JP2014506718A - 質量分析の方法、装置、及びシステム - Google Patents

Abstract

１０から５０ＡＭＵの質量範囲にわたる単位分解能が可能な小型低コスト質量分析計。この質量分析計は、同等の計器類を凌いて設計の性能を高めるいくつかの特徴を組み込んでいる。効率的なイオン源は、測定分解能を犠牲にすることなく比較的低い電力消費を可能にする。可変形状機械フィルタは、可変分解能を可能にする。搭載イオンポンプは、外部ポンプ排気源を不要にする。磁石及び磁気ヨークは、イオンポンプ及び磁気セクター質量分析器を稼動させるために異なる磁束密度の磁場領域を生成する。真空チャンバ内側の搭載デジタルコントローラ及び電力変換回路は、高電圧電気フィードスルーを不要にしながら質量分析計の作動にわたる多大な柔軟性を可能にする。小型質量分析計は、入口ガスの百分率の割合を感知してコンピュータに質量スペクトルデータを戻す。
【選択図】 図１Ａ

Description

〔関連特許出願への相互参照〕
本出願は、２０１１年２月１４日出願の「質量分析計」という名称の米国特許仮出願第６１／４４２，３８５号の恩典を請求するものであり、この出願は、これにより引用によって本明細書に組み込まれる。

本出願はまた、２０１１年１２月１日出願の「自己アラインメントイオン光学系を組み込む構造的堅牢小型質量分析計」という名称の米国特許仮出願第６１／５６５，７６３号の恩典を請求するものであり、この出願は、これにより引用によって本明細書に組み込まれる。

質量分析は、主要な化学分析ツールの１つである。質量分析計は、別の計器（例えば、ガスクロマトグラフ）と共に検出器として使用されることが多く、原子質量により化学種を分離することによってガスサンプルに存在する化学種の相対存在量を判断することができる場合がある。

質量分析は、多くの学問領域にわたって広く使用される。質量分析計は、無人宇宙船に搭載されて送られており、バイキング着陸船の両方ともガスクロマトグラフ／質量分析計（ＧＣＭＳ）パッケージを運び、タイタンの大気に降下されたカッシーニ−ホイヘンス探査機も同じくＧＣＭＳを運んでいる。質量分析計は、生物科学に使用頻度が高く、それらは、蛋白質構造及び配列を判断する一般的に使用される方法の１つである。

薬物動態の医療分野では、質量分析は、人体を通る極めて少量の薬物を追跡するのに使用されている。

質量分析計は、化学的及び生物学的防御のために設計されており、ブロックＩＩ化学生物学的質量分析計（ＣＢＭＳ）は、現場における化学的及び生物学的脅威（例えば、神経物質、バクテリア）を検出することができる可搬型車両搭載計器であるように設計されている。ごく最近では、質量分析計は、２０１０年４月２０日のメキシコ湾マコンド油田流出事故によって放出された炭化水素の追跡を補助するために無人潜水幾に搭載された。

多くの他の分野で同様に質量分析が使用されている。１９７６年という早い時期に、質量分析計は、潜在的に危険な合併症の集中治療において人工呼吸器での患者の呼吸気を連続的に分析するのに使用されている。

従来の質量分析計は極めて万能な計器であるが、本出願人は、一部の欠点があることを認識した。従来の質量分析計は、一般的に有意な量の電力を消費する場合がある大きく複雑かつ高価な計器である。

上記に鑑みて、本明細書に開示する本発明の実施形態は、一部は改良型質量分析計に関し、これは、様々な態様において、手持ち式であるほど十分に小さく、有用な長さの時間にわたって最小の電力で遠隔用途で稼動することができ、かつそれを幅広く配備することができるように建造して組み立てるのに十分に廉価とすることができる。例示的な計器は、空気又は水質モニタリングに向けて広範囲な区域をカバーするために多数を配備し、燃焼工程フィードバック制御に向けて産業排気煙突に設置し、又は病院の人工呼吸器に取り付けるか又は救急室において初期対応ツールとして使用することができる。

本発明の実施形態は、質量分析計と対応する質量分析の方法とを含む。一例示的質量分析計は、約１０^-5ｍｍＨｇ又はそれ未満の真空をサポートする真空空洞を形成する真空ハウジングを真空空洞内に配置された電極及び変換回路と共に含む。約３６Ｖ又はそれ未満の誘電強度を有するフィードスルーは、変換回路と真空空洞の外側の電源との電気接続を提供する。一部の例では、フィードスルーは、真空空洞の内側と真空空洞の外側の唯一の電気接続を提供することができる。変換回路は、フィードスルーを通じて電源から入力電圧（例えば、約１Ｖから約３６Ｖの第１の値の）を受電し、入力電圧を電極電位（例えば、約１００Ｖから約５ｋＶの第２の値の）に変換し、かつ電極電位まで電極を帯電する。電極電位まで帯電された状態で、電極は、真空空洞を通って伝播する荷電粒子の加速を制御する。

１つの例では、荷電粒子は、電子である。このような例では、質量分析計は、電子を供給するために真空空洞内に配置された電子源と、電子を反発するカソードと、分析される粒子に向けて電子を加速するために電子源の反対側の制御電極の側面上に配置されたアノードとを更に含むことができる。変換回路は、アノードのための約１００Ｖから約５ｋＶのアノード電位と、カソードのためのアノード電位よりも低い約７０Ｖのカソード電位と、アノード電位よりも低い約０Ｖ及び約１４０Ｖの電極電位とを供給するように構成することができる。

このような質量分析計はまた、電極電位を制御するか又は変えるために（例えば、電子の加速を制御するために）真空空洞内に配置された電子機器（例えば、マイクロプロセッサ、アナログ／デジタル変換器、又はデジタル／アナログ変換器）を含むことができる。電子機器はまた、荷電粒子の加速に基づいて荷電粒子の質量を判断する検出器に結合することができる。

別の例示的質量分析計及び対応する質量分析の方法は、第１の領域で第１の強度（例えば、約０．１Ｔ）及び第２の領域で第２の強度（例えば、約０．７Ｔ）を有する磁場を発生する磁気ヨーク内の磁石を含む。それはまた、真空空洞を形成する真空ハウジングと、真空空洞の真空圧力を維持するために第１の領域に配置されたイオンポンプと、真空空洞を通って伝播する粒子の質量を判断するために第２の領域に配置された質量分析器（例えば、磁気セクター分析器）とを含む。真空空洞内に配置された制御電極は、粒子をイオン化する電子の加速を制御し、真空空洞内に配置された変換回路は、イオンポンプ、電極、及び／又は質量分析器に１つ又はそれよりも多くの電圧を供給する。

例示的質量分析計の更に別の例は、制御電極の電位を変えるために真空空洞内に配置され、かつ制御電極と電気通信する制御電子機器を含むことができる。それはまた、質量分析器によって供給される信号を処理するために真空空洞内に配置され、かつ変換回路により電源が供給される信号処理電子機器を含むことができる。

このような質量分析計はまた、電子を供給するために真空空洞内に配置された電子源と、真空空洞から電子源を遮蔽するカソードと、分析される粒子に向けて電子を加速するために電子源の反対側の制御電極の側面上に配置されたアノードとを含むことができる。変換回路は、アノードのための約１００Ｖから約５ｋＶのアノード電位と、カソードのためのアノード電位よりも低い約７０Ｖのカソード電位と、アノード電位よりも低い約０Ｖ及び約１４０Ｖとすることができる電極電位とを供給するように構成することができる。更に、変換回路は、約１Ｖから約３６Ｖの第１の値を有する入力電圧を約１００Ｖから約５ｋＶの第２の値の電極電位まで増大させるように構成することができる。

上述の概念及び以下でより詳細に説明する付加的な概念の全ての組合せは（このような概念が相互に矛盾しないことを条件として）、本明細書に開示する本発明の主題の一部であると考えられることを認めるべきである。特に、本発明の開示の終わりに現れる特許請求する主題の全ての組合せは、本明細書に開示する本発明の主題の一部であると考えられる。引用により組み込まれるいずれかの開示に現れる場合もある本明細書に明示的に使用される用語には、本明細書に開示する特定の概念と最も合致する意味を与えるべきであることも認めるべきである。

当業者は、図面が主として例示を目的とし、かつ本明細書に説明する本発明の主題の適用範囲を制限する意図はないことを理解するであろう。図面は、必ずしも原寸に比例しているというわけではなく、一部の事例では、本明細書に開示する本発明の主題の様々な態様は、異なる特徴の理解を容易にするために図面において誇張又は拡大されて示される場合がある。図面では、同様の参照文字は、一般的に同様の特徴（例えば、機能的に類似及び／又は構造的に類似の要素）を指す。

本発明の実施形態による例示的質量分析計のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルの図である。 本発明の実施形態による図１Ａの質量分析計との使用に適切な誘電強度の低いフィードスルーの図である。 本発明の実施形態による図１Ａの磁石ヨークのＣＡＤモデルの図である。 本発明の別の実施形態により１対の永久磁石と、イオンポンプと、質量分析器とに組み合わせた磁石ヨークのコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルの図である。 本発明の実施形態による質量分析計のイオン源電位対イオン質量のプロットを示す図である。 本発明の実施形態によるイオン源における使用に適切な光学系の図である。 本発明の実施形態により個別ダイノード電子増倍器と電位計検出器とを有する質量分析計の概略図である。 本発明の実施形態による大気直結型膜入口の切り欠き図である。 本発明の実施形態によるイオン分析器のシミュレーションの図である。 本発明の実施形態により小型質量分析計を通過する二酸化炭素分子のＳＩＭＩＯＮシミュレーションの図である。 本発明の実施形態によるイオン源及び第１イオンレンズの図である。 緑色位置エネルギ面の湾曲が静電レンズの効果を示し、垂直寸法が位置エネルギであり、一方、２つの水平寸法が質量分析計の平面形態である本発明の実施形態による質量分析計イオン源及び分析器内の位置エネルギ分布の等角投影図である。 電子が線でフィラメントの面から放出され、カソード電位電極がフィラメントを取り囲んでそれを真空チャンバから遮蔽し、グリッド及びアノード電極がシミュレーションの右縁部に示された本発明の実施形態による円筒形Ｐｉｅｒｃｅダイオードイオン源のＳＩＭＩＯＮシミュレーションの側面切り欠き図である。 本発明の実施形態により制御電極が電子放出を抑制するようにバイアスされた図８の円筒形Ｐｉｅｒｃｅダイオードイオン源の側面切り欠き図である。 本発明の実施形態による質量分析計の下にあるプリント回路基板のＣＡＤレイアウトの図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計のＣＡＤレイアウトの図である。 本発明の実施形態によりスリットが屈曲部上に装着された例示的な質量分析器電極のＣＡＤモデルの図である。 本発明の実施形態による調節可能な屈曲部の概略図である。 本発明の実施形態によりワイヤＥＤＭによってステンレス鋼板から切断された電極（左）及び酸化物層を除去するために硝酸中でエッチングされた電極（左）の写真である。 本発明の実施形態により小型イオンポンプのアノードのＣＡＤモデルの図である。 本発明の実施形態により上部カバー及び磁石ヨークが取り外された例示的質量分析計の写真である。 本発明の実施形態により図１６の例示的な質量分析器に対する入射スリットの調節を示す写真である。 本発明の実施形態により試験に使用されるＣｏｎＦｌａｔフランジに取り付けられた組み立てられた質量分析計の写真である。 イオンゲージが左にあり、ターボポンプが底部にある本発明の実施形態により質量分析計の開発に使用された真空チャンバの写真である。 本発明の実施形態による質量分析計のデジタルコントローラのブロック図である。 本発明の実施形態により脱ガス加熱器を有する基板の斜視図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計に対して加熱器移行が示された真空チャンバ圧力対時間のプロットを示す図である。 熱範囲が３０℃（黒色）から６０℃（白色）である本発明の実施形態により加熱器起動後０、１０、２０、６０、３００、及び６００ｓで撮られた分析器基板の熱映像を示す図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計に対するマイクロプロセッサ指令電圧対各レンズドライバの実出力のプロットを示す図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計に対するシステム圧力、イオンポンプ電圧、及びイオンポンプ電流対時間のプロットを示す図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計に対する真空システムの分割後の分単位でのシステム圧力、イオンポンプ電圧、及びイオンポンプ電流のプロットを示す図である。 着色した堆積物がステンレス鋼アノードからのクロミウムである可能性が高い本発明の実施形態により分解されたイオンポンプの板の写真である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計により記録された質量分析グラフを示す図である。 本発明の実施形態による別の例示的質量分析計により記録された空気の質量分析グラフを示す図である。 有効静電レンズ（上側曲線）及び無効静電レンズ（下側曲線）を有する電子ビームによって生成されたイオンのより大きい割合を記録及び使用する値を示す質量分析グラフを示す図である。 ｍ／ｚ２７及び２６のようなピークが広幅のスリット（下側曲線）では見えないが狭いスリット（上側曲線）では容易に見える本発明の実施形態によりイオンビームをフィルタリングするスリットの狭域化の効果を示す質量分析グラフを示す図である。 本発明の実施形態による例示的質量分析計を用いて新しい種、亜硝酸酸化物又はＮ₂Ｏ、及びその断片的な成分ＮＯの検出を示す質量分析グラフを示す図である。 電位計オフセット及びドリフトを除去するために信号から取り去ることができるトレースを生成するために質量分析計の電子源グリッド（制御電極）を使用して記録された質量スペクトルを示す図である。

以下に続くのは、質量分析のための本発明のシステム、方法、及び装置に関連する様々な概念、及びそれらの実施形態のより詳細説明である。開示する概念が実施の特定の方法に限定されないので、多くの方法のいずれかで先に紹介してより詳細に以下に説明する様々な概念を実施することができることを認めなければならない。特定の実施及び用途の例は、主として例示を目的として示すものである。

１．０ 質量分析の概要

質量分析計の多くの異なる実施例が存在し、その構成は、意図する用途に依存することが多い。しかし、一般的に、それらは、同じ基本的な機能ブロック、すなわち、入口、イオン源、質量分析器、検出器、及び真空システムを含む。入口に入るサンプルは、通常は電子ビームでの衝撃によりイオン化され、次に、１つ又はそれよりも多くの電場及び／又は磁場を使用して質量別に分離され、次に、相対存在量が得られるように分析される。

最終的に、質量分析計の実施例の全てにおいて、イオン化されたサンプルの成分の原子質量対電荷（ｍ／ｚ）比を各成分の相対存在量に関連付けるグラフを生成する。例えば、大気のサンプルを測定する質量分析計は、計器の感度に基づいて質量２８、３２、４０、及び４４、及び一部の場合には他のもので成分を見つける。これらの質量は、窒素、酸素、アルゴン、及び二酸化炭素に対応する。質量分析計出力は、質量２８、すなわち、大気ガスの７０％を含む窒素に対して最高の信号強度、次に、３２で酸素（大気の２２％）に対して窒素ピークの信号強度の約１／３、更に、アルゴン及び二酸化炭素に対してより低い信号強度を示すことになる。

質量分析計は、用途により、特定の質量範囲及び分解能に向けて一般的に設計される。質量範囲は、環境ガスモニタリングに向けて設計される計器に対しては１０から５０ＡＭＵ、又は蛋白質分析に使用される計器類に対しては数万ＡＭＵである可能性がある。質量分析計は、多くの場合に、電場又は磁場パラメータの１つを変えることによってこの質量範囲で走査し、質量対電荷（ｍ／ｚ）比及び望ましくはないが時間におけるスペクトルを生成する。走査により、質量が存在する信号強度のピークが生成されることになる。質量分析計の分解能は、これらのピークがどの程度狭いかにより決まり、一部の質量分析計は、単位質量を解像することができるにすぎず、一方、一部の質量分析計は、質量の極めて小さい割合を解像することができる（例えば、２８．０１０での一酸化炭素及び２８．０１３４での窒素のような同じ公称単位質量で現れる異なる化学種を区別するために）。ピークは、全幅半値（ＦＷＨＭ）測定により特徴付けられることが多く、振幅の半分でのピークの幅は、どの質量が可視であることになるかを判断する際に補助することができる。一般的に、狭いピークを生成する質量分析計は、広幅なピークを生成する質量分析計よりも良好な解像力を有する。

図１Ａは、例示を目的として真空ハウジングなしに示された例示的質量分析計１００のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルの等角投影図を示している。図１Ａに示す構成要素は、特に断らない限り、真空ハウジング及び真空フランジ１７０により形成された真空空洞内にある。真空フランジの面に沿って延びる真空ハウジングシール１７２は、漏れを防止し、真空圧力は、１ｅ−５トル又はそれ未満に到達することができる。真空フランジ１７０を通って延びる入口１８０は、分析に向けてサンプルの導入を可能にする。

質量分析計１００は、磁気ヨーク１１４内に１つ又はそれよりも多くの磁石１１２で形成された共有磁気回路１１０を含む。ヨーク１４０は、磁石１１２からの磁束を２つ又はそれよりも多くの磁場領域１１１ａ及び１１１ｂに結合する。第１の領域１１１ａ内のイオンポンプ（一体型イオンポンプ電極１２０として図１Ａに示す）は、真空空洞の内側に真空圧力を維持し、第２の領域１１１ｂ内の磁気セクター質量分析器１３０は、当業技術で理解される質量に従ってイオン化サンプル粒子を分離する。イオン源１０４は、イオンを生成し、イオンは、電子源（図示せず）からの電子を用いて入口１８０を通って入った粒子をイオン化することによってイオン光学系３００で平行化される。磁気質量分析器１３０の一端でのイオン検出器１４０は、検出器１４０により収集されたイオンの数と共に変化する電流を生成する。

質量分析器１３０及びイオン検出器１４０は、以下に説明するように変換回路（高電圧電源）１５０も支持するプリント回路基板（ＰＣＢ）材料から製造することができる平面基板１９０上に装着される。基板１９０は、磁気ヨーク１１４を通じて真空フランジ１７０に装着される。当業者は、他の装着構成も同様に可能であることを容易に認めるであろう。

変換回路１５０は、外部の電源からの約１−３６Ｖ（例えば、１２Ｖ）の入力電圧を電子源、イオン源１０４、イオン光学系３００、及びイオン検出器１４０内のあらゆる電極を含む真空空洞の内側の電極を帯電するのに十分に高い電圧（例えば、１００Ｖから５ｋＶ）に変換又は増大させる。変換回路１５０は、比較的低い誘電強度（例えば、約３６Ｖ又はそれ未満に等しいか又はそれ未満、約２４Ｖに等しいか又はそれ未満、約１２Ｖに等しいか又はそれ未満、又は約９Ｖに等しいか又はそれ未満の誘電強度）を有する単一のフィードスルー（図示せず）を通じて外部の電源に結合することができる。少なくとも１つの実施形態において、この誘電強度の低いフィードスルーは、真空フランジ１７０及び真空ハウジング（図示せず）により形成された真空空洞の内部と外部の唯一の電気接続である。

図１Ｂは、図１Ａの変換回路１５０、真空ハウジング、及び真空フランジ１７０との使用に適切な誘電強度の低いフィードスルー１７４を示している。このような誘電強度の低いフィードスルー１７４は、エポキシで迅速かつ廉価に製造することができ、約３６Ｖ又はそれ未満に等しいか又はそれ未満の誘電強度を有することができる。フィードスルー１７４を製造するために、小さい孔が、真空ハウジングに穿孔され（例えば、真空フランジ１７０を通過して）、フィードスルーワイヤ１７８を受け入れるのにちょうど十分に大きい直径に真空側の方向にテーパがつけられ、フィードスルーワイヤ１７８は、裸又は共形絶縁被覆（例えば、マグネットワイヤ）することができる。ワイヤ１７８が位置決めされ、孔は、エポキシシール又はプラグ１７６を形成するためにガス放出速度の遅いエポキシで埋め戻される。この構成では、エポキシプラグ１７６は、殆ど力を受けず、真空フランジ１７０又はハウジングは、孔が殆どワイヤ１７８により満たされてエポキシ１７６が所定の位置にワイヤ１７８を保持しているので、依然として負荷を担持する。裸又は共形被覆ワイヤを使用して、別々のジャケットで絶縁されたワイヤで起こり得るようなワイヤ１７８と絶縁層間の真空漏れの変化が低減される。

真空空洞の内側に変換回路１５０を設けることは、最も効率的な変換回路１５０でさえも熱の形態でエネルギを消散するので、直感に反するものである。この熱により、基板１９０を含む空洞内の他の構成要素の温度が上がる。他の構成要素が加熱される時に、吸収又は吸着されていたガスを放出する可能性があり、空洞の内側の圧力が上がり、イオンポンプ１２０に掛かる負荷が増大する。

しかし、変換回路１５０を真空空洞に設けると、典型的に高価かつ製造しにくい高電圧電気フィードスルーを排除することができる。誘電強度の低いフィードスルーと異なり、高電圧電気フィードスルーは、典型的には、真空ハウジングに関して数百又は数千ボルトにも耐えることができて摂氏数百度で焼成することができる真空気密電気接続を提供する必要がある。それらは、コバールから製造されてセラミック誘電体にろう付けされることが多く、セラミック誘電体は、次に、ステンレス鋼のハウジング又は取付具にろう付けされる。

２．０ 質量分析計のタイプ

異なる質量を分離するのに使用される方法により一般的に分類される多くの異なるタイプの質量分析計が存在する。この節では、より簡単なタイプの質量分析計の一部を簡単にカバーし、どの箇所でも網羅的ではないが、廉価に製造される可能性を有するものに対して説明する。

２．１ 質量分析器のタイプ

磁気セクター質量分析計（例えば、図１Ａに示す質量分析器１３０）は、質量における空間分離を生成する。この設計では、イオン化サンプルは、電場において加速されて垂直な磁場を有する領域に注入される。磁場内のイオンの軌跡の曲率半径は、質量に比例し、電荷状態に逆相関する。電場を走査することにより、従って、イオンの運動エネルギを変えるか又は磁場を走査してイオンの軌跡を変えることにより、様々な質量を分離して独立して検出することができる。別々に又は組み合わされた電気セクター及び磁気セクターを有する一部を含むこの設計の多くの変形が存在し、改善した分解能をもたらしている。

飛行時間質量分析計は、質量における時間的分離を生成する別の設計である。イオンは、一定の電場によりドリフト領域に注入され、最終的なイオン速度の分離、従って、ドリフト領域の遠端での到着時間は、イオン質量に比例する。

四重極質量分析計は、イオン飛行経路に平行な２対の電極を使用し、１つの電極対を使用して可変周波数ＲＦ磁場及び別の電極対でＤＣバイアスを印加して特定の質量に対してＲＦ磁場を調節することにより、あらゆる所定の時間に１つの質量のみが、磁場を通る安定した軌跡を有する。

同様のタイプの質量分析計、すなわち、イオン捕捉質量分析計は、四重極型質量分析計と類似の原理を使用し、容積におけるイオンのクラウドを捕捉して、選択的に特定の質量の軌道を不安定にする。不安定な質量が、次に、イオン容積から放出され、かつ測定される。

２．２ イオン源

質量分析器は、典型的には、適切に機能するために質量分析計に注入されたイオン化サンプルに依存する。サンプルがイオン化された状態で、イオン化サンプル分子（イオン）を操作して電磁場よって分離させることができる。

一般的なイオン源では、電子衝撃イオン化を使用する。このタイプのイオン源では、通常は熱電子的に生成された電子ビームが、ガス状サンプル内に向けられる。サンプル分子と相互作用する電子は、サンプルから電子を除去して正に帯電したサンプルイオンを生成するが、負イオン質量分析が、一部の電気陰性化学種には実用的である。

２．３ 検出器

サンプルがイオン化されて得られるイオンが質量別に分離された状態で、イオンを検出器（例えば、図１Ａの検出器１４０）で検出することができる。最も簡単な検出器は、ファラデーカップ、次に、高利得相互コンダクタンス増幅器がある。ファラデーカップに衝突するイオンは、次に、増幅及び記録される小さいが測定可能な電流を生成する。しかし、これらの検出器では固有の利得が得られないので、ノイズフロアは、増幅器のノイズフロアである。

３．０ 質量分析計設計概要

本明細書に開示する小型質量分析計の例示的な実施形態は、複雑な又は大きな労働力を要する製造技術なしに製造することができる簡単かつ堅牢な設計を有することができる。各設計選択は、取りわけ、性能、サイズ、重み、電力消費量、複雑性、製造の容易さ、及び費用のような複数のファクタの間のトレードオフを伴う場合がある。このような設計は、自動工作機械を使用して製造可能にすることができる。製造は、２次元（２Ｄ）機械加工に依存する平面設計を作成することによって更に簡素化することができ、２Ｄ機械加工された構成要素の複数の層を積み重ねることによって３次元内のあらゆる特徴を構成するか又は近似することができる。２次的な機械加工作業を排除すると、余分の固定具の作成、時間、及び廃棄物を排除しやすくすることができる。従って、少なくとも１つの場合では、設計は、多くの同時製作された特徴を組み込んでいる。

１つの例では、本発明の質量分析計は、ガス入口のためのポートと、いくつかの低電圧ケーブルと、粗引きポンプのためのポートとを有する簡単な円筒形真空チャンバにおいて作動することができる単一ユニットを含む。これらのポートは、真空チャンバ壁を通じて給送されてエポキシに埋め込まれた薄いチューブ又はケーブルを用いて実施することができる。

いくつかの潜在的な用途を念頭に置いて、しかし、大体において一般的な性能要件を用いて例示的質量分析計を設計することができる。例えば、それは、１ｅ−４Ｐａ（１ｅ−６トル）の作動圧力でサンプルガスの０．５％又はそれよりも多くから構成された化学種を検出するのに十分な感度で単位分解能が得られるように設計及び構成することができる（すなわち、それは、１つ又はそれよりも多くの整数質量単位で離れたイオン間を区別することができる）。それはまた、固有の高い真空ポンプを搭載して担持することができ、高真空ポンプも粗引きポンプも組み込む設計よりも万能性が僅かに劣るが、費用、重量、及び複雑性における大幅な節約は貴重であると考えられる。このような例示的質量分析計は、低電力消費並びに少ない保守で長期間にわたって自力で稼働することができると考えられる。

このレベルの性能が得られる計器は、製造費が既存の市販の計器に同等である場合に（例えば、何万ドル）有用性に限界がある。この質量分析計は、全く廉価とすることができ（例えば、１０００ドル台）、新しい用途における大規模な配備に適切なものになる。質量分析計の費用に影響を与えるのは、製造の容易さ及び複雑性であり、製造技術がむずかしい又は熟練したものであり、及び／又は部品数が多い方が設計の製造費が高くなる可能性がある。

電力消費量を最小にすることも特定の用途には重要である。例えば、上述の仕様を満たす質量分析計は、様々な遠隔用途又は可搬用途に適切であり、これらの用途では、この質量分析計は、バッテリ、太陽熱発電、風力、又は別のエネルギ源から長い期間にわたって稼動することができる。

一実施形態において、小型質量分析計は、単一フォーカス１８０度磁気セクター質量分析計である。磁気セクター質量分析計は、平面構成要素の層を使用して構成することができ、殆どの簡単な製造技術が２次元であるので計器の費用が大幅に低減される。関わっている幾何学形状が簡単であり、それぞれ、四極子又は飛行時間質量分析計に当て嵌まる場合があるような高電力ＲＦ発振器も高速タイミング機能も不要である。イオン捕捉又はフーリエ変換タイプのような他の質量分析計タイプは、幾何学形状、電源、又は複雑性の観点から要求が厳しいものになる可能性がある。

１組の永久磁石及びヨークは、質量分析器の磁場を生成する。ＮｄＦｅＢ磁石は容易に利用可能であるので、これは、明白な選択肢であり、電磁石は、小さい計器にとって必要とされる電力が多すぎる。更に、第２の利点は、永久磁石を用いて利用可能である。ヨークに対して極部分のサイズを入念に選択することにより、この設計は、分析器を入れる同じ磁気回路にイオンポンプを組み込むことができ、従って、複雑性、サイズ、及び部品数に関する低減が得られる。磁気セクター分析器の長さは、１８０度とすることができ、レイアウトが簡素化され、計器の同じ側にイオン源及び検出器を設けることによって設計のサイズが最小にされる。質量分析計の各サブシステムの設計を以下の節に詳述する。

別の実施形態において、上側及び下側質量分析器は、全体的な質量分析計トポロジーをＮｉｅｒ−Ｊｏｈｎｓｏｎ二重フォーカス質量分析計のものに変える電気セクターを含み、質量分解能の２倍よりも大きいものが可能である。

３．１ 真空システム設計

作動中、イオン飛行経路の長さ全体は、高い真空、すなわち、１ｅ−４Ｐａ（１ｅ−６トル）よりも低い圧力に保たれる。圧力が高くなると（真空が低くなると）、イオンの平均自由行程は、その十分な量が飛行経路の長さ全体を通過するには短すぎるものになる。この基準だけでは、漏れ速度を低減する非常に厳しい公差を有する真空システム、並びに高い真空を生成することができる真空ポンプの使用が必要である。

同時に、質量分析計の真空システムは、ガスの一定の流入に対処すべきである場合があり、真空チャンバ圧力が許容不能レベルに上がらないように、入口からシステムに入るガスを連続的に吐き出すか又は捕捉しなければならない。従って、真空システムは、入口漏れ速度よりも速くポンプ排気することができる１つ又はそれよりも多くの真空ポンプも組み込む場合がある。

殆どの質量分析計では、真空システムは、設計の非常に高価な部分である。一般的な計器の費用と比較すると、真空システムは、全費用の大きな割合を占めるものになる恐れはないが、小型の廉価な設計に対しては、真空構成要素だけで簡単に予算を占めてしまう場合がある。高真空構成要素は、標準的な取付具でさえも極めて高価である。殆ど全ての構成要素は、典型的には溶接結合を用いて機械加工又は形成されたステンレス鋼で構成される。質量分析計は、単に計器の幾何学形状のためだけにカスタム真空構成要素を使用することが多い。例えば、磁気セクター質量分析計は、質量分析器のための高真空フランジに溶接されたステンレス鋼管の形成された薄い溶接された部分を有することが多い。これは、典型的には、質量分析器の飛行経路が磁石の極間に適合しなければならず、かつ間隙はめったに標準的なサイズでないからである。

更に、電気信号は、システム内の電圧毎に１つのフィードスルーで一般的な質量分析計真空システムを出入りする。従来の質量分析計では、真空システム内の異なる点で５から１０又はそれよりも多いいずれかの別々の電位がある場合がある。高い電圧のためのフィードスルーは、特に高価である可能性があり、その理由は、コバール導体にセラミック碍子及びステンレス鋼のフランジをろう付けすることによって製造されるからである。複数のフィードスルー（高電圧フィードスルーを含む）を使用する費用及び複雑性のために、例示的質量分析計は、真空チャンバを通過する少数の信号（例えば、１つ又は２つ）で作動するように設計及び建造される場合がある。

真空システム費用及び複雑性を低減する１つの方法は、関わっている構成要素の数を低減することである。例えば、１００ｍｍの直径及び１５０ｍｍの長を有する真空チャンバ内にその全体（磁石、電源及びコントローラ、高真空ポンプ及びイオン光学系などを含む）が収まるように小型質量分析計を設計することができる。例示的質量分析計を電気信号の全て及び入口が通る単一の真空フランジ上に取り付けることができ、真空チャンバは、従って、簡素化に向けて１００ｍｍの直径円筒管を含むことができる。実際、小型化及び軽量化するために計器の輪郭に追随する簡単であるがより小さい真空チャンバを製造することができる。

電気フィードスルーを少数化するために、データは、デジタル処理することができ、制御信号は、搭載した制御システムによって真空ハウジングの内側で生成することができる。このようにして、システムは、真空チャンバ壁を通過する１、２、又は３つの低電圧電気信号（例えば、電力線及び１つ又は２つのデータ線）を使用する。これらの電気線は、高い絶縁機能は必要でないのでガス放出速度が遅いエポキシで簡単な長さの埋め込まれたケーブルとすることができる。接地基準は、真空チャンバ自体とすることができる。

代替的に又は追加的に、システムは、真空チャンバ壁を通じて無線で（例えば、赤外線又はＲＦチャンネルを通じて）データを伝達することができ、必要なのは、電源のための単一の電気フィードスルーだけで済む。更に、システムは、誘導式に（例えば、コイルループアンテナを通じて）電源を供給することができ、真空チャンバの内側及び外側を接続するフィードスルーが不要になる。

別の例では、小型質量分析計は、質量分析器が真空チャンバ内で高い真空を維持するのに使用するのと同じ永久磁石及びヨークアセンブリを使用するように設計された同時製作されたイオンポンプを組み込んでいる。イオンポンプだけでは、大気圧から質量分析計をポンプで排気するのに十分ではない場合があるので、イオンポンプが始動することができる点まで真空チャンバを粗引きするバルブ付きのポートを設けることができる。このポートは、電気フィードスルー及び入口と同じフランジ上に取り付けることができる。

３．２ 質量分析器設計

質量分析計の分解能は、質量分析器の設計にかなり依存する場合がある。全体的に、磁場が強いほど、曲率半径は小さい。１つの例では、質量分析計内の質量分析器は、２３ｍｍのイオン飛行中心線半径を有する１８０°磁気セクターである。これは、一部では実際的な考慮事項であり、５０ｍｍ×２５ｍｍＮｄＦｅＢ磁石は、カスタム製造を必要とすることなく利用可能であり、イオン飛行半径と磁石の縁部との間の何らかの間隙は、磁石の磁場の非線形性によるイオンの名目上円形の飛行の不完全さに対応する。

磁気セクター長を１８０°であるように選択すると、隣接した質量のイオンビームの間の空間分離を増大させることができ、その理由は、磁気セクター内の各イオンの飛行量が増加するからである。第２に、１８０°磁気セクターでは、イオン源も検出器も質量分析器の同じ側上に位置し、設計がコンパクト化され、磁石ヨークの位置特異な厄介な問題が少なくなる。計器が大型になっても、典型的にはこの利点はなく、その理由は、イオン源及び検出器の真空区画が別々であり、これらの計器の磁気セクター長が、典型的には磁石のサイズにより制限されるからである。

磁界の強さと重みと費用間にトレードオフがある。永久磁石を使用する最大の磁界の強さは、高級な（Ｎ５２）ネオジム−鉄−ホウ素磁石を使用して０．５から１Ｔの範囲である。磁場が高くなるほど、必要とされる保磁力が多くなり、間隙と平行な方向の磁石厚みが増大し、磁石の磁束帰還路内の鉄が多くなる。それによって設計の重量化及び大型化になる可能性があるが、例えば、バナジウムパーメンダヨーク又はネオジム−鉄−ホウ素磁石のＨａｌｌｂａｃｈ配列で生成された磁場の強化により、低い質量での分解能が増大し、一方、達成可能な高電圧化により、上側の軽い質量の分解能が維持される。

同様に、トレードオフが分解能と信号強度と費用間に存在する。フィルタスリットを狭くするとより高分解能になるが、飛行を完了するイオンが少なくなり、検出器利得及び感度がより重要になる。更に、スリットが狭くなる時にイオンビームの軸線とスリットのアラインメントが極めて重要になり、公差がより厳しくなり、費用増大になる。

一例示的設計では、分析器のシャーシと共にスリットを同時製作することにより、フィルタ固定具の生成及びアラインメントが不要になる。更に、スリット自体は、形状を組立時に変えることができるように分析器シャーシと一体化した屈曲部上に装着され、スリット幅を変更して信号／分解能曲線上での作動点を変えることができる。一部の場合には、主ネジ、ピエゾ、又は形状記憶合金構成要素のようなアクチュエータは、例えば、較正、作動、又は両方中にフィードバックに応答して能動的にスリット幅を変える。

図１Ｃは、図１Ａの磁石ヨーク１１４のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを示している。それは、１００８軟鋼で製造することができ、かつ１対の５０×５０×１０ｍｍＮ５２ネオジム−鉄−ホウ素磁石１１２を磁気セクター質量分析器１３０内に保持する。一実施形態において、ヨーク１１４は、各磁石１１２の前縁から各磁石１１２の後縁での２５×５０ｍｍまで断面が増加する。ヨーク質量は、磁石１１２を含むほぼ１．４ｋｇである。ヨーク１１４は、取付けのための特徴も組み込んでおり、磁束帰還路の１対の孔により、それ自体質量分析計の最も重い部分である磁石を真空フランジにボルト留めすることができる。

図１Ｃに示すように、ヨーク１１４の断面は、磁石を超えてほぼ一定とすることができる。１０ｍｍの間隙が、磁石１１２の短絡を回避するために磁石１１２の後面とヨーク１１４の間に存在する。磁極面間の間隙は、１０ｍｍ、すなわち、磁石厚みと同じほぼ空隙である。この構成により、磁極面の縁部のほぼ０．６Ｔから中心部の約０．８Ｔまでにわたる磁場が生成される。この磁場の不均一性により、イオンビームの軌跡誤差及び分解能低下が発生する場合がある。

図１Ｄは、１つ又はそれよりも多くの磁石２１２を質量分析器１３０の周りで所定の位置に保持するのに適する代替ヨーク２１４を示している。ヨーク２１４は、磁石２１２によって生成された磁束を異なる磁界の強さの２つの磁場領域２１１ａ及び２１１ｂに誘導する。イオンポンプ１２０は、約０．１Ｔの強度を有することができる第１の磁場領域２１１ａ内に配置され、質量分析器１３０は、約０．７Ｔの強度を有することができる第２の磁場領域２１１ｂ内にある。

磁界の強さ及びイオン飛行半径を考慮すると、イオンエネルギの範囲及び従って質量スペクトル掃引を稼動させるのに必要とされるイオン加速電位を計算することは簡単な問題である。第１は、力平衡であり、質量分析器では、イオンを円形軌跡上に保つのに必要とされる力は、イオンの質量ｘ向心加速度に等しく、かつイオンの電荷及び印加された磁場のためにローレンツ力によって供給される。

ここで、Ｂは、Ｔｅｓｌａ単位の磁気磁界の強さであり、ｖは、ｍ／ｓ単位のイオン速度であり、θは、ラジアン単位のイオンビーム平面と磁場間の角度であり、ｍは、ｋｇ単位のイオン質量であり、ｑは、Ｃでの素電荷であり、ｒは、ｍ単位のイオン曲率半径である。

速度は、イオンを加速するのに必要とされる電圧の範囲を与える。最終イオン速度、すなわち、イオン源を出て分析器に入るイオンの速度は、イオン源内の電極にわたる電圧Ｅに比例する。

これらの方程式を組み合わせて、イオンが検出器に到達するためにイオンを加速するのに必要とされるイオン質量と電位の関係を得ることができる。

従って、予想されるように、所要の電場とイオンの質量との間に逆相関の関係がある。一定の電荷を前提として、イオンが重いほど、適切な半径を有する分析器を横切るのに必要とされる運動エネルギが多くなる。各分子が単独にイオン化されるであると仮定して（すなわち、ｑ＝１．６ｅ−１９Ｃ）、意図する質量範囲１０から４４ＡＭＵ（ｍ＝１．６６ｅ−２６から８．３ｅ−２６ｋｇ）、２３ｍｍ分析器半径ｒ、及び垂直Ｂ磁場（θ＝０）内で方程式を以下のように簡素化することができる。

Ｂ＝０．６Ｔの作動点及び１０から４４ＡＭＵの質量範囲に対して、イオンを加速する電圧Ｅは、約２０８Ｖから９１５Ｖまで掃引されなければならない。高い真空の誘電強度を前提として、これらの電位は達成可能である。更に、効率的にこれらの電圧を発生させることができる多くの方法がある。電圧生成をこの後の節に説明する。

図２は、異なる磁気磁界の強さに対するイオン源電位対イオン質量のプロットである。尚、これは逆累乗関数であるので、分解能はイオン源電位が減少する時に減少することになり、その理由は、イオン源電位の同じ変化が、遥かに大きい質量範囲に及ぶことになるからである。これは、磁気セクター質量分析計固有の特徴であり、この設計は、少しも変わらない。この問題に対して以下でより詳細に説明する。

３．３ イオン源設計

イオン源は、質量分析計の効率にも性能にも影響を与える。イオンは、典型的には電子衝撃イオン化によって形成され、電子銃は、陽イオンを形成するためにサンプルガスと相互作用する電子ビームを生成する。このタイプのイオン源は、電子衝撃イオン化と従来から呼ぶが、電子の波状の性質のためにイオン化の正確な機構は、粒子衝撃には関係がない。

イオン源は、磁石からの縁磁場が電子の軌跡に影響を与えないように磁石ヨーク構造体から十分に離れる方向に位置することができる。一部の場合には、イオン源とヨークの間の距離は、ほぼ３０ｍｍである。更に、イオン源は、垂直に、本質的には、磁石の縁磁場と平行に向けられた電子ビームを用いて設計される。それによって電子ビームが漂遊磁場により進路から外れて送られる可能性が低減される。

３．４ 電子源設計

電子ビームは、典型的には、バルク金属の仕事関数を克服して周囲の真空に漏出することができるように熱線内の電子の一部に十分な熱エネルギを追加するように熱線、通常はタングステン又は合金を白熱に加熱することによって熱電子的に生成される。漏出された電子は、静電場を使用して熱線を取り囲む区域から除去される。電子を生成するこの方法は、典型的に非効率的であり、更に、イオンの形成をもたらすビーム内の電子とサンプルガス内の分子間の相互作用確率も低く０．１％台である。

これらのイオンは、分析器を通るその後の飛行に向けて適切な形状の平行化されたビームでイオン源から現れるのが理想的である。しかし、実際には、イオン化分子は、イオン化領域ではランダム分布を有し、生成されたごく僅かなイオンのみが、分析されるように適切な方向にイオン化領域から現れる。

補償するために、多くの従来の質量分析計は、分析器の方向にイオンを掃引するためにイオン化領域で典型的に反射電極と呼ぶ電極によって生成された静電場を使用するが、この電極によって生成された磁場は、比較的低い。従って、熱電子の電子銃を使用する質量分析計のイオン収率は、極めて低い。従って、大電流電子ビームが、イオンの全生産量を増大させるのに望ましいが、これには、電力において多大な投資が必要であると考えられる。

イオン源の効率を改善することができる少なくとも３つの技術がある。所定のフィラメント電力の電子の収率は、改良型の電子放出物質を使用して増大させることができる。電子ビームの軌跡を変えることにより（例えば、直線的ではなく螺旋状の軌跡）、電子ビームとサンプルガス間の相互作用確率を増大させることによってイオンの収率を改善することができる。最後に、形成されるが、それ以外に分析器内に掃引されないイオンの多くを捕捉することができる場合がある。高効率電子放出物質もイオン収率を増大させる方法も試験されている。

本発明の質量分析計の１つ又はそれよりも多くの実施形態において、イオン源は、イオン収率を改善するように設計される。例示的なイオン源は、大径電子ビームを使用して大量のイオンをイオン化し、広分散でイオンビームを生成し、次に、一連の静電レンズを使用して、これらのイオンを集めて平行化し、均一なイオンビームにすることによって作動する。大きい円筒形電子ビームは、アノードにおいて簡単な低電力タングステンフィラメント及び円形開口によって生成される。この構造体は、Ｐｉｅｒｃｅダイオードと呼ばれ、かつ良く理解されている。それは、真空管の時代に広範囲に研究されたものであり、参考文献に説明されている。電子ビームの直径は、全く大きく３ｍｍであり、大量のサンプルガスをイオン化するのに使用される。しかし、イオンを誘導して隣接した狭い機械フィルタを通過させるのではなく、全容積が収集されて静電レンズでフォーカスされる。

Ｐｉｅｒｃｅダイオードでは、アノード孔から放出される電流の電流密度は、以下の通りである。

ここで、Ｉ_maxは、Ａ／ｍ²単位の電流密度であり、Ｖは、ボルト単位のアノードとカソード間の電圧であり、ｒは、ｍ単位のアノード孔の半径であり、ｄは、ｍ単位のアノードとカソード間の距離である。フィラメントとイオン源の入口間のｄ＝５ｍｍの距離及びＶ＝７０Ｖの電位に対して、放出電流は、１２０μＡである。Ｐｉｅｒｃｅダイオードの放出角度は、θ＝ｒ／３ｄであり、ここで、θは、度単位のビーム角度であり、ｒは、ｍ単位のアノード孔の半径であり、ｄは、ｍ単位のアノードとカソード間の距離である。１つの例では、Ｐｉｅｒｃｅダイオードは、０．１°のビーム角度を有することができる。電子を生成する電子放出物質は、アノードの孔の直径である３ｍｍの直径円内で１２０μＡの電子流を生成することができる。

温度の関数としての白熱タングステンフィラメントからの空間電荷に制限された放出は、以下の通りである。

ここで、ｉ_maxは、放出面のＡ／ｍ²単位の放出電流密度であり、Ｔは、Ｋ単位の面温度である。２５００Ｋでのタングステンエミッタから電流密度は、３１７０のＡ／ｍ²である。１つの例では、イオン源は、１２０のμＡ電子流を生成することができる７．１ｅ−６ｍ²のアノード孔（窓）内に配置された４ｅ−６ｍ²の面積を有する放出面を含む。１つの場合では、放出面は、長さが３ｍｍ、直径が０．４ｍｍのタングステンフィラメントで形成される。

代替的に、放出面区域は、より薄いコイル状タングステンワイヤで生成することができる。コイルフィラメントワイヤが薄いほど熱伝導率が下がり、システムの効率化になり、その理由は、フィラメント電力リードの熱の少量化が実行され、同じ電力に対して、より高い電圧及びより低い電流で入力を実行することができるからである。１ｍｍ巻回直径及び０．２ｍｍピッチを有する１５巻回の１２μｍ直径タングステンワイヤは、４ｍｍ²の面積及び３ｍｍの長さを有する。このようなコイルフィラメントは、ガラス又はセラミック碍子及び銅導体で製造された支持構造体によって支持することができる。

本質的にこの構成を有するフィラメントは、典型的にはＰＲ−２と指定された閃光電球として量産される。ＰＲ−２は、２．４Ｖで０．５Ａを引き出し、直径がほぼ１ｍｍ及び長さがほぼ３ｍｍのコイルフィラメントを有する。１つの例では、質量分析計のイオン源は、ガラス電球が入念に取り外されたＰＲ２閃光電球を含む。万力ジョーの適用により、中心部の精巧なフィラメント構造体を損傷することなく電球を砕くことができる。

Ｐｉｅｒｃｅダイオードにわたる電場は、７０Ｖに設定することができる。その結果、Ｐｉｅｒｃｅダイオードアノード孔から放出された電子は、ほぼ７０ｅＶである。運動エネルギのこの値は、所定の電子流が得られるように電子衝撃イオン化によって生成されるイオンの数を最大にする一般的に受け入れられている値である。これは、７０ｅＶでの電子のドブロイ波長が１４ｎｍであるという事実によるものであり、１４ｎｍは、近似的に、多くの分子における原子間の結合の長さである。７０ｅＶで、電子のドブロイ波長は、λ＝ｈ／ｍｖにより与えられ、ここで、λは、ｍ単位のドブロイ波長であり、ｈは、プランク定数であり、ｍは、ｋｇ単位の粒子質量であり、ｖは、ｍ／ｓ単位の粒子速度である。

３．５ イオンレンズ

図３は、電子ビームによって生成されたイオンをフォーカスするイオン源レンズシステム３００の図である。イオン源レンズシステム３００は、イオン化領域３０８にイオンを入れる入口３０２を含む。極性がイオンの極性の反対である電位まで帯電された反射電極３０４は、イオンを跳ね返し、入口３０２の反対側にトラップ電極３０６がある等々である。反射電極の弱い静電場は、大きいスリット（フィルタ）３１２上でイオン流れをフォーカスするＥｉｎｚｅｌレンズとしても公知である３要素対称静電レンズ３１０の方へイオン化領域からイオンを掃引する。これらのイオンは、フィルタ３３０よりも大きいと再び分岐するが、第２の２要素レンズ３２０は、イオンビームを僅かデフォーカスさせ、焦点は、フィルタ３１２から無限に遠く離れる方向にある点に変化する。換言すると、第１のレンズ３１０及びフィルタ３１２は、空間的にイオンビームをフィルタリングし、第２のレンズ３２０は、イオンビームを分析に向けてより良好に適応させるためにイオンビームを平行化する。

３．６ グリッド

本発明のイオン源は、カソードからＰｉｅｒｃｅダイオードのアノードを遮蔽する制御電極（グリッドとも呼ばれる）を含む。電位又はこの制御電極上の制御電位は、カソードからの電子の放出を強化するか、又は防止することができる。静電要素に印加された制御電位を真空チャンバの内側又は外側に配置された電子機器で迅速に調節することができ、真空管内の制御グリッドと殆ど同様に作動させることができる。熱イオンエミッタを調節するのに使用される信号は、質量分析計のＳＮ比を改善するために同期検波又は確率的システム同定のような高度な信号処理技術と共に使用することができる。

３．７ サンプルジェット

未知数の１つは、電子ビームがいかに良好に流入サンプルガスと相互作用するかである。サンプルガスと電子ビーム間の相互作用を増大させるために、孔は、トラップ電極の中心に設けられる。サンプルは、次に、トラップを通じて下方に誘導され、一方、電子は、反対方向に放射される。

３．８ 検出器設計

例示的質量分析計は、質量分析器内のイオンを感知する検出器を含む。検出器に到達するイオンビームは、何千ものフェムトアンペア（ｆＡ）台の電流と同等とすることができる。質量分析器の出口での検出器は、これらの分電流を検出することができ、固有のノイズフロアよりも大きい信号を生成することができる。

一実施形態において、検出器は、ファラデーカップと、それに続く５０ｅ９の利得を有する相互コンダクタンス増幅器とである。ファラデーカップは、入射イオンビームを捕捉し、並びに２次電子放出によって生成されたあらゆる電子を再捕捉する。入射イオンビームは、数百ｅＶ台の全く大きいエネルギを有する可能性があるので、２次電子放出が懸念事項である。ファラデーカップ電極形状は、あらゆる方向に放出されるが垂直にバックアウトする全ての電子を再捕捉する入射イオンビームが進行する深い空洞をもたらすことによって２次放出を捕捉するように設計される。しかし、ファラデーカップが永久磁石によって生成された縁磁場内にまだあるので、２次電子放出による電子をカップにより捕捉することができる。

相互コンダクタンス増幅器は、「ナショナル・セミコンダクタ ＬＭＰ７７２１」低入力バイアス演算増幅器（ｏｐアンプ）又はあらゆる他の適切なｏｐアンプの周りに構築することができる。±２．５Ｖの電力供給で作動するＬＭＰ７７２１の入力バイアス電流は、３ｆＡ台である。安定性のための５ｐＦ銀マイカコンデンサと並列の５０のＧΩ抵抗器は、増幅器のフィードバック経路を提供する。この相互コンダクタンス増幅器の出力は、アナログ／デジタル変換器（例えば、「テキサス・インストルメンツ ＡＤＳ１２７８」２４ビットアナログ／デジタル変換器）のフロントエンドを駆動する。これらの構成要素を極めて接近させて適切な遮蔽下に設けることにより、固有ノイズを低減することができる。

代替的に、質量分析計は、光電カソードなしで光電子増倍管と同様に作動する図４に示す電子増倍器タイプの検出器４００を含むことができる。第１のダイノード４０２ａに衝突するイオンは、電子を脱落させ、電子は、一連の電圧が次第に高くなるダイノード４０２ｂから４０２ｎから落ち、毎回の反復により、２倍又はそれよりも多くの数の電子が生成される。この電子雲は、次に、相互コンダクタンス増幅器４０４により捕捉及び測定されるが、信号は、有意に高いノイズフロアがなければ簡単なファラデーカップ検出器より遥かに大きい規模になることができ、従って、遥かに感応度が高い検出が可能である。例えば、４段又は５段の個別のダイノード電子増倍器により、適切に設けられると、まさに１６−３２にわたる大きいＳＮ比を得ることができ、一方、低いダイノードカウントにより暗電流が低減される。

３．９ 高真空ポンプ設計

小型質量分析計は、真空エンベロープの高い真空を維持するためにイオンポンプ又はターボ分子ポンプのようなポンプを使用する。イオンポンプは、静粛かつ清潔であり、可動品を使用していない。イオンポンプでは、２つのポンプ排気機構が、捕捉も収着も作動中である。ポンプ排気中、ガスは、円筒形アノードにおいて高磁場でのイオン化によりイオン化された状態で加速されてチタン又は時にはタンタルカソードに入る。衝撃を受けると、イオンは埋め込まれるか、又はイオンにより、チタンがアノードに跳ね戻される。チタンのこの絶えず更新される層は、化学反応しており、収着によりガスを捕捉する。

イオンポンプのための電極は、磁場内に位置し、これは、一般的に、システムに質量及び真空チャンバに複雑性を追加する。しかし、小型質量分析計は、真空チャンバに位置する磁気回路を用いて設計される。少なくとも１つの実施形態において、磁石の磁極面のサイズは、複雑性の大きな増加なしでポンプ排気機能を増強するために質量分析器及びイオンポンプの配置面積を包含するのに十分大きい。

１つの場合では、イオンポンプは、１対のチタンプレート間に吊されて各端部が開放している１組のステンレス鋼の中空円筒を含むダイオードポンプである。ポンプは、利用可能な区域において最大ポンプ排気速度を生成するように設計される。特定の形状及びトレードオフに対して以下に説明する。

イオンポンプは、システム圧力をイオンの平均自由行程が質量分析計の飛行長さ全体よりも大きいように十分に低く保つ。この小型質量分析計に対して、飛行経路の長さは、ほぼ２００ｍｍである。イオンの平均自由行程は、ｌ＝３．７１ｅ−７／ｐにより与えられ、ここで、ｌは、ｍ単位の平均自由行程長であり、ｐは、Ｐａ単位の圧力である。

一般的に、真空は、ほぼ質量分析計の飛行長さよりも大きい規模の各イオンの平均自由行程に保つために、十分に高いものであるべきである（すなわち、圧力は十分に低いものであるべきである）。２ｍの平均自由行程に対して、最小システム圧力は、３．３ｅ−３Ｐａ（２．４８ｅ−５トル）である。

３．１０ 入口

図１Ａに示すように、質量分析計１００は、分析されるサンプルを入れる入口１８０を含む。入口１８０は、あらゆる適切なタイプとすることができる。例えば、図５に示すように、穿孔ステンレス鋼板５０４によって支持された半透過性疎水性塑性膜５０２で形成された入口４００を含むことができる。膜５０２は、水蒸気及び液体の流入を防止しながら、サンプル粒子Ｐが露出した面積に比例する速度で真空チャンバ（図示せず）に拡散することを可能にする。質量分析計のポンプ排気システムが適切な真空チャンバ圧力で入口ガス負荷を処理することができるように入口速度を選択することができる。

４．０ シミュレーション

例示的な小型質量分析計イオン光学系設計に対して、ＳＩＭＩＯＮ８．０（市販のイオン光学系モデル化ソフトウエアパッケージ）を使用して広範囲に模擬された。これらのシミュレーションを使用して、イオン飛行をモデル化し、かつ計器形状、磁石強度、イオン半径などを含むデバイスパラメータを作り又は変更することができる。

４．１ 寸法決め

シミュレーションを使用して、設計選択肢を通じて反復することができる（例えば、適切にイオンビームをフォーカスするために電極電圧に影響を与える選択肢を模擬することにより）。シミュレーションの１つの例では、質量分析計の分析器の全高をまず設定した。垂直寸法は、多少任意である。使用された永久磁石は、共に高さが１０ｍｍであり、この図案に適合するように間隙を選択した。次に、質量分析器の上部カバー及び底部カバーの各々の厚みに約１．５ｍｍを残して垂直寸法を７ｍｍに設定した。

図６Ａは、質量分析計のＳＩＭＩＯＮシミュレーションから記録されたイオン源１０４（図１Ａ）及びイオン源光学系３００（図３）の図である。質量分析器の半径を２３のｍｍに設定した（上述のように）。制御寸法としてこれを使用して、質量分析計イオン光学系３００及び飛行経路の残りを長さが僅か５０ｍｍであるように設計した。電子ビームの作動に及ぼす漂遊磁界の影響を低減するために磁気セクター質量分析器１３０（図１Ａ）からできるだけ遠くに電子ビームを設けた。

次の決定は、第１のレンズ３１０でサイズに関わるものであった。第１のレンズ３１０は、電子ビームにより生成されたイオンの容積を平行化して機械フィルタ上にフォーカスする。このレンズ３１０は、Ｅｉｎｚｅｌレンズとしても公知である３要素対称レンズであり、かつ第１及び第３のレンズ要素が同じ電位であるために対称と説明される。このタイプのレンズを選択したのは、反対側から現れるイオンのエネルギを変更しない可変フォーカスレンズであるからである。一般的に、静電レンズは、要素長とほぼ同じ幅及び長さの１／１０に等しい要素間隔で製造される。このようなレンズは、典型的には、レンズの両側に等しい距離である焦点距離を有し、従って、第１のレンズ３１０後のフィルタ３１２は、レンズ３１０からの距離がイオン化領域と同じである。

ビームを僅かにデフォーカスする（例えば、無限大に焦点を置く）ために使用される第２のレンズ３２０は、第１の機械フィルタと第２の機械フィルタ間の領域をほぼ等しく再分割する２要素レンズである。長い方の電極面は、得られる磁場が僅かにより均一であり、電極の正確な配置は、僅かながら非常に重要というものではない。

第２のレンズ３２０後の第２の機械フィルタ３２２は、検出器に到達する漂遊イオンを低減するために更にビーム分散を制限する。このフィルタ３２２は、磁気セクター質量分析器１３０（図１Ａ、図示せず）の公称入口から１０ｍｍに設けたが、その理由は、磁石からの縁磁場が全く強く、フィルタ３２２に到達する前にイオンビームを進路から外す可能性があるからである。

尚、電極の全ては、イオン飛行経路に沿った簡単な平坦な面であるのではなく、飛行経路から離れる方向に垂直に十分に延びる。平坦なプレートであればこのシミュレーションにおいて同一に挙動するであろうが、実際には、それは、製作するのがほぼ不可能であろう。電極の深さにより、電極を共通の平面に取り付けることができ、シミュレーションは、電極をどうにか取り付ける必要があることを想起させるものとしてこのように行われた。電極の裏側の形状は、極めて重要なことではない。

４．２ イオン飛行シミュレーション

質量分析計設計全体が模擬され、初期設計作業に適合することが見出された。質量１０ＡＭＵから４４ＡＭＵのイオンに対して模擬された。様々な電極の上で必要とされる電圧は、ほぼ予想通りであった。

図６Ｂは、イオン源光学系３００と質量分析器１３０とを通るイオン源１０４からの二酸化炭素分子の飛行を示すシミュレーションである。ＳＩＭＩＯＮでは、空間電荷、イオン衝突、又は２次電子放出のシミュレーションを行わず、図示の幾何学形状の単一の隔離イオンに対してシミュレーションが行われた。縁部電場の効果が模擬された。

シミュレーションを理想的な条件下で行い、初期条件の不適切な選択で簡単に脱線してしまう可能性があることに注意することが重要である。例えば、イオンビームのど真ん中で始まる静止したイオンに行うシミュレーションは、意図する経路に垂直な初速度によるイオン化領域の縁部の近くのイオンよりも非常に有利に挙動する可能性がある。初期条件の不適切な選択により、現実に生成することができるものよりも遥かに高いイオン効率及び分解能で設計が機能すると思い込んでしまう可能性がある。従って、飛行経路内のイオンの初期条件は、入念に選択すべきである。

室温でガス分子の熱エネルギを中心としたガウス広がりを有するようにイオン初期エネルギを選択した。理想ガスのガス分子の平均平行移動エネルギは、Ｅ＝３ｋｔ／２であり、ここで、Ｅは、Ｊ単位の運動エネルギであり、ｋは、ボルツマン定数（８．６１７ｅ−５ｅＶ／Ｋ）であり、Ｔは、Ｋ単位の温度である。室温で、Ｅは、０．０１５ｅＶにほぼ等しい。従って、０．０１５ｅＶの平均値及び０．００５ｅＶの標準偏差で初期運動エネルギのガウス分布を使用してその後の軌跡が模擬された。

半径方向に３６０°にわたる一様分布を使用してイオン初期方向を設定した。電子ビームがイオン化領域に入る孔の投影よりも上方で円柱体にわたって一様分布を使用してイオン初期の位置が設定されている。

図６Ｃは、質量分析計１００（図１Ａ）のイオン源１０４及び第１のレンズ３１０の詳細図である。イオンは、ページを出て垂直に誘導された垂直の円筒形電子ビームによって生成されたイオン化領域３０８の中心において始まる。イオンの初期軌跡は、ランダムな方向及びランダムな運動エネルギで生成される。反射電極３０４は、第１のレンズ３１０の方向にイオンを誘導し、第１のレンズ３１０は、スリット３１２（図３、６Ａ、及び６Ｂ、図示せず）上にイオンをフォーカスする。シミュレーション図の黒色のトレースは、現実的な１組の初期条件を前提としたイオンの計算された軌跡である。イオン電流の大きさが小さいために空間電荷を無視することが適切である。

図７は、物理的レイアウトが２つの寸法で表され、位置エネルギが第３の垂直寸法で表された質量分析計１００の等角投影図である。位置エネルギは、イオン源１０４において最も高く、次に、第１のフィルタ３１２で減少し、再び、第２のレンズ３２０において増加した後で、質量分析器１３０において減少する。ここで、長い方かつ電圧が低い方の第２のレンズ３２０の利点がより明らかであり、電圧が高い方のレンズに僅かなミスアラインメントがあれば、ビームが登る位置エネルギ「障害」が遥かに急になるので、イオンビームの遥かに大きい軌跡の誤差が発生する可能性がある。

４．３ 電子源シミュレーション

図８及び図９は、フィラメント又はあらゆる他の適切なタイプの電子源とすることができる電子源１０２を含む電子源アセンブリ８００又はＰｉｅｒｃｅダイオードのシミュレーションを示している。電子源１０２は、３つの側面でカソード８１０及び第４の側面のアノード８３０によって囲まれた領域と共に配置され、かつ直径が１ｍｍ、長さが３ｍｍの円筒形電子源としてここで模擬される。制御電極８２０が、ソース１０４とアノード８３０の間に存在する。制御電極８２０及びアノード８３０内のスリット又は開口により、電子は、イオン源１０４（図１Ａ、図３、及び図６Ａ）内のイオン化領域に伝播することができる。

作動時には、カソード８１０は、約１００Ｖから約５ｋＶの電位とすることができるアノード８３０の電位よりも低い約７０Ｖの電位に保持される。真空チャンバの内側に配置することができる制御電子機器（図示せず）は、アノード電位よりも低い約１４０Ｖからアノード電位よりも低い約０Ｖまで制御電極の電位を変える。制御電極がオフ（すなわち、アノード電位に等しい電位）である時に、カソード８１０及びアノード８３０は、図８に示すように、アセンブリから出るように電子を推進するように作用する。図８は、アノードのフォーカス効果を示し、放出された電子ビームは、狭いビーム角度で平行化される。電子ビームは、電子源電位が１５０から９００Ｖに登る時に僅かに狭くなる。制御電極８２０に電圧を印加することにより、電子ビームの強度が低減する。例えば、図９に示すように、アノード電位よりも低い電位１００Ｖで制御電極８２０を保持する。

５．０ 構成

５．１ 基板

質量分析計は、電気的に分離状態のままであると同時にアラインメント状態に保持されるいくつかの静電要素を使用する。部品点数を低減するために、電極の全てのアラインメント及び絶縁を維持するように単一の廉価な基板が選択された。

ＦＲ−４プリント回路基板材料を質量分析計を製造する基板に選択した。この選択の理由は、様々である。ＦＲ−４ファイバガラスプリント回路基板（ＰＣＢ）は、カスタムメイド基板製造専用機器が多数あり、かつ関わっている工程が高度に自動化されているために多量の場合に廉価である。ＰＣＢは、非常に小さい特徴サイズで製造することができ、かつ精度が極めて高く、Ｓｕｎｓｔｏｎｅ（ｗｗｗ．ｓｕｎｓｔｏｎｅ．ｃｏｍ）のような一般的なＰＣＢ企業は、試作モデル数量で約０．１５ｍｍまでの特徴サイズを生成することができ、量産数量では、特徴は小型化し、位置決め精度は、その１／１０である。電気構成要素のために名目上設計されるＰＣＢは、１ｅ７Ｖ／ｍから２ｅ７Ｖ／ｍ台の非常に高い誘電強度を有し、この高い誘電強度は、この質量分析計設計に関わっている電圧に十分である。最後に、ＰＣＢは、機械的に非常に丈夫であり、主として、ガラス繊維織物マット及びエポキシ樹脂の構成され、電極を分離させておくのに格好の選択肢である。

ＰＣＢは、電気回路の実施に向けて設計されるので、質量分析計の電極及びそれを駆動する回路を同じ基板上に組み込むことができる。基板にＰＣＢ材料を使用する更に別の利点は、セラミックプリント回路基板を含むプリント回路基板組成物の複数の変形が存在し、ＦＲ−４の潜在的な欠点で万一設計が適切に機能することが妨げられる場合は基本的な材料を比較的簡単に変えることができるという点である。

しかし、ＰＣＢには、たしかにいくつかの潜在的な欠点がある。ＦＲ−４プリント回路基板は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂シート上に銅で製造される。従って、基板材料は、水及びガスを吸収及び吸着する可能性（それぞれ、バルク材料への拡散、及び面への付着）を有する。これらの吸収及び吸着された分子は、次に、質量分析計の真空システムにゆっくり放出される可能性があり、システム圧力が、ガスのこの背景濃度が入口ガススペクトル上で目視で見えるほど変わりがないように十分に低く低下することが妨げられる。これらの潜在的な問題は、解決法がないわけではない。これらの問題に対する２つの主な対策、すなわち、吸収及び吸着されたガスの材料の吐き出し、又はガス放出速度が遅い絶縁保護コーティングを有する材料の封入が存在する。

材料の昇温は、真空において吸収及び吸着されたガスの除去を補助する傾向があることが公知である。真空管を製造する時の標準的な手順は、真空管がまだ排気真空マニホルド上にある間に要素を加熱することによって管からガスを放出させることである。ガス放出は、通常は放熱により真空管の電極を加熱する管フィラメントを作動することにより、又は真空管アノード及び他の電子収集電極を加熱する電子流を引き出すことにより、又は真空管に衝撃を与えることによって行われる。この衝撃は、管エンベロープの外部に保持されたＲｆコイルにより電極内に誘導された渦電流を使用してジュール加熱により電極を加熱することを伴う。

ガス放出材料の封入には先例もある。材料のガス放出は、宇宙船、特に衛星上で問題であり、ガスが、１つの面によって放出されてセンサのような他の臨界面により再び吸着される場合がある。従って、絶縁保護コーティングは、ガス放出特性があるか否かを試験されることが多い。ガス放出特性を判断する標準的な試験方法が存在し、「ＡＳＴＭ Ｅ５９５−０７」である。１つの公知のガス放出速度の遅い絶縁保護コーティングは、パリレンであり、パリレンコーティングは、多くのジョブショップによって提供されるサービスである。

本発明の質量分析計の実施形態は、ＰＣＢ基板の底部に追加された抵抗加熱器の分散網を含むことができる。これらの加熱器により、熱を同時にＰＣＢにわたる点で一斉に追加することができる。別の実施形態において、これらの抵抗加熱器は、殆どの自動車の後部窓上の抵抗アレイに似た簡単な薄いトレース網によって置換されるか又はそれによって補強される。

５．２ ＰＣＢ設計及び構成

図１０は、（費用を低減するために製造後に切り離される）その各部分の全てが連結されたプリント回路基板のＣＡＤレイアウトを示している。質量分析計の外形寸法を低減するために、ＰＣＢのいくつかの層を使用した。プリント回路基板の最下層は、次章で詳細に説明する電子回路パッケージを担持し、一方、２つの上側ＰＣＢは、質量分析器の底部及び上部カバーを形成する。

図１１は、例示的な質量分析器アセンブリ１１００のＣＡＤモデルを示している。基板１９０は、上部カバー１１０２と底部カバー１１０４間に挟持され、分析器電極１１１０がその間に存在する。基板１９０は、絶縁体（例えば、２０ｍｍ長Ｍ３六角絶縁体）により、電子機器基板１１２０に接続される。ネジが、分析器リング、質量分析器下部ＰＣＢ及び六角絶縁体の取付け孔を通過する。質量分析器の上側ＰＣＢの切り抜き部により、ネジ頭は、干渉なしで着座することができる。それによって取付けハードウエアの除去を必要とすることなく質量分析器の上部カバーを電極アラインメントに向けて取り外すことができる。

電気フィードスルーは、電子機器基板に質量分析器基板を接続する。低電圧デジタル及びアナログ電源ピンは、２列の２０ｍｍ高の２．５４ｍｍ間隔ピンヘッダ上に担持される。静電レンズに使用される高電圧品の方が困難であり、２ｋＶに定格された電気メザニンコネクタは存在しない。代わりに、質量分析器基板及び電子機器基板の適切に離間した列の孔が、２枚の基板が互いに機械的に装着された後に２５ｍｍＭ２ハードウエアに装着される。各孔の周りの銅製リングは、電気接点として機能する。

５．３ 電極

基板としてＰＣＢを使用して、電極を製作してＰＣＢに取り付けることができる。これらの電極の形状及び相対的な間隔は、上述のシミュレーションから直接に得ることができる。電極は、縦軸（イオン飛行経路の平面から出る軸線）を通じて左右対称形状を有する。簡単な製造技術の殆どは、２つの寸法で実施された時に大幅に簡素化され、２つよりも多い軸線で作動を実行するために構成要素を取り付けるのに必要とされる固定機械又は複雑な機械は、完成部品の費用を追加する。

電極は、タイプ３０３ステンレス鋼から切断される。このステンレス鋼は、複数の有用な特性を有する。バルク金属及びその表面酸化物は、導電性、不活性であり、ガス吸着に対する親和性が低い。それは、高真空作動に使用される一般的な材料であり、殆どの高真空構成要素は、３０３ステンレス鋼又は類似の材料で製造される。

タイプ３０３ステンレス鋼は、最も機械加工しやすいステンレス鋼のうちの１つである。しかし、これらの電極を生成するのに必要とされる特徴の一部は、全く小さい数百マイクロメートル台であり、これらの種類の特徴は、バイトによる製作に助けにならない。一般的に、バイトは、薄い壁に囲まれた特徴を製造するには大きすぎる力を与える。従って、質量分析計電極の製作に選択される製造技術は、ワイヤ放電加工（ワイヤＥＤＭ）である。代替的に、質量分析計の左右対称の構成要素を一部の場合に材料の変更で押出し品として製造することができる。次に、押出し品を単にセグメントに切ることができ、非常に経済的な製造方法を提供する。

電位が異なる電極は、別々の構成要素であるが、電位が同じ電極の全てを同じストックから単品として切断することを可能にすることによって質量分析計に向けて製造を簡素化する手法が行われている。更に、各電極を単一通過で切断することができるように構成要素を取り付けるのに必要な特徴の全てをツール経路内に設計した。

５．４ 質量分析器

図１２は、質量分析器電極のＣＡＤモデルである。質量分析器が接地電位であるので、その構造的ループにより、質量分析器自体及び質量分析計の両方の構造的剛性が得られるようにかつ電気遮蔽に向けて、システム内の他の面内電極の全てが取り囲まれる。質量分析器内の電極によって生成される磁場は、外側から遮蔽されなければならず、従って、理論的に、遮蔽されなければ電子機器と干渉する可能性がある一部の漂遊磁界が防止される。

質量分析器は、磁気セクターの入口及び出口で１対の精巧な特徴も有する。これらの特徴は、検出されたイオンビームの幅を制限する機械フィルタであり、検出されたイオンが意図する質量であるという可能性が最大にされる。フィルタは、数百μｍもの幅であるスリットであり、シミュレーションから分るように、質量分析計の感度及び分解能と直接的な関係を有する。一般的に、スリットは、殆どの質量分析計では、別々に製造されて設置され、ここでは、質量分析器と共に同時製作され、イオン光学系で共線であることが保証されると共に、部品点数を最小にし、かつスリットアラインメントの必要性を排除することによって費用が最小にされる。

図１３は、基板１９０（図１Ａ）と同じ材料（例えば、ＰＣＢ材料）の部分からワイヤＥＤＭを使用して形成された薄い調節可能な屈曲部１３００を示している。屈曲部１３００は、ヒンジ式部分（ヒンジ）１３０２を通じて基板１９０に接続したＬ字形部材１３０４を含む。主ネジ１３１０のようなアクチュエータでＬ字形部材１３０４の直立部分を押すと、Ｌ字形部材１３０４は、ヒンジ１３０２の軸線に関して回転し、それによってイオン（又は電子）経路におけるスリット１３０８の幅が低減する。停止具１３０６は、Ｌ字形部材１３０４がスリット１３０８を閉じすぎるのを防止する。主ネジ１３１０のネジを緩めると、ヒンジ１３０２が弛緩位置に戻り、Ｌ字形部材１３０４は、もはやスリット１３０８を閉じない。この屈曲部は、計器の分解能及び感度に対する優れた制御が得られるように作動前又は作動中に位置決めすることができる。

別の実施形態において、屈曲部は、例えば、電動式の主ネジにより又はピエゾアクチュエータにより起動される。それによって質量分析計は、自動的に分解能に対するその感度を迅速に最適化し、弱い信号に向けてイオン電流を増大させるためにスリットを拡張し、隣接した質量のイオンを分析する時により良好な分解能が得られるようにスリットを狭くする。

５．６ 静電レンズ電極

イオン源、質量分析器、及び検出器に使用される小型化した電極は、ワイヤＥＤＭを使用して質量分析器と同じストックから切断することができる。活性面に加えて、質量分析器ＰＣＢ内の特徴に対応する少なくとも２つの取付け特徴を各電極に切り込むことができ、従って、角度ミスアラインメントの可能性が最小にされる。

５．７ 電子ビーム電極

質量分析計のイオン源内の電子ビームも、同様に適切な機能のための電極を必要とし、これらの電極は、イオン源電極の平面外にある。電子ビームが下から上にイオンビームと垂直に走るので、イオン源電極は、異なる製作技術を使用して製作される場合がある。例えば、電子ビーム電極、トラップ、及び電子フォーカスリングは、小さいＰＣＢ上に印刷してＭ２ハードウエアと共に主ＰＣＢに装着することができる。

電子フォーカスリングは、タングステンフィラメントになるＰＲ２閃光電球の物理取付け部を兼ねており、電子フォーカスリングにより、フィラメント及び担体は、電球の取付けフランジの捕捉を保ちながら電子機器ＰＣＢを通過することができる。長さ２５ｍｍのＭ２ネジが、フォーカスリングＰＣＢを通り、閃光電球ベースを過ぎて電子機器ＰＣＢを通る。Ｍ２ネジは、緊張下に保たれ、それによって閃光電球がアラインメントを可能にしながら所定の位置に固定され、取付けネジを締め付ける前に電球ベースを僅かに移動することができる。

トラップ電極は、Ｍ２座金により２００ｕｍ離れる方向に離間した上側質量分析器ＰＣＢの上方に装着され、質量分析器に貫通ボルト留めされる。長さ３０ｍｍのＭ２ネジ切り棒及びジャムナットで製造された長いＭ２ネジが、トラップ電位が生成される電子機器基板にトラップ電極を電気的に接続する。

５．８ 電極仕上げ

小型質量分析計の電極は、標準的な電気構成要素のようにプリント回路基板に装着される。例えば、各電極においてノッチを切り込み、かつ水素炎トーチ及び銀鑞を使用して電極本体に小さいステンレス鋼のピンをろう付けすることによって取り付けることができる。この手法により、電極の上側より上に出る突出部なしで電極を取り付けることができ、従って、各電極の取付け特徴を質量分析器のＰＣＢ上部カバーと整合させるという問題がない。代替的に、ＰＣＢ上部カバーは、取付けネジ頭の間隙が得られるように切り抜き部を含むことができる。質量分析計の完成版では、ＰＣＢに各電極を固定するためにＭ２及びＭ１．６ハードウエアの組合せを使用する。

図１４は、質量分析計電極を組み込む工程の２つの段階を示している。ワイヤＥＤＭ（図１４では左）が済むと、各電極の切削面は、肉厚酸化物層で覆われる。電極は、３０％の硝酸溶液に３０分間、次に、超音波洗浄槽（図１４では右）内で３０分間、摂氏５０度で２回変えた無水エタノールに漬けられた。この手順により、酸化物層が除去されて、下に光沢金属が残る。

５．９ 磁石

１つの例では、上述したように、質量分析器は、軟鉄ヨークによりアラインメント状態に保持された１対のＮｄＦｅＢ磁石を含む。取付け面が設けられ、孔が明けられて、Ｍ３ハードウエアに向けてネジ立てされる。この取付け面を電子機器ＰＣＢに取り付けることができる。

５．１０ イオンポンプ

同時製作されたイオンポンプは、磁石面のちょうど未使用半分を包含するのに十分小さい容積で収まることができる。イオンポンプが高い電圧で作動するので、プリント回路基板は、磁石磁極面をイオンポンプ電極から絶縁するのに使用される。従って、イオンポンプ全体が、５０×２５×７ｍｍの容積で収まることができる。

図１５は、イオンポンプアノード１２０のＣＡＤモデルである。典型的には、イオンポンプは、アノードを形成するために互いに接合されるステンレス鋼管の束で設計される。このような加工は高価であって、大きな労働力を要するが、この質量分析計上の小型イオンポンプのアノードは、ワイヤＥＤＭにより一回通過でステンレス鋼板から切断された一連のセルを含む。

ポンプ排気速度は、セルの直径及び数に比例しており、ある点までこれらの値を増大させると、イオンポンプの速度が改善する。狭い利用可能な空間、並びに標準よりも高いＢ磁界の強さを考慮して、セルの直径を増大させる代わりにより多くのセルを追加した。別の指針では、各セルの長さがセルの直径の１．５倍台の大きさにすべきとなっているが、３．５ｍｍのプレートでは、これは、極端に小さいセルを設計しない限り行い難い。

イオンポンプのカソードは、厚み０．５ｍｍの１対のチタンプレートカソードを含み、取付けタブは、アノードの４つの取付けタブと交互配置されるように位置する。イオンポンプ電極の取付け孔は、ＰＣＢ基板の孔と接合する。

５．１１ アセンブリ

図１６は、上部カバー及び磁石ヨークが取り外された完全な質量分析計の写真である。設計通りに、質量分析計は、複雑なツール又は技術がなくても組み込むことができる。全ての取付けハードウエアを単一の１．５ｍｍスロット付きのドライバ及び先端部が長いペンチで取り付けることができる。各電極の輪郭の形態であるプリント回路基板上のアラインメント特徴部で組み付けしやすくなり、ネジを完全に締め付ける前に電極を付勢することができる治具をイオン飛行経路に挿入することができ、電極面が確実に平行のままになる。隣接した特徴部の間に０．５ｍｍの間隙を設けて全ての電極を設計したので、他の電極は、０．５ｍｍのシムストックで離間させることができる。

図１７は、閃光で側面から照らしたフィラメントの写真（左）及び質量分析器に至る入射スリットの写真（右）を示している。フィラメントアラインメントを光学的に行うことができ、明るい閃光を部分的に組み込まれた質量分析計の側面からフィラメントの方向に照射することができ、フィラメントの中心が上から明瞭に見えるまで、電子フォーカスリング電極を平面において移動することができる。容積が大きいイオン源及び直径が大きい電子ビームのために、これは、電子ビームを通じた視認性が良好なので比較的簡単な手順である。主ネジを締め付けるか又は緩めることによって機械フィルタを形成する屈曲部上のスリットを調節することができる。Ｍａｇ−Ｌｉｔｅ閃光灯により上から照明された分析器入射スリットの拡大写真が図１７の右の写真に示されている。

電極が組み立てられた状態で、単一のＭ２ネジで質量分析器の上部カバーを取り付けて通過ボルト留めすることができる。トラップ電極は、次に、分析器カバーの上方に装着されて、同様に通過ボルト留めされる。ＰＣＢアセンブリは、次に、磁石ヨークにボルト留めされ、磁石極の相対的な位置を示すアラインメント図が、分析器ＰＣＢアセンブリの外側の上でプリント回路基板銅層においてエッチングされる。僅かに大き過ぎる取付け孔により、外側に図に適合するように磁石を僅かに調節することができ、従って、この時点では覆われている質量分析器とのアラインメントが保証される。

図１８Ａは、６インチＣｏｎＦｌａｔフランジに装着されて組み立てられた質量分析計の写真である。質量分析計の最終アセンブリは、鋼又はガラス円筒体と同じ程度簡単とすることができる真空チャンバを伴っている。質量分析計の磁石ヨークをＣｏｎＦｌａｔフランジのネジ付孔に通過ボルト留めした。入口のための１つの１．２９ｍｍ外径ステンレス鋼細長チューブ及びいくつかの低電圧ワイヤが、フランジの通過孔を通じて給送され、所定の位置にエポキシ樹脂で接着された。挿入写真は、質量分析計の反対側の真空フランジの側面であり、計器との電気及びガス接続部を示している。（粗引きポンプのためのポートをこのフランジ上で使用することができるが、この場合に、粗引きポートを真空チャンバの別の端部上に設けた。）

図１８Ｂは、フランジ上に装着されかつ６インチＣｏｎＦｌａｔティーの端部に挿入された質量分析計の写真である。ティーの遠い方の面には、イオンゲージコントローラ（Ｖｖａｒｉａｎ ｍｏｄｅｌ ８４３、ｗｗｗ．ｖａｒｉａｎｉｎｃ．ｃｏｍ／ｖａｃｕｕｍ）に接続したイオンゲージ（Ｄｕｎｉｗａｙ Ｓｓｔｏｃｋｒｏｏｍ、ｗｗｗ．ｄｕｎｉｗａｙ．ｃｏｍ）を取り付けた。ティーの第３の面を粗引きシステムに使用した。

この質量分析計からの初期ガス負荷がかなり高いことが予想されたので、強力な粗引きシステムを使用した。０．２ｍ³／ｓターボ分子ポンプ（Ｖａｒｉａｎ Ｖ−２００）をＣｏｎＦｌａｔティーに接続し、ターボポンプの排気管を機械の粗引きポンプ（Ｗｅｌｃｈ Ｖａｃｕｕｍ１４０２）に接続し、作動流体として蒸留水で温度制御式リサーキュレータ（ＶＷＲ Ｓｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｐｒｏｄｕｃｔｓ）により冷却が行われた。

６．０ 電子機器

小型質量分析計を制御する電子機器は、検出器を除いて、質量分析器基板の下のプリント回路基板上に位置する。質量分析器の場合と同様に、電子機器基板は、ガス放出を容易にするために半田マスクなしで製作される。物理的には、電子機器基板は、２０ｍｍＭ３絶縁体がそれを分析器基板の孔に嵌合させるために使用することができるように計画され、電気フィードスルーは、質量分析器基板上の静電要素及び検出器に電子機器基板を接続する。電子機器基板は、２つの主要な部分、すなわち、電源部（変換回路）及びデジタルコントローラを含む。複数の独立した絶縁した電源により、電子機器基板の小部分の全てが作動する。

６．１ 電源（変換回路）

質量分析計は、１．１Ａまで＋１２ＶＤＣの単一の入力電源で作動させることができるが、通常の状態下で作動中の一般的な供給電流は、０．５Ａである。複数の異なる電源が、１つ又はそれよりも多くの直流／直流変換器（図１Ａの変換回路１５０）を通じて内部的に生成される。＋１２Ｖ電源は、以下の節で詳述するように、レンズドライバの電源として機能する。この電源の接地は、システム接地として機能し、かつ真空エンベロープにも結合される。

１つの例では、変換回路は、マイクロプロセッサ、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、及び質量分析計を制御するのに用いられるアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、検出器１４０（図１Ａ）のアナログステージ、電子源及び電子源電極（例えば、図８及び図９のフィラメント１０２、カソード８１０、制御電極８２０、及びアノード８３０）、イオンポンプ１２０（図１Ａ）、イオン光学系３００（図３）、及び反射電極３０４（図３及び６Ａ）のようなイオン源１０４電極を含むがこれらに限定されない様々な分析計電極及び構成要素に向けて電圧を生成する。適切な電圧には、デジタル論理回路電圧（例えば、＋３．３Ｖ、＋５Ｖ）及びイオンポンプ１２０、電子源、イオン光学系３００、及びイオン源１０４のための約１００Ｖから約５ｋＶの電位がある。分析計はまた、外部電源からの入力電圧のリップルを補償又は補正するためにフィルタ及びレギュレータを含むことができる。

分析計は、各構成要素及び電極のための１つの変換回路１５０、又は構成要素及び電極の群のための電圧を生成する複数の変換回路１５０を含むことができる。例えば、それは、デジタル論理回路に電力を供給する隔離＋３．３Ｖ／１Ｗ直流／直流変換器を含むことができる。デジタル論理回路は、ＤＡＣ及び質量分析計を制御するのに使用されるＡＤＣのようなマイクロプロセッサ及びアナログ入出力（Ｉ／Ｏ）モジュールを含む。検出器のＡＤＣのデジタル側も、デジタル論理回路電源から作動する。論理回路供給分の接地側は、単一の点でシステム接地に結合される。

分析計は、隔離±５Ｖ／１Ｗ直流／直流変換器、次に、検出器のアナログステージに向けて±２．５ＶＤＣ電源を供給する１対の線形レギュレータを含むことができる。この電源は、かなりフィルタリングされて軽負荷であり、１対のｏｐアンプ及び検出器ＡＤＣのアナログの半分に向けて供給電流を供給する。この電源の接地は、ノイズを低減するために正に検出器電極でシステム接地に結合される。

分析計は、名目上２．４Ｖ／５００ｍＡを引き出すフィラメントに向けて供給電圧を供給する隔離＋３．３ＶＤＣ／３Ｗ直流／直流変換器を含むことができる。この電源の接地は、フィラメントバイアス電源に結合され、フィラメントバイアス電源は、イオン源電源を下回って７０Ｖである。

分析計は、質量分析計のトラップ電流を測定するＡＤＣに向けて供給電圧を供給する接地がトラップ電位にバイアスされた隔離＋３．３ＶＤＣ電源を含むことができる。分析計は、反射電極３０４（図３）を駆動するｏｐアンプの供給電圧を供給する接地がイオン源電位にバイアスされた隔離＋５．０ＶＤＣ電源を含むことができる。それはまた、搭載イオンポンプ１２０のアノード電圧を供給する絶縁３ｋＶ／３Ｗ直流／直流変換器を含むことができる。

６．２ イオン光学系ドライバ

５つの高電圧比例直流／直流変換器（変換回路）が、静電要素電位を供給する。比例直流／直流変換器は、変換器の入力電圧に正比例する出力電圧を生成し、かつ様々な出力電圧が望ましい時に有用である。これらの直流／直流変換器の入力電圧は、各直流／直流変換器の僅かな出力電圧が各ｏｐアンプに供給されて出力が安定するように構成された作動中の増幅器によって供給される。各ｏｐアンプのための基準は、一度較正することができて作動中不変のままとすることができる電位に向けて、デジタルコントローラから又はポテンショメータからＤＡＣによって供給される。

これらの直流／直流変換器（変換回路）は、イオン源、イオン源の静電レンズ、トラップ、及びフィラメントのバイアスに向けて電位を供給する。これらの変換器の出力の全ては、システム接地準拠である。適切に互いに出力を結びつけた（例えば、トラップ電源を接地ではなくイオン電源準拠とする）方が簡単であったであろうが、これらの直流／直流変換器の各々の出力絶縁定格は、そうするには十分ではなかった。

６．３ 電位計

ファラデーカップ電極に接続した電位計は、アナログ／デジタル変換器に接続されて５ｅ１０の利得を有する相互コンダクタンス構成内の「ナショナル・セミコンダクタ ＬＭＰ７７２１」演算増幅器のような敏感な相互コンダクタンス増幅器である。５ｐＦ銀マイカコンデンサが、フィードバック経路と並列であり、このコンデンサは、高周波数で増幅器の利得を低減し、従って、増幅器の出力時に存在する高周波ノイズが低減される。

電位計の高い利得のために、漏れ電流は、電位計出力のドリフトを引き起こす可能性がある。これを低減しやすくするために、保護リングが、電位計の入力ピン、帰還抵抗及びコンデンサの一端、及びファラデーカップ電極を接続する接合部を取り囲んでいる。この保護リングは、入力が電位計の非反転及び名目上接地された（かつバイアス電流のために僅かにずれた）入力から導出される単一利得電圧モードで「ナショナル・セミコンダクタ ＬＭＰ７７１５」のような第２の演算増幅器により駆動される。相互コンダクタンス増幅器の出力は、ＡＤＣ（例えば、「テキサス・インストルメンツ ＡＤＳ１２８１」２４−ビットＡＤＣ）により直接にデジタル化される。

電位計回路全体は、質量分析器電極内に切断されたポケットの内側の分析器ＰＣＢ上に装着される。電極は、２つのＰＣＢ上の銅と共にファラデー箱に電位計を入れる役目をする。ファラデーカップ検出器電極に電位計が極めて近くにあるために、ノイズが信号を破壊する可能性が少なくなる。

６．４ 脱ガス加熱器

真空チャンバ内のプリント回路基板は、かなり大きいガス負荷を担持することが予想されている。従って、分散型抵抗器のネットワークをプリント回路基板に追加して、ＰＣＢにより吸収及び吸着されたガスを除去しやすくなるのに十分に基板温度を確実に上げることができるようにした。主な＋１２ＶＤＣ電源によって作動する複数の１Ｗの抵抗器が戦略的な位置に設けられ、かつオン／オフ又はＰＷＭ加熱コントローラとしてＰチャンネルＦＥＴによりゲート制御される。

６．５ デジタルコントローラ

図１９は、プロセッサ１９０２（例えば、ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓにより製造される３２ビット「ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ−Ｍ３」マイクロプロセッサ（ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＣＢＴ６））周りに製造された質量分析計のデジタルコントローラ１９００のブロック図である。プロセッサ１９０２は、電源（変換回路）１５０により電源が供給され、かつ真空チャンバの内側と外側の間でデータ及び命令を中継する無線通信インタフェースとして機能する高周波（ＲＦ）通信モジュール１９２０に結合される。コントローラ１９００はまた、マイクロコントローラ１９００上で共通のシリアルペリフェラルインタフェース（ＳＰＩ）バス１９１０を通じてプロセッサ１９０２に結合されたＤＡＣ１９０４ａ−１９０４ｃ（集合的に、ＤＡＣ１９０４）、ＡＤＣ１９０６ａ−１９０６ｃ（集合的に、ＡＤＣ１９０６）、及び電場効果トランジスタ（ＦＥＴ）１９０８ａ−１９０８ｃ（集合的に、ＦＥＴ１９０８）を含む。質量分析計の真空空洞により形成された真空空洞内にコントローラ１９００全体を閉じ込めることができる。例えば、図１１に示す電子機器基板１１２０にコントローラ１９００を装着又は結合することができる。

一例示的なコントローラ１９００では、イオン源電源及び２つの静電レンズ上の電位を設定するのに使用される３つのＤＡＣ１９０４ａ−１９０４ｃ（例えば、ＡＤ５６６２ ＤＡＣ）が存在する。フィラメント駆動電流及びトラップ電流を測定するのに使用される２つのＡＤＣ１９０６ａ及び１９０６ｂ（例えば、ＡＤ７６８０ ＡＤＣ）が存在する。２つのＡＤＣ１９０６ａ及び１９０６ｂは、いずれも、高い電圧でバイアスされた電源で作動しており、これらのデバイスのＳＰＩバスは、光遮断器（例えば、Ａｖａｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＣＳＬ−６４１０双方向性（３／１チャンネル）光遮断器）により論理回路レベルバスから隔離される。別のＡＤＣ１９０６ｃが、電位計に結合される。

ＤＡＣ１９０４及びＡＤＣ１９０６が、マイクロプロセッサのＳＰＩバス１９１０に接続される。各ＤＡＣ１９０４及びＡＤＣ１９０６は、アドレス指定のための固有の専用マイクロプロセッサＧＰＩＯピンを有する。更に、いくつかのＧＰＩＯ線が、他の機能（例えば、データ待機、リセット）に向けて電位計ＡＤＣまで走っている。ポートエキスパンダ／ＬＥＤドライバ１９１２（例えば、Ｍａｍｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＭＡＸ６６９６ポートエキスパンダ／ＬＥＤドライバ）も、ユーザフィードバックに使用されるＳＰＩバス１９１０及び３つのＲＧＢ ＬＥＤ１９１４に接続される。

マイクロプロセッサ１９０２上のハードウエアタイマに接続したピンは、フィラメントに接続したＰチャンネルＦＥＴ１９０８ａのゲートドライブとして使用される。フィラメントは、最高効率が得られるようにパルス幅変調で駆動される。スイッチング周波数は１００ｋＨｚであるが、干渉が検出された場合は作動中に変えることができる。

プロセッサ上の他のピンは、他の周辺機器を制御するのに使用される。フィラメント及び高電圧電源の殆ど及び脱ガス加熱器を含む電源の一部は、大型ＰチャンネルＦＥＴ（例えば、ＦＥＴ１９０８ｂ及び１９０８ｃ）によりゲート制御される。ＦＥＴ１９０８は、質量分析計が使用されていない時に電力を節約するためにフィラメント及び高電圧電源をシャットダウンすることができるようにマイクロプロセッサピンにより駆動される。

１対のピンが、イオンポンプを制御及びモニタするのに使用される。一方のピンは、コントローラがイオンポンプアーク発生なしに大気圧で稼動させることができるようにイオンポンプを有効にする。他方のピンは、イオンポンプ供給分の端子電圧をモニタするためにマイクロプロセッサの搭載１２ビットＡＤＣに接続されたアナログ入力として使用される。

マイクロプロセッサ内のハードウエアＵＳＡＲＴ送受信機に接続された２本のピンは、外界との質量分析計の通信ツールである。これらのピンは、真空チャンバの壁を通過する（しかし、真空ハウジングがガラスから作られる場合に、データを光学的に伝達することができる）。

この例では、真空チャンバを通気することを必要とすることなくマイクロプロセッサのコードを再設定することができるように、Ｃｏｒｔｅｘ−Ｍ３特定の３本のシリアルワイヤプログラミング（ＳＷＰ）ピンも真空ハウジングに通過させた。

６．６ 制御ソフトウエア

１つの例では、質量分析計のための制御ソフトウエアは、コンピュータ言語Ｃで書き込まれ、かつ「ＩＡＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ＩＤＥ」及びコンパイラを使用してＣｏｒｔｅｘ−Ｍ３コアに向けてコンパイルされる。主実行ループは、質量範囲を生成するのに必要とされる基本的演算を制御する有限状態機械である。各ループサイクル中、質量分析計は、外部変数の状態を示す利用可能なデータの全てを読み取って、次に、計器の状態に依存するコードを実行する。ＬＥＤの１つは、機械の状態によって色を明滅するタスクが課せられる。明滅速度は、主要な実行ループによって制御され、コードがロックしなかったという視覚フィードバックが得られる。以下の節でより詳細にこれらの状態を説明する。

６．７ ブート

ブート時間に、質量分析計は、バスに装着された周辺機器の全ての状態を検査する。供給するデータを解釈することにより、周辺機器、ＡＤＣ、及び様々な電源の殆どを検査することができる。自己検査のいずれかの不良により、質量分析計は、故障モードに入る。

６．８ 待機

待機モードでは、マイクロプロセッサは、任意的に、イオンポンプ及び脱ガス加熱器を除いて周辺機器の全てをシャットダウンする。この最小電力消費モードでは、システムは、引き出す電力が１Ｗよりも小さい場合がある。

６．９ アイドル

アイドルモードでは、マイクロプロセッサは、高電圧電源及びフィラメント電源を準備する。フィラメントは、長寿命化するために低減された電圧で作動する。このモードでは、マイクロプロセッサは、高電圧電源が適切に機能中であり、かつフィラメントが焼き切れていないことに保証することができる。アイドルモードへの移行中に、フィラメントは、熱衝撃を低減するためゆっくり昇温される。フィラメント予熱時間は、約０．５ｓとすることができる。

６．１０ 掃引

掃引モードでは、マイクロプロセッサは、能動的に電極を駆動してイオン電流を測定する。イオン源電源は、ハードウエアによって達成可能な最小電圧、すなわち、ほぼ１５０Ｖにされ、約２０Ｖ／ｓで約８００Ｖまで掃引される。静電レンズ電圧も、各イオン源電位で適切にイオンビームをフォーカスするために絶えず変えられる。

電位計電流は、シリアルポートから質量分析計に接続したラップトップ又は他のコンピュータデバイスに送り出される。簡単な端末プログラムでデータは収集することができ、質量走査を実行した時に、データは、ラップトップ上で捕捉してデータ分析プログラム内のデータファイル（例えば、コンマ−セパレーテッド−バリアブル（．ＣＳＶ）ファイル）として開くことができるテキストのコラムとして出力される。

質量分析計は、コンピュータを通じてアクセスされる直列伝送端末インタフェースによって制御される。質量分析計上の端末プログラムにより、指令は、殆どはデバッグを目的として、但し、機械の状態を制御することも目的として送ってかつ解釈することができる。新しい状態を指定する引数を有する指令「ｍｏｄｅ」により、先に詳細したように、ユーザは、作動モード間で切り換えることができる。浮動小数点数又はオン／オフのような引数（例えば、「ｆｉｌａｍｅｎｔ ｏｆｆ」又は「ｉｏｎｂｏｘ ５００．０」）を有する指令「ｆｉｌａｍｅｎｔ」、「ｒｅｐｅｌｌｅｒ」、「ｉｏｎｂｏｘ」、「ｌｅｎｓ１」、及び「ｌｅｎｓ２」により、ユーザは、真空チャンバ内の様々な電極を直接に制御することができる。他の指令「ｄｅｇａｓ」、「ｉｏｎｐｕｍｐ」により、ユーザは、マイクロプロセッサがこれらの特徴をいつ有効にすべきか分らないので、遠隔作動でこれらの周辺機器をオン及びオフにすることができる。

７．０ 試験

質量分析計は、サブアセンブリ並びに完全なシステムの広範囲な試験を受けた。

７．１ 電源及び制御システム

電源の全てに電源を投入して公称電圧が得られているか否か試験した。この電源の騒音指数は、電位計ｏｐアンプのＣＭＲＲにより直接に電位計ノイズフロアに影響を与えるので、±２．５Ｖアナログ電位計電源に特に注意を払った。

質量分析計がクラッシュなしで数日間にわたって全てのモードで稼動することができることを検証することにより、制御ソフトウエアを試験した。次に、様々な作動モードを電力消費量に対して調べた。表１（以下）は、１２のＶＤＣでの各作動モードの電力消費量を示している。作動の全てのモードにおいて、この質量分析計は、引き出す電力が他のいずれの既存の小型質量分析計よりも少ないことに注意されたい。イオンポンプは、３Ｗを引き出すが、この量の電力は、ポンプを持続するのに全く十分ではなかった。

（表１）

７．２ 電子ビーム

電子ビームの作動は、質量分析計の第１の診断兆候である。作動は、一般的にトラップ電流により特徴付けられる。トラップ電流は、フィラメントから放出され、イオン化領域を完全に通過して、トラップ電極で集められる電子流の一部分である。トラップ電流は、フィラメント輝度に正比例しなければならず、フィラメント輝度自体は、フィラメント電力の非線形性の強い関数である。特定の出力レベルよりも大きいと、トラップ電流は、急速に上がり始め、一方、フィラメント寿命は減少する。

フィラメント電圧Ｖの関数としてフィラメント強度は、Ｖ＾（３．４）に比例し、一方、フィラメント寿命は、Ｖ＾−１６に比例し、フィラメントを過剰駆動しない強い動機を与える。この質量分析計に使用されるフィラメントは、標準的なＰＲ−２タングステン閃光電球のフィラメントである。このタイプの電球は、２．４Ｖ及び０．５Ａでの１５時間の寿命が得られるような定格を有する。低減された電圧で作動すると寿命が延びる。例えば、２．３Ｖでは、フィラメントは、３０時間に寿命を倍増しながら輝度の８６％を保持する。

トラップ電流を２つの異なるフィラメント電圧で測定し、これを表２に要約している。

（表２）

トラップ電流は、異なる実験中にはむしろ多少可変であり、２．４Ｖの作動電圧でさえ一部の試験中に２５μＡに下がったが、一部の場合には、質量分析計を分解及び再組み立てすることが多く、イオン化領域に対するフィラメントの正確な向きが変わったことによるものであった。

７．３ 脱ガス加熱器

図２０は、基板１９０（図１Ａ）又は電子機器基板１１２０（図１１）のような質量分析計基板２００４に接続した抵抗加熱器２００２のネットワークで形成された脱ガス加熱器２０００の図である。加熱器２０００を使用して、基板の温度を上げることにより、これらの基板上の吸収及び吸着されたガスの少なくとも一部を除去することができる。加熱器２０００をオンにするために、抵抗加熱器２００２を通る電流を流し、それによって抵抗加熱器２００２及び基板２００２が加熱される。基板２００２が加熱する時に、吸収及び吸着されたガスを放出し、このガスは、イオンポンプ１２０（図１Ａ）、真空チャンバに装着された別のターボポンプ、又はその両方により真空空洞から排気される。加熱器が適切に機能している時に、真空下で加熱器をオンにすると、ガスが排気される時にチャンバ圧力の増加が認められ、次に、加熱器が再びオフにされた時に、初期レベルよりも低いレベルへの圧力低下を認めることができるはずである。

図２１は、脱ガス加熱器を試験するために実施された実験に関する圧力対時間のプロットである。質量分析計を真空ハウジング内に設けてポンプで排気した。チャンバ圧力が安定した時に、加熱器をオンにし、次に、ほぼ３時間後に再びオフにした。比較的遅い初期減少、次に、加熱器をオンにした時のチャンバ圧力のチャンバ圧力の増加に注意すべきである。ガスを排気すると、チャンバ圧力は、下がり始め、この時点で、次に加熱器をオフにする。この時点で、自ら熱を生成して電子機器基板からガスを排気する電源電子機器を起動させる。将来は、これらの２サイクルを同時に実行することができるが、現在は、それらは、損傷なしに同時に作動するには生成する熱が多すぎる。

図２２は、加熱器をオンにした後の異なる期間の搭載された分析器の赤外線の画像を示している。質量分析器基板を熱探知カメラ（例えば、ＦＬＩＲサーモビジョンＡ４０カメラ）の下に設けて、熱の遷移挙動を１０分（６００ｓ）にわたって観測した。温度上昇は、この一連のフレームにおいて絶対値では控え目であるが、この実験は空気中で実行されたものであった。真空状態では、面を冷却する対流がないので温度上昇はかなり速くなるはずであるが、熱は、ほぼここで観測されるパターンで流動することになる。

７．４ レンズ線形化

図２３は、各レンズドライバの相対的な較正を示している。レンズドライバの各々に関わるフィードバック制御ループが正確であることを保証する試みにも関わらず、部分的に変動がレンズ指令とレンズ電圧の間にあった。従って、較正をイオン源電位及び２つの静電レンズに実行した。正しい電圧がレンズに出力されたことを検証するためにこの較正曲線を線形化し、質量分析計コントローラのコードにプログラムした。同一ハードウエアを使用して製造されることを前提としていたはずであるので、レンズドライバは類似のものであったが、２、３ボルトの変動があった。これはあまり重要ではないように思える場合があるが、上述の位置エネルギ面により、これらの電圧の一部をいかに入念に整合すべきであるかが見出され、誤って調節したレンズは、イオンビームを大きく制限又は阻止する可能性があり、信号が排除される。

７．５ イオンポンプ

システムを２．６ｅ−６Ｐａ［２．０ｅ−８トル］にポンプ排気した後に、小型の同時製作されたイオンポンプを個別に試験した。イオンポンプを２．６ｅ−４Ｐａ［２．０ｅ−６トル］で始動して、圧力を２．６ｅ−６Ｐａに到達するまで真空チャンバのターボポンプと共に作動させ、この時点で、ターボポンプとチャンバ間に挿入されていた弁を閉じた。

図２４及び図２５は、試運転工程中の真空チャンバ圧力、ポンプ電圧、及びイオン電流のプロットを示す図である。始めは、吸着されたガスを排気するために小型イオンポンプを加熱し、イオンポンプがガス負荷を担持する準備が完了するまで第２の高真空ポンプと共に稼動させる。この試運転工程は、質量分析計の搭載のための加熱器を使用することなくほぼ１５時間掛かる。

図２６は、試運転試験後に分解したイオンポンプの写真を含む。チタンカソードプレートを各ポンプセルの中心部に窪みに入れ込んで、アノードをスパッタ処理によりチタンメッキした。

７．６ 質量スペクトル

本発明の質量分析計に対して、スペクトルは、イオン源電位の関数としてイオンビーム電流として現れる場合がある。マイクロプロセッサは、荷電比に即して質量に対してイオン電流を出力するようにプログラムすることができるが、この例に対して、イオン源電位とｍ／ｚ間のマッピングは、データ後処理において行われる。代替的に、本発明の質量分析計は、高電圧バイアスパラメータ（例えば、フィラメント電流、トラップ電流）を測定することができる。

多くの質量掃引試験を小型質量分析計に実行し、得られるデータに基づいて多くの最適化を試験間に行った。最適化は、一般的に主ではなく、可変形状質量分析器スリット、電位計ハードウエア（例えば、帰還抵抗、コンデンサ）を調節し、かつフィラメント電力、静電レンズ電位、及びイオン源電圧掃引速度及び範囲を最適化するようにソフトウエアを変更した。

図２７は、例示的な小型質量分析計から集められた質量スペクトルを示している。大きい中心のピークは、一部の場合に窒素であり、一方、グラフの右側のピークは、水である。酸素は、一部の場合には、窒素ピークの左肩部から突出するピークとして現れ、この例示的質量分析計は、４ＡＭＵ隔てた質量を分離するには十分な分解能を有していなかった。このスペクトルにより、イオンビームが電極の１つを調節するためにデジタルコントローラを使用して切られたことを見ることができる。

図２８は、顕著なピークが強調表示された質量分析計の別のバージョンにより捕捉された質量スペクトルである。このデータは、加速電位と質量／電荷比率の逆相関に関して補正したものである。２９ｍ／ｚでのピークに注意されたく、これは、一部の場合には、１４Ｎ１４Ｎに対して０．３６％の存在量で空気に存在する窒素１５Ｎ１４Ｎの同位元素である。

観測された１つの興味深い特徴は、質量分析計は、たとえ静電レンズが無効にされたとしても（例えば、レンズがビームを変えないようにプログラムされた）、ＳＮ比の低下にも関わらず機能することである。この結果を使用して静電レンズの効果が特徴付けられた。

図２９は、１つがレンズがオフで実行され、別のものがレンズがオンで実行された１対のスペクトルである。このレンズにより、ノイズフロアを増大させることなく、信号強度においてほぼ１０倍の増加が得られる。これは、質量分析において極めて貴重であり、捕捉及び分析に対する注意の対象である生成されたイオン割合が大きいほどいかに強い信号を得ることができるかを示している。レンズを最初に手で調節し、既知のイオン化学種を用いてある電位にイオン源を設定し、次に、最大の信号が得られるようにレンズを調節した。いくつかのイオンを調節して、得られた曲線を線形補間を用いて適合させた。

図３０は、可変形状スリットの効果を示す空気の質量スペクトルである。システムの全体的な利得を含むいくつかの他のファクタが変化したが、この比較の顕著な特徴が、ピークの基部で見出された。スリットが狭くなるとｍ／ｚ２７及び２６のピークは、赤色の曲線で見出され、一方、スリットの幅が広くなると、青色の曲線で完全にわからなくなっている。

図３１は、例示的質量分析計が入口に入った新しい化学種を検出することができることを示すプロットである。図３１は、質量分析計の検出機能の試験である。亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）のサンプルを入口に注入して、質量スペクトル掃引を実行した。この制御実施により、青色で標準スペクトル、すなわち、水、窒素、酸素を見ることができる。亜酸化窒素を含む実施では、いくつかの新しいピークを見ることができる。Ｎ₂Ｏが、ｍ／ｚ４４で全く明瞭に現れ、別の化学種、すなわち、断片的イオンＮＯが、ｍ／ｚ３０で酸素と窒素の間に現れている。

図３２は、変調源としてグリッドを使用して生成した一連のスペクトルである。イオン源のグリッド（制御電極）を使用して、電位計の背景ドリフト又は１／ｆノイズを除去した。青色の曲線は、イオンビームが切断されるようにグリッドがバイアスされた時に生成された基線曲線である。赤色の曲線は、イオンビームが有効にされた状態で生成された信号曲線である。緑色の曲線は、２つの差し引いたもの、すなわち、基線オフセット及びドリフトが取り外された信号である。

これらのプロットは、本発明の質量分析計が、医療のためのツール、環境のためのツール、又は産業のためのツールを含むがこれらに限定されない多くのタスクに向けて十分である分解能で機能することを示している。少なくとも１つの場合では、実験結果により、この質量分析計が、入口サンプルガスの０．５％未満を含む化学種をしかも１ＡＭＵの質量分解能で検出するのに十分に感度が高いことを見ることができる。ノイズフロアは、図２８のグラフ上に示すように、極めて低く、１０ｆＡ未満である。適切な関数による逆重畳により、スペクトルの更なる狭化を得ることができる。

８．０ 結論

様々な本発明の実施形態を本明細書に説明及び図示したが、当業者は、機能を実施し、及び／又は本明細書に説明する結果及び／又は長所の１つ又はそれよりも多くを取得する様々な他のツール及び／又は構造体を容易に想起するであろうし、このような変形及び／又は修正の各々は、本明細書に説明する本発明の実施形態の範囲であると見なされる。より一般的には、当業者は、本明細書に説明する全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示的であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が使用される１つ又は複数の特定の用途に依存することを容易に認めるであろう。当業者は、通常の実験のみを用いて本明細書に説明する特定の本発明の実施形態に対する多くの均等物を認めるか又は検証することができるであろう。従って、上述の実施形態は、単に一例として示しており、特許請求の範囲及びその均等物の範囲で本発明の実施形態を具体的に説明して特許請求する以外の方法で実施することができることを理解すべきである。本発明の開示の実施形態は、本明細書に説明する各個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法に関するものである。更に、このような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が相互に一貫していないとしても、２つ又はそれよりも多くのこのような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法のあらゆる組合せは、本発明の開示の範囲に含まれる。

上述の実施形態は、多くの方法のいずれかで実施することができる。例えば、ハードウエア、ソフトウエア、又はその組合せを使用して実施形態を実施することができる。ソフトウエアに実施された時に、単一のコンピュータ内に設けられたか又は複数のコンピュータ間に分散しているかに関わらず、ソフトウエアコードは、あらゆる適切なプロセッサ又はプロセッサの集合上で実行することができる。

更に、ラック装着式コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、又はタブレット型コンピュータのようなコンピュータをいくつかの形態のいずれかで実施することができることを認めるべきである。更に、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、又はあらゆる他の適切な可搬又は固定式の電子デバイスを含むコンピュータは、一般的にコンピュータと見なされていないが適切な処理機能を有するデバイス内に埋め込むことができる。

また、コンピュータは、１つ又はそれよりも多くの入力及び出力デバイスを有することができる。これらのデバイスは、取りわけ、ユーザインタフェースを提示するのに使用することができる。ユーザインタフェースをもたらすのに使用することができる出力デバイスの例には、プリンタ又は出力の視覚提示のための表示画面、及びスピーカ又は出力の聴覚提示のための他の音生成デバイスがある。ユーザインタフェースに使用することができる入力デバイスの例には、キーボード及びマウスのようなポインティングデバイス、タッチパッド及びデジタイザタブレットがある。別の例として、コンピュータは、音声認識を通じて又は他の可聴フォーマットで入力情報を受信することができる。

このようなコンピュータは、社内ネットワーク及びインテリジェントネットワーク（ＩＮ）又は「インターネット」のようなローカルエリアネットワーク又は広域ネットワークを含むあらゆる適切な形態の１つ又はそれよりも多くのネットワークにより相互接続することができる。このようなネットワークは、あらゆる適切な技術に基づくことができ、かつあらゆる適切なプロトコルに従って作動させることができ、このようなネットワークは、無線ネットワーク、有線ネットワーク、又は光ファイバネットワークを含むことができる。

本明細書で概説した様々な方法又は工程は、様々なオペレーティングシステム又はプラットホームのいずれか１つを使用する１つ又はそれよりも多くのプロセッサ上で実行可能であるソフトウエアとして符号化することができる。更に、いくつかの適切なプログラミング言語及び／又はプログラミング又はスクリプト生成ツールのいずれかを使用してこのようなソフトウエアを書き込むことができ、かつ同じくフレームワーク又は仮想マシン上で実行される実行可能なマシンコード又はロボットのための中間コードとしてコンパイルすることができる。

この点に対して、１つ又はそれよりも多くのコンピュータ又は他のプロセッサ上で実行された時に、上述の本発明の様々な実施形態を実施する方法を実行する１つ又はそれよりも多くのプログラムで符号化されたコンピュータ可読ストレージ媒体（又は複数のコンピュータ可読ストレージ媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つ又はそれよりも多くのフロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又は他の半導体素子又は他の非一時的媒体又は有形コンピュータストレージ媒体内の回路構成）として様々な本発明の概念を実施することができる。１つ又は複数のコンピュータ可読媒体は、上述したように、本発明の様々な態様を実施するために媒体上に記憶された１つ又は複数のプログラムを１つ又はそれよりも多くの異なるコンピュータ又は他のプロセッサ上へ取り込むことができるように移動可能にすることができる。

用語「プログラム」又は「ソフトウエア」は、上述したように、コンピュータ又は他のプロセッサが実施形態の様々な態様を実施するようにそれをプログラムするために使用することができるあらゆるタイプのコンピュータコード又はいずれか１組のコンピュータ実行可能命令を指すために一般的な意味で本明細書に使用されている。更に、１つの態様によって実行された時に本発明の方法を実施する１つ又はそれよりも多くのコンピュータプログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサ上に常駐する必要がなく、本発明の様々な態様を実施するためにいくつかの異なるコンピュータ又はプロセッサの間でモジュール式に分散させることができることを認めるべきである。

コンピュータ実行可能命令は、プログラムモジュールのような多くの形態で１つ又はそれよりも多くのコンピュータ又は他のデバイスによって実行することができる。一般的に、プログラムモジュールには、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データタイプを実行するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などがある。典型的には、様々な実施形態において、必要に応じてプログラムモジュールの機能性を組み合わせるか又は分散させることができる。

また、データ構造は、あらゆる適切な形式でコンピュータ可読媒体に記憶することができる。図の簡潔さを期すために、データ構造は、データ構造内の位置を通じて関係があるフィールドを有するように示された場合がある。同様に、コンピュータ可読媒体においてフィールドの関係を伝える位置を有するフィールドのためのストレージを割り当てることによってこのような関係をもたらすことができる。しかし、あらゆる適切な機構を使用して、データ要素の関係を確立するポインタ、タグ、又は他の機構の使用を含むデータ構造のフィールドにおける情報の関係を確立することができる。

また、様々な本発明の概念は、実施例を提供した１つ又はそれよりも多くの方法として具現化することができる。方法の一部として実施される行為は、あらゆる適切な方法で順序付けることができる。従って、行為が例示と異なる順序で実行される実施形態を構成することができ、これは、たとえ例示的な実施形態で連続的な行為であるように示されていても、同時にいくつかの行為を実施することを含む場合がある。

本明細書で定義及び使用された時の全ての定義は、辞書定義、引用により組み込まれる文書内の定義、及び／又は定義された用語の普通の意味を超えて制御することを理解すべきである。

不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲においてここで使用する時に、矛盾が明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味することを理解すべきである。

語句「及び／又は」は、本明細書及び特許請求の範囲においてここで使用する時に、そのように結合された要素、すなわち、一部の場合は共同で存在し、他の場合は別々に存在する要素の「一方又は両方」を意味することを理解すべきである。「及び／又は」と共に説明された複数の要素も、同様に、すなわち、そのように結合された要素の「１つ又はそれよりも多く」と解釈されなければならない。具体的に識別された要素と関係があるなしに関わらず、特に「及び／又は」という句により識別された要素以外の他の要素は、任意的に存在することができる。従って、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、「含む」のような幅広い解釈ができる言語に関連して使用された時に、一実施形態において、Ａのみ（任意的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態において、Ｂのみ（任意的にＡ以外の要素を含む）、更に別の実施形態において、ＡもＢも（任意的に他の要素を含む）などを指すことができる。

本明細書及び特許請求の範囲においてここで使用する時の「又は」は、先に定義したような「及び／又は」と同じ意味を有するように理解されなければならない。例えば、リストにおいて品目を分離する時の「又は」又は「及び／又は」は、網羅的であり、すなわち、少なくとも１つの包含であるが、同じくいくつかの要素又は要素のリストの１つよりも多く及び任意的に更に別のリストに載ってない品目を含むと解釈されるものとする。「のうちの１つのみ」、「のうちの正確に１つ」、又は特許請求の範囲で使用する時の「から構成される」のようなその逆を明確に示す用語だけが、いくつかの要素又は要素のリストのまさに１つの要素の包含を示すこととする。一般的に、本明細書で使用する時の用語「又は」は、「いずれか」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、「のうちの正確に１つ」のような排他的の用語に先行された時に排他的二者択一（すなわち、「一方又は他方であるが両方ではない」）を示すのみと解釈されるものとする。特許請求の範囲に使用する時の「から本質的に構成される」は、特許法の分野に使用される時の普通の意味を有するものとする。

本明細書及び特許請求の範囲においてここで使用する時に、１つ又はそれよりも多くの要素のリストに関連の語句「少なくとも１つ」は、要素のリスト内であるが必ずしも要素のリスト内に具体的に説明された各々かつ全ての要素の少なくとも１つを含み、かつ要素のリスト内の要素のあらゆる組合せを除外するわけではない要素のいずれか１つ又はそれよりも多くから選択された少なくとも１つの要素を意味することを理解すべきである。この定義は、具体的に識別されたそれらの要素関係があるなしに関わらず、語句「少なくとも１つ」が指す要素のリスト内で具体的に識別された要素以外に要素が任意的に存在することができることも可能にする。従って、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも一方」（代替的に、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも一方」、又は同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも一方」）は、一実施形態において、任意的に１つよりも多くを含み、Ｂは存在せずに（かつ任意的にＢ以外の要素を含んで）少なくとも一方、すなわち、Ａを指し、別の実施形態において、少なくとも１つ、任意的に１つよりも多くを含み、Ａは存在せずに（かつ任意的にＡ以外の要素を含んで）少なくとも一方、すなわち、Ｂを指し、更に別の実施形態において、少なくとも１つ、任意的に１つよりも多く、すなわち、Ａを含み、かつ少なくとも１つ、任意的に１つよりも多く、すなわち、Ｂを含む（かつ任意的に他の要素を含む）などを指すことができる。

特許請求の範囲並びに以上の本明細書では、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、及び「で構成される」などのような全ての移行句は、制限がない、すなわち、含むがそれに限定されない意味であることは理解されるものとする。移行句「で構成される」及び「で本質的に構成される」のみが、それぞれ、米国特許庁特許調査手順マニュアル節２１１１．０３に定められているように、限定又は半限定移行句であるものとする。

１００ 質量分析計
１１４ 磁気ヨーク
１７０ 真空フランジ
１７２ 真空ハウジングシール
１８０ 入口

Claims (20)

1. （Ａ）約１０^-5ｍｍＨｇ又はそれ未満の真空をサポートする真空空洞を形成する真空ハウジングと、
   （Ｂ）前記真空空洞内に配置され、かつ該真空空洞を通って伝播する荷電粒子の加速を制御するために電極電位まで帯電するように構成された電極と、
   （Ｃ）前記電極のための前記電極電位を供給するために前記真空空洞の外側の電源からの入力電圧を変換するように該真空空洞内に配置された変換回路と、
   （Ｄ）約３６Ｖ未満又はそれに等しい誘電強度を有し、前記変換回路と前記電源の間の電気接続を提供するフィードスルーと、
   を含むことを特徴とする質量分析計。
2. 前記荷電粒子は、電子であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析計。
3. （Ｅ）前記電子を供給するために前記真空空洞内に配置された電子源と、
   （Ｆ）前記電子を反発するカソードと、
   （Ｇ）分析される検体粒子に向けて前記電子を加速するために前記電子源から前記電極の反対側に配置されたアノードと、
   を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の質量分析計。
4. 前記変換回路は、
   （ｉ）前記アノードのための約１００Ｖから約５ｋＶのアノード電位と、
   （ｉｉ）前記カソードのための前記アノード電位よりも低いカソード電位約７０Ｖと、
   を供給するように更に構成され、
   前記電極電位は、前記アノード電位よりも低い約０Ｖと約１４０Ｖの間である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の質量分析計。
5. （Ｈ）前記真空空洞内に配置され、かつ前記電極電位を変えるために前記変換回路と作動可能に結合された制御電子機器、
   を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の質量分析計。
6. 前記変換回路は、約１Ｖから約３６Ｖの第１の値を有する前記入力電圧を約１００Ｖから約５ｋＶの第２の値を有する前記電極電位に変換するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の質量分析計。
7. 前記フィードスルーは、前記真空空洞の内側と外側間の唯一の電気接続であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析計。
8. （Ａ）約１０^-5ｍｍＨｇ又はそれ未満の圧力まで排気された真空空洞を与える段階と、
   （Ｂ）前記真空空洞の外側の電源から入力電圧を受電する段階と、
   （Ｃ）前記真空空洞内に配置された変換回路を用いて前記入力電圧を電極電位に変換する段階と、
   （Ｄ）前記真空空洞内の電極を前記電極電位まで帯電する段階と、
   （Ｅ）（Ｄ）で帯電された前記電極を用いて前記真空空洞内の荷電粒子を加速する段階と、
   を含むことを特徴とする質量分析方法。
9. 前記入力電圧は、約３Ｖから約３６Ｖであり、前記電極電位は、約１００Ｖから約５ｋＶであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記荷電粒子は、電子であり、
    （Ｅ）は、
    （Ｅ１）前記電子の加速を制御するために前記電極電位を変える段階、
    を更に含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. （Ｅ１）は、
    前記真空空洞内に配置された電子構成要素を用いて前記電極電位を制御する段階、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記荷電粒子は、イオン化検体粒子であり、
    （Ｆ）前記荷電粒子の加速に基づいて前記イオン化検体粒子の質量を判断する段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. （Ａ）真空空洞を形成する真空ハウジングと、
    （Ｂ）第１の領域で第１の強度及び第２の領域で第２の強度を有する磁場を発生させる磁気ヨーク内の磁石と、
    （Ｃ）前記真空空洞の真空圧力を維持するために前記第１の領域にあるように位置決めされたイオンポンプと、
    （Ｄ）前記真空空洞を通って伝播するイオン化検体粒子の質量を判断するために前記第２の領域にあるように位置決めされた質量分析器と、
    （Ｅ）前記検体粒子をイオン化する電子の加速を制御するために前記真空空洞内に配置された制御電極と、
    （Ｆ）変換された電圧を前記イオンポンプ、前記制御電極、及び／又は前記質量分析器に供給するために前記真空空洞内に配置された変換回路と、
    を含むことを特徴とする質量分析計。
14. 前記磁気ヨーク内の前記磁石は、前記磁場が発生した時に前記第１の強度が約０．１テスラであり、かつ前記第２の強度が約０．７テスラであるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の質量分析計。
15. 前記質量分析器は、磁気セクター分析器であることを特徴とする請求項１３に記載の質量分析計。
16. （Ｇ）前記真空空洞内に配置され、かつ前記制御電極の電位を変えるために前記変換回路と作動可能に結合された制御電子機器、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の質量分析計。
17. （Ｈ）前記真空空洞内に配置され、かつ前記質量分析器によって供給された信号を処理するために前記変換回路によって電力供給されるように構成された信号処理電子機器、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の質量分析計。
18. （Ｉ）前記電子を供給するために前記真空空洞内に配置された電子源と、
    （Ｊ）前記電子を反発するカソードと、
    （Ｋ）前記検体粒子に向けて前記電子を加速するために前記電子源から前記制御電極の反対側に配置されたアノードと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の質量分析計。
19. 前記変換回路は、
    （ｉ）前記アノードのための約１００Ｖから約５ｋＶのアノード電位と
    （ｉｉ）前記カソードのための前記アノード電位よりも低いカソード電位約７０Ｖと、
    （ｉｉｉ）前記制御電極のための前記アノード電位よりも低い制御電位約０Ｖ及び約１４０Ｖと、
    を供給するように更に構成される、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の質量分析計。
20. 前記変換回路は、約１Ｖから約３６Ｖの第２の値を有する入力電圧から約１００Ｖから約５ｋＶの第１の値を有する前記変換電圧を供給するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の質量分析計。