JP3655589B2 - 無線周波数共振器 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、無線周波数（ＲＦ）共振器およびＲＦ共振回路を使用した装置に関する。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。
【０００２】
従来技術
４重極イオントラップは、まず、Ｐａｕｌ等によって米国特許第２，９３９，９５２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ＲＦ電圧を効果的に形成することができる。
【０００３】
４重極イオントラップは、種々のイオン源と共に、質量分析装置のイオントラ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。
【０００４】
ＭＡＬＤＩイオン源によって生成されたイオンは、必然的にパルス化されかつ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。
【０００５】
ＲＦ共振器の急速スタートおよび／または急速終了方法が、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／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、ＭＯＦＥＴ、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。
【０００６】
容量変化は、スイッチング素子に印加される電圧がゼロに近づいた場合により深刻である。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。
【０００７】
少なくとも上述の問題を軽減する無線周波数共振器を提供することが、本発明の目的である。
【０００８】
発明の要約
本発明は、無線周波数共振器を有する装置を提供する。この共振器は、コイル、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。
【０００９】
本発明はさらに、その一端を無線周波数電圧が供給される接続点に接続した少なくとも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。
【００１０】
ＭＡＬＤＩイオン源において、イオンはサンプルの表面に向けられたレーザパ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、Ｃ_RF、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Ｃ_BIASから供給される。一旦容量Ｃ_RF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Ｃ_RFおよびＣ_BIAS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Ｃ_BIAS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Ｃ_BIAS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。
【００１１】
実施例
図１を参照すると、４重極イオントラップ１はリング電極１１と２個のエンド−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。
【００１２】
各スイッチ４、５の一端はコイル２とリング電極１１の接続点に接続され、一方各スイッチ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。
【００１３】
図２は、急速スタートがＲＦ電圧サイクルの正の部分で起こる共振器を概略的に示すものである。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Ｃ_RF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電圧の測定回路（図示せず）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（装置の構造に付随して意図せずに発生する容量）の総和を示す。コンデンサＣ_BIASは、コンデンサ２１を示し、抵抗Ｒは抵抗２３を示す。電圧源Ｖ_BIASは高電圧源６を示す。Ｖ_BIASは同様に電源電圧を示す。Ｖ_RF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、Ｖ_CはスイッチＳの他方の側、即ちコンデンサＣ_BIASと抵抗Ｒとの接続点における電圧である。
【００１４】
次に、図３の電圧波形図を参照して、ＲＦ電圧サイクルの正の部分上におけ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Ｖ_ＲＦ上の電圧はゼロであり、コンデンサＣ_BIAS上の電圧Ｖ_CはＶ_BIAS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Ｃ_RFを充電し、電圧Ｖ_RFおよびＶ_C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Ｖ_BIASが常に高く設定されるように、Ｃ_BIAS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Ｖ_Cが同じ値に留まっているならば、電圧Ｖ_RFは各ＲＦサイクルの間においてＶ_C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Ｃ_BIASは抵抗Ｒを通して再充電され、電圧Ｖ_Cは電圧Ｖ_BIAS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Ｖ_RFおよびＶ_C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Ｖ_Cの回復時定数はＲおよびＣ_BIAS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（Ｖ_RFおよびＶ_C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Ｃ_BIASを再充電する。このようにして、電圧Ｖ_BIAS方向へのＶ_Cの回復が急速に行われる。
【００１５】
図４はスイッチ（例えば４または５）の一例を示し、このスイッチは、それぞれが、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３^1/2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、１／３^1/2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、１／３^1/2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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＭＡＬＤＩイオン源と飛行時間質量分析計を有する４重極イオントラップの概略図。
【図２】 ＲＦ電圧サイクルの正の部分において急速スタートを起こす共振器を単純化して示す概略図。
【図３】 スイッチの一方の側に印加されるＲＦ電圧とスイッチの他方の側に印加される電圧Ｖ_Cを説明的に示すタイミング図。
【図４】 各ステージがコンデンサおよび抵抗と並列に接続されたＭＯＳＦＥＴスイッチング素子を含む、３ステージスイッチの１例を示す図。

Claims (18)

1. コンデンサ手段を含む無線周波数共振器を備えた装置であって、前記無線周波数共振器はさらにコイルを含むことを特徴とするものにおいて、前記装置はさらに、
   前記コンデンサ手段と前記コイルとの接続部おける無線周波数電圧の高速起動のために、前記接続部にその一端を接続した少なくとも１個のスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段の他端とグランドとの間に接続された他のコンデンサ手段と、
   高電圧供給手段と、さらに
   前記他のコンデンサ手段の再充電のために、前記高電圧供給手段を前記他のコンデンサ手段に接続する再充電手段、
   を含む、無線周波数共振器を備えた装置。
2. 前記再充電手段は抵抗である、請求項１に記載の装置。
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。
4. 前記無線周波数共振器はイオン捕捉装置の一部である、請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記イオン捕捉装置は４重極イオントラップである、請求項４に記載の装置。
6. 前記４重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。
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。
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。
9. 前記スイッチング素子のそれぞれは並列コンデンサに、または並列コンデンサと並列抵抗とに接続されている、請求項８に記載の装置。
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。
11. 前記スイッチ手段は、そのスイッチ部に直列に接続された抵抗手段を含む、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の装置。
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を含む、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の装置。
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、並列コンデンサに、または並列コンデンサと並列抵抗とに接続されている、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の装置。
14. さらに、無線周波数の発振を維持しさらに制御するための無線周波数ドライバ回路を含む、請求項１乃至１３の何れか１項に記載の装置。
15. 請求項１に記載の装置を操作する方法であって、前記方法は、
    前記スイッチ手段を閉成して前記他のコンデンサ手段を放電することにより前記コンデンサ手段を充電して、前記接合部の前記無線周波数電圧を高速起動し、さらに
    前記接合部の前記無線周波数電圧が前記他のコンデンサ手段の電圧と同じなった後前記スイッチ手段を開成して、前記再充電手段を介して前記他のコンデンサ手段を再充電する、各ステップを含む方法。
16. 前記再充電手段は抵抗である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記再充電手段は他のスイッチ手段である、請求項１５に記載の方法。
18. 前記ゲートドライバ回路を有する半導体スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタのいずれかである、請求項１０に記載の装置。

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