(57)【要約】５次のエネルギー当たり時間集束を提供する静電イオンミラーが開示されている。改善されたイオンミラーは、１００，０００を上回る分解パワーで１８％までのエネルギーアクセプタンスを有している。イオンミラーパラメータ（電極の形状、長さ、及び電圧）の多様なセットが開示されている。高度に等時性の場が、少なくとも３つの電極からのイオン転回領域内への改善された（１０％を上回る）電位浸透を用いて形成されている。その様なミラーの交差項空間−エネルギー飛行時間収差は、引き寄せ電位を有する電極の引き伸ばしによって、又は引き寄せ電位を有する第２の電極を追加することによって、更に改善される。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電等時性飛行時間型又はイオントラップ型分析器において、
ドリフト空間によって分離されている２つの平行で略整列している無格子イオンミラーを備えており、前記イオンミラーは、一方の横断方向に実質的に引き伸ばされて、平面対称性か又は中空円筒対称性の何れかの二次元静電場を形成しており、前記イオンミラーは、選択的に調節可能であるパラメータであって前記イオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節されているパラメータを有する１つの電極又はミラー電極を含んでいる、静電等時性飛行時間型又はイオントラップ型分析器。
【請求項２】
前記パラメータは、形状、サイズ、電位、又はそれらの組合せ、からなる群から選択されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ミラー電極の前記パラメータは、少なくとも１８％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節されている、請求項１から２の何れか１項に記載の装置。
【請求項４】
初期エネルギー当たり飛行時間の関数は少なくとも４つの極値を有している、請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記イオンミラーの前記パラメータは、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも４次のエネルギー当たり時間集束を提供するように調節されている、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記イオンミラーの前記パラメータは、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも５次のエネルギー当たり時間集束を提供するように調節されている、請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記イオンミラーの前記パラメータは、イオンミラーでの一対のイオン反射後に次の条件、即ち、何れもテイラー展開係数で表して、（ｉ）（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０及び（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０を有する空間及び色イオン集束、（ｉｉ）（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０を有する１次飛行時間集束、（ｉｉｉ）（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０を有する交差項を含む２次飛行時間集束、を更に提供するように調節されている、請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
静電等時性飛行時間型又はイオントラップ型分析器において、
ドリフト空間によって分離されている２つの平行で整列している無格子イオンミラーであって、前記イオンミラーのうちの少なくとも一方は、減速電位を有する少なくとも３つの電極を含んでおり、前記イオンミラーは、一方の横断方向に実質的に引き伸ばされて二次元静電場を形成しており、更に、前記静電場は、平面か又は中空円筒の何れかである対称性を有している、イオンミラーと、
前記ドリフト空間に比較して加速電位を有する少なくとも１つの電極と、を備えており、前記減速電位を有する少なくとも３つの電極のサイズは、選択的に調節可能であり、中間電極ウインドウ内で、光軸上の、隣り合う電極同士の間の中間領域に、それらの電位の１０分の１を上回る電位浸透を提供するように調節されており、前記静電分析器の分解パワーを改善することを目的に、前記イオンミラーの前記電極は、選択的に調節可能であるパラメータであって前記イオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節されているパラメータを有している、等時性静電飛行時間型又はイオントラップ型分析器。
【請求項９】
前記電極は等しい高さＨのウインドウを有し、（反射ミラー端から番号付けして）２番目及び３番目の電極の長さＬ２及びＬ３対Ｈの比は、０．２≦Ｌ２／Ｈ≦０．５及び０．６≦Ｌ３／Ｈ≦１であり、前記最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、１．１≦Ｖ１≦１．４；０．９５≦Ｖ２≦１．１；及び０．８≦Ｖ３≦１であり、ここにＶ１＞Ｖ２＞Ｖ３である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記２番目及び３番目の電極の長さは、隣接する電極との周辺ギャップの２分の１を含んでいる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記電極は、（ｉ）矩形ウインドウ又は厚肉リングを有する厚肉板、（ｉｉ）細い開口、（ｉｉｉ）傾いた電極又は円錐体、及び（ｉｖ）丸板又は丸リング、から成る群から選択されている、請求項８から１０の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記電極のうちの少なくとも幾つかは、直接か又は抵抗チェーンを介してかの何れかで、電気的に相互接続されている、請求項８から１１の何れか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記ミラー電極の前記パラメータは、少なくとも１８％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節されている、請求項８から１２の何れか１項に記載の装置。
【請求項１４】
初期エネルギー当たり飛行時間の関数は、少なくとも４つの極値を有している、請求項８から１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記イオンミラーの前記パラメータは、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも４次のエネルギー当たり時間集束を提供するように調節されている、請求項８から１４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記イオンミラーの前記パラメータは、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも５次のエネルギー当たり時間集束を提供するように調節されている、請求項８から１５の何れか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記イオンミラーの前記パラメータは、イオンミラーでの一対のイオン反射後に次の条件、即ち、何れもテイラー展開係数で表して、（ｉ）（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０及び（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０を有する空間及び色イオン集束、（ｉｉ）（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０を有する１次飛行時間集束、（ｉｉｉ）（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０を有する交差項を含む２次飛行時間集束、を更に提供するように調節されている、請求項８から１６の何れか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記ミラー電極の前記パラメータは、図３から図１８に示されているものである、請求項８から１７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記イオンミラーのうちの少なくとも一方のイオンミラー内の軸方向静電場は、図３から図１５に示されているイオンミラーに対応するものである、請求項８から１９の何れか１項に記載の装置。
【請求項２０】
前記電極の形状は、図３から図１８に示されているイオンミラーの等電位線に対応している、請求項８から１９の何れか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記ミラー電極は、Ｚ方向に直線状に延ばされて二次元平面状静電場を形成している、請求項８から２０の何れか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記ミラー電極のそれぞれは、２つの同軸リング電極を備え、前記リング間に円筒状の場体積を形成しており、その様な電極の電位は、図７に記載されている様に、同長さの平面状電極に比較して調節されている、請求項８から２１の何れか１項に記載の装置。
【請求項２３】
時間−空間収差を低減することを目的に、図６に示されている様に、引き寄せ電位を有する追加の電極を更に備えている、請求項８から２２の何れか１項に記載の装置。
【請求項２４】
引き寄せ電位を有する前記少なくとも１つの電極は、減速電位を有する前記少なくとも３つの電極から、前記分析器の前記減速部分の静電場と前記加速部分の静電場が分断されるように十分な長さに亘るドリフト領域の電位を有する電極によって分離されている、請求項１から１６の何れか１項に記載の装置。
【請求項２５】
等時性多重反射静電場での質量分光分析の方法において、次の段階、即ち、
イオンミラー間に無場空間によって分離されている２つの静電場の領域を形成する段階であって、前記イオンミラー場は、実質的に二次元であり、平面対称性か又は中空円筒対称性の何れかを有するように一方の方向に延ばされている、２つの静電場の領域を形成する段階と、
加速場を有する少なくとも１つの領域を形成する段階と、
少なくとも１つのイオンミラー場内に、反射端の少なくとも３つの電極を用いて減速場領域を形成する段階であって、前記３つの電極は、イオンの転回点で前記平均運動エネルギーが１０％を上回る電位浸透を提供するような減速電位を含んでいる、減速場領域を形成する段階と、
前記イオンミラー場の軸方向分布を、当該ミラー場による一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節する段階と、を備えている方法。
【請求項２６】
前記減速場を形成する段階は、イオンの転回点で前記平均運動エネルギーが１７％を上回る電位浸透を提供するような電極形状を選定する段階を備えている、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記減速場は、イオンの転回点で少なくとも２つの電極からの前記平均運動エネルギーが匹敵する浸透を提供するように調節される、請求項２５及び２６の何れか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの静電イオンミラー場の前記減速領域は、（反射ミラー端から番号付けして）２番目及び３番目の電極の長さＬ２及びＬ３対電極ウインドウ高さＨが、０．２≦Ｌ２／Ｈ≦０．５及び０．６≦Ｌ３／Ｈ≦１である電極を用いて形成される場に対応しており、ここに、前記最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、１．１≦Ｖ１≦１．４；０．９５≦Ｖ２≦１．１；及び０．８≦Ｖ３≦１であり、ここにＶ１＞Ｖ２＞Ｖ３である、請求項２５から２７の何れか１項に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのミラー場の前記構造は、少なくとも１８％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節される、請求項２５から２８の何れか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つのミラー場の前記構造は、初期エネルギー当たり飛行時間の関数が少なくとも４つの極値を有するように調節される、請求項２５から２９の何れか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのミラー場の前記構造は、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも４次のエネルギー当たり時間集束が提供されるように調節される、請求項２５から３０の何れか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのミラー場の前記構造は、何れもテイラー展開係数で表して（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０を有する少なくとも５次のエネルギー当たり時間集束を提供するように調節される、請求項５から３１の何れか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つのミラー場の前記構造は、イオンミラーでの一対のイオン反射後に次の条件、即ち、何れもテイラー展開係数で表して、（ｉ）（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０及び（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０を有する空間及び色イオン集束、（ｉｉ）（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０を有する１次飛行時間集束、（ｉｉｉ）（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０を有する交差項を含む２次飛行時間集束、を提供するように調節される、請求項２５から３３の何れか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの静電イオンミラー場又は当該場の軸方向分布は、図３から図１８に示されている電極を用いて形成されるものに対応している、請求項２５から３４に記載の方法。
【請求項３５】
飛行時間型又はイオントラップ型質量分光分析の段階を更に備えている、請求項２５から３４の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概括的には、質量分光分析、静電トラップ、及び多重反射飛行時間型質量分析計の分野に、また改善された等時性品質及びエネルギー許容差を有する静電イオンミラーを含む装置に、関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]静電分析器：静電イオンミラーは、静電イオントラップ（Ｅトラップ）、開放型静電トラップ（開放型Ｅトラップ）、及び多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ）、で採用されることがある。全３事例では、パルス化されたイオンパケットは、無電場領域によって離間されている平行な無格子静電イオンミラーの間で多重等時反射を経験する。
【０００３】
[0003]ＭＲ−ＴＯＦ：ＭＲ−ＴＯＦでは、イオンパケットは、静電分析器を通ってイオン源から検出器まで固定された飛行経路に沿って伝播し、飛行時間からイオンｍ／ｚが計算される。ここに参考文献として援用されている旧ソ連特許第１７２５２８９号は、二次元格子無し平面状イオンミラーを使用する折り返し経路ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳのスキームを紹介している。イオンは、平面状のミラー間で多重反射を経験しながら、ゆっくりと検出器に向かっていわゆるシフト方向に漂ってゆく。反射の数は、イオンパケットの空間拡散及び隣り合う反射間でのイオンパケットの重なり合いを回避するために制限されている。ここに参考文献として援用されている英国特許第２４０３０３６号及び米国特許第５０１７７８０号は、イオンパケットをジグザグの主軌道に沿って閉じ込める、平面二次元ＭＲ−ＴＯＦ内の周期レンズのセットを開示ししている。当該スキームは、固定されたイオン経路を提供し、何十ものイオン反射を使えるようにしている。
【０００４】
[0004]ここに参考文献として援用されている同時係属出願Ｐ１２９４２９（Ｅトラップ）、同Ｐ１２９９９２（開放型Ｅトラップ）、同Ｐ１３０６５３（ＭＲ−ＴＯＦ）、及び仮出願第６１／５４１，７１０号（円筒状分析器）には、円筒状の場体積を有する同軸リングのセット２つによって形成される中空円筒状分析器が開示されている。当該分析器は、コンパクトな分析器サイズにとって効果的なイオン軌道の折り返しを提供している。
【０００５】
[0005]Ｅトラップ：Ｅトラップでは、イオンは無限に閉じ込められよう。ここに参考文献として援用されている米国特許第６０１３９１３Ａ号、米国特許第５８８０４６６号、及び米国特許第６７４４０４２号に提言されている様に、イオン振動の周波数を感知するのに像電流検出器が採用されている。その様なシステムは、フーリエ変換Ｅトラップと呼称されている。Ｅトラップの空間電荷容量を改善するのに、ここに参考文献として援用されている同時係属出願Ｐ１２９４２９は、平面対称性及び中空円筒対称性の二次元場を採用する延ばされたＥトラップを記載している。
【０００６】
[0006]ＴＯＦ検出器を有するＥトラップＭＳは、ＭＲ−ＴＯＦとＥトラップ双方の特徴と類似点がある。イオンは、閉じ込め静電場の中へ注入され、同じイオン経路に沿って反復振動を経験するものであり、よって、当該技法はＩ経路Ｅトラップと呼ばれている。イオンパケットは、大きなサイクル数に相当する或る一定の遅延の後、ＴＯＦ検出器上へパルス噴射される。ここに参考文献として援用されている英国特許第２０８００２１号の図５及び米国特許第５０１７７８０号では、イオンパケットは同軸格子無しミラーの間で反射されている。
【０００７】
[0007]ここに参考文献として援用されている同時係属出願Ｐ１２９９９２は、開放型Ｅトラップを記載しており、そこでは、イオンは分析器を通って伝播するが飛行経路は固定ではない―イオンが検出器に到達するまでに或るスパン内の整数の振動数を保有する。
【０００８】
[0008]格子無しイオンミラー：ＴＯＦ  ＭＳの分解能を上げるために、ここに参考文献として援用されている米国特許第４０７２８６２号は、２次のエネルギー当たり時間集束（time per energy focusing）を提供する、格子で覆われた二段階イオンミラーを開示している。イオン損失を防ぐように多重反射は無格子イオンミラー内で賄われている。ここに参考文献として援用されている米国特許第４７３１５３２号は、空間イオン集束を増進するようにより強力な場をミラー入口に配置させた純粋に減速性の場を備えたイオンミラーを開示している。開示されている様に、ミラーは、２次のエネルギー当たり時間集束Ｔ｜ＫＫ＝０か又は２次の時間−空間集束（time-spatial focusing）Ｔ｜ＹＹ＝０のどちらかに到達可能であるが、両方の条件に同時に到達するのは無理である。ここに参考文献として援用されている旧ソ連特許第１７２５２８９号は、類似のイオンミラーを採用している。また、ここに参考文献として援用されている独国特許第１０１１６５３６号は、ミラー入口に引き寄せ電位を有し、エネルギー当たり時間集束を改善させる格子無しイオンミラーを提案した。ここに参考文献として援用されているポモゾフらによる論文、Pomozov et al JTP (Russian), 2012, V. 82, # 4は、同軸対称にあるその様なミラーでの３次エネルギー集束到達を論証している。ここに参考文献として援用されているＭ．ヤボルらによる論文、M. Yavor et al., Physics Procedia, v.1 N1, (2008) 391-400は、平面状ミラーについての幾何学的配置及び電位の詳細事項を提供しており、空間集束(spatial focusing)、３次のエネルギー当たり時間集束、及び２次交差項の補償を有する２次の時間−空間集束、に同時に到達することを論証している。但し、１００，０００を上回る分解パワーを持続するには、エネルギー許容差は約７％に制限される。これは、パルス化イオン源の電場の最大強度を、ひいては、いわゆるターンアラウンド時間を補償する能力を制限することになる。結果として、ＭＲ−ＴＯＦ分析器の飛行経路及び飛行時間はより長くならざるを得ず、翻ってはＭＲ−ＴＯＦのデューティサイクルが制限されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】旧ソ連特許第１７２５２８９号
【特許文献２】英国特許第２４０３０３６号
【特許文献３】米国特許第５０１７７８０号
【特許文献４】出願Ｐ１２９４２９
【特許文献５】出願Ｐ１２９９９２
【特許文献６】出願Ｐ１３０６５３
【特許文献７】米国仮出願第６１／５４１，７１０号
【特許文献８】米国特許第６０１３９１３Ａ号
【特許文献９】米国特許第５８８０４６６号
【特許文献１０】米国特許第６７４４０４２号
【特許文献１１】英国特許第２０８００２１号
【特許文献１２】米国特許第４０７２８６２号
【特許文献１３】米国特許第４７３１５３２号
【特許文献１４】独国特許第１０１１６５３６号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Pomozov et al JTP (Russian), 2012, V. 82, # 4
【非特許文献２】M. Yavor et al., Physics Procedia, v.1 N1, (2008) 391-400
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[0009]而して、先行技術のイオンミラーは、３次のエネルギー当たり時間集束にしか到達しない。よって、イオンミラーの収差係数、等時性、及びエネルギー許容差の改善の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0010]発明者らは、無格子イオンミラーによるより高次のエネルギー当たり時間集束は、減速場領域のより滑らかな場分布、ひいては周辺電極の静電電位のイオン転回点近傍への十分な―少なくとも１０分の１の―浸透を含んでいる場分布からもたらされるということに気付いた。その様な判断基準を設定し、シミュレーションを重ねることにより、発明者らは、明確に区別できる減速電位を有する少なくとも３つの電極と加速電位を有する少なくとも１つの電極（ドリフト領域の電極を勘定に入れない）の組合せを使用することによって、及び電極のサイズと電位の間の特定の関係を満たすことによって、イオンミラーのエネルギー許容差を、１００，０００を上回る分解パワーで少なくとも１８％まで（先行技術によるミラーでの８％と比較）増加させることができ、エネルギー当たり時間集束を、４次又はそれよりなお高次の補償へ持ってゆけることを見いだした。
【００１３】
[0011]５次のエネルギー当たり時間集束を有するその様な高品質イオンミラーの幾つかの具体的な例が提供されている。パラメータの殆どは変動し得るが、但し他のパラメータを調節することが生じるであろう。多数のグラフは、幾つかの幾何学的サイズ及び電極電位の連関変動を示している。５次のエネルギー当たり時間集束を提供するイオンミラーパラメータの厳密な組合せに達する数値的戦略も記載されている。その様な戦略は、個々のパラメータを変えること、電極形状をゆがめること、電極内ギャップを変更すること、及び追加の電極を導入すること、を行わせながら、５次のエネルギー当たり時間集束を提供するパラメータに達することができるようにする。
【００１４】
[0012]発明者らは、更に、等しい電極ウインドウ高さＨを有するイオンミラーでは、上述のイオン転回点近傍の場浸透を提供するためには、２番目及び３番目の減速電極のＸ長さＬ２及びＬ３対Ｈの比は、０．２≦Ｌ２／Ｈ≦０．５及び０．６≦Ｌ３／Ｈ≦１に制限されなくてはならず、最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３で、１．１≦Ｖ１≦１．４；０．９５≦Ｖ２≦１．１；及び０．８≦Ｖ３≦１として制限されなくてはならない、ということに気付いた。
【００１５】
[0013]発明者らは、更に、高い等時性は、静電場の滑らかな分布を提供するのに十分な、少なくとも３つの電極からの静電場の浸透に、電位、電場、及びそれらのより高い導関数の単調な振る舞いの伴った結果であることに気付いた。これは、より高次の等時性を目指すための一条件（単独では十分ではない）であるように思える。
【００１６】
[0014]発明者らは、更に、イオンミラーの角度アクセプタンス及び空間アクセプタンスは、引き寄せ電極の長さを変えることによって、又は第２の引き寄せ電極を追加することによって、最適化され得ることに気付いた。発明者らは、更に、５次のエネルギー当たり時間集束は、中空円筒状イオンミラーについては、平面状イオンミラーに対する電位の微調節を用いて得られることに気付いた。
【００１７】
[0015]或る実施形態では、等時性静電飛行時間型又はイオントラップ型分析器において、
（ａ）ドリフト空間によって分離されている２つの平行で整列した無格子イオンミラーであって、イオンミラーは、一方の横断方向に実質的に引き伸ばされて二次元静電場を形成しており、静電場は平面対称であるか又は中空円筒対称性であり、当該イオンミラーのうちの一方は減速電位を有する少なくとも３つの電極を有している、無格子イオンミラーと、
（ｂ）ドリフト空間に比較して加速電位を有する少なくとも１つの電極と、を備えており、
（ｄ）当該の減速電位を有する少なくとも３つの電極のサイズは、中間電極ウインドウ内で、光軸上の、隣り合う電極同士の間の中間領域に、それらの電位の１０分の１を上回る電位浸透を提供するように調節されており、
（ｅ）当該静電分析器の分解パワーを改善することを目的に、イオンミラーの電極の形状、サイズ、及び電位（総称的にパラメータ）は、選択的に調節可能であり、イオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節されている、等時性静電飛行時間型又はイオントラップ型分析器が提供されている。
【００１８】
[0016]或る実施形では、電極は等しい高さＨのウインドウを有し、（反射ミラー端から番号付けして）２番目及び３番目の電極の長さＬ２及びＬ３対Ｈの比は、０．２≦Ｌ２／Ｈ≦０．５及び０．６≦Ｌ３／Ｈ≦１であり、最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３で、１．１≦Ｖ１≦１．４；０．９５≦Ｖ２≦１．１；及び０．８≦Ｖ３≦１であってもよい。或る実施形態では、２番目及び３番目の電極の長さは、隣接する電極との周辺ギャップの２分の１を含んでいてもよい。加えて、電極は、（ｉ）矩形ウインドウ又は厚肉リングを有する厚肉板、（ｉｉ）細い開口、（ｉｉｉ）傾いた電極又は円錐体、及び（ｉｖ）丸板又は丸リング、の群のうちの１つを備えていてもよい。或る実施形態では、電極のうちの少なくとも幾つかは、直接か又は抵抗チェーンを介してかの何れかで、電気的に相互接続されていてもよい。また、或る実施形態では、ミラー電極のパラメータは、少なくとも１８％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように適合されていてもよい。或る実施形では、初期エネルギー当たり飛行時間の関数は、少なくとも４つの極値を有していてもよい。
【００１９】
[0017]或る実施形態では、当該イオンミラーのパラメータは、（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０を、或いは更に（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０を、有する少なくとも４次のエネルギー当たり時間集束を提供するように適合されていてもよい。また、当該イオンミラーのパラメータは、イオンミラーの一対のイオン反射後に次の条件、即ち、何れもテイラー展開係数で表して、（ｉ）（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０及び（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０を有する空間及び色イオン集束(spatial and chromatic ion focusing)、（ｉｉ）（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０を有する１次飛行時間集束(time-of-flight focusing)、（ｉｉｉ）（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０を有する交差項を含む２次飛行時間集束、を提供するように適合されていてもよい。
【００２０】
[0018]或る実施形では、ミラー電極のパラメータは、図３から図１８に示されているものであってもよい。ここに記載されている様に、当該イオンミラー内の軸方向静電場は、図３から図１５に示されているイオンミラーに対応するものであってもよい。加えて、電極の形状は、図３から図１８に示されているイオンミラーの等電位線に対応していてもよい。或る実施形態では、ミラー電極は、Ｚ方向に直線状に延ばされて二次元平面状静電場を形成していてもよい。描かれている様に、当該ミラー電極のそれぞれは、２つの同軸リング電極を備え、当該リング間に円筒状の場体積を形成しており、その様な電極の電位は、図７に描かれている様に、同長さの平面状電極に比較して調節されている。時間−空間収差を低減するため、装置は、更に、図６に示されている様に、引き寄せ電位を有する追加の電極を備えていてもよい。或る実施形では、引き寄せ電位を有する少なくとも１つの電極は、減速電位を有する前記少なくとも３つの電極から、分析器の減速部分の電場と加速部分の電場が分断されるように十分な長さに亘るドリフト領域の電位を有する電極によって分離されていてもよい。
【００２１】
[0019]或る実施形態では、等時性多重反射静電場での質量分光分析の方法において、次の段階、即ち、
（ａ）イオンミラー間に無場空間によって分離されている２つの静電場の領域を形成する段階であって、イオンミラー場は、実質的に二次元であり、平面対称性か又は中空円筒対称性の何れかを有するように一方の方向に延ばされている、２つの静電場の領域を形成する段階と、
（ｂ）加速場を有する少なくとも１つの領域を形成する段階と、
（ｃ）少なくとも１つのイオンミラー場内に、反射端の少なくとも３つの電極を用いて減速場領域を形成する段階と、
（ｄ）反射端の少なくとも３つの電極を有する減速場領域を形成する段階であって、３つの電極は、イオンの転回点で、平均運動エネルギーが１０％を上回る電位浸透を提供するような減速電位を含んでいる、減速場領域を形成する段階と、
（ｅ）イオンミラー場の軸方向分布を、当該ミラー場による一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように調節する段階と、を備えている方法が提供されている。
【００２２】
[0020]或る実施形では、減速場を形成する段階は、イオンの転回点で、平均運動エネルギーが１７％を上回る電位浸透を提供するような電極形状を選定する段階を備えていてもよい。或る実施形では、減速場は、イオンの転回点で、少なくとも・・・からの匹敵する電位浸透を提供する平均運動エネルギーを用いて、少なくとも２つの電極から匹敵する電位浸透を提供するように調節されてもよい。
【００２３】
[0021]或る実施形態では、当該少なくとも１つの静電イオンミラー場の減速領域は、（反射ミラー端から番号付けして）２番目及び３番目の電極の長さＬ２及びＬ３対電極ウインドウ高さＨが、０．２≦Ｌ２／Ｈ≦０．５及び０．６≦Ｌ３／Ｈ≦１である電極を用いて形成される場に対応していてもよく、ここに、最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３で、１．１≦Ｖ１≦１．４；０．９５≦Ｖ２≦１．１；及び０．８≦Ｖ３≦１である。或る実施形では、少なくとも１つのミラー場の構造は、少なくとも１８％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間変動を提供するように適合されていてもよい。加えて、少なくとも１つのミラー場の構造は、初期エネルギー当たり飛行時間の関数が少なくとも４つの極値を有するように適合されていてもよい。
【００２４】
[0022]少なくとも１つのミラー場の構造は、イオンミラーでの一対のイオン反射後に、（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０を、或いは更に（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０を、有する少なくとも４次のエネルギー当たり時間集束を提供するように、又は更に、次の条件、即ち、何れもテイラー展開係数で表して、（ｉ）（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０及び（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０を有する空間及び色イオン集束、（ｉｉ）（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０を有する１次飛行時間集束、（ｉｉｉ）（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０を有する交差項を含む２次飛行時間集束、を提供するように適合されていてもよい。
【００２５】
[0023]或る実施形態では、少なくとも１つの静電イオンミラー場又は場の軸方向分布は、図３から図１８に示されている電極を用いて形成されるものに対応していてもよい。加えて、方法は、更に、飛行時間型又はイオントラップ型質量分光分析の段階を備えていてもよい。
【００２６】
[0024]これより、本発明の様々な実施形態を、例示のみを目的に与えられている配列と併せて、単に一例として、添付図面を参照しながら説明してゆく。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】[0025]先行技術による、３次のエネルギー当たり時間集束を有する無格子イオンミラーを備えたＴＯＦ  ＭＳ分析器を提示している図１全体の中で、電極幾何学的配置及び電極パラメータの図を示している。
【図１Ｂ】[0025]収差係数及び大きさの表を示している。
【図１Ｃ】[0025]補償される収差係数の一覧を示している。
【図１Ｄ】[0025]正規化されたエネルギー当たり飛行時間のグラフを示している。
【図１Ｅ】[0025]等電位線及び一例としての軌道の図を示している。
【図１Ｆ】[0025]電位及び場強度の軸方向分布を示している。
【図２】[0026]図１の先行技術によるイオンミラーについて、個々の電極の入力を正規化された軸方向電位分布にしたプロット及びその導関数を示している。
【図３Ａ】[0027]本発明の５次のエネルギー当たり時間集束を有する静電多重反射型分析器の或る実施形態を表している図３全体の中で、電極幾何学的配置及び電極パラメータの図を示している。
【図３Ｂ】[0027]収差係数及び大きさの表を示している。
【図３Ｃ】[0027]補償される収差係数の一覧を示している。
【図３Ｄ】[0027]正規化されたエネルギー当たり飛行時間のグラフを示している。
【図３Ｅ】[0027]等電位線及び一例としての軌道の図を示している。
【図３Ｆ】[0027]電位及び場強度の軸方向分布を示している。
【図４Ａ】[0028]図３のイオンミラーについて、個々の電極の入力を正規化された軸方向電位分布にしたプロット及びその導関数を示している。
【図４Ｂ】[0028]図３のイオンミラーについて、個々の電極の入力を正規化された軸方向電位分布にしたプロット及びその導関数を示している。
【図５Ａ】[0029]電極内ギャップを増加させたイオンミラーの実施形態を提示している。
【図５Ｂ】[0029]パラメータ及び収差係数をギャップサイズに対して比較している。
【図６Ａ】[0030]６つの電極を有するイオンミラーの実施形態を提示している。
【図６Ｂ】[0030]５つの電極を有するイオンミラーと６つの電極を有するイオンミラーについて収差係数を比較している。
【図７】[0031]５次のエネルギー当たり時間集束を有する、平面状イオンミラーと中空円筒状イオンミラーを比較している。
【図８Ａ】[0032]図３のイオンミラー（５電極）について、分解パワーを１００，０００より上に維持するための電極電位の変動の範囲を示している。
【図８Ｂ】[0032]図３のイオンミラー（５電極）について、分解パワーを１００，０００より上に維持するための電極電位の変動の範囲を示している。
【図８Ｃ】[0032]図３のイオンミラー（５電極）について、分解パワーを１００，０００より上に維持するための電極電位の変動の範囲を示している。
【図９Ａ】[0033]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、４番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図９Ｂ】[0033]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、４番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図９Ｃ】[0033]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、４番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図９Ｄ】[0033]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、４番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図９Ｅ】[0033]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、４番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１０Ａ】[0034]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、５番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１０Ｂ】[0034]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、５番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１０Ｃ】[0034]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、５番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１０Ｄ】[0034]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、５番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１０Ｅ】[0034]図３のイオンミラー（５電極ミラー）について、５番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１１Ａ】[0035]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、１番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１１Ｂ】[0035]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、１番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１１Ｃ】[0035]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、１番目の電極の長さを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１２Ａ】[0036]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、４番目の電極の長さＬ４／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１２Ｂ】[0036]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、４番目の電極の長さＬ４／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１２Ｃ】[0036]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、４番目の電極の長さＬ４／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１３Ａ】[0037]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、５番目の電極の長さＬ５／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１３Ｂ】[0037]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、５番目の電極の長さＬ５／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１３Ｃ】[0037]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、５番目の電極の長さＬ５／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１４Ａ】[0038]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、Ｌｃｃ／Ｈ（分析器高さ当たり相対分析器長さ）を強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１４Ｂ】[0038]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、Ｌｃｃ／Ｈ（分析器高さ当たり相対分析器長さ）を強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１４Ｃ】[0038]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、Ｌｃｃ／Ｈ（分析器高さ当たり相対分析器長さ）を強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１５】[0039]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、Ｌ５／Ｈ及びＬ６／Ｈを強制的に変えた場合のイオンミラーパラメータの変動を示している。
【図１６】[0040]図６のイオンミラー（６電極ミラー）について、以上に提示されているＬ１／Ｈ、Ｌ４／Ｈ、及びＬ５／Ｈを強制的に変えた場合に対する分解能のプロットを示している。
【図１７】[0041]図３から図１５のイオンミラーパラメータのパラメータ類をまとめた表を提示している。
【図１８】[0042]図３から図１７のイオンミラーについて、連関させた場浸透度のプロットを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
[0043]定義及び表記法
[0044]考察されている等時性静電分析器はどれも、ＸＹ平面内の二次元静電場によって特徴付けられ、Ｘは時間分離軸に、例えばイオンミラーによるイオン反射の方向に、対応し、Ｙは二次元静電場の第２の方向に対応し、Ｚは直交ドリフト方向に、即ち実質的にイオンミラー電極の延びている方向に、対応しており、Ｙ及びＺは横断方向とも呼称されており、Ａ―ＸＺ平面内のＸ軸に対しての傾斜角、Ｂ―ＸＹ平面内のＹ軸に対しての仰角、である。定義は、考察されている静電分析器の事例、即ち、１つ目はＺ軸方向に延ばされた板で構成されていて平面状二次元場を形成するものであり、２つ目は同軸リングのセット２つで構成されていて円筒対称性の二次元場に係る円筒状場ギャップを形成するものである、それら事例の両方を表す。
【００２９】
[0045]イオンパケットは、平均エネルギーＫ及びＸ方向のエネルギー広がりΔＫ；Ｙ及びＺ方向の角度発散ΔＡ及びΔＢ；Ｙ及びＺ方向の空間−角度発散ＤＹ＝ΔＹ＊ΔＢ及びＤＺ＝ΔＺ＊ΔＡ；及びΦ＝ΔＹ＊ΔＢ*ΔＺ＊ΔＡ*Ｋ―イオンパケットの位相−空間体積、によって特徴付けることができる。イオン源で生成されるイオンパケットの位相−空間体積Φは「エミッタンス」と呼ばれる。イオンパケットの位相−空間は、多重反射型分析器の静電場内では保存される。分析器を通過させることのできる最大位相空間は、分析器アクセプタンスと呼ばれる。
【００３０】
[0046]ＴＯＦ分析器の分解パワーはＲ＝Ｔ０／２ΔＴであり、ここに、Ｔ０は平均飛行時間及びΔＴは検出器上のイオンパケットの時間広がりである。分析器のエネルギー許容差（ΔＫ／Ｋ）ＭＡＸは、ここでは１００，０００である目標分解パワー取得を可能にする相対エネルギー広がりとして定義されている。ゼロ収差の理想的な静電分析器においてさえ、分解パワーはイオンパケットの初期時間−エネルギー広がりΔＫ*ΔＴ０によって制限され、ここに、ΔＫはＸ方向のエネルギー広がり、ΔＴ０はイオン源からの時間広がりである。時間−エネルギー広がりは、ＤＸ＝ΔＶ＊ΔＸに比例し、パルス加速源内では加速場の強度Ｅに対して保存される。初期時間広がりは主としてＸ方向の速度広がりΔＶによって定義され、ΔＴ０＝ΔＶｍ／Ｅｑ（ターンアラウンド時間）、エネルギー広がりΔＫ＝ΔＸ＊Ｅは主として初期空間広がりΔＸによって定義される。
【００３１】
[0047]イオンパケットエミッタンスに依存して、ＭＲ−ＴＯＦ分析器は検出器上に空間的及び時間的な広がり（収差）を引き起こす。高分解パワーを有する分析器は、相対的に小さい収差を有しているべきであり、テイラー展開により収差係数（＊｜＊）を用いて表せば、例えば、Ｔ（Ｘ，Ｙ，Ａ，Ｂ，Ｋ）＝Ｔ０＋（Ｔ｜Ｙ）＊Ｙ＋（Ｔ｜Ｂ）＊Ｂ＋（Ｔ｜Ｋ）*Ｋ＋（Ｔ｜ＹＹ）＊Ｙ２＋（Ｔ｜ＹＢ）＊Ｙ＊Ｂ＋（Ｔ｜ＢＢ）*Ｂ２＋（Ｔ｜ＹＫ）＊ＹＫ＋（Ｔ｜ＢＫ）＊ＢＫ＋（Ｔ｜ＫＫ）*Ｋ２．．．となる。
【００３２】
[0048]時間広がりの正確な計算は、イオンパケットの厳密な初期位相−空間分布及びピーク形状の計算を勘定に入れなくてはならないが、検出器上の時間広がりΔＴの推定値は、個々の分散を合計すること、即ち、
ΔＴ２＝［（Ｔ｜Ｙ）＊ΔＹ］２＋［（Ｔ｜Ｂ）＊ΔＢ］２＋［（Ｔ｜Ｋ）＊Ｋ］２＋．．．によってもたらされる。より高次の収差係数の補償は、イオン光学スキームのメリットであり、所望の分解パワーレベルにおける分析器のアクセプタンスとエネルギー許容差を改善する。
【００３３】
[0049]イオンミラーの電極の長さＬｉ、キャップ間距離Ｌｃｃ、及び電極内ギャップＨｉは、電極ウインドウ高さＨに対して正規化されており―Ｌｉ／Ｈ、Ｇｉ／Ｈ、及びＬｃｃ／Ｈ、電極電圧Ｕｉは、イオン電荷当たり平均運動エネルギーに対して正規化されている、Ｖｉ＝Ｕｉ／（Ｋ／ｑ）。
【００３４】
[0050]先行技術
[0051]図１Ａを参照して、例示としての先行技術による多重反射型分析器１１は、ドリフト空間１３によって分離されている２つの同一の平面状イオンミラー１２を有していることを示している。分析器は、３次のエネルギー当たり時間集束を提供している。それぞれのミラーが４つの電極（４電極）を備えている。電極は、Ｙ方向の等しい高さＨを有するウインドウと、Ｘ方向の等しい長さＬ１からＬ４と、Ｘ方向の電極間の等しく極微小のギャップＧと、を有しており、Ｌ／Ｈ＝０．９１６７、Ｇ／Ｈ＜＜１とされている。先行技術では、ギャップは、分析器性能を落とすこと無しに０．１＊Ｈまで増加させられることが実証されている。イオンミラーの各寸法及び電極の正規化された電位Ｖ１からＶ４（ひとまとめにミラーパラメータ）は図１Ａに示されている。特定の実例では、Ｈ＝３０ｍｍ、Ｌｉ＝２７．５ｍｍ、及びＬｃｃ＝６１０ｍｍ、そしてＫ／ｑ＝４５００Ｖである。３行目の電位は、最初の３つのエネルギー当たり時間の収差係数の厳密な補償Ｔ｜Ｋ＝Ｔ｜ＫＫ＝Ｔ｜ＫＫＫ＝０に対応している。イオン源を接地する便宜上、通常、分析器全体は浮動であり、よって、ドリフト領域は加速電位にあることに留意されたし。その様な事例では、Ｖ値は−１だけ低くなる。
【００３５】
[0052]
【００３６】
【表１】
2014532964.tif 000003
【００３７】
[0053]図１Ｂを参照して、分析器は、次の無視できないほどの（１０−６を上回る大きさを有する）収差係数を有しており、これは表１にも示されている。大きさは、Ｙ／Ｈ＝０．０５（ウィドウ高さＨ＝３０ｍｍでのイオンビームの半高さ（half height）Ｙ＝１．５ｍｍ）、半角（half angle）Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がり（relative half energy spread）ΔＫ／Ｋ＝６％で、キャップ間距離Ｌｃｃ／Ｈ＝２０．３２について、飛行時間偏差ΔＴを平均飛行時間Ｔ０に対し正規化して表されている。
【００３８】
[0054]図１Ｃを参照して、表１から分かる様に、先行技術によるミラーは、１対のミラー反射後の以下の集束特性、即ち、
−空間及び色集束：
（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０；
（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０；
−１次飛行時間集束
（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０；
−交差項を含む２次飛行時間集束
（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０；
−及び、３次エネルギー当たり時間集束
（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝０、をもたらす。
【００３９】
[0055]より高次のエネルギー当たり時間収差係数は、（Ｔ｜ＫＫＫＫ）／Ｔ０＝１１．４３８；（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）／Ｔ０＝８．４５２；（Ｔ｜ＫＫＫＫＫＫ）／Ｔ０＝−１１４．６７１である。それらは、飛行時間広がりの顕著な大きさに関与しており、４％より上の半エネルギー広がりでＴＯＦピークに長いテールを発生させ得る。
【００４０】
[0056]図１Ｄを参照して、図１Ａの分析器についてのエネルギー当たり飛行時間のグラフは、４次多項式の特徴的な形状を有している。（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝０では、曲線は破線曲線で示されている。飛行時間変動は、６％までの全エネルギー広がり（full energy spread）について０．００５％内（Ｒ＝１００，０００）に留まっている。（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝０及び（Ｔ｜ＫＫ）／Ｔ０＝−０．０１４２で点線曲線によって示されている小さい２次の導関数が現れるようにミラー電圧を調整することによって、より幅の広いエネルギー許容差を実現することができる。すると、エネルギーアクセプタンスは、Ｒ＝１００，０００で８％の全エネルギー広がりまで向上する。エネルギー集束の範囲は、なお、イオン源の短いイオンパケットを形成する能力を制限しており、特に、いわゆるターンアラウンド時間を縮める能力を制限している。
【００４１】
[0057]図１Ｅを参照すると、等しい電位の線、更には代表例としてのイオン軌道、が示されている。電極は、等電位線の形状が湾曲しているが、なお同じ場分布を温存している。代表例としての軌道は、空間集束の型式を示しており―軸に平行に軸から外れ始めたイオンはミラー軸で反射され、或る角度で中心点に戻っている。ミラー反射の後、軌道はゼロ度で垂直方向Ｙ変位の同じ振幅に戻っている。非線形効果のために、垂直方向の閉じ込めは、無限数の反射について再現可能であり続ける。
【００４２】
[0058]図１Ｆを参照して、正規化された電位及び場強度について軸方向分布が示されている。場は２つの明白な領域―（ａ）空間イオン集束と無場領域中のエネルギー当たり時間導関数の縮小とに関与するレンズ領域、及び（ｂ）漸進的可変場を有する反射領域と、を有しており、場導関数は反射器のエネルギー当たり時間導関数に連関している。
【００４３】
[0059]我々は、先行技術によるイオンミラーは、隣接する電極からの静電場の十分な浸透を有していないと主張するものである。これは、ひいては、より高次の飛行時間収差を補正するように反射領域に適正な場を形成する能力を制限する。場を検討するにあたり、イオンミラー場についての解析式を使用して場構造を解析してみよう。
【００４４】
[0060]場の解析
[0061]キャップと等しい電極高さＨを有し極微小の電極内ギャップを備えるイオンミラーでの静電電位の軸方向分布は、
【００４５】
【数１】
2014532964.tif 000004
【００４６】
として計算できる。
[0062]ここに、Ｖ（ｘ）はｑ／Ｋに対し正規化された電位の軸方向分布であり、
Ｖｉはキャップ電極から数えてｉ番目の電極のｑ／Ｋ電位に対して正規化された電位であり、ｘはキャップ電極から測定された座標であって、ａｉ及びｂｉはｉ番目の電極の左縁及び右縁のＸ座標であり、Ｈは電極ウインドウの高さである。解析分布は、更に、正規化（対ｘ／Ｈ）された電場強度Ｅ＝Ｖ｜Ｘを、少なくとも４次の導関数、Ｖ｜ｘｘ、Ｖ｜ｘｘｘ、及びＶ｜ｘｘｘｘまで、シミュレーションできるようにしている。１つを除き全てのＶｉをゼロに設定することによって、個々の電極により誘導される静電場を計算することが、また同様にこの場の導関数を計算することが、可能になることに留意されたし。
【００４７】
[0063]図２を参照すると、図１Ａの先行技術によるイオンミラーについて、Ｖｉ及びＶｓｕｍと呼ばれる総Ｖ（ｘ）の軸方向分布２１から２５、同様にそれらの４次Ｖｉ｜ｘｘｘｘまでの導関数、が示されている。平均運動エネルギーＫを有するイオンの反射に対応するＶｓｕｍ＝１のイオン転回点は、２番目の電極内、Ｘ／Ｈ＝１．１２に在ることが分かる。右下のグラフ２６は、電極からの場浸透の程度を示しており、それぞれの曲線は、１つＶｊ＝１を除く全Ｖｉ＝０に対応している。反射点Ｘ＝ＸＴ＝１．１２＊Ｈの近傍の場は、主に、Ｖ１（ＸＴ）／Ｖ１＝０．２９４及びＶ２（ＸＴ）／Ｖ２＝０．６３を有する１番目及び２番目の電極によって影響され得る。他の電極は非常に弱い場浸透、即ち、Ｖ３（ＸＴ）／Ｖ３＝０．０６７及びＶ４（ＸＴ）／Ｖ４＝０．００４、を有している。場調節の融通性が限られているため、より高次の導関数Ｖ｜ＫＫ、Ｖ｜ＫＫＫ、及びＶ｜ＫＫＫＫは、非単調的な振る舞いを有し、それは、より高次の飛行時間収差Ｔ｜ＫＫＫＫ及びＴ｜ＫＫＫＫＫを、また同様に高次クロス収差を、引き起こすことによって静電分析器の性能に影響を及ぼすものと予想される。
【００４８】
[0064]改善戦略
[0065]イオンミラーの反射区間における静電場のより高次の空間導関数を平滑化するために、我々は、より薄い電極を使用して、反射点近傍でのそれらの静電場の浸透を増加させることを提案する。我々は、少なくとも０．２の電位浸透度を有する少なくとも４つの電極を使用することを提案するものであり、場軸での反射電位が内側の電極のうちの１つ内に納まるようにしている。その様な場の厳密な組合せを探し求める中、イオンミラーのエネルギー許容差を改善するために、我々は、反射領域により密な電極構成を用いる広範な部類のイオンミラー幾何学的配置を探求した。結果として、我々は、イオンミラーの新規性のある部類を形成し、同時に（ａ）空間集束特性、（ｂ）２次飛行時間集束、及び（ｃ）テイラー展開の４次及び５次係数の補償を有するより高次のエネルギー当たり時間集束、の組合せを提供する複数の実例を見つけた。
【００４９】
[0066]探索戦略は以下の段階を含んだ。
１．同じ垂直方向ウインドウＨを有し隣り合う電極間のギャップがゼロのイオンミラーを仮定する段階。上記に係り、その様なミラーの静電場は、等角写像理論に基づき導き出された精密な解析式［数１］を用い、ミラーキャップの周りのミラー幾何学的配置の対称反射を仮定して、計算することができる。
【００５０】
２．減速電位を有する少なくとも３つの電極と、加速電位を有する１つの電極を設定する段階であって、減速電極は随意的にゼロ電位電極及びゼロ電位を有する自由飛行電極によって加速電極から分離される。
【００５１】
３．幾つかの関係、具体的には、０．２＜Ｌ２／Ｈ＜０．５、０．６＜Ｌ３／Ｈ＜１、Ｖ１＞Ｖｔ、Ｖ２＞Ｖｔ、及びＶ３＜Ｖｔ、を強制し、他のパラメータを調節させる段階。
【００５２】
４．同一イオンミラー間の一対の反射について中心イオン経路に沿って係数を積分することによって収差係数を計算する段階。
５．収差係数の組合せについて目標判定基準を設定する段階（一例として、その様な判定基準は次の様に表されてもよく、即ち、１０（（Ｙ｜Ｙ）＋１）２＋０．０１（Ｔ｜ＢＢ）２＋（Ｔ｜Ｄ）２＋０．１（Ｔ｜ＤＤ）２＋０．０１（Ｔ｜ＤＤＤ）２＋０．００１（Ｔ｜ＤＤＤＤ）２＋０．０００１（Ｔ｜ＤＤＤＤＤ）２＜１０−１０）。
【００５３】
６．電極の電位及び長さについての初期条件を設定し、最適化手続きにそれらを調節させる段階。プロセスの、調節されたパラメータの現実的な値を有する所望の目標判定基準への収束を強要するために、幾つかの初期パラメータ値を変えること又は特定のパラメータに追加の制限を設定することによって手動で最適化プロセスを補正する段階。この段階は、発明者らにとって、高次等時性を満たすパラメータを見つけるのに何年もを費やさせた。
【００５４】
７．イオンミラーの高品質に対応するパラメータの少なくとも１つのセットを見いだした後、目標判定基準へ含められていない収差の大きさの最適組合せを現実的に見つけるために個々のミラーパラメータに細かい段階的調節を施す段階。
【００５５】
８．電極形状を変えることについて、最適化中にこれらの形状を固定に設定し、自動手続きに最適化判定基準の最良近似値に到達するよう電圧を最適化させる段階。最適判定基準の目標値に近づくように形状を手動で調節する段階。
【００５６】
[0067]段階７及び段階８の自動最適化は、発明者らが段階３の適正な関係及び段階番号６での電極の電位及び長さの初期値の適正なセットを見いだした後に実施可能となったことを強調しておきたい。
【００５７】
[0068]５次集束を有する基準イオンミラー
[0069]図３Ａを参照して、静電分析器３１の或る実施形態は、ドリフト空間３３によって分離されている２つの同一の平面状イオンミラー３２を備えている。幾何学的配置は、キャップ間距離Ｌｃｃ、ドリフト領域の長さＬｄ、電極ウインドウの等しい高さＨ、及び個々の電極の長さＬ１からＬ５によって、また正規化された電圧Ｖ１からＶ５によって、特徴付けられており、ここに、Ｖｉ＝Ｕｉ（Ｋ／q）、Ｕｉは実際の電圧、Ｋは平均イオンエネルギー、ｑはイオン電荷である。イオンミラーのパラメータは図３Ａの表に示されている。パラメータは、収差係数の完全補償の２事例についてと、可能最高エネルギー許容差に到達するための分析器の最適調整の場合についてでは、僅かに異なっていよう。ドリフト（即ち無場）領域の電位を有する追加の４番目の電極が加えられていることに留意されたし。その様な電極は、イオンミラーの反射部分の静電場と加速部分の静電場の分断を可能にする。電極は、主として、解析の便宜上加えられており、以下の本文に示されている様に、高い等時性のミラーはこの追加の電極無しに形成されることもあり得る。更に、イオン源を接地する便宜上、通常、分析器全体は浮動であり、よって、ドリフト領域は加速電位で起こることに留意されたし。その様な事例では、Ｖ値は−１だけ低くなる。
【００５８】
[0070]図３Ｂ及び下表２を参照して、分析器は、イオンミラー３２の一対のイオン反射の後、以下の収差係数及び収差大きさに到達する。分析器は、Ｔ｜ＫＫＫＫ及びＴ｜ＫＫＫＫＫ収差を補償し、３次及び５次の交差項の殆どを実質的に縮小するが、Ｔ｜ＢＢＫ収差が２倍高くなるという犠牲付きであり、即ち、５次分析器はより細いイオンパケットにより適する。大きさは、Ｙ／Ｈ＝０．０６２５（ウィドウ高さＨ＝２４ｍｍでのイオンビームの半高さＹ＝１．５ｍｍ）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％で、Ｌｃｃ／Ｈ＝２５．５について、相対飛行時間偏差ΔＴ／Ｔ０で表されている。
【００５９】
[0071]
【００６０】
【表２】
2014532964.tif 000005
【００６１】
[0072]上表２及び図３Ｃを参照して、本発明のイオンミラーは、ミラーによる１対のイオン反射後に次の型式のイオン集束、即ち、
空間及び色集束：
（Ｙ｜Ｂ）＝（Ｙ｜Ｋ）＝０；（Ｙ｜ＢＢ）＝（Ｙ｜ＢＫ）＝（Ｙ｜ＫＫ）＝０；
（Ｂ｜Ｙ）＝（Ｂ｜Ｋ）＝０；（Ｂ｜ＹＹ）＝（Ｂ｜ＹＫ）＝（Ｂ｜ＫＫ）＝０；
１次飛行時間集束
（Ｔ｜Ｙ）＝（Ｔ｜Ｂ）＝（Ｔ｜Ｋ）＝０；
交差項を含む２次飛行時間集束
（Ｔ｜ＢＢ）＝（Ｔ｜ＢＫ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＹＹ）＝（Ｔ｜ＹＫ）＝（Ｔ｜ＹＢ）＝０；
及び、５次エネルギー当たり時間集束
（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０、に到達する。最良調整点の好ましいＴ｜ＢＢＫ及びＴ｜ＹＹＫに因り、より良い相互補償のためにはＴ｜Ｋが僅かに悪くなるのを見過ごすだけの価値があることに留意されたし。
【００６２】
[0073]図３Ｄは、図３Ａの分析器３１についてのエネルギー当たり時間のグラフを示している。分解パワーＲ＝１００，０００に対応するエネルギーアクセプタンスは、エネルギー当たり時間収差の完全補償（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝０；（Ｔ｜ＫＫＫＫ）＝０；（Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０；では１１％の全エネルギー広がりまで増加されており、エネルギーアクセプタンスは更に、（Ｔ｜Ｋ）＝（Ｔ｜ＫＫＫ）＝Ｔ｜ＫＫＫＫＫ）＝０；（Ｔ｜ＫＫ）／Ｔ０＝０．００５２５；及び（Ｔ｜ＫＫＫＫ）／Ｔ０＝−１．７２７では１８％まで増加している。
【００６３】
[0074]エネルギーアクセプタンスの著しい改善は、はるかに短いイオンパケットの形成を可能にする。抽出前のイオンクラウドの所与の位相空間ΔＸ＊ΔＶについて、遥かに高いパルス電場Ｅを印加することができ、その結果、より短いターンアラウンド時間ΔＴ０＝ΔＶ＊ｍ／Ｅｑを有するイオンパケットを形成させることができ、なお且つ静電分析器のエネルギーアクセプタンスにうまく納まる。
【００６４】
[0075]図３Ｅは、ＳＩＭＩＯＮプログラムを用いてシミュレートされた等しい電位（等電位）の線を示している。記載されている静電場の構造は、それらの線の形状及び電位を有する曲線状の電極を設定することによって再現することができよう。その様な電極は、電極長さＬｉと電極ウインドウＨｉの間の異なった関係を有するものとなろう。それにもかからわず、場は、なおも、同じウインドウ高さを有する矩形電極によって形成される場に対応している。
【００６５】
[0076]図３Ｆは、電位及び電場強度の軸方向分布を示している。軸方向分布は、Ｘ軸近傍の静電場の二次元分布を定義している。任意の形状を有する電極を用いて当該軸方向分布を再現することもでき、それでもなお、同じウインドウ高さと電極長さの或る範囲（以下に論じている）を有する矩形電極を用いて最初に生成されているのと同様の場分布を保てよう。５番目の電極の周りの電位分布は、空間集束特性（図３Ｅに示されている）によって定義されるが、減速領域の電位分布は、高次エネルギー集束を目指して分析器を最適化したときに見つけることができる―当該主題は以下に論じられている。
【００６６】
[0077]図４Ａを参照すると、図３Ａのイオンミラーについて、Ｖｉ及びＶｓｕｍ対ｘ／Ｈ、また同様にそれらの５次Ｖｉ｜ｘｘｘｘｘまでの導関数がプロットされている。平均イオンエネルギーＶｓｕｍ＝１に等しい電位での反射点はＸＴ＝０．４３Ｈに対応していることが分かる。転回点の周りの電位分布は、正規化されたＥ〜−０．５でのほぼ均一の場強度に対応しており、かなり小さい負のＥ｜Ｘ導関数になっている。より高次の空間導関数も同様に補償されており、それは周囲の電極からの静電場の十分な浸透で実施可能となる。
【００６７】
[0078]図４Ｂを参照して、場浸透度は、Ｖｉ＝１に設定し、その間、他をＶｉ＝０に引き留めたままにして、計算される。この特定の実例では、電位浸透度は、Ｖ１（ＸＴ）／Ｖ１＝０．３６；Ｖ２（ＸＴ）／Ｖ２＝０．３６；Ｖ３（ＸＴ）／Ｖ３＝０．２５；Ｖ４（ＸＴ）／Ｖ４＝０．０３である。而して、所望の静電場は、少なくとも３つの電位が転回点の領域の中へ少なくとも４分の１だけ浸透することで形成される。静電場の浸透を解析すると、２番目の電極の場は、転回点が２番目の電極内にあるために、Ｘ＝ＸＴで約ゼロである。場浸透Ｅ１（ＸＴ）＝−１．０８、及びＥ３（ＸＴ）＝０．９３、及びＥ４（ＸＴ）＝０．１。先行技術のイオンミラーに比べると、場及び電位の浸透はより広く、高度に補償された高次空間導関数を有するより滑らかな場が形成できている。
【００６８】
[0079]５次集束イオンミラーのより広範な部類
[0080]より広い範囲の幾何学的配置（等しいウインドウ高さＨを有する矩形電極で形成でき得る）を探求するために、特定の電極パラメータを強制的に変えていった場合の多数のシミュレーションの結果が提示されている。ひとたび５次集束を有する静電分析器の実例が１つ見つけられたら、ミラー幾何学的配置を細かく段階的に修正していって、上述の最適化手続きを用いて次に最適な分析器を見いだすことにより、多数の変型が実施可能になる。
【００６９】
[0081]図５Ａを参照して、１つの実施形態５２では、分析器性能を落とすこと無く、電極間ギャップＧｉは増加されて２番目の電極の長さＬ２よりも長くなった。２番目のミラー電極は開口と呼称することもできよう。当該幾何学的配置を、極微小のギャップを有する基準ミラー幾何学配置３２に比較する。ミラー５２は、ミラー３２を、軸方向の静電場の同様の分布を維持しながら一方で高次等時性を保ちつつ、平滑に進展させて得られたものである。その様な進展では、電極の中心は大凡同じ位置ではあるが但し僅かに変動した位置に留まった。過度に広いギャップは、フリンジ場（例えば、周囲の真空室から、又は電気配線から）のせいで有害であろう。他方、Ｅ＜３ｋＶ／ｍｍを有する小さいギャップは、電極を破壊無しに絶縁するのに必要である。破壊に対してのミラー安定性を改善するには、鋭利な縁を丸めなくてはならない。ところが、シミュレートされた数多くの事例全てで、中程度のギャップサイズＧｉ／Ｈ＜０．１及び縁曲率ｒ／Ｈ＜０．０５で、電極の有効長さＬｉ＋（Ｇｉ−１＋Ｇｉ）／２は、極小ギャップを有するイオンミラーのＬｉにほぼ等しいままである。ギャップの変動は、電極電位の微調節を要する。この理由により、我々は、極小ギャップサイズを用いたイオンミラー解析を、その様な解析なら解析式で表わされる静電場を用いてなし得るというだけの理由で継続することにする。
【００７０】
[0082]図６Ａを参照すると、静電等時性分析器のためのイオンミラーの別の実施形態６２では、６番目の電極が加えられている。描かれている様に、当該電極は、引き寄せ電位を有しており、第２の「レンズ」電極と呼称することもできよう。
【００７１】
[0083]図６Ｂを参照して、下表３は、基準イオンミラー３２（５電極）の収差係数及び大きさをミラー６２（６電極）のものと比較している。６番電極の追加は、より高いＴ｜ＫＫＫＫＫＫ収差を犠牲にして収差の殆どを低減するのに一役買う。その様なミラーは、エネルギー広がりは小さいがより幅の広い発散イオンパケットに対処する場合に有用であろう。大きさは、Ｙ／Ｈ＝０．０６２５（ウィドウ高さＨ＝２４ｍｍでのイオンビームの半高さＹ＝１．５ｍｍ）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％で、１加速電位を有するミラーについてはＬｃｃ／Ｈ＝２５．５、及び２加速電位を有するミラーについてはＬｃｃ／Ｈ＝２７．７として、相対飛行時間偏差ΔＴ／Ｔ０で表されている。
【００７２】
[0084]
【００７３】
【表３】
2014532964.tif 000006
【００７４】
[0085]便宜のために他の電極を加えることもでき得ることに留意されたし。一例として、電極は、より高い信頼度の絶縁性を求めるなら、又は機械的な組み立て上の理由から、３番電極と４番電極の間に挿入されることもあろう。挿入される電極は、例えば、ドリフト領域の電位（こうすれば余計なパワー供給が回避される）か又は大地電位の電位の何れかを有していてもよい。
【００７５】
[0086]図７を参照すると、イオンミラー７２の中空円筒状幾何学配置を有する等時性静電分析器７１の実施形態が示されている。ミラー７２の電極幾何学配置は、ミラーが中心半径Ｒを有する円筒へ巻かれ静電場で満たされた中空円筒体を形成していることを除いては、平面状の基準イオンミラー３２の厳密な複写である。真ん中のグラフは、飛行時間変動ΔＴ／Ｔ０対相対エネルギーΔＫ／Ｋを示している。１０％の全エネルギー広がり内で、ΔＴ／Ｔ０は１ｐｐｍ内に留まっている。一番下の表は、Ｒ／Ｈ比の関数としての高次エネルギー集束に到達するにはミラー電位をどの様に調節すればよいかを示している。中空トロイダル幾何学配置のかなり小さい半径Ｒ／Ｈ〜４でさえ、電極の幾何学配置及び電圧は、平面状イオンミラーから複写できるが、その場合、８ｋＶ加速で僅かなボルト数の電圧微調節が取られてもよい。而して、結果及び結論全てを、平面状の幾何学配置のみについて解析すればよく、それらをそのままＲ／Ｈ＞４を有する円筒状分析器へ移すことができた。
【００７６】
[0087]図８を参照して、何れかの固定された幾何学配置で、ミラー電位の穏やかな偏差が実施可能になっている。Ｋ／ｑ＝４５００Ｖでの基準イオンミラー３２の場合、許容される変動は、Ｕ１及びＵ２についての僅かなボルト数に亘って（図８Ａ）と、他の電極についての―１００，０００を上回るレベルの分解能を落とすこと無しに何十ボルトというボルト数に亘って（図８Ｂ）、である。図８Ｃを参照すると、電位のみの変動と連関させて、電圧変動の領域が延びている。表は、個々の正規化された電圧Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３につき、同様に電極の正規化された長さＬ１／Ｈ、Ｌ２／Ｈ、及びＬ３／Ｈ毎に、エネルギー当たり時間集束係数の導関数を提示している。表は、更に、全正規化電圧を０．０１だけ変化させた場合の例を提示しており、それは、１次及び２次の導関数Ｔ｜Ｋ及びＴ｜ＫＫの両方を補償し、なお且つより高いＴ｜Ｋ∧ｎ導関数についてのΔＴ／Ｔ０大きさをｐｐｍ範囲に保つことを可能にする。
【００７７】
[0088]図９を参照すると、１つの「レンズ」電極である５番電極及び組み立ての便宜上と電気的破壊（Ｖ４＝０）に対しての安定性のために使用されている仲介電極である４番電極を含む５つの電極を有するイオンミラー３２について、Ｌ５／Ｈ＝２．９８でＬ４／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さと電位の変動が提示されている。図９ＡはＬｃｃ／Ｈ；図９ＢはＶ４＝Ｕ４（Ｋ／ｑ）；図９ＣはＬ１／Ｈ、Ｌ２／Ｈ、及びＬ３／Ｈ；図７ＤはＶ１、Ｖ２及びＶ３；図７Ｅは分析器の角度アクセプタンス、の対Ｌ４／Ｈの変動をそれぞれ示している。より高い角度アクセプタンスは、可能最短Ｌ４／Ｈで、４番電極を除去した場合でさえも、到達されている。より大きいＬ４／Ｈでは、レンズ電極は分析器の中心に向かって動き、レンズ場はイオンミラーの反射部の静電場から完全に分断された状態になる。形式上は、分析器は、別の型式のデバイス―純粋に減速性のイオンミラーと組み合わされている無場領域内のレンズ―と呼称されてもよいかもしれない。Ｌ４延長では、５番電極の周りの遠くのレンズは、（図３Ｅと）同じ型式のイオン集束を維持するにはより弱くならざるを得ず（図９Ｂ）、そうすると、イオン反射はイオンミラー軸付近で起こり、イオンは、２回のミラー反射後に同じ初期Ｙ及びＢ座標へ戻るはずである。
【００７８】
[0089]或る意味、試験されたパラメータの変動は、強度の調節を伴ったレンズの動きに対応している。究極的に、レンズ電極はドリフト領域の中心まで動かされてもよい。そうして、分析器は、単一の加速電極をドリフト領域の何処かに、究極的にはドリフト領域の中心に有する、純粋に減速性のミラーによって形成されていてもよい。
【００７９】
[0090]５次エネルギー等時性を維持するために、図９のこのシミュレーションでは、最初の３つの電極の正規化された長さ及び電圧は、非常に小さい範囲、即ち、０．２＜Ｌ１／Ｈ＜０．２２；０．３２＜Ｌ２／Ｈ＜０．３５；０．８＜Ｌ３／Ｈ＜０．９；１．１２＜Ｖ１＜１．２１；１．０３＜Ｖ２＜１．０５；及び０．８８＜Ｖ３＜０．９３、の範囲で変動し得ることに留意されたし。
【００８０】
[0091]図１０を参照すると、５つの電極で１つの「レンズ」電極である５番電極及び仲介電極である４番電極を有するイオンミラー３２について、Ｌ４／Ｈ＝０．５８３でＬ５／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さと電位の変動が提示されている。図１０ＡはＬｃｃ／Ｈ；図１０ＢはＶ５＝Ｕ５（Ｋ／ｑ）；図１０ＣはＬ１／Ｈ、Ｌ２／Ｈ、及びＬ３／Ｈ；図７ＤはＶ１、Ｖ２、及びＶ３；図１０Ｅは分析器の角度アクセプタンス、の対Ｌ５／Ｈの変動をそれぞれ示している。より高い角度アクセプタンスは、可能最短Ｌ５／Ｈ〜０．５で到達されているが、但し、これには５番電極の遥かに高い電圧が必要になり、そうすると、電気破壊に因り加速電圧が制限され、より高いエネルギーアクセプタンス到達の目的がとん挫する。ここでもやはり、レンズ電極が変わると、同じ空間集束を維持するにはレンズ電圧の調節が必要になる。５次エネルギー等時性を維持するために、イオンミラーの反射部は殆ど変化しておらず―最初の３つの電極の正規化された長さ及び電圧は、非常に小さい範囲、即ち、０．１８＜Ｌ１／Ｈ＜０．２；０．３１＜Ｌ２／Ｈ＜０．３４；０．７７＜Ｌ３／Ｈ＜０．８２；１．１２＜Ｖ１＜１．２２；１．０３＜Ｖ２＜１．０５；及び０．８４＜Ｖ３＜０．９１、の範囲で変動し得る。
【００８１】
[0092]イオンミラー変型のより広い範囲を求める試みの中で、６電極イオンミラー６２について同じ研究を行った。
[0093]図１１を参照すると、イオンミラー６２（２つの「レンズ」電極を含む６電極を有する）について、Ｌｃｃ／Ｈ＝２７．６８、Ｌ４／Ｈ＝１．３３、及びＬ６／Ｈ＝２．２５で、Ｌ１／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さ及び電位の変動が提示されている。一番上のグラフ図１１Ａは電極の長さの変動を示し、真ん中のグラフ図１１Ｂは電極の正規化された電圧の変動を示し、一番下のグラフ図１１Ｃは半高さＹ＝１．５ｍｍ（Ｙ／Ｈ＝０．０５）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％での主要収差の大きさの変動を示している。Ｌ１／Ｈは上面側からに限定されないことに留意されたく、というのも、こうして形成される長いチャネルはもはやイオン反射の領域の静電場に影響を与えないからである。最も小さいＬ１／Ｈ（ゼロギャップで）は０．２に等しい。Ｌ１の更なる短縮化は、主にトレースされる収差の縮小が付随して起こるが、より高次の収差の有意上昇を引き起こす。一例として、Ｌ１／Ｈ＝０．１７では、最大到達分解能は１８，０００である。このことは、本発明の主要な発見点から見れば、一方の電極の電位の反射領域内への浸透が支配的になり、他方の電極の効力によって補償され得ないということから、十分に理解される。
【００８２】
[0094]図１１に提示されているシミュレーションでは、静電場の反射部は、殆ど変化しておらず―５次エネルギー等時性を維持するため、２番目及び３番目の電極の長さ及び電圧は、非常に小さい範囲、即ち、０．３４＜Ｌ２／Ｈ＜０．４４；０．７６７＜Ｌ３／Ｈ＜０．７７６；１．１８＜Ｖ１＜１．３７；１．０３＜Ｖ２＜１．０７；及び１．１７＜Ｖ３＜１．３５、の範囲で変動し得る。
【００８３】
[0095]図１２を参照すると、イオンミラー６２（６電極で２つの「レンズ」電極を有する）について、Ｌｃｃ／Ｈ２７．６８という単一制限で、Ｌ４／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さ及び電位の変動が提示されている。一番上のグラフ図１２Ａは電極の長さの変動を示し、真ん中のグラフ図１２Ｂは電極の正規化された電圧の変動を示し、一番下のグラフ図１２ＣはハーフハイトＹ＝１．５ｍｍ（Ｙ／Ｈ＝０．０５）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％での主要収差の大きさの変動を示している。４番目の電極はゼロになっていよう（先に解析された５電極を有するイオンミラー同様）、というのも５番目の電極が同様の役割を演じるようになるからである。但し、最も低い収差は、１乃至１．５辺りのＬ４／Ｈで到達されており（図１２Ｃ）、そのことは４番電極の存在を正当化するものである。Ｌ４長さをＬ４／Ｈ＝２よりなお高く増加させることもできるが、それにはＶ５電圧のあまりに高い絶対値が必要になるので非現実的となる。Ｖ５及びＶ６の曲線はＬ４／Ｈ＝０．８で交わっていることにも留意されたく、そのことは、２つのレンズ電極が同じ電位を有するものとなっていることを意味し、一連のシミュレーション間の連関を実証している。
【００８４】
[0096]ここでも同様に、イオンミラーの反射部は殆ど変化しておらず―５次エネルギー等時性を維持するため、最初の電極の長さ及び電圧は、非常に小さい範囲、即ち、０．４３＜Ｌ２／Ｈ＜０．４４１；０．７９＜Ｌ３／Ｈ＜０．８５；１．２９＜Ｖ１＜１．３２；Ｖ２〜１．０７；及びＶ３〜０．９１、の範囲で変動し得る。
【００８５】
[0097]図１３を参照すると、イオンミラー６２（６電極で２つの「レンズ」電極を有する）について、Ｌｃｃ／Ｈ２７．６８、Ｌ４／Ｈ＝１．３３、及びＬ６／Ｈ＝２．２５で、Ｌ５／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さ及び電位の変動が提示されている。一番上のグラフ図１３Ａは電極の長さの変動を示し、真ん中のグラフ図１３Ｂは電極の正規化された電圧の変動を示し、一番下のグラフ図１３Ｃは半高さＹ＝１．５ｍｍ（Ｙ／Ｈ＝０．０５）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％での主要収差の大きさの変動を示している。Ｌ５／Ｈは０．１未満に短縮できるが、但し、電圧Ｖ５の絶対値があまりに高くなるので非現実的となる（図１３Ｂ）。収差は１．５−２辺りのより高いＬ５／Ｈで低くなっており（図１３Ｃ）、それには更により小さいＶ５レンズ電圧が必要であるが、但し角度アクセプタンスが小さくなることを犠牲にして、である。
【００８６】
[0098]ここでも同様に、イオンミラーの反射部は殆ど変化しておらず―５次エネルギー等時性を維持するため、最初の３つの電極の長さ及び電圧は、非常に小さい範囲、即ち、０．４０１＜Ｌ２／Ｈ＜０．４３；０．７８＜Ｌ３／Ｈ＜０．８；１．２４＜Ｖ１＜１．２９；１．０５＜Ｖ２＜１．０６；及び０．９＜Ｖ３＜０．９１、の範囲で変動し得る。
【００８７】
[0099]図１４を参照すると、イオンミラー６２（６電極で２つの「レンズ」電極を有する）について、Ｌ４／Ｈ＝１という単一制限で、Ｌｃｃ／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さ及び電位の変動が提示されている。一番上のグラフ図１４Ａは電極の長さの変動を示し、真ん中のグラフ図１４Ｂは電極の正規化された電圧の変動を示し、一番下のグラフ図１４ＣはハーフハイトＹ＝１．５ｍｍ（Ｙ／Ｈ＝０．０５）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％での主要収差の大きさの変動を示している。図１４Ｃを参照すると、１９．４から３６までの探求された範囲のＬｃｃ／Ｈ（２Ｈ／Ｌｃｃは０．１０３から０．０５５５まで変動）は、ハイエンドＬｃｃ／Ｈの角度アクセプタンス、余りに高いＴ｜ＹＹＫ交差項収差、及びローエンドＬｃｃ／Ｈの余りに高いＶ５電位の絶対値、によって制限されている。
【００８８】
[0100]ここでも同様に、５次エネルギー等時性を維持するため、イオンミラーの反射部は殆ど変化しておらず―最初の３つの電極の長さは、非常に小さい範囲、即ち、０．４０３４＜Ｌ２／Ｈ＜０．４３５７及び０．７５３＜Ｌ３／Ｈ＜０．８２２８、の範囲で変動し得る。
【００８９】
[0101]図１５を参照すると、イオンミラー６２（６電極で２つの「レンズ」電極を有する）について、Ｌｃｃ／Ｈ＝２７．６８で、Ｌ６／Ｈを強制的に変えた場合の電極の長さ及び電位の変動を、Ｌ４／Ｈ及びＬ５／Ｈの値が０．５に等しい場合、１に等しい場合、及び１．５に等しい場合について、異なった点符号によって表記される異なった連なりで提示している。それぞれの連なりは、独自のパラメータ変動パターンを有している。それにもかかわらず、図３Ｅと同じ型式の空間集束を保持するために、変化は主としてイオンミラーのレンズに影響する。この連なりでの最も高い分解パワー（標準的なパケットパラメータ―半高さＹ／Ｈ＝０．０５、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％―について２５０，０００）は、Ｌ６／Ｈ＝３．５、Ｌ４／Ｈ＝Ｌ５／Ｈ＝１で到達されている。同時にイオンミラーの反射部は、微々たる変動しか有さず―５次エネルギー等時性を維持するため、２番目及び３番目の電極の長さは、非常に小さい範囲、即ち、０．４２＜Ｌ２／Ｈ＜０．４４及び０．７８＜Ｌ３／Ｈ＜０．８２７の範囲で変動しており、最初の３つの正規化された電圧は、１．２８２＜Ｖ１＜１．３２、１．０５４＜Ｖ２＜１．０６３、及び０．９１＜Ｖ３＜０．９１５、の範囲で変動する。
【００９０】
[0102]図１６を参照すると、試験された一連のイオンミラーパラメータについて、分解パワーに関する要約が提示されている。より高い分解パワーは、電極がＨに対して引き伸ばされている場合に到達されており、大抵は、ミラーキャップ間距離Ｌｃｃの伸び及び分析器角度アクセプタンスの縮小（図９及び図１０に示す）が同時に起こっている。
【００９１】
[0103]図１７を参照すると、図２から図１４中のパラメータの変動の範囲を要約した表が提示されている。図３Ｃの空間集束と等時性の条件のセットに５次エネルギー集束で到達することは、イオンミラーの反射部のパラメータの限定範囲内で実施可能であった。表は、主張されているパラメータの範囲を裏付ける。等しい電極ウインドウ高さＨを有する２つの同一のミラーについて、２番目及び３番目の電極の高さＬ２及びＬ３対Ｈの比は、０．３１＜Ｌ２／Ｈ＜０．４８及び０．７７＞Ｌ３／Ｈ＞０．９であり、最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は１．１２＜Ｖ１＜１．３７；１．０３＜Ｖ２＜１．０７；及び０．８４＜Ｖ３＜１．３５である。実験のより広範なセットで、５次集束はゆがんでいるが、分解パワーは、半高さＹ＝１．５ｍｍ（Ｙ／Ｈ＝０．０５）、半角Ｂ＝３ｍｒａｄ、及び相対半エネルギー広がりΔＫ／Ｋ＝６％、を有するイオンパケットについてＲ＝１００，０００を超えているセットでは、イオンミラーパラメータは、０．２＜Ｌ２／Ｈ＜０．５及び０．６＜Ｌ３／Ｈ＜１であり、最初の３つの電極の電位対電荷当たり平均イオン運動エネルギーＫ／ｑの比は、１．１＜Ｖ１＜１．４；１＜Ｖ２＜１．１である。
【００９２】
[0104]再び図１７を参照して、表は、イオン転回点の領域内への電位浸透度を要約している。範囲は、０．１８５＜Ｖ１（ＸＴ）＜０．４５７；０．２２９＜Ｖ２（ＸＴ）＜０．３７２；０．２９１＜Ｖ３（ＸＴ）＜０．４０５；０＜Ｖ４（ＸＴ）＜０．０４６として限定されている。パラメータ範囲の極値は、シミュレーションでは見逃されたかもしれず、また先行技術によるミラーは３番目の電極の４％という浸透を有していることから、我々は、１０％を最適化についての閾値として提言する。
【００９３】
[0105]図１８を参照して、場浸透度は、提案されている幾何学配置全てについて連関しているように見え、それは、ある意味では、図３Ｃの等時性と空間集束を得るために必要な場構造を定義づける。
【００９４】
[0106]記載されているイオンミラー品質及び記載されている場浸透は、電極形状及び印可電圧の多様な変型を用いて、例えば、（ｉ）不等なイオンミラーを製作すること、（ｉｉ）電極間にギャプを導入すること、（ｉｉｉ）電極を追加すること、（ｉｖ）不等なウインドサイズを有する電極を製作すること、（ｖ）曲線状の電極を製作すること、（ｖｉ）円錐体又は傾いた電極を使用すること、（ｖｉｉ）複数の開孔及び印刷回路板を配分された電位と共に使用すること、（ｖｉｉｉ）抵抗電極を使用すること、及び他の多くの実用的な修正、（ｉｘ）無場空間の中へレンズを挿入すること、(ｘ)無場空間の中へセクタ場を挿入すること、によって得ることができよう。何れにせよ、ミラーの品質は、提示されているイオンミラーパラメータに基づき、それらの軸方向静電場の分布を再現する(軸周りに二次元場の再現を生じさせる)ことによって、又は記載されているイオンミラーの等電位線に対応する電極を製作することによって、再現できよう。
【００９５】
[0107]本発明を好適な実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には、形態及び詳細事項における様々な修正が不随の特許請求の範囲の中に述べられている本発明の範囲から逸脱すること無くなされ得ることが自明であろう。
【符号の説明】
【００９６】
３１、７１  静電分析器
３２、５２、６２、７２  イオンミラー
３３  ドリフト空間
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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