(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化室を囲繞する体部と、
前記イオン化室内まで電子を加速するように構成された電子エクストラクタと、
前記イオン化室の外部にあるとともに、電子リペラ、熱陰極、および前記熱陰極と前記電子エクストラクタの間の電子レンズを備えた電子源と、
前記電子リペラ、前記熱陰極、前記電子レンズおよび前記電子エクストラクタに対して、
前記熱陰極から電子を放出すること、
前記電子を前記イオン化室に向けて加速すること、および
前記電子レンズのところに前記電子を減速するのに有効な電位の谷を生成するとともに前記電子レンズのところに前記減速された電子を備えた仮想陰極を形成すること
に有効なそれぞれの電圧を印加するように構成された電圧源と
を備え、
前記電子レンズは、前記熱陰極と前記電子エクストラクタの間の第１の電子レンズと、前記第１の電子レンズと前記電子エクストラクタの間の第２の電子レンズと、を備えており、かつ前記電圧源は前記第１の電子レンズおよび前記第２の電子レンズに対して、
前記熱陰極から前記第２の電子レンズに向けて前記電子を加速すること、および
前記電位の谷を生成するとともに前記第２の電子レンズのところに前記仮想陰極を形成すること、
に有効なそれぞれの電圧を印加するように構成されている、
イオン源。
【請求項２】
前記イオン化室内に至るサンプルインレット、
前記体部を囲繞するとともに前記イオン化室内に軸方向磁場を生成するように構成されたマグネットアセンブリ、
前記電子エクストラクタに対して直角の方向を向き、または前記電子エクストラクタと軸に沿って整列するイオンアウトレットを備える前記イオン化室、
イオンビームを前記イオン化室から出すように導くように構成されたイオンエクストラクタを備える前記イオン化室、
という構成のうちの少なくとも１つを備える請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記熱陰極は、前記熱陰極が前記電子リペラと前記電子エクストラクタの間に位置決めされる構成、前記熱陰極が前記電子リペラに対して直角に向いている構成、および前記の構成の両方の構成からなる群より選択された構成を有する、請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記電圧源は、前記電子を前記電位の谷においてゼロの速度まで減速するように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン源。
【請求項５】
前記電子エクストラクタは、イオンリペラ、前記体部、またはイオンリペラと前記体部の両方を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のイオン源。
【請求項６】
電子イオン化のための電子ビームを発生させるための方法であって、
電子を発生させるステップと、
前記電子をイオン化室に向けて加速するステップと、
前記イオン化室の外部に仮想陰極を形成するのに有効なレベルまで前記電子を減速するステップであって、前記仮想陰極は電位の谷で減速された電子が高密度で集積し、前記減速させた電子を備える、減速するステップと、
前記仮想陰極から前記イオン化室内まで前記電子を加速するステップと
を含む方法。
【請求項７】
前記電子を２０ｅＶ以下の電子エネルギーで発生させるステップを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電子を前記仮想陰極が形成される領域においてゼロ速度まで減速するステップを含む請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記電子を前記イオン化室に向けて加速するステップは電子エクストラクタに電圧を印加するステップを含むとともに、前記電子を減速するステップは前記電子エクストラクタに印加される前記電圧と比べて大きさがより小さい電圧を電子レンズに印加するステップを含み、かつ前記仮想陰極は前記電子レンズのところに形成されている、請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、その内容を参照により全体として本明細書に組み込むものとする２０１４年１２月１２日に出願された「ＩＯＮ  ＳＯＵＲＣＥ  ＦＯＲ  ＳＯＦＴ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＩＯＮＩＺＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＲＥＬＡＴＥＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」と題する米国特許仮出願第６２／０９１，２０４号の恩恵を主張するものである。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、質量分析で利用し得るものなど、電子ビームを利用したイオン源に関し、またより詳細には、ソフト電子イオン化向けに構成されたイオン源に関する。
【背景技術】
【０００３】
質量分析（ＭＳ）システムは一般に、関心対象のサンプルの成分をイオン化するためのイオン源と、その質量対電荷比（または、ｍ／ｚ比、またはより簡略に「マス（ｍａｓｓｅｓ）」）の多様性に基づいてイオンを分離するための質量分析部と、分離したイオンを計数するためのイオン検出器と、ユーザ解釈可能な質量スペクトルを作成するために必要に応じてイオン検出器からの出力信号を処理するための電子回路と、を含む。典型的には質量スペクトルは、検出されたイオンの相対存在量をそのｍ／ｚ比の関数として表した一連のピークである。質量スペクトルは、サンプルの成分の分子構造を決定し、これによりサンプルを定性的および定量的に特徴付けできるようにするために利用されることがある。
【０００４】
ＭＳで広く使用されるイオン源の一例は電子イオン化（ＥＩ）源である。典型的なＥＩ源ではサンプル材料は、分子蒸気の形態でイオン化室に導入される。活発な電子を放出するためには、電子放出体（典型的には、耐熱材料（たとえば、タングステン）からなる加熱されたフィラメントなどの熱陰極）が利用される。放出された電子は次いで、コリメートされるとともに、フィラメントと陽極との間に加えられた電位差の影響の下でイオン化室内へのビームとなるように加速される。サンプル材料は、電子ビームの経路と交差する経路に沿ってイオン化室に導入される。電子ビームがサンプルと電子の経路が交差する領域にあるサンプル材料に衝突する結果として、サンプル材料のイオン化が生じる。イオン化プロセスの１次反応は、Ｍ＋ｅ−→Ｍ＊＋＋２ｅ−（ここで、Ｍは分析物分子を意味し、ｅ−は電子を意味し、かつＭ＊＋は得られた分子イオンを意味する）という関係式によって記述することができる。すなわち、電子は静電気的斥力によって分子に電子を失わせるだけの十分な近さまで分子に近づくとともに、これにより単独電荷の正イオンが形成される。イオン化室に形成されたイオンを出口アパーチャの方向に引きつけるために電位差が利用され、その後においてこの得られたイオンビームは質量分析部などの下流側デバイスに入るように、または先ずイオンガイド、質量フィルタ、その他などの介在する構成要素まで加速される。
【０００５】
イオン化室内への電子の加速に利用される電場は通常、イオン化室電圧を基準として負の（または、より正でない）フィラメント電圧によって生成される。多くのＥＩイオン源では、イオン化室からさらに離して位置決めされたより負の電子リペラを使用して、より多くの電子をイオン化室に押し入れている。周知のＥＩイオン源のうちのいくつかでは、フィラメントとイオン化室の間に電子をフィラメントから引き離すための電子レンズが配置されている。電子エネルギーがサンプルのイオン化電位より大きければ、電子が気体サンプルと衝突する間に、サンプル中性体がイオン化される。典型的なサンプルイオン化電位は７．５〜１５ｅＶの間であるため、電子ビームは概ね２０〜１５０ｅＶのエネルギーでイオン化室に入る。このようなＥＩイオン源では、分子が大規模にフラグメント化されるとともに、ライブラリ検索可能な質量スペクトルが実現される。しかしたとえば構造解明や未知物の同定などのいくつかのケースでは、分子イオンが豊富でありかつ／または質量診断性がより高いイオンを伴った質量スペクトルが好ましい。周知のＥＩイオン源のうちのいくつかでは、「低電子エネルギーＥＩ」または「ソフトＥＩ」と呼ばれるより低い電子エネルギー（８〜２０ｅＶ）で動作させることによってこれを実施してきた。ソフトＥＩモードではフィラメントとイオン化室の間の電圧差は、フィラメントとイオン化室の間の電場強度が低くなるようなサンプルイオン化電位（たとえば、１０ｅＶ）近くに設定することが必要である。しかしながら、この低い電場強度によってＥＩ源はより高強度の電子ビームを安定して生成することができない。したがって、ＥＩを介したソフトイオン化を実装するための過去の試みは望ましくない低いＥＩ信号強度を発生させることに制限されてきた。
【０００６】
一般に、電子エネルギーが２０ｅＶを超えたときに、周知のＥＩイオン源は妥当なパフォーマンスを示す。しかし、電子エネルギーが２０ｅＶ未満にあるときは、周知のＥＩイオン源が安定でありかつ高強度の低電子エネルギー電子ビームを生成することは困難である。したがってソフトＥＩ向けには、周知のＥＩイオン源は最適化されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、ソフトイオン化を実装するのにより有効なＥＩイオン源に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の問題の全体またはその一部、および／または当業者が気付くことがあるような他の問題に対処するために、本開示は一例として以下に示した実装形態について説明したような方法、プロセス、システム、装置、計器および／またはデバイスを提供する。
【０００９】
一実施形態によればイオン源は、イオン化室を囲繞する体部と、イオン化室内まで電子を加速するように構成された電子エクストラクタと、イオン化室の外部にあるとともに、電子リペラ、熱陰極およびこれら熱陰極と電子エクストラクタの間の電子レンズを備えた電子源と、これら電子リペラ、熱陰極、電子レンズおよび電子エクストラクタに対して、熱陰極から電子を放出すること、電子をイオン化室に向けて加速すること、および電子レンズのところに電子を減速するのに有効な電位の谷を生成するとともに電子レンズのところに減速された電子を備えた仮想陰極を形成することに有効なそれぞれの電圧を印加するように構成された電圧源と、を含む。
【００１０】
別の実施形態によれば質量分析計（ＭＳ）は、本明細書に開示した実施形態のうちのいずれかに従ったイオン源と、イオン化室の下流側にある質量分析部と、を含む。
【００１１】
別の実施形態によれば電子イオン化のための電子ビームを発生させるための方法は、電子を発生させるステップと、電子をイオン化室に向けて加速するステップと、電子をイオン化室の外部に仮想陰極を形成するのに有効なレベルまで減速するステップであって、この仮想陰極は減速させた電子を備える減速するステップと、電子を仮想陰極からイオン化室内まで加速するステップと、を含む。
【００１２】
別の実施形態によればサンプル材料を分析するための方法は、請求項１４の方法に従って電子ビームを発生させるステップと、サンプル材料をイオン化室内に電子の方向に導くことによってイオンを発生させるステップと、イオンをイオン化室から質量分析部まで送るステップと、を含む。
【００１３】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点については、以下の図面および詳細な説明を検討することにより当業者には明らかであるか当業者に明らかとなろう。このような追加的なシステム、方法、特徴および利点のすべては、本説明の中に含まれ、本発明の趣旨域内にあり、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。
【００１４】
本発明は、以下の図面を参照することによってより理解を深めることが可能である。図面中の構成要素は必ずしも縮尺通りとは限らず、むしろ本発明の原理を示すことに重点が置かれている。図面においては、その様々な図の全体にわたって同様の参照番号によって対応する部品を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】いくつかの実施形態に従ったイオン源の一例の斜視図である。
【図２】図１に示したイオン源の斜視断面図である。
【図３】イオンシミュレーションソフトウェアによって作成されたイオン源のモデルの図である。
【図４】図３と同じモデルであるが、イオン源軸に沿って束縛されたイオンビームを含むイオン軌道を示しているモデルの図である。
【図５】レンズアセンブリの周りの領域の拡大図である。
【図６】イオンシミュレーションソフトウェアによって作成されたイオン源の別のモデルの図である。
【図７】イオン源と一緒に設け得るハードウェアの一例の概略図である。
【図８】別の実施形態による図１および２に示したイオン源の一部分の概略図である。
【図９】本明細書に開示したようなイオン源をその中に設け得る質量分析（ＭＳ）システムの一例の概略図である。
【図１０Ａ】周知のＥＩイオン源の概要側面（縦方向）断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示したイオン源の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットしたグラフである。
【図１１Ａ】本開示のある実施形態によるソフトＥＩ向けに構成されたＥＩイオン源の一例の概要側面（縦方向）断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示したイオン源の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットしたグラフである。
【図１２Ａ】本開示の別の実施形態によるソフトＥＩ向けに構成されたＥＩイオン源の一例の概要側面（縦方向）断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂに示したイオン源の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットしたグラフである。
【図１３Ａ】図１０Ａおよび１０Ｂに示したイオン源と矛盾しない構成を有する従来のイオン源を含んだ質量分析計によって計測されるような化合物Ｎ−ドトリアコンタンの質量スペクトルである。
【図１３Ｂ】図１３Ａに関連する同じ質量分析計であるが、図１１Ａ〜１２Ｂに示したイオン源と矛盾しない構成を有するイオン源を利用する質量分析計によって計測されるような同じ化合物Ｎ−ドトリアコンタンの質量スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、いくつかの実施形態に従ったイオン源１００の一例の斜視図である。図２は、図１に示したイオン源１００の斜視断面図である。図示した実施形態ではイオン源１００は一般に、内部イオン化室または体積２０８を画定する体部１０４と、マグネットアセンブリ１１２と、電子源１１６と、レンズアセンブリ１２０と、を含む。
【００１７】
イオン源１００は、イオン源軸１２４の周りに概して配列させた全体的な幾何学形態または構成を有することがある。動作時にはイオン源１００は、イオン源軸１２４に沿った電子ビームを発生させており、またイオン源軸１２４を基準とした任意の方向でイオン化しようとするサンプル材料のストリームを導き入れることがある。分析しようとするサンプル材料は、サンプル材料がたとえばガスクロマトグラフ（ＧＣ）計器などの分析分離計器の出力となるようなハイフネテッド（ｈｙｐｈｅｎａｔｅｄ）技法を含む適当な任意の手段によってイオン源１００に導入することができる。続いてイオン源１００は、イオンを発生させるとともに、このイオンをイオン源軸１２４に沿ったイオンビームになるように集束させる。イオンは、イオン源軸１２４に沿ってイオン源１００を出て、イオン源軸１２４に沿ってイオン入口を有し得る次のイオン処理デバイスに入る。
【００１８】
イオン化室２０８は、イオン源軸１２４に沿って第１の端部から第２の端部までの長さを有する。体部１０４を通過して適当な任意の箇所に、サンプル源からのサンプル材料をサンプル材料が電子ビームと相互作用するイオン化室２０８に導き入れるための経路を提供するためのサンプルインレット２２８が形成されている。イオン化室２０８の軸方向長さは、所望の分析物分子のイオン化に利用可能である比較的長く存続可能な電子ビーム領域が設けられるように選択されることがあり、これによればイオン源１００のイオン化効率が上昇し、またこのため計器の感度が全体として上昇する。
【００１９】
マグネットアセンブリ１１２は、体部１０４を共軸性に取り囲んでいる。マグネットアセンブリ１１２は、電子ビームおよびその得られたイオンビームをイオン源軸１２４に沿って集束および圧縮するイオン化室２０８内に均一な軸方向磁場を生成するように構成されている。磁気的に束縛された電子ビームと比較的長いイオン化室２０８によって、イオン化室２０８から出て、最終的にたとえば質量分析部などの下流側イオン処理デバイス、またはイオンガイド、イオントラップ、質量フィルタ、衝突セル、その他など質量分析部より前の別のタイプのデバイス内への抽出（放出）の改良に好適なイオンビームの生成を可能とし得る。このイオンビームは、イオン化室２０８の内表面との衝突の際に多数のイオンがフィラメントまで引き出されるか、または脱集束となって中性化される（失われる）ようなＮｉｅｒ型イオン源において生じることが知られるイオン損失を受けることなく抽出され得る。マグネットアセンブリ１１２は、イオン源軸１２４の周りに円周方向に離間させた複数のマグネット１３２を含むことがある。図示した実施形態は、リング形状のヨーク１３４に対して固定された４つのマグネット１３２からなる対称性の配列を含む。マグネット１３２は、永久磁石とすることも電磁石とすることもある。サンプルインレット２２８と電気的コンジットなどの他の構成要素とは、隣接するマグネット１３２からなる任意の対の間にあるギャップに位置決めされることがある。マグネット１３２は、ギャップによって互いに離間されてはいるが、イオン源軸１２４の周りに対称に配列されており、また生成される軸方向磁場は均一である。
【００２０】
電子源１１６は、電子を発生させるとともに電子ビームを第１の端部からイオン化室２０８を通って導くように構成された任意のデバイスとすることがある。図示した実施形態では、電子源１１６は１つまたは複数の陰極２３８を含む。陰極２３８は熱イオン放出向けに構成されており、したがって、たとえばレニウムやタングステン−レニウム合金などの熱イオン放出材料から構成される１つまたは複数のフィラメント（また代替として、コア上のコーティング）とすること、あるいはこれを含むことがある。陰極２３８は、熱イオン放出が発生するのに十分な温度まで加熱される。加熱は典型的には、電流を陰極２３８に通すことによって実施される。この電流は、電子エネルギーを調整する（概ね７０ｅＶに設定されるのが典型的であるが、これより低いことも高いこともあり得る）ために調整されることがある。電子源１１６はまた、イオンリペラ２４０および電子反射体２４４（プレートまたは電極）を含む。陰極２３８は、イオンリペラ２４０によってイオン化室２０８から分離された電子源領域と考え得るという点において、電子反射体２４４とイオンリペラ２４０の間に位置決めされる。イオンリペラ２４０（電子エクストラクタと考えることもあり得る）は、イオン源軸１２４上にアパーチャを有する壁またはプレートとして構成されることがある。電子エネルギーは、イオンリペラ２４０および電子反射体２４４に印加される電圧によって設定される。電子反射体２４４に印加される電圧は、生成したままの電子をレンズアセンブリ１２０に向けて加速する。この目的のために、電子反射体２４４と陰極２３８の下流側にある以下で説明するようなレンズアセンブリ１２０の「エクストラクタ」などの適当な任意の導電性要素（陽極）との間に軸方向の電圧傾斜が印加されることがある。電子反射体２４４に印加される電圧は、典型的には負であるが、より一般的にはイオンリペラ２４０やレンズアセンブリ１２０（以下で説明する）の「第１のレンズ要素」までの他の下流側光学系と比べてより正でない。電子反射体２４４および陰極２３８が等しい電位で動作することがあり、またはイオン化室２０８に電子を撥ね返す支援とするために電子反射体２４４を陰極２３８と比べてより負とすることがある。
【００２１】
レンズアセンブリ１２０は、電子源１１６に対する軸方向で反対側のイオン化室２０８の第２の端部に位置決めされる。レンズアセンブリ１２０はとりわけ、イオン源軸１２４に沿ってイオン化室２０８から出て次のイオン処理デバイスに入るようにイオンビームを導くように構成される。この目的のためにレンズアセンブリ１２０は、電圧源によって独立にアドレス指定可能な複数のレンズ要素（または、電極）を含む。各レンズ要素は、イオン源軸１２４上にアパーチャまたはスロットを有することがある。図示した実施形態ではレンズアセンブリ１２０は、イオン抽出レンズ（または、イオンエクストラクタ）２４８と、イオン源軸１２４に沿ってエクストラクタ２４８から離間させた第１のレンズ要素（または、電子反射体）２５０と、イオン源軸１２４に沿って第１のレンズ要素２５０から離間させた第２のレンズ要素（または、イオン反射体）２５２と、イオン源軸１２４に沿って第２のレンズ要素２５２から離間させたイオン源出口レンズ要素（または、イオンビーム集束レンズ要素）２５６と、を含む。イオン源出口レンズ要素２５６は、イオン処理デバイス内への入口レンズ要素として構成されること、または入口レンズ要素の役割もすることがある。レンズアセンブリ１２０はまた、第２のレンズ要素２５２とイオン源出口レンズ要素２５６の間に、イオンビームを集束するのに利用し得る１つまたは複数の追加のイオン集束レンズ要素２５４を含むことがある。イオンリペラ２４０とエクストラクタ２４８は、イオン化室２０８の軸方向の第１の端部と第２の端部のそれぞれと考えることができる。当業者であれば理解されるように、エクストラクタ２４８に対してはイオンビームをイオン化室２０８から引き出す支援をするための適当な大きさの電圧が印加されることがある。
【００２２】
第１のレンズ要素２５０は、イオン化室２０８のすぐ外側に位置決めされるとともに、エクストラクタ２４８に対してその下流側にすぐ隣接している。第１のレンズ要素２５０に対しては、電子ビームを反射させてイオン化室２０８内に戻すために適当な大きさの電圧が印加されることがある。したがって、陰極２３８（または、陰極２３８および電子反射体２４４）と第１のレンズ要素２５０とは、電子ビームを反射させてイオン源軸１２４に沿ってイオン化室２０８を前後に通すように協調して作用し、これによりイオン化室２０８内の分析物のＥＩイオン化に利用可能な電子密度が強化される。
【００２３】
電子を反射させてイオン化室２０８内に戻すために、第１のレンズ要素２５０に対して大きさが比較的大きい電圧が印加されることがある。これによって、一般に第１のレンズ要素２５０とエクストラクタ２４８の間のイオントラップ領域と呼ぶことがある領域におけるイオン生成を得ることができる。イオン化室２０８と比較するとこの領域におけるエネルギーは低く、したがってこの領域で生成されるイオンは、有するイオンエネルギーが低く望ましくないことがある。このため、これらのイオンは、この領域でトラップを受けやすい。これらのイオンは本明細書では「低エネルギー」イオンまたは「より低エネルギー」イオンあるいは「トラップ」イオンと呼ばれることがあり、本コンテキストでは、イオン源１００について企図される動作条件下において、トラップ領域でトラップを受ける可能性があるような十分に低いエネルギーを有するイオンのことを指す。これに対して、「高エネルギー」イオンまたは「より高エネルギー」イオンあるいは「非トラップ」イオン（典型的には、イオン化室２０８で発生させたイオン）は、レンズアセンブリ１２０を貫通して下流側イオン処理デバイスに入ることが可能である。イオントラップは、望ましくない空間電荷およびイオン電流の不安定につながり、このために望ましくない不規則な性能となることがある。
【００２４】
第２のレンズ要素２５２は、第２のレンズ要素２５２とエクストラクタ２４８の間の領域におけるイオントラップを実質的に低減するまたは排除するために設けられる。第２のレンズ要素２５２に設定される電圧は、第１のレンズ要素２５０に設定される電圧と比べてより正とすることがある。このため第２のレンズ要素２５２は低エネルギーイオンを第１のレンズ要素２５０の方向に反射させて、返しており、これらのイオンは、次いで第１のレンズ要素２５０と衝突して中性化される。さらに、第１のレンズ要素２５０はトラップ領域におけるイオントラップを最小限にするためにエクストラクタ２４８に対して実行可能な限り近くに位置決めされることがある。
【００２５】
図３は、イオンシミュレーションソフトウェアによって作成したイオン源３００のモデルである。このモデルは、イオン源３００の側面断面図に対応する。イオン源３００は一般に、上で説明しかつ図１および図２に示したイオン源１００と同様であり、したがって、同様の構成要素は同様の参照番号によって指示している。このモデルは、出口レンズ要素２５６のすぐ下流側にイオン源３００と軸中心で位置決めされた無線周波数（ＲＦ）四極子質量フィルタ３６０を含む。図３は、電子が陰極２３８と第１のレンズ要素２５０の間を反射して前後するイオン源軸に沿って集中させた高強度の電子ビーム３６２を示している。このシミュレーションでは磁場強度を７５０ガウスとした。実際には、強度がこれより大きい磁場や小さい磁場を利用することができる。
【００２６】
図３は、また、イオン化室２０８の少なくとも一部分３６４（たとえば体部１０４の内部表面（または、複数の表面）によって画定される部分）を、レンズアセンブリ１２０の方向に広がるようなテーパ付き、または円錐形とした実施形態を示している。すなわち、イオン化室２０８の断面積はレンズアセンブリ１２０の方向で徐々に大きくなる。この変化する幾何学形状は、電場をわずかに減衰させており、これによりイオンの移動がレンズアセンブリ１２０および続くイオン処理デバイスの方向に偏ることがあり得る。
【００２７】
図４は、図３と同じモデルであるが、イオン源軸に沿って束縛されたイオンビーム４６６を含むイオン軌道を示しているモデルである。図５は、レンズアセンブリ１２０の周りの領域の拡大図である。イオントラップ領域を円５６８によって示している。図４および図５では、低エネルギーイオン４７０が、第２のレンズ要素２５２から反射されて第１のレンズ要素２５０に衝突するように示している。図４および図５は、本明細書に開示したイオン源によって、イオン源のイオン体積で生成される、より高エネルギーのイオンの高効率の伝播を維持しながら、イオントラップを大幅に低減または排除することが可能であることを立証している。図３〜図５のイオン源３００は円錐形のイオン体積幾何学形状を用いたモデル化であるが、図２に示したような真っ直ぐなボア（一定内径）の幾何学形状を用いた他のモデルでシミュレーションし、同様の結果が得られていることに留意されたい。
【００２８】
別の実施形態によれば軸方向磁場は、電子ビームと引き続き発生したイオンビームとが所望の方式で成形されるように変更されることがある。このことはたとえば、マグネットアセンブリの構成を変更することによって実現されることがある。図６は、別の実施形態による軸方向電子ビーム６７２およびマグネットアセンブリ６１２を示している、イオンシミュレーションソフトウェアによって作成されたイオン源６００の別のモデルである。イオン源軸を基準として半径方向に位置決めされたマグネット（半径方向マグネット１３２）に加えて、マグネットアセンブリ６１２は背部または軸中心マグネット６７４を含む。軸中心マグネット６７４は、イオン化室２０８の反対側の電子反射体２４４の側でイオン化室２０８の外部にイオン源軸と一致して位置決めされる。この例では、軸中心マグネット６７４は円盤状であり、かつ、その中心をイオン源軸が通っている。軸中心マグネット６７４の追加によって電子ビーム６７２は、電子源端により集束されるとともに、レンズアセンブリ１２０の方向に徐々に拡大する、または発散する。電子ビーム６７２の包絡線が拡大することによって、より大きなイオン化領域が生成され、これによりイオン化確率が向上することになり得る。このことは、イオン化プロセスに対する空間電荷の悪影響に対処するために有用となり得る。
【００２９】
図７は、本明細書に開示したようなイオン源と一緒に設け得るハードウェアまたは電子回路７００の一例の概略図である。イオン源の様々な構成要素に印加される個々の電圧は、それぞれの電圧源７７６〜７９２（これらを本明細書では一体として電源または電圧源と呼ぶことがある）として示している。いくつかの実施形態では、体部１０４の１つ、または複数の導電性要素に対して１つ、または複数の電圧７８６が印加されることがある。電圧源７７６〜７９２は、電圧源７７６〜７９２のうちの１つ、または複数のパラメータが制御器７９４（たとえば、電子プロセッサベースの制御器またはコンピュータ）によって制御し得ることを立証するために制御器７９４と信号連絡状態にあるように示している。このパラメータは、たとえば、電圧の大きさの設定および調整、印加電圧のオン／オフ状態、タイミングおよび持続時間、電圧源７７６〜７９２のうちの２つ以上への電圧の印加の協調または同期、その他を含むことがある。制御器７９４は、電圧源７７６〜７９２のプログラム式制御を実装するためのコンピュータ可読媒体またはソフトウェア７９６を含むことがある。いくつかの実施形態では制御器７９４は、本明細書に開示した方法のうちの１つ、または複数についてその全体またはその一部を（たとえば、ファームウェアおよび／またはソフトウェアを利用して）実装することがある。
【００３０】
いくつかの実施形態では電子放出の開始時において、熱陰極２３８とイオンリペラ２４０の間の電位差として「初期」電子エネルギーが設定されることがある。この電位差は、陰極２３８またはイオンリペラ２４０の電圧が変化しても、その他の構成要素の電圧を調整することによって所望の固定の値に維持することができる。たとえばイオンリペラ２４０は、電子反射体２４４の電圧に追随するように陰極２３８の電圧を調整することによって、適正な電子エネルギーオフセットを依然として維持しながらランピング（ｒａｍｐ）および最適化されることがある。さらに、第１のレンズ要素２５０の電圧を、第１のレンズ要素２５０の電子反射機能を最適化するために陰極電圧に追随させることがある。この追随機能は、たとえば図７に概要図で示した制御器７９４によって実装されることがある。デフォルト動作では制御器７９４は、陰極電圧を読み取るとともに、第１のレンズ要素２５０に同じ値を印加することがある。第１のレンズ要素２５０の最適化をさらに精細化できるように、追加の印加オフセット電圧をランピングしてデフォルトの印加陰極マッチング電圧に算入する（すなわち、ＶＦＩＲＳＴ  ＬＥＮＳ  ＥＬＥＭＥＮＴ＝ＶＣＡＴＨＯＤＥ＋ＶＯＦＦＳＥＴとする）ことがある。このオフセット電圧の印加は、第１のレンズ要素２５０とエクストラクタ２４８の間のイオントラップ領域内への電子の流入を最小化するように、第１のレンズ要素２５０において電子のより強力な反射をもたらすことがあり、これによれば、より存続可能な高エネルギーイオンの量がさらに増加するとともに、望ましくない低エネルギーイオンの量が減少する。同様に、電子エネルギーのランピングは陰極電圧を変動させるとともに、第１のレンズ要素２５０に印加される電圧がこのランピングする陰極電圧を同様に追随することがある。
【００３１】
いくつかの用途では、イオン源で生じる電子空間電荷の影響を低減する、または排除することが望ましくなり得る。たとえば、空間電荷の影響は、電子ビームを脱制御性に変調させるほど大きく、これによりイオンビームの安定性に悪い影響を及ぼすことがある。これに対処するためにいくつかの実施形態では、電子源１１６、レンズアセンブリ１２０および／または体部１０４の導電性要素のうちの１つ、または複数に対して周期性の電圧が印加されることがある。この周期性の電圧は、周期性のＤＣパルス（実験的に最適化されたパルス幅、周期および振幅を有する）または高周波（たとえば、ＲＦ）電位とすることがある。この周期性電圧は、異物混入レベルの上昇に由来する不要なあらゆる表面電荷蓄積を放電させることがある。別法として電子ビームは、適当な電子光学系を利用して電子ビームがイオン源軸から逸れるように周期性に偏向させることなどによって、空間電荷蓄積を緩和するようにゲート制御を受けることがある。いくつかの実施形態では空間電荷の影響には、その内容全体を参照により本明細書に組み込むものとする米国特許第７，２９１，８４５号に開示した技法を実装することによって対処することがある。
【００３２】
図８は、別の実施形態による図１および２に示したイオン源１００の一部分の概略図である。この実施形態では、陰極（フィラメント）２３８とイオンリペラ２４０の間で電子源１１６に対して追加の電極（または、電子エクストラクタ）８０２が付加されている。電子エクストラクタ８０２への適当な電圧の印加によって、電子エクストラクタ８０２は、特に低電子エネルギー（たとえば、９ｅＶ〜２５ｅＶ）での動作時に電子源１１６の電場条件を調整するために利用することができる。たとえば電子エクストラクタ８０２は、陰極２３８からの、かつイオン化室２０８に向かう電子の引き出し、およびイオン源体部１０４とイオンリペラ２４０の間の電位差を低く保つことにおいて支援となり得る。
【００３３】
図９は、本明細書に開示したようなイオン源１００を、その中に設け得る質量分析（ＭＳ）システム９００の一例の概略図である。ＭＳシステム９００は一般に、サンプル源９０２と、イオン源１００と、質量分析計（ＭＳ）９０６と、イオン源１００およびＭＳ９０６の内部を制御式に大気圧以下レベルに維持するための真空システムと、を含む。この真空システムを、イオン源１００およびＭＳ９０６のそれぞれから導かれる真空ライン９０８および９１０によって模式的に示している。真空ライン９０８および９１０は、１つまたは複数の真空生成ポンプおよび関連する配管、ならびに当業者により理解されるような他の構成要素を模式的に示したものである。さらに、１つまたは複数の他のタイプのイオン処理デバイス（図示せず）もイオン源１００とＭＳ９０６の間に設け得ることを理解されたい。様々なタイプのサンプル源、分光分析計、および関連する構成要素の構造および動作については、概して当業者により理解されるものであり、したがって本開示の主題を理解するために必要とする程度のごく簡単な説明にとどめることにする。実際にイオン源１００は、ＭＳ９０６と一体化し得る、またさもなければ、ＭＳ９０６の前側端部またはインレットと考え得るものであり、したがって、いくつかの実施形態では、ＭＳ９０６の一構成要素と考え得るものである。
【００３４】
サンプル源９０２は、分析しようとするサンプルをイオン源１００に供給するための任意のデバイスまたはシステムとすることがある。サンプルは、サンプル源９０２からイオン源１００に流入する気相または蒸気の形態で提供されることがある。ガスクロマトグラフ質量分析（ＧＣ−ＭＳ）システムなどのハイフネテッドシステムでは、そのサンプル源９０２をＧＣシステムとすることがあり、このケースではＧＣシステムの分析カラムが適当なハードウェアを通じてイオン源１００とインターフェースする。
【００３５】
ＭＳ９０６は一般に、ハウジング９１６内に封入された質量分析部９１２およびイオン検出器９１４を含むことがある。真空ライン９１０は、質量分析部９１２の内部を非常に低い（真空）圧力に維持する。いくつかの実施形態では質量分析部９１２の圧力は、１０−４〜１０−９トルの範囲にある。真空ライン９１０はまた、ＭＳ９０６からあらゆる残留非分析中性分子を除去することがある。質量分析部９１２は、そのそれぞれのｍ／ｚ比に基づいて分析物イオンを分離する、分類する、または、ろ過するように構成された任意のデバイスとすることがある。質量分析部の例には、多極子電極構造（たとえば、四極子質量フィルタ、イオントラップ、その他）、タイムオブフライト（ＴＯＦ）分析部、およびイオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）トラップ（ただし、これらに限らない）が含まれる。質量分析部９１２は、特にイオンフラグメンテーション分析を希望する場合の複数の質量分析部からなるシステムを含むことがある。一例として質量分析部９１２は、当業者であれば理解されるようにタンデムＭＳまたはＭＳｎシステムとすることがある。別の例として質量分析部９１２は、質量フィルタを後に衝突セルを従えて含むことがあり、またこの次に質量フィルタ（たとえば、トリプル四重極型またはＱＱＱシステム）またはＴＯＦデバイス（たとえば、ｑＴＯＦシステム）が続く。イオン検出器９１４は、質量分析部９１２から出力された質量弁別済みイオンのフラックス（または、電流）を収集および計測するように構成された任意のデバイスとすることがある。イオン検出器９１４の例には、電子増倍管、光電子増倍管およびファラデーカップ（ただし、これらに限らない）が含まれる。
【００３６】
本明細書に開示した軸方向ＥＩ源はいくつかの実施形態では、高電子エネルギーまたは低電子エネルギーのいずれで動作させることもできる。電子ビームのエネルギーは、フィラメントに印加される電圧を調整し、これによりフィラメントを通る電流を調整することによって調整することができる。いくつかの実施形態では電子ビームは、９ｅＶ〜１５０ｅＶの範囲にわたって調整することができる。たとえば９ｅＶ〜２５ｅＶの範囲など７０ｅＶ未満の電子エネルギーは、ソフトイオン化の域内にあると考えることができる。本明細書に開示したような軸方向ＥＩ源は、これらの電子エネルギー範囲に及ぶＥＩを有効に実装することが可能である。エネルギーが非常に低い場合であってもＥＩ源は、多くの実験にとって十分な強度およびイオン化収量をもった電子ビームを発生させることが可能である。したがってこれらの軸方向ＥＩ源は、所与の分析物または分析物の組に関するイオン化および質量分析プロセスの最適化に関して所望によりまたは必要に応じて、ハードイオン化またはソフトイオン化の実装、およびハードイオン化とソフトイオン化の間での切替え（同じ実験中を含む）を行うことが可能である。したがって軸方向ＥＩ源は、化学的イオン化（ＣＩ）などの従来のソフトイオン化プロセスの方が支持されて従来のＥＩが棄却されていたような多くのケースで利用することができる。したがって本明細書に開示したような軸方向ＥＩ源は、ＣＩ源や従来のＥＩ源などの他のデバイスと比較してより普遍的なイオン化デバイスとなし得る。たとえば軸方向ＥＩ源は、分子イオンや他の高質量イオンの形成など所望のイオン化通路が支持されるような低電子エネルギーで動作させることがある。軸方向ＥＩ源の低電子エネルギーでの動作に関連する方法が、その内容全体を参照により本明細書に組み込むものとする２０１３年６月２４日に出願された「ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＩＯＮＩＺＡＴＩＯＮ  （ＥＩ）  ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ  ＤＩＦＦＥＲＥＮＴ  ＥＩ  ＥＮＥＲＧＩＥＳ」と題する米国特許第１３／９２５，４７０号に開示されている。
【００３７】
本明細書に開示したような軸方向ＥＩ源は、イオンビームが電子ビームと直角な方向に生成される広く使用されるクロスビームまたはＮｉｅｒ型のＥＩ源を超える利点を提供することができる。Ｎｉｅｒ型は、ＥＩ源のイオン化室の内表面との衝突の際に多数のイオンがフィラメントまで引き出されるか、または脱集束となって中性化される（失われる）ためにイオンが損失しやすいＥＩ源である。これに対して本明細書に開示したような軸方向ＥＩ源は、軸中心電子ビーム（すなわち、得られたイオンビームと、またたとえば四極子質量フィルタなどイオンがその中に送出される下流側デバイスと共軸性の電子ビーム）を発生させる。軸方向電子ビームは、ＥＩ源から下流側デバイス内への転送が成功する確率がさらに高くなるようなイオンを生成する可能性をさらに大きくすることができる。
【００３８】
図１０Ａは、周知のＥＩイオン源１０００の概要側面（縦方向）断面図である。イオン源１０００は一般に、内部イオン化室１００８を画定するイオン源体部１００４と、イオン源体部１００４を共軸性に取り囲むマグネットアセンブリ１０１２と、電子源１０１６と、レンズアセンブリ１０２０と、を含む。イオン源１０００は、イオン源軸１０２４の周りに、概して配列させた全体的な幾何学形態または構成を有する。イオン化室１００８は、イオン源軸１０２４に沿って第１の端部から第２の端部までの長さを有する。サンプル源からのサンプル材料をサンプル材料が電子ビームと相互作用するイオン化室１００８に導き入れるための経路を提供するようにイオン源体部１００４を通る適当な箇所にサンプルインレット（図示せず）が形成される。第１の端部にイオンリペラ（電子エクストラクタ）１０４０が位置決めされ、また、これが一般に電子源１０１６からの電子をイオン化室１００８に引き入れるとともにイオンが電子源１０１６に入るのを防止するような電圧（電位）に保持される。第２の端部にはイオンエクストラクタ１０４８が位置決めされ、また、これがイオン化室１００８からのイオンをレンズアセンブリ１０２０に引き入れるような電圧（電位）に保持される。電子源１０１６は、上述のような電流によって加熱されたときに熱イオン放出が生じるフィラメントなどの熱陰極１０３８を含む。電子源１０１６は、また、イオン化室１００８の方向への電子の加速に役立つ電子リペラ（または、電子反射体）１０４４を含む。陰極１０３８は、電子リペラ１０４４とイオンリペラ１０４０の間に位置決めされる。電子リペラ１０４４と陰極１０３８が等しい電位で動作することがあり、またはイオン化室１００８内に電子を撥ね返す支援とするために電子反射体１０４４を陰極１０３８と比べてより負とすることがある。電子リペラ１０４４、イオンリペラ１０４０、イオン源体部１００４およびイオンエクストラクタ１０４８に対しては、電子反射体１０４４とレンズアセンブリ１０２０の間に軸方向電圧傾斜が確立されるような電圧（電位）が印加される。電子リペラ１０４４に印加される電圧は典型的には負であるが、より一般的にはイオンリペラ１０４０やレンズアセンブリ１０２０の第１のレンズ要素までの他の下流側光学系と比べてより小さい正である。周知のＥＩイオン源のうちのいくつかは、また、陰極１０３８とイオンリペラ１０４０の間にイオンリペラ１０４０と共に電子エクストラクタの役割をする追加の電子レンズ１０５０を含むことがある。
【００３９】
図１０Ｂは、イオン源１０００内の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットしたグラフである。図示のように、従来のイオン源１０００の様々な電極に印加される電圧は、その電位が電子リペラ１０４４からイオン化室１００８への入口（たとえば、イオンリペラ１０４０、図１０Ａ）まで上昇する（より正となる）ように設定されている。このことは、陰極１０３８（フィラメント）とイオンリペラ１０４０の間に追加の電子レンズ１０５０を設けるかどうかによらず言えることである。イオン源１０００をソフトＥＩモードの約２０ｅＶ以下の電子エネルギーで動作させている場合、陰極１０３８とイオンリペラ１０４０の間に得られる低い電場強度では安定な高強度電子ビームが生成できないことがあり、またこのためそのイオン信号強度が受容不可能なほど低いことがある。
【００４０】
この問題に対処するために本開示の実施形態は、安定であり、かつ高強度の低電子エネルギー電子ビームを生成するソフトＥＩのためのＥＩイオン源および方法を提供する。高強度の低電子エネルギー電子ビームによれば従来のＥＩイオン源と比較して、より高いサンプル信号ならびにより多くの数の分子イオンおよび高質量診断イオンの発生が得られる。たとえば高強度の低電子エネルギー電子ビームによれば、所与のサンプルから発生するフラグメントイオンに対する分子イオンの比の改善が得られる。従来のＥＩイオン源の場合のように電子を直接イオン化室に注入するのではなく本開示のＥＩイオン源では、イオン化室に入る前に電位の谷（井戸）またはプラトーによって、生成したままの電子を先ず遅くさせる（いくつかの実施形態では、ほぼゼロ速度まで遅くさせる）ように電子を制御する。この方式では、電位の谷の空間の周りに空間電荷の雲が発達し、電子が高密度であることによって特徴付けられる「仮想陰極」が形成される。この仮想陰極から次いで電子が高強度電子ビームとしてイオン化室内まで加速される。電子ビームの強度は、低電子エネルギーで動作する従来のイオン源により達成可能な強度と比べてかなり大きくし得る。本開示のイオン源のこのより高強度の電子ビームによってサンプル信号の強度が上昇するとともにソフトＥＩの性能が改善され、これにより構造解明、化学的同定、およびタンデムＭＳ（ＭＳ／ＭＳ）や関連する連続フラグメンテーション実験が容易になる。さらに、本開示のソフトＥＩイオン源の電子エネルギーは、所与の実験が目的とする最も好都合なイオンを発生させるようにプログラムされ得る。
【００４１】
図１１Ａは、本開示のある実施形態によるソフトＥＩ向けに構成されたＥＩイオン源１１００の一例の概要側面（縦方向）断面図である。イオン源１１００は一般に、内部イオン化室１１０８を画定するイオン源体部１１０４と、マグネットアセンブリ１１１２と、電子源１１１６と、レンズアセンブリ１１２０と、を含む。イオン化室１１０８は一般に、電子源１１１６と連絡した電子インレットまたは入口と、本開示のどこかの箇所で説明しているような下流側デバイスと連絡したイオンアウトレットまたは出口と、を含む。
【００４２】
動作時において、電子源１１１６は電子ビームを発生させてこれを電子インレットを介してイオン化室１１０８に送るとともに、イオン化しようとするサンプル材料のストリームはサンプル材料が電子ビームと接触する場所であるイオン化室１１０８に導き入れられる。イオン源１１００は続いてサンプル材料からイオンを発生させ、このイオンをイオン源軸１１２４に沿ったイオンビームとするように集束させる。イオンは、イオンアウトレットを介してイオン源軸１１２４に沿ってイオン源１１００から出るとともに、イオン源軸１１２４に沿ったイオン入口を有し得る次のイオン処理デバイスに入る。いくつかの実施形態では図１１Ａに示したように、イオン源１１００は上で説明した他の実施形態の場合と同様に軸方向イオン源とすることがある。このような実施形態ではイオン源１１００は、イオン源軸１１２４の周りに概して配列させた全体的な幾何学形態または構成を有することがある。このケースでは電子インレットがまたさらにはイオンインレットがイオン源軸１１２４を基に配置されており、またイオン源１１００は、このイオン源軸１１２４に沿った電子ビームを発生させる。
【００４３】
イオン化室１１０８は、イオン源軸１１２４に沿って第１の端部から第２の端部までの長さを有する。軸方向イオン源の幾何学形状のケースでは、電子インレットを第１の端部に配置させることがあり、かつイオンアウトレットを第２の端部に配置させることがある。サンプル源からのサンプル材料をサンプル材料が電子ビームと相互作用する場所であるイオン化室１１０８に導き入れるための経路を提供するように、イオン源体部１１０４を通るように適当な箇所にサンプルインレット（図示せず）が形成される。イオンリペラ（電子エクストラクタ）１１４０が第１の端部に位置決めされており、また、これが電子源１１１６からの電子をイオン化室１１０８に引き入れるとともにイオンが電子源１１１６に入るのを防止する電圧に保持されている。イオンエクストラクタ１１４８が第２の端部に位置決めされており、これがイオン化室１１０８からのイオンをレンズアセンブリ１１２０に引き入れる電圧に保持されている。軸方向幾何学形状の図示した例ではイオンリペラ１１４０およびイオンエクストラクタ１１４８は、イオン化室１１０８の軸方向の第１の端部と第２の端部のそれぞれであるように考慮されることがあり、また、さらに電子インレットとイオンアウトレットのそれぞれに対応するように考慮されることがある。
【００４４】
マグネットアセンブリ１１１２はイオン源体部１１０４を共軸性に取り囲むことがある。マグネットアセンブリ１１１２は、電子ビームおよび得られたイオンビームをイオン源軸１１２４に沿って集束し圧縮するためにイオン化室１１０８内に均一な軸方向磁場を生成するように構成されることがある。マグネットアセンブリ１１１２は、本明細書に記載した他の実施形態に従って構成されることがある。
【００４５】
レンズアセンブリ１１２０は、電子源１１１６に対する軸方向の反対側でイオン化室１１０８の第２の端部に位置決めされている。レンズアセンブリ１１２０は、一般に、イオンビームをイオン源軸１１２４に沿ってイオン化室１１０８から出し、かつ、次のイオン処理デバイスに入るように導くように構成されることがある。この目的のためにはレンズアセンブリ１１２０は、電圧源によって独立にアドレス指定可能な複数のレンズ要素（または、電極）を含むことがある。各レンズ要素は、イオン源軸１１２４上にアパーチャまたはスロットを有することがある。レンズアセンブリ１１２０は、本明細書に記載した他の実施形態に従って構成され、かつ、そのレンズ要素に電圧が印加されることがある。したがってこのレンズ要素は、たとえばイオン抽出、イオンビーム集束、電子反射、その他などの様々な機能を果たすことができる。レンズアセンブリ１１２０の最終のレンズ要素（たとえば、出口レンズ要素）は、イオン処理デバイス内への入口レンズ要素として構成される、またはイオン処理デバイス内への入口レンズ要素の役割をすることもある。
【００４６】
電子源１１１６は、上述のように電流によって加熱されたときに熱イオン放出を生じるフィラメントなどの熱陰極１１３８を含む。電子源１１１６は、また、イオン化室１１０８の方向への電子の加速に役立つ電子リペラ（または、電子反射体）１１４４を含む。陰極１１３８は、電子反射体１１４４とイオンリペラ１１４０の間に位置決めされる。電子反射体１１４４と陰極１１３８は、等しい電位で動作させること（またいくつかの実施形態では、電気的に相互接続されること）があり、または電子反射体１１４４はイオン化室１１０８に電子を撥ね返す支援とするように陰極１１３８と比べてより負とすることがある。電子源１１１６は、さらに、陰極１１３８とイオンリペラ１１４０の間に、以下でさらに説明するような電子レンズ１１５４などの１つまたは複数の電子レンズを含む。一般にこのような電子レンズは、電圧源によって付勢させること、および陰極１１３８からのイオン化室１１０８に向かうような電子の軸方向経路を提供することが可能な任意の構成を有することができる。一例として電子レンズは、軸中心にアパーチャを有するプレートとすること、またはギャップまたはスロットによって軸中心で分離された１対のプレートとすることがある。
【００４７】
図１１Ｂは、イオン源１１００の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットしたグラフである。図示のようにそれぞれの電圧が、電子リペラ１１４４と、電子レンズ１１５４と、イオンリペラ１１４０および／またはイオン源体部１１０４などの適当に位置決めされた電子エクストラクタと、電子リペラ１１４４とレンズアセンブリ１１２０の間に軸方向の全体電圧傾斜を確立するためのイオンエクストラクタ１１４８と、に対して印加されている。しかし電子レンズ１１５４に印加される電圧の大きさは、イオンリペラ１１４０に印加される電圧と比べてより低い（より正が小さい）か、あるいは、熱陰極１１３８（および、電子リペラ１１４４）とイオンリペラ１１４０に印加される電圧の両者と比べてより低い（より正が小さい）。図１１Ｂに示したようにこの電圧プログラミングによって電子レンズ１１５４のところに電位の谷または井戸１１５８が生成される。本コンテキストでは、「ａｔ（〜に、〜のところに）」や「ａｒｏｕｎｄ（〜の周りに）」という語は、「ｉｎ  ｔｈｅ  ｖｉｃｉｎｉｔｙ  ｏｆ（〜の近傍に）」という表現を包含しており、またこれと区別なく使用している。このため、熱陰極１１３８から放出される電子は、最初にイオン化室１１０８に向けて加速されるが、電子が急速に運動エネルギーを失い低速に落ちる場所である電位の谷１１５８に出会う（すなわち、電位の谷１１５８によって電子が減速される）。いくつかの実施形態では電位の谷１１５８は、電子をほぼゼロ速度まで減速させるようなサイズ（大きさの差）および形状またはプロフィールを有することがある。一方、電位の谷１１５８は、電子レンズ１１５４のところに（近傍に）仮想陰極１１６２を急速に発達させる。このため電子レンズ１１５４は、また、仮想陰極生成レンズと呼ばれることもある。仮想陰極１１６２は、電位の谷１１５８で減速された電子が高密度で集積するものと特徴付けされることがある。仮想陰極１１６２はまた、熱陰極１１３８と組み合わされてイオン化室１１０８内に送られる電子ビームのための強化された電子源を動作させるものと特徴付けされることもある。本コンテキストでは「電子エクストラクタ」とは、「電子エクストラクタ」に適当な電位が印加されたときにイオン化室１１０８への電子を加速するように構成され、かつ位置決めされた任意の導電性要素である。したがって本実施形態ではイオンリペラ１１４０は、電子エクストラクタの役割をする（またさらには上で指摘したように、イオンがイオン化室１１０８から電子源１１１６内にわたるのを防止する）。いくつかの実施形態ではイオン源体部１１０４もまた電子エクストラクタと考えることがある。
【００４８】
仮想陰極１１６２における減速および集積の後に電子は、電子レンズ１１５４とイオンリペラ１１４０の間の電位差の影響下で仮想陰極１１６２からイオン化室１１０８内まで加速される。仮想陰極１１６２と関連する空間電荷条件もまた、斥力による電子のイオン化室１１０８内への加速に寄与することができる。高強度の仮想陰極１１６２が生成されるためにイオン化室１１０８に入る電子ビームは、イオン源１１００がソフトＥＩで必要な低電子エネルギーで動作するように設定されているときであっても安定した高強度の電子ビームとなる。
【００４９】
非限定の一例として、イオン源１１００の電極に印加される電圧の大きさは、熱陰極１１３８において２８Ｖ（電子イオン化エネルギーが１２ｅＶの場合）、電子レンズ１１５４において２６Ｖ、イオンリペラ１１４０において４５Ｖ、イオン源体部１１０４において４０Ｖ、また、イオンエクストラクタ１１４８において、３８Ｖとすることがある。上で指摘したように、電子リペラ１１４４の電圧は、熱陰極１１３８の電圧と同じとすることも、異ならせることもある。本例では、すべての電圧の大きさは正の値であるが、他の例では電圧のうちの１つ、または複数を負の値とすることがある。
【００５０】
図１２Ａは、本開示の別の実施形態によるソフトＥＩ向けに構成されたＥＩイオン源１２００の一例の概要側面（縦方向）断面図である。図１２Ｂは、イオン源１２００の電気的電位または「空間の電位」の大きさ（単位：ボルト）を軸方向位置（または、電極位置）の関数としてプロットした図１１Ｂと同様のグラフである。イオン源１２００の構成は一般に、上で説明し、かつ図１１Ａおよび図１１Ｂに示したイオン源１１００の構成と同様とすることができる。したがって、図１２Ａおよび図１２Ｂでは、図１１Ａおよび図１１Ｂに示したのと、同じ、または同様の特徴を指示するために、同じ、または同様の参照番号によっている。図１２Ａを参照するとイオン源１２００は、陰極１１３８とイオンリペラ１１４０の間に、第１の電子レンズ１２６６と第２の電子レンズ１２７０という２つの電子レンズを含む。第１の電子レンズ１２６６は熱陰極１１３８と第２の電子レンズ１２７０の間に軸方向で位置決めされており、かつ第２の電子レンズ１２７０は第１の電子レンズ１２６６とイオンリペラ１１４０の間に軸方向で位置決めされている。さらに図１２Ｂを参照すると、第１の電子レンズ１２６６の電位は熱陰極１１３８の電位と比べてより高い（より正が大きい）ことがある一方、第２の電子レンズ１２７０の電位は第１の電子レンズ１２６６の電位と比べてより低い（より正が小さい）（また、熱陰極１１３８の電位と比べてもより低いことがある）。この構成によって、第２の電子レンズ１２７０のところに（近傍に）位置する電位の谷１１５８および付随する仮想陰極１１６２が生じる。このため第２の電子レンズ１２７０のことを、仮想陰極生成レンズと呼ぶこともある。この構成は図１１Ａおよび図１１Ｂに示した構成と比較した場合、仮想陰極１１６２を熱陰極１１３８からより大きな軸方向距離に位置決めするために望ましいことがある。このケースでは、第１の電子レンズ１２６６を追加すること、および第１の電子レンズ１２６６に対して熱陰極１１３８に対するのと比べてより高い電位を印加することとによって、より大きくした軸方向距離にわたる熱陰極１１３８からの電子の第２の電子レンズ１２７０への加速を容易にすることができる。より大きくした軸方向距離は、仮想陰極１１６２に関連する空間電荷効果によって熱陰極１１３８からの熱イオン放出が損なわれるのを防止するために望ましいことがある。
【００５１】
図１３Ａは、上で説明し、かつ図１０Ａおよび図１０Ｂに示したイオン源１０００と矛盾しない構成を有する従来のイオン源を含んだ質量分析計によって計測されるような化合物Ｎ−ドトリアコンタンの質量スペクトルである。電子エネルギーは１５ｅＶに設定した。図示のように、分子イオン（ｍ／ｚ＝４５０．６）の存在量は約１．８×１０３（イオン信号強度）である。対比として図１３Ｂは、上で説明し、かつ図１１Ａ〜図１２Ｂに示したイオン源１１００および１２００と矛盾しない構成を有するイオン源を利用しており、したがって電位の谷および仮想陰極を伴って動作している同じ質量分析計によって計測されるような同じ化合物Ｎ−ドトリアコンタンの質量スペクトルである。電子エネルギーはここでも１５ｅＶに設定した。図示のように、分子イオンの存在量は１×１０４を超えている。したがって、この例では、本明細書に開示したイオン源によって発生させた安定した高強度の電子ビームは、同じ化合物ならびに電子エネルギーおよび他の動作条件を同じにしたイオン化で従来のイオン源が生成する分子イオンの数の５倍以上を生成させた。
【００５２】
いくつかの実施形態では、上で説明し、かつ図７に示したのと同様のハードウェアまたは電子回路をイオン源１１００または１２００に対して設けることがある。電子リペラ１１４４、熱陰極１１３８、イオン源１１００の電子レンズ１１５４またはイオン源１２００の第１の電子レンズ１２６６および第２の電子レンズ１２７０、イオンリペラ１１４０、イオン源体部１１０４、イオンエクストラクタ１１４８、ならびにレンズアセンブリ１１２０の電極／レンズ要素など、イオン源１１００または１２００の様々な構成要素に対して個々の電圧が印加されることがある。上で説明したように電圧は、制御器７９４（たとえば、電子プロセッサベースの制御器、コンピューティングデバイス、コンピュータ、その他）と連絡した電圧源によって印加されることがある。したがって制御器７９４は、電圧源の１つまたは複数の動作パラメータ（たとえば、電圧の大きさの設定および調整、オン／オフ状態、印加電圧のタイミングおよび持続時間、２つ以上の電圧源に対する電圧印加の協調または同期、その他）を制御するように構成されることがある。制御器７９４は、電圧源に対するプログラム式制御を実装するためのコンピュータ可読媒体またはソフトウェア７９６を含むことがある。いくつかの実施形態では制御器７９４は、本明細書に開示した方法のうちの１つまたは複数についてその全体をまたはその一部を（たとえば、ファームウェアおよび／またはソフトウェアを利用して）実装することがある。
【００５３】
いくつかの実施形態では、上で説明し、かつ図１１Ａ〜図１２Ｂに示したイオン源１１００または１２００の方式で構成されたイオン源を含むような質量分析計（ＭＳ）または質量分析（ＭＳ）システムが提供される。このようなＭＳシステムの代表的な一例は、上で説明しかつ図９に示したＭＳシステム９００である。このケースでは図９のイオン源１００がイオン源１１００または１２００に対応する。ＭＳシステム９００はまた、図７に関連して上で説明した制御器７９４、コンピュータ可読媒体またはソフトウェア７９６、および他のハードウェアや電子回路を含むことがある。
【００５４】
上で説明しかつ図１１Ａ〜図１２Ｂに示したイオン源１１００および１２００の実施形態については、主に軸方向イオン源構成のコンテキストで説明してきた。しかし本明細書に開示した主題は、また、電子ビームがイオンビームと直交しており同じ軸に対して、この両ビームが整列していない他の実施形態にも適用することができることを理解されたい。たとえば、電子インレットと関連する電極またはレンズとをイオン源軸１１２４に対して直角の方向に向かせることがある一方、イオンアウトレットと関連する電極またはレンズとをイオン源軸１１２４を基にした向きとさせることがある。
【００５５】
さらに、上ではイオン源の例を主にＥＩのコンテキストで説明してきたが、本明細書で教示したイオン源は追加としてまたは別法として同じく電子ビームを利用するよく知られた技法である化学的イオン化（ＣＩ）向けにも構成し得ることを理解されたい。ＣＩのケースではそのイオン源は、試薬ガスをイオン化室に導き入れるためのインレットを含むことがある。
【００５６】
例示的な実施形態
【００５７】
ここで開示した主題に従って提供される例示的な実施形態は以下のもの（ただし、これらに限らない）を含む。
【００５８】
［実施形態１］  イオン化室を囲繞する体部と、イオン化室内まで電子を加速するように構成された電子エクストラクタと、イオン化室の外部にあるとともに、電子リペラ、熱陰極および熱陰極とこれら電子エクストラクタの間の電子レンズを備えた電子源と、これら電子リペラ、熱陰極、電子レンズおよび電子エクストラクタに対して、熱陰極から電子を放出すること、電子をイオン化室に向けて加速すること、および電子レンズのところに電子を減速するのに有効な電位の谷を生成するとともに電子レンズのところに減速された電子を備えた仮想陰極を形成すること、に有効なそれぞれの電圧を印加するように構成された電圧源と、を備えるイオン源。
【００５９】
［実施形態２］  イオン化室内に至るサンプルインレットを備える実施形態１に記載のイオン源。
【００６０】
［実施形態３］  体部を囲繞するとともにイオン化室内に軸方向磁場を生成するように構成されたマグネットアセンブリを備える実施形態１または２に記載のイオン源。
【００６１】
［実施形態４］  そのイオン化室が電子エクストラクタに対して直角の方向を向いたイオンアウトレットを備える、実施形態１から３のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６２】
［実施形態５］  そのイオン化室が、電子エクストラクタと軸に沿って整列したイオンアウトレットを備える、実施形態１から３のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６３】
［実施形態６］  そのイオン化室が、イオンビームをイオン化室から出すように導くように構成されたイオンエクストラクタを備える、前記実施形態のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６４】
［実施形態７］  その熱陰極が電子リペラと電子エクストラクタの間に位置決めされる、実施形態１から６のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６５】
［実施形態８］  その熱陰極が電子リペラに対して直角に向いている、実施形態１から６のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６６】
［実施形態９］  その電圧源が電位の谷において電子をほぼゼロ速度まで減速するように構成されている、前記実施形態のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６７】
［実施形態１０］  その電子レンズが熱陰極と電子エクストラクタの間の第１の電子レンズと第１の電子レンズと電子エクストラクタの間の第２の電子レンズとを備えており、かつその電圧源は第１の電子レンズおよび第２の電子レンズに対して、熱陰極からの電子を第２の電子レンズに向けて加速すること、および電位の谷を生成するとともに第２の電子レンズのところに仮想陰極を形成することに有効なそれぞれの電圧を印加するように構成されている、前記実施形態のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６８】
［実施形態１１］  その電子エクストラクタがイオンリペラ、体部、またはイオンリペラと体部の両方を備える、前記実施形態のいずれか１項に記載のイオン源。
【００６９】
［実施形態１２］  電圧源を制御するように構成された制御器を備える前記実施形態のいずれか１項に記載のイオン源。
【００７０】
［実施形態１３］  前記実施形態のうちのいずれかのイオン源と、イオン化室から下流側の質量分析部と、を備える質量分析計（ＭＳ）。
【００７１】
［実施形態１４］  電圧源を制御するように構成された制御器を備える実施形態１３に記載のＭＳ。
【００７２】
［実施形態１５］  電子イオン化のための電子ビームを発生させるための方法であって、電子を発生させるステップと、電子をイオン化室に向けて加速するステップと、イオン化室の外部に減速された電子を備えた仮想陰極を形成するのに有効なレベルまで電子を減速するステップと、仮想陰極からの電子をイオン化室内まで加速するステップと、を含む方法。
【００７３】
［実施形態１６］  約２０ｅＶ以下の電子エネルギーで電子を発生させるステップを含む実施形態１５に記載の方法。
【００７４】
［実施形態１７］  電子を発生させるステップが熱陰極から電子を放出するステップを含む、実施形態１５または１６に記載の方法。
【００７５】
［実施形態１８］  仮想陰極が形成された領域において電子をほぼゼロ速度まで減速させるステップを含む実施形態１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
【００７６】
［実施形態１９］  電子をイオン化室に向けて加速するステップは電子エクストラクタに電圧を印加するステップを含むとともに、電子を減速するステップは電子レンズに対して電子エクストラクタに印加された電圧より大きさがより小さい電圧を印加するステップを含み、かつ仮想陰極が電子レンズのところに形成されている、実施形態１５から１８のいずれか１項に記載の方法。
【００７７】
［実施形態２０］  電子を発生させるステップは熱陰極に電圧を印加するステップを含み、かつ電子レンズに印加される電圧は熱陰極に印加される電圧と比べて大きさがより小さい、請求項１９に記載の方法。
【００７８】
［実施形態２１］  電子エクストラクタおよび電子レンズに印加される電圧を制御するように制御器を動作させるステップを含む実施形態１９または２０に記載の方法。
【００７９】
［実施形態２２］  その電子エクストラクタが、イオンリペラ、体部、またはイオンリペラと体部の両方を備える、実施形態１５から２１のいずれか１項に記載の方法。
【００８０】
［実施形態２３］  電子をイオン化室に向けて加速するステップは第１の電子レンズと電子エクストラクタに対してそれぞれの電圧を印加するステップを含むとともに、電子を減速させるステップは第１の電子レンズと電子エクストラクタの間の第２の電子レンズに電圧を印加するステップを含み、かつ第２の電子レンズに印加される電圧は電子エクストラクタに印加される電圧と比べて大きさがより小さく、また仮想陰極は第２の電子レンズのところに形成されている、実施形態１５から２２のいずれか１項に記載の方法。
【００８１】
［実施形態２４］  第２の電子レンズに印加される電圧は第１の電子レンズに印加される電圧と比べて大きさがより小さい、実施形態２３に記載の方法。
【００８２】
［実施形態２５］  電子を発生させるステップは熱陰極に電圧を印加するステップを含み、かつ第１の電子レンズに印加される電圧は熱陰極に印加される電圧と比べて大きさがより大きい、実施形態２３または２４に記載の方法。
【００８３】
［実施形態２６］  イオン化室に軸方向磁場を印加することによって、イオン化室の軸に沿ったビームの形に電子を集束させるステップを含む実施形態１５から２４のいずれか１項に記載の方法。
【００８４】
［実施形態２７］  イオン化室内へのサンプル材料を電子に向けて導くことによってイオンを発生させるステップを含み、軸方向磁場の印加によってこのイオンがその軸に沿ったビームとなるように集束されている、実施形態２６に記載の方法。
【００８５】
［実施形態２８］  イオン化室内へのサンプル材料を電子に向けて導くことによってイオンを発生させるステップを含む実施形態１５から２７のいずれか１項に記載の方法。
【００８６】
［実施形態２９］  その電子がイオン化室内まで軸に沿った電子ビームの形で加速されているとともに、イオンをその軸に沿ったイオンビームの形に集束させるステップをさらに含む実施形態２８に記載の方法。
【００８７】
［実施形態３０］  その電子がイオン化室内まで電子ビームの形で加速されているとともに、イオンを電子ビームと直交するイオンビームの形に集束させるステップをさらに含む実施形態２８に記載の方法。
【００８８】
［実施形態３１］  イオン化室からのイオンを下流側デバイスまで送るステップを含む実施形態２８から３０のいずれか１項に記載の方法。
【００８９】
［実施形態３２］  サンプル材料を分析するための方法であって、実施形態１５から３１のいずれか１項に記載の方法に従って電子ビームを発生させるステップと、イオン化室内のサンプル材料を電子の方向に導くことによってイオンを発生させるステップと、イオンをイオン化室から質量分析部まで送るステップと、を含む方法。
【００９０】
［実施形態３３］  質量対電荷比のスペクトルに従って質量分析部によって処理されるイオンのそれぞれの存在量を計測するステップを含む実施形態３２に記載の方法。
【００９１】
図７に模式的に示したシステム制御器７９４は、イオン源の様々な機能的態様を制御する、監視する、タイミング調整する、同期するおよび／または協調するように構成された１つまたは複数のモジュールを意味することがあることを理解されたい。システム制御器７９４はまた、分析中のサンプルを特徴付ける質量スペクトルを生成する必要に応じて、関連する分光分析システムの機能または構成要素を制御する（たとえば、イオン計測信号を受け取ることならびにデータ収集および信号分析に関連する他のタスクを実行することを含む）ように構成された１つまたは複数のモジュールを意味することもある。
【００９２】
このようなすべての目的のために制御器７９４は、本明細書に開示した方法のいずれかを実行するための命令を含んだコンピュータ可読媒体を含むことがある。制御器７９４を、有線式またはワイヤレス式の通信リンクを介してイオン源の様々な構成要素と信号連絡状態にあるように模式的に示している。さらにこれらの目的のために制御器７９４は、１つまたは複数のタイプのハードウェア、ファームウェアおよび／またはソフトウェア、ならびに１つまたは複数のメモリおよびデータベースを含むことがある。制御器７９４は、全体的な制御を提供する主電子プロセッサを含むのが典型的であり、また専用の制御動作または指定の信号処理タスク向けに構成された１つまたは複数の電子プロセッサを含むことがある。システム制御器７９４はまた、すべての電圧源（具体的には図示せず）、またさらには様々な構成要素に電圧を印加するための必要に応じたタイミング制御器、クロック、周波数／波形発生器その他を模式的に示している。制御器７９４はまた、ユーザ入力デバイス（たとえば、キーパッド、タッチ画面、マウス、その他）、ユーザ出力デバイス（たとえば、表示画面、プリンタ、視覚的インジケータやアラート、聴覚的インジケータやアラート、その他）、ソフトウェアによって制御されたグラフィックユーザインターフェース（ＧＵＩ）、および電子プロセッサによって読取り可能な媒体を（たとえば、ソフトウェアに埋め込まれた論理命令、データ、その他の形で）ロードするためのデバイスなどの１つまたは複数のタイプのユーザインターフェースデバイスを示すこともある。制御器７９４は、制御器７９４の様々な機能を制御および管理するためのオペレーティングシステム（たとえば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ソフトウェア）を含むことがある。
【００９３】
本明細書で使用する場合に「信号連絡状態にある」という表現は、２つ以上のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールがあるタイプの信号経路を介して伝達される信号を介して互いに連絡可能であることを意味することを理解されたい。この信号とは、第１のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールから、第２のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールまで、第１と第２のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールの間の信号経路に沿って情報、電力またはエネルギーを連絡するような通信信号、電力信号、データ信号またはエネルギー信号とすることがある。この信号経路は、物理的な、電気的な、磁気的な、電磁気的な、電気化学的な、光学的な、有線式のまたはワイヤレス式の接続を含むことがある。この信号経路はまた、第１と第２のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールの間に追加のシステム、デバイス、構成要素、モジュールまたはサブモジュールを含むことがある。
【００９４】
より一般的には本明細書において「連絡する（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ）」および「と．．．連絡状態にある（ｉｎ  ．．．  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ）」（たとえば、第１の構成要素が第２の構成要素「と連絡する（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓ  ｗｉｔｈ）」または「と連絡状態にある（ｉｓ  ｉｎ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ）」）などの表現は、２つ以上の構成要素または要素間における構造的な、機能的な、力学的な、電気的な、信号的な、光学的な、磁気的な、電磁気的な、イオン的な、または流体的な関係を示すために使用している。このため、ある構成要素が第２の構成要素と連絡すると述べたことは、追加の構成要素が第１と第２の構成要素の間に存在し得る可能性および／または第１および第２の構成要素と動作可能に関連付けまたは係合され得る可能性を排除することを意図していない。
【００９５】
本発明の様々な態様または詳細は本発明の範囲を逸脱することなく変更し得ることを理解されたい。さらに上の説明は単に例証を目的としたものであり、本特許請求の範囲に規定される発明を限定することを目的としたものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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