(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重反射型飛行時間質量分光計であって、
互いに間隔を置いて第１の次元（Ｘ次元）に配置され、それぞれ前記第１の次元と直交する第２の次元（Ｚ次元）に伸長している２つのイオンミラー、
イオンが、前記第１と第２の次元に対し一定の角度で配置される軌道に沿って移動し、前記第２の次元（Ｚ次元）の空間を通ってドリフトする間、前記第１の次元（Ｘ次元）で前記イオンが前記イオンミラー間で繰り返して往復するように前記イオンミラー間の前記空間にイオンパケットを導入するためのイオン導入機構、を含み、
前記イオンが前記第２の次元（Ｚ次元）で前記空間を通ってドリフトする間、前記イオンが前記第１と第２の両次元と直交する第３の次元（Ｙ次元）でも往復するように前記イオンミラーおよびイオン導入機構が配置および構成され、
前記分光計が、前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で複数回往復した後で、イオンを受け取るように配置されたイオン受容機構を含み、
少なくとも一部の前記イオン導入機構および／または少なくとも一部の前記イオン受容機構が前記イオンミラーの間に配置され、
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、前記イオンが前記第１と第２の次元（ＸおよびＺ次元）で前記少なくとも一部のイオン導入機構と同じ位置を有する場合、前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、前記イオンを前記第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成され、それにより、前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、前記イオンの軌道が前記イオン導入機構を少なくとも１回バイパスする、および／または
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、前記イオンが前記第１と第２の次元（ＸおよびＺ方向）で前記少なくとも一部のイオン受容機構と同じ位置を有する場合、前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、前記イオンを前記第１の次元（Ｘ次元）および前記第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成され、それにより、前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、前記イオンの軌道が前記イオン受容機構を少なくとも１回バイパスする、分光計。
【請求項２】
前記イオンが、前記第３の次元（Ｙ次元）で往復軸のまわりおよび最大振幅の位置間で往復するように構成され、前記少なくとも一部のイオン導入機構および／または前記少なくとも一部のイオン受容機構が、前記最大振幅の位置間の前記空間の一部のみにわたって伸長するように配置される、請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、前記第１の次元（Ｘ次元）の前記イオンミラー間での前記イオンのそれぞれの反射中に前記イオンを前記第２の次元（Ｚ次元）に距離ＺＲ移動させるように構成され、前記距離ＺＲが、前記少なくとも一部のイオン導入機構の前記第２の次元（Ｚ次元）の長さおよび／または前記少なくとも一部のイオン受容機構の前記第２の次元（Ｚ次元）の長さより小さい、請求項１または請求項２に記載の分光計。
【請求項４】
前記少なくとも一部のイオン導入機構の前記第２の次元（Ｚ次元）の長さおよび／または前記少なくとも一部のイオン受容機構の前記第２の次元（Ｚ次元）の長さが、前記距離ＺＲの距離の４倍までである、請求項３に記載の分光計。
【請求項５】
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、≧０．５ｍｍ、≧１ｍｍ、≧１．５ｍｍ、≧２ｍｍ、≧２．５ｍｍ、≧３ｍｍ、≧３．５ｍｍ、≧４ｍｍ、≧４．５ｍｍ、≧５ｍｍ、≧６ｍｍ、≧７ｍｍ、≧８ｍｍ、≧９ｍｍ、≦１０ｍｍ、≦９ｍｍ、≦８ｍｍ、≦７ｍｍ、≦６ｍｍ、≦５ｍｍ、≦４．５ｍｍ、≦４ｍｍ、≦３．５ｍｍ、≦３ｍｍ、≦２．５ｍｍ、および≦２ｍｍからなる群より選択される振幅で前記第３の次元（Ｙ次元）で前記イオンが往復するように構成される、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の分光計。
【請求項６】
前記イオンが、前記第３の次元（Ｙ次元）で往復軸のまわりを最大往復振幅で往復し、前記少なくとも一部のイオン導入機構および／または前記少なくとも一部のイオン受容機構が、前記第３の次元（Ｙ次元）の往復軸から、前記最大往復振幅より小さい距離だけ離して配置される、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の分光計。
【請求項７】
前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で往復軸のまわりを往復するように構成され、
（ｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構が、前記第３の次元（Ｙ次元）で前記往復軸から間隔を置いて配置される、または
（ｉｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構の内の一方が、前記往復軸上に配置され、前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構のもう一方が、前記往復軸から前記第３の次元（Ｙ次元）で間隔を置いて配置される、または
（ｉｉｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構の両方が、前記往復軸上に配置される、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の分光計。
【請求項８】
前記少なくとも一部のイオン受容機構が、前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で１回または複数回往復した後で、前記イオンミラー間の空間からイオンを受け取るために前記イオンミラー間に配置される、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の分光計。
【請求項９】
前記少なくとも一部のイオン受容機構が、イオン検出器である、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の分光計。
【請求項１０】
前記イオン受容機構が、イオンガイドを含み、前記少なくとも一部のイオン受容機構が前記イオンガイドへの入口である、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の分光計。
【請求項１１】
前記イオンミラー間の前記空間の外側に配置されたイオン検出器をさらに含み、前記イオンガイドが前記イオンミラー間の前記空間からイオンを受け取り、前記イオン検出器に前記イオンを誘導するように配置および構成される、請求項１０に記載の分光計。
【請求項１２】
前記イオンガイドが、電気または磁気セクターである、請求項１０または請求項１１に記載の分光計。
【請求項１３】
前記イオン受容機構が、イオンを前記イオンミラー間の前記空間から、必要に応じて、前記イオンミラー間の前記空間の外側に配置された検出器の方向に曲げるイオンデフレクターである、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１４】
前記イオン導入機構が、イオンを前記イオンミラー間の前記空間に導入するステップを実施するように、前記イオンミラー間に配置され、イオンパケットを放出する、または生成して放出するように構成されたパルスイオン源である、請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の分光計。
【請求項１５】
前記パルスイオン源が、直交加速器またはイオンビームをイオンパケットに変換するイオントラップを含む、請求項１４に記載の分光計。
【請求項１６】
前記パルスイオン源が、前記第１と第２の次元に対し一定の角度で配置された前記軌道に沿って通すように前記イオンを誘導するための、パルスまたは連続イオンステアリング装置の内の１つまたは複数を含む、請求項１４または請求項１５に記載の分光計。
【請求項１７】
前記イオン導入機構が、イオンガイドを含み、前記少なくとも一部のイオン導入機構が前記イオンガイドの出口である、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項１８】
前記イオンミラー間の前記空間の外側に配置されたイオン源をさらに含み、前記イオンガイドが、前記第１と第２の次元に対し一定の角度で配置された前記軌道に沿って通過するように、前記イオン源からイオンを受け取り、前記イオンを前記空間に誘導するように配置および構成される、請求項１７に記載の分光計。
【請求項１９】
前記イオンガイドが、電気または磁気セクターである、請求項１７または請求項１８に記載の分光計。
【請求項２０】
前記少なくとも一部のイオン導入機構が、前記イオンの前記軌道を曲げるイオンデフレクターである、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項２１】
前記イオンミラーの間および前記イオン導入機構と前記イオン受容機構との間のイオン飛行経路中に配置された１つまたは複数のビームストップをさらに含み、前記１つまたは複数のビームストップが、前記第２の次元（Ｚ次元）で測定したそれぞれのイオンビームパケットの前端および／または後端に位置するイオンの通過を遮断するように配置および構成され、および／または
それぞれのイオンパケットが、前記イオン導入機構から前記イオン受容機構へ移動する間に、前記第２の次元（Ｚ次元）に発散し、１つまたは複数のビームストップが、所定の量を超えて平均イオン軌道から発散する前記イオンパケット中のイオンの前記通過を遮断するように配置および構成される、請求項１〜請求項２０のいずれかに記載の分光計。
【請求項２２】
少なくとも１つの前記ビームストップが、補助イオン検出器である、請求項２１に記載の分光計。
【請求項２３】
前記第１の次元（Ｘ次元）において、前記イオンが前記イオンミラー間で所望の数の往復を行った後に、前記イオンを検出するように配置および構成された主イオン検出器；前記補助イオン検出器であって、それぞれのイオンパケットの一部の前記イオンを検出し、それぞれのイオンパケット中のイオンの強度を決定するように配置および構成された補助イオン検出器；および前記補助イオン検出器により検出された前記強度に基づいて、前記主イオン検出器のゲインを制御するための制御システム、を含む、請求項２２に記載の分光計。
【請求項２４】
前記第１の次元（Ｘ次元）において、前記イオンが前記イオンミラー間で所望の数の往復を行った後に、前記イオンを検出するように配置および構成された主イオン検出器；前記補助イオン検出器であって、それぞれのイオンパケットの一部の前記イオンを検出するように配置および構成された補助イオン検出器；および前記補助イオン検出器からのシグナル出力に基づいて前記イオンパケットの前記軌道を誘導するための、また、必要に応じて、前記イオン導入機構から前記主イオン検出器へのイオン伝送を最適化するための制御システムを含む、請求項２２または請求項２３に記載の分光計。
【請求項２５】
飛行時間質量分析方法であって、
互いに間隔を置いて第１の次元（Ｘ次元）に配置され、それぞれ前記第１の次元と直交する第２の次元（Ｚ次元）に伸長している２つのイオンミラーを用意すること、
イオンが、前記第１と第２の次元に対し一定の角度で配置される軌道に沿って移動し、前記イオンが前記第２の次元（Ｚ次元）の空間を通ってドリフトする間、前記第１の次元（Ｘ次元）で前記イオンが前記イオンミラー間で繰り返して往復するようにイオン導入機構を使って前記イオンミラーの間の前記空間にイオンパケットを導入すること、
前記イオンが前記第２の次元（Ｚ次元）で前記空間を通ってドリフトする間、前記第１と第２の両次元と直交する第３の次元（Ｙ次元）で前記イオンを往復させること、および
前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で複数回往復した後で、イオン受容機構中にまたはその上で前記イオンを受け取ること、を含み、
少なくとも一部の前記イオン導入機構および／または少なくとも一部の前記イオン受容機構が前記イオンミラーの間に配置され、
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、前記イオンが前記第１と第２の次元（ＸおよびＺ次元）で前記少なくとも一部のイオン導入機構と同じ位置を有する場合、前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、前記イオンを前記第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成され、それにより、前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、前記イオンの軌道が前記イオン導入機構を少なくとも１回バイパスする、および／または
前記イオンミラーおよびイオン導入機構が、前記イオンが前記第１と第２の次元（ＸおよびＺ方向）で前記少なくとも一部のイオン受容機構と同じ位置を有する場合、前記イオンが前記第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、前記イオンを前記第１の次元（Ｘ次元）および前記第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成され、それにより、前記イオンが前記第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、前記イオンの軌道が前記イオン受容機構を少なくとも１回バイパスする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年４月３０日に出願の英国特許出願第１５０７３６３．８号の優先権、および利益を主張する。この特許の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般に、質量分光計、特に、多重反射型飛行時間質量分光計（ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ）およびそれらの使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
飛行時間質量分光計は、広範な質量範囲を高速に分析することを特徴とする、多方面で使われている分析化学ツールである。多重反射型飛行時間質量分光計（ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ）は、イオン光学素子間での多重反射を使用することにより得られる飛行経路の延長によって分解能力を実質的に高めると認識されてきた。このような飛行経路の延長は、例えば、特許文献１に記載されているように、イオンミラーでイオンを反射することにより、または例えば、非特許文献１に記載されているように、セクターフィールドでイオンを曲げることにより、イオン経路を折り返すことが必要である。イオンミラーを使うＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置は、高次の、エネルギー拡散イオンの時間集束、および空間拡散イオンの時間集束に起因して、より大きなエネルギーおよび空間アクセプタンスという重要な利点を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】英国特許第２０８００２１号公報
【特許文献２】ソビエト連邦特許第１７２５２８９号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／００１８７８号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２００７／０４４６９６号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２０１１／１０７８３６号パンフレット
【特許文献６】国際公開第２０１１／１３５４７７号パンフレット
【特許文献７】英国特許２４７６９６４号公報
【特許文献８】国際公開第２０１１／０８６４３０号パンフレット
【特許文献９】国際公開第２０１３／０６３５８７号パンフレット
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１１／１８６７２９号明細書
【特許文献１１】英国特許第２３９６７４２号公報
【特許文献１２】特開第２００７−２２７０４２号公報
【特許文献１３】国際公開第２０１４／０７４８２２号パンフレット
【特許文献１４】国際公開第２００６／１０２４３０号パンフレット
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔｏｙｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ３８（２００３）１１２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置は、基本的に延長された飛行経路および高解像度をもたらすが、小さいサイズのイオンパケットおよび延長された飛行時間での飛行経路中にイオンを注入する直交加速器がデューティサイクルの低下を引き起こすので、これまでは、十分な感度が得られてはいない。
【０００７】
特許文献２は、図１に示すタイプの折り返し経路の平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置を導入した。この装置は、イオンを反射するためのドリフトＺ方向に沿って伸長する２つの２次元グリッドレスイオンミラー１２、装置中にイオンを注入するための直交加速器１３、およびイオンを検出するための検出器１４を含む。分かりやすくするために、本記載全体を通して、平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置は標準的デカルト座標系で記載される。すなわち、Ｘ軸は、飛行時間の方向、つまり、イオンミラー間の反射の方法に一致する。Ｚ軸は、イオンのドリフト方向に一致する。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＹ軸の両方に直交する。
【０００８】
図１を参照すると、使用時には、イオンは、加速器１３によりイオンミラー１２の１つの方向に、Ｘ軸に対し傾斜角αで加速される。したがって、イオンは、Ｘ方向に速度を有し、また、Ｚ方向にドリフト速度を有する。イオンは、装置に沿ってＺ方向にドリフトする間、検出器１４に衝突するまで２つのイオンミラー１２の間で連続的に反射される。したがって、イオンは、Ｘ−Ｚ面内でジグザグ（ジグソー型）の平均軌道をたどる。イオンは、ミラー反射毎にＺＲ＝Ｃ＊ｓｉｎαの増分でＺ方向に沿って前進する。式中、Ｃは、イオンミラーの隣接反射点の間の飛行経路である。しかし、ドリフトＺ方向でのイオン集束は行われず、そのため、イオンパケットはドリフトＺ方向に発散する。ドリフトＺ方向でイオンがオーバーラップする前に、約２０ｍのイオン飛行経路を可能とすることにより、１０００００〜２０００００の質量分解能力を実現するように、イオンミラー１２の間に低発散性イオンパケットを導入することは理論的に可能である。しかし、実際には、イオンが装置中で往復する間に、直交加速器１３にイオンを衝突させることなく、数ミリメートルを超えるＺ方向の長さのミラー１２の間の空間中にイオンパケットを注入することは不可能である。この欠点は、１００，０００の質量分解能力で、分光計のデューティサイクルを０．５％未満までに制限する。
【０００９】
特許文献３は、イオンビームがＺ方向に発散するのを防いで、イオン飛行経路の延長および分光計解像度の向上を可能とすることにより上記の問題を克服するように、フィールドフリー領域内に一連の周期的レンズを設けることを提案している。
【００１０】
特許文献４は、周期的レンズの収差を減少させて、同時に直交加速器のデューティサイクルを向上させるように、直交加速器を分析計のイオン経路面に実質的に直交する方向に向けることをさらに提案している。本技術は、周期的レンズのＺ収差に対しイオンミラーのより小さい空間Ｙ収差を利用する。しかし、直交加速器のデューティサイクルは、それでもまだ、１００，０００の分析計解像度で約０．５％に制限される。
【００１１】
特許文献５は、ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳのデューティサイクルをさらに改善するために、別の手法を導入した。この手法は、いわゆる、オープントラップ分析計を使用し、反射の数は固定されず、スペクトルは一連のイオン反射に対応するシグナル多重線から構成され、飛行時間スペクトルは多重線シグナルの復号化により回復される。この構成は、直交加速器および検出器の両方の伸長を可能とし、それにより、デューティサイクルを向上させる。
【００１２】
しかも、特許文献５および特許文献６に記載のように、周波数符号化パルシング、およびこれに続けて、スペクトル復号化ステップを使って、直交加速デューティサイクルのさらなる向上が達成できる。これらの両方の技術は、高解像度ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置（例えば、解像能力１００，０００）と組み合わされたタンデム型質量分析に特に好適する。理由は、スペクトル復号化ステップは、希薄な質量スペクトル集団に強く依存するためである。しかし、これら両方の技術は、ＭＳのみの分析計のダイナミックレンジを制限する。理由は、スペクトル集団は、主要シグナル中の１Ｅ−３〜１Ｅ−４のレベルで発生する、化学的バックグラウンドノイズが問題になるためである。
【００１３】
特許文献７および特許文献８は、ドリフトＺ方向のイオンミラーを弯曲化し、それにより、中空円筒状静電イオントラップまたはＭＲ−ＴＯＦ分析計を形成し、より高い質量分解能力のためにイオン飛行経路のさらなる延長を可能とし、また、直交加速器デューティサイクルを向上させるためにＺ方向のイオンパケットサイズの拡大を可能とすることを提案している。円筒状ＭＲ−ＴＯＦ中の極めて長い飛行経路では、質量分解能力は、もはや初期時間のイオンパケットの拡散により制限されないが、むしろ、分析計の収差により制限される。飛行時間（ＴＯＦ）の収差は、主として、（ｉ）飛行方向ＸのイオンエネルギーＫ拡散；（ｉｉ）Ｙ方向のイオンパケットの空間拡散；および（ｉｉｉ）ドリフトＺ方向のイオンパケットの空間拡散に起因し、周期的レンズの球面収差を引き起こす。
【００１４】
特許文献９は、エネルギーＫおよびＹ拡散に対するイオンミラーの等時性を改善するが、周期的レンズの収差は、残されたままの分析計の大きなＴＯＦ収差である。これらのレンズ収差を減らすために、特許文献１０は、いわゆる、準平面型イオンミラー、すなわち、空間変調イオンミラー界を開示している。しかし、このようなミラーのＴＯＦ収差の十分な除去は、Ｚ方向の静電界変調の周期がミラーウインドウのＹの高さと同程度かまたはそれより大きい場合にのみ実現できる。これは、イオン軌道の折り返しの密度および実用的な分析計サイズでの飛行経路延長を大きく制限する。さらに、Ｚ方向の周期的変調はまた、界のＹ成分に影響を与え、分析計の調整を複雑化する。このように、特許文献８の円筒状分析計は、特許文献９のミラーを改善し、特許文献１０の準平面型分析計は、より高いデューティサイクルを可能とするように直交加速器長さのある程度の伸長を可能とするが、方策は非常に限られている。
【００１５】
このように、先行技術のＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置は、高感度および高解像度両方を有する装置を得ようとして苦心している。
【００１６】
改善された分光計および改善された分光測定法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、多重反射型飛行時間質量分光計（ＭＲ  ＴＯＦ  ＭＳ）を提供し、該質量分光計は、
互いに間隔を置いて第１の次元（Ｘ次元）に配置され、それぞれ第１の次元と直交する第２の次元（Ｚ次元）に伸長している２つのイオンミラー、および
第１と第２の次元に対し一定の角度で配置される軌道に沿って移動し、イオンが第２の次元（Ｚ次元）の空間を通ってドリフトする間、第１の次元（Ｘ次元）でイオンがミラー間で繰り返して往復するようにミラーの間の前記空間にイオンパケットを導入するためのイオン導入機構、を含み、
イオンが第２の次元（Ｚ次元）で前記空間を通ってドリフトする間、イオンが第１と第２の両次元と直交する第３の次元（Ｙ次元）でも往復するようにミラーおよびイオン導入機構が配置および構成され、
分光計は、イオンが第１の次元（Ｘ次元）で複数回往復した後で、イオンを受け取るように配置されたイオン受容機構を含み、
少なくとも一部のイオン導入機構および／または少なくとも一部のイオン受容機構がミラーの間に配置される。
【００１８】
本発明は、第３の次元（Ｙ次元）でイオンを往復させるので、イオンは、イオンミラー間の第１の次元（Ｘ次元）で反射される場合、イオン導入機構および／またはイオン受容機構をバイパスすることができる。したがって、イオンが、イオン導入機構および／またはイオン受容機構に衝突することなく、イオンミラーの１つによるそれぞれの反射中に第２の次元（Ｚ次元）を移動する距離は、前記少なくとも一部のイオン導入機構の長さおよび／または前記少なくとも一部のイオン受容機構の長さ（第２の次元で測定される長さ）より小さくすることができる。したがって、第２の次元（Ｚ次元）の一定の長さを有する分析計に対し、イオンは第１の次元（Ｘ次元）で比較的大きな数の往復を行うことができ、したがって、比較的長いイオン飛行時間経路長および分析計の高解像度を得ることができる。
【００１９】
また、イオンがイオンミラー間で第１の次元（Ｘ次元）の前後に反射されるので、イオンがイオン導入機構に衝突することなく、イオン導入機構は第２の次元（Ｚ次元）で比較的長い長さを有することができる。これにより、この装置が向上したデューティサイクルおよび低減した空間電荷効果を有することが可能となる。
【００２０】
比較的長いイオン導入機構の使用により、第２の次元（Ｚ次元）に比較的長い長さを有するイオンパケットの導入が可能となる。したがって、第２の次元（Ｚ次元）でのイオンパケットの拡散または発散は、イオンパケットの長さに比べて比較的小さい。したがって、分光計は、イオン導入機構からイオン受容機構までのイオン飛行経路中にイオン光学レンズ（例えば、イオンを第２の次元に集束させるレンズ）を設けなくてもよい。これにより、このようなレンズにより導入されるはずの収差が回避される。
【００２１】
本発明はまた、イオンがイオンミラー間で第１の次元（Ｘ次元）の前後に反射されるので、イオンがイオン受容機構に衝突することなく、イオンイオン受容機構が第２の次元（Ｚ次元）で比較的長い長さを有することを可能とする。これは、例えば、イオン受容機構が検出器である場合に有用であり得る。理由は、これにより検出器の寿命およびダイナミックレンジを向上させることが可能となるためである。
【００２２】
イオンミラーは質量分析法の技術分野において良く知られた装置であるため、本明細書では詳細に説明しないことにする。しかし、本明細書で記載の実施形態では、イオンを反射するための電界を生成するように、電圧がイオンミラーの電極に印加されることは理解されよう。イオンは、電界の方向にほぼ平行な軌道に沿ってイオンミラー内に入り得、電界により減速されて、方向転換され、その後、イオンミラーの中から外へ電界にほぼ平行な方向に電界により加速される。
【００２３】
特許文献１１（Ｂｒｕｋｅｒ）および特許文献１２（Ｊｏｅｌ）はそれぞれ、飛行領域により分離されている２つの対向する電界セクターを含む装置を開示している。イオンは、対向する電界セクターにより、装置を通って８の字型のパターンで誘導される。しかし、これらの装置は、反射を行う２つのイオンミラーを有さないため、本発明のイオンミラー系より汎用性が少ない。当業者なら、電界セクターはイオンミラーではないことを理解するであろう。当業者は、ＢｒｕｋｅｒまたはＪｏｅｌの教示に基づいて、本出願で主張されるような上記のミラー系ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置に関連する問題を克服するように動機づけされないであろう。理由は、ＢｒｕｋｅｒおよびＪｏｅｌの特許は、ミラーによるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置に関連しないためである。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、イオン導入機構は、制御装置、少なくとも１種の電圧源（すなわち、少なくとも１つのＤＣおよび／またはＲＦ電圧源）、電子回路網および電極を含む。制御装置は、回路網を介して電極に電圧を印加する電圧源を制御し、第１と第２の次元に対し一定の角度の前記軌道に沿ってイオンをイオンミラーの１つにパルス出力するように配置および構成されたプロセッサーを含み得る。プロセッサーはまた、回路網を介して電極に電圧を印加する電圧源を制御し、第３の次元（Ｙ次元）でイオンが往復するように、１つのイオンミラー中に、およびそのミラー軸に対して一定の角度または位置で、イオンをパルス出力するように配置および構成され得る。あるいは、または追加して、分光計はまた、制御装置、少なくとも１つの電圧源（すなわち、少なくとも１つのＤＣおよび／またはＲＦ電圧源）、第３の次元（Ｙ次元）でイオンを往復させるように電子回路網およびミラー電極に印加される電圧を回路網を介して制御するための電極を含む。
【００２５】
イオンは、第３の次元（Ｙ次元）で軸のまわりおよび最大振幅の位置間で往復し得、前記少なくとも一部のイオン導入機構および／または前記少なくとも一部のイオン受容機構は、最大振幅の位置間の空間の一部のみのまわりで伸長するように配置され得る。これにより、イオン導入機構および／またはイオン受容機構が存在しない空間を通ってイオンが移動し、それにより、少なくとも一部の第１の次元（Ｘ次元）中での往復中に、これら両構成要素の１つをバイパスするのが可能となる。
【００２６】
前記少なくとも一部のイオン導入機構の位置および次元が本明細書で言及される場合、これらは、最大振幅の位置間に配置されたイオン導入機構の一部の位置および次元を指し得る。同様に、前記少なくとも一部のイオン受容機構の位置および次元が本明細書で言及される場合、これらは、最大振幅の位置間に配置されたイオン受容機構の一部の位置および次元を指し得る。
【００２７】
イオンミラーおよびイオン導入機構は、第１の次元（Ｘ次元）のミラー間でのイオンのそれぞれの反射中にイオンを第２の次元（Ｚ次元）に距離ＺＲ移動させるように構成され得る。この場合、距離ＺＲは、前記少なくとも一部のイオン導入機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さおよび／または前記少なくとも一部のイオン受容機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さより小さい。前記少なくとも一部のイオン導入機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さは、ミラー間に配置されたイオン導入機構の一部の長さ、または最大振幅の前記位置間に配置されたイオン導入機構の一部の長さであってよい。同様に、前記少なくとも一部のイオン受容機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さは、ミラー間に配置されたイオン受容機構の一部の長さ、または最大振幅の前記位置間に配置されたイオン受容機構の一部の長さであってよい。
【００２８】
必要に応じて、前記少なくとも一部のイオン導入機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さおよび／または前記少なくとも一部のイオン受容機構の第２の次元（Ｚ次元）の長さは、距離ＺＲの距離の４倍までである。
【００２９】
イオンミラーおよびイオン導入機構は、イオンが第１と第２の次元（ＸおよびＺ次元）で前記少なくとも一部のイオン導入機構と同じ位置を有する場合、イオンが第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、イオンを第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成し得、それにより、イオンが第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、イオンの軌道が前記イオン導入機構を少なくとも１回バイパスする。
【００３０】
あるいは、または追加して、イオンミラーおよびイオン導入機構は、イオンが第１と第２の次元（ＸおよびＺ方向）で前記少なくとも一部のイオン受容機構と同じ位置を有する場合、イオンが第３の次元（Ｙ次元）で異なる位置を有するように、イオンを第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で、種々速度で往復させるように構成し得、それにより、イオンが第１の次元（Ｘ次元）で往復する間、イオンの軌道が前記イオン受容機構を少なくとも１回バイパスする。
【００３１】
ミラーおよびイオン導入機構は、≧０．５ｍｍ、≧１ｍｍ、≧１．５ｍｍ、≧２ｍｍ、≧２．５ｍｍ、≧３ｍｍ、≧３．５ｍｍ、≧４ｍｍ、≧４．５ｍｍ、≧５ｍｍ、≧６ｍｍ、≧７ｍｍ、≧８ｍｍ、≧９ｍｍ、≦１０ｍｍ、≦９ｍｍ、≦８ｍｍ、≦７ｍｍ、≦６ｍｍ、≦５ｍｍ、≦４．５ｍｍ、≦４ｍｍ、≦３．５ｍｍ、≦３ｍｍ、≦２．５ｍｍ、および≦２ｍｍからなる群より選択される振幅で第３の次元（Ｙ次元）でイオンが往復するように構成されてよい。イオンは、上記範囲のいずれか１つの組み合わせにより規定される範囲の振幅で、第３の次元（Ｙ次元）の方向に往復し得る。
【００３２】
発明者らは、分析計収差は、第３の次元（Ｙ次元）でのイオンの変位の振幅と共に急速に増大し得ることに気付いた。したがって、イオンパケットの第３の次元（Ｙ次元）での適度の変位を維持することが望ましいであろう。
【００３３】
第３の次元（Ｙ次元）で適度の変位を達成するために、イオン導入機構またはイオン受容機構は第３の次元（Ｙ次元）の方向で相対的に狭くし得る。例えば、これらの構成要素は、抵抗ボードを使って形成し得る。イオン導入機構は、またはイオン受容機構は、第３の次元（Ｙ次元）で、≦１０ｍｍ、≦９ｍｍ、≦８ｍｍ、≦７ｍｍ、≦６ｍｍ、≦５ｍｍ、≦４．５ｍｍ、≦４ｍｍ、≦３．５ｍｍ、≦３ｍｍ、≦２．５ｍｍ、および≦２ｍｍ、からなる群より選択される幅を有してよい。
【００３４】
イオンは、第３の次元（Ｙ次元）で軸のまわりを最大往復振幅で往復し、前記少なくとも一部のイオン導入機構および／または前記少なくとも一部のイオン受容機構は、第３の次元（Ｙ次元）の軸から、最大往復振幅より小さい距離だけ離して配置され得る。
【００３５】
必要に応じて、ミラーおよびイオン導入機構は、≧０．５ｍｍ、≧１ｍｍ、≧１．５ｍｍ、≧２ｍｍ、≧２．５ｍｍ、≧３ｍｍ、≧３．５ｍｍ、≧４ｍｍ、≧４．５ｍｍ、≧５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、≦２０ｍｍ、≦１５ｍｍ、≦１０ｍｍ、≦９ｍｍ、≦８ｍｍ、≦７ｍｍ、≦６ｍｍ、≦５ｍｍ、≦４．５ｍｍ、≦４ｍｍ、≦３．５ｍｍ、≦３ｍｍ、≦２．５ｍｍ、および≦２ｍｍ、からなる群より選択される振幅により第１の次元（Ｘ次元）でイオンが往復するように構成され得る。
【００３６】
イオンは、第１の次元（Ｘ次元）で軸のまわりを最大往復振幅で往復し、前記少なくとも一部のイオン導入機構および／または前記少なくとも一部のイオン受容機構は、第１の次元（Ｘ次元）の軸から、最大往復振幅より小さい距離だけ離して配置され得る。
【００３７】
イオンミラーおよびイオン導入機構は、使用時には、イオンが第２の次元（Ｚ次元）のイオンミラー間の前記空間を通ってドリフとする間、第１の次元（Ｘ次元）および／または第３の次元（Ｙ次元）でイオンが周期的に往復するように構成され得る。
【００３８】
イオンミラーは、イオンが第１の次元（Ｘ次元）のイオンミラー間で４回の往復を行うのに要する時間に対応する時間でイオンパケットが、第３の次元（Ｙ次元）で往復するように配置および構成され得る。
【００３９】
イオンは、第１と第３の次元により画定される平面内で、組み合わされた周期的往復を有するように、第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で往復し得る。組み合わされた往復の時間は、第１の次元（Ｘ次元）での２〜４回のイオンミラー反射に要する時間に対応し得る。
【００４０】
イオン導入機構を離れるイオンと、イオン受容機構で受け取られるイオンとの間の、第１の次元（Ｘ次元）および／または第３の次元（Ｙ次元）でのイオンミラー反射の合計数は、２の倍数または４の倍数であってよい。例えば、反射の合計数は、≧２、≧４、≧６、≧８、≧１０、≧１２、≧１４、または≧１６であってよい。
【００４１】
第３の次元（Ｙ次元）での座標および角度線形エネルギー分散は、（ｉ）２回のイオンミラー反射毎の後に、（ｉｉ）４回のイオンミラー反射毎の後に、または（ｉｉｉ）イオンがイオン受容機構に受け取られる時間までに除去され得る。
【００４２】
空間の位相空間は、（ｉ）２回のイオンミラー反射毎の後に、（ｉｉ）４回のイオンミラー反射毎の後に、または（ｉｉｉ）イオンがイオン受容機構に受け取られる時間までに、第１の次元（Ｘ次元）および第３の次元（Ｙ次元）で画定される平面内で単線形変換を受け得る。
【００４３】
イオンは、第３の次元（Ｙ次元）の往復軸のまわりで往復し、分光計は、（ｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構が第３の次元（Ｙ次元）の軸から間隔を置いて配置される、または（ｉｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構の内の一方が、軸上に配置され、前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構のもう一方が第３の次元（Ｙ次元）の軸から間隔を置いて配置される、または（ｉｉｉ）前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構の両方が、軸上に配置される、のいずれかであるように配置および構成され得る。
【００４４】
前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構は、それらが第３の次元（Ｙ次元）の同じ側に配置されるように、またはそれらが第３の次元（Ｙ次元）の軸の異なる側上に配置されるように、軸から間隔を置いて配置され得る。
【００４５】
前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構は、第２の次元（Ｚ次元）で装置の反対端で間隔を置いて配置され得る。あるいは、前記少なくとも一部のイオン導入機構および前記少なくとも一部のイオン受容機構は、装置の第１の端に配置され得、イオンは、前記少なくとも一部のイオン受容機構に到達するように、装置の第１の端の方向にドリフトして戻るように反射される前に、最初は、第２の、装置の反対端の方向（第２の次元の方向）にドリフトし得る。
【００４６】
少なくとも一部のイオン導入機構は、イオンが通過して出ていくまたは機構から放出されるイオン出口面を有し、前記少なくとも一部のイオン受容機構は、イオンが機構に入るまたは衝突するイオン入力面を有する。イオンは、第１の次元（Ｘ次元）の往復軸のまわりで往復し、必要に応じて、（ｉ）イオン出口面およびイオン入力面の両方が軸上に配置される、または（ｉｉ）イオン出口面およびイオン入力面が第１の次元（Ｘ次元）で軸から間隔を置いて配置される、または（ｉｉｉ）イオン出口面およびイオン入力面の内の一方が軸上に配置され、イオン出口面およびイオン入力面のもう一方が第１の次元（Ｘ次元）で軸から間隔を置いて配置される。
【００４７】
前記少なくとも一部のイオン受容機構は、イオンが第３の次元（Ｙ次元）で１回または複数回往復した後で、ミラー間の空間からイオンを受け取るためにミラー間に配置され得る。
【００４８】
前記少なくとも一部のイオン受容機構は、イオン検出器であってよい。イオン検出器はイオンミラー間に配置され得る。
【００４９】
前記イオン検出器は、イオン−電子変換器、電子加速器および電子を電子検出器に誘導する磁石または電極を含み得る。この構成により、イオン検出器が第３の次元（Ｙ次元）で、例えば、第３の次元（Ｙ次元）でのイオンの往復の振幅に比べて小さいサイズの外周を有することが可能となる。これにより、イオンが検出器に衝突すること必要になるまで、前記イオン軌道との干渉を回避するように、イオン検出器（磁石を含む）が第３の次元（Ｙ次元）に変位されるのが可能となる。イオンの検出器への衝突により生成される二次電子は、不均一な磁界または静電界により、検出器に集束され得る（高速検出器ではより小さいスポットのために）または検出器に対しデフォーカスされ得る（より長い検出器寿命のために）。
【００５０】
あるいは、イオン受容機構は、イオンガイドを含んでよく、前記少なくとも一部のイオン受容機構はイオンガイドへの入口であってよい。
【００５１】
分光計は、イオンミラー間の空間の外側に配置されたイオン検出器をさらに含み得る。また、イオンガイドがイオンミラー間の前記空間からイオン受け取り、イオン検出器にイオンを誘導するように配置および構成され得る。
【００５２】
イオンガイドは、電気または磁気セクターであってもよい。
【００５３】
セクターは、イオンミラー間の空間から検出器またはイオン分析計まで等時性イオン輸送するように配置および構成され得る。
【００５４】
イオンガイドは、イオンが沿って移動する長手方向軸を有し得、長手方向軸は湾曲している。
【００５５】
上述のように、前記少なくとも一部のイオン受容機構（例えば、イオンガイドへの入口）は、第３の次元（Ｙ次元）でイオンがそのまわりを往復する軸から第３の次元（Ｙ次元）の方向に変位しても、またはその軸の上に配置されてもよい。前記少なくとも一部のイオン受容機構の位置を特徴付ける場合、それは、言及される入口の中心軸であるのが好ましい。
【００５６】
あるいは、イオン受容機構は、イオンをミラー間の空間から、必要に応じて、イオンミラー間の空間の外側に配置された検出器の方向に曲げるイオンデフレクターであってよい。
【００５７】
イオン導入機構は、イオンをミラー間の空間に導入するステップを実施するように、ミラー間に配置され、イオンパケットを放出する、またはイオンパケットを生成して放出するように構成されたパルスイオン源であってよい。
【００５８】
パルスイオン源は、直交加速器またはイオンビームをイオンパケットに変換するイオントラップパルス変換器を含む。
【００５９】
直交加速器またはイオントラップは、連続イオンビームをパルスイオンパケットに変換するように構成し得る。
【００６０】
イオントラップは線形イオントラップであってよく、これは、第２の次元（Ｚ次元）に伸長され得る。
【００６１】
直交加速器またはイオントラップは、第３の次元（Ｙ次元）で最小限の数ｍｒａｄのイオンパケット発散を与える静電レンズを末端とするグリッドレス加速器を含み得る。
【００６２】
イオン源は、第１と第２の次元に対し一定の角度で配置された前記軌道に沿って通すようにイオンを誘導するための、パルスまたは連続イオンステアリング装置の内の１つまたは複数を含み得る。１つまたは複数のステアリング装置は、ステアリング角により、第１と第３の次元（Ｘ−Ｙ面）により画定される面内、および／または第１と第２の次元により画定される面内でイオンを曲げ得る。
【００６３】
直交加速器またはイオントラップは、第２の次元（Ｚ次元）に対し傾斜させた軸に沿ってイオンビームを受け取るように構成され得る。また、傾斜角およびステアリング角は、分光計の少なくとも一部の飛行時間収差の相互補償をするように配置される。
【００６４】
あるいは、イオン導入機構は、イオンガイドを含んでよく、前記少なくとも一部のイオン導入機構はイオンガイドの出口であってよい。
【００６５】
分光計は、イオンミラー間の空間の外側に配置されたイオン源をさらに含み得る。また、イオンガイドが、第１と第２の次元に対し一定の角度で配置された前記軌道に沿って通過するように、前記イオン源からイオンを受け取り、イオンを前記空間に誘導するように配置および構成され得る。
【００６６】
イオンガイドは、電気または磁気セクターであってよい。
【００６７】
セクターは、イオン源からイオンミラー間の空間まで等時性イオン輸送するように配置および構成され得る。
【００６８】
イオンガイドは、イオンが沿って移動する長手方向軸を有し得、長手方向軸は湾曲している。
【００６９】
上述のように、前記少なくとも一部のイオン導入機構（例えば、イオンガイドの出口）は、第３の次元（Ｙ次元）でイオンがそのまわりを往復する軸から第３の次元（Ｙ次元）の方向に変位しても、またはその軸の上に配置されてもよい。前記少なくとも一部のイオン導入機構の位置を特徴付ける場合、それは、言及される出口の中心軸であるのが好ましい。
【００７０】
あるいは、前記少なくとも一部のイオン導入機構は、イオンの軌道を曲げるイオンデフレクターであってよい。
【００７１】
イオンミラーは、相互に平行であってもよい。
【００７２】
イオンミラーは、静電ミラーであってもよい。
【００７３】
イオンミラーは、グリッドレスイオンミラーであってもよい。
【００７４】
イオンは第３の次元（Ｙ次元）で、往復軸のまわりで往復し、イオンミラーは、第１と第２の次元の軸を通って伸長する面（Ｘ−Ｚ面）に対し対称であり得る、および／またはイオンミラーは、第２および第３の次元の軸を通って伸長する面（Ｙ−Ｚ面）に対し対称であり得る。
【００７５】
イオンミラーは、平面型であってもよい。
【００７６】
イオンミラーは、Ｚ次元の平均イオン軌道がまっすぐである、または好ましさには幾分劣るが、湾曲しているように構成され得る。
【００７７】
本明細書で記載のイオンミラーは、少なくとも４次のエネルギー当たりの時間集束に達するための別の電位を維持し得るフラットキャップ電極を含み得る。
【００７８】
第３の次元（Ｙ次元）でイオンが往復する最大振幅は、イオンミラー中のウインドウの第３の次元（Ｙ次元）での高さＨの１／８〜１／４であり得る。
【００７９】
イオンミラー電界は、それぞれの４回の反射後に、イオンパケットの空間の位相空間の色収差補正単変換を可能とするように調整され、等倍率によるポイントツーポイントおよびパラレルツーパラレルイオンビーム変換を可能とし得る（図５に示すように）。
【００８０】
合計イオン飛行経路は、イオンミラーからの少なくとも１６反射を含み得る。
【００８１】
一般的イオン光学理論では、記載した性質は、空間拡散に対して低減した時間収差を与え、したがって、第３の次元（Ｙ次元）で往復するイオンの等時性を改善する。
【００８２】
分光計は、イオンミラー間およびイオン導入機構とイオン受容機構との間のイオン飛行経路に配置された１つまたは複数のビームストップをさらに含み得る。１つまたは複数のビームストップは、第２の次元（Ｚ次元）で測定したそれぞれのイオンビームパケットの前端および／または後端に位置するイオンの通過を遮断するように配置および構成し得る。あるいは、または追加して、それぞれのイオンパケットは、イオン導入機構からイオン受容機構へ移動する間、第２の次元（Ｚ次元）に発散し得る。また、１つまたは複数のビームストップは、所定の量を超えて平均イオン軌道から発散するイオンパケット中のイオンの通過を遮断するように配置および構成され得る。
【００８３】
少なくとも１つのビームストップは、補助イオン検出器であってもよい。
【００８４】
分光計は、第１の次元（Ｘ次元）において、イオンがミラー間で所望の数の往復を行った後に、イオンを検出するように配置および構成された主イオン検出器；前記補助イオン検出器であって、それぞれのイオンパケットの一部のイオンを検出し、それぞれのイオンパケット中のイオンの強度を決定するように配置および構成された補助イオン検出器；および補助検出器により検出された強度に基づいて、主イオン検出器ゲインを制御するための制御システム、を含み得る。
【００８５】
分光計は、第１の次元（Ｘ次元）において、イオンがミラー間で所望の数の往復を行った後に、イオンを検出するように配置および構成された主イオン検出器；前記補助イオン検出器であって、それぞれのイオンパケットの一部のイオンを検出するように配置および構成された補助イオン検出器；および補助イオン検出器からのシグナル出力に基づいてイオンパケットの軌道を誘導するための、また、必要に応じて、イオン導入機構から主イオン検出器へのイオン伝送を最適化するための制御システムを含み得る。
【００８６】
イオンを第２の次元（Ｚ次元）に集束させるための１つまたは複数のイオンレンズを、ミラー間に備えても、または備えなくてもよい。第２の次元（Ｚ次元）方向に伸長したイオンパケットの大きな球面収差を避けるように、このようなレンズの使用を回避することが望ましい場合がある。第２の次元（Ｚ次元）でのイオンパケットの初期長さは、分析計を通過する間の第２の次元（Ｚ次元）におけるイオンパケットの固有の拡散より長くなるように選択され得る。その代わりに、後述のように、ビームストップを使って、スペクトルのオーバーラップを避けてもよい。しかし、特許文献１０に記載のように、準平面空間変調イオンミラーと組み合わせる場合には、周期的レンズを使い得ることが意図されている。
【００８７】
また、本発明は、飛行時間質量分析方法を提供し、該方法は、
互いに間隔を置いて第１の次元（Ｘ次元）に配置され、それぞれ第１の次元と直交する第２の次元（Ｚ次元）に伸長している２つのイオンミラーを用意すること、
イオンが、第１と第２の次元に対し一定の角度で配置される軌道に沿って移動し、イオンが第２の次元（Ｚ次元）の空間を通ってドリフトする間、第１の次元（Ｘ次元）でイオンがミラー間で繰り返して往復するようにイオン導入機構を使ってミラーの間の前記空間にイオンパケットを導入すること、
イオンが第２の次元（Ｚ次元）で前記空間を通ってドリフトする間、第１と第２の両次元と直交する第３の次元（Ｙ次元）でイオンを往復させること、
イオンが第１の次元（Ｘ次元）で複数回往復した後で、イオン受容機構中にまたはその上でイオンを受け取ること、を含み、
少なくとも一部のイオン導入機構および／または少なくとも一部のイオン受容機構がミラーの間に配置される方法。
【００８８】
この方法で使用される分光計は、本明細書で記載の任意の特徴のいずれかを有してよい。
【００８９】
第２の次元（Ｚ次元）でＭＲ−ＴＯＦ分析計の適度な長さを有すると同時に、高ＭＲ−ＴＯＦ解像度を得るために、第１の次元（Ｘ次元）に対し約１０〜２０ｍｒａｄの角度でイオンを注入するのが望ましい。
【００９０】
イオン軌道は、イオンミラー（単一または複数）による１つまたは複数の反射の後で、第１の次元（Ｘ次元）および第２の次元（Ｚ次元）により画定される面内でオーバーラップをさせてもよい。これは、イオンが注入される角度の低減を可能とし、したがって、第２の次元（Ｚ次元）における装置の全体長さを短縮可能とする。
【００９１】
本明細書で記載の分光計は、下記を含み得る。
（ａ）（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝突（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源、（ｘｘｉ）インパクタイオン源、（ｘｘｉｉ）リアルタイム直接分析（「ＤＡＲＴ」）イオン源、（ｘｘｉｉｉ）レーザースプレーイオン化（「ＬＳＩ」）イオン源、（ｘｘｉｖ）ソニックスプレーイオン化（「ＳＳＩ」）イオン源、（ｘｘｖ）マトリックス支援入口イオン化（「ＭＡＩＩ」）イオン源、（ｘｘｖｉ）溶媒支援入口イオン化（「ＳＡＩＩ」）イオン源、（ｘｘｖｉｉ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｘｖｉｉｉ）レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化（「ＬＡＥＳＩ」）イオン源からなる群より選択されるイオン源、および／または、
（ｂ）１つまたは複数の連続またはパルスイオン源、および／または
（ｃ）１つまたは複数のイオンガイド、および／または
（ｄ）１つまたは複数のイオン移動度分離装置および／または１つまたは複数の電界非対称イオン移動度分光計装置、および／または
（ｅ）１つまたは複数のイオントラップまたは１つまたは複数のイオントラップ領域、および／または
（ｆ）（ｉ）衝突誘発解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーション装置、（ｉｉ）表面誘発解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーション装置、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーション装置、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーション装置、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメンテーション装置、（ｖｉ）光誘発解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーション装置、（ｖｉｉ）レーザー誘発解離フラグメンテーション装置、（ｖｉｉｉ）赤外線照射誘発解離装置、（ｉｘ）紫外線照射誘発解離装置、（ｘ）ノズルスキマーインターフェースフラグメンテーション装置、（ｘｉ）インソースフラグメンテーション装置、（ｘｉｉ）インソース衝突誘発解離フラグメンテーション装置、（ｘｉｉｉ）熱源または温度源フラグメンテーション装置、（ｘｉｖ）電界誘発フラグメンテーション装置、（ｘｖ）磁界誘導フラグメンテーション装置、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメンテーション装置、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーション装置、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーション装置、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉｉｉ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−イオン反応装置、（ｘｘｉｖ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−分子反応装置、（ｘｘｖ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−原子反応装置、（ｘｘｖｉ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−準安定イオン反応装置、（ｘｘｖｉｉ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−準安定分子反応装置、（ｘｘｖｉｉｉ）付加またはプロダクトイオンを形成するようにイオンを反応させるためのイオン−準安定原子反応装置、および（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーション装置からなる群から選択された１つまたは複数の衝突、フラグメンテーション、または反応セル、および／または
（ｈ）１つまたは複数のエネルギー分析計または静電エネルギー分析計、および／または
（ｉ）１つまたは複数のイオン検出器、および／または
（ｊ）（ｉ）四重極型マスフィルター、（ｉｉ）２Ｄまたは線形四重極型イオントラップ、（ｉｉｉ）ポールまたは３Ｄ四重極型イオントラップ、（ｉｖ）ペニングイオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁界型マスフィルター、（ｖｉｉ）飛行時間型マスフィルター、（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルターからなる群から選択される１つまたは複数のマスフィルター、および／または
（ｋ）イオンパルスを発生させるための装置またはイオンゲート、および／または
（ｌ）実質的に連続的なイオンビームをパルスイオンビームに変換する装置。
【００９２】
分光計は、静電イオントラップまたは誘導検出およびタイムドメインシグナルを質量電荷比ドメインシグナルまたはスペクトルに変換するタイムドメインシグナル処理を採用している質量分析計を含み得る。前記シグナル処理は、限定されないが、フーリエ変換、確率解析、フィルター対角化、フォワードフィッティングまたは最小二乗フィッティングを含み得る。
【００９３】
分光計は、下記のいずれかを含み得る。
（ｉ）四重極対数ポテンシャル分布を有する静電界を形成する外側の樽形電極と、同軸内側の紡錘形電極とを備えるＣトラップおよび質量分析計であって、第１の操作モードのイオンがＣトラップへ透過されて、次いで、質量分析計内へ注入され、第２の操作モードのイオンが、Ｃトラップへ透過された後に、衝突セルまたは電子移動解離装置へ送られ、少なくとも一部のイオンが、フラグメントイオンにフラグメント化され、フラグメントイオンが、その後、質量分析計内へ注入される前に、Ｃトラップへ透過される、Ｃトラップおよび質量分析計、および／または
（ｉｉ）使用中にイオンが透過される開口部を各々有する、複数の電極を備える積層リングイオンガイドであって、電極の間隔がイオン経路の長さに沿って増加し、イオンガイドの上流区画内の電極の開口部が、第１の直径を有し、イオンガイドの下流区画内の電極の開口部が、第１の直径よりも小さい第２の直径を有し、ＡＣまたはＲＦ電圧の逆位相が、使用中に、後行電極に印加される、積層リングイオンガイド。
【００９４】
分光計は、ＡＣまたはＲＦ電圧を電極に供給するように配置および適合される装置を含み得る。ＡＣまたはＲＦ電圧は、（ｉ）最大値−最小値：５０Ｖ未満、（ｉｉ）最大値−最小値：５０〜１００Ｖ、（ｉｉｉ）最大値−最小値：１００〜１５０Ｖ、（ｉｖ）最大値−最小値：１５０〜２００Ｖ、（ｖ）最大値−最小値：２００〜２５０Ｖ、（ｖｉ）最大値−最小値：２５０〜３００Ｖ、（ｖｉｉ）最大値−最小値：３００〜３５０Ｖ、（ｖｉｉｉ）最大値−最小値：３５０〜４００Ｖ、（ｉｘ）最大値−最小値：４００〜４５０Ｖ、（ｘ）最大値−最小値：４５０〜５００Ｖ、および（ｘｉ）最大値−最小値：５００Ｖ超からなる群から選択される振幅を有してよい。
【００９５】
ＡＣまたはＲＦ電圧は、（ｉ）１００ｋＨｚ未満、（ｉｉ）１００〜２００ｋＨｚ、（ｉｉｉ）２００〜３００ｋＨｚ、（ｉｖ）３００〜４００ｋＨｚ、（ｖ）４００〜５００ｋＨｚ、（ｖｉ）０．５〜１．０ＭＨｚ、（ｖｉｉ）１．０〜１．５ＭＨｚ、（ｖｉｉｉ）１．５〜２．０ＭＨｚ、（ｉｘ）２．０〜２．５ＭＨｚ、（ｘ）２．５〜３．０ＭＨｚ、（ｘｉ）３．０〜３．５ＭＨｚ、（ｘｉｉ）３．５〜４．０ＭＨｚ、（ｘｉｉｉ）４．０〜４．５ＭＨｚ、（ｘｉｖ）４．５〜５．０ＭＨｚ、（ｘｖ）５．０〜５．５ＭＨｚ、（ｘｖｉ）５．５〜６．０ＭＨｚ、（ｘｖｉｉ）６．０〜６．５ＭＨｚ、（ｘｖｉｉｉ）６．５〜７．０ＭＨｚ、（ｘｉｘ）７．０〜７．５ＭＨｚ、（ｘｘ）７．５〜８．０ＭＨｚ、（ｘｘｉ）８．０〜８．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｉ）８．５〜９．０ＭＨｚ、（ｘｘｉｉｉ）９．０〜９．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｖ）９．５〜１０．０ＭＨｚ、および（ｘｘｖ）１０．０ＭＨｚ超からなる群から選択される周波数を有してよい。
【００９６】
分光計はイオン源の上流に、クロマトグラフィーまたはその他の分離装置を備えてもよい。クロマトグラフィー分離装置は、液体クロマトグラフィーまたはガスクロマトグラフィー装置を含み得る。別の実施形態では、分離装置は、キャピラリー電気泳動法（「ＣＥ」）分離装置、（ｉｉ）キャピラリー電気クロマトグラフィー（「ＣＥＣ」）分離装置、（ｉｉｉ）実質的に剛体のセラミック系多層マイクロ流体基板（「セラミックタイル」）分離装置、または（ｉｖ）超臨界流体クロマトグラフィー分離装置を含み得る。
【００９７】
イオンガイドは、（ｉ）０．０００１ｍｂａｒ未満、（ｉｉ）０．０００１〜０．００１ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒ、（ｉｖ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｖｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１００〜１０００ｍｂａｒ、および（ｉｘ）１０００ｍｂａｒ超から成る群より選択される圧力で維持し得る。
【００９８】
分析物イオンは、電子移動解離フラグメンテーション装置で電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメント化に供し得る。分析物イオンをイオンガイドまたはフラグメンテーション装置内のＥＴＤ試薬イオンと相互作用させ得る。
【００９９】
以降で、付随する図を参照しながら種々の本発明の実施形態が例示のみの目的で説明される。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】先行技術によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による多重反射型飛行時間質量分析方法のブロック図を示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態によるＭＲＴＯＦ分析計のＸ−Ｙ面中のイオン軌道のシミュレーション図および概略図を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態によるＭＲＴＯＦ分析計のＸ−Ｙ面中のイオン軌道のシミュレーション図および概略図を示す。
【図４Ａ】本発明の一実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、イオン源および検出器はＹ方向で変位される。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、イオン源および検出器はＹ方向で変位される。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、イオン源および検出器はＹ方向で変位される。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、イオン源および検出器はＹ方向で変位される。
【図５Ａ】等時性軸外イオン運動のために最適化されたグリッドレスイオンミラーの例を示す。
【図５Ｂ】等時性軸外イオン運動のために最適化されたグリッドレスイオンミラーの例を示す。
【図５Ｃ】空間拡散およびエネルギー拡散に対し、飛行時間収差を低減するために最適化された分析計中のイオン軌道例のＸ−Ｙ面への投影図を示す。
【図５Ｄ】空間拡散およびエネルギー拡散に対し、飛行時間収差を低減するために最適化された分析計中のイオン軌道例のＸ−Ｙ面への投影図を示す。
【図５Ｅ】空間拡散およびエネルギー拡散に対し、飛行時間収差を低減するために最適化された分析計中のイオン軌道例のＸ−Ｙ面への投影図を示す。
【図６Ａ】図５Ａ〜図５Ｂの分析計のイオン光学的シミュレーション結果を示す図である。
【図６Ｂ】図５Ａ〜図５Ｂの分析計のイオン光学的シミュレーション結果を示す図である。
【図６Ｃ】図５Ａ〜図５Ｂの分析計のイオン光学的シミュレーション結果を示す図である。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、電界セクターを使って、イオンが飛行時間領域から注入および抽出される。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、電界セクターを使って、イオンが飛行時間領域から注入および抽出される。
【図８Ａ】本発明のさらなる実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、デフレクターを使って、イオンの初期軌道が制御される。
【図８Ｂ】本発明のさらなる実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、デフレクターを使って、イオンの初期軌道が制御される。
【図８Ｃ】本発明のさらなる実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、デフレクターを使って、イオンの初期軌道が制御される。
【図９Ａ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図９Ｂ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図９Ｃ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図９Ｄ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図９Ｅ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図９Ｆ】本発明の別の実施形態によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの２次元および３次元概略図を示し、種々の異なるタイプのパルス変換器を使って、イオンが飛行時間領域に注入される。
【図１０】検出器４４は、４回のイオンミラー反射後にのみイオンが検出器４４に衝突するように配置される以外は、図４Ｃに示すものと同じである実施形態のＹ−Ｚ面の図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０１】
本発明の理解を手助けするために、図１を参照しながら、先行技術装置についてここで説明される。図１は、特許文献２の「折り返し経路」の平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳの略図を示す。この特許は参照により本明細書に組み込まれる。平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ１１は、２つのグリッドレス静電ミラー１２を含み、それぞれ、ドリフトＺ方向に伸長した３つの電極から構成される。それぞれのイオンミラーは、Ｘ−Ｙ面で２次元静電界を形成する。イオン源１３（例えば、パルスイオン変換器）およびイオン受容器１４（例えば、検出器）が前記イオンミラー１２の間のドリフト空間に配置され、Ｚ方向に間隔を置いて配置される。イオンパケットは、イオン源１３により生成され、Ｘ軸に対し小さい傾斜角度αでミラー１２の間の飛行時間領域に注入される。したがって、イオンは、Ｘ方向に速度を有し、また、Ｚ方向にドリフト速度を有する。イオンは、イオン源１３から検出器１４までＺ方向に移動する間、イオンミラー１２の間で複数回反射される。したがって、イオンは装置を通るジグソー型イオン軌道１５、１６、１７を有する。
【０１０２】
イオンは、ドリフトＺ方向で、１回のミラー反射あたり平均距離ＺＲ≒Ｃ*ｓｉｎαだけ前進する。式中、Ｃはイオン反射点間のＸ方向の距離である。イオン軌道１５および１６は、イオン源１３中の初期イオンパケット幅ＺＳに起因するイオン軌道の拡散を表す。軌道１６および１７は、イオンパケットが装置を通って移動するのに伴うイオンパケットの角度発散を表す。これは、イオンが検出器１４に到達する時間までに、Ｚ方向のイオンパケットの幅を量ｄＺだけ増やす。イオンパケットが検出器１４に到達する時間までの、イオンパケットの全体拡散は、ＺＤで表される。
【０１０３】
ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ１１は、ドリフトＺ方向でのイオン集束を備えていないので、イオンビームが検出器１４に到達する時間までに、Ｚ方向に過度に分散される前に実行できるイオンミラー１２の間の反射サイクルの数が制限される。したがって、この配置は、反射当たりの特定のイオン軌道の前進量ＺＲを必要とする。このＺＲは、イオンの分散によるおよびスペクトル混同の原因となるイオン軌道のオーバーラップを避けるために特定の値を超える必要がある
【０１０４】
特許文献１３（参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているように、既知の直交イオン加速器、半径方向トラップおよびパルスイオン源に対し、現実的な最小イオンパケットの発散は、約＋／−１ｍｒａｄであることが予測される。現実的なイオン源におけるイオンの初速度と空間拡散の組み合わせは、最大エネルギー拡散時のイオンの最小往復所用時間を制限する。ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置がＲ＝２０００００を超える質量分解能力に到達するためには、装置の飛行時間領域を通るイオン飛行経路を、少なくとも１６ｍに延長する必要がある。したがって、検出器１４の位置でのＺ方向のビーム幅：ＺＤは約３０ｍｍであると予測される。さらに、先行技術装置１１における隣接するミラー反射間のイオン軌道およびシグナルのオーバーラップを避けるために、ミラー反射当たりのイオン軌道の前進量ＺＲは、検出器位置でのパケット拡散ＺＤを超えるように、少なくとも５０ｍｍとする必要がある。したがって、Ｚ方向での１６反射に対する合計前進量（すなわち、イオン源１３と検出器１４との間の距離）は、ＺＡ＞８００ｍｍである。Ｚエッジフリンジ電界、電極幅、電気絶縁のための間隙および真空チャンバー幅を考慮すると、Ｘ−Ｚ面における推定分析計の大きさは、１ｍｘ１ｍを超えるものとなるであろう。これは、例えば、真空チャンバーが大きすぎ、不安定になると思われるという理由で、市販の装置としての実用的な大きさを超えている。
【０１０５】
このような平面型ＭＲ−ＴＯＦ分析計１１の別の問題は、直交加速器１３に起因する小さいデューティサイクルである。例えば、ミラー反射当たりのイオン軌道前進量ＺＲ＝５０ｍｍおよび検出器の位置でのビーム幅ＺＤ＝４０ｍｍの場合に、スペクトルオーバーラップを避けるために、それぞれの注入イオンパケットの幅は、約ＺＳ＝１０ｍｍに制限される。直交加速器のデューティサイクルは、比率ＺＳ／ＺＡとして推定でき、したがって、例えば、ＺＡ＞８００ｍｍの場合、約１％である。したがって、より小さい分析計を使った場合、デューティサイクルは急速に減少し、これよりもさらに低下する。
【０１０６】
本発明の実施形態は、向上したデューティサイクル、高解像度および実用的な大きさを有する平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置を提供する。例えば、装置は、向上したデューティサイクルを有すると同時に、２００，０００を超える解像度を達成し、０．５ｍｘ１ｍ未満の大きさである。
【０１０７】
発明者らは、イオンがイオンミラー１２の間で反射される場合に、イオン源１３（例えば、直交加速器）に衝突しないようにＸ−Ｙ面内でイオンを往復させることにより、平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置を実質的に改善し得ることに気付いた。あるいは、または追加して、イオンは、少なくとも所定の数のイオンミラー反射を行うまで、受容器１４（例えば、検出器）と衝突しないようにＸ−Ｙ面内で往復し得る。したがって、実施形態は、イオンがＸ−Ｙ面内で往復すること以外は、図１に関連して示し、説明した装置と類似の装置に関する。
【０１０８】
図２は、本発明の一実施形態による多重反射型飛行時間質量分析方法２１を示すフローチャートを示す。方法は、次のステップを含む。（ａ）２つの実質的に平行に整列された静電界を有するイオンミラーを形成するステップであって、前記界がＸ−Ｙ面内で２次元で、ドリフトＺ方向に沿って実質的に伸長し得、また、前記界が等時性イオン反射となるようにＸ方向に配置され得るステップ、（ｂ）イオン源中でパルスイオンパケットを形成し、それぞれのイオンパケットを比較的小さい傾斜角度でＸ−Ｚ面内でＸ軸に注入し、それにより、イオンミラー反射当たり前進距離ＺＲを有する平均ジグソー型イオン軌道を形成するステップ、（ｃ）前記イオン注入領域からＺ方向の下流に変位させたイオン受容器で前記イオンパケットを受け取るステップ、（ｄ）イオンミラー反射当たり１前進量ＺＲを超える幅で伸長されるように、前記イオンパケット、前記イオン源、または前記イオン受容器を適用するステップ、および（ｅ）少なくとも１回のイオンミラー反射の間、前記イオン源または前記イオン受容器をバイパスするためにＸ−Ｙ面内で周期的イオン軌道の往復を形成するようにＹ方向の少なくとも一部の前記平均イオン軌道を変位させるまたは誘導するステップ。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態の重要な特徴は、分析計内のＸ−Ｙ面でＸ−Ｚ面でのイオンドリフトと一緒に、比較的小さいイオン注入角度α下で、イオンを周期的に往復させることにより、イオンにイオン源１３および／またはイオン検出器１４をバイパスさせることである。これについては、以下でさらに詳細に説明される。
【０１１０】
図３Ａおよび図３Ｂは、イオンミラー間の４回の反射に対する分析計のＸ−Ｙ面３１内のイオン軌道を示す。これらの実施形態では、イオン源３３およびイオン検出器３４は、装置の中心軸から距離Ｙ０だけ＋Ｙ方向に変位されている。図３Ａは、第１のイオン反射（Ｉ）中のイオン軌道を示し、イオンはイオン源３３から上側イオンミラーにパルス出力され、その後、反射して装置の中心軸に戻される。図３Ａは、第２のイオン反射（ＩＩ）中のイオン軌道を示し、イオンは装置の中心軸から下側イオンミラーに移動を続け、その後、反射して、中央のＹ−Ｚ面の中心軸から−Ｙ方向に距離Ｙ０だけ変位した位置に戻される。図３Ｂは、第３のイオン反射（ＩＩＩ）中のイオン軌道を示し、イオンは上側イオンミラーに戻り続け、その後、反射して、中央のＹ−Ｚ面の中心軸上の位置に戻される。図３Ｂは同様に、第４のイオン反射（ＩＶ）中のイオン軌道を示し、イオンは装置の中心軸から下側イオンミラーに移動を続け、その後、反射して、中央のＹ−Ｚ面の中心軸から＋Ｙ方向に距離Ｙ０だけ変位した位置に戻され、この時点でイオンは、検出器３４に衝突する。
【０１１１】
平均イオン軌道は、Ｃ＝１ｍのイオンミラー反射間の距離（またはミラーキャップ間の距離）および変位Ｙ０＝５ｍｍに対しモデル化されている。実施形態をより明確に説明するために、Ｙ方向のイオン軌道を誇張した。図３Ａに示すように、平均イオン軌道の第１のセグメント（Ｉ）では、中央面Ｘ＝０、Ｙ０＝５ｍｍのＹ方向変位、およびＸ軸に平行なイオンの初期移動（すなわち、角度γ＝０）で開始している。その後、イオンは上側イオンミラーに移動し、これはイオンをＹ方向に往復させる。１回のミラー反射後、イオンは中心軸（Ｘ＝０；Ｙ＝０）に戻るが、角度はγ＝７ｍｒａｄである。平均イオン軌道の第２のセグメント（ＩＩ）では、移動を続け、ミラー反射後、−５ｍｍのＹ方向変位でおよびＸ軸に平行（γ＝０）にＸ＝０面に戻る。図３Ｂに示すように、平均イオン軌道の第３のセグメント（ＩＩＩ）は移動を続け、ミラー反射後、イオンは角度γ＝−７ｍｒａｄで中心軸（Ｘ＝０；Ｙ＝０）に戻る。平均イオン軌道の第４のセグメント（ＩＶ）では移動を続け、ミラー反射後、イオンはＸ−Ｙ面内の元の点（すなわち、Ｙ＝５ｍｍ、γ＝０）に戻り、このようにして、４回のミラー反射後に軌道ループが終わる。しかし、この４回の往復の間に、イオンがＺ方向で移動し続けることは理解されよう。
【０１１２】
分析計静電界は、後述のように空間収差当たり最小時間になるように最適化されていることが仮定され、そのため、反復軌道ループは、複数回の往復の間、小さいイオンパケットの空間拡散で留まっている。
【０１１３】
再度、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、イオン軌道は、Ｙ方向に往復し、４回毎のイオンミラー反射までそれらの初期のＹ方向の変位位置に戻らない。イオン源３３が初期Ｙ方向位置に配置されるので、これにより、４回毎の反射の内の最初の３回の間、イオンがイオン源３３に衝突できないことが保証される（ただし、イオン源およびイオンパケットが、イオンの初期Ｙ０の変位に比べてＹ方向で適度な幅を維持している場合）。これは、４回の反射の内の３回の間、イオンは、イオン源３３に衝突するはずのＹ位置に存在することなく、装置に沿ってＺ方向にドリフトできることを意味する。したがって、これにより、最初の３回の反射の間、イオン軌道と干渉することなく、イオン源の長さをＺ方向に伸長するのが可能になる。イオン源３３の長さは、４ＺＲ、すなわち、ミラー反射当たり４前進量まで伸長でき、これにより、ミラー間に注入し得るイオンの数を増やし、装置のデューティサイクルを高めることができる。イオン源３３でのイオンパケットのＺ方向の伸長は、イオン源３３と検出器３４との間のＺ方向のイオンパケット拡散に対し、装置をより低い感受性にする。理由は、このような拡散はイオンパケットの初期Ｚサイズより小さくなるか、またはそれにより匹敵する大きさになるためである。イオンパケット伸長は、分析計の空間電荷効果も低減する。それは、より大きな面積の検出器３４も可能とし、それにより、検出器のダイナミックレンジを広げ、寿命を延ばす。
【０１１４】
あるいは、イオン源長さの増大を可能とするためにＹ往復を使用する代わりに、Ｙ往復を使って、イオンミラー反射当たりイオンが移動する距離ＺＲを減らし、同時に、イオンがイオン源３３と衝突することを防ぎ、それにより、Ｚ方向の装置の大きさを減らすことができる。
【０１１５】
Ｙ方向でイオンを往復させる技術は、イオンがイオン反射中にイオン源３３に衝突することを防ぐために使われるとして記載されてきたが、この技術は、代わりに、または追加して、所望数のイオンミラー反射（Ｘ方向で）が達成されるまで、イオンが検出器に衝突するのを防ぐために使用できる。
【０１１６】
ミラー間にイオンを注入するための異なるイオンミラー界およびイオン注入方式を採用して、異なるループ状Ｘ−Ｙ往復パターンを形成し得る。例えば、楕円形軌道または完全イオン経路ループ当たりさらに大きな数のミラー反射を有するパターンを使用し得ることに留意されたい。また、Ｙ往復は、イオンパケットの角度操作により誘導し得る。
【０１１７】
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明によるＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置の実施形態の３種の異なる図を示す。図４ＡはＸ−Ｙ面の実施形態の図、図４Ｂは斜視図、および図４Ｃは、Ｙ−Ｚ面の図を示す。実施形態４１は、２つの平行グリッドレスイオンミラー４２、イオン源４３（例えば、パルスイオン源または直交イオン加速器）、イオン受容器４４（例えば、検出器）、任意のイオンストップ４８およびＺ方向でイオンを空間的に集束するための任意のレンズ４９を含む平面型ＭＲ−ＴＯＦ装置である。イオンミラー４２は、実質的にドリフトＺ方向に伸長され、それにより、Ｘ−Ｙ面内にＺエッジのイオンミラー電極から十分な距離（イオンミラーウインドウのＹの高さの約２倍）で２次元静電界を形成する。イオン源４３およびイオン検出器４４は、分析計を通る中央Ｘ−Ｚ面４６の対向する外側に配置され、イオン源４３および検出器４４のそれぞれは、分析計中央Ｘ−Ｚ面４６から距離Ｙ０だけ変位される。この実施形態では、イオン源４３およびイオン検出器４４の両方は、Ｙ方向で比較的狭い。分かりやすくするために、それぞれイオン源４３および検出器４４のそれぞれの半値幅（Ｗ／２）がＹ０の変位より小さく、イオン源４３は、Ｙ方向で対称的であり、その中心からイオンパケットを放出すると仮定した。
【０１１８】
本発明の実施形態の重要な特徴は、イオンが、Ｚ方向に沿って移動する際に、イオン源４３をバイパスするようにイオン軌道４５がＹ方向に変位されることである。図４Ａに示されるように、軸外平均イオン軌道４５は、Ｙ方向の変位Ｙ０で開始され、図３Ａおよび図３Ｂに関連して記載のように進行する。図４Ａは、２回のミラー反射に対するイオン軌道を破線として示すが、図４Ｂおよび図４Ｃに関連して記載されるように、イオンが検出器に到着する前に、３回以上のイオンミラー反射が行われ得る。
【０１１９】
全ての図は、イオン軌道４５が、４回のミラー反射に対応する時間に伴い、Ｘ−Ｙ面でどのように往復するかを示している。軌道４５は、３回のイオンミラー反射の間、イオン源４３をバイパスし、４回の反射の後で同じ正のＹ変位の位置に戻る。
【０１２０】
図４Ｂに示すように、イオンは、Ｘ軸に対し傾斜角度αで配置される軌道４５でイオン源４３からパルス出力される。したがって、それぞれのイオンパケットは、イオンミラー反射毎にＺ方向に距離ＺＲ前進する。異なる時間のイオンパケットの位置は、白色円４７の異なる群で表される。イオンパケットは、イオン源４３で開始され、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向に変位されないように、上側イオンミラー４２で反射されることが図から分かる。その後、イオンパケットは、下側イオンミラー４２に移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向で位置−Ｙ０に変位されるように、反射される。その後、イオンパケットは、上側イオンミラー４２に第２の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向で変位されないように、反射される。その後、イオンパケットは、下側イオンミラー４２に第２の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンがＹ方向で位置Ｙ０に変位されるように、反射される。この段階で、イオンパケットはイオンミラーで４回の反射を行い、イオンパケットは、イオン源４３で元々有していたものと同じＹ変位を有する。
【０１２１】
その後、イオンパケットは、上側イオンミラー４２に第３の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向で変位されないように、反射される。その後、イオンパケットは、下側イオンミラー４２に第３の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンがＹ方向で位置−Ｙ０に変位されるように、反射される。その後、イオンパケットは、上側イオンミラー４２に第４の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向で変位されないように、反射される。その後、イオンパケットは、下側イオンミラー４２に第４の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンがＹ方向で位置Ｙ０に変位されるように、反射される。その後、イオンパケットは、上側イオンミラー４２に第５の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンはＹ方向で変位されないように、反射される。その後、イオンパケットは、下側イオンミラー４２に第５の時間の間移動を続け、イオンパケットが中央Ｙ−Ｚ面に到着すると、イオンがＹ方向で位置−Ｙ０に変位されるように、反射され、この時点でイオンは検出器４４に衝突する。
【０１２２】
上述のように、図４ＣはＹ−Ｚ面の実施形態の図を示す。図４Ｂで白色円により示される異なる時間のイオンパケットの位置は、図４Ｃでも示される。図４Ｃで示されるように、イオンミラーでのそれぞれの反射後のＺ方向のイオンの変位はＺＲである。第１のイオンミラー反射後、イオンパケットはＺ方向に距離ＺＲを移動したに過ぎず、これは、Ｚ方向のイオン源４３の長さより小さいことが図から分かる。イオンがそれらの初期位置に対しＹ方向に変位されなかった場合、第１のイオンミラー反射後に、イオンパケットの後部分（Ｚ方向の）は、イオン源４３に衝突していたはずである。しかし、イオンがイオン源４３のそれらの初期位置からＹ方向に移動していたので、イオンは、イオン源４３をバイパスして、装置を通って移動を続けられる。第２および第３のイオン反射も同様に、イオンパケットに検出器に衝突できないＹ方向の位置を取らせる。第４のイオンミラー反射後にのみイオンパケットは元のＹ方向位置、すなわち、イオン源４３の位置に戻った。しかし、この段階では、イオンはＺ方向に距離４ＺＲ移動しており、この時点で、イオンパケットはＺ方向で十分遠くに移動しており、イオンがイオン源４３に衝突するのは不可能である。
【０１２３】
この技術は、イオンが装置中を通って移動する際に、イオン源４３に衝突するイオンを生じないイオン源４３のＺ方向の長さ（すなわち、初期イオンパケット４７のＺ方向の長さ）は、約４ＺＲまでであってよいという関係を許容する。したがって、イオンパケットをＹ方向に往復させることは、イオンをＹ方向に往復させない配置に比べて、Ｚ方向のイオン源４３の長さを増加させる、またはそれぞれの反射後にイオンが移動したＺ距離：ＺＲを減少させる。イオン源４３の長さを増加させること、または長さＺＲを減少させることは、上記の利点を有する。
【０１２４】
上記と同様にして、イオンパケット４７は、４回毎の内の３回の反射の間、「狭い」イオン検出器４４をバイパスさせ得る。換言すれば、検出器４４は、４回の反射の内の３回の間、Ｙ方向のイオンの位置に起因して、イオンが検出器４４に衝突できないように、Ｙ方向に配置され得る。これは、イオンがＹ方向に往復されない配置に比べて、検出器４４のＺ方向の長さを増加させる。
【０１２５】
初期角度発散および電界の不正確さに起因して、イオンパケットは、装置を通って移動する際にＺ方向に広がり得る。これによりスペクトル混同が引き起こされるのを避けるために、イオンが装置を通って移動する際に、イオンパケットのＺ方向エッジに配置されるイオンの通過を遮断するためのイオンストップ４８を設け得る。したがって、望ましくない量でＺ方向に発散するイオンパケット中の任意のイオンは、イオンストップ４８に衝突し、したがって、イオンストップ４８により遮断され、検出器４４に到達するのが防止され得る。
【０１２６】
イオンパケットのＺ方向の広がりは、図１の先行技術の平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置１１に比較してあまり重要ではないことに言及することは重要である。先行技術のＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置１１では、イオンパケット幅ＺＳおよびパケットＺ方向広がりｄＺの両方は、それぞれの反射ＺＲ中のＺ方向の移動距離より遥かに短くする必要がある。対照的に、本発明のいくつかの実施形態４１は、遥かに長いイオン源４３および検出器４４の使用を可能とし、イオン源ＺＳの長さおよび検出器ＺＤの長さは約４ＺＲまである。したがって、イオンパケットの広がりｄＺを比較的短く維持するのは、イオン源および検出器長さに比べて、比較的容易である（ｄＺ＜ＺＳ≒ＺＤ＜４ＺＲ）。したがって、イオンストップ４８でのイオンの損失は、適度に保たれ得る。
【０１２７】
必要に応じて、少なくとも１つのイオンストップ４８を補助イオン検出器として使用して、装置を通過するイオンパケットの全体強度を検知し得る。例えば、これを使って、主検出器４４のゲインを調節し得る。例えば、補助検出器からのイオンシグナルを、イオンシグナルの大きさに基づいて主検出器４４のゲインレベルを制御する制御システムに供給し得る。補助検出器からのイオンシグナルが制御システムより比較的少ない場合には、主検出器４４のゲインを比較的高く設定する、および逆もまた同じである。あるいは、補助検出器からのイオンシグナルを、ミラー間の空間中へのイオンの注入角度を制御する、またはイオンがミラー間を移動する際にイオンのイオン軌道を変えるステアリングシステムを制御する制御システムに供給し得る。例えば、これは、補助検出器からのイオンシグナルに基づいて電極に印加される電圧の大きさを制御する制御システムにより実現し得る。この後者の方法は、ミラー間を移動しているイオンの軌道を変更し、その制御システムは、補助検出器からのフィードバックを使用して、イオン軌道が所望の軌道に沿っていることを保証し得る。例えば、制御システムは、補助イオン検出器が最小イオンシグナルを出力し、ほとんどのイオンが、補助検出器に衝突せずに、ミラー間で伝送されていることを示すまでイオン軌道を制御し得る。
【０１２８】
イオンパケットが１６回のイオンミラー反射を受け、検出器４４に到達する時までのＺ方向の広がりｄＺ＝３０ｍｍ、ＺＲが２０ｍｍおよびＺＳ＝ＺＤ＝６０ｍｍと仮定すると、この実施形態のＭＲ−ＴＯＦ装置は、丁度ＺＡ＝３２０ｍｍのＺ方向長さ、２０％のみのイオンストップ４８でのイオン損失を有するであろう（図４Ｄで分かるように）。これは、Ｚ方向長さＺＡ＝８００ｍｍの長さを有する、図１に関連する上記の対応する先行技術例と対比される。
【０１２９】
したがって、イオンをＹ方向で往復するように配置することは、多くのイオン反射の間に、イオンパケットがイオン源４３およびイオン検出器４４をバイパスするのを可能とし、したがって、イオンパケット、イオン源４３およびイオン検出器４４のドリフトＺ方向での伸長を可能とする。
【０１３０】
上記イオンミラー界の特定の例では、Ｙ方向の往復ループは、４回のイオンミラー反射で終わる。しかし、Ｙ方向往復ループは、より少ないまたはより大きい数のイオンミラー反射で終わってもよいことが意図されている。
【０１３１】
上記実施形態の技術は、先行技術の平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置１１に比べて、複数の改善をもたらす。例えば、実施形態は、分析計のＺ方向長さの顕著な低減（少なくとも２倍の）を可能とする。これは、解像度Ｒ≒２００，０００を得るのに必要な１６ｍのイオン経路長を、実用的な大きさの装置で可能とする。実施形態は、重要なイオン源伸長（５〜１０倍）を可能とし、それにより、パルスイオン変換器のデューティサイクルを改善し、これは、変換器タイプに応じて、以下のように５〜２０％と推定される。実施形態はイオンパケットのＺ方向での３０〜１００ｍｍへの伸長を可能とし、これは、分析計の空間電荷制限を拡大する。実施形態は検出器の３０〜１００ｍｍへの伸長を可能とし、これは、検出器のダイナミックレンジを広げ、寿命を延長する。
【０１３２】
イオンをＸ−Ｙ面内で往復させる方法は、Ｙ方向のイオンの変位が、イオンパケットの空間または飛行時間の拡散を引き起こす可能性があり、これは、高次の収差を有する分析計の解像度を制限し得るという懸念をもたらす。この懸念は、現実のイオンパケットに対して、分析計の幾何学的配置はＹ軸往復で操作可能であることを示す、同時に行うシミュレーションで対処される。
【０１３３】
図５Ａは、本発明の実施形態による平面型ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置５１のＸ−Ｚ面の幾何学的配置を示し、図５Ｂは、この実施形態のＸ−Ｙ面内の１つのイオンミラーおよび装置の構成要素に適用され得る種々の電圧および寸法を示す。モデル化した実施形態では、イオンミラー５２の静電ポテンシャルの軸方向分布は、６ｋＶのミラー間のドリフト空間で、平均イオン動力学的エネルギーを与える。ミラーは４つの独立に調整された電極を有し、それらの３つ（キャップおよび２つの隣接する電極）は、遅延電圧に設定され、別の電極（図５Ｂの最長のもの）は加速電圧に設定され得る。対向するイオンミラー間の合計キャップ−キャップ間距離Ｃは、約１ｍであり、それぞれのミラー内のウインドウのＹ高さは、３９ｍｍであり得る。Ｘ−Ｚ面内のイオン注入角度αは、２０ｍｒａｄに設定され、イオン軌道の初期Ｙ変位はＹ０＝５ｍｍであり、検出器は、−Ｙ０＝５ｍｍのＹ変位で配置される。
【０１３４】
図５Ａは、薄い色と濃い色のシミュレートしたイオン軌道を示す。薄い色のイオン軌道は、イオン源の後から（Ｚ方向に）放出されたイオンを表し、濃い色のイオン軌道はイオン源の前から（Ｚ方向に）放出されたイオンを表す。Ｙ方向でイオンを往復させる技術は、イオン源およびイオン検出器の両方がＺ方向でおよそ５０ｍｍの長さを有することを可能とする（例えば、イオン源長さ５０ｍｍ、検出器長さ５６ｍｍ）。イオン源がＺ方向で５０ｍｍの長さを有するので、シミュレートした薄い色および濃い色の軌道は、Ｚ方向でほぼ５０ｍｍの変位がある。イオンが検出器に衝突するまで１６回のイオンミラー反射中にＺ方向で移動した合計平均距離は、ＺＡ＝２８０ｍｍである。平面型イオンミラーのＺフリンジ電界を考慮すると、これは、Ｚ方向の全イオンミラー長さは、約４２０ｍｍである必要があり、これは、市販の計測装置としては適度である。
【０１３５】
図５Ｃ〜図５Ｅは、空間およびエネルギー拡散に対して、飛行時間収差を減らすために最適化された分析計（Ｙスケールが誇張されている）中のイオン軌道例のＸ−Ｙ面への投影図を示す。
【０１３６】
図５Ｃは、異なるイオンエネルギーを有するイオン軌道を示す。イオンミラーは、それぞれの反射後に分析計の中央での空間エネルギー分散を除去するように調整され、それにより、それぞれの２つの反射後に空間的に収差のない（すなわち、座標および角度エネルギー分散が存在しない）状態が得られる。一般イオン光学理論（Ｍ．Ｙａｖｏｒ，Ｏｐｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒｓ，Ａｃａｄ．Ｐｒｅｓｓ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，２００９）では、このような調整は、空間イオン拡散に対する一次等時性イオン輸送を与える（すなわち、ｄＴ／ｄＹ＝ｄＴ／ｄＢ＝０、式中、Ｂ＝ｄＹ／ｄＸは、イオン軌道の傾斜である）。
【０１３７】
図５Ｄは、異なる初期Ｙ座標を有するイオン軌道を示す。イオンミラーは、１回の反射後、分析計の中央でイオン軌道のパラレルツーポイント型集束を与え、その結果として、各２回の反射後、パラレルツーパラレル型集束を与えるように調整し得る。
【０１３８】
図５Ｅは、異なるイオン軌道の初期Ｂ角度を有するイオン軌道を示す。イオンミラーは、１回の反射後、分析計の中央でイオン軌道のポイントツーパラレル型集束を与え、その結果として、各２回の反射後、ポイントツーポイント型集束を与え、および各４回の反射後、単変換を与えるように調整し得る。総じて、各４回の反射後、イオンパケットの空間の位相空間は、単変換を受ける。一般的なイオン光学理論（Ｄ．Ｃ．Ｃａｒｅｙ，Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｍｅｔｈ．，ｖ．１８９（１９８１）ｐ．３６５）では、イオンミラーのただ１つの追加の条件ｄ２Ｙ／ｄＢｄＫ＝０（式中、Ｋはイオンの動力学的エネルギーである）を満たすためのイオンミラーの調整は、１６、２０、２４回、・・・などの反射後の、空間（座標および角度）変動に起因するならびに空間とエネルギーの混合変動に起因する全ての２次飛行時間収差の除去という結果になる。飛行時間のエネルギー拡散に対する残りの依存性については、電極長さおよびキャップ−キャップ間距離の適切な選択により、少なくとも３次の収差（ｄＴ／ｄＫ＝ｄ２Ｔ／ｄＫ２＝ｄ３Ｔ／ｄＫ３＝０）まで除去できる。
【０１３９】
図６Ａ〜図６Ｃは、１．２度の角度発散および１８ｅＶのビームエネルギーを有する１．４ｍｍ直径の連続イオンビームから、３００Ｖ／ｍｍの加速界を備えた５０ｍｍ長さの直交加速器により生成されたイオンパケットの場合に対する、図５Ａ〜図５Ｂに示した分析計のイオン光学的シミュレーション結果を示す。検出器の位置で得られるイオンピーク時間幅を時間−エネルギー図と共に示し、これは、１０００ａ．ｍ．ｕ．のイオン質量に対し、約４８８μｓの飛行時間で１．１ｎｓのＦＷＨＭ、すなわち、２２４，０００の質量分解能力を特徴とする。
【０１４０】
より小さいＹ変位で解像度を改善するために、その他の数字上の妥協をすることができること、または狭いイオン源または狭い検出器を作製する際の課題に対処する場合、より大きなＹ変位のために幾分妥協した解像度を使用できることを理解されたい。
【０１４１】
ＭＲ−ＴＯＦ装置収差は、一般的に、往復の間にイオンのＹ変位の振幅と共に大きくなるので、軌道のＹ変位Ｙ０を最小化することが望ましい。他方では、最小のＹ変位は、イオンパケットＹ幅とＹ発散により定義される、軸方向軌道とＹ変位イオン軌道とを区別するためにその場合でも十分である必要がある。しかも、最小Ｙ変位は、少なくとも一部の往復の間（例えば、３回のＹ方向往復）、イオン源および／または検出器をバイパスするのに十分でなければならない。換言すれば、イオン注入方式に応じて、最小Ｙ変位は、イオン源および／または検出器の物理的幅に依存し得る。イオンパケットの適度のＹ変位を維持し、同時にイオンパケットにイオン源のまわりをバイパスさせるために、本発明による多くの方法を用い得る。例えば、イオン源は狭くてよく、例えば、イオン源は抵抗ボードにより形成されたＤＣ加速器を有する直交加速器（ＯＡ）であってよい。あるいは、イオンパケットは、Ｘ−Ｙ面内に弯曲を有する湾曲した等時性セクターインターフェースを介して注入されてよい。あるいは、または追加して、半分の幅の直交加速器に比べて、イオンパケットの変位を減らすようにイオンをＹ方向に曲げるパルスデフレクターを採用してもよい。
【０１４２】
検出器がイオン軌道のバイパスを妨害するのを避けるために、検出器は、標準的ＴＯＦ検出器より小さい外周サイズを有し得るイオン−電子変換器を含んでもよい。検出器により生成される二次電子は、不均一な磁界または静電界により、検出器に集束され得る（高速検出器ではより小さいスポットのために）または検出器に対しデフォーカスされ得る（より長い検出器寿命のために）。
【０１４３】
図７Ａおよび図７Ｂは、等時性静電セクター７５を使って、飛行時間領域から注入または抽出すること以外は、図４Ａ〜図４Ｄに示すものと同じＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置の実施形態を示す。図７ＡはＸ−Ｙ面の図、図７ＢはＹ−Ｚ面の図を示す。装置７１は、飛行時間領域の外側に配置された、比較的広い幅Ｓのイオン源７３、飛行時間領域の外側に配置された比較的広い幅Ｄを有するイオン検出器７４、およびイオン源７３およびイオン検出器７４と飛行時間領域とのインターフェイスをとるための、幅Ｗの等時性静電セクター７５を含む平面型ＭＲ−ＴＯＦ分析計７２を含む。セクター７５の湾曲したイオン軌道７８は、分析計７２のＸ−Ｙ面内にある。
【０１４４】
動作中、イオンパケット７６は、イオン源７３から入口セクター７５に加速される。入口セクター７５は、イオン源７３からのイオンパケット７６を、イオン軌道７７を分析計内で、Ｘ−Ｚ中央面からＹ変位Ｙ０でＹ軸に平行に配置するように、湾曲したイオン軌道７８に沿って分析計７２中に輸送する。この配置は、分析計の飛行領域中にイオン源を配置すること（例えば、図４Ａ〜図４Ｂのように）により与えられるＹ変位より容易に制御可能なＹ変位Ｙ０を有するイオンが分析計７２に注入されることを可能とする。例えば、Ｙ方向で比較的広い幅を有するイオン源を使用する場合、イオンが所望の初期Ｙ０変位を有するように、およびイオンが装置に沿って移動する際にイオン源に衝突しないように、分析計の飛行領域内にイオン源を配置するのは困難な場合がある。例えば、図４Ａ〜図４Ｂに示す実施形態では、イオンはイオン源の中心から（Ｙ方向に）放出され、そのため、初期変位Ｙ０は、イオンが後でイオン源に衝突することなしに、イオン源の半値幅より小さく（Ｙ方向で）作ることができない。対照的に、セクター７８の使用により、イオン源の半値幅Ｓ／２および検出器Ｄ／２の半値幅より初期変位Ｙ０を著しく小さくすることが可能となることが図７Ａ〜図７Ｂから読み取ることができる。
【０１４５】
イオンがセクター７５に衝突することを回避するために、それぞれのセクターのＹ方向の半値幅（Ｗ／２）がＹ０より小さく配置される。
【０１４６】
セクターインターフェース７５の等時性特性は、特許文献１４に記載されている。この特許は、参照により本明細書に組み込まれる。セクターインターフェース７５の使用により、Ｙ０軌道変位の振幅をイオン源７３または検出器７４の物理的幅ＳおよびＤから適度の時間分散で切り離す。
【０１４７】
図７Ｂは、等時性静電セクター７５を使って、飛行時間領域から注入または抽出すること以外は、図４Ｃに相当する。図７Ｂは、イオン源７３、イオン受容器７４および湾曲セクター７５の投影図を示す。円４７群は、Ｙ−Ｚ中央面と交差するイオンパケットの異なる時間による異なる位置を表す。前述のように、イオンストップ４８は、過度に発散したイオンパケットの一部を除去するために設けられ得る。また、前述のように、１つまたは複数のイオンストップ４８は、分析計７２を通過するイオンビーム伝送を最適化するための補助検出器であっても、または主検出器７４の自動ゲイン調節のための補助検出器であってもよい。
【０１４８】
図８Ａ〜図８Ｂは、イオンデフレクターを使って所望の軌道に沿ってイオンを注入すること以外は、図４Ａ〜図４Ｄに示すものと同じＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置の実施形態を示す。図８ＡはＸ−Ｙ面の図、図８ＢはＹ−Ｚ面の図を示す。
【０１４９】
装置８１は、比較的広い幅Ｓ（Ｓ＞２Ｙ０）のイオン源８３、比較的狭い幅Ｄ（Ｄ＜２Ｙ０）の検出器８４、幅Ｗ１のデフレクター８５、および任意のデフレクター８８を含む平面型ＭＲ−ＴＯＦ分析計８２を含む。上記実施形態と同様に、初期にはイオンがＸ軸からの変位Ｙ０でＸ軸に平行に移動するように、イオンを注入するのが望ましい。前述のように、イオン源８３のＹ方向の幅が、２Ｙ０より大きい場合、イオンは、装置を通って移動する際にイオン源８３に衝突するであろう。したがって、イオン源８３は、イオン軌道８７の妨害を避けるように、イオンミラー反射後にＹ方向に変位される。その後、イオンは、イオン源８３からＹ＝０面の方向に向けられ、デフレクター８５がイオンパケットを軌道８７に沿って、変位Ｙ０でＸ軸に平行に誘導するように、デフレクター８５を使ってイオン軌道を曲げ得る。
【０１５０】
イオン源８３のイオン放出軸は、Ｘ軸に平行に配置され、追加のイオンデフレクター８８は、軌道８６に沿ってデフレクター８５の方向にイオンパケットを誘導するように設けられ得、それにより、イオンのＹ変位がデフレクター８５の中心でＹ０と等しくなる。その後、デフレクター８５は、軌道８７に沿ってパケットを誘導する。あるいは、イオン源８３の放出軸は、イオンパケットを軌道８９に沿ってデフレクター８５の方向に放出するようにＸ−Ｙ面内で傾斜され得、それにより、イオンのＹ変位がデフレクター８５の中心でＹ０と等しくなる。その後、デフレクター８５は、軌道８７に沿ってパケットを誘導する。デフレクター８５および／または８８は、パルスまたはスタティックデフレクターであってよい。
【０１５１】
パルスまたはスタティックデフレクターの多くの他の機構も、イオンパケットを変位された軌道８７に沿って輸送し、同時にそれらが適度の幅２Ｙ０を超えるＹ方向幅Ｓを有するイオン源と干渉するのを回避するのに有効である。
【０１５２】
図８Ｃは、デフレクター８５が、Ｙ方向でより大きな幅を有するデフレクター９０で置き換えられていること以外は、図８Ａ〜図８Ｂに示すものと同じである代替的実施形態のＹ−Ｚ面の図を示す。デフレクター９０は、デフレクター９０の幅Ｗ２が２Ｙ０を超えるように選択され、それにより、デフレクター９０が分析計８２内でイオン軌道８７を妨害するのを回避する代わりの方法を与えること以外は、デフレクター８５と同じ機能を有する。換言すれば、デフレクターは、Ｙ方向で相互に対向する電極を含み、電極はＹ＝０面の対向する両側に配置され、それぞれの電極のＹ＝０面からの距離は、Ｙ０より大きい。デフレクター９０は、最初のイオンミラー反射後、イオンパケットの変形を回避するように、パルス方式で動作する。
【０１５３】
図９Ａ〜図９Ｂは、イオン源が周期的に連続ビーム９２、またはパルスイオンビームをイオンミラーへパルス出力するパルス変換器９３であり得ること以外は、図４Ａ〜図４Ｄに示すものと同じＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置の実施形態を示す。例えば、パルス変換器９３は、直交加速装置であってもよい。図９ＡはＸ−Ｙ面の図、図９ＢはＹ−Ｚ面の図を示す。以前に記載の実施形態のイオン源と同様に、パルス変換器９３は、４＊ＺＲまで伸長される変換器長さＺＳで、実質的にドリフトＺ方向に沿って、配向され得る。変換器９３は、グリッドレスであってよく、また、Ｙ方向で数ｍｒａｄの低発散を可能とする終端の静電レンズを備えてもよい。
【０１５４】
イオンパケットは、パルス変換器９３により生成され、Ｘ軸に対し小さい傾斜角度αで飛行時間領域に注入される。イオン軌道が４回の反射の間で分離でき、同時に分析計のＺ方向の適度な長さ、例えば、ＺＡ≒３００〜４００ｍｍ、が維持されるように、角度αを最適化するのが望ましい。イオン軌道４５の角度αは、約２０ｍｒａｄに最適化し得る。パルス変換器は、必ずしも、イオン軌道の最適傾斜角度を与える必要はなく、最適傾斜角度α≒２０ｍｒａｄを達成するために、イオンパケットを誘導するように電極が設けられ得る。
【０１５５】
図９Ｃは、スルーモードで使用される半径方向に放出するイオントラップを含むパルス変換器９３ＡのＸ−Ｙ面の図およびＸ−Ｚ面の図を示す。Ｘ−Ｙ図で示されるように、パルス変換器９３は、上部および下部電極ならびにサイドトラップ電極を有するパススルーレクティリニアイオントラップを含む。イオンビーム９２を閉じ込めるために、高周波電圧シグナルがサイドトラップ電極に印加される。イオンビームは、エネルギーＫＺ＝３〜５ｅＶを有する比較的遅いイオンビームであってよい。上部電極中のスリットを通してイオンパケットを抽出するように、周期的に、ＲＦシグナルがスイッチオフされ、電圧パルスが上部および下部電極に印加される。それぞれのイオンパケットは、ＤＣ加速ステージ９４Ａ内で、例えば、ＫＸ＝５〜１０ｋｅＶのエネルギーに加速される。イオンパケットは、∂＝ｓｑｒｔ（ＫＺ／ＫＸ）として定義される、すなわち、ＭＲＴＯＦ分析計内で所望の傾斜角度α≒２０ｍｒａｄに近い固有の傾斜角度∂を有する。
【０１５６】
イオンビーム９２は、低減したエネルギーを有する（直交加速に比べて）ので、パルス変換器９３Ａは、向上したデューティサイクルを可能とするが、Ｚ方向に広がったイオンパケットに起因してイオンストップ４８で追加のイオン損失が起こり得る。数値的例を以降で説明する。連続イオンビーム９２は、平均イオンエネルギーＫＺ＝５ｅＶを有し、Ｚ方向のエネルギー拡散がΔＫＺ＝１ｅＶであり、レクティリニアトラップの長さＺＳ＝８０ｍｍである（図４の表記法を使用）と仮定する。また、ＭＲ−ＴＯＦ分析計が加速エネルギーＫＸ＝８０００ｅＶを有し、イオンが検出される前に１６回のイオンミラー反射が行われると仮定する。この場合、平均傾斜角度は、∂＝ｓｑｒｔ（ＫＺ／ＫＸ）＝２５ｍｒａｄであり、１ｍのキャップ−キャップ間隔でイオンパケットのイオンミラー反射当たりの前進量は、ＺＲ＝２５ｍｍである。傾斜角度拡散は、Δ∂＝∂＊ΔＫＺ／２ＫＺ＝２．５ｍｒａｄである。１６回のイオンミラー反射後、イオンパケットは、Ｚ方向に距離ＺＡ＝１６Ｃ＊ｓｉｎ∂＝４００ｍｍだけドリフトし（図１の表記法を使用）、Ｚ方向にｄＺ＝１６Ｃ＊Δ∂＝４０ｍｍだけ広がるであろう（図１の表記法を使用）。加速器長さＺＳ＝８０ｍｍ（４ＺＲより短く留まるように選択）は、２０％のデューティサイクルを可能とし、一方、イオンストップ４８を通る通過確率ＴＲは、ＴＲ＝０．８である（図４Ｄの形状例５０に示されるように）。したがって、全体有効デューティサイクルは１６％である。トラップ９３Ａは、ＲＦ界の切り替えがＭＲ−ＴＯＦスペクトルの質量精度に関連するいくつかの問題を呈し得ること以外は、ほぼ理想的な変換器である。
【０１５７】
図９Ｄは、蓄積モードで使用される半径方向に放出するイオントラップを含むパルス変換器９３ＢのＸ−Ｙ面の図およびＸ−Ｚ面の図を示す。Ｘ−Ｙ図で示されるように、パルス変換器９３は、上部および下部電極ならびにサイドトラップ電極を有するパススルーレクティリニアイオントラップを含む。半径方向にパルス注入イオンビーム９６を閉じ込めるために、高周波電圧シグナルがサイドトラップ電極に印加される。トラップは、ＲＦトラップのいくつかのセグメント（概略図には示していない）を含み、トラップのＺ方向に約１ＶのＤＣ井戸が得られるように、これらのセグメントに電圧が印加される。注入イオンは、トラップされ、時間Ｔの間、ガス圧力Ｐでガス衝突により減衰される。ここで、Ｐ＊Ｔの積は、約３〜５ｍｓ＊ｍＴｏｒであってよい。典型的な圧力Ｐは２〜３ｍＴｏｒで、典型的時間Ｔは１〜２ｍｓであり得る。上部電極中のスリットを通してイオンパケットを抽出するように、周期的に、ＲＦシグナルがスイッチオフされ、電気パルスが上部および下部電極に印加される。イオンパケットは、ＤＣ加速ステージ９４Ａ内で、ゼロの固有傾斜角度∂で、ＫＸ＝５〜１０ｋｅＶのエネルギーに加速される。角度α≒２０ｍｒａｄで、著しい時間収差なしに配置するために、トラップおよびＤＣ加速器９４Ｂは、Ｚ方向に対する角度α／２≒１０ｍｒａｄで傾けられ、分割型デフレクター９５Ｂ（デフレクターの小さいＹ幅の位置で均一な偏向界を得るために複数セグメント中に配置される）を使って、イオンパケットがα／２≒１０ｍｒａｄの角度で曲げられる。
【０１５８】
ＭＲＴＯＦ分析計のエネルギー許容誤差に匹敵するイオンパケットの相対エネルギー拡散ΔＫＸ／ＫＸ＝６％で、１ｎｓ未満のＦＷＨＭのＴ｜ＺＫ時間収差を維持するために、トラップ９３Ｂの長さＺＳとステアリング角α／２の積は５００ｍｍ＊ｍｒａｄ未満にすべきである。したがって、トラップ長さＺＳは、角度α／２＝１０ｍｒａｄで５０ｍｍに保持し得る。
【０１５９】
蓄積トラップ変換器は、単一のデューティサイクルを与えるが、実際の最近のイオン源を使った場合、１Ｅ＋６イオンのイオン雲が１ｍｓの蓄積時間中に蓄積され得る（毎秒１Ｅ＋９〜１Ｅ＋１０イオンの生産性を有する）ので、トラップは、急速に一杯になる可能性がある。この問題は、制御されたまたは交互のイオン注入時間を使用することにより一部は解決し得る。長さＺＳ≒５０ｍｍの伸長されたイオントラップ９３Ｂは、その時点でも、先行技術の１ｍｍの特徴的イオン雲サイズを有する軸方向放出トラップより遥かに大きな空間電荷容量を可能とする。
【０１６０】
図９Ｅは、Ｚ軸に整列したＤＣ加速ステージ９４Ｃを有する従来の直交加速器および多重デフレクター９５Ｃを含むパルス変換器９３Ｃを示す。多重デフレクター９５Ｃは、薄く（例えば、０．１ｍｍ未満）、近接した偏向プレートからなり、必要に応じて両面プリント配線基板上に配置された複数の偏向セルを含む。必要に応じて、それぞれの偏向セルのＺ幅は、約ＺＣ＝１ｍｍである。直交加速動作は、約１５超〜２０ｅＶのイオンビーム９２エネルギーで安定であることが知られている。イオンビーム９２は、ＫＺ＝２０ｅＶのエネルギーを有するように設定して、ＫＸ＝８ｋｅＶに対し、傾斜角度∂≒５０ｍｒａｄを有するイオンパケットを生成し得る。Ｚ方向で４００ｍｍまでの適度な分析計長さ内に１６回のイオンミラー反射を配置するために、傾斜角度は約α≒２０ｍｒａｄに減らされる。多重デフレクター９５Ｃは、イオンパケットの角度を、∂−α＝３０ｍｒａｄの角度だけ変える。ＺＣ＝１ｍｍのセル幅で、タイムフロントは、∂−αの角度で傾斜され、これは、イオンパケットをＸ方向にΔＸ＝ＺＣ＊ｓｉｎ（∂−α）≒３０μｍ広げる。１６ｍの飛行経路長で、ステアリングステップは、Ｒ＜Ｌ／２ΔＸ≒２５０，０００の制限を、基準ピーク質量解像度に対し課し、すなわち、ＦＷＨＭで約５００，０００の解像度の制限を課す。したがって、１ｍｍセル多重デフレクター中の誘導は、それでも、Ｒ≒２００，０００の全体分解能力を得ることができる。加速器長さ（加速器長さは、ＺＲ＝２０ｍｍに対し、ＺＳ＜６０〜７０ｍｍに制限される）および多重デフレクターの幾何学的通過確率に応じて、全体デューティサイクルは、５〜７％と推定される。
【０１６１】
図９Ｆは、Ｚ軸に対しβ≒３０ｍｒａｄの角度で傾斜した従来の直交加速器９４Ｄおよび分割型デフレクター９５Ｄを含むパルス変換器９３Ｄを示す。デフレクター９５Ｄのいくつかのセグメントが、デフレクターの適度のＹ幅で均一な偏向界を与えるように配置される。安全なイオンビームエネルギーが約１５〜２０ｅＶとなるように選択され、∂≒５０ｍｒａｄの固有の傾斜角度が得られる。１次のタイムフロント傾斜を補償するために、デフレクターのステアリング角β＝∂−αが、直交加速器の傾斜角度βに等しくなるように調節される（傾斜およびステアリング時間収差の相互補償）。ステアリング角がイオンパケットエネルギーＫＸに依存するため、次の顕著な時間収差Ｔ｜ＺＫＸが現れる。しかし、１ｎｓ未満の追加の時間拡散のＦＷＨＭを持続するための、イオンパケットのΔＫＸ／ＫＸ＝６％の相対エネルギー拡散に対し、２次収差は、依然として、ＺＳ＊βの積の５００ｍｍ＊ｍｒａｄまでを可能とする。すなわち、２０〜３０ｍｍまでの直交加速器長さで、解像度をＲ≒２００，０００に制限する。全体デューティサイクルは、３〜５％と推定され、これは、それでも、先行技術ＭＲ−ＴＯＦ装置より約１０倍優れている。
【０１６２】
図１０は、検出器４４は、４回のイオンミラー反射後にのみイオンが検出器４４に衝突するように配置される以外は、図４Ｃに示すものと同じである実施形態のＹ−Ｚ面の図である。この配置は、適度の解像度を有し、比較的高いデューティサイクルを可能とする。例えば、この配置のキャップ−キャップ間隔は、Ｃ＝１ｍであり得、有効飛行経路は、４ｍであり得る（これは、現在のＸｅｖｏ  ＸＳのＱ−ＴＯＦより１．６倍大きい）。イオンビームがプッシャー内でプッシュの方向に１．２〜１．４ｍｍの物理的広がりを有し、およびプッシャー内の勾配が３００Ｖ／ｍｍである場合、イオンにより見えるエネルギー拡散Δｋは、単電荷イオンに対して、約４２０ｅＶである。このような装置のエネルギーアクセプタンスは、Δｋ／ｋにより与えられ、式中、ｋは加速電圧（例えば、６０００Ｖ）である。これは、６〜７％のエネルギーアクセプタンスを与え、同時に、ＲＡ＝１００Ｋに維持する。したがって、１．２〜１．４ｍｍビームを、３００Ｖ／ｍｍのプッシャー勾配で使用し得る。
【０１６３】
本発明は、先行技術ＭＲ−ＴＯＦ−ＭＳ装置の５〜６ｍｍの長さと比べて、イオン加速器のＺ方向での大きな伸長、例えば、３０〜８０ｍｍの伸長を可能とする。したがって、本発明は、直交加速器を備えた装置の質量範囲および感度を実質的に改善する。
【０１６４】
本発明を種々の実施形態に関連して説明してきたが、当業者なら、添付の請求項の範囲で記載される本発明の範囲を逸脱することなく、形態と詳細における種々の変更をなし得ることを理解するであろう。
【図１】
0006596103.tif 000002
【図２】
0006596103.tif 000003
【図３Ａ】
0006596103.tif 000004
【図３Ｂ】
0006596103.tif 000005
【図４Ａ】
0006596103.tif 000006
【図４Ｂ】
0006596103.tif 000007
【図４Ｃ】
0006596103.tif 000008
【図４Ｄ】
0006596103.tif 000009
【図５Ａ】
0006596103.tif 000010
【図５Ｂ】
0006596103.tif 000011
【図５Ｃ】
0006596103.tif 000012
【図５Ｄ】
0006596103.tif 000013
【図５Ｅ】
0006596103.tif 000014
【図６Ａ】
0006596103.tif 000015
【図６Ｂ】
0006596103.tif 000016
【図６Ｃ】
0006596103.tif 000017
【図７Ａ】
0006596103.tif 000018
【図７Ｂ】
0006596103.tif 000019
【図８Ａ】
0006596103.tif 000020
【図８Ｂ】
0006596103.tif 000021
【図８Ｃ】
0006596103.tif 000022
【図９Ａ】
0006596103.tif 000023
【図９Ｂ】
0006596103.tif 000024
【図９Ｃ】
0006596103.tif 000025
【図９Ｄ】
0006596103.tif 000026
【図９Ｅ】
0006596103.tif 000027
【図９Ｆ】
0006596103.tif 000028
【図１０】
0006596103.tif 000029