(57)【要約】      （修正有）【課題】イオンを効率的に捕捉すると共に、急速に冷却することができるリニアイオントトラップを提供する。【解決手段】軸３５０に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメント３２６を有する分割電極構造体３０３、３２４を有し、分割電極構造体３０３、３２４の各セグメント３２６は、第１の電圧供給部は半径方向閉じ込めモードで動作するように構成され、各セグメント３２６に属する少なくともいくつかの電極が、セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるためのＡＣ電圧波形を供給される。第２の電圧供給部は、捕捉モードで動作するように構成され、標的セグメントに向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように、異なるＤＣ電圧を供給される。【選択図】図３（ａ）
2019067752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオントラップであって、
軸に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメントを有する分割電極構造体であって、前記分割電極構造体の各セグメントは、前記軸の周りに配置された複数の電極を含む、分割電極構造体と、
各セグメントに属する少なくともいくつかの電極が、前記セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するように少なくとも１つのＡＣ電圧波形を供給される半径方向閉じ込めモードで動作するように構成された第１の電圧供給部と、
前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記複数のセグメントのうちの標的セグメントに向けてイオンを押しやりその中にイオンを捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給される捕捉モードで動作するように構成された第２の電圧供給部と、
イオン源からイオンを受け取るように構成された第１のチャンバであって、前記セグメントの第１のサブセットが前記第１のチャンバ内部に位置する、第１のチャンバと、
前記第１のチャンバからイオンを受け取るように構成された第２のチャンバであって、前記セグメントの第２のサブセットが前記第２のチャンバ内部に位置し、前記標的セグメントは、前記セグメントの第２のサブセットのうちの１つである、第２のチャンバと、
前記第２のチャンバに前記第１のチャンバより低いガス圧力を提供するように前記第２のチャンバからガスを排気するように構成されたガスポンプと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に位置するガス流制限セクションであって、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共に前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへのガス流を制限するように構成されている、ガス流制限セクションと、
を有する、イオントラップ。
【請求項２】
前記ガス流制限セクションは、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に壁を含み、少なくとも１つの開口が前記壁に形成されて前記第１のチャンバから前記第２のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共にガスが前記第１のチャンバから前記第２のチャンバに流れるのを制限し、前記ガス流制限セクションの前記壁における前記少なくとも１つの開口は、前記複数のセグメントのうちの１つまたは複数のセグメントを収容する、請求項１に記載のイオントラップ。
【請求項３】
前記第２のチャンバの前記標的セグメントと前記第１のチャンバの最後のセグメントとの間の距離は、１２ｒ０ｔ以下であり、ｒ０ｔは前記標的セグメントの内接半径であり、前記距離は、前記標的セグメントの中心から前記第１のチャンバの前記最後のセグメントの中心まで、前記軸に沿って測定される、請求項１または２に記載のイオントラップ。
【請求項４】
前記イオントラップは、前記イオントラップが使用中であるときに、前記第１のチャンバの所定の場所で所定の第１の圧力を、前記第２のチャンバの所定の場所で所定の第２の圧力を、提供するように構成され、前記第１の圧力は、前記第２の圧力の１０倍以上大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項５】
前記イオントラップは、前記イオントラップが使用中であるときに、前記第１のチャンバの所定の場所で所定の第１の圧力を、前記第２のチャンバの所定の場所で所定の第２の圧力を、提供するように構成され、前記第１の圧力は、５×１０−３ｍｂａｒ〜５×１０−２ｍｂａｒであり、前記第２の圧力は、１×１０−５ｍｂａｒ〜５×１０−４ｍｂａｒである、請求項１から４のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項６】
各セグメントの前記複数の電極は、前記軸の方向に延び、かつ多重極イオンガイドを形成するように配置された、いくつかの細長い電極を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項７】
前記第２の電圧供給部は、前記捕捉モードで動作するよう構成され、それによって、対の第１のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されるＤＣ電圧と前記対の第２のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されるＤＣ電圧との間に２Ｖ以下の小さいＤＣオフセットがある、少なくともいくつかの対の隣接するセグメントが存在する、請求項１から６のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項８】
前記第２の電圧供給部は、熱化モードで動作するように構成され、前記熱化モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第２のチャンバ内部に位置する前記標的セグメントにイオンを捕捉すると共にさらなるイオンが前記標的セグメントに入るのを防ぐために軸方向に変化するプロファイルを有する熱化電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給される、請求項１から７のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項９】
前記第２の電圧供給部は、事前捕捉モードで動作するように構成され、前記事前捕捉モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給される、請求項１から８のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項１０】
前記第２の電圧供給部は、事前熱化モードで動作するように構成され、前記事前熱化モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第１のチャンバ内部に位置する前記事前捕捉セグメントにイオンを捕捉すると共に、さらなるイオンが前記事前捕捉セグメントに入るのを防いで、ガス粒子との衝突を通じて前記事前捕捉セグメントに捕捉された前記イオンの熱化を可能にするために軸方向に変化するプロファイルを有する事前熱化電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給される、請求項９に記載のイオントラップ。
【請求項１１】
前記第２の電圧供給部は、前記熱化モードと同時に前記事前捕捉モードおよび／または前記事前熱化モードで動作するように構成されている、請求項９または１０に記載のイオントラップ。
【請求項１２】
前記イオントラップは、引き出しモードで動作するように構成された第３の電圧供給部を含み、前記引き出しモードでは、１つまたは複数の引き出し電圧が、前記標的セグメントの１つもしくは複数の電極および／または１つもしくは複数の引き出し電極に供給される、請求項１から１１のいずれか１項に記載のイオントラップ。
【請求項１３】
前記第１の電圧供給部は、引き出しモードで動作するように構成され、前記引き出しモードでは、前記半径方向閉じ込めモードにおいて前記標的セグメントの電極に供給されるＡＣ電圧波形が、イオンを前記標的セグメントから引き出させるように休止または停止され、前記イオントラップは、引き出しサイクルを繰り返し実行するように構成され、前記引き出しサイクルは、
前記第２の電圧供給部が第１の所定の期間にわたり前記捕捉モードで動作して、イオンを前記標的セグメントに向かって動かしその中にイオンを捕捉すること、
前記第１および第３の電圧供給部がそれらの引き出しモードで動作して、イオンを前記標的セグメントから前記イオントラップの外に引き出すこと
を含む、請求項１２に記載のイオントラップ。
【請求項１４】
質量分析装置であって、
イオン源と、
請求項１から１３のいずれか１項に記載のイオントラップであって、前記イオントラップの前記第１のチャンバは、前記イオン源からイオンを受け取るように構成されている、イオントラップと、
前記イオントラップの前記標的セグメントから引き出されたイオンを分析するための質量分析器と
を有する、質量分析装置。
【請求項１５】
前記イオン源は、前記イオントラップの前記第１のチャンバによって受け取られるように連続したイオンの流れを提供するように構成されている、請求項１４に記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオントラップ、好ましくは飛行時間型質量分析器と共に使用するリニアイオントラップに関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアイオントラップ飛行時間（「ＬＩＴ−ＴＯＦ」）型質量分析装置は、イオンを分析するための既知のデバイスである。
【０００３】
典型的には、ＬＩＴ−ＴＯＦ型装置では、イオンは、リニアイオントラップ（「ＬＩＴ」）に捕捉され、冷却され、その後、引き出し電圧の印加によって引き出される。引き出し電圧は、飛行時間（「ＴＯＦ」）型分析器に向かってイオンを加速させる。ＴＯＦ型分析器は、ＬＩＴに先に捕捉されたイオンの質量分析を行うことができる。
【０００４】
発明者らは、ＬＩＴ−ＴＯＦ型装置のＬＩＴ内のバッファガスの圧力が高すぎる場合に、ＬＩＴからの引き出し中にバッファガス原子／分子からイオンが散乱することにより装置の性能が損なわれ得ることを観察している。さらに、ＬＩＴ内の圧力が高いと、ＴＯＦ型分析器内の圧力が損なわれ、かつ／またはＴＯＦ型分析器の追加の排気が必要となることがある。ＬＩＴ内の高い圧力は、イオンの断片化の他、ＴＯＦ分解能、透過およびピーク形状の低下も生じ得る。更に、高い圧力は、引き出し電圧がＬＩＴからイオンを引き出すために印加された際に電気破壊をもたらし得るため、印加可能な引き出し電圧の大きさが制限される。これにより、達成可能な最大分解能が低下する。
【０００５】
一方、ＬＩＴ内の圧力が低減されると、イオンがバックグラウンドガスとの熱平衡に達する時間は長くなり、その結果、その後にＬＩＴからイオンバンチ（一群のイオン）を引き出す時間間隔をそれに応じて長くしなければならない。言い換えれば、スキャン速度は遅くなり、これにより、質量分析装置の性能の低下、特にダイナミックレンジ、質量精度、感度、および、例えば検体の分子組成が時間的に急速に変化した場合等に、ダイナミックな事象に追従する能力が低下する。
【０００６】
特許文献１は、イオン源によって供給される試料イオンを受け取るための分割リニアイオントラップを記載している。捕捉電圧が、分割デバイス全体に印加されて、最初に２つ以上の隣接するセグメントのグループ全体でイオンを捕捉し、その後、このセグメントのグループ全体より短い分割デバイスの部分領域にイオンを捕捉する。この捕捉電圧は、デバイスの長さ方向に一様な捕捉場を提供するのにも有効となり得る。このイオントラップは、複数の電極を含む。特許文献１により教示されたイオン捕捉方法では、分割リニア四重極イオントラップを使用する。
【０００７】
図１は、特許文献１の原理を実装するリニアイオントラップ１０１の単純化した図と、そのリニアイオントラップ１０１の電極に印加されるＤＣ電圧プロファイル１００の図である。
【０００８】
この実施例では、図１に示すリニアイオントラップ１０１は、７つのセグメントを有し、これらはすべて、半径方向に同じ寸法を有する。共通のＲＦ電圧および個別のＤＣの供給部が、各セグメントに接続される。各セグメントに印加されるＤＣ電圧プロファイル１００は、中心セグメントにイオンを捕捉するために印加される。イオントラップには、均一の圧力のバッファガスが充填される。ある範囲のｍ／ｚ値を有する一群のイオン（イオンバンチ）は、ｔ＝０（不図示）で、左から、すなわちセグメント１の中に導入される。その後、イオンは、すべてのセグメント内へ流れる。３ｍｓ後、イオンバンチが広がり、参照符号１１１によって示すように中心の５つの電極にわたって延びる。７ｍｓまでに、イオンは一部のエネルギーを失い、イオンバンチのイオンは、参照符号１１２によって示すように中心（標的）セグメントに集まっている。１０ｍｓには、イオンバンチのイオンの大部分は、参照符号１１３によって示すように、標的セグメントに集まる。ある時間が経過すると、すべてのイオンは、トラップを充填するバッファガスと熱平衡に達しているであろう。これにより、高効率でリニアイオントラップにイオンを捕捉することができる。この発明は、標的セグメントの圧力が、単一セグメントトラップによりイオンを高効率で捕捉するのに使用され得るより低い圧力にある必要がある場合に、特に有用である。例えば５つのセグメントを使用することによって長い領域を形成することにより、単一セグメントトラップと比べて５分の１に標的トラップ内の圧力を下げることができる。より低い圧力で効率的なイオン捕捉を達成するために、より多数のセグメントが使用され得る。
【０００９】
発明者らは、特許文献１に記載されたような捕捉方法を用いて構築されたＬＩＴ−ＴＯＦ型装置が、良好なＴＯＦ分解能を達成するために必要な特性を備えたイオン雲を調製するのに有効であることを発見した。
【００１０】
しかしながら、発明者らが観察した、特許文献１の捕捉方法に関する１つの問題は、安全な動作圧力でイオンを捕捉し冷却するには、比較的大きいＬＩＴ−ＴＯＦを使用し、比較的長い時間が必要なことである。
【００１１】
詳しく説明すると次のようなことである。ＬＩＴ−ＴＯＦ型装置の目的では、標的引き出しトラップにおける圧力は１×１０−４ｍｂａｒ程度に低ければ十分であることが、本発明者らによって発見されており、比較的短い飛行経路のＴＯＦ内に引き出す場合に、より低い圧力で動作することの実質的な利点を本発明者らが見出さなかった（しかし他のタイプの分析器については利点があり得る）ことに注目した。特許文献１の捕捉方法を実装した場合、本発明者らは、セグメントがｒ０＝２．５ｍｍの内接半径および８ｒ０の長さを有すると想定すると、１×１０−４ｍｂａｒの動作圧力で効率的な捕捉を達成するためには最大２０個のセグメントを用いなければならないと推定している。よって、２．５ｍｍの典型的なｒ０では、ＬＩＴ−ＴＯＦの全長は４００ｍｍである。これは、相当な長さであり、装置のデザインを不便かつ高価にする。さらに、イオンが冷却される時間は比較的長いことが分かっており、そのため、比較的遅いスキャン速度しか使えない。一般的に、図１に示す方法を使用すると、必要な標的圧力が低いほど冷却時間が長くなり、これらは線形関係をたどる。注意しなければならないのは、冷却プロセスが完了する前にイオンを引き出すと、本発明者らによると、ＴＯＦ型分析器の分解能および透過性能に損失が生じると予測される。
【００１２】
特許文献２は代替的な方法を教示している。ここでは、いわゆる「ダイナミックトラップ」の方法によってリニアトラップにイオンを捕捉し、その後衝突冷却を行う。
【００１３】
図２は、特許文献２の原理を実装するリニアイオントラップ２０２の単純化した図である。
【００１４】
特許文献２の方法は、ＴＯＦ分析に適切なイオンのパルスを調製する単純な方法を提供する（例えば、第６欄５１〜５３行を参照）。図２を参照すると、イオンは、外部源２０１から、バッファガス圧力を有するリニアイオントラップ２０２にパルス状に供給される。外部イオン源は、例えば、イオン２１０を充填された多重極であってよい。イオン２１０は、図２（ａ）で参照符号２０５によって示すＤＣ電圧プロファイルで示すように、多重極２０１に印加されるよりも高いＤＣ電圧である、開口２０３に印加されるＤＣ電圧により、最初はリニアイオントラップ２０２に入ることができない。いくらか時間が経過した後、開口２０３に印加される電圧は、図２（ｂ）で参照符号２０６によって示すＤＣ電圧プロファイルで示すように、多重極２０１に印加される電圧より低くされる。多重極２０１内のイオンの一部は、リニアイオントラップ２０２に入る。イオンは、２０２に入り、２０２に印加される電圧より高いままである電圧が開口２０４に印加されることによって生じる電気ポテンシャルにより、開口２０４で反射される。イオンが開口２０３を通って戻る時間の前に、図２（ｃ）で参照符号２０７によって示すＤＣ電圧プロファイルで示すように、２０３に印加される電圧が上昇し、イオンが逃げるのを防ぐ。これにより、イオンは、リニアイオントラップ２０２に捕捉され、開口２０３と開口２０４との間で前後に反射される。さらなる時間の経過後、イオンは、２０２内部に収容されたバッファガスと衝突する。イオントラップ２０２内部のバッファガスの圧力によって、捕捉されたイオンがバッファガスとの熱平衡に達するのに必要な時間の長さが決まる。圧力が低いほど、イオンがそれらのエネルギーを失いバッファガスとの熱平衡に達するのに長い時間が必要となる。
【００１５】
特許文献２は、特許文献１を参照して前述したものと同様の問題を有するが、これらは、さらに深刻で、質量弁別のさらなる問題がある。具体的には、イオンを冷却し、その後、リニアイオントラップ２０２内部に捕捉するには比較的長い期間が必要である（特許文献１に関する限り）。より低いｍ／ｚ値を有するイオンが、より高いｍ／ｚを有するものより速度が速く、そのため、より高いｍ／ｚを有するものよりも速く開口２０４に入り開口２０４から反射されるという事実によって、質量弁別が起こる。よって、このように効率的に捕捉され得るｍ／ｚが最高のイオンとｍ／ｚが最低のイオンとの比は、リニアイオントラップ２０２の長さと、イオンがリニアイオントラップ２０２に入射可能なエネルギーとによって定められる。実際の状況では、図２に示す装置のこの長さとエネルギーとの組み合わせは、この比を恐らく最大３に制限すると思われる。例えば、捕捉されるｍ／ｚが最低のイオンが、ｍ／ｚ５０である場合、捕捉され得るｍ／ｚが最高のイオンは、ｍ／ｚ１５０であろう。捕捉され得る範囲は、低い電圧が開口２０３に印加される時間を変更することによって変更され得るが、リニアイオントラップ２０２を充填するたびに捕捉されるイオンの質量範囲は、リニアイオントラップによって捕捉され得る質量範囲の最大値（例えば、１０倍以上の質量範囲が達成可能となり得る）よりかなり低い。
【００１６】
前記事項を考慮し、発明者らは、標的セグメントに存在するガス圧力が典型的には５×１０−４ｍｂａｒ未満、より好ましくは２×１０−４ｍｂａｒ未満としつつ、イオンを効率的に捕捉すると共に、リニアイオントラップ内部に収容されるバッファガスと熱平衡になるようイオンを急速に冷却することができる、イオントラップ、好ましくはリニアイオントラップを考案することが望ましいと考える。
【００１７】
本発明は、前述の事項に鑑みて考案されたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０７２３６２号明細書
【特許文献２】米国特許第６５４５２６８号明細書
【特許文献３】米国特許第９０８２６０２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
20181014
本発明の第１の態様は以下を提供し得る。
イオントラップであって：
軸に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメントを有する分割電極構造体であって、該分割電極構造体の各セグメントは、軸の周りに配置された複数の電極を含む、分割電極構造体と、
各セグメントに属する少なくともいくつかの電極が、セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するように少なくとも１つのＡＣ電圧波形を供給される半径方向閉じ込めモードで動作するように構成された第１の電圧供給部と、
前記複数のセグメントに属する電極のうちの少なくともいくつかが、前記複数のセグメントのうちの標的セグメントに向けてイオンを押しやりその中にイオンを捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給される捕捉モードで動作するように構成された第２の電圧供給部と、
イオン源からイオンを受け取るように構成された第１のチャンバであって、前記複数のセグメント中の第１のサブセットが第１のチャンバ内部に位置する、第１のチャンバと、
前記第１のチャンバからイオンを受け取るように構成された第２のチャンバであって、前記複数のセグメント中の第２のサブセットが第２のチャンバ内部に位置し、標的セグメントは、複数のセグメント中の該第２のサブセットのうちの１つである、第２のチャンバと、
前記第２のチャンバに前記第１のチャンバより低いガス圧力を提供するように前記第２のチャンバからガスを排気するように構成されたガスポンプと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に位置するガス流制限セクションであって、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共に前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへのガス流を制限するように構成された、ガス流制限セクションと
を有する、イオントラップ。
【００２０】
このように、イオンは、比較的高い圧力環境（第１のチャンバ）内のセグメントの第１のサブセットによって熱平衡にされ（「熱化され」）、好ましくは冷却されつつ、比較的低い圧力環境（第２のチャンバ）の標的セグメントに向かって動く。例えば、これによって、イオンをその後、比較的低い圧力環境内の標的セグメントから引き出すことができ、それによって、比較的高い圧力環境からイオンを引き出すことに関する典型的な問題を回避する。
【００２１】
軸は線形軸であってよく、この場合、イオントラップはリニアイオントラップと呼ぶことができる。しかしながら、軸は場合によっては湾曲し得る。
【００２２】
ガス流制限セクションは、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に壁を含み得、少なくとも１つの開口（好ましくは単一の開口）が壁に形成されて、イオンを第１のチャンバから第２のチャンバに通すと共に、ガスが第１のチャンバから第２のチャンバに流れるのを制限する。
【００２３】
ガス流制限セクションの壁の少なくとも１つの開口は、前記複数のセグメントのうちの１つまたは複数のセグメントを収容し得る。このように、イオンは、ガス流制限セクションの開口を通過する際に半径方向に閉じ込められ得る。
【００２４】
ガス流制限セクションの壁の開口によって収容された１つまたは複数のセグメントは、簡潔のために、１つまたは複数の「ガス流制限セグメント」と呼ぶことができる。
【００２５】
その／各ガス流制限セグメントは、好ましくは、第１または第２のチャンバ内に全体が位置するセグメントの内接半径より小さい内接半径を有する（ガス流制限セグメントは第１または第２のチャンバ内に部分的に位置し得ることに注意する。例えば、図３（ａ）を参照のこと）。
【００２６】
（多重極イオンガイドではよくあるように）イオントラップの軸の周りに配置された電極がイオントラップの軸から等しく離間しているイオントラップのセグメントについて、用語「内接半径」（ｒ０と呼ぶことができる）は、イオントラップの軸に垂直であり、セグメントの電極内部に収容され、かつセグメントのいかなる電極とも交差せずにセグメントの対向する電極に触れるようなサイズである円の半径として定められ得る。
【００２７】
イオントラップの軸の周りに配置された電極がイオントラップの軸から等しく離間していないイオントラップのセグメントについて（例えば、電極が、軸に垂直な第２の方向よりも、軸に垂直な第１の方向にさらにイオントラップの軸から離間していることによるものであり、例えば第１および第２の方向は互いに垂直であってよいので）、用語「内接半径」（ｒ０と呼ぶことができる）は、軸からセグメント内の各電極までの最短距離の幾何平均（すなわち、軸からセグメントの各電極までの測定可能な最短距離から計算される幾何平均）として定められ得る。
【００２８】
第１のチャンバは、イオン源からイオンを受け取るように構成されたイオン入口を含み得る。
【００２９】
第１のチャンバは、第１のチャンバのガス供給部からガス（好ましくは不活性ガス）を受け取るように構成されたガス入口を含み得る。あるいは、第１のチャンバは、例えばイオン入口を介して、イオン源からガスを受け取るように構成され得る。
【００３０】
第２のチャンバは、ガスポンプが第２のチャンバからガスを排気することができるよう、ガスポンプに接続されるように構成されたポンプ入口を有し得る。第２のチャンバは、第２のチャンバのガス供給部からガス（好ましくは不活性ガス）を受け取るように構成されたガス入口を有し得る。あるいは（またはさらに）、第２のチャンバは、例えばガス流制限セグメントを介して、第１のチャンバからガスを受け取るように構成され得る。
【００３１】
イオントラップは、（例えば、１つもしくは複数のガスポンプおよび／または１つもしくは複数のガス供給部を適切に設定することによって）イオントラップが使用されているときに、第１のチャンバ内に所定の第１の圧力を、第２のチャンバ内に所定の第２の圧力を提供するように構成され得る。
【００３２】
当業者は認識するであろうが、第１のチャンバおよび第２のチャンバ内の圧力は、典型的には場所ごとにわずかに変化し、そのため、イオントラップは、イオントラップが使用されているときに、第１のチャンバ内の所定の場所に所定の第１の圧力を、第２のチャンバ内の所定の場所に所定の第２の圧力を、提供するように構成され得る。
【００３３】
第１のおよび／または第２のチャンバ内の所定の場所の圧力は、圧力計を用いて測定され得る。しかしながら、第１のおよび／または第２のチャンバ内の所定の場所の圧力は、標準のガスコンダクタンス計算を使用して推測され得る。例えば、第２のチャンバ内の所定の場所の圧力は、圧力計を使用して測定され得、第１のチャンバ内の所定の場所の圧力は、標準のガスコンダクタンス計算を使用して推測される。市販のソフトウェアが、例えば、図７に示す圧力を得るのに使用されたように、計算を実行するのに利用可能である。そのようなソフトウェアの例は、ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）である。
【００３４】
第１のチャンバ内の所定の場所および／または第２のチャンバ内の所定の場所は、好ましくは軸上にある。第１のチャンバ内の所定の場所は、第１のチャンバ内に位置するセグメント、例えば（以下で定めるような）事前捕捉セグメント内部の軸上であってよい。第２のチャンバ内の所定の場所は、第２のチャンバ内に位置するセグメント、例えば標的セグメント内部の軸上であってよい。ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）などのソフトウェアは、事前捕捉セグメントまたは標的セグメントなどの、イオンが捕捉される領域内で圧力勾配が大きすぎないことを確実にするのに使用され得る。
【００３５】
完全性のため、ガスポンプを使用して、またガス流制限セクションおよびイオントラップの他の要素を適切に設計することによって第１および第２のチャンバ内で所望の所定の圧力を達成することは、十分に当業者の能力の範囲内であろうことに注目する。
【００３６】
例えば、第１の圧力は、ガス流制限セクション、第１のチャンバのガス供給部（存在する場合）、第１のチャンバ内のガス入口（存在する場合）、および第１のチャンバ内のイオン入口（存在する場合）を適切に構成することによって、達成され得る。
【００３７】
例えば、第２の圧力は、ガスポンプ、ガス流制限セクション、第２のチャンバのガス供給部（存在する場合）、および第２のチャンバ内のガス入口（存在する場合）を適切に構成することによって、達成され得る。
【００３８】
好ましくは、第１の圧力は、第２の圧力より１０倍以上（または１００倍以上）大きく、すなわち、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に大きな圧力低下がある。
【００３９】
好ましくは、第１の圧力は、１×１０−３ｍｂａｒ以上、より好ましくは５×１０−３ｍｂａｒ以上である。第１の圧力は、１×１０−１ｍｂａｒ以下、より好ましくは５×１０−２ｍｂａｒ以下であってよい。
【００４０】
好ましくは、第２の圧力は、１×１０−３ｍｂａｒ未満、より好ましくは５×１０−４ｍｂａｒ未満であり、より好ましくは２×１０−４ｍｂａｒ未満である。第２の圧力は、１×１０−５ｍｂａｒ以上であってよい。
【００４１】
第１のチャンバは、（例えば、イオン源および／または第１のチャンバのガス供給部から）アルゴンなどの不活性ガスを受け取るように構成され得る。第２のチャンバは、（例えば、第１のチャンバおよび／または第２のチャンバのガス供給部から）アルゴンなどの不活性ガスを受け取るように構成され得る。
【００４２】
第１のチャンバは、（例えば、イオン源および／または第１のチャンバのガス供給部から）例えば冷却装置の動作を通じて室温未満に冷却されたガスを受け取るように構成され得る。第２のチャンバは、（例えば、第１のチャンバおよび／または第２のチャンバのガス供給部から）例えば冷却装置の動作を通じて室温未満に冷却されているガスを受け取るように構成され得る。第１および／または第２のチャンバが受け取ったガスの冷却は高い性能を提供するはずであるが、複雑さおよびコストを増大させ、第１および第２のチャンバが受け取ったガスが冷却されなくても本発明を用いて性能の改善を達成し得ることを、発明者らは発見している。
【００４３】
好ましくは、セグメントのうちのいくつか（好ましくはすべて）の、長さ（Ｌ）／内接半径（ｒ０））比（Ｌ／ｒ０））は１〜１０である。すべてのセグメントが同じ（Ｌ／ｒ０）を有する必要はない。長さは、（セグメントの電極が周囲に配置される）軸に沿って測定され得る。
【００４４】
ガス流制限セグメント内のセグメント以外のセグメントの内接半径ｒ０は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であってよい。
【００４５】
ガス流制限セグメント内のセグメントの内接半径ｒ０は、０．２５ｍｍ〜５ｍｍの範囲であってよい（好ましくは、その他のセグメントのうちの１つの内接半径の半分または半分未満であるが、他の比も可能である）。
【００４６】
少なくとも１つの（好ましくは各）セグメントの複数の電極は、軸の方向に延び、かつ多重極イオンガイドを形成するように配置されている、いくつかの細長い電極を含み得る。多重極イオンガイドを形成するように配置された細長い電極は、ロッド、例えば双曲線ロッドの形態をとることができる。当業者に認識されるように、他のロッド形態が可能である。
【００４７】
第１の電圧供給部は、各セグメント内で多重極イオンガイドを形成するように配置された細長い電極が閉じ込め場を提供するように少なくとも１つのＡＣ電圧波形を供給する、半径方向閉じ込めモードで動作するように構成され得る。少なくとも１つのＡＣ電圧波形は、ＲＦ電圧波形であってよい。イオンを半径方向に閉じ込める電場を提供するために多重極イオンガイドの細長い電極に少なくとも１つのＡＣ電圧波形を供給する技術は、周知である。典型的には、これらの技術は、同じＡＣ電圧波形を異なる位相で多重極イオンガイドの異なる電極に供給することを伴う。
【００４８】
ガス流制限セグメントの複数の電極は、軸の方向に延び、かつ多重極イオンガイドを形成するように配置されている、いくつかの細長い電極を含み得る。ガス流制限セグメントの隣り合う対の細長い電極間の空間は、軸の方向に延びる細長い電気絶縁部材で埋められ得、例えば、このため、細長い電極および細長い絶縁部材は、ガスがガス流制限セグメントから半径方向外側に流れるのを制限するように軸の周りで周方向に延びる管を形成する。細長い絶縁部材は、ガス流制限セグメントの電極を互いに電気絶縁するのに役立ち得る。ガス流制限セグメントは、ガス流制限セグメントから半径方向外側へのガス流を制限するために電極（および、存在する場合には絶縁部材）を囲む電気絶縁管またはシェルを含み得る。
【００４９】
好ましくは、第２のチャンバの標的セグメントと第１のチャンバの最後のセグメントとの間の距離は、標的セグメントの内接半径をｒ０ｔとして、４０ｒ０ｔ以下、より好ましくは２０ｒ０ｔ以下、より好ましくは１２ｒ０ｔ以下、より好ましくは９ｒ０ｔ以下、より好ましくは６ｒ０ｔ以下であり、この距離は、例えば標的セグメントの中心から第１のチャンバの最後のセグメントの中心まで、軸に沿って測定される。このように、イオンは、第１のチャンバの最後のセグメントから標的セグメントへと、エネルギー変化を最小限にして、移送し得る。第１のチャンバの最後のセグメントは、第１のチャンバ内に全体が位置する第２のチャンバに最も近いセグメントとして定義され得る（例えば、全体ではなく部分的に第１のチャンバ内部に位置した、ガス流制限セクション内に位置するセグメントがあり得ることに注意する。例えば、図３を参照）。第１のチャンバの最後のセグメントは、以下で言及する事前捕捉セグメントであってよい。
【００５０】
第１の電圧供給部は、半径方向閉じ込めモードで標的セグメントの電極に供給されたＡＣ電圧波形が、イオンを標的セグメントから引き出すように中止または停止される引き出しモードで動作するように構成され得る。引き出しモードでは、標的セグメント以外のセグメントの電極に供給されるＡＣ電圧波形は、半径方向閉じ込めモードの場合と同じように継続し得る。
【００５１】
イオントラップは、引き出しモードで動作するように構成された第３の電圧供給部を含み得、引き出しモードでは、標的セグメント内に位置するイオンをイオントラップから、例えば質量分析器に向かって引き出すために、好ましくは第１の電圧供給部がその引き出しモードで動作している間に、１つまたは複数の引き出し電圧が標的セグメントの１つまたは複数の電極および／あるいは１つまたは複数の引き出し電極に供給される。
【００５２】
疑義を無くすために述べておくと、第１の電圧供給部、第２の電圧供給部、および第３の電圧供給部は、別個のユニットであるか、または互いと一体的であってよい。第１、第２、および第３の電圧供給部のいずれかは、いくつかの個別の供給部を含み得る。
【００５３】
やはり疑義を無くすために述べておくと、各セグメントの同じ電極が、第１および第２の電圧供給部それぞれによって、ＡＣおよびＤＣ電圧を供給され得る。あるいは、第１の電圧供給部は、各セグメントの第１のサブセットの電極にＡＣ電圧を供給するように構成され得、第２の電圧供給部は、各セグメントの第２のサブセットの電極にＤＣ電圧を供給するように構成され得る。
【００５４】
第２の電圧供給部は、捕捉モードで動作するよう構成され得、それによって、対の第１のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されたＤＣ電圧と対の第２のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されたＤＣ電圧との間に小さいＤＣオフセットがあるような、少なくともいくつかの対の隣接するセグメントが存在する。この文脈での小さいＤＣオフセットとは、好ましくは２Ｖ以下、より好ましくは１Ｖ以下、より好ましくは０．５Ｖ以下、より好ましくは０．２５Ｖ以下であり、０．０５Ｖ以上であってよい。
【００５５】
このように、すなわち、捕捉モードにおいて少なくともいくつかの対の隣接するセグメント間に小さいＤＣオフセットを有することによって、捕捉電場は、イオンがかなりの運動エネルギーを得ることなくイオンを標的セグメントに向けて押しやることができる（増加した運動エネルギーは、イオンが熱平衡に戻るのにさらなる時間を必要とし得る）。いくつかの対の隣接するセグメントが、例えば、イオントラップの下流端部から出るのを防ぐポテンシャル障壁を提供するため、捕捉モードにおいて大きいＤＣオフセットを有し得ることに注意する。
【００５６】
第２の電圧供給部は、熱化モードで動作するように構成され得、熱化モードでは、セグメントに属する電極のうちの少なくともいくつかが、第２のチャンバ内部に位置する標的セグメントにイオンを捕捉すると共にさらなるイオンが標的セグメントに入るのを防ぐため軸方向に変化するプロファイルを有する熱化電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給され、例えばそれらのイオンが標的セグメントから引き出される前に、例えばガス粒子との衝突を通じて標的セグメントに捕捉されるイオンの熱化を可能にする。
【００５７】
このように、イオンが捕捉電場によって標的セグメント内に移動する際にイオンが得たエネルギーは、例えばそれらのイオンが標的セグメントから引き出される前に、熱化され／冷却されてなくなり得る。
【００５８】
標的セグメントに捕捉されたイオンは、好ましくはガス粒子との衝突によって冷却され、この場合、熱化モードは「冷却モード」と呼ぶことができ、熱化電場は、「冷却電場」と呼ぶことができる（熱化／冷却は一般的に、以下で説明するように、電場自体によってではなく、ガス粒子との衝突によって行われ、「冷却」および「熱化」は、「電場」を説明するのに使用される場合、単に本明細書に記載する他の電場から電場を区別するラベルとして使用されることに注意する）。
【００５９】
第２の電圧供給部は、事前捕捉モードで動作するように構成され得、事前捕捉モードでは、セグメントに属する電極のうちの少なくともいくつかが、例えばイオンが捕捉電場によって第２のチャンバに位置する標的セグメントに向かって押しやられその中に捕捉される前に、第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに向かってイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように、異なるＤＣ電圧を供給される。
【００６０】
好ましくは５個以下のセグメントが事前捕捉セグメントと標的セグメントとの間に、より好ましくは４個以下のセグメントが事前捕捉セグメントと標的セグメントとの間に、より好ましくは３個以下のセグメントが事前捕捉セグメントと標的セグメントとの間に、より好ましくは２個以下のセグメントが事前捕捉セグメントと標的セグメントとの間に、より好ましくは１個のセグメントが事前捕捉セグメントと標的セグメントとの間にある。これは、エネルギーの変化を最小限にした、事前捕捉セグメントから標的セグメントへのイオンの移送を可能にするのに役立つ。
【００６１】
このように、イオンは、第２のチャンバに位置する標的セグメントに向けて押しやられその中に捕捉される前に、第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに「事前捕捉され」得る。
【００６２】
第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントは、好ましくは第１のチャンバの最後のセグメントであり、第１のチャンバの最後のセグメントは、第１のチャンバ内に全体が位置する、第２のチャンバに最も近いセグメントとして定義され得る（例えば、全体ではなく部分的に第１のチャンバ内部に位置した、ガス流制限セクション内に位置するセグメントがあり得ることに注意する。例えば、図３を参照）。言い換えれば、事前捕捉セグメントは、好ましくは第２のチャンバに最も近い第１のチャンバのセグメントである。
【００６３】
（捕捉モードで生成された）捕捉電場は、ポテンシャル障壁を含み得、ポテンシャル障壁は、事前捕捉セグメントの上流にあり（すなわち、事前捕捉セグメントよりイオン源に近く）、第２の電圧供給部が捕捉モードで動作しているときに、事前捕捉セグメントにまだ捕捉されていないイオン源からのイオンが、標的セグメント内へと動くのを防ぐ。例えば、図１３で参照符号１３６０によって示すＤＣ電圧プロファイルにおいて示されているポテンシャル障壁１３６０ａを参照。
【００６４】
第２の電圧供給部は、事前捕捉モードで動作するよう構成され得、それによって、対の第１のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されたＤＣ電圧と、対の第２のセグメントの少なくとも１つの電極に印加されたＤＣ電圧との間に小さいＤＣオフセットがある、少なくともいくつかの対の隣接するセグメントが存在する。この文脈での小さいＤＣオフセットは、好ましくは２Ｖ以下、より好ましくは１Ｖ以下であり、０．０５Ｖ以上であってよい。
【００６５】
このように、すなわち、事前捕捉モードにおいて少なくともいくつかの対の隣接するセグメント間に小さいＤＣオフセットを有することによって、（熱化されてなくなる必要があり、冷却時間が長くなり、スキャン速度を下げる）かなりの運動エネルギーをイオンが得ることなくイオンを事前捕捉セグメントに向けて押しやることができる。いくつかの対の隣接するセグメントが、例えば、イオンが第１のチャンバから第２のチャンバに入るのを防ぐポテンシャル障壁を提供するため、事前捕捉モードにおいて大きいＤＣオフセットを有し得ることに注意する。
【００６６】
他の実施形態では、より大きいＤＣオフセットが事前捕捉モードにおいて隣接するセグメント間にあってよく、これは、例えば、圧力が事前捕捉セグメントにおいて十分に高い場合に、事前捕捉セグメントにおける熱化が、事前捕捉セグメントに入るイオンにかなりの運動エネルギーを与えるのを避ける必要なしに適切に速くなり得るためである。したがって、小さいＤＣオフセットを隣接するセグメント間に有することは、（事前捕捉モードよりも）捕捉モードで有用となると考えられ、これは、捕捉モードでは、運動エネルギーを得るイオンが、第２のチャンバ内の比較的低い圧力により、熱化するのにより時間がかかり得るためである。
【００６７】
第２の電圧供給部は、事前熱化モードで動作するように構成され得、事前熱化モードでは、セグメントに属する電極のうちの少なくともいくつかが、第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントにイオンを捕捉すると共に、さらなるイオンが事前捕捉セグメントに入るのを防ぐため軸方向に変化するプロファイルを有する事前熱化電場を提供するように異なるＤＣ電圧を供給され、例えばイオンが捕捉電場によって第２のチャンバに位置する標的セグメントに向かって押しやられその中に捕捉される前に、例えばガス粒子との衝突を通じて事前捕捉セグメントに捕捉されたイオンの熱化を可能にする。事前熱化電場の軸方向に変化するプロファイルは、ポテンシャル障壁を含み得、これは、さらなるイオンが事前捕捉セグメントに入るのを防ぐ。事前捕捉セグメントに入ることができないさらなるイオンは、失われる必要はないが、例えば、ポテンシャル障壁の前で、上流のセグメントに保管または捕捉され得ることに注意する。
【００６８】
事前捕捉セグメントに捕捉されたイオンは、好ましくはガス粒子との衝突によって冷却され、この場合、事前熱化モードは「事前冷却モード」と呼ぶことができ、事前熱化電場は、「事前冷却電場」と呼ぶことができる（熱化／冷却は、電場自体によってではなく、ガス粒子との衝突によって行われることに注意する）。
【００６９】
第２の電圧供給部は、熱化モードと同時に事前捕捉モードで動作するように構成され得、これは、「事前捕捉」電場および「熱化」電場の両方として機能し、それによって、「事前捕捉」が「熱化」と同時に行われることを可能にするＤＣ電圧プロファイルが定義され得るためである。例えば、図１３で参照符号１３６１によって示すＤＣ電圧プロファイルを参照されたい。
【００７０】
第２の電圧供給部は、熱化モードと同時に事前熱化モードで動作するように構成され得、これは、「事前熱化」電場および「熱化」電場の両方として機能し、これにより「事前熱化」が「熱化」と同時に行われることを可能にするＤＣ電圧プロファイルが定義され得るためである。例えば、図１３で参照符号１３４１によって示すＤＣ電圧プロファイルを参照されたい。
【００７１】
疑義を無くすために述べておくと、「捕捉」、「事前捕捉」、「熱化」、「冷却」、「事前熱化」または「事前冷却」などの形容詞が電場に関連して使用される場合、形容詞の使用は、単に、電場を、その電場を本明細書に記載する他の電場から区別することを可能にするラベルにより説明するためのものである。
【００７２】
イオントラップは、好ましくは引き出しサイクルを繰り返し実行するように構成され、引き出しサイクルは、
第２の電圧供給部が第１の所定の期間にわたり捕捉モードで動作して、イオンを標的セグメントに向かって動かしその中にイオンを捕捉すること、
第１および第３の電圧供給部がそれらの引き出しモードで動作して、イオンを標的セグメントからイオントラップの外に、例えば質量分析器に向かって引き出すこと
を含む。
【００７３】
疑義を無くすために述べておくと、標的セグメントからのイオンの引き出しは、第２の電圧供給部が捕捉モードで動作している間に、または、引き出しサイクルの何らかの他の部分中に、開始／実行され得る。
【００７４】
引き出しサイクルは、好ましくは、
第２の電圧供給部が第２の所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作すること、および／または
第２の電圧供給部が第３の所定の期間にわたり熱化モードで動作すること
を含む。
【００７５】
より好ましくは、引き出しサイクルは、
第２の電圧供給部が第２の所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作すること、および
第２の電圧供給部が第３の所定の期間にわたり熱化モードで動作すること
を含む。
【００７６】
引き出しサイクルは、
第２の電圧供給部が第４の所定の期間にわたり事前熱化モードで動作すること
をさらに含み得る。
【００７７】
疑義を無くすために述べておくと、第１、第２、第３および第４の期間（存在する場合）は連続して生じる必要はないが、互いに重複してよく、また、任意の順序で実行され得る。
【００７８】
例えば、前述したように、事前捕捉モードおよび事前熱化モードは、熱化モードと同時に実行され得る（しかし、好ましくは、互いと同時ではない）。したがって、第２および／または第４の所定の期間は、第３の所定の期間と重複してよい（好ましくは、その中に完全におさまってよい）。
【００７９】
第１の期間は、例えば、０．１ｍｓ〜１００ｍｓ、またはこれより長くてよい。
【００８０】
第１の期間は、例えば、０．２５ｍｓ〜１０ｍｓであってよい。
【００８１】
第２の期間は、例えば、０．１ｍｓ〜１００ｍｓ、またはこれより長くてよい。
【００８２】
第２の期間は、例えば、０．２５ｍｓ〜１０ｍｓであってよい。
【００８３】
第３の期間は、例えば、０．５ｍｓ〜１０ｍｓ、またはこれより長くてよい。
【００８４】
第３の期間は、１ｍｓ〜３ｍｓであってよい。
【００８５】
第４の期間は、例えば、０．５ｍｓ〜１０ｍｓ、またはこれより長くてよい。
【００８６】
第４の期間は、１ｍｓ〜３ｍｓであってよい。
【００８７】
イオン処理デバイスは、少なくとも１つの引出電圧が供給されたときに第２のチャンバに位置する標的セグメントからイオンを引き出すように構成された引き出し電極を含み得る。
【００８８】
第２の態様では、本発明は、
イオン源と、
本発明の第１の態様によるイオントラップであって、イオントラップの第１のチャンバは、イオン源からイオンを受け取るように構成されている、イオントラップと、
イオントラップの標的セグメントから引き出されたイオンを分析するための質量分析器と
を有する質量分析装置、を提供する。
【００８９】
イオン源は、イオントラップの第１のチャンバによって受け取られる連続したイオンの流れを提供するように構成され得る。イオン源は、例えば、衝突チャンバ、プレフィルタ、マスフィルタ、イオン移動度フィルタ、微分移動度フィルタ、多重極デバイス、イオンファンネル、または他の適切なイオン処理装置を含み得る。
【００９０】
質量分析器は、例えば、飛行時間型質量分析器、質量分離器、質量選択モードで動作するリニアイオントラップ（「ＬＩＴ」）、静電型イオントラップ、またはフーリエ変換質量分析装置であってよい。
【００９１】
質量分析器が飛行時間型質量分析器であり、イオントラップがリニアイオントラップである場合、装置は、リニアイオントラップ飛行時間型質量分析装置（「ＬＩＴ−ＴＯＦ」）と呼ぶことができる。
【００９２】
イオントラップおよび／または質量分析装置は、本明細書に記載するように動作するようにイオントラップおよび／または質量分析装置を制御するように構成された制御部を含み得る。
【００９３】
第３の態様では、本発明は、本発明の第１の態様によるイオントラップまたは本発明の第２の態様による質量分析装置を動作させる方法を提供する。
【００９４】
この方法は、本発明の任意の上記態様に関連して説明した装置の特徴を実装するか、または別様にこれに対応する方法ステップを含み得る。
【００９５】
本発明はまた、説明した態様および好ましい特徴部の任意の組み合わせを、このような組み合わせが明らかに容認できないかまたは明白に回避される場合を除いて含む。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
これらの提案の実施例を、添付図面を参照して以下で論じる。
【００９７】
【図１】特許文献１の原理を実装するリニアイオントラップの単純化した図である。
【図２】特許文献２の原理を実装するリニアイオントラップの単純化した図である。
【図３（ａ）】本発明による例としてのリニアイオントラップを示す。
【図３（ｂ）】図３（ａ）のリニアイオントラップの細長い電極を断面で示す。
【図３（ｃ）】図３（ａ）のリニアイオントラップの細長い電極を断面で示す。
【図３（ｄ）】図３（ａ）のリニアイオントラップのガス流制限セグメントを断面で示す。
【図４】図３のリニアイオントラップにおける標的セグメントとして使用される例としての標的セグメントを示す。
【図５】本発明による別の例としてのリニアイオントラップ５０１を示す。
【図６】本発明による別の例としてのリニアイオントラップ６０１を示す。
【図７】本発明による例としての質量分析装置、および対応する軸方向圧力プロファイルを示す。
【図８】実験研究１および２からの結果を得るのに使用される異なる動作モードで質量分析装置のセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧の例示と共に、図７の質量分析装置を示す。
【図９（ａ）】実験研究１からの結果を示す。
【図９（ｂ）】実験研究１からの結果を示す。
【図９（ｃ）】実験研究１からの結果を示す。
【図１０（ａ）】実験研究２からの結果を示す。
【図１０（ｂ）】実験研究２からの結果を示す。
【図１１】実験研究３からの結果を得るのに使用される、異なる動作モードで質量分析装置のセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧の例示と共に、図７の質量分析装置を示す。
【図１２（ａ）】実験研究３からの結果を示す。
【図１２（ｂ）】実験研究３からの結果を示す。
【図１３】冷却ステップと同時に事前捕捉および事前冷却を実行するのに使用され得る一連の代替的ＤＣ電圧プロファイルを例示する。
【発明を実施するための形態】
【００９８】
発明者らは、イオンがセグメント間の非常に低いポテンシャルオフセットを用いてリニアイオントラップのセグメント間で移送される場合、これらは、移送プロセス中にそれほど大きなエネルギーを取り戻す必要がないことに気づいた。その結果、イオンは、低い平均エネルギーで低圧領域に入ることができ、よって、これらは、従来の方法より実質的に効率よく捕捉され、より迅速に熱エネルギーに対して再冷却され得る。シミュレーションが最初に行われ、その後、プロトタイプの装置が構築された。
【００９９】
リニアイオントラップセグメント間でのイオンの素早い移送を容易にするため、発明者らは、リニアイオントラップセグメントの長さを短く、典型的には８ｒ０未満、好ましくは６ｒ０および最も好ましくは４ｒ０に維持することが好ましいことを発見し、ここでｒ０はセグメントの内接半径である。これにより、それほど大きな運動エネルギーを与えることなくイオンを１つのセグメントから別のセグメントへと迅速に移送することができる。よって、イオンは、小さいＤＣオフセット、典型的には１Ｖ未満、好ましくは０．５Ｖ未満、好ましくは０．２５Ｖ未満を印加することによって、セグメント間で動くことができる。
【０１００】
本明細書に記載する実施例では、分割リニアイオントラップを説明する。分割リニアイオントラップの少なくとも１つのセグメントは、高圧の第１のチャンバに位置し、標的セグメントを含む少なくとも１つのセグメントは、低圧の第２のチャンバに位置する。高圧の第１のチャンバは、低圧の第２のチャンバの「上流」に位置すると考えることができ、また、イオン源からイオンを受け取るためのイオン入口端部を有し得る。低圧および高圧のチャンバは、それらの間に位置するガス流制限セクションを有して、それらの間のガスの流れを制限することができる。ガス流制限セクションは、本明細書ではコンダクタンス制限セクションと呼ぶこともできる。これは、好ましくは、低圧のチャンバと高圧のチャンバとの間で所望の圧力差を達成するような、適切に小さい流体コンダクタンスを有するためである。周知の特性である流体コンダクタンスの概観は、以下の添付書類で見ることができる。
【０１０１】
ガス流制限セクションは、分割リニアイオントラップのその他のセグメントと比べて低減されたｒ０を有する、少なくとも１つのイオントラップセグメントを含み得る。ガス流制限セクションは、好ましくは低圧チャンバと高圧チャンバとの間で所望の圧力差を確立するのに有効である。ガス流制限セクションは、高圧領域から低圧領域へと通過するガスがガス流制限セクションを通過しなければならなくなるように、チャンバ壁内部に形成され得る。ガス流制限セクションは、電極および絶縁支持構造体が一緒に管へと形成され、ガス流制限セクションが第１のチャンバと第２のチャンバとの間の唯一の流体連通手段となるように形成され得る。高圧の第１のチャンバは、好ましくは、ガスの一定の供給を有し、好ましくは、低圧の第２のチャンバは、ポンプ、好ましくはターボ分子ポンプに接続され得る。
【０１０２】
第１のチャンバの最後のセグメント（例えば、事前捕捉セグメント）と低圧の第２のチャンバの標的セグメントとの間の距離（およびセグメント数）を最小化して、イオンのより速い移送を可能にし、イオンに加えられたエネルギーを最小に維持することが、さらに有利となり得る。
【０１０３】
高圧の第１のチャンバ内の高い圧力は、短い冷却時間でイオンを効率よく捕捉し冷却するように設定され得る。
【０１０４】
ここで、冷却時間は、イオンが熱エネルギーまたはほぼ熱エネルギーを獲得する時間を指すことができる。熱エネルギーは、具体的には、イオンがバッファガスとの間で実質的に熱平衡に到達／確立し、それによって両者が共通の温度を共有することを意味する。より具体的には、イオン群またはイオンバンチは全体として、約３ＫＴ／２の二乗平均平方根（ＲＭＳ）のエネルギーを有する。ここでＴは、バッファガス温度であり、Ｋはボルツマン定数である。室温では、ＫＴは、０．０２５ｅＶの値を有する。
【０１０５】
本明細書で例示するようなイオントラップでは、低圧の第２のチャンバにおける冷却時間は、数ミリ秒から１ミリ秒の数分の１までの範囲、典型的にはイオンの質量および衝突断面、ならびにガス圧力に応じて２０ｍｓ〜０．２５ｍｓの範囲であってよい。
【０１０６】
本明細書に開示する１つの動作モードでは、イオンは、高圧の第１のチャンバ、ガス流制限セクションを通り、低圧領域において標的セグメントに直接捕捉され得る。この動作モードでは、第１のチャンバ内の圧力は、高圧の第１のチャンバを通る輸送中にイオンを冷却し、それらを実質的に冷却された状態に保つよう、好ましくは十分に高い。
【０１０７】
本明細書に開示する別の動作モードでは、イオンは、高圧の第１のチャンバの事前捕捉セグメントに事前捕捉され、冷却され、その後、小さいポテンシャルＤＣオフセットを加えることによって高圧の第１のチャンバから低圧の第２のチャンバに輸送され（高圧の第１のチャンバからコンダクタンス制限セクションを通じてイオンを押しやり）、その後、低圧の第２のチャンバの標的セグメント内部に再捕捉され得る。イオンはその後、ＴＯＦ型分析器へと引き出される前に第２のチャンバ内で迅速に再冷却され得る。
【０１０８】
組み合わせると、小さいＤＣオフセットの使用と、分割リニアイオントラップ内部で低圧の第２のチャンバに近接した高圧の第１のチャンバの存在とは、高効率と急速冷却時間との組み合わせにより低圧イオントラップにおいてイオンの効率的な捕捉を可能にする。ここで、Ｐ＝イオンが捕捉および引き出される領域の圧力、ｔ＝冷却時間として、１／（Ｐ・ｔ）の値は、先行技術のデバイスで可能な値よりも小さい。デバイスはまた、小型に作ることができ、先行技術のデバイスよりも少ないセグメントで構成することができる。
【０１０９】
図３（ａ）は、本発明による例としてのリニアイオントラップ３０１を示す。
【０１１０】
リニアイオントラップ３０１は、線形軸３５０に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメント（この実施例では８個のセグメント）を有する分割電極構造体を有しており、分割電極構造体の各セグメントは、軸の周りに配置された複数の電極を含む。したがって、イオントラップ３０１は、分割リニアイオントラップと呼ぶことができる。
【０１１１】
第１のチャンバ３０３は、第１のサブセット３０２のセグメント（この実施例では５個のセグメント）を含む。第２のチャンバ３２４は、第２のサブセット３１２のセグメント（この実施例では２個のセグメント）を含む。
【０１１２】
第２のチャンバ３２４からガスを排気するためのガスポンプ（不図示）は、第２のチャンバ３２４を第１のチャンバ３０３より低い圧力にするように使用され得る。ガス供給部（不図示）は、例えば第２のチャンバ３２４で所望の圧力を達成するように（これは、ガスポンプ単独で達成することが、より困難となり得る）バッファガスを第２のチャンバ３２４に供給するために設けられ得る。
【０１１３】
第１のチャンバ３０３は、チャンバ壁３０６によって部分的に画定される。第２のチャンバ３２４は、チャンバ壁３０７によって部分的に画定される。
【０１１４】
この実施例では、リニアイオントラップ３０１の各セグメントは、４つの細長い電極を含む。これらは、軸３５０の方向に延び、四重極イオンガイドを形成するように配置される。細長い電極は、好ましくは、断面を見ると双曲線表面を有するが、図３（ｂ）に示すような丸い断面３２０または図３（ｃ）に示すような正方形の断面３２２を有することもできるロッドである。他の電極形状が可能であり、当技術分野で既知である。
【０１１５】
第１のサブセット３０２および第２のサブセット３１２のセグメントのｒ０（内接半径）は、例えば２．５ｍｍであってよい（標的質量範囲などに応じて、より小さい値およびより大きい値が使用され得る）。
【０１１６】
第２のチャンバ３２４の第２のサブセット３１２のセグメントは、複数のセグメントのうち標的セグメント３０４を含む。
【０１１７】
分割イオントラップ３０１は、第１のチャンバ３０３と第２のチャンバ３２４との間に位置するガス流制限セクション３０５も有する。
【０１１８】
この実施例では、ガス流制限セクション３０５は、第１のチャンバ３０３と第２のチャンバ３２４との間に位置する壁３２７を含み、単一の開口が壁３２７に形成されて、イオンが第１のチャンバ３０３から第２のチャンバ３２４に通過するのを可能にすると共に、第１のチャンバ３０３から第２のチャンバ３２４へのガス流を制限する。
【０１１９】
この実施例では、ガス流制限セクション３０５の壁３２７の開口は、複数のセグメントのうちのセグメント３７０を収容する。このセグメントは、簡略化のため、本明細書ではガス流制限セグメント３７０と呼ぶ。
【０１２０】
図３（ａ）に描くように、ガス流制限セグメント３７０は、その他のセグメントの内接半径ｒ０より小さい内接半径、この場合、第１のサブセット３０２および第２のサブセット３１２のセグメントのｒ０の半分の内接半径を有する。
【０１２１】
ガス流制限セグメント３７０は、図３（ｄ）に断面で示されており、軸３５０の方向に延び、かつ四重極イオンガイドを形成するように配置された４個の電極３７２、３７３、３７４、３７５から形成されている。この実施例では、電極３７２〜３７５は、断面で見たときに双曲線表面を有し、ガス流制限セグメント３７０が使用中であるときに電極間の空間３７６内に双曲線の電気ポテンシャルを定める。
【０１２２】
ガス流制限セグメント３７０の隣接する対の電極３７２〜３７５間の空間は、軸３５０の方向に延びる絶縁ロッド３７８によって埋められ、そのため、ガス流制限セグメント３７０の細長い電極３７２〜３７５および絶縁ロッド３７８は、ガス流制限セグメント３７０から半径方向外側へのガス流を制限するために軸３５０の周りで周方向に延びる管を形成する。電極３７２〜３７５および絶縁ロッド３７８は、絶縁管３７９によってさらに囲まれて、ガス流制限セグメント３７０の内部から半径方向外側へのガス流をさらに制限する。
【０１２３】
このように、ガス流制限セクションは、第１のチャンバ３０３から第２のチャンバ３２４へのガス流を制限することができる。ガス流制限セクションによってもたらされるガス流制限の程度は、以下の添付書類でさらに詳細に論じるガスコンダクタンスを用いてパラメータ化され得る。
【０１２４】
バッファガスを第１のチャンバ３０３に供給するガス供給部（不図示）は、第１のチャンバ３０３のバッファガス入口（不図示）を通じて第１のチャンバ３０３内に圧力を確立するのに使用され得る。
【０１２５】
第１のチャンバ３０３は、イオン入口３０８を有し得、これを通じて、イオンがイオン源（不図示）から導入される。この入口３０８は、オプションとして、（例えば、別個のバッファガス入口を有する代わりに）部分３０８にガスを導入するのに使用され得る。
【０１２６】
図３（ｄ）に示すガス流制限セグメント３７０では、絶縁ロッド３７８および絶縁管３７９は、組み合わせて、空間３７６内に正確なポテンシャルを作り出すように電極３７２〜３７５を正確に設置するのに役立つ。分割リニアイオントラップ３０１の他のセグメントは、同様の方法を用いて、または当業者に既知の方法を用いて形成され得る。その他のセグメントに半径方向のガス流を制限させることには特に利点はないと思われるので、絶縁ロッドは、その他のセグメントから省略され得る（実際、ロッドの内部とガスポンプ／ガス供給部との間に良好なガスコンダクタンスを有することが望ましい場合には、絶縁ロッドは、他のセグメントには不都合となり得る。
【０１２７】
使用中、ガス流制限セクション３０５は、第１のチャンバ３０３に供給するためのバッファガス供給源、第２のチャンバ３２４に供給するためのバッファガス供給源、および第２のチャンバ３２４からガスを排気するためのガスポンプと組み合わせて、第１のチャンバ３０３と第２のチャンバ３２４との間で所望の圧力差を達成するのに使用され得る。所望の圧力差は、第２のチャンバ３２４からガスを排気するためのガスポンプをただ注意深く制御することで達成され得ることに注意するべきである。
【０１２８】
高圧領域から低圧領域に移動するガス分子は、ガス流制限セクション３０５のガス流制限セグメント３７０を通過する。ガス流制限セグメント３７０が壁３２７に形成された開口によって収容されているので、第１のチャンバ３０３と第２のチャンバ３２４との間のガスコンダクタンスが著しく減少する。
【０１２９】
第１のチャンバ３０３に位置するセグメントの第１のサブセット３０２は、第１のチャンバ３０３が第２のチャンバ３２４より圧力が高いため、第２のチャンバ３２４に位置するセグメントの第２のサブセット３１２との関連で上流にあるとみなされ得る。
【０１３０】
第１の電圧供給部（不図示）は、半径方向閉じ込めモードで動作するように構成され得る。半径方向閉じ込めモードでは、各セグメントに属する電極に、セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するようなＡＣ電圧波形が供給される。
【０１３１】
前述したように、この実施例では、各セグメントの４つの電極が多重極イオンガイドの一種である四重極イオンガイドを形成するように配置されている。当技術分野で既知のとおり、多重極イオンガイド内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場は、同じＡＣ（典型的にはＲＦ）電圧波形を異なる位相で多重極イオンガイドの電極に適用することによって得ることができ、ＡＣ電圧波形の第１の位相が、奇数番号の電極に適用され、ＡＣ電圧波形の第２の位相（１８０°だけ位相シフトしている）が偶数番号の電極に適用され、電極は、イオントラップの軸（その周りに多重極イオンガイドの電極が配置される）を一回りして昇順で番号が付けられたものである。
【０１３２】
よって、第１の電圧供給部の半径方向閉じ込めモードでは、分割イオントラップのすべてのセグメントに、半径方向にイオンを閉じ込めるのに効果的なＡＣ（典型的にはＲＦ）電圧が印加され得る。ＲＦ電圧波形を用いて半径方向の閉じ込めを達成する技術は、当技術分野で周知であり、そのため、ここではさらに詳細に説明する必要はない。しかし、ガス流制限セグメント３７０の電極に印加されるＡＣ電圧波形は、そのセグメントが第１のサブセット３０２および第２のサブセット３１２のセグメントと比べて小さなｒ０を有する場合に適切にスケーリングする必要があり得ることに注意する。
【０１３３】
この実施例では、第２の電圧供給部（不図示）は以下で動作するように構成される。
●イオンが第２のチャンバに位置する標的セグメント３０４に向けて押しやられその中に捕捉される前に、第１のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメント３２６に向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために、軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように、セグメントに属する少なくともいくつかの電極が異なるＤＣ電圧を供給される事前捕捉モード。
●複数のセグメントのうちの標的セグメント３０４に向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために、軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように、セグメントに属する少なくともいくつかの電極がＤＣ電圧を供給される捕捉モード。
【０１３４】
図３（ａ）に示すように、全体が第１のチャンバ３０３に位置するセグメントのうち、事前捕捉セグメント３２６はガス流制限セクション３０５に最も近い。
【０１３５】
事前捕捉モードのＤＣ電圧、すなわち事前捕捉モードでセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧は、図３（ａ）で参照符号３４０によって示されている。
【０１３６】
捕捉モードのＤＣ電圧、すなわち捕捉モードでセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧は、図３（ａ）で参照符号３６０によって示されている。
【０１３７】
第２の電圧供給部は引き出しサイクルを繰り返し実行するように構成され得、引き出しサイクルにおいて、第２の電圧供給部は、
所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作し、
別の所定の期間にわたり捕捉モードで動作する。
【０１３８】
疑義を無くすために述べておくと、第１および第２の電圧供給部は、独立した構成要素であってよく、または、一体的な電圧供給部の一部であってもよい。
【０１３９】
第２の電圧供給部が事前捕捉モードで動作すると、イオンは、実質的に連続して上流のデバイスからイオン入口３０８に入って、第１のチャンバ３０３内部の比較的高い圧力のガスによって熱化され、好ましくは冷却されると共に、参照符号３４０で示す事前捕捉モードのＤＣ電圧によってイオン入力３０８から事前捕捉セグメント３２６に向かって移動され得る。参照符号３４０で示す事前捕捉モードのＤＣ電圧は、事前捕捉セグメント３２６にイオンを捕捉するようにさらに作用する。ここで、第２の電圧供給部が捕捉モードに切り替えられるまで、イオンはさらに熱化、および好ましくは冷却される。
【０１４０】
参照符号３４０で示す事前捕捉モードのＤＣ電圧は、好ましくは、第１のチャンバ３０３の分割イオントラップの少なくともいくつかの隣接するセグメントに印加されるＤＣ電圧間に小さいポテンシャルオフセットのみがあるように定められ、イオンが第１のチャンバ３０３のセグメント間を通過することにより事前捕捉セグメントに向けて動く際にイオンが大きなエネルギーを得ないことを確実にする。
【０１４１】
参照符号３６０で示す捕捉モードのＤＣ電圧は、イオンを標的セグメント３０４に向けて動かしイオンを標的セグメント３０４に閉じ込めるように作用する。
【０１４２】
ここで、参照符号３４０で示す事前捕捉モードのＤＣ電圧は、好ましくは、標的セグメント３０４の両側にポテンシャル障壁があるように定められ、それによって、事前捕捉モードは、標的セグメントに捕捉されたイオンがガス粒子との衝突によって熱化され、好ましくは冷却され得る、熱化モードと同時に実行されることに注意する。このように、前のサイクル中に標的セグメント内に移動した１つのイオン群は、新たなイオン群が事前捕捉セグメント３２６で「事前捕捉」されている間に、標的セグメントにおいて熱化され／冷却され、その後標的セグメントから引き出され得る。
【０１４３】
代替的な実施形態（不図示）では、第２の電圧供給部は、捕捉モードでのみ動作するように構成され得、例えば、それによって、イオンは、参照符号３６０で示す捕捉モードのＤＣ電圧を用いて標的セグメント３０４内に連続して蓄積する。このような実施形態では、イオンは標的セグメント３０４から周期的に引き出され得る。しかしながら、第２の電圧供給部を電圧プロファイル間、例えば、参照符号３４０、３６０で示すプロファイル間で交互に使用することは、事前捕捉（および事前熱化、以下を参照）が標的セグメント３０４におけるイオンの熱化／引き出し中に実行され得るので、一般的に好ましい。
【０１４４】
図４は、図３のイオントラップ３０１において標的セグメントとして使用される、例としての標的セグメント４００を示す。
【０１４５】
例としての標的セグメント４００は、標的セグメント４００に位置するイオンをイオントラップ３０１から、例えば、ＴＯＦ型分析器などの質量分析器内に引き出すように構成されている。
【０１４６】
図４に示すように、標的セグメント４００は４つの双曲線電極４１０、４０２、４０４および４０６を有する。
【０１４７】
４つの電極のうち１つの電極４１０は、引き出し電極として構成され、その内部に形成されたスリット開口部４１４を有する。
【０１４８】
第１の電圧供給部が前述した半径方向閉じ込めモードで動作すると、２つのＡＣ電圧波形のうちの第１のものが、電極４０６および４０２に印加され、２つのＡＣ電圧波形のうち第２のもの（極性が反対のもの、すなわち１８０°だけ位相シフトしたもの）が電極４０４および４１０に印加され得る。
【０１４９】
第１の電圧供給部は、引き出しモードで動作するように構成され得る。引き出しモードでは、引き出しセグメント３０４、４００の電極に印加されるＡＣ電圧波形が、所定の位相で休止され（または別様に停止され）、標的セグメント３０４、４００からイオンを引き出すことを可能にする。引き出しモードでは、引き出しセグメント３０４、４００以外の各セグメントに属する電極には、好ましくは、イオンをそれらのセグメント内部に半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するように、ＡＣ電圧波形が供給され続ける。
【０１５０】
第３の電圧供給部（第１および／もしくは第２の電圧供給部の一部であるか、またはそれとは別個であってよい）が、１つまたは複数の引き出し電圧を標的セグメントの電極および／または１つまたは複数の（追加の）引き出し電極に印加して、スリット開口部４１４を通じてイオンを引き出すように構成され得る。例えば、特許文献１の図１０を参照すると、例としての引き出しスキームが記載されている。当業者は代替的なスキームを容易に予測し得る。
【０１５１】
引き出し電圧の極性が一般的に分析中のイオンの極性によって決まることに注意する。
【０１５２】
（前述のとおり、互いに別個であるか、または一体的なユニットの一部であってよい）第１、第２および第３の電圧供給部は、好ましくは、共通の制御部によって制御される。
【０１５３】
図４には、引き出しレンズ要素４１２の形態の引き出し電極も示されており、これは、イオンをより高いエネルギーへと加速させ、また、引き出されたイオンビームを集束させるのを助けるように存在し得る。さらなるレンズ要素の形態のさらなる引き出し電極も存在し得る。電極要素４１０、４０２、４０４および４０６は、ねじによって、例えば、電極４０２、４０４、４０６、４１０それぞれのねじ穴４０８によって、絶縁リングまたはシェル４０１に固定され得る。高い精度は、この構築方法および他の構築方法を用いて達成され得る。
【０１５４】
標的セグメントから引き出されたイオンは以下により質量分析される。
１）共鳴射出スキャン（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｓｃａｎ）
２）ＴＯＦ型分析器
３）静電型分析器
【０１５５】
これらの方法はすべて、短時間でイオンを捕捉および冷却することから利点を得る。
【０１５６】
図５は、本発明による別の例としてのリニアイオントラップ５０１を示す。
【０１５７】
図３に示すものに対応する図５の特徴部は、可能な場合に同様の参照符号が付されている。
【０１５８】
図３のイオントラップ３０１と同様に、図５のイオントラップ５０１は、セグメントの第１のサブセット５０２を含む第１のチャンバ５０３と、セグメントの第２のサブセット５１２を含む第２のチャンバ５２４と、壁５２７に収容されたガス流制限セグメント５７０を含むガス流制限セクション５０５と、を有する。
【０１５９】
この実施例では、第１のチャンバ５０３は、分子流条件下で流れるガスを収容するのに効果的な第１の管５０６によって部分的に画定され、ガス流制限セグメント５７０は、第１の管５０６の端部にある壁に収容される。
【０１６０】
第２のチャンバ５２４は、第１の管５０６を収容する第２の管５０７によって画定される。ポンプ（不図示、好ましくはターボ分子ポンプ）が、第２のチャンバ５２４からガスを排気するように設けられる。
【０１６１】
ガス供給部が、第１のチャンバ５０３内部に所定の圧力を確立するために設けられ得る。この圧力は約１×１０−２ｍｂａｒであってよい。追加のガス供給部が、第２のチャンバ５２４内部に所定の圧力を確立するために設けられ得る（ただし、これは、理論上では単にポンプで達成され得る）。高い圧力勾配が、ガス流制限セクション５０５にわたり維持され得る。
【０１６２】
図３に示すイオントラップ３０１に対する図５に示す例としてのイオントラップ５０１の利点は、チャンバ５０３が追加のポンプを有する必要がないことである。これは、この実施例では、チャンバ５０３で達成され得る最低圧力（ベース圧力）が、隣接するチャンバ５２４および先行するチャンバ（存在する場合、不図示）の圧力によって定められるためである。しかしながら、圧力は、追加のガス供給部の使用によりこのベース圧力より高くなり得る。一般的に、第１のチャンバ５０３が上昇した圧力で保持され、その結果、圧力に対するより低い制限が問題ではなくなり、追加のポンプを節約することにより費用の面で優位性を与え得ることがしばしば望ましい。
【０１６３】
図６は、本発明による別の例としてのリニアイオントラップ６０１を示す。
【０１６４】
図５に示すものに対応する図６の特徴部は、可能な場合に同様の参照符号が付されている。
【０１６５】
図６の例としてのイオントラップ６０１では、第１のチャンバに位置するセグメントの第１のサブセット５０２は３つのセグメントを有し、ガス流制限セクションは２つのガス流制限セグメント（ｒ０が低減されている）を含み、第２のチャンバに位置するセグメントの第２のサブセット６１２は３つのセグメントを有し、そのうち真ん中のセグメントは、図４を参照して説明したものと同様であってよい、標的セグメント６０４である。引き出し電極６２０も図示され、これは、標的セグメント６０４から引き出されたイオンをＴＯＦ質量型分析器６８０に向けて集束させるのに使用され得るが、他の質量分析器も等しく使用され得る。
【０１６６】
図６には、イオントラップ６０１にイオンを連続して提供するように構成されたイオン源６９０も示されている。
【０１６７】
イオントラップ６０１、ＴＯＦ型分析器６８０、およびイオン源６９０は共に、質量分析装置６００を提供する。
【０１６８】
他の実施形態では、すべての電極は四重極の形態に配置された平坦な電極であってよい。
【０１６９】
本明細書で論じる例としてのイオントラップは、イオンを捕捉し急速に冷却することが必要な場合にいかなる適用にも使用され得る。イオントラップは、例えば特許文献３に記載されるものなどのＴＯＦ型分析器と共に使用され得る。
【実施例】
【０１７０】
実施例／好ましいパラメータ／条件
例としてのイオントラップのパラメータのいくつかの好ましい範囲を列挙する。これらの数字は、発明者らが最も経験を有している、バッファガスとして使用されているアルゴンガスについてのものである。しかしながら、本発明は、他のバッファガス、例えば、ヘリウムもしくは窒素ガス、または他の不活性ガスに応用することもできる。好ましい圧力範囲は、異なるガスおよび異なる形状寸法では異なっていてよい。
【０１７１】
第１のチャンバ３０３の圧力：典型的な圧力範囲は５×１０−２〜５×１０−３ｍｂａｒであろう。
【０１７２】
第２のチャンバ３２４の圧力：典型的な圧力範囲は１×１０−３〜１×１０−５ｍｂａｒであろう。
【０１７３】
デバイスの性能は、ガス供給部が冷却される場合に改善され得るが、発明者らは、ガス供給部を冷却する必要なしに十分な冷却効果が得られることを発見した。
【０１７４】
動作され得る最高圧力は、粘性のガス流の開始によって定められる。
【０１７５】
少なくともいくつかの隣接するセグメント間のＤＣオフセット：好ましくは０．０５ボルト〜２ボルト。
【０１７６】
セグメントの長さ／内接半径（Ｌ／ｒ０）：１〜１０（すべてのセグメントが同じＬ／ｒ０を有する必要はない）
【０１７７】
ガス流制限セグメント以外のセグメントの内接半径  ｒ０：０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であってよい。
【０１７８】
ガス流制限セグメントの内接半径ｒ０：０．２５ｍｍ〜５ｍｍ（好ましくはその他のセグメントの内接半径の半分または半分未満であるが、他の比も可能である）
【０１７９】
前記に列挙したパラメータは相互に関連付けられ、そのため、最適値は対象とするアプリケーションに応じていくらか変化し得る。
【０１８０】
好適な値は、ガス流制限セグメント以外のセグメントではｒ０＝２．５ｍｍ、ガス流制限セクションではｒ０＝１．２５ｍｍであってよい。各セグメントでＬ／ｒ０＝４である。高圧の領域の圧力は２×１０−２ｍｂａｒ、標的セグメントの圧力は２×１０−４ｍｂａｒである。
【０１８１】
変形例
図６を参照して前述した例としてのイオントラップ６０１では、説明した質量分析器は単一のＴＯＦ型質量分析器６８０である。しかしながら、本発明は、他のタイプの質量分析器、実際、任意のタイプのＴＯＦ型分析器にも適用可能であり、特に、分解能の高い飛行時間型質量分析器に適用可能である。静電型分析器にも適用可能である。
【０１８２】
イオントラップは例えば他のタイプの質量分析器、例えば質量分離器と共に使用され得るので、質量分析装置は必須要件ではないことに注意する。
【０１８３】
また、ガス流制限セグメントが第１および第２のチャンバ内の他のセグメントと同じｒ０を有することが可能であろう。これは、例えば、すべてのセグメントをｒ０＝１．２５ｍｍで作ると共に、第１のチャンバと第２のチャンバとの間のガスコンダクタンスが、（例えば、ガス流制限セグメントを十分に長くすることによって）第１のチャンバと第２のチャンバとの間に所望の圧力差をもたらすように十分に低いことを確実にすることにより、達成され得る。このオプションは、他の理由から大きいｒ０を有するセグメントを備えたデバイスを作ることが望ましい場合に、困難となり得る。
【０１８４】
実験研究
図７は、本発明による例としての質量分析装置７００（「ＬＩＴ−ＴＯＦ」である）を示す。
【０１８５】
図６に示すものに対応する図７の特徴部は、可能な場合に同様の参照符号が付されている。
【０１８６】
実験データは図７の質量分析装置７００を用いて得た。
【０１８７】
イオン源７９０は、イオンを分割リニアイオントラップ７０１に供給する衝突セルである。すべての部分が不図示の単一の真空チャンバに収容されている。
【０１８８】
図７のプロット７５２は、軸７５０に沿った圧力分布を示す（バッファガス分子の統計データを追跡および計算するためのモンテカルロシミュレーション方法を用いて計算されるようなもの：このようなシミュレーションは周知である）。圧力は、ガス供給部によって衝突セル７９０において設定され得る。バッファガスは、衝突セル７９０から開口７５８を通ってセグメントの第１のサブセット７０２を有する第１のチャンバ内へ入り得る。
【０１８９】
ガス流制限セクション７０５の低い流体コンダクタンスにより、セグメントの第１のサブセット７０２を有する第１のチャンバとセグメントの第２のサブセット７１２を有する第２のチャンバとの間で圧力を大きく低減し得る。衝突セル７９０、開口７５８、セグメントの第１のサブセット７０２、およびコンダクタンス制限部７０５は、第１のチャンバを画定するガスタイト管（不図示であるが、図５に示す管５０６に対応する）内部に装着される。セグメントの第２のサブセット７１２は、第２のチャンバを画定する真空チャンバへと開口しており、すなわち、それによって、セグメントの第２のサブセット７１２とチャンバとの間のガスコンダクタンスが高くなり、これは、セグメントの第２のサブセット７１２内部の圧力が、セグメントの第１のサブセット７０２内部の圧力とは実質的に無関係であることを意味する。真空チャンバは、第１のチャンバおよび第２のチャンバ内部に圧力を確立するためにターボ分子ポンプおよび制御可能なガス供給部を有する。制御可能なガス供給部は、第２のチャンバで所望の圧力を得るのを容易にすることに役立ち得るが、いくつかの実施形態では省略され得る（例えば、所望の圧力が、ターボ分子ポンプを適切に設定することにより達成され得るため）。
【０１９０】
衝突セルへのガス供給部および真空チャンバ用のガス供給部の両方にアルゴンガスを使用した。図７には、イオンミラー７８２およびイオン検出器７８４も示されている。標的セグメント７０４、引き出しレンズ電極７２０、イオンミラー７８２およびイオン検出器７８４は共に、７０４内部に捕捉されたイオンの質量スペクトルを記録することができるＴＯＦ型質量分析器７８０を形成する。
【０１９１】
この実施例では、第１のチャンバは、第１のチャンバのガス圧力が開口７５８によって制御可能であるため、それ自体のガス供給部を有していないが、他の実施形態では、第１のチャンバは、それ自体のガス供給部を備えていてよい。
【０１９２】
標的セグメント７０４、引き出しレンズ電極７２０、イオンミラー７８２およびイオン検出器７８４の特性は、達成され得る質量分解能に影響し得る。しかしここでは、引き出しの際における７０４内のイオンのイオン温度に関心を持っている。
【０１９３】
実験研究１
図８は、実験研究１および２からの結果を得るのに使用される異なる動作モードで質量分析装置７００のセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧の例示と共に、図７の質量分析装置７００を示す。
【０１９４】
事前捕捉モードのＤＣ電圧、すなわち事前捕捉モードでセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧は、図８で参照符号８４０によって示されている。
【０１９５】
捕捉モードのＤＣ電圧、すなわち捕捉モードでセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧は、図８で参照符号８６０によって示されている。
【０１９６】
実験研究１では、衝突セル７５０にガスを導入しななかったが、標的セグメント７０４を収容する第２のチャンバにはガスを導入した。この動作モードは、標的イオントラップが効果的に６個のセグメントを有するＤ１の先行技術を再現したものである。
【０１９７】
標的セグメント７０４は７×１０−４ｍｂａｒの圧力に設定した（アルゴン）。
【０１９８】
実験研究１では、最初に、参照符号８６０で示すＤＣ電圧をセグメントに印加した。これらのＤＣ電圧が衝突セル７５０から現れるイオンを標的セグメント７０４に直接移動させ、その後それらのイオンを標的セグメント７０４に閉じ込めるのに使用されることが分かる。
【０１９９】
この実験では、イオンは、参照符号８６０で示すＤＣ電圧を用いて１０ｍｓの一定の時間にわたり捕捉され、参照符号８４０で示すＤＣ電圧は、セグメントに印加されて、任意のさらなるイオンがガス流制限セグメント７０５および標的セグメント７０４に入るのを阻止し、これにより、標的セグメント７０４内部のイオンが冷却された。
【０２００】
イオンが冷却され得る時間は０．５〜２０ｍｓで変化した。利用可能なイオン電流のパーセンテージとして表される強度およびピーク分解能をそれぞれ図９（ｂ）および図９（ｃ）に示す。
【０２０１】
より長い冷却時間で得られたＴＯＦスペクトルを示す図９（ａ）に示す。データは、１５ｍｓを下回る冷却時間でＴＯＦ分解能の急激な減少を示している。捕捉効率は全体にわたって低い。よって、先行技術の動作モードは、低い捕捉効率および最大６６Ｈｚ以下のスキャン速度に制限される。
【０２０２】
実験研究２
実験研究２では、衝突セル８５０に入ることのできたガスは、セグメントの第１のサブセット７０２を有する第１のチャンバに適切な圧力プロファイルを提供した。コンダクタンス制限セグメント７０５は、高圧の勾配、したがって、セグメントの第１のサブセット７０２を有する第１のチャンバと第２のチャンバの標的セグメント７０４との間に少なくとも３桁の大きさの大きい圧力差をもたらした。この実験では、追加のアルゴンガスを、標的セグメント７０４を収容する第２のチャンバに供給して、そこに２×１０−４ｍｂａｒの圧力を確立した。セグメントの第１のサブセット７０２を有する第１のチャンバの圧力は、１×１０−２ｍｂａｒの辺りであった。
【０２０３】
実験研究２では、衝突セル７５０から現れるイオンは、図８に参照符号８６０で示すＤＣ電圧を用いて標的セグメント７０４に直接移送した。「捕捉」ステップと呼ばれ得るこの時間中、参照符号８６０で示すＤＣ電圧は、イオンを標的セグメント７０４内部に捕捉するのに役立つ。したがって、参照符号８６０で示すＤＣ電圧が印加される時間は、「捕捉時間」と呼ぶことができる。
【０２０４】
イオンが標的セグメント７０４に蓄積する「捕捉」時間の後、参照符号８４０で示すＤＣ電圧が印加された。これらのＤＣ電圧は、さらなるイオンが標的セグメント７０４に入るのを防ぐのに有効であったと同時に、標的セグメント７０４内部に既に捕捉されたそれらのイオンを、ガスとの熱平衡へと進ませた。参照符号８４０で示すＤＣ電圧が印加される時間は、「冷却」時間と呼ぶことができる。最終段階は、イオンミラーに向かって直交方向におけるイオンの引き出しであった。この段階で、試料イオンの質量スペクトルを得た。
【０２０５】
実験研究２では、「捕捉」時間は０．４ｍｓであり、「冷却」時間は、０．５ｍｓ〜１５ｍｓで、小刻みに変化した。「捕捉時間」と「冷却時間」との合計は、以下では「サイクル時間」と呼ぶ。「サイクル時間」は、連続してスペクトルを取得する間の最小時間を表す。「サイクル時間」の逆数は、以下では「スキャン速度」と呼ぶ。
【０２０６】
「冷却」時間を変化させて、図１０に表すデータを得た。
【０２０７】
図１０（ａ）は、サイクル時間に対してプロットされた捕捉効率を示し、図１０（ｂ）は、サイクル時間に対する質量分解能を示す。
【０２０８】
図１０に示す実験研究２の結果は、図９に示すような実験研究１によって示す先行技術の性能と比べて、本発明の性能の向上を示す。これらの実験の分解能は、イオンが標的セグメント７０４からＴＯＦ型分析器内へ引き出されるときの標的セグメント７０４におけるイオン雲の温度の尺度である。捕捉効率の依存性は、イオンが標的セグメント７０４に入る際のイオン温度の尺度である。冷却に関する捕捉効率の依存性は、イオンが標的セグメント７０４からＴＯＦ型分析器内へ引き出されるときのイオン雲の軸方向または半径方向のサイズの尺度である。
【０２０９】
この動作モードで、イオンは、イオンガイドの高圧領域を通って移送される。
【０２１０】
標的セグメント７０４を有する第２のチャンバの圧力は、実験研究１の対応する圧力よりも３．５倍低かった。より低い圧力で動作すると、前述したような利点が得られる。同時に、捕捉効率は、２％から５０％に改善され、最小サイクル時間は１５ｍｓ（６６Ｈｚ）から５ｍｓ（２００Ｈｚ）へと減少した。これは、先行技術のデバイスと比べて大幅な改善を表す。
【０２１１】
実験研究３
実験研究３は図１１を参照して説明する。
【０２１２】
図１１は、実験研究３からの結果を得るのに使用される異なる動作モードで質量分析装置７００のセグメントにそれぞれ印加されるＤＣ電圧の例示と共に、図７の質量分析装置７００を示す。
【０２１３】
この実験研究では、衝突セル７５０から現れるイオンが最初に、図１１に参照符号１１４０で示すＤＣ電圧を用いて、セグメントの第１のサブセット７０２の事前捕捉セグメント７２６に移送される、「事前捕捉」ステップを除き、すべての条件が実験研究２と同一であった。図１１に参照符号１１４０で示すＤＣ電圧が印加される時間は、「事前捕捉」時間と呼ぶことができる。
【０２１４】
その後、図１１に参照符号１１４１で示すＤＣ電圧を印加した。ＤＣプロファイル１０２１が印加された時間は「事前冷却」時間と呼ぶことができる。
【０２１５】
次に、イオンは、図１１に参照符号１１６０で示すＤＣ電圧を印加することによって、セグメントの第１のサブセット７０２から標的セグメント７０４に移送した。参照符号１１６０で示すＤＣ電圧が印加される時間は、「捕捉」時間と呼ぶことができる。
【０２１６】
次に、参照符号１１６１で示すＤＣ電圧を印加して、標的セグメント７０４内でイオンが冷却する時間を与えた（これは、イオンが標的セグメント７０４内へ移送されている間にいくらかの運動エネルギーを得ているためである）。参照符号１１６１で示すＤＣ電圧が印加された時間は、「冷却」時間と呼ぶことができる。
【０２１７】
「冷却」時間の終わりに、イオンは、引き出し電圧の印加により、標的セグメント７０４からＴＯＦ型分析器に向けて、直交方向に引き出された。
【０２１８】
この実験では、「事前捕捉」時間は０．５ｍｓに設定され、「事前冷却」時間は２ｍｓに設定され、「捕捉」時間は２ｍｓに設定され、「冷却」時間は０．５ｍｓ〜１５ｍｓで変化した。結果として得られたデータを図１２に示す。
【０２１９】
図１２では、図１２に示すような「サイクル時間」は、「冷却時間」＋「捕捉時間」として定義されることに注意する。図１３を参照して以下で論じるように、事前捕捉ステップと事前冷却ステップが冷却ステップと同時に実行され得るので、これは、「事前捕捉時間」＋「事前冷却時間」が「冷却時間」より短いままである場合に、理論的に達成可能な最良の「サイクル時間」である。
【０２２０】
図１２（ａ）は、サイクル時間に対してプロットされた捕捉効率を示し、図１２（ｂ）は、サイクル時間に対してプロットされた質量分解能を示す。これらのデータは、事前捕捉モードで動作することにより性能を実質的に損なうことなく、サイクル時間をさらに低減することが可能であることを示す。３ｍｓのサイクル時間（３３３Ｈｚのスキャン速度）では、質量分解能は２２ｋで維持され得、捕捉効率は、３３３Ｈｚのスキャン速度で８０％の最大値から６５％への小さな減少のみを示す。
【０２２１】
図１３は、冷却ステップと同時に事前捕捉および事前冷却を実行するのに使用され得る一連の代替的ＤＣ電圧プロファイルを例示する。
【０２２２】
図１３では、参照符号１３６１で示すＤＣ電圧は、前述した「事前捕捉」ステップと「冷却」ステップとを同時に行うためのものである。
【０２２３】
図１３では、参照符号１３４１で示すＤＣ電圧は、前述した「事前冷却」ステップと「冷却」ステップとを同時に行うためのものである。
【０２２４】
図１３では、参照符号１３６０で示すＤＣ電圧は、前述した捕捉ステップを行うためのものである。参照符号１３６０で示すＤＣ電圧はまた、「事前捕捉された」イオンのみが標的セグメント内に移送するように「事前捕捉」セグメントの上流にポテンシャル障壁１３６０ａを提供することに注意する。
【０２２５】
「事前冷却」ステップ（参照符号１３４１で示すＤＣ電圧）は、いくつかの実施形態では省略され得る、すなわち、ＤＣ電圧は、参照符号１３６１で示すプロファイルから参照符号１３６０で示すプロファイルへと切り替わる。
【０２２６】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」ならびにそれらの変形は、特定の特徴部、ステップ、または整数が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴部、ステップ、または整数が存在する可能性を排除すると解釈されるものではない。
【０２２７】
必要に応じて、特定の形態で、あるいは開示された機能、または開示された結果を得るための方法もしくはプロセスを実行するための手段の観点から表された、前述した説明に、または以下の特許請求の範囲に、または添付図面に開示された特徴部は、別々に、またはそのような特徴部の任意の組み合わせで、多様な形態で本発明を実現するのに利用され得る。
【０２２８】
本発明は、前述した例示的な実施形態と共に説明してきたが、多くの等価な改変および変形例が、本開示を読めば当業者には明らかであろう。したがって、前述した本発明の例示的な実施形態は、例示的なものであり、限定するものではないと考えられる。説明した実施形態に対するさまざまな変更が、本発明の趣旨および範囲を逸脱せずに行われ得る。
【０２２９】
疑義を無くすために述べておくと、本明細書に記載するあらゆる理論上の説明は、読者の理解の改善を目的として提供したものである。発明者らは、これらの理論上の説明のいずれによっても拘束されることを望むものではない。
【０２３０】
上記で参照した参考文献はすべて、参照により本明細書に組み込まれる。
【０２３１】
添付書類−流体コンダクタンスの説明
分子流様式（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｆｌｏｗ  ｒｅｇｉｍｅ）と呼ばれる、バックグラウンドガス分子の平均自由行程がシステムの寸法ほどである（またはそれより長い）圧力様式は、荷電粒子デバイスでしばしば使用される。このような圧力で、ガス流特性は、単純な理論を用いて決定され得る。２つの隣接する圧力エリア間の圧力差は、２つの領域間の流体コンダクタンスＣの関係として定義され得る。流体コンダクタンスは、単位時間当たりの体積で、一般的にはｍ３ｓ−１またはＬｓ−１で表される２つの領域間の排気速度の尺度である。流体コンダクタンスが大きいほど、２つの体積間の流れが大きくなる。２つの体積間でより大きい圧力差を維持するために（２つの領域のうち１つへ、例えばパイプからガス源への正味のガス流がいくらかあることを前提として）、流体コンダクタンスはより小さくしなければならない。２つの体積間の圧力差を低減するために、流体コンダクタンスはより大きくし、他はすべて等しくしなければならない。したがって、より大きい圧力差を維持するために、流体コンダクタンスが低減された領域が必要である。
【０２３２】
流体コンダクタンスは、関係する流体がガスである場合、ガスコンダクタンスと呼ぶことができる。
【０２３３】
理論（「Ａ  Ｕｓｅｒｓ  Ｇｕｉｄｅ  ｔｏ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，  Ｊ．  Ｆ．  Ｏ′Ｈａｎｌｏｎ，  Ｗｉｌｅｙ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ」３２〜３４頁を参照）から、分子流様式の第１近似を目的として、プレートにおけるオリフィスのコンダクタンスＣｈｏｌｅは以下により得られることが周知である。
【数１】
2019067752.tif 000003
【０２３４】
式中、ｖはガスの平均速度であり、Ａは、穴の面積であり、ｒｈｏｌｅは、穴の半径である。したがって、プレートの開口について、コンダクタンスは、穴の面積または半径を変えることによって変化され得る。長く丸い管では、この流体コンダクタンスＣｔｕｂｅは以下となる。
【数２】
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【０２３５】
式中、ｖはガスの平均速度であり、ｄｔｕｂｅは管の直径であり、ｒｔｕｂｅは管の半径であり、ｌは管の長さである。
【０２３６】
第１近似を目的として、図３に示すガス流制限セクション３０５は、管に近づけられ得る（より良い近似が可能であるが、この近似は、動作原理を説明する目的に役立つ。読者は、所望であれば、例えば、コンピュータシミュレーションを通じて、構造のガス流特性のより正確な説明へとこの理論を拡大し得る）。ガス流制限セクション３０５のコンダクタンスをプレートの丸いオリフィスのコンダクタンスと等しくすることが望ましい場合、ＣｈｏｌｅおよびＣｔｕｂｅは、互いに等しく設定され得、基準を満たす管の（直径および長さの）形状寸法の範囲をもたらす。
【０２３７】
図３に示すガス流制限セクション３０５の長さを長くすると、より大きい直径の「管」が可能になると共に、同じコンダクタンスが維持される、すなわち電極どうしの分離が増大され得、したがって、所望の圧力差が、第１のチャンバ３０３と第２のチャンバ３２４との間で維持され得ることも、容易に分かる。流体コンダクタンスが、長さとは単に反比例し、直径の３乗に対応するため、特に大きい直径のものはすぐに実用不可能となり、それは、管の大きい直径を相殺すると共に同じガスコンダクタンスを保持するために非常に長い管が必要となるためであることに注意する。
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
2019067752.tif 000007
【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
2019067752.tif 000009
【図３（ｄ）】
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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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【図８】
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【図９（ａ）】
2019067752.tif 000016
【図９（ｂ）】
2019067752.tif 000017
【図９（ｃ）】
2019067752.tif 000018
【図１０（ａ）】
2019067752.tif 000019
【図１０（ｂ）】
2019067752.tif 000020
【図１１】
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【図１２（ａ）】
2019067752.tif 000022
【図１２（ｂ）】
2019067752.tif 000023
【図１３】
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【外国語明細書】
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