(57)【要約】      （修正有）【課題】荷電粒子を取り扱う構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧をより高速に変更するためにＤＣ電源を制御する方法を提供する。【解決手段】構成要素にＡＣ電圧波形が印加されている間に、初期ＤＣオフセット電圧をリンクを経由して構成要素に印加する。このリンクは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、構成要素におけるＤＣオフセット電圧が、ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に遅れをとるようになっている。次に、予め決められた期間の間、リンクを経由して構成要素に印加されるオーバードライブＤＣオフセット電圧５０３を生成するように前記ＤＣ電源を制御する。次に、リンクを経由して構成要素に印加される目的ＤＣオフセット電圧５０５を生成するようにＤＣ電源を制御する。ここで、目的ＤＣオフセット電圧は初期ＤＣオフセット電圧とオーバードライブＤＣオフセット電圧の間の値である。【選択図】図７
2016139603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を取り扱う構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧を変更するためにＤＣ電源を制御する方法であって、該構成要素にＡＣ電圧波形が印加されている間に、次のような処理を行うことを含む。
初期ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該初期ＤＣオフセット電圧はリンクを経由して該構成要素に印加され、このリンクは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、該構成要素におけるＤＣオフセット電圧が該ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に遅れをとるようになっている。
次に、予め決められた期間の間、前記リンクを経由して前記構成要素に印加されるオーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。
次に、前記リンクを経由して前記構成要素に印加される目的ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該目的ＤＣオフセット電圧は前記初期ＤＣオフセット電圧と前記オーバードライブＤＣオフセット電圧の間の値である。
【請求項２】
前記方法が、前記構成要素における前記ＤＣオフセット電圧が、前記目的ＤＣオフセット電圧になるとき、あるいは前記目的ＤＣオフセット電圧の予め決められた閾値の範囲内になるときに、前記ＤＣ電源が前記目的ＤＣオフセット電圧を生成し始めるように前記予め決められた期間を選択することを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記オーバードライブＤＣオフセット電圧が、前記ＤＣ電源の最大出力電圧、あるいは前記ＤＣ電源の最大出力電圧の予め決められた閾値の範囲内である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法が、前記予め決められた期間の終了時に、前記構成要素におけるＤＣオフセット電圧が前記目的電圧、あるいは前記目的電圧の予め決められた閾値の範囲内となるように前記オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択することを含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、ユーザが前記期間を選択することを含む
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記方法が、前記選択されたオーバードライブＤＣオフセット電圧が前記ＤＣ電源の最大出力電圧よりも大きいか否かを決定することを含む
ことを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
複数の電源があり、該電源のそれぞれが荷電粒子を取り扱う個々の構成要素に対応付けられており、該ＤＣ電源のそれぞれについて前記方法が個別に実行される
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
複数の前記構成要素のそれぞれに同一のＡＣ電圧波形が印加されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のＤＣ電源のそれぞれについて、
同一の前記予め決められた期間の終了時に、前記ＤＣ電源に対応する前記構成要素における前記ＤＣオフセット電圧が、前記目的電圧、あるいは前記目的電圧の予め決められた閾値の範囲内になるように前記オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択することを含む
ことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記リンクあるいは該リンクのそれぞれが、少なくとも１つの抵抗と少なくとも１つのキャパシタンスを含むＲＣネットワークである
ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記ＤＣ電源あるいは該ＤＣ電源のそれぞれと、荷電粒子を取り扱う前記構成要素あるいは該構成要素のそれぞれが質量分析計に含まれていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１に記載の方法を実行するＤＣ電源を含む装置を制御するように構成されている
ことを特徴とする制御部。
【請求項１３】
請求項１から１１に記載の方法を実行するＤＣ電源を含む装置をコンピュータに制御させるように構成された、コンピュータで読み取り可能な指示を有する、コンピュータで読み取り可能な媒体。
【請求項１４】
実質的に、添付の図面を参照して説明した、あるいは添付の図面により示された、本明細書に記載の実施例のうちの１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を取り扱う構成要素に印加する直流オフセット電圧を変更するために直流電源を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計では、例えば荷電粒子を閉じこめる目的のために、交流（alternating current, "AC"）電圧波形、例えば高周波（radiofrequency, “RF”）電圧波形が印加されるイオン光学構成要素（ion optical components）を使用することが一般的である。そのようなイオン光学構成要素の例には、多重極デバイス（四重極、六重極、八重極など）、三次元イオントラップ、積層したリング状のイオンガイド、質量フィルタ、イオン漏斗、線形イオントラップ、イオンガイドが含まれる。これら以外の例も存在する。しばしば、いくつかのイオン光学構成要素は、質量分析計のような装置において、別の用途で用いられる装置と組み合わせて用いられる。例えば、イオン漏斗は質量分析計の入口において、イオンを検出する前に六重極に輸送し質量フィルタに導入する前にイオンを捕捉するために用いられる。
【０００３】
しばしば、例えばＤＣ勾配を形成するためのＤＣオフセット電圧を用いることにより、イオンは、あるイオン光学構成要素から別のイオン光学構成要素に（あるいはあるイオン光学構成要素の内部に）輸送される。例えば、より正のポテンシャルからより負のポテンシャルに向かうように形成されたＤＣ勾配は、より正のポテンシャルが形成された領域からより負のポテンシャルが形成された領域に正極性のイオンを移動させやすい。負極性のイオンは逆の力を受け、より負のポテンシャルが形成された領域からより正のポテンシャルが形成された領域へと移動しやすい。そのようなＤＣオフセット機構の一例を図１に示す。ここでは、より高いＤＣオフセット電圧が最初のイオン光学構成要素１に印加される。ＤＣオフセット電圧のプロファイル１１は長手方向に沿ってその大きさが変化する。図1に示すようなＤＣオフセット電圧のプロファイルは、正に帯電したイオンを第４のイオン光学構成要素７に輸送しそこでトラップする（並進運動エネルギーを減少させるようにイオンを冷却することに十分な注意が払われる）。
【０００４】
場合によっては、いくつかのイオン光学装置に同一のＡＣ電圧波形が印加されるが、異なるＤＣオフセット電圧を印加することが必要な場合がある。そのような状況の一例は分割イオンガイド装置（segmented ion guide device）であり、いくつかのセグメントにはそれぞれ同一のＡＣ電圧波形が印加されるが、異なるＤＣオフセットポテンシャルが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第8758759号明細書
【特許文献２】米国特許第8030613号明細書
【特許文献３】米国特許出願第2010/0072362号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Paul and Steinwedel in 1953 (Z. Naturforsch, 1953, 8a, 448)
【非特許文献２】Horowitz and Hill, 1989, “The Art of Electronics”, Second edition, pages 23-24
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らは、ＤＣ電源において生成されるＤＣオフセット電圧を、初期ＤＣオフセット電圧（initial DC offset voltage）から目的ＤＣオフセット電圧（target DC offset voltage）に変更する際に、ＤＣオフセット電圧が印加される構成要素において対応するＤＣオフセット電圧の変更を行うのに時間がかかることを確認した。本発明者らは、該構成要素においてＤＣオフセット電圧をより高速に変更することが望ましく（時間が重要な場合に有用である）、及び／又は好ましい時刻で変更することが望ましい（複数の構成要素においてＤＣオフセット電圧を同一時間帯内で変更することが望ましい場合に有用である）、と考える。
【０００８】
本発明は、上述の考察により成されたものである。
【０００９】
背景技術には以下のものがある。
・非特許文献１には、四重極質量分析計が記載されている。 
・非特許文献２にはRCネットワークの物理的応答が記載されている。
・特許文献１には多重極の柱状電極（columnar electrodes）を有する線形イオントラップ質量分析計が記載されている。この文献の図５にはRCカップリングネットワークの概略図が記載されている。この図は段落[0047]で参照されており、図５の回路は「高周波電圧要素と電場を調整可能なＤＣ電圧構成要素を重畳するために用いる」と記載されている。
・特許文献２には、質量分析計において用いられる高周波（RF）電源が記載されている。この文献の図３には、中央タップ付き変圧器を用いてＤＣオフセット電圧を印加するために用いられる回路の概略図が示されている。 
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、
荷電粒子を取り扱う構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧を変更するためにＤＣ電源を制御する方法であって、該構成要素にＡＣ電圧波形が印加されている間に、次のような処理を行うことを含む。
初期ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該初期ＤＣオフセット電圧はリンクを経由して該構成要素に印加され、このリンクは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、該構成要素におけるＤＣオフセット電圧が該ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に遅れをとるようになっている。
次に、予め決められた期間の間、前記リンクを経由して前記構成要素に印加されるオーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。
次に、前記リンクを経由して前記構成要素に印加される目的ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該目的ＤＣオフセット電圧は前記初期ＤＣオフセット電圧と前記オーバードライブＤＣオフセット電圧の間の値である。
【００１１】
この方法では、例えば図７に示すように、最初にオーバードライブＤＣオフセット電圧を生成することなく目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御する場合に比べて、ＤＣ電源によって生成されるオーバードライブＤＣオフセット電圧によって、より高速で構成要素におけるＤＣオフセット電圧を目的ＤＣオフセット電圧に到達させることができるため、より高速に、構成要素におけるＤＣオフセット電圧を目的ＤＣオフセット電圧に到達させることができる。
【００１２】
初期ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御するステップ、オーバードライブを生成するようにＤＣ電源を制御するステップ、及び目的ＤＣオフセット電圧を生成するステップの間に空き時間（time gap）がほとんどないか、空き時間が全くないことが好ましい。空き時間がある場合には、その空き時間は、ＤＣ電源によって生成される電圧を変化させた後、構成要素におけるＤＣオフセット電圧がＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧に落ち着くまでに要する時間に比べるとわずかであることが好ましい。例えば、これは、1マイクロ秒よりも短い空き時間とすることにより達成することができる。
【００１３】
誤解を避けるために説明すると、以下に説明する例では例示目的としてＤＣ電源によって生成される初期電圧をゼロとしているが、初期電圧、目的電圧、及び／又はオーバードライブ電圧は、基準電圧（例えばグラウンド）に対して正、負、あるいはゼロのいずれであってもよい。
【００１４】
構成要素における電圧（つまり、該構成要素によって“見られる”あるいは感じられる電圧）には、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧によって生じるＤＣオフセット電圧だけでなく、該構成要素に印加される（例えばＡＣ電源によって生成される）ＡＣ電圧波形によって生じるＡＣ電圧も含まれる。
【００１５】
しかし、例えば後述する数式（４）とその説明を参照すると分かるように、構成要素におけるＤＣオフセット電圧（つまり、該構成要素において“見られる”あるいは感じられるＤＣオフセット電圧）が、必ずしもＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧と同じである必要はない。これは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたとき、リンクが、該構成要素におけるＤＣオフセット電圧をＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に対して遅れさせるためである。
【００１６】
好ましくは、前記方法は、構成要素におけるＤＣオフセット電圧が目的ＤＣオフセット電圧になるとき、あるいは目的ＤＣオフセット電圧の予め決められた閾値の範囲内になるときに、ＤＣ電源が目的オフセット電圧（これはリンクを介して構成要素に印加される）を生成し始めるように、前記予め決められた期間を選択する（例えば計算する）ことを含む。ここで、前記予め決められた閾値は、初期電圧と目的電圧の間の差の大きさの50%、好ましくは10%、より好ましくは5%、更に好ましくは1%とすることができる。この状況では、5%が好ましい閾値である。
【００１７】
このように、構成要素におけるＤＣオフセット電圧を目的ＤＣオフセット電圧にするまでの間の多くの時間に、このオーバードライブＤＣオフセット電圧を用いることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、オーバードライブＤＣオフセット電圧はＤＣ電源の最大出力電圧であるか、該最大出力電圧のうちの予め決められた閾値の範囲内である。ここで、前記予め決められた閾値は、ＤＣ電源の最大出力電圧の、90%、好ましくは95%、より好ましくは99%とすることができる。この状況では、90%が好ましい閾値である。
【００１９】
このようにして、オーバードライブＤＣオフセット電圧は、構成要素におけるＤＣオフセット電圧をできるだけ高速で目的ＤＣオフセット電圧に到達させるのに役立たせることができる。
【００２０】
ここで、ＤＣ電源は正の最大出力電圧、及び／又は負の最大出力電圧を有しうる（つまり、所定のＤＣ電源として２つの最大電圧があり得る）。
【００２１】
いくつかの実施形態において、前記方法は、構成要素におけるＤＣオフセット電圧が前記予め決められた期間の終了時における目的電圧、あるいは該終了時における目的電圧の予め決められた閾値の範囲内となるように、オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択する（例えば計算する）ことを含みうる。ここで、前記予め決められた閾値は、初期電圧と目的電圧の差の大きさの50%、好ましくは10%、より好ましくは5%、更に好ましくは1%とすることができる。この状況では、5%が好ましい閾値である。
【００２２】
このようにして、前記方法は、前記予め決められた期間の終了時において、構成要素におけるDCオフセット電圧が目的ＤＣオフセット電圧となるように（閾値を指定する場合は、その予め決められた閾値の範囲内となるように）用いることができる。これは、複数の構成要素のそれぞれにおける電圧を、同一の前記予め決められた期間の終了時に個別に目的ＤＣオフセット電圧に到達させることが望ましい場合に特に有用である。
【００２３】
これらの実施形態において、前記方法は、使用者が前記予め決められた期間を選択するステップを含みうる。
【００２４】
これらの実施形態において、前記方法は、選択された（例えば計算された）オーバードライブＤＣオフセット電圧が、ＤＣ電源の最大出力電圧よりも大きいか否かを決定することを含みうる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、選択された（例えば計算された）オーバードライブＤＣオフセット電圧がＤＣ電源の最大出力電圧よりも大きいと決定された場合に、（前記予め決められた期間中リンクを介して構成要素に印加される）オーバードライブＤＣオフセット電圧を、ＤＣ電源の最大出力電圧に選択する、あるいは該最大出力電圧の予め決められた閾値の範囲内に選択することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、選択された（例えば計算された）オーバードライブＤＣオフセット電圧がＤＣ電源の最大出力電圧よりも大きいと決定された場合に、前記方法は、前記予め決められた期間内に（構成要素において）目的ＤＣオフセット電圧を達成することができないことを示す警告通知を使用者に出すことを含みうる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、複数のＤＣ電源があり、各ＤＣ電源が荷電粒子を取り扱う個々の構成要素にそれぞれ対応し、前記方法は各ＤＣ電源について個別に実行される。これらの実施形態では、複数の構成要素のそれぞれに同一のＡＣ電圧波形が印加されうる。
【００２８】
従って、以下のものが提供される。
荷電粒子を取り扱う複数の構成要素のそれぞれに印加される各ＤＣオフセット電圧を変更するために複数のＤＣ電源を制御する方法であって、前記複数のＤＣ電源の各々は前記複数の構成要素の各々に対応付けられ、該方法は、前記複数の構成要素のそれぞれに同一のＡＣ電圧波形が印加されている間に、次のような処理を行うことを含む。
各ＤＣ電源において、それぞれ、
初期ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該初期ＤＣオフセット電圧はリンクを経由して該構成要素に印加され、このリンクは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、該構成要素におけるＤＣオフセット電圧が該ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に遅れをとるようになっている。
次に、予め決められた期間の間、前記リンクを経由して前記構成要素に印加されるオーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。
次に、前記リンクを経由して、前記ＤＣ電源に対応する前記構成要素に印加される目的ＤＣオフセット電圧を生成するように該ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該目的ＤＣオフセット電圧は前記初期ＤＣオフセット電圧と前記オーバードライブＤＣオフセット電圧の間の値である。
【００２９】
これらの実施形態では、上述した特徴のうち任意の特徴が各電源に個別に実装されうる。
【００３０】
各ＤＣオフセット電圧は、個別のリンクを介して個々の構成要素に印加されうる。
【００３１】
これらの実施形態では、前記方法は、各ＤＣ電源について、それぞれ、ＤＣ電源に対応する構成要素におけるＤＣオフセット電圧が、前記同一の予め決められた期間の終了時において目的電圧になる、又は該目的電圧の予め決められた閾値の範囲内になるように、オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択する（例えば計算する）ことを含むことが特に好ましい。
【００３２】
このように、複数の構成要素のそれぞれにおける電圧は、仮にＤＣ電源がそれぞれ異なる特性（例えば異なる抵抗及び／またはキャパシタンスを有するＲＣネットワーク）を持つリンクを介して各々のイオン光学構成要素に接続されている場合であっても、前記同一の予め決められた期間の終了時においてそれぞれ目的ＤＣオフセット電圧に到達させることができる。各構成要素についての目的ＤＣオフセット電圧は異なっていてもよく、あるいは同一であってもよい。また、目的ＤＣオフセット電圧が同一である場合であっても、例えば、各構成要素についてのリンクが異なる抵抗やキャパシタンスを含むＲＣネットワークである場合には、オーバードライブＤＣオフセット電圧は構成要素毎に異なる値とすることができる。
【００３３】
ＤＣ電源（１台の場合）／各ＤＣ電源（複数台の場合）は、好ましくはコンピュータにより制御可能なＤＣ電源であって、設定された時間においてコンピュータによる制御の下で、その電圧出力を瞬時に変更できるものであることが好ましい。
【００３４】
しかし、別の実施形態では、ＤＣ電源／各電源は、複合ＤＣ電源、例えば異なるＤＣ電圧を生成することができるように２つ以上のＤＣ電源を組み合わせた複合ＤＣ電源とすることができる。
【００３５】
ＲＣネットワークは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、構成要素におけるＤＣオフセット電圧をＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧から遅れさせるリンクの一例であることから、前記リンク／前記リンクの各々は、少なくとも１つの抵抗と少なくとも１つのキャパシタンスを含むＲＣネットワークであることが好ましい。しかし、前記リンク／前記リンクの各々は、例えば、少なくとも１つのインダクタンスと少なくとも１つのキャパシタンスを含むＬＣネットワークとすることも可能である。あるいは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧から遅れて構成要素においてＤＣオフセット電圧を生じさせるようなものであれば、その他のリンクであっても構わない。
【００３６】
荷電粒子を取り扱う構成要素／各構成要素は、例えば（後述の実施例の場合のように）質量分析計において用いられうるイオン光学構成要素、あるいは質量分析計ではないイオンを制御する装置（例えばイオン貯留部）において用いられうるイオン光学構成要素とすることができる。しかし、構成要素がイオン以外の荷電粒子、例えば電子を取り扱うものであってもよく、これは必須の要件ではない。
【００３７】
ＤＣ電源／各ＤＣ電源及び／又は荷電粒子を取り扱う構成要素／各構成要素は、質量分析計に含まれうる。
【００３８】
前記方法は、構成要素／各構成要素に対して印加されるＡＣ電圧波形を生成するためにＡＣ電源を制御することを含みうる。該ＡＣ電圧波形は、リンク／各リンクを介して構成要素／各構成要素に対して印加される。
【００３９】
前記ＡＣ電圧波形はＲＦ電圧波形であり得、本願明細書の開示目的から、高周波を有するＡＣ電圧波形として理解されよう。
【００４０】
前記ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形は、正弦波、矩形波、あるいは鋸状波形等の他の波形の場合もある。
【００４１】
本発明の第１の態様は、また、上述の任意の方法を実行することができるＤＣ電源を含む装置を制御するように構成されたコントローラも提供しうる。
【００４２】
前記コントローラは、コンピュータ、制御チップ（例えばＰＩＣあるはＦＰＧＡ）、及び／又はタイミング回路（例えばＲＣタイミング構成要素あるいは同様のアナログ回路から形成されるもの）を含みうる。
【００４３】
前記装置は、荷電粒子を取り扱うための構成要素、複数のＤＣ電源、及び／又は複数の構成要素を含みうる。
【００４４】
本発明の第１の態様は、上述の任意の方法を実行するように、コンピュータにＤＣ電源を含む装置を制御させるように構成された、コンピュータで実行可能な指示が記載されたコンピュータで読み取り可能な媒体も提供する。
【００４５】
前記装置は、荷電粒子を取り扱うための構成要素、複数のＤＣ電源、及び／又は複数の構成要素を含みうる。
【００４６】
前記方法は、前記構成要素が荷電粒子を取り扱う目的に適していない場合であっても適用性が見出されうることから、本発明の第２の態様は、構成要素／各構成要素が荷電粒子を取り扱うのに適した構成であることが要求されないという点を除いて、本発明の第１の態様に係る方法、コントローラ、あるいはコンピュータで読み取り可能な媒体を提供しうる。
【００４７】
前記方法は、ＡＣ電圧波形が構成要素／各構成要素に印加されない場合でもＤＣ電圧を切り替えるために用いることができることから、本発明の第３の態様は、前記方法が構成要素／各構成要素に対してＡＣ電圧波形の印加なしに行われるという点を除いて、本発明の第１の態様に係る方法、コンピュータ、あるいはコンピュータで読み取り可能な媒体を提供しうる。
【００４８】
本発明は、また、そのような組み合わせが明らかに許容されないもの、あるいは明らかに回避されるものを除き、上述した態様及び好ましい特徴の任意の組み合わせを含む。
【００４９】
我々の提案する実施例を、図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ＤＣオフセット電圧のプロファイルを示す図である。
【図２】中央タップ付き変圧器を有するＲＦ生成器を示す図である。
【図３】いくつかの印加されるＤＣオフセット電圧をＲＦ生成器とともに示す図である。
【図４】ＤＣオフセット電圧をイオン光学構成要素に印加するために用いられるＲＣネットワークの一例を示す図である。
【図５】いくつかの印加されるＤＣオフセット電圧を同一のＲＦ生成器と異なるＲＣネットワークとともに示す図である。
【図６】標準的なＲＣ時定数についての電圧プロファイルを示す図である。
【図７】目的ＤＣオフセット電圧に切り替える前に、所定の期間オーバードライブＤＣオフセット電圧を用いた場合の電圧プロファイルを示す図である。
【図８】ＤＣオフセット電圧変更時間の改善について、オーバードライブＤＣオフセット電圧に対する目的ＤＣオフセット電圧の比に対してプロットした図である。
【図９】最も高速化する際のフロー図の一例を示す図である。
【図１０】異なる時定数を有する複数の構成要素を示す図である。
【図１１】異なる時定数を有する３つの異なるイオン光学構成要素に関する曲線を示す図である。
【図１２】設定時間で変更する際のフロー図の一例を示す図である。
【図１３】実施例の方法を用いた、使用に適した例示的な電極構造の三次元モデルを示す図である。
【図１４】本実施例の電極構造を用いたシミュレーションにおいて第３のイオンガイドセグメントに対して印加する電圧のプロファイルを示す図である。破線は、セグメント３に対して印加されるＤＣオフセットを変更したときの自然ＲＣ応答を示す。実線は、好ましい方法を用いた時のＤＣオフセット電圧のプロファイルを示す。
【図１５】自然ＲＣ時定数応答を用いた時に、ＤＣ電圧の変更を開始してからいくつかの時点における分割されたイオンガイドに沿った軸方向のＤＣオフセット電圧のプロファイルをプロットした図である。
【図１６】実施例の方法を用いた時に、ＤＣオフセット電圧の変更を開始してからいくつかの時点における分割イオンガイドに沿った軸方向のＤＣオフセット電圧のプロファイルをプロットした図である。
【図１７】自然ＲＣ時定数応答を用いた時の、ＤＣオフセット電圧の切り替えを開始した後のいくつかの時点におけるイオンの位置を示すシミュレーション画面（simulation screenshots）を示す図である。
【図１８】好ましい方法を用いた時の、ＤＣオフセット電圧の切り替えを開始した後のいくつかの時点におけるイオンの位置を示すシミュレーション画面を示す図である。
【図１９】100個のイオンの束（bunch）の軸方向の経時的な平均位置を示すプロットである。破線は、標準的なＲＣ時定数応答を用いたときの結果を示す。実線は、本発明を用いてＤＣオフセット電圧を変更したときの結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
質量分析計において、少なくとも１つの抵抗と少なくとも１つのキャパシタンスを含むＲＣ（”resistor”と”capacitor”）ネットワークを介してイオン光学構成要素にＤＣオフセット電圧を印加することが一般的である。
【００５２】
詳細を後述するように、ＲＣネットワークは典型的にはＲＣ時定数と関連付けられる。異なる構成要素が異なるＲＣ時定数を有する場合、構成要素におけるＤＣオフセット電圧をあるレベルから別のレベルに変更するのに要する時間は異なる。
【００５３】
ある質量分析計、例えば高速でスキャンする走査を行うイオントラップ質量分析計（例えば特許文献３）では、イオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧をできるだけ高速で、例えば装置の繰り返し数を最大化するように変更することが望ましい。例えば、200Hzで操作する場合、一般にはイオンの処理を、5msで繰り返し実行することができる。もし、ＲＣ構成要素の自然時定数に依存する場合、この時間のうちの大半（例えば3ms）はイオン光学構成要素においてＤＣオフセットを変更するための待ち時間になる。
【００５４】
ある質量分析計では、複数のイオン光学構成要素において複数のＤＣオフセットを同時に変更することが望ましい。
【００５５】
本明細書に記載の方法は、ある実施形態では、例えば１乃至複数のイオン光学構成要素において１乃至複数のＤＣオフセット電圧を変更する際のスピードアップを達成させるために、予め決められた（例えば計算された）期間の間ＲＣネットワークを介してイオン光学構成要素に対して印加される、オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するコンピュータ制御可能な１乃至複数のＤＣ電源を用いる。前記予め決められた期間の間オーバードライブＤＣオフセット電圧を印加することにより、システムの自然ＲＣ応答に依存する場合に比べてはるかに短い時間でイオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を変更することができる。予め決められた（例えば計算された）期間の間、利用可能な最大ＤＣオフセット電圧を印加することにより、ＤＣオフセット電圧を可能な限り短い時間で変更することができる。
【００５６】
従って、後述の方法により、これらの方法を用いない場合よりもはるかに高速で、１乃至複数のイオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を変更することができるという利益を提供しうる。これにより、質量分析計のデューティーサイクルや繰り返し率を潜在的に改善することができる。これらの方法は、ＤＣオフセットをＡＣ電圧波形（例えばＲＦ電圧）に連結する任意のイオン光学機器においても等しく適用可能である。
【００５７】
本発明は、全ての形態のＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形に等しく適用可能である。本明細書に記載の全ての実施形態において、ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形は正弦波状、矩形波（あるいはデジタル）波形、あるいは鋸歯状などの別の波形形状の場合もある。
【００５８】
共通のＤＣオフセット電圧を共通のＡＣ電圧波形が印加される全てのイオン光学構成要素に印加する１つの方法は、ＡＣ電圧波形を生成するために用いられるＲＦ生成器の変圧器の中央タップに共通のＤＣオフセット電圧を印加することである。これを達成する回路を図２に示す。図２に、ＡＣ電源（駆動源）２１、単一の一次コイル（primary）を備えた変圧器２３、及びスプリット二次コイル（split secondary）２５を有する変圧器を示す。ここでは変圧器をフェライト磁心（ferrite core）２７とともに示すが、その磁心を空心としたり他の適した任意の素材としたりすることもできる。ＤＣオフセット電圧（これは正又は負である）は、ＤＣ電源２９で生成され変圧器の中央タップに印加される。そして、ＤＣオフセット電圧が重畳されたＡＣ電圧波形はイオン光学構成要素３３に印加されうる。出力ＡＣ電圧波形は中央タップに印加されたＤＣオフセットの値において“フロートされている（floated）”と言うこともできる。この場合、このＡＣ電圧が印加される全てのイオン光学構成要素には、同一のＤＣ電圧が印加される。キャパシタが、中央タップに印加されるＤＣオフセットをブロック／除去するために用いられるときは、その例外である。
【００５９】
図３に、それぞれが独立したＡＣ電源（電圧生成器）を有するいくつかの異なるイオン光学構成要素に対していくつかのＤＣオフセットが印加される場合を示す。いくつかのＡＣ電源（駆動源）４１、４３、４５は３つの独立の一次コイル巻線（separate primary windings）４７、４９、５１に適用される。３つの独立の二次コイル巻線（separate secondary windings）５９、６１、６３には、それぞれ独立した個々のＤＣ電源６５、６７、６９によって印加されたＤＣオフセット電圧が供給される。各ＡＣ電源（この場合はＲＦ生成器）の出力は、それぞれ、３つのイオン光学構成要素７１、７３、７５に印加される。この場合、異なるＡＣ電源は各イオン光学構成要素に用いられ、そのそれぞれは各構成要素に印加される固有のＤＣオフセット電圧を有している。こうした配置は、いくつかの要素に印加されるＡＣ電圧波形が類似している場合（例えば、同一の電圧や周波数がいくつかの構成要素に印加されうる場合）、必要以上に複雑なものとみなされる場合がある。
【００６０】
こうした場合に状況を改善するには、図４に示すような回路を用いて各セグメントのＡＣ電圧波形を形成するとともに異なるＤＣオフセット電圧を印加することにより、同一のＡＣ電圧波形が供給されるイオン光学構成要素に対して異なるＤＣオフセット電圧を印加することが望ましい。この図は、抵抗とキャパシタを含むＲＣネットワークを用いてＤＣオフセットを印加するための概略回路図である。ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形８１は、基準電位（例えばグラウンド）に対して印加される。このＡＣはＲＣネットワークを介してキャパシタ８５を通じて印加される。ＡＣ電圧波形に用いた基準電位と同じ又は別の基準電位（例えばグラウンド）に対して生成されるＤＣオフセット電圧８９は、ＲＣネットワークを介して抵抗８７を通じてイオン光学構成要素９１に印加される。イオン光学構成要素とグラウンドの間には、通常、関連寄生容量９３が存在する（これは、接地された真空チャンバ内に維持されたイオン光学構成要素によってしばしば生じ、あるいはＰＣＢトラック間のキャパシタンスを通じて生じ、あるいはグラウンドへの配線によって生じる）。従って、ＲＣネットワークにおけるキャパシタンスを明確に定義できるように、しばしば、容量性分配器効果（capacitive divider effect）によるＡＣ駆動波形の分割を最小化するとともに、寄生容量９３よりも十分に大きくなるようにキャパシタ８５は選択される（つまり、キャパシタ９３はしばしば、グラウンドに対するイオン光学構成要素の自然容量を“無効化する（swamp）”ように選択される）。
【００６１】
いくつかの光学構成要素に同一のＡＣ電圧波形を印加する一方、各構成要素に異なるＤＣオフセット電圧が必要な状況では、図５に示すような方法で回路を用いる場合がある。ここで、ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形１８１はグラウンドあるいは固定の基準電位を参照して印加される。この同一のＡＣ電圧波形は、独立したキャパシタ１８５、２８５、３８５を各々組み込んだ３つのＲＦネットワークを介して各イオン光学構成要素１９１、２９１、３９１にそれぞれ印加される。３つの独立したＤＣオフセット電圧（これらは正又は負である）１８９、２８９、３８９はそれぞれ、関連付けられた抵抗１８７、２８７、３８７を介してＲＣネットワークを通じて光学構成要素に印加される。
【００６２】
図４に示すような回路は電気工学の分野でよく知られているような、基本的な抵抗−キャパシタ（ＲＣ）ネットワークを構成する。例えば、このようなＲＣネットワークの特性が記載された非特許文献２を参照のこと。ここで、“ＲＣネットワーク”及び“ＲＣ回路”という用語は、同じ意味で用いられうる。図４において行われるように抵抗を介してキャパシタを充電すると、抵抗は電流を制限し、良く特徴づけられた時間でキャパシタを充電する。図４に示すような回路の標準方程式は次式である。
【数１】
2016139603.tif 000003
【００６３】
ここで、Iは電流、Vappは抵抗値Rの抵抗を含むＲＣネットワークを介してイオン光学構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧、Vはイオン光学構成要素において印加された現在の電圧（つまり、現時点でイオン光学構成要素に印加されている電圧）を表す。次式もまた知られている。
【数２】
2016139603.tif 000004
【００６４】
ここで、Cは回路に用いられているキャパシタの値を表す。これらから次式が得られる。
【数３】
2016139603.tif 000005
これは、微分方程式であり、容易に解くことができ、次式が得られる。
【数４】
2016139603.tif 000006
【００６５】
RCの積は回路の時定数と呼ばれる。式４はV=Ae-t/RCから得られる、より一般的な式の固有方程式である。ここで、Aは初期条件Vappから計算することができる。
【００６６】
Rがオーム（ohms）で、Cがファラド（farads）で表される場合、その積RCは秒（seconds）で表わされる。ＲＣ時定数は最終電圧の約63%まで充電するのに要する時間である。経験則（rule of thumb）として、キャパシタは、時定数の約５倍の時間でその最終電圧の99%まで充電される。
【００６７】
このように、イオン光学構成要素に印加されるＤＣオフセットをあるレベルから別のレベルに変更するのに要する時間は容易に計算することができる。図４のキャパシタ８５の値が1nFであり抵抗８７が1Mohmである場合の例を挙げる。イオン光学構成要素とグラウンドの間のキャパシタンス９３が1pFであるとすれば、その効果は無視することができる。ＤＣオフセットを0Vから100Vに変更することを想定する。ＲＣ時定数は、容易に1×10-3秒＝1ミリ秒と求められる。従って、上述の経験則を用いると、目的値である100Vの約99%まで５ミリ秒でＤＣオフセットが変更されることが分かる。上述の式（４）を用いて時間に対する電圧をプロットすると、図６に示すトレース５０１が得られる。電圧は実際に約５ミリ秒で目的値の99%に到達していることがわかる。
【００６８】
このＲＣを高速化することができる方法は、ＲＣ時定数を小さくすることである。これは、キャパシタンスＣを小さくするか、抵抗Ｒを小さくするか、あるいはその両方により達成することができる。しかし、印加されるＡＣが正しい大きさになるよう、キャパシタンスがイオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量よりも十分に大きくなるように好ましく選択されているため、これは常に望ましいとは限らない。これは、容量性分割効果と呼ばれ、ＲＣ回路におけるキャパシタンスＣを、例えば、イオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量とほぼ同じ値にする必要があり、印加されるＡＣ電圧は、ＡＣ電源ユニット（AC PSU）によって生成される大きさの約半分になる。イオン光学構成要素とグラウンドの間のキャパシタンスが1nFである場合を例に挙げると、ＲＣ回路においてもまた、1nFのキャパシタが用いられる。100VのＡＣが回路に印加されると、イオン光学デバイスにおけるＡＣの大きさはＡＣ生成器の出力における大きさのわずか半分（50V）になる。これは、そうでない場合に必要な電圧よりも高い電圧でＡＣ電源ユニットを動作させなければならないことになり、明らかに好ましくない。この理由から、ＲＣネットワークの容量性素子は、しばしばイオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量を無効化する（swamp）ように選択される。
【００６９】
同じく、ＲＣネットワークの抵抗性素子も小さくすることができるが、そうすることは望ましくない。ＲＣネットワークにおいてより小さな抵抗を用いると、ＡＣ電源ユニットにおける負荷が増大するという影響が生じ、電力を上げなければならない。特に、同一のＡＣ波形が供給される複数のイオン光学構成要素がある場合、ＡＣ電源ユニットにおいて負荷が増大することは重大な問題になり明らかに好ましくない。このように増大した電力がこれらの抵抗において（通常は熱として）消費されるため、これらの抵抗において消費されることが望ましい電力量には合理的な限界があるということもできる。従って、ＲＣネットワークにおける抵抗Ｒの抵抗値を増大させ電力消費を許容可能なレベルに低減することが好ましい。
【００７０】
しかしながら、本明細書の読者である当業者は、一般に、ＲＣ時定数をできるだけ小さくすると同時に、イオン光学構成要素における電圧降下を許容可能なレベルにして電力消費量を最小化するように、ＲＣネットワークにおけるキャパシタンスと抵抗の値を選択することが好ましいと考えるであろう。選択する値の正しい組み合わせは、アプリケーションや使用者にとって何が許容できるかに依存する。本明細書に記載の方法は、これらを、時定数を最小化するのにふさわしく選択するか否かにかかわらず全てのＲＣネットワークに等しく適用可能に考えられたものである。しかし、それでも、選択されるＲＣネットワークが関連するアプリケーションにふさわしく最適化されることを第一に保証することが望ましい。
【００７１】
本明細書に記載の方法は、１乃至複数の構成要素において１乃至複数のＤＣオフセット電圧を変更する速度を上昇させるために用いることができ、ある実施形態では、予め決められた期間でその１乃至複数の変更を達成することを確保する。該１乃至複数の変更の速度を上昇させる機能は、例えばＤＣオフセット電圧をできるだけ高速に変更しなければならないような状況において有用である。予め決められた期間による該１乃至複数の変更を保証する機能は、いくつかの構成要素が異なるRあるいはCの値を持ち、そのため異なるＲＣ時定数を持つような状況において有用である。
【００７２】
まず、イオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を２つの値の間でできるだけ早く変更することが好ましい場合について説明する。ここで、この高速化は、前記予め決められた時刻にＤＣオフセット電圧を目的値に変更する前に、予め決められた時間の間、印加するＤＣオフセット電圧をＤＣ電源の最大出力電圧に動的に（dynamically）変更することにより達成することができる。この予め決められた時間は、後に示すように計算することができる。このようにして、イオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を、最初に目的ＤＣオフセット電圧を印加したときに得られる自然速度よりも早い速度で（つまり、システムの自然ＲＣ応答よりも早い速度で）変更することができる。
【００７３】
本明細書における“目的ＤＣオフセット電圧”あるいは“最終ＤＣオフセット電圧”という用語はＲＣネットワークを介して構成要素に印加される、望ましい最終ＤＣオフセット電圧を意味するように用いられる。これは、正又は負の電圧である。本明細書の実施例では、初期（あるいは開始）ＤＣオフセット電圧は0Vであるが、当業者にとって初期ＤＣオフセット電圧を任意の電圧とすることができることは明らかである。このような場合、本明細書に記載の数式は、適当な初期ＤＣオフセット電圧に応じて適切に変更される。本明細書の実施例では、“オーバードライブＤＣオフセット電圧”あるいは“過電圧（overvoltage）”という用語は、ある予め決められた期間の間、ＲＣネットワークを介してイオン光学構成要素に印加される電圧を定義するように用いられ、その大きさは、イオン光学構成要素において初期ＤＣオフセット電圧から目的ＤＣオフセット電圧に移行する速度を上昇させるように、目的ＤＣオフセット電圧よりも大きい（初期ＤＣオフセット電圧は0Vと考える）。初期ＤＣオフセット電圧及び目的ＤＣオフセット電圧に応じて、このオーバードライブＤＣオフセット電圧の符号は正、負のいずれかでよく、またゼロでもよいことが認められよう。
【００７４】
利用可能な最大オーバードライブＤＣオフセット電圧が与えられると、イオン光学構成要素における電圧を目的ＤＣオフセット電圧まで上昇させるのに要する時間を決定することができ、次いで、この時刻又はほぼこの時刻に、ＲＣネットワークを介して該構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧を変更することができる。
【００７５】
例えば、VOをこの場合に利用可能な最大オーバードライブＤＣオフセット電圧とし、Vtを目的ＤＣオフセット電圧とする。上記式（４）においてVapp= VO、V=Vtであり、また現構成要素あるいは測定された構成要素の値から計算することにより時定数RCを求めると、tを計算することができる。式（４）に置き換えると次式が与えられる。
【数５】
2016139603.tif 000007
【００７６】
上式はさらに変形することができ、次式が得られる。
【数６】
2016139603.tif 000008
【００７７】
両辺に自然対数を用いると次式が得られる。
【数７】
2016139603.tif 000009
【００７８】
そして、tを左辺とする数式に変形することにより次式が得られ、与えられたオーバードライブ電圧VOを用いて目的電圧Vfに達するまでに要する時間を求めることができる。
【数８】
2016139603.tif 000010
【００７９】
自然ＲＣ時定数を用いた上述の例を参照して、以下、回路を駆動させる別の方法を考える。ＤＣオフセット電源の最大出力電圧を500Vとする。オーバードライブＤＣオフセット電圧VOを500Vに設定することができる。回路の駆動電圧を100Vとしたときの回路の自然応答（natural response）を図６に破線５０１で示す。図７に、100VのＤＣオフセット電圧を用いたときのこの自然応答（破線５０１）と、500VのＤＣ電圧を用いたときの自然応答（破線５０３）の両方を示す。いずれの場合も、自然ＲＣ応答に十分な時間が与えられれば、ＲＣ時定数の約５倍、この場合は約5msで最終的なＤＣオフセット電圧の約99%に達する。しかし、500Vを印加する場合の方が100Vを印加する場合よりも電圧の立ち上がりが早いことが分かる。図７から、500Vの電圧を印加すると、約0.22ミリ秒で100Vの電圧に切り替えることができることがわかる（黒実線５０５）。動的にＤＣオフセット電圧を切り替えると、そうしない場合よりもはるかに早く、構成要素において最終の目的ＤＣオフセット電圧である100Vに達することが分かる。時定数の５倍という“経験”値（”rule of thumb” value）を用いると、ＤＣオフセット電圧を切り替える技術を用いると、それを用いない場合（自然ＲＣ時定数の場合）に比べて約22倍高速でスピードアップすることができる。ここで記載したとおり、積極的に印加ＤＣ電圧を切り替えることによる利点は一見して明らかである。
【００８０】
実際にその高速化は以下に示すように計算することができる。最終的な目的電圧の99.9%に達した時点を移行完了と考える（上記のように経験値を用いる場合よりも正確に述べる）。自然ＲＣ時定数により制限がかかる移行時間は次式で計算することができる。
【数９】
2016139603.tif 000011
【００８１】
ＤＣオフセットの高速化技術を用いた場合に要する時間は式（８）の計算により示したとおりである。式（８）に対する式（９）の比から、本明細書に記載のＤＣオフセット電圧高速化技術を用いると、標準的なＲＣ方法を用いた場合に比べて何倍も改善することが分かる。
【数１０】
2016139603.tif 000012
【００８２】
式（１０）において0.999という値を適当な値に入れ替えることにより、目的電圧の任意の割合の値に到達するのに要する時間の高速化効果を適宜に計算することができることは当業者にとって明らかであろう。この目的値の割合は、適用するために必要な条件に基づきユーザが適宜に決めることができ、それに応じて適宜に選択される。
【００８３】
上記例によれば、図７から読み取れるように、上記のように計算した値に則すと、標準的な方法を用いる場合に比べ、ＤＣオフセット電圧の高速化方法を用いると99.9%に達するのに要する時間が30.96倍早くなると計算できる。オーバードライブ電圧に対する目的電圧の比をr=Vt/VOと定義すると、構成要素におけるＤＣオフセット電圧の変更速度が何倍改良されるかを、その比に対してプロットすることができる。これを図８（５０７）に示す。目的ＤＣオフセット電圧が同じである場合、オーバードライブ電圧を高くするほど（rが小さいほど）ＤＣバイアス変更時間が顕著に改善されることが分かる。しかし、実際には使用するＤＣオフセット電源によりどの程度高い電圧を用いることができるかには限界があることを考慮すべきであり、構成要素の限界、故障問題、及び目的ＤＣオフセット電圧を設定するために用いることができる制御レベル、のいずれとも折り合いをつけなければならない。しかし、逆に、たとえ少しオーバードライブＤＣ電圧を高くするだけであっても、イオン光学構成要素においてＤＣバイアスを変更するのに要する時間を数倍短縮することができる。
【００８４】
イオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を可能な限り短時間で変更するためのフロー図の一例を図９に示す。
【００８５】
次に、予め決められた期間でイオン光学構成要素においてＤＣオフセット電圧を変更する（つまり、最短時間とする必要はない）ことが好ましい例を説明する。
【００８６】
（上述したように）このようなアプローチは、異なるＲＣ時定数を有するＲＣネットワークを介して複数のイオン光学構成要素において複数のＤＣオフセット電圧を同時に変更する際に、特に全てのＤＣオフセット電圧の変更をほぼ同時に完了させる際に有用である。この場合、各ＲＣネットワークを介して各イオン光学構成要素に印加するオーバードライブＤＣ電圧は、移行時間が同時になるように決める必要がある。上述の場合と同様に、各イオン光学構成要素に対して個々のＲＣネットワークを介して印加される各ＤＣ電圧は、ＤＣオフセット電圧を個々の目的ＤＣオフセット電圧に動的に切り替える前に予め決められた期間印加される個々のオーバードライブＤＣオフセット電圧である。
【００８７】
この場合、所定時刻tにおいて、各イオン光学構成要素を目的ＤＣオフセット電圧Vtに到達させるオーバードライブＤＣオフセット電圧（“オーバードライブ電圧”） VOは、次式により計算することができる。この式は、式（４）（においてVapp= VO, V=Vtとすることにより）容易に導出できる。
【数１１】
2016139603.tif 000013
【００８８】
この式を用いると、予め決められた時刻tにおいてイオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧が目的ＤＣオフセット電圧VtになるようなオーバードライブＤＣオフセット電圧VOを計算することができる。
【００８９】
複数のＤＣ電源があり、各ＤＣ電源が個々のイオン光学構成要素に対応する場合、たとえ異なる抵抗及び／又は容量を持つＲＣネットワークを介して各ＤＣ電源がイオン光学構成要素に接続されていたとしても、各ＤＣ電源について個別に式（１１）を用いて、各ＤＣ電源に対応する構成要素におけるＤＣオフセット電圧が、同一の前記予め決められた期間の終了時にそれぞれ目的電圧になるようなオーバードライブＤＣ電圧を求めることができる。
【００９０】
言い換えると、式（１１）を用いると、たとえ異なる時定数を与える電子部品を有するＲＣネットワークを介して各ＤＣ電源がイオン光学構成要素に接続されていたとしても、異なるイオン光学構成要素におけるＤＣオフセット電圧を前記同一の予め決められた期間にそれぞれ異なる目的ＤＣオフセット電圧に切り替えることができるようにオーバードライブＤＣオフセット電圧を計算することができる。
【００９１】
この概念を図示した例を挙げる。図１０に示す回路について考える。ここで、ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形６８１がグラウンドに対して印加される。この波形は３つの独立したＲＣネットワーク（それぞれは個々のキャパシタ６８５、７８５、８８５を含む）を介して個々のイオン光学構成要素６９１、７９１、８９１に印加される。３つの独立したＤＣオフセット電源６８９、７８９、８８９（これらは正又は負である）が、それぞれに対応する抵抗６８７、７８７、８８７を通じて独立したＲＣネットワークを介して印加される。
【００９２】
この回路において、各イオン光学構成要素は組み合わせの異なる抵抗とキャパシタを有し、構成要素１（６９１）は1×10-3秒、構成要素２（７９１）は2×10-3秒、構成要素３（８９１）は5×10-4秒という３つの異なる時定数を持つ。図１０において、各イオン光学構成要素のグラウンドに対する寄生容量は極めて小さいため考慮しない。
【００９３】
ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧を、全て初期ＤＣオフセット電圧である0Vから目的ＤＣオフセット電圧である、例えば100Vに変更した場合、各イオン光学構成要素において目的ＤＣオフセット電圧の99.9%に達するのに要する時間には大きな開きが生じる。全ての部品においてＤＣオフセット電圧を目的ＤＣオフセット電圧に変更するために要する最小時間は最も遅い定数（つまり構成要素２）により制限される。しかし、式（１１）を参照して上述した方法を用いると、各ＤＣ電源について適切なオーバードライブＤＣオフセット電圧を計算することにより、目的移行時間ttargetを設定し、３つの構成要素全てのＤＣオフセット電圧をその時間内に変更することができる。例えば、目的移行時間を0.5msとし、上述の式（１１）から計算される、各ＤＣ電源に必要なオーバードライブＤＣオフセット電圧を0.5ms印加すると、全ての移行を0.5ms以内に完了することができる。この例におけるオーバードライブＤＣ電圧は、構成要素１（６９１）について254.1V、構成要素２（７９１）について452.1V、構成要素３（８９１）について158.2Vである。これらの移行の間に得られる電圧曲線を図１１に示す。
【００９４】
構成要素１（６９１）（所定のＲＣ構成要素が用いられる）について：目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“標準”応答を破線９０１で示す。上記のように計算した（254.1V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“オーバードライブ”応答を一点鎖線（９０３）で示し、前記予め決められた目的移行時間ttargetの間、上記のように計算した（254.1V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御し、続いて（空き時間はほぼないか全くなしで）目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合に得られる“最終的な”応答を実線９０５で示す。
【００９５】
構成要素２（７９１）（所定のＲＣ構成要素が用いられる）について：目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“標準”応答を破線９１１で示す。上記のように計算した（452.1V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“オーバードライブ”応答を一点鎖線（９１３）で示し、前記予め決められた目的移行時間ttargetの間、上記のように計算した（452.1V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御し、続いて（空き時間はほぼないか全くなしで）目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合に得られる“最終的な”応答を実線９１５で示す。
【００９６】
構成要素３（８９１）（所定のＲＣ構成要素が用いられる）について：目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“標準”応答を破線９２１で示す。上記のように計算した（158.2V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合の“オーバードライブ”応答を一点鎖線（９２３）で示し、前記予め決められた目的移行時間ttargetの間、上記のように計算した（158.2V）オーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御し、続いて（空き時間はほぼないか全くなしで）目的ＤＣオフセット電圧を生成するようにＤＣ電源を制御した場合に得られる“最終的な”応答を実線９２５で示す。
【００９７】
ここで、実現可能な、最も短い移行時間は、ＤＣ電源において達成可能な最大オーバードライブ電圧（最も遅い時定数について）により制限され、実現可能な最も長い移行時間は自然応答が最も早い時定数ＲＣによって決まる。
【００９８】
イオン光学構成要素において予め決められた目的時刻tでＤＣオフセット電圧を変更するフロー図の一例を図１２に示す。これはフローの一例に過ぎず、容易に別の方法を採ることもできる。
【００９９】
前記目的時刻tで電圧を移行するために必要なオーバードライブＤＣオフセット電圧（VO）が、ＤＣ電源の最大出力よりも大きい場合にどのような操作を実行するかは、通常、ユーザの求めるものと、問題となっている具体的な用途によって決まる。その具体的な一例のワークフローにおいて、この決定により実行される操作は、オーバードライブＤＣオフセット電圧をＤＣ電源の最大出力に選択し、警告通知を出すことを含む。
【０１００】
上述の方法は、ＤＣバイアスレベルの変更を加速する方法とみなすことができる。
【０１０１】
上述の方法は、質量分析計の構成要素（例えば、レンズ、ＲＦイオンガイド、質量フィルタ等、質量分析計のイオン光学系を構成するようなイオン光学構成要素）に対して印加するＤＣバイアスにも適用することができる。上述のとおり、ＤＣバイアスは装置に従って所望のＤＣプロファイルを生成するために質量分析計のイオン光学構成要素に印加される。これらのＤＣバイアスは、しばしば質量分析計におけるＤＣプロファイルが変わるように時間の経過に伴い変化する。ある場合には、この工程が（時間が重要である場合）できる限り早期に生じることが望ましい。ある場合には、全てのＤＣバイアス（これらは異なる抵抗及びキャパシタを持つ場合があり、従って異なるＲＣ時定数を持ちうる）について、同じ規定時間でＤＣバイアスレベルの変更を達成させることが望ましい。
【０１０２】
本発明者らは、十分に高速なコンピュータ制御システムと高速動作する電源を用いれば、上述の方法は、抵抗及びキャパシタのあらゆる組み合わせ（つまりあらゆる時定数）を含むＲＣネットワークに適用可能であると考える。しかし、多くの場合、本発明の方法は、構成要素により、最大出力が約1kVよりも小さい複数のＰＳＵを用いることができる場合に限定される。
【０１０３】
上述の電圧切替を達成するために（最高速化、あるいは固定の時間での切替を達成するために）、以下のものが好ましい。
・ＤＣとイオン光学構成要素を組み合わせる回路において用いられている抵抗及びキャパシタに関する情報、又はＲＣ時定数の直接的な測定若しくはそのシミュレーション。
・１乃至複数のＤＣ電源を制御するコンピュータシステム。
・コンピュータ制御の下、設定された時間で高速に変更することが可能な電圧出力を持つ、コンピュータ制御可能なＤＣ電源。あるいは、静的なＤＣ電源であって、その静的な高電圧から可変電圧を生成する電圧レギュレータを有するもの。ＤＣ電源が電圧を変更することができる最高速度がシステムの性能を自然に制限すること。そのため、電圧を変更するのに要する短時間側の限界は多くの場合約1マイクロ秒になるであろう（非常に高速のＰＳＵで電圧を変更するのに要する時間は出願時の技術水準に基づく）。しかし、２つの独立したＤＣ電源を切り替えてそれらを単一の可変ＤＣ電源として用いれば、電圧の変更を数ナノ秒で完了することができる。
【０１０４】
上述した本方法の幾つかの利点は次の通りである。
・ＤＣオフセットの切替を相当に高速化できる。
・異なる固有時定数を持つ複数のイオン光学構成要素においてＤＣオフセットを変更するタイミングを合わせることができる。
・本明細書に記載の各構成要素は典型的な既存の質量分析計システムに既に存在するものであり、追加の電源、駆動源、あるいは構成要素を必要としない。
・ＤＣオフセット切替時間を同一に維持したまま、好ましい場合には、ＤＣオフセット切替回路においてより高いＲＣ値を持つ部品を使用することができる。
【０１０５】
上述した本方法におけるいくつかの制限は以下のとおりである。
・この方法により、ＤＣオフセットの自然応答を、自然に99.9%に達する時間よりも遅くすることはできない。しかし、これは滅多に生じない問題である。
・印加可能な最大オーバードライブＤＣオフセット電圧は、電圧を正確に設定するために構成要素やその能力によって制限される。そうでなければ幅広いＤＣ電源を用いることができる。
・ユーザが利用可能な所定のオーバードライブＤＣオフセット電圧について、システムをオーバードライブすることにより達成可能な切替時間には下限がある。逆の見方をすれば、目的ＤＣオフセット電圧が、印加可能な最大オーバードライブＤＣオフセット電圧に既に近い場合は、高速化の効果は比較的小さくなる。
【０１０６】
上述した本方法は以下のように変更可能である。
・ＤＣ電源は種々の形態を採ることができる。例えば、いくつかの電源を組み合わせて１つの複合ＤＣ電源を構成することができる。例えば、１つのＰＳＵを他のものにフローティングさせることができる。また、それぞれ静的な電圧に設定された２つのＤＣ電源を切り替えて用いることができる。
・別の方法としては、分割ネットワーク（divider network）等の他の手段によりオフセット電圧を印加することができる。
・追加のキャパシタ、あるいは直列／並列接続された複数のキャパシタにより容量を得ることができる。
・追加の抵抗、あるいは直列／並列接続された抵抗により抵抗値を得ることができる。
【０１０７】
上述の方法は、１乃至複数の構成要素にＡＣ電圧波形とＤＣオフセット電圧を同時に印加するあらゆる分野において用いることができる。質量分析計以外にも、この方法は、電子顕微鏡、イオン輸送、高エネルギー物理等のための装置で用いることができる。
【０１０８】
商業的には、本発明を以下のようなものに実装することができる。
・高速な走査スピードを有するが故に、高速でＤＣオフセットを切り替える必要があるイオントラップ質量分析計。
・これらの方法は、多様な質量分析装置に幅広く適用してＤＣオフセットの切り替えを高速化し、それにより分析を高速化することができる。これは、ＭＡＬＤＩ装置、ＥＳＩ装置（単一四重極、三連四重極、ＩＴ−ＴＯＦ）、ガスクロマトグラフ質量分析装置等にあてはまる。
・本明細書で教示した方法を適用するために、最新の質量分析計に必要な改良は殆ど無い。多くの場合、ソフトウェアのみを変更すればよい。ハードウェアの変更には、使用中の複数のＰＳＵにおいて利用可能なオーバードライブが限定されている場合に、移行を高速化するためにＤＣオフセット用の複数のＰＳＵを高電圧のものに変更することが含まれる。
【０１０９】
＜シミュレーションの例＞
このセクションでは、本発明者が用いていた現行の方法と本明細書に記載の改良した方法を用いてＤＣバイアスレベルを変更するのに要する時間を比較し、本発明を裏付ける情報を提供する。
【０１１０】
ここでは、イオン光学系においてイオンの移動を高速化する場合を例に、本明細書において開示した方法の効果を実証する。この実証のために、図１３に示す分割イオンガイドシステムを例として選択した。この基本的なシステムは、分割四重極デバイス９５１で構成される。高周波閉じ込め用波形（radiofrequency confining waveforms）がこれらのロッドに印加され、閉じ込め用四重極場（confining quadrupolar field）が生成される。つまり、従来知られているように、逆相のＲＦが隣接ロッドに印加され、対向ロッドに同一位相のＲＦが印加される。この例では、セグメントは同一のＤＣオフセット電圧が印加される４本のロッドの短い部分として定義される。この例では各セグメントの長さは20mmであり、それらセグメントの間隔は0.5mmである。例えば、同一のＤＣオフセット電圧がセグメント１（９５３）の４本のロッド全てに印加される。この例では、独立したＤＣオフセット電圧を各セグメント９５３、９５５、９５７、９５９、９６１、９６３に印加し、イオンをイオンガイドに閉じ込めてセグメント間で輸送するようになっている。各セグメントに異なるＤＣオフセット電圧を印加することにより、ユーザは装置に従って軸方向のＤＣプロファイル（axial DC profile）とも呼ばれる、所望のＤＣプロファイルを生成することができる。
【０１１１】
この例では、RとCの値はR=1Mohm, C=1nFであり、全てのセグメントにおいて同一のR値及びC値を用いる。最大オーバードライブ電圧は、この例では+/-42.5Vである（これは比較的小さく、多くの場合、このオーバードライブ電圧は実質的にもっと大きい）。シミュレーションを行ったイオンは1価で正に帯電したイオンであり質量電荷比は609である。各例において、イオンの束は100個のイオンからなり、後述のとおり好適な空間及びエネルギー広がりを有している。
【０１１２】
適当なDCプロファイルを分割イオンガイドに印加してイオンをイオンガイド（９５５）のセグメント２にトラップする例を挙げる。ＤＣオフセットはイオンを軸方向に閉じ込めるために印加される。この例では、これらのＤＣオフセットは、セグメント１（９５３）＝10V、セグメント２（９５５）＝0V、セグメント３（９５７）＝10V、セグメント４（９５９）＝-0.8V、セグメント５（９６１）＝2V、及びセグメント６（９６３）＝2Vである。これにより装置のセグメント２に正のイオンをトラップするのに適した電圧プロファイルが生成される。なお、最初の段階ではイオンはセグメント４にトラップされうるが、説明のため、ここではそのようにトラップされるイオンはないものと想定する。セグメント２に収容されるイオンは、バッファガスである、圧力が10mTorr、温度が300Kのヘリウムにより熱平衡に達しているものと想定する。イオンは衝突冷却されている（”collisionally cooled”）、ということができる。これらの条件は単に一例として用いたものであり当業者であればどのようなバッファガスの温度及び圧力であっても本発明の結果に直接影響しないことを理解できるであろう。
【０１１３】
t0と定義した時点において、セグメント２（９５５）に収容されているイオンを分割四重極デバイスに沿ってセグメント４に移動させて維持するように、セグメント３（９５７）に印加するＤＣオフセット電圧を変更する。セグメント３に印加されるＤＣ電圧は、t0における現在の状態（10V）から-0.4Vの値に変更される。当業者でれば、分割四重極に沿った新たな軸方向の電圧プロファイルがイオンをセグメント２（９５５）からイオンが保持されるセグメント４（９５９）に移動させるのに適したものであることを理解できるであろう。ここではイオン光学シミュレーションを用いて、２つの可能性、１つは標準的なＲＣ時定数を用いた場合と、本発明を適用した場合を示す。
【０１１４】
セグメント３に印加されるＤＣオフセット電圧が、本発明者らが現在用いているＲＣ時定数制限方法に従って動的に変更される場合、セグメント３に印加されるＤＣオフセット電圧は図１４に示す破線（９７１）に従って時間的に変化する。本明細書で開示した改良法を用いた場合、-42.5Vのオーバードライブ電圧を算出時間（約200マイクロ秒）にわたって印加すると、セグメント３に印加されるＤＣ電圧は図１４に実線（９７３）で示すように時間的に変化する。これらの電圧プロファイルは上述した数式により計算できる。
【０１１５】
図１５はいくつかの時点における分割イオンガイドに沿った軸方向のＤＣプロファイルをプロットしたものである。分割イオンガイドの長さ方向における軸方向の位置は水平方向の軸上にプロットし、各軸方向の位置におけるポテンシャル（電圧）は垂直方向の軸上にプロットしている。便宜上、この例ではセグメント１の中央位置を10mmに、セグメント２の中央位置を30.5mmに、セグメント３の中央位置を51mmに、セグメント４の中央位置を71.5mmに、セグメント５の中央位置を92mmに位置あわせしている。時間に対する軸方向のプロファイルの変化をプロットから見て取ることができる。軸方向のＤＣプロファイルはいくつかの時点において、凡例に示す異なる破線によりプロットされている。セグメント３により示されるＤＣ障壁は3ミリ秒以上、0Vよりも高く維持されている。セグメント２にトラップされたイオンは、ＤＣ障壁がセグメント２のＤＣオフセットとほぼ同じかそれよりも低くになるまでセグメント２から出ることができない。実際には、いくらかのイオンは小さなＤＣ障壁を越えるに十分な熱エネルギーを持つが、この例においてその効果は重要ではない。
【０１１６】
本明細書に記載の方法に関する同様のプロットを図１６に示す。図１５と同様に、分割イオンガイドの長さ方向に沿った軸方向の位置を水平方向の軸上にプロットし、各軸方向の位置におけるポテンシャル（電圧）を水平方向の軸上にプロットしている。ここでも同様に、セグメント１の中央位置を10mmに、セグメント２の中央位置を30.5mmに、セグメント３の中央位置を51mmに、セグメント４の中央位置を71.5mmに、セグメント５の中央位置を92mmに位置あわせしている。本明細書に記載のＤＣオフセット切替方法を用いると、標準ＲＣ時間応答を用いる場合よりも高速に電圧プロファイルが変化することが分かる。図１６では、図１５よりも短い間隔でＤＣプロファイルをプロットしている（図１５が0.3ms毎である一方、ここでは、図１６では0.1ms毎）。0.3msよりも短い時点（t＜0.3ms）で、ＤＣ障壁がセグメント２のＤＣオフセットとほぼ同じあるいはそれよりも低くなる。この高速化がセグメント２からセグメント４にイオンを移す際に非常に大きな影響を与えることは明らかである。
【０１１７】
これらのＤＣプロファイルを用いたイオン光学シミュレーションを行った結果を図１７〜図１９に示す。これらのイオン光学シミュレーションでは、グリッド単位ごとに0.1mmの分解能でFDMグリッドを配置したFDM場を用いた。四次のRunga-Kutta積分法（integration method）を用いたイオン軌道のシミュレーションはインハウス・シミュレーションパッケージにより行った。
【０１１８】
図１７に、分割イオンガイド内に収容されたイオンの12枚の“スナップショット”を示す。図１７は、標準ＲＣ時定数応答を用いてセグメント３に印加するＤＣオフセットを変更した場合（上述のとおり）のイオン光学シミュレーションの効果を示すものである。各スナップショットはデバイスの断面を示す。デバイスのセグメント（９５３、９５５、９５７、９５９、９６１、及び９６３）とイオン雲（９８１）をはっきりと確認することができる。セグメント１（９５３）は各スナップショットにおいて最も左側にあるセグメントである。セグメント６（９６３）は各スナップショットにおいて最も右側にあるセグメントである。t=0msの時点で、イオンはセグメント２（９５５）に長期間トラップされており、約3.0msの時点でセグメント２からセグメント３に向かって移動を開始していることが見て取れる。4.5msの時点で、移動はほぼ完了しており、5.0msの時点で輸送が完全に終了していることが分かる。この時点で、全てのイオンが無事にセグメント４に移されている。
【０１１９】
図１８に、改良したＤＣオフセット切替法を用いた場合のスナップショットを示す。上記同様に、各スナップショットはデバイスの断面を示しており、デバイスのセグメントをはっきりと確認することができる。セグメント１（９５３）は各スナップショットにおいて最も左側にあるセグメントである。セグメント６（９６３）は各スナップショットにおいて最も右側にあるセグメントである。t=0msの時点で、イオンはセグメント２（９５５）にトラップされている。図１８において、スナップショットは図１７よりも短い間隔で撮影している（0.1ms毎）。約0.2msまではイオンがセグメント２内に収容されていることが分かる。それ以降、イオンはセグメント４に向かって移動していることがわかる。イオンの輸送は、0.5msの時点でイオンの輸送がほぼ完了しており、0.6msの時点で完全に終了していることが分かる。標準的なＲＣ時定数の方法を用いる場合よりもＤＣオフセット切替法を用いる場合の方が、セグメント２からセグメント４へのイオンの輸送が圧倒的に早く（8倍から10倍程度早く）完了する。
【０１２０】
図１７及び１８に示すシミュレーションデータは、図１９に示すようなプロットによってより効果的に証明することができる。図１９はイオン光学シミュレーションにおいて用いたイオンバンチの軸方向の平均的な位置を時間と共にプロットしたものである。破線９９１は、セグメント３のＤＣオフセット電圧を自然ＲＣ定数応答を用いて変更したものである。実線９９３は、これに変えて本明細書に記載の改良したＤＣオフセット切替技術を用いた場合のものである。水平軸上にシミュレーションした時間を秒単位で示す。分割イオンガイド内のイオンバンチの軸方向の平均位置を垂直軸上にミリメートル単位でプロットしている。
【０１２１】
標準ＲＣ応答を用いた方法では（破線９９１）、t=0msからt=3msの間、軸方向の平均位置がゆっくりと増加している。これは、セグメント３に印加されるＤＣオフセット電圧が徐々に小さくなり、その結果イオン雲がより高い軸方向の位置にシフトしたことによる（イオンが受ける軸方向のプロファイルは非対称になり、従って、イオンはセグメントの遠端部に向かってシフトする）。約3msの時点（t=3ms）で、軸方向の平均位置はより早く変化しはじめる。イオンの軸方向の平均位置は、4msよりも少し後にセグメント４にトラップされるイオンの軸方向の位置に対応する。なお、定常状態でセグメント５に2Vを印加し、セグメント３に0.4Vを印加していることからＤＣプロファイルが再び非対称になるため、イオンはセグメント４の中央（71.5mmに相当）にはトラップされていない。
【０１２２】
改良したＤＣオフセット電圧方法では（実線９９３）軸方向の平均位置はt=0msとt=約0.2msの間にゆっくりと増加している。イオン雲の軸方向の平均位置はt=約0.2msとt=0.5msの間に急速に増加していることが見て取れる。t=約0.5msの時点で、イオンの軸方向の平均位置は、セグメント４にトラップされるイオンの軸方向の平均位置に対応する。これは、標準的なＲＣ時定数法を用いる方法よりも非常に早い。このシミュレーションは、本発明の方法を用いてイオンガイドにおけるＤＣオフセット電圧を変更することによる効果を証明するものであり、イオン光学系においてイオンの輸送を高速化するために本発明をどのように用いることができるかを説明する一例である。
【０１２３】
本願明細書及び特許請求の範囲において、“備えている（comprises）”、“備える（comprising）”、及び“含む（including）”並びにそれらの変化形の用語は、それらの具体的な特徴、ステップ、あるいは値（integers）を含むことを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ、あるいは値が存在する可能性を排除するものとは解されない。
【０１２４】
上述の明細書、あるいは後記の請求項、あるいは添付の図面において開示した特徴や、開示した機能を実行するために、また開示した結果を得る方法やプロセスの観点から具体的な形式で示された特徴は、多様な形態で本発明を具現化するために、これらの特徴を単独で、あるいはそれらの組み合わせで適宜に用いることができる。
【０１２５】
本発明は上述の具体的な実施例と共に記載したが、この開示を得た時点で当業者にとってこれらと同等に多くの改良や変形が可能であることは明らかである。従って、上述した本発明の具体的な実施例は一例であってそれらのみに限定されない。本発明の趣旨及び範囲から外れることなく上記の各実施例には種々の変形を加えることができる。
【０１２６】
疑義を排除するために述べると、本明細書に記載した、あらゆる理論的な説明は読者の理解を容易にする目的で行ったものである。本発明者らはこれらの理論的な説明に制約されることを望まない。
【０１２７】
上記において言及した各文献は、ここで参考文献として加入する。
【図１】
2016139603.tif 000014
【図２】
2016139603.tif 000015
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016139603.tif 000026
【図１４】
2016139603.tif 000027
【図１５】
2016139603.tif 000028
【図１６】
2016139603.tif 000029
【図１７】
2016139603.tif 000030
【図１８】
2016139603.tif 000031
【図１９】
2016139603.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月4日(2016.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を取り扱う構成要素に印加されるＤＣオフセット電圧を変更するためにＤＣ電源を制御する方法であって、該構成要素にＡＣ電圧波形が印加されている間に、次のような処理を行うことを含む。
初期ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該初期ＤＣオフセット電圧はリンクを経由して該構成要素に印加され、このリンクは、ＤＣ電源によって生成されるＤＣオフセット電圧が変更されたときに、該構成要素におけるＤＣオフセット電圧が該ＤＣ電源によって生成されたＤＣオフセット電圧に遅れをとるようになっている。
次に、予め決められた期間の間、前記リンクを経由して前記構成要素に印加されるオーバードライブＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。
次に、前記リンクを経由して前記構成要素に印加される目的ＤＣオフセット電圧を生成するように前記ＤＣ電源を制御する処理。ここで、該目的ＤＣオフセット電圧は前記初期ＤＣオフセット電圧と前記オーバードライブＤＣオフセット電圧の間の値である。
【請求項２】
前記方法が、前記構成要素における前記ＤＣオフセット電圧が、前記目的ＤＣオフセット電圧になるとき、あるいは前記目的ＤＣオフセット電圧の予め決められた閾値の範囲内になるときに、前記ＤＣ電源が前記目的ＤＣオフセット電圧を生成し始めるように前記予め決められた期間を選択することを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記オーバードライブＤＣオフセット電圧が、前記ＤＣ電源の最大出力電圧、あるいは前記ＤＣ電源の最大出力電圧の予め決められた閾値の範囲内である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法が、前記予め決められた期間の終了時に、前記構成要素におけるＤＣオフセット電圧が前記目的ＤＣオフセット電圧、あるいは前記目的ＤＣオフセット電圧の予め決められた閾値の範囲内となるように前記オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択することを含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、ユーザが前記期間を選択することを含む
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記方法が、前記選択されたオーバードライブＤＣオフセット電圧が前記ＤＣ電源の最大出力電圧よりも大きいか否かを決定することを含む
ことを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
複数の電源があり、該電源のそれぞれが荷電粒子を取り扱う個々の構成要素に対応付けられており、該ＤＣ電源のそれぞれについて前記方法が個別に実行される
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
複数の前記構成要素のそれぞれに同一のＡＣ電圧波形が印加されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のＤＣ電源のそれぞれについて、
同一の前記予め決められた期間の終了時に、前記ＤＣ電源に対応する前記構成要素における前記ＤＣオフセット電圧が、前記目的ＤＣオフセット電圧、あるいは前記ＤＣオフセット目的電圧の予め決められた閾値の範囲内になるように前記オーバードライブＤＣオフセット電圧を選択することを含む
ことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記リンクあるいは該リンクのそれぞれが、少なくとも１つの抵抗と少なくとも１つのキャパシタンスを含むＲＣネットワークである
ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記ＤＣ電源あるいは該ＤＣ電源のそれぞれと、荷電粒子を取り扱う前記構成要素あるいは該構成要素のそれぞれが質量分析計に含まれていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１に記載の方法を実行するＤＣ電源を含む装置を制御するように構成されている
ことを特徴とする制御部。
【請求項１３】
請求項１から１１に記載の方法を実行するＤＣ電源を含む装置をコンピュータに制御させるように構成されたプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
ここで、ＤＣ電源は正の最大出力電圧、及び／又は負の最大出力電圧を有しうる（つまり、所定のＤＣ電源として２つの最大出力電圧があり得る）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
図３に、それぞれが独立したＡＣ電源（電圧生成器）を有するいくつかの異なるイオン光学構成要素に対していくつかのＤＣオフセット電圧が印加される場合を示す。いくつかのＡＣ電源（駆動源）４１、４３、４５は３つの独立の一次コイル巻線（separate primary windings）４７、４９、５１に適用される。３つの独立の二次コイル巻線（separate secondary windings）５９、６１、６３には、それぞれ独立した個々のＤＣ電源６５、６７、６９によって印加されたＤＣオフセット電圧が供給される。各ＡＣ電源（この場合はＲＦ生成器）の出力は、それぞれ、３つのイオン光学構成要素７１、７３、７５に印加される。この場合、異なるＡＣ電源は各イオン光学構成要素に用いられ、そのそれぞれは各構成要素に印加される固有のＤＣオフセット電圧を有している。こうした配置は、いくつかの要素に印加されるＡＣ電圧波形が類似している場合（例えば、同一の電圧や周波数がいくつかの構成要素に印加されうる場合）、必要以上に複雑なものとみなされる場合がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
こうした場合に状況を改善するには、図４に示すような回路を用いて各セグメントのＡＣ電圧波形を形成するとともに異なるＤＣオフセット電圧を印加することにより、同一のＡＣ電圧波形が供給されるイオン光学構成要素に対して異なるＤＣオフセット電圧を印加することが望ましい。この図は、抵抗とキャパシタを含むＲＣネットワークを用いてＤＣオフセット電圧を印加するための概略回路図である。ＡＣ（例えばＲＦ）電圧波形８１は、基準電位（例えばグラウンド）に対して印加される。このＡＣはＲＣネットワークを介してキャパシタ８５を通じて印加される。ＡＣ電圧波形に用いた基準電位と同じ又は別の基準電位（例えばグラウンド）に対して生成されるＤＣオフセット電圧８９は、ＲＣネットワークを介して抵抗８７を通じてイオン光学構成要素９１に印加される。イオン光学構成要素とグラウンドの間には、通常、関連寄生容量９３が存在する（これは、接地された真空チャンバ内に維持されたイオン光学構成要素によってしばしば生じ、あるいはＰＣＢトラック間のキャパシタンスを通じて生じ、あるいはグラウンドへの配線によって生じる）。従って、ＲＣネットワークにおけるキャパシタンスを明確に定義できるように、しばしば、容量性分配器効果（capacitive divider effect）によるＡＣ駆動波形の分割を最小化するとともに、寄生容量９３よりも十分に大きくなるようにキャパシタ８５は選択される（つまり、キャパシタ９３はしばしば、グラウンドに対するイオン光学構成要素の自然容量を“無効化する（swamp）”ように選択される）。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
このＲＣを高速化することができる方法は、ＲＣ時定数を小さくすることである。これは、キャパシタンスＣを小さくするか、抵抗Ｒを小さくするか、あるいはその両方により達成することができる。しかし、印加されるＡＣが正しい大きさになるよう、キャパシタンスがイオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量よりも十分に大きくなるように好ましく選択されているため、これは常に望ましいとは限らない。これは、容量性分割効果と呼ばれ、ＲＣ回路におけるキャパシタンスＣを、例えば、イオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量とほぼ同じ値にする必要があり、印加されるＡＣ電圧は、ＡＣ電源ユニット（AC PSU）によって生成される大きさの約半分になる。イオン光学構成要素とグラウンドの間のキャパシタンスが1nFである場合を例に挙げると、ＲＣ回路においてもまた、1nFのキャパシタが用いられる。100VのＡＣ電圧が回路に印加されると、イオン光学デバイスにおけるＡＣ電圧の大きさはＡＣ生成器の出力における大きさのわずか半分（50V）になる。これは、そうでない場合に必要な電圧よりも高い電圧でＡＣ電源ユニットを動作させなければならないことになり、明らかに好ましくない。この理由から、ＲＣネットワークの容量性素子は、しばしばイオン光学構成要素とグラウンドの間の寄生容量を無効化する（swamp）ように選択される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
自然ＲＣ時定数を用いた上述の例を参照して、以下、回路を駆動させる別の方法を考える。ＤＣオフセット電源の最大出力電圧を500Vとする。オーバードライブＤＣオフセット電圧VOを500Vに設定することができる。回路の駆動電圧を100Vとしたときの回路の自然応答（natural response）を図６に破線５０１で示す。図７に、100VのＤＣオフセット電圧を用いたときのこの自然応答（破線５０１）と、500VのＤＣオフセット電圧を用いたときの自然応答（破線５０３）の両方を示す。いずれの場合も、自然ＲＣ応答に十分な時間が与えられれば、ＲＣ時定数の約５倍、この場合は約5msで最終的なＤＣオフセット電圧の約99%に達する。しかし、500Vを印加する場合の方が100Vを印加する場合よりも電圧の立ち上がりが早いことが分かる。図７から、500Vの電圧を印加すると、約0.22ミリ秒で100Vの電圧に切り替えることができることがわかる（黒実線５０５）。動的にＤＣオフセット電圧を切り替えると、そうしない場合よりもはるかに早く、構成要素において最終の目的ＤＣオフセット電圧である100Vに達することが分かる。時定数の５倍という“経験”値（”rule of thumb” value）を用いると、ＤＣオフセット電圧を切り替える技術を用いると、それを用いない場合（自然ＲＣ時定数の場合）に比べて約22倍高速でスピードアップすることができる。ここで記載したとおり、積極的に印加ＤＣ電圧を切り替えることによる利点は一見して明らかである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
（上述したように）このようなアプローチは、異なるＲＣ時定数を有するＲＣネットワークを介して複数のイオン光学構成要素において複数のＤＣオフセット電圧を同時に変更する際に、特に全てのＤＣオフセット電圧の変更をほぼ同時に完了させる際に有用である。この場合、各ＲＣネットワークを介して各イオン光学構成要素に印加するオーバードライブＤＣオフセット電圧は、目的ＤＣオフセット電圧への移行時間が同時になるように決める必要がある。上述の場合と同様に、各イオン光学構成要素に対して個々のＲＣネットワークを介して印加される各オーバードライブＤＣオフセット電圧は、ＤＣオフセット電圧を個々の目的ＤＣオフセット電圧に動的に切り替える前に予め決められた期間印加される個々のオーバードライブＤＣオフセット電圧である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
複数のＤＣ電源があり、各ＤＣ電源が個々のイオン光学構成要素に対応する場合、たとえ異なる抵抗及び／又は容量を持つＲＣネットワークを介して各ＤＣ電源がイオン光学構成要素に接続されていたとしても、各ＤＣ電源について個別に式（１１）を用いて、各ＤＣ電源に対応する構成要素におけるＤＣオフセット電圧が、同一の前記予め決められた期間の終了時にそれぞれ目的ＤＣオフセット電圧になるようなオーバードライブＤＣ電圧を求めることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
図１８に、改良したＤＣオフセット切替法を用いた場合のスナップショットを示す。上記同様に、各スナップショットはデバイスの断面を示しており、デバイスのセグメントとイオン雲をはっきりと確認することができる。セグメント１（９５３）は各スナップショットにおいて最も左側にあるセグメントである。セグメント６（９６３）は各スナップショットにおいて最も右側にあるセグメントである。t=0msの時点で、イオンはセグメント２（９５５）にトラップされている。図１８において、スナップショットは図１７よりも短い間隔で撮影している（0.1ms毎）。約0.2msまではイオンがセグメント２内に収容されていることが分かる。それ以降、イオンはセグメント４に向かって移動していることがわかる。イオンの輸送は、0.5msの時点でイオンの輸送がほぼ完了しており、0.6msの時点で完全に終了していることが分かる。標準的なＲＣ時定数の方法を用いる場合よりもＤＣオフセット切替法を用いる場合の方が、セグメント２からセグメント４へのイオンの輸送が圧倒的に早く（8倍から10倍程度早く）完了する。
【外国語明細書】
2016139603000001.pdf