CN104065347B

CN104065347B - 用于带电粒子检测的前置放大器

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Publication number: CN104065347B
Application number: CN201410105851.2A
Authority: CN
Inventors: R·赫明
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: US20140284493A1; CN104065347A; DE102014004094B4; GB2512121A; US9097806B2; DE102014004094A1; GB2512121B; GB201305207D0

Abstract

提供了一种用于对从带电粒子检测电极接收的信号中存在的过冲或者下冲效应进行校正的前置放大器。该前置放大器与该带电粒子检测电极是接地隔离的并且包括：一个主放大级，被配置成用于接收和放大隔离的信号；一个前馈级，被配置成用于从所放大的接地隔离的信号生成一个补偿信号，该补偿信号被生成用于反映过冲或下冲效应；以及一个输出，被安排成用于提供一个输出信号，该输出信号为所放大的接地隔离的信号与该补偿信号的组合。还提供了一种包括该前置放大器的带电粒子检测装置。

Description

用于带电粒子检测的前置放大器

发明的技术领域

本发明涉及一种用于带电粒子(特别是离子)检测装置的前置放大器，具体地用于对从带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲或者下冲效应进行校正。该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。本发明还提供了一种用于在接地隔离的前置放大器处对从这种带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲或下冲效应进行校正的方法。

发明背景

如光电倍增器(PM)或次级电子倍增器(SEM)的带电粒子检测器典型地用在如质谱仪这样的仪器中。这些检测器提供接地基准的电脉冲信号(其被称为“事件(event)”)，这些信号可以在高电压基准(如高达2kV)上浮动并且由于电子的电荷而通常具有负极性。在质谱仪中，例如，通过计数在一个分立的时间段内接收到的事件数目，这样的检测信号随后可以用于创建一个质谱(指示不同质量的离子的相对丰度)。因此，提高事件的检测精确度和辨别力提供了更高质量的质谱。

检测到的脉冲可以具有几纳秒的持续时间。当脉冲的持续时间在5ns到20ns的范围内时，这些与来自主电源、该频域内的无线电和数字总线信号上的突发部分的噪音和干扰重合。为了减少此干扰问题，例如可以通过使用信号变压器，使检测电极的输出被接地隔离。这缓解了接地回路上的直流和低频交流干扰的问题并且可以使所测量信号的信噪比(SNR)得到显著改进。

变压器的使用具有进一步的优点，因为可以改变极性并可以匹配阻抗。此外，变压器可以起到过滤出位于设备的阻带中的噪音和干扰的作用。这可以增强信号质量。

然而，这种安排还存在许多困难。源于检测电极的脉冲信号具有短的瞬态过程。这意味着特别是当使用变压器生成时，隔离信号可能包括附加的伪象。具体地，该脉冲的瞬态部分可能包括原始信号中不存在的附加过冲或下冲。当通量耦合的变压器仅可以通过交流信号时，在该隔离的信号中可能造成这种失真。

这种失真意味着使得脉冲持续时间的区分性降低。这不仅降低了使用此信号生成的任何质谱的精度，并且此失真还会掩饰直接相邻的脉冲并且从而使得难以对脉冲进行区分。因此，提高检测器输出信号的质量是一个挑战。

发明内容

针对此背景，本发明提供了一种用于对从带电粒子检测电极接收的信号中存在的过冲或者下冲效应进行校正的前置放大器。该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。该前置放大器包括：一个主放大级，被配置成用于接收和放大隔离的信号；一个前馈级，被配置成用于从所放大的隔离的信号生成一个补偿信号；以及一个输出，被安排成用于提供一个输出信号，该输出信号为所放大的隔离的信号与该补偿信号的组合。生成该补偿信号来反映过冲(或下冲)效应。如果该隔离信号包括一个负脉冲，则可能存在过冲，并且如果该隔离信号包括一个正脉冲，则可能存在下冲。

本前置放大器使用该前馈级从而为引入到该隔离的信号内的伪象提供补偿，特别是当所述信号是使用变压器生成时。通过生成一个反映过冲或下冲效应并且因此产生脉冲成形的补偿信号，在该主放大之后清除了此失真。该补偿信号可以是来自该检测电极的隔离的信号的成比例修改的复制品。有利的是，该前馈级将该隔离信号的放大版而不是该隔离信号本身作为其输入。这意味着在补偿之前将弱信号放大并且使其更容易在过冲或下冲效应与弱脉冲之间进行区分(在随后阶段)。此外，该主放大级可以用于向该前置放大器提供固有稳定性。这从而可以避免可能由于将该补偿信号叠加在所放大的隔离的信号上而导致的任何引起振荡的条件或状态。

当该前馈级使用即时隔离信号的放大版时，针对该隔离的信号中的脉冲的任何高度和持续时间来生成补偿信号。该前置放大器从而能够处理在几乎40dB范围内的不同的信号变化高度。并且，可以针对低达3ns至高于40ns的脉冲持续时间生成补偿信号。

在优选实施例中，该前置放大器进一步包括一个输入级。这可以被配置成用于从带电粒子检测电极接收检测信号以及将前置放大器与带电粒子检测电极接地隔离。这可以从所接收到的检测信号中生成隔离的信号。优选地，该输入级包括一个变压器。该变压器有益地包括一个被安排成用于接收检测信号的初级绕组和一个电感耦合到该初级绕组上的次级绕组。该次级绕组优选地被安排成用于提供隔离的信号。该变压器从而可以将该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。该变压器有利地从检测信号中产生一个隔离的信号。该变压器的替代物可以包括一个电容器。然而，这种设备还可以负责引入该前置放大器旨在进行校正的过冲或下冲效应。该变压器可以进一步起到低通滤波器的作用。有益地，该输入级可以进一步包括跨接该变压器的次级绕组的一个电阻。此电阻可以被配置成用于在该输入级的输出处提供电压信号。

可以在如下电压模式下使用该变压器：其中，其次级绕组上的电阻略高于其特征阻抗被设计成用于的电阻。在这种情况下，由于所接收到的电子及其由该检测器装置(如SEM)所供应的电流，可能会获得更高程度的电压增益。当该变压器的输出没有通过输入放大器虚拟接地时，该变压器的固有输入电容可以是可用的。因此，该变压器可以起到无源分量信号滤波器的作用，同时将放大器接地与检测电极接地隔离。

在该优选实施例中，该主放大级包括一个非反相放大器配置。这可以包括一个运算放大器(其中隔离信号被提供至其非反相输入)、在其反相输入与基准电压之间耦合的一个第一电阻以及在其输出与其反相输入之间耦合的一个第二电阻。有益地，还可以在该运算放大器的输出及其反相输入之间提供电容。这可以提供稳定性，特别是补偿该运算放大器的相位裕量。

有利的是，该隔离的信号包括一个脉冲。然后，该前馈级可以被配置成用于生成与该脉冲的大小及宽度成比例的补偿信号。具体地，该前馈级和该输出可以被配置成用于提供输出信号，从而使其包括一个与该隔离的信号的脉冲相一致的脉冲。然后，该输出信号的脉冲可以基本上不宽于该隔离的信号的脉冲。拓宽该脉冲会导致任何相邻的脉冲的可辨别力降低。此外，这可能增加用于生成质谱和补偿质谱仪的“死时间”的装置(逻辑)的复杂性。

优选地，该前馈级包括一个集成器。更优选地，该集成器是一个集成式信号成形电路。这可以被配置成用于(从主放大级)接收放大后的隔离的信号并且生成集成信号。可以通过集成一段时间内所放大的隔离的信号来生成该集成信号。等价地，该集成器可以是低通滤波器的形式。这可以使用电容。

有益地，该集成器(集成式信号成形电路)被进一步配置成包括一个附加的衰减部件。该衰减部件可以产生与该集成器的上升时间相比相当长的指数拖尾效应。有利的是，该附加的衰减部件包括有益地为正向偏置的一个或多个二极管。可选地，该一个或多个二极管包括一个硅二极管并且优选地为一个PIN二极管。尽管可以替代性地使用其他二极管，但该PIN二极管可以产生上述指数拖尾效应。在该优选实施例中，该集成器包括一个带有负反馈的放大器，具体地为反相放大器。在反馈回路中有益地提供电容和衰减部件。该电容提供集成(低通滤波)效应。这可以进一步使输出信号平滑并且降低由于干扰而引起的噪声。

有利的是，该集成器在一种反相配置中包括一个运算放大器。这可以意味着该运算放大器的非反相输入耦合到基准电压上。此外，该运算放大器的反相输入通过电阻耦合到放大后的隔离的信号(来自主放大级的输出)上。通过衰减部件和电容将该运算放大器的输出耦合到该反相输出上来提供反馈。有益地，该电容器和衰减部件被安排成用于向运算放大器提供负反馈。

在该优选实施例中，该前馈级可以进一步包括一个反相放大器。这可以被安排成用于接收集成信号以及通过放大集成信号生成补偿信号。这可以用来控制补偿信号的大小。这种配置可以包括一个运算放大器，被安排成用于在其反相输入处通过电阻(从集成器)接收集成信号。该非反相输入可以耦合到基准电压上。然后，该运算放大器的输出可以通过一个第二电阻耦合到该反相输入上。可以在该集成器级的输出与至该反相放大器级的输入之间提供一个电容。这可以用于将直流电从集成信号上移除。

可以通过放大后的隔离的信号与补偿信号之间的组合(确切地为叠加)来生成补偿的隔离的信号。优选地，该前置放大器的输出包括一个求和结点，被配置成用于通过一个第一电阻来接收放大后的隔离的信号、通过一个第二电阻来接收补偿信号以及通过对所接收到的信号求和来提供输出信号。有利地，选择该第一和第二电阻以便引起对放大后的隔离的信号与补偿信号的求和从而对隔离的信号中存在的过冲或下冲效应进行校正。

有益地，该前置放大器输出可以进一步包括一个输出端口。这可以被安排成用于通过电容提供输出信号。因此，该求和结点的输出可以通过电容耦合到该输出端口上。还可以在该输出端口处提供接地基准。

在该优选实施例中，该隔离的信号以非零直流电压为基准，优选地为2.5V。这可以是上述基准电压，该主放大级的第一电阻耦合到该基准电压上并且该集成器级运算放大器和反相放大级运算放大器的非反相输入耦合到该基准电压上。

在一个进一步方面中，本发明可以提供一种带电粒子检测装置，该装置包括：一个带电粒子检测电极，被安排成用于提供一个检测信号；以及如在此所述的前置放大器，被配置成用于针对这些过冲或下冲效应对该检测信号进行校正。该带电粒子检测电极可以形成光电倍增器或次级电子倍增器检测器的一部分。本发明还可以存在于一个包括这种带电粒子检测装置的质谱仪中。本发明可以特别适用于扇形场仪器。

在另一个方面中，提供了一种用于在接地隔离的前置放大器(即，前置放大器与带电粒子检测电极接地隔离)处对从带电粒子检测电极接收的隔离的信号中存在的过冲或下冲效应进行校正的方法。该方法包括：对该隔离的信号进行放大；从所放大的隔离的信号生成一个补偿信号从而反映这些过冲或下冲效应；以及将该所放大的隔离的信号与该补偿信号组合，从而提供一个针对这些过冲或下冲效应而被校正的输出信号。

将理解到本方法方面可以任选地包括用来执行结合以上详细描述的前置放大器所述的动作中的任意动作的步骤或特征。此外，尽管没有明确披露，但可以实施所述单独装置特征或方法特征的任意组合。

附图简要说明

本发明可以用不同的方式来实现，现在将仅通过示例并且参照附图来描述所述方式之一，在附图中：

图1示出了根据本发明的前置放大器的一个电路图；

图2描绘了来自根据图1的模拟的前置放大器内的信号的示例波形；

图3示出了图2中所示的波形的展开部分；

图4展示了接收到检测信号后的已知的真实放大器的示例性输出，示出了过冲伪象的效应；

图5展示了根据图1形成的真实前置放大器的示例性输出。

优选实施方案的详细说明

首先参照图1，示出了根据本发明的前置放大器1的一个电路图。该前置放大器从检测电极10接收检测信号。该检测电极以接地11为基准。通过变压器20将检测信号作为输入提供至该前置放大器1。该前置放大器1包括：一个主放大级30；一个集成器级40；一个反相放大器50；以及一个输出级60。还提供了一个输出端口70。

该检测电极10为一个在吸收了电子云的真空中的板。鉴于固有的负电荷，形成了有限持续时间的负脉冲。跨越该变压器20的初级绕组21施加此信号。次级绕组22电感耦合到该变压器20的初级绕组21上，并且跨越该初级绕组21施加的检测信号的非直流分量致使跨越输入电阻23形成一个电压。该输入电阻23以内部直流基准电压25为基准，该电压具有一个大约2.5伏特的偏移量。因此，跨越该输入电阻23的信号在此电压下具有一个直流偏移。该变压器20具有一个约10kHz的下限截止频率。

该主放大级30包括：一个运算放大器31，其连接在一个非反相配置中；一个第一电阻32，其连接在该基准电压25和该运算放大器31的反相输入之间；第二电阻33，其连接在该运算放大器31的输出和该运算放大器31的反相输入之间。一个电容器34也连接在该运算放大器31的输出及其反相输入之间以提高该放大级的稳定性。该主放大级30旨在具有一个大约为5的增益。

该前置放大器1的前馈级包括该集成器级40和该反相放大器级50。该集成器级40包括：一个运算放大器41；一个第一电阻42；一个第二电阻43；一个电容器44；以及一个PIN二极管45。该集成器级40是一个放大级，但原理上像一个其反馈中带有一个PIN二极管45的集成器一样工作。该PIN二极管45提供一个附加的衰减效应并且在脉冲的下降时间的持续时间过程中被正向偏置。该PIN二极管45的特性意味着其在此持续时间过程中起到电阻的作用。与该集成器的反馈能力一起，该输出处所得到的电流具有一个与该输出的上升时间相比相当长的指数尾部。实验性地发现该PIN二极管45提供比其他二极管更好的性能，尽管可以替代性地使用这些其他二极管。通过电容器46将该集成器级40的输出传至该反相放大器级50。

该反相放大器级50起到使来自该集成器级40的输出的相位倒转的作用。该反相放大器级50包括：一个运算放大器51；一个第一电阻52；一个第二电阻53。在该优选实施例中，该第一电阻52和该第二电阻53的值被设定成致使该反相放大器级50具有一个小于1的大小增益(即，减弱该集成信号的大小)。该运算放大器51的非反相输入连接到该基准电压25上。来自该集成器级40的输出通过该第一电阻52耦合到该运算放大器51的反相输入上。通过连接在该运算放大器51的输出及其反相输入之间的第二电阻53提供反馈。

该输出级60包括：一个第一电阻61；以及一个第二电阻62。来自该主放大级30的输出通过该第一电阻61耦合到该输出60上。来自该反相放大级50的输出通过该第二电阻62耦合到该输出60上。在一个结点处对这两个信号求和并且通过电容63将其提供至该输出端口70。选择该第一电阻61和第二电阻62来对在该输出处组合的两个信号进行加权。该输出端口70包括两个端子：一个信号端子71；以及一个接地端子72。该接地端子72因此与该输入接地11并且与该基准电压25隔离。通过电容63移除由该基准电压25引起的直流偏移。

然后参照图2，示出了图1中所示的前置放大器的模拟中的信号的示例波形的绘图。一个第一信号V(前置放大原始“preampraw”)是来自该主放大级30的输出。这是由最上面的信号示出的。一个第二信号V(成形“shaping”)是来自该反相放大级50的输出。这是由最下面的信号示出的。最后，一个第三信号V(前置放大输出“preampoutc”)是该前置放大器的输出，经过其他两个信号的加权求和。这是在其他两个信号的中间示出的。

在图2上识别了四个事件，其中每个事件是一个特定的检测信号，该检测信号从该检测电极10产生一个脉冲波形。在大约0.22μs时发生该第一事件101，在大约0.5μs发生该第二事件102，在大约0.56μs时发生该第三事件103，并且在大约1.02μs时发生该第***104。

然后参照图3，示出了图2的波形的一个放大部分。还在本附图上更清晰地识别出这些单独的波形。如将特别针对该第二事件102和第三事件103看到的，该补偿信号(其是该反相放大器50的输出)反映了该主放大级30的输出中的过冲事件。此过冲效应意味着该第三事件103很难与该第二事件102辨别开。然而，一旦已经将该主放大级输出与补偿信号组合起来，将清晰的是，与该第二事件102相比，可以明显地观察到该第三事件103。

将进一步指出的是，该补偿信号(被标记为V(成形))对该输出的影响不拓宽该脉冲(即，参照该主放大级30的输出(被标记为V(原始前置放大))增加该脉冲宽度或持续时间，从而放慢该脉冲)。对该脉冲进行拓宽增加了该质谱仪的“死时间”。可以对该质谱实施校正，针对死时间使用统计分析进行校正。然而，随着死时间的减少，所需的校正变得不那么复杂。

现在参照图4，通过实验示出了来自已知的真实的前置放大器的示例输出。该输出响应于一个SEM事件。尽管被优化而不需要任何校正方案，但是可清晰地观察到该主负脉冲后的过冲。这由该接地隔离部件而引起，其在这种情况下为一个变压器。

相比之下，图5示出了来自根据本发明(具体地图1和实验性设置)的真实的前置放大器的示例输出。这对基线的可能的短时过冲(上移)进行补偿以便获得在较大事件附近辨识出的小事件。因此，所有这些事件可以互相清晰地辨别开。在这样做时，该前置放大器能够放大弱信号并且增强检测器的SEM寿命，因为可以通过降低跨越该SEM而施加的电压来减少该SEM提供的放大。从而，这延增加了其寿命，因为显著地降低了最后倍增极上的电流负载。由于辨别器将信号事件与检测电子设备的本底噪声进行比较，所以本发明的益处允许对弱事件进行检测。理想地，辨别器能够对脉冲进行检测而无论其大小、直流偏移和其他信号变化如何并且在其输出处提供数字信号。在一段特定时期中对数字事件正常计数。如果信号事件太弱，则辨别器将不能辨识。另一方面，噪声环境会使脉冲检测和性能降级，或者噪声突发被辨识为事件并且被错误地计数。为了增强信号质量及避免接地回路，令人希望地将一个变压器插在放大器的输入处。正常地，中等或大的脉冲的放大将损坏在毫伏特范围内的直流基线并且阻止在中等或大信号之后不久的小信号进行辨识。

尽管现在已经描述了一个特定实施例，但技术人员将认识到可以进行多种变化和修改。例如，本发明的前置放大器可以与不同种类的检测器一起使用，而不仅仅是上述板检测电极10。此外，由于例如可以使用电容器，所以该变压器20的替代物也是可行的。然而优选变压器，因为可以进行信号的相位倒转，所以可以变换信号幅值，可以实现滤波并且可以实现阻抗匹配。此外，检测器的直流电源电压高(很可能为大约2kV)，其可能难以用变压器的替代物在毫伏特范围内对小信号进行解耦和调节。将进一步认识到该内部直流基准电压25可以具有一个与以上指定的值不同的值。如单独级的设计可以实现的一样，取决于特定应用，不同级的增益也可以不同。可以将一些级组合起来，尽管这被认为是不那么有利的。此外或可替代地，可以用等效物替换特定的部件并且有时可以完全将其省略。例如，该电容34是任选的。

已经在上述集成信号成形电路40中使用了PIN二极管45。然而，可以使用任何延迟部件。例如，其他二极管(特别是硅二极管)可以令人接受地进行工作。可以串联地放置二极管但应对其进行正向偏置以提供在此所述的延迟效应。

尽管可以考虑替代性电路设计，但已经在以上讨论的特定实施例中使用了运算放大器(由于其有利的明确的技术规格)。例如，可以使用晶体管(如JFET)设计该集成级40。

Claims

1.一种用于对从一个带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲或下冲效应进行校正的前置放大器，该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离并且包括：

一个主放大级，该主放大级被配置成用于接收和放大该隔离的信号；

一个前馈级，该前馈级被配置成用于从所放大的接地隔离的信号生成一个补偿信号，该补偿信号被生成用于反映这些过冲或下冲效应；以及

一个输出，该输出被安排成用于提供一个输出信号，该输出信号为所放大的接地隔离的信号与该补偿信号的组合。

2.如权利要求1所述的前置放大器，进一步包括：

一个输入级，该输入级被配置成用于从该带电粒子检测电极接收一个检测信号并且将该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。

3.如权利要求2所述的前置放大器，其中，该输入级包括一个变压器，该变压器包括一个被安排成用于接收该检测信号的初级绕组和一个电感耦合到该初级绕组上并且被安排成用于提供该隔离的信号的次级绕组，该变压器由此将该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。

4.如以上任一项权利要求所述的前置放大器，其中，该主放大级包括一个非反相放大器配置。

5.如权利要求1至3中任一项所述的前置放大器，其中，该隔离的信号包括一个脉冲，并且其中，该前馈级被配置成用于生成与该脉冲的大小及宽度成比例的补偿信号。

6.如权利要求5所述的前置放大器，其中，该前馈级和该输出被配置成用于提供该输出信号，从而使得该输出信号包括一个与该隔离的信号的脉冲相对应的脉冲，该输出信号的脉冲不宽于该隔离的信号的脉冲。

7.如权利要求1至3、6中任一项所述的前置放大器，其中，该前馈级包括：

一个集成器，被配置成用于接收所放大的隔离的信号并且通过集成一段时间内所放大的隔离的信号来生成一个集成信号。

8.如权利要求7所述的前置放大器，其中，该集成器包括一个带有负反馈的放大器，在其反馈回路中具有一个电容器和一个二极管。

9.如权利要求8所述的前置放大器，其中，该二极管是一个PIN二极管。

10.如权利要求8或权利要求9所述的前置放大器，其中，该集成器包括：

在一个反相配置中的一个运算放大器；并且

其中，该电容器和PIN二极管被安排成用于向该运算放大器提供负反馈。

11.如权利要求7所述的前置放大器，其中，该前馈级进一步包括：

一个反相放大器，该反相放大器被安排成用于接收该集成信号并且通过放大该集成信号生成该补偿信号。

12.如权利要求8或权利要求9所述的前置放大器，其中，该前馈级进一步包括：

13.如权利要求1至3、6、8、9、11中任一项所述的前置放大器，其中，该输出包括：

一个求和结点，该求和结点被配置成用于通过一个第一电阻来接收所放大的隔离的信号、通过一个第二电阻来接收该补偿信号并且通过对所接收到的信号求和来提供该输出信号；并且

其中，选择该第一和第二电阻以致使对所放大的隔离的信号与该补偿信号的求和对该隔离信号中存在的过冲或下冲效应进行校正。

14.如权利要求7所述的前置放大器，其中，该输出包括：

15.如权利要求10所述的前置放大器，其中，该输出包括：

16.如权利要求12所述的前置放大器，其中，该输出包括：

17.如权利要求1至3、6、11、14中任一项所述的前置放大器，其中，该隔离信号以非零直流电压为基准。

18.如权利要求7所述的前置放大器，其中，该隔离信号以非零直流电压为基准。

19.如权利要求13所述的前置放大器，其中，该隔离信号以非零直流电压为基准。

20.一种带电粒子检测装置，包括：

一个带电粒子检测电极，该带电粒子检测电极被安排成用于提供一个检测信号；以及

如以上任一项权利要求所述的前置放大器，该前置放大器被配置成用于针对这些过冲或下冲效应对该检测信号进行校正。

21.一种用于在接地隔离的前置放大器处对从一个带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲和下冲效应进行校正的方法，该方法包括：

对该隔离的信号进行放大；

从所放大的隔离的信号生成一个补偿信号从而反映这些过冲或下冲效应；以及

将该所放大的隔离的信号与该补偿信号组合，从而提供一个针对这些过冲或下冲效应而被校正的输出信号。