(57)【要約】  フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴によってイオン質量分析を実行するための装置と方法であって、ボアを備える超伝導磁石と、該磁石のボア内に受入れられる真空チャンバーとを用いる。超伝導磁石と真空チャンバーは冷却チャンバーに取り囲まれ、磁石の作動温度に到達するまで、一緒に冷却される。真空チャンバーの温度は、作動中、超伝導磁石の作動温度と同様であるので、真空チャンバー壁は、十分に冷たく、クライオジェニック真空ポンプとして機能し、真空チャンバー中の体積の強められたポンピングを提供する。磁石が非超伝導タイプであるときには、クライオジェニックポンピングをもたらすように真空チャンバーの壁部を冷却するというアプローチも使用できる。
2005515591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンサイクロトロン共鳴質量分析計であって、当該分析計は、
イオン閉じ込め磁場を生成するための超伝導磁石を有し、該超伝導磁石はボアを有し、
イオンサイクロトロン共鳴領域を有する真空チャンバーを有し、該真空チャンバーは超伝導磁石のボアに受入れられており、かつ、
冷却容器を有し、該容器は、超伝導磁石と真空チャンバーの両方を取り囲んでおり、かつ、該容器は、超伝導磁石が作動温度に到達するように、そして、真空チャンバーが超伝導磁石の作動温度と同様の温度でかつクライオポンピングを提供するのに十分な温度に到達するように、超伝導磁石と真空チャンバーとを共に冷却するための手段を有している、
前記イオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項２】
超伝導磁石の作動温度が、１２０ケルビンよりも下である、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項３】
真空チャンバーが、８０ケルビンよりも低い温度に冷却される、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項４】
冷却するための手段が、液体クライオジェンを用いるものである、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項５】
液体クライオジェンが液体ヘリウムである、請求項４に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項６】
冷却するための手段が、クライオジェンを用いない冷却機を有している、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項７】
真空チャンバーと超伝導磁石のボアとの間に配置された放射シールドを更に有している、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項８】
さらに信号増幅器を有しており、該増幅器は、真空チャンバーの中にありかつ真空チャンバーと直接的な熱接触の状態にある、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項９】
磁石のボアが縦方向ポジションとなるように、超伝導磁石と真空チャンバーがポジションを取っている、請求項１に記載のイオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項１０】
イオンサイクロトロン共鳴質量分析測定を実行する方法であって、
イオン閉じ込め場を生成するための超伝導磁石を用意することを有し、イオンサイクロトロン共鳴領域を有する真空チャンバーを用意することを有し、該真空チャンバーは超伝導磁石のボアに受入れられており、かつ、超伝導磁石と真空チャンバーが共に冷却されるのを可能とするよう、超伝導磁石と真空チャンバーの両方を取り囲んでいる冷却チャンバーを用意することを有し、
超伝導磁石が作動温度に達し、かつ、真空チャンバーがクライオポンピングを提供するのに十分に冷たい温度に達するまで、該超伝導磁石と該真空チャンバーを冷却することを有し、
イオンサイクロトロン共鳴領域内にイオン閉じ込め場を生成するように、超伝導磁石にエネルギーを加えることを有し、
調べるべきイオンを、真空チャンバーのイオンサイクロトロン共鳴領域に注入することを有し、かつ、
イオンによって生成されるサイクロトロン共鳴信号を検出することを有する、
前記方法。
【請求項１１】
冷却するステップが、超伝導磁石を１２０ケルビンよりも低い作動温度に冷却する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
冷却するステップが、真空ハウジングを８０ケルビン未満の作動温度に冷却する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
冷却するステップが、液体クライオジェンによるものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
液体クライオジェンが液体ヘリウムである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
冷却するステップが、クライオジェンを用いない冷却機によるものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
検出するステップが信号増幅器によるものであり、該増幅器は、真空チャンバーの中にありかつ真空チャンバーと直接的な熱接触の状態にある、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
イオンサイクロトロン共鳴質量分析計であって、当該分析計は、
磁石を有し、該磁石は、該磁石のボア内にイオン閉じ込め磁場を生成するためのものであり、
イオンサイクロトロン共鳴領域を有する真空チャンバーを有し、該真空チャンバーは磁石のボアの内側に受入れられており、
真空チャンバーの壁部に関して、該真空チャンバーの内側にクライオジェニックポンピングをもたらすのに十分に冷たい温度へと、真空チャンバーを冷却するための手段を有する、
前記イオンサイクロトロン共鳴質量分析計。
【請求項１８】
イオンサイクロトロン共鳴質量分析測定を実行する方法であって、
イオン閉じ込め場を生成するための磁石を用意することを有し、かつ、イオンサイクロトロン共鳴領域を有する真空チャンバーを用意することを有し、該真空チャンバーは超伝導磁石のボア内に受入れられており、
真空チャンバーの壁部に関して、該真空チャンバーの内側にクライオジェニックポンピングをもたらすのに十分に冷たい温度へと、真空チャンバーを冷却することを有し、
イオンサイクロトロン共鳴領域内にイオン閉じ込め場を生成するように、磁石にエネルギーを加えることを有し、
調べるべきイオンを、真空チャンバーのイオンサイクロトロン共鳴領域に注入することを有し、かつ、
イオンによって生成されるサイクロトロン共鳴信号を検出することを有する、
前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概しては、質量分析法（マススペクトロメトリー；mass spectrometry）に関し、より詳細には、イオンサイクロトロン共鳴によってイオンを検出するイオン質量分析法のための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
フーリエ変換イオンサイクロトロン質量分析法（ＦＴＩＣＲＭＳまたはＦＴＭＳ）は、一般的に知られた器械的方法であって、他の現在利用できる質量分析法（mass analysis）よりも、より高い質量分解能、より大きな質量解像パワー、より高い質量精度をもたらす。ＦＴＩＣＲＭＳの原理は、幾つかの最近の総説やその中で引用されている論文に良く記載されている。これらの評論記事には、次のものが含まれる。
A.Marshall, フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析法の技術進歩の一里塚 (Milestones in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry Technique Development), 質量分析法の国際ジャーナル(International Journal of Mass Spectrometry), Volume 200, 2000, pp.331-356、
Amster,I.J., フーリエ変換質量分析法(Fourier Transform Mass Spectrometry), J.Mass Spectro. 1996, 31, 1325-1337、
A.Sarah, E.Lorenz, P.Maziarz III, and T.Wood, 高分子のエレクトロスプレーイオン化フーリエ変換質量分析法(Electrospray Ionization Fourier Transform Mass Spectrometry of Macromolecules)、
分光学に注いだ最初の１０年(The First Decade, Applied Spectroscopy), Volume 53, No.1, 1999, pp.18A-36A、および、
A.Marshall and C.Hendrickson, フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴検出(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Detection)、原理と実験の構成(Principles and Experimental Configurations), 質量分析法の国際ジャーナル(International Journal of Mass Spectrometry), Volume 215, 2002, pp.59-75。
【０００３】
ＦＴＩＣＲＭＳの実行は、電場と磁場の組合せにより達成され、イオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）の原理に基いている。Lawrence,E.O.；Livingston,M.S., サイクロトロン, Phys.Rev. 1932,40,19を参照のこと。均一な静磁場の存在下でのイオンは、磁場に対する垂直な面内において円軌道にて運動するように制約され、その磁場に平行な運動には制限されない。この円運動の半径は、磁場に対する垂直な面内におけるイオンの運動量に依存する。円運動の周波数（サイクロトロン周波数）は、イオンの質量−電荷の比と磁場強度との関数である。更に、トラッピング（捕捉）電極は静電場を生じさせ、該静電場は、イオンが磁場のラインに沿って逃れるのを防止する。イオンはトラップ内に閉じ込められ、真空がかなり高い限り（典型的には、＜１０−９ｍbar）、イオン／中性の衝突は最小化され、イオントラッピング時間は最大化される。このような条件の下では、イオンは長時間収容され得るが、一般的な質量分析法の実験では、典型的には、数秒のオーダーである。
【０００４】
イオンが最初にトラップされるとき、イオンは、初期の低い振幅のサイクロトロン半径（それらの熱速度の分布と、それらの初期のラジアルポジションによって規定される）を有している。この低い振幅の運動は、ランダムな初期位相であって、「非干渉性(incoherent)」振動性運動と言われる状態である。これらのイオンがトラップされる一方、振動電場が磁場に垂直に印加され得、それが、振動電場の振動数と等しいサイクロトロン振動数を有するイオンに、共鳴を引き起こす。共鳴イオンは、振動電場からエネルギーを吸収し、加速され、運動エナルギーを得て、より大きな軌道半径へと移動する。「イオン励起」と言われるこの過程は、低い初期の熱振動の非干渉性サイクロトロンのトップに、大きい振幅の干渉性(コヒーレント)サイクロトロン運動を加える。正味の効果は、与えられたサイクロトロン周波数のイオン（従って、質量）が、パケットとして軌道を動くというものである。印加される励起場がスイッチを切られるとき、イオンはエネルギーを吸収するのを止め、次いで、パケットは、イオンの基本サイクロトロン振動数（それがこのパケットを作る）にて、チャンバーを軌道を描いて回る。イオンパケットは、近傍の電極に、同一サイクロトロン振動数で振動するイメージポテンシャルを誘導することによって信号を生成する。電極に誘導された信号は、増幅され、検出され、デジタル化され、コンピューターメモリーに保存されることができる。信号は、典型的には、上記の特徴的振動数をもった減衰サイン波動関数の形態である。イオンが閉じ込められる磁場が比較的均一である限り、振動数は非常に正確に測定でき、その結果、質量−電荷比は高い精度をもって測定できる。
【０００５】
米国特許第3,937,955号、名称「フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴分析法の方法と装置」は、ブロードバンド増幅器を用いて信号を検出し、それに続いて、該信号にフーリエ変換を行い、完全な質量スペクトルを提供する方法を開示している。この技術は、全てのイオンを同時に、そして、非常に高い質量精度をもって、獲得し、検出するのを可能としている。
【０００６】
米国特許第4,535,235号、名称「イオンサイクロトロン共鳴セルへのイオンの注入のための装置と方法」は、磁場の外部で生成したイオンを、分析のためにＩＣＲセルに注入し得ることを教示している。これによって、ＩＣＲへのイオンの注入前に、イオンは、イオンガイドに沿って運ばれ、質量選択やエネルギー減衰などの種々の機能のために、電場にさらされる。イオンはＩＣＲセル内にトラップされるが、トラッッピングや分裂(fragmentation)を増大させるために他の技術が実行される。
【０００７】
ＦＴＩＣＲＭＳ実施の事実上のあらゆる態様がより高い磁場では改善される、というこは一般的に知られている。例えば、１４テスラの磁石は、現在広く利用可能な７テスラの機器と比較すれば、分解能と信号強度は３倍となり、質量精度は２倍改善され、衝突性活性化解離（ＣＡＤ）分裂エネルギーは４倍増大し、ｍ／ｚ上限は４倍増大するであろう。
【０００８】
ＦＴＩＣＲＭＳで使用される型の高電場磁石は、概しては電磁石であり、とりわけていうと、現代の超伝導材料の磁場強度、安定性、均一性の点からは、超伝導電磁石である。現在利用できる超伝導磁石材料は、超伝導性を保持するために、低温（可変であるが、典型的には＜１０Ｋ）で維持される必要がある。従って、これらの磁石は、通常、液体ヘリウム（〜４．２Ｋ）へ浸漬することによって冷却される。液体ヘリウムの価格が比較的高いので、この浸漬容器（デュワー(Dewar)と呼ばれている）は、ヘリウムの蒸発損レートを減少させるために、引き続いて液体窒素（ずっと安価である）に浸される。米国特許第5,848,532号によって開示されている低温冷却の新規方法が最近適用され、液体窒素やクライオジェン（cryogen、極低温流体）ヘリウムの蒸発損(boil-off)を大きく減少させ、現在、幾つかの会社は、全くクライオジェンを使用しない超伝導磁石システムを提供している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＦＴＩＣＲＭＳの実験への超伝導電磁石の適用が、理想的な超伝導電磁石の設計と理想的なＦＴＩＣＲＭＳの実験との間での、いくらかの妥協案となっている。一般的に、磁石のボアサイズが狭い程、ＦＴＩＣＲＭＳに関して、十分な均一性と安定性をもって高い磁場を生成することが容易になる。しかし、狭い磁石ボア直径は、また、ＦＴＩＣＲＭＳの実験に場所を提供する真空チャンバーもまた狭いものであるということを意味し、よって、システムのポンピング速度を制限することを意味する。現在使用されている典型的なＦＴＩＣＲＭＳ真空チャンバーは、１００から１５０ｍｍの範囲であり、これは、現在のＦＴＩＣＲＭＳの設計において高い磁場と高い真空とを同時に達成することの、互いに排他的な目標同士間のトレードオフを表している。上記真空チャンバーを収容するのに十分なボア直径をもった、そして、必要な磁場均一性をもった（典型的には、５ｃｍ直径×５ｃｍ長さの円筒領域にわたって、＜１０ｐｐｍ）、より高い磁場システムを設計しようとするならば、磁石は、より多数の巻き線とより大きなサイズの磁石（および、より大きなデュワー）が必要となるだろう。これによって、より高いシステム価格と、より大きな占有面積（footprint)が生じる。実験室のスペースと資金が必要品を縮小させているので、このアプローチは実現可能であるが、望ましくない。
【００１０】
より高い磁場をもたらす別のアプローチは、ボア直径の減少であり、一方、巻き線の数と磁石サイズは維持することである。ＮＭＲ場のいたるところで使用される磁石は、典型的には、２５ｍｍ−５４ｍｍのボア直径であり、１ｃｍの球状体積（ＦＴＭＳにとっては十分またはそれ以上である）にわたって、０．１ｐｐｍの均一性をもたらす。このような直径に高真空システムを設置することを考えるならば、ポンピング速度は、ボアチューブの小さなスロートのために、直ちに重大な問題になる。例えば、内径２５ｍｍ、長さ０．５ｍの真空システムは、理想的なケース（イオンオプティクス、支持ブラケット、またはワイアーが、流れ（Ｃ＝１２Ｄ３／Ｌ、ここでＣはコンダクタンス、Ｄは真空チャンバーの直径、Ｌは真空チャンバーの長さである）をブロックしているケース）において、３．７５〔l／秒〕の最大コンダクタンス（分子流動状況で）を有するだろう。Moore,J.H.,C.C.,Coplan,M.A., サイエンス装置の構築、設計と構造の実用ガイド, 第２版, Perseus Books Publishing ； L.L.C., Perseus, Massachusetts, 1991 を参照のこと。イオンが大きい振幅であり続けるのに必要な圧力状況＜１×１０−９ｍbarを達成すると、干渉性サイクロトロン軌道は、ポンピング速度３．７５〔l／秒〕によって非常に困難になる。真空チャンバー壁部のガス放出を考慮するとき、またはパルス性衝突気体を用いる実験を行うとき、これは特に真である。ベークアウト無しでのポンピングの１日後の基礎圧力１×１０−７ｍbarを維持するステンレススチール真空チャンバーは、表面の１平方ｃｍ毎に対してポンピング速度０．１〔l／秒〕を必要とする。直径２５ｍｍ、長さ０．５ｍのチューブは、セル、イオンオプティクス、ワイアなどの加えられた表面積を無視して、ほぼ８００ｃｍ２の表面積を有する。最小ポンピング速度８００〔l／秒〕が必要である。１×１０−９ｍbarにおいて、必要なポンピング速度は、大きさが約２オーダー大きい。３．７５〔l／秒〕のポンピング速度では、一般的には不十分である。
【００１１】
また、「新規なエレクトロスプレー・イオン化・イオンサイクロトロン共鳴質量分析法を用いた高分解精度の質量測定(High-Resolution Accurate Mass Measurements of BiomoleculesUsing a New Electrospray Ionization Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer)」という標題の論文、B.E.Winger, S.A.Hofstadler, J.D.Bruce, H.R.Udseth, R.D.Smith, 質量分析法のための米国団体誌(Journal of American Society for Mass Spectrometry), Volume 4, 1993, pp.566-577には、改良されたポンピング速度のために、真空システムに搭載されたクライオパネルを有するＦＴＩＣＲＭＳ装置が記載されている。この装置は、ＦＴＭＳ磁石内の室温高真空チャンバー中に大きな表面積の冷アレー（ほぼ２０ケルビン）を挿入している。この装置により、Wingerらは、改良されたポンピング速度を明瞭に示している。しかし、該装置は、室温のボア磁石、室温の真空システムを用い、真空システム内のパネルのみが冷却されている。
【００１２】
また、「ＥＢＩＴからの最高のチャージ状態イオンのクライオジェニック（極低温）ペニングトラップにおける閉じ込め(Confinement in a Cryogenic Penning Trap of Highest Charge State Ions from EBIT)という標題の論文、D.Schneider, D.A.Church, B.Beinberg, J.Steiger, B.Beck, J.McDonald, E.Magee, D.Knapp, Rev.Sci.Instrum.65(11),1994年11月,pp.3472-3478において、クライオジェニック電子ビームイオントラップ（ＥＢＩＴ）およびクライオジェニック・ペニングトラップ（ＲＥＴＲＡＰ）の設計と使用が示されている。ＥＢＩＴは、トラップされたイオンの物理的な場の内部で広く利用される実験物理装置である。これらの装置は、大きな磁場（数テスラ）を用い平行にされた高流動電子ビームによって生成される電場内で陽イオンをトラップするように設計されている。これらの装置の主要目的は、原子分光測定のためである。ＥＢＩＴトラッピングモードは、全ての分子をフラグメント化し、残りの原子から電子を剥ぎ取る（例えば、電子が無く裸の核であるウラニウム９２＋原子イオンを生成する点にまで）。このために、ＥＢＩＴは、分子の分析に基本的に限定され、元のままの生体分子の分析には完全に不適切である。しかし、電子ビームは止められ得、次いで、陽原子イオンはＲＥＴＲＡＰに移されることができ、そこでは、単一種をモニターする実験が行われる。イオン検出は、与えられた時間にただ一つのイオンの軸振動数を測定できる同調回路によって観察され、この方法は、ブロードなｍ／ｚ範囲にわたる質量分析法に不適切なものとなる。ＲＥＴＲＡＰは、液体ヘリウムによって冷却されるヘルムホルツコイルによって生じる磁場を用いる。ヘルムホルツコイルシステムは、コイルの半径に等しい距離で離れて位置する２つの同様な巻き層コイルからなる。この形状は、光学的実験を行うために、光学的アクセスポートが、コイルの間に搭載されるのを可能とする利点を有する。Schneiderらは、真空チャンバー内に、ヘルムホルツコイルと液体クライオジェンとを備える磁石アセンブリーを懸架している。またイオンガイドを含む真空チャンバーは、トラップ内でクライオスタット条件を維持するのを助けるために、液体窒素の浴中に更に沈められる。これは、作動のために多量の液体クライオジェンを必要とする強力な方法であり、真空システムと超伝導磁石との間の熱移動を減少する最小の試みが明らかとなっている。加えて、超伝導磁石は真空システムと統合されるので、ルーチンのメンテナンスとサービスを含む通常の操作プロシージャーは労の大きいものとなる。トラップまたは磁石へのアクセスは、真空を外界に発散することを必要とし、トラップをサービスするために、磁石は放電される必要があり、真空チャンバーまたは磁石アセンブリー内に氷が生成するのを防止するために温める必要がある。基礎的な物理研究のために、高度なクライオジェン消費速度と外部操作の努力が一般標準(norm)であった。しかし、商業的なアプローチからは、この設計は経済的に魅力的ではない。
【００１３】
基礎的な物理研究において、Schneiderらによって使用されたようなペニングトラップは、イオンの軸運動をトラップし検出するのに使用され、従って、それらは、磁場軸に沿って双曲線電場を維持するように設計され、その結果、軸振動数は、振動にわたって殆どシフトしない。ＦＴＩＣＲ質量分析装置では、ＩＣＲセルは、イオンをトラップし、イオンの軸運動よりもイオンのサイクロトロン運動を検出するように設計される。この機能は、電場内および磁場内において、ラジアルな均一性を必要とする。
【００１４】
ペニングトラップ装置の幾つかは、Wingerらによって述べられているように、クライオジェニックではあるが、ボア直径を最小化することによる磁場強度や均一性の改善の努力はとられない。これは、原子イオンの質量範囲内において、より高い場の必要性が殆ど無いからである。
【００１５】
ペニングトラップが非常に低い温度（＜４．２Ｋ）で保持される幾つかの装置があり、高い質量精度のトラップイオン質量測定のために使用されてきた。G.Gabrielse, X.Fei, L.A.Orozco, R.L.Tjoelker, J.Haas, H.Kalinowsky, T.A.Trainor, and W.Kells, １００ｍｅＶよりも低いアンチプロトンの冷却と減速(Cooling and Slowing of Antiprotons below 100meV), Physics Review Letters, Volume 63, 1989, pp.1360-1363を参照のこと。このケースでは、真空システムおよび磁石のボアチューブは全体的に室温で保持され、クライオジェンで冷却されたプローブ（その中にペニングトラップを有する）は、室温磁石ボアチューブ内に挿入される。イオンは、内部電子衝突によって生じる、または、外部ポジトロン源を用いてイオンを生成する。イオンは、チタンウインドー（そこで、イオンは幾分かの運動エネルギーを失う）を通り、高運動エネルギー（＞１ｋｅＶ、しかし典型的には、＞１ＭｅＶ）で移動させられ、セルにトラップされる。イオンオプティクスは最小であり、ペニングトラップは完全に取り囲まれ、その結果、圧力は、＜１×１０−１２ｍbarまで降下する。イオン質量の測定は、共鳴回路を用いて行われ、既知の質量の精度（測定の間に幅広い範囲の質量が応答する質量分析法と同一ではない）が改善される。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の概要
上記の観点で、本発明は、イオンサイクロトロン共鳴質量分析法のための装置を提供する。当該装置は、磁石（好ましくは超電導磁石）を有し、該磁石は、そのボア内にイオン閉じ込め磁場を生成させるためのものであり、また、当該装置は、該ボアの内側に受入れられる真空チャンバーを有する。真空チャンバーの寸法は、磁石のボアの寸法に近く、好ましくは、磁石のデュワーと真空チャンバーとの間に最小の熱的シールドしかないか、または熱的シールドはなく、磁石のデュワーと真空チャンバーとの間の熱的交換が防止されるようになっている。磁石と真空は冷却チャンバー内に収容され、それらは一緒にクライオジェニック的に冷却されることができる。このことから、真空チャンバーが、超伝導磁石の作動温度に近い温度まで冷却されることが可能となる。作動中の真空チャンバーの低温から、チャンバーの壁部がクライオジェニック真空ポンプとして機能することが可能となり、それによって、チャンバー内の真空が増大する。
【００１７】
本発明はまた、イオンサイクロトロン共鳴質量分析法を実行する方法を提供する。磁石（好ましくは超伝導磁石）が、該磁石のボア内にイオン閉じ込め磁場を生成させるために用意され、そして、真空チャンバーが、該磁石のボア内に位置し、好ましくは、磁石のデュワーと真空チャンバーとの間の熱交換を可能とする最小の熱的シールドをもって磁石のボア内に位置する。磁石と真空チャンバーの両方は、冷却チャンバー内に置かれ、超伝導磁石が作動温度に到達するまで、そして、真空チャンバーが、クライオポンピングを生じるのに十分低い温度に到達するまで、磁石と真空チャンバーの両方は一緒に冷却される。次いで、調べるべきイオンが、磁石によって生成されたイオン閉じ込め場内の真空チャンバーに注入され、イオンサイクロトロン共鳴の手段によって分析される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
添付した請求項は、独自性を有する本発明の性質を述べているが、本発明は、その目的と利点と共に、添付の図面を伴なう以下の詳細な説明から最も良く理解できるであろう。
【００１９】
好ましい態様の詳細な説明
図面を参照すると、図１は、従来の先行技術のＦＴＭＳデバイス１０を示している。このデバイスは、従来のＦＴＭＳの設計にける問題点を説明する目的で示され、そして、下記に説明する本発明によって提供される重要な改善点を対照的に引き立たせる仕方によって示している。ＦＴＭＳデバイス１０は、通常のイオン源２を備え、それは、分析すべきサンプルのタイプに依存する多くの公知のタイプのイオン源の１つであってよい。例えば、イオン源は、エレクトロスプレーもしくはイオンスプレーデバイス、コロナ放電ニードル、プラズマイオン源、電子衝撃源もしくは化学的イオン化源、光イオン源、またはＭＡＬＤＩ源であってよい。他の所望のタイプのイオン源も使用でき、該イオン源は、大気圧で、大気圧よりも上で、大気圧の近傍で、または真空中で、イオンを生成できる。
【００２０】
イオン源２からのイオンは、それぞれに、孔１６、１７、１８を通って、真空チャンバー３、４、５からなる真空システム２８内に入る。真空チャンバー３、４、５の各々の圧力は、それぞれ、真空ポンプ７、８、９によって段階的に減少されている。３つの真空ステージが図１に示されているが、３を越える真空ステージや、３より少ない真空ステージも使用できる。真空ステージ同士の間の隔壁１９、２０、２１に設けられた孔１６、１７、１８は、１つのポンピングステージから次への中性気体の伝導を制限する。イオンは、各真空チャンバーを通って移動し、そして、イオンビームフォーカシング、イオン選別、イオン排出、イオンフラグメンテーション、イオントラッピング（米国特許第6,177,668号に示されるような）、またはその他の形態のイオン分析、イオン化学反応、イオントラッピングやイオン移送を受けさせることができる。
【００２１】
真空チャンバー５は、ポンプ９によって、圧力１×１０−６と１×１０−９ｍbarとの間、好ましくは１×１０−９ｍbar未満にまで吸引される。より低い基礎圧力がＦＴＭＳシステムにおける性能を改善するということは、一般的に知られている。低圧を達成するために、大きな断面積をもった真空チャンバー５を設計することにより、高い排気量に好ましい真空チャンバー形状を提供し、高いポンピング速度をもったポンプ９を選択することが必要である。ポンプ７、８または９は、ターボ分子タイプまたは任意の他の公知の真空ポンプであってよい。少なくとも１つの真空チャンバー３、４または５をベーキングすることは、より低圧の基礎圧力の達成を可能としうる。
【００２２】
イオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）セル６は、超伝導磁石アセンブリー１１のボア１５内の真空チャンバー５内の真空チャンバー領域１に位置する。真空チャンバー５内のイオンはＩＣＲセル６に入り、イオンサイクロトロン共鳴質量分析法の手段によって分析される。磁石アセンブリー１１は、ＩＣＲセル６のためのイオン閉じ込め磁場をもたらす。真空チャンバー領域１の断面積は、十分に小さく、ボア１５にフィットしている。
【００２３】
図２は、超伝導タイプの典型的な磁石アセンブリー１１を示しており、さらに具体的に言えば、磁石チャージリード２２と液体ヘリウム充填ポート２３をもったソレノイド型（ヘルムホルツコイル型とは類似ではない）の典型的な磁石アセンブリーを示している。磁石アセンブリーのボア１５は、軸２６によって規定される中央を通る縦型(vertical)のポジションとされる。この構成の超伝導磁石は、縦型ボア磁石として知られている。軸２６に対して垂直に磁石アセンブリー１１を回転させると、水平型(horizontal)ボア磁石と通常言われる形態となる。しかし、縦型や水平型以外の任意の角度へ磁石アセンブリー１１を回転しても、許容できる配向となる。
【００２４】
図３は、Ａ−Ａ線に沿って得た、図２の断面図である。磁石アセンブリー１１は、デュワーと通常言われる冷却チャンバー２４を備える。デュワー２４は、超伝導磁石のクライオジェニック冷却に適した液体ヘリウムなどの冷却媒質１４の浴内に磁石コイル１２を格納している。デュワー２４は、液体ヘリウム１４と室温環境との間を熱的に隔離する絶縁部(insulation)１３を備えている。デュワー２４は、ボア１５と磁石１２との間に絶縁部２５を備えている。磁石アセンブリーのボア１５が、磁石１２のボア（これは、絶縁部２５の存在のため前者より大きい）と同一ではない、ということに注意すべきである。絶縁部１３と２５は、液体窒素によって冷却される放射シールドと、アルミナイズされたマイラー絶縁材料とを、通常含んでいる。絶縁部２５によって、磁石アセンブリー１１のボア１５は、磁石によっては冷却されず、典型的には室温に維持される。室温のボア１５の寸法は、絶縁部２５の厚さのために、磁石１２のボアよりもかなり小さくてもよい。背景の節で述べたように、磁石のボア（および磁石アセンブリーのボア１５）が、ＩＣＲセル中の閉じ込め場の強度を増大させるために減じられる場合、この従来の構成は、ＩＣＲセルを格納する真空チャンバーへのポンピングに重大な問題を生み出す。
【００２５】
本発明の特徴によれば、磁石ボア内の絶縁または熱的シールドの必要性を除去または最小化することによって、磁場強度とポンピング速度との間の好ましくないトレードオフが有効に避けられ、それによって、ＩＣＲセルを格納する真空チャンバーを、磁石ボアの寸法に近い寸法まで拡張することが可能となる。その結果として、ＩＣＲのためのかなり大きい真空チャンバーが、ボアにフィットすることが可能となる。図４に示すように、デュワー４４は、超伝導磁石１２と、ＩＣＲセルを備える真空チャンバー４１の両方を備える容器である。ＩＣＲセルは、磁石ボア４５内に位置している。以下、この構成を「冷ボア磁石」と言う。好ましい態様では、磁石１２と真空チャンバー４１との間には、これら２者間の熱交換を防止するための熱的シールディングまたは絶縁部は、最小限となっているかまたは無い。超伝導磁石は、液体ヘリウムなどの液体クライオジェンによって典型的には冷却されるが、クライオ冷却(cryorefrigeration)の他の公知の方法（クライオジェンベースでも、クライオジェンを用いないものでも）を使用してよい。更に、磁石は、イオンサイクロトロン共鳴測定に必要な高い磁場を達成できる非超伝導磁石タイプであってよい。
【００２６】
冷ボア磁石の構成は、少なくとも２つの潜在的な利点を有する。第１には、ＦＴＭＳデバイスのための利用できるボア直径が、基本的な磁石コイルの設計変更無しに増大する。高均一性で高磁場の磁石を構築することの困難性とコストは、ボアサイズと共に増加するので、この利点は非常に重要である。第２には、商業的に利用可能になっている縦型ボアＮＭＲ磁石が、室温のボアを除去することによって、ＦＴＭＳデバイスでの使用のために容易に改変できる。例えば、２１テスラの磁場と０．１ｐｐｍの均一性をもったＦＴＭＳ機器が、商業的に利用可能になっている磁石によって構築できる。
【００２７】
ここで図５を参照すると、好ましい態様において、真空チャンバー４１が磁石ボア４５内に受入れられ、冷却媒質１４と熱的な接触状態にあるか、または磁石１２と直接の熱的な接触状態にある。結果として、真空チャンバー４１は、磁石１２と同じまたは類似の温度になっている。クライオジェンを用いない(cryogen-free)超伝導磁石のケースでは、真空チャンバー４１と磁石との間でのまたは真空チャンバー４１とクライオ冷凍機との間での熱的な接触が、必要な冷却をもたらす。真空チャンバー４１内の任意のコンポーネント（イオンガイド、機械的支持体、ワイヤー、エレクトロニクス、および、ＦＴＭＳ真空システムで一般的に見出される任意の他のアイテムなど）は、真空チャンバー４１と同一または類似の温度、典型的には１２０ケルビン未満であろう。
【００２８】
超伝導磁石の作動温度（即ち、磁石が超伝導である温度）は、かなり低く、磁石と真空チャンバー４１は、磁石１２と同一または類似の温度であるので、作動中の真空チャンバーの温度は十分低く、その結果、真空チャンバーの壁部は、効果的にクライオジェニック真空ポンプ（即ち、「クライオポンプ」）になり、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｈ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏなどの気体を効果的にポンプできる。この点に関し、効果的なクライオポンピング(cryopumping)の温度は、典型的には８０ケルビン未満である。ＦＴＭＳのための真空チャンバーをクライオポンピングすることが、チャンバー内の基礎圧力を大きく減少させ、かつ、該システムの総ポンピング速度を増加させるであろうことは、一般的に知られている。
【００２９】
クライオジェニックポンピングをもたらすために、ＩＣＲセルを格納する真空チャンバー全体を冷却するというアプローチは、磁石が非超伝導タイプであるときでも、有利に適用できる。そのケースでは、磁石は低温に冷却される必要はないので、冷却チャンバー内に磁石と真空チャンバーの両方を取り囲む必要はない。１つの態様では、真空チャンバーは、真空チャンバーの冷却のための熱的シールディングとクライオジェニック手段をもった冷却チャンバーに取り囲まれ、冷却チャンバーは、非超伝導磁石のボアにフィットする。作動の間、真空チャンバーはクライオジェニックポンピング温度に冷却されるが、磁石は室温のままである。冷却された真空チャンバー４１によって供給されるクライオポンピングは、通常のクライオポンピングによって供給されるよりもより高いポンプ効率を有し、他の利点をも有し得ることに注意すべきである。従来技術は、真空チャンバーにおけるクライオポンピングの方法を教示しており、クライオ冷却機によって分離して冷却されるクライオパネル（cryo-panels;低温パネル）は、真空チャンバー内に設置される。クライオパネルのポンプ効率を最大化するために、クライオパネルは、大表面積のパネルのアレイを組み込み、その各々はクライオポンピングを提供する。典型的には、これらのクライオアレイは、大きく、真空チャンバー内の空間を占め、ＦＴＭＳシステムのイオンガイド設計を妨害する。更に、クライオパネルの表面のみが、クライオポンピングに適した温度を有するが、真空チャンバーと内部部材の温度は、表面からのガス放出が起こるであろうかなり高い温度である。本発明では、真空チャンバー表面と内部コンポーネントは、ガス放出によってチャンバー内の圧力をもはや増加させないばかりか、実際にはクライオポンピング表面になる。
【００３０】
図５に示す好ましい態様では、冷却チャンバー即ちデュワー４４と、システムの残りとの間の熱移動を最小化するように、一連の機械的および熱的手段が用いられ、それによって、クライオジェン冷却媒質の蒸発損を最小化している。一般的に、液体ヘリウム中に金属チャンバーを浸漬することは、デュワー４４への熱移動の増加のために、ヘリウム蒸発損を増加させることになる。過剰の熱移動または過剰のクライオジェン蒸発損が、磁石温度が超伝導維持に必要な温度超に増加することを引き起こすならば、クエンチングと磁石へのダメージが起こり得る。図５に示されるＦＴＭＳシステム３４の態様では、液体ヘリウムへの熱負荷の主要源は、イオンガイドチューブ３１に沿っての熱伝導である。磁石１２を備えるデュワー４４は、冷却媒質１４内にイオンガイドチューブ３１の一部を備える。イオンガイドチューブ３１の残部は、イオンガイドチューブ３１に取り外し可能に搭載された冷却フィン２９を備える。ヘリウム蒸発損を強制的に上昇させ、冷却フィン２９を通過させ、真空システム２８壁の外側に沿ってデュワー４４（イオン源２に隣接する）のトップに排出することによって、イオンガイドチューブ３１に沿って伝導する加熱を制御することができる。蒸発損は、イオンガイドチューブ３１を冷却し、冷却フィン２９において伝導する熱移動を減少させ、熱負荷をデュワーの外に運ぶ。真空チャンバー４１、イオンガイドチューブ３１、冷却フィン２９、および真空システム２８は、冷却システム上で伝導する熱負荷を減少させるために、熱伝導性の小さいステンレススチールやチタン合金、セラミックス、またはガラスを用いて設計できる。
【００３１】
加えて、真空システム２８に取り外し可能に連結された放射熱シールド２７は、デュワー４４と室温との間の熱的な絶縁部の更なる源を提供する。デュワー４４と熱的絶縁部２７との間の領域３５は、熱的な絶縁部で充填され、概しては、真空チャンバーがアルミナイズされたマイラー熱的絶縁材料を有しており、２つの異なる温度表面の間の更なる熱的絶縁部を提供する。デュワー４４と熱シールド２７との間の領域３５はまた、液体窒素などの更なる冷却媒質によって、部分的にまたは完全に充填されうる。熱シールド２７とデュワー４４に接続された２つのステージのクライオ冷却機３３（または１つ以上の単一ステージのクライオ冷却機）を用いて、熱移動とクライオジェン蒸発損を更に減少させるために、更なる冷却を提供してもよい。幾つかのケースでは、この形態を用いて、冷ボア磁石中で冷却媒質から蒸発損を凝縮できる。
【００３２】
更に、図６に示す別の態様では、放射シールド４６が、真空チャンバー４１と磁石ボア４５との間に挿入され、真空チャンバー４１からの熱移動（サーマルショック）における断続的な上昇の可能性（それは、潜在的に磁石クエンチのトリッガーとなり得る）から、磁石１２を遮蔽している。冷却媒質１４は、磁石１２および真空チャンバー４１と接触したままであり、そこでは、冷却媒質１４は、両方の要素のために冷却を提供する。放射シールド４６または同様の設計の放射シールドは、真空システムの除去または再挿入を可能とし得、磁石はチャージされ、かつ冷たい。超伝導磁石が上記のように、熱シールド無しである状況では、熱的な接触は、真空チャンバー４１とクライオ冷却機との間にある。例えば、図７に言及すると、磁石１２は、冷却されたデュワー４７によって冷却され、放射シールド４６が提供されて磁石熱ショックが防止され、真空チャンバー４１は、放射シールド４６を超えて位置するクライオ冷却されたデュワー４７と熱的に接触している。
【００３３】
種々の方法を用いて、真空チャンバーをクライオポンピング温度に確立しそして維持しながらも、高磁場を維持するのに適したレベルでボアおよび磁石温度を維持できることは、上記開示から理解されよう。当該方法は、イオン源２と真空チャンバー４１との間の直接的な見通し線(direct line of sight)およびそれ故の放射性加熱を除去する真空チャンバー２８のマニピュレーションを含んでおり、ＦＴＭＳシステム３４のためのクライオ冷却の更なる源を提供し、クライオスタット環境を生じさせる他の方法を含んでいる。
【００３４】
図５、６、７で示される軸２６は、磁石１２が縦（鉛直）方向であることを示し、図５により具体的に示されるように、イオンガイドチューブ３１、真空システム２８、イオン源２は、縦方向の軸２６を有する。全体的には、磁石１２、イオンガイドチューブ３１、真空システム２８、イオン源２は、全ての角度、例えば、０°（水平）、４５°、９０°（縦）またはその他の角度に位置するように、軸２６は、任意の角度を有するように縦方向から外れてよい。しかし、磁石１２、イオンガイドチューブ３１、真空システム２８、イオン源２は、図５に示すように同じ角度を共有する必要は無い。要素の各々は、垂直から異なる角度で位置し得る。
【００３５】
好ましい態様の一局面によれば、ＩＣＲセル６を備える真空チャンバー４１は、真空チャンバー４１と熱的接触にある信号増幅器３２を備える。信号増幅器３２によって生じる熱は、信号増幅器から真空チャンバー４１のほうへ流れ、減少した温度が維持される。この方法に幾つかの利点がある。第１に、前置増幅器（プリアンプ）の回路中の抵抗器の冷却が、ジョンソンノイズを減少することによって、信号増幅器の性能を大きく改善するであろうことが一般的に知られている。第２に、前置増幅器と低温真空システムの部材間の熱的伝導性を提供することによって、ペルチエ冷却機などの更なる冷却デバイスの必要がない。
【００３６】
本発明の好適実施態様を記載したが、改変が、本発明の思想内でなされ得、このような改変の全ては、クレームの範囲内に包含されるものとすることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、先行技術のＦＴＭＳシステムの概要図である。
【図２】図２は、図１で示されるタイプの典型的な超伝導磁石アセンブリーの斜視図である。
【図３】図３は、図２で示される超伝導磁石アセンブリーの断面図である。
【図４】図４は、本発明のクライオジェニックＦＴＭＳデバイスでの使用のために構築された超伝導磁石と真空チャンバーの断面図である。
【図５】図５は、本発明のクライオジェニックＦＴＭＳデバイスの一態様の概要的な断面図である。
【図６】図６は、図５で示される更なる態様の概要的な断面図である。
【図７】図７は、図６で示される更なる態様の概要的な断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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