(57)【要約】質量分析計の焦点面検出器アセンブリは、この質量分析計の焦点面を横切るイオンを検出するような形態の検出器、およびこの焦点面に平行な平面に、この質量分析計の磁石を出るイオンが、上記イオン検出器と接触する前に上記メッシュを通過するように位置決めされるように横たわる電気伝導性メッシュを含む。このメッシュは、回路接地に対して低電圧電位で維持され、これは、マイクロチャネルプレート電子増倍管のようなその他のデバイスからの高電圧電荷から上記磁石を通過するイオンを遮蔽する。このメッシュは、上記磁石に直接取り付けられ得るか、またはいくらか離れた距離に位置決めされる。上記検出器のアレイは、ファラデーカップ検出器アレイ、ストリップ電荷検出器アレイ、またはＣＣＤ検出器アレイを含む、任意の適切なデバイスを含み得る。
2007527601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計の焦点面検出器アセンブリであって：
該質量分析計の焦点面に平行な第１の平面にある第１の面を有するイオン検出器；および
該質量分析計の焦点面に平行な第２の平面にあり、そして第１の電圧電位を有する電気伝導性メッシュであって、該質量分析計の磁石を出るイオンが、該イオン検出器に接触する前に該メッシュを通過するよう配置されている、メッシュ、を備える、アセンブリ。
【請求項２】
前記第２の平面が、前記焦点面と同一平面にある、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の平面が、前記焦点面から１ミリメートル未満だけ分離されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の平面および第２の平面が、２ミリメートル未満だけ分離されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記メッシュが、イオンに対し８０％を超える透明度を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記メッシュが前記磁石の面の上に取り付けられ、そしてそれと電気的に連続している、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の電圧電位が、約１００ボルト絶対値以下である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記磁石の面が、第２の電圧電位を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記第１の電圧電位と第２の電圧電位との差異が、５００ボルトより少ない、請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記イオン検出器が：
第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管であって、該第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が前記イオン検出器の第１の面を規定する第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管；および
該第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第２の面から発する電子を検出するように位置決めされ、かつ形態とされる検出器アレイ、を備える、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記検出器アレイが、ファラデーカップ検出器アレイ、ストリップ電荷検出器アレイ、およびＣＣＤ検出器アレイの中から選択される、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が、前記第１の電圧電位に対して負の電圧電位を有する、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記マイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が、その第２の面に対して負の電圧電位を有する、請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記マイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が、その第２の面に対して−５００ボルトより大きい電圧電位を有する、請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記イオン検出器が：
前記第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管と前記検出器アレトとの間に位置決めされる少なくとも第２のマイクロチャネルプレート電子増倍管を備える、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記第１および第２のマイクロチャネルプレート電子増倍管が、絶縁体によって分離される、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第２の面および前記第２のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が、２ミリメートル未満だけ分離される、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第２の面および前記第２のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面が、０．５ミリメートル未満だけ分離される、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記イオン検出器が：前記第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管および前記検出器アレイが連結されるアセンブリホルダーを備える、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記メッシュが、前記アセンブリホルダーに連結される、請求項１９に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記イオン検出器が：直接電荷測定デバイスを備える、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記直接電荷測定デバイスが、ＣＣＤ型デバイスまたはファラデーカップ検出器アレイの１つを備える、請求項２１に記載のアセンブリ。
【請求項２３】
質量分析計の焦点面検出器アセンブリであって：
第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管であって、その第１の面が、該質量分析計の焦点面に平行な第１の平面にあり、そして該質量分析計の磁石に面し、該磁石に対して１００ボルト未満の電圧差異を有する第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管；および
該第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管の第２の面から発する電子を検出するように位置決めされ、かつ形態にある検出器アレイ、を備える、アセンブリ。
【請求項２４】
さらに：
少なくとも、第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管および前記検出器アレイとの間に位置決めされる第２のマイクロチャネルプレート電子増倍管を備える、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項２５】
質量分析計であって：
焦点合わせされたストリームでイオンを発するような形態であるイオン供給源；
該イオンのストリームのイオンの少なくとも一部分を受容するような形態である焦点面検出器；および
該焦点面検出器における電圧電位から、該イオンが該分析計の焦点面に到達するまで該ストリームのイオンを遮蔽するための遮蔽手段、を備える、質量分析計。
【請求項２６】
前記遮蔽手段が、前記質量分析計の焦点面に平行な平面中にある電気伝導性メッシュを備える、請求項２５に記載の質量分析計。
【請求項２７】
前記メッシュが、前記質量分析計の回路接地に対し１００ボルト未満の電圧電位を有する、請求項２６に記載の質量分析計。
【請求項２８】
前記焦点面検出器が：
少なくとも１つのマイクロチャネルプレート電子増倍管であって、その第１の面が、前記質量分析計の焦点面に平行な平面中にあるマイクロチャネルプレート電子増倍管；および
該マイクロチャネルプレート電子増倍管の第２の面から発する電子を検出するように位置決めされ、かつ形態である検出器アレイを備える、請求項２５に記載の質量分析計。
【請求項２９】
前記遮蔽手段が、前記マイクロチャネルプレート電子増倍管の第１の面を構成し、該第１の面が、前記質量分析計の回路接地に対して１００ボルト未満の電圧電位を有する、請求項２８に記載の質量分析計。
【請求項３０】
イオンのビームを生成する工程；
個々のイオンの電荷／質量比に従って該ビームのイオンを曲げる工程；
該ビームのイオンに影響し得る電場を生成する工程；および
該電場から該ビームのイオンを遮蔽する工程、を包含する、方法。
【請求項３１】
前記遮蔽する工程が、遮蔽されるイオンと前記電場の供給源との間に置かれたメッシュに低電圧電荷を与えることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記低電圧電荷が、回路接地に等しい、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記電場の供給源が、マイクロチャネルプレート電子増倍管である、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００４年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／５７７，９２０号；２００４年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／５５７，９６９号；２００４年３月５日に出願された米国仮特許出願第６０／５５０，６６３号；および２００４年３月５日に出願された米国仮特許出願第６０／５５０，６６４号の利益を主張し、ここで、これら４つの仮出願は、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に質量分析計の分野に、そして特にその焦点面検出器に関する。
【０００３】
（関連する技術の説明）
質量分析計は、プロセスモニタリングから生命科学まで多くの適用で広く用いられている。過去６０年間の経過に亘って種々の器具が開発されてきた。新たな開発の焦点は、２つの部分からなる：（１）高質量解像度とともになお高い質量範囲のための懸命の努力、および（２）小さな、デスクトップ質量分析計器具の開発に関する。
【０００４】
質量分析計は、しばしば、複雑な混合物の分析のためにガスクロマトグラフと組み合わされる。これは、特に、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）および準揮発性有機化合物（ｓｅｍｉ−ＶＯＣ）の分析のために有用である。組み合わされたガスクロマトグラフおよび質量分析計または分光器（ＧＳ／ＭＳ）器具は、代表的には、ガス入口システムを含み、これは、ＧＣ／ＭＳ器具のガスクロマトグラフ部分を含み得る。このＧＣ／ＭＳ器具はまた、代表的には、イオン抽出器を備えた、電子衝撃（ＥＩ）を基礎にしたイオナイザー、イオンビームを焦点集めするためのイオン光学（ｏｐｔｉｃ）構成要素、イオン分離構成要素、およびイオン検出構成要素を含む。イオン化はまた、化学的イオン化を経由して実施され得る。
【０００５】
イオン分離は、時間または空間ドメインで実施され得る。時間ドメインにおける質量分離の例は、飛行時間型質量分析計である。空間的分離は、一般に用いられる四重極質量分析計で観察される。ここで、「四重極フィルター」は、イオナイザーから検出器に伝達される唯一の質量／電荷比を可能にする。完全な質量スペクトルは、この「質量フィルター」を通る質量範囲を走査することにより記録される。その他の空間的分離は、イオンエネルギーまたは磁場強度いずれかが変動される磁場に基づき、ここで再び、上記質量フィルターは、伝達されるべき唯一の質量／電荷比を可能にし、そしてスペクトルは、この質量範囲を通じて走査することにより記録され得る。
【０００６】
質量分析計の１つのタイプは質量分光器である。質量分光器においては、イオンは、磁場で空間的に分離され、そして位置感受性検出器で検出される。二重焦点合わせ質量分析計の概念は、最初、ＭａｔｔａｕｃｈおよびＨｅｒｚｏｇ（ＭＨ）によって１９４０年に導入された（非特許文献１）。
【０００７】
二重焦点合わせは、拡散されたエネルギーおよび拡散された空間的ビームの両方を再焦点合わせする器具の能力をいう。磁石およびマイクロマシン技術における現代の発展は、これら器具のサイズにおける劇的な減少を可能にする。ＶＯＣおよび準ＶＯＣ分析を行い得る質量分析計における焦点面の長さは、数センチメートルまで低減されている。
【０００８】
小共焦点面レイアウトＭａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇ器具の代表的な仕様は、以下のように要約される：
電子衝撃イオン化、レニウムフィラメント
ＤＣ−電圧および永久磁石
イオンエネルギー：０．５−２．５ｋＶ  ＤＣ
質量範囲：２−２００Ｄ
ファラデーカップ検出器アレイまたはストリップ電荷検出器
１０∧１１までのゲインを備えた積算操作性増幅器
衝撃係数（デューティサイクル）：＞９９％
読み出し時間：０．０３秒〜１０秒
感度：ストリップ電荷検出器で約１０ｐｐｍ
さらに、イオン光学要素は、減圧チャンバーフロア内またはチャンバー壁上に取り付けられる。これらの光学要素はまた、減圧ハウジングの一体部分であり得る。小器具では、しかし、これらイオン光学要素は、「光学ベンチ」として作用するベースプレート上に構築され得る。このベンチは、これらイオン光学要素を支持する。このベースプレートは、減圧またはマスターフランジに対して取り付けられ、減圧下で質量分析計を作動するために必要な減圧シールを提供する。上記ベースプレートはまた、それ自体、減圧またはマスターフランジとして作用し得る。
【０００９】
Ｍａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇイオン検出器は、位置感受性検出器である。多くの概念が、過去十年間に亘って開発されてきた。最近の開発は、従前に用いられた電子光学イオン検出（ＥＯＩＤ）の代替として半導体ベースの直接イオン検出に焦点をあてている。
【００１０】
この電子光学イオン検出（ＥＯＩＤ）は、マルチチャネルプレート（ＭＣＰ）中のイオンを、電子に変換し、（同じＭＣＰ中の）これら電子を増幅し、そしてこのＭＣＰから発せられる電子で衝突されるリンのフィルムを照射する。リンのフィルム上に形成されたイメージは、光ファイバーカプラーを経由して発光ダイオードアレイで記録される。このタイプのＥＯＩＤは、特許文献１に詳細に記載されている。このＥＯＩＤは、質量分析計の焦点面に沿って空間的に分離されたイオンの同時測定のために意図されている。このＥＯＩＤは、イオンを電子に、そして次に光子に転換することによって作動される。これら光子は、イオン誘導信号のイメージを形成する。これらイオンは、マイクロチャネル電子電子増倍管アレイに衝突することにより電子を生成する。これら電子は、光子イメージを生成する、リン光体で被覆された光ファイバープレートに加速される。これらのイメージは、光検出器アレイを用いて検出される。
【００１１】
異なる形態によれば、直接電荷測定は、マイクロマシン加工されたファラデーカップ検出器アレイに基づき得る。ここでは、個々にアドレス可能なファラデーカップのアレイがイオンビームをモニターする。アレイの個々の要素で収集された電荷は、マルチプレクサユニットを経由して増幅器に譲られる。このレイアウトは、必要な増幅器およびフィードスルーの数を低減する。この概念は、非特許文献２、非特許文献３、および「電荷粒子ビーム検出システム」と題する非仮特許出願第０９／７４４，３６０号のような最近の刊行物に詳細に記載されている。
【００１２】
分析計に関するその他の重要な参考文献は、非特許文献４、５および６である。
【００１３】
あるいは、特に、低エネルギーイオンについて、接地され、そして絶縁されたバックグラウンド上の平坦金属ストリップ（ストリップ電荷検出器（ＳＣＤ）と称される）が、ＭＣＰとともに用いられ得る。上記に記載したように、ＭＣＰは、イオンを電子に変換し、そして電子を増幅する。このＳＣＤは、電子を検出し、そして電荷を生成する。ここで再び、この電荷は、マルチプレクサを経由して増幅器まで譲られる。
【００１４】
イオン検出器アレイの別の実施形態は、特許文献２に開示され、そしてシフトレジスターを基礎にした直接イオン検出器と称される。
【００１５】
このシフトレジスターを基礎にした直接イオン検出器は、ＧＳ／ＭＳシステムで、電子および光子への変換なくして質量分析計におけるイオンの直接測定を可能にするための改変とともに（例えば、測定に先立つＥＯＩＤ）用いられ得る。この検出器は、金属酸化物半導体とともに電荷結合素子（ＣＣＤ）を使用し得る。このＧＳ／ＭＳシステムは、この検出器を用いて電荷粒子の直接検出および収集を用い得る。検出された電荷粒子は、上記ＣＣＤの一部に関連するシフトレジスター中に直接蓄積するイメージ電荷の等価物を形成する。この信号電荷は、従来様式で、ＣＣＤを通じて単一の出力増幅器にクロックされ得る。ＣＣＤは、全検出器のために唯一の電荷−電圧変換増幅器のみを用いるので、検出器アレイ中の個々の要素の信号ゲインおよびオフセット変動は最小にされる。
【００１６】
Ｍａｔｔａｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇ検出器アレイは、ファラデーカップ検出器アレイ、ストリップ電荷検出器、または別の型の前述の検出器から構成され得、磁石の出口端部に配置され得、これは、一般に、上記デバイスの焦点面と同一平面にあるように設計される。
【００１７】
ファラデーカップ検出器アレイ（ＦＣＤＡ）は、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって作製され得る。ストリップ電荷検出器（ＳＣＤ）は、蒸着によって作製され得る。能動要素（ＦＣＤＡまたはＳＣＤ）を備えたダイが、通常、レーザー切断または鋸で切るような従来の技法でウェハーから切り出される。
【００１８】
このＦＣＤＡまたはＳＣＤダイは、磁石の前に置かれ、そしてマルチプレクサおよび増幅器ユニットに電気的に接続され、これは、「ファラデーカップ検出器アレイ」−「入力／出力」−「プリント回路板」（ＦＣＤＡ−Ｉ／Ｏ−ＰＣＢ）と呼ばれ、上記検出器要素で収集された電荷を読み出す。
【００１９】
質量分析計およびガスクロマトグラフ／質量分析計の技術の主要な利点を示す特許は、特許文献３、４、５、６、７、８、９、および１０である。また米国特許出願第１０／８１１，５７６号号、および米国特許出願第１０／８６０，７７６号がある。
【特許文献１】米国特許第５，８０１，３８０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５７６，８９９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３１７，１５１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８０１，３８０号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０４６，４５１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１８２，８３１号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１９１，４１９号明細書
【特許文献８】米国特許第６，４０３，９５６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，５７６，８９９号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，８４７，０３６号明細書
【非特許文献１】Ｊ．Ｍａｔｔａｕｃｈ、Ｅｒｇｅｂｎｉｓｓｅ  ｄｅｒ  ｅｘａｋｔｅｎ  Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ、１９巻、１７０〜２３６頁、１９４０
【非特許文献２】Ａ．Ａ．Ｓｃｈｅｉｄｅｍａｎｎ、Ｒ．Ｂ．Ｄａｒｌｉｎｇ、Ｆ．Ｊ．Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ、およびＡ．Ｉｓａｋａｒｏｖ、Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  Ｉｎｔ．Ｆｏｒｕｍ  ｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍ．（ＩＦＰＡＣ−２０００）、Ｌａｋｅ  Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、Ｎｅｖａｄａ、１月２３〜２６日、２０００、アブストラクト１−０６７
【非特許文献３】Ｒ．Ｂ．Ｄａｒｌｉｎｇ、Ａ．Ａ．Ｓｃｈｅｉｄｅｍａｎｎ、Ｋ．Ｎ．Ｂｈａｔ、およびＴ．−Ｃ．Ｃｈｅｎ．、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ−２００１）、Ｉｎｔｅｒｌａｋｅｎ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ、１月２１〜２５日、２００１、９０〜９３頁
【非特許文献４】Ｎｉｅｒ、Ｄ．Ｊ．Ｓｃｈｌｕｔｔｅｒ  Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．５６（２）、２１４〜２１９頁、１９８５
【非特許文献５】「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｆｏｃａｌ  Ｐｌａｎｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｃｓ」Ｋ．Ｂｉｒｋｉｎｓｈａｗ  Ｊｒｎｌ．ｏｆ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、３２巻、７９５〜８０６（１９９７）
【非特許文献６】Ｔ．Ｗ．Ｂｕｒｇｏｙｎｅら、Ｊ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ８、３０７〜３１８頁、１９９７
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
（発明の簡単な要旨）
１つの局面では、質量分析計の焦点面検出器アセンブリは、この分析計の焦点面を横切るイオンを検出するような形態のイオン検出器、およびこの焦点面に平行な平面に横たわり、そしてイオンが上記イオン検出器と接触する前にメッシュを通過してこの質量分析計の磁石を出るように位置決めされた電気伝導性のメッシュを備える。このメッシュは、回路接地に対して低電圧電位で維持される。上記メッシュは、上記磁石に直接取り付けられ得るか、またはある程度の距離だけ離れて位置決めされ得る。
【００２１】
上記イオン検出器は、マイクロチャネルプレート電子増倍管、および第１のマイクロチャネルプレート電子増倍管から発せられる電子を検出するように位置決めされ、かつそのような形態にある検出器アレイを含む。磁石を通過するイオンは、上記電子倍増管の第１の面上の負電位によって生成された高負電圧場から上記メッシュによって遮蔽される。
【００２２】
本発明の別の局面によれば、上記電子倍増管の第１の面は、かなりより低いすなわち、回路接地にかなりより近い電圧レベルで維持され、それ故、負の場の形成を避け、そしてメッシュの必要性をなくする。
【００２３】
上記検出器アレイは、ファラデーカップ検出器アレイ、ストリップ電荷検出器アレイ、またはＣＣＤ検出器アレイのような任意の適切なデバイスを含み得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図面において、同一の参照番号は、類似の要素または作用を識別する。図面中の要素のサイズおよび相対的位置は、必ずしもスケール通りではない。例えば、種々の要素の形状および角度は、スケール通りには描写されず、そしてこれら要素のいくつかは、図面の見易さを改善するために任意に拡大され、そして位置決めされている。さらに、描写されるようなこれら要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する任意の情報を伝えることは意図されず、そして図面における認識の容易さのためにのみ選択されている。
【００２５】
（発明の詳細な説明）
以下の説明では、特定の詳細な説明は、本発明の種々の実施形態の完全な理解を提供するために提示される。しかし、当業者は、実施形態がこれらの詳細なくして実施され得ることを理解する。その他の例では、コンピューター、マイクロプロセッサー、メモリーなどのような、質量分析計にともなう周知の構造は、例示の実施形態の不必要なあいまいにする記載を避けるために詳細には示されないか、または記載されていない。
【００２６】
文脈がそうでないことを要求しなければ、以下の明細書および請求項を通じて、用語「包含する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、ならびに「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のようなその類似語は、開かれた、包括的な意味、すなわち、「含むがそれに制限されない」として解釈されるべきである。
【００２７】
図１は、従来の二重焦点質量分析計１０を示す。質量分析計１０は、イオナイザー１４、シャントおよびアパーチャ１６、静電エネルギー分析器１８、磁石２０、および焦点面セクション２２を備える。
【００２８】
操作において、ガス状または気化物質がイオナイザー１４中に導入され、そこで、それは、電子によって衝突され、それ故、イオンを生成し、それは、シャントおよびアパーチャセクション１６によって集束され、イオンビーム２４を生成する。これらイオンの経路は、静電エネルギー分析器１８により、それらの電気電荷に従って調節され、そして磁石２０中の電荷／質量比に従って分離される。磁石２０を出るイオンは、それらの電荷／質量比、静電エネルギー分析器１８によって補償された電気的性質に従って空間的に分離および分配される。エネルギー分析器１８および磁石２０の物理学は、選択された範囲の比率内の任意の電荷質量比のイオンが、共通面Ｐ中で最大解像度の点に到達するように選択される。この平面Ｐは、質量分析計の焦点面と称される。
【００２９】
本明細書の背景のセクションでより詳細に記載されるように、この焦点面セクション２２は、この焦点面Ｐを横切るイオンの位置、およびその上の任意の所定の点で平面Ｐを横切るイオンの相対量を検出および記録するような形態の、センサー、増幅器、およびプロセッサーを含む。従って、この焦点面セクション２２のセンサーは、焦点面Ｐを横切る個々のイオン、およびこの面Ｐの共通点で横切るイオンの大きな質量に感受性であることが所望される。さらに、解像度は、異なるが非常に類似している質量電荷比を有するイオン間の鑑別を可能にするために重要である。
【００３０】
図２を参照して、１つの例示の実施形態による焦点面検出器アセンブリ１００が示される。検出器アセンブリ１００は、伝導性メッシュ１０２、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）１０４、ストリップ電荷検出器アレイ（ＳＣＤ）１０６、絶縁体１０８、シリコン基板１１０、およびアセンブリマウント１１２を含む。この検出器アセンブリ１００は、図１に描写されるもののように、メッシュ１０２が、質量分析計の焦点面Ｐと同一平面上にあるような形態で、かつ位置決めされる。
【００３１】
ＳＣＤ１０６および絶縁体１０８は、半導体基板１１０上に公知の半導体製造技法を用いて形成される。このＳＣＤ１０６は、論理回路、プロセッサー、メモリーなどに連結された複数の検出器電極を備える。
【００３２】
マイクロチャネルプレート１０４は、第１の面１１８から第２の面１２０まで通過する複数のキャピラリー管１１６を含む。この第２の面１２０は、図２に示されるように、第１の面１１８と対向され得る。このＭＣＰ１０４の第１の面１１８および第２の面１２０は、各々、電気電荷を受容するような形態の伝導層を含む。
【００３３】
用語「第１の面」は、本明細書では、イオンの入来するストリームに面するデバイスの面または側面を一般にいうために用いられ、そして「第２の面」は、この第１の面とは反対の面または側面をいうために用いられる。
【００３４】
操作において、上記ＭＣＰ１０４の第１の面は、第２の面１２０に対して負電圧電位で維持される。例えば、第１の面１１８は、−１４００ボルトの電圧電位を有し得、その一方、第２の面１２０は、−５００ボルトの電圧電位を有し、この第１の面１１８から第２の面１２０まで９００ボルトの電圧差を生じる。イオンがこのＭＣＰ１０４の第１の面１１８を打つとき、それは、管１１６の１つに入り、そして管１１６の側壁を衝撃する。このイオンの衝撃は、多くの電子がこの側壁から発するようにする。
【００３５】
第２の面１２０の第１の面１１８に対する正電荷のため、管１１６の側壁から発射された電子は、第２の面１２０に向かって引かれる。電子が管１１６の下に移動するとき、電子は、次いで、各々側壁を打ち、それからさらなる電子が発射されるようにする。このプロセスは、電子の雲が、ＭＣＰ１０４の第２の面で管１１６を出るまで継続する。管１１６を出る電子は、ＭＣＰ１０４とストリップ電荷検出器アレイ１０６との間の空間中に支出される。このストリップ電荷検出器アレイ１０６の電極１１４を打つ電子１１４は、個々の電極１１４中に電流を誘導し、これは、検出回路によって検出される。電子は、ＭＣＰ１０４の第２の面１２０から外方にすべての方向で支出されるので、ＭＣＰ１０４の第２の面とストリップ電荷検出器アレイ１０６との間の空間は、解像度を維持するために、可能な限りともに緊密に維持されることが所望される。
【００３６】
１つの実施形態によれば、このＭＣＰ１０４は、第１の面１１８から第２の面１２０まで、５００ボルトより大きい電圧差異を有する。
【００３７】
再び図１を参照して、イオン２４のストリームは、焦点面Ｐに対して鋭い角度で磁石２０に入ることが観察される。イオナイザー１４中でサンプルをイオン化するプロセスは、このサンプルの分子から１つ以上の電子を除去することを含む。従って、上記イオンビーム２４中のイオンは、正に電荷される。イオンが磁石２０に入るとき、磁力は、それらの個々の質量／重量比に従って、個々のイオンの経路を曲げる。しかし、ＭＣＰ１０４の第１の面１１８における高負電圧は、磁石２０中の正に電荷したイオンに誘引的である電場を生成する。従って、これらイオンの経路は、ＭＣＰ１０４の表面上の負電荷によって所望されずに歪められ得る。
【００３８】
上記検出器アレイ１００が、焦点面Ｐで適正に位置決めされるとき、メッシュ１０２が、ＭＣＰ１０４と磁石２０の背面との間に位置決めされ、そして低電位電圧で提供される。例えば、メッシュ１０２は、回路接地に電気的に連結され得るか、または１００ボルト未満の電圧で維持され得る。このメッシュ１０２は、ＭＣＰ１０４の強力な負電場をブロックするために供され、その電場が、イオンが焦点面Ｐに接近するとき、イオンの経路に影響することを防ぐ。電場をブロックする際のメッシュ１０２の有効性は、メッシュ１０２中の開口部のサイズに反比例する。その一方、メッシュの材料に実際に接触するイオンはＭＣＰと接触するようには通過しないので、メッシュ１０２がイオンに対して実質的に透明であることが所望される。これらの制約があるので、８０％または９０％を超える開口面積を有する非常に微細なメッシュ１０２が好ましい。このメッシュ１０２は、０．５ミリメートル未満の厚みを有し得る。
【００３９】
ここで、図３を参照して、図１に示される磁石２０と同様に磁石１２２がそれに取り付けられたメッシュ１０２とともに提供される。図３の実施形態では、メッシュ１０２および磁石１２２は、接地電位で維持される。その他の実施形態では、メッシュ１０２は、磁石１２２から分離され得、そして異なる電位で維持されるが、メッシュ１０２と磁石１２２との間の電圧差異は最小であることが好ましい。例えば、１つの実施形態によれば、このメッシュ１０２は、磁石１２２の電位に対して５００ボルト未満で維持される。別の実施形態によれば、このメッシュ１０２は、１００ボルト、絶対値未満で維持される。
【００４０】
用語「絶対値」は、本明細書では、極性への参照なくして電圧電位をいうために用いられる。
【００４１】
図４および５を参照して、焦点面検出器アセンブリ１３０が、別の例示の実施形態に従って示される。この検出器アセンブリ１３０は、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極１３４〜１３７を備え、第１のＭＣＰ１３８および第２のＭＣＰ１４０、絶縁スペーサー１４２、１４４、検出器マウント１４６、およびアセンブリホルダー１３２を備える。
【００４２】
このアセンブリ１３０は、図５に概略が示される。このアセンブリ１３０は、アセンブリホルダー１３２によって支持されるベースに取り付けられるような形態である。ファスナー（図示せず）が、アセンブリホルダー１３２に検出器マウント１４６を付勢し、それらのその他の構成要素を間に挟持する。先に図２のＭＣＰ１０４を参照して説明したように、ＭＣＰは、電子カスケードを増幅する。このアセンブリ１３０の場合には、第１のＭＣＰ１３８は、焦点面を通過するイオンを受容し、そして応答で電子のカスケードを生成するような形態である。第２のＭＣＰ１４０は、第１のＭＣＰ１３８から電子を受容し、そしてイオンのカスケードを増幅し、そしてストリップ電荷検出器アレイ１０６により強い信号を提供する。第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極１３４〜１３７は、各々、個々のＭＣＰの第１の面および第２の面にエネルギーを与えるためにターミナル１４８を経由して電圧電荷が提供される。第１の絶縁スペーサー１４２および第２のスペーサー１４４は、アセンブリ１３０の構成要素を電気的に絶縁するために提供される。アセンブリホルダー１３２もまた、非伝導性であり得、検出器アセンブリ１３０を、メッシュ１０２およびそれが採用される質量分析計のその他の構成要素から絶縁するか、または別個の絶縁体を含み得る。
【００４３】
１つの実施形態によれば、各ＭＣＰ１３８、１４０の第１の面を第２の面に横切る電圧差異は、約５００〜９００ボルトの範囲であり、そして個々の電極１３４〜１３７で提供される。さらに、第２の電極１３５と第３の電極１３６との間の電圧差異はゼロに等しいがまたはゼロより大きい。
【００４４】
このアセンブリの構成要素は、このアセンブリの解像度を最大にするために、電気接触なくして可能な限りともに緊密に間隔を置かれ得る。例えば、１つの実施形態によれば、メッシュ１０２は、焦点面Ｐに直接、またはその１ミリメートル内に配置される。第１のＭＣＰ１３８の第１の面１３９は、メッシュ１０２の２ミリメートル内に位置決めされ得、そして好ましくは０．５ミリメートル内である。本発明の実施形態によれば、第２のＭＣＰ１４０の第１の面１４５は、第１のＭＣＰ１３８の第２の面１４１の２ミリメートル内に位置決めされる。そして好ましくは０．５ミリートル以内である。
【００４５】
１つの実施形態によれば、第１のＭＣＰ１３８の第１の面１３９は、電場が生成され、それによって、磁石１２２の作動を妨害するに十分な強度を有さないように、比較的低い電圧レベルで維持される。例えば、この第１のＭＣＰ１３８の第１の面１３９は、１００ボルト絶対値未満の電位を有し得る。このアセンブリのその他の構成要素の電圧レベルは、上記で概説したような所望の電圧差異を維持するよう選択される。この実施形態によれば、メッシュ１０２は必要ではない。なぜなら、感知し得る電場がないからである。
【００４６】
ここで図６を参照して、別の実施形態が示される。この実施形態では、焦点面検出器アセンブリ１５０が提供される。図６のアセンブリ１５０と図４および５のアセンブリ１３０との間の主な差異は、アセンブリ１５０が単一のＭＣＰ１３８のみを有するとして示される点にある。その他の局面では、アセンブリ１５０と１３０とは極めて類似している。図６はまた、質量分析計１６０の種々の構成要素を受容する形態のベースプレート１５２を示す。磁石１２２は、ベースプレート１５２上に位置決めされて示され、そしてメッシュ１０２は、分析計１６０の焦点面Ｐに位置決めされて示される。ファスナー１５４は、検出器マウント１４６およびアセンブリホルダー１３２を、線Ｆに沿ってベースプレート１５２に固定する位置で示される。図４および５のアセンブリ１３０は、類似の様式でベースプレートに取り付けられる類似の形態であることが認識される。
【００４７】
図６に示されるデバイスでは、焦点面Ｐは、磁石１２２の面と同一平面にある。その他の実施形態では、焦点面Ｐは、特定距離だけ磁石１２２から分離され得る。例えば、１つの実施形態によれば、分析計システムは、焦点面が磁石の背面から間隔を置かれ、メッシュ１０２が焦点面と磁石の背面との間にあり、そしてＭＣＰの第１の面から小距離分離され、その一方、ＭＣＰの第１の面は、焦点面に正確に位置決めされるような形態である。
【００４８】
メッシュ１０２は、磁石１２２の背面に取り付けられるとして説明されているが、別の実施形態によれば、メッシュ１０２は、アセンブリホルダー１３２に、このアセンブリホルダー１３２がメッシュと第１の電極１３４との間に絶縁体を形成するように取り付けられる。代替の実施形態によれば、メッシュ１０２は、アセンブリホルダー１３２と第１の電極１３４との間に位置決めされ、この場合、別の絶縁体が、メッシュ１０２と第１の電極１３４との間に提供される。
【００４９】
本発明を、二重焦点質量分析計を、そしてストリップ電荷検出器アレイを参照して説明した。これらの実施形態は、例示のみのために説明され、そして本発明の範囲を制限しない。例えば、この検出器アレイは、ファラデーカップ検出器アレイまたはＣＣＤタイプ検出器アレイを含み得る。本発明の実施形態によれば、上記検出器アセンブリは、直接電荷測定デバイスを含み得る。
【００５０】
本明細書で言及され、そして／または出願データシートで列挙される、すべての上記米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許刊行物は、制限されずに、米国仮特許出願第６０／５５７，９２０号；米国仮特許出願第６０／／５７７，９６９号；米国仮特許出願第６０／５５０，６６３号；および米国仮特許出願第６０／５５０，６６４号；米国特許第５，８０１，３８０号；米国非仮特許出願第１０／８１１，５７６号；米国非仮特許出願第１０／８６０，７７６号；米国非仮特許出願第０９／７４４，３６０号；米国特許第６，５７６，８９９号；米国特許第５，３１７，１５１号、米国特許第５，８０１，３８０号、米国特許第６，１８２，８３１号、米国特許第６，１９１，４１９号、米国特許第６，４０３，９５６号；および米国特許第６，０４６，４５１号を含み、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。
【００５１】
さらに、Ｊ．Ｍａｔｔａｕｃｈにより公開された事項、Ｅｒｇｅｂｎｉｓｓｅ  ｄｅｒ  ｅｘａｋｔｅｎ  Ｎａｔｕｒｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ、第９巻、１７０〜２３６頁、１９４０；「焦点面検出器ｃｓの基礎」Ｋ．Ｂｉｒｋｉｎｓｈａｗ  Ｊｒｎｌ．ｏｆ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、３２巻、７９５〜８０６（１９９７）；Ａ．Ａ．Ｓｃｈｅｉｄｅｍａｎｎ、Ｒ．Ｂ．Ｄａｒｌｉｎｇ、Ｆ．Ｊ．Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ、およびＡ．Ｉｓａｋａｒｏｖ、Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  Ｉｎｔ．Ｆｏｒｕｍ  ｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍ．（ＩＦＰＡＣ−２０００）Ｌａｋｅ  Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、Ｎｅｖａｄａ、１月２３〜２６日、２０００、要約１〜０６７；Ｒ．Ｂ．Ｄａｒｌｉｎｇ、Ａ．Ａ．Ｓｃｈｅｉｄｅｒｍａｎｎ、Ｋ．Ｎ．Ｂｈａｔ、およびＴ．−Ｃ．Ｃｈｅｎ．、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ−２００１）、Ｉｎｔｅｒｌａｋｅｎ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ、１月２１〜２５日、２００１、９０〜９３頁；Ｎｉｅｒ、Ｄ．Ｊ．Ｓｃｈｌｕｔｔｅｒ  Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．５６（２）、２１４〜２１９頁、１９８５；およびＴ．Ｗ．Ｂｕｒｇｏｙｎｅら、Ｊ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ８、３０７〜３１８頁、１９９７はそれらの全体が参考として援用される。
【００５２】
前述から、本発明の詳細な実施形態が例示の目的のために本明細書中に説明されているが、種々の改変が本発明の思想および範囲から逸脱することなくなされ得ることが認識される。従って、本発明は、添付の請求項によることを除いて制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、公知の技術による二重焦点質量分析計の概略図である。
【図２】図２は、１つの例示の実施形態による焦点面検出器の概略図である。
【図３】図３は、１つの例示の実施形態による、その上に位置決めされたメッシュを備えた質量分析計の磁石の等角図である。
【図４】図４は、別の例示の実施形態による焦点面検出器アレイの分解等角図である。
【図５】図５は、図４の焦点面検出器の概略図である。
【図６】図６は、さらなる例示の実施形態による焦点面検出器アレイの部分的に分解した等角図である。
【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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【国際調査報告】
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