專(zhuān)利名稱(chēng)：具有動(dòng)態(tài)增益控制的離散倍增電極檢測(cè)器的制作方法
具有動(dòng)態(tài)増益控制的離散倍増電極檢測(cè)器
發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及粒子檢測(cè)器儀器領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及電子倍増器，其中對(duì)由中間倍增電極生成的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)該儀器的輸出端附近的倍增電極的增益。
相關(guān)技術(shù)討論電子倍增器經(jīng)常用作檢測(cè)質(zhì)譜提供的粒子(如光子、中性分子、和/或離子)的檢測(cè)器。雖然這類(lèi)設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)可以不同，但是ー個(gè)共同的有益設(shè)計(jì)包括一個(gè)陰極、一個(gè)陽(yáng)極、及連接到多個(gè)布置了大約10-25個(gè)離散電子倍増器的結(jié)構(gòu)上的一串電阻器與電容器。共同地，此種安排提供了多個(gè)級(jí)，當(dāng)在大約1000-5000V之間的電壓下操作時(shí)，這些級(jí)使增 益經(jīng)常處于大約IO5到大約IO7之間。有益地，當(dāng)被配置成用于通過(guò)質(zhì)量分析器運(yùn)行時(shí)，倍增電極(離散)幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)經(jīng)常被用作離子檢測(cè)器的一部分，如(但不限干)質(zhì)量過(guò)濾器、離子阱、及飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，其中當(dāng)在不同的掃描模式中運(yùn)行或當(dāng)記錄時(shí)間瞬態(tài)吋，離子流的重要的變差是普遍的。經(jīng)常會(huì)設(shè)計(jì)ー對(duì)倍增電極之間的電位差，從而使得攻擊倍増電極的電子可以產(chǎn)生ー個(gè)以上的次級(jí)電子。每個(gè)原電子在ー個(gè)特定的倍增電極上產(chǎn)生的次級(jí)電子的平均數(shù)是該電子倍増器在該級(jí)的増益與整個(gè)電子倍増器的增益是在每個(gè)級(jí)從陰極到最后ー個(gè)倍增電極的增益的積。增加施加到電子倍增器的電壓典型地增加了倍增電極之間的電壓，增加了每個(gè)級(jí)的増益，由此增加了整個(gè)倍增器的増益。對(duì)于檢測(cè)低電平信號(hào)從而提高信噪比，通過(guò)高増益來(lái)運(yùn)行這些檢測(cè)器是需要的。然而，這種高增益值及因此的高次級(jí)電子流導(dǎo)致沿著各個(gè)倍增電極結(jié)構(gòu)的電流放大的最終級(jí)中的強(qiáng)電子電流。盡管離散倍増電極體系結(jié)構(gòu)的是使用可以更好地控制該串的最終部分中的每個(gè)倍增電極，但是這種有益的設(shè)計(jì)仍然不能完全阻止強(qiáng)電子電流攻擊設(shè)備輸出端附近的倍増電極。當(dāng)使用離散倍増電極電子倍增器時(shí)，老化的主要原因之ー是鄰近儀器陽(yáng)極的ー個(gè)或多個(gè)倍增電極的表面的積碳。過(guò)多的積碳的累積歸于每單位面積更高劑量的來(lái)自陽(yáng)極附近的倍增電極的次級(jí)電子，這些次級(jí)電子使碳能夠結(jié)合到倍增電極的表面，這減少了次級(jí)產(chǎn)額。作為該現(xiàn)象的一部分，碳的有害積累在不理想的真空條件下更快地發(fā)生，最典型的是離子阱儀器。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已運(yùn)用多種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，包括1)降低背景壓力來(lái)減少碳的積累；2)増加遭電子轟擊的倍增電極的有效表面積；以及3)拆卸倍増電極結(jié)構(gòu)以清潔和/或翻新設(shè)備。然而，盡管已經(jīng)示出了這些方法來(lái)在某種程度上緩解倍增電極結(jié)構(gòu)的老化過(guò)程，因?yàn)榧夹g(shù)上的難題及相關(guān)聯(lián)的成本，它們經(jīng)常不是總被需要的。在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，841，936中描述并要求了在一個(gè)初始時(shí)期中遇到較大輸入信號(hào)時(shí)限制儀器的響應(yīng)的電子倍増器的背景信息，該專(zhuān)利于2005年I月11日頒發(fā)給凱勒(Keller)等人并且其題目為“快速恢復(fù)電子倍增器(FAST RECOVERY ELECTRONMULTIPLIER)”，包括以下內(nèi)容“一種改進(jìn)的電子倍増器偏置網(wǎng)絡(luò)，在倍増器面對(duì)非常大的輸入信號(hào)吋，該網(wǎng)絡(luò)限制倍増器的響應(yīng)，但隨后允許倍增器在該較大輸入信號(hào)之后快速恢復(fù)。在ー個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電子倍増器，該電子倍増器具有一個(gè)陰極，該陰極響應(yīng)于接收到粒子而發(fā)射電子，其中該粒子是帶電粒子、中性粒子、或光子之一；一串有序的倍增電極，其中每個(gè)倍増電極從前一個(gè)倍增電極接收電子并且發(fā)射更多的電子以被該串中的下ー個(gè)倍增電極接收，其中該串有序的倍增電極串中的第一倍增電極接收由陰極發(fā)射的電子；一個(gè)陽(yáng)極，該陽(yáng)極收集該有序的倍增電極串中的最后ー個(gè)倍增電極發(fā)射的電子；ー個(gè)偏置系統(tǒng)，該偏置系統(tǒng)使該有序的倍增電極串中的每個(gè)倍增電極偏向ー個(gè)特定的電勢(shì)；一個(gè)電荷庫(kù)集合，其中該電荷庫(kù)集合中的每個(gè)電荷庫(kù)與該有序的倍增電極串中的倍增電極之一相連接；以及一個(gè)隔離元件，該隔離元件處于這些倍增電極之一與其對(duì)應(yīng)的電荷庫(kù)之間，其中該隔離元件被配置成用于當(dāng)該倍増器接收ー個(gè)較大輸入信號(hào)時(shí)，控制該電子倍増器的響應(yīng)，從而允許該倍增器以一種受控的并且快速的方式進(jìn)入及退出飽和?！痹诿绹?guó)專(zhuān)利號(hào)5，367，222中描述并要求了包括ー種為在陽(yáng)極附近的倍増電極提供反饋的增益控制電路的光電倍增檢測(cè)器的背景信息，該專(zhuān)利于1994年11月22日頒發(fā)給大衛(wèi)· M ·賓克利(David M. Binkley)并且其題目為“光電倍增管的遠(yuǎn)程增益控制電 路(REMOTE GAIN CONTROL CIRCUIT FOR PHOTOMULTIPLIER TUBES)，包括以下內(nèi)容“用于遠(yuǎn)程控制光電倍增管(PMT (12))的增益的增益控制電路(10)。該遠(yuǎn)程增益控制電路(10)可與ー個(gè)具有任何選中數(shù)目的倍增電極(DY)的PMT (12)—起使用。該遠(yuǎn)程增益控制電路(10)連接到在倍増電極串中最靠近陽(yáng)極(16)的最后ー個(gè)倍增電極上，該電路控制倍増電極總供電電壓并且影響每個(gè)倍增電極(DY)的增益。本發(fā)明的遠(yuǎn)程增益控制電路(10)包括ー個(gè)集成電路運(yùn)算放大器(U1)、一個(gè)高壓晶體管(Q1)、多個(gè)電阻器(R)、多個(gè)電容器(C)、及多個(gè)ニ極管(D )。負(fù)反饋用于設(shè)置最后ー個(gè)倍增電極電壓，該電壓與ー個(gè)電壓源(如數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)提供的增益控制電壓控制的電壓是成比例的。本發(fā)明的控制電路(10)使用ー個(gè)單ー連接線(xiàn)(22 )連接到最后ー個(gè)倍增電極上。”在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4，804，891中描述并要求了ー種具有通過(guò)至少一個(gè)倍增電極上的偏置改變而增益控制的光電倍增檢測(cè)器的背景信息，該專(zhuān)利于1989年2月14日頒發(fā)給哈羅德· E ·斯威尼(Harold E. Sweeney)并且其題目為“具有增益控制的光電倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBE WITH GAIN CONTROL)”，包括以下內(nèi)容“通過(guò)在管的陽(yáng)極及陰極之間的若干倍增電極中的至少ー個(gè)上的偏置電壓的手動(dòng)或自動(dòng)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)倍增電極級(jí)的光電倍增管中的改進(jìn)的增益控制。以此方式，通過(guò)最小的偏置電壓擺幅獲得最大的管增益變化?！痹诿绹?guó)專(zhuān)利號(hào)3，614，646中描述并要求了ー種具有自動(dòng)增益控制的光電倍增檢測(cè)器的背景信息，該專(zhuān)利于1971年10月19日頒發(fā)給厄爾· T ·漢森(Earl T. Hansen)并且其題目為“使用光電子發(fā)射器-傳感器后向倍增電極偏置的光電倍增管AGC(PHOTOMULTIPLIER TUBE AGC USING PH0T0EMITTER-SENS0R FRO DYNODE BIASING)”，包括以下內(nèi)容“一種光電倍増管自動(dòng)增益控制電路，其中多個(gè)鄰接倍增電極之間的偏置電勢(shì)與光電倍增器輸出信號(hào)的幅值反向不同。對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并且將其施加到ー個(gè)為上述倍増電極而與偏置網(wǎng)絡(luò)分流連接的光電子發(fā)射器-傳感器上?！币虼?，在粒子檢測(cè)領(lǐng)域，存在當(dāng)以高增益運(yùn)行時(shí)提高這樣的結(jié)構(gòu)的操作壽命的需要。如在此所披露的，本發(fā)明通過(guò)提供一種新穎的中間倍增電極結(jié)構(gòu)及連接的電路來(lái)調(diào)節(jié)増益及由此的設(shè)備輸出端附近的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的次級(jí)發(fā)射強(qiáng)度(無(wú)論輸入信號(hào)有多強(qiáng))而解決了這種需要。
發(fā)明概述本發(fā)明針對(duì)ー種新穎的粒子檢測(cè)器，該粒子檢測(cè)器包括一個(gè)陰極，該陰極響應(yīng)于接收到表示ー個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的入射粒子而發(fā)射電子；多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極，該多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極被配置成用于在與所接收的入射粒子的數(shù)量有關(guān)的ー個(gè)陽(yáng)極上提供ー個(gè)感應(yīng)電流；一個(gè)插入的倍增電極，該插入的倍增電極被安排為該多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的一部分從而提供指示該ー個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的幅值的ー個(gè)檢測(cè)電流；以及ー個(gè)控制電路，該控制電路連接到該多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極上并且被配置成用于接收該檢測(cè)電流，從而在檢測(cè)電流滿(mǎn)足一個(gè)預(yù)定的電流門(mén)限時(shí)調(diào)整該ー個(gè)或多個(gè)下游倍増電極的電壓增益。因此，本發(fā)明提供了ー種操作裝置及操作方法，使用戶(hù)能夠阻止高電流脈沖(超越了倍增電極電容器組合的容量)攻擊倍增電極。具體地，本發(fā)明的這些方法、電子倍增器結(jié)構(gòu)、及連接的控制電路能夠在接收到ー個(gè)預(yù)定的門(mén)限檢測(cè)信號(hào)時(shí)在飛行控制信號(hào)上生成一 個(gè)合量，從而能夠調(diào)節(jié)設(shè)備輸出端附近的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖IA示出了本發(fā)明的ー個(gè)有益的檢測(cè)器實(shí)例。圖IB通過(guò)連接的電阻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例示出了倍增電極安排。圖2示出了當(dāng)針對(duì)修飾中間電極使用25倍增電極電子倍增器設(shè)計(jì)及90%_10%的劃分比率時(shí)表I中的可用電流及轉(zhuǎn)換率操作參數(shù)的一張圖。
詳細(xì)說(shuō)明在本發(fā)明的描述中，除非隱式或顯式地理解或另外陳述，應(yīng)理解一個(gè)以單數(shù)出現(xiàn)的詞語(yǔ)包括其相對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)，并且ー個(gè)以復(fù)數(shù)出現(xiàn)的詞語(yǔ)包括其相對(duì)應(yīng)的単數(shù)。進(jìn)ー步地，除非隱式或顯式地理解或另外陳述，應(yīng)理解在此描述的任何給定的部件或?qū)嵤┓桨?、該部件的任何列出的可能的候選物或替代物通常地可被単獨(dú)使用或者與另ー個(gè)組合使用。此夕卜，應(yīng)理解如在此示出的圖不一定是按照比例的，其中這些元件中的ー些可能僅僅是為了本發(fā)明的清晰而畫(huà)出。并且，參考號(hào)在各圖中可能重復(fù)，以示出相應(yīng)的或類(lèi)似的元件。另外，除非隱式或顯式地理解或另外陳述，應(yīng)理解這樣的候選物或替代物的任何列表僅僅是說(shuō)明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，在說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求中使用的表達(dá)組成部分、組成成分、反應(yīng)條件等等的數(shù)量的數(shù)字應(yīng)被理解為是被術(shù)語(yǔ)“大約”所修飾的。因此，除非相反地指示，在本說(shuō)明書(shū)及附加的權(quán)利要求中給出的數(shù)值參數(shù)是近似值，而這些近似值可取決于有待由在此展示的主題所探尋的所期望的特性而不同。至少，并且不是試圖將等效物的教義的申請(qǐng)限制為權(quán)利要求的范圍，應(yīng)當(dāng)至少根據(jù)所報(bào)告的有效位數(shù)及運(yùn)用普通的取整技術(shù)解釋每個(gè)數(shù)值參數(shù)。盡管闡明在此展示的主題的廣泛范圍的數(shù)值范圍及參數(shù)是近似值，但是在具體實(shí)例中給出的數(shù)值是盡可能準(zhǔn)確地報(bào)告的。然而，任何數(shù)值本質(zhì)上就包含了在其各自的檢驗(yàn)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差所帯來(lái)的必然的誤差。
大體描述本發(fā)明是針對(duì)ー種檢測(cè)器設(shè)計(jì)，其中所期望的倍增電極結(jié)構(gòu)(通常是電子倍增檢測(cè)器的最終倍增電極)在高輸入信號(hào)的情況下不會(huì)經(jīng)受高電流脈沖。為實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)果，如在此所披露的，通過(guò)ー個(gè)修飾中間倍增電極提供了一個(gè)檢測(cè)信號(hào)，該修飾中間倍增電極使一個(gè)連接的調(diào)節(jié)電路能夠調(diào)節(jié)ー個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的増益。處于倍增電極級(jí)聯(lián)梯中的新穎的中間倍增電極的表面積將其表面發(fā)射面積分區(qū)，從而使得電子電流以約50%-50%的比率到約95%-5%的比率攻擊這些分區(qū)，更經(jīng)常地是以90%-10%的比率。攻擊相等的或更大的區(qū)域的電子以ー種正常的方式傳播，即，從倍增電極到倍增電極，而那些攻擊剰余的相等的或更小的區(qū)域的電子提供將會(huì)被一個(gè)連接的調(diào)節(jié)控制電路評(píng)估的電流。此連接的調(diào)節(jié)電流可以實(shí)時(shí)同步地評(píng)估由中間倍增電極提供的電流(即，檢測(cè)信號(hào))，并且如果測(cè)量電流超過(guò)ー個(gè)預(yù)定的門(mén)限，則其可以生成ー個(gè)所期望的相應(yīng)的控制信號(hào)。具體地，以ー種時(shí)間約束方式使用由中間倍增電極提供的合量檢測(cè)信號(hào)，從而使ー個(gè)調(diào)節(jié)控制電路能夠轉(zhuǎn)換鄰近陽(yáng)極的ー個(gè)或多個(gè)倍增器的増益電壓。重要的標(biāo)準(zhǔn)是，在沿著更長(zhǎng)的電子途徑(即，從倍增電極到倍增電極)移動(dòng)的正常傳播的電子電流到達(dá)前，這樣的一個(gè)檢測(cè)信號(hào)(電流信號(hào))(如果在ー個(gè)預(yù)定的門(mén)限值之上)以及并且相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方面(即，控 制信號(hào))由所期望的一個(gè)或多個(gè)倍增電極妥善管理。因此，本發(fā)明的一種新穎的方式的配置和方法可以動(dòng)態(tài)減少所期望的一個(gè)或多個(gè)倍增電極上的増益，從而阻止如果未經(jīng)檢驗(yàn)而導(dǎo)致例如不希望的污染效應(yīng)的不必要的電流放大。
具體描述 檢測(cè)器圖IA示出了一個(gè)離散倍增電極檢測(cè)器的基本的非限制性有益的實(shí)施方案實(shí)例，該檢測(cè)器總體上由參考數(shù)字10指示并且可與本發(fā)明的方法一起使用。應(yīng)理解在此描述的檢測(cè)器能夠檢測(cè)由任何質(zhì)譜儀器提供的光子、中性分子、以及離子中選出的粒子，該質(zhì)譜儀器可提供有待由本發(fā)明的檢測(cè)器所所接收的離子軌道。檢測(cè)器實(shí)例包括光電倍增器及離散倍増電極儀器。質(zhì)譜儀器實(shí)例包括(但不限干)飛行時(shí)間儀器(T0F)、及四電極設(shè)備(例如，離子阱)。總的來(lái)說(shuō)，圖IA示出了一種檢測(cè)器10，該檢測(cè)器包括一個(gè)電子倍増器部分I (如實(shí)線(xiàn)矩形框中所示)，該電子倍増器部分進(jìn)ー步包括多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極3、ー個(gè)提供檢測(cè)信號(hào)(電流)的新穎的中間檢測(cè)倍增電極5、以及被配置成用于調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極6 (例如，D lri及D n_2)的ー個(gè)連接的控制電路12 (在虛線(xiàn)框中所示)，該ー個(gè)或多個(gè)下游倍增電極在該串中可包括最后ー個(gè)倍增電極7 (D n)并且組成該多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極3。如被本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解，離散倍增電極倍増器(如用圖IA的檢測(cè)器舉例說(shuō)明)根據(jù)次級(jí)電子發(fā)射的原理運(yùn)行。倍增電極越多，總體正常傳播途徑越長(zhǎng)，増益越大，因?yàn)槊總€(gè)倍増電極增加了沿著從倍增電極到倍増電極的路徑移動(dòng)的倍増電子數(shù)量。如圖IA的實(shí)施方案實(shí)例中所示，該多個(gè)倍增電極(總體上由參考數(shù)字I指示)包括兩排倍增電極，這兩排總體上但不一定是相互平行地從ー個(gè)輸入端(即，如倍增電極Dl 4上通常提供的)向一個(gè)輸出集電極陽(yáng)極端8延伸，以提供所期望的指示ー個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的感應(yīng)信號(hào)。應(yīng)理解，只要總體增益是足夠提供必要的信噪比并且只要所選中的一個(gè)或多個(gè)中間倍增電極可以提供ー個(gè)必需的與所期望的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極空間隔離的感應(yīng)電流從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)檢測(cè)器10的電壓的時(shí)間，本發(fā)明中倍増電極(電極)的數(shù)目可從在檢測(cè)器10中安排約13到約40個(gè)倍增電極而不同。
為了展示圖IA中示出的檢測(cè)器10的可操作性，倍増電極電子倍増器I (作為檢測(cè)器10的一部分)通常具有ー個(gè)相對(duì)于集電極8 (陽(yáng)極)的連接的至陰極的負(fù)高電壓(未示出)，這作為一種安排可以被偏置接地。通過(guò)參考數(shù)字3及D1. D2, D3、D1等標(biāo)注而集中示出的該多個(gè)倍增電極因此被配置為ー系列的具有連接的漸進(jìn)增加的正電壓的倍增電極，這些正電壓由例如ー個(gè)偏置電阻網(wǎng)絡(luò)9 (如在圖IB中所示)及其他被本領(lǐng)域所知的離散設(shè)備(未示出，例如電容器、穩(wěn)壓ニ極管等)提供，這些設(shè)備以ー種受控的方式將ー個(gè)預(yù)定的電壓施加到這樣的成對(duì)的倍增電極3之間，從而因此能夠具有ー個(gè)總體增益。圖IB因此示出了多個(gè)電阻元件9的安排實(shí)例，在運(yùn)行中這些電阻元件包括用于該多個(gè)倍增電極(標(biāo)注為倍增電極l、2、n等)的一個(gè)分壓器電路，同樣如圖IA中的相應(yīng)的倍増電極安排I中所示。作為另ー種安排，這些電阻元件9可被ー個(gè)可變電阻器所替代，從而同樣調(diào)節(jié)所期望的成對(duì)的倍增電極3之間的電壓。此外，這樣的電阻元件9可被配置為針對(duì)所期望的應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的單片厚薄膜電阻串，從而達(dá)到檢測(cè)器10的最佳動(dòng)態(tài)范圍及壽命。此外，上述電容器(未示出)可以用ー種已知的方式并行連接到電阻網(wǎng)絡(luò)(電阻元件9)上，從而阻止(作為ー種應(yīng)用)在運(yùn)行中任何倍増電極對(duì)(例如，D1和D2之間)的不希望的電壓變化。此外，可使用齊納倍増電極以使所期望的電壓鉗位到任何倍増電極對(duì)(更經(jīng)常為陽(yáng) 極8附近的倍增電極)，從而保護(hù)檢測(cè)器10免受電壓尖脈沖。返回只看

圖1A，在檢測(cè)器10的運(yùn)行過(guò)程中，用戶(hù)可以首先使該多個(gè)倍增電極3的第一倍增電極4 (也被標(biāo)注為D1)能夠接收指示輸入信號(hào)的ー個(gè)或多個(gè)粒子2。ー個(gè)或多個(gè)粒子2對(duì)第一倍增電極(D1M的沖擊因此導(dǎo)致以通過(guò)増益系數(shù)及先于其的陰極(未示出)的電壓所確定的増益的次級(jí)電子的發(fā)射。當(dāng)次級(jí)電子到達(dá)隨后的倍増電極時(shí)，次級(jí)發(fā)射(即，増益)量及因此相應(yīng)的電流從倍増電極到倍増電極增加，并且在陽(yáng)極8的總體感應(yīng)電流(I)由方程式I決定
(I) I=qNG ；
其中q是ー個(gè)電子上的電荷，N是每秒檢測(cè)到的粒子(例如，離子)數(shù)，而G是倍增器的増益。因此使用例如質(zhì)譜儀提供的離子的電流直接與所接收的檢測(cè)到的離子數(shù)及檢測(cè)器10的總體運(yùn)行増益相關(guān)。然而，在串6末端的正常運(yùn)行的倍增電極(例如，D n^1及D n_2)受到基于倍增電極組件I的架構(gòu)的更高電平的電流沖擊。為了阻止輸出陽(yáng)極8附近的這樣的倍增電極受到輸入信號(hào)引起的高電流脈沖的沖擊，本發(fā)明提供了ー種提供電流檢測(cè)信號(hào)的修飾中間倍增電極5 (也被標(biāo)注為D1),從而使用其來(lái)調(diào)整ー個(gè)或多個(gè)下游倍增電極6 (例如，D n^1及D n_2)的増益。確切地，通過(guò)使用中間倍增電極5來(lái)提供與輸入信號(hào)相關(guān)的采樣電流，如果采樣檢測(cè)電流在一個(gè)預(yù)定的門(mén)限限制之上，則可使用這樣的檢測(cè)信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)那些可被大電流量沖擊的下游倍增電極的増益。應(yīng)當(dāng)首先認(rèn)識(shí)到本發(fā)明中除修飾中間倍增電極5タト，大部分的配置倍增電極3可被配置為環(huán)狀系統(tǒng)、類(lèi)軟百葉簾結(jié)構(gòu)、平板、彎曲或平面結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常為隔行交錯(cuò)的電極，從而接收并且對(duì)準(zhǔn)所期望的電子束。此外，電極(即，倍增電極)自身可被配置具有包括球形結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格、平面或彎曲的條狀金屬結(jié)構(gòu)、拋光的結(jié)構(gòu)、和/或連接到基礎(chǔ)材料的可移除的發(fā)射表面的表面積。此外，如被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，可通過(guò)鈹-銅或銀-鎂材料或有益的包括鋁的材料(如氧化鋁(Al2O3))的表面處理加強(qiáng)倍增電極的倍増電極發(fā)射表面，這已展示出了對(duì)大氣腐蝕的空氣穩(wěn)定及基本阻杭，從而產(chǎn)生很魯棒的電極。在本發(fā)明中的中間倍增電極5的任何有益的形狀選擇中，這樣的新穎的中間檢測(cè)倍增電極被有益地分區(qū)(例如，將中間倍增電極的接收區(qū)域分裂為多個(gè)部分)，從而產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)常是不相等的分區(qū)表面發(fā)射區(qū)域，比率大約為95%-5%，更經(jīng)常的比率是約90%-10%。例如，攻擊較大區(qū)域的電子因此以ー種正常的方式傳播，即從倍增電極到倍增電極，而那些攻擊剩余的較小區(qū)域的電子提供有待由連接的調(diào)節(jié)控制電路12評(píng)估的采樣檢測(cè)信號(hào)電流，如圖IA中所示。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到盡管ー個(gè)單一分區(qū)電極經(jīng)常是所期望的，但是當(dāng)配置了本發(fā)明的其他方面時(shí)，其他有益的配置如間隙設(shè)計(jì)(即，電極在包括網(wǎng)狀電極的導(dǎo)電區(qū)域之間具有一個(gè)空的空間或縫隙)也可以被集成為該中間倍增電極的一部分。例如，網(wǎng)格本身可被配置為以ー個(gè)第一電勢(shì)接收并對(duì)準(zhǔn)電子，從而以ー種正常的方式傳播，而鄰近連接電極以與網(wǎng)狀電極的電勢(shì)不同的電勢(shì)接收那些通過(guò)網(wǎng)孔對(duì)準(zhǔn)的電子，從而提供檢測(cè)電流，如在此所述。在任何配置中，中間倍增電極5 (如在圖IA中所示)被插入到倍增電極3的串中，從而檢測(cè)指示該ー個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的指定的分區(qū)電流。在這樣ー個(gè)新穎的配置中的檢測(cè)信號(hào) 可以因此被ー個(gè)控制電路12 (如圖IA中虛線(xiàn)框所示)使用在電子領(lǐng)域中已知的離散設(shè)備架構(gòu)的任何配置而有益地接收(通過(guò)字母A標(biāo)注并伴隨指向箭頭)。作為圖IA中展示的控制電路12的一個(gè)非限制性的通用實(shí)例，檢測(cè)電流信號(hào)A首先被接收并且通過(guò)任何簡(jiǎn)單的電流-電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，如在圖IA中所示的轉(zhuǎn)阻抗放大器實(shí)例。此后，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)可被對(duì)準(zhǔn)到(如沿著線(xiàn)B所標(biāo)注)一個(gè)單向電壓控制電路(例如，誤差信號(hào)放大器18),其中輸出電壓與ー個(gè)穩(wěn)定的參考門(mén)限電壓相比較。這兩者之間的任何差異都生成ー個(gè)補(bǔ)償誤差電壓，該補(bǔ)償誤差電壓趨向?qū)⑤敵鲭妷?沿著線(xiàn)C被標(biāo)注并伴隨指向箭頭)從放大器20向著設(shè)計(jì)規(guī)范移動(dòng)從而調(diào)節(jié)ー個(gè)或多個(gè)下游倍增電極6 (例如，
的増益，從而使得當(dāng)需要吋，最小化不必要的強(qiáng)電子電流。盡管在圖IA中所示并如在此描述的調(diào)節(jié)電路12連接中間定位倍增電極5 (標(biāo)注為D1)而示出，應(yīng)理解本發(fā)明中這樣的調(diào)節(jié)電路12可以連接到任何選中的倍增電極3上，該倍增電極當(dāng)滿(mǎn)足了在此描述的規(guī)范時(shí)能夠被修飾并安排在倍増電極串中。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到預(yù)定的中間修飾倍增電極的位置選擇是圖IA中的控制電路12的靈敏度與可用的轉(zhuǎn)換率的折中，如以下所討論。從倍增電極梯向上檢測(cè)提供了穿過(guò)所選中的電極區(qū)域的電氣連接的拾取部分的5%到約50%、更經(jīng)常的是10%的較低電流，折中辦法是更早提供的檢測(cè)信號(hào)使在盡可能接近輸出端的調(diào)節(jié)倍増電極結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換電壓具有更多的時(shí)間。具體地，調(diào)節(jié)盡可能接近輸出端的倍增電極(例如，圖IA中臨近陽(yáng)極8的倍增電極6、7)上的電壓是有益的。在電子行程時(shí)間及控制電路12的速度的限制下，這樣的安排可以使電流感應(yīng)分區(qū)具有高靈敏性(減少電流感應(yīng)的區(qū)域)。以下示出的表I是非限制性電路模型配置實(shí)例的一個(gè)說(shuō)明性的合量電子數(shù)據(jù)表，與在圖IA中所示類(lèi)似，列出了可能的運(yùn)行參數(shù)及因此的設(shè)計(jì)考慮因素，從而展示本發(fā)明的新穎性。列出的本實(shí)例的運(yùn)行參數(shù)是從ー個(gè)電子倍增檢測(cè)器獲得的，該電子倍增檢測(cè)器安排有25個(gè)倍增電極、約IO6的總增益、測(cè)出的在第25個(gè)倍增電極上的連接的約370pF的電容實(shí)例、及處于任何兩個(gè)倍增電極間約為70伏的加速度場(chǎng)。使用這樣的約束，表I中列I示出了倍增電極# (即，可能的檢測(cè)倍增電極)冽2示出了當(dāng)倍增電極分別配置了 10%的電流分區(qū)時(shí)的可用電流；列3示出了從倍增電極到倍増電極距離及電子移動(dòng)到最后一個(gè)倍增電極的總路徑長(zhǎng)度；列4示出了當(dāng)使用ー個(gè)特定的倍增電極提供檢測(cè)信號(hào)時(shí)，改變第25個(gè)倍増電極增益的響應(yīng)時(shí)間；列5示出了電流輸出；并且列6示出了轉(zhuǎn)換第25個(gè)倍增電極所需的轉(zhuǎn)換率(kV/μ S)。
表I
可用檢測(cè)倍增電極到響應(yīng)時(shí)間輸出電流轉(zhuǎn)換率
檢測(cè)倍增電流最后ー個(gè)倍增電極 (sec)(Amps)(kV/μδ)
電極的距離(nim)
251.00E-04OO—INF
245.76E-05102.01613E-095.505614.88
233.31E-05204.03226E-092.75287.44
221.9IE-05: 306.04839H-091.83524.96
21Ι.Ι Ε-05' 4 8.06452Η-091.37643.72
206.32Ε-06: 501.00806Ε-081.101122.976
193.64Ε-06: 601.20968Ε-080.91762.4S
152.10Ε-06: 701.41129Ε-080.7865142862.125714286171.21Ε-06: 801.6129Ε-080.68821.86
166.95Ε-07: 901.81452Ε-080.6117333331.653333333154.00Ε-07: 1002.01613Ε-080.550561.4SS
142.30F-O7: 1102.21774F-080.5005090911.352727273
131.33Ε-07: 1202.4I935F-080.45881.24
127.63Ε-081302.62097Ε-080.4235076921.144615385
114.39Ε-081402.82258Ε-080.3932571431.062857143
102.53Ε-081503.02419Ε-080.367040.992
91.46Ε-081603.22581 [-080.34410.93
88.38Ε-091703.42742Ε-080.3238588240.875294] 18
74.83Ε-09丨 803.62903Ε-080.3058666670.826666667
62.78Ε-091903.83065Ε-080.2897684210.783157895
1.60Ε-092004.03226Ε-080.275280.744
49.21Ε-10: 2104.23387Ε-080.2621714290.708571429
353 Ε- 0[ 2204,4354<SH-080,2502545450.676363636
2Γ3.05Ε-101:230 Γ4.6371Ε-081:0.2393739131:0.646956522為了提供對(duì)組成表I的運(yùn)行參數(shù)的公式的理解，為了說(shuō)明的目的，選擇倍增電極13作為檢測(cè)倍增電極，并且因此為了方便，包括倍增電極13的行的運(yùn)行參數(shù)以黑體示出，從而輔助以下的討論。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于這個(gè)非限制性實(shí)例，該檢測(cè)倍增電極在25倍增電極的串的多一半偏上，到第25個(gè)倍增電極的迂回距離為大約120mm，如在列3中所示及如使用倍增電極間的距離為IOmm所計(jì)算。首先，對(duì)于本實(shí)例，如以上所述的處于任何兩個(gè)倍增電極之間的加速度場(chǎng)被選為大約70伏，從而引發(fā)ー個(gè)約為4. 96E06米毎秒(m/s)的電子速度(S卩，對(duì)于70eV的電子)。這樣，如在列3中所示，知道了到最后ー個(gè)倍增電極的迂回距離，并知道了在陽(yáng)極有待收集的信號(hào)電子的行程速度，所計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間(如在表I中列4所示)為大約24納秒(ns)。具體在本實(shí)例中，24ns是圖IA中的控制電路12的臨界時(shí)間，從而在必要時(shí)當(dāng)從新穎的分區(qū)的第13個(gè)倍增電極接收到ー個(gè)檢測(cè)信號(hào)時(shí)提供具有一個(gè)調(diào)節(jié)電壓的第25個(gè)倍增電極。知道了響應(yīng)時(shí)間，用于轉(zhuǎn)換第25個(gè)倍增電極的電壓的輸出負(fù)載電流在方程2中給出
(2)I=CdV/dt ；
其中C是連接的電容，而dV/dt是轉(zhuǎn)換電壓(例如，在第25個(gè)倍增電極上)所需的轉(zhuǎn)換率。使用370pF作為實(shí)例電容及在24ns的計(jì)算響應(yīng)時(shí)間中的30伏轉(zhuǎn)換率dV/dt，第25個(gè)倍增電極所需的合量電流為大約為O. 46安培(A)，如第13個(gè)倍增電極在表I中列4所示。因此，在本實(shí)例中如果所選中的第13個(gè)倍增電極使用可用電流10%的值提供ー個(gè)預(yù)定的飽和門(mén)限電流來(lái)隨后觸發(fā)控制電路，則該控制電路可隨后通過(guò)ー個(gè)高壓電源(未示出)/運(yùn)算放大器20來(lái)調(diào)節(jié)第25個(gè)倍增電極上的電壓(如圖IA中所示)，該高壓電源/運(yùn)算放大器可提供ー個(gè)I. 24kV/ysec的轉(zhuǎn)換率(如表I中列6所示)。 為了計(jì)算在任何中間倍增電極D1上的可用電流的觸發(fā)10%值，例如第13個(gè)倍增電極，可使用方程3:
(3)し= ';
其中G是倍增電極間増益，IDn是下游倍增電極η的電流，Idi是本發(fā)明中一個(gè)中間倍増電極的可用電流，而η-i是先于該中間倍増電極的倍増電極數(shù)目。使用第13個(gè)倍增電極作為中間倍増電極實(shí)例，方程3變?yōu)榉匠?
(4)Id25=(G)12Id13;
該方程可被重新安排以提供方程5
(5)Id13=W(G)12O
注意因?yàn)樵?5倍增電極串的總增益在此被給出為106，所以單個(gè)倍増電極增益G=(106) 1/25=l. 737。這樣，假如在第25個(gè)倍增電極的已知有害飽和電流實(shí)例為大約1mA，給出了指示在陽(yáng)極處的飽和的在第13個(gè)倍增電極的相應(yīng)的門(mén)限電流電平是通過(guò)對(duì)以上方程5進(jìn)行求解而得出
(6)I1113=ImA/(I. 737) 12=1· 3 μ A。這樣，對(duì)控制電路12的誤差信號(hào)放大器18使用上述的計(jì)算飽和電流的10%(如圖IA中所示，例如，通過(guò)第13個(gè)倍增電極的10%分區(qū)的一部分)在能夠使陽(yáng)極飽和的大約為130ηΑ的可用觸發(fā)電流，如在表I中列2所示(S卩，被標(biāo)記為可用電流)。在本實(shí)例中，如果感應(yīng)到，則這個(gè)電流電平運(yùn)行以使圖IA中的控制電路12能夠(即，觸發(fā))調(diào)節(jié)該ー個(gè)或多個(gè)下游倍增電極。當(dāng)分析本發(fā)明的ー個(gè)具體的中間倍增電極安排時(shí)，如果選擇了ー個(gè)10%分區(qū)的可用電流值(即，使用90%-10%的比率來(lái)修飾中間倍增電極)，則類(lèi)似地衍生出表I中其余的操作參數(shù)。圖2示出了使用這樣的約束來(lái)分別相反地繪制倍增電極數(shù)時(shí)，表I相對(duì)于轉(zhuǎn)換率202及可用電流206的結(jié)果。使用ー個(gè)曲線(xiàn)圖實(shí)例，如圖2中所示的曲線(xiàn)圖，使本發(fā)明的用戶(hù)能夠通過(guò)知道預(yù)定的系統(tǒng)限制來(lái)優(yōu)化ー個(gè)給定的配置。如圖2頂端標(biāo)記所示，檢測(cè)比約IOOpA更低的電流及比約5kV更高的轉(zhuǎn)換率是對(duì)于現(xiàn)有的離散硬件而言具有優(yōu)點(diǎn)的靈敏度及轉(zhuǎn)換率圖示。因此，對(duì)于以上討論的提供圖2中所示的運(yùn)行參數(shù)的配置實(shí)例，來(lái)自倍增電極2上到約倍增電極數(shù)20的電子也能夠用來(lái)修飾中間檢測(cè)倍増電極。應(yīng)當(dāng)理解在此描述的關(guān)于各實(shí)施方案的特征在不脫離本發(fā)明的精神及范圍下可 用任意組合相混合及匹配。盡管已在此展示并詳細(xì)描述了不同的選中的實(shí)施方案，但是應(yīng)理解它們是示例性的，并且在不脫離本發(fā)明的精神及范圍下，多種子代換及改變是可能的。
權(quán)利要求
1.一種粒子檢測(cè)器，包括 一個(gè)陰極，該陰極響應(yīng)于接收到表不一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的入射粒子而發(fā)射電子；多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極，該多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極被配置成用于在與所接收的入射粒子的數(shù)量有關(guān)的一個(gè)陽(yáng)極上提供一個(gè)感應(yīng)電流； 一個(gè)插入的倍增電極，該插入的倍增電極被安排為所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的一部分從而將所接收的電子對(duì)準(zhǔn)所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的其余部分以進(jìn)行進(jìn)一步放大并且進(jìn)一步地提供指示所述一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)的幅值的一個(gè)檢測(cè)電流；以及 一個(gè)控制電路，該控制電路連接到所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極上并且被配置成用于接收所述檢測(cè)電流，從而在所述檢測(cè)電路滿(mǎn)足一個(gè)預(yù)定的電流門(mén)限時(shí)調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓增益。
2.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述插入的倍增電極包括多個(gè)分區(qū)的不等部 分。
3.如權(quán)利要求2所述的粒子檢測(cè)器，其中所述不等部分包括一個(gè)第一部分，該第一部分被配置成用于將所接收的電子對(duì)準(zhǔn)所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的其余部分以進(jìn)行進(jìn)一步放大；以及一個(gè)第二部分，該第二部分被配置成用于提供所述檢測(cè)電流，從而調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓增益。
4.如權(quán)利要求2所述的粒子檢測(cè)器，其中所述不等部分包括一個(gè)90%-10%的比率，其中所述90%的部分被配置成用于將所接收的電子對(duì)準(zhǔn)所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的其余部分以進(jìn)行進(jìn)一步放大；并且所述10%被配置成用于提供所述檢測(cè)電流，從而調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓增益。
5.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述插入的倍增電極包括一個(gè)間隙電極，該間隙電極被配置以一個(gè)第一電勢(shì)接收并且將所接收的電子對(duì)準(zhǔn)所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的其余部分以進(jìn)行進(jìn)一步放大，而一個(gè)相鄰連接的電極以與所述網(wǎng)狀電極的電勢(shì)不同的電勢(shì)接收那些穿過(guò)所述間隙電極被對(duì)準(zhǔn)的以提供所述檢測(cè)電路的電子。
6.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述插入的倍增電極包括多個(gè)相等的分區(qū)部分，這些相等的分區(qū)部分進(jìn)一步包括一個(gè)第一部分，該第一部分被配置成用于將所接收的電子對(duì)準(zhǔn)所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極的其余部分以進(jìn)行進(jìn)一步放大；以及一個(gè)第二部分，該第二部分被配置成用于提供所述檢測(cè)電流，從而調(diào)整所述一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓增益。
7.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述插入的倍增電極包括至少一個(gè)電極結(jié)構(gòu)，該至少一個(gè)電極結(jié)構(gòu)選自下組球形結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)、及曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述多個(gè)倍增電極包括從至少13個(gè)倍增電極到大約40個(gè)倍增電極。
9.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述有待調(diào)整的下游倍增電極與所述陽(yáng)極是相鄰的。
10.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述下游倍增電極包括一個(gè)小于大約5kV/μ s的轉(zhuǎn)換率。
11.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中由所述插入的分區(qū)的倍增電極提供的一個(gè)可用的檢測(cè)電流為至少lOOpA。
12.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述入射粒子包括帶電粒子、中性粒子、及光子中的至少一個(gè)。
13.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述檢測(cè)器包括一個(gè)光電倍增器。
14.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述多個(gè)級(jí)聯(lián)倍增電極連接到一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)上。
15.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述控制電路包括離散電路，該離散電路被配置成用于在從倍增電極到倍增電極對(duì)準(zhǔn)的正在傳播的放大的電子到達(dá)之前提供一個(gè)控制信號(hào)。
16.如權(quán)利要求I所述的粒子檢測(cè)器，其中所述檢測(cè)器粒子可以檢測(cè)由至少一個(gè)質(zhì)譜儀提供的粒子，該質(zhì)譜儀選自下組飛行時(shí)間儀器(TOF)及四電極設(shè)備。
全文摘要
在此介紹了一種新穎的電子倍增器，該電子倍增器作為接收輸入信號(hào)的儀器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整下游倍增電極的增益。具體地，本發(fā)明的這些方法、電子倍增器結(jié)構(gòu)、及連接的控制電路使得能夠在接收到一個(gè)預(yù)定的門(mén)限檢測(cè)信號(hào)時(shí)在飛行控制信號(hào)上生成一個(gè)合量，從而能夠調(diào)節(jié)該設(shè)備的輸出端附近的一個(gè)或多個(gè)下游倍增電極的電壓。因此，如在此提出的這樣一個(gè)新穎的設(shè)計(jì)防止該儀器的輸出端附近的倍增電極暴露在有害的電流脈沖中，該有害的電流脈沖會(huì)加速對(duì)該設(shè)備而言是必需的倍增電極結(jié)構(gòu)的老化過(guò)程。
文檔編號(hào)H01J43/30GK102822939SQ201180016966
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者V.V.科夫托恩, R.馬圖爾 申請(qǐng)人:賽默菲尼根有限責(zé)任公司