JP2003529904A - 無線周波数共振器 - Google Patents
無線周波数共振器Info
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Abstract
Description
する。さらに特定すると、本発明は、イオントラップ(捕獲)装置即ち4極イオ
ントラップに関する。
52号によって記載され、通常、3個の電極からなっており、この3個の電極は
、1個のリング電極と、このリング電極の両側に1個ずつ設けた2個のエンド−
キャップ電極である。無線周波数(RF)電圧は通常リング電極に印加され、さ
らに2個のエンド−キャップ電極は通常接地されている。リング電極にはコイル
が接続され、リング電極と2個のエンド−キャップ電極間の容量と同様、リング
電極に接続されたその他全ての回路素子の容量と共に、LC共振器を構成する。
この共振器のQ値が高いので、コイルに直接接続されているかまたはトランス結
合を介して接続されている、低電圧のRFドライバでも、リング電極上に高RF
電圧を効果的に形成することができる。
プ素子として使用することができる。最も有名なイオン源の一つは、電子スプレ
ーイオン化を伴う液体クロマトグラフィーである。イオントラップとの組み合わ
せにおいて将来有望であると思われるその他のイオン源は、マトリックス支援レ
ーザ脱離/イオン化(MALDI)である。
レーザパルスに同期している。PCT出願PCT/GB/00083号に記載さ
れているように、RF電圧の急速スタート法を使用することにより、これらのイ
オンの捕獲効率を最大とすることができる。不幸にも、通常のRFドライバ回路
は低い励起電圧のみを提供し、そのためRF電圧の上昇速度は非常に低い。必要
なRF電圧を樹立するために必要な時間は、通常、RFの数サイクルまたはそれ
以上を必要とする。
/GB98/03856号に記載されている。この方法において、RF共振器は
コイル、コンデンサ手段および、それぞれが内部抵抗を有する2個のスイッチ手
段からなる。各スイッチの一方の端はコイルとコンデンサ手段の結合部に接続さ
れ、ここからRF電圧が供給される。各スイッチ手段の他方の端は、反対の極性
を有する高電圧源に接続されている。この方法は、RF共振器の急速スタートの
ために短時間スイッチ手段の一方を閉成し、および/またはRF共振器の急速終
了のためにある時間間隔で両スイッチ手段を閉成することを含んでいる。この方
法は、RF共振器の急速スタートおよび/または急速終了を達成するが、ある状
況下では、高RF電圧を維持するのが難しい。スイッチ手段は、通常、MOFE
T、IGBT、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等のような半導体スイッチ
ング素子からなる。これらの半導体素子は、導通状態ではない場合、印加電圧に
強く依存する容量を有している。このような環境下では、スイッチング素子の容
量変化のために、RF電圧の上昇に伴って共振周波数のシフトが発生する。
深刻である。共振器の急速スタートにおいて、スイッチ手段の一方は閉成され、
リング電極の電圧は、スイッチ手段が接続されている高電圧源の電圧に近づく。
この時点で、スイッチ手段に印加された電圧は殆どゼロである。次に、初期調整
周波数に対してシフトした周波数で共振器が振動を開始し、それによってRFド
ライバ回路がこのRF電圧を維持することが困難となる。
の目的である。
、コンデンサ手段および他の1個のコンデンサ手段に結合された少なくとも1個
のスイッチ手段、再充電手段および高電圧源手段を有しており、前記スイッチ手
段の一端は、無線周波数電圧が供給される、前記コイルと前記コンデンサ手段の
結合点に接続され、前記スイッチ手段の他端は前記コンデンサ手段によって接地
され、前記再充電手段によって前記高電圧源手段に接続されている。
なくとも1個のスイッチ手段を有し、前記スイッチ手段は複数のスイッチング素
子を有し各スイッチング素子は並列コンデンサおよび、選択的に抵抗に接続され
ているものを有する、無線周波数共振器を備えた装置を提供する。
ルスによって形成され、MALDIイオン源内に構築されたイオン光学系を用い
てイオントラップ内に案内される。イオンが生成される前において、リング電極
上に印加されるRF電圧はゼロである。3個の電極によって取り囲まれたイオン
トラップ領域内にイオンがある場合、前記スイッチ手段は閉成して、リング電極
とエンドキャップ電極間の容量、CRF、例えばRF電圧の測定回路である付加回
路に基づく容量、および浮遊容量を充電する。この充電は、スイッチ手段の別の
側に接続された別のコンデンサCBIASから供給される。一旦容量CRFが充電され
ると、スイッチ手段は即座に開成し、共振器の自由振動を開始させる。急速スタ
ートの後にリング電極上に出現する電圧は、スイッチ手段のそれぞれの側に接続
された容量CRFおよびCBIASの比によって決定され、高電圧源の電圧よりも低く
なる。次に、コンデンサCBIASが高電圧源電圧まで再充電される。スイッチ上に
印加される電圧は急速スタートの直後では殆どゼロであるが、コンデンサCBIAS および高電圧源に接続された再充電手段によって決定される再充電時定数で増加
する。この再充電時定数は、共振器の減衰時定数に近いかまたはこれよりも小さ
く、さらにこの再充電時定数内でスイッチに印加される電圧は、スイッチ手段に
よって引き起こされる容量の変化を減少させるに充分な程度に大きくなる。従っ
て、共振器の急速スタート直後の共振器周波数シフトは、RF発振に反対の方向
の影響を与えず、その結果、共振器は共振条件を維持する。
キャップ電極12および13を備えている。これら3個の電極は、イオン−トラ
ップ領域14を構成する。このエンド‐キャップ電極12および13は電源15
および16に接続されており、これらの電極はそれぞれ、イオントラップ動作の
間に使用される抽出電圧および電圧波形を提供する。コイル2はリング電極11
に接続され、さらにRFドライバ回路3に接続されている。リング電極11に対
して、2個のスイッチ4および5が同様に接続されている。これらのスイッチは
、スイッチング動作の間のオーバーシュートおよび/またはリンギングを防ぐた
めに内部直列抵抗を備えていても良い。
方各スイッチ4、5の他端は対応するコンデンサ21,22を介して接地されて
おり、さらに対応する抵抗23、24を介して図示するように対応する高電圧源
6,7に接続されている。高電圧源6、7は反対の極性を有している。1個のス
イッチ4およびこれに関連する高電圧源6、コンデンサ21および抵抗23を代
替的に用いることが出来ることが理解されるであろう。
に示すものである。この図において、インダクタンスコイルLはコイル2を示し
、スイッチSはスイッチ4を示す。コンデンサCRFは、リング電極11とエンド
−キャップ電極12および13間の容量、例えばRF電圧(図示せず)の測定回
路である付加回路に基づく容量、スイッチ5の容量および寄生容量を示す。コン
デンサCBIASは、コンデンサ21を示し、抵抗Rは抵抗23を示す。電圧源VBI AS は高電圧源6を示す。VBIASは同様に電源電圧を示す。VRFはリング電極11
とスイッチSの一方の側におけるコイルLとの接続点の電圧であり、VCはスイ
ッチSの他方の側、即ちコンデンサCBIASと抵抗Rとの接続点における電圧であ
る。
共振器の急速スタート動作について説明する。スイッチング動作の前、リング電
極VRF上の電圧はゼロであり、コンデンサCBIAS上の電圧VCはVBIASである
。急速スタートの時点で、スイッチSは閉成してコンデンサCRFを充電し、電圧
VRFおよびVCは同じ値を有するようになる。この電圧は、共振器が異常な共振
シフトを起こさないように選択されるものであり、この選択は、ある固定された
部分において急速スタートのために必要なRFピーク電圧に対して電圧VBIASが
常に高く設定されるように、CBIASの容量を調整することによって行われる。次
に、スイッチSが開成され、共振器は振動を開始する。若し、電圧VCが同じ値
に留まっているならば、電圧VRFは各RFサイクルの間においてVCに近づき、
スイッチの容量変化が共振条件を乱す場合がある。しかしながら、実際は、コン
デンサCBIASは抵抗Rを通して再充電され、電圧VCは電圧VBIASを回復する。
その結果、スイッチSの両端の電位差、即ち電圧VRFおよびVC間の差はゼロに
近づかず、そのためスイッチの容量において大きな変化は無い。電圧VCの回復
時定数はRおよびCBIASによって決定され、さらにこれは共振器の減衰時定数に
近いかあるいはこれよりも小さいものとなるように選択される。このようにして
、スイッチの容量変換の効果(VRFおよびVCが互いに接近する場合)は無視し
得るものとなる。さらに、抵抗Rは他のスイッチと置き換えることができる。こ
のスイッチは、RFスタート−アップの前に開成され、RFスタート−アップが
完了した直後に閉成され、コンデンサCBIASを再充電する。このようにして、電
圧VBIAS方向へのVCの回復が急速に行われる。
れが、コンデンサおよび抵抗に並列に接続されたMOSFETスイッチング素子
を備える、3個の同じスイッチングモジュールで構成されている。電圧比を拡大
するためのみではなく、容量および印加電圧に依存する容量の大きな変化を小さ
くするために、複数のスイッチングモジュールを用いる。スイッチングモジュー
ル31A、31Bおよび31CはMOSFET素子であり、ゲート電圧制御回路
は、図面を見やすくするために示されていない。スイッチに印加される電圧が3
個のスイッチングモジュール間で等しく分割された場合、各MOSFETスイッ
チング素子上の電圧は印加電圧の1/3となる。各MOSFET素子の容量にお
ける増加はほぼ、1個のMOSFETモジュールを有するスイッチに対するもの
の31/2倍大きいが、3個のモジュールを有する1個のスイッチの全容量は、1
個のMOSFETモジュールを有する1個のスイッチの容量の、1/31/2とな
る。従って、印加電圧による容量変化は同様に、1個のMOSFETモジュール
を有する1個のスイッチの容量の、1/31/2まで減少する。そのため、並列抵
抗33A、33Bおよび33Cを設けることは、3個のステージ間で印加電圧を
等しく分割するための、簡単な方法である。不幸にも、RF電圧がスイッチに印
加される場合、スイッチに印加される電圧が各ステージ間で等しく分割されない
複数の理由がある。モジュールおよび接地間の寄生容量の効果は、スイッチの一
方の側のRF電圧が印加される場所に位置するモジュールに対して大きい。これ
は、この容量を充電するのにより多くの電荷を必要とするためである。さらに、
各MOSFETスイッチング素子の容量の自然分散が起こる。1個のモジュール
が他のモジュールよりも大きな電圧を印加された場合、および/または1個のモ
ジュールの容量が他のモジュールの容量よりも小さい場合、そのモジュールは大
きな電圧変化を受ける。そのモジュールの電圧はその容量が減少するにしたがっ
て増加し、モジュールの容量が小さくなるとそのモジュールに印加される電圧分
が増加する。従って、そのモジュールの電圧が増加すると、その他のモジュール
のそれよりも大きくなる。その結果、初期電圧または容量差はRF電圧の印加に
よってより大きくなる。各スイッチングモジュールと並列に接続されたコンデン
サ32A、32Bおよび32Cは、この効果を減少させるために特に有用である
。これらのコンデンサの固定容量は、スイッチング素子の容量変化がこの固定容
量と比べて小さくかつ無視できるものであるので、各スイッチングモジュール上
の電圧を均等化する。このように、並列コンデンサ32A、32Bおよび32C
は、RF電圧が図4に示すような複数のスイッチング素子から構成されているス
イッチに印加された場合、共振を安定化させるために重要な役割を果たす。
図。
て示す概略図。
電圧VCを説明的に示すタイミング図。
ング素子を含む、3ステージスイッチの1例を示す図。
する。さらに特定すると、本発明は、イオントラップ(捕獲)装置即ち4重極イ
オントラップに関する。
952号によって記載され、通常、3個の電極からなっており、この3個の電極
は、1個のリング電極と、このリング電極の両側に1個ずつ設けた2個のエンド
−キャップ電極である。無線周波数(RF)電圧は通常リング電極に印加され、
さらに2個のエンド−キャップ電極は通常接地されている。リング電極にはコイ
ルが接続され、リング電極と2個のエンド−キャップ電極間の容量と同様、リン
グ電極に接続されたその他全ての回路素子の容量と共に、LC共振器を構成する
。この共振器のQ値が高いので、コイルに直接接続されているかまたはトランス
結合を介して接続されている、低電圧のRFドライバでも、リング電極上に高R
F電圧を効果的に形成することができる。
ップ素子として使用することができる。最も有名なイオン源の一つは、電子スプ
レーイオン化を伴う液体クロマトグラフィーである。イオントラップとの組み合
わせにおいて将来有望であると思われるその他のイオン源は、マトリックス支援
レーザ脱離/イオン化(MALDI)である。
−キャップ電極12および13を備えている。これら3個の電極は、イオン−ト
ラップ領域14を構成する。このエンド‐キャップ電極12および13は電源1
5および16に接続されており、これらの電極はそれぞれ、イオントラップ動作
の間に使用される抽出電圧および電圧波形を提供する。コイル2はリング電極1
1に接続され、さらにRFドライバ回路3に接続されている。リング電極11に
対して、2個のスイッチ4および5が同様に接続されている。これらのスイッチ
は、スイッチング動作の間のオーバーシュートおよび/またはリンギングを防ぐ
ために内部直列抵抗を備えていても良い。
略図。
て示す概略図。
電圧VCを説明的に示すタイミング図。
ング素子を含む、3ステージスイッチの1例を示す図。
Claims (18)
- 【請求項1】 コイル、コンデンサ手段および他のコンデンサ手段に結合さ
れた少なくとも1個のスイッチ手段、再充電手段および高電圧源を有し、前記ス
イッチ手段の一端は前記コイルおよび前記コンデンサ手段の結合点であって無線
周波数電圧が印加される場所に接続され、さらに前記スイッチ手段の他端は前記
他のコンデンサ手段によって接地されかつ前記再充電手段によって前記高電圧源
に接続されている、高周波共振器を有する装置。 - 【請求項2】 前記再充電手段は抵抗である、請求項1に記載の装置。
- 【請求項3】 前記再充電手段は他のスイッチ手段である、請求項1に記載
の装置。 - 【請求項4】 前記無線周波数共振器はイオントラップ素子の一部である、
請求項1乃至3の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項5】 前記イオントラップ素子は4極イオントラップである、請求
項4に記載の装置。 - 【請求項6】 前記4極イオントラップはMALDIイオン源および/また
は飛行時間質量分析計に結合されている、請求項5に記載の装置。 - 【請求項7】 前記スイッチ手段はスイッチング素子を含む、請求項1乃至
6の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項8】 前記スイッチ手段は直列に接続された複数のスイッチング素
子を備える、請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項9】 前記スイッチング素子のそれぞれは並列コンデンサおよび、
選択的に抵抗と結合されている、請求項8に記載の装置。 - 【請求項10】 前記スイッチング素子は、ゲートドライバ回路を有する、
例えばMOSFET、IGBT,バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の半導
体スイッチング素子を備える、請求項7乃至9の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項11】 前記スイッチ手段は直列抵抗手段に結合されている、請求
項1乃至10の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項12】 前記コンデンサ手段は、リング電極およびエンド−キャッ
プ電極間の容量、例えばRF電圧の測定回路である付加回路に基づく容量、およ
び寄生容量からなる、請求項1乃至11の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項13】 前記少なくとも1個のスイッチ手段は、複数のスイッチン
グ素子を備え、前記各スイッチング素子は並列コンデンサおよび、選択的に抵抗
に結合されている、請求項1乃至12の何れか1項に記載の装置。 - 【請求項14】 無線周波数共振器を備える装置であって、前記無線周波数
共振器は、少なくとも1個のスイッチ手段であって、該スイッチ手段の一端は無
線周波数電圧が印加される接合点に接続され、かつ前記スイッチ手段は複数のス
イッチング素子で構成され、前記各スイッチング素子は並列コンデンサおよび、
選択的に抵抗と結合されているものを有する、無線周波数共振器を備えた装置。 - 【請求項15】 無線周波数共振器を備える装置であって、前記無線周波数
共振器は、コイル、コンデンサ手段および前記コイルと前記コンデンサ手段の結
合点に無線周波数電圧を印加するための装置を備え、さらに、高電圧源手段、充
電回路および少なくとも1個のスイッチ手段であって、前記スイッチ手段の一端
は前記結合点に接続され、前記スイッチ手段の他端は前記充電回路によって前記
高電圧源に接続され、前記充電回路は、前記スイッチ手段が閉成された場合前記
コンデンサ手段を充電し、前記スイッチ手段が開成された場合前記スイッチ手段
の両端に電位差を生じるように調整されている、無線周波数共振器を備える装置
。 - 【請求項16】 前記充電回路はコンデンサおよび抵抗を備える、請求項1
5に記載の装置。 - 【請求項17】 前記充電回路はコンデンサおよび他のスイッチ手段を備え
る、請求項15に記載の装置。 - 【請求項18】 添付の図面を参照して明細書中に記載する装置。
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