(57)【要約】荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用してそれらを操作するためのデバイスを製造する方法が開示される。本方法は、所望の軸方向電位プロファイルを形成するために、異なる長さの第１の電極を提供することと、異なる電圧をこれらの電極に供給することと、第１の電極間に接地電極を配列することと、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用してそれら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、
前記荷電粒子を操作するための前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されることが望ましい、電位プロファイルを選択することと、
前記デバイスの前記縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することであって、前記デバイスの前記縦軸に沿った方向の前記電極の長さは、前記デバイスの前記縦軸に沿った距離の関数として変化する、前記デバイスの前記縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することと、
１つ以上の第１のＤＣ電圧源を前記第１の複数の電極に接続することであって、前記１つ以上のＤＣ電圧源は、使用中、１つ以上のＤＣ電圧を前記第１の複数の電極に供給するように構成される、１つ以上の第１のＤＣ電圧源を前記第１の複数の電極に接続することと、
前記デバイスの前記縦軸に沿って、第２の複数の電極を配列することであって、前記第２の複数の電極のうちの１つは、前記第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、前記デバイスの前記縦軸に沿って、第２の複数の電極を配列することと、
１つ以上の第２のＤＣ電圧源を前記第２の複数の電極に接続することであって、前記１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、使用中、前記第２の複数の電極のそれぞれをあるＤＣ電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源を前記第２の複数の電極に接続することと、
前記電位プロファイルが、使用中、前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されるように、前記第１の複数の電極中の前記電極の長さ、前記第１及び第２の複数の電極に印加される前記電圧、ならびに前記デバイスの前記縦軸に沿った前記電極の前記位置を選択することと、
を含み、前記１つ以上の第１のＤＣ電圧源及び／または前記１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、前記電位プロファイルをオン及びオフにパルス化するために、オン及びオフにパルス化されるように構成される、
前記方法。
【請求項２】
使用中、前記電位プロファイルは、前記デバイスの前記縦軸に沿って非線形に変化するか、または使用中、前記電位プロファイルは、二次関数もしくは高次関数として、前記デバイスの前記軸に沿って変化する、請求項１に記載の前記方法。
【請求項３】
使用中、実質的に平滑な軸方向電場が前記デバイス内に生成されるような距離、前記第１の複数の電極の縦方向に隣接する電極が、前記縦軸に沿って互いから離間するように、前記第２の複数の電極中の各電極の前記長さが選択される、請求項１または２に記載の前記方法。
【請求項４】
前記第１及び第２の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って、実質的に連続した表面を形成するために、前記第１及び第２の電極が互いと直接隣接して配列される、請求項１〜３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項５】
前記１つ以上の第１の電圧源は、使用中、前記第１の複数の電極のそれぞれを、同じ電圧で維持するように構成され、この電圧は、前記第２の電圧源によって、前記第２の複数の電極に印加される前記電圧（複数可）とは異なる、請求項１〜４のいずれかに記載の前記方法。
【請求項６】
前記第１の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って連続的に配列される電極からなり、これらの電極に印加される前記電圧は、前記配列内の前記電極の前記位置の関数として線形に変化する、請求項１〜５のいずれかに記載の前記方法。
【請求項７】
前記第１の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って連続的に配列される電極からなり、これらの電極に印加される前記電圧は、前記配列内の前記電極の前記位置の関数として、二次形式で変化する、請求項１〜５のいずれかに記載の前記方法。
【請求項８】
前記第１の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って連続的に配列される電極からなり、これらの電極の前記長さは、前記配列内の前記電極の前記位置の関数として、線形に変化する、請求項１〜７のいずれかに記載の前記方法。
【請求項９】
前記第１の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って連続的に配列される電極からなり、これらの電極の前記長さは、前記配列内の前記電極の前記位置の関数として、二次形式で変化する、請求項１〜７のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１０】
前記第２の複数の電極の隣接する電極の前記長さと組み合わせて、前記第１の複数の電極中の任意の所与の電極の前記長さは、前記デバイスに沿った任意の点で一定である、請求項１〜９のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１１】
前記第１の複数の電極中の電極の数は、≧５である、請求項１〜１０のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１２】
前記第１の複数の電極中の少なくともｘ個の電極は、異なる長さを有し、ｘは、＞２、＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、＞３０、＞３５、＞４０、＞４５、＞５０、＞６０、＞７０、＞８０、＞９０、及び＞１００からなる群から選択される、ならびに／または
前記第２の複数の電極中の少なくともｙ個の電極は、異なる長さを有し、ｙは、＞２、＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、＞３０、＞３５、＞４０、＞４５、＞５０、＞６０、＞７０、＞８０、＞９０、及び＞１００からなる群から選択される、請求項１〜１１のいずれかに記載の前記方法。
【請求項１３】
荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用してそれら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、
前記荷電粒子を操作するための前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されることが望ましい、電位プロファイルを選択することと、
前記デバイスの前記縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することであって、前記デバイスの前記縦軸に沿った方向の前記電極の長さは、前記デバイスの前記縦軸に沿った距離の関数として変化する、前記デバイスの前記縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することと、
１つ以上の第１の電圧源を前記第１の複数の電極に接続することであって、前記１つ以上の電圧源は、使用中、１つ以上の電圧を前記第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１の電圧源を前記第１の複数の電極に接続することと、
前記デバイスの前記縦軸に沿って、第２の複数の電極を配列することであって、前記第２の複数の電極のうちの１つは、前記第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列されることと、
１つ以上の第２の電圧源を前記第２の複数の電極に接続することであって、前記電圧源は、使用中、前記第２の複数の電極のそれぞれをある電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２の電圧源を前記第２の複数の電極に接続することと、
前記電位プロファイルが、使用中、前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されるように、前記第１の複数の電極中の前記電極の前記長さ、前記第１及び第２の複数の電極に印加される前記電圧、ならびに前記デバイスの前記縦軸に沿った前記電極の前記位置を選択することと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記電位プロファイルは、静電位プロファイルである、請求項１３に記載の前記方法。
【請求項１５】
前記第１及び／または第２の電圧源は、前記電極が、使用中、ＤＣ電圧で維持されるようなＤＣ電圧源である、請求項１３または１４に記載の前記方法。
【請求項１６】
荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用してそれらを操作するための前記デバイスであって、
前記デバイスの前記縦軸に沿って配列される、第１の複数の電極であって、前記デバイスの前記縦軸に沿った方向の前記電極の長さは、前記デバイスの前記縦軸に沿った距離の関数として変化する、第１の複数の電極と、
前記第１の複数の電極に接続される、１つ以上の第１のＤＣ電圧源であって、前記１つ以上のＤＣ電圧源は、使用中、１つ以上のＤＣ電圧を前記第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１のＤＣ電圧源と、
前記デバイスの前記縦軸に沿って配列される、第２の複数の電極であって、前記第２の複数の電極のうちの１つは、前記第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、第２の複数の電極と、
前記第２の複数の電極に接続される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源であって、前記ＤＣ電圧源は、使用中、前記第２の複数の電極のそれぞれをあるＤＣ電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源と、
を備え、前記第１及び第２の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って配列され、前記第１及び第２の電圧源は、電位プロファイルが、使用中、前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されるように選択され、
前記１つ以上の第１のＤＣ電圧源及び／または前記１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、前記電位プロファイルをオン及びオフにパルス化するために、オン及びオフにパルス化されるように構成される、
前記デバイス。
【請求項１７】
荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用してそれらを操作するための前記デバイスであって、
前記デバイスの前記縦軸に沿って配列される、第１の複数の電極であって、前記デバイスの前記縦軸に沿った方向の前記電極の長さは、前記デバイスの前記縦軸に沿った距離の関数として変化する、第１の複数の電極と、
前記第１の複数の電極に接続される、１つ以上の第１の電圧源であって、前記１つ以上の電圧源は、使用中、１つ以上の電圧を前記第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１の電圧源と、
前記デバイスの前記縦軸に沿って配列される、第２の複数の電極であって、前記第２の複数の電極のうちの１つは、前記第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、第２の複数の電極と、
前記第２の複数の電極に接続される、１つ以上の第２の電圧源であって、前記電圧源は、使用中、前記第２の複数の電極のそれぞれをある電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２の電圧源と、
を備え、前記第１及び第２の複数の電極は、前記デバイスの前記縦軸に沿って配列され、前記第１及び第２の電圧源は、電位プロファイルが、使用中、前記デバイスの前記縦軸に沿って構築されるように選択される、
前記デバイス。
【請求項１８】
前記デバイスは、イオンミラー、または飛行時間型質量分析装置の加速領域もしくはリフレクトロンである、請求項１６または１７に記載の前記デバイス。
【請求項１９】
前記デバイスは、飛行時間型質量分析装置であり、前記デバイスは、イオンが前記縦軸に直角に前記デバイスに入るように構成され、前記デバイスは、イオンが、それらの質量対電荷比に従って、前記縦軸に沿って加速され、分離するように、前記デバイスの前記縦軸の前記全長に沿って、前記電位プロファイルをパルス化または構築するように構成される、請求項１８に記載の前記デバイス。
【請求項２０】
請求項１〜１５のいずれか１項に従って形成されるデバイス、または請求項１６〜１９のいずれか１項で請求されるデバイスを備える、質量分析計またはイオン移動度分析計であって、前記荷電粒子は、イオンである、前記質量分析計またはイオン移動度分析計。
【請求項２１】
荷電粒子を操作する方法、または質量分析またはイオン移動度分析の方法であって、
請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の前記デバイスまたは分析計を提供することと、
非線形電位プロファイルが、前記デバイスの縦軸に沿って構築されるように、前記１つ以上の第１の電圧源で、前記１つ以上の電圧を前記第１の複数の電極に印加し、前記１つ以上の第２の電圧源で、前記１つ以上の電圧を前記第２の複数の電極に印加することと、
荷電粒子が前記デバイスの前記縦軸に沿って移動するとき、前記電位プロファイルを使用して、それらを操作することと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年５月１６日出願の英国特許出願第１３０８８４７．１号、及び２０１４年５月１６日出願の欧州特許出願第１３１６７９９１．２号からの優先権及びその利益を主張する。これらの出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、電場を使用して、荷電粒子を操作するためのデバイスに関する。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ためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
質量分析計においてイオンを操作するために、電場を使用することが望ましい。典型的には、イオンを操作するためのデバイスは、デバイスの縦軸に沿って離間した一連の電極を備える。所望の方法でイオンを操作するために、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、電圧が電極に印加される。これらのデバイス中の隣接する電極は、各電極を所望の電位で維持するために、抵抗器また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達成するために、異なる抵抗を有する多くの抵抗器、また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ことが必要な場合がある。これは、特に、異なるコンデンサが必要とされる場合、コンデンサの静電容量を所望の値に正確に変化させることが困難であるため、デバイスの製造を困難にする。
【０００４】
質量分析計においてイオンを操作するためのデバイスの一例は、直交加速型飛行時間（ＴＯＦ）質量分析計である。これは、典型的には、加速領域及びリフレクトロンなど、電場強度が異なる一連の定電場の領域を備える。イオンが飛行するデバイスの大部分におけるこれらの場を支持するために、所望の内部またはバルク電場の境界条件を密接に模倣する、一連の別々の電極に、異なる電圧が印加される。一段リフレクトロンの例において、リフレクトロンは、互いに隣接して配列され、等しい値の抵抗器からなる電位分割器を介して接続される、同一長さの一連の円筒電極から形成される。得られた電場は、電極の表面の近くで不連続性を有するが、これらの不連続性は、分析器の動作に所望である、平滑な定電場を提供するために、電極の表面から離れて迅速に緩和する。デバイスの良好な動作を可能にするために、そのような電極の複雑性及び数を最小限に抑えるが、なおデバイスの大部分における電場の十分な緩和を得ることが望ましい。
【０００５】
デバイスに沿って離間した一連の電極に、適切な電位関数を適用することによって、より複雑な高次電場もまた、デバイスに沿って作られ得る。所望のバルク場が支持された場である、すなわち、それがラプラスの方程式を満たすという条件で、画定された幾何学的表面に沿って、境界条件に密接に従う、別々の電極への電位関数の慎重な適用は、電場が所望の形態に迅速に緩和することを可能にする。バルク場の精度は、それらに印加される電極及び電圧の位置の精度によって決まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際特許出願第２０１２／１３２５５０号
【特許文献２】米国特許第２８９６０８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
所望の電位プロファイルは、ある特定の電位プロファイルに対して比較的容易に達成され得るが、これは、電位プロファイルが高次関数に従うことが望ましいとき、より困難になる。電位プロファイルがオン／オフにパルス化される必要がある場合もまた、問題が起こる。パルス化された電場を必要とする領域を画定する電極は、異なる電圧を異なる電極を提供するために、電極間に容量分割器を有しなければならない。しかしながら、そのような分割器は、概して低い公差を有し、各コンデンサに対して必要とされる静電容量を正確に提供することが困難である。一例として、そのような問題は、ＴＯＦ質量分析計のパルス化されたイオン抽出領域中で生じる可能性がある。
【０００８】
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、改善されたデバイス、改善された質量分析計、及び改善された質量分析法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様から、本発明は、荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用して、それらを操作するためのデバイスを製造する方法を提供し、該方法は、
荷電粒子を操作するためのデバイスの縦軸に沿って構築されることが望ましい、電位プロファイルを選択することと、
デバイスの縦軸に沿って、第１の複数の電極を配列することであって、デバイスの縦軸に沿った方向の電極の長さは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化する、デバイスの縦軸に沿って、第１の複数の電極を配列することと、
１つ以上のＤＣ第１の電圧源を該第１の複数の電極に接続することであって、１つ以上のＤＣ電圧源が、使用中、１つ以上のＤＣ電圧を第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上のＤＣ第１の電圧源を該第１の複数の電極に接続することと、
デバイスの縦軸に沿って、第２の複数の電極を配列することであって、第２の複数の電極のうちの１つは、第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、デバイスの縦軸に沿って、第２の複数の電極を配列することと、
１つ以上の第２のＤＣ電圧源を該第２の複数の電極に接続することであって、該１つ以上のＤＣ電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれをあるＤＣ電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源を該第２の複数の電極に接続することと、
該電位プロファイルが、使用中、デバイスの縦軸に沿って構築されるように、該第１の複数の電極中の電極の該長さ、第１及び第２の複数の電極に印加される電圧、ならびにデバイスの縦軸に沿った該電極の位置を選択することと、
を含み、該１つ以上の第１のＤＣ電圧源及び／または該１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、電位プロファイルをオン及びオフをパルス化するために、オン及びオフにパルス化されるように構成される。
【００１０】
本発明は、デバイスに沿って所望の軸方向電位プロファイルを構築するために、第１の電極セット中の電極の長さを変化させる。典型的には、電圧源を所望の電圧に正確に調整することよりも、電極をそれらの所望の長さに正確に機械加工することがより簡単であるため、本発明は、改善された製造方法を提供する。さらに、電極の長さを変化させることによって、本発明は、多くの異なる抵抗または静電容量を有する電気成分を使用する必要なく、非線形軸方向電位プロファイルが達成されることを可能にする。
【００１１】
本発明は、電位プロファイルがオン及びオフにパルス化される必要があるときに起こる問題を克服する。従来、パルス化された電場を必要とする領域を画定する電極は、同じ長さを有し、所望の電位プロファイルを生成する異なる電極に、異なるパルス化された電圧を提供するために、それらの間に容量分割器が備わっている。しかしながら、そのような容量分割器は、概して低い公差を有し、したがって、所望の電位プロファイルを正確に形成するために必要とされる正確な静電容量値を、分割器に提供することが困難である。従来の配列とは対照的に、本発明は、デバイスに沿って、所望の軸方向電位プロファイルを構築するために、第１の電極セット中の電極の長さを変化させる。典型的には、分割器の静電容量を正確に調整することよりも、電極をそれらの所望の長さに正確に機械加工することがより簡単であるため、本発明は改善を提供する。
【００１２】
例えば、イオン光学レンズなど、配列中に異なる長さを有する電極を提供することが既知である。国際特許出願第２０１２／１３２５５０号（特許文献１）の図１は、そのような配列を開示する。また、米国特許第２８９６０８３号（特許文献２）にあるように、異なる長さの電極から形成されるイオン加速器を提供することも既知である。しかしながら、上記の問題を克服するために、かつ所望の精度で、パルス化されたＤＣ軸方向電場を生成するために、電極の長さが変化され得ることは、これまで認識されていない。
【００１３】
第１の複数の電極中の電極は、所望の電圧を電極に提供するために、容量分割器及び／または抵抗器を介して、該１つ以上の第１の電圧源に接続されてもよい。加えて、またはあるいは、第２の複数の電極中の電極が、所望の電圧を電極に提供するために、容量分割器及び／または抵抗器を介して、該１つ以上の第２の電圧源に接続されてもよい。
【００１４】
好ましくは、該１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれを、同じＤＣ電圧で維持するように構成される。
【００１５】
好ましくは、使用中、電位プロファイルは、デバイスの縦軸に沿って、非線形に変化する。使用中、電位プロファイルは、二次関数または高次関数として、デバイスの軸に沿って変化してもよい。
【００１６】
第１の複数の電極の各縦方向に隣接する対中の電極間の空間は、デバイスの縦軸に沿った位置の関数として変化してもよい。
【００１７】
第２の複数の電極中の各電極の長さは、好ましくは、使用中、平滑な軸方向電場がデバイス内で生成されるような距離、第１の複数の電極の縦方向に隣接する電極が、縦軸に沿って互いから離間するように選択される。電極に非常に近い電場は、平滑にはならないが、デバイスの大部分における電場は、荷電粒子が移動する場合、平滑になるはずであることが理解されるであろう。
【００１８】
電極は、好ましくは、荷電粒子のためのイオン誘導路を提供するように構成される。したがって、電極は、環状、円筒状、または他の管状の形状であってもよく、環、円筒、または管は、縦軸と同軸である。
【００１９】
第２の複数の電極は、デバイスの縦軸に沿って配列され、デバイスの縦軸に沿った方向のこれらの電極の長さは、好ましくは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化する。
【００２０】
第１及び第２の電極は、好ましくは、デバイスの縦軸に沿って、実質的に連続した表面を形成するために、互いと直接隣接して配列される。これは、デバイスに沿って、平滑な軸方向電場を形成するために、第１の複数の電極によって生成される電場が緩和し、重畳されることを可能にする。この配列は、定電圧の電極が、軸方向場を生成するための電極間に提供されない、従来のデバイスとは対照的である。
【００２１】
１つ以上の第１の電圧源は、使用中、第１の複数の電極のそれぞれを同じ電圧で維持するように構成されてもよく、この電圧は、第２の電圧源によって第２の複数の電極に印加される電圧とは異なる。この配列において、第１の複数の電極の長さは、好ましくは、非線形電位プロファイルが、使用中、デバイスに沿って形成されるように、デバイスに沿った位置の関数として非線形に変化する。
【００２２】
あるいは、第１の複数の電極は、デバイスの縦軸に沿って、連続的に配列される電極からなり、電極に印加される電圧は、好ましくは、配列内の電極の位置の関数として線形に変化する。配列中のｎ番目の電極に印加される電圧は、ａ．ｎ＋ｂボルトに等しくてもよく、ここで、「ａ」は、≠０であり、「ｂ」は、定数またはゼロである。この配列において、第１の複数の電極の長さは、好ましくは、非線形電位プロファイルが、使用中、デバイスに沿って形成されるように、デバイスに沿った位置の関数として、線形または高次で変化する。
【００２３】
あるいは、電極に印加される電圧は、配列内の電極の位置の関数として、二次形式で変化してもよい。配列中のｎ番目の電極に印加される電圧は、ａ．ｎ２＋ｂ．ｎ＋ｃボルトに等しくてもよく、ここで、ａ≠０であり、ｂ及びｃは、ゼロまたは定数である。
【００２４】
あるいは、電極に印加される電圧は、配列内の電極の位置の関数として、三次形式で変化してもよい。配列中のｎ番目の電極に印加される電圧は、ａ．ｎ３＋ｂ．ｎ２＋ｃ．ｎ＋ｄボルトに等しくてもよく、ここで、ａ≠０であり、ｂ、ｃ、及びｄは、定数またはゼロである。三次関数よりも高次である電圧関数もまた、考慮される。
【００２５】
第２の電圧源は、第２の複数の電極のそれぞれを、接地電圧または別の非ゼロ電圧で維持する。
【００２６】
第１の複数の電極は、デバイスの縦軸に沿って、連続的に配列される電極からなり、電極の長さは、配列内の電極の位置の関数として、線形に変化してもよい。配列中のｎ番目の電極の長さは、ａ．ｎ＋ｂの長さ単位に等しくてもよく、ここで、ａ≠０であり、ｂは、定数またはゼロである。
【００２７】
あるいは、電極の長さは、配列内の電極の位置の関数として、二次形式で変化してもよい。配列中のｎ番目の電極の長さは、ａ．ｎ２＋ｂ．ｎ＋ｃの長さ単位に等しくてもよく、ここで、ａ≠０であり、ｂ及びｃは、定数またはゼロである。
【００２８】
あるいは、電極の長さは、配列内の電極の位置の関数として、三次形式で変化してもよい。配列中のｎ番目の電極の長さは、ａ．ｎ３＋ｂ．ｎ２＋ｃ．ｎ＋ｄの長さ単位に等しくてもよく、ここで、ａ≠０であり、ｂ、ｃ、及びｄは、定数またはゼロである。三次関数よりも高次である関数もまた、考慮される。
【００２９】
本発明は、第１の電極の長さを変化させる効果を、異なる電圧プロファイルを第１の電極に印加する効果と組み合わせてもよい。例えば、デバイスに沿って、二次軸方向電位を作るために、第１の複数の電極中の電極の長さは、デバイスの長さに沿って線形に変化してもよく、これらの電極に印加される電圧は、デバイスに沿って線形に変化してもよい。長さ及び／または電圧は、二次関数よりも高次関数に従うより高い軸方向電位プロファイルを作るために、線形関数よりも高次関数に従ってもよい。
【００３０】
第２の複数の電極の隣接する電極の長さと組み合わせた、第１の複数の電極中の任意の所与の電極の長さは、好ましくは、デバイスに沿った任意の点で一定である。したがって、第１の複数の電極中の電極が、デバイスに沿ってより短くなるにつれて、第２の複数の電極中の電極は、デバイスに沿ってより長くなる。
【００３１】
該第１及び／または第２の複数の電極中の電極の数は、好ましくは、≧５である。該第１の複数の電極及び／または第２の複数の電極中の電極の数は、＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、または＞３０からなる群から選択されてもよい。
【００３２】
好ましくは、該第１の複数の電極中の少なくともｘ個の電極は、異なる長さを有し、ｘは、＞２、＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、＞３０、＞３５、＞４０、＞４５、＞５０、＞６０、＞７０、＞８０、＞９０、及び＞１００からなる群から選択される。
【００３３】
好ましくは、該第２の複数の電極中の少なくともｙ個の電極は、異なる長さを有し、ｙは、＞２、＞３、＞４、＞５、＞６、＞７、＞８、＞９、＞１０、＞１５、＞２０、＞２５、＞３０、＞３５、＞４０、＞４５、＞５０、＞６０、＞７０、＞８０、＞９０、及び＞１００からなる群から選択される。
【００３４】
電位プロファイルは、好ましくは、荷電粒子をデバイスに通す、または荷電粒子を捕捉するために、使用中、デバイス縦方向に沿って変化する。
【００３５】
該電位プロファイルは、好ましくは、実質的にデバイスの中心軸に沿って配列される、電位プロファイルである。電極は、好ましくは、該軸を包囲する。
【００３６】
電極に印加される電圧は、好ましくは、使用中、支持されたラプラシアン電場を作る。
【００３７】
本発明はまた、電位プロファイルがオン及びオフにパルス化されない状況においても有利である。したがって、第１及び／または第２のＤＣ電圧源が、電位プロファイルをオン及びオフにパルス化するために、オン及びオフにパルス化されるように構成されることは、本発明にとって必須ではない。加えて、またはあるいは、第１及び／または第２の電圧源がＤＣ電圧源であることは、本発明にとって必須ではない。例えば、本発明は、デバイスに沿って、所望の軸方向電位プロファイルを構築するために、第１の電極セット中の電極の長さを変化させることによって利益を提供する。典型的には、電圧源を所望の電圧に正確に調整することよりも、電極をそれらの所望の長さに正確に機械加工することがより簡単であるため、本発明は、改善されたデバイスを提供する。さらに、電極の長さを変化させることによって、本発明は、多くの異なる抵抗または静電容量を有する電気成分を使用する必要なく、非線形軸方向電位プロファイルが達成されることを可能にする。
【００３８】
したがって、第２の態様から、本発明は、荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用して、それらを操作するためのデバイスを製造する方法を提供し、該方法は、
荷電粒子を操作するためのデバイスの縦軸に沿って構築されることが望ましい、電位プロファイルを選択することと、
デバイスの縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することであって、デバイスの縦軸に沿った方向の電極の長さは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化する、デバイスの縦軸に沿って、少なくとも第１の複数の電極を配列することと、
１つ以上の第１の電圧源を該第１の複数の電極に接続することであって、１つ以上の電圧源は、使用中、１つ以上の電圧を第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１の電圧源を該第１の複数の電極に接続することと、
デバイスの縦軸に沿って、第２の複数の電極に配列することであって、第２の複数の電極のうちの１つは、第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、デバイスの縦軸に沿って、第２の複数の電極に配列することと、
１つ以上の第２の電圧源を該第２の複数の電極に接続することであって、電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれをある電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２の電圧源を該第２の複数の電極に接続することと、
該電位プロファイルが、使用中、デバイスの縦軸に沿って構築されるように、該第１の複数の電極中の電極の該長さ、第１及び第２の複数の電極に印加される電圧、ならびにデバイスの縦軸に沿った該電極の位置を選択することと、
を含む。
【００３９】
電位プロファイルは、静電位プロファイル、すなわち、オン及びオフにパルス化されていないものであってもよい。
【００４０】
好ましくは、該１つ以上の第２の電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれを同じ電圧で維持するように構成される。
【００４１】
第１及び／または第２の電圧源は、使用中、電極がＤＣ電圧で維持されるようなＤＣ電圧源であってもよい。
【００４２】
本発明はまた、本明細書に記載される方法のうちのいずれか１つに従って製造される、デバイスを提供する。
【００４３】
第１の態様から、本発明は、荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用して、それらを操作するためのデバイスを提供し、該デバイスは、
デバイスの縦軸に沿って配列される、第１の複数の電極であって、デバイスの縦軸に沿った方向の電極の長さは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化する、第１の複数の電極と、
該第１の複数の電極に接続される、１つ以上の第１のＤＣ電圧源であって、１つ以上のＤＣ電圧源は、使用中、１つ以上のＤＣ電圧を第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１のＤＣ電圧源と、
デバイスの縦軸に沿って配列される、第２の複数の電極であって、第２の複数の電極のうちの１つは、第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、第２の複数の電極と、
該第２の複数の電極に接続される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源であって、ＤＣ電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれをあるＤＣ電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２のＤＣ電圧源と、
を備え、第１及び第２の複数の電極は、デバイスの縦軸に沿って配列され、第１及び第２の電圧源は、非線形電位プロファイルが、使用中、デバイスの縦軸に沿って構築されるように選択され、
１つ以上の第１のＤＣ電圧源及び／または該１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、電位プロファイルをオン及びオフにパルス化するために、オン及びオフにパルス化されるように構成される。
【００４４】
好ましくは、該１つ以上の第２のＤＣ電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれを同じＤＣ電圧で維持するように構成される。
【００４５】
第２の態様によると、本発明はまた、荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、軸方向電場を使用して、それらを操作するためのデバイスを提供し、該デバイスは、
デバイスの縦軸に沿って配列される、第１の複数の電極であって、デバイスの縦軸に沿った方向の電極の長さは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化する、第１の複数の電極と、
該第１の複数の電極に接続される、１つ以上の第１の電圧源であって、１つ以上の電圧源は、使用中、１つ以上の電圧を第１の複数の電極に印加するように構成される、１つ以上の第１の電圧源と、
デバイスの縦軸に沿って配列される、第２の複数の電極であって、第２の複数の電極のうちの１つは、第１の複数の電極中の各縦方向に隣接する電極対間に配列される、第２の複数の電極と、
該第２の複数の電極に接続される、１つ以上の第２の電圧源であって、電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれをある電圧で維持するように構成される、１つ以上の第２の電圧源と、
を備え、第１及び第２の複数の電極は、デバイスの縦軸に沿って配列され、第１及び第２の電圧源は、非線形電位プロファイルが、使用中、デバイスの縦軸に沿って構築されるように選択される。
【００４６】
好ましくは、該１つ以上の第２の電圧源は、使用中、第２の複数の電極のそれぞれを同じ電圧で維持するように構成される。
【００４７】
本発明の第１または第２の態様のデバイスは、イオンミラー、または飛行時間型質量分析装置の加速領域もしくはリフレクトロンであってもよい。本発明はまた、本明細書に記載されるデバイスを備える、質量分析計またはイオン移動度分析計を提供し、荷電粒子は、好ましくはイオンである。
【００４８】
本デバイスは、飛行時間型質量分析装置であってもよく、本デバイスは、イオンが縦軸に直角にデバイスに入るように構成され、本デバイスは、イオンが、それらの質量対電荷比に従って、縦軸に沿って加速され、分離するように、デバイスの縦軸の全長に沿って、該電位プロファイルをパルス化または構築するように構成される。
【００４９】
本デバイスは、デバイスを製造する方法と関連して本明細書に記載される、特徴のいずれか１つまたは組み合わせを備えてもよい。
【００５０】
本デバイスは、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デバイス、または飛行時間型質量分析装置である。
【００５１】
本発明はまた、本明細書に記載されるデバイスを使用することを含む、荷電粒子を操作する方法を提供し、荷電粒子を操作するために該電位プロファイルを使用することを含む。本発明は、荷電粒子を操作する方法、または本明細書に記載されるデバイスまたは分析計を提供することと、非線形電位プロファイルが、デバイスの縦軸に沿って構築されるように、該１つ以上の第１の電圧源で、該１つ以上の電圧を第１の複数の電極に印加し、該１つ以上の第２の電圧源で、該１つ以上の電圧を第２の複数の電極に印加することと、荷電粒子がデバイスの縦軸に沿って移動するとき、電位プロファイルを使用して、それらを操作することとを含む、質量分析またはイオン移動度分析法を提供する。
【００５２】
本発明の第２の態様に従った方法、デバイス、または分析計は、本発明の第１の態様と関連して本明細書に記載される好ましい、または任意の特徴のいずれか１つ、または任意の組み合わせを有してもよい。
【００５３】
第１及び第２の複数の電極のみが記載されてきたが、第３の複数の電極がデバイスの縦軸に沿って配列され得ることが考慮される。第３の複数の電極のうちの１つは、第１の複数の電極の縦方向に隣接する電極対間に配列されてもよい。
【００５４】
デバイスの縦軸に沿った方向の第３の複数の電極中の電極の長さは、デバイスの縦軸に沿った距離の関数として変化してもよい。長さは、第１の複数の電極に関して記載されるように、線形、二次的、三次的に、または高次関数によって変化してもよい。
【００５５】
１つ以上の第３の電圧源は、該第３の複数の電極に接続されてもよく、１つ以上の電圧源は、使用中、１つ以上の電圧を第３の複数の電極に印加するように構成される。第３の複数の電極は、同じ電圧で、または第１の複数の電極に関して上記に記載される線形、二次、三次、もしくは高次関数の後の電圧で、維持されてもよい。
【００５６】
第１、第２、及び第３の複数の電極の電極は、好ましくは、デバイスの縦軸に沿って、実質的に連続した表面を形成するために、互いと直接隣接して配列される。
【００５７】
第３の複数の電極に印加される電圧（複数可）は、好ましくは、オン及びオフにパルス化されてもまたはされなくてもよい、ＤＣ電圧である。
【００５８】
第４またはさらなる複数の電極のセットもまた、採用され得る。
【００５９】
本発明はまた、本明細書に記載される荷電粒子を操作する方法を含み、さらに荷電粒子を質量分析することを含む、質量分析法を提供する。
【００６０】
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）フィールドイオン化（「ＦＩ」）イオン源；（ｘｉ）フィールド脱離（「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）液体二次イオン質量分析（「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）インパクターイオン源；（ｘｘｉｉ）リアルタイム直接分析（「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）マトリクス支援入口イオン化（「ＭＡＩＩ」）イオン源；及び（ｘｘｖｉ）溶媒支援入口イオン化（「ＳＡＩＩ」）イオン源からなる群から選択される、イオン源、ならびに／または
（ｂ）１つ以上の連続またはパルス化イオン源、ならびに／または
（ｃ）１つ以上のイオンガイド、ならびに／または
（ｄ）１つ以上のイオン移動度分離デバイス、及び／もしくは１つ以上のフィールド非対称イオン移動度分析計デバイス、ならびに／または
（ｅ）１つ以上のイオントラップもしくは１つ以上のイオントラッピング領域、ならびに／または
（ｆ）（ｉ）衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス；（ｉｉ）表面誘起解離（「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）電子衝突もしくは衝撃解離フラグメンテーションデバイス；（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス；（ｖｉｉ）レーザー誘起解離フラグメンテーションデバイス；（ｖｉｉｉ）赤外線放射誘起解離デバイス；（ｉｘ）紫外線放射誘起解離デバイス；（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）インソース衝突誘起解離フラグメンテーションデバイス；（ｘｉｉｉ）熱もしくは温度源フラグメンテーションデバイス；（ｘｉｖ）電場誘起フラグメンテーションデバイス；（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーションデバイス；（ｘｖｉ）磁酵素消化も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）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−イオン反応デバイス；（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−分子反応デバイス；（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−原子反応デバイス；（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−準安定イオン反応デバイス；（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−準安定分子反応デバイス；（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成するためのイオン−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つ以上の衝突、フラグメンテーション、または反応セル、ならびに／または
（ｇ）（ｉ）四重極質量分析計；（ｉｉ）２Ｄもしくは線形四重極質量分析計；（ｉｉｉ）ポールもしくは３Ｄ四重極質量分析計；（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析計；（ｖ）イオントラップ質量分析計；（ｖｉ）磁気セクター質量分析計；（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析計；（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）静電もしくはオービトラップ質量分析計；（ｘ）フーリエ変換静電もしくはオービトラップ質量分析計；（ｘｉ）フーリエ変換質量分析計；（ｘｉｉ）飛行時間型質量分析装置；（ｘｉｉｉ）直交加速型飛行時間質量分析装置；及び（ｘｉｖ）線形加速型飛行時間質量分析装置からなる群から選択される、質量分析計、ならびに／または
（ｈ）１つ以上のエネルギー分析器または静電エネルギー分析器、ならびに／または
（ｉ）１つ以上のイオン検出器、ならびに／または
（ｊ）（ｉ）四重極質量フィルタ；（ｉｉ）２Ｄもしくは線形四重極イオントラップ；（ｉｉｉ）ポールもしくは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）磁気セクター質量フィルタ；（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される、１つ以上の質量フィルタ、ならびに／または
（ｋ）イオンをパルス化するためのデバイスもしくはイオンゲート、ならびに／または
（ｌ）実質的に連続的なイオンビームをパルス化されたイオンビームに変換するためのデバイス、
を備えてもよい。
【００６１】
分析計はさらに、
（ｉ）外側バレル状電極及び同軸内側スピンドル状電極を備える、Ｃトラップ及びオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計であって、第１の動作モードにおいて、イオンはＣトラップに送られ、次いで、オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計に注入され、第２の動作モードにおいて、イオンは、Ｃトラップに、次いで、衝突セルまたは電子移動解離デバイスに送られ、少なくとも一部のイオンは、フラグメントイオンにフラグメント化され、フラグメントイオンは、次いで、オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計に注入される前に、Ｃトラップに送られる、Ｃトラップ及びオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計、及び／または
（ｉｉ）それぞれが、使用中、イオンが送られる開口を有する、複数の電極を備える、積層リングイオンガイドであって、電極の空間は、イオン経路の長さに沿って増加し、イオンガイドの上流部分の電極中の開口は、第１の直径を有し、イオンガイドの下流部分の電極中の開口は、第１の直径よりも小さい第２の直径を有し、ＡＣまたはＲＦ電圧の逆位相が、使用中、連続的電極に印加される、積層リングイオンガイド、
のいずれかを備えてもよい。
【００６２】
分析計は、ＡＣまたはＲＦ電圧を電極に供給するように配列及び適合される、デバイスを備えてもよい。ＡＣまたは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。
【００６３】
ＡＣまたは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。
【００６４】
好ましい実施形態は、支持されたバルク場が、より少ない電極及びより少ない別々の電圧を使用して作られることを可能にする。好ましくは、電極は、デバイスの幾何学的境界に位置する。例えば、円筒形リフレクトロンにおいて、電極は、リフレクトロンの円筒形内側表面を形成する。
【００６５】
本発明に従って、デバイスの縦軸に沿って構築される電位プロファイルは、縦軸に沿って延在する円筒体積または円柱体積にわたって構築されてもよい。
【００６６】
本デバイスは、２つ以上の電極のセットを備え、同じ電圧が、所与のセット内の電極に印加され、異なる電圧が、異なるセットの電極に印加される。所与の電極セット内のデバイスに沿った各電極の長さは、所望のバルク場がデバイス中に作られるように、デバイスの幾何学的境界に沿った電極の位置に応じて変化する。これは、電極は同じ長さを有し、所望のバルク場を形成するために各電極に印加される電圧は異なる、従来の技術とは対照的である。
【００６７】
重畳の原理は、個々の電極のそれぞれによる電場に対する解決法が、最終電場を得るために合わせて追加され得ることを意味する。実際には、電極が、例えば、上記のリフレクトロンの円筒形表面など、明確に定義された幾何学的表面に従う場合、電極セット中の各電極に対する正しい長さを計算することは、より容易である。
【００６８】
必要とされるバルク電場のより大きい精度及びより速い緩和は、デバイスの単位長さ当たりより多い電極を使用することによって得られるが、本デバイスは、その結果より複雑になる。単位長さ当たりの電極数は、デバイスの複雑性と十分な電場緩和との間のバランスを提供するように選択されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
ここで、本発明の種々の実施形態が、ほんの一例として、かつ添付の図面を参照して記載される。
【００７０】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従った、デバイスの概略図を示す。
【図２Ａ】デバイス内の異なる放射状位置における、図１のデバイスに沿って維持される、電位プロファイルを示す。
【図２Ｂ】デバイス内の異なる放射状位置における、図１のデバイスに沿って維持される、電位プロファイルを示す。
【図２Ｃ】デバイス内の異なる放射状位置における、図１のデバイスに沿って維持される、電位プロファイルを示す。
【図２Ｄ】デバイス内の異なる放射状位置における、図１のデバイスに沿って維持される、電位プロファイルを示す。
【図３】本発明の一実施形態における、電極構造及び電極に印加され得る電圧の概略図を示す。
【図４】本発明の別の実施形態における、電極構造及び電極に印加され得る電圧の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
本発明を例示するために、いわゆる「パーフェクトロン」の単純な事例が、ここで記載される。「パーフェクトロン」は、その中心軸の長さに沿って配列される放射線電位関数を有し、デバイスの前及び後端に画定された電位表面を有する、円筒形デバイスである。
【００７２】
図１は、垂直破線の右側の「パーフェクトロン」の好ましい実施形態を示す。デバイスの縦軸に沿って配列され、前側及び後ろ側の等電位面を有する、同心円状電極の２つのセット２、４を備える「パーフェクトロン」。デバイス中の交互の電極は、第１の電極セット４を形成し、接地電位に接続される。このセット中の電極は、デバイスの前端６から離れて移動するにつれて、デバイスの縦方向に徐々に短くなり、デバイスの前端は、垂直破線において配列される。第２の電極セット２は、イオンミラー電位に接続され、デバイスの前端６から離れて移動するにつれて、デバイスの縦方向に徐々に長くなる、電極２を備える。電極の長さ２は、デバイスの前端６からのそれらの距離の二次関数として増加する。デバイスの境界条件効果を排除するために、かつデバイスの真の挙動を検査するために、デバイスの左右対称像が、垂直破線の左側に配列されると見なされる。
【００７３】
図２Ａ〜２Ｄは、デバイス内の異なる放射状位置に対する、デバイスに沿った電位のシミュレーションを示す（すなわち、図１の垂直破線の右側の配列内）。シミュレーションは、デバイスが３ｃｍの半径及び２０ｃｍの長さを有すると仮定する。シミュレーションはまた、垂直破線の左側の配列が垂直破線の右側のデバイスを映すと仮定する。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（すなわち、入口及び出口電極間の１０個の電極）、電極は長さが０．０２５から１０ｍｍまで異なると仮定する。シミュレーションは、第１の電極セット４が接地電位で維持され、第２の電極セット２中の各電極が２００Ｖで維持されると仮定する。
【００７４】
図２Ａは、電極の第１及び第２のセット２、４に印加される電圧により、デバイスの中心軸ｚに沿って維持される電位Φを示す。デバイスの中心軸に沿った電位プロファイルが、二次であることがわかる。
【００７５】
図２Ｂは、電極の第１及び第２のセット２、４に印加される電圧により、中心軸ｚから１ｃｍの半径において、デバイスに沿って維持される電位Φを示す。この半径におけるデバイスに沿った電位プロファイルが、実質的に二次であることがわかる。
【００７６】
図２Ｃは、電極の第１及び第２のセット２、４に印加される電圧により、中心軸ｚから２ｃｍの半径において、デバイスに沿って維持される電位Φを示す。この半径におけるデバイスに沿った電位プロファイルが、概して二次パターンに従うが、電極構造による電位関数の有意なリップルがあることがわかる。
【００７７】
図２Ｄは、電極の第１及び第２のセット２、４に印加される電圧により、中心軸ｚから２．９ｃｍの半径において、デバイスに沿って維持される電位Φを示す。この半径におけるデバイスに沿った電位プロファイルが、所望の二次関数から有意にゆがめられることがわかる。
【００７８】
図２Ａ〜２Ｄは、好ましい実施形態の電極構造が、２つの電圧のみ、すなわち、接地及び２００Ｖを使用して、イオンを操作するためのデバイスに沿って二次電位を生成するために使用され得ることを示す。これは、第２の電極セット２中の異なる電極の長さによって達成される。
【００７９】
図３は、第１の電極セット４と、Ｎ個の電極２の第２のセットとを有する、別の実施形態を示す。湾曲した破線のセットは、デバイス中の電極の数が、図３に示される数よりも大きい可能性があることを示す。デバイス中の電極は、第１のセット４中の電極と第２のセット２中の電極との間で交互に起こる。電極２、４は、連続的な平坦表面を形成するために、互いと直接隣接して配列される。第１の電極セット４は、電気的に接地され、デバイスの右側から左側へと長さが減少する。第２の電極セット２中の電極は、デバイスの右側からデバイスの左側へと長さが増加する。電極は、デバイスの右側からのそれらの距離の関数として、線形で長さが増加する。第２の電極セット２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と増加する。電圧は、第２の電極セット２のＮ番目の電極がＮボルトで維持されるように、線形で増加する。同じ抵抗を有する複数の抵抗器から形成される線形分割器が、異なる電圧を第２の電極セット２に供給するために使用される。
【００８０】
第２の電極セット２中の電極の長さを線形に増加させ、これらの電極に印加される電圧を線形に増加させる効果は、デバイスに沿って生成される二次軸方向電場をもたらす。二次電場は、電圧及び電極の長さが増加する、デバイスに沿った同じ方向に振幅が増加する。したがって、好ましい実施形態が、同じ値の抵抗器のみを備える線形電圧分割器を使用して、二次電場がデバイスに沿って構築されることを可能にすることが理解されるであろう。
【００８１】
図４は、第２の電極セットに沿った電圧勾配を形成するために、抵抗器よりもむしろ、電圧分割器が同じ静電容量値のコンデンサを使用することを除いて、図３のものと実質的に同じである実施形態を示す。二次軸方向電場が、図３に関する上記のように、デバイス内に形成される。図４の実施形態は、軸方向電場がオン及びオフにパルス化されることが望ましい場合、特に有利である。
【００８２】
本発明の技術は、本発明において、変調が、時間的よりもむしろ電極の幅（すなわち、デバイスに沿った長さ）の観点から空間的に生じることを除いて、電子電力変換器において採用されるパルス幅変調技術と同様に、電極幅変調（ＥＷＭ）と称されてもよい。
【００８３】
本発明に従って達成され得る電場の精度は、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、電極を所望の長さに正確に機械加工することが、比較的容易であるため、従来の技術のものより大きい。したがって、本発明の技術は、電極に沿って電圧プロファイルを提供するために、電極間の異なる値の抵抗または容量分割器を使用することに依存する、従来の技術よりも正確である。これは、商業化が可能な好ましい値から逸脱する高次電位関数を達成しようと試みるとき、特に当てはまる。さらに、特定の電極セット中の全ての電極が、本発明の好ましい実施形態において、同じ電圧出力に接続され得るため、本デバイスは、例えば、直交加速型ＴＯＦ技術に見られるものなど、大きい物理的体積を支持する必要がある電場の迅速なパルス化に理想的に適している。
【００８４】
本発明は、境界条件が既知であるという条件で、任意の静電またはパルス化された場の作成に対して一般的適用性を有する。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てもよい。これは、例えば、直交加速型ＴＯＦデバイスなどのデバイスにおいて有用であり得る。
【００８５】
本発明は、好ましい実施形態を参照して記載されてきたが、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の種々の変更が行われ得ることが、当業者に理解されるであろう。
【００８６】
例えば、本発明のデバイスが、質量分析計中でイオンを操作するためのものであることが好ましいが、本デバイスが、他の用途において荷電粒子を操作するために使用されることも考慮される。そのような他の用途の例は、電子顕微鏡、電子分析計、または他のデバイス中の電子の操作である。
【符号の説明】
【００８７】
２・・・第２の電極セット、４・・・第１の電極セット、６・・・デバイスの前端。
【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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【国際調査報告】
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