具体实施方式

图1示出了根据US6717132的具有正交加速器的多反射TOF(OA-MRTOF)10。MRTOF10包括：离子源11，所述离子源具有透镜系统12以形成基本上平行的离子束13；正交加速器(OA)15，所述正交加速器具有储存间隙14以允许离子束13进入；一对无栅格离子反射镜18以及检测器19，所述一对无栅格离子反射镜由无场漂移区域分离。OA 15和反射镜18两者均用具有狭缝开口的朝向Z方向的板电极形成，从而形成二维静电场，其特征在于关于表示为s-XZ的XZ对称平面的对称。储存间隙14、OA 15的板、离子反射镜18和检测器19中的全部都平行于漂移轴Z对齐。

在操作中，离子源11产生具有一定范围的比质量μ＝m/z的离子。气态离子源(如ESI、APCI、APPI、气态MALDI或ICP)包括用于抑制离子束的充气射频(RF)离子导向器(未示出)，随后是透镜12，以形成基本上平行的连续离子束13。典型的离子束参数是：在1eV的典型轴向能量扩散下，在10到50V的比离子能量(能量每电荷)U_Z下，直径为1mm，角发散为1度。

束13在Z方向上传播穿过储存间隙14，所述储存间隙是板电极之间的无场区域。周期性地，在限定储存间隙14的板之间施加电脉冲。储存间隙14中的连续离子束13的一部分在X方向上通过脉冲场加速并且被加速到比能量U_X，从而形成沿平均离子轨迹17行进的带状离子包16。由于离子包保持连续离子束13的z速度，轨迹17相对于X维度倾斜角度α，通常为若干度，其中：

α＝(U_Z/U_X)^0.5 (等式1)

离子包16由离子反射镜18在X方向上反射，并且继续在Z方向上缓慢漂移，并且在线锯形离子轨迹17期间在多次N离子反射镜反射之后到达检测器19。为了获得更高的分辨率，MRTOF分析仪被设计用于更长的飞行路径和更大的反射次数N>>1(例如N＝10)。为了避免检测器19上的光谱重叠(即不同次数的反射之间的混乱)，每个离子包L_Z的有用长度被限制为：

L_Z<D_Z/N (等式2)

其中D_Z是在Z维度上的从OA 15的离子被喷射的最上游点到检测器19的检测到离子的中点的距离。

对于D_Z＝300mm和N＝10的实际值，离子包长度L_Z因此在30mm以下。实际上，考虑到OA边缘和检测器边缘，包长度实际上是约两倍小。这进而限制了连续离子束13到脉冲包16中的转换效率，所述转换效率表示为正交加速器15的占空比DC：

DC＝sqrt(μ/μ*)L_Z/D_Z,<sqrt(μ/μ*)/2N (等式3)

此处，μ＝m/z表示比质量，即质荷比，并且μ*限定束13中的最重的比质量。假设N＝10，并且最小的μ/μ*＝0.01，则束中最重离子的占空比为10％以下，并且最轻离子的占空比为1％以下(并且实际上为0.5％以下)。因此，OA-MRTOF仪器具有低占空比。

占空比限制是由于反射镜18和OA 15的s-XZ对称平面内的离子轨迹布置而发生的。s-XZ平面内的离子轨迹的对齐被迫保持离子反射镜和无栅格OA的等时特性，从而达到如WO2014142897中所述的三阶完全等时性(third order full isochronicity)。现有技术MRTOF 10已经被设计成具有对对称要求的识别。作为更高的分辨能力的OA-MRTOF的交换，牺牲了占空比。

图2示出了根据US7504620的具有正交加速器的多转向TOF分析仪(OA-MTTOF)20。MTTOF 20包括：离子源11，所述离子源具有透镜系统12以形成基本上平行的离子束13；正交加速器(OA)15，所述正交加速器具有储存间隙14以允许束13进入；四个层压静电扇区28以及TOF检测器19，所述四个层压静电扇区由无场漂移区域分离。

类似于图1中的仪器，图2中的OA 15允许缓慢的(例如，10eV)离子束13进入，并且沿离子轨迹27周期性地喷射离子包26。静电扇区28被等时地布置成螺旋离子轨迹27，所述轨迹在XY平面中具有八字形离子轨迹，并且由于扇区28被布置在固定的倾斜角α上，所以在漂移Z方向上缓慢前进。离子束13的能量和OA加速电压被布置成与层压扇区的倾斜角α相匹配。

层压扇区28为在漂移Z方向上的沿平均螺旋轨迹27的离子包限制提供三维静电场。四个静电扇区28的场还提供了沿的XY平面中的八字形中心弯曲的也表示为s的离子轨迹27的等时离子振荡。已知这些扇区分析仪提供所谓的三重聚焦，即相对于在平均离子能量周围的能量扩散和相对于在平均离子轨迹周围的离子包的角度和空间扩散的一阶聚焦。如WO2017042665中所述，最近已经用半径不相等的静电扇区改善扇区MTTOF等时性。

将MTTOF 20中的离子轨迹锁定到固定的螺旋轨迹27(s)，这迫使OA 15、扇区28和检测器19的顺序布置，从而将OA的占空比限制在1/N以下，其中N是完全转向的数量。另外，为了在Z方向上将空间离子限制布置在层压扇区28内，离子包26在Z维度上的长度L_Z应是扇区中的每个层压通道的在Z维度上的宽度的至少两倍小，并且因此，MTTOF 20的占空比如以上等式3所述受到限制。本发明的实施例提供了一种用于改善多程MPTOF分析仪(即用于多反射OA-MRTOF分析仪和多转向OA-MTTOF分析仪两者)的正交加速器(OA)的占空比的方法和设备。

图3示出了根据本发明的在XZ平面(40-XZ)和XY平面(40-XY)两者中的OA-MRTOF仪器40的实施例。仪器40包括：连续离子源11；透镜系统12，所述透镜系统用于形成连续且基本上平行的离子束13；正交加速器30，所述正交加速器由具有经伸长狭缝31(在Z维度上伸长)的电极构成，OA 30具有用于离子束空间限制的装置32(在图6中详述)和等时Z聚焦透镜33，所述等时Z聚焦透镜在此通过形成在电极31内的跨轴透镜来例示；两个相对且平行的无栅格离子反射镜41和42，所述无栅格离子反射镜由接地的无场漂移空间43分离；以及TOF离子检测器45。OA 30和离子反射镜41和42的电极在漂移Z方向上基本上伸长，以在X-Y平面上提供二维静电场，所述静电场围绕等时轨迹表面的s-XZ对称平面对称并且在Z方向上具有零场分量。

与现有技术相反，OA 30的电极31被制成对从离子反射镜41、42反射回的离子透明。OA 30的加速场在从OA中的离子提取期间被脉冲并且之后关闭，使得由反射镜反射并且通过OA返回的离子不会散焦。

在操作中，连续或准连续离子源11产生离子。基本上平行的离子束13穿过离子光学器件12并且基本上沿Z方向进入OA 30。任选地，可以用限制装置32至少在X方向(任选地还可以是Y方向)上将束空间上限制在OA 30的z伸长的储存间隙内。通过由脉冲发生器34通电的OA 30的正交脉冲加速场将连续束13的L_Z长部分转换成脉冲离子包35。喷射的离子包35以某一倾斜角α向X方向移动，这由入射离子束13的U_Z比能量和在OA中的脉冲加速时获得的加速电压U_X控制(见上面的等式1)。每个离子包35在s-XZ对称平面内在X方向上在离子反射镜41与42之间反射大量反射次数(例如，N＝介于6与20之间)，并且同时朝检测器44在Z方向上漂移，因为离子保留来自离子源11的离子能量的K_Z分量。

类似于图1，实施例40采用二维Z延伸的MR-TOF反射镜和朝向Z方向的OA。与图1明显不同的是，根据所示实施例的MRTOF 40的占空比通过以下特征的组合得到改善：

(A)为了改善OA 30的占空比，从OA 30喷射的离子包35的长度L_Z可以被制成比离子包在Z方向上的每单次反射镜反射前进的距离的一半长2L_Z>A_Z＝D_Z/N。在z方向上的距离A_Z可以沿反射镜之间的中间位置(在x方向上)处的轴线来确定，并且基于离子包的中心的位置(在z方向上)。最终，L_Z长度可以与总漂移长度D_Z的显著部分(例如，1/2)相当(例如，其中D_Z是在Z维度上的从OA 30的离子被喷射的最上游点到检测器44的检测到离子的中点的距离)，即使使用大量的反射镜反射。任选地，L_Z/A_Z比率可以是以下组中的一组：(i)0.5<L_Z/A_Z≤1；(ii)1<L_Z/A_Z≤2；(iii)2<L_Z/A_Z≤5；(iv)5<L_Z/A_Z≤10；(v)10<L_Z/A_Z≤20；以及(vi)20<L_Z/A_Z≤50。

(B)装置32可以被布置用于离子束的空间限制，以阻止离子束13在OA 30内的自然扩展并且允许OA的基本上(潜在无限的)伸长，而没有离子损失并且没有离子束扩散，如下文图6中详述。

(C)为了避免检测器44上的离子损失，以避免光谱重叠和光谱混乱(与WO2011107836中描述的现有技术的敞开阱相反)，离子包35可以通过可以在OA 30内(或紧接在OA的下游)的跨轴透镜33，或通过菲涅耳透镜，或通过OA内的连续离子束13的空间上的空间速度相关，在空间上聚焦在Z方向上，例如，如在共同未决的申请WO2019/030475中描述的。跨轴透镜33可以包括聚焦电极，所述聚焦电极被配置成产生电场区域，在使用中离子行进穿过电场区域，所述电场区域具有作为沿漂移Z方向的位置的函数而弯曲和/或发散的等势场线，以便在漂移Z方向上使离子聚焦。作为离子包z聚焦的结果，离子轨迹相对于x方向的倾斜角度α变得依赖于z位置，如通过具有倾斜角α₁和α₂的离子包向量36所展示的。空间聚焦(在z方向上)导致朝检测器44的离子包限制。Z聚焦可以被布置成等时的，即离子包的每Z宽度补偿T|Z和T|ZZ时间像差，否则将在使用常规的单透镜时发生所述时间像差。

(D)离子反射镜41、42使长离子包35朝OA 30返回，如轨迹A'和B'所示。为了避免离子射线A'和B'与长OA 30的干扰，OA电极31被制成对经反射离子透明，例如，具有经伸长狭缝。换句话说，质量分析仪被配置成使得离子在离开一个反射镜与进入另一个离子反射镜之间穿过OA 30返回(对于离子反射镜之间的行程中的至少一些行程)，并且没有离子撞击OA 30的电极31。尽管图3中未示出，但是可以设想，当离子从最终反射镜反射行进到检测器44时，离子可以穿过OA。为了阻止离子撞击OA 30，OA电极31可以包括狭缝，当离子在反射镜41与反射镜42之间行进时，离子穿过狭缝。每个电极31可以包括单个狭缝，离子穿过所述狭缝，并且所述狭缝在Z方向上伸长。狭缝(以及因此OA电极)可以各自在MRTOF分析仪内的离子轨迹的整个Z宽度上延伸。狭缝可以从OA 30的离子被喷射的最上游点(或从进一步上游)延伸到z方向上的靠近检测器44位置的点(在z方向上)，使得离子在穿过OA 30时不会撞击电极31。狭缝可以延伸到z方向上的邻近检测器44的上游或下游边缘的位置。狭缝可以在Z方向上与离子反射镜41、42的窗口基本上重合。狭缝的实例在图3的XZ视图和XY视图两者中很好地看到。尽管图3示出了作为电极31内的开槽的孔的每个狭缝(即，每个狭缝被电极完全包围)，但是可以设想，每个狭缝可以限定在在Z方向上伸长的两个分离的电极区段之间(即，狭缝可以不在Z方向上的一端或两端处界定)。为避免疑义，本文所提及的OA 30是接收离子并且使其朝离子反射镜正交脉冲的装置。离子反射镜不是OA30的一部分。

如图3所示，为了使每个离子包从OA 30中脉冲出，向OA电极31施加由高压发生器(如由贝克开关(Behlke switches)构建的高压发生器)产生的高压(例如，3到10kV)脉冲，同时使离子反射镜之间的漂移空间43接地。一旦从OA 30中喷射离子包35，在离子通过OA30反射回之前，OA 30的电势返回到接地(任选地，除了任选的离子导向器32上的小电势)。因此，离子包可以穿过OA电极31的狭缝，而不被OA脉冲散焦。可以允许每个离子包35在对下一个离子包进行脉冲之前到达检测器44。可替代地，在一个或多个先前的离子包中的离子已经到达检测器44之前，可以使一个或多个另外的离子包脉冲出OA。在后一个实施例中，这些OA脉冲中的每一个脉冲可以是时间，使得来自先前的一个或多个脉冲的离子在其被脉冲时不在OA 30内。

下面呈现了优选实施例40的数值实例，其中主要参数如下表1所示。

表1：

在此实例中，反射镜的反射镜帽之间的在x方向上的距离是D_X＝1m和D_Z＝300mm(考虑到离子反射镜的有用的Z宽度，所述Z宽度不受Z边缘处的3D边缘场的影响)。用于在x方向上的加速离子进入离子反射镜的加速电压为U_X＝10kV。通过将离子束比能量设定为U_Z＝10V，平均倾斜角a被设定为约30mrad(通过等式1)，即每离子反射镜反射的离子包前进量A_Z为A_Z＝30mm，并且离子反射镜反射的次数为N＝D_Z/A_Z＝10(大约的总飞行路径L＝D_X*N＝10m)。如果使用常规的OA-MRTOF 10，并且考虑到OA和检测器的边缘，则离子包长度L_Z应限制在D_Z/2N＝15mm以下，并且最重μ质量分量的占空比将被限制在DC＝1/2N＝5％以下，如等式(3)所限定的。通过实施例40的改善，离子包长度可以增加到例如L_Z＝150mm，从而将最重μ的OA占空比改善到DC＝50％，即改善一个数量级。

考虑到等式3，对于较轻(更小的μ＝m/z)的离子，任何OA仪器的占空比DC均下降。作为实例，即使对于上质量(例如μ＝2500)，DC＝50％，对于μ＝100个离子，占空比仍然限制为DC＝10％。如果在所谓的“脉冲星”模式中(或者在源与OA 30之间)使用离子源11的离子导向器(例如，RF离子导向器)，则可以进一步改善较轻离子的占空比。例如通过操作离子导向器与OA之间的离子门(如通过离子导向器的出口孔处的脉冲符号所指示的)，离子可以间歇地储存在离子导向器内并且以与OA脉冲同步的脉冲方式从所述离子导向器中释放，使得储存在离子导向器中的离子被OA 30脉冲。OA内的轻离子的传播时间(对于在K_Z＝10eV并且L_Z＝150mm时，对于μ＝100，估计为50微秒)似乎小于从“脉冲星”RF离子导向器中提取重离子的时间延迟，已知对于μ＝1000个离子，所述时间延迟为约20-30微秒。因此，使用长OA 30允许以增强的灵敏度分析宽质量范围。

使用长OA 30基本上延伸能够被质量分析的质量范围，以匹配从RF离子导向器同时传输的离子的M/m(即最重质量离子与最轻质量离子之比)，即脉冲星模式不限制质量范围。与脉冲星OA-TOF仪器相反，对于OA-MRTOF，“脉冲星”增益在基本上更长的飞行时间和飞行路径(例如，几十米和几百米)时基本上更高。事实上，在罕见的OA脉冲之间，离子可以储存于RF离子导向器中，而从离子导向器喷射的离子包可以以几乎统一的占空比和宽质量范围允许进入OA。

参考图4，示例性电子设备脉冲电路系统34被示出为使OA 30通电的多个电极31和32。正的U_A加速电压可以由大电容器C_A(例如，几十nF)缓冲并且可以通过高压开关38脉冲连接到RC分割链。可以使用贝克开关(Behlke switch)，例如在高达6kV，50A峰值电流下操作的HTS-61-05模型，并且在电容负载高达几nF的情况下，所述贝克开关可以在40纳秒的上升时间处连接高压。电容器C可以在10-100pF的数量级，以减少在脉冲期间的电压下降。考虑到几微秒的脉冲持续期间和100-300微秒的脉冲周期时的约1％的脉冲占空比，电阻R可以在0.1-1MOhm的范围内，以将平均电流降低到远在0.5A以下。干净的脉冲形状取决于杂散电容和电感。为了减小电极电容并且提供短且宽的连接引线，可以将OA 39制成具有导电带31，在带之间具有电阻涂层，并且具有跨PCB构造的大小为10pF的小且精确的电容器C的陶瓷PCB板。期望电路34和PCB OA 39的组合提供脉冲幅度的干净分数，此处示出为1、0.75、0.5和0.25的脉冲幅度。虽然大多数OA电极从接地脉冲，但是OA离子导向器的电极32可以从一些小的负偏移(例如，-10到-30V)脉冲。偏移脉冲可以被布置具有单独的RC分割链。

图5示出了本发明的OA-MTTOF实施例50。这类似于先前描述的实施例，但是具有用于使离子转向的扇区，而不是用于使离子反射的反射镜。图5示出了XZ平面中的视图50-XZ和XY平面中的视图50-XY。分析仪包括：(例如，连续的)离子源，所述离子源用于形成基本上平行的离子束13；Z伸长的无栅格正交加速器30，所述无栅格正交加速器包括电极31，所述电极具有用于空间离子限制的伸长狭缝装置32和用于等时Z聚焦的装置(此处通过跨轴透镜33例示)；一组静电扇区51和52，所述组静电扇区由漂移空间53分离；以及TOF检测器54。扇区51和52中的每个扇区可以在漂移Z方向上基本上延伸(即，可以不使用层压)。这允许当离子在z方向上漂移时，离子可以螺旋围绕装置并多次穿过任何给定的扇区，如下文所述。每个扇区可以在z方向上至少从OA 15的离子被喷射的最上游点延伸到检测器54。束13最初可以沿Z方向朝向。

在操作中，正交加速器30在Z伸长的储存间隙内接收(例如，连续的)离子束13，其中可以提供装置32以至少在X方向(并且任选地在y方向)上限制离子束，如下文图6中详述的。OA 30通过来自发生器34的电脉冲在X方向上使离子束13的一部分加速，从而形成离子包35(在分析仪内表示为55)。离子包35以某一平均倾斜角α向x方向移动，所述倾斜角由离子束13的比能量控制。OA 30中的跨轴透镜33(或菲涅耳透镜，或下文所述的一些其它Z聚焦装置)可以被布置用于当离子包35朝检测器54行进时，在Z方向上对所述离子包进行空间聚焦，使得MTTOF分析仪中的倾斜角取决于离子包内的初始z位置。由于连续离子束13的z能量，当离子包55围绕扇区51、52穿过并且在平均轨迹表面S内穿过时，所述离子包跟随由射线A-B所示的螺旋离子轨迹，以提供至少一阶完全等时性，同时朝检测器54在Z方向上缓慢会聚。

任选地，扇区51和52具有不同的半径，如WO2017042665中所述，以提供更高阶等时性。与图2的现有技术相反，实施例50中的MTTOF的扇区在Z方向上可能不具有任何静电场分量，否则所述静电场分量将会影响螺旋运动。

体育场形状的离子轨迹s表面布置在由接地的无场区域53分离的静电扇区51与静电扇区52之间。可以针对轨迹表面S内的等时离子包运动来调整X方向上的扇区XY场和离子包能量。倾斜角α仅由离子束13能量和Z聚焦装置32控制。漂移长度D_Z和注入倾斜角α被选择为在离子撞击检测器54之前允许多次(例如N＝10)完全的离子转向。

为了改善OA 30的占空比，可以使离子包35的长度L_Z与总漂移长度D_Z相当(例如1/2)。在大量离子转向时(例如N＝10)，离子包长度L_Z似乎比每单次转向的离子包前进量A_Z长得多。

类似于图3中的实施例40，图5的实施例50采用用于以下的类似的离子光学方法：OA伸长、OA内的离子束限制、离子包的Z聚焦、在OA电极中形成长狭缝以及脉冲关闭OA电势以使返回离子包穿过OA。

期望阻止离子束(在被脉冲之前)在OA的无场储存间隙中扩展。即使在OA上游的RF离子导向器中有离子束抑制的情况下，离子束发射度仍然是有限的(在10eV下为约1mm*度)，并且离子束将沿OA在100mm内自然地发散若干mm。这将损害离子包的时间扩散和能量扩散的组合，从而影响MPTOF分辨率。

参考图6，实施例61、63、65和67呈现了用于离子束13在无栅格正交加速器OA 30内的空间限制的通用装置32。如上所述，无栅格OA 30的狭缝电极31由脉冲发生器34通电，以将连续离子束13转换成脉冲离子包35。图6中的实施例彼此不同之处在于所施加的电信号和离子限制电极62、64、66和68的形状。

实施例61采用类似于US5763878的直线RF离子导向器。将RF信号施加到电极62，以便产生四极RF场，从而当离子束13沿OA 30在z方向上行进时径向限制所述离子束。实施例61具有以下缺点：(i)RF限制是质量依赖性的；(ii)在RF信号衰减不完全的情况下，必须在微秒内的加速脉冲之前断开RF场；(iii)已知施加到电极的脉冲使RF信号的谐振发生器通电；以及(iv)初始离子位置和初始速度是质量和RF相位依赖性的，所述初始离子位置和所述初始速度影响TOF分析仪的分辨率、质量准确度和角度损失。

实施例63采用通过向电极64施加负DC电势形成的直线静电四极透镜，如RU2013149761中所提出的。弱静电四极场使离子束聚焦并将其限制在临界TOF X方向上，同时使离子束在非临界横向Y方向上散焦。所述方法允许针对最大L_Z≤50mm的无损离子束转移。

实施例65通过使DC电极66上的极性交替而采用沿Z轴的空间上交替的静电DC四极场，如在共同未决的申请WO2019/030475中。实施例提供了在方向X和Y方向两者上的无限离子束限制，但是沿Z轴的可变中心电势可能对在Z方向上的离子束包聚焦有负面影响。

实施例67通过静电四极场的空间上交替提供离子束空间限制，所述离子束空间限制现在无需对中心线电势U(z)进行空间调制即可实现。如共同未决的申请WO2019/030475中所述，所述场由交替的DC偶极68的阵列形成。任选地，平均电势(DC1+DC2)/2稍微为负，以形成交替的四极场与弱静态四极场的组合，从而在X方向相对Y方向上提供稍微更强的离子束13的压缩。相对于RF限制61，静电限制67提供了多个优点：(i)静电限制与质量无关；(ii)静电限制不需要谐振RF电路并且可以容易地关闭；(iii)横向限制场的强度和形状可以沿导向器长度容易地改变；(iv)静电限制可以在不构建复杂的RF电路的情况下提供导向器电势的轴向梯度。

如共同未决的申请WO2019/030475中所详述的，可以如通过以下方式提供离子包Z聚焦：

(A)跨轴(TA)透镜可以结合到无栅格OA的出射透镜中(在Y方向上聚焦)。为了达到等时性，可以通过连续离子束周围的加速场的轻微曲率来补偿TA透镜。加速场的此类补偿曲率可以例如通过接下来提取电极的TA曲率或者通过第一个推动电极的甚至更轻微的TA曲率来实现。可以至少在提取的离子包的Z长度上布置TA透镜和TA补偿器，并且所述TA透镜和所述TA补偿器可以在离子包返回穿过OA期间通过去除经过脉冲的OA电压来断开。任选地，可以将TA透镜与TA楔形件结合，以补偿OA和分析仪的非预期未对齐；

(B)可以提供用多分段偏转器实现的菲涅耳透镜，所述偏转器用薄偏转板之间的梯度阶跃电压通电。菲涅耳透镜还允许将楔形场布置具有施加到所有偏置分段的恒定偏置，这种方式充当机械未对齐的补偿器。可以至少在提取的离子包的z长度上布置菲涅耳透镜，并且所述菲涅耳透镜可以与OA一起关闭以允许未变形的返回离子穿过；

(C)可以通过如下所述的连续离子束内的时空相关来提供Z聚焦。可以通过控制连续离子束的轴向速度V_Z和使其与所述连续离子束在OA内的z位置关联来获得离子包自动聚焦。在这种情况下，OA不需要用于空间Z聚焦的装置33。共同未决的申请WO2019/030475描述了可以在本发明的实施例中使用的两种Z自动聚焦的一般方法，并且所述方法如下：

(A)为了在一系列μ＝m/z的离子到达检测器时在z方向上聚焦(或压缩)所述离子，可以使离子的z方向速度作为其在OA内的z方向位置的函数而不同。可以给予在OA内布置在(在z方向上)逐渐远离检测器的位置处的离子朝检测器的逐渐更高的z方向速度，使得在离子包到达检测器时离子包在z方向上被压缩。例如，可以根据V_Z(z)/V_Z0＝1-z/D_Z在OA30的储存间隙内布置负相关V_Z(z)，其中D_Z是从OA的开始到检测器的距离，V_Z(z)是用于取决于OA内的离子的z位置的轴向速度，V_Z0＝V_Z(z＝0)，其中Z＝0是OA的开始(上游端)。

(B)为了在宽质量范围内聚焦(或压缩)离子(例如，对于所有μ)，可以使每电荷z依赖性比能量U(z)作为其在仪器内的z方向位置的函数而不同。可以在朝向检测器的方向上给予布置在逐渐远离检测器的位置(在z方向上)处的离子逐渐更高的每电荷比能量U(z)，使得离子包在其到达检测器时在z方向上被压缩。例如，每电荷z依赖性比能量U(z)可以满足：U(z)/U_Z0＝(1-z/D_Z)²，其中U_Z0＝U(z＝0)。

参考图7，实施例70包括具有正交加速器30的图3的MRTOF 40，但是可以不具有TA透镜33；并且可以具有以下组中的至少一个束相关特征：(i)具有时间可变加速偏置U_Z(t)的离子源73；(ii)具有时间可变DC加速偏置和/或具有用于将RF离子导向器内的轴向场梯度切换到不同值的电极结构的RF离子导向器74；(iii)连接到脉冲供应76的提取电极75；(iv)连接到时间可变电源77的提取电极75；和(v)用于在OA 30的离子导向器60内布置DC梯度的供应78。那些束相关特征与OA 30的脉冲发生器34同步。

在操作中，基本上伸长的离子束33可以通过空间限制装置60保持在长OA 30内，例如，如关于图6所述。OA和MRTOF都不会对离子进行Z聚焦，并且MRTOF(或MTTOF)中的正交离子X运动不会影响离子Z运动，所述Z运动相反由OA内的轴向离子速度限定，并且因此连续离子束内的相关V(z)或U(z)将控制离子包Z自动聚焦。

在一个实施例中，向RF离子导向器74施加加速脉冲76(例如，分段的四极、或具有辅助电极的四极、或离子隧道离子导向器)，从而形成脉冲轴向Z场。可替代地，可以向栅极75施加负脉冲76，以遵循如本文中上述的脉冲星方法。在离子到达定位于距离D_Z处的检测器44平面时，导向器74内的脉冲76的幅度和轴向Z场的长度被布置用于离子包在Z方向上的飞行时间压缩。与在被脉冲时朝轴向加速Z场的入口定位的离子相比，在被脉冲时定位于轴向加速Z场的入口处的离子将以更晚的时间到达OA 30。然而，与最初定位于离轴向加速Z场的入口处更远的离子相比，最初定位于轴向加速Z场的入口处的离子在进入OA时将在z方向上具有更大的速度V_Z。这在检测器44处产生离子包压缩或聚束(在z方向上)。期望的负Z-V_Z相关仅出现在质量范围内，其中μ范围由脉冲76与OA脉冲79之间的时间延迟控制。此实施例对于目标分析是有吸引力的，在目标分析中有意选择窄的质量范围，而TOF数据可以在检测器的最大OA频率和动态范围下获取。

在另一个实施例中，无场升降机的电势由离子导向器74或导向器74下游的离子光学器件的时间变量浮动U(t)77控制。离子导向器74或离子光学器件浮动的电压可以随时间变化，以便实现上述聚束效应(在z方向上)，但是升降机出口可以设定为更靠近OA入口并且允许要由OA加速的稍微更宽的μ范围。

在又另一个实施例中，通过布置Z依赖性轴向电势分布U(z)78，例如通过连接到限制装置60的电极的电阻分压器，使得在限制装置60中的不同z位置处施加不同的电势，从而在限制装置60内使束33减慢。然后可以对于整个离子质量范围，即对于所有μ的离子实现离子包的期望的z聚焦。当使用脉冲星模式下的RF离子导向器时，即以与OA的脉冲79同步的方式从导向器74累积离子包和脉冲释放离子包时，此方法特别地具有吸引力。

OA可以是基于具有径向脉冲喷射的射频(RF)离子阱的脉冲转换器。阱和MRTOF分析仪的空间电荷容量然后通过基本上阱伸长而得到改善。

图8示出了本发明的类似于图3的OA-MRTOF实施例的OA-MRTOF实施例90，除了OA是倾斜的离子阱80，并且离子沿倾斜的轴线引入OA中之外。实施例90包括：连续离子源11，所述连续离子源产生连续离子束13；多反射TOF 40，所述多反射TOF类似于图3中的一个多反射TOF，以及由狭缝电极81构建的径向喷射(基本上在X方向上)离子阱80，所述狭缝电极由来自发生器34的脉冲电压通电，并且结合离子导向器82，所述离子导向器用射频(RF)场通电以用于径向离子限制。离子反射镜41和42的电极在漂移Z方向上基本上伸长。阱80在z方向上是伸长的并且相对于Z轴倾斜小角度α/2(例如1-2度)。阱80可以包括用于离子z聚焦和用于通过平均角度α/2调整平均离子轨迹的离子转向的跨轴楔形件和透镜83以及跨轴透镜84。阱80由具有狭缝的电极制成，因此对于返回通道处的离子是透明的，如上文关于OA所述。

在操作中，离子源11产生连续或准连续(例如，在界面的RF离子导向器内经过时间调制的)离子束13。束13通过径向限制RF场并且通过在离子导向器82的一个或两个z方向端处使用例如由离子导向器82的分段的DC或脉冲偏置产生的静电阻挡电势进入并被俘获在离子导向器82内。离子可以以条带的形式俘获，所述离子任选地用脉冲气体进入来进行抑制。在离子喷射阶段处，通过由发生器34脉冲施加电压来使离子条带加速，并且正交于电极81来推动离子，以便相对于X轴以倾斜角α/2行进。为了纠正离子包时锋相对于离子反射镜的倾斜(这是由于离子阱的轴相对于z方向倾斜而发生的)，TA透镜84的楔形场使离子向前转向另一个α/2角度，使得离子包85平行于Z方向。楔形件84还可以具有用于离子包z聚焦的透镜组件，所述透镜组件的时间像差可以通过较弱的TA楔形件83来补偿。

在楔形场84中的脉冲喷射和转向之后，离子包85平行于Z轴对齐并且以倾斜角α向z方向移动。在离子包返回的途中，即在第一次离子反射镜反射之后，离子穿过关闭的阱80的狭缝。(通过透镜84在z方向上)空间聚焦的离子包在多次反射镜反射之后最终到达检测器44，因此改善了MRTOF(或在使用扇区而不是反射镜的实施例中的MTTOF)分辨率。

与图3中的OA 30的实施例相比，阱80能够在宽质量范围内具有接近100％的占空比，但是另一方面可能引入若干寄生效应，如离子包的RF相位和质量依赖性参数、由脉冲拾取引起的俘获RF电压的振荡以及相对于图3中的OA-MRT的离子包的更大的时间扩散和能量扩散。新颖(透明)阱转换器的基本上伸长显著改善了阱和MPTOF分析仪的空间电荷容量。

尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员来说，很明显，在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种修改。

例如，尽管已经描述了其中质量分析仪是MRTOF或MTTOF的实施例，但是可以设想，质量分析仪可以替代地仅具有使离子分别反射或转向到检测器上的单个离子反射镜或扇区。

尽管在具体实施例中的OA电极已经被描述为通过向其提供狭缝而对离子透明，但是可以设想，电极可以替代地被提供作为网格电极或者具有离子穿过的网格部分。

在所描绘的实施例中，OA电极和其狭缝在漂移方向(z方向)上从正交加速器的上游端延伸到检测器附近或下游的点。然而，本文中可以设想，OA电极和其狭缝(或网格)可以不在漂移方向(z方向)上一直延伸到检测器。相反，在漂移方向(z方向)上，在OA电极的下游端与检测器之间可能存在间隙。在此类实施例中，优选地，每个狭缝限定在单独的经伸长电极部分之间(在y方向上分离)，而不是在电极中的槽。