多反射飞行时间质谱仪（MR TOF MA）广泛应用于现代核物理设施中，如德国达姆施塔特的GSI、日本筑波的RIKEN、加拿大温哥华的TRIUMF以及法国的GANIL等[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。它们的流行之处在于结合了高质量分辨率（高达10^6）和高质量测量精度（10^-7甚至10^-8，具体取决于测量统计），以及快速的分析速度，能够测量寿命短至50 ms的同位素。实验实现的质量分辨率可达1,000,000[8], [9]。质量分辨率由公式R_m = T/(2Δt)确定，其中T是离子通过分析器的飞行时间，Δt是时间分辨率。忽略时间记录系统，Δt简单地指的是离子在分析器最终时间焦点平面的信号宽度。在现有的质谱仪中，时间分辨率范围很广，可达数十纳秒。然而，为了减少与残余气体分子的碰撞导致的离子损失，并允许在分辨率接近1,000,000的MR TOF MA中对短寿命核进行实验，希望将离子飞行时间保持在10 ms以下，从而使时间分辨率Δt在2到5 ns的范围内。
与任何质谱仪一样，MR TOF MA也可以用作质量分离器，以选择具有特定质荷比的离子。然而，与分辨率可与磁谱仪相当的磁质量分离器不同，飞行时间质谱仪中的离子选择会显著降低其分辨率。实际上，磁谱仪的质量分辨率定义为R_m = D/Δx，其中D是空间质量色散，Δx是像宽。当存在宽度为S的狭缝孔径以选择特定离子时，质量分辨率的公式变为R_m = D/(Δx + S)。通常，狭缝宽度S被选为等于Δx，因此离子选择的分辨率是谱仪的一半。在MR TOF MA中，离子选择通常通过电快门（称为Bradbury-Nielsen门BNG）来完成[10]。由于电快门切换期间脉冲前沿的有限时间宽度，BNG的时间分辨率τ约为20 ns。因此，离子选择的质量分辨率R_m = T/(2Δt + τ)可能比MR TOF MA的分辨率低一个数量级。为了实现高离子选择质量分辨率，需要在MR TOF MA出口处使用具有较大时间宽度Δt的离子包。然而，这只能以增加离子通过分析器的飞行时间为代价。
另一种替代方法是使用参考文献[11]中提出的飞行中质量选择性离子捕获方法。然而，这种方法也受到施加到捕获电极的电脉冲前沿有限时间宽度的相同限制。最后，还有一种TOF分离方法，可以直接将离子包的纵向分离转换为横向分离，即所谓的飞行距离（DOF）技术[12], [13]。然而，目前还不存在高分辨率的多反射DOF质谱仪。
本文提出了一种用于在MR TOF MA中高分辨率选择离子的新方法。该方法基于使用电能聚束器将离子到达MR TOF MA最终时间焦点平面的时间差异转换为它们的能量差异。由于具有不同质荷比的离子到达该时间焦点平面的时间不同，因此将时间转换为能量会导致离子能量依赖于其质量。在静电能量分析器中对离子进行空间分离会导致运动方向依赖于离子质量，从而实现横向质量分离。然后，可以通过狭缝孔径简单地完成质量选择。如果横向离子分离的分辨率与MR TOF 分析器的分辨率相似，那么狭缝孔径的离子选择只会适度降低这种分辨率，就像在磁质量分离器中一样。
第2节讨论了通过能量聚束器进行时间到能量转换的概念。第3节考虑了用于离子空间分离的静电能量分析器。第4节展示了确认所提出的离子选择方法有效性的数值模拟结果。
