(57)【要約】  装置は、イオン伝播軸に対向して互いに離間される、およびイオンを受けるように位置する入力端と、受けたイオンをイオンガイドの入力端に結合するように位置する出力端との間で先細りになるイオン伝播軸に沿って延びるイオン移送チャネルを画成する、複数の電極配置を含む。方法は、入力端と出力端との間で先細りになるイオン移送チャネルを形成するように、複数の電極配置をイオン伝播軸に対向して斜角で位置付けること、および、イオン移送チャネル内のイオンをイオン光学素子内へ方向付けるように、イオン移送チャネルの出力端をイオン光学素子の入力端に結合することを含む。ＲＦ電圧は、イオンを閉じ込めるために印加される。進行波は、イオン伝播軸に沿って生成される。【選択図】図１Ａ
2021507478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン集束デバイスであって：
第１の軸に沿って延びる第１の表面と、第２の軸に沿って延びる第２の表面とを含み、イオンを受けるように寸法決定される第１の表面と第２の表面との間の空間が画成され、第１の軸は、イオン伝播軸に対して第１の角度で配置され、第２の軸は、イオン伝播軸に対して第２の角度で配置され、第１の表面は、第１の複数の内部電極を含み、該第１の複数の内部電極は：
第１の軸に沿って延びる第１の複数の電極であって、第１の無線周波数（ＲＦ）電圧を受けるように構成される第１の電極、および第２のＲＦ電圧を受けるように構成される第２の電極を含み、第２の電極が第１の電極に隣接する、第１の複数の電極と；
第１の複数の電極の間に、または第１の複数の電極に隣接して、第１の軸に沿って配置される第２の複数の分割電極であって、第１の複数の電圧を受け、第１の軸に沿って移動するように構成される第１の進行波を生成するように構成される、第２の複数の分割電極と；
を含む、前記イオン集束デバイス。
【請求項２】
第２の表面は、第２の複数の内部電極を含み、該第２の複数の内部電極は：
第２の軸に沿って延びる第３の複数の電極であって、第３の無線周波数（ＲＦ）電圧を受けるように構成される第３の電極、および第４のＲＦ電圧を受けるように構成される第４の電極を含み、第３の電極が第４の電極に隣接する、第３の複数の電極と；
第３の複数の電極の間に、または第３の複数の電極に隣接して、第１の軸に沿って配置される第４の複数の分割電極であって、第２の複数の電圧を受け、第２の軸に沿って移動するように構成される第２の進行波を生成するように構成される、第４の複数の分割電極と；
を含む、請求項１に記載のイオン集束デバイス。
【請求項３】
第１および第２の表面は、イオン伝播軸上の入力端からイオン伝播軸上の出力端まで延び、第１および第２の表面は、入力端における入力距離および出力端における出力距離によって分離される、請求項１に記載のイオン集束デバイス。
【請求項４】
入力距離は、出力距離よりも大きい、請求項３に記載のイオン集束デバイス。
【請求項５】
第１の電極は、第１の軸に沿って入力端から出力端まで延び、第１の電極は、入力端において第１の幅を、および出力端において第２の幅を有し、第１の幅が第２の幅よりも大きい、請求項３に記載のイオン集束デバイス。
【請求項６】
第１の表面は、入力端においてイオン源に、および出力端においてイオン移送チャネルに動作可能に結合される、請求項３に記載のイオン集束デバイス。
【請求項７】
第１の進行波は、イオンをイオン伝播軸に沿ってイオン源からイオン移送チャネルへ方向付けるように構成される、請求項３に記載のイオン集束デバイス。
【請求項８】
第１の表面は、第１の複数の内部電極の、第１の外端に位置する第１のガード電極および第２の外端に位置する第２のガード電極を含み、第１のガード電極および第２のガード電極は、イオン伝播軸を横切る横方向に沿ったイオン運動を制約するガード電界（ｇｕａｒｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）を生成するように構成される、請求項１に記載のイオン集束デバイス。
【請求項９】
第１のガード電極および第２のガード電極のうちの少なくとも一方は、ＤＣ電圧を受けるように構成される、請求項８に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１０】
第１の表面は、第１の複数の内部電極の第１の外端に位置する第１の複数のガード電極を含み、第１の複数のガード電極は、イオン伝播軸を横切る横方向に沿った第１の横の進行波を生成するように構成される、請求項１に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１１】
第１の複数のガード電極のガード電極の第１のセットは、複数のガードＲＦ電圧を受け、イオンを第１の複数のガード電極に近づかせないようにする擬ポテンシャルを生成するように構成される、請求項１０に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１２】
第１の複数のガード電極のガード電極の第２のセットは、第３の複数の電圧を受け、第１の横の進行波を生成するように構成される、請求項１０に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１３】
第１の表面は、第１の複数の内部電極の第２の外端に位置する第２の複数のガード電極を含み、第２の複数のガード電極は、イオン伝播軸を横切る横方向に沿った第２の横の進行波を生成するように構成される、請求項１０に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１４】
第１のＲＦ電圧および第２のＲＦ電圧は、互いに対して位相シフトされる、請求項１に記載のイオン集束デバイス。
【請求項１５】
方法であって：
第１の軸に沿って延びる第１の表面と第２の軸に沿って延びる第２の表面との間に画成される空間内にイオンを注入することであって、第１の軸は、イオン伝播軸に対して第１の角度で配置され、第２の軸は、イオン伝播軸に対して第２の角度で配置され、第１の表面は、第１の複数の内部電極を含み、該第１の複数の内部電極は：
第１の軸に沿って延びる第１の複数の電極であって、第１の電極および第２の電極を含み、第２の電極が第１の電極に隣接する、第１の複数の電極と；
第１の複数の電極の間に、または第１の複数の電極に隣接して、第１の軸に沿って配置される第２の複数の分割電極と；
を含む、注入することと；
第１の複数の電極の第１の電極に第１のＲＦ電圧を、および第１の複数の電極の第２の電極に第２のＲＦ電圧を印加することと；
第２の複数の分割電極に第１の複数の電圧を印加し、第１の軸に沿って移動するように構成される第１の進行波を生成することと；
を含む、前記方法。
【請求項１６】
第１の電極および第２の電極は、イオンを第１の表面に近づかせないようにする擬ポテンシャルを生成するように構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第２の表面は、第２の複数の内部電極を含み、該第２の複数の内部電極は：
第２の軸に沿って延びる第３の複数の電極であって、第３の無線周波数（ＲＦ）電圧を受けるように構成される第３の電極、および第４のＲＦ電圧を受けるように構成される第４の電極を含み、第３の電極が第４の電極に隣接する、第３の複数の電極と；
第３の複数の電極の間に、または第３の複数の電極に隣接して、第１の軸に沿って配置される第４の複数の分割電極であって、第２の複数の電圧を受け、第２の軸に沿って移動するように構成される第２の進行波を生成するように構成される、第４の複数の分割電極と；
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１および第２の表面は、イオン伝播軸上の入力端からイオン伝播軸上の出力端まで延び、第１および第２の表面は、入力端における入力距離および出力端における出力距離によって分離される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
第１の電極は、第１の軸に沿って入力端から出力端まで延び、第１の電極は、入力端において第１の幅を、および出力端において第２の幅を有し、第１の幅が第２の幅よりも大きい、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第１の表面は、入力端においてイオン源に、および出力端においてイオン移送チャネルに動作可能に結合される、請求項１８に記載の方法。
【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、参照によってその全体が本明細書に組み入れられる、２０１７年１２月２０日に出願した米国特許出願第１５／８４９，４１７号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本分野は、イオン集束デバイスである。
【０００３】
政府支援の承認
本発明は、米国エネルギー省により拠出されたＤＥ−ＡＣ０５−７６ＲＬ０１８３０の下、政府支援によりなされた。政府は、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
イオン操作は、材料合成および材料分析に関する新しい応用の発見を可能にしており、また、例えば、質量分析に関する、ますます有用な工具および器具の作成を促進してきた。しかしながら、イオンを方向付けることおよび移送することに関連した問題は残っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
イオンを方向付け移送するための方法および装置が開示される。開示された技術の態様によれば、装置は、イオン伝播軸に対向して互いに離間される、およびイオンを受けるように位置する入力端と、受けたイオンをイオンガイドの入力端に結合するように位置する出力端との間で先細りになるイオン伝播軸に沿って延びるイオン移送チャネルを画成する、複数の電極配置を含む。いくつかの例において、受けたイオンは、イオンガイドの入力端に適合される電界により、出力端においてイオンガイドの入力端に結合される。代表的な例において、電極配置は、各々がイオン伝播軸に対してそれぞれの斜角で伸びるそれぞれの電極配置平面に配置される。いくつかの例において、それぞれの斜角の各々は、６０度以下かつ５度以上である。さらなる例において、電極配置のうちの少なくとも１つは、ＲＦ電極が少なくとも１つの電極配置から離れる方へイオンを方向付けるように位置するように、少なくとも１つの電極配置の平面においてイオン伝播軸の方向に延びる、複数のＲＦ電極を含み、少なくとも１つの電極配置は、ＲＦ電極の間に点在する、および進行波電極セットがイオン移送チャネルの出力端の方へイオンを方向付けるように位置するように、少なくとも１つの電極配置の平面においてイオン伝播軸の方向に延びる、複数の進行波電極セットを含む。いくつかの例において、少なくとも１つの電極配置は、イオン移送チャネルの入力端よりもイオン移送チャネルの出力端においてより少ないＲＦ電極および進行波電極セットが存在するように、先細りにされる。さらなる例において、出力端にはない入力端における電極のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの電極配置の先細りによって画成される角度に基づいて非矩形である。いくつかの実施形態によれば、ガード電極は、イオンを一対のガード電極から離れる方へ、およびガード電極間のイオン移送チャネル内へ方向付けるように、少なくとも１つの電極配置の複数のＲＦ電極および複数の進行波電極セットに対向して位置する。いくつかの例において、ガード電極は、一対の対向するＤＣ電極、一対の対向するＲＦ電極スタック、または一対の対向する進行波電極セットを含む。さらなる例において、進行波電極セットの各々は、イオンをイオン移送チャネルの出力端の方へ方向付けるように、経時的に変化する進行波電圧を受けるように位置する複数の進行波電極を含む。追加の例において、イオン移送チャネルの出力端におけるＲＦ電極および進行波電極は、イオンガイドの入力端においてそれぞれの電極のサイズ、形状、ＲＦ電圧信号、または進行波電圧信号が適合される。いくつかの実施形態によれば、本装置によって方向付けられるイオンは、同じまたは異なる極性を有する。
【０００６】
開示された技術の別の態様によれば、方法は、入力端と出力端との間で先細りになるイオン移送チャネルを形成するように、複数の電極配置をイオン伝播軸に対向して斜角で位置付けること、および、イオン移送チャネル内のイオンをイオン光学素子内へ方向付けるように、イオン移送チャネルの出力端をイオン光学素子の入力端に結合することを含む。いくつかの実施形態において、結合することは、出力端においてイオン移送チャネルによって提供される電界をイオン光学素子によって提供される電界と適合させることを含む。さらなる実施形態において、イオンは、イオン源により生成され、イオンは、イオン移送チャネル内に収集される。追加の例において、方法は、複数の電極配置によって提供される電界により、イオン移送チャネル内のイオンを出力端へ方向付けることを含む。さらなる例において、方法は、適合する電界により、出力端におけるイオンをイオン光学素子の入力端内へ方向付けることを含む。いくつかの例において、電極配置のうちの少なくとも１つは、平面に配置される複数のＲＦ電極および進行波電極セットを含み、配置は、イオン移送チャネルの入力端よりもイオン移送チャネルの出力端においてより少ないＲＦ電極および進行波電極セットが存在するように、平面において先細りにされる。さらなる例において、電極配置は、イオンを一対のガード電極から離れる方へ、およびガード電極間のイオン移送チャネル内へ方向付けるように、複数のＲＦ電極および進行波電極セットに対向して位置するガード電極を含み、ガード電極は、一対の対向するＤＣ電極、一対の対向するＲＦ電極スタック、または一対の対向する進行波電極セットを含む。
【０００７】
開示された技術のさらなる態様によれば、システムは、少なくとも１つのプロセッサ、および１つまたはそれ以上のコンピュータ可読記憶媒体を含み、１つまたはそれ以上のコンピュータ可読記憶媒体は、システムに、少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、イオン伝播軸に対向して互いに離間される、およびイオンを受けるように位置する入力端と、イオンがイオンガイド内へ方向付けられるように、受けたイオンをイオンガイドの入力端に結合するように位置する出力端との間で先細りになるイオン伝播軸に沿って延びるイオン移送チャネルを画成する、複数の電極配置内のＲＦ電極および進行波電極の電位を制御させる、記憶された命令を含む。
【０００８】
開示された技術の先述および他の目的、機能、および利点は、添付の図面を参照して続行する以下の詳細な説明からより明白になるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】例示的なイオン集束デバイスの上面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示される例示的なイオン集束デバイスの側面図である。
【図１Ｃ】図１Ａ〜図１Ｂに示される例示的なイオン集束デバイスの斜視図である。
【図２】例示的なイオン集束デバイスの上面図である。
【図３】別の例示的なイオン集束デバイスの上面図である。
【図４】図４Ａ〜４Ｆは、電極配置の異なる例の上面概略図である。
【図５】図５Ａ〜５Ｂは、イオン集束デバイスの別の例のそれぞれ上面図および側面図である。
【図６】別の例示的なイオン集束デバイスの上面図である。
【図７】イオン操作システムの概略図である。
【図８】イオンを方向付ける例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願および請求項内で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明白に別途指示しない限り、複数形を含む。加えて、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」を意味する。さらに、用語「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、結合される物の間の中間要素の存在を排除しない。
【００１１】
本明細書に開示されるシステム、装置、および方法は、いかようにも制限すると解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独ならびに互いとの様々な組み合わせおよび副次的な組み合わせにおける、様々な開示された実施形態のすべての新規および非自明の機能および態様に向けられる。開示されたシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様もしくは機能またはそれらの組み合わせに限定されることがなく、また開示されたシステム、方法、および装置は、任意の１つもしくはそれ以上の特定の利点が存在すること、または問題が解決されることを必要としない。動作のいかなる理論も、説明を促進するためのものであり、開示されたシステム、方法、および装置は、そのような動作の理論に限定されない。
【００１２】
開示された方法のうちのいくつかの動作は、簡便な提示のために、特定の順序で説明されるが、このような説明の様式は、特定の順番が以下に明記される具体的な言語により要求されない限り、再配置を包含することを理解されたい。例えば、連続的に説明される動作は、いくつかの場合においては、再配置されるか、または同時に実施される。さらには、簡略性の目的で、添付の図面は、開示されたシステム、方法、および装置が、他のシステム、方法、および装置と併せて使用される様々な方式を示さない。加えて、本説明は、時として、開示された方法を説明するために「産出する（ｐｒｏｄｕｃｅ）」および「提供する（ｐｒｏｖｉｄｅ）」のような用語を使用する。これらの用語は、実施される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装形態に応じて様々であり、当業者によって容易に認識可能である。
【００１３】
いくつかの例において、値、手順、または装置は、「最低」、「最良」、「最小」などと称され得る。そのような説明は、多くの使用される機能的代替案の中から選択がなされることを示すことが意図され、そのような選択は、他の選択よりも、優れている、小さい、または別途好ましい必要はないということを理解されたい。
【００１４】
いくつかの例は、イオン運動または閉じ込めに対応するように一般化されるもう１つの長手方向および横方向に関して説明される。方向は、通常、イオン運動、捕捉、および閉じ込めに当てはまり、様々な形状、サイズ、および構成の１つまたはそれ以上の容積またはチャネルを画成するように配置される１つまたはそれ以上の電極によって生じる電界によって提供される。方向は、単一経路、複数経路、双方向運動、内向きの運動、外向きの運動、または運動の範囲に対応する。実際のイオン運動経路は様々であり、電極配置および対応する電極によって生じる電界の様々な特徴、ならびに閉じ込め容積内で受けるイオンの位置特徴、極性特徴、動力学的特徴、または他の特徴に依存し得る。本明細書内で言及される方向は、一般化され、実際の特定の粒子運動は、通常、生じた電界、および電界と関連して伝播するイオンの電気的移動度に対応する。
【００１５】
開示された技術は、最小限の損失または損失なしでイオンを方向付けるために場画成されたチャネルを作成するために電界を使用することを含む、イオンを操作するデバイス、装置、および方法に向けられる。いくつかの例において、イオン閉じ込め場は、消勢された無線周波数（ＲＦ）電界によって提供される。追加の例において、イオン閉じ込め場は、消勢されたＲＦ場および進行波電界によって提供される。代表的な例において、反対の極性のイオンは、ＲＦ電界、またはＲＦおよび進行波電界を使用して、移動、捕捉、または操作される。ＲＦ電界は通常、隣接するＲＦ電極によって生成されるＲＦ場が、イオンを電極に近づけさせないようにする、および閉じ込めを提供する交流ＲＦ場配置を形成するために、通常およそ１８０°だけ、位相がずれるように、印加される。閉じ込めは、ある範囲の圧力にわたって（例えば、およそ０．００１トール未満〜およそ１０００トール）、ならびに、イオンと関連付けられた、有用、広範、かつ調節可能な質量対電荷（ｍ／ｚ）範囲にわたって、提供される。いくつかの例において、イオンは、質量分析を通じた、または質量分析計を用いた分析のために操作され、およそ０．１トール未満〜およそ５０トールの圧力が、有用なｍ／ｚ範囲、例えば、ｍ／ｚ２０〜およそ５，０００超にわたって、イオンを容易に操作するために使用される。いくつかの例において、イオン閉じ込め容積は、ガスまたは反応物を含む。ＲＦ電極および進行波電極の配置は、より狭いアパーチャへのイオンの無損失または実質的に無損失の結合が達成されるように、広範の受け取りアパーチャを有する電極配置間の体積または空隙内のイオンチャネルの作成を可能にする対応する電位を受ける。収集および結合は、下流のイオン光学構成要素（イオンガイドなど）内に注入されるイオンの０．１％、１％、または５％未満の損失を含み得る。
【００１６】
進行波は通常、１つまたはそれ以上の列で配置される複数の電極にＤＣ電位を動的に印加することによって作成される。進行波電極セットは、直列に位置する進行波電極の１つまたはそれ以上の列によって形成される。ＤＣ電位が進行波電極列の隣接する電極間で変化するため、進行波は、ＤＣ電位の時間依存の変化に基づいた速度で形成される。変化する進行波特徴は、イオン閉じ込め、無損失輸送、およびイオン分離を生じさせることなど、異なるイオン移動度を有するイオンの様々な運動に影響を与え、またこれを操作し得る。代表的な例において、進行波は、より大きいアパーチャからより狭いアパーチャへ、イオンチャネルに沿ってイオンを無損失で方向付けるために使用される。１つの進行波特徴は、進行波速度であり、進行波と共に移動または波乗りするより高い移動度を有するイオン、およびイオン分離を可能にするために、回転し、進行波に後れを取るより低い移動度を有するイオンを伴う。進行波速度は、動きおよび分離を生じさせるように、ならびに後続のイオン操作構成要素内へ方向付けられるイオンのグループをゲートするように変化する。別の進行波特徴は、進行波振幅であり、これは、進行波振幅における対応する増加により、より低いイオン移動度を有するイオンを輸送することができる。進行波振幅は通常、０Ｖ超〜最大３０Ｖ、５０Ｖ、８０Ｖ、１００Ｖ、またはそれ以上の範囲にあるように、イオン移動度特徴および所望のイオン操作に基づいて選択される。進行波速度は通常、５ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、５０ｍ／ｓ、１００ｍ／ｓ、２００ｍ／ｓ、または５００ｍ／ｓ未満の範囲にあるように、イオン移動度特徴および所望のイオン操作に基づいて選択される。進行波周波数は通常、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの間で選択される。
【００１７】
図１Ａ〜図１Ｃは、様々な特徴（質量、極性、速さなど）を有するイオン１０２を受けるように、およびイオンをイオンガイド１０４などのイオン光学素子内へ方向付けるように位置する例示的なイオン集束デバイス１００を示す。代表的な例において、イオン１０２は、イオン源１０６から収集され、イオン損失は、イオンガイド１０４への効率的なイオン移送を提供するように低減される。イオン集束デバイス１００は、イオン１０２を収集して、イオン伝播軸１１４に対向して互いに離間される一対の電極配置１１０、１１２によって画成される先細りのイオン移送チャネル１０８を有するイオンガイド１０４に移送する。イオン移送チャネル１０８の先細りは、様々な軌道を有するイオン１０２を効率的に収集するために入力端１１６においては大きいアパーチャを、またイオン１０２をイオンガイド１０４の入力アパーチャ１２０内へ結合するために出力端１１８においてはより小さいアパーチャを提供する。先細りは、それぞれの電極配置１１０、１１２とイオン伝播軸１１４との間にそれぞれの斜角θ１、θ２（または、電極配置が平面でない場合は効果的な角度）を画成することができる。典型的な例では、θ１は、θ２に等しいが、等しくない角度が可能である。示されるように、角度θ１、θ２は、イオン伝播軸１１４に対して３０度にある。さらなる例において、θ１、θ２は、５度、１５度、４５度、６０度、または他の角度にある。代表的な例において、出力端１１８において電極配置１１０、１１２によって生じる電界は、イオンガイド入力アパーチャ１２０においてイオンガイド１０４によって生じる電界に同期されるか、またはなめらかに適合される。いくつかの例において、イオン１０２は、同じ極性または異なる極性を有し得る。イオン集束デバイス１００の代表的な例は、平面イオンガイドとイオン源との間など、イオン光学素子の正確な整列と関連付けられた工学的制約を実質的に緩和することができ、したがって、イオン操作プラットフォームを構築する費用を実質的に低減することができる。
【００１８】
いくつかの例において、対向する電極配置１１０、１１２は、平面であり、イオン伝播軸１１４の方向に、例えば、それぞれの電極配置１１０、１１２の平面に沿って入力端１１６から出力端１１８の方へ延びるそれぞれの複数の無線周波数（ＲＦ）電極１２２ａ〜１２２ｈ、１２４ａ〜１２４ｈを含む。イオン移送チャネル１０８内を伝播するイオン１０２が、例えば、矢印１２６、１２８で示されるように、それぞれの電極配置１１０、１１２から離れる方へ方向付けられるように、ＲＦ電極１２２ａ〜１２２ｈ、１２４ａ〜１２４ｈの隣接する電極は通常、互いと位相がずれて駆動される（例えば、１２２ａ、１２２ｃは同相で駆動され、１２２ｂは位相がずれて駆動される）。対向する電極配置１１０、１１２はまた、同様にイオン伝播軸１１４の方向に延びるそれぞれの複数の進行波電極のセット１３０ａ〜１３０ｇ、１３２ａ〜１３２ｇを含み得る。進行電極のセット１３０ａ〜１３０ｇ、１３２ａ〜１３２ｇの各々は、ＤＣ電圧が変化するときに駆動される、および進行波がイオン伝播軸１１４の方向に形成されるようにそれぞれの複数において同期される、それぞれの複数の進行波電極１３４を含む。進行波電界は、例えば、矢印１３６、１３８に示されるように、イオン１０２をイオン移送チャネル１０８に沿って入力端１１６から出力端１１８へ方向付けることができる。進行波電極のセット１３０ａ〜１３０ｇ、１３２ａ〜１３２ｇは通常、ＲＦ電極１２２ａ〜１２２ｈ、１２４ａ〜１２４ｈの間に交互に点在される。
【００１９】
代表的な実施形態において、対向する電極配置１１０、１１２は、それぞれの電極平面において先細りになる電極を含む。電極先細りは、入力端１０６における電極の数と比較して、イオンガイド１０４の入力アパーチャ１２０に提示される出力端１１８における電極の数を減少させ得る。例えば、外側のＲＦ電極１２２ａ、１２２ｈは、内側のＲＦ電極１２２ｂ〜１２２ｇよりも短い長さだけ延び得るか、または出力端１１８の前に終端し得る。同様に、外側のＲＦ電極１２４ａ、１２４ｈは、減少された長さだけ延び得るか、または出力端１１８の前に終端し得る。進行波電極の点在したセット１３０ａ、１３０ｇ、１３２ａ、１３２ｇもまた、入力端１０６から出力端１１８までの全長に満たずに延び得る。いくつかの例において、進行波電極のセット１３０ａ、１３０ｇ、１３２ａ、１３２ｇ内の進行波電極１３４の数は、進行波電極の内側のセット１３０ｂ〜１３０ｆ、１３２ｂ〜１３２ｆ内の進行波電極１３４の数と同じであるか、またはそれよりも小さい。台形、三角形、内向き湾曲、外向き湾曲、左右非対称、矩形などのうちの１つまたはそれ以上を含む、様々な先細り形状または形状の組み合わせが、形成され、減少された電極または電極セット長さと関連付けられる。
【００２０】
対向するガード電極１４０ａ、１４０ｂは、電極配置１１０に隣接して、および電極配置１１０の平面内に位置し、対向するガード電極１４２ａ、１４２ｂは、電極配置１１２に隣接して、および電極配置１１２の平面内に位置する。ガード電極１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１４２ｂは通常、イオン移送チャネル１０８内の対向する電極配置１１０、１１２間に位置するように、イオン１０２を、ガード電極１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１４２ｂから離れる方へ、例えば、矢印１４４、１４６によって示される方向に方向付けるようにＤＣ電圧で付勢される。ガード電極１４０ａ〜１４０ｂ、１４２ａ〜１４２ｂは、それぞれの電極配置１１０、１１２の先細り形状を補足するように形作られる。典型的な例では、電極配置１１０、１１２およびガード電極１４０ａ、１４０ｂは、３Ｄ印刷を使用した印刷回路基板、またはイオン操作に好適な他の基板上に形成される。電極サイズおよび間隔は、異なるイオン、結合効率、およびイオン光学素子の入力パラメータ（例えば、粒子エネルギー、密度、タイミングなど）のための電界要件に基づいて変化し得る。電極間隔は通常、電極間に最小限の非伝導領域を提供して、電気的短絡または干渉の可能性を低減する。典型的な例では、最小限の間隔および電極サイズは、約０．５ｍｍ程度を含め、ミリメートル程度であるが、他の寸法も可能である。正方形および矩形の形状は、構築を簡略化することができ、またデバイス構成または境界（例えば、側面、アパーチャなど）を画成することができ、これらデバイス構成または境界の一部は、他のイオンガイドまたはデバイスに対して位置合わせするために使用される。
【００２１】
イオンガイド１０４またはイオン光学素子の入力アパーチャ１２０は、イオン集束デバイス１００の出力端１１８に結合されるか、または、結合させることができる。いくつかの実施形態において、イオン集束デバイス１００は、イオンガイド１０４の一体部材として形成され、さらなる実施形態において、イオン集束デバイス１００は、様々なイオン光学素子に結合される別個のデバイスである。特定の実施形態において、イオン伝播軸１１４と電極配置１１０、１１２との間の斜角θ１、θ２は、別個にまたはイオンガイド１０４の付属もしくは一部として位置するイオン集束デバイス１００によるなど、１つまたはそれ以上のヒンジ、並進運動ステージ、または他の角可変デバイスにより変化し得る。いくつかの例において、イオンガイド１０４は、イオン１０２をイオン移送チャネル１０８からイオンガイド１０４になめらかに結合するように、それぞれの電極配置１１０、１１２の１つまたはそれ以上の特徴に適合する、対向する電極配置１４８、１５０などの１つまたはそれ以上の電極配置を含み得る。１つの実施形態において、電極配置１４８、１５０は、出力端１１８におけるＲＦ電極１２２ｂ〜１２２ｇ、１２４ｂ〜１２４ｇおよび進行波電極セット１３０ｂ〜１３０ｆ、１３２ｂ〜１３２ｆに類似して、入力アパーチャ１２０において形作られ離間される複数のＲＦ電極１５２ａ〜１５２ｆ、１５４ａ〜１５４ｆおよび進行波電極セット１５６ａ〜１５６ｅ、１５８ａ〜１５８ｅを含む。電極１５４ａ〜１５４ｆ、１５８ａ〜１５８ｅは、図内では電極１５２ａ〜１５２ｆ、１５６ａ〜１５６ｅの下に隠れていることから、図１Ｂでは挿入的に示される。いくつかの例において、電極配置１４８、１５０は、電極配置１１０、１１２にそれぞれ接触し得るか、または電極配置１１０、１１２からそれぞれ連続して延び得る。代表的な例において、電極配置１１０、１１２は、電極配置１４８、１５０からそれぞれ離間される。
【００２２】
いくつかの実施形態において、電極配置１１０、１１２のＲＦ電極１２２ｂ〜１２２ｇ、１２４ｂ〜１２４ｇに印加されるＲＦ電圧信号は、電極配置１４８、１５０のＲＦ電極１５２ａ〜１５２ｆ、１５４ａ〜１５４ｆに類似して、同期または印加される。さらなる実施形態において、進行波電極セット１３２ｂ〜１３２ｆ、１３４ｂ〜１３４ｆに印加される進行波電圧信号は、進行波電極セット１５６ａ〜１５６ｅ、１５８ａ〜１５８ｅに類似して同期または印加される。イオンガイド１０４の代表的な例はまた、イオンガイド１０４内に受けたイオン１０２をイオンガイド１０４の側面から離れる方および電極配置１４８、１５０間に方向付けるように位置するＤＣガード電極１６０ａ、１６０ｂ、１６２ａ、１６２ｂを含む。様々な例において、電極配置１４８、１５０、または電極配置１４８、１５０に隣接するイオンガイド１０４の他の電極（図示せず）に印加される電圧信号は、イオンフィルタリング、イオン分離、イオンゲーティング、質量分析、飛行時間制御、イオンビーム断面変種（例えば、円形、非円形、楕円形、左右対称、左右非対称など）などのイオンガイド１０４内の選択されたイオン活量または応用に基づいて電極配置１１０、１１２に印加される電圧信号と同じであるか、または異なり得る。
【００２３】
図２では、イオン集束デバイス２００は、互いに対して平行に、およびイオン伝播軸２０６に対して（図２の平面内への）斜角で位置するＲＦ電極２０２ａ〜２０２ｈおよび進行波電極セット２０４ａ〜２０４ｇを含む。同様の斜角でイオン伝播軸２０６の周りに対向して位置する、および収集されたイオンをイオン光学素子２０８へ方向付けることを助ける、類似の電極のセットは、明白性のために省略される。外側のＲＦ電極２０２ａ〜２０２ｂ、２０２ｇ〜２０２ｈおよび進行波電極セット２０４ａ、２０４ｇは、イオン集束デバイス２００の入力端２１０と出力端２１２との間で先細りになる電極を画成するように、内側のＲＦ電極２０２ｃ〜２０２ｆおよび進行波電極セット２０４ｂ〜２０４ｆよりも短い長さだけ延びる。イオンがイオン集束デバイス２００内に維持されるように、対向するガード電極２１４、２１６はまた、イオンをそれぞれのガード電極２１４、２１６から離れる方へ方向付けるように位置する。
【００２４】
図３は、イオン伝播軸３０１を有する、および内側のＲＦ電極のセットおよび進行波電極セットを有する電極配置３０２を含む、イオン集束デバイス３００の別の例である。電極配置３０２は、それぞれの非矩形のＲＦ電極３０８、３１０および非矩形の進行波電極３１２ａ〜３１２ｃ、３１４ａ〜３１４ｃを含む対向する先細りの外側の電極セット３０６ａ、３０６ｂをさらに含む。イオン集束デバイス３００は、イオン源からイオンを収集するように、および収集したイオンをイオン伝播軸３０１に沿って下流に位置するイオンガイド３１６へ方向付けるように位置する。
【００２５】
図４Ａ〜図４Ｆは、先細りの平面電極配置４００ａ〜４００ｆの異なる例であり、これは、それぞれの先細りのイオン集束チャネルを形成するために、それぞれのイオン伝播軸４０２ａ〜４０２ｆに関連した角度で位置する１つまたはそれ以上の他の平面電極配置と共に使用される。電極配置４００ａ〜４００ｆの各々は、様々な長さに延びる複数の長手方向に延びるＲＦ電極４０４ａ〜４０４ｆおよび進行波電極セット４０６ａ〜４０６ｆを含み得る。ＲＦ電極４０４ａ〜４０４ｆは、概して、先細りのイオン集束チャネルのそれぞれの電極配置４００ａ〜４００ｆと他の電極配置との間にイオンを維持する。進行波セット４０６ａ〜４０６ｆは、概して、イオン伝播軸４０２ａ〜４０２ｆの方向にイオン集束チャネル内のイオンを動かすように位置する。電極配置４００ａは、チャネル入力４０８ａから後続のイオン操作素子と結合されるチャネル出力４１０ａまで延びる台形構成に配置される。電極配置４００ｂの側面は、チャネル入力４０８ｂとチャネル出力４１０ｂとの間で内向きに湾曲する。電極配置４００ｃでは、電極配置４００ｃの片側が、チャネル入力４０８ｃとチャネル出力４１０ｃとの間で先細りにされ、反対側は、ＲＦ電極４０４ｃ、進行波電極セット４０６ｃに平行して延びる。電極配置４００ｄは、電極配置４００ｂに類似するが、但し対向する先細りの側面はチャネル入力４０８ｄとチャネル出力４１０ｄとの間で外向きに湾曲する。電極配置４００ｅは、チャネル入力４０８ｅとチャネル出力４１０ｅとの間に延びる対向する先細りの内向き湾曲側および外向き湾曲側を含む左右非対称構成を示す。電極配置ジオメトリの様々な組み合わせが同様に形成され、電極配置４００ｆは、チャネル入力４０８ｆから既定の長さだけ延びる矩形電極配置部分４１２ｆおよび矩形電極配置部分４１２ｆの端部からチャネル出力４１０ｆまで延びる台形電極配置部分４１４ｆを有する１つのそのような例を示す。
【００２６】
図５Ａ〜図５Ｂは、入力アパーチャ５０８と出力アパーチャ５１０との間にイオン集束チャネル５０６を画成するように、対向する電極配置５０４ａ、５０４ｂの両端に位置するガード電極セット５０２ａ、５０２ｂを含むイオン集束デバイス５００の例を描写する。ガード電極５０２ａ、５０２ｂは、イオンをイオン集束チャネル５０６内へ、例えば、矢印５１４ａ、５１４ｂの方向に方向付けるように位置する積層配置を形成するそれぞれの複数の隣接するＲＦ電極５１２を含む。典型的な例では、交流ＲＦ電極は、イオン集束チャネル５０６の内側へのイオンの方向付けをもたらすように、位相をずらして付勢される。図５Ｂに示されるように、ガード電極セット５０２ａのＲＦ電極５１２は、概して、イオン伝播軸５１６に対して平行に延びる。典型的な例では、ガード電極５０２ｂのＲＦ電極はまた、イオン伝播軸５１６に対して平行に延び得る。また、図５Ｂに示されるように、ＲＦ電極５１２は、出力アパーチャ５１０に向かって先細りになる電極を画成し得る。いくつかの例において、ガード電極セット５０２ａ、５０２ｂのすべてまたは追加のＲＦ電極は、入力アパーチャ５０８と出力アパーチャ５１０との間に等しい長さで延び得る。追加の例において、ガード電極セット５０２ａ、５０２ｂの一方または両方のＲＦ電極５１２は、互いに対して平行でない。例えば、ＲＦ電極５１２のうちの１つまたはそれ以上は、対向する電極配置５０４ａ、５０４ｂのうちの一方によって画成される平面に対して平行である、または他の角度にあり得る。
【００２７】
図６では、イオン集束デバイス６００は、図２に示されるＲＦ電極２０２ａ〜２０２ｈおよび進行波電極セット２０４ａ−２０４ｇの配置に類似して配置されるＲＦ電極６０４ａ〜６０４ｈおよび長手方向の進行波セット６０６ａ〜６０６ｇを含む平面電極配置６０２を含んで示される。イオン集束デバイス６００は、概して、イオンをイオン伝播軸６０８に沿って入力アパーチャ６１０と出力アパーチャ６１２との間に方向付けるように位置する。イオン伝播軸６０８は、概して、平面電極配置６０２に対して（図６の平面内への）斜角で配置され、類似の対向する電極配置（電極配置６０２の下にあり、示されない）もまた、入力アパーチャ６１０と出力アパーチャ６１２との間に電極配置６０２と対向する電極配置との間で画成されるイオン伝播チャネル６１３の先細りを画成するようにイオン伝播軸に対してある角度で配置される。対向するガード電極６１４ａ、６１４ｂは、電極配置６０２にも対向して位置し、交流ＲＦ電極６１６ａ〜６１６ｄ、６１８ａ〜６１８ｄおよび点在した進行波電極６２０ａ〜６２０ｄ、６２２ａ〜６２２ｄを含む。イオンがイオン伝播チャネル６１３内に維持されるように、ＲＦ電極６１６ａ〜６１６ｄ、６１８〜６１８ｄは、イオンを平面電極配置６０２と対向する電極配置との間に（例えば、図６の平面内へ）方向付ける。進行波電極６２０ａ〜６２０ｄ、６２２ａ〜６２２ｄは、イオンをイオン伝播軸６０８の方へ、例えば、矢印６２４ａ、６２４ｂの方向に方向付けるように位置し、その結果として、イオンはまた、出力アパーチャ６１２の方へ平面電極配置６０２の平面内の電極の先細りに従って方向付けられる。
【００２８】
図７は、イオン源７０６からイオン７０４を収集するように、およびイオン７０４をイオン光学素子７０８内へ方向付けるように位置するイオン集束デバイス７０２を含むイオン収集システム７００の概略図である。イオン集束デバイス７０２は、イオン光軸７１４に対してある角度で位置し、各々が、イオン集束チャネル７１６内のイオン７０４を入力端７１８から出力端７２０へ、そしてイオン光学素子７０８の入力端７２２へ案内するために複数のＲＦ電極および進行波電極セットを伴って位置する、対向する電極配置７１０、７１２を含む。イオン光学素子７０８は、対向する電極配置７１０、７１２と類似し得る、またはそれと異なり得る対向する電極配置７１１、７１３を含む。一対のガード電極（図示せず）はまた、イオン７０４をイオン集束チャネル７１６内へ方向付けるように、またはイオン７０４がイオン集束チャネル７１６から出て図７の平面の内側もしくは外側に入ることを防ぐように、位置し得る。
【００２９】
イオン収集システム７００はまた、イオン収集およびイオン操作を制御するように動作する、イオン集束デバイス７０２、イオン源７０６、およびイオン光学素子７０８に結合されるイオン制御システム環境７２４を含む。イオン制御システム環境７２４は、少なくともプロセッサ７２６およびメモリ７２８を含む１つまたはそれ以上のコンピューティングデバイスを含む。コンピューティングデバイスは、デスクトップまたはラップトップコンピュータ、モバイルデバイス、タブレット、論理制御器などを含み得る。プロセッサ７２６は、イオン制御システム環境７２４と関連付けられた様々なデータ処理またはＩ／Ｏ機能を実施することができる１つまたはそれ以上のＣＰＵ、ＧＰＵ、ＡＳＩＣ、ＰＬＣ、ＦＰＧＡ、ＰＬＤ、ＣＰＬＤなどを含み得る。メモリ７２８は、揮発性または不揮発性であり（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ、ハードドライブ、光学ディスクなど）、固定式または取り外し可能であり、プロセッサ７２６に結合される。メモリ７２８は、１つまたはそれ以上のコンピュータ可読媒体のための記憶容量を提供し得る。１つまたはそれ以上のシステムバス７３０が、様々な環境構成要素間の通信経路を提供し得る。イオン制御システム環境７２４はまた、アプリケーションおよびタスクが通信ネットワークを通じてリンクされるリモート処理デバイスによって実施されるように、分散形式で位置し得る。分散型コンピューティング環境では、プログラムモジュールおよび論理は、ローカルおよびリモート両方のメモリ記憶デバイスに位置し得る。
【００３０】
イオン制御システム環境７２４は、電極配置７１０、７１２のＲＦ電極に印加される電位を制御するＲＦ電圧制御論理７３２を含み得る。ＲＦ位相遅延７３４が、電極配置７１０、７１２内の交互の隣接するＲＦ電極のために使用され、その結果として、選択された位相遅延（例えば、１８０度）が、隣接するＲＦ電極の間に印加される。いくつかの例において、ＲＦ電圧制御論理７３２はまた、対向するＲＦ電極配置７１１、７１３のＲＦ電極に印加される電位を制御することができ、そのような印加された電圧は、イオン集束デバイス７０２の出力端７２２およびイオン光学素子７０８の入力端において長手方向に適合されるものなど、電極配置７１０、７１２の選択されたＲＦ電極と、ゼロ遅延または非ゼロ遅延で同期される。さらなる例において、イオン制御システム環境７２４は、イオン光学素子７０８からイオンガイド電圧７３６を検出するか、それを受け、イオンガイド電圧７３６のＲＦ電圧特徴（例えば、位相、周波数、振幅）に基づいてＲＦ電圧を電極配置７１０、７１２のＲＦ電極に印加することができる。追加の例において、進行波電圧制御論理７３８は、イオン７０４を出力端７２０の方へ方向付けるように電極配置７１０、７１２の進行波電極に印加される進行波電位を制御することができる。いくつかの実施形態において、進行波電位はまた、イオン光学素子７０８内の電極配置７１１、７１３の進行波電極セットについて制御される。いくつかの例において、進行波特徴は、イオン集束デバイス７０２とイオン光学素子７０８との間でのなめらかなまたは連続した進行波結合（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  ｗａｖｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を形成するように電極配置７１０、７１１と電極配置７１２、７１３との間で同期される。追加の実施形態において、イオン制御システム環境７２４は、イオン源７０６からのイオンの生成および／または放出を制御するイオンガイドゲート論理７４０を含み得る。イオンガイドゲート論理７４０はまた、イオン７０４のグループがイオン光学素子７０８の入力端７２２内へ制御可能に解放される、または方向付けられるように、イオン集束デバイス７０２内のイオン７０４を列に並べる（ｑｕｅｕｅ）または位置付けるように進行波電圧制御論理７３８に同期される。いくつかの例において、様々な電圧波形、イオン特徴、または他のシステムパラメータもしくはパフォーマンス出力は、ディスプレイ７４２上に表示される。
【００３１】
図８は、イオンを方向付けるための方法８００を示す。８０２において、複数の通常平面の電極配置は、イオン移送チャネルの入力端と出力端との間で先細りになるイオン移送チャネルを形成するようにイオン伝播軸に対して斜角で対向して位置付けられる。先細りのイオン移送チャネルは、イオン源からイオンを収集し、そのイオンを、いくつかの例においては無損失で、イオン光学素子に送るために使用される。８０４において、イオン移送チャネルの出力端は、イオン移送チャネル内のイオンがイオン移送チャネルを通ってイオン光学素子内へ方向付けられるようにイオン光学素子の入力端に結合される。代表的な実施形態において、８０６において、出力端における電極配置によりイオン移送チャネル内に提供される電界は、イオン光学素子の入力においてイオン光学素子により提供される電界に適合される。
【００３２】
例示された実施形態を参照して開示された技術の原則を説明および例示してきたが、例示された実施形態は、そのような原則から逸脱することなく、配置および細部が修正されることが認識されるものとする。例えば、ソフトウェアで示される例示された実施形態の要素は、ハードウェアで実装することができ、その反対も然りである。また、任意の例からの技術は、他の例のうちの任意の１つまたはそれ以上において説明される技術と組み合わせることができる。例示された例を参照して説明されるものなど、手順および機能は、単一のハードウェアもしくはソフトウェアモジュールにおいて実施されるか、または別個のモジュールが提供されることを理解されたい。上記の特定の配置は、簡便な例示のために提供されるものであり、他の配置を使用してもよい。
【００３３】
開示された技術の原則が適用される多くの可能な実施形態の観点から、例示された実施形態は、代表的な例にすぎず、本開示の範囲を限定すると見なされるべきではないということが認識されるものとする。これらのセクションにおいて具体的に取り扱われる代替案は、単に例示にすぎず、本明細書に説明される実施形態に対するすべての可能な代替案を構成するものではない。例えば、本明細書に説明されるシステムの様々な構成要素は、機能および使用において組み合わせることができる。したがって、本発明者らは、添付の特許請求の範囲内に入るものすべてを特許請求する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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