(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極アレイを備えた質量分析計であって、前記一対のうちの一方の電極アレイが、前記電極アレイ間の中間に位置する中央平面に対して、前記一対のうちのもう一方の電極アレイの鏡像であり、個々のアレイが集束電極群を含み、前記電極アレイ間の空間に静電場が生成されてイオンが前記空間で周期的な振動運動を行うように、前記電極アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それによりイオンが前記集束電極群の電極間を通過し、かつ前記中央平面にて繰り返し集束され、個々の前記電極アレイが電気絶縁材料でできたベース部材の上に取り付けられ、前記アレイの少なくとも１つの電極および／または前記ベース部材が、前記少なくとも１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするように構成されており、
前記ベース部材が、前記１つの電極と前記そのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするために、前記１つの電極と前記そのすぐ隣の電極との間に溝または凹部が形成されている質量分析計。
【請求項２】
一対の電極アレイを備えた質量分析計であって、前記一対のうちの一方の電極アレイが、前記電極アレイ間の中間に位置する中央平面に対して、前記一対のうちのもう一方の電極アレイの鏡像であり、個々のアレイが集束電極群を含み、前記電極アレイ間の空間に静電場が生成されてイオンが前記空間で周期的な振動運動を行うように、前記電極アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それによりイオンが前記集束電極群の電極間を通過し、かつ前記中央平面にて繰り返し集束され、個々の前記電極アレイが電気絶縁材料でできたベース部材の上に取り付けられ、前記アレイの少なくとも１つの電極および／または前記ベース部材が、前記少なくとも１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするように構成されており、
前記１つの電極が、前記１つの電極と前記そのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするために、その電極が取り付けられるベース部材に最も近い電極の下部部分で、ベース部材から遠くに離れた電極の上部部分より細くなっている質量分析計。
【請求項３】
一対の電極アレイを備えた質量分析計であって、前記一対のうちの一方の電極アレイが、前記電極アレイ間の中間に位置する中央平面に対して、前記一対のうちのもう一方の電極アレイの鏡像であり、個々のアレイが集束電極群を含み、前記電極アレイ間の空間に静電場が生成されてイオンが前記空間で周期的な振動運動を行うように、前記電極アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それによりイオンが前記集束電極群の電極間を通過し、かつ前記中央平面にて繰り返し集束され、個々の前記電極アレイが電気絶縁材料でできたベース部材の上に取り付けられ、前記アレイの少なくとも１つの電極および／または前記ベース部材が、前記少なくとも１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするように構成されており、
前記１つの電極が、前記１つの電極と前記そのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするために、電気絶縁スペーサを使用してベース部材の上に取り付けられている質量分析計。
【請求項４】
前記すぐ隣の電極も、電気絶縁スペーサを使用して前記ベース部材の上に取り付けられている、請求項３に記載の質量分析計。
【請求項５】
個々の電極アレイの複数の電極が、固定部材によって前記ベース部材の上に取り付けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項６】
個々の前記集束電極群の複数の電極が同心リング電極である、請求項１から５のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項７】
個々の前記電極アレイの複数の前記電極が同心リング電極であり、アレイのリング電極が複数の導電性固定部材を含み、これら複数の導電性固定部材によって前記ベース部材の上に取り付けられ、前記複数の導電性固定部材が、隣り合うリング電極を前記ベース部材の上に取り付けている導電性固定部材に対して角度的にオフセットしている、請求項１から３のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項８】
前記ベース部材が、隣り合うリング電極の固定部材間の表面トラッキング距離を長くするように構成された溝またはスロットを有する、請求項７に記載の質量分析計。
【請求項９】
個々の電極アレイの複数の電極が、複数の開口を備えた前記ベース部材の上に取り付けられ、前記アレイのうちの少なくとも２つの電極がそれぞれ固定部材を備え、１つの電極の固定部材およびそのすぐ隣の電極の固定部材が共に前記複数の開口のうちの１つの開口の中に取り付けられ、前記固定部材間のギャップにより、前記１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離が長くなっている、請求項１から３のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項１０】
前記固定部材が前記開口の金属化された端部表面に取り付けられている、請求項９に記載の質量分析計。
【請求項１１】
個々の前記集束電極群の少なくとも１つの電極が、同じ集束電極群の他の電極の電極表面よりも前記中央平面に近い電極表面を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項１２】
前記１つの電極が、前記中央平面において電場勾配が最大値を有する領域に面して配置される、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項１３】
前記１つの電極およびそれと同じ集束電極群のすぐ隣の電極に、使用時に、反対の極性を有する電圧が供給される、請求項１１または１２に記載の質量分析計。
【請求項１４】
前記１つの電極およびそのすぐ隣の電極が、それと同じ集束電極群の他の電極の電極表面よりも前記中央平面に近い電極表面を有する、請求項１３に記載の質量分析計。
【請求項１５】
前記１つの電極が、前記中央平面に面する側で平坦でない電極表面を有する、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記１つの電極およびそのすぐ隣の電極が共に平坦でない電極表面を有する、請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１７】
前記の平坦でない電極表面が、前記中央平面に直交し、かつ、イオンの飛行方向に沿う面において台形または双曲線の断面を有する、請求項１５または１６に記載の質量分析計。
【請求項１８】
前記集束電極群のそれぞれの前記１つの電極が、その集束電極群において最も外側に位置する３つの電極から選択されている、請求項１１から１７のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項１９】
前記すぐ隣の電極も、電気絶縁スペーサを使用して前記ベース部材の上に取り付けられている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２０】
個々の電極アレイの複数の電極が、固定部材によって前記ベース部材の上に取り付けられている、請求項１１または１９に記載の質量分析計。
【請求項２１】
個々の前記集束電極群の複数の電極が同心リング電極である、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項２２】
個々の前記電極アレイの複数の前記電極が同心リング電極であり、アレイのリング電極が複数の導電性固定部材を含み、これら複数の導電性固定部材によって前記ベース部材の上に取り付けられ、前記複数の導電性固定部材が、隣り合うリング電極を前記ベース部材の上に取り付けている導電性固定部材に対して角度的にオフセットしている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２３】
前記ベース部材が、隣り合うリング電極の固定部材間の表面トラッキング距離を長くするように構成された溝またはスロットを有する、請求項２２に記載の質量分析計。
【請求項２４】
個々の前記アレイの複数の前記電極が、ろう付け、はんだ付けまたは接着剤接合によって前記ベース部材の上に取り付けられている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２５】
個々の電極アレイの複数の電極が、複数の開口を備えた前記ベース部材の上に取り付けられ、前記アレイのうちの少なくとも２つの電極がそれぞれ固定部材を備え、１つの電極の固定部材およびそのすぐ隣の電極の固定部材が共に前記複数の開口のうちの１つの開口の中に取り付けられ、前記固定部材間のギャップにより、前記１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離が長くなっている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２６】
前記固定部材が前記開口の金属化された端部表面に取り付けられている、請求項２５に記載の質量分析計。
【請求項２７】
前記固定部材が、ねじ、ピン、スタッドまたはリベットである、請求項５、７、８、２０、２２および２３のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項２８】
静電イオントラップ質量分析計である、請求項１から２７のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項２９】
多重周回型ＴｏＦ質量分析計である、請求項１から２７のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項３０】
静電イオントラップ分析計と多重周回型ＴｏＦ質量分析計の間で切り換える可能な分析計である、請求項１から２７のいずれか一項に記載の質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計、特に多重周回型（multi-turn）ＴｏＦまたはイオントラップを利用した質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析における質量分解能および質量精度を高くするための重要な方法の１つは、長い飛行経路の間または後にイオンが測定される質量分析計を設計することである。この種の質量分析計は、最近では、多重周回型ＴｏＦ分析計と、静電場または磁場イオントラップ分析計という２つの形態で実現されている。多重周回型ＴｏＦ分析計では、ミラー電極群によって反射場が生成され、これにより長いが折り畳まれた飛行経路が達成される。二次電子増倍管を含む検出器が使用され、折り返しの長い飛行の後に、検出器のダイノード上にイオンが入射して消滅する一方、電流信号が生成されてＴｏＦマススペクトルが得られる。静電場または磁場イオントラップの構成では、イオンの振動運動がピックアップ電極中にイメージ電流（image current）を誘発する。トラッピング場でイオンは連続的に振動するため、誘発されたイメージ電流は連続的に記録される。イメージ電流信号は、低ノイズ増幅器によって増幅された後、フーリエ変換を使用することにより周波数スペクトルに変換され、この周波数スペクトルは、次に、トラップされたイオンのマススペクトルに直接関連付けられる。
【０００３】
高分解能質量分析装置の初期の例は、Ｍ．Ｂ．  Ｃｏｍｉｓａｒｏｗ  ａｎｄ  Ａ．Ｇ．  Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｃｈｅｍ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ２５，  ２８２  （１９７４）で最初に開示された、いわゆるＦＴＩＣＲであり、超伝導コイルを使用して、イオンをトラップするための一様な高磁場が生成される。コイルは大きく、また極めて低い温度に冷却する必要があるため、この装置は、構築するのに極めて高価なものとなり、また運転および維持するのが困難である。
【０００４】
静電イオントラップ質量分析計は、高強度かつ高安定性の超伝導磁石を使用しないため、より魅力的である。Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｍａｋａｒｏｖによる、Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．、２０００年、７２  （６）、１１５６〜１１６２頁で開示されているＯｒｂｉｔｒａｐは、静電イオントラップ質量分析計の一例であり、イオンが軸方向に前後に振動し、それと同時に中央のスピンドル形電極の周りを回転する。軸方向の振動の調和（the axial oscillations harmonic）を維持するためには、Ｏｒｂｉｔｒａｐの中央及び外側の電極は、トラップ容積の内側でいわゆるハイパー・ロガリズムポテンシャル（hyper-logarithmic potential）を達成するために極めて精密に機械加工する必要がある。
【０００５】
静電イオントラップ質量分析計の場合、Ｏｒｂｉｔｒａｐなどにおけるように、イオンが特定の軸方向で調和運動することを可能にする場の構造を有することは必要でない。ＰＣＴ公開第ＷＯ２０１２／１１６７６５号でＬｉ  Ｄｉｎｇらは、電極の第１の電極アレイおよび第２の電極アレイを含み、それらのアレイ間の空間に静電場を生成する静電イオントラップ質量分析計について記載している。両アレイに同じパターンの電圧が供給されると、結果として得られる電場によってイオンが電極アレイ間の空間で周期的に振動運動し、イオンは、飛行方向に等時的に繰り返し反射され、前記第１のアレイと第２のアレイの間の中間に位置する中央平面に実質的に集束される。増幅器回路を使用して、第１の電極アレイと第２の電極アレイの間の空間で周期的に振動運動するイオンの質量電荷比に関係するイメージ電流が検出される。複数の電極を有する構造は、分析計が製造された後に、適切な電圧を印加することによってより簡単に調整することができるため、有利である。ＷＯ２０１２／１１６７６５で開示されている実施形態のうちの１つ（図９）は円形構成を有しており、個々のアレイで場を規定する電極群は、円形の中央電極、及び中央電極に対して半径方向の外側に配置された複数の、同心円状の、平坦な表面のリング電極を含む。２つのアレイは、分析計の中心軸に同軸で配置され、イオンは、第１アレイおよび第２アレイの電極群から等距離にある中央平面の近くでトラップされる。
【０００６】
高分解能ＴｏＦ質量分析計の開発では、多重周回型ＴｏＦシステムの多くの構成が設計された。Ｓｕｄａｋｏｖは、米国公開第ＵＳ  ２０１０／００４４５５８  Ａ１号で、一対の矩形の平面電極アレイを使用して構築された多重反射飛行時間デバイスを開示している。イオンは、平面アレイの平行電極ストリップ（parallel electrode strips）によって形成された２つのイオンミラーによって飛行方向（ｘ）に反射され、また、同じ平面アレイの別の電極ストリップ群によって形成された別の反射場によってドリフト方向（ｚ）に反射される。同じ質量対電荷比のイオンの等時性運動は、（ｘ軸）飛行方向における各サイクルの間に、（ｚ軸）ドリフト方向における一回の反射に対して達成される。
【０００７】
Ｃｕｒｔ  Ｆｌｏｒｙらによる米国特許第７，９１９，７４８  Ｂ２号では、別の多重反射ＴｏＦシステムも一対の平面電極アレイを含むが、これらは形状が円形である。二つの平面電極群が互いに反対側に、互いに平行かつ互いに軸方向にオフセットして配置されており、この電極構造は、実質的に場が存在しない円筒状の中央領域を取り囲む、円筒状で対称の環状電場を生成し、この電場は環状の、軸方向に集束させるレンズ領域および該レンズ領域を取り囲む環状ミラー領域を含む。
【０００８】
これらの知られている多重周回型質量分析計は、密集した（close-packed）構成の電気的に絶縁された基板の表面に取り付けられた複数の平坦な電極を備えた平面電極アレイを有する（例えば米国特許第７，９１９，７４８号に開示されている多重周回型質量分析計では、電極のギャップは２ｍｍである）。このような電極構造は、印刷によって、または切断分離などの代替技法によって、基板の表面に所望のパターンで電極群を形成することができるため、比較的容易に製造することができる。しかしながらこのような平坦な密集電極構造の場合、電極間のギャップを狭くして、電極間の基板上に蓄積する表面電荷の影響により場のひずみが生じるのを避ければならない。振動運動しているイオンが数ｋｅＶのエネルギーを有する場合、ビーム集束（またはビーム発散を防止するために設計された同様の手段）は、隣り合う電極間に大きな電圧差を与える必要があり、反対の極性の電圧がこのような隣り合う電極に供給されることもある。ＷＯ２０１２／１１６７６５およびＵＳ  ７，９１９，７４８の両例によれば、これらの電圧差は１０ｋＶを超えることがあり、したがって放電および表面トラッキング（surface tracking）の可能性がある。ＵＳ  ７，９１９，７４８  Ｂ２では、Ｆｌｏｒｙらは、電極間のギャップに電気抵抗材料を配置することを提案している。これは、表面電荷の問題を回避することができ、また、隣接する電極間のギャップをある程度広くすることができる。しかしながらこの手法には、電気抵抗材料の抵抗率の均質性（homogeneity）の程度を極端に高くする必要があり、そうでない場合には質量分析空間における電場がひずむことになる。さらに、抵抗性コーティングによってブリッジされた２つの電極に大きい電圧差が存在すると、抵抗層を通って電流が流れ、ジュール熱を生成することになる。そのために温度が上昇し、ひいては高電圧供給の安定性に影響を及ぼし、また、長い飛行経路を確保するために通常は超高真空が必要である質量分析計にガス放出をもたらすことになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、従来知られている質量分析計に関連する上述の問題を少なくとも軽減する質量分析計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、一対の電極アレイを備えた質量分析計が提供され、その対のうちの一方の電極アレイは、両電極アレイ間の中間に位置する中央平面に対して、その対のうちのもう一方の電極アレイの鏡像であり、個々の（電極）アレイが集束電極群を含み、前記電極アレイ間の空間に静電場が生成されてイオンが前記空間で周期的な振動運動を行うように、前記両電極アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それによりイオンが前記集束電極群の電極間を通過し、かつ前記中央平面にて繰り返し集束され、個々の前記集束電極群のうちの少なくとも１つの電極が、同じ集束電極群の他の電極の電極表面よりも前記中央平面に近い電極表面を有する。
【００１１】
この構造の場合、前記１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の電圧差を有意に小さくすることにより、電極アレイ間の空間に生成される静電場に重大な悪影響を及ぼすことなく、電極間の放電の危険を低減することができることが分かっている。さらに、電極間の距離を長くすることも可能であり、放電の危険がさらに低減される。
【００１２】
好ましい実施形態では、前記１つの電極は、前記中央平面において電場勾配が最大値を有する領域に面するように配置され、例えば、前記１つの電極およびそのすぐ隣の電極に、使用時に、反対の極性を有する電圧が供給され、典型的には、その空間の外部領域では、イオンが周期的に振動運動する間、イオンは繰り返し反射されて空間の中心に向かって戻る。いくつかの好ましい実施形態では、前記１つの電極およびそのすぐ隣の電極が、それと同じ集束電極群の他の電極の電極表面よりも前記中央平面に近い電極表面を有する。
【００１３】
前記集束電極群のそれぞれの前記１つの電極は、その集束電極群において最も外側に位置する３つの電極から選択されることが好ましい。
【００１４】
前記１つの電極および任意選択でそのすぐ隣の電極を適切に平坦でない表面にすることにより、電極アレイ間の空間に生成される静電場の形状をさらに改善できることが分かっている。平坦でない表面（profiled surface）は、前記中央平面に対して直交し、かつ、イオンの飛行方向に沿う面において台形または双曲線の断面を有するものとすることができる。
【００１５】
本発明のいくつかの実施態様では、各集束電極群の複数の電極が同心リング電極である。
【００１６】
前記１つの電極および任意選択でそのすぐ隣の電極の幾何構造を調整して、電極群が平坦かつそれぞれの平面に存在する平面電極アレイを有する分析計によって生成される静電場を実質的に複製することが可能であること、また、これは、改良された電極に低い電圧を印加しても達成できることが分かっている。
【００１７】
個々の前記電極アレイは、セラミックなどの電気絶縁材料でできたベース部材の上に取り付けることができる。隣り合う電極間の表面トラッキングは、特に電極間に大きい電圧差が存在し、かつ電極間の絶縁体表面に沿った表面トラッキング距離が十分に長くない場合に問題になることがある。したがって本発明のいくつかの実施形態では、前記１つの電極および／または前記ベース部材は、前記１つの電極と前記そのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするように構成される。そのために、前記ベース部材は、前記１つの電極とそのすぐ隣の電極との間に溝または凹部を備えることができ、および／または前記１つの電極は、電極が取り付けられるベース部材に近い電極の下部部分では、ベース部材から遠くに離れた電極の上部部分より細くすることができ、および／または前記１つの電極および任意選択でそのすぐ隣の電極は、１乃至複数の電気絶縁スペーサを使用してベース部材の上に取り付けることができる。さらに別の実施形態では、個々の前記電極アレイの電極群は同心リング電極群であり、アレイのリング電極は、ねじ、ピン、スタッドまたはリベットなどの複数の導電性固定部材を含み、アレイのリング電極は、これらの複数の導電性固定部材によってベース部材の上に取り付けられており、複数の導電性固定部は、隣り合うリング電極をベース部材の上に取り付けている導電性固定部材に対して角度を付けてオフセットしている。ベース部材は、隣り合うリング電極の固定部材間の表面トラッキング距離を長くするように構成された溝またはスロットを有することができる。
【００１８】
表面トラッキング距離を長くするために使用される上記手段は、代替構成の電極アレイ、例えばすべての集束電極群が中央平面に対して同じ高さを有する平面電極アレイを有する質量分析計に適用することができることを理解されたい。したがって、本発明の別の態様によれば、一対の電極アレイを備えた質量分析計が提供され、その対のうちの一方の電極アレイは、両電極アレイ間の中間に位置する中央平面に対して、その対のうちのもう一方の電極アレイの鏡像であり、個々のアレイは集束電極群を含み、また、両電極アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それにより量電極アレイ間の空間に静電場が生成されてイオンが前記空間で周期的に振動運動し、それによりイオンは、前記集束電極群の電極間を通過し、かつ前記中央平面に繰り返し集束され、個々の前記電極アレイは、電気絶縁材料でできたベース部材の上に取り付けられ、アレイのうちの少なくとも１つの電極および／または前記ベース部材は、前記少なくとも１つの電極とそのすぐ隣の電極との間の表面トラッキング距離を長くするように構成される。
【００１９】
本発明に係る質量分析計は、静電イオントラップ質量分析計または多重周回型ＴｏＦ質量分析計の形態を採ることができ、また、円形構成または矩形構成を採ることができることを理解されたい。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、単なる例にすぎないが、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１a及び１bはそれぞれ、円筒状対称構成を有する既知の静電イオントラップ質量分析計の平面図および横断面図である。
【図２ａ】個々の電極アレイがそれぞれの電気絶縁ベース部材の上に取り付けられた、図１ｂに示されている分析計のトラッピング部分のみの横断面図である。
【図２ｂ】本発明による静電イオントラップ質量分析計のトラッピング部分の横断面図である。
【図３】図２ｂに示されている電極アレイのうちの１つの外側部分の横断面図であり、表面トラッキング距離を長くするための代替配置をさらに示している。
【図４】図２ｂに示されている電極アレイのうちの１つの外側部分の横断面図であり、表面トラッキング距離を長くするための代替配置をさらに示している。
【図５】ねじまたは代替固定部材を使用して同心リング電極群を支持するための電気絶縁ベース部材の下面の一部の斜視図である。
【図６】ベース部材の上に取り付けられた２つのすぐ隣のリング電極のそれぞれの固定部材を示す、電気絶縁ベース部材の一部の下面の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１ａおよび１ｂに、ＷＯ２０１２／１１６７６５（Ｄｉｎｇら）に開示されている静電イオントラップ質量分析計を示す。静電イオントラップは、互いに平行の平面内に存在している同心リング電極群１ａ、１ｂの２つのアレイを含む。２つの電極アレイは、中心軸（ｚ）上に同軸で配置されており、互いにオフセットされてトラッピング空間１６を画定する。アレイのうちの一方は、中央平面１２に対して、もう一方のアレイの鏡像であり、両アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給される。イオン源によって生成されたイオンは、直線イオンガイド１４および湾曲イオンガイド１５を介してトラッピング空間１６に導入することができる。イオンは、直線イオンガイド１４に沿って通過した後、湾曲イオンガイド１５に沿って通過する。イオンが湾曲イオンガイド１５に沿って移動している間、電圧パルスがイオンガイド１５に印加され、それによりイオンは、径方向の内側に向かって、２つのアレイに供給される電圧によってトラッピング静電場が生成されたトラッピング空間１６に注入される。トラッピング空間１６でトラップされたイオンは、楕円軌道１７（ｚ軸に直交するｘ−ｙ平面内）に沿って大きなアスペクト比で振動し、中心軸ｚの周りで歳差運動する。イオン運動は、軸（ｚ）方向の成分を有することができ、これは、図１ｂの横断面図に示されている。トラッピング空間１６内の軸方向の集束力を維持することが必要であり、それによりイオンは、中央平面１２からの初期変位があっても、あるいは軸方向の初期速度成分があっても中央平面１２に戻ることができ、そうでない場合にはｚ方向のイオン運動が安定せず、イオンは、アレイのうちの１つまたは他のアレイの電極群とすぐに衝突することになる。ｚ方向の集束力は、リング電極間に電圧差をもたらすことによって生成することができる。
【００２３】
多重周回型のＴｏＦシステムでも同じ状況が生じ、上で説明した静電イオントラップと同様に外側リング電極の外周からイオンを注入することができ、またはリング電極群の中央領域でイオンを生成することができ、あるいはデフレクタ（deflector）／ベンダ（bender）を使用して中央領域からイオンを注入することができる。イオンは、同様の軌道を通って何度も振動し、やはりデバイスの中央領域に配置されている検出器に到達する。この場合も、軸方向にビームが発散するのを回避するためには、ｚ方向の集束力として作用する電場を生成することが必要である。
【００２４】
図２ａは、図１ａに示されている静電イオントラップ質量分析計のトラッピング部分のみの横断面図であるが、支持ベース部材１０も示されている。個々の電極アレイは、８個の同心円形電極群またはリング電極群を有する。これらの電極のうち、電極１〜７は集束電極群を構成している。電極１ａおよびｂ、２ａおよびｂは、接線方向における初期速度の拡がりを補正する時間集束の役割を負うが、電極４ａおよびｂ、５ａおよびｂ、６ａおよびｂ、ならびに７ａおよびｂは、それぞれz軸方向における初期位置および初期速度の広がりを補正するための空間集束および時間集束の役割を負う。一方、最も外側の電極８ａおよび８ｂは、ゲート／反射電極である。イオンが電極アレイ間のトラッピング空間１６に入ることができるように、ゲート電圧が電極８ａおよび８ｂに供給され、次に、この電圧は、トラッピング空間１６で振動運動しているイオンを反射するためにより高い電位に切り換えられる。イオンがトラッピング空間で振動運動している間、イオンが電極８を通過することはなく、したがって電極８は集束電極ではない。個々の電極アレイは、ねじ１１を使用して組み立てられる前に、電気絶縁材料でできたそれぞれのベース部材１０に取り付けられる。軸方向の集束は、主として、リング電極５ａ、５ｂに負の電圧を供給し、かつすぐ隣の電極４ａ、４ｂおよび６ａ、６ｂを正の電圧またはほぼ接地電位に維持することによって達成される。本発明者の計算によれば、４．６ｋＶ程度の径方向の飛行エネルギーを有するイオンには、平坦なリング電極５ａ、５ｂ上に約−１１．４ｋＶの集束電圧が必要であり、また、すぐ隣の電極６ａ、６ｂ上に約４．６ｋＶの電圧が必要であり、すなわち１６ｋＶの電圧差が必要である。このような大きい電圧差を２ｍｍのギャップしかない電極間に与えると、通常、放電が生じることになる。
【００２５】
図２ｂは、図２ａと実質的に同じであるが、この問題を少なくとも軽減する観点から、本発明によって電極構造がいかに改良されるかを示す。
【００２６】
図２ａおよび２ｂは、いずれも、それぞれの電極構造の電極群に電圧を供給することによって生成される等電位線を示す。シミュレーションによって、改良された電極（２５ａ、２５ｂ）に著しく低い電圧を供給し、それにより電極アレイ間の空間の電界強度を著しく弱くすることなく、個々のアレイ内のこれらの電極と隣り合う電極との間の電圧差を小さくすることができることが分かっている。この特定の例では、電極（２５ａ、２６ａおよび２５ｂ、２６ｂ）の表面のプロファイルを含む幾何構造は、図２ａの電極構造によって生成される−６．４ｋｅＶ等電位線の形を再現するように調整されている。図２ａおよび２ｂの比較から、２つの電極構造によって形成された等電位線の形が実質的に同じであることが分かる。
【００２７】
もう一度図２ｂを参照すると、個々の電極アレイのリング電極２１ａ〜２７ａ、２１ｂ〜２７ｂは、集束電極群を構成している。各集束電極群および最も外側のゲート電極２８ａ、２８ｂは、セラミックなどの電気絶縁材料でできたそれぞれベース部材１０ａ、１０ｂの上に取り付けられている。２つの電極アレイは、中心となるｚ軸上に同軸で組み立てられており、互いに軸方向にオフセットされて、電極アレイ間にトラッピング空間を画定する。一方の電極アレイは、２つのアレイ間の中間に位置する中央平面１２に対して、もう一方の電極アレイの鏡像であり、また、両アレイには、使用時に、同じ電圧パターンが供給され、それにより２つのアレイの対応する電極、すなわち２１ａ、２１ｂおよび２２ａ、２２ｂ、等に同じ電圧が供給される。
【００２８】
図２ａに示されている電極群とは対照的に、図２ｂに示されている選択された電極群の高さは軸方向に高くなっており、それにより、それらの電極表面は中央平面１２により近くなっており、また、この実施形態ではそれらの表面プロファイルも変更されている。より詳細には、電極２５ａ、２５ｂの電極表面は、そのすぐ隣の電極２４ａ、２４ｂおよび２６ａ、２６ｂの電極表面よりも中央平面１２に近く、また、それらはもはや平坦な表面プロファイルを有していない。
【００２９】
電極２６ａ、２６ｂにも同様の変更がなされており、また、それぞれのベース部材において隣り合う電極２５ａ、２６ａおよび２５ｂ、２６ｂの個々の対の間のギャップも広くなっている。これらの変更の結果として、図２ａの電極構造によって生成される電場と同じ電場または極めて近い電場を中央平面１２の近くに生成するために電極２５ａ、２６ａおよび２５ｂ、２６ｂに供給しなければならない電圧は、それぞれ−６．４ｋＶおよび４ｋＶに低減され、したがって電圧差が１０．４ｋＶに低減される。
【００３０】
電極２５ａおよび２５ｂが中央平面に近くなればなるほど、これらの電極に供給される電圧がますます低くなる。しかしながら中央平面からの電極２５ａ（および２５ｂ）の距離は、イオンビームの厚さ（典型的には２ｍｍ）未満ではなく、したがって電極２５ａと２５ｂの間のギャップは、ビーム厚さの２倍未満ではないことが好ましい。この例では、電極２５ａおよび２５ｂは、飛行方向に沿った、中央平面に直交する平面内で台形状断面を有するが、双曲線状断面、三角形状断面または階段状断面を有する他の表面プロファイルを代替として使用することも可能である。
【００３１】
反対の極性を有する電圧が供給される電極間の最小許容可能ギャップは３ｍｍである。超高真空において３ｍｍのギャップがあれば、通常、１２ｋＶを超える電圧差に耐えることができるが、表面の良好な平滑性が必要である。以下でより詳細に説明されるように、電極間の表面トラッキング距離を長くすることができるが、この距離は、電極間のアーク放電距離より長くしなければならない。
【００３２】
１つまたは複数の電極の表面を、中央平面により近くすることはできるが、他の電極群の電極表面は中央平面から距離をとり、それによって、より広い軌道を追従するイオンが衝突することになる障害物が比較的少ない、より広いトラッピング空間を与えることが望ましいことがある。
【００３３】
それと同時に、中央平面からより離れた電場形成電極群は、必要な幾何構造がより単純であり、また、その表面プロファイルの形成もそれほど正確でなくてもよく、すなわち、中央平面からより離れたこれらの電極群はイオン軌道からさらに遠ざかるため、それらの幾何構造が不正確であったとしても、イオンが晒される静電場に対する影響は小さい。したがって電極の幾何構造は最適化の結果とすればよく、達成可能な電界強度と電場精度の相互の折れ合いで決めればよい。
【００３４】
中央平面により近い電極表面を有するように選択される電極は、比較的大きい径方向の電場勾配を必要とする領域に配置される電極であることが好ましい。この電極は、しばしば、図２ｂの電極２５ａ、２５ｂの場合のように、そのすぐ隣の電極に供給される電圧とは反対の極性の電圧が供給される電極である。これらの電極は、直径が比較的大きい電極であるため、中央平面により近く電極表面が配置される電極は、必ずしもその必要はないが、通常、（径方向において）個々の電極アレイの外側の領域に配置されることになる。
【００３５】
比較的大きい半径を有する集束電極は、より小さい半径を有する隣り合うリング電極より中央平面に近くなるように選択することが好ましい。これは、ゲート／反射器のリング電極の近くに位置する少なくとも１つのリング電極が中央平面により近くに配置されることを意味している。中央平面により近くなるように選択される、直径がより大きい電極は、ゲート電極の閉じる作用によって生じる電場の変化からトラッピング空間の内部領域を遮蔽するように働く。したがってトラッピング空間の内部領域に到達するイオンは、ゲート電極における電位の上昇によってのため、質量数に依存する加速を受けることがない。
【００３６】
既に説明したように、個々の電極アレイの電極群は、電気絶縁ベース部材１０ａ、１０ｂの上に取り付けられている。表面トラッキングは、２つの隣り合う電極に大きい電圧差を有する電圧が供給されると、たとえ高真空環境であっても、ベース部材の電気絶縁表面で生じることがある。絶縁表面での隣り合う電極間のトラッキング距離を長くするために、個々の電極２５ａ、２５ｂは、電極が取り付けられるベース部材に近い電極の下部部分では、ベース部材から遠く離れた電極の上部部分より細くなるように設計されている。ベース部材の表面における、近接する電極間のトラッキング距離をさらに長くするために、上記電極設計とともに以下の構成を提案する。
【００３７】
図３を参照すると、リング電極２５ｂ、２６ｂ、等は、以下の接合方法のうちの１つを使用して、接合点２１で、セラミック、マコール、またはガラスなどの電気絶縁材料でできたベース部材１０に取り付けられている。その方法は以下のようなものとすることができる。
１）接合表面が予め金属化されたセラミックへの金属電極のろう付け。セラミックの金属化は、スクリーン印刷や焼きなましなどの適切な薄膜の製膜技術を使用して、あるいは物理蒸着法または化学蒸着法を使用して達成することができる。
２）接合表面が予め金属化されたセラミックへの金属電極のはんだ付け。
３）エポキシまたは他の真空対応接着剤の使用。
【００３８】
大きい電圧差が生じる電極群の下方の位置では、セラミックベースは、深い溝または凹部に切り欠きされ、それにより接合点２１間の表面距離が長くなっている。これにより２つの電極間の表面トラッキング距離を効果的に長くしている。
【００３９】
絶縁ベース部材に切り欠きを形成することなく表面トラッキング距離を長くする代替方法を、図４に示す。この手法では、電極２４ｂ、２５ｂおよび２６ｂは、ねじ３１、３２、３３を使用して絶縁ベース部材１０に取り付けられる。表面トラッキング距離を長くするために、電気絶縁スペーサ３５、３６、３７がベース部材１０と電極２４ｂ、２５ｂおよび２６ｂの間に配置されている。
【００４０】
ねじ３１、３２、３３は金属製であってもよいが、セラミックまたは他の高張力プラスチック材料（high tension plastic materials）からなるものであることが好ましい。ねじは、締め付ける目的のためにのみ使用され、したがってそれらは、ベース部材および電極群を一体的に保持する限り、スタッド、ピンまたはリベットなどの他の種類の固定部材に置き換えることができる。
【００４１】
導電性固定部材を用いる場合、表面トラッキングは、ベース部材の下面の表面に沿って、隣り合う電極の最も近くの固定部材間で生じることがある。個々の電極を確実に保持するためには、８個以上の多くのこれらの固定部材（例えばねじ）を必要とすることがあるが、固定部材間の最長表面トラッキング距離を達成するためには、リング電極群の固定部材に角度分布を設けなければならない。例えば図５に示されているように、ねじ５５を使用して１つの電極（例えば５ｂ）がベース部材に固定され、一方、ねじ５６を使用して、その隣り合う電極（例えば６ｂ）が固定される。ねじ５５の角度は、二組のねじが互いに角度的にオフセットし、隣接するねじ間の表面トラッキング距離が長くなるよう、ねじ５６の角度に対してある角度だけシフトされている。他の電極を固定するために使用される他の組のねじ（例えば５４）についても同様である。
【００４２】
金属ねじ、ピン、スタッドまたはリベットが使用される場合、これらの構成要素間の短絡を回避するための追加方法が存在する。図５に示されているように、ねじ穴５５と５６の間に複数の溝５０が切られ、これにより電気トラッキングは、１つのねじから別のねじまで直接走ることができず、実効表面トラッキング距離が、ねじ間の直線距離よりも長くなっている。
【００４３】
近代のＣＮＣ機械加工では、リング電極の下面から突き出た脚、指またはパッドなどの固定部材を有するリング電極群を製造することが可能である。図６は、多数の切抜き開口６０を有するセラミックベースプレート１０の下面の一部を示したもので、図６には、切抜き開口６０が１つだけ示されている。個々のリング電極５ｂ、６ｂは、ベースプレート１０ｂの上面（図示せず）に取り付けられており、電極の下面から突き出た、ベースプレート１０ｂのそれぞれの開口６０に挿入されるいくつかの接続パッドを有する。図６には、個々のリング電極５ｂ、６ｂのこのような接続パッド７５、７６が１つだけ示されている。パッド７５、７６は、予め金属化された端部表面６１、６２を有する開口６０の２つの縁に沿って、セラミックベースプレート１０ｂにはんだ付けすることができる。電気トラッキングは電極間を直接走ることができないため、接続パッド７５と７６の間のギャップは、電極間の表面トラッキング距離を長くするように働いている。
【００４４】
本発明に係る電極構造について、平面静電イオントラップの実施形態を説明したが、本発明に係る質量分析計は、多重周回型ＴｏＦ質量分析計の形態や、イメージ電荷（image charge）が検出される平面静電イオントラップのモードと、ＭＣＰなどの粒子検出器を使用した多重周回型ＴｏＦのモードとを切り換える可能な分析計の形態を採ることも可能であることを理解されたい。後者の構成は、上で言及した外部イオン注入器を使用し、かつ分析計の外周の外側に１つのＭＣＰ検出器を追加して、イメージ電荷検出回路を集束電極群のうちのいくつかの電極に組み合わせることによって容易に構成することができる。ＴｏＦ測定は、分析計内におけるイオンの複数回の振動飛行の後にゲート／反射電極上の電圧をスイッチ・ダウンし、イオンをトラッピング領域から検出器へ放出して飛行時間信号を記録することにより行うことができる。分析計の構成は、直線ストリップ電極群を有する矩形、または上記実施形態で説明したリング電極群を有する円形のいずれであってもよい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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