本發(fā)明涉及磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀磁體的控制。確切地說，其涉及用于磁體的閉合回路控制的電路和方法。

背景技術(shù)：

磁性扇區(qū)質(zhì)量分析儀是一種眾所周知的質(zhì)譜儀，用于跨越相對(duì)寬質(zhì)量范圍的離子的高分辨率分析。離子在加速電壓u0的影響下加速穿過飛行管，它們在飛行時(shí)間分離。加速過程結(jié)束時(shí)離子的動(dòng)能mv²/2是由加速場施加的能量的結(jié)果，z.u0；因此

隨著移動(dòng)的離子進(jìn)入由磁體產(chǎn)生的磁場，特定質(zhì)荷比m/z的帶電離子沿著唯一半徑rm的圓形路徑在垂直于所施加磁場的方向的方向上偏轉(zhuǎn)。如將眾所周知，歸因于磁場(z.v.b，其中z為離子電荷，v為離子速度，且b為磁場強(qiáng)度)的力平衡向心力mv²/rm。

重新布置v且代入到以上等式中產(chǎn)生：

換句話說，針對(duì)給定磁通量密度b且當(dāng)加速到特定電位u0時(shí)，特定質(zhì)荷比的離子將遵循半徑rm的彎曲路徑。

在扇區(qū)質(zhì)量分析儀中，離子源、加速器區(qū)、磁體和檢測器的相對(duì)位置是固定的。因此，特定物質(zhì)的離子將僅在特定b和u0處到達(dá)檢測器(而非(例如)分析儀的壁)。

為了檢測特定質(zhì)量，有必要高度準(zhǔn)確地控制(即，保持穩(wěn)定)磁場。當(dāng)然，加速電位u0也必須保持恒定，但此相對(duì)簡單；從以上等式還注意到，離子到達(dá)檢測器時(shí)離子的位置(與rm相關(guān))與b^-1成比例，但對(duì)u0的改變不太敏感，因?yàn)閞m取決于u0的平方根。

u0和b兩者可原則上變化以掃描跨越檢測器的多個(gè)離子物質(zhì)。然而，優(yōu)選地，對(duì)于特定實(shí)驗(yàn)，u0保持恒定，而b改變。這主要是因?yàn)?，在磁性扇區(qū)質(zhì)量分析儀中，離子的焦點(diǎn)隨著u0改變，且需要離子束保持聚焦在檢測器上。

此項(xiàng)技術(shù)中已知通過適當(dāng)傳感器測量磁體產(chǎn)生的通量密度，且使用此信號(hào)調(diào)節(jié)磁場。參看例如us-a-3,597,679。適當(dāng)傳感器通常為霍耳效應(yīng)傳感器或場探針。

典型設(shè)置在圖1中展示。使用場探針10等測量磁體內(nèi)的通量密度。從場探針10輸出的模擬信號(hào)放大且接著連接到運(yùn)算放大器20的第一輸入。在微控制器30處產(chǎn)生設(shè)定值作為數(shù)字信號(hào)，且在dac40處將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。dac40的輸出連接到運(yùn)算放大器20的第二輸入使得(模擬)測得的通量密度可與模擬設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。

運(yùn)算放大器20的輸出在功率放大器50中放大，且功率放大器50輸出用于控制供應(yīng)到磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁體的電流。場探針10測得的磁通量密度可因此用于控制設(shè)定值，并且，以此方式，實(shí)現(xiàn)模擬閉合回路反饋控制。此外，運(yùn)算放大器的比例-積分-微分(pid)控制(和原則上測得的通量密度的放大)是可能的。

盡管圖1的布置中可實(shí)現(xiàn)的磁通量密度的步進(jìn)分辨率受到dac40的分辨率限制，但一個(gè)dac步階內(nèi)磁通量的穩(wěn)定性可高得多，這(例如)取決于運(yùn)算放大器20和電子器件的其它部分。

磁性扇區(qū)質(zhì)譜法的主要用途是確定樣本中已知要素的豐度(與(例如)或tof質(zhì)譜法形成對(duì)比，或tof質(zhì)譜法通常尋求識(shí)別樣本中的未知要素，或確認(rèn)或反駁特定物質(zhì)或(更通常地)物質(zhì)群組的存在)。這是為何磁場的最大穩(wěn)定性合乎需要：給定u0處的極恒定磁場將確保特定m/z的離子(且僅具有所述特定m/z的離子)恰當(dāng)?shù)鼐劢乖跈z測器上，且隨著時(shí)間的過去而保持如此。因此，磁場穩(wěn)定性與儀器分辨率直接關(guān)聯(lián)；對(duì)于兩個(gè)鄰近質(zhì)量的離子，辨別它們的能力(即，測量一個(gè)物質(zhì)，而不測量另一物質(zhì))將是磁場穩(wěn)定性的結(jié)果。對(duì)于約20,000的儀器分辨率，磁通量密度的標(biāo)準(zhǔn)偏差需要在一小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定在3ppm內(nèi)。對(duì)于50,000的儀器分辨率，磁通量密度的標(biāo)準(zhǔn)偏差需要在一小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定在1ppm內(nèi)。更高的分辨率將是合乎需要的。

除極穩(wěn)定靜止磁場的要求外，還需要扇區(qū)分析儀的磁體能夠在兩個(gè)穩(wěn)定磁通量密度值之間跳躍，以便測量兩個(gè)不同離子物質(zhì)的強(qiáng)度(量)。跳躍應(yīng)盡可能快速，同時(shí)跳躍之后磁體內(nèi)的磁通量密度出于上文闡述的原因必須穩(wěn)定。此尤其苛刻，因?yàn)榇朋w材料內(nèi)磁域的再定向由相對(duì)緩慢的時(shí)間常數(shù)支配。

磁芯內(nèi)的剩磁也可能提出挑戰(zhàn)。確切地說，磁通量密度的均質(zhì)性可跨越磁體減小，尤其在從相對(duì)較高磁場跳躍到相對(duì)較低磁場時(shí)。此外，磁場探針的位置處的磁通量密度可因而不同于離子束的位置處的磁通量密度。當(dāng)目標(biāo)磁通量密度為低時(shí)，磁體跳躍將花費(fèi)顯著較長時(shí)間。

圖2a說明對(duì)于1006鋼，磁通量密度b與磁場強(qiáng)度h的曲線(源：femm4.2(有限要素磁性模擬軟件，davidmeeker)。從圖中看出，b與h的非線性非常清晰。圖2b是從pauloxley等人的《磁力和磁性材料的期刊(journalofmagnetismandmagneticmaterials)》321(2009)2107-2114導(dǎo)出，且說明隨著磁場跳躍的滯后效應(yīng)。圖2b展示達(dá)到特定通量密度值必需的h場(磁場強(qiáng)度，以a/m測得，且與磁體電流成比例)如何取決于歷史(跳躍尺寸)，且此外，行為的非線性程度。

此過程的結(jié)果為，pid參數(shù)的單一集合對(duì)于覆蓋所有可能跳躍尺寸和通量密度通常是不當(dāng)?shù)摹４_切地說，針對(duì)第一對(duì)磁場強(qiáng)度之間的跳躍確定的pid參數(shù)對(duì)于第二對(duì)不同磁場強(qiáng)度之間的跳躍可能不恰當(dāng)或至少不是最佳的。不同磁通量密度之間的跳躍意味著將必須考慮不同時(shí)間常數(shù)，例如功率級(jí)的時(shí)間常數(shù)、磁域的排序的時(shí)間常數(shù)，和用于加熱磁體的時(shí)間常數(shù)。

此外，即使一旦磁場標(biāo)稱上靜止(即，不在從一個(gè)值跳躍到另一值的過程中)，pid參數(shù)對(duì)于b和u0的所有值也是固定的。在實(shí)踐中，這意味著其至多只是折衷，且對(duì)于目標(biāo)通量密度和跳躍尺寸的特定組合來說可能完全不是非常適當(dāng)?shù)摹＜词箤?duì)于給定標(biāo)稱磁通量密度，最佳pid參數(shù)將取決于裝置特定條件，例如磁體間隙內(nèi)場傳感器的特定位置等等。

圖1的電子電路自身還向磁體間隙中的磁通量密度引入隨機(jī)和系統(tǒng)誤差兩個(gè)潛在源。舉例來說，磁場探針的輸出始終含有一些噪聲。通常通過施加rc要素來完成平滑。具有挑戰(zhàn)性的是優(yōu)化電路以便排除噪聲，但同時(shí)不犧牲時(shí)間信息。并且，存在漂移效應(yīng)的若干可能源，例如歸因于溫度改變，尤其在圖1的場傳感器10、運(yùn)算放大器20和dac40中。解決這些效應(yīng)需要精密且昂貴的電子設(shè)計(jì)，例如溫度穩(wěn)定和/或校準(zhǔn)。

通常，磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁通量密度b將在幾十mt和幾百mt之間可變，一直到約1t。舉例來說，在當(dāng)前優(yōu)選儀器中，磁體間隙內(nèi)部的通量密度在200mt和750mt之間可變。磁體的鐵芯中的通量密度通常要高達(dá)2倍，這取決于磁體設(shè)計(jì)和幾何形狀?？焖偬S可在完整質(zhì)量范圍上發(fā)生。

a.a.malafronte，m.n.martins，2005粒子加速器會(huì)議會(huì)議記錄，田納西州諾克斯維爾，第2833ff頁描述用于在電子回旋加速器中控制磁場的布置。霍爾傳感器的輸出使用16位adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。產(chǎn)生用于控制回路的數(shù)字設(shè)定點(diǎn)，且微控制器將數(shù)字設(shè)定點(diǎn)與數(shù)字化霍爾傳感器輸出進(jìn)行比較。由于所述比較，隨后產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)作為來自微控制器的輸出。所述數(shù)字輸出供應(yīng)到16位dac，其提供在模擬驅(qū)動(dòng)器中放大的輸出。驅(qū)動(dòng)器的輸出繼而控制到磁體電力供應(yīng)器的電流。

malafronte布置旨在減少成本。磁場穩(wěn)定性和不同磁通量密度之間的跳躍速度對(duì)于所描述的電子回旋加速器控制器中的考慮因素并不關(guān)鍵；注意到30ppm的通量穩(wěn)定性，其比高分辨率(20,000或更高)磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀所需的數(shù)量級(jí)差一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。

對(duì)照此背景，本發(fā)明試圖提供一種用于磁性扇區(qū)質(zhì)量分析儀中的磁場的控制的改進(jìn)的布置和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種根據(jù)權(quán)利要求1的用于控制磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀的磁體的控制系統(tǒng)。

在其最廣泛意義上，本發(fā)明的此方面因此提供一種用于磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀的數(shù)字控制器，取決于質(zhì)譜儀的特定參數(shù)而向其施加不同控制器設(shè)定。

對(duì)于磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀的給定配置，離子將根據(jù)一組潛在可變參數(shù)移動(dòng)穿過其中：舉例來說，質(zhì)譜儀的加速電位、由磁體產(chǎn)生的磁場、離子的質(zhì)荷比、離子源和檢測器的相對(duì)位置等等。為了使特定質(zhì)荷比的離子通過質(zhì)譜儀且到達(dá)檢測器，需要設(shè)定特定質(zhì)譜儀參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，可根據(jù)特定質(zhì)譜儀參數(shù)選擇控制器的適當(dāng)設(shè)定，例如控制回路的轉(zhuǎn)移函數(shù)的常數(shù)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，控制系統(tǒng)可采用查找表，其中已經(jīng)存儲(chǔ)預(yù)定或經(jīng)校準(zhǔn)的控制器設(shè)定。隨后，參照查找表，可根據(jù)在樣本的分析中待采用的特定質(zhì)譜儀參數(shù)選擇特定控制器設(shè)定。確切地說，查找表可含有確定為尤其適于特定磁通量密度、加速度電壓、質(zhì)荷比等的多個(gè)差異控制器設(shè)定。

作為查找表的替代方案，控制系統(tǒng)可實(shí)際上存儲(chǔ)函數(shù)關(guān)系，可取決于質(zhì)譜儀參數(shù)依據(jù)所述函數(shù)關(guān)系計(jì)算控制設(shè)定。舉例來說，磁體中的磁通量密度和控制器設(shè)定之間的函數(shù)關(guān)系可依據(jù)先前實(shí)驗(yàn)/校準(zhǔn)憑經(jīng)驗(yàn)或啟發(fā)式地確定。隨后，在樣本離子的后續(xù)分析期間，一旦已識(shí)別適當(dāng)磁通量密度等等，就可依據(jù)所存儲(chǔ)的函數(shù)關(guān)系確定適當(dāng)控制器設(shè)定。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，磁場傳感器為從單一晶體導(dǎo)出的磁阻式單晶傳感器或霍爾傳感器。此傳感器的(模擬)輸出優(yōu)選地使用adc轉(zhuǎn)換為傳感器處或緊鄰傳感器處的數(shù)字信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)字部分對(duì)溫度波動(dòng)不敏感。通過將adc定位在場傳感器處或鄰近于場傳感器處，溫度控制要求局部化。

為了控制場傳感器處的溫度，在簡單實(shí)施例中，采用溫度傳感器以將校正信號(hào)提供到adc。在較復(fù)雜優(yōu)選布置中，可通過使用溫度傳感器、溫度控制器和加熱器/冷卻器實(shí)現(xiàn)場傳感器的溫度控制，所述溫度傳感器將測得的輸入提供到溫度控制器用于對(duì)照設(shè)定點(diǎn)溫度輸入進(jìn)行比較，所述溫度控制器產(chǎn)生到加熱器/冷卻器的控制信號(hào)輸出以便減小設(shè)定點(diǎn)和測得的溫度輸入之間的誤差。

場傳感器優(yōu)選圍封在外殼內(nèi)以輔助溫度調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)可進(jìn)一步包括經(jīng)布置以對(duì)adc輸出進(jìn)行濾波的數(shù)字濾波器，例如無限脈沖響應(yīng)濾波器。特別優(yōu)選的是契比雪夫i型濾波器(chebyshevtypeifilter)。

數(shù)字控制器的輸出可轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，所述模擬信號(hào)用于控制到磁體的電流。任選地，數(shù)字控制器輸出可使用可例如包含第一和第二dac的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(dac)布置而轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。dac布置的輸出可使用運(yùn)算放大器放大，運(yùn)算放大器的輸出驅(qū)動(dòng)功率放大器。

合意地，控制系統(tǒng)可進(jìn)一步包括連接在磁體的線圈和dac布置之間的模擬反饋電路。反饋電路可用于向模擬反饋回路提供可切換頻率響應(yīng)。經(jīng)濾波的輸出可與驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的運(yùn)算放大器處的dac布置的輸出組合。此允許與數(shù)字回路的循環(huán)時(shí)間相比以較短時(shí)間尺度校正波動(dòng)。

本發(fā)明還擴(kuò)展到一種磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀，包括：離子源，其經(jīng)布置以產(chǎn)生具有質(zhì)荷比m/z的離子束；離子加速器，其經(jīng)布置以將離子加速到電位uo；磁體，其在上文陳述的控制系統(tǒng)的控制下，經(jīng)布置以根據(jù)m/z、uo和磁體內(nèi)的磁通量密度沿著圓形路徑轉(zhuǎn)向經(jīng)加速離子；以及離子檢測器，其在磁體下游用于接收和檢測來自磁體的離子。

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供用于建立所述多個(gè)控制器設(shè)定的各種技術(shù)。舉例來說，質(zhì)譜儀參數(shù)可經(jīng)調(diào)節(jié)以便使質(zhì)譜峰值的邊沿與檢測器對(duì)準(zhǔn)。峰值的邊沿通常極其陡峭(也就是說，峰值的強(qiáng)度隨著磁通量密度的小改變而極快速上升)。因此，在檢測器處檢測離子強(qiáng)度的改變可提供磁通量密度的改變的精確測量。通過使質(zhì)譜峰值的邊沿與檢測器對(duì)準(zhǔn)且接著擾動(dòng)質(zhì)譜儀的參數(shù)(例如，通過將擾動(dòng)引入到供應(yīng)到磁體的電流中，以便繼而擾動(dòng)磁通量密度，或擾動(dòng)加速電場)，可確定針對(duì)質(zhì)譜儀參數(shù)的集合(具體地說，針對(duì)所述磁通量密度)的控制器設(shè)定。舉例來說，如果控制器使用比例-積分-微分(pid)控制，那么擾動(dòng)質(zhì)量峰值的邊沿周圍的磁場可允許轉(zhuǎn)移函數(shù)常數(shù)(比例、積分或微分常數(shù)中的一或多者)。因此確定的控制器設(shè)定可經(jīng)存儲(chǔ)用于將來使用相同或類似質(zhì)譜儀參數(shù)分析離子時(shí)使用。

此技術(shù)可用于確認(rèn)用于靜止磁場的合適的控制器設(shè)定，并且還用于確定用以優(yōu)化兩個(gè)磁場之間的轉(zhuǎn)變的合適的控制器設(shè)定。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，控制器系統(tǒng)可采用用于兩個(gè)磁場之間的轉(zhuǎn)變的第一控制器設(shè)定，以優(yōu)化所述轉(zhuǎn)變的速度和準(zhǔn)確性，例如最小化過沖，且接著一旦系統(tǒng)已到達(dá)目標(biāo)磁場就可應(yīng)用第二不同控制器設(shè)定，所述第二控制器設(shè)定經(jīng)優(yōu)化以將磁通量密度維持為在此處盡可能恒定。

本發(fā)明還擴(kuò)展到根據(jù)權(quán)利要求23的一種控制由磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁體產(chǎn)生的磁場的方法。

在本發(fā)明的其它方面中，提供用于確定用于控制器的控制器設(shè)定的方法，所述控制器經(jīng)布置以控制由磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁體產(chǎn)生的磁場。權(quán)利要求50和51中界定所述方法。

本發(fā)明還擴(kuò)展到一種控制由磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁體產(chǎn)生的磁場的方法，包括：產(chǎn)生多個(gè)離子物質(zhì)的離子；以電位u0加速所產(chǎn)生的離子；將加速的離子引導(dǎo)到磁體中，所述磁體經(jīng)配置以產(chǎn)生通量密度b的磁場以便致使進(jìn)入其的離子沿著彎曲路徑偏轉(zhuǎn)；以及在離子檢測布置處檢測退出磁體的離子；其中第一犧牲離子物質(zhì)的離子具有質(zhì)荷比(m/z)1且遵循磁體內(nèi)的第一彎曲路徑，而不同于犧牲物質(zhì)的第二分析物離子物質(zhì)的離子具有質(zhì)荷比(m/z)2且在磁體內(nèi)遵循不同于第一彎曲路徑的第二彎曲路徑；以及進(jìn)一步，其中所述離子檢測布置具有多個(gè)空間上分離的檢測器；所述方法進(jìn)一步包括：調(diào)節(jié)通量密度b、加速電位u0和/或離子檢測布置中(一或多個(gè))檢測器的位置中的一或多者，使得犧牲物質(zhì)的離子導(dǎo)向第一檢測器以便表示犧牲物質(zhì)的那些離子的質(zhì)量峰值的邊沿與第一檢測器對(duì)準(zhǔn)，而分析物離子物質(zhì)的離子導(dǎo)向與第一檢測器空間上分離的第二檢測器，使得表示那些分析物離子的質(zhì)量峰值大體與遠(yuǎn)離質(zhì)量峰值邊沿的第二檢測器對(duì)準(zhǔn)；以及通過監(jiān)視犧牲質(zhì)量的峰值邊沿處的檢測器強(qiáng)度的改變來控制磁通量密度b，以便維持分析物離子與所述第二檢測器的對(duì)準(zhǔn)。

磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的質(zhì)量峰值的邊沿通常為陡峭的。可通過在第一檢測器處引導(dǎo)犧牲質(zhì)量(即，不是具有分析用途的離子物質(zhì))的峰值邊沿來利用此優(yōu)點(diǎn)，而可在第二檢測器處引導(dǎo)具有分析用途的物質(zhì)的離子。磁體中的磁通量密度的小波動(dòng)將產(chǎn)生第一檢測器處離子強(qiáng)度的大改變，因?yàn)榉逯颠呇貙?dǎo)向所述第一檢測器。峰值強(qiáng)度改變可因此用于提供表示通量密度改變的反饋信號(hào)來控制磁通量。此繼而允許控制分析物離子使得其保持導(dǎo)向第二檢測器但遠(yuǎn)離峰值邊沿，即(例如)處于或朝向峰值中心。

在本發(fā)明的又一方面中，提供一種磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀，包括：離子源，其經(jīng)布置以產(chǎn)生含有各自具有質(zhì)荷比(m/z)i的一或多個(gè)離子物質(zhì)的離子束；離子加速器，其經(jīng)布置以將離子束中的離子加速到電位uo；磁體，其經(jīng)布置以根據(jù)(m/z)i、uo和磁體內(nèi)的磁通量密度b沿著圓形路徑轉(zhuǎn)向經(jīng)加速的離子；控制系統(tǒng)，其用于控制磁體，所述控制系統(tǒng)包含：設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生器，其經(jīng)配置以產(chǎn)生表示或關(guān)于磁體的所要磁場的輸出；磁場傳感器，其用于產(chǎn)生表示磁體中的通量密度b的信號(hào)；以及數(shù)字控制器，其經(jīng)配置以接收來自磁場傳感器的輸出的可變數(shù)字輸入信號(hào)和來自設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生器的輸出的設(shè)定點(diǎn)數(shù)字輸入信號(hào)，且產(chǎn)生數(shù)字輸出，從所述數(shù)字輸出導(dǎo)出控制信號(hào)用于控制到磁體的電流以便繼而控制其磁場；以及離子檢測布置，其在磁體下游用于接收和檢測來自磁體的離子。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可包含以下各者中的一或多者：

較低成本

較好溫度穩(wěn)定性，因?yàn)閮H必須考慮磁場傳感器

較好操作安全性

較快調(diào)節(jié)

兩個(gè)磁通量密度之間的較快磁體跳躍；還可針對(duì)相同開始和結(jié)束磁通量密度識(shí)別不同控制器設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)不同行為模型。舉例來說，一個(gè)控制器設(shè)定可允許過沖，以便提供所述兩個(gè)磁通量密度之間的最快改變。如果過沖為不利的，可改為指定非周期性行為，例如以保護(hù)檢測器中的sem；

取決于磁通量密度值、磁性跳躍尺寸、檢測器位置和/或儀器壽命，可變pid或其它控制器設(shè)定是可能的。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制器設(shè)定的組合產(chǎn)生極其快速和穩(wěn)定的磁通量密度值。

當(dāng)使用峰值邊沿和犧牲質(zhì)量時(shí)，可實(shí)現(xiàn)磁通量密度的更好的穩(wěn)定性；

磁場傳感器140的信號(hào)可經(jīng)數(shù)字濾波，從而提供平滑和時(shí)間分辨率之間的較好折衷；

因?yàn)殡x子束的積分用于校準(zhǔn)，所以不必準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)探針的位置。事實(shí)上，盡管將磁場傳感器定位在磁體的雜散場區(qū)內(nèi)不是優(yōu)選的，即使這樣也可校準(zhǔn)磁場傳感器位置。

質(zhì)量保證：可有規(guī)律地重復(fù)控制器設(shè)定的導(dǎo)出。

相同磁體電流控制器和磁場傳感器可用于大量不同儀器而無任何硬件修改；當(dāng)在不同儀器上使用時(shí)僅必須改變控制器設(shè)定，因此節(jié)省成本和后勤供給；

磁體的質(zhì)量可較低，例如磁性曲線的線性和滯后，因?yàn)榇丝山?jīng)校準(zhǔn)；

如所建議的控制器設(shè)定確定過程將校準(zhǔn)磁場傳感器使得完整系統(tǒng)(場傳感器、電子器件、磁體(更確切地說：離子束覆蓋的區(qū)域處磁通量密度的積分)考慮在內(nèi)。

附圖說明

本發(fā)明可以若干方式付諸實(shí)踐，且現(xiàn)將僅借助于實(shí)例且參看附圖描述一些優(yōu)選實(shí)施例，附圖中：

圖1展示用于控制磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的磁通量密度的現(xiàn)有技術(shù)控制布置的示意布置；

圖2a展示針對(duì)1006鋼，磁通量密度b與磁場強(qiáng)度h的曲線；

圖2b展示針對(duì)不銹鋼，磁通量密度b與磁場強(qiáng)度h的曲線；

圖3展示具有體現(xiàn)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀的示意布置；

圖4展示圖3的控制系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的電路圖；

圖5示意性地展示適合與圖3和4的控制系統(tǒng)一起使用的場傳感器布置；

圖6以示意框圖格式展示圖4中展示的控制系統(tǒng)的布置的替代布置；

圖7展示針對(duì)特定質(zhì)荷比的離子的質(zhì)譜峰值，其展示為檢測器信號(hào)強(qiáng)度與磁通量密度的曲線；以及

圖8展示適合與圖3的磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀一起使用的離子檢測器的布置。

具體實(shí)施方式

首先參看圖3，展示磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀10的示意布置。磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀具有用于產(chǎn)生離子束30的離子源20。離子束30中的離子通過靜電板40加速從而形成加速離子光學(xué)件，在圖3中通常由參考數(shù)字50指示。離子束30穿過縫隙60且進(jìn)入磁體70。磁體70為由電流源80驅(qū)動(dòng)的電磁體。磁場因此形成于磁體孔內(nèi)。

如以上背景部分中所解釋，且如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將熟悉，進(jìn)入磁體70的離子將遵循具有被界定為rm＝b^-1(2.u0.(m/z))^1/2的半徑的圓形路徑、其中u0為在加速離子光學(xué)件50中施加到離子的加速電位，b為磁體70中的磁通量密度，且(m/z)為特定物質(zhì)的離子的質(zhì)荷比。

此情況的結(jié)果是，對(duì)于給定加速電位和磁場，離子束30中的不同離子物質(zhì)將依據(jù)其m/z遵循不同路徑(也就是說，不同半徑的彎曲路徑)。相對(duì)較輕離子將遵循由點(diǎn)線100指示的較緊密彎曲的路徑，而相對(duì)較重離子將遵循由點(diǎn)線90指示的不太緊密彎曲的路徑。結(jié)果是，其都不會(huì)退出磁體。然而，特定m/z的離子具有導(dǎo)致離子束30中的所述物質(zhì)的離子沿著路徑110退出磁體的曲率半徑。這些離子隨后撞擊檢測器120，檢測器120可(例如)含有一或多個(gè)法拉弟杯和/或二次電子倍增器(sem)。在圖3的示意性實(shí)施例中，為簡單起見展示單一檢測器120。檢測器輸出可經(jīng)存儲(chǔ)、導(dǎo)出到屏幕125和/或(如下文在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中將闡述)用于調(diào)諧控制器130的設(shè)定。

質(zhì)譜儀10在控制系統(tǒng)的控制下。其目的和功能將在下文詳細(xì)描述。然而，簡單來說，控制系統(tǒng)提供用于磁體70的閉合回路反饋控制。此通過監(jiān)視/測量磁體70內(nèi)的磁通量密度來實(shí)現(xiàn)。為了做到這一點(diǎn)，磁場傳感器140定位在磁體70的孔內(nèi)。磁場傳感器140的優(yōu)選配置和組成在下文結(jié)合圖5更詳細(xì)地陳述。

磁場傳感器140將可變輸入提供到控制器130。到控制器130的可變輸入表示磁體70內(nèi)的傳感器位置處的磁通量密度。到控制器的設(shè)定點(diǎn)輸入從外部設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生器(圖3中未圖示)提供，或在控制器130自身的硬件或固件內(nèi)預(yù)編程?？刂破?30將來自磁場傳感器140的可變輸入與設(shè)定點(diǎn)(目標(biāo)磁通量密度)比較，且接著產(chǎn)生數(shù)字控制器輸出，所述數(shù)字控制器輸出在dac級(jí)220處轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)、以放大器230放大，且饋送到磁體電流源80。供應(yīng)到磁體繞組的電流的控制因此繼而控制磁體70內(nèi)的磁通量密度。

如同任何反饋回路，圖3的布置具有轉(zhuǎn)移函數(shù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，控制器130使用比例-積分-微分(pid)控制，且根據(jù)質(zhì)譜儀10的參數(shù)選擇和施加控制器設(shè)定(例如，比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和/或微分時(shí)間常數(shù))，所述參數(shù)例如(確切地說)針對(duì)特定離子物質(zhì)的磁體70內(nèi)的所選擇的磁通量密度b、兩個(gè)磁通量密度之間的跳躍，等等。

如還將見于圖3中，信號(hào)還從磁體線圈繞組分接出且經(jīng)由模擬阻尼區(qū)段240反饋回到控制器130，以對(duì)用于電流源80的驅(qū)動(dòng)器信號(hào)提供阻尼效應(yīng)。下文將結(jié)合圖4更詳細(xì)地闡述此情況。

在以下描述中，應(yīng)理解，控制器130主要經(jīng)設(shè)計(jì)以控制磁體70中的磁場，也就是說準(zhǔn)許不同磁通量密度之間的快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)(使得可使用檢測器120的相同或類似位置單獨(dú)地檢查多個(gè)離子物質(zhì))，并且還在取得特定物質(zhì)的離子的測量值的同時(shí)保持磁體70中的磁通量密度極其穩(wěn)定和準(zhǔn)確。盡管如此，從上文的等式一目了然，施加到加速離子光學(xué)件50的靜電板40的加速電位u0也必須是已知且準(zhǔn)確地設(shè)定的。u0還可在實(shí)驗(yàn)分析之間變化，以便允許分析大范圍的離子物質(zhì)。然而，在實(shí)行分析的同時(shí)改變u0并不是優(yōu)選的，因?yàn)閡0的變化可更改檢測器120的平面處離子束30中的離子的聚焦。因此，在以下描述中，除非另外論述，否則加速電位u0可在特定控制器校準(zhǔn)/調(diào)諧或后續(xù)離子分析實(shí)驗(yàn)期間視為固定的。

已提供反饋系統(tǒng)及其在磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀10內(nèi)的位置和功能的概觀，現(xiàn)將描述控制器130和相關(guān)聯(lián)組件的特定優(yōu)選實(shí)施例。隨后將在單獨(dú)部分中描述用于調(diào)諧/校準(zhǔn)針對(duì)控制器130的設(shè)定的方法。

控制器130的優(yōu)選配置

圖4中展示說明圖3的控制系統(tǒng)的特別優(yōu)選的布置的電路圖。圖4中，用類似參考標(biāo)號(hào)標(biāo)記圖3共同的組件。

圖3和4的控制器130由微控制器構(gòu)成，從現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)210將設(shè)定點(diǎn)(目標(biāo)磁通量密度)供應(yīng)到微控制器。磁場傳感器140還將可變輸入供應(yīng)到控制器130，如上文結(jié)合圖3所解釋。

控制器130為數(shù)字的。由fpga210產(chǎn)生的設(shè)定點(diǎn)為到數(shù)字控制器130的第一數(shù)字輸入，且來自磁場傳感器的到數(shù)字控制器的第二輸入也是數(shù)字的。磁場傳感器優(yōu)選地為產(chǎn)生模擬輸出的磁阻式或霍爾傳感器。此使用adc(圖4中未圖示)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。優(yōu)選地，adc緊鄰磁場傳感器定位(乃至在傳感器上/形成傳感器的一部分)以便最小化溫度變化對(duì)磁場穩(wěn)定性的影響。下文將結(jié)合圖6進(jìn)一步闡述此情況。

控制器130從磁場傳感器提供對(duì)數(shù)字設(shè)定點(diǎn)輸入和數(shù)字(數(shù)字化)可變輸入之間的差的pid響應(yīng)。針對(duì)控制器130的pid設(shè)定是布置的重要特征，并非固定。實(shí)際上，采用多個(gè)不同pid設(shè)定，給定時(shí)間采用的特定pid設(shè)定取決于磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀10的參數(shù)。舉例來說，施加到控制器130的pid設(shè)定可與磁體70中的當(dāng)前磁通量密度、當(dāng)不同離子物質(zhì)待檢測時(shí)磁通量密度的新的結(jié)束設(shè)定點(diǎn)、兩個(gè)不同通量密度之間的跳躍的量值等等中的一或多者相關(guān)?？稍谫|(zhì)譜儀參數(shù)的特定集合處例如以下文待描述的方式經(jīng)由校準(zhǔn)/調(diào)諧獲得針對(duì)質(zhì)譜儀參數(shù)的特定集合的特定pid設(shè)定，且所述特定pid設(shè)定可作為值的矩陣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(圖4中未圖示)中，所述存儲(chǔ)器可形成控制器130的一部分，或可改為與控制器130物理上分離。此外，盡管控制器130的pid參數(shù)的值的矩陣可以查找表的形式存儲(chǔ)，但在其它布置中，可例如確定性地導(dǎo)出函數(shù)關(guān)系，使得對(duì)于質(zhì)譜儀參數(shù)的任何集合，可經(jīng)由所述函數(shù)關(guān)系獲得pid設(shè)定。

控制器130的輸出為用于控制磁體電流的數(shù)字控制信號(hào)，其在施加適當(dāng)pid參數(shù)的情況下從設(shè)定點(diǎn)和測得的輸入之間的差導(dǎo)出。數(shù)字輸出由數(shù)/模轉(zhuǎn)換(dac)級(jí)220轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。dac級(jí)220的模擬輸出由通常在250處展示且由運(yùn)算放大器230形成的放大模塊接收，運(yùn)算放大器230繼而將模擬輸出提供到形成磁體電流源80的一部分的功率級(jí)。

模擬阻尼區(qū)段240還提供為磁體線圈、dac級(jí)220和運(yùn)算放大器230的非反相輸入之間的反饋。模擬阻尼區(qū)段包含磁體70處的額外場線圈，從而將反饋提供到運(yùn)算放大器230用于設(shè)定磁體電流源80的功率級(jí)中的磁體電流。模擬阻尼區(qū)段240還包含可切換的高或低阻尼；此允許較快控制瞬變，而具有較長循環(huán)時(shí)間(<＝5ms)的數(shù)字控制消除漂移。

為了實(shí)現(xiàn)隨著離子橫越磁體70離子所經(jīng)歷的磁通量密度的最大穩(wěn)定性，需要dac級(jí)220的模擬輸出的分辨率極高，使得極其準(zhǔn)確地控制到磁體線圈的電流。實(shí)施此要求的一個(gè)優(yōu)選方式為組合兩個(gè)單一dac從而形成dac級(jí)220。如圖4中可見，dac級(jí)220由第一20位dac220a連同第二12位dac220b形成。每一dac220a、220b的模擬輸出連同來自模擬阻尼區(qū)段240的反饋模擬阻尼信號(hào)組合從而形成到運(yùn)算放大器230的非反相輸入。

作為兩個(gè)dac220a、220b的用途的替代方案，如果切換時(shí)間比磁體電流源80中的功率級(jí)的時(shí)間常數(shù)快得多，那么dac級(jí)220可改為通過使用兩個(gè)值之間的極快速切換來實(shí)現(xiàn)所要程度的分辨率。

盡管圖4中，dac級(jí)220展示為與控制器130和運(yùn)算放大器/電流源80分離，當(dāng)然將理解，dac級(jí)220可形成控制器130的一部分或者放大級(jí)的一部分。

圖3和4的布置說明的磁通量密度控制方法(其中控制器130為數(shù)字的，且因此到其的輸入連同控制信號(hào)輸出也是數(shù)字的)意味著系統(tǒng)控制的僅小部分在模擬域中發(fā)生，其中溫度敏感度可能成問題。特定來說，在圖4的布置中，溫度漂移的僅有電位源在(模擬)放大模塊250中且在磁場傳感器140處。關(guān)于放大模塊，可能影響磁體電流的溫度波動(dòng)由磁場傳感器間接測得，且因此反饋和控制。

控制系統(tǒng)的其它溫度敏感部分為磁場傳感器140(其產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出)和將模擬磁通量密度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的adc(圖4中未圖示)。如上文所解釋，優(yōu)選地，adc形成場探針的一部分使得嚴(yán)格地限制任何潛在成問題的溫度變化的位置。盡管數(shù)字磁場傳感器可用，但其不能夠提供必需程度的數(shù)字分辨率，且另外不合適用于圖3的質(zhì)譜儀中預(yù)期的磁通量密度。

圖5以示意框的形式展示試圖解決磁場傳感器140處的溫度不穩(wěn)定性的磁場傳感器140的布置。

在圖5的布置中，磁場傳感器140的模擬輸出由傳感器放大器300放大，且接著利用adc310從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。adc310的數(shù)字輸出在濾波器320處濾波，且濾波器數(shù)字輸出將可變數(shù)字輸入信號(hào)提供到控制器130。

需要在磁場傳感器輸出已由adc310轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后實(shí)行磁場傳感器輸出的濾波。當(dāng)正確采用時(shí)，數(shù)字濾波提供比可使用電阻器/電容器(rc)型模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的更好的平滑和時(shí)間分辨率的組合。

濾波器320的特別優(yōu)選的布置為無限脈沖響應(yīng)濾波器，因?yàn)檫@與fir濾波器相比需要較少數(shù)據(jù)點(diǎn)來濾波。特別優(yōu)選的實(shí)施方案可為契比雪夫i型濾波器，因?yàn)榇藶V波器極其陡峭且阻帶中無紋波。陡峭的濾波器為合乎需要的，因?yàn)闀r(shí)間分辨率維持到較高程度。

作為上文的替代方案，可能改為采用橢圓形濾波器。

磁場傳感器140可為(例如)霍爾傳感器、磁阻式傳感器、amr傳感器、gmr傳感器、cmr傳感器或tmr傳感器。特別優(yōu)選的是呈場板的形式的磁阻性傳感器，其為從單一晶體切割的磁阻式傳感器。此類場板與霍爾傳感器相比具有高動(dòng)態(tài)范圍。并且，霍爾傳感器往往會(huì)歸因于垂直霍爾電流而遭受“爆米花”噪聲和熱負(fù)載的問題。相對(duì)平坦特性曲線的結(jié)果為，繼而需要相對(duì)高的霍爾電流。另一方面，單晶霍耳效應(yīng)傳感器可提供優(yōu)于傳統(tǒng)霍爾傳感器的可接受改進(jìn)。

返回到圖5，磁場傳感器140、傳感器放大器300和adc310的溫度控制通過使用溫度傳感器330來實(shí)現(xiàn)?？稍谳^簡單布置中直接采用溫度傳感器的輸出信號(hào)以控制adc310：特定來說，溫度傳感器330的輸入由adc310采用以使用已知信號(hào)/溫度關(guān)系校正模擬磁場傳感器信號(hào)。

然而，溫度控制的優(yōu)選方式如圖5所示。溫度控制器340從溫度傳感器330接收信號(hào)作為第一可變輸入。設(shè)定點(diǎn)輸入還供應(yīng)到溫度控制器340。溫度控制器340產(chǎn)生控制輸出信號(hào)，所述控制輸出信號(hào)用于控制加熱器350使得實(shí)現(xiàn)閉合環(huán)路熱控制。

除加熱器350之外或代替加熱器350，可采用例如帕爾貼冷卻器等冷卻器。

為了進(jìn)一步優(yōu)化溫度控制，需要圖5中的溫度敏感組件中的每一者(為濾波器320保留的所有組件)包含在封閉外殼內(nèi)(展示為點(diǎn)線360)，內(nèi)部具有熱絕緣。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)而參看圖6，以示意框的形式展示控制系統(tǒng)的替代實(shí)施例。圖3、4和6共同的組件用類似參考標(biāo)號(hào)標(biāo)記。此外，為了避免重復(fù)，將不再次詳細(xì)描述圖3、4和6共同的控制系統(tǒng)的那些部分。

圖6中，數(shù)字設(shè)定點(diǎn)值由fpga210產(chǎn)生。此將第一設(shè)定點(diǎn)數(shù)字輸入提供到控制器130。磁場傳感器140將數(shù)字可變輸入信號(hào)提供到控制器130。與先前一樣，數(shù)字控制器130的輸出轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)隨后在放大器模塊250中放大以用于產(chǎn)生磁體70的線圈的需求電流。

然而，在圖6的布置中，到控制器130的進(jìn)一步輸入從檢測器120提供(還參看圖3)。檢測器輸出來自法拉第杯或來自sem。數(shù)據(jù)記錄器400處理離子檢測器120的輸出。所述經(jīng)處理的輸出可直接用于提供對(duì)控制器130的進(jìn)一步控制，或可使用計(jì)算機(jī)或其它微處理器410進(jìn)行預(yù)處理。使用離子檢測器120的輸出作為到控制器130的進(jìn)一步輸入的目的將在隨后部分中闡述，其涉及控制器130的校準(zhǔn)/調(diào)諧。

控制系統(tǒng)的設(shè)定的校準(zhǔn)/調(diào)諧

現(xiàn)將描述用于校準(zhǔn)或調(diào)諧針對(duì)圖3、4和6中展示的控制系統(tǒng)的控制器設(shè)定的技術(shù)。校準(zhǔn)或調(diào)諧意指確定多種不同磁通量密度處控制系統(tǒng)的最佳常數(shù)的過程。在圖3、4和6的實(shí)施例中，控制器130采用pid控制，且以下技術(shù)導(dǎo)致針對(duì)不同通量密度并且當(dāng)嘗試在兩個(gè)不同磁通量密度之間快速轉(zhuǎn)變時(shí)導(dǎo)出比例增益以及積分和微分時(shí)間常數(shù)。

校準(zhǔn)技術(shù)全部依賴于典型磁譜中質(zhì)譜峰值的邊沿的銳度。圖7中展示典型的此峰值，圖7是離子檢測器120處的強(qiáng)度(任意單位)作為具有儀器分辨率21500的磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀的磁通量密度的函數(shù)的曲線。

在兩個(gè)峰值邊沿(前導(dǎo)和拖尾邊沿)處，曲線的斜率極高；此意味著磁通量密度值的極小變化導(dǎo)致對(duì)測得的強(qiáng)度的顯著影響。因此，測量峰值邊沿處的強(qiáng)度提供一種測量磁通量密度的任何改變的極其精確的方式。通過確定峰值邊沿處的峰值的斜率，峰值的強(qiáng)度可轉(zhuǎn)換為磁通量密度值。

假定峰值高度的5％和95％之間的線性行為，且對(duì)于21500的分辨力(針對(duì)圖7中的峰值的分辨力)，1ppm的磁通量密度的改變將產(chǎn)生峰值的最大值的5％的測得的強(qiáng)度的改變，和峰值高度的一半處的值的10％。

此技術(shù)提供更多優(yōu)點(diǎn)。簡單地使用磁場傳感器140測量磁通量密度提供通量密度的有用“快照”，但限于僅緊鄰磁場傳感器140的通量密度的測量。相比之下，通過使用峰值邊沿測量磁通量密度，測量離子束30覆蓋的磁體區(qū)域上方的積分。此在第一和第二通量密度之間跳躍時(shí)可特別有利，因?yàn)槔鐨w因于磁域的重組和磁芯中的剩磁的較慢過程取決于磁體間隙內(nèi)部的位置。此對(duì)于小磁場值特別重要。

為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)控制，需要獲得針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁場兩者的控制器設(shè)定。質(zhì)量峰值邊沿可用于獲得兩者。

確定靜態(tài)磁通量密度處的控制器設(shè)定。

第一任務(wù)是使峰值邊沿與檢測器120對(duì)準(zhǔn)。磁通量密度b和加速電位u0經(jīng)調(diào)節(jié)使得特定質(zhì)荷比的離子導(dǎo)向檢測器120。一旦已通過調(diào)節(jié)質(zhì)譜儀的參數(shù)定位峰值的邊沿，就將擾動(dòng)施加到質(zhì)譜儀參數(shù)以在控制系統(tǒng)內(nèi)引入略微振蕩。依據(jù)振蕩頻率確定控制環(huán)路的時(shí)間常數(shù)，且對(duì)于pid控制算法，可確定i和d設(shè)定。存在啟發(fā)式或以其它方式確定控制設(shè)定的許多方式：zieglernichols、chien、hrones和reswick等，其中的每一者將是閉合環(huán)路控制的領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的。并且，針對(duì)p的設(shè)定可變化，直至振蕩在強(qiáng)度中不再可見。

此技術(shù)準(zhǔn)許針對(duì)如上文所定義的初始校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中采用的特定磁通量密度導(dǎo)出控制器的經(jīng)優(yōu)化設(shè)定。確切地說，導(dǎo)出的設(shè)定可經(jīng)存儲(chǔ)供在任何后續(xù)分析中使用，在后續(xù)分析中磁通量密度與導(dǎo)出設(shè)定所處的磁通量密度相同或類似。

通過重復(fù)磁通量密度的不同值處的分析，可產(chǎn)生控制器設(shè)定的陣列或矩陣，每一控制器設(shè)定與相應(yīng)通量密度相關(guān)聯(lián)。矩陣可經(jīng)存儲(chǔ)以供后續(xù)作為查找表使用，或可用于導(dǎo)出或計(jì)算b和控制器設(shè)定之間(例如，b和pid之間)的函數(shù)關(guān)系。

如先前闡述，管控磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀中的離子移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的等式含有原則上可改變的四個(gè)參數(shù)。然而，在這些當(dāng)中，離子的彎曲路徑的半徑基本上為固定的，因?yàn)閮H沿著由半徑rm界定的特定路徑行進(jìn)的離子將到達(dá)檢測器120。這意味著，為了獲得針對(duì)b的多個(gè)值的控制器設(shè)定，加速電位u0或離子的質(zhì)荷比中的任一者必須改變。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變加速電壓。因?yàn)閷?duì)于給定質(zhì)量，磁通量密度與電壓的平方根成比例，所以將加速電壓修改4倍等效于磁通量密度的2倍的變化。

為了跨越較寬磁場范圍(即，超出簡單地通過修改u0可確認(rèn)的范圍)擴(kuò)展所確定的控制器設(shè)定，必須采用不同質(zhì)荷比離子。舉例來說，如果co2引入到離子源20，那么質(zhì)量12、22、28、44處存在相當(dāng)大的強(qiáng)度的片段質(zhì)量。因此，利用一種氣體和不同加速電壓值u0、u1、u2...，可確認(rèn)針對(duì)高達(dá)質(zhì)量44的整個(gè)質(zhì)量范圍的控制器設(shè)定。

確定針對(duì)改變的通量密度的控制器設(shè)定。

如果磁場逐步驟經(jīng)修改。且如果最終磁通量密度值為其中質(zhì)量峰值處于如圖7中所展示的升高或下降沿處的值，那么系統(tǒng)對(duì)逐步跳躍的反應(yīng)也可確定和優(yōu)化。最佳控制器參數(shù)可特定來說(例如)根據(jù)zieglernichols的第二規(guī)則或通過其它算法確認(rèn)。優(yōu)化針對(duì)兩個(gè)磁通量密度之間的跳躍的控制器設(shè)定允許繼而優(yōu)化跳躍可發(fā)生的速度。并且，當(dāng)考慮導(dǎo)出針對(duì)動(dòng)態(tài)磁場的控制器設(shè)定時(shí)，還校準(zhǔn)出磁通量密度及其時(shí)間行為取決于位置的效應(yīng)，且尤其是離子束30覆蓋的積分與磁場傳感器140的位置之間的差。

取決于開始磁通量密度值，此技術(shù)可針對(duì)不同跳躍大小重復(fù)。并且，以類似于上文概述的程序的方式，可獲得磁場/通量密度的不同結(jié)束值。

確切地說小磁場/通量密度/質(zhì)量值處的系統(tǒng)行為且尤其是動(dòng)態(tài)行為取決于磁體70內(nèi)的位置。這意味著，對(duì)于寬同時(shí)質(zhì)量范圍和低質(zhì)量，例如為同時(shí)確定he³和he⁴，控制器設(shè)定取決于離子的質(zhì)荷比，或更確切地說也取決于檢測器120的位置。在此類極專業(yè)情況中，可能優(yōu)選的是針對(duì)不同收集器位置獨(dú)立地確定控制器設(shè)定。

確定針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場兩者的控制器設(shè)定。

通過在兩個(gè)磁通量密度之間跳躍獲得的控制器設(shè)定可與那些從靜止場測量值獲得(單獨(dú)地)的控制器設(shè)定組合。在兩個(gè)通量密度之間跳躍期間，一般來說需要應(yīng)盡可能快速地到達(dá)最終通量密度(用于測量最終m/z的離子)；因此，控制器設(shè)定在牢記此目標(biāo)的前提下優(yōu)化。跳躍之后，磁通量密度的穩(wěn)定性最為重要；因此在已到達(dá)第二磁通量密度之后，可切換控制器設(shè)定以使用那些實(shí)際上從靜態(tài)校準(zhǔn)針對(duì)質(zhì)譜儀參數(shù)的所述特定集合導(dǎo)出的控制器設(shè)定。在轉(zhuǎn)變周期中，可采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制器設(shè)定的組合，其中考慮跳躍期間通過控制器設(shè)定確定的長期漂移效應(yīng)，否則采用通過靜態(tài)校準(zhǔn)獲得的設(shè)定。

可在無用戶交互的情況下自動(dòng)實(shí)行確定針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁場兩者的控制器設(shè)定的各種不同方法?？衫缑磕昊蛎績赡旰?或在焙烤系統(tǒng)之后重復(fù)設(shè)定的確定。還需要在儀器針對(duì)高分辨力參數(shù)化時(shí)實(shí)行控制器設(shè)定確定，以便獲得離子分析期間的最大精確度。

使用峰值邊沿用于磁通量密度控制。

轉(zhuǎn)向圖8，展示形成離子檢測器120的離子收集器(例如法拉弟杯)的特定布置。

經(jīng)常，并非落到檢測器120的質(zhì)量范圍內(nèi)的所有質(zhì)量用于測量同位素比。當(dāng)測量co2(質(zhì)量44)時(shí)，可能存在不來自分析物氣體的質(zhì)量，例如ar(質(zhì)量40)?；蛘撸⒎莵碜苑治鑫餁怏w的所有同位素對(duì)于特定分析問題都是相關(guān)的。在任一情況下，經(jīng)識(shí)別存在但不具有分析用途的離子物質(zhì)可用作“犧牲”質(zhì)量以收集在如圖8中所展示的可變多收集器離子檢測器中。

如該圖中所見，離子檢測器120包括多個(gè)空間上分離的離子收集器500、510、520。離子收集器的相對(duì)位置可調(diào)節(jié)：確切地說，第三離子收集器520位置可單獨(dú)調(diào)節(jié)，和/或兩個(gè)或所有三個(gè)收集器可相對(duì)移動(dòng)。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，收集器位置可手動(dòng)地調(diào)節(jié)，然而在其它實(shí)施例中，數(shù)字控制器或另一微處理器可調(diào)節(jié)離子收集器的位置以便實(shí)現(xiàn)下文的效應(yīng)。

通過調(diào)節(jié)加速電位、磁通量密度和絕對(duì)/相對(duì)收集器位置中的一或多者，第一質(zhì)荷比(m/z)1的離子導(dǎo)向第一收集器500。第二質(zhì)荷比(m/z)2的離子導(dǎo)向第二收集器510。同時(shí)，第三收集器520可經(jīng)定位使得在分析物的分析期間，質(zhì)荷比為(m/z)3的犧牲質(zhì)量在峰值邊沿處。如上文所解釋，此第三收集器520的信號(hào)因此提供一種測量磁體70的磁通量密度的改變的極其精確的方式。與平常一樣，經(jīng)由第一和第二收集器500、510分析其它質(zhì)量(m/z)1和(m/z)2。

來自第三收集器520的信號(hào)可反饋到磁體電流源80(用電子方式或由數(shù)據(jù)記錄器400，或經(jīng)由計(jì)算機(jī)410-參看圖6)，以便進(jìn)一步穩(wěn)定磁通量密度。

存在其中此反饋特別有利的兩個(gè)情況。第一情況為，測量質(zhì)量的邊沿處存在小肩部。此處，強(qiáng)制性保持磁通量密度盡可能穩(wěn)定：通過磁通量密度的小改變，將留下所述肩部。通過上文闡述的程序穩(wěn)定通量密度將增加準(zhǔn)確性。因?yàn)?ppm的通量密度的變化將等效于峰值的5％的信號(hào)強(qiáng)度的變化，所以此技術(shù)可用于獲得完全落入子ppm范圍中的通量密度穩(wěn)定性。

反饋的第二特別有利用途是，當(dāng)測量具有大峰值的足部處的sev的小強(qiáng)度時(shí)。此處，重要的是保護(hù)sev使其不受相鄰質(zhì)量的大得多的強(qiáng)度影響，且此保護(hù)可使用上文闡述的程序進(jìn)行。

盡管圖8展示兩個(gè)分析物離子收集器，當(dāng)然將理解，可以采用分析物離子物質(zhì)的其它量(1、3、4…)。此外，可存在其中需要2個(gè)或更多不同犧牲質(zhì)量的情形。

以上詳細(xì)描述已描述本發(fā)明可采取的許多形式中的僅幾種形式。出于此原因，詳細(xì)描述意圖借助于說明而非借助于限制。技術(shù)人員將預(yù)期對(duì)已經(jīng)描述的特定實(shí)施例的各種修改和添加。舉例來說，盡管以上實(shí)施例在數(shù)字pid控制器的上下文中描述，將理解，預(yù)期各種其它控制器，例如(但不限于)：具有觀測器的狀態(tài)控制器；“相互依存的”網(wǎng)絡(luò)控制；直接合成方法；最小原型算法；dahlin算法；vogel-edgar算法；內(nèi)部模型控制；數(shù)字前饋控制；一般線性控制器；r(s)u(s)＝t(s)ysp(s)-s(s)y(s)；r、s、t是任意階次的多項(xiàng)式；離散時(shí)間線性miso控制器；模型預(yù)測控制；和/或模糊控制。