JP6859450B2 - 多重反射飛行時間型質量分析計、及び質量分光分析の方法 - Google Patents

Description

本開示は飛行時間型質量分析計に関する。

この項は本開示に関係する背景情報を提供しており、必ずしも先行技術であるとは限らない。

質量分析法では、また飛行時間型質量分析法（ＴＯＦＭＳ）でも同様に、高い分解能（分解度）、高いイオン透過（高い感度を実現するため）、及び特定の用途での（例えば、科学的ラボラトリ内、工場の床上、車両内、宇宙船上での）使用にとって実用的とされる妥当な大きさの機器、を提供する設計を有することは有益であろう。

ＴＯＦＭＳでは、関連の収差係数を低い値又はゼロに保つことが重要であるだろう。低い収差係数は、イオンミラー電極の幾何学、位置、及びイオンミラー電極並びにイオン光学器の他の要素へ印加される電位、の特別な配設によって実現され得る。

収差係数は、収差拡大を用いながら運動方程式から導き出せる。諸収差の次数は、収差全体におけるそれらの寄与を定義し、ひいてはＴＯＦＭＳの分解能を定義する。それはまた収束の次数とも記述される。例えば、高分解度ＴＯＦ質量分析部がＹ軸の２次時間収束を有しているなら、それはＹ軸についての１次及び２次時間収差がゼロであることを意味する。より実践的な着眼点では、それはＹ軸上の僅かに異なる位置からスタートしたイオン同士が（他の収差の寄与が無ければ）同じＴＯＦを有するはずである、ということを意味する。ここでの使用に際し、Ｙ軸とはイオン経路平面を横断する平面をいう。

Ｙ軸での時間収束を実現するということは、イオンが、たとえ様々なＹパラメータ値を有していたとしても、同時に（又は殆ど同時に）検出器に到着し得る、ということを意味する。例えば、イオンがＹ軸に沿った異なる点からスタートするとして、Ｙについての時間収束がＴＯＦＭＳ設計で実現されているので、各個の経路を同時にスタートした全てのイオンは同時に又は殆ど同時に検出器に到着することができる。当該「殆ど」という因子は、対応する収差係数の値によって定義される――この値が低いほどイオンの到着時刻の差は小さい。時間収差係数がゼロであるなら、イオンの到着時刻は、対応するパラメータでの異なる初期条件にもかかわらず同じになるだろう。

米国特許第５，１１７，１０７号 米国特許第７，３８５，１８７号 米国特許第９，３９６，９２２号

この項は、本開示の全般的な概要を提供しており、本開示の完全範囲の又は本開示の特徴全ての包括的な開示ではない。

本開示の１つの態様は、多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を提供している。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、イオン源と、直交加速器と、イオンミラー組立体と、を含んでいる。イオン源は、イオンのビームを生成することができ、イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速するように配置されている。直交加速器はイオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速するように配置されている。第２の方向は第１の方向に直交している。イオンミラー組立体は、複数のグリッドレス平面状ミラーと、複数の電極と、を含んでいる。複数の電極は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸に沿ったイオンの時間収束を提供するように配置されている。

本開示の諸実施形は、以下の随意的特徴の１つ又はそれ以上を含み得る。幾つかの実施形では、イオン源はイオンの連続ビームを生成するように構成されている。

幾つかの実施形では、複数の電極のうちの少なくとも１つは、第１の軸のイオンの空間収束を提供するように構成されている。

幾つかの実施形では、複数の電極のうちの少なくとも１つは、第３の軸のイオンの空間収束を提供するように構成されている。

幾つかの実施形では、ミラー組立体は、更に、第１の軸に沿ってイオンの方向を反転させるように構成されているエッジ偏向器を備えている。

幾つかの実施形では、イオン源は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、及びＭＡＬＤＩから成る群より選択されている。

幾つかの実施形では、イオンミラー組立体は二次元静電場を形成する。イオンミラーは、選択的に調節可能であるパラメータであってイオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差をもたらすように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極、を含むことができる。イオンミラー組立体は、平面対称性の二次元静電場又は中空の円柱対称性の二次元静電場を形成することができる。

幾つかの実施形では、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、イオンをＺ方向に収束させるためのレンズを一切包含していない。

幾つかの実施形では、イオン源、直交加速器、及びイオンミラー組立体は、イオンミラー組立体がイオンを検出器に接触する前に６回から１２回の間で反射するように配置されている。イオンミラー組立体はイオンを検出器に接触する前に１０回反射することができる。

幾つかの実施形では、イオンミラー組立体は、イオンがＹ方向に空間的に収束することを可能にし、更にＹ方向への時間収束を可能にする。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、更に、Ｚ方向のイオンパケットの幅増加を可能にし、それがデューティサイクルの増加を可能にすることになる。

本開示の別の態様は、質量分光分析の方法を提供している。方法は、イオン源内でイオンのビームを形成する段階と、イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速する段階と、を含むことができる。方法は、更に、直交加速器を用いてイオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速する段階を含んでいる。第２の方向は第１の方向に直交している。方法は、更に、複数のグリッドレス平面状ミラーを備えるイオンミラー組立体を用いてイオンを少なくとも１回反射する段階を含んでいる。イオンミラー組立体は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸に沿ったイオンの時間収束を提供するように配置されている複数の電極を含むことができる。方法は、更に、検出器を用いてイオンの到着時刻を検出する段階を含むことができる。

この態様は、以下の随意的特徴の１つ又はそれ以上を含み得る。

幾つかの実施形では、イオンのビームは連続的である。

幾つかの実施形では、方法は、複数の電極のうちの少なくとも１つを用いて第１の軸のイオンを空間的に収束させる段階を含んでいる。

幾つかの実施形では、方法は、複数の電極のうちの少なくとも１つを用いて第３の軸のイオンを空間的に収束させる段階を含んでいる。

幾つかの実施形では、方法は、第１の軸に沿ってイオンの方向を反転させるようにエッジ偏向器を用いてイオンを反射する段階を含んでいる。

幾つかの実施形では、イオン源は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、及びＭＡＬＤＩから成る群より選択されている。

幾つかの実施形では、イオンミラー組立体は二次元静電場を形成する。イオンミラーは、選択的に調節可能なパラメータであってイオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差をもたらすように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極、を含むことができる。イオンミラー組立体は、平面対称性の二次元静電場又は中空の円柱対称性の二次元静電場を形成することができる。

本開示の更に別の態様は、イオン源と、直交加速器と、イオンミラー組立体と、を備える多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を提供している。イオン源は、イオンのビームを生成することができ、イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速するように配置されている。直交加速器はイオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速するように配置されている。第２の方向は第１の方向に直交している。イオンミラー組立体は、複数のグリッドレス平面状ミラーと、複数の電極と、を含んでいる。複数の電極は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸のイオンの時間収束を提供するように配置されている。

別の態様では、本開示は、記載されている質量分光分析の方法を提供しており、方法は、イオン源内でイオンのビームを形成する段階と、イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速する段階と、直交加速器を用いてイオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速する段階であって、第２の方向は第１の方向に直交している、イオンを第２の方向に加速する段階と、複数のグリッドレス平面状ミラーを備えるイオンミラー組立体を用いてイオンを少なくとも１回反射する段階であって、イオンミラー組立体は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸のイオンの時間収束を提供するように配置されている複数の電極を備えている、イオンを反射する段階と、検出器を用いてイオンの到着時刻を検出する段階と、を備えている。

適用可能性の更なる分野は、ここに提供されている説明から明白になるであろう。この概要の中の記述及び特定の実施例は、専ら例示を目的としており、本開示の範囲を限定するつもりはない。

ここに説明される図面は、選択された構成のみを例示することが目的であり、全ての考えられ得る実施形を例示するためではなく、また本開示の範囲を限定する意図はない。

図面全体を通して対応する符号は対応する部分を表している。

本開示による多重反射飛行時間型質量分析計の断面図である。 本開示による多重反射飛行時間型質量分析計の模式図である。 本開示による、様々なビーム径でのＥ＝２００Ｖ／ｍｍを有する多重反射飛行時間型質量分析計についての検出器でのピーク形状を示している 本開示による、様々なビーム径でのＥ＝３００Ｖ／ｍｍを有するＭＲ−ＴＯＦ ＭＳについての検出器でのピーク形状を示している。 本開示による質量分光分析の方法を例示している流れ図である。

構成例をこれより添付図面を参照しながらより十分に説明してゆく。構成例は、この開示が徹底され、開示の範囲を当業者に十分に伝えることができるように提供されている。本開示の諸構成の十分な理解をもたらすべく、特定の構成要素、装置、及び方法の実施例の様な特定の詳細事項が示されている。当業者には自明である様に、特定の詳細事項は採用される必要はなく、当該構成例は多くの異なる形態に具現化されることができ、特定の詳細事項及び構成例は開示の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

ここで使用されている用語遣いは、専ら特定の例示としての構成を説明することが目的であり、限定を課すものではない。ここでの使用に際し、原文の単数を表す冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の対訳である「或る」、「一」、及び「当該、前記、その」は、別途文脈によって明白に指示されていない限り、複数形も含むものとする。「備える」、「備えている」、「含んでいる」、及び「有している」という用語は、包含的であり、したがって特徴、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指示するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除しない。ここに説明される方法の工程、プロセス、及び動作は、遂行の順序として特に識別されていない限り、それらが論じられている又は例示されている特定の順序で遂行されることを必然的に要求するものであると解釈されてはならない。追加の又は代わりの工程も採用され得る。

或る要素又は或る層が、別の要素「上」又は別の層「上」にある、別の要素又は別の層へ「係合されている」、「接続されている」、「付着されている」、又は「連結されている」という場合、それは、直接的に他方の要素上又は他方の層上にある、直接的に他方の要素又は他方の層へ係合されている、接続されている、付着されている、又は連結されていることもあれば、介在する要素又は介在する層が存在していることもある。対照的に、或る要素が別の要素上又は別の層上に「直接ある」、別の要素又は別の層へ「直接係合されている」、「直接接続されている」、「直接付着されている」、又は「直接連結されている」という場合、介在する要素又は介在する層は存在しないということになる。要素同士の関係を記述するのに使用されている他の語は同様の方式で解釈されるものとする（例えば、「の間に」対「の間に直接的に」や「に隣接して」対「に直接隣接して」など）。ここでの使用に際し「及び／又は」という用語は、関連の一覧品目のうちの１つ又はそれ以上から成るありとあらゆる組合せを含む。

第１、第２、第３、などの用語は、ここでは、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分を記述するのに使用されることがある。これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区分は、これらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、又は区分を、別の要素、構成要素、領域、層、又は区分と区別するために使用されているにすぎない。「第１」、「第２」、及び他の数的用語の様な用語は、文脈によって明白に指し示されていない限り、或るシーケンス又は順序を含意するものではない。したがって、以下に論じられている第１の要素、構成要素、領域、層、又は区分が、構成例の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、又は区分と呼称されることもあり得る。

図１及び図２を参照して、本開示の１つの態様は、多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）１０を含んでいる。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、イオン源１２と、直交加速器（ＯＡ）１８と、一対のイオンミラー組立体２０と、検出器２２と、を含むことができる。

イオン源１２は、イオン１４のビームを第１の方向に且つこれ以後はＺ軸と呼称される第１の軸に沿って加速するように配置されていてもよい。動作中、イオン１４のビームは直交加速器１８の中へ方向決めされることができる。ここでの使用に際し、イオン源１２によって生成され直交加速器１８によって方向決めされるイオンのビームは概してイオン１４のビームと呼称されるのに対し、直交加速器１８によって加速された後、イオンのビームは概してイオン１５のビームと呼称されることになる。

イオン１４を生成するための何れの適切な手段がイオン源１２として使用されてもよい。例えば、イオン源１２は、イオン１４の連続的又は準連続的なビームを発生させるようになっていてもよい。イオン源１２は、更に、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）、大気圧光イオン化法（ＡＰＰＩ）、電子衝撃法（ＥＩ）、化学イオン化法（ＣＩ）、誘導結合プラズマイオン化法（ＩＣＰ）、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、及びマトリックス支援レーザー脱離/イオン化法（ＭＡＬＤＩ）であってもよい。

イオン１４をＸ軸に沿って加速するための直交加速器１８は技術的に知られている何れの適切なイオン加速器であってもよい。例えば、直交加速器１８は、イオン１４の速度を増加させる電磁場を使用していてもよい。例えば、ギルハウス（Guilhaus）らの米国特許第５，１１７，１０７号に記載されている直交加速器１８がイオン１４をＸ軸に沿って加速するのに使用されてもよく、同特許をここに参考文献としてそっくりそのまま援用する。

直交加速器１８は、イオン１４を、第１の方向に直交である第２の方向に且つこれ以後はＸ軸と呼称される第２の軸に沿って加速するように配置されることができる。例えば、直交加速器１８はイオン１４をエネルギーＥで加速するようになっていてもよい。幾つかの実施形では、エネルギーＥは実質的に５００ボルト毎ミリメートルに等しい。

直交加速器１８は質量分析部３４と整列されていてもよい。その様なスキームは正規直交スキームとして知られている。正規直交スキームを使用すると、イオンパケット３２を操舵する必要性がなくなり、イオンビーム１５の操舵に関係する複数の収差を排除することができる。イオンパケット３２は、Ｙ方向に細くなり、交差項収差を有意に低減することができる。正規直交スキームは、イオンパケット３２をＺ方向に収束させるためのレンズがＺ方向により長いイオンパケット３２を可能にすることを意味し得る。正規直交スキームは、はるかに短いイオン経路１６で高い分解度に至ることを可能にすることができ、より高頻度のパルシングが可能になる。より高いパルシング周波数とより長いイオンパケット３２の組合せは、感度とダイナミックレンジの増進を可能にすることができる。

イオンミラー組立体２０は、複数のイオンミラー２６と、複数のミラー電極２４と、エッジ偏向器２８と、を含むことができる。ミラー組立体２０は、イオン１５をＹ方向に時間収束させることができる。例えば、電極２４は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸に沿ったイオン１５の時間収束を提供するように配置されることができ、第３の軸はこれ以後はＹ軸と呼称される。Ｙ方向のイオンを時間収束させるための電極は技術的に知られ、例えばベレンチコフらの米国特許第７，３８５，１８７号に記載されており、同特許をここに参考文献としてそっくりそのまま援用する。

そしてイオンミラー組立体２０はイオン１５を反射するようになっていてもよい。例えば、複数のイオンミラー電極２４は、７つのイオンミラー電極２４−１から２４−７を２セット含んでいてもよい。例えば、イオンミラー組立体２０は、イオン１５が反射されＸ軸に沿って反対方向に進んでゆくように配置されていてもよい。イオン１５は、次いで検出器２２に接触し、検出器２２がイオン１５の数量及び飛行時間を測定する。イオンミラー組立体２０は、ミラーキャップ３６を含んでいてもよい。幾つかの実施形では、イオンミラー２６の１つがミラーキャップ３６を含んでいる。例えば、ミラーキャップ３６はイオンミラー電極２４の１つに当接していてもよい。

イオンミラー電極２４は、対称的なグリッドレス平面状ミラー又は対称的な中空円柱状ミラーとすることができる。イオンミラー２６は、イオンパケット３２がＺ方向に収束されるような形状とすることができる。例えば、イオンミラー２６は、別のイオンミラー２６の凹面に面する凹面又はエッジ偏向器２８に面する凹面を含んでいてもよい。イオンミラー組立体２０の電極２４の１つ、例えば最後尾の電極２４は、Ｚ方向のイオン１５の空間収束を現出させるように配置されていてもよい。

飛行時間収差を減少させるための高次収束ミラー組立体がミラー組立体２０へ組み入れられていてもよい。高次収束イオンミラー組立体は平面対称性又は中空の円柱対称性のどちらかの二次元静電場を形成するようになっていて、イオンミラー組立体２０は、選択可能であるパラメータであってイオンミラー組立体２０による一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差をもたらすように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極２４、を含んでいてもよい。その様な高次収束ミラー組立体は、技術的に、例えばベレンチコフらの米国特許第９，３９６，９２２号に記載されており、同特許をここに参考文献として援用する。

エッジ偏向器２８はイオン１５をＺ方向に反射することができる。ミラー組立体２０がエッジ偏向器２８を含んでいる場合、検出器２２は質量分析部３４の直交加速器１８と同じ側にあり、かたやエッジ偏向器２８は分析部３４の直交加速器１８とは反対の側にあってもよい。検出器２２は、更に、質量分析部３４の直交加速器１８とは反対の側に設置されることもできる。その場合、エッジ偏向器２８は省略されることができる。

ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、レンズレスとすることもできる。例えば、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、イオンをＺ方向に収束させるレンズを一切包含していなくてもよい。レンズの不在は、Ｚ方向のイオンパケット３２の幅Ｗ_１を増加させることによってデューティサイクルを有意に増加させることを可能にすることができる。これは更に、直交加速器１８の充填時間を増加させることにもなる。無レンズのＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、レンズアレイを包含している対応する機器より構築するのに費用が少なくて済む。

ここで図１を参照すると、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０が示されている。図１にはイオンビーム１５からのイオンの経路１６も示されている。図１では、イオン源１２、直交加速器１８、及びイオンミラー組立体２０は、イオンミラー組立体２０がイオン１５を検出器２２に接触する前に１０回反射するように配置されているが、イオン１５は検出器２２に接触する前に６回から１２回の間で反射されるようになっていてもよい。図１のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、機器の直交加速器１８と同じ側に配置されている検出器２２を含んでいる。図１に示されているＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、エッジ偏向器２８を含んでおり、エッジ偏向器２８がＺ方向のイオン１５の方向を反転させ、イオン１５を検出器２２に向けて返すよう反射する。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０を動作させるための特定のパラメータを含むことができるが、パラメータは異なる結果を実現するように変えられることができる。

図２を参照して、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、６００ｍｍ−６５０ｍｍのイオンミラー２４間距離Ｄ_１を画定していてもよい。イオンミラー２４のウインドー幅Ｗ_２は３４０ｍｍである。図２は、イオン流れ経路又はペンシル３０の幅Ｗ_３として２０ｍｍの距離を示している。図２に示されているＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０を動作させるための特定のパラメータを含むことができるが、パラメータは異なる結果を実現するように変えられることができる。

図５を参照すると、質量分光分析の方法１００が例示されている。工程１０２にて、方法１００はイオン源１２内でイオン１４のビームを形成する段階を含むことができる。工程１０４にて、方法はイオン１４を第１の軸に沿って第１の方向に加速する段階を含むことができる。例えば、工程１０４にて、方法はイオン１４をＺ軸に沿って加速する段階を含んでいてもよい。工程１０６にて、方法は直交加速器１８を用いてイオン１４を第２の軸に沿って第２の方向に加速する段階を含むことができる。例えば、工程１０６にて、方法はイオン１４をＸ軸に沿って加速する段階を含んでいてもよい。第２の方向は第１の方向に直交していてもよい。工程１０８にて、方法はイオンミラー組立体２０を用いてイオン１５を少なくとも１回反射する段階を含むことができる。工程１１０にて、方法は検出器２２を用いてイオンの到着時刻を検出する段階を含むことができる。

方法は、イオン１４の連続ビーム又は準連続ビームを使用する段階を含んでいてもよい。イオン源１２は、更に、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、及びＭＡＬＤＩから成る群より選択されていてもよい。

工程１１２にて、方法は、Ｚ方向のイオン１５を空間的に収束させるためにイオンミラー２６のうちの少なくとも１つを使用する段階を含むことができる。工程１１４にて、方法は、第１の軸に沿ってイオン１５の方向を反転させるためにエッジ偏向器２８を用いてイオンを反射する段階を含むことができる。工程１１６にて、方法は、更に、平面対称性又は中空の円柱対称性のどちらかの二次元静電場を形成するために高次ミラーを使用する段階を含むことができる。イオンミラー組立体２０は、選択的に調節可能であるパラメータであってイオンミラー２６による一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差をもたらすように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極２４、を含むことができる。

ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ１０の第１の実施例が下表１に記載のパラメータによって説明されている。以下に記載のパラメータは異なる結果を実現するように変えられることができる。この特定の実施例では、エッジ偏向器２８が使用された。

第２の実施例では、ＭＳ−ＴＯＦ ＭＳ１０は、３４０ｍｍのウインドー幅Ｗ_２を有する平面状ミラー電極２４及び直交加速器（ＯＡ）１８の水平位置（即ち、連続イオンのビームのＺ方向）に基づくものとすることができる。この実施例でのＭＳ−ＴＯＦ ＭＳ１０のパラメータは図２に示されている仕様による。ミラーウインドーのＹ軸方向の高さは２４ｍｍである。検出器２２とＯＡ１８の一次収束位置は、質量分析部３４の中間平面（２つのミラーの真ん中）に位置するものと想定された。図２に示されている３ターン（６反射）スキームは、イオンペンシル３０の幅Ｗ_３２０ｍｍ、及びミラーウインドー内側境界からのイオンペンシル３０の外側縁のＺオフセット２５ｍｍのために実現されることができ、このことはミラーフリンジング場に因るＴＯＦ歪みが＜０．３ｎｓになることを保証する。Ｚｅｄｇｅ＝イオンペンシル３０の中心からミラーウインドー内側境界までの３５ｍｍ、及びＺｓｔｅｐ＝９０ｍｍであった。イオン運動エネルギーＫ＝８０００ｅＶ、及び６００ｍｍ−６５０ｍｍのミラーキャップ間距離Ｄ_１の場合、連続イオンビーム１４の運動エネルギーは３０ｅＶ−４０ｅＶである。設計の目標は、連続イオンビーム１５の実現可能最大径で分析部の質量分解能Ｒ＞２００００を得ることである。

ＯＡ１８の適正な抽出場強さを選定するべく、エネルギーの第５次ＴＯＦ収束で最適化されたイオンミラーを有する３ターン型分析部内の検出器にて、隣接電極間ギャップ長さをゼロと想定し、Ｅ＝２００Ｖ／ｍｍ（図３参照）及びＥ＝３００Ｖ／ｍｍ（図４参照）の２通りの場合において、ＯＡ１８の５通りの異なる連続ビームパラメータ、即ち：ｄ＝２ｍｍ、ａ＝±０．７５°；ｄ＝２．５ｍｍ、ａ＝±１°；ｄ＝３ｍｍ、ａ＝±１．１２５°；ｄ＝３．５ｍｍ、ａ＝±１．３°；ｄ＝４ｍｍ、ａ＝±１．５°を用いて、質量ｍ＝１０００ａ．ｍ．ｕ．のイオンの時間ピーク形状が計算された。この試験シミュレーションでは、イオンミラー２４は、ＯＡ１８によって引き起こされる収差を勘案せずに「イオンミラー単独で」最適化された。

対応するピーク形状が図３（Ｅ＝２００Ｖ／ｍｍについて）及び図４（Ｅ＝３００Ｖ／ｍｍについて）に提示されている。図３−図４から分かる様に、広い連続ビーム径の場合には半値幅(full width at half maximum)（ＦＷＨＭ）での及びピーク基準(peak base)での質量分解能は両方の抽出場強さの値について同等のままである。これは、Ｅ＝３００Ｖ／ｍｍでのＯＡ１８の一次収束における信号のより狭い初期時間幅を、より広いエネルギー広がりによって引き起こされる収差により補償することによってもたらされている。但し、連続イオンビーム１５の径を減少させる場合、収差の寄与が減少するといけないから、抽出場強さのより大きな値が好適となる。

上記開示は、例示及び一例として、明快さと理解を目的に、様々な特定の事例及び教示に関して、或る程度詳細に説明されている。但し、付随の特許請求の範囲による範囲内で多くの変形型及び修正型がなされ得る。したがって、以上の説明は例示的であることを意図しており制限的であることを意図していない、ということを理解されたい。付随の特許請求の範囲による範囲は、その様な特許請求の範囲が権利を付与される等価物の全範囲を考慮するものとする。

１０ 多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）
１２ イオン源
１４ （生成、方向決め時点の）イオン
１５ （加速後の）イオン
１６ イオンの経路
１８ 直交加速器（ＯＡ）
２０ イオンミラー組立体
２２ 検出器
２４ イオンミラー電極
２６ イオンミラー
２８ エッジ偏向器
３０ イオン流れ経路又はペンシル
３２ イオンパケット
３４ 質量分析部
３６ ミラーキャップ
Ｅ エネルギー
Ｄ_１ イオンミラー間距離
Ｄ_２ 室長さ
Ｗ_１ Ｚ方向のイオンパケットの幅
Ｗ_２ イオンミラーのウインドー幅
Ｗ_３ イオン流れ経路又はペンシルの幅
Ｗ_４ 室幅

Claims (23)

1. イオンのビームを生成することができ、前記イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速するように配置されているイオン源と、
   前記イオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速するように配置されている直交加速器であって、前記第２の方向は前記第１の方向に直交している、直交加速器と、
   複数のグリッドレスミラー電極及び複数のミラーを備えるイオンミラー組立体であって、前記複数の電極は、イオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸に沿ったイオンの時間収束を提供するように配置されており、前記複数のミラーは第１のミラー及び第２のミラーを含み、前記第１のミラーは前記第２のミラーに面する凹面を有する、イオンミラー組立体と、
   を備えている多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）。
2. 前記イオン源はイオンの連続ビームを生成するように構成されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
3. 前記複数の電極のうちの少なくとも１つは、前記第１の軸の前記イオンの空間収束を提供するように構成されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
4. 前記複数の電極のうちの少なくとも１つは、前記第３の軸の前記イオンの空間収束を提供するように構成されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
5. 前記ミラー組立体は、前記第１の軸に沿って前記イオンの進行の方向を反転させるように構成されているエッジ偏向器を更に備えている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
6. 前記イオン源は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、及びＭＡＬＤＩから成る群より選択されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
7. 前記イオンミラー組立体は二次元静電場を形成し、前記ミラーは、選択的に調節可能であるパラメータであって当該ミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差を提供するように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極、を含んでいる、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
8. 前記イオンミラー組立体は平面対称性の二次元静電場を形成する、請求項７に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
9. 前記イオンミラー組立体は中空の円柱対称性の二次元静電場を形成する、請求項７に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
10. 前記多重反射飛行時間型質量分析計は、前記イオンを前記第１の方向に収束させるためのレンズを一切包含していない、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
11. 前記イオン源、前記直交加速器、及び前記イオンミラー組立体は、前記イオンミラー組立体が前記イオンを検出器に接触する前に６回から１２回の間で反射するように配置されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
12. 前記イオンミラー組立体は前記イオンを前記検出器に接触する前に１０回反射する、請求項１１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
13. イオン源内でイオンのビームを形成する段階と、
    前記イオンを第１の軸に沿って第１の方向に加速する段階と、
    直交加速器を用いて前記イオンを第２の軸に沿って第２の方向に加速する段階であって、当該第２の方向は前記第１の方向に直交している、前記イオンを第２の方向に加速する段階と、
    複数のグリッドレスミラー電極及び複数のミラーを備えるイオンミラー組立体であって、前記複数の電極はイオンエネルギー及びイオン位置に実質的に依存しない第３の軸に沿ったイオンの時間収束を提供するように配置されており、前記複数のミラーは第１のミラー及び第２のミラーを含み、前記第１のミラーは前記第２のミラーに面する凹面を有する、イオンミラー組立体を用いて前記イオンを少なくとも１回反射する段階と、
    検出器を用いて前記イオンの到着時刻を検出する段階と、
    を備えている質量分光分析の方法。
14. 前記イオンのビームは連続的である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数の電極のうちの少なくとも１つを用いて前記第１の軸の前記イオンを空間的に収束させる段階、を更に備えている請求項１３に記載の方法。
16. 前記複数の電極のうちの少なくとも１つを用いて前記第３の軸の前記イオンを空間的に収束させる段階、を更に備えている請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１の軸に沿って前記イオンの進行の方向を反転させるようにエッジ偏向器を用いて前記イオンを反射する段階、を更に備えている請求項１３に記載の方法。
18. 前記イオン源は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、及びＭＡＬＤＩから成る群より選択されている、請求項１３に記載の方法。
19. 前記イオンミラー組立体は二次元静電場を形成し、前記イオンミラーは、選択的に調節可能であるパラメータであって当該イオンミラーによる一対のイオン反射について少なくとも１０％のエネルギー広がり内で０．００１％未満の飛行時間偏差を提供するように調節されるパラメータを有する１つ又はそれ以上のミラー電極、を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
20. 前記イオンミラー組立体は平面対称性の二次元静電場を形成する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記イオンミラー組立体は中空の円柱対称性の二次元静電場を形成する、請求項１９に記載の方法。
22. 前記第２のミラーは、前記第１のミラーの凹面に面する凹面を有する、請求項１乃至１２のいずれかに記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
23. 前記第２のミラーは、前記第１のミラーの凹面に面する凹面を有する、請求項１３乃至２１のいずれかに記載の方法。

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