(57)【要約】荷電粒子がデバイスの長手軸方向に沿って移動するように、軸方向電界を用いて荷電粒子を操作するデバイスが開示される。方法は、電界を生成する外側電極を設ける工程と、異なる長さの間隙によって離間する複数の内側電極を設ける工程と、を備える。外側電極によって生成される電界は内側電極間の間隙に浸透し、及び荷電粒子を所望の方法で操作するために、所望のポテンシャルプロファイルが長手方向軸に沿って配置されるように、間隙は選択される。
2016526271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンが飛行時間領域の長手方向軸に沿って移動するように、軸方向の電界を用いてイオンを操作するための前記飛行時間領域を備える飛行時間質量分析器であって、前記飛行時間領域は、
前記飛行時間領域の長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極と、
使用時に第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極へ供給するための前記少なくとも1つの外側電極に接続された第１の電圧源と、
前記少なくとも１つの外側電極と使用時に前記イオンが沿って移動する前記長手方向軸との間に配置された、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットと、を備え、前記内側電極又は内側電極部は、前記内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように、前記飛行時間領域の前記長さに沿って離間し、前記間隙は前記飛行時間領域の前記長手方向の長さを有し、前記間隙の長さは、前記飛行時間領域の前記長さに沿った前記間隙の位置の関数として変化し、
前記飛行時間領域は、前記複数の内側電極又は内側電極部に接続された第２の電圧源を更に有し、前記第２の電圧源は前記内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を前記第１の電圧とは異なる第２の電圧に維持するように構成されている、飛行時間質量分析器。
【請求項２】
使用時に前記少なくとも１つの外側電極によって生成された電界が、前記イオンを操作するように前記長手方向軸に沿って電位プロファイルを設けるために前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙を通って浸透するように、前記内側電極又は内側電極部及び前記少なくとも１つの外側電極は配置され及び構成され、並びに前記第１及び第２の電圧は選択される、請求項１記載の質量分析器。
【請求項３】
前記電位プロファイルは、漸次的に前記長手方向軸に沿って連続的に及び滑らかに変化する、請求項２記載の質量分析器。
【請求項４】
前記電位プロファイルが使用時に断続的にパルス化されるように、前記第１及び／又は第２の電圧源は、断続的にパルス化されるように構成されている、請求項２又は３記載の質量分析器。
【請求項５】
前記内部電極若しくは内部電極部が前記飛行時間領域の長さに沿って連続して配置され、及びこれらの電極又は電極部の前記長さは、配列内の前記電極の位置の関数として直線的に、若しくは２次関数的に変化し、並びに／又は、
前記内側電極間若しくは内側電極部間の前記間隙は、前記飛行時間領域の前記長さに沿って連続して配置され、及びこれらの間隙の前記長さは、前記配列内の前記間隙の前記位置の関数として直線的に、若しくは２次関数的に変化する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの外側電極は、実質的に平板状の、棒状の、若しくは円筒状の1つであり、前記長手方向軸の周囲に配置され、及び／又は、
前記内側電極又は内側電極部の各々は、実質的に平板状の、棒状の、又は円筒状の１つであり、前記長手方向軸の周囲に配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項７】
長手方向軸に面する前記少なくとも１つの外側電極の表面は、前記長手方向軸に実質的に平行である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項８】
前記内側電極又は内側電極部は、前記長手方向軸に実質的に平行な軸に沿って配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項９】
前記長手方向軸に面する前記少なくとも１つの外側電極の前記表面は、前記外側電極の一端が、前記外側電極の他方の端部よりも前記長手方向軸から更に遠くになるように、前記長手方向軸に対して斜めに配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの外側電極は、前記長手方向軸に面する内側表面を有し、及び前記長手方向軸からの前記表面の半径方向の距離は、前記長手方向軸に沿った位置の関数として変化する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの外側電極の前記内表面は湾曲状、階段状又は非線形状である、請求項１０記載の質量分析器。
【請求項１２】
前記第１及び／又は第２の電圧源は、電極が使用時に直流電圧に維持されるような直流電圧源であり、及び／又は電位プロファイルは、静電ポテンシャルプロファイルである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項１３】
直流電位だけが前記少なくとも１つの外側電極及び／又は内側電極若しくは内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の質量分析器。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の質量分析器を備える、質量分析計。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の質量分析器を使用する工程を備えるイオンを質量分析する方法であって、前記方法は、
前記第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極に印加する工程と、前記第２の電圧を内側電極又は内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加する工程と、を備え、それにより前記イオンを操作する前記長手方向軸に沿って電位プロファイルを形成するように、前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙に浸透する電界が、前記少なくとも１つの外側電極によって生成される、方法。
【請求項１６】
前記イオンを操作するために前記長手方向軸に沿って電位プロファイルを提供するように、前記少なくとも１つの外側電極によって生成された前記電界は、前記内側電極間若しくは内側電極部間の前記間隙に浸透し、及び前記電位プロファイルは、前記飛行時間領域の前記長手方向軸に沿って非直線的に変化する、又は前記電位プロファイルは、２次関数若しくはより高次の関数として前記飛行時間領域の前記長手方向軸に沿って変化する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
請求項１５又は１６の方法を備える質量分析方法。
【請求項１８】
イオンが飛行時間領域の長手方向軸に沿って移動するように、軸方向の電界を用いてイオンを操作するための前記飛行時間領域を備える、飛行時間質量分析器を製造する方法であって、前記方法は、
前記イオンを操作するために使用される前記飛行時間領域の前記長手方向軸に沿って確立される所望の電位プロファイルを選択する工程と、
前記飛行時間領域の長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極を設ける工程と、
使用時に第１の電圧を少なくとも１つの外側電極へ供給するための前記少なくとも１つの外側電極へ第1の電圧源を接続する工程と、
前記少なくとも１つの外側電極と前記イオンが沿って移動する前記長手方向軸との間に、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットを設ける工程と、を備え、前記内側電極又は内側電極部は、前記内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように前記飛行時間領域の前記長さに沿って離間し、前記間隙は前記飛行時間領域の長手方向の長さを有し、及び前記間隙の前記長さは、前記飛行時間領域の前記長さに沿った前記間隙の位置の関数として変化し、
前記方法は、第２の電圧源を前記複数の内側電極又内側電極部へ接続する工程を更に備え、前記第２の電圧源は、使用時に前記内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を第２の電圧に維持するように構成され、前記第２の電圧は前記第１の電圧と異なり、
前記方法は、使用時に、前記少なくとも１つの外側電極によって生成された電界が、前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙に浸透し、前記長手方向軸に沿って前記電位プロファイルを設けるように、前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙の前記長さを選択する工程と、第１の電圧を選択する工程と、第２の電圧を選択する工程と、を更に備える方法。
【請求項１９】
荷電粒子がデバイスの長手方向軸に沿って移動するように、軸方向の電界を用いて前記荷電粒子を操作するためのデバイスであって、前記デバイスは、
前記デバイスの前記長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極と、
使用時に第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極に供給するための前記少なくとも１つの外側電極に接続された第１の電圧源と、
少なくとも１つの外側電極と使用時に前記荷電粒子が沿って移動する前記長手方向軸との間に配置された、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットと、を備え、前記内側電極又は内側電極部は、前記内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように前記デバイスの長さに沿って離間し、
前記デバイスは、前記複数の内側電極又は内側電極部に接続する第２の電圧源を更に備え、前記第２の電圧源は、内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を前記第１の電圧と異なる第２の電圧に維持するように構成される、デバイス。
【請求項２０】
請求項１９に記載のデバイスを備える質量分析計又はイオン移動度分光計。
【請求項２１】
請求項１９に記載のデバイスを使用する工程を備える荷電粒子を操作する方法であって、前記方法は、
前記第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極に印加する工程と、前記第２の電圧を内側電極又は内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加する工程と、を備え、前記荷電粒子を操作する前記長手方向軸に沿って電位プロファイルが形成されるように、前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙に浸透する電界が、前記少なくとも１つの外側電極によって生成される方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の荷電粒子を操作する方法を備える質量分析又はイオン移動度分光分析方法であり、前記方法は、前記荷電粒子を分析する工程を備え、それらの質量又はイオン移動度を決定する、方法。
【請求項２３】
デバイスの長手方向軸に沿って荷電粒子が移動するように、軸方向の電界を用いて荷電粒子を操作するための前記デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
前記荷電粒子を操作するために使用時に前記デバイスの前記長手方向軸に沿って確立される所望の電位プロファイルを選択する工程と、
前記デバイスの長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極を設ける工程と、
使用時に第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極へ供給するための前記少なくとも１つの外側電極へ第1の電圧源を接続する工程と、
前記少なくとも１つの外側電極と前記荷電粒子が沿って移動する前記長手方向軸との間に、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットを設ける工程と、を備え、前記内側電極又は内側電極部は、前記内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように前記デバイスの長さに沿って離間し、
前記方法は、第２の電圧源を前記複数の内側電極又は内側電極部に接続する工程を更に備え、前記第２の電圧源は、使用時に前記内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を第２の電圧に維持するように構成され、前記第２の電圧は前記第１の電圧と異なり、
前記方法は、前記内側電極間又は内側電極部間の前記間隙の前記長さを選択する工程と、前記第１の電圧を選択する工程と、前記第２の電圧を選択する工程と、を更に備え、使用時に、少なくとも１つの外側電極によって生成された電界は、内側電極間又は内側電極部間の前記間隙に浸透し、前記長手方向軸に沿って前記電位プロファイルを提供する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連文献の相互参照）
本出願は、２０１３年６月７日に出願された英国特許出願第１３１０１９８．５号及び２０１３年６月７に出願された欧州特許第１３１７１１０９．５号の優先権と利益を主張する。これらの出願の全内容は参照され本明細書に盛り込まれている。
【０００２】
本発明は、電界を用いて荷電粒子を操作するデバイスに関する。好ましい実施形態は、イオンを操作するための質量分析計で使用するデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
質量分析計内でイオンを操作するために、電界を使用することが望ましい。一般的には、イオンを操作するためのデバイスは、デバイスの長手方向軸に沿って離間した一連の電極を備える。電圧は、所望の方法でイオンを操作するように、デバイスに沿って所望の電位プロファイルを形成するために電極に印加される。これらのデバイス内の隣接する電極は、それぞれ電極を所望の電位に保つために、抵抗又はコンデンサによって互いに電気的に接続される傾向がある。デバイスに沿って所望の電位プロファイルを得るためには、異なる抵抗値を有する多くの抵抗又は異なる静電容量を有する多くのコンデンサを使用する必要とする場合がある。正確に所望の値にコンデンサの静電容量を変化させることは困難であるので、特に異なるコンデンサが必要とされる場合、デバイスの製造は複雑になる。
【０００４】
質量分析計内でイオンを操作するためのデバイスの例は、垂直加速飛行時間（ＴＯＦ）質量分析器である。これは、一般的には、加速領域及びリフレクトロン等の、電界強度が異なる定電界の一連の領域を備える。イオンが飛行するデバイスのバルク中において、これらの場をサポートするために、異なる電圧が、所望の内部電界又はバルクの電界の境界条件を正確に模倣する一連の個別電極に印加される。１段式リフレクトロンの例では、リフレクトロンは、互いに隣接して配置され、等しい値の抵抗からなる分圧器を介して接続された同じ長さの一連の円筒状電極から形成されている。その結果生じる電界は、電極の表面近傍に不連続性を有するが、これらの不連続性は電極表面から離れるとすぐに緩和され、分析器の動作に必要な滑らかな定電界を提供する。このような電極の複雑さ及び数を最小限にし、更にデバイスの良好な動作を可能にするために、デバイスのバルクにおける電界の十分な緩和を得ることが望ましい。
【０００５】
より複雑でより高次の電界は、適切なポテンシャル関数をデバイスに沿って離間した一連の電極に適用することによって、デバイスに沿って作り出してもよい。所望のバルクフィールドがサポートされている場である場合、即ち、それがラプラスの式を満たす場合、定義された幾何学的な面に沿う境界条件を正確に伴う個別電極にポテンシャル関数を慎重に適用することにより、電界は迅速に所望の形態に緩和することができる。バルクフィールドの精度は、電極の位置及び電極に印加される電圧の精度に依存するであろう。
【０００６】
所望の電位プロファイルは、特定の電位プロファイルを比較的容易に実現することができるが、高次関数を伴う電位プロファイルが所望される場合には、より困難になる。電位プロファイルを断続的にパルス化する必要がある場合の問題も発生する。異なる電極に異なる電圧を提供するために、パルス電界を必要とする領域を規定する電極は、電極間に容量分圧器を持たねばならない。しかし、このような分圧器は、一般的に耐性が低く、正確に各コンデンサに必要な静電容量を提供することは困難である。一例として、このような問題は、ＴＯＦ質量分析器のパルス化イオン抽出領域で発生する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
荷電粒子を操作するためのデバイスを製造する改善された方法、改良されたデバイス、改善された質量分析器、及び質量分析の改善された方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第一の態様から、本発明は、イオンが飛行時間領域の長手方向軸に沿って移動するように、軸方向の電界を用いてイオンを操作するための飛行時間領域を備える飛行時間質量分析器を提供し、前記飛行時間領域は、
飛行時間領域の長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極と、
使用時に第１の電圧を外側電極に供給するために前記外側電極に接続された第１の電圧源と、
外側電極と使用時にイオンが沿って移動する前記長手方向軸との間に配置された複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットと、を備え、内側電極又は内側電極部は、内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように、飛行時間領域の長さに沿って離間し、間隙は飛行時間領域の長手方向の長さを有し、間隙の長さは、飛行時間領域の長さに沿った間隙の位置の関数として変化し、
前記飛行時間領域は、前記複数の内側電極又は内側電極部に接続された第２の電圧源を更に有し、第２の電圧源は内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を前記第１の電圧とは異なる第２の電圧に維持するように構成されている。
【０００９】
本発明は、外側電極を使用して、電界と、使用時にイオンが沿って移動する長手方向軸への電界の浸透量を制御する間隙によって分離される内側電極を生成する。従って、所望の電位プロファイルは、内側電極間の間隙の位置と長さを適切に選択することによって、飛行時間領域に沿って得られることができる。このように、本発明は、飛行時間領域の長手方向軸に沿って所望の軸方向電位プロファイルを提供するための単純で効果的なメカニズムを提供する。これは、デバイスに沿って所望の電位プロファイルを得るために、多くの異なる電位が多くの異なる電極に印加されることを必要とする従来のデバイスとは対照的である。従って、これらの従来のデバイスは、多くの異なる電位を異なる電極に印加するために、比較的複雑な電子機器を必要とする。
【００１０】
電圧源を所望の電圧に正確に適合させることよりも、内側電極間に所望の間隙を設けるために内側電極を正確に機械で作る方が、一般的により簡単であるという点で、本発明は、上述のような従来のデバイスに対して有益である。従って、本発明に係る電位プロファイルを制御することがより容易である。また、内側電極間の間隙の長さを変化させることにより、多くの異なる電位を多くの異なる電極に印加することなく、及びそれ故に多くの異なる抵抗又は容量を有する電気部品を使用することなく、本発明は非線形軸電位プロファイルを得ることが可能である。
【００１１】
好ましくは、本発明の質量分析器は、イオンが飛行時間領域を通過するように質量対電荷比に従ってイオンが分離するように構成されている。イオンは、好ましくは、飛行時間領域内に、又は飛行時間領域に沿ってパルス化される。
【００１２】
間隙の長さは、好ましくは長手方向に延在する同一軸に沿って測定される飛行時間領域の長手方向軸方向に変化する。
【００１３】
好ましくは、内側電極又は内側電極部及び少なくとも１つの外側電極が配置され、構成され、前記イオンを操作するように前記長手方向軸に沿って電位プロファイルを設けるために、使用時に少なくとも１つの外側電極によって生成された電界が、内側電極間又は内側電極部間の隙間を通って浸透するように、第１及び第２の電圧が選択される。
【００１４】
長手方向軸から半径方向外向きの方向の内側電極又は内側電極部の厚さは、所望の電位プロファイルが前記長手方向軸に沿って与えられるように選択される。
【００１５】
前記電位プロファイルは、好ましくは漸次的に前記長手方向軸に沿って連続的に及び滑らかに変化する。電位プロファイルは好ましくはイオン光学レンズを形成しない、及びにデバイスに沿った長さの関数として電位ポテンシャルを急激に変化させない。
【００１６】
好ましくは、前記電位プロファイルが使用時に断続的にパルス化されるように、第１及び／又は第２の電圧源は、断続的にパルス化されるように構成されている。
【００１７】
内側電極又は内側電極部が飛行時間領域の長さに沿って連続して配置され、これらの電極又は電極部の長さは、好ましくは、配列内の電極の位置の関数として直線的に、又は２次関数的に変化する。あるいは、又は更に、内側電極間若しくは内側電極部間の間隙は、飛行時間領域の長さに沿って連続して配置され、これらの間隙の長さは、配列内の間隙位置の関数として直線的に、若しくは２次関数的に変化することができる。
【００１８】
内側電極又は内側電極部は、デバイスの長さに沿って連続して配置され、電極又は電極部の長さ（及び／又は電極又は電極部間の間隙の長さ）は、配列内の電極又は電極部（又は間隙）の位置の関数として直線的に変化することができる。配列内のｎ番目の電極又は電極部（又はｎ番目の間隙）の長さは、ａ．ｎ＋ｂ長さ単位に相当することができ、式中ａ≠０及びｂは定数又はゼロである。
【００１９】
あるいは、電極や電極部（又は間隙）の長さは、配列内の電極又は電極部（又は間隙）の位置の関数として、２次関数的に変化する場合がある。配列内のｎ番目の電極又は電極部（又はｎ番目の間隙）の長さは、ａ．ｎ２＋ｂ．ｎ＋ｃ長さ単位に相当し、式中ａ≠０、ｂ及びｃは定数又はゼロである。
【００２０】
あるいは、電極又は電極部（又は間隙）の長さは、配列内の電極又は電極部（又は間隙）の位置の関数として、３次関数的に変化してもよい。配列内のｎ番目の電極や電極部（又はｎ番目の間隙）の長さは、ａ．ｎ３＋ｂ．ｎ２＋ｃ．ｎ＋ｄ長さ単位に相当し、式中ａ≠０、ｂ、ｃ及びｄは定数又はゼロである。３次関数よりもより高次の関数もまた考えられる。
【００２１】
好ましくは、第２の電圧源は同じ電圧で内側電極又は電極部のすべてを維持する。内側電極又は内側電極部は、好ましくは、接地電位、即ち０Ｖに維持され、又は別の非ゼロ電圧に維持される。余り好ましくないが、内側電極又は内側電極部は、デバイスの長さに沿って連続して配置され、電極又は電極部に印加される電圧は、配列内の電極又は電極部の位置の関数として変化しても良い。例えば、内側電極又は電極部に印加される電圧は、配列内の電極又は電極部の位置の関数として直線的に変化してもよい。配列内のｎ番目の電極又は電極部に印加される電圧は、ａ．ｎ＋ｂボルトに相当し、式中「ａ」≠０及び「ｂ」は定数又はゼロである。
【００２２】
あるいは、内側電極又は内側電極部に印加される電圧は、配列内の電極又は電極部の位置の関数として、４次関数的に変化してもよい。配列内のｎ番目の電極又は電極部に印加される電圧は、ａ．ｎ２＋ｂ．ｎ＋ｃボルトに相当し、式中ａ≠０、ｂ及びｃは定数又はゼロである。
【００２３】
あるいは、内側電極又は内側電極部に印加される電圧は、配列内の電極又は電極部の位置の関数として３次関数的に変えることができる。配列内のｎ番目の電極や電極部に印加される電圧は、ａ．ｎ３＋ｂ．ｎ２＋ｃ．ｎ＋ｄボルトに相当し、式中ａ≠０、ｂ、ｃ及びｄは定数又はゼロである。３次関数よりもより高次の電圧関数も考えられる。
【００２４】
本発明は、内側電極又は内側電極部の長さを変化させる効果を、内側電極又は内側電極部に異なる電圧プロファイルを適用する効果に組み合わせることができる。
【００２５】
少なくとも１つの外側電極は、実質的に平板状の、棒状の、若しくは円筒状の１つであってもよく、長手方向軸の周囲に配置されることができる。更に、又はあるいは、内側電極若しくは内側電極部の各々は、実質的に平板状の、棒状の、又は円筒状の1つであってもよく、長手方向軸の周囲に配置されることができる。
【００２６】
外側電極及び／又は内側電極若しくは電極部は、円筒状であり、長手方向軸の周囲に配置されてもよい。あるいは、前記外側電極１つは、前記長手方向軸の一方の側に配置されてもよく、他の前記外側電極は、前記長手方向軸の反対側に配置されてもよい。前記内側電極又は内側電極部の１つのセットは、それぞれの外側電極と長手方向軸との間に、長手方向軸の反対側に配置することができる。３つ以上の外側電極及び内側電極又は内側電極部の３つ以上のセットは、長手方向軸の周囲に配置することができる。例えば、３つ又は４つの外側電極及び内側電極又は電極部の３つ又４つの対応するセットが使用されてもよい。
【００２７】
長手方向の軸に面する少なくとも１つの外側電極の表面は、前記長手方向軸に実質的に平行である。
【００２８】
内側電極又は内側電極部は、前記長手方向軸に実質的に平行な軸に沿って配置されてもよい。
【００２９】
長手方向軸に面する少なくとも１つの外側電極の表面は、外側電極の一端が外側電極の他方の端部よりも長手方向軸から更に遠くになるように、長手方向軸に対して斜めに配置されてもよい。
【００３０】
少なくとも１つの外側電極は、長手方向軸に面する内側表面を有し、長手方向軸からの前記表面の半径方向の距離は、長手方向軸に沿った位置の関数として変化してもよい。少なくとも１つの外側電極の内表面が湾曲状、階段状又は非線形であってもよい。
【００３１】
少なくとも１つの外側電極は、平板電極又はシート電極であってもよい。
【００３２】
平板電極又はシート電極は、その中に配置された複数の開口を有して設けられてもよく、前記開口部間の電極部材料は、内側電極部の前記セットを形成する。
【００３３】
前記内側電極又は内側電極部の前記セット中の電極又は電極部分の数は、好ましくは≧５である。内側電極又は内側電極部の数は＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、又は＞３０からなる群から選択されてもよい。
【００３４】
内側電極又は内側電極部の全ては、好ましくは、対応する外側電極が延在するデバイスの長さの範囲内にあるデバイスの長さにわたって配置される。
【００３５】
デバイスは、使用時に、少なくとも１つの外側電極に印加される第１の電圧は、内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットにおける、内側電極間又は内側電極部間の間隙に浸透する電界を生成するように構成されている。イオンを操作するために、使用時にイオンが移動する長手方向軸に沿って所望の電位プロファイルが得られるように、電界は間隙に浸透する。
【００３６】
第１及び／又は第２の電圧源は、電極が使用時に直流電圧に維持されるような好ましくは直流電圧源であり、及び／又は電位プロファイルは、好ましくは静電ポテンシャルプロファイルである。
【００３７】
好ましくは、直流電位だけが前記少なくとも１つの外側電極及び／又は内側電極若しくは内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加される。
【００３８】
デバイスは、断続的に第１の電圧源をパルス化するように構成することができ、又はデバイスは、断続的に電位プロファイルをパルス化するように構成することができる。
【００３９】
デバイスを通ってイオンを移動させるために、又はイオンを捕獲するために、電位プロファイルは、好ましくは、使用時に、デバイスの長手方向に沿って変化する。例えば、長手方向軸に沿って生成される電位プロファイルは、２次ポテンシャルプロファイル又はより高次のポテンシャルプロファイルであってもよい。
【００４０】
前記電位プロファイルは、好ましくは、デバイスの中心軸に実質的に沿って配置されたポテンシャルプロファイルである。電極は、好ましくは前記軸を取り囲む。
【００４１】
電極に印加される電圧は、好ましくは、使用時にサポートラプラシアン電界（supported Laplacian electric fields）を生成する。
【００４２】
デバイスは、好ましくは配置され、本明細書に記載される方法のいずれか１つを実行するように構成されている。
【００４３】
本発明の第１の態様は、上述したような質量分析器を備える質量分析計も提供する。
【００４４】
本発明の第１の態様は、本明細書に記載されるような質量分析器を使用する工程を備えるイオンを質量分析する方法も提供する。方法は、前記第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極に印加する工程と、第２の電圧を内側電極又は内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加する工程と、を備え、イオンを操作する長手方向軸に沿って電位プロファイルを形成するように、電界が内側電極間又は内側電極部間の間隙に浸透する前記少なくとも１つの外側電極によって生成される。
【００４５】
前記イオンを操作するために前記長手方向軸に沿って電位プロファイルを設けるように、少なくとも１つの外側電極によって生成する電界は、好ましくは、内側電極間若しくは内側電極部間の間隙に浸透し、及び電位プロファイルは、好ましくは、飛行時間領域の長手方向軸に沿って非直線的に変化する、又は、電位プロファイルは、好ましくは、飛行時間領域の長手方向軸に沿って２次関数若しくは高次関数として変化する。
【００４６】
本発明の第１の態様は、本明細書に記載のイオンを質量分析する方法を備える質量分析方法も提供する。
【００４７】
本発明の第１の態様は、本明細書に記載されるようにデバイスを製造する方法を提供する。従って、本発明は、イオンが飛行時間領域の長手方向軸に沿って移動するように軸方向の電界を用いてイオンを操作するための飛行時間領域を備える、飛行時間質量分析計を製造する方法を提供し、前記方法は、
イオンを操作するために使用される飛行時間領域の長手方向軸に沿って確立される、所望の電位プロファイルを選択する工程と、
飛行時間領域の長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極を設ける工程と、
使用時に第１の電圧を少なくとも１つの外側電極へ供給するための前記少なくとも１つの外側電極へ第1の電圧源を接続する工程と、
少なくとも１つの外側電極とイオンが沿って移動する前記長手方向軸との間に複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットを設ける工程と、を備え、内側電極又は内側電極部は、内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように飛行時間領域の長さに沿って離間し、間隙は飛行時間領域の長手方向の長さを有し、及び、間隙の長さは、飛行時間領域の長さに沿った間隙の位置の関数として変化し、
前記方法は、第２の電圧源を前記複数の内側電極又は内側電極部に接続する工程を更に備え、第２の電圧源は、使用時に内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を第２の電圧に維持するように構成され、第２の電圧は前記第１の電圧と異なり、
前記方法は、使用時に、少なくとも１つの外側電極によって生成された電界が、内側電極間又は内側電極部間の間隙に浸透し、前記長手方向軸に沿って前記電位プロファイルを提供するように、内側電極間又は内側電極部間の間隙の長さを選択する工程と、第１の電圧を選択する工程と、第２の電圧を選択する工程と、を更に備える。
【００４８】
本発明を、飛行時間領域を有する飛行時間質量分析計の観点から上記で説明したが、本発明は、飛行時間領域分析計又は飛行時間分析計以外のデバイスに適用されてもよいと考えられる。
【００４９】
デバイスはイオン以外の荷電粒子を操作するために使用され得ることが考えられる。
【００５０】
余り好ましくない実施形態では、内側電極間又は内側電極部間の間隙の長さは、飛行時間領域の長さに沿った間隙の位置の関数として、長さが変化する必要はないと考えられる。
【００５１】
従って、第２の態様から本発明は、荷電粒子がデバイスの長手方向軸に沿って移動するように軸方向の電界を用いて荷電粒子を操作するためのデバイスを提供し、前記デバイスは、
デバイスの長さの少なくとも一部に沿って連続して延在する少なくとも１つの外側電極と、
使用時に第１の電圧を少なくとも１つの外側電極に供給するための前記少なくとも１つの外側電極に接続された第１の電圧源と、
少なくとも１つの外側電極と使用時に前記荷電粒子が沿って移動する前記長手方向軸との間に配置された、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットと、を備え、前記前記内側電極又は内側電極部は、前記前記内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるように前記デバイスの長さに沿って離間し、
前記デバイスは、前記複数の内側電極又は内側電極部に接続する第２の電圧源を更に備え、第２の電圧源は、内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を前記第１の電圧と異なる第２の電圧に維持するように構成される。
【００５２】
荷電粒子は、好ましくはイオンである。
【００５３】
デバイスは、好ましくは、イオンを反射するためのリフレクトロン、イオンのパルスを加速するためのイオン抽出装置、又は飛行時間質量分析計である。
【００５４】
本発明の第２の態様は、上述のようなデバイスを備える質量分析計又はイオン移動度分光計を提供する。
【００５５】
本発明の第２の態様は、上述のデバイスを使用する工程を備える荷電粒子を操作する方法も提供し、方法は、前記第１の電圧を前記少なくとも１つの外側電極に印加する工程と、第２の電圧を内側電極又は内側電極部の前記少なくとも１つのセットに印加する工程と、を備え、荷電粒子を操作する長手方向軸に沿って電位プロファイルを形成するために、内側電極間又は内側電極部間の間隙に浸透する電界が前記少なくとも１つの外側電極によって生成される。
【００５６】
本発明の第２の態様は、荷電粒子がデバイスの長手方向軸に沿って移動するように軸方向の電界を用いて、荷電粒子を操作するためのデバイスを製造する方法も提供し、前記方法は、
荷電粒子を操作するために、使用時にデバイスの長手方向軸に沿って確立される所望の電位プロファイルを選択する工程と、
デバイスの長さの少なくとも一部に沿って、連続して延在する少なくとも１つの外側電極を設ける工程と、
使用時に第１の電圧を少なくとも１つの外側電極へ供給するための前記少なくとも１つの外側電極へ第1の電圧源を接続する工程と、
少なくとも１つの外側電極及び荷電粒子が沿って移動する前記長手方向軸との間に、複数の内側電極又は内側電極部の少なくとも１つのセットを設ける工程と、を備え、内側電極又は内側電極部は、内側電極間又は内側電極部間に間隙を設けるようにデバイスの長さに沿って離間し、
前記方法は、第２の電圧源を前記複数の内側電極又は内側電極部に接続する工程を更に備え、第２の電圧源は、使用時に内側電極又は内側電極部の少なくとも一部を第２の電圧に維持するように構成され、第２の電圧は前記第１の電圧と異なり、
前記方法は、内側電極間又は内側電極部間の間隙の長さを選択する工程と、第１の電圧を選択する工程と、第２の電圧を選択する工程と、を更に備え、使用時に、少なくとも１つの外側電極によって生成された電界は、内側電極間又は内側電極部間の間隙に浸透し、前記長手方向軸に沿って前記電位プロファイルを提供する。
【００５７】
本発明の第２の態様はまた、本明細書に記載の荷電粒子を操作する方法を備える質量分析又はイオン移動度分光分析の方法も提供し、その方法は荷電粒子（すなわち、イオン）を分析し、それらの質量又はイオン移動度を決定する。
【００５８】
デバイス、分光計、荷電粒子を操作する方法、又は本発明の第２の態様に関連して説明される分光分析方法は、本発明の第１の態様に関連して上述した任意の若しくは好ましい特徴のいずれか、又はこれらの組み合わせを有してもよい、ただし飛行時間質量分析計又は飛行時間領域への言及は、本発明の第２の態様のデバイスを指し、イオンへの言及は荷電粒子を指す。
【００５９】
一実施形態によれば、質量分析計は、
（ａ）（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝撃（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電場脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体２次イオン質量分析方法（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源、（ｘｘｉ）インパクタイオン源、（ｘｘｉｉ）ＤＡＲＴ質量分析（「ＤＡＲＴ」）イオン源、（ｘｘｉｉｉ）レーザースプレーイオン化（「ＬＳＩ」）イオン源、（ｘｘｉｖ）ソニックスプレーイオン化（「ＳＳＩ」）イオン源、（ｘｘｖ）マトリックス支援インレットイオン化（「ＭＡＩＩ」）イオン源、及び（ｘｘｖｉ）溶媒支援インレットイオン化（「ＳＡＩＩ」）からなる群から選択したイオン源、並びに／又は、
（ｂ）１つ以上の連続又はパルス化イオン源、並びに／又は、
（ｃ）１つ以上のイオンガイド、並びに／又は、
（ｄ）１つ以上のイオン移動分離デバイス及び／又は１つ以上の非対称電場イオン移動分光計デバイス、並びに／又は、
（ｅ）１つ以上のイオントラップ又は１つ以上のイオントラップ領域、並びに／又は、
（ｆ）（ｉ）衝突誘導解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉ）表面誘導解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖ）電子衝突若しくは衝撃解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉ）光誘導解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉ）レーザー誘導解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉｉ）赤外線誘導解離デバイス、（ｉｘ）紫外線誘導解離デバイス、（ｘ）ノズル−スキマーインターフェースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉ）インソースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉ）インソース衝突誘導解離フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉｉ）熱若しくは温源フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｖ）電界誘導フラグメンテーションデバイス、（ｘｖ）磁界誘導フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉ）酵素消化若しくは酵素分解フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉｉ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−イオン反応デバイス、（ｘｘｉｖ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−分子反応デバイス、（ｘｘｖ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−原子反応デバイス、（ｘｘｖｉ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−準安定イオン反応デバイス、（ｘｘｖｉｉ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−準安定分子反応デバイス、（ｘｘｖｉｉｉ）付加イオン若しくは生成イオンを形成するためにイオンを反応させるイオン−準安定原子反応デバイス、及び（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーションデバイスからなる群から選択される１つ以上のコリジョンセル、フラグメンテーションセル又はリアクションセル、並びに／又は、
（ｇ）（ｉ）四重極質量分析器、（ｉｉ）２Ｄ若しくは直線四重極質量分析器、（ｉｉｉ）ポール若しくは３Ｄ四重極質量分析器、（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析器、（ｖ）イオントラップ質量分析器、（ｖｉ）磁場型質量分析器、（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析器、（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（「ＦＴＩＣＲ」）質量分析計、（ｉｘ）静電気若しくはオービトラップ質量分析器、（ｘ）フーリエ変換静電気若しくはオービトラップ質量分析器、（ｘｉ）フーリエ変換質量分析器、（ｘｉｉ）飛行時間型質量分析器、（ｘｉｉｉ）垂直加速飛行時間型質量分析器、及び（ｘｉｖ）直線加速飛行時間型質量分析器からなる群から選択した質量分析器、並びに／又は、
（ｈ）１つ以上のエネルギー分析器若しくは静電気エネルギー分析器、並びに／又は、
（ｉ）１つ以上のイオン検出器、並びに／又は、
（ｊ）（ｉ）四重極質量フィルタ、（ｉｉ）２Ｄ若しくは直線四重極イオントラップ、（ｉｉｉ）ポール若しくは３Ｄ四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニングイオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁場型質量フィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間型質量フィルタ、及び（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルタからなる群から選択した１つ以上の質量フィルタ、並びに／又は、
（ｋ）イオンをパルス化するデバイス若しくはイオンゲート、並びに／又は、
（ｌ）実質的に連続するイオンビームをパルス化イオンビームに変換するデバイス、
を備える。
【００６０】
質量分析計は、
（ｉ）外側胴状電極と、同軸内側スピンドル状電極とを備えるＣトラップ及びオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器であって、第１の動作モードでは、イオンはＣトラップに輸送され、次にオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器内に出射され、第２の動作モードでは、イオンはＣトラップに輸送され、次にコリジョンセル又は電子移動解離デバイスに輸送され、少なくとも一部のイオンはフラグメントイオンに断片化され、フラグメントイオンは次にオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器に出射される前にＣトラップに輸送される、Ｃトラップ及びオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器、及び／又は、
（ｉｉ）使用時にイオンが中を輸送される開口を有する複数の電極のそれぞれが備える積層リングイオンガイドであって、電極の間隔はイオン経路の長さに沿って増大し、電極の開口は、イオンイドの上流区分では第１の直径を有し、電極の開口は、イオンガイドの下流区分では第１の直径よりも小さい第２の直径を有し、使用時にＡＣ又はＲＦ電圧の逆位相を連続する電極に印加する、積層リングイオンガイド、
のいずれかを更に備える。
【００６１】
一実施形態によれば、質量分析計は、ＡＣ又はＲＦ電圧を電極に供給するように配置、構成したデバイスをさらに備える。ＡＣ又はＲＦ電圧は、好ましくは、（ｉ）＜５０Ｖピークピーク、（ｉｉ）５０〜１００Ｖピークピーク、（ｉｉｉ）１００〜１５０Ｖピークピーク、（ｉｖ）１５０〜２００Ｖピークピーク、（ｖ）２００〜２５０Ｖピークピーク、（ｖｉ）２５０〜３００Ｖピークピーク、（ｖｉｉ）３００〜３５０Ｖピークピーク、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００Ｖピークピーク、（ｉｘ）４００〜４５０Ｖピークピーク、（ｘ）４５０〜５００Ｖピークピーク、及び（ｘｉ）＞５００Ｖピークピークからなる群から選択される振幅を有する。
【００６２】
ＡＣ又はＲＦ電圧は、好ましくは、（ｉ）＜１００ｋＨｚ、（ｉｉ）１００〜２００ｋＨｚ、（ｉｉｉ）２００〜３００ｋＨｚ、（ｉｖ）３００〜４００ｋＨｚ、（ｖ）４００〜５００ｋＨｚ、（ｖｉ）０．５〜１．０ＭＨｚ、（ｖｉｉ）１．０〜１．５ＭＨｚ、（ｖｉｉｉ）１．５〜２．０ＭＨｚ、（ｉｘ）２．０〜２．５ＭＨｚ、（ｘ）２．５〜３．０ＭＨｚ、（ｘｉ）３．０〜３．５ＭＨｚ、（ｘｉｉ）３．５〜４．０ＭＨｚ、（ｘｉｉｉ）４．０〜４．５ＭＨｚ、（ｘｉｖ）４．５〜５．０ＭＨｚ、（ｘｖ）５．０〜５．５ＭＨｚ、（ｘｖｉ）５．５〜６．０ＭＨｚ、（ｘｖｉｉ）６．０〜６．５ＭＨｚ、（ｘｖｉｉｉ）６．５〜７．０ＭＨｚ、（ｘｉｘ）７．０〜７．５ＭＨｚ、（ｘｘ）７．５〜８．０ＭＨｚ、（ｘｘｉ）８．０〜８．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｉ）８．５〜９．０ＭＨｚ、（ｘｘｉｉｉ）９．０〜９．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｖ）９．５〜１０．０ＭＨｚ、及び（ｘｘｖ）＞１０．０ＭＨｚからなる群から選択される周波数を有する。
【００６３】
好ましい実施形態は、より少ない電極及びより少ない個別電圧を使用して、サポートされたバルク電界を作成することを可能にする。好ましくは、内側電極はデバイスの幾何学的境界上に位置している。例えば円筒状のリフレクトロンでは、内側電極はリフレクトロンの円筒状の内表面を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
本発明の様々な実施形態を単なる一例として、及び添付図面を参照しながら、ここで説明する。
【図１】図１は、本発明に係らないデバイスの概略を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１のデバイス内の異なる半径位置においてデバイスに沿って維持されるポテンシャルプロファイルを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１のデバイス内の異なる半径位置においてデバイスに沿って維持されるポテンシャルプロファイルを示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１のデバイス内の異なる半径位置においてデバイスに沿って維持されるポテンシャルプロファイルを示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図１のデバイス内の異なる半径位置においてデバイスに沿って維持されるポテンシャルプロファイルを示す。
【図３】図３は、図１の配置での電極構造、及び電極に印加される電圧の概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の一部を形成していない別の配置で、電極構造及び電極に印加される電圧の概略図を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、平行な外側電極を有する本発明の好ましい実施形態を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａのデバイスに沿ったポテンシャルプロファイルを示す。
【図６】図６は、図５Ａのデバイスの一部を示す。
【図７】図７は、非平行の外側電極を有する本発明の別の好ましい実施形態を示す。
【図８】図８は、湾曲した外側電極を有する本発明の別の好ましい実施形態を示す。
【図９】図９は、好ましいデバイスの内側電極の実施形態を示す。
【図１０】図１０は、好ましいデバイスの外側電極の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
本発明の一部を形成しない配置は本発明を理解するために役に立つのだが、最初に図１〜４を参照して説明されるであろう。
【００６６】
図１は、垂直の破線６の右側に「パーフェクトロン」を示す。「パーフェクトロン」は、その中心軸の長さに沿って配置された放物線状のポテンシャル関数、及びデバイスの前後両端に定義されたポテンシャル面を有する円筒状のデバイスである。「パーフェクトロン」は、デバイスの長手方向軸に沿って配置された同心のリング電極２、４の２つのセットを備え、前後に等電位面を有する。デバイス内に交互に並ぶ電極は、電極４の第１のセットを形成し、接地電位に接続されている。このセット内の電極は、デバイスの先端から離れるに従い、デバイスの長手方向に次第により短くなり、デバイスの先端は垂直な破線６に配置されている。電極２の第２のセットは、イオンミラー電位に接続され、デバイスの先端から離れるに従い、デバイスの長手方向に次第により長くなる電極を備える。電極の長さは、デバイスの先端からの距離の２次関数として増加する。デバイスの境界条件の影響を排除するために、及びデバイスの実際の挙動を調べるために、デバイスの鏡像は垂直破線６の左側に配置されていると考えられる。
【００６７】
図２Ａ〜２Ｄは、デバイス内の異なる半径位置に対するデバイスに沿った距離ｚの関数として、デバイスに沿った（即ち図１の垂直破線６の右側の配置内の）電位Φのシミュレーションを示す。シミュレーションは、デバイスが半径３ｃｍ及び長さ２０ｃｍを有すると仮定する。シミュレーションは、垂直の破線６の左側の配置は、垂直の破線６の右側のデバイスの鏡映であることも仮定している。シミュレーションは、デバイスの長さに沿った電極のピッチが２ｃｍであり（即ち、入口電極と出口電極との間に１０個の電極）、及び電極の長さは０．０２５〜１０ｍｍの間で変化することを仮定している。シミュレーションは、電極４の第１のセットは接地電位に維持され、及びに電極２の第２のセットの各電極は２００Ｖに維持されることを仮定している。
【００６８】
図２Ａは、電極４、２の第１のセット及び第２のセットに印加される電圧により、デバイスの中心軸に沿って維持される電位プロファイルΦを示す。デバイスの中心軸に沿う電位プロファイルΦは２次関数であることが分かる。
【００６９】
図２Ｂは、電極４、２の第１のセット及び第２のセットに印加される電圧により、中心軸から１ｃｍの半径でデバイスに沿って維持される電位プロファイルΦを示す。この半径においてデバイスに沿った電位プロファイルΦは、実質的に２次関数であることが分かる。
【００７０】
図２Ｃは、電極４、２の第１のセット及び第２のセットに印加される電圧により、中心軸から２ｃｍの半径でデバイスに沿って維持される電位プロファイルΦを示す。電位関数Φに電極構造に起因する著しい波形が存在するが、この半径でデバイスに沿った電位プロファイルΦは、概ね２次関数の図形に従うことが分かる。
【００７１】
図２Ｄは電極４、２の第１のセット及び第２のセットに印加される電圧により、中心軸から２．９ｃｍの半径でデバイスに沿って維持される電位プロファイルΦを示す。この半径でデバイスに沿った電位プロファイルΦは、所望の２次関数から著しく歪んでいることが分かる。
【００７２】
図２Ａ〜２Ｄは、電極構造は、２つだけの電圧、即ち接地電圧及び２００Ｖを用いてイオンを操作する場合、デバイスに沿って２次関数的なポテンシャルを生成するために使用されることができることを示す。これは、電極２の第２のセットの電極の長さを変化させることにより達成される。
【００７３】
図３は、電極４の第１のセット及びＮ番目の電極２の第２のセットを有する別のデバイスを示す。デバイスの電極は、第１のセットの電極４と第２のセットの電極２との間で交互に並ぶ。電極は、連続する同一平面の表面を形成するように互いに直接隣接して配置されている。電極４の第１のセットは、電気的に接地され、デバイスの右側から左側への長さが減少している。電極２の第２のセットの電極は、デバイスの右側からデバイスの左側への長さが増加している。電極２は、デバイスの右側から電極２までの距離の関数として、長さが直線的に増加する。電極２の第２のセットに印加される電圧は、デバイスの右側からデバイスの左側へ増加する。電圧は、電極２の第２のセットのｎ番目の電極が、ｎ＝１の電極が維持される電圧のｎ倍に維持されるように、直線的に増加する。同じ抵抗値を有する複数の抵抗から形成される直線状分配器は、異なる電圧を有する電極２の第２のセットに異なる電圧を供給するために用いられる。
【００７４】
電極２の第２のセット内の電極の長さが直線的に増加し、及びこれらの電極に印加される電圧が直線的に増加する効果の結果、２次関数的な軸方向の電界がデバイスに沿って生成される。２次関数的な電界は、電極の電圧及び長さが増加するデバイスに沿って同じ方向に振幅が増加する。従って、デバイスが同じ値の抵抗のみを備える直線電圧分圧器を使用して２次関数的な電界がデバイスに沿って確立することが理解されるであろう。
【００７５】
図４は、電極２の第２のセットに沿って電圧勾配を形成するために、分圧器が抵抗よりも同じ容量のコンデンサを用いることを除いて、図３と実質的に同様なデバイスを示す。図３に関して上述したように、２次関数的な軸方向の電界はデバイス内に形成される。図４のデバイスは、軸方向の電界が断続的にパルス化されることが所望される場合に特に有利である。
【００７６】
図５〜１０は、本発明の実施形態の概略図を示す。
【００７７】
図５Ａは、２つの連続する外側電極８、及び外側電極８の間に配置された２つのセットの内側電極１０を備える本発明の第１の実施形態に係るデバイスを示す。内側電極１０の各セットは、デバイスの中心軸に平行な軸に沿って配列されている。内側電極１０の各セット内の電極は、内側電極１０の隣接する対の間に間隙を設けるように軸方向に離間されている。内側電極１０の間の間隙の長さは、デバイスに沿った位置の関数として変化する。以下でより詳細に説明されるように、これにより、所望の軸方向電位が中心軸に沿って維持されるのが可能になる。本実施形態では、間隙の長さは、デバイスの左から右へ増加する。
【００７８】
第１の直流電圧Ｖ１、例えば２００Ｖ、は外側電極８に印加される。内側電極１０は、好ましくは接地電位である第２の電圧Ｖ２にそれぞれ維持される。電界は、第１の電圧Ｖ１を外側電極８に印加することにより生成され、デバイスの中心軸に沿って重畳電界を形成するように、電界は隣接する内側電極１０の隙間を通って浸透する。内側電極１０の間の間隙の長さがデバイスの長さ方向に沿って変化するように、内側電極１０を浸透する電界の浸透量も、装置の長さ方向に沿って変化する。従って、デバイスの中心軸に沿った電界は、内側電極１０の間の間隙の位置及び長さを選択することにより選択されることができることが理解されるであろう。図５Ａに示された例において、内側電極１０の間の間隙の長さは、デバイスに沿った位置の関数として２次関数的に増加する。その結果、図５Ｂに示すように、実質的に２次関数の電位Φはデバイスの長さｚに沿って生成される。使用時には、荷電粒子は、内側電極１０の２つのセットの間に配置される長手方向軸に沿って移動し、軸方向ポテンシャルプロファイルΦによって操作される。
【００７９】
２次関数ポテンシャルプロファイル以外の軸方向ポテンシャルプロファイルは、さまざまな方法で間隙の位置及び長さを変化させることにより生成されることができることは理解されるであろう。
【００８０】
図６は、デバイスの中心軸に沿って所望のポテンシャルプロファイルを達成するために変えることができるパラメータを説明するために、図５のデバイスの長さの一部を示す。前述のように、隣接する外側電極８からの電界の浸透量を変化させために、隣接する対の内側電極１０の間の各間隙の長さＷを変更することができ、それ故にデバイスの中心軸の電位を変化させることができる。間隙の長さＷが小さいほど、内側電極１０を浸透する電界の浸透はより少ない。隣接する外側電極８からの電界の浸透量を変えるために、各外側電極８の間の距離Ｓ及び内側電極１０の間の間隙を変更することができ、それ故にデバイスの中心軸の電位を変化させることができる。隣接する外側電極８からの電界の浸透量を変化させるために、中心軸から半径方向に決定される間隙の厚さｔを変更することができ、それ故にデバイスの中心軸線の電位を変化させることができる。図示の実施形態では、間隙の厚さｔは、間隙のいずれかの側の内側電極１０の厚さに対応する。間隙の厚さｔが厚いほど、内側電極１０に浸透する電界の浸透はより少ない。デバイスの中心軸の電位を変化させるために、デバイスの中心軸から内側電極１０への距離Ｈを、変更することができる。
【００８１】
図７は、図５及び６と同じである本発明の別の実施形態を示す。ただし、外側電極８の各々は、中心軸に対して、及び内側電極１０が沿って配置されている軸に対して、斜めに配置されている。図６に示すように、外側電極８と隣接する内側電極１０の間の間隙との間の距離を変化させることにより、中心軸に沿った対応する軸方向位置での電位を変化させる。従って、傾斜した外側電極８を設けることにより、各々の外側電極８と隣接する内側電極１０の間の間隙との間の距離は、デバイスの長さに沿った位置の関数として変化する。従って、外側電極８を傾けることにより、内側電極１０内の間隙に浸透する電界の浸透量を制御する。
【００８２】
外側電極８の各々が異なって形成されていることを除き、図８は、図５及び６と同じである本発明の別の実施形態を示す。図８の実施形態において、各外側電極８は中心軸に面する曲面を有する。このため、中心軸（及び隣接する内側電極１０）から前記表面の半径方向の距離は、長手方向軸に沿った位置の関数として変化する。図６に関連して説明されるように、外側電極８と隣接する内側電極１０の間の間隙との間の距離を変化させることにより、中心軸に沿った対応する軸方向位置での電位を変化させる。従って、曲面を有する外側電極８を設けることにより、各外側電極８と隣接する内側電極１０の間の間隙との間の距離は、デバイスの長さに沿った位置の関数として変化する。従って、外側電極８の曲面は、内側電極１０内の間隙に浸透する電界の浸透量を制御する。
【００８３】
内側電極１０の各セットは、複数の個別電極から形成されるものとして記載されている。
しかし、代わりに、電極部が単一の電極に開口を設けることによって、デバイスの長さに沿って離間されている同じ電極の一部である、複数の内側電極部を使用できる、と考えられる。図９は、このような実施形態の概略図を示す。
【００８４】
図９は、内側電極部の各セットを形成するのに使用されることができる単一の電極１０’を示す。単一の電極は、その中に形成された、開口部１２の間の複数の電極部１４を規定する、複数の開口部（即ち、溝）１２を有する。開口部の幅（即ち、デバイスの長手方向の寸法）は、電極１０’の長さに沿って変化する。開口部１２の間の電極部１４が既に説明した実施形態の内側電極１０に対応し、及び開口部１２が内側電極１０の間の間隙に対応するように、開口電極１０’はデバイス内に配置されることができる。電極１０’は中心軸（例えば、円筒状）の周りに湾曲させることができ又は、余り好ましくはないが、デバイスの長さに沿って湾曲させることができると考えられるが、この実施形態において、内側電極１０’は平板電極又はシート電極である。
【００８５】
図１０は、ＸＺ平面内で見た外側電極８の１つの一実施形態を示す。この実施形態では、電極８は、固体で連続的な電極である。
【００８６】
本発明の各内部１０，１０’電極及び／又は外側電極８は、直線状電極であってもよい。
【００８７】
デバイスに沿って所望の電位プロファイルを提供するために、内側電極１０（又は内側電極部１４）を所望の長さに精密に機械加工すること、及び／又は内側電極（又は内側電極部１４）の間に間隙を設けることが比較的容易であるので、本発明に従って達成することができる電界の精度は、従来技術の精度よりも高い。電極に沿った電圧プロファイルを提供するために、異なる値の抵抗分割器又は異なる値の容量分圧器及び電極間の電気絶縁体を使用することに依存する従来の技術より、本発明の手法はより正確かつ簡単である。これは特に、市販の好ましい製品から外れる、より高次のポテンシャル関数を実現しようとする場合である。更に、異なる電圧がデバイスへ印加される必要がほとんどないので、例えば垂直加速ＴＯＦ技術に見られるような、大型の物理的体積からのサポートを必要とする電界の迅速なパルス化に理想的に適している装置に適用する必要がある。
【００８８】
境界条件が既知であるならば、本発明は、任意の静電界の生成に対して一般的な適用性を有する。例えば、本発明は、デバイスの長さに沿って超対数場を生成するために使用されることができる。これは、例えば、垂直加速ＴＯＦ装置等の装置において有用であり得る。
【００８９】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、形態及び詳細における様々な変更は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは、当業者によって理解されるであろう。
【００９０】
例えば、２つの外側電極及び２つのセットの内側電極は図示した実施形態に関連して説明されたが、その外側電極は中心軸を取り囲む単一円筒状電極又は管状電極から形成できることが考えられる。あるいは、又は更に、内側電極は、２つのセットの電極から形成されるよりもむしろ、中心軸の周りに延在するリング状電極又は円筒形の電極から形成することができる。例えば、電極１０’は、円筒状の電極又は管状電極であってもよい。
【００９１】
好ましくは、上記の実施形態に記載されたデバイスは、飛行時間飛行時間領域質量分析器である。
【００９２】
それは、本発明のデバイスは、質量分析計内のイオンを操作するためのものであることが好ましいが、デバイスは他の応用で荷電粒子を操作するために使用されることも考えられる。そのような他の用途としては、電子顕微鏡、電子分光計又は他のデバイス中の電子の操作である。
【符号の説明】
【００９３】
２・・・電極、４・・・電極、８・・・外側電極、１０・・・内側電極。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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