(57)【要約】本発明は、電極に印加される交流電圧と直流電圧の組み合わせが、位相空間マニピュレーションの領域をもたらすポテンシャルを形成し、少なくとも1個の荷電粒子が前記電極の面の一方側に位置することを特徴とする、少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートする方法および装置を提供する。本発明はさまざまな応用が可能であり、これにはスポットトラップ、コンベヤーベルト、漏斗や、異なるタイプの粒子をアレイから異なる距離に保持してマニピュレートできるようにする方法などが含まれる。
2005537471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための装置であって、面上に配列された少なくとも１個の電極を有し、該電極は、前記電極の面の一方側に、位相空間マニピュレーションの領域を提供するポテンシャルを形成するように交流電圧および直流電圧を共に印加できる電源に接続されることを特徴とする少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための装置。
【請求項２】
さらに前記電極の周囲の空間の圧力を制御する圧力制御手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段が、密閉可能なチャンバーと該チャンバーにガスを導入し排出することができるガスポンプ手段を具備することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電源が、印加する交流電圧と直流電圧を変化させるように操作することができるものであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記電源が、交流電圧の振幅、波形、周波数を個々に変化させるように操作することができ、直流電圧の大きさを変化させるように操作することができるものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ポテンシャルが実効ポテンシャルであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子を特定の空間領域に束縛する粒子捕獲領域を含むものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子の運動を少なくとも１つの自由度により抑制する粒子ガイド領域を含むものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
複数の電極が提供されることを特徴とする上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記電極がアレイを成すように配置され、前記少なくとも１個の粒子が前記アレイの一方側に位置するものであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記アレイが実質的に平面状であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記アレイが半球状であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
単一の電極が提供され、該電極が一定のポテンシャルに保持された面で包囲されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記電極が環状であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記面がアースされていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記環状電極に印加される交流電圧の周波数は、前記環状電極の直径を光が通過するのに要する時間より短い周期を有するものであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
平面状アレイで隣接する第１電極群と第２電極群に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、前記第１の電極群により提供される粒子捕獲領域から、前記第２の電極群により提供される粒子捕獲領域へ移動することができるように変更できるものであることを特徴とする上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１個の粒子が、第１の電極群により提供される第１の粒子捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の粒子捕獲領域へ移動し、これら電極群に印加する電圧が初期設定から中間設定を経て最終設定へと変更されるものであって、
前記初期設定では、少なくとも１個の粒子を内部に捕獲する第１の粒子捕獲領域を形成するように、第１の電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、これに隣接する第２の電極群にバイアスをかけて０ボルトにする、
前記中間設定では、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する一体化した粒子捕獲領域を形成するよう、前記両電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、
前記最終設定では、前記第１の電極群にバイアスをかけて０ボルトにし、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する第２の粒子捕獲領域を形成するように、第２の電極群にバイアスをかけて保持電圧にするものであることを特徴とする、
請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
少なくとも１個の粒子を、前記平面状アレイの所定の経路に沿って移動させるために、少なくとも１個の粒子を、第１の電極群が形成する第１の捕獲領域から、第２の電極群が形成する第２の捕獲領域へ移動させるプロセスを反復できるものであることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記平面状アレイが、プリント回路基板技術、またはリソグラフィー技術、または集束イオンビーム技術を用いて形成されたものであることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
一連の電極が提供され、該電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、第１の粒子捕獲領域から第２の粒子捕獲領域へ移動することができるように制御でき、前記第１の捕獲領域は前記第２の捕獲領域より大きいものであることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、連続的に小さくなる複数の捕獲領域間を移動できるように制御できるものであることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記一連の電極は、同心円状に配列された複数の環状電極から成るものであることを特徴とする、請求項２１または請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
初期状態では、少なくとも１個の粒子が第１の捕獲領域に捕獲されるように、各電極に交流電圧と直流電圧の組み合わせが印加され、
外側の電極に印加する電圧を変化させて、中間状態では、前記少なくとも１個の粒子が、前記外側の電極の内側に位置する残りの電極により提供される第１の中間捕獲領域に捕獲されるようにし、
前記外側の電極に隣接する電極に印加する電圧を変化させて、最終状態では、前記少なくとも１個の粒子が、最も内側の電極により提供される第２の捕獲領域に捕獲されるようにすることを特徴とする、請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記初期状態から前記中間状態、および前記中間状態から前記最終状態への遷移において、前記外側の電極および隣接する電極は、それぞれ０ボルトとされるものであることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
複数の電極がそれぞれさらに中間捕獲領域を提供し、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにすることを特徴とする、請求項２４または請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
初期状態においては、最外の電極に交流電圧と直流電圧の第１の組合わせを印加し、前記最外の電極以外の電極に背景電圧を印加して、初期状態において、少なくとも１個の粒子を第１の捕獲領域に捕獲し、
外側に位置する電極に隣接する電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、前記外側に位置する電極に背景電圧を印加して、中間状態においては、前記少なくとも１個の粒子を第１の中間捕獲領域に捕獲し、
最も内側の電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、隣接する電極に背景電圧を印加して、最終状態において、前記少なくとも１個の粒子を第２の捕獲領域に捕獲するものであることを特徴とする、請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記背景電圧が０ボルトであることを特徴とする、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
複数の電極が提供され、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにするものであることを特徴とする、請求項２７または請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
最も内側の電極が好ましくは孔を具備し、前記少なくとも１個の粒子が前記最終状態にある時、前記少なくとも１個の粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加するものであることを特徴とする、請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３１】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
電極に印加される電圧が、あるタイプの荷電粒子を他の荷電粒子と区別できるようなものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】
異なるタイプの荷電粒子は、前記電極の面から垂直に異なる距離で捕獲されるものであることを特徴とする、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記距離は、前記荷電粒子の電荷および／または質量に依存するものであることを特徴とする、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
第１のタイプの荷電粒子は、前記電極から第１の垂直距離で捕獲され、第２のタイプの荷電粒子は、前記電極から第２の垂直距離で捕獲され、前記第１の荷電粒子の質量は前記第２の荷電粒子の質量より大きく、前記第２の垂直距離は前記第１の垂直距離より大きいものであることを特徴とする、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記第２の垂直距離で捕獲された少なくとも１個の荷電粒子が、第２の電極群に印加される電圧シーケンスにより形成されるポテンシャルを受けるものであることを特徴とする、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記第２の電極群に印加される電圧シーケンスは、前記少なくとも１個の粒子を、ある捕獲領域から別の捕獲領域へ所定の経路に沿って運ぶものであることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記第２の電極群の大きさは、捕獲電極の大きさよりずっと大きいスケールのものであることを特徴とする請求項３６または請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
孔が電極に備えられ、前記電極の面に一番接近しているタイプの粒子が前記孔を通過できるものであることを特徴とする、請求項３２乃至３８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４０】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
捕獲された粒子が電極面と垂直方向に移動するよう、前記電極に印加する電圧を変化させることができるものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
少なくとも１個の捕獲された粒子は、他の少なくとも１個の粒子と相互作用する領域へ下降することができ、そして
相互作用した粒子は、相互作用しなかった粒子と共に再び上昇することができるものであることを特徴とする、
請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記電極には孔が形成され、粒子を前記孔に接近させるように印加する電圧を変化させることができ、
前記粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加するものであることを特徴とする、
請求項４１または請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
電極のアレイが提供され、該電極アレイに印加された電圧が第１のタイプの粒子を捕獲し、該第１のタイプの粒子は第２のタイプの粒子と相互作用して生成物粒子を形成し、該生成物粒子はトラップの底へ落下して、引出し孔を通って運び出されるものであることを特徴とする、請求項４１乃至４４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４６】
前記電極アレイはさらに、捕獲された粒子を引出すための少なくとも１個の孔を有することを特徴とする、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記各電極が１個の孔を有することを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記生成物粒子がポテンシャルにより加速されて検出され、前記生成物粒子の元である第１のタイプの粒子の位置を検出できるものであることを特徴とする、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための方法であって、電極に印加した交流電圧および直流電圧の組み合わせが、位相空間マニピュレーションの領域を提供するポテンシャルを形成し、少なくとも1個の荷電粒子が前記電極の面の一方側に位置することを特徴とする少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための方法。
【請求項５０】
さらに前記電極の周囲の空間の圧力を制御する工程を含むことを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
圧力を制御する手段が、密閉可能なチャンバーと該チャンバーにガスを導入し排出することができるガスポンプ手段を具備することを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
電源は、印加する交流電圧と直流電圧を変化させるように操作することができることを特徴とする、請求項４９乃至５１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
電源が、交流電圧の振幅、波形、周波数を個々に変化させるように操作でき、直流電圧の大きさを変化させるように操作できることを特徴とする、請求項４９乃至５２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５４】
前記ポテンシャルが実効ポテンシャルであることを特徴とする、請求項４９乃至５３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５５】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子を特定の空間領域に束縛する粒子捕獲領域を含むことを特徴とする、請求項４９乃至５４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５６】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子の運動を少なくとも１つの自由度により抑制する粒子ガイド領域を含むことを特徴とする、請求項４９乃至５５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５７】
複数の電極が提供されることを特徴とする請求項４９乃至５６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５８】
前記電極がアレイを成すように配置され、前記少なくとも１個の粒子が前記アレイの一方側に位置することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記アレイが実質的に平面状であることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記アレイが半球状であることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
単一の電極が提供され、該電極が一定のポテンシャルに保持された面で包囲されていることを特徴とする請求項４９乃至５６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６２】
前記電極が環状であることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記面がアースされていることを特徴とする請求項６１または６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記環状電極に印加される交流電圧の周波数は、前記環状電極の直径を光が通過するのに要する時間より短い周期を有することを特徴とする請求項６２または６３に記載の方法。
【請求項６５】
平面状アレイで隣接する第１電極群と第２電極群に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、前記第１の電極群により提供される粒子捕獲領域から、前記第２の電極群により提供される粒子捕獲領域へ移動することができるように変更できることを特徴とする請求項４９乃至６４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６６】
少なくとも１個の粒子が、第１の電極群により提供される第１の粒子捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の粒子捕獲領域へ移動し、これら電極群に印加する電圧を初期設定から中間設定を経て最終設定へと変更されるものであって、
前記初期設定では、少なくとも１個の粒子を内部に捕獲する第１の粒子捕獲領域を形成するように、第１の電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、これに隣接する第２の電極群にバイアスをかけて０ボルトにする、
前記中間設定では、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する一体化した粒子捕獲領域を形成するよう、前記両電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、
前記最終設定では、前記第１の電極群にバイアスをかけて０ボルトにし、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する第２の粒子捕獲領域を形成するように、第２の電極群にバイアスをかけて保持電圧にすることを特徴とする、
請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
少なくとも１個の粒子を、前記平面状アレイの所定の経路に沿って移動させるために、少なくとも１個の粒子を、第１の電極群により提供される第１の捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の捕獲領域へ移動させるプロセスを反復できることを特徴とする、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記平面状アレイが、プリント回路基板技術、またはリソグラフィー技術、または集束イオンビーム技術を用いて形成されることを特徴とする、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
一連の電極が提供され、該電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、第１の粒子捕獲領域から第２の粒子捕獲領域へ移動するように制御でき、前記第１の捕獲領域は前記第２の捕獲領域より大きいことを特徴とする、請求項４９乃至６４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７０】
前記電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、連続的に小さくなる複数の粒子捕獲領域間を移動できるように制御できることを特徴とする、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記一連の電極は、同心円状に配置された複数の環状電極から成ることを特徴とする、請求項６９または請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
初期状態では、少なくとも１個の粒子が第１の粒子捕獲領域に捕獲されるように、各電極に交流電圧と直流電圧の組み合わせが印加され、
外側の電極に印加する電圧を変化させて、中間状態では、前記少なくとも１個の粒子が、前記外側の電極の内側に位置する残りの電極により提供される第１の中間捕獲領域に捕獲されるようにし、
前記外側の電極に隣接する電極に印加する電圧を変化させて、最終状態では、前記少なくとも１個の粒子が、最も内側の電極により提供される第２の捕獲領域に捕獲されるようにすることを特徴とする、請求項６９乃至７１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７３】
前記初期状態から前記中間状態、および前記中間状態から前記最終状態への遷移において、前記外側の電極および隣接する電極は、それぞれ０ボルトとされることを特徴とする、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
複数の電極がそれぞれさらに中間捕獲領域を提供し、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されることを特徴とする、請求項７２または請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
初期状態においては、最外の電極に交流電圧と直流電圧の第１の組合わせを印加し、前記最外の電極以外の電極に背景電圧を印加して、初期状態において、少なくとも１個の粒子を第１の捕獲領域に捕獲し、
外側に位置する電極に隣接する電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、前記外側に位置する電極に背景電圧を印加して、中間状態においては、前記少なくとも１個の粒子を第１の中間捕獲領域に捕獲し、
最も内側の電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、隣接する電極に背景電圧を印加して、最終状態において、前記少なくとも１個の粒子を第２の捕獲領域に捕獲することを特徴とする、請求項６９乃至７１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７６】
前記背景電圧が０ボルトであることを特徴とする、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
複数の電極が提供され、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されることを特徴とする、請求項７５または請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
最も内側の電極が孔を具備し、前記少なくとも１個の粒子が前記最終状態にある時、前記少なくとも１個の粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することを特徴とする、請求項７１乃至７７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７９】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
電極に印加される電圧が、あるタイプの荷電粒子を他の荷電粒子と区別できるようなものであることを特徴とする、請求項４９乃至７９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８１】
異なるタイプの荷電粒子は、前記電極の面から垂直に異なる距離で捕獲されることを特徴とする、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記距離は、前記荷電粒子の電荷および／または質量に依存することを特徴とする、請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
第１のタイプの荷電粒子は、前記電極から第１の垂直距離で捕獲され、第２のタイプの荷電粒子は、前記電極から第２の垂直距離で捕獲され、前記第１の荷電粒子の質量は前記第２の荷電粒子の質量より大きく、前記第２の垂直距離は前記第１の垂直距離より大きいことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記第２の垂直距離で捕獲された少なくとも１個の粒子が、第２の電極群に印加される電圧シーケンスにより形成されるポテンシャルを受けることを特徴とする、請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
前記第２の電極群に印加される電圧シーケンスは、前記少なくとも１個の粒子を、ある捕獲領域から別の捕獲領域へ所定の経路に沿って運ぶものであることを特徴とする請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記第２の電極群の大きさは、捕獲電極の大きさよりずっと大きいスケールであることを特徴とする請求項８４または請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
孔が電極に備えられ、前記電極の面に一番接近しているタイプの粒子が前記孔を通過できることを特徴とする、請求項８０乃至８６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８８】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
捕獲された粒子が電極面と垂直方向に移動するよう、前記電極に印加する電圧を変化させることができることを特徴とする、請求項４９乃至８８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９０】
少なくとも１個の捕獲された粒子は、他の少なくとも１個の粒子と相互作用する領域へ下降することができ、そして
相互作用した粒子は、相互作用しなかった粒子と共に再び上昇することができることを特徴とする、
請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記電極には孔が形成され、粒子を前記孔に接近させるように印加する電圧を変化させることができ、
前記粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することを特徴とする、
請求項８９または請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
電極のアレイが提供され、該電極アレイに印加された電圧が第１のタイプの粒子を捕獲し、該第１のタイプの粒子は第２のタイプの粒子と相互作用して生成物粒子を形成し、該生成物粒子はトラップの底へ落下して、引出し孔を通って運び出されることを特徴とする、請求項８９乃至９２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９４】
前記電極アレイはさらに、捕獲された粒子を引出すための少なくとも１個の孔を有することを特徴とする、請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記各電極が１個の孔を有することを特徴とする、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記生成物粒子がポテンシャルにより加速されて検出され、前記生成物粒子の元である第１のタイプの粒子の位置を検出できることを特徴とする、請求項９５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子のマニピュレーションに関するもので、特に、少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートする方法および装置に関するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
荷電粒子のトラップは、周波数標準、量子計算、量子暗号、材料処理／製造などに幅広く応用することができる可能性がある。
しかし、これらの応用をより簡単に行いたいという要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の第１の態様として、少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートする方法であって、電極に印加される交流電圧および直流電圧の組み合わせがポテンシャルを形成し、該ポテンシャルが位相空間マニピュレーションの領域を提供し、前記少なくとも１個の荷電粒子が前記電極の面の一方側に位置する荷電粒子の位相空間をマニピュレートする方法を提供する。
【０００４】
本発明の第２の態様として、少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートする装置であって、面上に配列された少なくとも１個の電極を有し、該電極は、前記電極の面の一方側に位相空間マニピュレーションの領域を提供するポテンシャルを形成するように交流電圧および直流電圧を共に印加できる電源に接続され、荷電粒子の位相空間をマニピュレートする装置を提供する。
【０００５】
上記装置は、さらに上記電極の周囲の空間の圧力を制御する圧力制御手段を具備することが好ましい。
【０００６】
上記圧力制御手段は、密閉可能なチャンバーと、このチャンバーにガスを導入し排出することができるガスポンプ手段を具備することが好ましい。
【０００７】
上記電源は、印加する交流電圧と直流電圧を変化させるように操作することができることが好ましい。
【０００８】
上記電源は、交流電圧の振幅、波形、周波数を個々に操作して変更でき、直流電圧の大きさを操作して変更できることが好ましい。
【０００９】
上記ポテンシャルは、実効ポテンシャルであることが好ましい。
【００１０】
上記位相空間マニピュレーションの領域は、粒子を特定の空間領域に束縛する粒子捕獲領域を具備することが好ましい。
【００１１】
上記位相空間をマニピュレートするための領域は、少なくとも１つの自由度により粒子の運動を制限する粒子ガイド領域を具備することが好ましい。
【００１２】
複数の電極が提供されることが好ましい。
【００１３】
上記複数の電極はアレイを成すように配置され、少なくとも１個の荷電粒子はアレイの一方側に位置することが好ましい。
【００１４】
上記アレイが平面状であることが好ましい。
【００１５】
あるいは、上記アレイが半球状であることが好ましい。
【００１６】
本発明の第１の実施形態として、単一の電極が提供され、該電極が一定のポテンシャルに保持された面で包囲される。
【００１７】
前記電極は、環状であることが好ましい。
【００１８】
前記面は、アースされていることが好ましい。
【００１９】
前記環状の電極に印加される交流電圧の周波数は、前記環状の電極の直径を光が通過するのに要する時間より短い周期を持つことが好ましい。
【００２０】
本発明の第２の実施形態では、平面状アレイで隣接する第１の電極群と第２の電極群に印加される電圧は、少なくとも１個の粒子が、第１の電極群により提供される粒子捕獲領域から第２の電極群により提供される粒子捕獲領域へ移動することができるよう変更できる。
【００２１】
上記各電極群は、単独の電極から成るものであってもよいし、複数の電極から成るものであってもよい。
【００２２】
少なくとも１個の荷電粒子が、第１の電極群により提供される第１の粒子捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の粒子捕獲領域へ移動し、これら電極群に印加する電圧が初期設定から中間設定を経て最終設定へと変更されるものであって、
前記初期設定では、少なくとも１個の粒子を内部に捕獲する第１の粒子捕獲領域を形成するように、第１の電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、これに隣接する第２の電極群にバイアスをかけて０ボルトにする、
前記中間設定では、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する一体化した粒子捕獲領域を形成するよう、前記両電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、
前記最終設定では、前記第１の電極群にバイアスをかけて０ボルトにし、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する第２の粒子捕獲領域を形成するように、第２の電極群にバイアスをかけて保持電圧にする
ことが好ましい。
【００２３】
少なくとも１個の粒子を、前記平面状アレイの所定の経路に沿って移動させるために、少なくとも１個の粒子を、第１の電極群が形成する第１の捕獲領域から、第２の電極群が形成する第２の捕獲領域へ移動させるプロセスを反復できることが好ましい。
【００２４】
上記平面状アレイは、プリント回路基板技術、またはリソグラフィー技術、または集束イオンビーム技術を用いて形成することができる。
【００２５】
本発明の第３の実施形態では、一連の電極が提供され、該電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、第１の粒子捕獲領域から第２の粒子捕獲領域へ移動することができるように制御でき、前記第１の捕獲領域は前記第２の捕獲領域より大きい。
【００２６】
前記電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、連続的に小さくなる複数の捕獲領域間を移動できるように制御できることが好ましい。
【００２７】
前記一連の電極は、同心円状に配列された複数の環状電極から成ることが好ましい。
【００２８】
初期状態では、少なくとも１個の粒子が第１の捕獲領域に捕獲されるように、各電極に交流電圧と直流電圧の組み合わせが印加され、
外側の電極に印加する電圧を変化させて、中間状態では、前記少なくとも１個の粒子が、前記外側の電極の内側に位置する残りの電極により提供される第１の中間捕獲領域に捕獲されるようにし、
前記外側の電極に隣接する電極に印加する電圧を変化させて、最終状態では、前記少なくとも１個の粒子が、最も内側の電極により提供される第２の捕獲領域に捕獲されるようにすることが好ましい。
【００２９】
前記初期状態から前記中間状態、および前記中間状態から前記最終状態への遷移において、前記外側の電極および隣接する電極は、それぞれ０ボルトとされることが好ましい。
【００３０】
複数の電極がそれぞれさらに中間捕獲領域を提供し、上記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにすることが好ましい。
【００３１】
初期状態においては、最外の電極に交流電圧と直流電圧の第１の組合わせを印加し、前記最外の電極以外の電極に背景電圧を印加して、初期状態において、少なくとも１個の粒子を第１の捕獲領域に捕獲し、
外側に位置する電極に隣接する電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、前記外側に位置する電極に背景電圧を印加して、中間状態においては、前記少なくとも１個の粒子を第１の中間捕獲領域に捕獲し、
最も内側の電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、隣接する電極に背景電圧を印加して、最終状態において、前記少なくとも１個の粒子を第２の捕獲領域に捕獲することが好ましい。
【００３２】
前記背景電圧が、０ボルトであることが好ましい。
【００３３】
複数の電極が提供され、上記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにすることが好ましい。
【００３４】
最も内側の電極が孔を具備し、少なくとも１個の粒子が前記最終状態にある時、前記少なくとも１個の粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することが好ましい。
【００３５】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることが好ましい。
【００３６】
本発明の第４の実施形態では、電極に印加される電圧が、あるタイプの荷電粒子を他の荷電粒子と区別できるようなものである。
【００３７】
異なるタイプの荷電粒子は、前記電極の面から垂直に異なる距離で捕獲されることが好ましい。
【００３８】
上記距離は、前記荷電粒子の電荷および／または質量に依存することが好ましい。
【００３９】
第１のタイプの荷電粒子は、前記電極から第１の垂直距離で捕獲され、第２のタイプの荷電粒子は、前記電極から第２の垂直距離で捕獲され、前記第１の荷電粒子の質量は前記第２の荷電粒子の質量より大きく、前記第２の垂直距離は前記第１の垂直距離より大きいことが好ましい。
【００４０】
前記第２の垂直距離で捕獲された少なくとも１個の荷電粒子が、第２の電極群に印加される電圧シーケンスにより形成されるポテンシャルを受けることが好ましい。
【００４１】
前記第２の電極群に印加される電圧シーケンスは、前記少なくとも１個の粒子を、ある捕獲領域から別の捕獲領域へ所定の経路に沿って運ぶものであることが好ましい。
【００４２】
前記第２の電極群の大きさは、捕獲（トラップ）電極の大きさよりずっと大きいスケールであることが好ましい。
【００４３】
孔が電極に備えられ、前記電極の面に一番接近しているタイプの粒子が前記孔を通過できることが好ましい。
【００４４】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることが好ましい。
【００４５】
本発明の第５の実施形態では、捕獲された粒子が電極面と垂直方向に移動するよう、電極に印加する電圧を変化させることができる。 
【００４６】
少なくとも１個の捕獲された粒子は、他の少なくとも１個の粒子と相互作用する領域へ下降することができ、そして
相互作用した粒子は、相互作用しなかった粒子と共に再び上昇することができることが好ましい。
【００４７】
前記電極には孔が形成され、粒子を前記孔に接近させるように印加する電圧を変化させることができ、
前記粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することが好ましい。
【００４８】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることが好ましい。
【００４９】
本発明の第６の実施形態では、電極のアレイが提供され、該電極アレイに印加された電圧が第１のタイプの粒子を捕獲し、該第１のタイプの粒子は第２のタイプの粒子と相互作用して生成物粒子を形成し、該生成物粒子はトラップの底へ落下して、引出し孔を通って運び出される。
【００５０】
本発明のさらなる態様によると、第６の実施形態の方法を実施するための装置が提供される。該装置は、面上に配列された電極のアレイを有し、該電極の少なくとも１個は、交流電圧および直流電圧の両方を印加できる少なくとも１個の電源に接続され、前記電極の面の一方側に位相空間マニピュレーションの領域が提供される。
【００５１】
前記電極アレイはさらに、捕獲された粒子を引出す少なくとも１個の孔を有することが好ましい。
【００５２】
前記各電極が１個の孔を有することが好ましい。
【００５３】
前記生成物粒子がポテンシャルにより加速されて検出され、前記生成物粒子の元である第１のタイプの粒子の位置を検出できることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明を、単に一例として、添付した図を参照して述べる。
【００５５】
断熱近似においては、一連の電極により印加される一組のＤＣ電圧と急速に変化するＡＣ電圧（角周波数Ω）を受けた、質量ｍで電荷がｑの粒子は、ＡＣ項とＤＣ項の１次結合であり、以下の式で表される実効ポテンシャルＶ＊を受けたかのように移動する。
【数１】
2005537471.tif 000003
上記において、Ｅ０はＡＣ電圧による電場であり、ΦＳはＤＣ電圧による静電ポテンシャルであり、Ｒ０はＡＣ電圧の数周期にわたって平均したイオンの位置である。
【００５６】
電極については、ＡＣ部は常に斥力を与え、ＤＣ部は斥力か引力のいずれかを与える。
【００５７】
ＤＣ系単独では、ポテンシャルは少なくとも１方向が負の曲率を持つため、イオンを捕獲することができない。しかし、ＡＣ電圧とＤＣ電圧の組み合わせにより、いくつかの場所で荷電粒子を捕獲できるような、全方向に正の曲率を持つ実効ポテンシャルが生じる。
【００５８】
上記数式（１）は、以下のように書き直せる。
【数２】
2005537471.tif 000004
ｑのファクターは、ポテンシャルの単位を電子ボルトに変換したことと、１価のイオンを考慮することによって（ここに記載する系はこの限定がされるものではないが）消えた。ｋは以下のような値である。
【数３】
2005537471.tif 000005
上記において、γは、電極系に印加されたＤＣ電圧に対照した、ＡＣ電圧に対するスケーリングパラメーターである。因子γは、γ= Vac/(Vdcl)と明確に定義される。VacおよびVdcは、電極に実際に印加された電圧であり、lは全体の設計（whole design）に関連する長さのスケールを与える。
【００５９】
このように変数ｋは、ポテンシャルのスケーリングを説明できるパラメーターとして機能する。捕獲された粒子のタイプによって、γやΩの値は変わる。変数ｑとｍは、捕獲された粒子固有の値である。
【００６０】
このように、既存の粒子のトラップまたはガイド技術とは対照的に、本発明の粒子トラップまたはガイドにおいては、電極が粒子を包囲する必要がない。この電極は、適切な構成であればどのような配置にでもすることができる。たとえば、平面状に配置することができる。また、他の配置も可能である。特に、電極をほぼ平面状のアレイとして、そのうちいくつかの電極の位置を相対的に上下させることもできる。また、たとえば、電極を半球状や長円状、放物面状に配置することもできる。
【００６１】
第１の実施形態においては、スポットトラップが提供される。単一の電極が大きなアース平面に包囲されるものである。この系は、k値の適当なスケーリングによって、容易にスケーリングすることができる。
【００６２】
ＡＣ電圧が、光がこの系を通過するのに要する時間がその１周期よりずっと短いほど十分に低い周波数で印加されるならば、ＡＣ電圧によるポテンシャルは単にＤＣ電圧によるポテンシャルであるが時間的に変調されたものである。
【００６３】
図１は、環状電極の特定のトラップ構成における等ポテンシャル線をプロットしたものである。この系においては、半径１０μｍのスポットが選ばれ、アース平面に対して−１ＶのＤＣ電圧がそれに印加された。スケーリングパラメーターkの値は１００を選択した。
【００６４】
図１の横軸は電極平面からの垂直距離であり、縦軸は対称軸からの半径距離であり、ともに単位はμｍである。実効ポテンシャルの最小値（ほぼｒ＝０μｍ、ｚ＝１１μｍの点である）は、包囲するアース平面に対して−０．１８６Ｖである。輪郭線は、−０．１８Ｖから−０．１１Ｖにかけて０．０１Ｖ刻みで表示した。
【００６５】
上記の系は、環状電極の中心を通って電極平面に垂直な軸に関して、円筒対称であるので、結果として生じる実効ポテンシャルがこの対称軸を横切る１つの平面で荷電粒子を捕獲するために必要な形状を備えていることを示せば、この系がイオントラップであることを示すには十分である。それゆえ、この系がトラップとして機能することは明らかである。
【００６６】
数値テストによると、上記系が約８０より大きなｋ値の範囲で、イオンを捕獲することがわかった。
【００６７】
電極表面からトラップ中心までの距離及びトラップの底部の曲率は、ｋ値を変えることで変更することができる。特に、ｋ値が増加するに従って、所定の質量を持つ粒子が電極平面からより離れた点で捕獲される。ｋ値は粒子の質量に依存するので、所定の値のｋに対しては、より大きな質量を有する粒子はより電極平面近くに存在することになる。さらに、ｋの増加に伴って、ポテンシャル井戸の底部の曲率が変化し、より大きなサイズで異なった形の捕獲領域となる。この捕獲領域における変化は、下記で開示される捕獲領域の形状が一定に保持されたままである集束技術によりもたらされる捕獲領域における変化とは異なるものであると言える。
【００６８】
断熱パラメーターが十分に小さければ、イオンは捕獲領域に捕獲されたままとなる。このパラメーターは以下の数式で与えられる。
【数４】
2005537471.tif 000006
【００６９】
実験によれば、安定した捕獲のためには、このパラメーターが０．３未満でなければならない。テストによれば、実効ポテンシャルの最小値付近でこのパラメータは約０．０５となり、従って安定した捕獲が期待できる。さらなる数値テストにより、この主張が裏付けられ、安定した捕獲が発生する体積を決定することができるだろう。
【００７０】
この原理は、単純な環状電極に限定されるものではない。例えば、電極のマトリックスを作製することができる。そして、種々の電極に印加される電圧は、粒子を多くの方法でマニピュレートするために選択される。これらいくつかの方法は、以下で説明する。
【００７１】
たとえば、第２の実施形態において、アレイの種々の電極に印加される電圧は、所定領域の内側にあるすべての電極が適切なＤＣ電圧およびＡＣ電圧のバイアスを与えられ、それ以外の電極は０ボルトのバイアスを与えられるように選択することができる。バイアスが与えられた電極が内側に存在する領域の場所を徐々に変えることは（つまり、電極をバイアスを与えた状態からアースした状態へ連続的に変化させたり、その他体系立った方法により）トラップ位置が電極表面を移動することに対応し、粒子のコンベヤーベルトを効果的に作成することができる。
【００７２】
第３の実施形態においては、電極は漏斗として機能することができ、捕獲した粒子を広い領域から中心領域へ集めるように電圧が変更される。
【００７３】
漏斗として機能することができる電極の構成は、図２に例示される。同心円状の一連の電極１０が提供される。該電極はすべて、初期状態では同じＡＣ電圧およびＤＣ電圧が印加される。これらの電極１０は大きなアース平面１２によって包囲される。このように、初期状態では、この系は直径がＤ１と等しくｋが特定の値に設定されたスポットトラップのようである。この構成で多少時間が経過した後、外側の電極を０Ｖに設定する（外側の電極をアース平面の一部であるかのようにする）と同時に、他の電極に印加する電圧をｋが同一の所定値を保つように変化させる（スポットの直径がＤ２に等しくなったので、ｌが変化したことに注意する）。これが第１の中間状態であり、実効ポテンシャルは同じ形状であるが、初期状態のポテンシャルと比べて少し縮小したものとなっている。その後は最終状態に達するまで、連続する電極が外側から内側に向かって、常にｋ値を一定に保つようにアースされていき、最終状態では中央の電極によって粒子がトラップされる。
【００７４】
粒子を１ヶ所に集めるための別の方法としては、上記と同じ電極構成とするが、初期状態では外側のいくつかの環状電極にのみ電圧を印加し、内側の電極はアースしておく。そして、外側の電極を０Ｖにすると同時にそのひとつ内側の電極に電圧を印加するようにして、外側から内側へ連続的に移動していく。このような方法でも、粒子を中央領域に集めることができる。
【００７５】
最も内側の電極に孔を設けて、引出し孔とすることができる。上述したように、ｋ値が小さいほど、粒子は電極表面に近い点で捕獲される。ｋ値がさらに小さくなると、ポテンシャルはトラップポテンシャルとして機能しなくなる。あるｋ値で（上記の特定のスポットトラップでは７７．７と判明）、トラップは壊れて捕獲されていた粒子は離脱可能となる。この時点での等ポテンシャル線を図３に示した。また、前記孔の反対側にバイアスをかけた引出し電極を任意に設けてもよい。
【００７６】
上記系に緩衝ガスが使用される場合、孔を通過する緩衝ガスが超音速で膨張して、孔を通過する粒子のビームを冷却するように、引出し領域の両側は差異をつけてポンプすることができる。
【００７７】
第４の実施形態においては、上記スポットトラップとコンベヤーベルトの構成を組合わせて、質量や電荷の異なる荷電粒子を分別して異なった処理をする、粒子のマニピュレーションを提供することが可能になる。
【００７８】
上記スケーリングパラメーターｋは、捕獲された粒子の質量に反比例し、より質量の大きい粒子ほど電極の表面により近いところで捕獲される。図４に、一連のコンベヤー電極１４を設け、コンベヤー１６を形成し、コンベヤー１６は電圧を印加されて粒子をある捕獲領域から他の捕獲領域へ運ぶ構成を示した。スポットトラップ電極１８は、コンベヤー１６の中央に配置される。
【００７９】
コンベヤー電極１４とスポットトラップ電極１８の相対的な長さの比率は、コンベヤー電極１４がスポットトラップ電極１８よりずっと長いものとなっている。スポットトラップ電極１８に比較的軽い粒子が捕獲された場合、電場とポテンシャルの局所的な性質により、スポットトラップ電極１８よりコンベヤー１６のポテンシャルにより影響された高さで捕獲される。
【００８０】
それゆえ、粒子の質量に応じて電極表面から異なった距離に粒子が自分自身を配置する（あるいは多少の相互作用の後に）系を考えることができる。そして質量のより小さい粒子は上昇してコンベヤーベルトにより運び去られ、より重い粒子は捕獲領域に残存する。
【００８１】
このようなプロセスの後、残存したより重い粒子は上記の方法を用いて引出し孔を通過することができる。
【００８２】
また、粒子の質量が増加する場合のプロセスに関心がもたれるかもしれない。この場合は、相互作用の前後双方の質量を保持するよう、トラップを最初にプログラムすることができる。そして、より軽い（変化しない）粒子が上昇して保持領域へ輸送されるように、より小さいｋ値を取るように周期的にプログラムすることができる。そして、前記トラップは、より軽い粒子が移動した方向に対して垂直なコンベヤーベルトの一部となることができる。そしてより重い（変化した）粒子は、さらなるプロセスのために運搬され、その後に前記より軽い粒子は（あるいは他の粒子も加えて）相互作用領域に戻すことができる。
【００８３】
第５の実施形態においては、粒子はある高さで捕獲されるが、この粒子が電極表面へ向けて下降して、そこに存在するほかの粒子と相互作用するように、スケーリングパラメーターｋ値を小さくすることができる。そして、生成粒子と変化していないすべての粒子が上昇するように、ｋ値を再び大きくすることができる。
【００８４】
上記すべての実施形態において、電極アレイを作製するのにプリント基板技術を用いることができる。隣接した電極の近接はクロストーク効果によって制限されるが、相互作用の性質は種々の粒子、たとえばイオンや電子を運搬するための有用なデバイスが作製できるようなものであるべきである。
【００８５】
実際に、このような電極アレイを作製する技術としては、集束イオンビーム技術やリソグラフィー技術等たくさんの技術がある。どの作製方法を選択するかは、作製する電極アレイの長さスケールや利用目的次第である。
【００８６】
上述した概念は、広い範囲に適用することが可能である。特に、上記技術は、既存の周波数標準や量子計算、量子暗号、材料分析の技術の小型化、並行化を可能にするために用いることができる。
【００８７】
加えて、本技術は高度な生体分子実験で用いられる、イオンをマニピュレートする装置の製造に直接適用することができる。
【００８８】
装置の電極が適当な電源に接続され、この装置は密閉可能なチャンバーに通常のように収容され、圧力を変更してチャンバー内に提供される真空の質を制御するために、ガスを導入かつ排出するガスポンプが設けられていることが望ましい。
【００８９】
図５に、特に生体分子イオンの処理を目的とした、本発明の技術を用いた装置を示す。
【００９０】
イオン２０がチャンバー２４に導入される。任意のゲート電極２２を用いてイオン２０の導入を制御することができる。このイオン２０は、トラップ電極のアレイ２６に捕獲される。
【００９１】
ポンプとガス導入口バルブ（図示せず）は、バックグラウンドの緩衝ガスの導入と排出を制御して、チャンバー２４により提供される真空を制御する。
【００９２】
上述したように、前記電極アレイ２６に印加される電圧は、イオン２０をマニピュレートするために変更することができる。いつでもトラップ電圧を切断して、引出しプレート２８に引出し電圧を印加して、イオン２０がフライトチューブ３０を通って位置検出器３２へ向かうよう加速することができる。イオン２０は、フライトチューブ３０内で数回衝突するかもしれないが、これらの衝突は短時間のもので、ずっと軽い緩衝ガスを相手として持つものである。したがって、これらの衝突は位置や飛行時間の情報を損なうことはない。
【００９３】
飛行時間は、真にトラップまたはガイドされたイオン２０を、バックグラウンドのイオンから区別するために使用され、位置検出器３２上の時間でゲートしたイメージが、引出し電圧を印加する直前のイオン２０の位置を示す画像データと対応する。
【００９４】
前記捕獲されたイオンが、水分子が沸点以下で液体から蒸発する確率を有するように、有限の離脱確率を有するという意味で熱エネルギー分布を持つのが望ましい。このように捕獲されたイオンが離脱すると、このイオンは上記孔を通過する。しかし、電圧が変化している時は、その粒子の通常予想される透過時間より少し前に起きる。粒子がこの予想透過時間から外れて離脱する時間は、印加する電圧の振幅、波形、周波数の値および変化率次第である。このように、粒子の質量は、前記孔の通過時間とその時のトラップの状態に相関して決定される。
【００９５】
種々の緩衝ガス衝突領域、特に高衝突頻度限界（材料処理と生体分子の処理に有効である）と無衝突限界（量子計算と量子暗号に有効である）を調査した。上記高衝突頻度限界では、イオンはバックグラウンドガスや互いと衝突することで迅速に熱化される。このバックグラウンドガスは希ガスバッファーとすることができるので、不要な化学反応は起こらない。また、たとえば、生体分子の水和を調査するために水とすることもできる。各自由度に関係する固有エネルギーが約３meVになって、図１の等ポテンシャル線の一番内側で見られるように捕獲されたイオンが捕獲領域の内側に存在するような場合は、希ガスバッファーは容易に液体窒素温度まで冷却することができる。
【００９６】
無衝突限界での力学の詳細を計算するのは、あるコンピューターシミュレーション技術を使えば可能ではあるが、困難である。
【００９７】
所定の電圧構成では、単独のイオンの運動は、調和運動を重ね合わせることで近似することができ、これらは結合していてもよい。
【００９８】
本発明の原理を用いて構成することができる別の装置としては、単一の再構成可能なトラップがある。この装置は差し渡し数センチメーターで、トラップ系の一方側に小さな孔から成る引出し領域を中心とする環状電極を有し、他方側にバイアスをかけられた引出し電極を有する。このようなトラップでは、実効ポテンシャルは図１に示すような形状を取る。実効等ポテンシャル線は、最小の等ポテンシャル線と比較して、最も内側の等ポテンシャル線が室温と一致するように選択される。
【００９９】
上記トラップは、長さスケールが約３ｃｍから５０μｍまで徐々に減少して、ポテンシャルに捕獲されたすべてのイオンが、しぼんでいく風船のように、連続的に小さくなる容積に集められるように徐々に再構成される。
【０１００】
そして、上記イオンが原点を中心とする引出し領域へ自由に移動できるように、トラップ特性を変更する。捕獲されたイオンが引出し領域を通って離脱する時に、ポテンシャルは図３に示すような形状をとる（ｚ軸における変化に注意）。なお、前記孔を通過する緩衝ガスが超音速で膨張して、生体分子イオンのビームをさらに冷却するように、引出し領域の両側は差異をつけてポンプすることができる。
【０１０１】
結果として得られた冷却された生体分子イオンのパルス源は、その反応性散乱特性(reactive scattering behabiour)を調査するのに理想的であり、この故に新しく注目の研究分野を形成することができる。
【０１０２】
本発明の原理はまた、図６に示すような位置検出器の製造に用いることもできる。
【０１０３】
トラップのアレイ３４が平面状の電極構造３６を形成し、そこに特定の分子イオン（Ａ＋）を載せる。このＡ＋は、特定の生体分子あるいは生体分子のクラス（Ｂ）と結合して反応できるように選択される。Ａ＋の選択は、検出器の特異性に関係する。マイクロチャネルプレート４０が用意され、その前面は正イオンを誘引するよう高い負圧のバイアスがかけられる。あるいは、マイクロチャネルプレートに代えて、適当な荷電粒子の位置検出器を用いてもよい。
【０１０４】
分子Ｂが平面構造３６に接近した時、Ｂはセンサー分子イオンのひとつと以下のように反応して結合する。
【数５】
2005537471.tif 000007
【０１０５】
トラップ構成は、この質量のより大きな生成イオンが、電極表面３６の方へ落下し、終には、小孔のアレイのひとつ３８を貫通した場により離脱させられるように配列される。この貫通した場は、マイクロチャネルプレート４０の前面に高い負圧のバイアスがかけられて、自然に生じるものである。これと同じ効果は、前記電極アレイの裏面を負に荷電しても得ることができる。そして、上記イオンは小孔３８からマイクロチャネルプレート４０へ向かって加速されるが、これは従来の位置検出器（イメージ増倍管にいくらか似ている）のフロントエンドになる。結果として得られる検出イベントにより、相互作用の前の生体分子の位置記録が提供される。
【０１０６】
また、捕獲を循環させて、より質量の大きな生成イオンをトラップに保持して、貫通した場に周期的に到達させるだけにすることができる。この場合、飛行時間の情報を生成イオンの質量を決定するのに用いることができ、それ故Ａ＋の質量とともに、それが属する分子クラスをも決定するのに用いることができる。
【０１０７】
前記トラップアレイの、異なるイオンを異なる場所にたくわえる本質的な能力は、異なった種Ａ＋を異なった場所でたくわえるのに利用でき、同時に系が生体分子（Ｂ）の範囲を区別することを可能にする。
【０１０８】
注文品のＣＡＤ／シミュレーションパッケージも、荷電粒子を捕獲しガイドするためのアレイの設計を援助するために提供され得る。いかなるシーケンスの印加電圧を受ける所定のトラップ構成であっても、捕獲されたイオンの運動は原則的には、マックスウェルの電界方程式およびイオンのニュートンの運動方程式の解により正確に求めることができる。しかし、直面する問題のスケールのために、これは計算上扱い難いだろう。
【０１０９】
長さと周波数のスケールが関係するため、マックスウェル方程式の完全解に代えて、ラプラス方程式の解の1次結合を使うことができる。この問題は、任意の幾何学のために計算で扱いやすく、提案されたトラップアレイがほぼ対称であるため、多重解像度解析によりさらなるスピードアップを図ることができる。このようにして得られたラプラス方程式の解を用いて、トラップ又はガイドアレイの特性は、捕獲されたイオンの力学を、緩衝ガスとの衝突に対するモンテカルロシミュレーションと結びつけた、捕獲されたイオンの運動の明確な完全解（計算上高価である）から、単純に実効トラップポテンシャルを印加された電圧の「トラップシーケンス」により平均して計算しそして、統計の分布とこの実効ポテンシャルを受けるイオンの摩擦モデルを使うこと（計算上安価である）までにわたる種々のレベルの近似で解くことにより、導くことができる。
【０１１０】
このようなシミュレーションは、第１に計算上安価な方法の妥当性の範囲を評価するのに用いられる。ひとたび評価が確立されると、種々のトラップ／ガイド構成のための実効ポテンシャルと断熱パラメータおよび「トラップシーケンス」が、その挙動を予測するために用いられる。
【０１１１】
プログラムの制御は視覚的インターフェイスを介して行われ、注文品のイオントラップ／ガイドアレイのためのＣＡＤ／シミュレーションプログラムに導かれる。このプログラムはこの分野の研究者であれば入手可能であり、並列計算機として機能するＰＣのアレイにわたって動作することができる。ラプラス方程式の解と軌跡の計算は共に、並行処理で計算することができる。
【０１１２】
本発明の技術的範囲を外れることなく、さまざまな改変が可能である。特に、上記荷電粒子は、イオン、電子、そのほか適当な荷電粒子ならなんでもよい。
【０１１３】
また、電極アレイの製造は、適切な手段であればどのようなものを用いてもよく、プリント基板技術、リソグラフィー技術、集束イオンビーム技術はたんなる例示でしかない。
【０１１４】
各実施形態における電極の形状は、適当であればどのようなものであってもよく、上記で挙げた例示により特定の形状に制限するものではない。たとえば、同心円状の一連の環状電極により漏斗状の構成としてもよい。これらの電極は、楕円状や方形その他適当な形状を取ることができる。
【０１１５】
また、前記電極に印加される電圧は、適切な形状であればどんなものであってもよく、電極に送られる前に変調することができる。たとえば、情報を処理する時にデジタルロジック技術を使えるように、電圧を方形波にすることができる。さらに、電極に印加される電圧は、特定の粒子を引きつけまたは斥ける適当な極性を有してもよい。たとえば、上記第６の実施形態を実施するための装置では、マイクロチャネルプレートに負圧のバイアスを与えている。しかし、負の粒子を誘引するために、正に荷電することもできる。
【０１１６】
上記コンベヤーベルトの構成において、その操作を実際に粒子を運搬する点について説明した。しかし、粒子が存在しない時にも電圧シーケンスを印加することができ、コンベヤーの構成を常に動作させておいて、粒子が存在する場合にはそれを運搬するようにすることができる。
【０１１７】
また、本発明の原理を用いるに際して、それらを組合わせて用いるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に従う電極により形成された、荷電粒子を捕獲するのに適した等ポテンシャル線である。
【図２】図２は本発明の第３の実施形態である。
【図３】図３は粒子が捕獲されない等ポテンシャル線である。
【図４】図４は本発明の第４の実施形態である。
【図５】図５は本発明の全ての実施形態に従って用いる装置である。
【図６】図６は本発明の第６の実施形態である。
【符号の説明】
【０１１９】
１０…同心円状の一連の電極、  １２…アース平面、  １４…コンベヤー電極、
１６…コンベヤー、  １８…スポットトラップ電極、  ２０…イオン、
２２…ゲート電極、  ２４…チャンバー、  ２６…トラップ電極のアレイ、
２８…引出しプレート、  ３０…フライトチューブ、  ３２…位置検出器、
３４…トラップのアレイ、  ３６…平面状の電極構造、  ３８…小孔、
４０…マイクロチャネルプレート。
【図１】
2005537471.tif 000008
【図２】
2005537471.tif 000009
【図３】
2005537471.tif 000010
【図４】
2005537471.tif 000011
【図５】
2005537471.tif 000012
【図６】
2005537471.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月2日(2004.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための装置であって、面上に配列された少なくとも１個の電極を有し、該電極は、前記電極の面の一方側に、位相空間マニピュレーションの領域を提供するポテンシャルを形成するように交流電圧および直流電圧を共に印加できる電源に接続され、前記１個または複数個の電極は使用時に位相空間がマニピュレートされる荷電粒子を包囲しないことを特徴とする少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための装置。
【請求項２】
さらに前記電極の周囲の空間の圧力を制御する圧力制御手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記圧力制御手段が、密閉可能なチャンバーと該チャンバーにガスを導入し排出することができるガスポンプ手段を具備することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電源が、印加する交流電圧と直流電圧を変化させるように操作することができるものであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記電源が、交流電圧の振幅、波形、周波数を個々に変化させるように操作することができ、直流電圧の大きさを変化させるように操作することができるものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ポテンシャルが実効ポテンシャルであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子を特定の空間領域に束縛する粒子捕獲領域を含むものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子の運動を少なくとも１つの自由度により抑制する粒子ガイド領域を含むものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
複数の電極が提供されることを特徴とする上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記電極がアレイを成すように配置され、前記少なくとも１個の粒子が前記アレイの一方側に位置するものであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記アレイが実質的に平面状であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記アレイが半球状であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
単一の電極が提供され、該電極が一定のポテンシャルに保持された面で包囲されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記電極が環状であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記面がアースされていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記環状電極に印加される交流電圧の周波数は、前記環状電極の直径を光が通過するのに要する時間より短い周期を有するものであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
平面状アレイで隣接する第１電極群と第２電極群に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、前記第１の電極群により提供される粒子捕獲領域から、前記第２の電極群により提供される粒子捕獲領域へ移動することができるように変更できるものであることを特徴とする上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１個の粒子が、第１の電極群により提供される第１の粒子捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の粒子捕獲領域へ移動可能であって、これら電極群に印加する電圧が初期設定から中間設定を経て最終設定へと変更されることができ、
前記初期設定では、少なくとも１個の粒子を内部に捕獲する第１の粒子捕獲領域を形成するように、第１の電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、これに隣接する第２の電極群にバイアスをかけて０ボルトにする、
前記中間設定では、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する一体化した粒子捕獲領域を形成するよう、前記両電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、
前記最終設定では、前記第１の電極群にバイアスをかけて０ボルトにし、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する第２の粒子捕獲領域を形成するように、第２の電極群にバイアスをかけて保持電圧にするものであることを特徴とする、
請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
少なくとも１個の粒子を、前記平面状アレイの所定の経路に沿って移動させるために、少なくとも１個の粒子を、第１の電極群が形成する第１の捕獲領域から、第２の電極群が形成する第２の捕獲領域へ移動させるプロセスを反復できるものであることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記平面状アレイが、プリント回路基板技術、またはリソグラフィー技術、または集束イオンビーム技術を用いて形成されたものであることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
一連の電極が提供され、該電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、第１の粒子捕獲領域から第２の粒子捕獲領域へ移動することができるように制御でき、前記第１の捕獲領域は前記第２の捕獲領域より大きいものであることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、連続的に小さくなる複数の捕獲領域間を移動できるように制御できるものであることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記一連の電極は、同心円状に配列された複数の環状電極から成るものであることを特徴とする、請求項２１または請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
初期状態では、少なくとも１個の粒子が第１の捕獲領域に捕獲されるように、各電極に交流電圧と直流電圧の組み合わせが印加され、
外側の電極に印加する電圧を変化させて、中間状態では、前記少なくとも１個の粒子が、前記外側の電極の内側に位置する残りの電極により提供される第１の中間捕獲領域に捕獲されるようにでき、
前記外側の電極に隣接する電極に印加する電圧を変化させて、最終状態では、前記少なくとも１個の粒子が、最も内側の電極により提供される第２の捕獲領域に捕獲されるようにできることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記初期状態から前記中間状態、および前記中間状態から前記最終状態への遷移において、前記外側の電極および隣接する電極は、それぞれ０ボルトとされるものであることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
複数の電極がそれぞれさらに中間捕獲領域を提供でき、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにすることを特徴とする、請求項２４または請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
初期状態においては、最外の電極に交流電圧と直流電圧の第１の組合わせを印加し、前記最外の電極以外の電極に背景電圧を印加して、初期状態において、少なくとも１個の粒子を第１の捕獲領域に捕獲し、
外側に位置する電極に隣接する電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定でき、前記外側に位置する電極に背景電圧を印加して、中間状態においては、前記少なくとも１個の粒子を第１の中間捕獲領域に捕獲し、
最も内側の電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定でき、隣接する電極に背景電圧を印加して、最終状態において、前記少なくとも１個の粒子を第２の捕獲領域に捕獲するものであることを特徴とする、請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記背景電圧が０ボルトであることを特徴とする、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
複数の電極が提供され、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されるようにするものであることを特徴とする、請求項２７または請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
最も内側の電極が孔を具備し、前記少なくとも１個の粒子が前記最終状態にある時、前記少なくとも１個の粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加するように前記孔が配置されるものであることを特徴とする、請求項２３による場合の、請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３１】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
電極に印加される電圧が、あるタイプの荷電粒子を他の荷電粒子と区別できるようなものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】
異なるタイプの荷電粒子は、前記電極の面から垂直に異なる距離で捕獲されるものであることを特徴とする、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記距離は、前記荷電粒子の電荷および／または質量に依存するものであることを特徴とする、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
第１のタイプの荷電粒子は、前記電極から第１の垂直距離で捕獲され、第２のタイプの荷電粒子は、前記電極から第２の垂直距離で捕獲され、前記第１の荷電粒子の質量は前記第２の荷電粒子の質量より大きく、前記第２の垂直距離は前記第１の垂直距離より大きいものであることを特徴とする、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記第２の垂直距離で捕獲された少なくとも１個の荷電粒子が、第２の電極群に印加される電圧シーケンスにより形成されるポテンシャルを受けるものであることを特徴とする、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記第２の電極群に印加される電圧シーケンスは、前記少なくとも１個の粒子を、ある捕獲領域から別の捕獲領域へ所定の経路に沿って運ぶものであることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記第２の電極群の大きさは、捕獲電極の大きさよりずっと大きいスケールのものであることを特徴とする請求項３６または請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
孔が電極に備えられ、前記電極の面に一番接近しているタイプの粒子が前記孔を通過できるものであることを特徴とする、請求項３２乃至３８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４０】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
捕獲された粒子が電極面と垂直方向に移動するよう、前記電極に印加する電圧を変化させることができるものであることを特徴とする、上記いずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
少なくとも１個の捕獲された粒子は、他の少なくとも１個の粒子と相互作用する領域へ下降することができ、そして
相互作用した粒子は、相互作用しなかった粒子と共に再び上昇することができるものであることを特徴とする、
請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記電極には孔が形成され、粒子を前記孔に接近させるように印加する電圧を変化させることができ、
前記粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加するものであることを特徴とする、
請求項４１または請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされるものであることを特徴とする、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
電極のアレイが提供され、該電極アレイに印加された電圧が第１のタイプの粒子を捕獲し、該第１のタイプの粒子は第２のタイプの粒子と相互作用して生成物粒子を形成し、該生成物粒子はトラップの底へ落下して、引出し孔を通って運び出されるものであることを特徴とする、請求項４１乃至４４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４６】
前記電極アレイはさらに、捕獲された粒子を引出すための少なくとも１個の孔を有することを特徴とする、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記各電極が１個の孔を有することを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記生成物粒子がポテンシャルにより加速されて検出され、前記生成物粒子の元である第１のタイプの粒子の位置を検出できるものであることを特徴とする、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための方法であって、電極に印加した交流電圧および直流電圧の組み合わせが、位相空間マニピュレーションの領域を提供するポテンシャルを形成し、少なくとも1個の荷電粒子が前記電極の面の一方側に位置し、前記１個または複数個の電極は使用時に位相空間がマニピュレートされる荷電粒子を包囲しないことを特徴とする少なくとも１個の荷電粒子の位相空間をマニピュレートするための方法。
【請求項５０】
さらに前記電極の周囲の空間の圧力を制御する工程を含むことを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
圧力を制御する手段が、密閉可能なチャンバーと該チャンバーにガスを導入し排出することができるガスポンプ手段を具備することを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
電源は、印加する交流電圧と直流電圧を変化させるように操作することができることを特徴とする、請求項４９乃至５１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
電源が、交流電圧の振幅、波形、周波数を個々に変化させるように操作でき、直流電圧の大きさを変化させるように操作できることを特徴とする、請求項４９乃至５２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５４】
前記ポテンシャルが実効ポテンシャルであることを特徴とする、請求項４９乃至５３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５５】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子を特定の空間領域に束縛する粒子捕獲領域を含むことを特徴とする、請求項４９乃至５４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５６】
前記位相空間マニピュレーションの領域が、粒子の運動を少なくとも１つの自由度により抑制する粒子ガイド領域を含むことを特徴とする、請求項４９乃至５５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５７】
複数の電極が提供されることを特徴とする請求項４９乃至５６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５８】
前記電極がアレイを成すように配置され、前記少なくとも１個の粒子が前記アレイの一方側に位置することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記アレイが実質的に平面状であることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記アレイが半球状であることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
単一の電極が提供され、該電極が一定のポテンシャルに保持された面で包囲されていることを特徴とする請求項４９乃至５６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６２】
前記電極が環状であることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記面がアースされていることを特徴とする請求項６１または６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記環状電極に印加される交流電圧の周波数は、前記環状電極の直径を光が通過するのに要する時間より短い周期を有することを特徴とする請求項６２または６３に記載の方法。
【請求項６５】
平面状アレイで隣接する第１電極群と第２電極群に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、前記第１の電極群により提供される粒子捕獲領域から、前記第２の電極群により提供される粒子捕獲領域へ移動することができるように変更できることを特徴とする請求項４９乃至６４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６６】
少なくとも１個の粒子が、第１の電極群により提供される第１の粒子捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の粒子捕獲領域へ移動し、これら電極群に印加する電圧を初期設定から中間設定を経て最終設定へと変更されるものであって、
前記初期設定では、少なくとも１個の粒子を内部に捕獲する第１の粒子捕獲領域を形成するように、第１の電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、これに隣接する第２の電極群にバイアスをかけて０ボルトにする、
前記中間設定では、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する一体化した粒子捕獲領域を形成するよう、前記両電極群にバイアスをかけて保持電圧にし、
前記最終設定では、前記第１の電極群にバイアスをかけて０ボルトにし、前記少なくとも１個の粒子を捕獲する第２の粒子捕獲領域を形成するように、第２の電極群にバイアスをかけて保持電圧にすることを特徴とする、
請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
少なくとも１個の粒子を、前記平面状アレイの所定の経路に沿って移動させるために、少なくとも１個の粒子を、第１の電極群により提供される第１の捕獲領域から、第２の電極群により提供される第２の捕獲領域へ移動させるプロセスを反復できることを特徴とする、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記平面状アレイが、プリント回路基板技術、またはリソグラフィー技術、または集束イオンビーム技術を用いて形成されることを特徴とする、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
一連の電極が提供され、該電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、第１の粒子捕獲領域から第２の粒子捕獲領域へ移動するように制御でき、前記第１の捕獲領域は前記第２の捕獲領域より大きいことを特徴とする、請求項４９乃至６４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７０】
前記電極に印加される電圧は、前記少なくとも１個の粒子が、連続的に小さくなる複数の粒子捕獲領域間を移動できるように制御できることを特徴とする、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記一連の電極は、同心円状に配置された複数の環状電極から成ることを特徴とする、請求項６９または請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
初期状態では、少なくとも１個の粒子が第１の粒子捕獲領域に捕獲されるように、各電極に交流電圧と直流電圧の組み合わせが印加され、
外側の電極に印加する電圧を変化させて、中間状態では、前記少なくとも１個の粒子が、前記外側の電極の内側に位置する残りの電極により提供される第１の中間捕獲領域に捕獲されるようにし、
前記外側の電極に隣接する電極に印加する電圧を変化させて、最終状態では、前記少なくとも１個の粒子が、最も内側の電極により提供される第２の捕獲領域に捕獲されるようにすることを特徴とする、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記初期状態から前記中間状態、および前記中間状態から前記最終状態への遷移において、前記外側の電極および隣接する電極は、それぞれ０ボルトとされることを特徴とする、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
複数の電極がそれぞれさらに中間捕獲領域を提供し、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されることを特徴とする、請求項７２または請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
初期状態においては、最外の電極に交流電圧と直流電圧の第１の組合わせを印加し、前記最外の電極以外の電極に背景電圧を印加して、初期状態において、少なくとも１個の粒子を第１の捕獲領域に捕獲し、
外側に位置する電極に隣接する電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、前記外側に位置する電極に背景電圧を印加して、中間状態においては、前記少なくとも１個の粒子を第１の中間捕獲領域に捕獲し、
最も内側の電極を、前記第１の組合わせの電圧に設定し、隣接する電極に背景電圧を印加して、最終状態において、前記少なくとも１個の粒子を第２の捕獲領域に捕獲することを特徴とする、請求項６９乃至７１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７６】
前記背景電圧が０ボルトであることを特徴とする、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
複数の電極が提供され、前記初期状態と最終状態の間に、前記少なくとも１個の粒子が複数の中間状態を通過して、連続的に小さくなる中間捕獲領域に捕獲されることを特徴とする、請求項７５または請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
最も内側の電極が孔を具備し、前記少なくとも１個の粒子が前記最終状態にある時、前記少なくとも１個の粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することを特徴とする、請求項７１による場合の、請求項７１乃至７７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７９】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
電極に印加される電圧が、あるタイプの荷電粒子を他の荷電粒子と区別できるようなものであることを特徴とする、請求項４９乃至７９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８１】
異なるタイプの荷電粒子は、前記電極の面から垂直に異なる距離で捕獲されることを特徴とする、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記距離は、前記荷電粒子の電荷および／または質量に依存することを特徴とする、請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
第１のタイプの荷電粒子は、前記電極から第１の垂直距離で捕獲され、第２のタイプの荷電粒子は、前記電極から第２の垂直距離で捕獲され、前記第１の荷電粒子の質量は前記第２の荷電粒子の質量より大きく、前記第２の垂直距離は前記第１の垂直距離より大きいことを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記第２の垂直距離で捕獲された少なくとも１個の粒子が、第２の電極群に印加される電圧シーケンスにより形成されるポテンシャルを受けることを特徴とする、請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
前記第２の電極群に印加される電圧シーケンスは、前記少なくとも１個の粒子を、ある捕獲領域から別の捕獲領域へ所定の経路に沿って運ぶものであることを特徴とする請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記第２の電極群の大きさは、捕獲電極の大きさよりずっと大きいスケールであることを特徴とする請求項８４または請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
孔が電極に備えられ、前記電極の面に一番接近しているタイプの粒子が前記孔を通過できることを特徴とする、請求項８０乃至８６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８８】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
捕獲された粒子が電極面と垂直方向に移動するよう、前記電極に印加する電圧を変化させることができることを特徴とする、請求項４９乃至８８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９０】
少なくとも１個の捕獲された粒子は、他の少なくとも１個の粒子と相互作用する領域へ下降することができ、そして
相互作用した粒子は、相互作用しなかった粒子と共に再び上昇することができることを特徴とする、
請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記電極には孔が形成され、粒子を前記孔に接近させるように印加する電圧を変化させることができ、
前記粒子が前記孔を通過させられるように、前記孔に電圧を印加することを特徴とする、
請求項８９または請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記孔を通過するガスが超音速で膨張して、前記孔を通過させられる粒子を冷却するように、前記孔の両側が差異をつけてポンプされることを特徴とする、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
電極のアレイが提供され、該電極アレイに印加された電圧が第１のタイプの粒子を捕獲し、該第１のタイプの粒子は第２のタイプの粒子と相互作用して生成物粒子を形成し、該生成物粒子はトラップの底へ落下して、引出し孔を通って運び出されることを特徴とする、請求項８９乃至９２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９４】
前記電極アレイはさらに、捕獲された粒子を引出すための少なくとも１個の孔を有することを特徴とする、請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記各電極が１個の孔を有することを特徴とする、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記生成物粒子がポテンシャルにより加速されて検出され、前記生成物粒子の元である第１のタイプの粒子の位置を検出できることを特徴とする、請求項９５に記載の方法。
【国際調査報告】
2005537471.tif 000014
2005537471.tif 000015
2005537471.tif 000016