JP6443465B2 - イオン処理装置においてイオンを案内する又は閉じ込めるためのイオン操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン処理装置においてイオンを案内する又は閉じ込めるためのイオン操作装置に関する。

イオンガイド、イオントラップ、イオン蓄積器及び開裂装置が質量分析装置でよく利用される。これらの構造物は、例えば、質量分析装置内におけるイオン選択領域と飛行時間領域との間といった構造物間でのイオンの輸送、イオンの一時的な蓄積及び／又は開裂に用いられる。一般にこれは四重極装置といった多重極装置を用いて成される（六重極装置や八重極装置等、他の多重極装置も可能である）。多重極装置には分析能力が要求されないことが典型的であるため、これらの装置は質量分析用の装置よりも緩い公差（つまり低い精度）で製造されるのが一般的である。従って、多重極装置を作るために用いられる製造／組み立て方法は適切に選択しなければならない。例えば、通常、高精度のセラミックス及び接地電極の使用は多重極装置の製造には適していないと考えられる。なぜなら、これらの方法はより費用がかかるため、高い精度が必要な構成要素のために取っておくのが普通だからである。

本発明は、質量分析装置においてイオンガイドとして用いられる多重極装置を製造する簡単な方法を探求した発明者らによって考案された。

多重極装置を製造する現在の標準的な方法ではプラスチック（又は他の絶縁性の）支持構造により支持された金属電極が用いられるであろう。普通はこれらの方法で十分であるが、例えば多重極装置内に所定のガス圧プロファイルを作り出すためにイオンガイド構造を囲い込むことが必要な場合もある。これは通常、多重極装置を缶又は管の中に入れることにより達成される。

本発明者らは、多重極装置が（例えばガス圧を通ってイオンを加速するために複数の直流電極が用いられている場合に必要となるような）多数の電極片を含む分割電極を有している場合、電圧源から複数の電極片まで複数の個別の接続を行う必要があるため、異なる高周波電圧及び直流電圧を該複数の電極片に印加することが複雑になる可能性があるということに気がついた。

本発明者らは、隣接する電極同士の位置合わせを簡単にするために、複数の電極をより大きな単一の集合体の一部とすることが望ましいと考える。

特許文献１にイオン操作方法及び装置が記載されている。特許文献１に記載のイオン操作装置は略平行な一対の面を有している。内側電極配列が各平行面内に含まれ且つその長さにほぼ沿って延在している。該装置は第１の外側電極配列と第２の外側電極配列を含んでいる。各外側電極配列は内側電極の両側にそれぞれ配置され、各平行面内に含まれ且つその長さにほぼ沿って延在している。第１及び第２の外側電極配列には直流電圧が印加される。各電極へ複数の直流電圧を印加することにより、高周波電圧が重畳電場と共に内側電極に印加される。イオンは、イオン閉じ込めエリア内において平行面の間で又は電場の方向の行路に沿って動くか、あるいはイオン閉じ込めエリア内に捕捉されることもある。特許文献１には、該イオン操作装置はプリント回路基板技術を用いて製造と組み立てを行うことができ、質量分析装置に接続することができると記載されている。該イオン操作装置は「Structure for Lossless Ion Manipulation (SLIM) device（無損失イオン操作構造装置）」と呼ばれている。このＳＬＩＭ装置のために様々な用途が提案されている。

特許文献２は荷電粒子を輸送及び操作するための装置を開示している。実施例では、単一の輸送パケット内に正及び負の荷電粒子をまとめる機能が提供されている。実施例は、荷電粒子を輸送するためのチャネルを形成するように配置された電極の集合体と、それらの電極に印加すべき電圧を供給する電力供給源とを含み、該電圧が前記チャネルの内部に非一様な高周波電場を確実に形成し、該電場の擬似ポテンシャルが、少なくとも一定の時間、荷電粒子輸送用のチャネルの長さ方向に沿って一又は複数の局所的な極値を有する一方、前記擬似ポテンシャルの極値の少なくとも１つが、少なくとも一定の時間、少なくとも荷電粒子輸送用のチャネルの長さの一部の範囲内で時間と共に移動させられる。

US 8835839 B1 WO 2012/150351 A1

Ｊ．Ｆ．オハンロン（J. F. O'Hanlon）、「ア・ユーザーズ・ガイド・トゥ・バキューム・テクノロジー（A Users Guide to Vacuum Technology）」、 第３版、Ｗｉｌｅｙ刊、ニューヨーク、３２〜３４ページ

本発明の考案に際して、本発明者らは、複数の電極に異なる電圧を容易に印加でき、簡単な構造で比較的製造コストが低いイオン操作装置、並びに、任意に囲い込むことが可能であり、それによりイオン操作装置を任意に収納する真空室から独立して装置内のガス圧を任意に制御できる構造を設計しようと試みた。なお、イオン操作装置内のガス圧を制御することは、該イオン操作装置がコリジョンセルとして構成されている場合に有用であり得る。コリジョンセルとは高圧の背景ガスとの衝突によりイオンが開裂する質量分析装置内のエリアと見ることができる。特定の名称を与えられているものの、コリジョンセルは局所的にガス圧が高められたイオンガイドと見ることもできる。

本発明は以上の事柄に鑑みて考案されたものである。

本発明の第１の態様は、
イオン処理装置においてイオンを案内する又は閉じ込めるためのイオン操作装置であって、
イオンの行路を操作するための少なくとも１つの第１の電極がその実装面に取り付けられた第１の回路基板と、
イオンの行路を操作するための少なくとも１つの第２の電極がその実装面に取り付けられた第２の回路基板と
イオンの行路を操作するための少なくとも１つのブリッジ電極であって、第１の回路基板の実装面と第２の回路基板の実装面の両方に取り付けられ、且つ、第２の回路基板の実装面と第１の回路基板の実装面が互いに対向する固定的な空間関係となるように該第１の回路基板と該第２の回路基板を相互に離間させて保持するように構成された、少なくとも１つのブリッジ電極と
を有するイオン操作装置を提供する。

このように、イオンの行路を操作するためのブリッジ電極が第１及び第２の回路基板（そして第１及び第２の回路基板に取り付けられた第１及び第２の電極）を固定的な空間関係に保持するために利用されているため、通例ならイオン操作装置の電極を固定的な空間関係に保持するために必要とされる追加的な構造が必要ない。

好ましくは、第１及び第２の回路基板が、第１、第２及びブリッジ電極を一又は複数の外部電圧源及び／又はアースに接続するための回路系を含んでいる（なお、要求に応じて、幾つかの電極が同一の電圧源に接続される場合もあれば、各電極がそれぞれ異なる電圧源及び／又はアースに接続される場合もある）。

好ましくは、第１、第２及びブリッジ電極を一又は複数の外部電圧源及び／又はアースに接続するための前記回路系が第１及び第２の回路基板の表面及び／又は内部に形成された導電要素（例えばトラック、パッド及び／又はビア）を含んでいる。

第１、第２及びブリッジ電極を一又は複数の外部電圧源及び／又はアースに接続するための前記回路系は導電要素に加えて電子部品（コンデンサ、抵抗又は能動素子）を含んでいてもよい。ただし、疑いを避けるために述べておくが、実施形態によっては、第１及び第２の回路基板に含まれる回路系が第１及び第２の回路基板の表面及び／又は内部に形成された導電要素（例えばトラック、パッド及び／又はビア）のみを含む（追加的な電子部品は一切ない）場合もある。

本イオン操作装置は、例えば、イオン処理装置内において構造物の間でイオンを案内するイオンガイド、イオン処理装置の一領域内に（例えばイオンを冷却するために）イオンを閉じ込めるためのイオントラップ若しくはイオン蓄積器、又はイオン処理装置の一領域内にイオンを閉じ込めて開裂させるための開裂装置とすることができる。

好ましくは、第１の回路基板、第２の回路基板、少なくとも１つの第１の電極、少なくとも１つの第２の電極、及び、少なくとも１つのブリッジ電極が装置の長軸に沿って延在している。

好ましくは、第１、第２及びブリッジ電極が装置の中心室の周囲に配置されている。

好ましくは、イオン操作装置の使用時に前記中心室内にイオンが閉じ込められるように第１、第２及びブリッジ電極の各々が（それぞれ）電圧を受ける又は接地されるように構成されている。

実施形態によっては、イオン操作装置の長さが前記中心室の幅の６倍未満（好ましくは４倍未満）としてもよい。このようにすれば外部の電場がイオン操作装置の長さに沿って中心室に浸透することができる。

装置の使用時に絶縁破壊を避けるため、第１、第２及びブリッジ電極は互いに間隔を空けるべきである。

好ましくは、イオン操作装置の使用時に、該イオン操作装置の第１、第２及びブリッジ電極の各々が、第１及び第２の回路基板に含まれる回路系を介して（それぞれ）電圧を受け取る又は接地されるように構成されている。

イオン操作装置の使用時に第１、第２又はブリッジ電極が受け取る電圧は、必要に応じて、直流電圧及び／又は交流電圧を含むものとすることができる（なお、直流電圧と交流電圧を重畳することも可能である）。第１／第２／ブリッジ電極が受け取る交流電圧は高周波の交流電圧とすることができる。本明細書ではこれを適宜ＲＦ電圧と呼ぶ。

好ましくは、本イオン操作装置が多重極装置であり、第１、第２及びブリッジ電極の各々が（それぞれ）多重極電極となるように構成され、それら多重極電極が装置の中心室の周囲に配置され且つ装置の長軸に沿って延在している。また好ましくは、イオン操作装置の使用時にイオンが前記中心室に閉じ込められるように各多重極電極が（それぞれ）交流電圧（これはＲＦ電圧でもよい）を受け取るように構成されている。

好ましくは、本装置が４つ、６つ又は８つの多重極電極を含んでいる。４つ又は６つの多重極電極（特に４つの電極）は８つの電極よりも実施し易いと考えられるが、これら以外の数の多重極電極も実施可能である。

疑いを避けるために述べておくが、各多重極電極は分割電極としてもよい（下記参照）。

好ましくは、第１の回路基板、第２の回路基板及び少なくとも１つのブリッジ電極が長軸の回りに周方向に配置され、更に任意選択で、イオン操作装置の使用時にガスが該イオン操作装置から放射方向（長軸に対する半径方向）に逃げることを妨げる（好ましくは実質的に防止する）ために、それらの電極が相互に結合されていてもよい。この構成は、装置にガスを閉じ込めることが望まれる場合に、缶又は管に装置の電極を収納する代わりに利用することができる。

好ましくは、イオン操作装置の使用時に該イオン操作装置がその長軸の方向に所定の圧力プロファイルを有するように、第１、第２及びブリッジ電極が構成されている（例えばその寸法、形状及び間隔が定められている）。

第１、第２及びブリッジ電極の一又は複数が分割電極であってもよい。この開示を目的としていう分割電極は、装置の長軸方向に互いに離間した複数の電極片を含むものである。当該分野で知られている通り、例えば荷電粒子を捕捉したり装置を通過させたりするために、異なる電圧を異なる電極片に印加することがある。それでも、全ての電極片の位置合わせは、ブリッジ電極により離間させられて固定的な空間関係に保持される第１及び第２の回路基板上に第１、第２及びブリッジ電極を取り付けることにより達成することができる。

本イオン操作装置は、それぞれ装置の長軸方向に（各々の）長さを有する複数の領域に分割されていてもよい。各領域は第１及び第２の回路基板を共用していることが好ましいが、それぞれが独自の第１、第２及びブリッジ電極を有していてもよい。各領域の第１、第２及びブリッジ電極は異なる形状（例えば、後で検討するような、より開けた構造やより閉じた構造）を有していてもよいが、それでも、該異なる領域における電極の位置合わせは、ブリッジ電極により離間させられて固定的な空間関係に保持される第１及び第２の回路基板を介して達成することができる。

疑いを避けるために述べておくが、各領域は分割電極を含んでいてもよい。

本イオン操作装置は、
装置の長軸に沿って第１の長さを有する第１の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第１のエリアを取り囲んでいる第１の領域と、
装置の長軸に沿って第２の長さを有する第２の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第２のエリアを取り囲んでいる第２の領域と
を含み、
前記第２のエリアが前記第１のエリアよりも大きい
ものとすることができる。

このように、イオン操作装置の第２の領域は該イオン操作装置の第１の領域よりもより開けた構造を有している。これは、アパーチャを有する１枚の板（又は複数のそのような板）を必ずしも使用しなくても、該イオン操作装置がその長軸方向に所定の圧力プロファイルを有するように、該イオン操作装置の第１及び第２の領域を構成できるということを意味している。

疑いを避けるために述べておくが、本装置は長軸方向に任意の順序で配置された複数の第１及び／又は第２の領域を含んでいてもよい。

実施形態によっては、本イオン操作装置が
装置の長軸の方向に第１の長さを有する第１の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第１のエリアを取り囲んでいる第１の領域と、
装置の長軸の方向に第２の長さを有する第２の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第２のエリアを取り囲んでいる第２の領域と、
装置の長軸の方向に第３の長さを有する第３の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第３のエリアを取り囲んでいる第３の領域と
を含み、
前記第２の領域が前記第１の領域と前記第３の領域の間にあり、
前記第２のエリアが前記第１及び第３のエリアよりも大きい
ものとすることができる。

このように、イオン操作装置の第２の領域は該イオン操作装置の第１及び第３の領域よりもより開けた構造を有している。これは、アパーチャを有する１枚の板（又は複数のそのような板）を必ずしも使用しなくても、第１及び第３の領域が第２の領域にガスを閉じ込めるように作用できるということを意味している。言い換えれば、アパーチャを有する１枚の板（又は複数のそのような板）を必ずしも使用しなくても、イオン操作装置がその長軸方向に所定の圧力プロファイルを有するように、該イオン操作装置の第１、第２及び第３の領域を構成することができる。これは、例えば本装置をコリジョンセルとして使用する場合に有用であり得る。

本イオン操作装置は、一又は複数の外部ガス源（例えばガスポンプ）から該イオン操作装置内へガスを注入することができるように構成された一又は複数のガス入口を含んでいてもよい。この一又は複数の外部ガス源はイオン処理装置に含まれていてもよい。

第１及び第２の回路基板はそれぞれ絶縁基板を含んでいてもよい。各絶縁基板は標準的な回路基板材料（例えばＦＲ−４）から成るものとすることができる。

好ましくは、前記絶縁基板が、本装置に適用される電気的な波形の特性及び物理的な要件に適合するように選ばれた材料で作られている。例えば、印加電圧に適合するように適切な誘電率を選ぶことができる。また好ましくは、後で検討する損失係数が、絶縁基板を選ぶために用いられるパラメータ群に含まれる単なる１つのパラメータを表す。このパラメータ群は電気的な諸特性（誘電率、損失係数、体積抵抗及び表面抵抗等）及び物理的な諸特性（熱膨張率、ヤング率、引張強さ、曲げ強さ、熱伝導率、吸湿性、ガス放出性等）を含むことができる。

例として、各絶縁基板は損失係数の低い基板であることが好ましい。なぜなら、損失係数の低い基板は、例えば質量分析装置のようなイオン処理装置において必要とされるような典型的なイオン操作の用途に必要な電圧を第１／第２／ブリッジ電極に供給するために回路基板の表面／内部の導電要素を流れる電流により生じる可能性のある発熱による影響を受けにくいことが分かっているからである。損失係数の低い基板は、例えばＰＴＦＥ系の基板又はセラミック基板とすることができる。

後で検討するように、セラミック製絶縁基板を用いれば損失係数が低くなるとともに組み立て公差が高まるという利点が得られることがある。従って、第１及び第２の回路基板はそれぞれセラミック製絶縁基板を含むものとすることができる。

当業者であれば分かるように、ＰＣＢは、構成部品やトラックの間に十分なクリアランスを設けたり、穴と穴の間に十分な間隔を空けたりできる等、現在の優れたＰＣＢ製造法に従って製造することができる。

第１及び第２の回路基板は、例えば絶縁基板上に導電層を印刷／エッチングすることにより表面に導電要素が形成されたプリント回路基板（ＰＣＢ）とすることが簡便である。プリント回路基板は片面型（導電層が１層）、両面型（導電層が２層）又は多層（導電層が３層以上）とすることができる。

第１及び第２の回路基板は、該第１及び第２の回路基板を固定的な空間関係（これは所定の固定的な空間関係であってもよい）に位置合わせするために用いられる一又は複数の専用の位置合わせ機能部（だぼ穴等）を含んでいてもよい。対応する位置合わせ機能部（だぼ等）は電極側に含めることができる。

第１、第２及び／又はブリッジ電極はネジ等の締結具と第１及び第２の回路基板内の取り付け機能部（ネジ穴等）とを用いて該第１及び第２の回路基板に取り付けられるものとすることができる。第１及び第２の回路基板を固定的な空間関係に保持するためにも締結具を（単独で、又は、好ましくは専用の位置合わせ機能部と組み合わせて）用いることができる。

第１及び／又は第２の回路基板は、第１、第２及びブリッジ電極を包む包絡面を超えて装置から突出した片持ち梁部を含むものとすることができる。また、第１及び／又は第２の回路基板が２つの片持ち梁部を含み、各片持ち梁部が第１、第２及びブリッジ電極を包む包絡面を超えて装置からそれぞれ突出するようにとしてもよい。

本装置は、例えば該装置から出るガス流を制限するために、前記少なくとも１つのブリッジ電極の外向きの表面に配置された部材を含んでいてもよい。該部材は電気的な絶縁体とすることができる。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係るイオン操作装置を含むイオン処理装置を提供する。

本イオン処理装置は、一又は複数の電圧源を含み、イオン操作装置の第１、第２及びブリッジ電極の一又は複数が該一又は複数の電圧源から電圧を受けるように構成されているものとすることができる（なお、第１、第２及びブリッジ電極の一又は複数が前記一又は複数の電圧源から電圧を受けるのではなく接地されるように構成されていてもよい）。

前記一又は複数の電圧源は一又は複数の交流電圧源及び／又は一又は複数の直流電圧源を含むものとすることができる。

前記イオン処理装置は一又は複数のガスポンプを含むものとすることができる。

前記イオン処理装置は質量分析装置とすることができる。

本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係るイオン操作装置を製造する方法を提供する。

本方法は、前記少なくとも１つのブリッジ電極を第１の回路基板の実装面と第２の回路基板の実装面の両方に取り付ける手順を含み、その結果、該ブリッジ電極が、第２の回路基板の実装面と第１の回路基板の実装面が互いに対向する固定的な空間関係となるように該第１の回路基板と該第２の回路基板を相互に離間させて保持するものとすることができる。

本発明は、前述の各態様及び好ましい特徴のあらゆる組み合わせを、当該組み合わせが明らかに許されない又は明示的に回避されている場合を除き、含むものである。

これらの提案の例を、添付図面を参照しながら以下に検討する。

第１のＰＣＢベースの多重極装置のＸＹ平面における端面図。 締結具を示す、第１のＰＣＢベースの多重極装置のＸＹ平面における断面図。 締結具とだぼを示す、ＰＣＢ側から見た第２のＰＣＢベースの多重極装置のＹＺ平面における図。電極がＰＣＢと接している箇所が破線で示されている。 締結具とだぼを示す、第２のＰＣＢベースの多重極装置のＸＺ平面における断面図。 電極間にある開けたエリアが狭められた第３の多重極装置のＸＹ平面における端面図。 （ａ）より開けた構造領域とより閉じた構造領域を含む第４の多重極装置を示す図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面で見た第４の多重極装置のより閉じた構造領域の１つを示す図、及び、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面で見た第４の多重極装置のより開けた構造領域を示す図。 電極の包絡面を超えて延在するＰＣＢと追加の被覆材１５とを含む第５の多重極装置のＸＹ平面における端面図。 六重極構造の電極を有する第６の多重極装置のＸＹ平面における端面図。

全体として、以下の検討では、例えばイオンガイドとして用いられる多重極装置、及び、複数の回路基板を「サンドイッチ」構造法で使用してそのような装置を製造する方法を提供する本発明者らの提案の例について説明する。ＰＣＢを利用して支持電極及び電気的接続を有する多重極装置を製造する本方法により、質量分析装置において好適に利用できる比較的安価で適度の精度を持つ多重極装置を製造することができる。

特許文献１で提案されている装置とは異なり、以下に説明する多重極装置の例はガスコンダクタンスを制限するために容易に利用できる。更に、以下に説明する多重極装置の例では、本発明者らが「ブリッジ」電極と呼ぶものを用いて、電極自身が２枚のＰＣＢを離間させる役割を果たす。故に、以下の装置の例に含まれる電極は、ここで提案される多重極装置における位置合わせ及び組み立ての方法の重要な部分を提供する上で役立っている。特許文献１では、平らな表面同士を離間させるために追加の支持片又は取り付け片が必要であり、複雑さが増すことは間違いない。以下に説明する多重極装置の例と特許文献１で提案されているＳＬＩＭ装置との更なる違いは、特許文献１で提案されているＳＬＩＭ装置は多重極装置を形成するものではなく、直流の「ガード」ポテンシャルを側部の電極に印加した一対の「ＲＦカーペット」状表面によりイオンを閉じ込めるものだということである。このアプローチは標準的なＲＦ多重極イオンガイドのアプローチと多少違っており、そのため、特許文献１で提案されているＳＬＩＭ装置は、多重極装置（四重極、イオントラップ等）を特徴付ける周知の理論に鑑みて考えると、多重極装置とみなすことはできない。

実施形態によっては、多重極装置は一軸に沿って延在する２ｎ本の平行電極（ｎ＝２，３，４，…）を有する装置と定義することができる。２ｎ本の電極からなる多重極の精確な電場ポテンシャルは周知のラプラス方程式を解析的に解くことにより計算できる。使用の際、２ｎ本の電極からなる多重極は２ｎ個の極を有する二次元的な振動電場を発生させることができる。極の対の数ｎ＝２，３，４，…は任意に選ぶことができ、よって数多くの多重極電極配置が可能である。最も広く用いられている四重極（ｎ＝２）はこの一群の多重極装置の最初のメンバーを表すに過ぎない。境界条件を置き換えることで、ｎの様々な値に対応する電極形状の精確な式が得られる。実際の装置では、例えばその式の近似的な表現を与えるために、精確な電極形状がそのような式から外れることがある。ｎ極を有するこのような実際の装置は高次を特徴付ける電場成分をわずかに持つ場合がある。多重極装置は、例えば製造の都合上、あるいは特定のイオン光学特性を得るために、精確な電場から外れることがある。

高次の多重極装置（例えばｎ＝６）は、ＲＦ電圧を適宜印加することにより低次の装置（例えばｎ＝２）の電場を作り出すために用いることができる。

本特許のためには、多重極装置がそのような装置を全て含むことが好ましい。

以下に説明する多重極装置は、例えば、質量分析装置等のイオン処理装置においてイオンの輸送、イオンの捕捉、イオンの冷却及び／又はイオンの開裂に利用できる。

以下に説明する多重極装置には次のような利点がある。
・簡単且つ安価に製造可能なイオンガイドが提供される。
・組み立て手順が簡単である。
・位置合わせ治具が不要である。
・ＰＣＢ内の導電要素（例えばトラック）を用いて簡単且つ確実に電極に電圧を接続できる。
・「サンドイッチ」構造により、（例えば装置内にガスを閉じ込めることが望ましい用途において）イオンガイドを囲い込むことや、ＰＣＢに穴を追加してガスが装置に自由に出入りできるようにすることができる。

以下に説明する多重極装置は、プリント回路基板（ＰＣＢ）を多重極装置の電極のための支持構造として利用して製造することができる。これにより、ＰＣＢは３つの機能を持つことができる。
１）イオンの行路を操作するための電極の支持。
２）各電極を一又は複数の外部の電圧源及び／又はアースに接続するための導電要素の担持。
３）（任意選択で）多重極装置内へのガスの閉じ込め。

従来、これらの機能はそれぞれ別の構造により実施されることが一般的であった。例えば、電極の保持にはプラスチック製の支持片が用いられ、電気的な接続には導線が用いられ、ガスの閉じ込めには周囲を取り囲む「缶」が用いられていた。ＰＣＢ及び電極を用いてこれら３つの機能を果たすことにより部品点数が減るとともに組み立て及び製造が簡単になる。ＰＣＢの大量生産は安価な行程でできるため、より低コストで装置を作ることができる。

また、以下に説明する多重極装置には、複数の電極片を簡単に単一の構造に組み込みながらも、電気的な接続を簡単且つ高い信頼性で行うことができるという大きな利点がある。従来の製造方法では、各電極片を個別に支持し、隣接する電極片と位置合わせする必要があったが、本方法を用いれば、多重極装置の全ての電極片を支持するようにＰＣＢ支持構造を延在させることができるため、その位置合わせが簡単になる。これにより、多数の電極を含むイオンガイド構造を簡単に製造できるとともに、その複数の電極への電気的な接続を簡素化することができる。

イオンガイド構造の囲い込みにＰＣＢを利用すれば、別の囲い込み構造が必要なくなるため、必要な部品の数を減らすことができる。一方、任意選択でＰＣＢ材に穴を空けて装置にガスを出入りさせてもよい。これは、ガスの閉じ込めは任意選択の特徴であるということを意味する。

簡単のため、以下の記述では多重極装置を全てイオンガイドと称する。しかし、多重極装置は、イオン蓄積器、イオントラップ、コリジョンセル等として（更に言えば、標準的な四重極又は多重極イオンガイドを用いるあらゆる用途で）同様に利用できる。

以下のアプローチに従い、ＰＣＢ支持構造を用いて簡単にイオンガイドを製造できる。電極一式の両側に一対のＰＣＢを、該電極が一方又は両方のＰＣＢにより支持されるように配置する。電極をＰＣＢに取り付けることができるようにするために専用の位置合わせ機能部（だぼとだぼ穴等）及び／又は取り付け機能部（ネジ穴等）をＰＣＢ及び／又は電極に含めてもよい。

第１のＰＣＢベースの多重極装置のＸＹ平面における端面を示す図１を見ると、その基本構造は、
・第１及び第２のプリント回路基板（ＰＣＢ）１ａ、１ｂ、
・２枚のＰＣＢの間を橋渡しするように構成され、両方のＰＣＢに取り付けられた複数のブリッジ電極３、及び
・第１のＰＣＢ１ａに取り付けられた第１の電極５ａと、第２のＰＣＢ１ｂに取り付けられた第２の電極５ｂとを含む側部電極５ａ、５ｂ
を含んでいる。

第１、第２及びブリッジ電極３、５ａ、５ｂは装置の中心室４の周囲に配置されている。

第１のＰＣＢ１ａ、第２のＰＣＢ１ｂ、ブリッジ電極３、第１の電極５ａ及び第２の電極５ｂは全て長軸ｌに沿って延在している（図１には示していないが、この軸はｚ軸に平行であり、第１の回路基板１ａ、第２の回路基板１ｂ及びブリッジ電極３はこの長軸の回りに周方向に配置されている。図４参照）。

第１の回路基板１ａと第２の回路基板１ｂを互いに離間させて固定的な空間関係に保持する他、ブリッジ電極３は一方の回路基板から他方の回路基板への電気的な接続も提供することができる。これは、例えば両方の回路基板１ａ、１ｂ上の電極に同一の電圧を印加する場合に有用であり得る。

図１に示した第１のＰＣＢベースの多重極装置では、電極３、５ａ、５ｂに適切な高周波電圧が印加されたときに装置の中心に四重極又は四重極に似た電場を作り出すように電極３、５ａ、５ｂが構成されている。この装置は、電極３、５ａ、５ｂ及びＰＣＢ１ａ、１ｂの寸法を変えることにより適宜選ばれた任意の内接半径を有する中心室４を有するものとすることができる。また、電極３、５ａ、５ｂは、その「作用」面及び補助又は実装面のいずれにおいても任意の理に適った形状をとることができる。電極３、５ａ、５ｂの「作用」面は、ここで示すいずれの例でも平らになっているが、湾曲面や双曲面等、任意の形状をとることができる。電極３、５ａ、５ｂの補助面は、例えば、ガスを閉じ込める若しくは自由に循環させる、又は適切な電圧トラッキング距離を利用できるようにする等、装置の用途又は実装上の要求に合わせて変形することができる。本装置は四重極の形である必要はなく、それ以外の数の多重極電極を有する他の多重極も同様の方法で製造することができる（例えば図８参照）。

第１のＰＣＢベースの多重極装置の構造及び位置合わせ方法を図２に示す。

図３及び４は第２のＰＣＢベースの多重極装置の構造及び位置合わせ方法を示している。また図４は装置の長軸ｌも示している。この軸はｚ軸方向に延在している。

図２、３及び４に示した例では全ての電極が一方又は両方のＰＣＢ１ａ、１ｂにネジ止めされている。ブリッジ電極３は２枚のＰＣＢ１ａ、１ｂの間を「橋渡し」するように構成されている。第１の電極５ａは第１のＰＣＢ１ａに取り付けられるように構成されている。第２の電極５ｂは第２のＰＣＢ１ｂに取り付けられるように構成されている。電極３、５ａ、５ｂをＰＣＢ１ａ、１ｂに取り付けるために締結具（ここではネジ７）が用いられている。構造物の外形を乱さないようにするため、ネジ７をＰＣＢ１ａ、１ｂの皿穴に埋めてもよい。ＹＺ平面における電極３、５ａ、５ｂの位置合わせはだぼ９とだぼ穴で達成することができる。本例ではネジ７は電極の位置合わせには使用されていないが、厳しい公差が必要とされない場合は、（例えばだぼを用いなくても）ネジ７が粗めの位置合わせ機能を果たすようにすることも考えられる。電極が適切に位置合わせ／束縛されることを保証するため、電極毎に適切な数のだぼ９を選ぶことができる。例えば、１つのＰＣＢ１ａ、１ｂに取り付けられた側部電極５ａ、５ｂには、ＹＺ平面内に該電極５ａ、５ｂを配置するために２つのだぼ９を使用することができる。ＰＣＢ１ａ、１ｂの両方に取り付けられたブリッジ電極には、ＹＺ平面内に該電極を位置合わせするために３つ以上のだぼ９を使用することができる。例えば、一方のＰＣＢにだぼ２つを配置し、他方のＰＣＢにだぼを１つだけ配置すればよい。電極毎のだぼの数及び位置は完成した組み立て体の構造に従って選択され、且つ一般的な優れた製造法に従って行われるべきである。なお、例えば完成した組み立て体をより大きなイオン処理装置（質量分析装置等）内で位置合わせするために、各ＰＣＢ１ａ、１ｂが電極３、５ａ、５ｂのための実装面と反対側の面に位置合わせ機能部を含んでいてもよい。

当業者であれば、ブリッジ電極３のx方向の寸法が側部電極５ａ、５ｂの離間距離並びに該側部電極５ａ、５ｂのｘ方向の寸法をある程度決めるということが分かるであろう。本方法は、装置の寸法が歪まない程度に各ＰＣＢ１ａ、１ｂの基板が十分に堅いということをある程度当てにしている。故に、各ＰＣＢ１ａ、１ｂの基板の材料及び厚さは、歪みを防ぐために適切な厚さとなるように選ぶことが好ましい。各ＰＣＢ１ａ、１ｂの基板はブリッジ電極３にネジ止めされることが好ましい。そうすれば、ＰＣＢの歪みの影響を軽減するためにブリッジ電極３を十分に大きく且つ頑丈にすることができるため、装置の強度を高める上で役立つ。ｙ方向における全電極３、５ａ、５ｂの配置はだぼ９により達成することができる。

電極３、５ａ、５ｂ及びＰＣＢ１ａ、１ｂの両方の表面にだぼを配置するための穴には、適切な組み立て公差を達成するように公差を設けることが好ましい。標準的なＰＣＢ製造技術であれば一般に穴同士の間に良好な公差が達成される。標準的なＰＣＢ製造法を用いた穴同士の位置公差の限界は１０μｍ程度であり、これが達成可能な全体の組み立て公差を規定する。電極３、５ａ、５ｂの寸法については公差をもっと小さな値（例えば２μｍ）にすることができるが、標準的なＰＣＢ製造法により達成可能な公差に合うように適切な製造公差を選ぶことが好ましい。なお、全体的な組み立て公差を高めるために、セラミック系の基板と非標準的なＰＣＢ製造法を用いてＰＣＢ１ａ、１ｂを製造することも可能である。しかし、本発明で優先される目的は、標準的な低コストのＰＣＢ製造技術と標準的なＰＣＢ材（例えばＦＲ−４材）を使用できる、低コストで組み立ての容易な装置を製造することである。それでもなお、所望の真空特性及び電気的特性に応じて適宜のＰＣＢ材を選んでもよい。例えば、装置の使用時に存在するＲＦ電場により生じる過度の加熱を避けるためにＰＣＢ材を選択することができる。なお、あらゆる標準的なＰＣＢ製造法と同様、ＰＣＢ材は単層、二層又は多層とすることができ、またトラックやビア等をＰＣＢの内部に含めることができる。

上記基本構造の制限の範囲内で、電極３、５ａ、５ｂのプロファイルを変更して実質的に無数のやり方でイオンガイドの他の形状を作り出すことができる。図３及び４に示した第２のＰＣＢベースの多重極装置は、第１、第２及び第３の電極３、５ａ、５ｂがそれぞれ複数の多重極電極片から成る分割電極により装備されているイオンガイドを示している（図３には第１の電極５ａ及びブリッジ電極３の電極片しか示されていない）。これは、荷電粒子を捕捉したり装置を通過させたりするためにイオンガイドの異なる部分に異なる電圧を印加する必要がある場合に望ましい。それらの異なる電圧は、捕捉用のＲＦ波形をオフセットさせるための複数の直流電圧（後述）でもよいし、異なる複数の高周波波形でもよい。ここで提案されている装置構造は複数の電極片が設けられている場合に使用するのに特に適している。なぜなら、同じＰＣＢ１ａ、１ｂに電極３、５ａ、５ｂをだぼ接合することにより全ての電極片の位置合わせが達成される、つまり、単一の組み立て構造内で異なる電極片を簡単に位置合わせすることができるからである。もっとも、ここで提案されている装置構造は、ＰＣＢ組み立て体の全長にわたって延在する長い電極を装置に設ける場合にも等しく応用できる。電極の実用上の長さ制限は、所望の公差、構造物の「扱いやすさ」、そしてＰＣＢ及び電極の両方に対する製造能力により決まる。１辺が１ｍを超える正方形のＰＣＢを製造することが考えられることから、ここで提案されている装置は１ｍ以上の長さを持ち得るものと思われる（ただし、長さが１ｍ以上になると装置が可撓性を持つ可能性があるため、公差の厳しい用途には有用ではない場合がある）。長軸方向の電極の長さの下限は、締結具の寸法、及び、電極材／ＰＣＢ材に位置合わせ機能部を含めるためのスペースにより決まると考えられる。Ｍ１．６の締結具とＭ１．６のだぼを用いるものとすると、長さ１０ｍｍ未満の電極片を用いることが考えられるが、他の種類の締結手段（例えばハンダ付け）を用いる場合、１０ｍｍより短い電極片を用いることができる。合理的な下限は長さ５ｍｍの電極片とすることができる。従って、長軸方向の電極の好ましい長さＬは５ｍｍ＜Ｌ＜１０００ｍｍ、より好ましくは７ｍｍ＜Ｌ＜５００ｍｍ、より好ましくは、１０ｍｍ＜Ｌ＜３００ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ＜Ｌ＜５０ｍｍとすることができる。

あらゆる多重極装置の重要な特徴と考えられるものに電極の内接半径がある。本例ではこれを、対向する電極の間隔の半分と定義することができる。内接半径は、多重極装置の所望の特性、印加電圧、輸送対象のイオンの特性等に応じて選ぶことができる。従って、内接半径は用途に合わせて選ばれることになる。ＸＹ平面におけるイオンガイド構造の寸法、よって内接半径については、印加電圧の大きさ（電圧破壊を避けるため）、下限における製造技術、及び上限における製造技術により寸法が制限されると考えられる。内接半径の適切な下限は０．５ｍｍ、適切な上限は約１００ｍｍとすることができる。従って、電極の好ましい内接半径ｒは０．５ｍｍ＜ｒ＜１００ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ＜ｒ＜５０ｍｍ、より好ましくは２．５ｍｍ＜ｒ＜１０ｍｍである。

なお、イオンガイドの全ての電極片が同じＺ方向の長さ又は内接半径を有している必要はなく、更に言えば、異なる機能を提供するために、異なる長さ及び／又は異なる内接半径を有する電極片をｚ軸に沿って配設することが望ましい場合がある。

１つの「目安」は、電場が開口半径の内接半径の６倍（内接直径の３倍）程度の距離で該開口に浸透する、ということである。従って、電場を中心室４（これはイオンガイド開口と呼ばれることもある）に浸透させることが望ましい場合（例えば、イオンガイドの軸方向の長さに沿ってイオンを押し動かすために直流電場を用いる場合）、それに関係する多重極装置の電極片の長さが確実に内接直径の６倍（内接半径の１２倍）未満となるようにすることで、電場が確実にその電極片の両端から該電極片に浸透し、装置に沿ってイオンを押し動かすようにすることが望ましい。これに該当する場合、電極片の長さlは装置の内接直径ｄの４倍以下、つまり内接半径ｒの８倍以下となるように選ぶことが好ましい。

本製造方法の利点は、ＰＣＢ１ａ、１ｂの表面／内部に形成された導電要素を利用して電圧信号を電極３、５ａ、５ｂまで送ることができるため、多数の異なる電圧を異なる電極又は電極片に印加すること容易だということである。ＰＣＢは特にこの用途のために開発されているため、この仕務に特に適しており、故に異なる電圧を簡単且つ確実に一定のキャパシタンスで配送する簡便な方法を提供する。１０個の異なる区画を有するイオンガイド組み立て体では２０通りもの異なる電圧波形が電極に印加されることがある。この場合、従来の配線ではより難度が高く、間違いが起きやすい。

電極３、５ａ、５ｂに電圧を印加するように締結具を構成することができる。例えば、ネジが導体で作られている場合、ＰＣＢ内部の導電トラックがネジを横切るようにすることで該ネジを電極と電気的に接続することができる。ネジ本体を電極と電気的に接触させた上で、ＰＣＢの表面（あるいは皿穴の中）で「パッド」を利用してネジ頭との良好な接触を確保してもよい。別の方法は、電極に最も近いＰＣＢの表面において金属被覆パッド（例えば金メッキした銅）を用いて電極との電気的な接触を作り出すことである。なお、２枚のＰＣＢ１ａ、１ｂがあるため、別々の電気的トラックの経路を別々のＰＣＢ１ａ、１ｂに設けることができる。場合によってはＰＣＢ１ａ、１ｂの間で電圧波形を通す必要があるが、これはブリッジ電極３又は導線リンクを用いて簡単に達成できる。

提案されている装置の構造の中核部品としてＰＣＢ材を使用する別の利点は、追加のコストや労力をほとんどかけずにＰＣＢ材の上に電子部品を実装できるため、電圧波形を操作する方法の柔軟性が非常に高いということである。例えば、ＰＣＢ材の表面にコンデンサと抵抗を使用すれば、ＲＦ信号と数通りの異なるＤＣ電圧とを組み合わせて、共通のＲＦポテンシャルと電極片毎に異なる直流オフセットポテンシャルとが印加される数個の電極片を有するイオンガイドを作ることができる。こうして、組み立て体への追加の配線の必要性を減らしつつ、非常に柔軟な電極組み立て体を製造することができる。一例として、それぞれ同一のＲＦ電圧と異なる直流オフセット電圧が印加された１０個の電極片を有する分割電極を考える。イオンガイド上に電子部品が用いられていない場合、組み立て体に２０本の異なる接続が必要となる（１０個の電極片の各々に対し、電極片毎に異なる直流オフセット電圧を持つＲＦ＋とＲＦ−が必要）。ＰＣＢ上に電子部品が用いられている場合、該電子部品によりＰＣＢ上でＲＦと直流オフセットを組み合わせれば、組み立て体への接続は１２本で済む（ＲＦ＋、ＲＦ−及び１０通りの直流オフセット電圧）。もし数通りの直流オフセットが所定の不変の比率を有していれば、ＰＣＢ上で抵抗鎖を利用することにより接続の数を更に減らすことができる。

様々な目的を達成するために本装置の構造に対して行うことができる変形が幾つかある。これには、装置のガス流れ特性を変えるために電極構造を変更する、ガスの流入／流出に対して装置をシールするために追加の「パッキング」片を用いる、ガスを流入／流出させるために電極又はＰＣＢに穴を設ける、及び、電極の包絡面を超えてＰＣＢを延在させることで実装エリアの拡大又は電子部品の実装若しくは接続を行う、といったものがあるが、これらに限定されない。

図１に示した装置は比較的開けた電極構造を有している。イオンガイド内のガスは装置の端部からポンプで自由に注入されて電極片の周囲を自由に流れることができる。

図５は電極間にある開けたエリアが狭められた（つまり、電極に占有されていないエリアが狭められた）第３の多重極装置のＸＹ平面における端面図である。

図５に示した電極３、５ａ、５ｂは図１の装置に比べてより閉じた構造を有している。このケースでは、電極間の隙間がかなり狭くなるように電極３、５ａ、５ｂの形状が変更されている（ただし、各電極に異なる電圧を印加できるようにするため、多少の隙間は必要である）。言い換えれば、装置の長軸（ｚ軸）に垂直な断面で見たとき、図５の装置に囲まれた、電極により占有されていないエリアは、図１の装置に囲まれたエリアよりも小さい。このようにすると、装置に入る、装置から出る又は装置付近を流れるガス流のための最大の開口は、電極の作用面自身により形成される中心室４（ここではほぼ正方形の開口）である。電極３、５ａ、５ｂの間に残った隙間にもガスが逃げ得る多少のエリアが確かにあるものの、それは図１の装置に示したより開けた構造に比べればずっと小さい。これにより、中心室４における装置からのガスの流出や装置へのガスの流入が大幅に制限される。なお、図５に示した構造では、電極３、５ａ、５ｂが他の電極に隣接してＰＣＢと接する箇所において、該電極３、５ａ、５ｂに円形断面の切り欠きが設けられている。この手法は、隣接する電極３、５ａ、５ｂ間の電圧破壊の可能性を低くするために隣接電極３、５ａ、５ｂ間の表面トラッキング距離（表面を横切って絶縁破壊が生じる距離）を短縮するために用いることができる。

本装置の更に別の特徴は、電極が一又は複数のガス入口を備えた構成にすることができるということである。ガス入口は、領域へガスを供給したり逆に排出したりできる切り欠き又は穴とすることができる。必要に応じてこれを複数の電極片に適用してもよい。

このように、本装置は、より開けた電極構造を持つ領域とより閉じた電極構造を持つ領域を有するように構成し、より閉じた電極構造の領域によって、より開けた電極構造の領域内にガスを閉じ込めることができる。例えば、より開けた電極構造の領域にガスを供給して、圧力の高められた領域を作り出すことができる。このような装置の１つの応用例はコリジョンセルである。この場合、より開けた電極構造の領域において圧力を高める一方、より閉じた電極構造の領域を装置の両端を通じたガスの損失を減らすために用いること、つまり圧力勾配を形成することができる。こうして、多重極装置の高圧の領域内でガスの流れを低減してガスを保持するための「事実上の標準」の方法として当該分野で広く用いられている、小さな開口を有する板を用いなくても、圧力を高められた領域を作り出すことができる。

これは図６に示されている。図を見ると、より閉じた電極構造を持つ領域１１が装置の両端にあり、より開けた電極構造を持つ領域１３が装置の中央にある。図６（ｂ）はより閉じた電極構造の領域１３を図６（ａ）のＡ−Ａ断面で示している。図６（ｃ）はより開けた電極構造の領域１１を図６（ａ）のＢ−Ｂ断面で示している。このようにすると、より開けた領域１３において組み立て体にガス入口（図示しないが、典型的には穴）を設けることにより、より開けた領域１３の両側にあるより閉じた領域１１や装置の向こう側にある他の領域に対して、より開けた領域を高い圧力に維持することができる。このような装置は例えばコリジョンセルとして好適に利用できる。

圧力を高めるために小さな開口を有する板を用いる従来の方法には、開口と板の領域にいわゆる「フリンジ場効果」が存在するという欠点がある。装置内の電場は開口の影響により乱されることがある。荷電粒子はこの領域において装置から失われやすく、その結果感度が低下する。開口を有する板の代わりに多重極装置の電極を用いてガスの流れを低減することにより（つまり、より閉じた構造を利用することにより）、そうしたフリンジ場効果を最小限にするか、あるいは完全に除去し、それに応じて荷電粒子の損失を減らすことができる。これは例えば感度の向上につながる。

背景ガス分子の平均自由行程が系の寸法と同程度である（又はそれより長い）圧力領域、いわゆる分子流領域が、荷電粒子装置においてよく利用される。このような圧力においては、ガス流の特性を簡単な理論で求めることができる。２つの隣接する圧力領域間の差圧は該２つの領域間の流体コンダクタンスＣの関係として定義できる。即ち、流体コンダクタンスは２つの領域間の排気速度を単位時間当たりの体積で示す尺度であり、一般にｍ^３ｓ^−１又はＬｓ^−１で与えられる。流体コンダクタンスが大きいほど２つの容積間により大きな流れが生じる。２つの容積間で大きな差圧を維持する（ただし、例えばガス源に通じるパイプから２つの領域の一方に正味でガスの流入があると仮定）には、流体コンダクタンスを小さくした方がよい。２つの容積間の差圧を小さくするには、他の条件が同一であれば、流体コンダクタンスを大きくする方がよい。故に、より大きな差圧を維持するには流体コンダクタンスを小さくした領域が必要である。

理論から周知であるように（非特許文献１参照）、分子流領域における一次近似では、板に形成されたオリフィスのコンダクタンスＣ_ｈｏｌｅは次式で与えられる。

ここで、ｖはガスの平均速度、Ａは穴の面積、ｒ_ｈｏｌｅは穴の半径である。故に、板に形成された開口の場合、穴の面積又は半径を変えることによりコンダクタンスを変化させることができる。長くて円い管の場合、コンダクタンスＣ_ｔｕｂｅは次のようになる。

ここで、ｖはガスの平均速度、ｄ_ｔｕｂｅは管の直径、ｒ_ｔｕｂｅは管の半径、ｌは管の長さである。

一次近似では、図６に示した装置の閉じた区間の電極構造１１は長い管で近似できる（もっと良い近似も可能であるが、この近似でも動作原理を示す上で役立つ。必要に応じて、読者は理論を拡張して構造のガス流特性をより正確に記述することができる）。電極構造のコンダクタンスを板に形成された円形のオリフィスのコンダクタンスと等しくしたければ、Ｃ_ｈｏｌｅとＣ_ｔｕｂｅを等号で結ぶことで、基準を満たす様々な管の形状（直径と長さ）を求めることができる。

また、図６に示した装置の一領域を長くすれば、同じコンダクタンスを維持しながら「管」の直径を大きくすること（つまり対向する電極間の距離を大きくすること）ができること、故に装置の内部と外部の間の差圧を維持できることは容易に分かる。このようにして、閉じた構造の領域１１をある特定の長さにすることにより、所望の流体コンダクタンスを達成することができ、故に、開口を有する板を用いずに装置の内部と外部の間で所望のガス差圧を維持することができる。なお、流体コンダクタンスは直径の３乗に比例する一方、長さには単に反比例するのみであるため、管の直径を特別に大きくすると、同じガスコンダクタンスを維持しながらその大きな直径を補償するために管を非常に長くする必要があり、たちまち実施不可能になる。しかし、比較的狭い範囲（例えば直径５ｍｍ又は１０ｍｍまで）であれば、必要な長さは、当然ながら所望の流体コンダクタンスによるものの、実際的な範囲に収まり得る。なお、閉じた区間の領域１１に一続きの複数の電極片を用いることで、複数の電極片の機能性（例えば各電極片に異なる直流オフセット電圧を印加できること）を保ちつつ、閉じた区間の領域の全長を長くすることができる。

図７は電極の包絡面を超えて延在するＰＣＢと追加の被覆材１５とを含む第５の多重極装置のＸＹ平面における端面図である。故に、図７にはブリッジ電極３に隣接して部材１５が示されている。この追加の部材１５は絶縁材料（例えばエンジニアリングプラスチック）又はＰＣＢ材から成るものとすることができる。この追加の部材１５は、装置の一部又は全長にわたって延在し、該装置の一又は複数の区画をカバーするように延在するものとすることができる。隣接する電極片同士の電気的絶縁が必要となる可能性が高いことから、この部分が金属等の導体で作られることは少ないと思われるが、例えば隣接する電極片に同一の電圧を用いる場合にはそのような材料を用いることができる。追加の部材１５は幾つかの目的のために役立つ。この部材１５は本装置をより大きなイオン処理装置内に搭載又は配置するために利用することができる。また、装置内で高められたガス圧を利用する場合には、この部材１５を利用して隣接する電極区間のブリッジ電極３間の隙間を埋めることで、少なくとも部分的なシールを成すことができる。先に述べたように、電極３、５ａ、５ｂは装置内へガスを供給できるようにするためにオリフィスを任意選択で含むことができるが、この追加の部材１５を利用してガス入口を設けることができる。

図７に示した発明の更なる特徴は、ＰＣＢ１ａ、１ｂが電極の包絡面を越えて延在するように該ＰＣＢ１ａ、１ｂを拡張したことである。ＰＣＢ１ａ、１ｂのこれらの拡張された片持ち梁部を利用して、イオン処理装置内への本装置の搭載又は配置、追加の電子部品の実装、電気的な接続の形成、あるいはＰＣＢ１ａ、１ｂを貫通する電気的なトラックのための追加スペースの確保ができる。要するに、既にＰＣＢ１ａ、１ｂを用いて提供されている何らかの機能のためにより多くのスペースを作るためにこれらの片持ち梁部を利用することができる。なお、ＰＣＢの形状は現在のＰＣＢ製造能力の範囲内でいかなる形状にしてもよい。

更に考えられる特徴（図示せず）として、装置の端面に符号１５と同様の絶縁性充填材を用いて、電極間の隙間を通るガス流を制限し、主たる開口だけをガスの通路として残すことも可能である。

本明細書に記載した装置の例は荷電粒子光学の領域で利用可能であり、より詳しくは電気力学的イオン光学の分野で、更に詳しくは質量分析の分野で利用できる。簡単のため、ここでは荷電粒子をイオンと呼んでいるが、実際には電子も荷電粒子に含まれる。本装置は、イオンガイド、イオントラップ又は一続きのイオントラップ群、イオン蓄積領域又はコリジョンセルとして適当に利用できる。本装置は特許文献２に記載されたようなイオン操作装置として利用することができる。ここに記載した用途は、例えば質量分析が行われる用途に比べて公差要求が比較的低いことから、本発明を最も好適に適用できる。もっとも、原理的には、マスフィルタや解析的イオントラップのための低公差の製造／組み立て方法として本発明を用いることができる。

上記の各例において、装置は４つの多重極電極を用いる四重極装置として構成されている。図８に示したように、六重極や八重極といったより高次の多重極も同様の方法で製造できる。この実施例では、六重極構造を製造するために製造方法が拡張されている。この構造は、前述の四重極構造と同じアプローチを用いて、組み立てが容易、隣接部分の位置合わせが簡単、電気的な接続が柔軟、またガス特性を操作するために閉じた又は開けた構造の装置を任意選択で形成可能といった、前述と同じ長所から利益を得ている。原理的には、本明細書に記載した手法及び原理は任意の数の極を有する多重極装置に応用可能であるが、実際には締結具の数及び寸法の制限があるため、１２個を超える極を有する多重極の組み立て体に本方法を用いることは好ましくないと思われる。

多重極装置（四重極、六重極、八重極等）としての標準的な動作では、イオンガイド、コリジョンセル又はイオントラップのいずれとして駆動されたとしても、各極又はロッドに高周波電圧が印加されるのが普通である。この高周波は多重極への印加に用いられる公知のいかなる方法で印加してもよく、典型的には隣接電極に逆相のＲＦが印加される。先に詳述した四重極の例では、これは、１つのＰＣＢ１ａ、１ｂに支持された側部電極５ａ、５ｂと比べて逆位相のＲＦが「ブリッジ」電極３に印加されることを意味する。ＲＦ電圧、周波数、波形は用途に応じて適宜選択できるが、通常、周波数は数ｋＨｚから数ＭＨｚ、電圧は数十ボルトから数キロボルト、波形は実質的に正弦、方形、矩形、三角又は鋸歯状波である。装置内の隣接する構造物には同じＲＦを印加することが多いが、用途によっては装置内の隣接する電極片に異なる波形を印加することもある。ここで重要なのは、当該分野で通常に用いられるいかなる条件のいかなる波形又は波形の組でも本発明において利用できるということである。

本装置は、例えば静電レンズとして使用される場合のように、各電極に静的又は直流電圧及び／又は接地電圧を印加して使用することもできる。

上記装置のための最適条件には以下のものが含まれる。
・電極片の長さＬ：５ｍｍ＜Ｌ＜１０００ｍｍ、より好ましくは７ｍｍ＜Ｌ＜５００ｍｍ、より好ましくは、１０ｍｍ＜Ｌ＜３００ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ＜Ｌ＜５０ｍｍ。選ばれた値は、最短側は従来の製造方法における制限によるもの、最長側は装置の実際的な寸法によるもの。
・装置の内接半径ｒ：０．５ｍｍ＜ｒ＜１００ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ＜ｒ＜５０ｍｍ、より好ましくは２．５ｍｍ＜ｒ＜１０ｍｍ。選ばれた値は製造能力や達成可能な印加波形電圧によるもの。

上記装置に対して可能な変形には以下のものが含まれる。
・標準的なＰＣＢ材とは異なる材料をＰＣＢに使用すること（例えばセラミックベースのＰＣＢ）。
・相互に嵌め合わされて１つのブリッジ電極３となる２つの構成要素から成るようにブリッジ電極３を設計すること。
・支持ＰＣＢへの電極の取り付けを別の方法で行うこと（例えば、ＰＣＢに位置合わせ穴を設け、電極にその穴に填め込まれる位置合わせ機能部を組み込む）。
・電極の位置合わせに治具を用いる等、別の方法で組み立てを行うことで、電極及びＰＣＢに位置合わせ機能部を設ける必要をなくすこと。
・「荒く切削された」電極一式を低い公差で組み立てた後、重要な電極部分を「後加工」すること。

上記装置は電子光学（表面科学）及び高エネルギー物理学の分野にも応用可能であると思われるが、主たる応用分野は質量分析である。

本明細書及び特許請求の範囲で用いられる場合、「備える」及び「含む」という言葉並びにそれらの変化形は、特定の特徴、手順又は整数が含まれることを意味する。これらの言葉は、他の特徴、手順又は整数の存在を排除するものと解釈されるべきではない。

ここまでの記述又は後の特許請求の範囲又は添付の図面に開示され、その特定の形態において又は記載された機能を実行するための手段若しくは記載された結果を得るための方法若しくは工程という観点から表現された、諸特徴は、必要に応じて、本発明をその様々な形態で実現するために、別々に又は任意に組み合わせて利用することができる。

ここまで上記の模範的な実施例と結びつけて本発明を説明してきたが、本願の開示があれば、当業者には数多くの同等の修正や変形が容易に分かるであろう。従って、上述した本発明の模範的な実施例は例証的なものあって制限的なものではないとみなされるものである。上述の実施例には本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。

例えば、上述の装置の例は多重極装置であるが、同じ原理を用いて多重極装置以外のイオン操作装置を製造することもできる。

疑いを避けるために述べておくが、本明細書で行われた理論的な説明はいずれも読者の理解を深めることを目的としたものである。本発明者らはこれらの理論的な説明のいずれによっても束縛されることを望まない。

ここまでに言及した参考文献は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (16)

1. イオン処理装置においてイオンを案内する又は閉じ込めるためのイオン操作装置において、
   イオンの行路を操作するための少なくとも１つの第１の電極がその実装面に取り付けられた第１の回路基板と、
   イオンの行路を操作するための少なくとも１つの第２の電極がその実装面に取り付けられた第２の回路基板と
   イオンの行路を操作するための少なくとも１つのブリッジ電極であって、前記第１の回路基板の実装面と前記第２の回路基板の実装面の両方に直接取り付けられ、且つ、前記第２の回路基板の実装面と前記第１の回路基板の実装面が互いに対向する固定的な空間関係となるように該第１の回路基板と該第２の回路基板を相互に離間させて保持するように構成された、少なくとも１つのブリッジ電極と
   を有するイオン操作装置。
2. 前記第１及び第２の回路基板が、前記第１、第２及びブリッジ電極を一又は複数の外部電圧源及び／又はアースに接続するための回路系を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のイオン操作装置。
3. 前記第１の回路基板、前記第２の回路基板、前記少なくとも１つの第１の電極、前記少なくとも１つの第２の電極、及び、前記少なくとも１つのブリッジ電極が装置の長軸に沿って延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン操作装置。
4. 前記イオン操作装置が多重極装置であり、前記第１、第２及びブリッジ電極の各々が多重極電極となるように構成され、それら多重極電極が装置の中心室の周囲に配置され且つ前記装置の長軸に沿って延在していることを特徴とする請求項３に記載のイオン操作装置。
5. ４つ、６つ又は８つの多重極電極を含んでいることを特徴とする請求項４に記載のイオン操作装置。
6. 前記第１の回路基板、前記第２の回路基板及び前記少なくとも１つのブリッジ電極が前記長軸の回りに周方向に配置され、前記イオン操作装置の使用時にガスが該イオン操作装置から放射方向に逃げることを実質的に防止するためにそれらの電極が相互に結合されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のイオン操作装置。
7. 前記第１、第２及びブリッジ電極の一又は複数が分割電極であり、各分割電極が前記装置の長軸方向に互いに離間した複数の電極片を含んでいることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のイオン操作装置。
8. 前記イオン操作装置がそれぞれ前記装置の長軸方向に長さを有する複数の領域に分割され、各領域が第１及び第２の回路基板を共用していることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載のイオン操作装置。
9. 前記装置の長軸に沿って第１の長さを有する第１の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第１のエリアを取り囲んでいる第１の領域と、
   前記装置の長軸に沿って第２の長さを有する第２の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第２のエリアを取り囲んでいる第２の領域と
   を含み、
   前記第２のエリアが前記第１のエリアよりも大きい
   ことを特徴とする請求項３〜８のいずれかに記載のイオン操作装置。
10. 前記装置の長軸の方向に第１の長さを有する第１の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第１のエリアを取り囲んでいる第１の領域と、
    前記装置の長軸の方向に第２の長さを有する第２の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第２のエリアを取り囲んでいる第２の領域と、
    前記装置の長軸の方向に第３の長さを有する第３の領域であって、前記長軸に垂直な横断面で見た装置において電極に占有されていない第３のエリアを取り囲んでいる第３の領域と
    を含み、
    前記第２の領域が前記第１の領域と前記第３の領域の間にあり、
    前記第２のエリアが前記第１及び第３のエリアよりも大きい
    ことを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載のイオン操作装置。
11. 前記第１及び第２の回路基板がそれぞれセラミック製絶縁基板を含んでいることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン操作装置。
12. 前記第１及び第２の回路基板が、該第１及び第２の回路基板を前記固定的な空間関係に位置合わせするために用いられる一又は複数の専用の位置合わせ機能部を含んでいることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のイオン操作装置。
13. 前記第１及び／又は第２の回路基板が、前記第１、第２及びブリッジ電極を包む包絡面を超えて装置から突出した片持ち梁部を含んでいることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のイオン操作装置。
14. 各ブリッジ電極が、導電材料の単一片であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のイオン操作装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載のイオン操作装置を含んでいることを特徴とする質量分析装置。
16. 請求項１〜１４のいずれかに記載のイオン操作装置を製造する方法。

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