無線周波数電場内でメッシュを使用してイオン操作を行う方法及び装置
イオン操作システムが、メッシュを貫通するＲＦ電場によるイオン反発を含む。別のイオン操作システムは、メッシュのまわりの対称ＲＦ電場内にイオンを捕捉することを含む。システムは、巨視的部品、即ち容易に入手可能な微細メッシュ、又はＭＥＭＳ若しくは柔軟ＰＣＢ方法によって作成された小型化装置を使用する。一用途は、中間及び高ガス圧力での収束によるガスイオン源からのイオン移動である。別の用途は、トラップ配列内でのＴＯＦ ＭＳ用のパルスイオンパケットの形成である。そのような捕捉は、ＲＦ電場のパルススイッチングと、好ましくはパルス蒸気脱離によって形成されたガスパルスとを伴うことが好ましい。フラグメンテーション又はイオン・粒子間反応への露出の際及び質量分離のためのイオン誘導、イオン流操作、捕捉、パルスイオンパケットの作成、イオン閉じ込めが開示される。イオンクロマトグラフィは、質量依存ウェル深さを有する１組の多重トラップを通るガス流内のイオン通路を使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン光学及び質量分析の分野に関し、より詳細には質量分析用にイオン移動、貯蔵及びイオンパケットの作成を行うための無線周波数（ＲＦ）装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法は、イオン操作のために様々な無線周波数（ＲＦ）装置を利用する。第１の独特なグループは、ＲＦ質量分析器を含む。
【０００３】
１９６０年代以来、無線周波数（ＲＦ）四重極イオンフィルタとポールイオントラップ型質量分析計（ＩＴＭＳ）が周知であった。両方の質量分析装置は、特許文献１に提案されている。一例の詳細な説明は、非特許文献１に見ることができる。最近になって、半径方向のイオン放出（特許文献２を参照）と軸方向のイオン放出（特許文献３を参照）による線形イオントラップが出現した。イオントラップ型質量分析計は全て、ほぼ理想的な二次ポテンシャル（双曲線面によって達成される）を用い、中間ガス圧力のヘリウムで満たされている。イオンは、例えばＲＦ電場の振幅を変化させながら、ＲＦ電場によって捕捉され、ガス衝突で弱められ、連続的に放出される。イオントラップは、いわゆるタンデム質量分析計（ＭＳ−ＭＳ）分析を可能にする（共振放出との組み合わせで）イオンのアイソレーションとフラグメンテーションを行うために多くの複雑な戦略を使用する。
【０００４】
１９９０年代の終わりに、微細加工法によって並行バッチを形成するために三次元イオントラップと四重極質量分析計を小型化する傾向が現われた（特許文献４、非特許文献２、及び非特許文献３を参照）。
【０００５】
質量分光ＲＦ装置の第２の独特なグループは、イオンガイドを含む。そのような装置のほとんどは、一次元方向に広がり通常は線形と呼ばれる二次元四重極又は多重極に基づく。線形イオンガイドは、主に、ガスイオン源から四重極のような質量分析計へのイオン移動に使用される。ガス衝突は、イオンの運動エネルギーを緩和し、イオンをガイドに対して空間的に閉じ込めることを可能にする（特許文献５を参照）。タンデムＭＳのフラグメンテーションセル内のイオン閉じ込めには、トリプル四重極やＱ−ＴＯＦのようなガス線形多重極も使用される（特許文献６を参照）。イオン移動をガイド内（特許文献７を参照）又はフラグメンテーションセル内（特許文献８を参照）で加速するために、例えば外部補助電極によって構成された軸方向直流電場が使用される。
【０００６】
軸方向直流電場によって線形イオントラップを接続して線形イオンガイドを構成することができる。多重極線形イオントラップは、三次元ＩＴＭＳ（特許文献９を参照）、ＦＴ ＩＣＲ（非特許文献４を参照）、オービトラップ（特許文献１０を参照）、及び飛行時間形質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）内への、直接（特許文献１１を参照）又は直交加速器（特許文献１２、特許文献１３及び特許文献１４を参照）を介した、イオン蓄積及びパルスイオン注入を行うために幅広く使用されている。また、イオンガイドとイオントラップは、イオンを、中性物質（neutrals）（特許文献１５と特許文献１６を参照）、電子（特許文献１７、特許文献１８及び特許文献１９を参照）、異極性イオン（非特許文献５と特許文献２０を参照）、及び光子（非特許文献６を参照）とのイオン分子反応物にさらすために使用される。
【０００７】
ほとんどの質量分光イオンガイドと線形貯蔵イオントラップ装置は、四重極及び多重極ＲＦ場のトポロジを使用する。図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、そのような多重極は、交番ＲＦ位相を有するロッドからなる。四重極イオンガイド（図１Ａ）は、組の間にＲＦ電圧が印加された２対の平行ロッドによって構成される。区別するために、ＲＦ信号の一方の位相は＋ＲＦと表され、逆の位相は−ＲＦと表される。同様に、八重極（図１Ｂ）とより高次の多重極（図１Ｃ）は、２組の交互に配置されたロッドによって構成される。多重極ロッドは、円筒面上に並べられる。軸上で正味電場（net field）をなくすために（ＲＦ＝０として示される）、通常、これらの組には逆位相の２個の同等のＲＦ信号が供給される。極めて高次の多重極の極端な事例では、内接円の湾曲が無視できるようになり、そのような多重極の一部分は、交番ＲＦ信号を有するロッドによって構成された平面のように見えるようになる（図１Ｄ）。
【０００８】
多重極をより一般的な意味で見ると、ロッド構造は、対になった隣り合ったロッドによってそれぞれ構成された１組の双極子とみなすことができる（図１Ｄ）。多重極の場合、そのようなＲＦ双極子は、環状面内に並べられる。各双極子は、個別ロッドよりかなり短い極めて短い侵入範囲（penetration range）を有する。双極子の間隔がほどほどであっても、それらの電場は独立し、双極子の柔軟な配列を可能にする。
【０００９】
図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、イオン捕捉とイオン誘導に密閉ＲＦ面が使用されている。非特許文献７では、イオン源は、交番ＲＦ信号を有する蹄鉄型電極を使用して構成される（図２Ａ）。ＲＦ双極子が、壁からイオンを跳ね返す。上側と下側は直流キャップによって接続される。イオン源の中心コアはほぼ無電界であり、このことは、電子によるイオン化とガス衝突でのイオン緩和に好都合である。図２Ｂを参照すると、交番ＲＦ信号を有する平行電線からなる線形ＲＦ双極子の２平面の間に、いわゆるＲＦチャンネルが形成される（特許文献２１を参照）。チャネルの両側で直流プラグが使用される。
【００１０】
壁近くの近距離イオン反発と無電界コアを有する密閉ＲＦ面の別の例は、リングイオンガイド（図２Ｃを参照）（非特許文献８と特許文献２２を参照）である。イオンの推進のために、位相ずれが分散された幾つかのＲＦ信号を印加することによって移動波（moving wave）が形成されるか（特許文献２３と特許文献２４を参照）、交番ＲＦ信号の上に直流信号の波が重ねられる（特許文献２５と特許文献２６を参照）
【００１１】
種々のイオンガイドの動作は、不均一なＲＦ電場によるイオン反発作用（ion repelling action）に基づく。この作用は、非特許文献９と非特許文献１０によって分析された。イオン運動は、ＲＦ電場内での高速振動と、ＲＦ電場の中間時間平均力（mean, time-averaged force）での低速運動からなる。十分な周波数があるとき、イオン振動は、ＲＦ電場均一性の幾何学的スケールと比べて小さくなる。ＲＦ電場の周期全体に亘って平均化されるそのようなＲＦ振動の平均効果は、もっと小さなＲＦ電場振幅を有する領域の方に向けられる正味力と同等である。そのような力は、いわゆる動的ポテンシャルの勾配と見なされる。その場合、低速（平均）イオン運動は、動的ポテンシャルＤと静的ポテンシャルΦの和である全（有効）ポテンシャルＶ＊内のイオン運動によって、次のように近似させることができる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
ここで、ｚｅとｍは、イオンの電荷と質量であり、ωは、ＲＦ電場の角振動数であり、Ｅ（ｒ）は、局所ＲＦ電場の強度である。式の最初の項は、動的ポテンシャルＤをＲＦ電場Ｅの局所強度に拘束し（Ｄ〜Ｅ2）、即ち、Ｄは、ほぼ鋭角で増大し且つ対称ＲＦ装置の軸上でゼロになる。換言すると、ＲＦ電場は、イオンを、強いＲＦ電場を有する領域からもっと弱い電場を有する領域内に跳ね返し、これは通常、対称装置の軸上で起こる。
【００１４】
前に引用した論文（非特許文献７）は、イオンガイドとイオントラップを構成する一般的手法を次のように述べている「〜は、二次元又は三次元空間内のＶ＊（式１の全有効ポテンシャル）の絶対最小値を示し、従ってイオンをガイドするか捕捉することができる。例えば、ほぼ無電界の体積が有効ポテンシャルの急峻な反発壁によって囲まれたイオントラップを構成することができる。そのような壁は、逆位相のＲＦ電圧とも考えられる等間隔の平行ロッドのアレイによって構成することもでき、同様に金属板又は金属電線によって構成することもできる」
【００１５】
特許文献２７は、ＲＦ双極子表面が、両方の極性のイオンを跳ね返すための独立構造ユニット（図３Ａ〜図３Ｄを参照）として働くことができることを確認している。特定のＲＦ表面は、２個の交互配置された電極平面配列（図３Ｂと図３Ｃを参照）（例えば、両方の配列に電線先端部がある）、又はハニカムメッシュと貫通先端部の配列との組み合わせ（図３Ａを参照）で構成される。そのような表面は、ＲＦ双極子からなり、強力であるが極めて近距離のイオン反発に特徴がある。特許文献２７は、双極子ＲＦ表面の上又は２個の双極子ＲＦ表面間でイオンをガイドすることを提案している。また、１対の相互配置された螺旋によって構成された異なるトポロジのＲＦ表面を有するイオンガイドが提案されている（図３Ｄを参照）。
【００１６】
特許文献２８は、イオンをガイドし、イオンを捕捉し、イオンをＴＯＦ ＭＳにパルス注入するためのＲＦ双極子表面と直流電場の間のイオン閉じ込めを提案している。特許文献２８は、幅の狭いイオンリボンの形成、ビームの位相空間の縮小、空間電荷効果なしの多数のイオンの収容を可能にする。イオンをＴＯＦ ＭＳに注入するために、ＲＦ信号は電圧パルスに切り替えられる（図４Ａを参照）。或いは、イオンは、ＴＯＦ ＭＳへの注入前に、表面誘起解離のためにＲＦ表面にぶつけられる。
【００１７】
特許文献２９は、平面ＲＦ双極子表面を使用して表面近くの個々の開放トラップ間でイオン操作することを提案している。イオンは、引っ張り直流電圧と近距離反発ＲＦ電圧をスポット又は細い線電極に印加することによって捕捉される（図４Ｂ）。周囲平面が接地され、即ちＲＦスポット又は線が接地平面又はストリップと交互にされると仮定する。電場構造は、交互の電極によって構成されたＲＦ及び直流双極子によって構成される。この装置は、イオンの捕捉、輸送、収束、及び質量による分離のために操作セルの配列を作成するように構成される。この方法は、ＰＣＢ技術、微細加工、及び小さな幾何学的スケールのイオン操作装置に十分に適合する。残念ながら、逆のＲＦ及び直流双極子が、捕捉イオンの質量範囲を実質的に制限する。
【００１８】
要するに、ＲＦ装置は、質量分析法において、質量分析並びにイオン誘導及び捕捉に幅広く使用される。ほとんどの装置は、三次元トラップ又は多重極ロッドの形状を有する。最近提案された装置は、平面ＲＦ表面を使用する。装置は全て、一連の双極子を構成するように表面（平面又は円筒面）上に並べられた交互電極で構成されると思われる。これは、交互電極の構造の作成を必要とし、この構造は、ＲＦ装置の製造を複雑にしまた大規模な配列の小型化と製造の妨げるになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第２，９３９，９５２号
【特許文献２】米国特許第５，４２０，４２５号
【特許文献３】米国特許第６，１７７，６６８号
【特許文献４】米国特許第６，８７０，１５８号
【特許文献５】米国特許第４，９６３，７３６号
【特許文献６】米国特許第６，０９３，９２９号
【特許文献７】米国特許第５，８４７，３８６号
【特許文献８】米国特許第６，１１１，２５０号
【特許文献９】米国特許第５，１７９，２７８号
【特許文献１０】ＷＯ０２０７８０４６（Thermo）
【特許文献１１】Ｆｒａｎｚｅｎによる米国特許第５，７６３，８７８号
【特許文献１２】Ｄｒｅｓｃｈらによる米国特許第６，０２０，５８６号
【特許文献１３】Ｓｃｉｅｘによる米国特許第６，５０７，０１９号
【特許文献１４】Ｍｉｃｒｏｍａｓｓによる英国特許ＧＢ２３８８２４８号
【特許文献１５】Ａｎａｌｙｔｉｃａによる米国特許第６，１４０，６３８号
【特許文献１６】Ａｎａｌｙｔｉｃａによる米国特許第６，０１１，２５９号
【特許文献１７】英国特許第２３７２８７７号
【特許文献１８】英国特許第２４０３８４５号
【特許文献１９】英国特許第２４０３５９０号
【特許文献２０】米国特許第６，６２７，８７５号（Afeyan等）
【特許文献２１】欧州特許第１２６７３８７号（Park）
【特許文献２２】米国特許第５，５７２，０３５号（Franzen）
【特許文献２３】Ｗｅｉｓｓらによる米国特許第５，８１８，０５５号
【特許文献２４】Ｗｅｉｓｓらによる米国特許第６，６９３，２７６号
【特許文献２５】２００２年のＭｉｃｒｏｍａｓｓによる欧州特許第１２７１６０８号
【特許文献２６】２００２年のＭｉｃｒｏｍａｓｓによる欧州特許第１２７１６１１号
【特許文献２７】Ｆｒａｎｚｅｎへの米国特許第５，５７２，０３５号
【特許文献２８】Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅらによる米国特許第６，８７２，９４１号
【特許文献２９】ＷＯ２００４０２１３８５
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】P.H.Dawson及びN.R.Whetten「Advances in electronics and electron physics」V.27, Academic Press. NY, 1969, pp.59-185.
【非特許文献２】Badmanらの「A Parallel Miniature Cylindrical Ion Trap Array」, Anal. Chem. V.72 (2000) 3291
【非特許文献３】Taylorらの「Silicon Based QuadrupoleMass Spectrometry using micromechanical systems」J. Vac. Sci. Technology, B, V19, #2 (2001) p.557
【非特許文献４】S.SenkoらのJASMS, v.8 (1997) pp.970-976
【非特許文献５】S.A.McLuckey, G.E.Reid及びJ.M.Wells「Ion Parking during Ion/Ion Reactions in ElectrodynamicIon Traps」Anal. Chem. v.74 (2002) 336-346
【非特許文献６】Dehmelt H.G.「Radio frequency Spectroscopy of Stored Ions」Adv. Mol.Phys. V.3 (1967)53
【非特許文献７】E.Teloy及びD.Gerlich「Integral Cross Sections for Ion Molecular Reactions. 1 The Guided Beam Technique」Chemical Physics, V.4 (1974) 417-427
【非特許文献８】Gerlich D.及びKaefer G., Ap. J. v.347, (1989) 849
【非特許文献９】LD. Landau and EM. Lifshitz in Theoretical Physics, Vol.1, Pergamon, Oxford, (1960) p.93
【非特許文献１０】H. G. Dehmelt「Advances in Atomic and Molecular Physics」ed. D.R. Bates, Vol.3, Academic Press, New York, (1967) pp.53-72
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
発明者は、イオン反発ＲＦ表面を作成するよりよい技術的方法を発見した。無線周波数（ＲＦ）面は、ＲＦ電場内の単一メッシュ電極又はＲＦ電場を制限する単一メッシュ電極によって構成することができる。メッシュ表面全体（即ち、両面）にＲＦ電場が集中するため、表面からイオンが跳ね返される。先行技術と対照的に、本発明は、交互電極システムを形成しその交互電極を単一表面内で位置合わせする必要がない。メッシュ電極は、編まれたメッシュ、電解質メッシュ、平行電線、又は多数の穴を有するシート（穿孔電極）によって形成することができる。そのような電極は、曲げられても巻き付けられてもよく、種々のイオンガイドとイオントラップを構成するのに構造的に好都合であり、より小さい規模で容易に作成することができる。
【００２２】
ＲＦ電場は、メッシュと少なくとも１個の周囲電極との間にＲＦ信号を印加することによって形成することができる（図５を参照）。システムは、電圧非対称なＲＦ給電を許容し、ＲＦ信号は、一方の電極だけに印加される。メッシュがイオンを跳ね返すので、引っ張り直流電位をメッシュに印加してもよい。
【００２３】
発明者は、更に、メッシュのまわりにＲＦ電場の２個の独特な幾何学的トポロジがあることを発見した。実質的に非対称のトポロジの第１の事例では、ＲＦ信号が、電極とメッシュの間に印加されたときに、ＲＦ電場は、メッシュの一方の側にほとんど集中する。ＲＦ電場は、強いＲＦ電場を有する電極内領域（intraelectroderegion）からイオンを跳ね返し、イオンをメッシュの向こうに押す。ＲＦ電場はメッシュ開口を貫通し、電場線のほとんどがメッシュの「影」側で閉じられるが、電界強度は、全ての表面にイオンが付着するのを防ぐのに十分である。メッシュの外部領域内のフリンジＲＦ電場は、イオン反発面と見なされ、またループに閉じられるか他の力（直流又はＲＦ）と組み合わされている間、イオンをガイド又は捕捉するために使用されてもよく、特にイオン移動インタフェースに適している。
【００２４】
対称トポロジの第２の事例では、ＲＦ電場は、メッシュ表面の両側で実質的に対称である。例えば、ＲＦ信号は、２個の電極の間に配置されたメッシュに印加される。次に、メッシュのセル内に、局所ＲＦトラップ（メッシュ構造により二次元又は三次元）が形成される。メッシュ表面がイオンを跳ね返すので、メッシュに引っ張り電位が印加されてもよく、メッシュセル内のトラップは大域になる。イオントラップのそのような配列は、特に、飛行時間型質量分析内のイオンパケット作成に適する。
【００２５】
２個の異なるＲＦ電場は、イオンに対する作用が異なる。強く非対称なＲＦ電場（最終的にフリンジ電界）内のメッシュは、メッシュの一方の側の上でイオンを跳ね返す壁を構成する。実質的に対称な電場内のメッシュは、メッシュの閉じたセル内にイオントラップを形成する。平行電線を使用する場合は、イオンガイドの配列が形成される。電場の対称性を変化させることによって、イオンを操作し、それらのイオンをセル間で捕捉又は移動させることができる。
【００２６】
発明者は、更に、新規な形式の分離メッシュが、無線周波数装置の小型化と適合し易いことを発見した。従来のイオンガイド内のロッド径より少なくとも二桁小さい１０〜３０ミクロンの電線径を有する電解質メッシュ又は編み込みメッシュが容易に利用可能である。更に、容易に利用可能な微細加工技術（ＭＥＭＳ）を使用して、ミクロンスケールの電線径を有するより微細なメッシュを作製することができる。フォトエッチング、レーザ切断及びＭＥＭＳのような技術を使用して、平行穿孔電極システムを構成してもよく、同時に電極サイズをミリメートルからミクロンに縮小し、即ち倍率Ｓを最大１０００倍にすることができる。
【００２７】
小型化自体は、極めて小さな位相空間を有するイオン雲を形成する小型イオン源を形成するのに役立つ。ＲＦトラップを小さくすると、イオンビーム閉じ込めが密になり、それによりイオンビームの位相空間が小さくなる。そのようなトラップは、例えば、飛行時間形質量分析計用の短いイオンパケットの形成に使用されてもよい。
【００２８】
小型化は、必然的に、それと比例するＲＦ周波数の上昇と関連し、即ちミクロンスケール（イオンガイド内のｍｍスケールの通常のロッドとの比較）は、ＧＨｚ周波数レンジ（イオンガイドのＭＨｚ周波数との比較）を必要とする。周波数が高いほど有効ガス圧力範囲がＳ倍に拡大し、即ち数分の１ミリバールから数分の１気圧になり、最終的に大気圧に達する。従って、質量分析及び光学分光用の種々の大気及びガスイオン源においてＲＦ収束を使用することができる。ＲＦ収束を利用して、ガス源の後の中間ガス圧力領域（ノズル領域又はノズルとスキマー間の領域）内でイオンを収束することができる。課題は、機械的に安定し洗浄可能なＲＦシステムを構成することである。
【００２９】
発明者は、また、絶縁材料又は半絶縁材料でサンドイッチを形成することによってＲＦ反発面を作成する技術的方法を発見した。一例には、金属基板に付着された絶縁（又は、半絶縁）面上にあるメッシュによって構成されたサンドイッチがある。メッシュと金属基板の間に印加されるＲＦ信号が、メッシュのまわりにＲＦ電場を形成する。そのような表面は、イオンを跳ね返し、帯電されない可能性が高い。それでもなお、制限されたｍ／ｚレンジ以外の極めてエネルギーの高い粒子又はイオンが、絶縁体に当たる可能性がある。しかしながら、十分に強い電場は、表面放電又はメッシュの方への電荷移動を支援することがある。メッシュ電線の下に隠れた絶縁ブリッジ又は２個のメッシュ電線間の絶縁ブリッジによってサンドイッチを作成する代替方法が提案され、このメッシュ電線は、例えば、容易に入手可能なサンドイッチに窓を切り取ることによって作成される。
【００３０】
小型化されたトラップは、十分な空間電荷容量を有する。個々のセルは、ＲＦ電極の壁によって互いに分離される。一見したところ、１平方センチメートル当たりのセル数は、倍率の２乗Ｓ2に比例し、セル１個当たりのイオン量は、特徴的セルサイズＲの３乗Ｒ3〜Ｓ-3に比例し、イオンの総数は〜１／Ｓである。他方、セル１個当たり１個のイオンになると、空間電荷効果が消失する。１０μｍスケールでは、１平方センチメートル当たり１０6個のセルがあり、即ち、約１００万個のイオンを、互いに空間電荷効果を引き起こすことなく貯蔵することができ、その理由は、それらのイオンが、メッシュ電線によって分離されるからである。即ち、小型化によって、遮蔽電極で取り囲まれたセル１個当たり１個未満のイオンが貯蔵されたレベルに達することができ、これにより空間電荷効果がなくなる。
【００３１】
小型化により、大量のイオントラップ配列を形成することができる。本発明は、本明細書においてイオンクロマトグラフィとして定義された新規な質量分離方法を提案する。順次動作する多数のイオントラップ間でイオンを渡すためにガス流が使用される。トラップ間のＲＦ障壁は、イオン質量と電荷の比に依存する。その結果、イオンの集まりが、従来のクロマトグラフィにおける保持時間と同様に、イオンクロマトトグラフ中のイオン通過時間によって分離される。質量によるイオン識別は、直流電場、直流移動電場、又はイオン永続運動（secular motion）の交流励起によって支援することができる。独立した小さなセルを作成する精度が相対的に低いと、セル１個当たりの質量分解能がかなり不十分になる。サイズ１０μｍで精度０．３μｍでは、セル１個当たりの分解能は１０未満になると予想される。しかしながら、多数のセルの連続通過は、セル数の平方根に比例して分解能を改善すると予想される。１００００個のトラップを保持する１０ｃｍチップ（フィルタ）は、例えば環境問題用途に十分な１０００の分解能を提供する。温度を変化させることによって勾配が形成されるガスクロマトグラフィと同様に、イオンクロマトグラフィでは、ＲＦ電圧、直流電圧、交流信号、温度又はガス流のパラメータを変化させることによって「勾配」を形成することができる。
【００３２】
前述の新規の特徴の種々の組み合わせは、特に、飛行時間形質量分析計用の効率的なパルスイオンコンバータを作成するのに役立つ。電極間の電線メッシュは、小型ＲＦイオンガイドの平面アレイを構成することが好ましい。イオンは、ガス減衰によってメッシュの線形セル内に閉じ込められる。ガイドは、幾つかの差動ポンピング段を突き抜ける。ガス流とセル空間電荷によって、イオンは、真空状態の励起領域に近づく。
【００３３】
パルスコンバータの真空側でイオンを抽出するために、ＲＦ信号が遮断され、抽出電気パルスが印加される。ＲＦ信号が中央メッシュに印加され、同時にパルスが周囲電極に印加され、一方の電極は、１個の出口（exit aperture）又は出口の配列、即ち出口メッシュを有することが好ましい。ＲＦ発生器は、ＲＦ信号の位相と同期した関係で遮断されることが好ましい。ＲＦ電場は、抽出電界を印加するある程度の前に消去されることが好ましい。例えば、ＲＦ発生器は、二次コイルの中心における接触を断つことによって数ＲＦサイクル以内に遮断される。出願された減衰ＲＦにおけるイオン膨張は、イオン自由膨張と極めて類似のイオン断熱冷却を引き起こすことは明らかである。そのような遅延は、空間的拡散を大きくするが、空間位置とイオン速度の間の相関関係を発生させ、この相関関は、更なる飛行時間収束で使用される可能性がある。
【００３４】
配列イオンガイドのサイズが小さいと、放出イオンのガス散乱を増やすことなくガイド内のガス圧力を高めることができる。ガス圧力が高いほど、イオン減衰が高速になり、パルスイオンコンバータ内の繰返し率を高くすることができる。パルスレートが高いほど、ＴＯＦのダイナミックレンジの要件が低下する。メッシュの小型化は、セルサイズに比例した雲サイズでイオンを密に空間的に閉じ込めるのに役立つ。多数のセルが、空間電荷効果を防ぎ、イオン雲の空間電荷の加熱と膨張をなくす。小さいサイズのイオン位相体積（時間的拡散と空間的拡散の積として）を、イオンパケットの時間とエネルギーの小さな広がりに変換することができ、これは、ＴＯＦ ＭＳの分解能を改善することが期待される。
【００３５】
本発明の以上及びその他の特徴、利点及び目的は、以下の明細、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより当業者によって更に理解され評価されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】先行技術の四重極ロッドセットを示す概略図である。
【図１Ｂ】先行技術の八重極ロッドセットを示す概略図である。
【図１Ｃ】先行技術の高次多重極ロッドセットの一部分を示す概略図である。
【図１Ｄ】無限次多重極を一連のＲＦ双極子に変換する極端な場合を示す概略図である。
【図２Ａ】イオン源用の直流キャップを有する先行技術のＲＦチャンネルを示す概略図である。
【図２Ｂ】イオンガイド用の直流キャップを有する先行技術のＲＦチャンネルを示す概略図である。
【図２Ｃ】交互ＲＦ結合を有する先行技術のリングイオンガイドを示す概略図である。
【図２Ｄ】移動波ＲＦ（直流）による先行技術のリングイオンガイドを示す概略図である。
【図３Ａ】交互メッシュと先端部によって構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｂ】電線先端で構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｃ】平行電線で構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｄ】１対の相互配置された螺旋で構成された先行技術のイオンガイドを示す概略図である。
【図４Ａ】ＲＦ表面と直流メッシュで構成された先行技術のＴＯＦ ＭＳ用イオン源を示す概略図である。
【図４Ｂ】ＲＦ双極子と直流双極子で構成された表面近くの先行技術のイオンマニピュレータを示す概略図である。
【図５Ａ】メッシュを貫通するＲＦ電場によって構成された本発明のイオン反発面の好ましい実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】接地メッシュによる電圧非対称ＲＦ給電の例を示す図である。
【図５Ｃ】接地メッシュ近くの瞬間的ＲＦ電場の等電位線を示す電場図である。
【図５Ｄ】メッシュを大きく超えるＲＦ電場をなくす補償ＲＦ給電の例における電位線を示す電場図である。
【図６Ａ】メッシュを貫通するＲＦ電場の正規化強度のグラフである（Ｅ／［ＶRF／Ｌ］と（Ｙ／Ｌ）との関係）。
【図６Ｂ】ＲＦ電場の局所強度の二次元等線図を示す図である。
【図７】四重極（点線）、双極子ＲＦ表面（四角を含む点線）及び新規のＲＦ表面（実線）に関する、正規化された動的ポテンシャル高さと正規化されたイオン質量対電荷比との関係を示す両対数グラフである。
【図８Ａ】２個の新規のＲＦ表面で構成されたイオンチャネルを示す概略図である。
【図８Ｂ】新規のＲＦ表面で任意の円筒を包むことによって構成されたイオンチャネルを示す概略図である。
【図８Ｃ】新規のＲＦ表面と外部反発直流電極とによって構成されたチャネルを示す概略図である。
【図８Ｄ】新規のＲＦ表面で任意の箱を包むことによって構成されたイオントラップを示す概略図である。
【図９Ａ】電極の内の１個の電極を流れる電流によって形成される軸方向の直流電場を有するイオンガイドを示す概略図である。
【図９Ｂ】電界の軸方向に伝搬する移動波を有するイオンガイドを示す概略図である。
【図１０Ａ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｂ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｃ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｄ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｅ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｆ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｇ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｈ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｉ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｊ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｋ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｌ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１１Ａ】巨視的メッシュを使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｂ】穿孔円筒を使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｃ】同軸リング又は螺旋を使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｄ】フレーム電極に取り付けられたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｅ】フレーム電極に取り付けられたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｆ】円形フレームに結合されたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｇ】円形フレームに結合されたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１２Ａ】（半）絶縁層とのＲＦサンドイッチを示す概略図である。
【図１２Ｂ】（半）絶縁ブリッジとのＲＦサンドイッチを示す概略図である。
【図１２Ｃ】位置合わせされたメッシュを有するＲＦサンドイッチ（３層サンドイッチの切断部部分）を示す概略図である。
【図１３Ａ】高ガス圧力での追加のＲＦ収束を使用するイオン移動インタフェースを示す概略図である。
【図１３Ｂ】配列ノズルを通る高ガスフラックスと、複数の差動ポンピング段を突き抜けるイオンガイドとを有するイオン移動インタフェースを示す概略図である。
【図１４Ａ】メッシュのまわりの対称ＲＦ電場を有するＲＦ電極を示す概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの対称ＲＦシステムにおける等電位線の図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａの対称ＲＦシステムの電界Ｅの等強度線（Ｅ等線図）を示す図である。
【図１５Ａ】対称ＲＦシステムにおける電位分布のグラフである。
【図１５Ｂ】対称ＲＦシステムにおける電界強度のプロファイルを示すグラフである。
【図１５Ｃ】ＲＦ係数ｇ＝０．０５の場合の対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１５Ｄ】ＲＦ係数ｇ＝１の場合の対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ａ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ｂ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ｃ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１７】対称ＲＦシステムのイオン質量の関数として正規化全ポテンシャルを示すグラフである。
【図１８Ａ】ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの概略側面図である。
【図１８Ｂ】ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの概略端面図である。
【図１９Ａ】対称メッシュ装置を有するＴＯＦ ＭＳのイオンコンバータのブロックと概略図である。
【図１９Ｂ】動的ポテンシャルの等値線によりパルスイオンコンバータの断面を示す図である。
【図１９Ｃ】イオン放出段におけるパルスイオンコンバータを示す図である。
【図１９Ｄ】パルスイオンコンバータの概略図である。
【図２０Ａ】２組のメッシュガイドを備えたパルスイオンコンバータの概略側面図であり、ＴＯＦ ＭＳの示す主要構成要素を示す。
【図２０Ｂ】２組のメッシュガイドを備えたパルスイオンコンバータの概略平面図であり、ＴＯＦ ＭＳの主要構成要素を示す。
【図２０Ｃ】２組のメッシュガイドを有するパルスイオンコンバータの斜視図である。
【図２１Ａ】反発面で構成されたイオン貯蔵ギャップを有するパルスイオンコンバータを示す概略側面図である。
【図２１Ｂ】反発面で構成されたイオン貯蔵ギャップを有するパルスイオンコンバータを示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
ＲＦ反発面
【００３８】
図５Ａを参照すると、非対称ＲＦ電場を使用する本発明のイオン反発システム１は、メッシュ２及び電極３と、メッシュと電極の間に接続されたＲＦ信号発生器４とを有する。システムは、電極２と３の間の内部領域５と、メッシュの後ろの外部領域６とを構成する。接地された外側電極７（真空チャンバを表わす）は、外部領域内でメッシュ２から離間され、電極２と湾曲電極７との距離は、メッシュ２のセルサイズより遙かに大きい。ＲＦ電位は、メッシュ２又は電極３に非対称的に印加されてもよい（図５Ｂと図５Ｃ）。或いは、両方の電極に逆位相（＋ＲＦと−ＲＦとして示された）のＲＦ信号が印加されてもよく（図５Ｄ）、その振幅は、外部領域６内のＲＦ電場を最小にするように調整されてもよい。
【００３９】
図５Ｃを参照すると、二次元メッシュ（即ち、平行電線によって構成された）の特定の例におけるメッシュのまわりのＲＦ電場を示し、この二次元メッシュは、電線径ｄが電線間隔Ｌの５分の１であり、電線平面と電極平面Ｈとの距離が電線径ｄと等しく、即ちｄ＝０．２ＬでＨ＝０．２Ｌである（二次元の場合にＲＦ反発力を最大にするために使用される幾何学形状）。外部接地された電極７は、Ｌよりはるかに大きい距離にあると仮定され、距離Ｓ＝３Ｌにある平面で電場対称条件を設定することによりモデル化される。振幅ＶRFのＲＦ電場が、背面電極３に印加され、一方メッシュ２は接地される。ＲＦ電場は、電極の電位が最大値Ｕ＝ＶRFに達する瞬間の等電位線を示すことによって可視化される。等電位線を見ると、電場がメッシュ開口を貫通することが分かる。Ｕ＝０．５ＶRFを有する等電位線は、メッシュのほぼ上側面でメッシュ開口に侵入する。接地されたメッシュ電線は、フリンジ電界と空間的に交互になる。外部空間内のＲＦ電場を検査するために、侵入する等電位線を同じ電位を有する電極と置き換えることができる。Ｕ＝０．５ＶRFの侵入線は、交番電位を有する正確に位置が合った電極配列を構成する必要がないという点を除き、交番電位を有する侵入電極と等価である。換言すると、フリンジＲＦ電場（即ち、メッシュを貫通する）は、類似の双極子電場構造をより単純な手段によって作成する。侵入電場は、はるか遠くに正味電位（この特定の場合は０．３ＶRFと等しい）を発生させ、即ち、双極子を形成するために電圧の７０％しか利用されない。
【００４０】
図５Ｄを参照すると、外部空間６内のメッシュの上の正味ＲＦ電場は、メッシュと電極の間のＲＦ信号を分散させることにより補正するか又は平衡を保つことができる。外部ＲＦ電場を補正するこの幾何学的な例では、メッシュ２に０．３ＶRFを印加し、電極３に０．７ＶRFを印加するような、逆位相の２個のＲＦ信号を印加し振幅を調整しなければならない。図面で位相差を強調するために、メッシュ電圧は、−０．３ＶRFと示される。外部電場の平衡が、ＲＦ信号の等しい振幅において電極形状を調整することにより（例えば、ｄ＝０．１２ＬとＨ＝０．２Ｌ）達成されてもよいことに注意されたい。外部ＲＦ電場が完全に補正されない場合でも、外部領域のＲＦ電場は弱く、メッシュの近くよりもはるかに均一である。その結果、動的ポテンシャルの勾配は、メッシュ近くの勾配と比べて無視することができ、ＲＦにより生じる力は、メッシュ近くだけで考慮されればよい。
【００４１】
イオン反発は、同じ電極システム内での局所的電界強度Ｅの分布をシミュレートすることによって特徴付けられる（ＶRF電位が電極３に印加され、離間Ｌを有するメッシュ２と外側電極７が接地される）。図６Ａは、正規分布Ｅ／［ＶRF／Ｌ］を、平面が電線中心に対応する場合（Ｘ＝０と破線）と電線間の中間にある場合（Ｘ／Ｌ＝０．５で実線）の（Ｙ／Ｌ）の関数として示す。外部領域の電場Ｅが内部領域と比べてはるかに弱いことがすぐに分かる。前述の式（１）は、局所電場Ｅの強さを動的ポテンシャルＤの高さにＤ〜Ｅ2として関連付ける。従って、動的ポテンシャルは外部領域で低くなり、動的ポテンシャルの勾配は、外方に向けられメッシュ平面の上でイオン反発を引き起こす。
【００４２】
図６Ｂを参照すると、同じ電極システムの局所電場（Ｅ等線図（equiline））の二次元等線図が示される。線は、所定のイオンエネルギーにおけるＲＦ電場内へのイオン侵入の「潮汐線（tidal line）」に対応する。フリンジＲＦ電場は、イオンを減速する動的ポテンシャルの壁を作成する。幾何学形状（ｄ＝０．２ＬとＨ＝０．２Ｌ）が、両方の最も弱い箇所、即ちメッシュ表面近くと背面電極近くで、最も強い正規化電場Ｅ／［ＶRF／Ｌ］＝２を提供することに注意されたい。
【００４３】
交番電位＋ＶRF及び−ＶRFを有する平行電線を有する従来のＲＦ反発システムと比較する。後者は、ｄ＝０．４４Ｌで、電界強度が電線上部と電線間の中間で等しいときに最適化する。次に、電界強度は、Ｅ＝１．５３ＶRF／Ｌに達し、ここでＶRFは、電線間の信号の振幅（即ち、ピークツーピーク電圧）である。フリンジＲＦ電場を有する本発明のシステムでは、電場の強さがもっと高く、Ｅ＝２ＶRF／Ｌに達し、これは、「有効」中間電極の現れと、２倍稠密な双極子構造の形成によって説明することができる。
【００４４】
イオン反発効率を比較するには、各システムを個々に最適化されたＲＦ周波数で検査しなければならない。最適周波数は、ｍ／ｚ（質量電荷比）が最も低いイオンで安定した微細運動を提供しながら動的障壁の高さを最大にできるように十分に低くなければならない。しかしながら、最適でない周波数が選択された場合は、異なるｍ／ｚでちょうど最大障壁に達する。イオンｍ／ｚをカットオフ質量や他の幾つかの特性質量（characteristic mass）に対して正規化する場合は、周波数係数を除外することができる。
【００４５】
図７は、イオンｍ／ｚの関数としての動的ポテンシャルの正規化高さＤ／ＶRFの両対数グラフである。曲線を合わせるために、イオン質量は、個々の曲線の最大値ｍ＊に対応する質量に対して正規化される。点線の曲線は、四重極に対応し、白い四角を含む点線は、交番電線を有する双極平面に対応し、実線は、本発明のシステム（フリンジ電場を有する二次元メッシュ）に対応する。動的ポテンシャルＤの高さは、イオン光学シミュレーションにおいて、衝突位置、角度又はＲＦ位相に関係なく全てのイオンが跳ね返される電荷１個当たりの最大イオンエネルギーεとして定義される（Ｄ＝ｍａｘ（ε））。粒子は、無電界ゾーンから出発し、強いＲＦ電場を有する領域に衝突する。電位Ｄは、ピークトゥピークＲＦ電圧（ＶRF）に対して正規化される。公平な比較をするために、フリンジ電界を有する新規システムのメッシュと背面電極は両方とも、逆位相と同じ振幅のＲＦ信号が供給される。そのような正規化は、Ｄ／ＶRFの計算には必要ないが、質量ｍ＊に対する幾何学的影響を求めるには必要である。
【００４６】
図７を参照すると、四重極だけにイオン不安定性によって生じる低質量での明確なカットオフに特徴があり、これは、ｑ〜０．９０９で生じることが分かっている。障壁は、ｑ＝０．３で最大Ｄ／ＶRF〜０．０２５（１０００Ｖｐ−ｐにおける２５Ｖの障壁に対応する）に達し、これは、断熱運動では最大ｑに対応することが知られている。式１から、四重極における類似の障壁高さは、次のように予想される。
【００４７】
【数２】
【００４８】
【数３】
【００４９】
実際には、低速永続運動（slow secular motion）の外部境界にｒ＝０．８Ｒで達し且つＲＦ運動に多少の空間が必要とされると仮定すると、ｑ＝０．３でＤ＝０．０２５ＶRFである。ｑがもっと高いとき（ｑ＞０．３）、粒子は速く衝突し過ぎ、ＲＦサイクルが極めて少なくなり、その結果、式１は、障壁を表すことができなくなる。式２から予想されるように、質量がもっと大きい（ｑが低い）とき、障壁は、ｑに比例するように見え（図７で確認される）、両対数グラフでは、Ｄ（ｍ／ｚ）は勾配＝−１を有する直線になる。
【００５０】
他のシステムは、調和からは程遠く、式２と式３は適用できない。しかしながら、これらは、断熱領域内、即ちｍ＞ｍ＊と最大ｍ〜ｍ＊の近くで極めて似た挙動を示す。低質量領域、即ちｍ＜ｍ＊では違いが現われる。極めて不均一な電場を有するシステムは、低質量で明確なカットオフを示さない。より弱いイオン反発だけがあり、即ちシステムは、より幅広い質量範囲の低エネルギーイオンを保持することができる。ガス充填イオンガイド内の質量範囲を推定するために、イオン保持に障壁Ｄ＝１Ｖ（即ち、１０００Ｖｐ−ｐでＤ／ＶRF〜０．００１）が十分であると仮定することができる。この場合、四重極は、２ディケードの伝送質量範囲（図７）を提供し、同時に双極及び単極の両方のＲＦ表面は、既に３ディケードの質量範囲を提供しており、これは、細い電線近くのＲＦ電場の不均一な構造によって説明される。そのようなイオンガイドは、例えば広い質量範囲（例えば、１００〜１００，０００ａｍｕ）のイオンを生成するＭＡＬＤＩイオン源に適している。
【００５１】
また、図７では、フリンジ電界を有するＲＦ表面の最大値Ｄが、四重極と比べて約半分、双極子表面のＤの約１．４分の１であることが分かる。このことは、新規なシステムにおける侵入等電位がＶRFの７０％に相当するという理由で、理解することができる（図５Ｃ）。メッシュによるこの３０％の電界遮蔽を考慮すると、フリンジＲＦ電場は、双極子ＲＦ表面と同じイオン反発を提供する。最大点でＤが多少低いにもかかわらず、システムは、更に、３ディケードとして推定される広い質量範囲でイオンを捕捉し移動させることができる。
【００５２】
質量範囲の違いを説明するために、幾何学的スケールＧの特徴が、各電極システムと関連付けられる。参考のため、四重極セットにおける特徴スケールとして内接半径Ｒが提供され、即ち他のシステムのＧを求めるために、Ｄ／ＶRF曲線の最大値が同じ断熱パラメータｑ＝０．３で達成されると仮定される。上記のシミュレーションに基づいて、特徴的幾何学的スケールは、次の通りである。
【００５３】
・Ｇ＝Ｒ （即ち、ロッド中心間の間隔の４分の１）四重極の場合
【００５４】
・Ｇ＝０．３Ｌ セルサイズＬ、電線径ｄ＝０．２Ｌ、及び電極との間隔Ｈ＝０．２ＬのＲＦメッシュの場合
【００５５】
・Ｇ＝０．５５Ｌ 間隔Ｌと電線径ｄ＝０．４Ｌの双極子ＲＦ電線の場合
【００５６】
四重極システムと同様に、このときＲの代わりにスケールλを使用して式（３）次のように最適周波数Ｆを導出することができ、ｍ＝ｍ＊とｑ＝０．３で最大障壁Ｄに達することに注意されたい。
【００５７】
【数４】
【００５８】
式（４）から、最適周波数が、全てのＲＦ装置の幾何学的スケールに反比例するように調整されなければならないと予想される。
【００５９】
ＲＦ表面を使用する装置
図８を参照すると、ＲＦ反発面をイオントラップとイオン誘導に使用することができる。ＲＦ反発面を別のＲＦ表面又は直流電場と組み合わせることができる。例えば、メッシュ１０と周囲電極１４によって構成された１対のＲＦ反発面で、イオンチャネル１２ができる（図８Ａ）。従って、単一ＲＦ表面で円筒を包むことにより、円筒状イオンガイドができる（図８Ｂ）。引力直流電位をメッシュ１０か背面電極１４又はその両方に印加して、イオンをガイドするために使用できる最低限の全ポテンシャルを有するチャネルを作成することができる（図８Ｃ）。図は、カウンタ電極１６上の同等の反発直流電位を示す。特に指定しない場合は、直流電極１６（図８Ａと図８Ｃ）、ＲＦ反発面１０及び１４、又はＲＦ電極１８（図８Ｂ）によってイオンを軸方向に接続することによって、任意のタイプのイオンガイドを線形イオントラップに変換することができると仮定する。図８Ｄで分かるように、任意の形状の箱１４（例えば、球体又は平行六面体）をＲＦ反発面で包むことでもイオントラップが構成される。
【００６０】
ＲＦ電源と直流電源が分離されてもよいので（例えば、ＲＦ電源が一方の電極１８だけに接続される）、別の電極は、有限導電率を有してもよく、直流勾配を作り出すために使用されてもよい。図９Ａを参照すると、イオンガイドの一例が示され、ＲＦ電源は、外部電極１８にだけ接続され、内側メッシュ２０に電流を流すことによって軸方向の直流勾配が調整される。そのような電流は、イオンを好ましい方向（通常は軸方向）に駆動するように連続的でもよくパルス化されてもよい。ＲＦ電圧と直流電圧の印加は逆にされてもよいことは明らかである。この場合、ＲＦは、中央メッシュ２３に印加され、直流勾配は、外部から調整され、部分的にメッシュを貫通する。図９Ｂで分かるように、外部直流電場を、メッシュを通ってイオンガイドのコアに侵入する移動波直流電場（位相１、２、３、４で印加される）に変換することができる。移動波は、イオン移動時間を正確に制御することが知られており、又はより高速に調整された場合は、ガス分子とのエネルギー衝突でイオンフラグメンテーションを引き起こすことができる。
【００６１】
イオンガイドを使用して真空中にイオンを通すことができる。イオンは、イオンエネルギーが有効動的ポテンシャルより低い限り閉じ込められたままになる。しかしながら、ガスを添加することは、多くの場合に有益である。イオン運動の減衰は、内部エネルギーを低下させることによってイオン運動エネルギーを減少させイオンを安定させる（イオン形成又はイオン輸送で励起される可能性が高い）。以下に述べる用途の大部分では、イオンガイドは、１ｍｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの中間ガス圧力で操作されると仮定する。
【００６２】
メッシュで作成されたイオンガイドは、中間の極めて弱い（実際に無視できる）電場と壁近くの急峻な電場に特徴がある。ある意味、ガイドは、管のようにふるまう。図１０Ａ〜図１０Ｌの概略図を参照すると、多くの配管解決策を実施することができ、その解決策には、イオン流の屈曲（Ａ）とループ（Ｂ）、並行流（co-flow）及び向流（counter-flow）用の平行チャネル構成（Ｃ）、平滑型又は段型漏斗内のイオン流の閉じ込め（Ｄ）、イオン流の合流（Ｅ）と分流（Ｆ）、自由排出口の作成（Ｇ）、イオン流の蓋締め（Ｈ）又は弁切り替え（Ｉ）、イオンリザーバの構成（Ｊ）、パルスダンパ（Ｋ）、及びポンプ（Ｌ）がある。これらの基本管装置をより専用化された装置に組み込むことができる。幾つかの特定の応用に関して本明細書で後で述べる。
【００６３】
ＲＦチャンネルの中間のＲＦ電場は、特に密閉ＲＦチャンネルのコア内ではほとんど無視することができる。真空状態では、イオンは、その初期エネルギーにより移動する。しかしながら、イオンがＲＦ反発面と接触するとイオンが散乱する可能性が高い。注入されたイオンビームの動きは、チャネル内のガス拡散と同様になる。ガスイオンの場合、動きが減衰し、イオンはやはり拡散する。チャネル内のイオンの正味運動（振動又は捕捉も）を制御するには、特にダンピングガスのある状態では、追加の駆動力が必要とされる。多数の方法が提案され、そのような方法には、前述の直流ポテンシャル勾配法（管圧力と同様）、外部電極内のガス流、メッシュを通る移動波静電場（蠕動ポンプと同様）、メッシュを貫通する移動波直流電場、意図的に作成された勾配、又はメッシュを通って開チャネル（例えば、不規則なメッシュ構造を作成することにより形成される）内に侵入するか又は異なる周波数のＲＦ信号を内側メッシュの別々の部分に印加することによって形成されたＲＦ電場の回転がある。チャネルの中間では電界が無視できるので、静止横方向磁場はプラグとして働く。プラグは、イオン流を時間で変調するためにオンとオフに切り替えられてもよい。同様に、移動磁気フロントはイオン流を発生させる。
【００６４】
前述の全ての駆動方法は、ガイド内の軸方向運動を制御し、イオン貯蔵のために管の一端を接続し、接続と放出によってイオン流を収束し、イオン振動を発生させてガス衝突におけるイオンを加熱するかイオン反応を促進し、イオンを制御されたフラグメンテーションレベルに励起し、最終的に電気放電と蒸気のイオン化を発生させるために使用することができる。
【００６５】
ＲＦイオンガイドは、両方の極性の粒子に等しく作用し、従ってそのような粒子を、イオン−イオン間反応又はイオン−電子間反応のために同時に保持又はガイドすることができる。メッシュ内のＲＦ電場侵入にもかかわらず、対称的（例えば、同軸）ガイドは、無電界コアを有する。そのような内側コアは、通常ならＲＦ電場内で不安定になる遅い電子を通すために使用されることがある。電子は、電子衝撃によるイオン化、電荷再結合、又は電子捕獲解離のために使用されることがある。
【００６６】
侵入（漏れ）ＲＦ電場を有するメッシュによって閉じられた前述のイオンガイドは、ガス状態と真空状態で動作する種々様々な質量分光装置に適用可能である。リストは次の通りである。
【００６７】
・内部イオン化によるイオン源（ＰＩ、ＥＩ、ＣＩ、ＡＰＣＩ等）。ＲＦ表面は、反応荷電粒子（例えば、イオン化のための電子及び反応物イオン）をトラッピングする働きをし、生成イオンを閉じ込め冷却するために使用される。
【００６８】
・外部イオン化によるイオン源と、パルスイオンパケットを作成して質量分析計（例えば、ＴＯＦ ＭＳ）に軸方向又は直交加速器を介して導入するための貯蔵装置。
【００６９】
・イオン輸送、閉じ込め、収束、貯蔵及びイオン励起を行うためのイオンガイド。
【００７０】
・例えば単一質量分析計上で複数のイオン源を組み合わせるために使用されるイオン流の合流器と分割器。
【００７１】
・イオン蓄積及び操作用のイオントラップ。
【００７２】
・ガス衝突誘導（ＣＩＤ）及び表面誘導（ＳＩＤ）解離を含むフラグメンテーションセル、電子捕獲解離（ＥＣＤ）とイオン捕獲解離（ＩＣＤ）用のセル。
【００７３】
・イオンリアクタ。多価イオンの電荷を減少させるためのセル。
【００７４】
・上記の複数の装置を組み合わせる混成装置。一例は、前述のＴＯＦ ＭＳ内に低速でイオンを移動させ且つイオンを垂直方向に周期的パルス化するためのイオンガイド。
【００７５】
巨視的ＲＦ表面
メッシュＲＦ反発面の応用は、容易で確実な製造と、センチメートル及びミリメートルスケールのロッドで作成された従来の巨視的イオンガイドよりも小さい幾何学的スケール（サブミリメートル）の利用し易さによって促進される。
【００７６】
図１１を参照すると、巨視的ＲＦ表面の機械設計が考慮される。巨視的メッシュは、１組の接続されたリング２２（図１１Ａ）、穿孔された薄肉管２４（図１１Ｂ）、溶接バー２８によって支持された螺旋電線２６（図１１Ｃ）等の複数の電極で作成することができる。そのような装置は、幾何学的スケールを縮小するサブミリメートル電線で作成することができる。
【００７７】
更に細かいセル構造は、電解質の編まれたメッシュを使用して作成されてもよい。種々のセル形状（例えば、正方形、長方形、六角形）の電解メッシュが利用可能である。機械的組み立てには、５０〜１００ＬＰＩ（セルサイズ０．２５〜０．５ｍｍ）で電線太さ１０〜３０μｍの微細メッシュが扱い易い。メッシュを背面電極と位置合わせする最も簡単な方法は、平面フレーム上にメッシュを延伸させることである。複数のメッシュ取り付け方法が利用可能であり、延伸されたメッシュは、例えば、同軸リム、スポット溶接、はんだ付け、又は接着を使用してフレーム電極に取り付けることができる。そのような技術は、図１１Ｄと図１１Ｅに示されたような平面幾何学形状とほとんど適合可能である。ＲＦ表面間で縁を終端させるために、直流反発電極を使用することができる。
【００７８】
延伸メッシュの別の例は、図１１Ｆに示されたような環状フレーム３０にスポット溶接された１組の電線である。そのようなかご型の筒は、円筒状メッシュを作成する。メッシュは、同軸外側電極３２の内部で配置され、これらの間にＲＦ信号が印加される。このシステムは、フレームの近くではイオンを跳ね返さず（このことは、イオン光学的設計では検討されるべきである）、イオンが取り付けフレームから遠くに導入されるか又はイオンが縁の近くで直流プラグによって跳ね返される。図１１Ｇは、湾曲メッシュ３４を有する設計を示す。幾何学的精度を改善するために、そのようなメッシュは、多くの場合電解法によってを形成することができる。技術面での優位性から、メッシュは、イオンを跳ね返すために一方の側の直流プラグ３６に取り付けられる。背面電極に対するメッシュの位置決めは、ＲＦ表面を小型化する際の限定要因である。より小規模な装置は、更に、異なる手法を必要とする。
【００７９】
微視的ＲＦ表面
図１２Ａ１〜図１２Ａ２を参照すると、メッシュ３８、シート電極４０及びそれらの間の絶縁又は半絶縁薄膜４２を含むイオン反発面のためのＲＦサンドイッチ組立体が示される。ＲＦ信号は、メッシュとシートの間に印加される。そのようなサンドイッチは、メッシュの機械的支持を提供し、導電性電極間の間隔を制御する。その結果、サンドイッチ構造は、ミクロンスケールに達する特徴形状を有するイオン反発面のより微細な小型化を可能にする。
【００８０】
そのようなシステムを作成する多数の方法がある。特定の一実施形態では、メッシュは、絶縁性シート４２（又は、半絶縁性シート）上にある（又は、取り付けられる）。ＲＦ電場は、絶縁体を貫通し、イオン反発面の形成を可能にする。幾つかの好ましい状態では、ＲＦ電場は、表面からの電荷除去に役立つことがある。また、半絶縁体の制限されたコンダクタンスが、表面の帯電を防ぐ。最も重要なことに、絶縁体は、メッシュの機械的支持を提供する。固体絶縁体は、電極間の絶縁破壊を防ぐ。そのような設計は、メッシュの破損やメッシュセルの詰まりなしに洗浄に耐えることができる。
【００８１】
図１２Ｂ１〜図１２Ｂ２を参照すると、微視的ＲＦサンドイッチは、代替方法によって作成され、この方法では、絶縁体アイランドは、メッシュ電線の後ろに隠される。例えば、メッシュ表面の一方の側の化学的改質により、その面を絶縁することができる。或いは、２枚の接着した薄膜（１枚が導電性で１枚が絶縁性）の既存サンドイッチが、穿孔され（例えば、レーザによって）、次に基板電極上に配置される。絶縁体は、電極間の隙間に使用され、メッシュを基板電極に接着するのに理想的である。或いは更に、絶縁体層と金属層が上に予め付着された金属基板が、スクラッチ処理やエッチング処理に掛けられて金属基板まで溝が刻まれる。
【００８２】
図１２Ｃ１〜図１２Ｃ２を参照すると、微視的ＲＦサンドイッチは、間に絶縁アイランドを有する１対の位置合わせされたメッシュを使用して作成される。例えば、３枚のシート層によって形成された既存のサンドイッチが穿孔されて、単一サンドイッチメッシュが形成される。或いは、既存の半絶縁メッシュが、非導電性になるように表面上で改質されるか、金属被覆が両面に付着される（例えば、滑り角（sliding angle）での金属スパッタリングによって）。
【００８３】
上記の構造及び製造方法は、中間幾何学的スケールで平面ＰＣＢと軟質フィルムＰＣＢに適用可能である。
【００８４】
微細加工方法（ＭＥＭＳ）を使用してほぼ平面の微細構造を作成することができる。湾曲したサンドイッチメッシュは、微粒子の圧縮によって形成してもよく、電解法をＭＥＭＳ法と組み合わせて使用することにより形成してもよい。
【００８５】
小規模のＲＦメッシュは、並列装置の配列の形成に適合する。例えば、複数の並列イオンガイドは、空間電荷の影響を減少させ多数のイオンの貯蔵を可能にする。しかしながら、提案された装置の大部分では、セルサイズと背面電極までの距離だけが微視的である。これは、ｍｍ及びｃｍスケールのボアサイズを有する巨視的開チャネル又はトラップの配列を妨げない。
【００８６】
ガス圧力範囲の拡大
前述のイオンガイド作成方法は、ミクロンスケールの特徴を持つ真の微視的サンドイッチメッシュを生成するのに有望である。式４によれば、周波数は、幾何学的スケールに反比例するはずである。１００〜１００００ａｍｕの質量範囲のイオンを保持するには、ＲＦ信号の周波数をＦ＝１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で上昇させなければならない。発生器の出力は周波数と共に上昇するため（Ｗ〜ＣＶRF2Ｆ／Ｑ。ここで、Ｃは電極容量、Ｑは共振回路のＱ因子（quality factor））、同じ電圧を維持することは困難になる。電圧を１０分の１に緩和すると（例えば、１００Ｖに）、出力が減少し、周波数Ｆも低下する。小型化は、キャパシタンス（一般に幾何学的スケールに正比例する）の最小化と共に行われるはずである。接続ケーブルをなくしＲＦ共振回路を電極の近くに保持することにより、全静電容量を１０ｐＦ以下にすることができる。共振回路品質が約Ｑ〜１００の場合、消費電力は、周波数１ＧＨｚでわずか１０11＊１０4＊１０9／１０2＝１Ｗである。１ｋＶの信号は、小さな体積内で１００Ｗの損失を引き起こすため現実的ではない。また、より小さいサイズ又はより高い圧力では、ＲＦ電圧も放電によって２００Ｖ未満に制限されることに注意されたい。
【００８７】
周波数が高いほどＲＦ収束のガス圧力範囲が拡張され、この拡張は、イオン運動が慣性的特徴を有する間、即ち衝突緩和時間τがＲＦ電場の周期より長いときに起き、これは次のように表すことができる。
【００８８】
【数５】
【００８９】
ＲＦ周波数Ｆ＝ω／２πを有効ガス圧力制限Ｐと関連付けるために、緩和時間が、イオン衝突とガス衝突間の平均時間に運動量交換効率を掛けたもの、即ちτ＝（λ／ａ）（ｍ／ｍg）として計算されることを考慮しなければならない。 λ＝１／ｎσ、Ｐ＝ｎｋＴとすると次の式が得られる。
【００９０】
【数６】
【００９１】
ここで、ｍgはガス分子の質量であり、λ、ａ、ｎ及びＴは、ガスの平均自由分子経路、音速、特定の濃度及び温度であり、σはイオン断面積、ｋはボルツマン定数である。
【００９２】
この結果から、有効ガス圧力Ｐmaxの範囲が、ＲＦ周波数ωに比例して広がり、それに伴ってＲＦ表面の空間スケールが縮小することが分かる。また、式（６）は、圧力範囲が、大きい粒子ほどそのｍ／σに比例して広がることを示す。周波数をＭＨｚからＧＨｚレンジに高めることによって、圧力範囲が、トル以下の範囲（sub torr range）から大気圧以下の範囲（sub atmospheric range）に拡大する。そのような装置は、大気圧イオン源と質量分析計間のイオン輸送インタフェースにおけるイオンＲＦ収束と閉じ込めに使用され、また最終的に大気条件で大きなイオンと粒子（帯電した微小液滴等）のＲＦ収束を支援するために使用されてもよい。
【００９３】
式６の分析を下の表１に示す。最大イオン輸送に対応する質量は、１００〜１００００ａｍｕの質量範囲の取得を保証するために、約ｍ＊＝１０００に選択される。図７によれば、障壁は、０．００２ＶRFより上、即ちＶRF＞２００Ｖで０．４Ｖより高いままである。出力は、Ｑ係数＝１００と仮定して計算される。イオンの断面は、σ＝１０-18ｍ2と仮定される。
【００９４】
【表１】
【００９５】
ガスイオンインタフェース
図１３Ａを参照すると、ガスイオンインタフェース５０の好ましい実施形態は、ガスイオン源５２を質量分析計に接続する多数の差動ポンピング段を含む。図１３Ａでの特定の例は、大気領域５２内のＥＳＩイオン源、ノズルの後ろの領域５４、及びスキマーの後ろの領域５６を示す。段は、開口によって分離され差動ポンピングされ、ポンプは矢印によって示される。好ましい実施形態は、更に、大気イオンガイド５３、ノズルの後ろの中間イオンガイド５５、及びスキマーの後ろのイオンガイド５７を含むイオンガイドを種々の段に含む。
【００９６】
この実施形態の各イオンガイドは、ＲＦ反発面を有するチャネルを有する。ＲＦ表面は、前に図８ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ及び図１１Ａ〜図１１Ｇに示されたように、内側メッシュ、周囲電極、及びメッシュと電極の間に接続されたＲＦ電源を有する。必要に応じて、図１２のように、メッシュと電極の間に絶縁体又は半絶縁体が挿入される。チャネルは、円筒状又は実質的に平面であり、任意の前述の微小機械加工方法（ＭＥＭＳ）、平面ガイドではＰＣＢ技術、円筒状ガイドでは柔軟ＰＣＢ技術を使用して作成されることが好ましい。
【００９７】
図１３Ａの好ましい実施形態は、実際には、従来のイオン移動インタフェース内に追加のＲＦイオンガイドを使用することを提案する。典型的なＥＳＩでは、試料溶液が、帯電エアロゾルに微粒子化され、エアロゾル蒸発の遅い段階でイオンが形成される。全噴霧電流は、１００〜５００ｎＡの範囲である。主に空間電荷効果のために、ＥＳＩエアロゾルがイオン源内で拡散し、サイズ約１センチの領域内で蒸発小滴からイオンが抽出される。イオンは、ノズルを介してサンプリングされ、実質的に稠密ガス流に凝固される（即ち、イオン流が、ガス流の後に続き、ガス流として拡大する）。サンプリングされた電流は、ノズルを通るガスフラックスに比例する。ノズルの後ろの標準ガス圧力は、約１Ｔｏｒｒであり、これにより、ガスフラックス（質量の流れ）がノズルによって１０Ｔｏｒｒ＊Ｌ／ｓに制限される（１０Ｌ／ｓ未満の前段真空ポンプの適切なポンピング速度で）。ガスフラックスが少ないと、ノズル径が０．５ｍｍ未満に制限され、ノズルによるイオンサンプリング効率が全噴霧電流の１％未満に減少する。ガス噴流は、ノズルの後ろで拡大され、次の開口スキマーを通してフラックスの１０％未満がサンプリングされる。通常、イオンサンプリング効率はガス分割比より多少高く、ノズルとスキマー間のイオン損失係数は３〜５である。更にイオン損失をなくすために、通常、スキマーの後ろに多重極ＲＦイオンガイドが使用される。ガイド内のガス圧力は、約１０ｍｔｏｒｒである。そのような圧力で、ｍｍサイズのロッドを有する従来の多重極イオンガイドは、振幅約１００〜１０００Ｖで周波数１〜５ＭＨｚのＲＦ信号を使用しながらイオン収束が可能である。
【００９８】
本発明は、イオンガイド内のＲＦ電極をミクロンスケールに小型化する現実的な方法を提案し、これにより、１００Ｍｈｚ〜１ＧＨｚの範囲の非常に高い周波数が可能になり、その結果、大気圧以下の範囲の非常に高いガス圧力範囲での動作が可能になる。重イオンと帯電エアロゾルの場合、ガイド５３によるＲＦ収束が、大気圧で達成できなければならない。中間ガス圧力での付加的イオン収束のために微視的イオンガイド５５が提案される。もっと低いガス圧力でのイオンガイド５７は、微視的でも巨視的でもよい。
【００９９】
大気イオンガイド５３は、エアロゾルの拡張（通常、自己空間電荷によって生じる）を防ぐために提案される。ガイド５３は、図１２Ａ〜図１２Ｃに示されたようなＰＣＢフィルムのＭＥＭＳ法によって作成されることが好ましい。そのようなサンドイッチガイドは、詳細には、寿命の問題のために、イオン源領域内で適している。イオンガイドの表面は、帯電小滴が付着した後で浄化することができなければならない。ガイドは、エアロゾルを閉じ込めるチャネルの形でもよい。或いは、ガイドは、完全な蒸発のためにイオンを通すが帯電エアロゾルを保持するトラップを構成してもよい。エアロゾル流は、ガス流によって支援されなければならない。微視的特徴を有するそのようなＲＦ表面は、数ｍｍのボアを有するチャネル又はトラップを形成して、噴霧に影響を及ぼすことなくエアロゾルを閉じ込めるために使用される。また、同じ微視的ＲＦ表面を使用して、ノズル壁を覆い輸送を改善し詰まりを防ぐことができる。
【０１００】
ノズルの後ろの中間イオンガイド５５は、通常ガス噴流の拡大によって生じるイオン損失をなくす。ガイドは、後のスキマー内へのイオンサンプリングを改善するために、数ミリメートルのボア内にイオン流を閉じ込めるように円筒形であることが好ましい。従来のインタフェースでは、ガイドは、数Ｔｏｒｒのガス圧力範囲で動作しなければならない。そのような圧力で、ＲＦ電圧は、ガス放出によって約２００Ｖに制限される。ＲＦ収束を保持するために、ＲＦ周波数は、３０〜１００ＭＨｚの範囲であると予想され、メッシュのスケール特徴は、０．１ｍｍ未満である。そのようなイオンガイドは、図１１Ａ〜図１１Ｇに示されたような微細メッシュで作成されることが好ましい。
【０１０１】
スキマーの後ろのイオンガイド５７は、１〜１００ｍｔｏｒｒのガス圧力範囲で動作する従来のイオンガイドの任意の代替品である。このイオンガイドは、巨視的スケール（ミリメートル）のＲＦ表面で作成され、ＭＨｚレンジのＲＦ周波数で動作することができる。しかしながら、利便性とより高い感度を得るために、ガイド５７は、ガイド５５の拡張部分として作成されてもよい。
【０１０２】
図１３Ｂを参照すると、別の実施形態では、イオンインタフェース６０は、追加のポンピング段、多チャンネルノズル６２、及び壁を突き抜ける単一イオンガイド６４を有する。インタフェース６０の輸送は、ノズルを通るガスフラックスを１０〜１００倍に増大させることにより改善される。図１３Ｂでは、図１３Ａと共通の要素は、同じ参照番号を使用し、それらの説明を共用する。これは、大気圧でのＲＦ収束がなくてもノズルによるイオンサンプリングを大幅に改善する（図１３Ａの雰囲気イオンガイド５３が除去されていることに注意されたい）。全ガス流量がもっと多いときの噴流の凝縮を防ぐために一連の並行ノズル６２が使用されることが好ましい。それぞれ個々のノズルの開口は、０．３〜１ｍｍの安全範囲のままである。また、インパクトセパレータのように、流路内に流れ屈曲部又は障害物を導入して、大きな粒子と小滴を振り落とすことが好ましい。次に、複数の流れが、単一チャネルに合流される。ガス流量が多くなると、ノズルの後ろのガス圧が１０〜１００Ｔｏｒｒと高くなる。機械式ポンプが、この圧力範囲でそのようなポンピング速度を保持することができる。高いガス圧力にもかかわらず、新規の微視的ＲＦ収束装置６０は、ノズルのすぐ後ろにイオン流を閉じ込め、それを質量分析計に送る。イオンガイド６０のチャネルは、全イオン流に適応するように数ｍｍの幅でよい。ガイド壁は、背面ＲＦ電極を有する微視的メッシュを含む本発明のＲＦ表面を使用して構成される。ガイドは、差動ポンピングシステムの壁を突き抜ける。各段で、ガイドの外壁は、微細メッシュによって覆われたポンピング用の窓を有する。
【０１０３】
ポンピング段の数は、利用可能なポンピング手段に基づいて最適化される。現在、ターボポンプは、１０〜２０ｍｔｏｒｒ未満のガス圧力で動作し、これより高いガス圧力では、機械式ポンプ、スクロールポンプ及びドラグポンプのような代替ポンプを使用しなければならない。ターボポンプを使用する前に、ガス圧力が１〜１０Ｔｏｒｒの少なくとも１個以上の機械式ポンピング段が使用されることが好ましい。機械式ポンピング段の数は、ポンピングシステムの輸送とコストに基づいて最適化することができる。
【０１０４】
差動ポンピングは、流れが通過し無分子になった後（１０ｍｔｏｒｒ未満）、極めて効率的になる。ガイドは、段の間に長く且つ狭いチャネルを形成する。ガス圧力が０．１Ｔｏｒｒ未満でチャネル幅が数ｍｍ未満では、そのようなチャネルは、ガス伝導率をＷ分のＬに抑制することが知られており、ここで、ＬとＷは、チャネルの長さと幅である。これにより、イオンガイドに適正サイズの開口を維持することが可能になる。
【０１０５】
ガイドを通るガス流は、軸方向のイオン速度を発生させる。インタフェース壁は、イオンから完全に分離される。イオンガイドは、四重極と磁石セクタのように、質量分析計の真空チャンバまでずっと延在してもよい。本発明は、詳細には、ＩＴＭＳ、ＴＯＦ ＭＳ、ＦＴＭＳ又はオービトラップのような周期的に動作する質量分光計に役立つ。直交加速器内への従来のイオン導入方式を使用する場合、遅いイオン速度を使用してＴＯＦ ＭＳのデューティサイクルを改善することができる。また、イオンガイドを使用して、イオンを貯蔵しＴＯＦ ＭＳの直交加速器内にパルス放出することができる。ガイドの真空部分は、ＭＳ内へのパルス加速器として使用することもできる。そのような加速器は、イオンが加速器部分内に捕捉され次に質量分析計内に放出されるときに、低速通過ビームで、周期的に変調された低速通過ビームで、又は貯蔵放出モードで操作されてもよい。
【０１０６】
前述の新規なイオンガイドは、前述の図１０Ａ〜図１０Ｌで説明されたように、複数のイオン操作方法と適合する。ガイド内部には、イオンガイド形状の複数の改造を可能にするほぼ無電界ゾーンがあることに注意されたい。例えば、イオン漏斗を形成して、大きなサイズのイオンの流れを受け入れ、それをより小さな幅／厚さを有するチャネルに詰め込んでもよい。複数（少なくとも２個）のイオンガイドを組み合わせて、中間ガス圧力のＥＳＩやＭＡＬＤＩのような様々なイオン源からイオン流を受け入れることができる。そのような組み合わせイオンガイドは、前述の方法の蓄え（軸方向静電場（直接又は漏れ）、移動波、磁場、ガス流）からの種々のプラグによって時間で変調されてもよい。ガイドは、ＩＴＭＳ、垂直注入を有するＴＯＦ ＭＳ、ＦＴＭＳ及びオービトラップのような様々なＭＳへの貯蔵とパルス放出に使用することができる。イオンガイドの中間ガス圧力の部分を使用して、デクラスタリング又はフラグメンテーションのためにイオンを励起することができる。ガイドを使用して、イオンをガス、高速原子又は荷電粒子と反応させることができ、これは、特に、ガイドが、両方の極性の荷電粒子を保持し、極めて広い質量範囲の捕捉粒子を有するので好都合である。イオンガイドの時間的変化を制御するために、図９Ｂに開示されたような移動波電界が使用されてもよい。
【０１０７】
対称ＲＦ電場内のメッシュ
図１４Ａを参照すると、メッシュ７０と、対称的に配置された電極７２との間に、空間的に対称なＲＦ電場と直流電場が形成される。前述のメッシュシステムと同様に、電源は、電圧が対称的に接続されてもよく非対称的に接続されてもよい。例えば、図は、ＲＦ電源に接続されたメッシュ７０と、反発直流電源に接続された電極７２を示す。多数の代替が、メッシュ又は電極をアースに維持するか、様々な電極又は平衡電源間でＲＦと直流を分離して、電極間のアース等電位線を調整し、同時に対称的なＲＦ電場と直流電場を生成することを可能にする。図面は、直径ｄと間隔Ｌ＝１０ｄを有する平行電線で構成された二次元メッシュの特定の例を示す。電極までの距離は、Ｈ＝Ｌに選択される。電極は、Ｘ方向に平行でＹ方向に垂直である。
【０１０８】
図１４Ｂの線図を参照すると、直流電場の等電位線（Ｕ等線図（U-equiline））が示される。等電位線は、電線近くでは円になり、電極の周りでは平坦になる。電線間の中間のスポット７３は、電位の鞍を特徴とし、鞍では、Ｙ方向に局部的に最小になり、Ｘ方向に最大になる。原点７３の近くで、電界は、ほぼ四重極である。どの静電場とも同じように、電極上で大域的電位が最小になる。真空状態で、軌道捕捉が可能である。イオンは、ガスと衝突した後で、エネルギーを失い、メッシュ表面（最も低い直流電位を有する）上に落ちる。
【０１０９】
瞬間的ＲＦ電場の構造は、直流電場内の構造と同一である。しかしながら、ＲＦ電場の動的ポテンシャルは、静的ポテンシャルと異なり、局所電場の強度によって定義される（式１）。電場は、尖った電線の近くで高くなり、平らな壁の近くで低くなることは明らかである。電線間の中間にあるスポット７３（「中央スポット」）は、鞍点における対称性のために電界強度がゼロである点に特徴がある。この理由により、システム全体においてスポットが最小動的ポテンシャルを有する。
【０１１０】
図１４Ｃの線図を参照すると、電界の等強度線（Ｅ等線図）が示される。線は、段ΔＥ％＝０．２５でＥ％＝０〜２で描かれた正規化された電界強度Ｅ％＝Ｅ／［ＶRF／Ｌ］に対応する。Ｅ％は、電線の近くで最大になり（Ｅ％＝５）、壁の近くで中程度になり（Ｅ％〜１）、電線間の中間スポット７３でゼロである（Ｅ％＝０）。中間スポット７３の周囲に円は、動的ポテンシャルによって形成された局所トラップを示す。トラップ７３は、四重極で形成されたものと類似し、回転する鞍電界が動的トラップを作成する。全体的に、ＲＦ電場は、電線からイオンを跳ね返し、そのイオンを電線間で捕捉し、イオンが電線に沿って通ることを可能にする。
【０１１１】
ＲＦ電場と直流電場の適切な組み合わせが、１組の大域トラップを構成してもよく、その場合、電線間の局所トラップが接続され、局所トラップ間でイオンが交換可能である。ＲＦ電場はイオンを電線から跳ね返し、直流電場はイオンを壁から跳ね返し、これにより、真空と中間ガス圧力の両方でイオンが安定的に保持される。複合作用は、静的ポテンシャル（直流成分）とＲＦ電場により形成された動的ポテンシャルの両方を含む電位全体のプロファイルを調べることにより理解される。
【０１１２】
図１５Ａ〜図１５Ｄを参照すると、２平面における静的ポテンシャル、動的ポテンシャル及び全ポテンシャルのプロファイルが示される。両方の平面は、メッシュに対して垂直であり、一方の平面は電線と交差し（Ｘ＝０）、他方の平面は電線間の真ん中を通る（Ｘ＝０．５Ｌ）。プロファイルは、正規化されたＹ／Ｌ座標に対してプロットされる。図１５Ａは、正規化された静的ポテンシャルＵ％＝Ｕ／ＵDCのプロファイルであり、これは、壁から中心に近づくほど低下し、電線上で絶対最小値になる。図１５Ｂは、正規化された局所電場強度Ｅ％＝Ｅ／［ＶRF／Ｌ］のプロファイルを示し、これは、電線上で最大値になり、電線間の真ん中で０になる。式１により、ｑ＜０．３の場合、有効ポテンシャルＤは、Ｅと次のような関係にある。
【０１１３】
【数７】
【０１１４】
この場合、全ポテンシャルは、正規化されたＵ％とＥ％によって次のように表すことができる。
【０１１５】
【数８】
【０１１６】
ＲＦ電場と直流電場の相対的作用は、無次元係数ｇによって定義される。そのような係数は、ＲＦ電圧、直流電圧、ＲＦ周波数及びイオン質量によって定義され、ＲＦ電圧と直流電圧の比に係数ｑを掛けたものに比例する。係数ｇを変化させることにより、無次元全ポテンシャルをＶ*％＝Ｕ％＋ｇ（Ｅ％）2と表すことで、ＲＦ電場と直流電場の様々な相対的効果における全ポテンシャルのプロファイルを調べることができる．
【０１１７】
図１５Ｃと図１５Ｄに、ｇ＝０．０５とｇ＝１の場合のそのようなプロファイルを示す。両方の特定の事例では、電線（Ｘ＝０．５ Ｙ＝０）間のスポット内により深いトラップを接続する最も低い全ポテンシャル（Ｙ＝０．３〜Ｙ＝０．５）を有するチャネルがあることが分かる。直流引力がメッシュ電線によるＲＦ反発力に打ち勝った後でトポロジが変化し、これは、ｇ＜０．０２の後で起こる。ほぼ純粋なＲＦ電場の別の極端な事例では（即ち、ｇ＞１００）、ＲＦ反発力は、電線における直流引力に打ち勝つ。ＲＦ電場の動的ポテンシャルは、イオン質量に依存する。しかしながら、チャネルに接続された大域トラップのトポロジは、何らかの質量範囲内に留まる。
【０１１８】
図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、ｇが０．０４より低いとき、局所イオントラップ７３は、電線の上の空間に接続され、イオンは、トラップ７３からチャネル内に放出される。放出されたイオンは、自由にトラップから出て移動することができる。イオンを駆動するために、ガス流、移動静電波、移動磁場のような要素を使用することができる。質量分離のために質量の選択的な捕捉と開放の効果を使用することができる。開放を永続運動の交流励起によって支援して、質量選択の分解能を改善することができる。
【０１１９】
図１７を参照すると、図１４Ａ〜図１４Ｃのメッシュのまわりに対称ＲＦトラップの有効質量範囲を調べる。全障壁は、イオンがメッシュ７０の電線間の個々のイオントラップ７３内に留まったままになる最大イオンエネルギーとして決定される。質量は、低いカットオフ質量に対して正規化される。明確な低い質量カットオフは、四重極電場内の中心スポット近くのイオン共振によって説明される。四重極電場と同様に、カットオフはｑ＝０．９１で起こると仮定する。この場合、トラップの幾何学的スケールＧは、Ｇ＝０．８５Ｌである。特定の擬似的な例では、カットオフ質量は、幾何学サイズＬ＝１ｍｍ（Ｇ＝０．８５ｍｍ）、単相ＲＦ電圧振幅ＶRF＝１ｋＶ（ｐ−ｐ）、及びＲＦ周波数１０ＭＨｚで１２５ａｍｕと等しい。
【０１２０】
図１７のプロットは、ＲＦ電圧の振幅に対して正規化された直流電位の様々な値に対応する３本の曲線を表す。詳細には、シミュレートされた事例の直流は、０Ｖ、１０Ｖ及び３０Ｖと変更された。直流＝０の場合（支配的ＲＦ電場）、障壁は、ｑ〜０．３（ｍ＝３＊ｍcutoff）のときＶRF０．００７（１０００Ｖｐ−ｐで７ｅＶ）に限定され、次にｑが低くなる（質量が高くなる）のに比例して低下する。ＲＦ振幅を１０００Ｖに設定し、イオン保持のしきいエネルギーレベルを１ｅＶと仮定することにより、トラップ内だけのＲＦの質量範囲は、約２０分の１に狭くなる。質量範囲を改善する一方法は、壁を近づけることであり、これは、後述するように、トラップ内へのイオン導入を複雑にする。別の方法は、約１０Ｖの最適直流電圧を印加することである（図１７では点線）。直流電場（平坦電極とメッシュの間に印加される）は、障壁高さを改善し、質量範囲を少なくとも２倍に拡張することは明らかである。結果は、ロッド間の直流電場が質量範囲を縮小させる従来の四重極と比較べて独特である。この特定の事例では、メッシュトラップは、かなり非対称であり、トラップと平坦電極の間の障壁は極めて低い。直流電場を加えることにより、平坦電極に向いたＹ方向の弱い障壁が改善され、一方メッシュ電線に向いたＸ方向の強い障壁が弱まる。
【０１２１】
イオンクロマトグラフィ
図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、前述の電線メッシュのまわりの対称ＲＦ電場が、新規の質量分離方法のために提案され、この方法は、本明細書では、「イオンクロマトグラフィ」として定義される。イオンクロマトトグラフ８０の好ましい実施形態は、イオン保持用の側壁を備えた平行平板８４によって構成された四角の長いチャネル８２を有する。電線８１は、長いチャネルに対して垂直に配置される。ＲＦ信号が、電線に印加され、２個の別の直流信号（ＤＣ１，ＤＣ２）が電極８４に印加される。ＥＳＩ、ＡＰＰＩ及びＭＡＬＤＩのような任意の既知のガスイオン源からのイオンが、微細メッシュによって覆われた側窓８９に導入される。チャネルからガス流を引き込むために、チャネルの出口側にポンピングが使用される。装置は、ＭＥＭＳ技術を使用して電線と壁の間の大きさが約１０μｍになるように小型化され、一方チャネルの長さは１〜１０ｃｍの範囲である。ＲＦ周波数は、好ましくは０．１〜１ＧＨｚの範囲である。ガス圧力は、大気圧の０．０１〜１で選択されることが好ましい。
【０１２２】
動作において、イオンは、イオン源８８から側窓８９を介してチャネル８２に導入される。ＲＦ電圧と直流電圧の組み合わせは、電線間に形成された多数のウェル内で幅広い質量範囲のイオンを捕捉するように選択される。直流電圧は、弱い不均衡を作り出すように調整される。その結果、イオンの均衡点は、電線間の中心から電極のいずれかの方に移動する。充填段階の後で、イオン源のスイッチが切られ、ＲＦ電圧がゆっくりと低下し及び／又は直流非対称性が大きくなる。その結果、障壁が浅くなる。障壁の高さは、重いイオンほど小さい。その結果、最も重いイオンが最初に放出され、チャネルに沿って、層状ガス流によって駆動される装置出口８５の方に移動する。複数のトラップと相互作用する結果、最初に捕捉されたイオンの集まりは、やがて分離される。装置を過ぎた検出器９０上の時間に依存する信号は、９２として示された質量スペクトルに変換される。
【０１２３】
浅いウェルからのイオン「蒸発」が、熱エネルギーによって起こる。このプロセスは、クロマトグラフィ内の表面と相互作用する粒子と類似する。表面で費やされる平均時間は、結合エネルギーに依存する。多数の蒸発事象（理論段として数えた）は、保持時間の分布を狭くする。クロマトグラフィの分解能は、理論段数の平方根として高くなる。イオンクロマトグラフィの場合、電線間の各マイクロトラップは、クロマトグラフィ内の電極の役割をする。イオンは、浅いウェルに入り、外に出るまでに少し時間がかかる。「スティッキング」時間は、指数関数的にウェル深さに依存し、イオンのｍ／ｚの関数である。
【０１２４】
大量の連続イオントラップ配列を作成するために装置の小型化が提案される。個別の小さなセルの作成精度が比較的低いと、セル１個当たりの質量分解能があまり高くならない。サイズ１０μｍで精度０．３μｍのとき、セル１個当たりの分解能は、１０未満と予想される。しかしながら、セル数の平方根に比例して分解能を改善するには、多数セルの連続通過が期待される。１００００個のトラップ（フィルタ）を保持する１０ｃｍのチップは、例えば環境問題用途に十分な１０００の分解能を提供する。変化する温度によって勾配ができるガスクロマトグラフィと同様に、イオンクロマトグラフィでは、変化するＲＦ及び直流電圧、交流信号、温度、又はガス流のパラメータによって「勾配」ができる。
【０１２５】
ＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ
図１９Ａを参照すると、ＴＯＦ ＭＳ用のパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、平面電極９６によって対称的に取り囲まれたメッシュ電極９４と、メッシュと電極の間に接続されたＲＦ発生器９５とから構成されたイオンマニピュレータを有する。メッシュは、チャネル方向に向けられた平行電線から形成される。メッシュは、スイッチング式ＲＦ発生器に接続され、側面電極は、一個以上のパルス発生器９８に接続されることが好ましい。マニピュレータは、「配列ガイド」と呼ばれる平行イオンガイドの配列を構成する。ガイドは、イオンがガイドの縁で跳ね返される場合に線形イオントラップと見なすこともできる。更に、パルスイオンコンバータは、好ましくは中間イオン貯蔵装置（例えば、中間ガス圧力のイオンガイド）を有する外部イオン源を有する。コンバータは、また、出口側のガス圧力を下げるポンピング手段を有する。或いは、内部イオン源が使用される。このイオン源は、イオン（ＳＩＭＳ）、光子（ＰＩ又はＭＡＬＤＩ）、電子（ＥＩ）による固体又はガス試料ボンバートメントを使用してもよく、試料をイオン化（ＣＩ）のためにイオン分子反応にかけてもよい。
【０１２６】
配列ガイドの多数のイオンガイドは、イオンを側面電極間の空間内に、メッシュに沿って（イオン源１−平行注入）、又は窓９３を通してメッシュに垂直（イオン源３）（垂直注入）に注入することによって充填することができる。平行注入の場合、イオンは、イオンが確実にガス衝突しイオンが電極間に捕捉されるのに十分に長い時間、側面電極間に留まる。垂直注入の場合、貯蔵ガイドとトラップ配列の間に多数のイオン通過を構成することが好ましい。多数通過した後で、最終的にイオンがガスと衝突し、側面電極間に捕捉される。注入方法に関係なく、イオンは、側面電極間に捕捉された後、ＲＦ電場と直流電場によって形成された閉じ込めウェル内で振動し始め、メッシュの個別の線形セル間でジャンプする。最終的に、衝突減衰の後で、イオンは、個々のＲＦ線形セル内に閉じ込められ、その場合、減衰時間Ｔはガス圧力Ｐに依存する。約５０ｍｔｏｒｒのガス圧力で（イオンガイドと同じ）、減衰には０．１ミリ秒かかる。トラップ間の無秩序なイオン運動のために、減衰イオンが、多数のセルの間で統計的に分散することが予想される。或いは、イオンは、イオンが単一通過で捕捉されるほど十分に高いガス圧力を有するイオントラップの領域（ソース３）に注入される。ガイドは、多数の差動ポンピング段の間に延在し、ガス流は、イオンを一次元トラップに沿ってより低いガス圧力を有する異なる部分に流し込むことが好ましい。図１９Ｂに示されたように、イオンの導入方法にかかわらず、イオンは、ガス衝突で減衰し、イオンガイドの軸に閉じ込められる。イオンは、イオンガイドに沿って、より低いガス圧力の出口側に近づく。コンバータの真空側で、イオンは、ＴＯＦ ＭＳ内にパルス注入される。
【０１２７】
イオンを注入するには、ＲＦ信号が遮断されなければならない。例えば、ＲＦスイッチングは、一次コイルから駆動信号を除去し、二次コイルの２個の半分の部分の間の接触を断つことにより行われる。或いは、二次コイルは、ＦＴＭＯＳトランジスタによってクランプされる。トランジスタキャパシタの影響を減少させるために、トランジスタは、小さなキャパシタンスを有するダイオードを介して接続される。回路は、共振を止め、ＲＦ振動は、１又は２サイクル以内で急速に減衰する。振動が止まった後、パルスは、周囲電極に印加され（図１９Ｃ）、イオンは、電極９６の内の一電極の窓９７を通して電界によって抽出される。メッシュの形状により、そのような窓は、微細メッシュによって覆われた１組の穴、１組の溝、又は単一の窓のように見える。イオンがメッシュセル内の中心位置にあるため、電線近くの抽出電界のひずみは最小の影響しかないことに注意されたい。
【０１２８】
ＴＯＦ ＭＳ用のパルスイオンコンバータには２個の別個の選択肢がある。一方のパルスイオンコンバータ（図１９Ｃ）は、イオンを低速で輸送しイオンをガイドからパルス化するイオンガイドを利用する。他方のパルスイオンコンバータ（図１９Ｄ）は、平面イオントラップを使用する。本明細書は、両方のタイプのパルスイオン源に適したイオンマニピュレータの多数の実施形態を既に開示した。マニピュレータ（イオンガイドとイオントラップの両方を含む）は、ＲＦ反発メッシュを、円筒又は任意形状の箱内に包まれた同じ反発ＲＦメッシュ、又は別の反発ＲＦメッシュ、直流反発電極若しくは静電場の移動波を形成する電極のいずれかとの組み合わせで有する。マニピュレータは、また、平行チャネル（平行電線で作成されたメッシュ）の形又は個別セルの形状のトラッピングＲＦメッシュを有してもよい。マニピュレータは、複数のイオンマニピュレータを組み合わせてもよい。例えば、イオンガイドは、１個のイオントラップに接続されても複数のイオントラップに接続されてもよく、またそのような接続は、直列又は直交の形で、合流及び分割イオンチャネル又は交差マニピュレータによって行われてもよい。以下に幾つかの実施形態について述べる。
【０１２９】
ＴＯＦ ＭＳ用の小型イオンコンバータ
図１９Ａに示された特定の実施形態は、小型化性能を示す。対称ＲＦ電場内のメッシュ９４は、メッシュシートに沿って広がったイオントラップの配列のような働きをする。メッシュが平行電線から作成された場合、個々のトラップは二次元であり、正方形（六角形）メッシュセルの場合、トラップは三次元である。質量範囲境界近くのイオンがセル間で動き始めるときの前述の場合を除き、トラップは、互いに十分に分離され、メッシュ電線によって遮蔽される。
【０１３０】
コンバータは、以下のように動作する。イオンは、外部イオン源から、好ましくは直交方向に注入される（図１９Ａのイオン源３と同じように）。イオンは、ガスとの減衰衝突により、セル内に捕捉される。ＲＦ電圧と直流電圧は、電極とメッシュ間の空間内にイオンが放出されるように選択され、その結果イオンがトラップセル間で交換される。最終的に、イオンの一部分が、出口側の近くでセル内に閉じ込められる。次に、イオンをＴＯＦ ＭＳに注入するために抽出パルスが印加される。
【０１３１】
微視的トラップの大きな配列の作成を可能にする小さなセルサイズを有するメッシュが容易に入手可能である。例えば、１０μｍのセルサイズを有する２５０ＬＰＩメッシュ（２５０ライン／インチ）は適度に安定している。まず最初に、このメッシュは、１平方ｃｍ当たり多数のトラップを備えることができ、その結果として大きな空間電荷を保持することができる。セル１個当たりイオン１個を維持しながら１平方ｃｍ当たり１００万個ものイオンを貯蔵することができる。もっと小さなセル又は低いイオン密度（例えば、イオン１００，０００個／１ｃｍ2）を使用する場合は、平均密度は、セル１個当たりイオン０．１個に低下し、セル内に２個のイオンを有する確率は０．０１になる。従って、微視的メッシュトラップは、イオン特性に空間電荷の影響を及ぼすことなく大きな空間電荷を保持することができる。しかしながら、極めて密なサイズのイオン雲（１μｍ）を仮定しても、空間電荷励起は、イオン数が１０を超えるときしか発生しない。１ｃｍ2のトラップ配列を仮定すると、このトラップは、最大１０7個のイオンを保持することができ、またＴＯＦ ＭＳに、繰返し率１ｋＨｚに相当する最大１０10個／秒のイオンを注入することができ、これは、電流１ｎＡに相当する。そのような電流限界は、大部分の質量分光イオン源に適する。
【０１３２】
小さなサイズのトラップは、別の利点、即ち高繰返し率に繋がる可能性がある。メッシュと側面電極との距離が比較的小さい（０．０１ｍｍ）ため、ガス散乱衝突数が少ない。ガス圧力が５０ｍｔｏｒｒでイオン経路が０．０１ｍｍのとき、散乱衝突の可能性は、５％より低く、衝突減衰は、０．１ミリ秒より速く起こる。
【０１３３】
１０μｍのセルサイズは容易に入手可能であるが、メッシュを平坦な壁又は別のメッシュに対して距離１０μｍで離間させるのは技術的に困難である。これは、図１２Ａ〜図１２Ｃと関連して述べたものと同様に、ＭＥＭＳ及びＰＣＢ技術を使用することにより解決することができる。例えばメッシュの外側を絶縁体によって覆い、次にそのメッシュを図１２Ｂと類似の電極間に固定することによって、対称的な閉鎖チャネルシステムを作成することができる。図１２Ｃと類似の５層サンドイッチを穿孔することによって、開放セルを形成することができる。
【０１３４】
微視的メッシュは、イオンを極めて薄いシート内に局在化する。シート厚さは、ｈ＝Ｌ＊ｓｑｒｔ（ｋＴ／Ｄ）と推定することができ、Ｌ＝１０μｍのセルの場合はＶRF＝３００Ｖであり、障壁Ｄは、０．２〜２ｅＶの範囲であり、イオン雲は、ｈ＜Ｌ／３＝３μｍ＝０．００３ｍｍに圧縮される可能性がある。イオン集合の位相空間は、空間的拡散と時間的拡散の積ΔＸ＊ΔＶとして計算される。ｍ／ｚ＝１０００ａｍｕの標準イオンは、約６０ｍ／ｓの熱運動速度を有し、これは、ΔＸ＊ΔＶ＝０．２ｍｍ＊ｍ／ｓとなる。
【０１３５】
イオン雲の位相空間は、任意の既知のイオン源において、例えばＴＯＦ ＭＳの直交加速器のイオンビームの位相空間より大幅に低い。ビームは、幅が少なくとも１ｍｍであり、１０ｅＶで少なくとも１度の広がりの軸方向エネルギーを有し、これは、１０００ａｍｕのイオンではイオン温度１０Ｋと速度１０ｍ／秒になる。この場合、ビームの位相空間は、１０ｍｍ＊ｍ／秒と推定される。上記の計算によれば、１０μｍのセルを有するトラップは、５０分の１の大きさの位相空間を提供する。他のメッシュサイズを使用する場合、ＴＯＦ ＭＳ用のメッシュイオン源は、セルサイズが０．５ｍｍ未満のままでイオン雲サイズが０．１５ｍｍ未満のままである限り、従来の直交加速器より有利のままである。
【０１３６】
位相空間が小さいほど、飛行時間形質量分析計に注入されるイオンパケットの時間とエネルギー拡散が小さくなる可能性がある。イオン雲が、強度Ｅの高速切り替え電界によって加速される場合、雲の時間拡散は、主に、いわゆるターンアラウンドタイムΔＴ＝ΔＶ＊ｍ／Ｅｚｅによって定義される。電界強度Ｅが高いほどターンアラウンドタイムが短くなるが、それに比例したエネルギー拡散Δε＝ΔＸ＊Ｅｚｅが生じる。２の積は、ΔＴ＊Δε＝ΔＶ＊ΔＸ＊ｍと等しく、即ち、加速前のイオン雲の初期位相空間に直接対応する。新規のメッシュトラップのより小さな位相空間の利点を使用するために、ｏ−ＴＯＦ ＭＳより高い強度の加速電界Ｅが使用される。実際には、通常ｏ−ＴＯＦ ＭＳで使用される１００Ｖ／ｍｍの電界強度は、ガス放電によって制限される最大３０ｋＶ／ｍｍ又は絶縁体表面上の漏れによって制限される最大１ｋＶ／ｍｍの最大達成可能電界より低い。微視的サイズでは、数百ボルトの範囲内の絶対電位以下では、ガス放電と表面放電は両方とも起きないと予想される。Ｕ＝１００ＶでＬ＝１０μｍの場合、Ｅ値は１００００Ｖ／ｍｍに達し、これは、ｏ−ＴＯＦ ＭＳの１００倍である。
【０１３７】
或いは、タイムラグ収束方法が適用される。閉じ込めＲＦ電場は、イオン内部エネルギーの冷却のために遮断されるか又は実質的に弛緩される。加速電界は、イオンをイオン内に保持したままにするのに十分に小さい所定の遅延後に印加される。自由膨張の際、ビームの位相空間が保全され、また空間的拡散が生じるが速度と位置が強く関連付けられ、これにより、ＴＯＦ ＭＳ内の同調条件が僅かに異なるときでも、ＴＯＦ ＭＳ内の飛行時間収束が改善される。
【０１３８】
パルスコンバータの特定の実施形態
図１９Ｄを参照すると、ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、２個の平行周囲電極１０２の間に配置された中央メッシュ１００を有し、周囲電極１０２は、システムへのイオンの出入を可能にする微細メッシュ窓１０４を有する。ＲＦ信号は、中央メッシュに印加され、これにより、粗い中央メッシュの電線間に線形ガイド（又は、トラフ）の配列が形成される。前述のように捕捉イオンの質量範囲を改善するために、輸送位相で中央メッシュと側面メッシュの間に僅かな直流バイアスが印加される。中央メッシュは、電線で作成され、イオン輸送の方向に沿って位置決めされる。平行メッシュシステムは、いわゆるメッシュイオンガイドを構成する。メッシュイオンガイドは、差動ポンピング段の間を突き抜ける。メッシュは、（ａ）中間ガス圧力領域（ＲＦ電場振動の１周期当たり１個のイオンが最大１回衝突する）と（ｂ）高真空領域（周囲ガスとの衝突数を無視できる）を分離する開口（スロット，チャネル）を達成する。図１９Ｄの特定の場合、イオンメッシュガイドは、２個の差動ポンピング段の間に広がる。電極１０２を均一に維持し、差動ポンピングをチャネルの側縁によって調整することが好ましい。
【０１３９】
動作において、イオンは、外部イオン源から導入され、メッシュガイドに軸方向又直交方向に注入される。例えば、ノズル、スキマー又は微小サイズのイオンガイドを、メッシュイオンガイドの近くに配置してもよい。或いは、メッシュイオンガイドは、ガス噴流又はイオンインタフェースの輸送イオンガイドと交差する。媒質ガス圧力は、単一イオン通過の範囲内でイオンをメッシュイオンガイド内に捕捉するのに十分な高さ（０．０１〜１Ｔｏｒｒ）になるように選択される。メッシュ電極システム（中央メッシと側面メッシュを含む）は、線形トラップを搬送方向に沿って乱さないように均一に配置される。段の間の移動は、追加の運動エネルギーを引き起こさず、従って、イオンは冷たく閉じ込められたままになる。イオンは、ガス圧力勾配と蓄積空間電荷の勾配によって、真空中に流入する。また、既知の手段によって、輸送を支援する追加の弱い電場及び磁場を印加することができる。イオンガイドは、静電気プラグによって遠端で終端され、それにより、メッシュイオンガイドの真空部分内にイオントラップが形成されることが好ましい。しかしながら、プラグは、イオンが約１０〜１００ｍ／秒の十分に遅い速度でドリフトし、真空部分が、ＴＯＦ ＭＳパルス周期に匹敵する時間で満杯になる場合は不要と思われる。真空部分へのイオンの流入は、線形トラップの軸の近くで邪魔されず閉じ込められたままである。真空領域では、メッシュと周囲電極は、ＴＯＦ ＭＳのパルス加速領域の一部を構成する。周期的に、イオン分がメッシュイオンガイドの微細メッシュ１０４を通って放出される。ＲＦ電圧は、好ましくは遮断され、プッシング及びプリングパルス電圧（pushing and pulling pulsed voltages）が、周囲電極に印加される。
【０１４０】
パルスコンバータの代替実施形態は、パルスガス弁と、イオンビーム、電子、高速中性物質、ガス放電で生成された粒子、光子又は小滴等のパルス粒子ビームによる低温表面からの蒸気脱離とのいずれかによって生成されたガスルスを使用する単段メッシュイオントラップを有する。
【０１４１】
パルスパケット内への連続イオンビームのパルスコンバータの別の好ましい実施形態は、図２０Ａに側面図、図２０Ｂに平面図として示される。好ましい実施形態は、個別のポンピング段内に配置された２個の別個の整合されたメッシュガイド１１０，１１２を有する。両方のガイドは、電極の間に挟まれた平行電線又は微小グリッド１１４から作成される。第１のメッシュガイドは、ガスが充填され、第２のメッシュガイドは、実質的に真空状態である。段は、図２０Ｃに示されたような１組の開口１１８を有する電極１１６によって、又は周囲電極の一部として作成されるゲート電極によって分離される。
【０１４２】
特定の一事例では、両方の段に同じ組の電線が使用される。ＲＦ信号が、電線に印加される。前に述べたように、電線間のイオン保持を改善するために、周囲電極にはわずかな反発電位が印加される。周囲電極の直流電位は、段間で異なり、これにより、電線間の中心線の電位差が維持される。真空メッシュガイドは、必要に応じて、静止又はＲＦイオン反射電極１２０によって終端される。
【０１４３】
ガイドは、飛行時間質量分析計のパルスコンバータとして働く。ガイドの上に、直流加速器（図示せず）とイオンミラーが配置されれる。ＴＯＦ ＭＳ検出器１２２は、図２０Ｂに平面図で示されたようにメッシュガイドの側に配置されることが好ましい。
【０１４４】
動作において、連続的イオンビームが、第１のメッシュガイドに入る。最も好都合な注入方法は、前述の第１のメッシュガイドへの側面イオン注入法である。第１のメッシュガイドは、ガスが充填され、イオン貯蔵線形トラップの配列として動作する。ゲート又は出口側（即ち、右側）にある１組の開口は、例えばわずかな反発直流電位によってイオンをロックする。
【０１４５】
イオンは、周期的に第２の真空メッシュガイド内に放出される。充填時間段の際に、真空メッシュガイドにイオンが充填される。周囲電極間の電位差が、軸方向のイオン伝搬エネルギーを制御する。開放パルスの持続期間は、１０μｓ〜１００μｓの範囲でよい。イオン伝搬エネルギーは、約１ｅＶに選択されることが好ましい。ガイドの真空部分は、連続イオンビームのパルス変換のデューティサイクルを高めるために、少なくとも５ｃｍ延在することが好ましい。パルスビームは、０．３ｍｍ／μｓ（２０００ａｍｕのイオンの場合）〜２ｍｍ／μｓ（５０ａｍｕのイオンの場合）の範囲の速度でガイドの第２の部分に入る。従って、最も速いイオンは、２５μｓ以内でガイドを通過し、最も遅いイオンは、同じ期間２５μｓ以内でガイドの初期部分だけを満たす。イオン充填時間は、最も速いイオンを真空メッシュガイドの後端から跳ね返させることによって、延長されてもよい。最も重要なことは、全質量範囲の全てのイオンが、充填段が終わるまで真空イオンガイド内にあることである。
【０１４６】
ガイド操作の次の段で、真空メッシュガイドの周囲電極とメッシュが、均一な抽出電場を作り出すために高電圧のパルスが印加される。抽出電場の歪みを防ぐために中心電線上のＲＦ信号はクランプされることが好ましい。イオンは、真空メッシュガイドから放出され、直流加速器内で加速され、ドラフト空間内を飛行し、イオンミラーによって反射され、広いイオン検出器１２２に当たる。イオンの側方変位は、電極の操縦、加速器の側面傾斜、又はミラーの側面傾斜によって調整される。水平方向のイオンエネルギーが低い（１ｅＶ）ため、ビームは、真空メッシュガイドの後ろに反射電極を使用する場合でも、その方向の広がりが小さくなる。長さ１０ｃｍの既存の検出器は、十分なイオン収集が可能である。
【０１４７】
最も重いイオン成分が検出器に到着するまでに、真空メッシュガイドは、再び充填される。放出パルス間の周期は、ＴＯＦ ＭＳ内の飛行時間によって調整され、短距離ＴＯＦ ＭＳの場合の３０μｓから多重反射ＴＯＦ ＭＳの場合の数ミリ秒の範囲でよい。
【０１４８】
この実施形態は、イオンをパルスイオンパケットにデューティサイクル１００％で変換し、前述のように大きな抽出電場を利用する小型化メッシュガイドを使用する場合でも、極めて鋭いイオンパルスを形成することができる。また、本発明は、ガイドが空間電荷反発力を許容し、従ってイオンが真空メッシュガイド内に閉じ込められたままなので、ｎＡレンジの大きなイオン電流の操作を可能にする。
【０１４９】
図２０Ｃを再び参照すると、メッシュガイドの特定の一実施形態は、別個の２組の電線１１０，１１２を使用する。両方の組の電線を整列させ張るために、絶縁体糸が、微小金属毛細管を支持する。或いは、電線は、金属が被覆された石英糸で作成される。或いは更に、別個の組の電線が、ＭＥＭＳ方法によって作成される。
【０１５０】
前述の実施形態の考えられる一欠点は、空間電荷に対する不十分な能力である。出願全体に記載されたイオン操作方法は、より広い貯蔵ギャップとコンバータの壁からのより強いイオン反発を有するパルス式コンバータの作成を可能にする。
【０１５１】
図２１を参照すると、ＴＯＦ ＭＳ用のパルス化コンバータの更に別の好ましい実施形態は、ガスイオンガイド、イオンを移動させるイオン光学システム（ＩＯＳ）、イオン貯蔵ギャップ、及びギャップの終わりにあるオプションの反射電極を有する。イオン貯蔵ギャップは、２枚のイオン反発面１３０，１３２によって取り囲まれる。少なくとも１枚のイオン反発面１３２（図面では一番下のもの）が、前述のフリンジＲＦ電場を有するイオン反発面を有する。この面は、微細メッシュ１３１又は１組の平行電線と、その下の１個の電極１３３を有する。メッシュと電極間の距離は、メッシュ周期と同等である。メッシュと電極間にＲＦ電場が印加される。イオン貯蔵ギャップは、ＴＯＦ ＭＳのイオン加速ギャップとしても働く。図は、ＴＯＦ ＭＳの主要構成要素、即ち、無電場ギャップ、イオンミラー、及び好ましくはイオン貯蔵ギャップの側に配置されたイオン検出器１２２を示す（図２１Ｂ）。
【０１５２】
イオン貯蔵ギャップの上側反発面１３０は、フリンジＲＦ電場を有する別のイオン反発面（但し、この場合、面は、図２１Ａに示されたような２個のメッシュによって形成される）、弱い直流反発電位を有する単一メッシュ、又は空間交番ＲＦ電位を有する１組の平行電線の内のいずれでもよい。
【０１５３】
動作において、イオン源（図示せず）が、何らかのｍ／ｚレンジ内のイオンを形成する。例えば、ＥＳＩイオン源は、一般に、３０〜２０００ａｍｕのｍ／ｚを有するイオンを形成する。イオンは、ガスイオンガイドに入る。ガイドは、イオンを減衰させ移動イオン光学システムに送り込む。好ましくは、ガスイオンガイドは、ＴＯＦ ＭＳのパルスと同期されたパルスモードで操作される。イオン光学システムは、イオンビームの角度発散を最小限に抑えながら、イオン貯蔵ギャップの幅に適合するイオンビームを形成する。イオンビームは、好ましくは１〜１０ｅＶの比較的低エネルギーでイオン貯蔵ギャップに入る。ギャップは、少なくとも５ｃｍの長さに延在する。イオンは、イオン反発面から反射され、イオン貯蔵ギャップ内に留まる。必要に応じて、軽い方のイオンが、端反射電極から跳ね返される。そのような状態では、貯蔵ギャップは、全質量範囲が２０〜５０μｓ以内のイオンで満たされる。
【０１５４】
次の操作段階で、イオン貯蔵ギャップは、イオン加速器に変換される。ＲＦ電場は固定され、パルスは、イオン反発面に印加されて均一な抽出電場が生成される。イオンは、イオン貯蔵ギャップから抽出され、直流加速器（図示せず）内で加速され、イオンミラーで反射されイオン検出器に達する。検出器の側面位置の特定の事例では、イオンパケットは、直流加速器の後の偏向器によって、イオン貯蔵ギャップの側面傾斜によって、又はイオンミラーの側面傾斜によってより幅広く（wither）操作される。
【０１５５】
反発面の要素上の電位を切り替えるために多数の電気的構成が可能である。ＲＦ信号と高圧パルスの直接切り替えは技術的に困難であるが、低キャパシタンスダイオードを介して接続された高電圧スイッチを使用するか、高周波線形増幅器を使用することにより可能である。直流反発メッシュの場合、直流反発と引っ張りパルスとの切り替えは、標準パルス発生器によって構成することができる。フリンジＲＦ電場を有する反発面の場合、下電極に印加されるＲＦ電場は固定され、高圧パルスが電極の上のメッシュに印加される。
【０１５６】
イオンパルスコンバータ（パルスイオン源とも呼ばれる）の多数の好ましい実施形態を要約すると、本発明の新しいイオン操作方法は、電線間にイオンを保持するか、ＲＦフリンジ電界により表面からイオンを跳ね返すＲＦチャンネルを作成するために使用される。イオンは、幾何学的に長いイオンコンバータに低速で注入される。ガイド要素は、実質的に均一な抽出電界を形成するように電気的に切り替えられて、大きな幾何学的アクセプタンスを有する飛行時間形質量分析計に注入されるイオンパケットが形成される。コンバータは、ガスイオンガイドからのイオンビームを完全に受け入れる。コンバータは、単一デューティサイクルを有し、幅広い質量範囲のイオンを受け入れる。微小装置の使用により、コンバータは、ＴＯＦ ＭＳの分解能を改善する極めて短いイオンパケットを形成する。
【０１５７】
特許請求の範囲で使用される用語の説明
「イオン」−両方の極性のイオン、電子、帯電液滴及び固体粒子を含む荷電粒子を意味する。強い電界を使用する場合、開示した装置は、電気的に分極された粒子にも適用可能である。
【０１５８】
「イオンクロマトグラフィ」は、質量分離方法を意味する。
【０１５９】
「イオンマニピュレータ」は、イオン通過用のイオンチャネル、適切に閉じ込められた低温のイオンビームを減衰させ作成するためのイオンガイド、イオンを高速で通過させる軸方向電場を有するイオンガイド、フラグメンテーションセル、イオンを貯蔵するイオントラップ、質量分析計に注入するイオンを作成するイオン源、及び飛行時間形質量分析計用のイオンのパルスパケットを作成するイオン源のような複数の装置を含む。
【０１６０】
用語「イオントラップ」は、一般的な意味では、連続イオンビームからのイオン蓄積、イオン貯蔵、質量選択的イオンサンプリング、質量選択的又は全イオンフラグメンテーション、質量フィルタリング、質量選択的イオンサンプリング、及び最後にイオン質量分析のいずれかに使用される。
【０１６１】
「メッシュ」は、穴を有する電極を意味し、編まれたメッシュ、電解質メッシュ、１組の平行電線、又は穿孔シートを含む様々な実施形態を意味する。メッシュシートの形状は、平面、任意の円筒状又は球状でよい。方法の請求項では、「メッシュ」は、周期的静電（ＲＦ又は直流）場の形成を可能にする周期的電極構造を示す。
【０１６２】
「反発ＲＦメッシュ」は、メッシュ電極、メッシュ電極の後ろ（イオン操作ゾーンに対して）の第２の電極、及び前記電極間に接続された無線周波数（ＲＦ）電圧源を含む装置を表わす。
【０１６３】
「トラップＲＦメッシュ」は、メッシュ電極、まわりを取り囲み相互接続された２個の電極、及びＲＦ電場がメッシュのまわりに実質的に対称になるように前記メッシュと電極間に接続された無線周波数（ＲＦ）電圧源を含む装置を意味する。
【０１６４】
「ガス供給源」は、正味流を形成するために使用されるガスの流れであり、衝突減衰を提供し、フラグメンテーションを支援し、イオン分子反応を生成する。
【０１６５】
「メッシュ電極のまわりの無線周波数電場」は、メッシュ電極と周囲電極の内のいずれかとの間に無線周波数電圧源を適用することによって作成された電場である。そのような電場は、無線周波数電源の２極が交互電極に接続された双極無線周波数電場を作成する従来の幅広く使用されている方法と区別される。
【０１６６】
「粒子」は、両極性のイオン、電子、液滴、塵粒子、核粒子、広範囲の波長の光子、高速原子、周囲ガスを含む中性物質、蒸気、ドーパントガス、高反応性蒸気、及びガス不純物を意味する。
【０１６７】
「降伏電圧限界」は、任意のガス圧力で放電が起きない最低電圧を意味する。降伏限界は、周囲ガスの性質に依存し、通常は２００Ｖの範囲にある。
【０１６８】
以上の説明は、単に好ましい実施形態のものと考えられる。本発明の修正は、当業者及び本発明を作成し使用する業者には想起されるであろう。従って、図面に示され以上説明した実施形態が、単に説明のためであり、本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原理に従って解釈されるような添付の特許請求の範囲によって定義されることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１６９】
１ イオン反発システム１
２ メッシュ
３ 電極
４ ＲＦ信号発生器
５ 内部領域
６ 外部領域
７ 外側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン光学及び質量分析の分野に関し、より詳細には質量分析用にイオン移動、貯蔵及びイオンパケットの作成を行うための無線周波数（ＲＦ）装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法は、イオン操作のために様々な無線周波数（ＲＦ）装置を利用する。第１の独特なグループは、ＲＦ質量分析器を含む。
【０００３】
１９６０年代以来、無線周波数（ＲＦ）四重極イオンフィルタとポールイオントラップ型質量分析計（ＩＴＭＳ）が周知であった。両方の質量分析装置は、特許文献１に提案されている。一例の詳細な説明は、非特許文献１に見ることができる。最近になって、半径方向のイオン放出（特許文献２を参照）と軸方向のイオン放出（特許文献３を参照）による線形イオントラップが出現した。イオントラップ型質量分析計は全て、ほぼ理想的な二次ポテンシャル（双曲線面によって達成される）を用い、中間ガス圧力のヘリウムで満たされている。イオンは、例えばＲＦ電場の振幅を変化させながら、ＲＦ電場によって捕捉され、ガス衝突で弱められ、連続的に放出される。イオントラップは、いわゆるタンデム質量分析計（ＭＳ−ＭＳ）分析を可能にする（共振放出との組み合わせで）イオンのアイソレーションとフラグメンテーションを行うために多くの複雑な戦略を使用する。
【０００４】
１９９０年代の終わりに、微細加工法によって並行バッチを形成するために三次元イオントラップと四重極質量分析計を小型化する傾向が現われた（特許文献４、非特許文献２、及び非特許文献３を参照）。
【０００５】
質量分光ＲＦ装置の第２の独特なグループは、イオンガイドを含む。そのような装置のほとんどは、一次元方向に広がり通常は線形と呼ばれる二次元四重極又は多重極に基づく。線形イオンガイドは、主に、ガスイオン源から四重極のような質量分析計へのイオン移動に使用される。ガス衝突は、イオンの運動エネルギーを緩和し、イオンをガイドに対して空間的に閉じ込めることを可能にする（特許文献５を参照）。タンデムＭＳのフラグメンテーションセル内のイオン閉じ込めには、トリプル四重極やＱ−ＴＯＦのようなガス線形多重極も使用される（特許文献６を参照）。イオン移動をガイド内（特許文献７を参照）又はフラグメンテーションセル内（特許文献８を参照）で加速するために、例えば外部補助電極によって構成された軸方向直流電場が使用される。
【０００６】
軸方向直流電場によって線形イオントラップを接続して線形イオンガイドを構成することができる。多重極線形イオントラップは、三次元ＩＴＭＳ（特許文献９を参照）、ＦＴ ＩＣＲ（非特許文献４を参照）、オービトラップ（特許文献１０を参照）、及び飛行時間形質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）内への、直接（特許文献１１を参照）又は直交加速器（特許文献１２、特許文献１３及び特許文献１４を参照）を介した、イオン蓄積及びパルスイオン注入を行うために幅広く使用されている。また、イオンガイドとイオントラップは、イオンを、中性物質（neutrals）（特許文献１５と特許文献１６を参照）、電子（特許文献１７、特許文献１８及び特許文献１９を参照）、異極性イオン（非特許文献５と特許文献２０を参照）、及び光子（非特許文献６を参照）とのイオン分子反応物にさらすために使用される。
【０００７】
ほとんどの質量分光イオンガイドと線形貯蔵イオントラップ装置は、四重極及び多重極ＲＦ場のトポロジを使用する。図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、そのような多重極は、交番ＲＦ位相を有するロッドからなる。四重極イオンガイド（図１Ａ）は、組の間にＲＦ電圧が印加された２対の平行ロッドによって構成される。区別するために、ＲＦ信号の一方の位相は＋ＲＦと表され、逆の位相は−ＲＦと表される。同様に、八重極（図１Ｂ）とより高次の多重極（図１Ｃ）は、２組の交互に配置されたロッドによって構成される。多重極ロッドは、円筒面上に並べられる。軸上で正味電場（net field）をなくすために（ＲＦ＝０として示される）、通常、これらの組には逆位相の２個の同等のＲＦ信号が供給される。極めて高次の多重極の極端な事例では、内接円の湾曲が無視できるようになり、そのような多重極の一部分は、交番ＲＦ信号を有するロッドによって構成された平面のように見えるようになる（図１Ｄ）。
【０００８】
多重極をより一般的な意味で見ると、ロッド構造は、対になった隣り合ったロッドによってそれぞれ構成された１組の双極子とみなすことができる（図１Ｄ）。多重極の場合、そのようなＲＦ双極子は、環状面内に並べられる。各双極子は、個別ロッドよりかなり短い極めて短い侵入範囲（penetration range）を有する。双極子の間隔がほどほどであっても、それらの電場は独立し、双極子の柔軟な配列を可能にする。
【０００９】
図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、イオン捕捉とイオン誘導に密閉ＲＦ面が使用されている。非特許文献７では、イオン源は、交番ＲＦ信号を有する蹄鉄型電極を使用して構成される（図２Ａ）。ＲＦ双極子が、壁からイオンを跳ね返す。上側と下側は直流キャップによって接続される。イオン源の中心コアはほぼ無電界であり、このことは、電子によるイオン化とガス衝突でのイオン緩和に好都合である。図２Ｂを参照すると、交番ＲＦ信号を有する平行電線からなる線形ＲＦ双極子の２平面の間に、いわゆるＲＦチャンネルが形成される（特許文献２１を参照）。チャネルの両側で直流プラグが使用される。
【００１０】
壁近くの近距離イオン反発と無電界コアを有する密閉ＲＦ面の別の例は、リングイオンガイド（図２Ｃを参照）（非特許文献８と特許文献２２を参照）である。イオンの推進のために、位相ずれが分散された幾つかのＲＦ信号を印加することによって移動波（moving wave）が形成されるか（特許文献２３と特許文献２４を参照）、交番ＲＦ信号の上に直流信号の波が重ねられる（特許文献２５と特許文献２６を参照）
【００１１】
種々のイオンガイドの動作は、不均一なＲＦ電場によるイオン反発作用（ion repelling action）に基づく。この作用は、非特許文献９と非特許文献１０によって分析された。イオン運動は、ＲＦ電場内での高速振動と、ＲＦ電場の中間時間平均力（mean, time-averaged force）での低速運動からなる。十分な周波数があるとき、イオン振動は、ＲＦ電場均一性の幾何学的スケールと比べて小さくなる。ＲＦ電場の周期全体に亘って平均化されるそのようなＲＦ振動の平均効果は、もっと小さなＲＦ電場振幅を有する領域の方に向けられる正味力と同等である。そのような力は、いわゆる動的ポテンシャルの勾配と見なされる。その場合、低速（平均）イオン運動は、動的ポテンシャルＤと静的ポテンシャルΦの和である全（有効）ポテンシャルＶ＊内のイオン運動によって、次のように近似させることができる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
ここで、ｚｅとｍは、イオンの電荷と質量であり、ωは、ＲＦ電場の角振動数であり、Ｅ（ｒ）は、局所ＲＦ電場の強度である。式の最初の項は、動的ポテンシャルＤをＲＦ電場Ｅの局所強度に拘束し（Ｄ〜Ｅ2）、即ち、Ｄは、ほぼ鋭角で増大し且つ対称ＲＦ装置の軸上でゼロになる。換言すると、ＲＦ電場は、イオンを、強いＲＦ電場を有する領域からもっと弱い電場を有する領域内に跳ね返し、これは通常、対称装置の軸上で起こる。
【００１４】
前に引用した論文（非特許文献７）は、イオンガイドとイオントラップを構成する一般的手法を次のように述べている「〜は、二次元又は三次元空間内のＶ＊（式１の全有効ポテンシャル）の絶対最小値を示し、従ってイオンをガイドするか捕捉することができる。例えば、ほぼ無電界の体積が有効ポテンシャルの急峻な反発壁によって囲まれたイオントラップを構成することができる。そのような壁は、逆位相のＲＦ電圧とも考えられる等間隔の平行ロッドのアレイによって構成することもでき、同様に金属板又は金属電線によって構成することもできる」
【００１５】
特許文献２７は、ＲＦ双極子表面が、両方の極性のイオンを跳ね返すための独立構造ユニット（図３Ａ〜図３Ｄを参照）として働くことができることを確認している。特定のＲＦ表面は、２個の交互配置された電極平面配列（図３Ｂと図３Ｃを参照）（例えば、両方の配列に電線先端部がある）、又はハニカムメッシュと貫通先端部の配列との組み合わせ（図３Ａを参照）で構成される。そのような表面は、ＲＦ双極子からなり、強力であるが極めて近距離のイオン反発に特徴がある。特許文献２７は、双極子ＲＦ表面の上又は２個の双極子ＲＦ表面間でイオンをガイドすることを提案している。また、１対の相互配置された螺旋によって構成された異なるトポロジのＲＦ表面を有するイオンガイドが提案されている（図３Ｄを参照）。
【００１６】
特許文献２８は、イオンをガイドし、イオンを捕捉し、イオンをＴＯＦ ＭＳにパルス注入するためのＲＦ双極子表面と直流電場の間のイオン閉じ込めを提案している。特許文献２８は、幅の狭いイオンリボンの形成、ビームの位相空間の縮小、空間電荷効果なしの多数のイオンの収容を可能にする。イオンをＴＯＦ ＭＳに注入するために、ＲＦ信号は電圧パルスに切り替えられる（図４Ａを参照）。或いは、イオンは、ＴＯＦ ＭＳへの注入前に、表面誘起解離のためにＲＦ表面にぶつけられる。
【００１７】
特許文献２９は、平面ＲＦ双極子表面を使用して表面近くの個々の開放トラップ間でイオン操作することを提案している。イオンは、引っ張り直流電圧と近距離反発ＲＦ電圧をスポット又は細い線電極に印加することによって捕捉される（図４Ｂ）。周囲平面が接地され、即ちＲＦスポット又は線が接地平面又はストリップと交互にされると仮定する。電場構造は、交互の電極によって構成されたＲＦ及び直流双極子によって構成される。この装置は、イオンの捕捉、輸送、収束、及び質量による分離のために操作セルの配列を作成するように構成される。この方法は、ＰＣＢ技術、微細加工、及び小さな幾何学的スケールのイオン操作装置に十分に適合する。残念ながら、逆のＲＦ及び直流双極子が、捕捉イオンの質量範囲を実質的に制限する。
【００１８】
要するに、ＲＦ装置は、質量分析法において、質量分析並びにイオン誘導及び捕捉に幅広く使用される。ほとんどの装置は、三次元トラップ又は多重極ロッドの形状を有する。最近提案された装置は、平面ＲＦ表面を使用する。装置は全て、一連の双極子を構成するように表面（平面又は円筒面）上に並べられた交互電極で構成されると思われる。これは、交互電極の構造の作成を必要とし、この構造は、ＲＦ装置の製造を複雑にしまた大規模な配列の小型化と製造の妨げるになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第２，９３９，９５２号
【特許文献２】米国特許第５，４２０，４２５号
【特許文献３】米国特許第６，１７７，６６８号
【特許文献４】米国特許第６，８７０，１５８号
【特許文献５】米国特許第４，９６３，７３６号
【特許文献６】米国特許第６，０９３，９２９号
【特許文献７】米国特許第５，８４７，３８６号
【特許文献８】米国特許第６，１１１，２５０号
【特許文献９】米国特許第５，１７９，２７８号
【特許文献１０】ＷＯ０２０７８０４６（Thermo）
【特許文献１１】Ｆｒａｎｚｅｎによる米国特許第５，７６３，８７８号
【特許文献１２】Ｄｒｅｓｃｈらによる米国特許第６，０２０，５８６号
【特許文献１３】Ｓｃｉｅｘによる米国特許第６，５０７，０１９号
【特許文献１４】Ｍｉｃｒｏｍａｓｓによる英国特許ＧＢ２３８８２４８号
【特許文献１５】Ａｎａｌｙｔｉｃａによる米国特許第６，１４０，６３８号
【特許文献１６】Ａｎａｌｙｔｉｃａによる米国特許第６，０１１，２５９号
【特許文献１７】英国特許第２３７２８７７号
【特許文献１８】英国特許第２４０３８４５号
【特許文献１９】英国特許第２４０３５９０号
【特許文献２０】米国特許第６，６２７，８７５号（Afeyan等）
【特許文献２１】欧州特許第１２６７３８７号（Park）
【特許文献２２】米国特許第５，５７２，０３５号（Franzen）
【特許文献２３】Ｗｅｉｓｓらによる米国特許第５，８１８，０５５号
【特許文献２４】Ｗｅｉｓｓらによる米国特許第６，６９３，２７６号
【特許文献２５】２００２年のＭｉｃｒｏｍａｓｓによる欧州特許第１２７１６０８号
【特許文献２６】２００２年のＭｉｃｒｏｍａｓｓによる欧州特許第１２７１６１１号
【特許文献２７】Ｆｒａｎｚｅｎへの米国特許第５，５７２，０３５号
【特許文献２８】Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅらによる米国特許第６，８７２，９４１号
【特許文献２９】ＷＯ２００４０２１３８５
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】P.H.Dawson及びN.R.Whetten「Advances in electronics and electron physics」V.27, Academic Press. NY, 1969, pp.59-185.
【非特許文献２】Badmanらの「A Parallel Miniature Cylindrical Ion Trap Array」, Anal. Chem. V.72 (2000) 3291
【非特許文献３】Taylorらの「Silicon Based QuadrupoleMass Spectrometry using micromechanical systems」J. Vac. Sci. Technology, B, V19, #2 (2001) p.557
【非特許文献４】S.SenkoらのJASMS, v.8 (1997) pp.970-976
【非特許文献５】S.A.McLuckey, G.E.Reid及びJ.M.Wells「Ion Parking during Ion/Ion Reactions in ElectrodynamicIon Traps」Anal. Chem. v.74 (2002) 336-346
【非特許文献６】Dehmelt H.G.「Radio frequency Spectroscopy of Stored Ions」Adv. Mol.Phys. V.3 (1967)53
【非特許文献７】E.Teloy及びD.Gerlich「Integral Cross Sections for Ion Molecular Reactions. 1 The Guided Beam Technique」Chemical Physics, V.4 (1974) 417-427
【非特許文献８】Gerlich D.及びKaefer G., Ap. J. v.347, (1989) 849
【非特許文献９】LD. Landau and EM. Lifshitz in Theoretical Physics, Vol.1, Pergamon, Oxford, (1960) p.93
【非特許文献１０】H. G. Dehmelt「Advances in Atomic and Molecular Physics」ed. D.R. Bates, Vol.3, Academic Press, New York, (1967) pp.53-72
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
発明者は、イオン反発ＲＦ表面を作成するよりよい技術的方法を発見した。無線周波数（ＲＦ）面は、ＲＦ電場内の単一メッシュ電極又はＲＦ電場を制限する単一メッシュ電極によって構成することができる。メッシュ表面全体（即ち、両面）にＲＦ電場が集中するため、表面からイオンが跳ね返される。先行技術と対照的に、本発明は、交互電極システムを形成しその交互電極を単一表面内で位置合わせする必要がない。メッシュ電極は、編まれたメッシュ、電解質メッシュ、平行電線、又は多数の穴を有するシート（穿孔電極）によって形成することができる。そのような電極は、曲げられても巻き付けられてもよく、種々のイオンガイドとイオントラップを構成するのに構造的に好都合であり、より小さい規模で容易に作成することができる。
【００２２】
ＲＦ電場は、メッシュと少なくとも１個の周囲電極との間にＲＦ信号を印加することによって形成することができる（図５を参照）。システムは、電圧非対称なＲＦ給電を許容し、ＲＦ信号は、一方の電極だけに印加される。メッシュがイオンを跳ね返すので、引っ張り直流電位をメッシュに印加してもよい。
【００２３】
発明者は、更に、メッシュのまわりにＲＦ電場の２個の独特な幾何学的トポロジがあることを発見した。実質的に非対称のトポロジの第１の事例では、ＲＦ信号が、電極とメッシュの間に印加されたときに、ＲＦ電場は、メッシュの一方の側にほとんど集中する。ＲＦ電場は、強いＲＦ電場を有する電極内領域（intraelectroderegion）からイオンを跳ね返し、イオンをメッシュの向こうに押す。ＲＦ電場はメッシュ開口を貫通し、電場線のほとんどがメッシュの「影」側で閉じられるが、電界強度は、全ての表面にイオンが付着するのを防ぐのに十分である。メッシュの外部領域内のフリンジＲＦ電場は、イオン反発面と見なされ、またループに閉じられるか他の力（直流又はＲＦ）と組み合わされている間、イオンをガイド又は捕捉するために使用されてもよく、特にイオン移動インタフェースに適している。
【００２４】
対称トポロジの第２の事例では、ＲＦ電場は、メッシュ表面の両側で実質的に対称である。例えば、ＲＦ信号は、２個の電極の間に配置されたメッシュに印加される。次に、メッシュのセル内に、局所ＲＦトラップ（メッシュ構造により二次元又は三次元）が形成される。メッシュ表面がイオンを跳ね返すので、メッシュに引っ張り電位が印加されてもよく、メッシュセル内のトラップは大域になる。イオントラップのそのような配列は、特に、飛行時間型質量分析内のイオンパケット作成に適する。
【００２５】
２個の異なるＲＦ電場は、イオンに対する作用が異なる。強く非対称なＲＦ電場（最終的にフリンジ電界）内のメッシュは、メッシュの一方の側の上でイオンを跳ね返す壁を構成する。実質的に対称な電場内のメッシュは、メッシュの閉じたセル内にイオントラップを形成する。平行電線を使用する場合は、イオンガイドの配列が形成される。電場の対称性を変化させることによって、イオンを操作し、それらのイオンをセル間で捕捉又は移動させることができる。
【００２６】
発明者は、更に、新規な形式の分離メッシュが、無線周波数装置の小型化と適合し易いことを発見した。従来のイオンガイド内のロッド径より少なくとも二桁小さい１０〜３０ミクロンの電線径を有する電解質メッシュ又は編み込みメッシュが容易に利用可能である。更に、容易に利用可能な微細加工技術（ＭＥＭＳ）を使用して、ミクロンスケールの電線径を有するより微細なメッシュを作製することができる。フォトエッチング、レーザ切断及びＭＥＭＳのような技術を使用して、平行穿孔電極システムを構成してもよく、同時に電極サイズをミリメートルからミクロンに縮小し、即ち倍率Ｓを最大１０００倍にすることができる。
【００２７】
小型化自体は、極めて小さな位相空間を有するイオン雲を形成する小型イオン源を形成するのに役立つ。ＲＦトラップを小さくすると、イオンビーム閉じ込めが密になり、それによりイオンビームの位相空間が小さくなる。そのようなトラップは、例えば、飛行時間形質量分析計用の短いイオンパケットの形成に使用されてもよい。
【００２８】
小型化は、必然的に、それと比例するＲＦ周波数の上昇と関連し、即ちミクロンスケール（イオンガイド内のｍｍスケールの通常のロッドとの比較）は、ＧＨｚ周波数レンジ（イオンガイドのＭＨｚ周波数との比較）を必要とする。周波数が高いほど有効ガス圧力範囲がＳ倍に拡大し、即ち数分の１ミリバールから数分の１気圧になり、最終的に大気圧に達する。従って、質量分析及び光学分光用の種々の大気及びガスイオン源においてＲＦ収束を使用することができる。ＲＦ収束を利用して、ガス源の後の中間ガス圧力領域（ノズル領域又はノズルとスキマー間の領域）内でイオンを収束することができる。課題は、機械的に安定し洗浄可能なＲＦシステムを構成することである。
【００２９】
発明者は、また、絶縁材料又は半絶縁材料でサンドイッチを形成することによってＲＦ反発面を作成する技術的方法を発見した。一例には、金属基板に付着された絶縁（又は、半絶縁）面上にあるメッシュによって構成されたサンドイッチがある。メッシュと金属基板の間に印加されるＲＦ信号が、メッシュのまわりにＲＦ電場を形成する。そのような表面は、イオンを跳ね返し、帯電されない可能性が高い。それでもなお、制限されたｍ／ｚレンジ以外の極めてエネルギーの高い粒子又はイオンが、絶縁体に当たる可能性がある。しかしながら、十分に強い電場は、表面放電又はメッシュの方への電荷移動を支援することがある。メッシュ電線の下に隠れた絶縁ブリッジ又は２個のメッシュ電線間の絶縁ブリッジによってサンドイッチを作成する代替方法が提案され、このメッシュ電線は、例えば、容易に入手可能なサンドイッチに窓を切り取ることによって作成される。
【００３０】
小型化されたトラップは、十分な空間電荷容量を有する。個々のセルは、ＲＦ電極の壁によって互いに分離される。一見したところ、１平方センチメートル当たりのセル数は、倍率の２乗Ｓ2に比例し、セル１個当たりのイオン量は、特徴的セルサイズＲの３乗Ｒ3〜Ｓ-3に比例し、イオンの総数は〜１／Ｓである。他方、セル１個当たり１個のイオンになると、空間電荷効果が消失する。１０μｍスケールでは、１平方センチメートル当たり１０6個のセルがあり、即ち、約１００万個のイオンを、互いに空間電荷効果を引き起こすことなく貯蔵することができ、その理由は、それらのイオンが、メッシュ電線によって分離されるからである。即ち、小型化によって、遮蔽電極で取り囲まれたセル１個当たり１個未満のイオンが貯蔵されたレベルに達することができ、これにより空間電荷効果がなくなる。
【００３１】
小型化により、大量のイオントラップ配列を形成することができる。本発明は、本明細書においてイオンクロマトグラフィとして定義された新規な質量分離方法を提案する。順次動作する多数のイオントラップ間でイオンを渡すためにガス流が使用される。トラップ間のＲＦ障壁は、イオン質量と電荷の比に依存する。その結果、イオンの集まりが、従来のクロマトグラフィにおける保持時間と同様に、イオンクロマトトグラフ中のイオン通過時間によって分離される。質量によるイオン識別は、直流電場、直流移動電場、又はイオン永続運動（secular motion）の交流励起によって支援することができる。独立した小さなセルを作成する精度が相対的に低いと、セル１個当たりの質量分解能がかなり不十分になる。サイズ１０μｍで精度０．３μｍでは、セル１個当たりの分解能は１０未満になると予想される。しかしながら、多数のセルの連続通過は、セル数の平方根に比例して分解能を改善すると予想される。１００００個のトラップを保持する１０ｃｍチップ（フィルタ）は、例えば環境問題用途に十分な１０００の分解能を提供する。温度を変化させることによって勾配が形成されるガスクロマトグラフィと同様に、イオンクロマトグラフィでは、ＲＦ電圧、直流電圧、交流信号、温度又はガス流のパラメータを変化させることによって「勾配」を形成することができる。
【００３２】
前述の新規の特徴の種々の組み合わせは、特に、飛行時間形質量分析計用の効率的なパルスイオンコンバータを作成するのに役立つ。電極間の電線メッシュは、小型ＲＦイオンガイドの平面アレイを構成することが好ましい。イオンは、ガス減衰によってメッシュの線形セル内に閉じ込められる。ガイドは、幾つかの差動ポンピング段を突き抜ける。ガス流とセル空間電荷によって、イオンは、真空状態の励起領域に近づく。
【００３３】
パルスコンバータの真空側でイオンを抽出するために、ＲＦ信号が遮断され、抽出電気パルスが印加される。ＲＦ信号が中央メッシュに印加され、同時にパルスが周囲電極に印加され、一方の電極は、１個の出口（exit aperture）又は出口の配列、即ち出口メッシュを有することが好ましい。ＲＦ発生器は、ＲＦ信号の位相と同期した関係で遮断されることが好ましい。ＲＦ電場は、抽出電界を印加するある程度の前に消去されることが好ましい。例えば、ＲＦ発生器は、二次コイルの中心における接触を断つことによって数ＲＦサイクル以内に遮断される。出願された減衰ＲＦにおけるイオン膨張は、イオン自由膨張と極めて類似のイオン断熱冷却を引き起こすことは明らかである。そのような遅延は、空間的拡散を大きくするが、空間位置とイオン速度の間の相関関係を発生させ、この相関関は、更なる飛行時間収束で使用される可能性がある。
【００３４】
配列イオンガイドのサイズが小さいと、放出イオンのガス散乱を増やすことなくガイド内のガス圧力を高めることができる。ガス圧力が高いほど、イオン減衰が高速になり、パルスイオンコンバータ内の繰返し率を高くすることができる。パルスレートが高いほど、ＴＯＦのダイナミックレンジの要件が低下する。メッシュの小型化は、セルサイズに比例した雲サイズでイオンを密に空間的に閉じ込めるのに役立つ。多数のセルが、空間電荷効果を防ぎ、イオン雲の空間電荷の加熱と膨張をなくす。小さいサイズのイオン位相体積（時間的拡散と空間的拡散の積として）を、イオンパケットの時間とエネルギーの小さな広がりに変換することができ、これは、ＴＯＦ ＭＳの分解能を改善することが期待される。
【００３５】
本発明の以上及びその他の特徴、利点及び目的は、以下の明細、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより当業者によって更に理解され評価されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】先行技術の四重極ロッドセットを示す概略図である。
【図１Ｂ】先行技術の八重極ロッドセットを示す概略図である。
【図１Ｃ】先行技術の高次多重極ロッドセットの一部分を示す概略図である。
【図１Ｄ】無限次多重極を一連のＲＦ双極子に変換する極端な場合を示す概略図である。
【図２Ａ】イオン源用の直流キャップを有する先行技術のＲＦチャンネルを示す概略図である。
【図２Ｂ】イオンガイド用の直流キャップを有する先行技術のＲＦチャンネルを示す概略図である。
【図２Ｃ】交互ＲＦ結合を有する先行技術のリングイオンガイドを示す概略図である。
【図２Ｄ】移動波ＲＦ（直流）による先行技術のリングイオンガイドを示す概略図である。
【図３Ａ】交互メッシュと先端部によって構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｂ】電線先端で構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｃ】平行電線で構成された先行技術の双極子ＲＦ表面を示す概略図である。
【図３Ｄ】１対の相互配置された螺旋で構成された先行技術のイオンガイドを示す概略図である。
【図４Ａ】ＲＦ表面と直流メッシュで構成された先行技術のＴＯＦ ＭＳ用イオン源を示す概略図である。
【図４Ｂ】ＲＦ双極子と直流双極子で構成された表面近くの先行技術のイオンマニピュレータを示す概略図である。
【図５Ａ】メッシュを貫通するＲＦ電場によって構成された本発明のイオン反発面の好ましい実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】接地メッシュによる電圧非対称ＲＦ給電の例を示す図である。
【図５Ｃ】接地メッシュ近くの瞬間的ＲＦ電場の等電位線を示す電場図である。
【図５Ｄ】メッシュを大きく超えるＲＦ電場をなくす補償ＲＦ給電の例における電位線を示す電場図である。
【図６Ａ】メッシュを貫通するＲＦ電場の正規化強度のグラフである（Ｅ／［ＶRF／Ｌ］と（Ｙ／Ｌ）との関係）。
【図６Ｂ】ＲＦ電場の局所強度の二次元等線図を示す図である。
【図７】四重極（点線）、双極子ＲＦ表面（四角を含む点線）及び新規のＲＦ表面（実線）に関する、正規化された動的ポテンシャル高さと正規化されたイオン質量対電荷比との関係を示す両対数グラフである。
【図８Ａ】２個の新規のＲＦ表面で構成されたイオンチャネルを示す概略図である。
【図８Ｂ】新規のＲＦ表面で任意の円筒を包むことによって構成されたイオンチャネルを示す概略図である。
【図８Ｃ】新規のＲＦ表面と外部反発直流電極とによって構成されたチャネルを示す概略図である。
【図８Ｄ】新規のＲＦ表面で任意の箱を包むことによって構成されたイオントラップを示す概略図である。
【図９Ａ】電極の内の１個の電極を流れる電流によって形成される軸方向の直流電場を有するイオンガイドを示す概略図である。
【図９Ｂ】電界の軸方向に伝搬する移動波を有するイオンガイドを示す概略図である。
【図１０Ａ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｂ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｃ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｄ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｅ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｆ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｇ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｈ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｉ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｊ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｋ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１０Ｌ】新規のイオンガイドを使用するポンピング方式を示す概略図である。
【図１１Ａ】巨視的メッシュを使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｂ】穿孔円筒を使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｃ】同軸リング又は螺旋を使用して構成されたイオンガイドの例を示す概略図である。
【図１１Ｄ】フレーム電極に取り付けられたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｅ】フレーム電極に取り付けられたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｆ】円形フレームに結合されたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１１Ｇ】円形フレームに結合されたメッシュ電極を示す概略図である。
【図１２Ａ】（半）絶縁層とのＲＦサンドイッチを示す概略図である。
【図１２Ｂ】（半）絶縁ブリッジとのＲＦサンドイッチを示す概略図である。
【図１２Ｃ】位置合わせされたメッシュを有するＲＦサンドイッチ（３層サンドイッチの切断部部分）を示す概略図である。
【図１３Ａ】高ガス圧力での追加のＲＦ収束を使用するイオン移動インタフェースを示す概略図である。
【図１３Ｂ】配列ノズルを通る高ガスフラックスと、複数の差動ポンピング段を突き抜けるイオンガイドとを有するイオン移動インタフェースを示す概略図である。
【図１４Ａ】メッシュのまわりの対称ＲＦ電場を有するＲＦ電極を示す概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの対称ＲＦシステムにおける等電位線の図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａの対称ＲＦシステムの電界Ｅの等強度線（Ｅ等線図）を示す図である。
【図１５Ａ】対称ＲＦシステムにおける電位分布のグラフである。
【図１５Ｂ】対称ＲＦシステムにおける電界強度のプロファイルを示すグラフである。
【図１５Ｃ】ＲＦ係数ｇ＝０．０５の場合の対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１５Ｄ】ＲＦ係数ｇ＝１の場合の対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ａ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ｂ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１６Ｃ】係数ｇが０．０３５〜０．０１５の範囲での対称ＲＦシステムにおける全ポテンシャルのプロファイルを示すグラフである。
【図１７】対称ＲＦシステムのイオン質量の関数として正規化全ポテンシャルを示すグラフである。
【図１８Ａ】ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの概略側面図である。
【図１８Ｂ】ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの概略端面図である。
【図１９Ａ】対称メッシュ装置を有するＴＯＦ ＭＳのイオンコンバータのブロックと概略図である。
【図１９Ｂ】動的ポテンシャルの等値線によりパルスイオンコンバータの断面を示す図である。
【図１９Ｃ】イオン放出段におけるパルスイオンコンバータを示す図である。
【図１９Ｄ】パルスイオンコンバータの概略図である。
【図２０Ａ】２組のメッシュガイドを備えたパルスイオンコンバータの概略側面図であり、ＴＯＦ ＭＳの示す主要構成要素を示す。
【図２０Ｂ】２組のメッシュガイドを備えたパルスイオンコンバータの概略平面図であり、ＴＯＦ ＭＳの主要構成要素を示す。
【図２０Ｃ】２組のメッシュガイドを有するパルスイオンコンバータの斜視図である。
【図２１Ａ】反発面で構成されたイオン貯蔵ギャップを有するパルスイオンコンバータを示す概略側面図である。
【図２１Ｂ】反発面で構成されたイオン貯蔵ギャップを有するパルスイオンコンバータを示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
ＲＦ反発面
【００３８】
図５Ａを参照すると、非対称ＲＦ電場を使用する本発明のイオン反発システム１は、メッシュ２及び電極３と、メッシュと電極の間に接続されたＲＦ信号発生器４とを有する。システムは、電極２と３の間の内部領域５と、メッシュの後ろの外部領域６とを構成する。接地された外側電極７（真空チャンバを表わす）は、外部領域内でメッシュ２から離間され、電極２と湾曲電極７との距離は、メッシュ２のセルサイズより遙かに大きい。ＲＦ電位は、メッシュ２又は電極３に非対称的に印加されてもよい（図５Ｂと図５Ｃ）。或いは、両方の電極に逆位相（＋ＲＦと−ＲＦとして示された）のＲＦ信号が印加されてもよく（図５Ｄ）、その振幅は、外部領域６内のＲＦ電場を最小にするように調整されてもよい。
【００３９】
図５Ｃを参照すると、二次元メッシュ（即ち、平行電線によって構成された）の特定の例におけるメッシュのまわりのＲＦ電場を示し、この二次元メッシュは、電線径ｄが電線間隔Ｌの５分の１であり、電線平面と電極平面Ｈとの距離が電線径ｄと等しく、即ちｄ＝０．２ＬでＨ＝０．２Ｌである（二次元の場合にＲＦ反発力を最大にするために使用される幾何学形状）。外部接地された電極７は、Ｌよりはるかに大きい距離にあると仮定され、距離Ｓ＝３Ｌにある平面で電場対称条件を設定することによりモデル化される。振幅ＶRFのＲＦ電場が、背面電極３に印加され、一方メッシュ２は接地される。ＲＦ電場は、電極の電位が最大値Ｕ＝ＶRFに達する瞬間の等電位線を示すことによって可視化される。等電位線を見ると、電場がメッシュ開口を貫通することが分かる。Ｕ＝０．５ＶRFを有する等電位線は、メッシュのほぼ上側面でメッシュ開口に侵入する。接地されたメッシュ電線は、フリンジ電界と空間的に交互になる。外部空間内のＲＦ電場を検査するために、侵入する等電位線を同じ電位を有する電極と置き換えることができる。Ｕ＝０．５ＶRFの侵入線は、交番電位を有する正確に位置が合った電極配列を構成する必要がないという点を除き、交番電位を有する侵入電極と等価である。換言すると、フリンジＲＦ電場（即ち、メッシュを貫通する）は、類似の双極子電場構造をより単純な手段によって作成する。侵入電場は、はるか遠くに正味電位（この特定の場合は０．３ＶRFと等しい）を発生させ、即ち、双極子を形成するために電圧の７０％しか利用されない。
【００４０】
図５Ｄを参照すると、外部空間６内のメッシュの上の正味ＲＦ電場は、メッシュと電極の間のＲＦ信号を分散させることにより補正するか又は平衡を保つことができる。外部ＲＦ電場を補正するこの幾何学的な例では、メッシュ２に０．３ＶRFを印加し、電極３に０．７ＶRFを印加するような、逆位相の２個のＲＦ信号を印加し振幅を調整しなければならない。図面で位相差を強調するために、メッシュ電圧は、−０．３ＶRFと示される。外部電場の平衡が、ＲＦ信号の等しい振幅において電極形状を調整することにより（例えば、ｄ＝０．１２ＬとＨ＝０．２Ｌ）達成されてもよいことに注意されたい。外部ＲＦ電場が完全に補正されない場合でも、外部領域のＲＦ電場は弱く、メッシュの近くよりもはるかに均一である。その結果、動的ポテンシャルの勾配は、メッシュ近くの勾配と比べて無視することができ、ＲＦにより生じる力は、メッシュ近くだけで考慮されればよい。
【００４１】
イオン反発は、同じ電極システム内での局所的電界強度Ｅの分布をシミュレートすることによって特徴付けられる（ＶRF電位が電極３に印加され、離間Ｌを有するメッシュ２と外側電極７が接地される）。図６Ａは、正規分布Ｅ／［ＶRF／Ｌ］を、平面が電線中心に対応する場合（Ｘ＝０と破線）と電線間の中間にある場合（Ｘ／Ｌ＝０．５で実線）の（Ｙ／Ｌ）の関数として示す。外部領域の電場Ｅが内部領域と比べてはるかに弱いことがすぐに分かる。前述の式（１）は、局所電場Ｅの強さを動的ポテンシャルＤの高さにＤ〜Ｅ2として関連付ける。従って、動的ポテンシャルは外部領域で低くなり、動的ポテンシャルの勾配は、外方に向けられメッシュ平面の上でイオン反発を引き起こす。
【００４２】
図６Ｂを参照すると、同じ電極システムの局所電場（Ｅ等線図（equiline））の二次元等線図が示される。線は、所定のイオンエネルギーにおけるＲＦ電場内へのイオン侵入の「潮汐線（tidal line）」に対応する。フリンジＲＦ電場は、イオンを減速する動的ポテンシャルの壁を作成する。幾何学形状（ｄ＝０．２ＬとＨ＝０．２Ｌ）が、両方の最も弱い箇所、即ちメッシュ表面近くと背面電極近くで、最も強い正規化電場Ｅ／［ＶRF／Ｌ］＝２を提供することに注意されたい。
【００４３】
交番電位＋ＶRF及び−ＶRFを有する平行電線を有する従来のＲＦ反発システムと比較する。後者は、ｄ＝０．４４Ｌで、電界強度が電線上部と電線間の中間で等しいときに最適化する。次に、電界強度は、Ｅ＝１．５３ＶRF／Ｌに達し、ここでＶRFは、電線間の信号の振幅（即ち、ピークツーピーク電圧）である。フリンジＲＦ電場を有する本発明のシステムでは、電場の強さがもっと高く、Ｅ＝２ＶRF／Ｌに達し、これは、「有効」中間電極の現れと、２倍稠密な双極子構造の形成によって説明することができる。
【００４４】
イオン反発効率を比較するには、各システムを個々に最適化されたＲＦ周波数で検査しなければならない。最適周波数は、ｍ／ｚ（質量電荷比）が最も低いイオンで安定した微細運動を提供しながら動的障壁の高さを最大にできるように十分に低くなければならない。しかしながら、最適でない周波数が選択された場合は、異なるｍ／ｚでちょうど最大障壁に達する。イオンｍ／ｚをカットオフ質量や他の幾つかの特性質量（characteristic mass）に対して正規化する場合は、周波数係数を除外することができる。
【００４５】
図７は、イオンｍ／ｚの関数としての動的ポテンシャルの正規化高さＤ／ＶRFの両対数グラフである。曲線を合わせるために、イオン質量は、個々の曲線の最大値ｍ＊に対応する質量に対して正規化される。点線の曲線は、四重極に対応し、白い四角を含む点線は、交番電線を有する双極平面に対応し、実線は、本発明のシステム（フリンジ電場を有する二次元メッシュ）に対応する。動的ポテンシャルＤの高さは、イオン光学シミュレーションにおいて、衝突位置、角度又はＲＦ位相に関係なく全てのイオンが跳ね返される電荷１個当たりの最大イオンエネルギーεとして定義される（Ｄ＝ｍａｘ（ε））。粒子は、無電界ゾーンから出発し、強いＲＦ電場を有する領域に衝突する。電位Ｄは、ピークトゥピークＲＦ電圧（ＶRF）に対して正規化される。公平な比較をするために、フリンジ電界を有する新規システムのメッシュと背面電極は両方とも、逆位相と同じ振幅のＲＦ信号が供給される。そのような正規化は、Ｄ／ＶRFの計算には必要ないが、質量ｍ＊に対する幾何学的影響を求めるには必要である。
【００４６】
図７を参照すると、四重極だけにイオン不安定性によって生じる低質量での明確なカットオフに特徴があり、これは、ｑ〜０．９０９で生じることが分かっている。障壁は、ｑ＝０．３で最大Ｄ／ＶRF〜０．０２５（１０００Ｖｐ−ｐにおける２５Ｖの障壁に対応する）に達し、これは、断熱運動では最大ｑに対応することが知られている。式１から、四重極における類似の障壁高さは、次のように予想される。
【００４７】
【数２】
【００４８】
【数３】
【００４９】
実際には、低速永続運動（slow secular motion）の外部境界にｒ＝０．８Ｒで達し且つＲＦ運動に多少の空間が必要とされると仮定すると、ｑ＝０．３でＤ＝０．０２５ＶRFである。ｑがもっと高いとき（ｑ＞０．３）、粒子は速く衝突し過ぎ、ＲＦサイクルが極めて少なくなり、その結果、式１は、障壁を表すことができなくなる。式２から予想されるように、質量がもっと大きい（ｑが低い）とき、障壁は、ｑに比例するように見え（図７で確認される）、両対数グラフでは、Ｄ（ｍ／ｚ）は勾配＝−１を有する直線になる。
【００５０】
他のシステムは、調和からは程遠く、式２と式３は適用できない。しかしながら、これらは、断熱領域内、即ちｍ＞ｍ＊と最大ｍ〜ｍ＊の近くで極めて似た挙動を示す。低質量領域、即ちｍ＜ｍ＊では違いが現われる。極めて不均一な電場を有するシステムは、低質量で明確なカットオフを示さない。より弱いイオン反発だけがあり、即ちシステムは、より幅広い質量範囲の低エネルギーイオンを保持することができる。ガス充填イオンガイド内の質量範囲を推定するために、イオン保持に障壁Ｄ＝１Ｖ（即ち、１０００Ｖｐ−ｐでＤ／ＶRF〜０．００１）が十分であると仮定することができる。この場合、四重極は、２ディケードの伝送質量範囲（図７）を提供し、同時に双極及び単極の両方のＲＦ表面は、既に３ディケードの質量範囲を提供しており、これは、細い電線近くのＲＦ電場の不均一な構造によって説明される。そのようなイオンガイドは、例えば広い質量範囲（例えば、１００〜１００，０００ａｍｕ）のイオンを生成するＭＡＬＤＩイオン源に適している。
【００５１】
また、図７では、フリンジ電界を有するＲＦ表面の最大値Ｄが、四重極と比べて約半分、双極子表面のＤの約１．４分の１であることが分かる。このことは、新規なシステムにおける侵入等電位がＶRFの７０％に相当するという理由で、理解することができる（図５Ｃ）。メッシュによるこの３０％の電界遮蔽を考慮すると、フリンジＲＦ電場は、双極子ＲＦ表面と同じイオン反発を提供する。最大点でＤが多少低いにもかかわらず、システムは、更に、３ディケードとして推定される広い質量範囲でイオンを捕捉し移動させることができる。
【００５２】
質量範囲の違いを説明するために、幾何学的スケールＧの特徴が、各電極システムと関連付けられる。参考のため、四重極セットにおける特徴スケールとして内接半径Ｒが提供され、即ち他のシステムのＧを求めるために、Ｄ／ＶRF曲線の最大値が同じ断熱パラメータｑ＝０．３で達成されると仮定される。上記のシミュレーションに基づいて、特徴的幾何学的スケールは、次の通りである。
【００５３】
・Ｇ＝Ｒ （即ち、ロッド中心間の間隔の４分の１）四重極の場合
【００５４】
・Ｇ＝０．３Ｌ セルサイズＬ、電線径ｄ＝０．２Ｌ、及び電極との間隔Ｈ＝０．２ＬのＲＦメッシュの場合
【００５５】
・Ｇ＝０．５５Ｌ 間隔Ｌと電線径ｄ＝０．４Ｌの双極子ＲＦ電線の場合
【００５６】
四重極システムと同様に、このときＲの代わりにスケールλを使用して式（３）次のように最適周波数Ｆを導出することができ、ｍ＝ｍ＊とｑ＝０．３で最大障壁Ｄに達することに注意されたい。
【００５７】
【数４】
【００５８】
式（４）から、最適周波数が、全てのＲＦ装置の幾何学的スケールに反比例するように調整されなければならないと予想される。
【００５９】
ＲＦ表面を使用する装置
図８を参照すると、ＲＦ反発面をイオントラップとイオン誘導に使用することができる。ＲＦ反発面を別のＲＦ表面又は直流電場と組み合わせることができる。例えば、メッシュ１０と周囲電極１４によって構成された１対のＲＦ反発面で、イオンチャネル１２ができる（図８Ａ）。従って、単一ＲＦ表面で円筒を包むことにより、円筒状イオンガイドができる（図８Ｂ）。引力直流電位をメッシュ１０か背面電極１４又はその両方に印加して、イオンをガイドするために使用できる最低限の全ポテンシャルを有するチャネルを作成することができる（図８Ｃ）。図は、カウンタ電極１６上の同等の反発直流電位を示す。特に指定しない場合は、直流電極１６（図８Ａと図８Ｃ）、ＲＦ反発面１０及び１４、又はＲＦ電極１８（図８Ｂ）によってイオンを軸方向に接続することによって、任意のタイプのイオンガイドを線形イオントラップに変換することができると仮定する。図８Ｄで分かるように、任意の形状の箱１４（例えば、球体又は平行六面体）をＲＦ反発面で包むことでもイオントラップが構成される。
【００６０】
ＲＦ電源と直流電源が分離されてもよいので（例えば、ＲＦ電源が一方の電極１８だけに接続される）、別の電極は、有限導電率を有してもよく、直流勾配を作り出すために使用されてもよい。図９Ａを参照すると、イオンガイドの一例が示され、ＲＦ電源は、外部電極１８にだけ接続され、内側メッシュ２０に電流を流すことによって軸方向の直流勾配が調整される。そのような電流は、イオンを好ましい方向（通常は軸方向）に駆動するように連続的でもよくパルス化されてもよい。ＲＦ電圧と直流電圧の印加は逆にされてもよいことは明らかである。この場合、ＲＦは、中央メッシュ２３に印加され、直流勾配は、外部から調整され、部分的にメッシュを貫通する。図９Ｂで分かるように、外部直流電場を、メッシュを通ってイオンガイドのコアに侵入する移動波直流電場（位相１、２、３、４で印加される）に変換することができる。移動波は、イオン移動時間を正確に制御することが知られており、又はより高速に調整された場合は、ガス分子とのエネルギー衝突でイオンフラグメンテーションを引き起こすことができる。
【００６１】
イオンガイドを使用して真空中にイオンを通すことができる。イオンは、イオンエネルギーが有効動的ポテンシャルより低い限り閉じ込められたままになる。しかしながら、ガスを添加することは、多くの場合に有益である。イオン運動の減衰は、内部エネルギーを低下させることによってイオン運動エネルギーを減少させイオンを安定させる（イオン形成又はイオン輸送で励起される可能性が高い）。以下に述べる用途の大部分では、イオンガイドは、１ｍｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの中間ガス圧力で操作されると仮定する。
【００６２】
メッシュで作成されたイオンガイドは、中間の極めて弱い（実際に無視できる）電場と壁近くの急峻な電場に特徴がある。ある意味、ガイドは、管のようにふるまう。図１０Ａ〜図１０Ｌの概略図を参照すると、多くの配管解決策を実施することができ、その解決策には、イオン流の屈曲（Ａ）とループ（Ｂ）、並行流（co-flow）及び向流（counter-flow）用の平行チャネル構成（Ｃ）、平滑型又は段型漏斗内のイオン流の閉じ込め（Ｄ）、イオン流の合流（Ｅ）と分流（Ｆ）、自由排出口の作成（Ｇ）、イオン流の蓋締め（Ｈ）又は弁切り替え（Ｉ）、イオンリザーバの構成（Ｊ）、パルスダンパ（Ｋ）、及びポンプ（Ｌ）がある。これらの基本管装置をより専用化された装置に組み込むことができる。幾つかの特定の応用に関して本明細書で後で述べる。
【００６３】
ＲＦチャンネルの中間のＲＦ電場は、特に密閉ＲＦチャンネルのコア内ではほとんど無視することができる。真空状態では、イオンは、その初期エネルギーにより移動する。しかしながら、イオンがＲＦ反発面と接触するとイオンが散乱する可能性が高い。注入されたイオンビームの動きは、チャネル内のガス拡散と同様になる。ガスイオンの場合、動きが減衰し、イオンはやはり拡散する。チャネル内のイオンの正味運動（振動又は捕捉も）を制御するには、特にダンピングガスのある状態では、追加の駆動力が必要とされる。多数の方法が提案され、そのような方法には、前述の直流ポテンシャル勾配法（管圧力と同様）、外部電極内のガス流、メッシュを通る移動波静電場（蠕動ポンプと同様）、メッシュを貫通する移動波直流電場、意図的に作成された勾配、又はメッシュを通って開チャネル（例えば、不規則なメッシュ構造を作成することにより形成される）内に侵入するか又は異なる周波数のＲＦ信号を内側メッシュの別々の部分に印加することによって形成されたＲＦ電場の回転がある。チャネルの中間では電界が無視できるので、静止横方向磁場はプラグとして働く。プラグは、イオン流を時間で変調するためにオンとオフに切り替えられてもよい。同様に、移動磁気フロントはイオン流を発生させる。
【００６４】
前述の全ての駆動方法は、ガイド内の軸方向運動を制御し、イオン貯蔵のために管の一端を接続し、接続と放出によってイオン流を収束し、イオン振動を発生させてガス衝突におけるイオンを加熱するかイオン反応を促進し、イオンを制御されたフラグメンテーションレベルに励起し、最終的に電気放電と蒸気のイオン化を発生させるために使用することができる。
【００６５】
ＲＦイオンガイドは、両方の極性の粒子に等しく作用し、従ってそのような粒子を、イオン−イオン間反応又はイオン−電子間反応のために同時に保持又はガイドすることができる。メッシュ内のＲＦ電場侵入にもかかわらず、対称的（例えば、同軸）ガイドは、無電界コアを有する。そのような内側コアは、通常ならＲＦ電場内で不安定になる遅い電子を通すために使用されることがある。電子は、電子衝撃によるイオン化、電荷再結合、又は電子捕獲解離のために使用されることがある。
【００６６】
侵入（漏れ）ＲＦ電場を有するメッシュによって閉じられた前述のイオンガイドは、ガス状態と真空状態で動作する種々様々な質量分光装置に適用可能である。リストは次の通りである。
【００６７】
・内部イオン化によるイオン源（ＰＩ、ＥＩ、ＣＩ、ＡＰＣＩ等）。ＲＦ表面は、反応荷電粒子（例えば、イオン化のための電子及び反応物イオン）をトラッピングする働きをし、生成イオンを閉じ込め冷却するために使用される。
【００６８】
・外部イオン化によるイオン源と、パルスイオンパケットを作成して質量分析計（例えば、ＴＯＦ ＭＳ）に軸方向又は直交加速器を介して導入するための貯蔵装置。
【００６９】
・イオン輸送、閉じ込め、収束、貯蔵及びイオン励起を行うためのイオンガイド。
【００７０】
・例えば単一質量分析計上で複数のイオン源を組み合わせるために使用されるイオン流の合流器と分割器。
【００７１】
・イオン蓄積及び操作用のイオントラップ。
【００７２】
・ガス衝突誘導（ＣＩＤ）及び表面誘導（ＳＩＤ）解離を含むフラグメンテーションセル、電子捕獲解離（ＥＣＤ）とイオン捕獲解離（ＩＣＤ）用のセル。
【００７３】
・イオンリアクタ。多価イオンの電荷を減少させるためのセル。
【００７４】
・上記の複数の装置を組み合わせる混成装置。一例は、前述のＴＯＦ ＭＳ内に低速でイオンを移動させ且つイオンを垂直方向に周期的パルス化するためのイオンガイド。
【００７５】
巨視的ＲＦ表面
メッシュＲＦ反発面の応用は、容易で確実な製造と、センチメートル及びミリメートルスケールのロッドで作成された従来の巨視的イオンガイドよりも小さい幾何学的スケール（サブミリメートル）の利用し易さによって促進される。
【００７６】
図１１を参照すると、巨視的ＲＦ表面の機械設計が考慮される。巨視的メッシュは、１組の接続されたリング２２（図１１Ａ）、穿孔された薄肉管２４（図１１Ｂ）、溶接バー２８によって支持された螺旋電線２６（図１１Ｃ）等の複数の電極で作成することができる。そのような装置は、幾何学的スケールを縮小するサブミリメートル電線で作成することができる。
【００７７】
更に細かいセル構造は、電解質の編まれたメッシュを使用して作成されてもよい。種々のセル形状（例えば、正方形、長方形、六角形）の電解メッシュが利用可能である。機械的組み立てには、５０〜１００ＬＰＩ（セルサイズ０．２５〜０．５ｍｍ）で電線太さ１０〜３０μｍの微細メッシュが扱い易い。メッシュを背面電極と位置合わせする最も簡単な方法は、平面フレーム上にメッシュを延伸させることである。複数のメッシュ取り付け方法が利用可能であり、延伸されたメッシュは、例えば、同軸リム、スポット溶接、はんだ付け、又は接着を使用してフレーム電極に取り付けることができる。そのような技術は、図１１Ｄと図１１Ｅに示されたような平面幾何学形状とほとんど適合可能である。ＲＦ表面間で縁を終端させるために、直流反発電極を使用することができる。
【００７８】
延伸メッシュの別の例は、図１１Ｆに示されたような環状フレーム３０にスポット溶接された１組の電線である。そのようなかご型の筒は、円筒状メッシュを作成する。メッシュは、同軸外側電極３２の内部で配置され、これらの間にＲＦ信号が印加される。このシステムは、フレームの近くではイオンを跳ね返さず（このことは、イオン光学的設計では検討されるべきである）、イオンが取り付けフレームから遠くに導入されるか又はイオンが縁の近くで直流プラグによって跳ね返される。図１１Ｇは、湾曲メッシュ３４を有する設計を示す。幾何学的精度を改善するために、そのようなメッシュは、多くの場合電解法によってを形成することができる。技術面での優位性から、メッシュは、イオンを跳ね返すために一方の側の直流プラグ３６に取り付けられる。背面電極に対するメッシュの位置決めは、ＲＦ表面を小型化する際の限定要因である。より小規模な装置は、更に、異なる手法を必要とする。
【００７９】
微視的ＲＦ表面
図１２Ａ１〜図１２Ａ２を参照すると、メッシュ３８、シート電極４０及びそれらの間の絶縁又は半絶縁薄膜４２を含むイオン反発面のためのＲＦサンドイッチ組立体が示される。ＲＦ信号は、メッシュとシートの間に印加される。そのようなサンドイッチは、メッシュの機械的支持を提供し、導電性電極間の間隔を制御する。その結果、サンドイッチ構造は、ミクロンスケールに達する特徴形状を有するイオン反発面のより微細な小型化を可能にする。
【００８０】
そのようなシステムを作成する多数の方法がある。特定の一実施形態では、メッシュは、絶縁性シート４２（又は、半絶縁性シート）上にある（又は、取り付けられる）。ＲＦ電場は、絶縁体を貫通し、イオン反発面の形成を可能にする。幾つかの好ましい状態では、ＲＦ電場は、表面からの電荷除去に役立つことがある。また、半絶縁体の制限されたコンダクタンスが、表面の帯電を防ぐ。最も重要なことに、絶縁体は、メッシュの機械的支持を提供する。固体絶縁体は、電極間の絶縁破壊を防ぐ。そのような設計は、メッシュの破損やメッシュセルの詰まりなしに洗浄に耐えることができる。
【００８１】
図１２Ｂ１〜図１２Ｂ２を参照すると、微視的ＲＦサンドイッチは、代替方法によって作成され、この方法では、絶縁体アイランドは、メッシュ電線の後ろに隠される。例えば、メッシュ表面の一方の側の化学的改質により、その面を絶縁することができる。或いは、２枚の接着した薄膜（１枚が導電性で１枚が絶縁性）の既存サンドイッチが、穿孔され（例えば、レーザによって）、次に基板電極上に配置される。絶縁体は、電極間の隙間に使用され、メッシュを基板電極に接着するのに理想的である。或いは更に、絶縁体層と金属層が上に予め付着された金属基板が、スクラッチ処理やエッチング処理に掛けられて金属基板まで溝が刻まれる。
【００８２】
図１２Ｃ１〜図１２Ｃ２を参照すると、微視的ＲＦサンドイッチは、間に絶縁アイランドを有する１対の位置合わせされたメッシュを使用して作成される。例えば、３枚のシート層によって形成された既存のサンドイッチが穿孔されて、単一サンドイッチメッシュが形成される。或いは、既存の半絶縁メッシュが、非導電性になるように表面上で改質されるか、金属被覆が両面に付着される（例えば、滑り角（sliding angle）での金属スパッタリングによって）。
【００８３】
上記の構造及び製造方法は、中間幾何学的スケールで平面ＰＣＢと軟質フィルムＰＣＢに適用可能である。
【００８４】
微細加工方法（ＭＥＭＳ）を使用してほぼ平面の微細構造を作成することができる。湾曲したサンドイッチメッシュは、微粒子の圧縮によって形成してもよく、電解法をＭＥＭＳ法と組み合わせて使用することにより形成してもよい。
【００８５】
小規模のＲＦメッシュは、並列装置の配列の形成に適合する。例えば、複数の並列イオンガイドは、空間電荷の影響を減少させ多数のイオンの貯蔵を可能にする。しかしながら、提案された装置の大部分では、セルサイズと背面電極までの距離だけが微視的である。これは、ｍｍ及びｃｍスケールのボアサイズを有する巨視的開チャネル又はトラップの配列を妨げない。
【００８６】
ガス圧力範囲の拡大
前述のイオンガイド作成方法は、ミクロンスケールの特徴を持つ真の微視的サンドイッチメッシュを生成するのに有望である。式４によれば、周波数は、幾何学的スケールに反比例するはずである。１００〜１００００ａｍｕの質量範囲のイオンを保持するには、ＲＦ信号の周波数をＦ＝１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で上昇させなければならない。発生器の出力は周波数と共に上昇するため（Ｗ〜ＣＶRF2Ｆ／Ｑ。ここで、Ｃは電極容量、Ｑは共振回路のＱ因子（quality factor））、同じ電圧を維持することは困難になる。電圧を１０分の１に緩和すると（例えば、１００Ｖに）、出力が減少し、周波数Ｆも低下する。小型化は、キャパシタンス（一般に幾何学的スケールに正比例する）の最小化と共に行われるはずである。接続ケーブルをなくしＲＦ共振回路を電極の近くに保持することにより、全静電容量を１０ｐＦ以下にすることができる。共振回路品質が約Ｑ〜１００の場合、消費電力は、周波数１ＧＨｚでわずか１０11＊１０4＊１０9／１０2＝１Ｗである。１ｋＶの信号は、小さな体積内で１００Ｗの損失を引き起こすため現実的ではない。また、より小さいサイズ又はより高い圧力では、ＲＦ電圧も放電によって２００Ｖ未満に制限されることに注意されたい。
【００８７】
周波数が高いほどＲＦ収束のガス圧力範囲が拡張され、この拡張は、イオン運動が慣性的特徴を有する間、即ち衝突緩和時間τがＲＦ電場の周期より長いときに起き、これは次のように表すことができる。
【００８８】
【数５】
【００８９】
ＲＦ周波数Ｆ＝ω／２πを有効ガス圧力制限Ｐと関連付けるために、緩和時間が、イオン衝突とガス衝突間の平均時間に運動量交換効率を掛けたもの、即ちτ＝（λ／ａ）（ｍ／ｍg）として計算されることを考慮しなければならない。 λ＝１／ｎσ、Ｐ＝ｎｋＴとすると次の式が得られる。
【００９０】
【数６】
【００９１】
ここで、ｍgはガス分子の質量であり、λ、ａ、ｎ及びＴは、ガスの平均自由分子経路、音速、特定の濃度及び温度であり、σはイオン断面積、ｋはボルツマン定数である。
【００９２】
この結果から、有効ガス圧力Ｐmaxの範囲が、ＲＦ周波数ωに比例して広がり、それに伴ってＲＦ表面の空間スケールが縮小することが分かる。また、式（６）は、圧力範囲が、大きい粒子ほどそのｍ／σに比例して広がることを示す。周波数をＭＨｚからＧＨｚレンジに高めることによって、圧力範囲が、トル以下の範囲（sub torr range）から大気圧以下の範囲（sub atmospheric range）に拡大する。そのような装置は、大気圧イオン源と質量分析計間のイオン輸送インタフェースにおけるイオンＲＦ収束と閉じ込めに使用され、また最終的に大気条件で大きなイオンと粒子（帯電した微小液滴等）のＲＦ収束を支援するために使用されてもよい。
【００９３】
式６の分析を下の表１に示す。最大イオン輸送に対応する質量は、１００〜１００００ａｍｕの質量範囲の取得を保証するために、約ｍ＊＝１０００に選択される。図７によれば、障壁は、０．００２ＶRFより上、即ちＶRF＞２００Ｖで０．４Ｖより高いままである。出力は、Ｑ係数＝１００と仮定して計算される。イオンの断面は、σ＝１０-18ｍ2と仮定される。
【００９４】
【表１】
【００９５】
ガスイオンインタフェース
図１３Ａを参照すると、ガスイオンインタフェース５０の好ましい実施形態は、ガスイオン源５２を質量分析計に接続する多数の差動ポンピング段を含む。図１３Ａでの特定の例は、大気領域５２内のＥＳＩイオン源、ノズルの後ろの領域５４、及びスキマーの後ろの領域５６を示す。段は、開口によって分離され差動ポンピングされ、ポンプは矢印によって示される。好ましい実施形態は、更に、大気イオンガイド５３、ノズルの後ろの中間イオンガイド５５、及びスキマーの後ろのイオンガイド５７を含むイオンガイドを種々の段に含む。
【００９６】
この実施形態の各イオンガイドは、ＲＦ反発面を有するチャネルを有する。ＲＦ表面は、前に図８ｂ、図９Ａ〜図９Ｂ及び図１１Ａ〜図１１Ｇに示されたように、内側メッシュ、周囲電極、及びメッシュと電極の間に接続されたＲＦ電源を有する。必要に応じて、図１２のように、メッシュと電極の間に絶縁体又は半絶縁体が挿入される。チャネルは、円筒状又は実質的に平面であり、任意の前述の微小機械加工方法（ＭＥＭＳ）、平面ガイドではＰＣＢ技術、円筒状ガイドでは柔軟ＰＣＢ技術を使用して作成されることが好ましい。
【００９７】
図１３Ａの好ましい実施形態は、実際には、従来のイオン移動インタフェース内に追加のＲＦイオンガイドを使用することを提案する。典型的なＥＳＩでは、試料溶液が、帯電エアロゾルに微粒子化され、エアロゾル蒸発の遅い段階でイオンが形成される。全噴霧電流は、１００〜５００ｎＡの範囲である。主に空間電荷効果のために、ＥＳＩエアロゾルがイオン源内で拡散し、サイズ約１センチの領域内で蒸発小滴からイオンが抽出される。イオンは、ノズルを介してサンプリングされ、実質的に稠密ガス流に凝固される（即ち、イオン流が、ガス流の後に続き、ガス流として拡大する）。サンプリングされた電流は、ノズルを通るガスフラックスに比例する。ノズルの後ろの標準ガス圧力は、約１Ｔｏｒｒであり、これにより、ガスフラックス（質量の流れ）がノズルによって１０Ｔｏｒｒ＊Ｌ／ｓに制限される（１０Ｌ／ｓ未満の前段真空ポンプの適切なポンピング速度で）。ガスフラックスが少ないと、ノズル径が０．５ｍｍ未満に制限され、ノズルによるイオンサンプリング効率が全噴霧電流の１％未満に減少する。ガス噴流は、ノズルの後ろで拡大され、次の開口スキマーを通してフラックスの１０％未満がサンプリングされる。通常、イオンサンプリング効率はガス分割比より多少高く、ノズルとスキマー間のイオン損失係数は３〜５である。更にイオン損失をなくすために、通常、スキマーの後ろに多重極ＲＦイオンガイドが使用される。ガイド内のガス圧力は、約１０ｍｔｏｒｒである。そのような圧力で、ｍｍサイズのロッドを有する従来の多重極イオンガイドは、振幅約１００〜１０００Ｖで周波数１〜５ＭＨｚのＲＦ信号を使用しながらイオン収束が可能である。
【００９８】
本発明は、イオンガイド内のＲＦ電極をミクロンスケールに小型化する現実的な方法を提案し、これにより、１００Ｍｈｚ〜１ＧＨｚの範囲の非常に高い周波数が可能になり、その結果、大気圧以下の範囲の非常に高いガス圧力範囲での動作が可能になる。重イオンと帯電エアロゾルの場合、ガイド５３によるＲＦ収束が、大気圧で達成できなければならない。中間ガス圧力での付加的イオン収束のために微視的イオンガイド５５が提案される。もっと低いガス圧力でのイオンガイド５７は、微視的でも巨視的でもよい。
【００９９】
大気イオンガイド５３は、エアロゾルの拡張（通常、自己空間電荷によって生じる）を防ぐために提案される。ガイド５３は、図１２Ａ〜図１２Ｃに示されたようなＰＣＢフィルムのＭＥＭＳ法によって作成されることが好ましい。そのようなサンドイッチガイドは、詳細には、寿命の問題のために、イオン源領域内で適している。イオンガイドの表面は、帯電小滴が付着した後で浄化することができなければならない。ガイドは、エアロゾルを閉じ込めるチャネルの形でもよい。或いは、ガイドは、完全な蒸発のためにイオンを通すが帯電エアロゾルを保持するトラップを構成してもよい。エアロゾル流は、ガス流によって支援されなければならない。微視的特徴を有するそのようなＲＦ表面は、数ｍｍのボアを有するチャネル又はトラップを形成して、噴霧に影響を及ぼすことなくエアロゾルを閉じ込めるために使用される。また、同じ微視的ＲＦ表面を使用して、ノズル壁を覆い輸送を改善し詰まりを防ぐことができる。
【０１００】
ノズルの後ろの中間イオンガイド５５は、通常ガス噴流の拡大によって生じるイオン損失をなくす。ガイドは、後のスキマー内へのイオンサンプリングを改善するために、数ミリメートルのボア内にイオン流を閉じ込めるように円筒形であることが好ましい。従来のインタフェースでは、ガイドは、数Ｔｏｒｒのガス圧力範囲で動作しなければならない。そのような圧力で、ＲＦ電圧は、ガス放出によって約２００Ｖに制限される。ＲＦ収束を保持するために、ＲＦ周波数は、３０〜１００ＭＨｚの範囲であると予想され、メッシュのスケール特徴は、０．１ｍｍ未満である。そのようなイオンガイドは、図１１Ａ〜図１１Ｇに示されたような微細メッシュで作成されることが好ましい。
【０１０１】
スキマーの後ろのイオンガイド５７は、１〜１００ｍｔｏｒｒのガス圧力範囲で動作する従来のイオンガイドの任意の代替品である。このイオンガイドは、巨視的スケール（ミリメートル）のＲＦ表面で作成され、ＭＨｚレンジのＲＦ周波数で動作することができる。しかしながら、利便性とより高い感度を得るために、ガイド５７は、ガイド５５の拡張部分として作成されてもよい。
【０１０２】
図１３Ｂを参照すると、別の実施形態では、イオンインタフェース６０は、追加のポンピング段、多チャンネルノズル６２、及び壁を突き抜ける単一イオンガイド６４を有する。インタフェース６０の輸送は、ノズルを通るガスフラックスを１０〜１００倍に増大させることにより改善される。図１３Ｂでは、図１３Ａと共通の要素は、同じ参照番号を使用し、それらの説明を共用する。これは、大気圧でのＲＦ収束がなくてもノズルによるイオンサンプリングを大幅に改善する（図１３Ａの雰囲気イオンガイド５３が除去されていることに注意されたい）。全ガス流量がもっと多いときの噴流の凝縮を防ぐために一連の並行ノズル６２が使用されることが好ましい。それぞれ個々のノズルの開口は、０．３〜１ｍｍの安全範囲のままである。また、インパクトセパレータのように、流路内に流れ屈曲部又は障害物を導入して、大きな粒子と小滴を振り落とすことが好ましい。次に、複数の流れが、単一チャネルに合流される。ガス流量が多くなると、ノズルの後ろのガス圧が１０〜１００Ｔｏｒｒと高くなる。機械式ポンプが、この圧力範囲でそのようなポンピング速度を保持することができる。高いガス圧力にもかかわらず、新規の微視的ＲＦ収束装置６０は、ノズルのすぐ後ろにイオン流を閉じ込め、それを質量分析計に送る。イオンガイド６０のチャネルは、全イオン流に適応するように数ｍｍの幅でよい。ガイド壁は、背面ＲＦ電極を有する微視的メッシュを含む本発明のＲＦ表面を使用して構成される。ガイドは、差動ポンピングシステムの壁を突き抜ける。各段で、ガイドの外壁は、微細メッシュによって覆われたポンピング用の窓を有する。
【０１０３】
ポンピング段の数は、利用可能なポンピング手段に基づいて最適化される。現在、ターボポンプは、１０〜２０ｍｔｏｒｒ未満のガス圧力で動作し、これより高いガス圧力では、機械式ポンプ、スクロールポンプ及びドラグポンプのような代替ポンプを使用しなければならない。ターボポンプを使用する前に、ガス圧力が１〜１０Ｔｏｒｒの少なくとも１個以上の機械式ポンピング段が使用されることが好ましい。機械式ポンピング段の数は、ポンピングシステムの輸送とコストに基づいて最適化することができる。
【０１０４】
差動ポンピングは、流れが通過し無分子になった後（１０ｍｔｏｒｒ未満）、極めて効率的になる。ガイドは、段の間に長く且つ狭いチャネルを形成する。ガス圧力が０．１Ｔｏｒｒ未満でチャネル幅が数ｍｍ未満では、そのようなチャネルは、ガス伝導率をＷ分のＬに抑制することが知られており、ここで、ＬとＷは、チャネルの長さと幅である。これにより、イオンガイドに適正サイズの開口を維持することが可能になる。
【０１０５】
ガイドを通るガス流は、軸方向のイオン速度を発生させる。インタフェース壁は、イオンから完全に分離される。イオンガイドは、四重極と磁石セクタのように、質量分析計の真空チャンバまでずっと延在してもよい。本発明は、詳細には、ＩＴＭＳ、ＴＯＦ ＭＳ、ＦＴＭＳ又はオービトラップのような周期的に動作する質量分光計に役立つ。直交加速器内への従来のイオン導入方式を使用する場合、遅いイオン速度を使用してＴＯＦ ＭＳのデューティサイクルを改善することができる。また、イオンガイドを使用して、イオンを貯蔵しＴＯＦ ＭＳの直交加速器内にパルス放出することができる。ガイドの真空部分は、ＭＳ内へのパルス加速器として使用することもできる。そのような加速器は、イオンが加速器部分内に捕捉され次に質量分析計内に放出されるときに、低速通過ビームで、周期的に変調された低速通過ビームで、又は貯蔵放出モードで操作されてもよい。
【０１０６】
前述の新規なイオンガイドは、前述の図１０Ａ〜図１０Ｌで説明されたように、複数のイオン操作方法と適合する。ガイド内部には、イオンガイド形状の複数の改造を可能にするほぼ無電界ゾーンがあることに注意されたい。例えば、イオン漏斗を形成して、大きなサイズのイオンの流れを受け入れ、それをより小さな幅／厚さを有するチャネルに詰め込んでもよい。複数（少なくとも２個）のイオンガイドを組み合わせて、中間ガス圧力のＥＳＩやＭＡＬＤＩのような様々なイオン源からイオン流を受け入れることができる。そのような組み合わせイオンガイドは、前述の方法の蓄え（軸方向静電場（直接又は漏れ）、移動波、磁場、ガス流）からの種々のプラグによって時間で変調されてもよい。ガイドは、ＩＴＭＳ、垂直注入を有するＴＯＦ ＭＳ、ＦＴＭＳ及びオービトラップのような様々なＭＳへの貯蔵とパルス放出に使用することができる。イオンガイドの中間ガス圧力の部分を使用して、デクラスタリング又はフラグメンテーションのためにイオンを励起することができる。ガイドを使用して、イオンをガス、高速原子又は荷電粒子と反応させることができ、これは、特に、ガイドが、両方の極性の荷電粒子を保持し、極めて広い質量範囲の捕捉粒子を有するので好都合である。イオンガイドの時間的変化を制御するために、図９Ｂに開示されたような移動波電界が使用されてもよい。
【０１０７】
対称ＲＦ電場内のメッシュ
図１４Ａを参照すると、メッシュ７０と、対称的に配置された電極７２との間に、空間的に対称なＲＦ電場と直流電場が形成される。前述のメッシュシステムと同様に、電源は、電圧が対称的に接続されてもよく非対称的に接続されてもよい。例えば、図は、ＲＦ電源に接続されたメッシュ７０と、反発直流電源に接続された電極７２を示す。多数の代替が、メッシュ又は電極をアースに維持するか、様々な電極又は平衡電源間でＲＦと直流を分離して、電極間のアース等電位線を調整し、同時に対称的なＲＦ電場と直流電場を生成することを可能にする。図面は、直径ｄと間隔Ｌ＝１０ｄを有する平行電線で構成された二次元メッシュの特定の例を示す。電極までの距離は、Ｈ＝Ｌに選択される。電極は、Ｘ方向に平行でＹ方向に垂直である。
【０１０８】
図１４Ｂの線図を参照すると、直流電場の等電位線（Ｕ等線図（U-equiline））が示される。等電位線は、電線近くでは円になり、電極の周りでは平坦になる。電線間の中間のスポット７３は、電位の鞍を特徴とし、鞍では、Ｙ方向に局部的に最小になり、Ｘ方向に最大になる。原点７３の近くで、電界は、ほぼ四重極である。どの静電場とも同じように、電極上で大域的電位が最小になる。真空状態で、軌道捕捉が可能である。イオンは、ガスと衝突した後で、エネルギーを失い、メッシュ表面（最も低い直流電位を有する）上に落ちる。
【０１０９】
瞬間的ＲＦ電場の構造は、直流電場内の構造と同一である。しかしながら、ＲＦ電場の動的ポテンシャルは、静的ポテンシャルと異なり、局所電場の強度によって定義される（式１）。電場は、尖った電線の近くで高くなり、平らな壁の近くで低くなることは明らかである。電線間の中間にあるスポット７３（「中央スポット」）は、鞍点における対称性のために電界強度がゼロである点に特徴がある。この理由により、システム全体においてスポットが最小動的ポテンシャルを有する。
【０１１０】
図１４Ｃの線図を参照すると、電界の等強度線（Ｅ等線図）が示される。線は、段ΔＥ％＝０．２５でＥ％＝０〜２で描かれた正規化された電界強度Ｅ％＝Ｅ／［ＶRF／Ｌ］に対応する。Ｅ％は、電線の近くで最大になり（Ｅ％＝５）、壁の近くで中程度になり（Ｅ％〜１）、電線間の中間スポット７３でゼロである（Ｅ％＝０）。中間スポット７３の周囲に円は、動的ポテンシャルによって形成された局所トラップを示す。トラップ７３は、四重極で形成されたものと類似し、回転する鞍電界が動的トラップを作成する。全体的に、ＲＦ電場は、電線からイオンを跳ね返し、そのイオンを電線間で捕捉し、イオンが電線に沿って通ることを可能にする。
【０１１１】
ＲＦ電場と直流電場の適切な組み合わせが、１組の大域トラップを構成してもよく、その場合、電線間の局所トラップが接続され、局所トラップ間でイオンが交換可能である。ＲＦ電場はイオンを電線から跳ね返し、直流電場はイオンを壁から跳ね返し、これにより、真空と中間ガス圧力の両方でイオンが安定的に保持される。複合作用は、静的ポテンシャル（直流成分）とＲＦ電場により形成された動的ポテンシャルの両方を含む電位全体のプロファイルを調べることにより理解される。
【０１１２】
図１５Ａ〜図１５Ｄを参照すると、２平面における静的ポテンシャル、動的ポテンシャル及び全ポテンシャルのプロファイルが示される。両方の平面は、メッシュに対して垂直であり、一方の平面は電線と交差し（Ｘ＝０）、他方の平面は電線間の真ん中を通る（Ｘ＝０．５Ｌ）。プロファイルは、正規化されたＹ／Ｌ座標に対してプロットされる。図１５Ａは、正規化された静的ポテンシャルＵ％＝Ｕ／ＵDCのプロファイルであり、これは、壁から中心に近づくほど低下し、電線上で絶対最小値になる。図１５Ｂは、正規化された局所電場強度Ｅ％＝Ｅ／［ＶRF／Ｌ］のプロファイルを示し、これは、電線上で最大値になり、電線間の真ん中で０になる。式１により、ｑ＜０．３の場合、有効ポテンシャルＤは、Ｅと次のような関係にある。
【０１１３】
【数７】
【０１１４】
この場合、全ポテンシャルは、正規化されたＵ％とＥ％によって次のように表すことができる。
【０１１５】
【数８】
【０１１６】
ＲＦ電場と直流電場の相対的作用は、無次元係数ｇによって定義される。そのような係数は、ＲＦ電圧、直流電圧、ＲＦ周波数及びイオン質量によって定義され、ＲＦ電圧と直流電圧の比に係数ｑを掛けたものに比例する。係数ｇを変化させることにより、無次元全ポテンシャルをＶ*％＝Ｕ％＋ｇ（Ｅ％）2と表すことで、ＲＦ電場と直流電場の様々な相対的効果における全ポテンシャルのプロファイルを調べることができる．
【０１１７】
図１５Ｃと図１５Ｄに、ｇ＝０．０５とｇ＝１の場合のそのようなプロファイルを示す。両方の特定の事例では、電線（Ｘ＝０．５ Ｙ＝０）間のスポット内により深いトラップを接続する最も低い全ポテンシャル（Ｙ＝０．３〜Ｙ＝０．５）を有するチャネルがあることが分かる。直流引力がメッシュ電線によるＲＦ反発力に打ち勝った後でトポロジが変化し、これは、ｇ＜０．０２の後で起こる。ほぼ純粋なＲＦ電場の別の極端な事例では（即ち、ｇ＞１００）、ＲＦ反発力は、電線における直流引力に打ち勝つ。ＲＦ電場の動的ポテンシャルは、イオン質量に依存する。しかしながら、チャネルに接続された大域トラップのトポロジは、何らかの質量範囲内に留まる。
【０１１８】
図１６Ａ〜図１６Ｃを参照すると、ｇが０．０４より低いとき、局所イオントラップ７３は、電線の上の空間に接続され、イオンは、トラップ７３からチャネル内に放出される。放出されたイオンは、自由にトラップから出て移動することができる。イオンを駆動するために、ガス流、移動静電波、移動磁場のような要素を使用することができる。質量分離のために質量の選択的な捕捉と開放の効果を使用することができる。開放を永続運動の交流励起によって支援して、質量選択の分解能を改善することができる。
【０１１９】
図１７を参照すると、図１４Ａ〜図１４Ｃのメッシュのまわりに対称ＲＦトラップの有効質量範囲を調べる。全障壁は、イオンがメッシュ７０の電線間の個々のイオントラップ７３内に留まったままになる最大イオンエネルギーとして決定される。質量は、低いカットオフ質量に対して正規化される。明確な低い質量カットオフは、四重極電場内の中心スポット近くのイオン共振によって説明される。四重極電場と同様に、カットオフはｑ＝０．９１で起こると仮定する。この場合、トラップの幾何学的スケールＧは、Ｇ＝０．８５Ｌである。特定の擬似的な例では、カットオフ質量は、幾何学サイズＬ＝１ｍｍ（Ｇ＝０．８５ｍｍ）、単相ＲＦ電圧振幅ＶRF＝１ｋＶ（ｐ−ｐ）、及びＲＦ周波数１０ＭＨｚで１２５ａｍｕと等しい。
【０１２０】
図１７のプロットは、ＲＦ電圧の振幅に対して正規化された直流電位の様々な値に対応する３本の曲線を表す。詳細には、シミュレートされた事例の直流は、０Ｖ、１０Ｖ及び３０Ｖと変更された。直流＝０の場合（支配的ＲＦ電場）、障壁は、ｑ〜０．３（ｍ＝３＊ｍcutoff）のときＶRF０．００７（１０００Ｖｐ−ｐで７ｅＶ）に限定され、次にｑが低くなる（質量が高くなる）のに比例して低下する。ＲＦ振幅を１０００Ｖに設定し、イオン保持のしきいエネルギーレベルを１ｅＶと仮定することにより、トラップ内だけのＲＦの質量範囲は、約２０分の１に狭くなる。質量範囲を改善する一方法は、壁を近づけることであり、これは、後述するように、トラップ内へのイオン導入を複雑にする。別の方法は、約１０Ｖの最適直流電圧を印加することである（図１７では点線）。直流電場（平坦電極とメッシュの間に印加される）は、障壁高さを改善し、質量範囲を少なくとも２倍に拡張することは明らかである。結果は、ロッド間の直流電場が質量範囲を縮小させる従来の四重極と比較べて独特である。この特定の事例では、メッシュトラップは、かなり非対称であり、トラップと平坦電極の間の障壁は極めて低い。直流電場を加えることにより、平坦電極に向いたＹ方向の弱い障壁が改善され、一方メッシュ電線に向いたＸ方向の強い障壁が弱まる。
【０１２１】
イオンクロマトグラフィ
図１８Ａ〜図１８Ｂを参照すると、前述の電線メッシュのまわりの対称ＲＦ電場が、新規の質量分離方法のために提案され、この方法は、本明細書では、「イオンクロマトグラフィ」として定義される。イオンクロマトトグラフ８０の好ましい実施形態は、イオン保持用の側壁を備えた平行平板８４によって構成された四角の長いチャネル８２を有する。電線８１は、長いチャネルに対して垂直に配置される。ＲＦ信号が、電線に印加され、２個の別の直流信号（ＤＣ１，ＤＣ２）が電極８４に印加される。ＥＳＩ、ＡＰＰＩ及びＭＡＬＤＩのような任意の既知のガスイオン源からのイオンが、微細メッシュによって覆われた側窓８９に導入される。チャネルからガス流を引き込むために、チャネルの出口側にポンピングが使用される。装置は、ＭＥＭＳ技術を使用して電線と壁の間の大きさが約１０μｍになるように小型化され、一方チャネルの長さは１〜１０ｃｍの範囲である。ＲＦ周波数は、好ましくは０．１〜１ＧＨｚの範囲である。ガス圧力は、大気圧の０．０１〜１で選択されることが好ましい。
【０１２２】
動作において、イオンは、イオン源８８から側窓８９を介してチャネル８２に導入される。ＲＦ電圧と直流電圧の組み合わせは、電線間に形成された多数のウェル内で幅広い質量範囲のイオンを捕捉するように選択される。直流電圧は、弱い不均衡を作り出すように調整される。その結果、イオンの均衡点は、電線間の中心から電極のいずれかの方に移動する。充填段階の後で、イオン源のスイッチが切られ、ＲＦ電圧がゆっくりと低下し及び／又は直流非対称性が大きくなる。その結果、障壁が浅くなる。障壁の高さは、重いイオンほど小さい。その結果、最も重いイオンが最初に放出され、チャネルに沿って、層状ガス流によって駆動される装置出口８５の方に移動する。複数のトラップと相互作用する結果、最初に捕捉されたイオンの集まりは、やがて分離される。装置を過ぎた検出器９０上の時間に依存する信号は、９２として示された質量スペクトルに変換される。
【０１２３】
浅いウェルからのイオン「蒸発」が、熱エネルギーによって起こる。このプロセスは、クロマトグラフィ内の表面と相互作用する粒子と類似する。表面で費やされる平均時間は、結合エネルギーに依存する。多数の蒸発事象（理論段として数えた）は、保持時間の分布を狭くする。クロマトグラフィの分解能は、理論段数の平方根として高くなる。イオンクロマトグラフィの場合、電線間の各マイクロトラップは、クロマトグラフィ内の電極の役割をする。イオンは、浅いウェルに入り、外に出るまでに少し時間がかかる。「スティッキング」時間は、指数関数的にウェル深さに依存し、イオンのｍ／ｚの関数である。
【０１２４】
大量の連続イオントラップ配列を作成するために装置の小型化が提案される。個別の小さなセルの作成精度が比較的低いと、セル１個当たりの質量分解能があまり高くならない。サイズ１０μｍで精度０．３μｍのとき、セル１個当たりの分解能は、１０未満と予想される。しかしながら、セル数の平方根に比例して分解能を改善するには、多数セルの連続通過が期待される。１００００個のトラップ（フィルタ）を保持する１０ｃｍのチップは、例えば環境問題用途に十分な１０００の分解能を提供する。変化する温度によって勾配ができるガスクロマトグラフィと同様に、イオンクロマトグラフィでは、変化するＲＦ及び直流電圧、交流信号、温度、又はガス流のパラメータによって「勾配」ができる。
【０１２５】
ＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ
図１９Ａを参照すると、ＴＯＦ ＭＳ用のパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、平面電極９６によって対称的に取り囲まれたメッシュ電極９４と、メッシュと電極の間に接続されたＲＦ発生器９５とから構成されたイオンマニピュレータを有する。メッシュは、チャネル方向に向けられた平行電線から形成される。メッシュは、スイッチング式ＲＦ発生器に接続され、側面電極は、一個以上のパルス発生器９８に接続されることが好ましい。マニピュレータは、「配列ガイド」と呼ばれる平行イオンガイドの配列を構成する。ガイドは、イオンがガイドの縁で跳ね返される場合に線形イオントラップと見なすこともできる。更に、パルスイオンコンバータは、好ましくは中間イオン貯蔵装置（例えば、中間ガス圧力のイオンガイド）を有する外部イオン源を有する。コンバータは、また、出口側のガス圧力を下げるポンピング手段を有する。或いは、内部イオン源が使用される。このイオン源は、イオン（ＳＩＭＳ）、光子（ＰＩ又はＭＡＬＤＩ）、電子（ＥＩ）による固体又はガス試料ボンバートメントを使用してもよく、試料をイオン化（ＣＩ）のためにイオン分子反応にかけてもよい。
【０１２６】
配列ガイドの多数のイオンガイドは、イオンを側面電極間の空間内に、メッシュに沿って（イオン源１−平行注入）、又は窓９３を通してメッシュに垂直（イオン源３）（垂直注入）に注入することによって充填することができる。平行注入の場合、イオンは、イオンが確実にガス衝突しイオンが電極間に捕捉されるのに十分に長い時間、側面電極間に留まる。垂直注入の場合、貯蔵ガイドとトラップ配列の間に多数のイオン通過を構成することが好ましい。多数通過した後で、最終的にイオンがガスと衝突し、側面電極間に捕捉される。注入方法に関係なく、イオンは、側面電極間に捕捉された後、ＲＦ電場と直流電場によって形成された閉じ込めウェル内で振動し始め、メッシュの個別の線形セル間でジャンプする。最終的に、衝突減衰の後で、イオンは、個々のＲＦ線形セル内に閉じ込められ、その場合、減衰時間Ｔはガス圧力Ｐに依存する。約５０ｍｔｏｒｒのガス圧力で（イオンガイドと同じ）、減衰には０．１ミリ秒かかる。トラップ間の無秩序なイオン運動のために、減衰イオンが、多数のセルの間で統計的に分散することが予想される。或いは、イオンは、イオンが単一通過で捕捉されるほど十分に高いガス圧力を有するイオントラップの領域（ソース３）に注入される。ガイドは、多数の差動ポンピング段の間に延在し、ガス流は、イオンを一次元トラップに沿ってより低いガス圧力を有する異なる部分に流し込むことが好ましい。図１９Ｂに示されたように、イオンの導入方法にかかわらず、イオンは、ガス衝突で減衰し、イオンガイドの軸に閉じ込められる。イオンは、イオンガイドに沿って、より低いガス圧力の出口側に近づく。コンバータの真空側で、イオンは、ＴＯＦ ＭＳ内にパルス注入される。
【０１２７】
イオンを注入するには、ＲＦ信号が遮断されなければならない。例えば、ＲＦスイッチングは、一次コイルから駆動信号を除去し、二次コイルの２個の半分の部分の間の接触を断つことにより行われる。或いは、二次コイルは、ＦＴＭＯＳトランジスタによってクランプされる。トランジスタキャパシタの影響を減少させるために、トランジスタは、小さなキャパシタンスを有するダイオードを介して接続される。回路は、共振を止め、ＲＦ振動は、１又は２サイクル以内で急速に減衰する。振動が止まった後、パルスは、周囲電極に印加され（図１９Ｃ）、イオンは、電極９６の内の一電極の窓９７を通して電界によって抽出される。メッシュの形状により、そのような窓は、微細メッシュによって覆われた１組の穴、１組の溝、又は単一の窓のように見える。イオンがメッシュセル内の中心位置にあるため、電線近くの抽出電界のひずみは最小の影響しかないことに注意されたい。
【０１２８】
ＴＯＦ ＭＳ用のパルスイオンコンバータには２個の別個の選択肢がある。一方のパルスイオンコンバータ（図１９Ｃ）は、イオンを低速で輸送しイオンをガイドからパルス化するイオンガイドを利用する。他方のパルスイオンコンバータ（図１９Ｄ）は、平面イオントラップを使用する。本明細書は、両方のタイプのパルスイオン源に適したイオンマニピュレータの多数の実施形態を既に開示した。マニピュレータ（イオンガイドとイオントラップの両方を含む）は、ＲＦ反発メッシュを、円筒又は任意形状の箱内に包まれた同じ反発ＲＦメッシュ、又は別の反発ＲＦメッシュ、直流反発電極若しくは静電場の移動波を形成する電極のいずれかとの組み合わせで有する。マニピュレータは、また、平行チャネル（平行電線で作成されたメッシュ）の形又は個別セルの形状のトラッピングＲＦメッシュを有してもよい。マニピュレータは、複数のイオンマニピュレータを組み合わせてもよい。例えば、イオンガイドは、１個のイオントラップに接続されても複数のイオントラップに接続されてもよく、またそのような接続は、直列又は直交の形で、合流及び分割イオンチャネル又は交差マニピュレータによって行われてもよい。以下に幾つかの実施形態について述べる。
【０１２９】
ＴＯＦ ＭＳ用の小型イオンコンバータ
図１９Ａに示された特定の実施形態は、小型化性能を示す。対称ＲＦ電場内のメッシュ９４は、メッシュシートに沿って広がったイオントラップの配列のような働きをする。メッシュが平行電線から作成された場合、個々のトラップは二次元であり、正方形（六角形）メッシュセルの場合、トラップは三次元である。質量範囲境界近くのイオンがセル間で動き始めるときの前述の場合を除き、トラップは、互いに十分に分離され、メッシュ電線によって遮蔽される。
【０１３０】
コンバータは、以下のように動作する。イオンは、外部イオン源から、好ましくは直交方向に注入される（図１９Ａのイオン源３と同じように）。イオンは、ガスとの減衰衝突により、セル内に捕捉される。ＲＦ電圧と直流電圧は、電極とメッシュ間の空間内にイオンが放出されるように選択され、その結果イオンがトラップセル間で交換される。最終的に、イオンの一部分が、出口側の近くでセル内に閉じ込められる。次に、イオンをＴＯＦ ＭＳに注入するために抽出パルスが印加される。
【０１３１】
微視的トラップの大きな配列の作成を可能にする小さなセルサイズを有するメッシュが容易に入手可能である。例えば、１０μｍのセルサイズを有する２５０ＬＰＩメッシュ（２５０ライン／インチ）は適度に安定している。まず最初に、このメッシュは、１平方ｃｍ当たり多数のトラップを備えることができ、その結果として大きな空間電荷を保持することができる。セル１個当たりイオン１個を維持しながら１平方ｃｍ当たり１００万個ものイオンを貯蔵することができる。もっと小さなセル又は低いイオン密度（例えば、イオン１００，０００個／１ｃｍ2）を使用する場合は、平均密度は、セル１個当たりイオン０．１個に低下し、セル内に２個のイオンを有する確率は０．０１になる。従って、微視的メッシュトラップは、イオン特性に空間電荷の影響を及ぼすことなく大きな空間電荷を保持することができる。しかしながら、極めて密なサイズのイオン雲（１μｍ）を仮定しても、空間電荷励起は、イオン数が１０を超えるときしか発生しない。１ｃｍ2のトラップ配列を仮定すると、このトラップは、最大１０7個のイオンを保持することができ、またＴＯＦ ＭＳに、繰返し率１ｋＨｚに相当する最大１０10個／秒のイオンを注入することができ、これは、電流１ｎＡに相当する。そのような電流限界は、大部分の質量分光イオン源に適する。
【０１３２】
小さなサイズのトラップは、別の利点、即ち高繰返し率に繋がる可能性がある。メッシュと側面電極との距離が比較的小さい（０．０１ｍｍ）ため、ガス散乱衝突数が少ない。ガス圧力が５０ｍｔｏｒｒでイオン経路が０．０１ｍｍのとき、散乱衝突の可能性は、５％より低く、衝突減衰は、０．１ミリ秒より速く起こる。
【０１３３】
１０μｍのセルサイズは容易に入手可能であるが、メッシュを平坦な壁又は別のメッシュに対して距離１０μｍで離間させるのは技術的に困難である。これは、図１２Ａ〜図１２Ｃと関連して述べたものと同様に、ＭＥＭＳ及びＰＣＢ技術を使用することにより解決することができる。例えばメッシュの外側を絶縁体によって覆い、次にそのメッシュを図１２Ｂと類似の電極間に固定することによって、対称的な閉鎖チャネルシステムを作成することができる。図１２Ｃと類似の５層サンドイッチを穿孔することによって、開放セルを形成することができる。
【０１３４】
微視的メッシュは、イオンを極めて薄いシート内に局在化する。シート厚さは、ｈ＝Ｌ＊ｓｑｒｔ（ｋＴ／Ｄ）と推定することができ、Ｌ＝１０μｍのセルの場合はＶRF＝３００Ｖであり、障壁Ｄは、０．２〜２ｅＶの範囲であり、イオン雲は、ｈ＜Ｌ／３＝３μｍ＝０．００３ｍｍに圧縮される可能性がある。イオン集合の位相空間は、空間的拡散と時間的拡散の積ΔＸ＊ΔＶとして計算される。ｍ／ｚ＝１０００ａｍｕの標準イオンは、約６０ｍ／ｓの熱運動速度を有し、これは、ΔＸ＊ΔＶ＝０．２ｍｍ＊ｍ／ｓとなる。
【０１３５】
イオン雲の位相空間は、任意の既知のイオン源において、例えばＴＯＦ ＭＳの直交加速器のイオンビームの位相空間より大幅に低い。ビームは、幅が少なくとも１ｍｍであり、１０ｅＶで少なくとも１度の広がりの軸方向エネルギーを有し、これは、１０００ａｍｕのイオンではイオン温度１０Ｋと速度１０ｍ／秒になる。この場合、ビームの位相空間は、１０ｍｍ＊ｍ／秒と推定される。上記の計算によれば、１０μｍのセルを有するトラップは、５０分の１の大きさの位相空間を提供する。他のメッシュサイズを使用する場合、ＴＯＦ ＭＳ用のメッシュイオン源は、セルサイズが０．５ｍｍ未満のままでイオン雲サイズが０．１５ｍｍ未満のままである限り、従来の直交加速器より有利のままである。
【０１３６】
位相空間が小さいほど、飛行時間形質量分析計に注入されるイオンパケットの時間とエネルギー拡散が小さくなる可能性がある。イオン雲が、強度Ｅの高速切り替え電界によって加速される場合、雲の時間拡散は、主に、いわゆるターンアラウンドタイムΔＴ＝ΔＶ＊ｍ／Ｅｚｅによって定義される。電界強度Ｅが高いほどターンアラウンドタイムが短くなるが、それに比例したエネルギー拡散Δε＝ΔＸ＊Ｅｚｅが生じる。２の積は、ΔＴ＊Δε＝ΔＶ＊ΔＸ＊ｍと等しく、即ち、加速前のイオン雲の初期位相空間に直接対応する。新規のメッシュトラップのより小さな位相空間の利点を使用するために、ｏ−ＴＯＦ ＭＳより高い強度の加速電界Ｅが使用される。実際には、通常ｏ−ＴＯＦ ＭＳで使用される１００Ｖ／ｍｍの電界強度は、ガス放電によって制限される最大３０ｋＶ／ｍｍ又は絶縁体表面上の漏れによって制限される最大１ｋＶ／ｍｍの最大達成可能電界より低い。微視的サイズでは、数百ボルトの範囲内の絶対電位以下では、ガス放電と表面放電は両方とも起きないと予想される。Ｕ＝１００ＶでＬ＝１０μｍの場合、Ｅ値は１００００Ｖ／ｍｍに達し、これは、ｏ−ＴＯＦ ＭＳの１００倍である。
【０１３７】
或いは、タイムラグ収束方法が適用される。閉じ込めＲＦ電場は、イオン内部エネルギーの冷却のために遮断されるか又は実質的に弛緩される。加速電界は、イオンをイオン内に保持したままにするのに十分に小さい所定の遅延後に印加される。自由膨張の際、ビームの位相空間が保全され、また空間的拡散が生じるが速度と位置が強く関連付けられ、これにより、ＴＯＦ ＭＳ内の同調条件が僅かに異なるときでも、ＴＯＦ ＭＳ内の飛行時間収束が改善される。
【０１３８】
パルスコンバータの特定の実施形態
図１９Ｄを参照すると、ＴＯＦ ＭＳのパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、２個の平行周囲電極１０２の間に配置された中央メッシュ１００を有し、周囲電極１０２は、システムへのイオンの出入を可能にする微細メッシュ窓１０４を有する。ＲＦ信号は、中央メッシュに印加され、これにより、粗い中央メッシュの電線間に線形ガイド（又は、トラフ）の配列が形成される。前述のように捕捉イオンの質量範囲を改善するために、輸送位相で中央メッシュと側面メッシュの間に僅かな直流バイアスが印加される。中央メッシュは、電線で作成され、イオン輸送の方向に沿って位置決めされる。平行メッシュシステムは、いわゆるメッシュイオンガイドを構成する。メッシュイオンガイドは、差動ポンピング段の間を突き抜ける。メッシュは、（ａ）中間ガス圧力領域（ＲＦ電場振動の１周期当たり１個のイオンが最大１回衝突する）と（ｂ）高真空領域（周囲ガスとの衝突数を無視できる）を分離する開口（スロット，チャネル）を達成する。図１９Ｄの特定の場合、イオンメッシュガイドは、２個の差動ポンピング段の間に広がる。電極１０２を均一に維持し、差動ポンピングをチャネルの側縁によって調整することが好ましい。
【０１３９】
動作において、イオンは、外部イオン源から導入され、メッシュガイドに軸方向又直交方向に注入される。例えば、ノズル、スキマー又は微小サイズのイオンガイドを、メッシュイオンガイドの近くに配置してもよい。或いは、メッシュイオンガイドは、ガス噴流又はイオンインタフェースの輸送イオンガイドと交差する。媒質ガス圧力は、単一イオン通過の範囲内でイオンをメッシュイオンガイド内に捕捉するのに十分な高さ（０．０１〜１Ｔｏｒｒ）になるように選択される。メッシュ電極システム（中央メッシと側面メッシュを含む）は、線形トラップを搬送方向に沿って乱さないように均一に配置される。段の間の移動は、追加の運動エネルギーを引き起こさず、従って、イオンは冷たく閉じ込められたままになる。イオンは、ガス圧力勾配と蓄積空間電荷の勾配によって、真空中に流入する。また、既知の手段によって、輸送を支援する追加の弱い電場及び磁場を印加することができる。イオンガイドは、静電気プラグによって遠端で終端され、それにより、メッシュイオンガイドの真空部分内にイオントラップが形成されることが好ましい。しかしながら、プラグは、イオンが約１０〜１００ｍ／秒の十分に遅い速度でドリフトし、真空部分が、ＴＯＦ ＭＳパルス周期に匹敵する時間で満杯になる場合は不要と思われる。真空部分へのイオンの流入は、線形トラップの軸の近くで邪魔されず閉じ込められたままである。真空領域では、メッシュと周囲電極は、ＴＯＦ ＭＳのパルス加速領域の一部を構成する。周期的に、イオン分がメッシュイオンガイドの微細メッシュ１０４を通って放出される。ＲＦ電圧は、好ましくは遮断され、プッシング及びプリングパルス電圧（pushing and pulling pulsed voltages）が、周囲電極に印加される。
【０１４０】
パルスコンバータの代替実施形態は、パルスガス弁と、イオンビーム、電子、高速中性物質、ガス放電で生成された粒子、光子又は小滴等のパルス粒子ビームによる低温表面からの蒸気脱離とのいずれかによって生成されたガスルスを使用する単段メッシュイオントラップを有する。
【０１４１】
パルスパケット内への連続イオンビームのパルスコンバータの別の好ましい実施形態は、図２０Ａに側面図、図２０Ｂに平面図として示される。好ましい実施形態は、個別のポンピング段内に配置された２個の別個の整合されたメッシュガイド１１０，１１２を有する。両方のガイドは、電極の間に挟まれた平行電線又は微小グリッド１１４から作成される。第１のメッシュガイドは、ガスが充填され、第２のメッシュガイドは、実質的に真空状態である。段は、図２０Ｃに示されたような１組の開口１１８を有する電極１１６によって、又は周囲電極の一部として作成されるゲート電極によって分離される。
【０１４２】
特定の一事例では、両方の段に同じ組の電線が使用される。ＲＦ信号が、電線に印加される。前に述べたように、電線間のイオン保持を改善するために、周囲電極にはわずかな反発電位が印加される。周囲電極の直流電位は、段間で異なり、これにより、電線間の中心線の電位差が維持される。真空メッシュガイドは、必要に応じて、静止又はＲＦイオン反射電極１２０によって終端される。
【０１４３】
ガイドは、飛行時間質量分析計のパルスコンバータとして働く。ガイドの上に、直流加速器（図示せず）とイオンミラーが配置されれる。ＴＯＦ ＭＳ検出器１２２は、図２０Ｂに平面図で示されたようにメッシュガイドの側に配置されることが好ましい。
【０１４４】
動作において、連続的イオンビームが、第１のメッシュガイドに入る。最も好都合な注入方法は、前述の第１のメッシュガイドへの側面イオン注入法である。第１のメッシュガイドは、ガスが充填され、イオン貯蔵線形トラップの配列として動作する。ゲート又は出口側（即ち、右側）にある１組の開口は、例えばわずかな反発直流電位によってイオンをロックする。
【０１４５】
イオンは、周期的に第２の真空メッシュガイド内に放出される。充填時間段の際に、真空メッシュガイドにイオンが充填される。周囲電極間の電位差が、軸方向のイオン伝搬エネルギーを制御する。開放パルスの持続期間は、１０μｓ〜１００μｓの範囲でよい。イオン伝搬エネルギーは、約１ｅＶに選択されることが好ましい。ガイドの真空部分は、連続イオンビームのパルス変換のデューティサイクルを高めるために、少なくとも５ｃｍ延在することが好ましい。パルスビームは、０．３ｍｍ／μｓ（２０００ａｍｕのイオンの場合）〜２ｍｍ／μｓ（５０ａｍｕのイオンの場合）の範囲の速度でガイドの第２の部分に入る。従って、最も速いイオンは、２５μｓ以内でガイドを通過し、最も遅いイオンは、同じ期間２５μｓ以内でガイドの初期部分だけを満たす。イオン充填時間は、最も速いイオンを真空メッシュガイドの後端から跳ね返させることによって、延長されてもよい。最も重要なことは、全質量範囲の全てのイオンが、充填段が終わるまで真空イオンガイド内にあることである。
【０１４６】
ガイド操作の次の段で、真空メッシュガイドの周囲電極とメッシュが、均一な抽出電場を作り出すために高電圧のパルスが印加される。抽出電場の歪みを防ぐために中心電線上のＲＦ信号はクランプされることが好ましい。イオンは、真空メッシュガイドから放出され、直流加速器内で加速され、ドラフト空間内を飛行し、イオンミラーによって反射され、広いイオン検出器１２２に当たる。イオンの側方変位は、電極の操縦、加速器の側面傾斜、又はミラーの側面傾斜によって調整される。水平方向のイオンエネルギーが低い（１ｅＶ）ため、ビームは、真空メッシュガイドの後ろに反射電極を使用する場合でも、その方向の広がりが小さくなる。長さ１０ｃｍの既存の検出器は、十分なイオン収集が可能である。
【０１４７】
最も重いイオン成分が検出器に到着するまでに、真空メッシュガイドは、再び充填される。放出パルス間の周期は、ＴＯＦ ＭＳ内の飛行時間によって調整され、短距離ＴＯＦ ＭＳの場合の３０μｓから多重反射ＴＯＦ ＭＳの場合の数ミリ秒の範囲でよい。
【０１４８】
この実施形態は、イオンをパルスイオンパケットにデューティサイクル１００％で変換し、前述のように大きな抽出電場を利用する小型化メッシュガイドを使用する場合でも、極めて鋭いイオンパルスを形成することができる。また、本発明は、ガイドが空間電荷反発力を許容し、従ってイオンが真空メッシュガイド内に閉じ込められたままなので、ｎＡレンジの大きなイオン電流の操作を可能にする。
【０１４９】
図２０Ｃを再び参照すると、メッシュガイドの特定の一実施形態は、別個の２組の電線１１０，１１２を使用する。両方の組の電線を整列させ張るために、絶縁体糸が、微小金属毛細管を支持する。或いは、電線は、金属が被覆された石英糸で作成される。或いは更に、別個の組の電線が、ＭＥＭＳ方法によって作成される。
【０１５０】
前述の実施形態の考えられる一欠点は、空間電荷に対する不十分な能力である。出願全体に記載されたイオン操作方法は、より広い貯蔵ギャップとコンバータの壁からのより強いイオン反発を有するパルス式コンバータの作成を可能にする。
【０１５１】
図２１を参照すると、ＴＯＦ ＭＳ用のパルス化コンバータの更に別の好ましい実施形態は、ガスイオンガイド、イオンを移動させるイオン光学システム（ＩＯＳ）、イオン貯蔵ギャップ、及びギャップの終わりにあるオプションの反射電極を有する。イオン貯蔵ギャップは、２枚のイオン反発面１３０，１３２によって取り囲まれる。少なくとも１枚のイオン反発面１３２（図面では一番下のもの）が、前述のフリンジＲＦ電場を有するイオン反発面を有する。この面は、微細メッシュ１３１又は１組の平行電線と、その下の１個の電極１３３を有する。メッシュと電極間の距離は、メッシュ周期と同等である。メッシュと電極間にＲＦ電場が印加される。イオン貯蔵ギャップは、ＴＯＦ ＭＳのイオン加速ギャップとしても働く。図は、ＴＯＦ ＭＳの主要構成要素、即ち、無電場ギャップ、イオンミラー、及び好ましくはイオン貯蔵ギャップの側に配置されたイオン検出器１２２を示す（図２１Ｂ）。
【０１５２】
イオン貯蔵ギャップの上側反発面１３０は、フリンジＲＦ電場を有する別のイオン反発面（但し、この場合、面は、図２１Ａに示されたような２個のメッシュによって形成される）、弱い直流反発電位を有する単一メッシュ、又は空間交番ＲＦ電位を有する１組の平行電線の内のいずれでもよい。
【０１５３】
動作において、イオン源（図示せず）が、何らかのｍ／ｚレンジ内のイオンを形成する。例えば、ＥＳＩイオン源は、一般に、３０〜２０００ａｍｕのｍ／ｚを有するイオンを形成する。イオンは、ガスイオンガイドに入る。ガイドは、イオンを減衰させ移動イオン光学システムに送り込む。好ましくは、ガスイオンガイドは、ＴＯＦ ＭＳのパルスと同期されたパルスモードで操作される。イオン光学システムは、イオンビームの角度発散を最小限に抑えながら、イオン貯蔵ギャップの幅に適合するイオンビームを形成する。イオンビームは、好ましくは１〜１０ｅＶの比較的低エネルギーでイオン貯蔵ギャップに入る。ギャップは、少なくとも５ｃｍの長さに延在する。イオンは、イオン反発面から反射され、イオン貯蔵ギャップ内に留まる。必要に応じて、軽い方のイオンが、端反射電極から跳ね返される。そのような状態では、貯蔵ギャップは、全質量範囲が２０〜５０μｓ以内のイオンで満たされる。
【０１５４】
次の操作段階で、イオン貯蔵ギャップは、イオン加速器に変換される。ＲＦ電場は固定され、パルスは、イオン反発面に印加されて均一な抽出電場が生成される。イオンは、イオン貯蔵ギャップから抽出され、直流加速器（図示せず）内で加速され、イオンミラーで反射されイオン検出器に達する。検出器の側面位置の特定の事例では、イオンパケットは、直流加速器の後の偏向器によって、イオン貯蔵ギャップの側面傾斜によって、又はイオンミラーの側面傾斜によってより幅広く（wither）操作される。
【０１５５】
反発面の要素上の電位を切り替えるために多数の電気的構成が可能である。ＲＦ信号と高圧パルスの直接切り替えは技術的に困難であるが、低キャパシタンスダイオードを介して接続された高電圧スイッチを使用するか、高周波線形増幅器を使用することにより可能である。直流反発メッシュの場合、直流反発と引っ張りパルスとの切り替えは、標準パルス発生器によって構成することができる。フリンジＲＦ電場を有する反発面の場合、下電極に印加されるＲＦ電場は固定され、高圧パルスが電極の上のメッシュに印加される。
【０１５６】
イオンパルスコンバータ（パルスイオン源とも呼ばれる）の多数の好ましい実施形態を要約すると、本発明の新しいイオン操作方法は、電線間にイオンを保持するか、ＲＦフリンジ電界により表面からイオンを跳ね返すＲＦチャンネルを作成するために使用される。イオンは、幾何学的に長いイオンコンバータに低速で注入される。ガイド要素は、実質的に均一な抽出電界を形成するように電気的に切り替えられて、大きな幾何学的アクセプタンスを有する飛行時間形質量分析計に注入されるイオンパケットが形成される。コンバータは、ガスイオンガイドからのイオンビームを完全に受け入れる。コンバータは、単一デューティサイクルを有し、幅広い質量範囲のイオンを受け入れる。微小装置の使用により、コンバータは、ＴＯＦ ＭＳの分解能を改善する極めて短いイオンパケットを形成する。
【０１５７】
特許請求の範囲で使用される用語の説明
「イオン」−両方の極性のイオン、電子、帯電液滴及び固体粒子を含む荷電粒子を意味する。強い電界を使用する場合、開示した装置は、電気的に分極された粒子にも適用可能である。
【０１５８】
「イオンクロマトグラフィ」は、質量分離方法を意味する。
【０１５９】
「イオンマニピュレータ」は、イオン通過用のイオンチャネル、適切に閉じ込められた低温のイオンビームを減衰させ作成するためのイオンガイド、イオンを高速で通過させる軸方向電場を有するイオンガイド、フラグメンテーションセル、イオンを貯蔵するイオントラップ、質量分析計に注入するイオンを作成するイオン源、及び飛行時間形質量分析計用のイオンのパルスパケットを作成するイオン源のような複数の装置を含む。
【０１６０】
用語「イオントラップ」は、一般的な意味では、連続イオンビームからのイオン蓄積、イオン貯蔵、質量選択的イオンサンプリング、質量選択的又は全イオンフラグメンテーション、質量フィルタリング、質量選択的イオンサンプリング、及び最後にイオン質量分析のいずれかに使用される。
【０１６１】
「メッシュ」は、穴を有する電極を意味し、編まれたメッシュ、電解質メッシュ、１組の平行電線、又は穿孔シートを含む様々な実施形態を意味する。メッシュシートの形状は、平面、任意の円筒状又は球状でよい。方法の請求項では、「メッシュ」は、周期的静電（ＲＦ又は直流）場の形成を可能にする周期的電極構造を示す。
【０１６２】
「反発ＲＦメッシュ」は、メッシュ電極、メッシュ電極の後ろ（イオン操作ゾーンに対して）の第２の電極、及び前記電極間に接続された無線周波数（ＲＦ）電圧源を含む装置を表わす。
【０１６３】
「トラップＲＦメッシュ」は、メッシュ電極、まわりを取り囲み相互接続された２個の電極、及びＲＦ電場がメッシュのまわりに実質的に対称になるように前記メッシュと電極間に接続された無線周波数（ＲＦ）電圧源を含む装置を意味する。
【０１６４】
「ガス供給源」は、正味流を形成するために使用されるガスの流れであり、衝突減衰を提供し、フラグメンテーションを支援し、イオン分子反応を生成する。
【０１６５】
「メッシュ電極のまわりの無線周波数電場」は、メッシュ電極と周囲電極の内のいずれかとの間に無線周波数電圧源を適用することによって作成された電場である。そのような電場は、無線周波数電源の２極が交互電極に接続された双極無線周波数電場を作成する従来の幅広く使用されている方法と区別される。
【０１６６】
「粒子」は、両極性のイオン、電子、液滴、塵粒子、核粒子、広範囲の波長の光子、高速原子、周囲ガスを含む中性物質、蒸気、ドーパントガス、高反応性蒸気、及びガス不純物を意味する。
【０１６７】
「降伏電圧限界」は、任意のガス圧力で放電が起きない最低電圧を意味する。降伏限界は、周囲ガスの性質に依存し、通常は２００Ｖの範囲にある。
【０１６８】
以上の説明は、単に好ましい実施形態のものと考えられる。本発明の修正は、当業者及び本発明を作成し使用する業者には想起されるであろう。従って、図面に示され以上説明した実施形態が、単に説明のためであり、本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原理に従って解釈されるような添付の特許請求の範囲によって定義されることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１６９】
１ イオン反発システム１
２ メッシュ
３ 電極
４ ＲＦ信号発生器
５ 内部領域
６ 外部領域
７ 外側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンマニピュレータであって、
メッシュ電極と、
前記メッシュ電極の一方の側の近くに位置決めされた第２の電極と、
前記メッシュ電極と第２の電極の間に結合された無線周波数電圧源とを有するイオンマニュピレータ。
【請求項２】
前記メッシュ電極の前記第２の側の近くに配置されて、前記メッシュのまわりに実質的に対称的なＲＦ電場を形成する第３の電極を更に有する、請求項１に記載のイオンマニピュレータ
【請求項３】
前記メッシュ電極内にガスの流れを供給するためのガス供給源を更に有し、前記供給源が、連続的ガス供給源、パルスガス弁、及びパルス粒子線に晒される冷表面のいずれかを含む、請求項２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項４】
前記メッシュ電極と第２の電極の少なくとも１個に結合された少なくとも１個の直流電圧源を有する、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項５】
前記メッシュがメッシュセルを定義し、イオンの平均密度がメッシュセル１個当たりイオン１個未満になるように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項６】
前記ＲＦ電圧源は二次コイルを有し、前記二次コイルの２個の部分を切断するか、ＦＴＭＯＳトランジスタを使用して前記二次コイルの出力をクランプすることによって遮断され、前記トランジスタが低キャパシタンスダイオード又は線形ＲＦ増幅器によって結合された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項７】
前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュセルと前記第２の電極間の距離が３ｍｍ未満であり、ＲＦ周波数が１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で且つ前記メッシュセルサイズと反比例するように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項８】
前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュセルの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュと前記第２の電極間の距離が、１ｍｍ未満、０．３３ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満、３０μｍ未満、１０μｍ未満、３μｍ未満及び１μｍ未満であり、ＲＦ周波数が２ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で且つ前記メッシュセルサイズに反比例するように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項９】
前記ガス供給源が、約１Ｔｏｒｒから周囲大気ガス圧力までの周囲で前記ＲＦ電圧源の周波数に比例して拡張されたガス圧力範囲を提供する、請求項３に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１０】
前記メッシュ電極が絶縁材料を使用して支持され位置合わせされ、前記絶縁材料は、メッシュと電極間のシート、メッシュ電線下のブリッジ、メッシュ電線下のアイランド、及び２個のメッシュ電線間のブリッジのいずれかの形状を有する層である、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１１】
前記メッシュと絶縁体層が、サンドイッチを構成し、剛性又は可撓性シート上のＰＣＢ技術、ＭＥＭＳ技術、制御された粒子蒸着、及び絶縁層を形成する前記メッシュの酸化のいずれかを使用して作成された、請求項１０に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１２】
イオンチャネルが、貫通ＲＦ電場を有する前記メッシュ電極（反発ＲＦメッシュとして示された）と、円筒又は任意形状の箱に包まれた同じ反発ＲＦメッシュ、別の反発ＲＦメッシュ、直流反発電極、静電場の移動波を形成する１組の電極、及びＲＦトラッピングメッシュのいずれかによって構成された、請求項１１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１３】
前記イオンチャネルが、屈曲チャネル、ループチャネル、並行流（co-flow）及び向流（counter-flow）の平行チャネル、平滑又は段付き漏斗、合流チャネル、分割チャネル、自由排水口を有するチャネル、蓋付きチャネル、弁スイッチを有するチャネル、イオンリザーバ、パルスダンパ、及びイオンポンプのいずれかの形に形成された、請求項１２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１４】
前記イオンチャネル内のイオン流が、ガス流、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかによって引き起こされる、請求項１２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１５】
マニピュレータが、イオンビームガイド、衝突減衰を有するイオンビームガイド、平行イオンガイドのアレイ、イオントラップのアレイ、イオンフラグメンテーションセル、粒子を有するイオン貯蔵リアクタ、イオン分光用のセル、質量分析計に連続注入するためのイオン源、質量分析計にパルス注入するためのイオン源、飛行時間形質量分析計に注入するためのイオンパケットパルス源、質量フィルタ、及び質量分析計のいずれかとして働く、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１６】
少なくとも請求項１に記載のイオンマニピュレータを含む、質量分析計にガスイオン源からイオンを輸送するためのインタフェース。
【請求項１７】
前記イオンマニピュレータが、１ｍｔｏｒｒから最大１大気圧までの幅広いガス圧力の質量範囲においてイオンガイドとして動作し、ＲＦ閉じ込めを保証するために、メッシュスケールＬとＲＦ周波数Ｆが、Ｌ（ｍｍ）＜１／Ｐ（Ｔｏｒｒ）で且つＦ（ＭＨｚ）＞１＊Ｐ（Ｔｏｒｒ）となるように調整された、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項１８】
前記ガスイオン源からより高いガス流をサンプリングするために使用される複数のノズルを有する、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項１９】
前記イオンマニピュレータが、複数の差動ポンピング段を貫通して延在する、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２０】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）ＥＳＩ、ＡＰＣＩ、ＡＰＰＩ、ＣＩ、ＥＩ等の個別のイオン源の選択的作動、（ｉｉ）主イオン源と質量較正複合物を有するイオン源との間の周期的切り替え、及び（ｉｉｉ）イオン流をその反応、質量較正又は感度較正のために混合するための同時作動のいずれかのために、複数のイオン源からのイオン流を合流させるために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２１】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）イオンクラスタの破壊、（ｉｉ）イオンフラグメンテーション、及び（ｉｉｉ）イオン・粒子間反応の誘導又は抑制のために、イオンを励起するために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２２】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）四重極磁石セクタＭＳ、又は直交加速器を有するＴＯＦ ＭＳ等の連続的に動作する質量分光計（ＭＳ）内への直接且つ連続的導入、（ｉｉ）ＩＴＭＳ、ＦＴＭＳ、オービトラップ、及び同期された直交加速器を有するＴＯＦ ＭＳ等の周期的に動作するＭＳ内へのパルス軸方向導入、及び（ｉｉｉ）周期的に動作するＭＳ内への直交パルス加速のいずれかによって、イオンを質量分析計に導入するために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２３】
イオンが外部イオン源からコンバータに注入され、イオンパケットが電場のパルスによって前記イオンマニピュレータから飛行時間形質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）に直接注入される、請求項１に記載のイオンマニピュレータを有するパルスイオンコンバータ。
【請求項２４】
前記イオンマニピュレータが、請求項１２に記載の少なくとも１個の反発ＲＦメッシュを有するイオンチャネルを有する、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２５】
前記イオンマニピュレータがイオンガイドのアレイを有する、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２６】
メッシュサイズが、１ｍｍ、０．１ｍｍ、１０μｍ未満であり、ガス圧力とＲＦ周波数が両方とも、メッシュサイズに反比例するように調整された、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２７】
請求項６に定義されたような電気パルス印加とＲＦ信号スイッチングとの間の遅延が、前記ＴＯＦ ＭＳにおける時間収束を改善するように調整された、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２８】
前記パルス電場の強度が、縮小されたメッシュ幾何学的スケールに反比例して調整された、請求項３３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２９】
前記イオンマニピュレータが、多数の差動ポンピング段を貫通しており、ガス圧力が、前記マニピュレータに沿って実質的に変化し、マニピュレータへのイオン注入が、イオン放出領域より実質的に高いガス圧力で行われる、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項３０】
請求項１のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
【請求項３１】
請求項１６のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
【請求項３２】
個々のトラップ間でガス流によってイオンが移動され、セル内のイオン捕捉が、ＲＦ信号と直流信号を調整することにより時間で変化する、請求項２に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
【請求項３３】
（ｉ）永続イオン運動の共振励起の使用、（ｉｉ）ＲＦ及び直流電場の四次（quadrupolar）及びそれより高次の成分の比率の調整、及び（ｉｉｉ）連続した微視的質量分離セルの大きなアレイ内の質量分離段の多重繰り返しのいずれかによって分解能が改善された、請求項３２に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
【請求項３４】
（ｉ）イオン保持、（ｉｉ）誘導、（ｉｉｉ）励起、（ｉｖ）衝突減衰、（ｖ）ガス衝突における内部エネルギーの冷却、（ｖｉ）パルスイオンフラックスの連続又は疑似連続イオンフラックスへの変換、（ｖｉｉ）帯電と材料付着に対する表面保護、（ｖｉｉｉ）異極性の荷電粒子の保持、（ｉｘ）幅広い質量範囲のイオンの保持、及び（ｘ）質量対電荷比によるイオンの粗フィルタリングのいずれかのために、請求項１に記載のＲＦ反発面を有する内部イオン化を有するイオン源。
【請求項３５】
内部イオン化が、（ｉ）蒸気試料の電子、（ｉｉ）蒸気試料の光子、（ｉｉｉ）蒸気試料の反応物イオン、（ｉｖ）表面からの高速の粒子、（ｖ）表面からの光子、及び（ｖｉ）固体又は液体マトリクスからの光子のいずれかによって行われる、請求項３４に記載のイオン源。
【請求項３６】
無線周波数電場によってイオンが保持され、（ｉ）十分に高い運動エネルギーでの前記マニピュレータへのイオン注入、（ｉｉ）イオンマニピュレータのイオン衝突表面、（ｉｉｉ）高速原子によるイオン衝撃、（ｉｖ）光子によるイオン照明、（ｖ）高速電子へのイオンの露出、（ｖｉ）電子捕獲解離のための低速電子へのイオン露出、（ｖｉｉ）異極性の粒子とのイオン反応、及び（ｖｉｉｉ）積極的蒸気とのイオン反応のいずれかによってイオンフラグメンテーションが引き起こされる、請求項１に記載のイオンマニピュレータを有するフラグメンテーションセル。
【請求項３７】
イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
メッシュ電極を貫通するＲＦ電場を印加してイオンを跳ね返す段階とを含む方法。
【請求項３８】
イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
前記メッシュ電極の周囲に実質的に対称的に無線周波数電場を印加してイオンを捕捉する段階とを含む方法。
【請求項３９】
連続的ガス流を提供すること、パルスノズルからパルスガス噴流を提供すること、又はパルス粒子線によって引き起こされる冷表面から脱着蒸気のパルスフラックスを提供することによるイオン衝突減衰段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
直流電場を印加することにより前記メッシュにイオンを引き付ける段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
ＲＦ電場がイオン放出のために遮断される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記ＲＦ電場の幾何学的スケールを、１ｍｍ未満、０．３ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満、３０μｍ未満、１０μｍ未満、３μｍ未満、１μｍ未満のいずれかに選択する段階を更に含み、ＲＦ周波数が数ＧＨｚまで幾何学的スケールに反比例して調整される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
ガスの流れを供給することを更に含み、ガス圧力範囲が、ＲＦ周波数に比例して１ｍｔｏｒｒから大気ガス圧力までの範囲で変化する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
メッシュを支持しカウンタ電極に位置合わせする方法として前記ＲＦ電場に絶縁体を挿入する段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
イオンチャネルを形成することを更に含み、イオン流は、前記イオンチャネル内でガイドされ、前記チャネルが、反発ＲＦ電場と、円筒又は任意形状の箱内に包まれた同じ反発ＲＦ電場、別の反発ＲＦ電場、直流反発電界、静電場の移動波、及びＲＦ捕捉電場のいずれかによって形成された、請求項３７に記載の方法。
【請求項４６】
前記誘導が、屈曲、ループ形成、並行流と向流のための平行チャネルのアレイ、平滑又は段付き漏斗内へのイオン流の閉じ込め、合流、分割、自由排出、蓋被せ、弁切り替え、イオンリザーバ内での貯蔵、パルス減衰、イオン流の速度変調、及びポンピングのいずれかの方法によって前記イオン流の変形のために使用される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
イオン流が、ガス、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかよって引き起こされる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記イオン操作が、イオンビーム移動、イオンビーム閉じ込め、イオン捕捉、イオンフラグメンテーション、所定期間のイオン・粒子間反応のためのイオン露出、質量分析計へのイオンの連続注入、質量分析計へのイオンパルス注入、及び飛行時間形質量分析計へのイオンパケットの注入からなる群の内の１個のために使用される、請求項３７に記載の方法。
【請求項１】
イオンマニピュレータであって、
メッシュ電極と、
前記メッシュ電極の一方の側の近くに位置決めされた第２の電極と、
前記メッシュ電極と第２の電極の間に結合された無線周波数電圧源とを有するイオンマニュピレータ。
【請求項２】
前記メッシュ電極の前記第２の側の近くに配置されて、前記メッシュのまわりに実質的に対称的なＲＦ電場を形成する第３の電極を更に有する、請求項１に記載のイオンマニピュレータ
【請求項３】
前記メッシュ電極内にガスの流れを供給するためのガス供給源を更に有し、前記供給源が、連続的ガス供給源、パルスガス弁、及びパルス粒子線に晒される冷表面のいずれかを含む、請求項２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項４】
前記メッシュ電極と第２の電極の少なくとも１個に結合された少なくとも１個の直流電圧源を有する、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項５】
前記メッシュがメッシュセルを定義し、イオンの平均密度がメッシュセル１個当たりイオン１個未満になるように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項６】
前記ＲＦ電圧源は二次コイルを有し、前記二次コイルの２個の部分を切断するか、ＦＴＭＯＳトランジスタを使用して前記二次コイルの出力をクランプすることによって遮断され、前記トランジスタが低キャパシタンスダイオード又は線形ＲＦ増幅器によって結合された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項７】
前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュセルと前記第２の電極間の距離が３ｍｍ未満であり、ＲＦ周波数が１００ｋＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で且つ前記メッシュセルサイズと反比例するように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項８】
前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュセルの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュと前記第２の電極間の距離が、１ｍｍ未満、０．３３ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満、３０μｍ未満、１０μｍ未満、３μｍ未満及び１μｍ未満であり、ＲＦ周波数が２ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で且つ前記メッシュセルサイズに反比例するように調整された、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項９】
前記ガス供給源が、約１Ｔｏｒｒから周囲大気ガス圧力までの周囲で前記ＲＦ電圧源の周波数に比例して拡張されたガス圧力範囲を提供する、請求項３に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１０】
前記メッシュ電極が絶縁材料を使用して支持され位置合わせされ、前記絶縁材料は、メッシュと電極間のシート、メッシュ電線下のブリッジ、メッシュ電線下のアイランド、及び２個のメッシュ電線間のブリッジのいずれかの形状を有する層である、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１１】
前記メッシュと絶縁体層が、サンドイッチを構成し、剛性又は可撓性シート上のＰＣＢ技術、ＭＥＭＳ技術、制御された粒子蒸着、及び絶縁層を形成する前記メッシュの酸化のいずれかを使用して作成された、請求項１０に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１２】
イオンチャネルが、貫通ＲＦ電場を有する前記メッシュ電極（反発ＲＦメッシュとして示された）と、円筒又は任意形状の箱に包まれた同じ反発ＲＦメッシュ、別の反発ＲＦメッシュ、直流反発電極、静電場の移動波を形成する１組の電極、及びＲＦトラッピングメッシュのいずれかによって構成された、請求項１１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１３】
前記イオンチャネルが、屈曲チャネル、ループチャネル、並行流（co-flow）及び向流（counter-flow）の平行チャネル、平滑又は段付き漏斗、合流チャネル、分割チャネル、自由排水口を有するチャネル、蓋付きチャネル、弁スイッチを有するチャネル、イオンリザーバ、パルスダンパ、及びイオンポンプのいずれかの形に形成された、請求項１２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１４】
前記イオンチャネル内のイオン流が、ガス流、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかによって引き起こされる、請求項１２に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１５】
マニピュレータが、イオンビームガイド、衝突減衰を有するイオンビームガイド、平行イオンガイドのアレイ、イオントラップのアレイ、イオンフラグメンテーションセル、粒子を有するイオン貯蔵リアクタ、イオン分光用のセル、質量分析計に連続注入するためのイオン源、質量分析計にパルス注入するためのイオン源、飛行時間形質量分析計に注入するためのイオンパケットパルス源、質量フィルタ、及び質量分析計のいずれかとして働く、請求項１に記載のイオンマニピュレータ。
【請求項１６】
少なくとも請求項１に記載のイオンマニピュレータを含む、質量分析計にガスイオン源からイオンを輸送するためのインタフェース。
【請求項１７】
前記イオンマニピュレータが、１ｍｔｏｒｒから最大１大気圧までの幅広いガス圧力の質量範囲においてイオンガイドとして動作し、ＲＦ閉じ込めを保証するために、メッシュスケールＬとＲＦ周波数Ｆが、Ｌ（ｍｍ）＜１／Ｐ（Ｔｏｒｒ）で且つＦ（ＭＨｚ）＞１＊Ｐ（Ｔｏｒｒ）となるように調整された、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項１８】
前記ガスイオン源からより高いガス流をサンプリングするために使用される複数のノズルを有する、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項１９】
前記イオンマニピュレータが、複数の差動ポンピング段を貫通して延在する、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２０】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）ＥＳＩ、ＡＰＣＩ、ＡＰＰＩ、ＣＩ、ＥＩ等の個別のイオン源の選択的作動、（ｉｉ）主イオン源と質量較正複合物を有するイオン源との間の周期的切り替え、及び（ｉｉｉ）イオン流をその反応、質量較正又は感度較正のために混合するための同時作動のいずれかのために、複数のイオン源からのイオン流を合流させるために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２１】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）イオンクラスタの破壊、（ｉｉ）イオンフラグメンテーション、及び（ｉｉｉ）イオン・粒子間反応の誘導又は抑制のために、イオンを励起するために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２２】
前記イオンマニピュレータが、（ｉ）四重極磁石セクタＭＳ、又は直交加速器を有するＴＯＦ ＭＳ等の連続的に動作する質量分光計（ＭＳ）内への直接且つ連続的導入、（ｉｉ）ＩＴＭＳ、ＦＴＭＳ、オービトラップ、及び同期された直交加速器を有するＴＯＦ ＭＳ等の周期的に動作するＭＳ内へのパルス軸方向導入、及び（ｉｉｉ）周期的に動作するＭＳ内への直交パルス加速のいずれかによって、イオンを質量分析計に導入するために使用される、請求項１６に記載のインタフェース。
【請求項２３】
イオンが外部イオン源からコンバータに注入され、イオンパケットが電場のパルスによって前記イオンマニピュレータから飛行時間形質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）に直接注入される、請求項１に記載のイオンマニピュレータを有するパルスイオンコンバータ。
【請求項２４】
前記イオンマニピュレータが、請求項１２に記載の少なくとも１個の反発ＲＦメッシュを有するイオンチャネルを有する、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２５】
前記イオンマニピュレータがイオンガイドのアレイを有する、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２６】
メッシュサイズが、１ｍｍ、０．１ｍｍ、１０μｍ未満であり、ガス圧力とＲＦ周波数が両方とも、メッシュサイズに反比例するように調整された、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２７】
請求項６に定義されたような電気パルス印加とＲＦ信号スイッチングとの間の遅延が、前記ＴＯＦ ＭＳにおける時間収束を改善するように調整された、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２８】
前記パルス電場の強度が、縮小されたメッシュ幾何学的スケールに反比例して調整された、請求項３３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項２９】
前記イオンマニピュレータが、多数の差動ポンピング段を貫通しており、ガス圧力が、前記マニピュレータに沿って実質的に変化し、マニピュレータへのイオン注入が、イオン放出領域より実質的に高いガス圧力で行われる、請求項２３に記載のＴＯＦ ＭＳ用パルスイオンコンバータ。
【請求項３０】
請求項１のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
【請求項３１】
請求項１６のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
【請求項３２】
個々のトラップ間でガス流によってイオンが移動され、セル内のイオン捕捉が、ＲＦ信号と直流信号を調整することにより時間で変化する、請求項２に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
【請求項３３】
（ｉ）永続イオン運動の共振励起の使用、（ｉｉ）ＲＦ及び直流電場の四次（quadrupolar）及びそれより高次の成分の比率の調整、及び（ｉｉｉ）連続した微視的質量分離セルの大きなアレイ内の質量分離段の多重繰り返しのいずれかによって分解能が改善された、請求項３２に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
【請求項３４】
（ｉ）イオン保持、（ｉｉ）誘導、（ｉｉｉ）励起、（ｉｖ）衝突減衰、（ｖ）ガス衝突における内部エネルギーの冷却、（ｖｉ）パルスイオンフラックスの連続又は疑似連続イオンフラックスへの変換、（ｖｉｉ）帯電と材料付着に対する表面保護、（ｖｉｉｉ）異極性の荷電粒子の保持、（ｉｘ）幅広い質量範囲のイオンの保持、及び（ｘ）質量対電荷比によるイオンの粗フィルタリングのいずれかのために、請求項１に記載のＲＦ反発面を有する内部イオン化を有するイオン源。
【請求項３５】
内部イオン化が、（ｉ）蒸気試料の電子、（ｉｉ）蒸気試料の光子、（ｉｉｉ）蒸気試料の反応物イオン、（ｉｖ）表面からの高速の粒子、（ｖ）表面からの光子、及び（ｖｉ）固体又は液体マトリクスからの光子のいずれかによって行われる、請求項３４に記載のイオン源。
【請求項３６】
無線周波数電場によってイオンが保持され、（ｉ）十分に高い運動エネルギーでの前記マニピュレータへのイオン注入、（ｉｉ）イオンマニピュレータのイオン衝突表面、（ｉｉｉ）高速原子によるイオン衝撃、（ｉｖ）光子によるイオン照明、（ｖ）高速電子へのイオンの露出、（ｖｉ）電子捕獲解離のための低速電子へのイオン露出、（ｖｉｉ）異極性の粒子とのイオン反応、及び（ｖｉｉｉ）積極的蒸気とのイオン反応のいずれかによってイオンフラグメンテーションが引き起こされる、請求項１に記載のイオンマニピュレータを有するフラグメンテーションセル。
【請求項３７】
イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
メッシュ電極を貫通するＲＦ電場を印加してイオンを跳ね返す段階とを含む方法。
【請求項３８】
イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
前記メッシュ電極の周囲に実質的に対称的に無線周波数電場を印加してイオンを捕捉する段階とを含む方法。
【請求項３９】
連続的ガス流を提供すること、パルスノズルからパルスガス噴流を提供すること、又はパルス粒子線によって引き起こされる冷表面から脱着蒸気のパルスフラックスを提供することによるイオン衝突減衰段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
直流電場を印加することにより前記メッシュにイオンを引き付ける段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
ＲＦ電場がイオン放出のために遮断される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記ＲＦ電場の幾何学的スケールを、１ｍｍ未満、０．３ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満、３０μｍ未満、１０μｍ未満、３μｍ未満、１μｍ未満のいずれかに選択する段階を更に含み、ＲＦ周波数が数ＧＨｚまで幾何学的スケールに反比例して調整される、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
ガスの流れを供給することを更に含み、ガス圧力範囲が、ＲＦ周波数に比例して１ｍｔｏｒｒから大気ガス圧力までの範囲で変化する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
メッシュを支持しカウンタ電極に位置合わせする方法として前記ＲＦ電場に絶縁体を挿入する段階を更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
イオンチャネルを形成することを更に含み、イオン流は、前記イオンチャネル内でガイドされ、前記チャネルが、反発ＲＦ電場と、円筒又は任意形状の箱内に包まれた同じ反発ＲＦ電場、別の反発ＲＦ電場、直流反発電界、静電場の移動波、及びＲＦ捕捉電場のいずれかによって形成された、請求項３７に記載の方法。
【請求項４６】
前記誘導が、屈曲、ループ形成、並行流と向流のための平行チャネルのアレイ、平滑又は段付き漏斗内へのイオン流の閉じ込め、合流、分割、自由排出、蓋被せ、弁切り替え、イオンリザーバ内での貯蔵、パルス減衰、イオン流の速度変調、及びポンピングのいずれかの方法によって前記イオン流の変形のために使用される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
イオン流が、ガス、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかよって引き起こされる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記イオン操作が、イオンビーム移動、イオンビーム閉じ込め、イオン捕捉、イオンフラグメンテーション、所定期間のイオン・粒子間反応のためのイオン露出、質量分析計へのイオンの連続注入、質量分析計へのイオンパルス注入、及び飛行時間形質量分析計へのイオンパケットの注入からなる群の内の１個のために使用される、請求項３７に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１０Ｇ】
【図１０Ｈ】
【図１０Ｉ】
【図１０Ｊ】
【図１０Ｋ】
【図１０Ｌ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１１Ｇ】
【図１２Ａ１】
【図１２Ａ２】
【図１２Ｂ１】
【図１２Ｂ２】
【図１２Ｃ１】
【図１２Ｃ２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図１９Ｄ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１０Ｇ】
【図１０Ｈ】
【図１０Ｉ】
【図１０Ｊ】
【図１０Ｋ】
【図１０Ｌ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１１Ｇ】
【図１２Ａ１】
【図１２Ａ２】
【図１２Ｂ１】
【図１２Ｂ２】
【図１２Ｃ１】
【図１２Ｃ２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１５Ｄ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図１９Ｄ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５２９６２３（Ｐ２０１１−５２９６２３Ａ）
【公表日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２１０７１（Ｐ２０１１−５２１０７１）
【出願日】平成２０年７月２８日（２００８．７．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１３４９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１４０７７
【国際公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２８日（２００８．７．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１３４９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１４０７７
【国際公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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