずかな差異が存在し、分割器２５８および２６４の合成が、分割器２５２の正にその値に等しくならないとしても、本教示が動作不可能になるのではなく、より低い精度のフィードバック信号、つまりは電力供給回路２１０のより低い精度の調節を単にもたらすことを、本教示の観点から当業者は認識するだろう。また、分割器２５８および２６４の合成が、分割器２５２に実質的に等しくなることが一般的に好適であるが、素子の不整合、素子の許容誤差、または温度係数が、分割器２５２、２５８、および２６４の実際の値に影響する可能性があることを、本教示の観点から当業者は認識するだろう。
【００４１】
図３は、電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０によって生成される出力を表す出力波形をグラフで示す。グラフ３００は、電力供給回路２１０が供給する出力ノード２１８において観測される出力電圧波形３０２を示す。グラフ３００は、電圧に相当するＹ軸３１０および時間に相当するＸ軸３１２を有する。グラフ３００に示されるように、出力電圧波形３０２は、ＶＯＳ１の値を有するＤＣオフセット３０６に重畳する鋸歯状リップルによって表される。出力電圧波形３０２は、ピーク電圧ＶＸおよびＶＹ間の差異によって決定される振幅３０８を有する。また、グラフ３００には、定期的パルス３０４が示される。定期的パルス３０４は、スイッチ２３０を制御するように動作可能である。定期的パルス３０４が高い場合、スイッチ２３０は閉鎖され、電力供給部２００は負荷２４０に接続される。定期的パルス３０４が低い場合、スイッチ２３０は開放され、電力供給部２１０は負荷２４０から切断される。
【００４２】
時刻ＴＸにおいて、スイッチ２３０は閉鎖し、電力供給部２００は負荷２４０に接続する。スイッチ２３０が時刻ＴＸにおいて閉鎖すると、容量性素子２１６から負荷２４０への電荷移動が、約１０ナノ秒から約４００ナノ秒持続可能な電荷移動期間３３０の間に発生する。本電荷移動により、出力ノード２１８における電圧は、電圧ＶＹから電圧ＶＸに減少する。スイッチ２３０は、約１マイクロ秒から約１０マイクロ秒の間の範囲の期間閉鎖可能であり、本時間の間、電力供給部２１０が負荷２４０に電圧を供給する。時刻ＴＹにおいて、スイッチ２３０は開放し、電力供給回路２１０は負荷２４０から切断される。電荷移動期間３３０の後、ならびに時刻ＴＹおよび時刻ＴＺ間の期間中、容量性素子２１６は再充電され、出力ノード２１８における電圧は、出力電圧波形３０２に反映されるように着実に増加する。スイッチ２３０が時刻ＴＺにおいて再び閉鎖されると、別の電荷移動が発生し、出力ノード２１８の電圧は、出力波形３０２に反映されるように再び低下する。
【００４３】
グラフ３５０は、本明細書において開示される教示に従い、かつ負荷２４０の静電容量が漸増する場合の出力電圧波形３５２により示される、出力ノード２１８の電圧に対する影響を示す。グラフ３５０において、出力波形３５２の鋸歯状リップルの振幅３５８は、出力電圧波形３０２の鋸歯状リップルの振幅３０８と比べて増加するが、電力供給回路２１０から負荷２４０への電荷移動の後の出力電圧は、電圧ＶＸのままである。本教示の結果、電荷移動後の出力電圧は、負荷２４０の静電容量が増加しているにもかかわらず電圧ＶＸに調節される。増加した負荷の静電容量に対する電荷移動後の出力電圧を調節する作用は、振幅３０８が振幅３５８に増加するため、平均ＤＣオフセット３０６が、電圧ＶＯＳ１から電圧ＶＳＯ２の平均ＤＣオフセット３５６に増加することが挙げられるが、電荷移動後の電圧はＶＸに調節されたままである。ゆえに、本教示の調節スキームによって、電力供給部２００から負荷２４０への電荷移動後の、電力供給部２００の出力ノード２１８における出力電圧の値の精密な調節の提供が容易になることが認められる。
【００４４】
図４Ａは、出力電圧のＡＣ成分を出力ノード２１８から受信する、フィードバック回路２２０の第２のフィードバックループ２９０に関する一例示的実施形態を示す。第２のフィードバックループは、ＡＣカプラ２５０、分割器２５８、信号調整器２６２、分割器２６４、およびフィルタ２５６を含む。
【００４５】
電力供給回路２１０の出力ノード２１８は、ＡＣカプラ２５０によって分割器２５８にＡＣ結合される。ＡＣカプラ２５０は、コンデンサ４０１、第１の抵抗器４０３、および第２の抵抗器４０５を含む。ＡＣカプラ２５０は、出力電圧のＤＣ成分を阻止するように機能する。ＡＣカプラ２５０は、分割器２５８に連結され、この分割器２５８は、第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５によって形成される電圧分割器であり得、ノード４９０を有する。分割器２５８は、第２のフィードバック信号がＡＣカプラ２５０によってＡＣ結合された後、第２のフィードバック信号の電圧の振幅を分割する。分割器２５８の値は、第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５の値によって決定される。信号調整回路２６２は、分割器２５８のノード４９０に連結される。
【００４６】
信号調整回路２６２は、半波整流器または負のピーク検出器であり得る。信号調整回路２６２は、演算増幅器４０７、ダイオード４０９、およびコンデンサ４１１を含み得る。演算増幅器４０７は、正端子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）４６０、負端子（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）４６２、および出力端子４６４を有する。演算増幅器４０７の正端子は、分割器２５８のノード４９０に連結される。演算増幅器４０７の出力端子４６４は、ダイオード４０９のカソードに連結される。ダイオード４０９のアノードは、演算増幅器４０７の負端子４６２に連結され、ネガティブフィードバックを提供し、かつコンデンサ４１１に連結される。信号調整回路２６２は、第２のフィードバック信号の負のピークをＤＣ成分に変換することによって、第２のフィードバック信号を整流するように動作する。また、ダイオード４０９のアノードは、分割器２６４にも連結される。本記述の用語法は、正の電源電圧に適用するが、本教示が負の電源電圧にも適用可能であることを当業者は認識するだろう。
【００４７】
分割器２６４は、第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５によって表される電圧分割器であり得る。分割器２６４は、整流された第２のフィードバック信号の振幅を分割するように動作する。分割器２６４の値は、第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５の値によって決定される。分割器２５８の第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５の値ならびに分割器２６４の第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５の値は、分割器２５８および２６４の比率の積が、第１のフィードバックループ２８０の分割器２５２の比率に実質的に等しくなるように選択される。
【００４８】
分割器２６４は、フィルタ２５６に連結される。このフィルタ２５６は、コンデンサ４１７を含む低域通過フィルタであり得、かつ第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５を分割器２６４と共有することが可能である。低域通過フィルタは、フィードバック信号をフィルタリングし、フィルタリングされたフィードバック信号を加算回路２６８に渡す。フィルタ２５６は、分割器２６４から分離した個別の抵抗器を有するように構成可能である。フィルタ２５６は、演算増幅器等の能動構成要素を含むように構成可能である。
【００４９】
図４Ｂは、出力ノード２１８における出力電圧のＡＣ成分を操作する、フィードバック回路２２０の第２のフィードバックループ２９０に関する代替の回路トポロジを示す。第２のフィードバックループ２９０の代替の回路トポロジは、ＡＣカプラ２５０、分割器２５８および２６４、信号調整回路２６２、微分回路４７５、スイッチ４７０、抵抗器４７１、ならびにフィルタ２５６を含む。
【００５０】
電力供給部２００の出力ノード２１８は、ＡＣカプラ２５０によって分割器２５８にＡＣ結合される。ＡＣカプラ２５０は、コンデンサ４０１、ならびに抵抗器４０３および４０５を含み、出力電圧のＤＣ成分を阻止するように機能する。ＡＣカプラは、分割器２５８に連結され、この分割器２５８は、ノード４９０と、ＡＣカプラ２５０と共有される第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５とによって表される電圧分割器であり得る。分割器２５８は、第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５の値によって決定される値で、第２のフィードバック信号の電圧の振幅を分割する。第２のフィードバック信号の分割された値は、ノード４９０において分割器２５８から出力される。信号調整回路２６２および微分器４７５は、分割器２５８のノード４９０に連結される。
【００５１】
信号調整回路２６２は、半波整流器または負のピーク検出器であり得る。信号調整回路は、演算増幅器４０７、ダイオード４０９、およびコンデンサ４１１を含み得る。演算増幅器４０７は、正端子４６０、負端子４６２、および出力端子４６４を有する。演算増幅器４０７の正端子は、分割器２５８のノード４９０に連結される。演算増幅器４０７の出力端子４６４は、ダイオード４０９のカソードに連結される。ダイオード４０９のアノードは、演算増幅器４０７の負端子４６２、コンデンサ４１１、およびスイッチ４７０に連結される。信号調整回路２６２は、第２のフィードバック信号の負のピークをＤＣ成分に変換することによって、フィードバック信号を整流するように動作する。容量性素子４１１は、整流された信号と関連付けられる電荷を蓄電するように動作する。容量性素子４１１の電荷は、スイッチ４７０の開放時に、抵抗器４１３と４１５と容量性素子４１７との値に基づく時定数で放電する。信号調整回路２６２のダイオード４０９のアノードは、分割器２６４にも連結される。
【００５２】
微分回路４７５は、抵抗器４８１、４８４、４８５と、コンデンサ４８２および４８３と、演算増幅器４８０と、オプションの抵抗器４８９とを含む。抵抗器４８１は、分割器２５８のノード４９０およびコンデンサ４８２に連結される。コンデンサ４８２は、演算増幅器４８０の負端子４７６、抵抗器４８４、およびコンデンサ４８３に連結される。次に、コンデンサ４８３および抵抗器４８４は、演算増幅器４８０の出力端子４７８およびオプションの抵抗器４８９に連結される。オプションの抵抗器４８９は、スイッチ４７０に連結されるか、あるいはオプションの抵抗器４８９を使用しない場合、演算増幅器４８０の出力端子４７８はスイッチ４７０に連結される。演算増幅器４８０の正端子は、抵抗器４８５に連結され、抵抗器４８５は、バイアス電圧源（図示せず）の出力ノード４８６に連結される。微分器は、フィードバック信号の分割されたＡＣ成分の微分と、バイアス電圧源からのバイアス電圧との比較に基づき、スイッチ４７０を開閉するように動作可能である。フィードバックの分割されたＡＣ成分の微分の大きさが、バイアス電圧よりも大きい場合、微分器４７５はスイッチを閉鎖する。フィードバック信号のＡＣ成分の微分の大きさが、バイアス電圧よりも小さい場合、微分器４７５はスイッチを開放する。
【００５３】
スイッチ４７０は、信号調整回路２６２の出力に抵抗器４７１を接続することによって、信号調整回路２６２のコンデンサ４１１に並列に抵抗器４７１を配置するように動作可能である。抵抗器４７１をコンデンサ４１１に並列に接続することによる作用として、コンデンサ４１１が放電する時間が短縮される（例えば、より短い時定数）。これにより、フィードバック回路２２０が、負荷２４０の静電容量の急な減少により速く反応することが可能になる。抵抗器４７１は、スイッチ４７０と戻り経路（ｒｅｔｕｒｎ  ｐａｔｈ）との間に示されるが、抵抗器４７１は、スイッチ４７０と信号調整回路２６２のダイオード４０９のアノードとの間にあることも可能である。
【００５４】
分割器２６４は、第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５によって表される電圧分割器であり得る。分割器２６４は、整流されたフィードバック信号の振幅を分割するように動作する。分割器２６４の値は、第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５の値によって決定される。分割器２５８の第１の抵抗器４０３および第２の抵抗器４０５の値ならびに分割器２６４の第３の抵抗器４１３および第４の抵抗器４１５の値は、分割器２５８および２６４の比率の積が、第１のフィードバックループ２８０の分割器２５２の比率に実質的に等しくなるように選択される。
【００５５】
分割器２６４は、フィルタ２５６に連結される。このフィルタ２５６は、コンデンサ４１７を含む低域通過フィルタであり得、かつ抵抗器４１３および４１５を分割器２６４と共有することが可能である。低域通過フィルタは、フィードバック信号をフィルタリングし、フィルタリングされたフィードバック信号を加算回路２６８に渡す。フィルタ２５６は、分割器２６４から分離した個別の抵抗器を有するように構成可能である。フィルタ２５６は、演算増幅器等の能動構成要素を含むように構成可能である。
【００５６】
図５Ａ〜図５Ｄは、本教示の種々の実施形態を実施するために行なわれるステップを示すフロー図である。
【００５７】
図５Ａは、電力供給部２００の出力電圧を調節するための誤差信号を生成するために行なわれるステップに関するフロー図を示す。ステップ５００および５３０において、第１および第２のフィードバック信号がそれぞれ生成される。ステップ５６０において、第１のフィードバック信号、第２のフィードバック信号、および基準信号に基づいて誤差信号が生成される。
【００５８】
図５Ｂは、本教示のステップ５００に関するより詳細な種々の局面を示す。種々の局面において、本教示は、電力供給部２００の出力電圧のＤＣ成分を表す第１のフィードバック信号を生成し（ステップ５０５）、次に、第１の値（例えば、Ｎ）で第１のフィードバック信号を分割する（ステップ５１０）。ステップ５１５において、第１のフィードバック信号をフィルタリングする。
【００５９】
図５Ｃは、本教示のステップ５３０に関するより詳細な種々の局面を示す。種々の局面において、本教示は、電力供給回路の出力部のＡＣ成分を表す第２のフィードバック信号を生成する（ステップ５３５）。第２のフィードバック信号は、第２の値（例えば、１／Ｊ）で分割される（ステップ５４０）。分割後、第２のフィードバック信号は、整流される（ステップ５４５）。一旦分割かつ整流された第２のフィードバック信号は、第３の値（例えば、１／Ｋ）によって分割される（ステップ５５０）。第２の値および第３の値の合成が第１の値に実質的に等しくなるようにこれらの値は選択される。ステップ５５５において、第２の値によって分割、整流、および第３の値によって実質的に分割された第２のフィードバック信号は、フィルタリングされる。
【００６０】
図５Ｄは、本教示のステップ５６０に関するより詳細な種々の局面を示す。種々の局面において、本教示は、第１および第２のフィードバック信号を加算することによって、加算信号を生成するステップ（ステップ５６５）を教示する。加算信号および基準信号間の差異は、決定され（ステップ５７０）、その差分の結果、誤差信号が生成される（ステップ５７５）。電力供給回路は、その誤差に応答して電力供給回路の出力を調節する（ステップ５８０）。
【００６１】
本教示の電力供給部、電力供給回路、およびフィードバック回路は、質量分析システムにおいて使用可能であり、種々の実施形態において、電圧の切り替えが所望される場合に特に有用である。本教示の種々の実施形態が適用可能である質量分析計における電圧切り替えの例として、パルスイオン源、遅延引き出しイオン源、イオン分裂器引き出し、およびイオン偏向が含まれるがそれだけに限定されない。イオン源は、電圧の精密な制御およびイオンに与えられるエネルギが所望される用途の１つである。
【００６２】
本教示の電力供給部、電力供給回路、およびフィードバック回路は、多種多様の質量分析器において使用可能であり、その質量分析器には、例えば、ＭＳのみのシステム（例えば、線形ＴＯＦおよび直交ＴＯＦ（Ｏ−ＴＯＦ）システム）、タンデムＭＳシステム（例えば、ＴＯＦ−ＴＯＦおよび４重極ＴＯＦ（Ｑ−ＴＯＦ））、および直交（Ｏ−ＴＯＦ）システム等の飛行時間ＴＯＦシステムを含むがそれだけに限定されない。このようなシステムの適切なイオン源には、電子衝撃（ＥＩ；ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｉｍｐａｃｔ）イオン化、エレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、およびマトリックス支援レーザーイオン化（ＭＡＬＤＩ）源が含まれるがそれだけに限定されない。
【００６３】
図６は、本教示の種々の実施形態に従い電力供給部の出力が調整される質量分析計システムのイオン源６００を概略的に示す。図示されるイオン源は、ＭＡＬＤＩイオン源であるが、ＥＩおよびＥＳＩを含むがそれだけに限定されない多種多様のその他のイオン形成方法も使用可能である。種々の実施形態において、本教示は、質量分析計にＭＡＬＤＩイオン源を提供し、本イオン源は、試料６０２を試料表面（ｓａｍｐｌｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）６０３に支持可能であり、第１の電極の役割を果たす試料支持部６０１と、第２の電極６０４とを備える。多種の電極の形状および構成を使用することが可能であり、板状、格子状、円錐状、およびそれらの組み合わせを含むがそれだけに限定されない。
【００６４】
種々の実施形態において、電源（ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅ）２００は、試料表面６０３および第２の電極６０４の各々と電気的に連結される。試料表面６０３、第２の電極６０４、またはその両方は、負荷２４０を表す。電源２００は、少なくとも第１の領域６２０において、試料表面から離れる第１の方向６３０に、対象の試料イオンを加速する第１の引き出し電場を既定の時間に確立するように構成可能である。電力供給部２００は、例えば、試料表面６０３および第２の電極６０４のうちの１つ以上における電位を変更することによって、第１の引き出し電場を確立することができる。種々の実施形態において、試料表面および第２の電極のうちの１つ以上に電位を印加して、第１の引き出し電場を確立する。種々の実施形態において、試料表面および第２の電極のうちの１つ以上は、絶対的な接地または浮遊性の接地に接続され、素子上で変化する電位は接地されない。
【００６５】
種々の実施形態において、電源２００は、本教示のフィードバック回路２２０を使用して、電力供給部から試料表面６０３および第２の電極６０４のうちの１つ以上への電荷移動の後に、電力供給部２００の各々の出力電圧を調節し、試料表面６０３および第２の電極６０４間の既定の電位差を提供してイオンを加速または減速する。種々の実施形態において、本電位差は、例えば、遅延引き出しをもたらすように既定の時間に提供される。
【００６６】
種々の実施形態において、イオン源は、例えば、多電場イオン源（ｍｕｌｔｉ−ｆｉｅｌｄ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）等の２つ以上の領域において電位差を確立するように構成可能である。これらの電位差は、本教示の１つ以上の電力供給部を使用して印加可能である。例えば、種々の実施形態において、イオン源は、空間的に相互に分離している第３の電極６０６および第４の電極６０８と、試料支持部６０１と、第１の電極６０４とを含む。第３および第４の電極を使用して、第２の領域６２２および／または第３の領域６２４において、例えば、対象の試料イオンを空間的に集束する、少なくとも１つの空間的な集束電場等の追加の電場を、引き出し方向６３０に実質的に垂直な方向に確立することが可能である。
【００６７】
電源２００は、単一の機器、多数のスタンドアロン型機器、多数の統合型機器、またはそれらの組み合わせを含むことが可能である。例えば、３つ電場源（ｆｉｅｌｄ  ｓｏｕｒｃｅ）を使用する種々の実施形態において、電源は、例えば、電力供給部２００Ａによって表され、電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０を含む第１の電力供給部であって、第１の電力供給部は、試料支持部および第２の電極の１つ以上にスイッチを介して電気的に連結される第１の電力供給部と、例えば、電力供給部２００Ｂによって表され、電力供給回路２１０を含み、かつフィードバック回路２２０に連結される第２の電力供給部であって、第２の電力供給部は、第２の電極および第３の電極のうちの１つ以上にスイッチを介して電気的に連結される第２の電力供給部と、例えば、第３の電極および第４の電極のうちの１つ以上にスイッチを介して電気的に連結される電力供給部２００Ａによって表される第３の電力供給部とを含むことが可能である。種々の実施形態において、電力供給部は、約５，０００ボルトから約３０，０００ボルトの間の範囲にある電圧を提供する。
【００６８】
図７Ａおよび図７Ｂは、本教示の種々の実施形態に従い出力が調節される１つ以上の電力供給部２００を備える種々の質量分析計システムを概略的に示す。種々の実施形態において、質量分析計システムは、イオン源７０２、第１のＴＯＦ領域７０４、およびイオン検出器７０６を含む。ＴＯＦ領域の適切な構造には、ドリフト管（ｄｒｉｆｔ  ｔｕｂｅ）およびＲＦ多極イオンガイドを含むがそれだけに限定されない。適切なイオン検出器には、電子増倍管、チャネルトロン、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、および電荷結合素子（ＣＣＤ）が含まれるがそれだけに限定されない。種々の実施形態において、本システムは、第２のＴＯＦ領域７０８および可能性としてイオン相互作用領域７１０を有するＴＯＦ−ＴＯＦ質量分析計を備える。イオン相互作用領域の例として、イオン分裂器およびイオン偏向器が挙げられる。本教示の種々の実施形態に従い出力が調整される電力供給部２００は、イオン源７０２、イオン相互作用領域７１０、またはその両方に電気的に連結される。
【００６９】
適切なイオン分裂器には、衝突誘起解離（ＣＩＤ、また、衝突支援解離（ＣＡＤ）とも呼ばれる）、光誘起解離（ＰＩＤ）、表面誘起解離（ＳＩＤ）、ポストソース分解、またはそれらの組み合わせの原理に基づき動作するイオン分裂器が含まれるがそれだけに限定されない。適切なイオン分裂器の例として、衝突セル（イオンを中性ガス分子と衝突させて分裂する）、光解離セル（イオンに光子のビームを照射することにより分裂する）、および表面解離分裂器（イオンを固体表面または液体表面に衝突させることによって分裂する）が挙げられるがそれだけに限定されない。イオン偏向器の例として、時限イオン選択器および直交ＴＯＦ用のイオン偏向器が挙げられる。
【００７０】
種々の実施形態において、電源２００は、本教示の電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０を使用して、電力供給部から、イオン源７０２、イオン相互作用領域７１０、またはその両方のうちの１つ以上の電極への電荷移動の後に、電源２００の出力電圧を調節し、例えば、イオンを加速または減速するように既定の電位差を提供する。電源２００は、単一の機器、多数のスタンドアロン型機器、多数の統合型機器、またはそれらの組み合わせを含むことが可能である。種々の実施形態において、本電位差は、例えば、イオン源からの遅延引き出し、イオン偏向器によるイオン選択、衝突セルからの遅延引き出し、別の質量分析器への直交偏向等をもたらすように既定の時間に提供される。
【００７１】
図７Ａを参照すると、種々の実施形態において、イオンは、イオン源から引き出され、第１の軌道７１２に沿って第１のＴＯＦ領域７０４を介して送られ、イオン検出器７０６で検出される。種々の実施形態において、本システムは、第２のＴＯＦ領域７０８およびイオン相互作用領域７１０を備える。イオンは、相互作用領域７１０から出現し、検出器７０６が検出する前に、第２の軌道７１４に沿って第２のＴＯＦ領域を介して送られる。
【００７２】
図７Ｂを参照すると、直交ＴＯＦ（Ｏ−ＴＯＦ）に関する種々の実施形態が示される。図７Ｂに概略的に示される顕著な特徴を有する市販のＯ−ＴＯＦ器の例として、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｂｉｏｓｙｔｅｍｓ／ＭＤＳ  Ｓｃｉｅｘにより市販されるＱ−ＳＴＡＲ（登録商標）銘柄シリーズの器具が含まれるがそれだけに限定されない。適切な質量分析器７２０には、ＲＦ多極イオンガイド、ＲＦ多極イオンフィルタ（例えば、４重極）、ドリフト管、ならびに磁場セクタおよび／または静電セクタが含まれるがそれだけに限定されない。種々の実施形態において、Ｏ−ＴＯＦ器は、イオン源７０２、第１の質量分析器７２０、イオン分裂器として構成されるイオン相互作用領域７１０、パルス偏向器（ｐｕｌｓｅｄ  ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）７２２、ＴＯＦ領域７０４、およびイオン検出器７０６を備える。種々の実施形態において、ＴＯＦ領域７０４とイオン検出器７０６との間にイオンミラーを含み、例えば、同一の質量対電荷比値のイオン間のエネルギ差異を補正することによって器具性能を改善することができる。動作において、Ｏ−ＴＯＦは、一般的に、イオン源７０２から第１の軌道７１２に沿ってイオンを送り、既定の時間に、電源２００は、電圧パルスを偏向器７２２に印加し、第１の軌道７１２に実質的に垂直である第２の軌道７１４にイオンを方向付ける。本教示によると、電力供給部２００を使用して電位差を既定の時間に印加することによってイオンを偏向し、第１の軌道７１２に実質的に垂直である第２の軌道７１４にイオンを加速する。種々の実施形態において、偏向器７２２は、ＴＯＦ領域７０４のための仮想イオン源としての役割を果たす。種々の実施形態において、電源２００は、本教示の電力供給回路２１０およびフィードバック回路２２０を使用し、電力供給部からイオン偏向器７２２の１つ以上の電極への電荷移動の後に電源２００の出力電圧を調節する。
【００７３】
種々の実施形態において、Ｏ−ＴＯＦ器は、衝突セルとして構成されるイオン相互作用領域７１０を備える。種々の実施形態において、衝突セルの出力部は、電源２００によりパルス電圧が印加可能である電極を備え、衝突セルからのイオンが既定の時間に加速し、例えば、イオン偏向器７２２に対するタイミング点、仮想イオン源、またはその両方としての役割を果たす事が可能である。
【００７４】
上記説明に示されるように、本教示により、電力供給部から負荷への電荷移動後の出力電圧に関する精密な調節の提供が容易になる。種々の実施形態において、本教示により、電力供給部から負荷への電荷移動後の出力電圧を調節する能力が向上した飛行時間型質量分析計システムが提供可能である。電荷移動後の出力電圧は、この電圧がイオンの加速を決定し、例えば、器具におけるその飛行時間を決定し、かつイオンの質量の決定に最終的に使用され得る飛行時間型質量分析計システムにおいて特に重要であり得る。この電圧がわずかでも変化すると、イオンの速度に変化がもたらされ、イオンが検出器に到達する時間が変化する。結果として、飛行時間の所望されない変化は、イオン質量決定の不確実性につながり得る。従って、本教示の種々の実施形態は、器具の種々の段階においてイオンに与えられるエネルギに対する制御がより精密であり、その結果、イオン質量の測定精度が改善される飛行時間型質量分析計システムを提供することが可能である。
【００７５】
本教示について、種々の実施形態および実施例を併用して説明したが、本教示がこのような実施形態または実施例に限定されるように意図されない。それどころか、本教示は、当業者が理解する種々の代替、修正、同等物を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、従来のフィルタリングされた出力（または、平均ＤＣオフセット）調節スキームを使用する場合の、例示的波形をグラフで示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本教示の種々の実施形態を実施するために適切な回路のトポロジに関するブロック図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本教示の種々の実施形態を実施するために適切な回路のトポロジに関する別のブロック図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本教示の種々の実施形態を表すより詳細なブロック図を示す。
【図３】図３は、本教示の種々の実施形態の調節スキームを使用する場合の、代表的な波形をグラフで示す。
【図４Ａ】図４Ａは、電力供給部の出力電圧のＡＣ成分を操作する第２のフィードバックループに関する種々の実施形態の１つを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、電力供給部の出力電圧のＡＣ成分を操作する第２のフィードバックループに関する別の種々の実施形態の別の実施形態を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、本教示の実施形態を実施するために行なわれるステップに関するフロー図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａのステップ６００において実行されるステップのより詳細なフロー図を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａのステップ６３０において実行されるステップのより詳細なフロー図を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ａのステップ６６０において実行されるステップのより詳細なフロー図を示す。
【図６】図６は、本教示の種々の実施形態に従う、飛行時間型質量分析計システムのイオン源に関するブロック図を示す。
【図７Ａ】図７Ａ〜図７Ｂは、本教示の種々の実施形態に従う、種々の質量分析計システムに関するブロック図を示す。
【図７Ｂ】図７Ａ〜図７Ｂは、本教示の種々の実施形態に従う、種々の質量分析計システムに関するブロック図を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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