JP2015502649A - 飛行時間におけるフィールドフリー領域を用いた一次および二次の集束 - Google Patents

Abstract

いくつかの実施形態では、飛行時間質量分析計は、イオンを受容するための入力オリフィスと、第１の経路に沿って、イオンを加速させるための第１のイオン加速器段階と、該加速されたイオンを受容し、第１の経路と異なる第２の経路に沿って、該イオンを再指向するための少なくとも１つのイオンリフレクタと、該少なくとも１つのイオンリフレクタによって再指向されたイオンの少なくとも一部を検出するための検出器と、該第１の加速段階と該検出器との間に配置される、少なくとも第１および第２のフィールドフリードリフト領域とを備えることができ、該第２のフィールドフリー領域は、検出器に近接して配置される。いくつかの実施形態では、フィールドフリードリフト領域の長さは、その初期位置における変化量に対して、イオンの飛行時間の一次補正および二次補正を提供するように選択されることができる。

Description

（関連出願）
本願は、２０１１年１２月２３日に出願された、米国仮出願第６１／５７９，８９５号に対する利益および優先権を主張するものであり、該米国仮出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。

本出願人の教示は、概して、飛行時間（「ＴＯＦ」）質量分析に関する。

ＴＯＦ質量分析計は、イオンが、フィールドフリー領域を通して進行し、検出器に到達するために要求される時間に基づいて、イオンの質量電荷比を判定するために採用され得る。実際は、ＴＯＦ分光計の分解能は、とりわけ、ＴＯＦ軸に沿ったイオンの初期位置分布、ＴＯＦ分光計に入射するにつれたイオンの運動エネルギー発散、およびフィールドフリー領域の長さ等、種々の要因によって制限され得る。ＴＯＦ分光計の分解能の改善において、ある程度の進歩が成されているが、依然として、さらなる改良の必要性がある。

本出願人の教示のいくつかの側面によると、イオンを受容するための入力オリフィスと、第１の経路に沿って、イオンを加速させるための第１のイオン加速段階と、加速されたイオンを受容し、第１の経路と異なる第２の経路に沿って、イオンを再指向させるための少なくとも１つのイオンリフレクタ（本明細書では、「イオンミラー」または「リフレクトロン」とも称される）と、イオンリフレクタによって再指向されるイオンの少なくとも一部を検出するための検出器とを備えることができる、飛行時間（「ＴＯＦ」）質量分析計が、開示される。ＴＯＦ質量分析計はさらに、第１の加速段階と検出器との間に配置される、少なくとも第１および第２のフィールドフリードリフト領域を備えることができ、第２のフィールドフリー領域は、検出器に近接して配置される。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのイオンリフレクタは、第１および第２のイオンリフレクタを備えることができ、第１のイオンリフレクタは、第１の経路に沿って伝搬するイオンを第２の経路上に反射させるように構成され、第２のイオンリフレクタは、第２の経路に沿って伝搬するイオンを第３の経路上に反射させるように構成される。いくつかのそのような実施形態では、検出器が、第３の経路に沿って伝搬するイオンを受容するように位置付けられる。

いくつかの実施形態では、第２のフィールドフリードリフト領域は、第１のフィールドフリー領域を上回る長さを有する。さらに、いくつかの実施形態では、第１の加速段階は、選択された距離だけ分離される、第１および第２の電極を備えることができ、２つの電極間への電圧差の印加は、イオンを加速させるための電場を発生させる。第２の電極は、イオンを通過させるためのグリッドであろう。いくつかの実施形態では、同様に、グリッドである、第３の電極が、第２の電極に対してある距離に配置されることができ、第２および第３の電極は、同相電圧に保持され、その間に該第１のフィールドフリードリフト領域を発生させる。

いくつかの実施形態では、第３のグリッドは、第３の電極／第２のグリッドと第１のイオンリフレクタとの間に配置されることができ、第３の電極／第２のグリッドおよび第３のグリッドは、ある電圧差に保持され、第１の経路に沿って進行するイオンのための第２の加速段階を提供する。さらに、第１のイオンリフレクタへの入口グリッドでもある、第３のグリッドは、第３のグリッドからイオンリフレクタ内に伝搬するにつれて、イオンを減速させ、第２の経路に沿って、第１のイオンリフレクタを通して第３のグリッドに逆伝搬するにつれて、逆方向に加速させるように構成される、電圧差に保持されることができる。

いくつかの実施形態では、第３のグリッドは、イオンが、第１のイオンリフレクタから第２のイオンリフレクタに、第２の経路に沿って伝搬するにつれて、グリッドを交差するように構成されることができる。この場合、同一のグリッドはまた、第２のリフレクタへの入口グリッドでもある。

いくつかの実施形態では、第３のグリッドおよび第２のイオンリフレクタは、グリッドから第２のイオンリフレクタ内に、第２の経路に沿って伝搬するにつれて、イオンを減速させるように構成される、電圧差に保持され、第２のイオンリフレクタは、グリッドに戻るように、第３の経路に沿って、イオンを再指向させるように構成される。第２のイオンリフレクタとグリッドとの間の電圧差は、第３の経路に沿って、第２のイオンリフレクタからグリッドに移動するにつれて、イオンを加速させることができる。

いくつかの実施形態では、第２のフィールドフリードリフト領域は、グリッドから検出器に延在することができる。

いくつかの実施形態では、第１のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２）は、以下にさらに提示される式（４）によって提供され、第２のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ６）は、以下にさらに提示される式（５）によって提供される。

いくつかの実施形態では、第２のグリッドは、第１のグリッドから距離（ｄｆｆ）において、第１のグリッドと第１のイオンリフレクタとの間に配置され、第１および第２のグリッドは、同相電圧に保持され、その間に第３のフィールドフリードリフト領域を発生させる。いくつかのそのような実施形態では、第１のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２）は、以下の式（１１）によって提供され、第２のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ６）は、第３のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄｆｆ）の選択肢に基づいて、以下の式（１２）によって提供される。

本出願人の教示のさらなる側面によると、入力開口（オリフィス）を通して受容されたイオンを加速させるための第１のイオン加速段階と、加速されたイオンを第１の加速段階から受容するための第１のフィールドフリードリフト領域と、該第１のフィールドフリードリフト領域から出射するイオンを加速させるための第２のイオン加速段階と、加速されたイオンを第２の加速段階から受容するための第２のフィールドフリードリフト領域と、第２のフィールドフリードリフト領域を通したその通過後、イオンを受容するための検出器とを備えることができ、フィールドフリードリフト領域は、イオンの開始位置に対して、分光計を通るイオンの飛行時間の一次および二次微分が、ゼロになることを確実するように構成される、飛行時間質量分析計が、開示される。

前述の飛行時間質量分析計のいくつかの実施形態では、入力開口は、分光計の縦軸に直交する方向において、イオンを受容するように構成されることができる。さらに、いくつかの実施形態では、第１の電極は、開口に近接して配置されることができ、電圧（例えば、電圧パルス）を入射イオンに印加し、縦軸上にその偏向を生じさせるように構成されることができる。いくつかの実施形態では、第２の電極は、第１の電極に対して、距離（ｄ１）に配置されることができ、第１および第２の電極間の電圧差は、第１のイオン加速段階を提供する。第２の電極は、イオンを通過させるためのグリッドであろう。いくつかの実施形態では、同様に、グリッドであり得る、第３の電極は、第２の電極／グリッドに対して、距離（ｄ２）に配置され、第２および第３の電極／グリッドは、同相電圧に保持され、該第１のフィールドフリードリフト領域をその間の空間に発生させる。いくつかの実施形態では、第４の電極（同様に、グリッドであり得る）は、第３の電極に対して、距離（ｄ３）に配置されることができ、第３および第４の電極（グリッド）間の電圧差は、該第２のイオン加速段階を発生させる。いくつかの実施形態では、第２のフィールドフリードリフト領域は、長さ（ｄ４）を有し、第３の電極から検出器に延在する。いくつかの実施形態では、第１のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２）は、以下の式（１３）によって提供され、第２のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ４）は、以下の式（１４）によって提供される。

本出願人の教示のさらなる側面によると、１つ以上のイオン加速段階をイオン入口開口とイオン検出器との間に提供するステップと、２つ以上のフィールドフリードリフト領域を入口開口と検出器との間に提供するステップであって、該フィールドフリードリフト領域のうちの少なくとも１つは、加速段階のうちの１つと検出器との間に配置される、ステップと、該初期位置に対する、初期イオン位置から該検出器に進行するイオンの飛行時間の一次および二次微分が、ゼロになるように、該フィールドフリードリフト領域の長さを選択するステップとを含むことができる、飛行時間（ＴＯＦ）を行なう方法が、開示される。

いくつかの実施形態では、前述の方法では、フィールドフリードリフト領域のうちの１つの長さは、式（１８）に従って選択されることができ、他のフィールドフリードリフト領域の長さは、式（１９）に従って選択される。

さらなる側面では、複数のイオンを受容するための開口と、第１の経路に沿って、受容されたイオンを加速させるための少なくとも１つのイオン加速段階と、加速されたイオンの空間集束を選択された場所に提供するように構成される、２つ以上のフィールドフリードリフト領域とを備えることができる、飛行時間（ＴＯＦ）質量分析計が、開示される。質量分析計はさらに、イオンを空間集束場所から受容し、第１の経路と異なる第２の経路に沿って、イオンを再指向させるための少なくとも１つのイオンリフレクタを備えることができる。イオンリフレクタは、イオンの運動エネルギー発散を低減させるように構成されることができる。

いくつかの実施形態では、前述のＴＯＦ質量分析計において、２つ以上のフィールドフリードリフト領域は、イオンの該空間集束を提供するように、初期イオン位置に対して、イオン飛行時間の二次補正を提供するように構成されることができる。

いくつかの実施形態では、イオンリフレクタは、該空間集束場所における、イオンの運動エネルギーの変化量の二次補正を提供するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、イオンリフレクタは、多段階、例えば、２段階、イオンリフレクタを備えることができる。

いくつかの実施形態では、初期イオン位置の変化量を補正するために利用される、２つのフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２およびｄ４）は、以下に提供される式（３６）および（３７）を採用することによって求められることができる。いくつかのそのような実施形態では、２段階イオンリフレクタが、イオンの運動エネルギーの変化量を補正するために採用されることができ、イオンリフレクタのパラメータは、以下に提供される式（５７）および（５８）を採用することによって、選択されることができる。

当業者は、以下に説明される図面が、例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図しない。
図１は、本出願人の教示のある実施形態による、飛行時間質量分析計の略図である。 図２Ａは、図１に描写されるＴＯＦ実施形態に基づいてシミュレートされたＴＯＦにおいて、８２９ａｍｕイオンに対するイオン初期位置の関数として、理論的に計算された飛行時間（ＴＯＦ）を示す。 図２Ｂは、図２Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、初期イオン位置に対するＴＯＦの理論的に計算された第１の微分を示す。 図２Ｃは、図２Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、初期イオン位置に対するＴＯＦの理論的に計算された第２の微分を示す。 図３は、図２Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、シミュレートされたイオン軌道を示す。 図４は、図２Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、イオンのシミュレートされた空間集束を示す。 図５は、図２Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、その軌道に沿った複数のイオンのシミュレートされた電位エネルギーを示す。 図６は、本出願人の教示による、ＴＯＦ分光計の別の実施形態の略図である。 図７は、本出願人の教示による、ＴＯＦ分光計の別の実施形態の略図である。 図８Ａは、図７に示される実施形態に基づく、シミュレートされたＴＯＦにおける、イオン位置の関数として、理論的に計算されたＴＯＦを示す。 図８Ｂは、図８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、ＴＯＦ軸に沿ったイオン位置に対するＴＯＦの理論的に計算された第１の微分を示す。 図８Ｃは、図８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、ＴＯＦ軸に沿った初期イオン位置に対するＴＯＦの理論的に計算された第２の微分を示す。 図９は、図８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、複数のイオンに対する理論的に計算された軌道を示す。 図１０は、図８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、その軌道に沿った複数のイオンのシミュレートされた電位エネルギーを示す。 図１１は、本出願人の教示による、ＴＯＦ質量分析計の別の実施形態の略図である。 図１２は、本出願人の教示による、ＴＯＦ質量分析計の別の実施形態の略図である。 図１３は、本出願人の教示による、ＴＯＦ質量分析計の別の実施形態の略図である。 図１４は、本出願人の教示による、ＴＯＦ質量分析計の別の実施形態の略図である。 図１５は、図１４に示される実施形態に基づく、シミュレートされたＴＯＦにおける、初期イオン位置の関数として、理論的に計算されたＴＯＦを示す。 図１６は、本出願人の教示による、ＴＯＦ質量分析計の別の実施形態の略図である。 図１７Ａは、質量８２９ａｍｕを有するイオンに関して、速度相関イオン位置に対するＴＯＦの一次および二次補正を伴うが、二次エネルギー補正を伴わない、図１６に示される実施形態に基づいて、シミュレートされたＴＯＦにおける、イオン速度と相関されたイオン位置の関数として、仮想集束場所における理論的に計算されたＴＯＦを示す。 図１７Ｂは、速度相関イオン位置に対するＴＯＦの一次および二次補正を伴うが、二次エネルギー補正を伴わない、質量８２９ａｍｕを有するイオンに関して、図１７Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、イオン速度と相関されたイオン位置の関数として、仮想集束場所におけるＴＯＦの理論的に計算された第１の微分を示す。 図１７Ｃは、相関イオン位置に対するＴＯＦの一次および二次補正を伴うが、二次エネルギー補正を伴わない、質量８２９ａｍｕを有するイオンに関して、図１７Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、シミュレートされたＴＯＦ軸でのイオン速度と相関されたイオン位置の関数として、仮想集束場所におけるＴＯＦの理論的に計算された第２の微分を示す。 図１８Ａは、運動エネルギーの変化量に対するＴＯＦの二次補正を伴う、図１６に示される実施形態に基づいて、シミュレートされたＴＯＦにおける、仮想集束場所でのイオン運動エネルギーの関数として、理論的に計算されたＴＯＦを示し、速度相関イオン位置の一次および二次集束から生じる運動エネルギー分布全体が、示される。 図１８Ｂは、運動エネルギーの変化量に対するＴＯＦの二次補正を伴う、図１８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、仮想集束場所でのイオン運動エネルギーに対するＴＯＦの理論的に計算された第１の微分を示し、速度相関イオン位置の一次および二次集束から生じる運動エネルギー分布全体が、示される。 図１８Ｃは、運動エネルギーの変化量に対するＴＯＦの二次補正を伴う、図１８Ａに関連して前述されたシミュレートされたＴＯＦにおける、仮想集束場所でのイオン運動エネルギーに対するＴＯＦの理論的に計算された第２の微分を示し、速度相関イオン位置の一次および二次集束から生じる運動エネルギー分布全体が、示される。 図１９は、初期イオン位置の変化量ならびに運動エネルギーの変化量の両方に関して、二次補正を伴う、図１６に示される実施形態に基づく、シミュレートされたＴＯＦにおける、速度相関イオン位置の速度の関数として、理論的に計算された大局的ＴＯＦを示す。 図２０は、図１６に説明される実施形態を使用するＴＯＦ分析器を使用して記録された質量スペクトルを示す。 図２１は、図１２に表される実施形態を使用するＴＯＦ分析器を使用して記録された質量スペクトルを示す。

いくつかの実施形態では、２つ以上のフィールドフリードリフト領域を採用し、イオン初期位置の変化量に関して、イオン飛行時間の少なくとも一次および二次補正を提供することができる、飛行時間（「ＴＯＦ」）質量分析器が、開示される。いくつかの実施形態では、フィールドフリードリフト領域の長さは、以下に提供される数学的関係に基づいて、計算されることができる。さらに、いくつかの実施形態では、イオンリフレクタから選択された距離にイオンの位置的集束を提供するための２つ以上のフィールドフリードリフト領域を採用し、イオンリフレクタが、検出器に到達する前に、イオンの運動エネルギー発散によって生じる飛行時間分布に及ぼす影響を低減させるために採用され得る、ＴＯＦ質量分析計が、開示される。本出願人の教示による、例示的実施形態を説明するために、本明細書で採用される種々の用語および語句は、当技術分野におけるその通常の意味と一致して使用される。特に、用語「フィールドフリードリフト領域」は、本明細書で使用されるように、イオンの運動方向に沿った電場成分が、所与の閾値２０００Ｖ／ｍを下回る大きさを有する、領域を指し、多くの実施形態では、イオンの移動方向に沿ったフィールドフリードリフト領域内の電場成分は、ゼロになる。さらに、用語「イオンリフレクタ」、「イオンミラー」、および「リフレクトロン」は、当技術分野におけるその一般的意味に従って、同義的に使用され、質量分析計内のイオンの進行方向を逆にするように構成される、デバイスを指す。

図１は、イオンを上流ユニット１０４から受容するためのオリフィス（開口）１０２を含む、本出願人の教示による、飛行時間（ＴＯＦ）質量分析計１００の実施形態を図式的に描写する。ある場合には、ＴＯＦ分光計１００は、直接、イオン源、例えば、とりわけ、エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）源、脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）源、またはソニックスプレーイオン化（「ＳＳＩ」）源から、イオンを受容することができる。他の場合には、ＴＯＦ分光計１００は、フィルタリング、断片化、および／または捕捉の種々の段階を受けたイオンを受容することができる。一例として、いくつかの実装では、上流ユニットは、イオン源１０４を備えることができる。イオン源１０４によって発生されたイオンは、質量分析のために、ＴＯＦ分光計１００に入射する。

再び、図１を参照すると、イオンは、以下に論じられるように、分光計の軸方向（また、本明細書では、「縦方向」とも称される）と実質的に直交し得る（本明細書では、ＡＤ方向として示される）、方向１０６に沿って、質量分析計に入射する。特に、質量分析計１００は、例えば、電圧（例えば、パルス電圧）が印加され、分光計に入射するイオンの伝搬方向に９０度の変化を生じさせ得る、プレートの形態において、電極１０８を備えることができる。分光計は、距離ｄ２だけ相互から分離され、同相ＤＣ電圧Ｖ２に保持される、２つの付加的電極１１０および１１２を備えることができる。電極１１０および１１２は、種々の方法で実装されることができる。例えば、イオンが通過し得る中心開口部を有する、プレートの形態であることができる。以下の説明では、基準点（例えば、電極１０８）に対する分光計内のイオンの場所は、ｘによって示される。

対の電極１０８および１１０は、イオンのための第１のイオン加速段階Ｚ１を提供する。特に、電極１０８と１１０との間の電圧差（Ｖ２−Ｖ１）は、電極１１０に向かって、電極１１０と１１２との間の空間内へとイオンの加速を生じさせる。電極１１０および１１２は、グリッドであろう、またはイオンを通過させるための細隙を有するであろう。電極１１０および１１２は、同相電圧に保持されるため、これらの２つの電極間の空間は、フィールドフリードリフト領域Ｚ２である。言い換えると、電極１１０と１１２との間の領域内に軸方向電場が存在せず、したがって、加速または減速力に曝されることなく、本領域内でイオンをドリフトさせることが可能である。電極１０８および１１２の開口部の近傍では、軸方向成分を有するであろう、漏れ電場が存在し得ることを理解されたい。しかしながら、多くの実施形態では、電極１１０と１１２との間の間隔ｄ２は、いかなる漏れ電場も、存在する場合、本第１のフィールドフリードリフト領域内のイオンの伝搬にほとんど影響を及ぼさないであろうように、電極内の開口部をはるかに上回ることができる。以下により詳細に論じられるように、本フィールドフリードリフト領域は、本例示的ＴＯＦ分光計１００内に提供される、２つのフィールドフリードリフト領域の第１のものである。

図１を継続して参照すると、グリッド１１４は、電極１１２とイオンミラー１１６との間に配置されることができる。本実施形態では、グリッド１１４は、例えば、電極１１２内の開口部を介して、フィールドフリードリフト領域Ｚ２から出射するイオンを加速させるように、Ｖ２と異なるＤＣ電圧Ｖ３に保持されることができる。言い換えると、グリッド１１４と電極１１２との間の電圧差は、第２のイオン加速段階を提供する。一方、イオンがグリッド１１４を通過するにつれて、イオンミラー１１６とグリッドとの間に存在する減速電場は、イオンを減速させ、停止させ、イオンミラー１１６によって、グリッド１１４に向かって反射される。

イオンミラー１１６は、種々の方法で実装されることができる。本例示的実施形態では、イオンミラー１１６は、電圧（例えば、ＤＣ電圧）Ｖ４に保持され得る、単一段階イオンミラーとして実装されることができる。ミラー１１６は、イオンに、その初期経路１２０から異なる経路１２２へのその伝搬経路を変化させる。

本例証的実施形態では、グリッド１１４は、フィールドフリードリフト領域Ｚ２から出射し、経路１２０に沿って伝搬するにつれてだけではなく、また、イオンミラー１１６によるその反射に続いて、経路１２２に沿って伝搬するにつれて、イオンを交差するように構成されることができる。より具体的には、イオンは、イオンミラー１１６によるその反射に続いて、グリッド１１４に向かって加速される。言い換えると、グリッド１１４とイオンミラー１１６との間に確立された電場は、イオンミラー１１６に向かって移動するにつれて、イオンの減速を生じさせるが、イオンミラー１１６からグリッド１１４に向かって移動するにつれて、イオンの加速を生じさせる。

本例証的実施形態では、分光計１００はさらに、経路１２２に沿って伝搬するにつれて、グリッド１１４を通したその通過後、第１のイオンミラーによって反射されたイオンを受容する、別のイオンミラー１２４を備えることができる。本実施形態では、第１のイオンミラー１１６と同様に、第２のイオンミラー１２４は、単一段階イオンミラーであることができる。第２のイオンミラー１２４は、第１のイオンミラー１１６が保持される得る電圧Ｖ４と同一または異なり得る、電圧Ｖ５に保持されることができる。第２のイオンミラー１２４とグリッド１１４との間の電圧差は、グリッド１１４から第２のイオンミラー１２４への経路１２２に沿って移動するにつれて、イオンの減速を生じさせる。第２のイオンミラー１２４は、これらのイオンを第３の経路１２６上に反射させる。反射されたイオンは、経路１２６に沿って移動するため、グリッド１１４と第２のミラー１２４との間の電場は、その加速を生じさせる。グリッド１１４の通過に応じて、第２のイオンミラー１２４によって反射されるイオンは、長さｄ６を有する第２のフィールドフリードリフト領域Ｚ６に入射する。検出器１３０は、イオンを検出するために、第２のフィールドフリードリフト領域Ｚ６の端部に配置されることができる。

２つのフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２、ｄ６）は、以下に論じられるように、初期イオン位置に関するイオン飛行時間の一次補正および二次補正を提供するために判定されることができる。言い換えると、２つのフィールドフリー領域は、イオンの位置集束を提供するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、以下の数学的関係は、長さｄ２およびｄ６のための値を導出するために採用される。

本明細書に概略される式では、省略記号（…）の使用は、式が以下の行に続くことを示す。省略記号の使用は、式の一部が意図的に省略されたことの指示ではない。加えて、いくつかの事例では、字下げした式の行は、直前の行の継続である。
式１
式２
式３
式４
式５
前述の式（１）および式（２）では、
ｘは、基準に対する（例えば、電極１０８に対する）イオン経路（例えば、ＴＯＦ軸）に沿った初期イオン位置を示し、
ｍａｓｓは、イオン質量を示し、
ｑは、電子の電荷を示し、
ｖ１は、ＴＯＦ軸に沿った初期イオン速度を示し、
Ｅ１は、

式６
によって定義されるように、第１の加速段階における電場を示し、
Ｅ３は、
式７
によって定義されるように、第２のイオン加速器段階における電場を示し、
Ｅ４は、第１の単一段階イオンミラーにおける電場を示し、前述の式１−５の場合、Ｅ４＝Ｅ５であって、
Ｅ５は、
Ｅ５＝,Ｖ３−Ｖ４-ｄ４.
によって定義されるように、第２の単一段階イオンミラーにおける電場を示し、
ｄ２は、第１のフィールドフリードリフト領域の長さを示し、
ｄ３は、第２のイオン加速器段階の長さを示し、
ｄ６は、第２のフィールドフリードリフト領域の長さを示す。

種々の実施形態では、２つのイオンミラーは、前述の式に反映されるように、同じである。代替実施形態では、２つのイオンミラーは、異なることができる。言い換えると、２つのイオンミラーによって発生される寸法および場は、異なることができる。いくつかの実施形態では、そのような差異は、高次補正または付加的エネルギー補正を提供するために採用されることができる。

一次補正および二次補正を提供する際の前述の数学的関係の使用を図示するために、図２Ａは、ｄ２＝６．７４ｍｍおよびｄ６＝１．７５２ｍｍを伴う前述のＴＯＦ１００における８２９ａｍｕイオンに関して、イオン初期位置（電極１０８に対して２１ｍｍ〜２９ｍｍの範囲であるように選択された）の関数として計算された飛行時間（ＴＯＦ）を示し、イオンミラー長は、１００ｍｍであるように選定され、総イオン飛行距離は、２．２３ｍであった。図２Ｂおよび２Ｃは、それぞれ、イオン経路（ｄＴＯＦ／ｄｘ）に沿ったイオン位置に対するＴＯＦの第１の微分と、イオン経路（ｄ^２ＴＯＦ／ｄｘ^２）に沿ったイオン位置に対するＴＯＦの第２の微分とを示す。ビーム幅は、８ｍｍ（ｗ＝８ｍｍ）と仮定された。他のパラメータの値は、図２Ａ−２Ｃに示され、ｄ１＝５０ｍｍ、ｄ３＝５０ｍｍ、ｄ４＝１００ｍｍ、ｄ５＝１００ｍｍ、Ｖ１＝２０００Ｖ、Ｖ３＝−８１００Ｖ、Ｖ４＝１１００Ｖ、Ｖ５＝１１００Ｖ、Ｅ１＝４０Ｖ／ｍｍ、Ｅ３＝１６２Ｖ／ｍｍ、Ｅ４＝−９２Ｖ／ｍｍ、Ｅ５＝−９２Ｖ／ｍｍ、ｒｅｓ＝１４１３８９７．８４、ｄｅｌｔａ ｔ＝２１．４９ｐｓ、Ｌ（全体的距離）＝１．８６ｍを含む。

図２Ａ−２Ｃは、イオン飛行時間が、ビーム幅（本実施例では、８ｍｍ）にわたって、ｘ範囲の値として四次関数をトレースすることを示す。これは、一次および二次だけではなく、また、三次補正も達成されたことを示すが、ｄ２およびｄ６は、三次補正を提供するように明示的に選択されなかった。多くの場合、三次補正は、検出器、ＨＶ（高電圧）安定性、および信号取得技術の制限を前提として、必要ではない。しかしながら、必要とされる場合、三次補正は、前述の数学的形式に照らして、考慮されることができる。

図２Ａおよび２Ｂに示されるように、一次補正および二次補正は、初期イオン場所（例えば、この場合、電極１０８に対して２４〜２６ｍｍ）に対して幅広かつ平坦な領域を提供し、イオン位置に対するＴＯＦの一次および二次微分は、ゼロになる。イオン位置を除くいかなる場所にも変化量はなく、ＴＯＦ縦軸に沿って初期運動エネルギーがない、理想化された条件を前提として、本ＴＯＦは、８ｍｍ幅のイオンビームを２１ｐｓ幅のイオン飛行時間分布（全て含む、ＦＷＨＭではない）に理論的に集束し、それによって、１４０万の分解能（質量／Δ質量、Δ質量＝ｍａｘ−ｍｉｎ、ＦＷＨＭではない）を提供することができる。

図３は、イオン加速およびイオンミラー区画内の本例証的ＴＯＦ分光計におけるシミュレートされたイオン軌道を示し、図４は、集束点のイオン軌道を示す（長いフィールドフリー軌道が、分光計の縦軸に対して１０．５度の角度に存在した）。図５は、ＴＯＦ１００を通過するにつれてのその軌道に沿ったイオンのシミュレートされた電位エネルギーを示す。シミュレーションは、イオンが分光計に入射するにつれて、２００ｅＶのイオン直交運動エネルギーを用いて行なわれた。ＴＯＦ軸に沿ったイオンの初期位置が、異なる場所にあるようにシミュレートされたが、イオンは、検出器に強く集束されていた。

図６は、付加的フィールドフリー領域を含むという点において、図１の実施形態と異なる、本発明の別の実施形態による、ＴＯＦ分光計６００を図式的に描写する。より具体的には、種々の実施形態では、２つのグリッド６０２および６０４が、２つのイオンミラー６０６と６０８との間に配置される。グリッド６０２および６０４は、フィールドフリードリフト領域Ｚｆｆをグリッド間に発生させるように、同相電圧Ｖ３に保持される。前述の実施形態と同様に、電極６１２に印加される電圧Ｖ１（例えば、パルス電圧）は、電極６１６と６１８との間に印加された電圧差（Ｖ２−Ｖ１）によって加速されている間、分光計に入射するイオンを第１のフィールドフリードリフト領域Ｚ２に向かって再指向させる。フィールドフリー領域Ｚ２から出射後、イオンは、グリッド６０２と電極６１８との間に印加される電圧差（Ｖ３−Ｖ２）を介して、グリッド６０２に向かって加速される。イオンは、次いで、第２のフィールドフリードリフト領域Ｚｆｆを通過し、イオンミラー６０６に向かって伝搬し続ける。イオンミラー６０６とグリッド６０４（Ｖ４−Ｖ３）との間の電圧差は、イオンミラー６０６に向かって伝搬するにつれて、イオンを減速させ、グリッド６０４に向かってイオンの反射を生じさせる。反射されたイオンは、イオンミラー６０６からグリッド６０４に移動するにつれて、加速される。反射されたイオンは、２つのグリッド６０２と６０４との間に確立されたフィールドフリードリフト領域Ｚｆｆを通過し、第２のイオンミラー６０８に向かって伝搬する。イオンは、第２のイオンミラー６０８に向かって移動するにつれて、減速され、そのイオンミラーによって、２つのグリッド６０２と６０４との間のフィールドフリードリフト領域Ｚｆｆに向かって反射される。フィールドフリー領域Ｚｆｆを通過後、検出器６２２まで延在する長さｄ６を有する、長いフィールドフリードリフト領域Ｚ６に入射する。種々の実施形態では、ここに示されるように、両イオンミラーは、単一段階ミラーであることができるが、他の実施形態では、イオンミラーの一方または両方は、多段階（例えば、２段階）イオンミラーであることができる。本実施形態のいくつかの実装では、最終フィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ６）は、他の実施形態のＴＯＦ１００内の個別のフィールドフリードリフト領域の対応する長さより短くあることができる。一例として、いくつかの実施形態では、付加的フィールドフリー領域Ｚｆｆのｍｍ長毎に、最終フィールドフリー領域Ｚ６は、３ｍｍずつ短縮されることができる。

フィールドフリー領域Ｚ２およびＺ６の長さ（ｄ２およびｄ６）は、ｄｆｆがパラメータである、以下の数学的関係を採用することによって、判定されることができる。ｄｆｆの値を選定することによって、数式（１１）および（１２）は、長さｄ２およびｄ６に対する値を求めるために使用されることができる。ある場合には、ｄｆｆに対する初期選択肢は、ｄ２およびｄ６に対して、合理的値をもたらさない場合がある（例えば、正値ではない場合がある）。そのような場合、ｄｆｆに対する他の値が、ｄ２およびｄ６に対する合理的値が求められるまで、反復的に選択されることができる。前述の実施形態におけるように、イオン位置（ｘ）に対するＴＯＦの第１の微分は、ｄ６の値を求めるために採用されることができ、イオン位置（ｘ）に対するＴＯＦの第２の微分は、ｄ２に対する値を求めるために採用されることができる。ｄ２の値は、ｄ６およびｄｆｆから独立することができる一方、ｄ６の値は、ｄ２およびｄｆｆに依存する。
式８
式９
式１０
式１１
式１２
式１３
式１４
前述の式８−１４では、
ｘは、基準に対する（例えば、電極６１２に対する）イオン経路（例えば、ＴＯＦ軸）に沿った初期イオン位置を示し、
ｍａｓｓは、イオン質量を示し、
ｑは、電子の電荷を示し、
ｖ１は、ＴＯＦ軸に沿った初期イオン速度を示し、
Ｅ１は、式６に定義されるように、第１の加速段階における電場を示し、
Ｅ３は、式７に定義されるように、第２のイオン加速器段階における電場を示し、
Ｅ４は、第１の単一段階イオンミラーにおける電場を示し、
Ｅ５は、第２の単一段階イオンミラーにおける電場を示し、
ｄ２は、第１のフィールドフリードリフト領域の長さを示し、
ｄ３は、第２のイオン加速器段階の長さを示し、
ｄ６は、第２のフィールドフリードリフト領域の長さを示す。

図７は、前述の実施形態と同様に、２つのグリッド７０２および７０４を含み、その間に、フィールドフリードリフト領域Ｚｆｆが確立され得る、本出願人の教示による、さらに別の実施形態による、ＴＯＦ７００を図式的に描写する。加えて、前述の２つの実施形態と同様に、フィールドフリードリフト領域Ｚ２は、２つの電極７１０と７１２との間に確立されることができる。前述の２つの実施形態と異なり、ＴＯＦ７００は、グリッドのうちの１つから検出器まで延在するであろう、長いフィールドフリー領域を欠いている。むしろ、本実施形態では、検出器７１４は、検出器の衝突表面が、グリッド７０４と平面を共有する（すなわち、検出器の衝突表面が、グリッド７０４と同一平面にあることができる）ように配置されることができる。故に、第２のイオンミラー７１６によって反射されるイオンは、グリッド７０２と７０４との間のフィールドフリードリフト領域Ｚｆｆを通したその通路の端部において、検出器７１４に遭遇する。イオンは、開口を通してＴＯＦ７００に入射し、電圧Ｖ１に保持される電極７１８によって反射される。いくつかの実施形態では、長さｄ３、ｄ４、およびｄ５は、同じであることができる一方、他の実施形態では、それらの長さのうちの少なくとも２つは、異なることができる。

前述のＴＯＦ７００に対するｄ２およびｄｆｆの値を求めるために、ｄ６は、前述の実施形態に関連して提示された前述の式１０では、ゼロに設定されることができ、ｄｆｆが、ｄ６の代わりに、解法されることができる。

ＴＯＦ７００のいくつかの実装では、イオンミラー長（すなわち、ｄ４およびｄ５）は、第２のイオン加速器段階の長さ（すなわち、ｄ３）に等しくなるように選択されることができる。

前述の数学的関係が、以下のパラメータ：ｄ１＝５０ｍｍ、ｄ２＝６．３８ｍｍ、ｄ３＝４５ｍｍ、ｄ４＝４５ｍｍ、ｄ５＝４５ｍｍ、Ｖ１＝１５００ｖｏｌｔｓ（Ｖ）、Ｖ２＝０、Ｖ３＝−５０００Ｖ、Ｖ４＝９００Ｖ、Ｖ５＝９００Ｖ、およびｄｆｆ＝３６４．６ｍｍを有する前述のＴＯＦ７００の仮定実装を通して、８２９ａｍｕを有するイオンの飛行時間および軌道をシミュレートするために利用され、イオンビームは、８ｍｍ幅と仮定された。イオン飛行経路は、高性能（８ｍｍビームは、２５ｐｓに集束され、最大分解能９０４，４５４）を実現するために十分に長い、１．３５ｍであって、分析器の全体長は、約５００ｍｍであった。さらに、Ｅ１＝３０Ｖ／ｍｍ、Ｅ３＝１１１．１１Ｖ／ｍｍ、Ｅ４＝−１３１．１１Ｖ／ｍｍ、およびＥ５＝−１３１．１１Ｖ／ｍｍである。

図８Ａは、ＴＯＦ軸ＡＤに沿ったイオン位置の関数として、イオンＴＯＦを示し、図８Ｂは、ＴＯＦ軸ＡＤに沿ったイオン位置に対するＴＯＦの第１の微分を示し、図８Ｃは、ＴＯＦ軸ＡＤに沿ったイオン位置に対する第２の微分を示す。図８Ｂおよび８Ｃに示されるように、一次補正および二次補正は、初期イオン場所（例えば、この場合、７１８に対して２４ｍｍ〜２６ｍｍのイオン位置）に対して幅広かつ平坦な領域を提供し、一次および二次微分は、ゼロになる。

図９は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、ＴＯＦ７００ならびに初期（開始）位置の範囲に基づいて、前述のシミュレートされたＴＯＦ分光計に入射するにつれての３０ｅＶ直交エネルギーを伴う複数のイオンの計算された起動を示す。図１０は、電位エネルギー図上に重畳された計算されたイオン軌道を示す。イオンは、検出器の衝突表面が第１のイオンミラーへの入口グリッドと共有する、平面において強く集束する。

本出願人の教示による、ＴＯＦ分光計の他の実施形態は、付加的フィールドフリードリフト領域を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、イオンミラーのうちの１つ以上は、２段階ミラーであることができる。そのような実施形態のうちのいくつかは、高次補正を提供し、および／または空間およびエネルギー集束を組み合わせることを可能にすることができる。

一例として、図１１は、２つのフィールドフリー領域Ｚ２およびＺ４と、２つのイオンミラー１１０８と１１１０との間に配置されるグリッド１１０６とを備えるという点において、図１の実施形態に類似する、そのような実施形態の１つによる、ＴＯＦ分光計１１００を図式的に描写する。しかしながら、イオンミラーが単一段階イオンミラーである、図１の実施形態と異なり、本実施形態では、イオンミラーは、２段階イオンミラーである。

別の実施例として、図１２は、２つのグリッド１２０２および１２０４を有し、その間に、フィールドフリードリフト領域Ｚｆｆが、フィールドフリードリフト領域Ｚ２およびＺ６に加え、確立され得る、前述の図６に示される実施形態に類似する、別のＴＯＦ分光計１２００を図式的に描写する。しかしながら、イオンミラーが単一段階イオンミラーである、図６の前述の実施形態と異なり、ＴＯＦ１２００は、２つのイオンミラー１２１２および１２１４を含み、両方とも、２段階イオンミラーである。

図１３は、２つの２段階イオンミラー１３０２および１３０４と、４つのフィールドフリードリフト領域Ｚ２、Ｚｆｆ、Ｚｍ１、およびＺｍ２とを含む、別の実施形態による、ＴＯＦ分光計１３００を図式的に描写する。２つの付加的フィールドフリードリフト領域Ｚｍ１およびＺｍ２はそれぞれ、２段階イオンミラーのうちの１つとグリッド１３１４および１３１６のうちの１つとの間に配置されることができ、その間に、フィールドフリードリフト領域Ｚｍ１およびＺｍ２が、配置されることができる。

前述の数学的形式は、これらの付加的実施形態を分析する、例えば、フィールドフリードリフト領域の長さを判定するために採用されることができる。

イオンビームの経路を折り畳むための前述のもの等の種々の実施形態におけるイオンミラーの使用は、コンパクトな構成において、複数のフィールドフリー領域の使用を含む、本教示を実装可能であり得る。例えば、イオンミラーの使用は、分光計の物理的寸法を所望の範囲内に維持しながら、複数のフィールドフリー領域を利用することを可能にすることができる。

しかしながら、本出願人の教示は、前述の実施形態に制限されず、任意のＴＯＦ幾何学形状に適用されることができる。一例として、図１４は、イオンが分析器の軸（ＡＤ）に直交して分析器に入射する、入口開口１４０２を備えることができる、別の実施形態による、線形ＴＯＦ分析器１４００を図式的に描写する。電極１４０４に印加されるパルス状電圧は、イオンの９０度偏向を生じさせ、イオンを分析器の軸ＡＤに沿って伝搬させる。電極１４０４と電極１４０６との間に印加される電圧差は、イオンの加速（第１のイオン加速段階Ｚ１）を生じさせる。加速されたイオンは、次いで、同相電圧に保持される、電極１４０６と別の電極１４０８との間に確立された第１のフィールドフリードリフト領域Ｚ２に入射する。第１のフィールドフリードリフト領域Ｚ２を通過後、イオンは、電極１４０８と電極１４１２との間に印加される電圧差によって発生され得る、第２のイオン加速段階Ｚ３に曝される。イオンは、次いで、第１のフィールドフリードリフト領域Ｚ２よりはるかに長くあり得、検出器１４１４まで延在する、第２のフィールドフリー領域Ｚ４に入射する。

前述の実施形態と異なり、ＴＯＦ分光計１４００は、分析器の入口から検出器に進行するにつれ、イオン起動の折り畳みを生じさせるために、いかなるイオンミラーも含まない。

２つのフィールドフリー領域の長さ（すなわち、ｄ２およびｄ４）は、以下に論じられるように、初期イオン位置に対するイオン飛行時間の一次補正および二次補正を提供するために判定されることができる。言い換えると、２つのフィールドフリー領域は、イオンの位置集束を提供するように構成されることができる。本実施形態では、以下の数学的関係が、長さｄ２およびｄ４の値を導出するために採用される。

式１５
式１６
式１７
式１８
式１９

図１５は、前述の線形ＴＯＦ分析器の理論的実装を通して進行するイオンに関して計算されたＴＯＦを描写し、ＴＯＦ１４００に沿ったイオン位置に対するＴＯＦの一次および二次補正は、前述の式１５−１９を使用することによって提供された。本ＴＯＦのパラメータは、以下のようなものであった：ｄ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝３．２５ｍｍ、ｄ３＝２５ｍｍ、ｄ４＝３３９．４ｍｍ、Ｖ１＝１５００Ｖ、Ｖ２＝０Ｖ、Ｖ３＝−６０００Ｖ。

いくつかの実施形態では、２つ以上のフィールドフリー領域が、初期イオン位置における発散に関するイオンのＴＯＦの一次および二次補正を提供するために採用されることができ、１つ以上のイオンミラーは、イオンの運動エネルギーにおける発散に関して、一次（および、ある場合には、二次）補正を提供するために採用されることができる。例えば、１つ以上のイオン加速段階が、１つ以上のフィールドフリードリフト領域とともに、イオンミラーの入口における仮想集束場所でのイオン位置または速度相関イオン位置の補正を介して、時間的にイオンを集束させる（イオンを空間的に群生させる）ために採用されることができ、イオンミラーは、次いで、イオン運動エネルギーの変化量に対して、イオン飛行時間の二次補正を達成するように構成されることができる。

一例として、図１６は、イオン位置およびイオンエネルギーの両方に対するが、分光計内の異なる場所において、ＴＯＦの一次および二次補正が、提供される、そのような実施形態による、ＴＯＦ分光計１６００を図式的に描写する。位置補正は、初期イオン位置に対するものであることができ、エネルギー補正は、本実施形態では、イオンミラーへの入口にあり得る、イオン位置の時間的集束におけるイオンエネルギー変化量に対するものであることができる。ＴＯＦ分光計１６００は、イオンが、分光計のＴＯＦ軸に直交する方向（イオンの速度ベクトルと平行な方向）に沿って、分光計に入射することができる、入口開口１６０２を含む。電圧、例えば、パルス状電圧が印加され得る、偏向電極１６０４は、ＴＯＦ軸上に入射するイオンの偏向を生じさせる。偏向電極１６０４と別の電極１６０６との間に印加される電圧差は、第１の加速段階Ｚ１を提供する。電極１６０６に対して距離ｄ２に配置される、別の電極１６０８は、２つの電極間の空間が、第１のフィールドフリードリフト領域ｄ２であるように、電極１６０６と同相電圧に保持されることができる。第２のイオン加速段階Ｚ３は、電極１６０８に対して距離ｄ３に配置される、電極１６０８と別の電極１６１０との間に印加される電圧差によって提供されることができる。分光計１６００は、電極１６１０に対して距離ｄ４＋ｄ５に配置される、別の電極１６１２を含み、電極と同相電圧に保持され、それによって、第２のフィールドフリードリフト領域Ｚ４＋Ｚ５を発生させることができる。

さらに以下に論じられるように、フィールドフリードリフト領域の長さｄ３および（ｄ４＋ｄ５）は、他のパラメータ、例えば、加速領域内の電場に基づいて、初期イオン位置に対するＴＯＦの第１および第２の補正を求め、それによって、第２のフィールドフリードリフト領域Ｚ４＋Ｚ５の中央にイオンを一時的に集束するように構成されることができる。

第２のフィールドフリードリフト領域Ｚ４＋Ｚ５からの出射に応じて、イオンは、２段階イオンミラー１６１４に入射する。２段階イオンミラー１６１４は、電極１６１２から距離ｄ６に配置される、電極１６１６Ａと、電極１６１６Ａから距離ｄ７に配置される、別の電極１６１６Ｂとを含むことができる。イオンが停止し、方向を逆にするように、電極１６１２と１６１６Ａとの間の電圧差は、イオンの第１の減速を提供し、１６１６Ａと１６１６Ｂとの間の電圧差は、イオンの第２の減速を提供する。反射されたイオンは、次いで、電極１６１６Ｂと１６１６Ａおよび電極１６１６Ａと１６１２との間の領域を横断し、検出器１６１８まで延在するフィールドフリードリフト領域Ｚ８に入射することによって、加速される。第１の集束点は、２つのグリッド要素１６１０と１６１２との間にあり得る。

いくつかの実施形態では、以下の数学的関係が、フィールドフリー領域の長さおよび仮想集束におけるイオンエネルギー発散等の種々のシステムパラメータを求めるために採用されることができる。数学的関係は、第１の加速段階から仮想集束場所（図１６では、第１の集束と標識される）までの二次相関集束を達成し、次いで、仮想集束場所から検出器までの二次エネルギー集束を達成するように設計される。これを達成するために、ニュートンの運動方程式が、イオンが線形加速場およびフィールドフリー領域（ｄ２、ｚ４、ｚ５、およびｚ８）に曝される、領域（ｚ１、ｚ３、ｚ６、およびｚ７）を通して伝搬するにつれて、イオンに適用される。

加速領域内の場強度は、ある電位差に保持される２つの平行導体間の静電場として判定される。
式２０
式２１
式２２
式２３

これらの（または、任意の）電場内のイオンにかかる力は、以下によって与えられ得る。
式２４

したがって、イオンは、以下によって与えられる加速を受ける。
式２５
ここでは、加速は、以下のように記述されることができる。
式２６

相関集束のために、以下の関係が、位置ｘに代入されることができる。
式２７
新しい項ｍｃは、相関の傾きである。ｍｃに対する測定単位は、時間である。以下の関係が、次いで、種々の領域における飛行時間に対して求められることができる。
式２８
式２９
式３０
式３１

したがって、初期イオン位置から仮想集束までの総飛行時間は、以下となる。
式３２

ｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４に対する値を代入することによって、ｔｏｆは、以下のように記述されることができる。
式３３

ｖ１に関するｔｏｆの一次および二次微分が、次いで、計算され、ゼロに設定されることができる。
式３４
式３５

式３４および３５をゼロに設定することによって、ｄ２およびｄ４の値は、以下のように判定されることができる。
式３６
式３７

いくつかの実施形態では、前述の式においてパラメータとして利用される種々の電圧および寸法は、ｄ２およびｄ４の得られた値が、実数、正数であって、かつ第１の仮想集束場所において、二次まで、速度相関イオン位置の補正を求めるために合理的である限り、合理的値に設定されることができる。他の実施形態では、速度相関イオン位置ではなく、イオン位置が、前述の数学的関係において採用され得る。

分析器の残りは、次いで、二次まで、イオンエネルギーの発散を補正するために利用されることができる。再び、ニュートンの運動方程式が、ＴＯＦ分析器の残りの区画におけるイオン飛行時間を判定するために採用される。分析器の第２の部分に対する式は、エネルギー項に構築され、次いで、エネルギーに関して微分されることができる、または位置および速度の項に構築され、次いで、位置または速度に関して微分されることができる。両タイプの式が、以下に提供される。
式３８
式３９
式４０
式４１
式４２
式４３
式４４
式４５
式４６
式４７
式４８
式４９

分析器の第２の部分を通したＴＯＦに対する前述の式は、次いで、Ｕ５に関して微分され（一次および二次微分）、ゼロに設定され、以下のパラメータを求めることができる。
式５０
式５１
式５２
式５３
式５４
式５５
式５６
式５７

実際には、場値を設定しないが、電圧を設定するため、電圧に対して解法することができる。
式５８

前述の式に従って、パラメータである、和およびミラーを設定することによって、仮想集束におけるイオンエネルギー発散は、二次まで補正されることができる。
全体的ＴＯＦ式は、以下の関係によって与えられることができる。
式５９

初期イオン位置に対するＴＯＦの一次および二次補正を伴うが、質量８２９ａｍｕを有するイオンに対する二次エネルギー補正を伴わない、以下のパラメータを用いた前述のＴＯＦ分光計の理論的実装に関して、図１７Ａは、イオン速度相関初期位置（位置付けられた初期イオンが、偏向電極１６０４に対して参照され得る）の関数としてＴＯＦを示し、図１７Ｂは、イオン速度相関初期位置に対するＴＯＦの第１の微分を示し、図１７Ｃは、イオン速度相関初期位置に対するＴＯＦの第２の微分を示す：ｄ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝３ｍｍ、ｄ３＝５０ｍｍ、ｄ４＝５００ｍｍ、ｄ５＝４００ｍｍ、ｄ６＝１００ｍｍ、ｄ７＝５０ｍｍ、ｄ８＝６７８ｍｍ、Ｖ１＝１１８４Ｖ、Ｖ２＝０、Ｖ３＝−７０００Ｖ、Ｖ４＝−１０００Ｖ、Ｖ５＝９７４Ｖ、イオン飛行の長さ＝１．９４１ｍ、分析器の長さ＝１１２３ｍｍ、ビームウエスト＝８ｍｍ、入射イオンの運動エネルギー：４７４ｅＶ。

図１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃは、質量８２９ａｍｕを有するイオンに関する、以下のパラメータを用いた前述のＴＯＦ分光計の理論的実装に対する初期速度相関イオン位置の変化量に関して、ＴＯＦの前述の二次補正の結果としての仮想集束場所における運動エネルギー発散の範囲を前提として、運動エネルギーの変化量に対するＴＯＦの二次補正を伴う、仮想集束場所から検出器までのイオン運動エネルギーの関数としての個別のＴＯＦ、仮想集束場所におけるイオン運動エネルギーに対するＴＯＦの第１の微分、および仮想集束場所におけるイオン運動エネルギーに対するＴＯＦの第２の微分を示す：ｄ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝３ｍｍ、ｄ３＝５０ｍｍ、ｄ４＝５００ｍｍ、ｄ５＝４００ｍｍ、ｄ６＝１００ｍｍ、ｄ７＝５０ｍｍ、ｄ８＝６７８ｍｍ、Ｖ１＝１１８４Ｖ、Ｖ２＝０、Ｖ３＝−７０００Ｖ、Ｖ４＝−１０００Ｖ、Ｖ５＝９７４Ｖ、イオン飛行の長さ＝１．９４１ｍ、分析器の長さ＝１１２３ｍｍ、ビームウエスト＝８ｍｍ、入射イオンの運動エネルギー：４７４ｅＶ。また、図１９は、速度相関位置およびエネルギーに対する両方の二次補正が実装されるとき、速度相関イオン位置のある範囲を前提とする、大局的ＴＯＦを示し、性能向上を示唆する。本分析器は、検出器において、±２０ｍ／秒〜３５ｐｉｃｏ秒の速度の範囲（７１５，０００理論的分解能限界）を有する、速度相関ビームを集束させることができる。そのようなビームは、約３ｍｍの寸法を有するであろう。

図２０は、図１６および式５９によって説明される実施形態を使用する、質量８２９．５を有する、プロトン化ＡＬＩＬＴＬＶＳペプチドのＴＯＦ分析器を使用して記録された例示的質量スペクトルを示す。

図２１は、図１２によって説明される実施形態を使用する、質量６０９．３を有する、プロトン化レセルピンのＴＯＦ分析器を使用して記録された例示的質量スペクトルを示す。

本明細書で使用される見出しは、編成目的にすぎず、説明される主題をいかようにも限定するものと解釈されない。本出願人の教示が、種々の実施形態と併せて説明されたが、本出願人の教示がそのような実施形態に限定されることを意図しない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるような種々の代替、修正、および均等物を包含する。

Claims (20)

1. 飛行時間質量分析計であって、
   イオンを受容するための入力オリフィスと、
   第１の経路に沿って、前記イオンを加速させるための第１のイオン加速段階と、
   前記加速されたイオンを受容し、前記第１の経路と異なる第２の経路に沿って、前記イオンを再指向するための第１のイオンリフレクタと、
   前記第２の経路に沿って伝搬する前記イオンを第３の経路上に再指向するように構成される、第２のイオンリフレクタと、
   前記第２のイオンリフレクタによって再指向される、前記イオンの少なくとも一部を検出するための検出器と、
   前記第１の加速段階と前記検出器との間に配置される、少なくとも第１および第２のフィールドフリードリフト領域であって、前記第２のフィールドフリー領域は、前記検出器に近接して配置される、フィールドフリードリフト領域と
   前記第１および第２のフィールドフリードリフト領域間に配置される、第２の加速段階と、
   を備える、質量分析計。
2. 前記第１および第２のフィールドフリードリフト領域は、基準位置に対して、前記分光計に入射するイオンの初期位置における発散を補正するように構成される、請求項１に記載の質量分析計。
3. 前記検出器は、前記第３の経路に沿って伝搬する前記イオンを受容するように位置付けられる、請求項２に記載の質量分析計。
4. 前記第２のフィールドフリードリフト領域は、前記第１のフィールドフリー領域を上回る長さを有する、請求項３に記載の質量分析計。
5. 前記第１の加速段階は、選択された距離だけ分離される、第１および第２の電極を備え、前記２つの電極間への電圧差の印加は、前記イオンを加速させるための電場を発生させる、請求項４に記載の質量分析計。
6. 前記第２の電極に対してある距離に配置される、第３の電極をさらに備え、前記第２および第３の電極は、同相電圧に保持され、その間に前記第１のフィールドフリードリフト領域を発生させる、請求項５に記載の質量分析計。
7. 前記第３の電極と前記第１のイオンリフレクタとの間に配置される、第１のグリッドをさらに備え、前記第３の電極および前記グリッドは、ある電圧差に保持され、イオンが前記第１の経路に沿って進行するための前記第２の加速段階を提供する、請求項６に記載の質量分析計。
8. 前記第１のグリッドおよび前記第１のイオンリフレクタは、前記第１のグリッドから前記第１のイオンリフレクタに伝搬するにつれて、前記イオンを減速させるように構成される、電圧差に保持される、請求項７に記載の質量分析計。
9. 前記第１のグリッドは、前記イオンが、前記第１のイオンリフレクタから前記第２のイオンリフレクタに、前記第２の経路に沿って伝搬するにつれて、前記第１のグリッドを交差するように構成される、請求項８に記載の質量分析計。
10. 前記グリッドと前記第１のリフレクタとの間の前記電圧差は、前記第２の経路に沿って、前記第１のリフレクタから前記グリッドに伝搬するにつれて、前記第１のイオンリフレクタによって反射されたイオンを加速させる、請求項９に記載の質量分析計。
11. 前記第１のグリッドおよび前記第２のイオンリフレクタは、前記グリッドから前記第２のリフレクタに、前記第２の経路に沿って伝搬するにつれて、前記イオンを減速させるように構成される、電圧差に保持される、請求項１０に記載の質量分析計。
12. 前記第２のイオンリフレクタは、前記グリッドに向かって、前記第３の経路に沿って、前記イオンを再指向させるように構成され、前記第２のフィールドフリードリフト領域は、前記グリッドから前記検出器に延在する、請求項１１に記載の質量分析計。
13. 前記第１のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２）は、以下の関係：
    によって提供される、請求項１２に記載の質量分析計。
14. 前記第２のフィールドフリー領域の長さ（ｄ６）は、以下の関係：
    によって提供される、請求項１３に記載の質量分析計。
15. 前記第１のグリッドから距離（ｄｆｆ）において、前記第１のグリッドと前記第１のイオンリフレクタとの間に配置される、第２のグリッドをさらに備え、前記第１および第２のグリッドは、同相電圧に保持され、その間に第３のフィールドフリードリフト領域を発生させる、請求項９に記載の質量分析計。
16. 前記第１のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ２）は、以下の関係：
    によって提供される、請求項１５に記載の質量分析計。
17. 前記第２のフィールドフリードリフト領域の長さ（ｄ６）は、以下の関係：
    によって提供される、請求項１６に記載の質量分析計。
18. 飛行時間質量分析を行なう方法であって、
    １つ以上のイオン加速段階をイオン入口開口とイオン検出器との間に提供するステップと、
    ２つ以上のフィールドフリードリフト領域を前記入口開口と前記検出器との間に提供するステップであって、前記フィールドフリードリフト領域のうちの少なくとも１つは、前記加速段階のうちの１つと前記検出器との間に配置される、ステップと、
    前記初期位置に対する初期イオン位置から前記検出器に進行する前記イオンの飛行時間の一次および二次微分が、ゼロになるように、前記フィールドフリードリフト領域の長さを選択するステップと、
    を含む、方法。
19. 飛行時間（ＴＯＦ）質量分析計であって、
    複数のイオンを受容するための開口と、
    第１の経路に沿って、前記受容されたイオンを加速させるための少なくとも１つの加速段階と、
    前記加速されたイオンの空間集束を選択された場所に提供するように構成される、２つ以上のフィールドフリードリフト領域と、
    前記イオンを前記選択された場所から受容し、前記第１の経路と異なる第２の経路に沿って、前記イオンを再指向させるための少なくとも１つのイオンリフレクタと、
    を備え、前記イオンリフレクタは、前記空間集束場所における前記イオンの運動エネルギー発散を低減させるように構成される、質量分析計。
20. 前記イオンリフレクタは、２段階イオンリフレクタを備える、請求項１９に記載のＴＯＦ質量分析計。