CN104025250A - 高压电源滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于改善包含至少一个在高压下操作的组件的质谱检测系统的系统、装置、电路和方法。本发明提供许多高压滤波器或电路用于降低来自产生正电压和负电压的高压电源的噪声。在一些实施例中，所述滤波器可包含一或多个二极管。在一些实施例中，所述滤波器可包含一或多个晶体管。在一些实施例中，所述滤波器可包含一或多个晶体管对。本发明提供与揭示内容结合的系统、装置、电路和方法的多种实施例。

Description

高压电源滤波器

相关申请案

本申请案主张2011年12月27日提交的美国临时申请案第61/580,418号的权益和优先权，所述申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。

技术领域

申请人的教示是针对高压电源。

背景技术

本发明涉及系统、装置、电路和操作质谱检测系统的方法。用于质谱检测系统的电源组件的高压(在约±2kV至约±8kV范围内)通常引起可影响系统分辨率和精确性的不合需要的噪声电平。质谱检测系统的分辨率可受许多不同参数限制，包括例如与系统相关的任何电源的长期和短期稳定性。高频电压变化可引起分辨率的峰加宽和消失，而由开关电源所造成的缓慢变化可引起质移和需要更加经常对仪器进行重新校准。

用于过滤来自高压电源的噪声的常规技术为受限的。例如，当使用简单RC滤波器时，通常较佳保持低电容，但是如此做会与过滤程度发生冲突。增加RC滤波器的电阻器的电阻通常引起充电时间增加。借助于另一实例，当使用常规有源滤波器时，诸如包含具有单位增益的非反相放大器的那些有源滤波器，多个电源通常浮动在正电压和负电压之间以驱动电路，从而产生附加噪声和负面影响的分辨率。

再者，使用多个高压电源以驱动质谱检测系统可使其难以保护系统免受在供电或故障条件下跨越系统出现的任何高压影响。因此，需要经改进的检测系统、装置、电路和过滤检测系统的方法。

发明内容

以下概述意图向读者介绍本说明书但不限定任何发明。一或多个发明可属于下文或本文其它部分中所述的系统和/或装置元件或方法步骤的组合或子组合。发明人仅通过不描述其它发明或权利要求中的发明而不放弃或否认其对于任何发明或本说明书中所揭示的发明的权利。

在一些方面中，本文所述的实施例提供包含离子分析器、高压电源和高压滤波器的质谱仪系统。高压电源可与分析器电耦合，且高压滤波器可与高压电源电耦合。另外，高压滤波器可经配置以降低来自由高压电源输出的较高正电压的噪声和降低来自由高压电源输出的较高负电压的噪声。在一些实施例中，高压滤波器可包含一或多个经配置以在由高压电源输出的电压达到分析器输出端前，过滤来自所述电压的噪声的二极管。在一些实施例中，一或多个二极管可包含并联电耦合且彼此反向安置的第一二极管和第二二极管。在一些实施例中，高压滤波器可包含至少一个经配置以在由高压电源输出的电压达到分析器输出端前，过滤来自所述电压的噪声的晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含并联电耦合的第一晶体管和第二晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含至少两个并联电耦合的晶体管对，其中每一对包含一个达林顿(Darlington)晶体管。在一些实施例中，高压电源可为唯一与分析器电耦合的电源。在一些实施例中，分析器可包含透镜、加速器、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一个，且高压电源可与透镜、加速器、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一个电耦合。在一些实施例中，质谱仪系统可进一步包含离子源和经配置以接受来自离子源的多个离子的质谱分析器。在一些实施例中，质谱分析器可安置在离子分析器上游且可经配置以向离子分析器放出离子。

在其它方面中，本文所述的实施例提供用于质谱仪系统的高压电源的电路，包含高压输入端、高压输出端、在高压输入端和高压输出端之间电耦合的二极管和与二极管电耦合的电容器。二极管可经配置以在由高压输入端输出的电压达到高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声。在一些实施例中，二极管可经配置以自动调整以便在高压输出端实现所需的输出电压。在一些实施例中，电路可进一步包含与二极管并联电耦合的第二二极管，其安置在与二极管方向相反的方向上，且经配置以在由高压输入端输出的电压达到高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声。在一些实施例中，第一二极管和第二二极管可经配置以自动调整以便在高压输出端实现所需的输出电压。在一些实施例中，高压输入可为与电路相关的唯一电源。在一些实施例中，可向接近于质谱仪的离子分析器或在其中的透镜施加高压输出端。

在其它方面中，本文所述的实施例提供用于质谱仪系统的高压电源的电路，所述质谱仪系统包含高压输入端、高压输出端、在高压输入端和高压输出端之间耦合的低通滤波器和在高压输入和高压输出端之间耦合的位于低通滤波器下游的至少一个晶体管。低通滤波器可经配置以防止高于临限频率的频率通过高压输出端。至少一个晶体管可经配置以在由高压输入端输出的电压达到高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含射极输出器晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含至少两个并联电耦合的晶体管。在一些实施例中，第一晶体管可包含npn晶体管且第二晶体管可包含pnp晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含至少两个并联电耦合的晶体管对，其中每一对包含一个达林顿晶体管。在一些实施例中，第一晶体管对可包含至少两个npn晶体管且第二晶体管对可包含至少两个pnp晶体管。在一些实施例中，低通滤波器可包含至少一个电阻器和至少一个电容器。在一些实施例中，低通滤波器可包含二阶低通滤波器以使得至少一个电阻器包含至少两个电阻器且至少一个电容器包含至少两个电容器。在一些实施例中，电路可进一步包含与至少一个晶体管并联电耦合的齐纳(Zener)二极管对。在一些实施例中，电路可进一步包含安置在至少一个晶体管下游的电阻器。在一些实施例中，高压输入端可为与电路相关的唯一电源。在一些实施例中，可向透镜、加速器、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一个施加高压输出端。

在其它方面中，本文所述的实施例提供在质谱仪中用于检测离子的方法，所述方法包含将多个离子引入质谱仪的离子分析器中以产生指示离子的至少一个参数的电流信号，自电源向分析器施加正高压，自电源向分析器施加负高压，使用滤波器移除来自正高压的噪声，使用滤波器移除来自负高压的噪声，基于经正高压的滤波器输出的信号检测离子的至少一个参数和基于经负高压的滤波器输出的信号检测离子的至少一个参数。在一些实施例中，滤波器可包含一或多个二极管。在一些实施例中，一或多个二极管可包含并联耦合且彼此反向安置的第一二极管和第二二极管。在一些实施例中，滤波器可包含至少一个晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含并联电耦合的第一晶体管和第二晶体管。在一些实施例中，至少一个晶体管可包含至少两个并联电耦合的晶体管对，其中每一对包含一个达林顿(Darlington)晶体管。在一些实施例中，离子分析器可包含飞行时间分析器。在一些所述实施例中，向分析器施加正高压和向分析器施加负高压的步骤可进一步包含向透镜、加速器、电极、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一个施加正高压和向透镜、加速器、电极、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一个施加负高压。

申请人的教示的这些和其它特征阐述于本文中。

附图说明

本领域技术人员将了解以下所述附图仅出于说明目的。附图并不希望以任何方式限制申请人的教示范围。通过结合附图获得的以下各种实施例的描述将更加全面理解本发明，其中：

图1为根据申请人的教示的一些实施例，质谱仪的示意性表示；

图2为根据申请人的教示的一些实施例，电路的示意性表示；

图3呈现随着其涉及图2电路的频率而衰减的曲线；

图4为根据申请人的教示的一些实施例，电路的示意性表示；

图5呈现随着其涉及图4电路的频率而衰减的曲线；

图6为根据申请人的教示的一些实施例，电路的示意性表示；

图7呈现随着其涉及图6电路的频率而衰减的曲线；和

图8为根据申请人的教示的一些实施例，质谱仪的示意性表示。

具体实施方式

现将描述某些例示性实施例以提供对本文所披露的系统、装置、电路的结构、功能、制造和使用的原理和方法全面理解。这些实施例的一或多个实施例在附图中说明。所属领域的技术人员将了解本文特定所述和在附图中说明的系统、装置、电路和方法为非限制性例示性实施例，且本发明的范围仅由权利要求限定。与一个例示性实施例结合说明或描述的特征可与其它实施例的特征组合。这些修改和变化意图包括在本文所述的系统、装置、电路和方法的范围内。

在本文所述的系统、装置、电路和方法可用于与许多不同质谱系统结合时，在图1中说明质谱系统的总图以提供用于描述申请人的教示的各种实施例的总体框架。根据申请人的教示质谱仪可采用各种方式经配置和操作，稍后在本说明书中提供各种方式的较详细描述。如所展示，在一些实施例中，质谱仪10可包含离子源12、离子分析器14和位于分析器14上游的质谱分析器9。离子源12可发射穿过质谱分析器9的离子，质谱分析器允许那些离子(例如具有所选范围中的质荷比(m/z比)的离子)中的某些穿过一或多个透镜60和输入端62及穿至分析器14。

分析器14可以许多不同方式操作以进一步基于离子独特的质荷比来区分离子。在一些实施例中，分析器14可包含飞行时间(TOF)分析器。一些TOF分析器可包含用于质谱分离分析器内的离子的离子检测模块和一或多个用于在离子自离子检测模块到达之后检测这些离子的多通道板(MCP)检测器。许多不同参数可由分析器14检测。借助于非限制性实例，在一些实施例中，分析器包含TOF分析器，分析器14可测量这些离子穿过漂移场室11的时间，此时间可指示离子的质荷比(m/z比)。通常具有较高m/z比的离子穿过漂移场室11所花时间较长。

在以下出于讨论申请人的教示的目的而进一步描述用于操作分析器的各种方法时，应注意分析器14的许多不同组件可由高压电源或电源输入提供动力。在一些实施例中，一或多个透镜60可为分析器本身的一部分，且分析器14的许多组件可由高压电源提供动力。分析器14的这些组件包含(但不限于)加速器或加速器总成17、一或多个电极18和/或保护环19、一或多个安置在漂移场室11中的至少一部分周围的屏蔽或衬垫13、一或多个离子反射器或镜子15和一或多个MCP检测器90。所属领域的技术人员将了解在本文中分析器14的前述组件以及其它组件未明确提及的许多不同方式可用于与申请人的教示结合。稍后在本说明书中亦提供这些组件如何相互作用的较详细描述。

向分析器14的各种组件供应的高压可以申请人的教示的多种方式过滤。更确切地说，申请人已开发出许多可用作滤波器以在电压到达其目标组件之前消除来自高压的噪声的不同电路。经消除噪声，可改善系统的分辨率、效率和精确性。

图2说明根据申请人的教示的一些实施例的滤波器或电路110。滤波器110包含一或多个二极管，如与电容器130电耦合的二极管120和122所示。如所示，电容器130可在其其它端处与地面132耦合。一或多个二极管120、122和电容器130可应用于在由输入端112供应的电压到达高压输出端114之前过滤来自高压输入端112的噪声。在各种实施例中，两个二极管120，122可经并联布线且彼此反向置放。通过反向置放二极管120，122，电路110可过滤两极，亦即，正高压和负高压，而无需两个各具有不同极性或必须浮动电源电压的独立电源。如所展示，二极管120，122为D1N4148/27C二极管，但至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可使用许多其它二极管。

在一些实施例中，电容器130的电容可保持低的，举例而言在约0.001μF至约0.1μF范围内。在图2中所提供的示意图中，电容器130具有约0.01μF的电容值。所属领域的技术人员将认识到具有低电容值的电容器将引起较低程度的过滤。然而，就高压而言至少一个二极管可提供可增强滤波器效力的非线性、动态电阻。至少一个二极管的动态电阻可由以下等式表示：

$R=\frac{.025}{I}$      (等式1)，

其中R为至少一个二极管的动态电阻且I为通过至少一个二极管由所施加的高压产生的电流。由于向滤波器110施加电源，因此在对电容器130进行充电期间高压信号的电流可为大的，但由于由至少一个二极管所提供的动态电阻，所以对电容器130充电的时间可为短的。当电流达到稳态时，不再有电流流过且电路110的RC乘积接近无穷，从而产生极有效的滤波器。

在使用中，可在高压输入端112供应输入电压且电流将流向地面132。如果输入电压为正电压，那么电流可穿过第一二极管120且对电容器130充电以在高压输出端114处提供输出电压。正电压电流可经第二二极管122阻断。如果输入电压为负电压，那么电流可穿过第二二极管122且对电容器130充电以在高压输出端114处提供输出电压。负电压电流可经第一二极管120阻断。在高压输入端112处的输入电压可在约±2kV至约±8kV范围内，且在高压输出端114处产生的输出电压可近似相同。在一些实施例中，第二控制循环(未图示)可添加至电路110以使到高压输出端114的电压输出按需调整。

输出电压可施加至许多组件，但在一些实施例中，输出电压可施加至安置在质谱分析器和离子分析器之间或安置在离子分析器自身内的一或多个透镜元件。使用与滤波器相关的教示的益处为不存在与一或多个透镜元件连接的电阻负载，所述滤波器包含具有透镜元件的二极管。

申请人的教示的各方面可根据以下实例进一步理解，以下实例不应理解为以任何方式限制申请人的教示的范围。图3说明图2的电路110的模拟(使用)。如所说明，随着系统频率的增加(X轴)，噪声消除或衰减(Y轴)以接近线性方式持续增加。在约10Hz处衰减可为约20dB，表明在10Hz处电路110的噪声分量可降低到约1/10。借助于非限制性实例，更大程度过滤可通过增加电容器130的电容值而实现，其进而可引起图2曲线向左侧移动。图2的电路也在实验台上测试，从而表明类似于图3中说明的低直流电(DC)电压下那些结果的结果。再者，图2的电路安装在技术原型TOF谱仪上且经测试。测试显示分辨率显著增加，数量级约为25％。所属领域的技术人员将认识到纳入申请人的教示但具有不同的整体设计的质谱仪可产生变化的经改善的结果。

图4说明根据申请人的教示的一些实施例的另一滤波器或电路210。滤波器210可包含一或多个晶体管，如两个可促进在由输入端212供应的电压到达高压输出端或负载(如负载电阻器214所示)之前，过滤来自高压输入端212的噪声的晶体管220和222所示，尽管输出端或负载如负载电阻器214所示，但其它电组件可用作电路210的输出端。如所展示，在所说明的实施例中，输入端212与负载电阻器214可分别在地面211，215处接地。一或多个晶体管220，222亦可促进对负载电阻器214维持实质上恒定电压。如所展示，在一些实施例中，一或多个晶体管220，222可为射极输出器晶体管，其可具有电流增益，单位电压增益和电源增益(其可为电流和电压增益的产物)。

一或多个晶体管220，222可以多种方式布线，但在一些实施例中晶体管220的集极引线(A)可与高压输入端212电性连接，且晶体管220，222的基极引线(B)可与经过滤高压输出端213电性连接。集极引线(A)处的电压可经配置以使晶体管220，222偏压，而基极引线(B)处的电压可穿过晶体管220，222供给且输出至晶体管发射器(C)。在各种实施例中，可使用两个晶体管220，222，其可使来自相反极性的电压的电流流经滤波器210。在所说明的实施例中，尽管至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可使用许多其它晶体管，但第一晶体管220为npn晶体管，更确切地说为MPS3904且第二晶体管222为pnp晶体管，更确切地说为MPS3906。另外，在一些实施例中，结合达林顿晶体管321，325的装配(如图6中所说明和下文所论述)可用于与电路210的组件结合且/或代替这些组件。

在一些实施例中，电路210可进一步包含与一或多个晶体管220，222电耦合以使低频率通过而阻断高频率的低通滤波器230。可使用许多不同类型的低通滤波器230，例如包含电阻器和电容器的单个低通滤波器(诸如如下文所论述图6中所示的低通滤波器，或如上文所论述电路110的一或多个二极管120，122和电容器130)，但在一些实施例中，像图4中所示的电路，低通滤波器230可包含二阶低通滤波器。在一些实施例中，二阶低通滤波器可包含两个电阻器232，234和两个电容器236，238。如所展示，在一些实施例中，第一电阻器232和第二电阻器234可与第二电容器238串联耦合，第二电容器238一侧亦可与地面239耦合同时另一侧与晶体管220，222的基极引线(B)耦合。第一电容器236可跨越基极引线(B)和晶体管220，222的晶体管发射器(C)与第一电阻器232串联耦合。二阶低通滤波器可提供额外信号过滤，藉此降低系统中的噪声。尽管至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定，任何数目的电阻值和任何数目的电容值可用于低通滤波器230的电阻器232，234和电容器236，238，但在一些实施例中，第一电阻器232的电阻可在约10kΩ至约500kΩ范围内，第二电阻器234的电阻可在约10kΩ至约500kΩ范围内，第一电容器236的电容可在约0.1μF至约10μF范围内且第二电容器238的电容可在约0.001μF至约0.1μF范围内。在所说明的实施例中，第一和第二电阻器232，234具有约100kΩ的电阻，第一电容器236具有约1μF的电容且第二电容器238具有约0.047μF的电容。

在一些实施例中，电路可进一步包含齐纳二极管对240。如所展示，齐纳二极管对240可包含反向且与第一和第二晶体管220，222并联电耦合的第一二极管242和第二二极管244。齐纳二极管对240可保护电路210以免于可导致使用的高压瞬变。如所展示，第一和第二二极管242，244为D1N5240二极管，但至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可使用许多其它二极管。

在一些实施例中，电路210可进一步包含一或多个与第二电容器238和晶体管220，222的输出端串联耦合的电阻器。可使用任何数目的电阻器，但在所说明的实施例中，第一电阻器250作为电路210的一部分包括在先前论述的负载电阻器214的上游。一或多个电阻器250可促进保护电路210以免于短路情况下的过电流。尽管任何电阻器的电阻值可至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而变化，但在一些实施例中一或多个电阻器中的任一者的电阻可在约0.1MΩ至约1000MΩ范围内。在所说明的实施例中，第一电阻器250的电阻约为1MΩ且负载电阻器214的电阻约为100MΩ。

在使用中在高压输入端212处可供应输入电压以驱动负载电阻器214。输入电压可直接与低通滤波器230和一或多个晶体管220，222的集极引线(A)连接。可过滤穿过低通滤波器230的电压以便可防止高于特定阈值级别的频率到达电路210的其余部分。同时选择何种频率可穿过电路210可基于许多不同参数设定，在一些实施例中，临限频率可在约1Hz至约100Hz范围内。横穿低通滤波器230的电压可随后供至晶体管220，222的基极引线(B)中。指向电路210的上部260的电压可施加至晶体管220，222的集极引线(A)处，其可经配置以使晶体管220，222偏压。

到达基极引线(B)的经过滤电压可驱动电流流过两个晶体管220，222中的一者(视电压为正或负而定)。举例而言，如所展示，当施加负电压时，第一晶体管220可经配置以关闭以使得没有电流横穿它同时第二晶体管222允许电流通过。随着电流自基极引线(B)移动至晶体管发射器(C)存在小的电压降。可同样，当施加正电压时，第二晶体管222可经配置以关闭以使得没有电流横穿它同时第一晶体管220使电流横跨它，随着电流自基极引线(B)移动至晶体管发射器(C)同样可存在小的电压降的可能性。

若跨越滤波器210上部260的电压值超出的一定程度，此情况可发生，例如，若负载电阻器214变为短路，则随后电流可绕过两个晶体管220，222且可改为由齐纳二极管对240传导。在一些实施例中，齐纳二极管对240可开始导电时的电压在约±10V至约±30V范围内。

在电流已通过个别晶体管220，222之后，电流可随后穿过一或多个电阻器250(若存在)且移动至电压输出端(亦即，如负载电阻器214所示)。通常，电路210可具有DC下的单位增益。交流电(AC)增益可随频率降低且这种增益的非限制性，典型回应在图5中说明。

在高压输入端212处的输入电压可在约±2kV至约±8kV范围内，且在负载电阻器214处产生的输出电压可低大约0.6V。负载电阻器214的准确值可更多例如由添加可调整高压电源212以获得所需输出电压的反馈回路来控制。在所说明的实施例中，输入电压约为±5kV且产生的输出电压约为±4.9994kV。

申请人的教示的各方面可根据以下实例进一步理解，以下实例不应理解为以任何方式限制申请人的教示的范围。图5说明图4电路210的仿真(使用)。与图3类似，在X轴上说明系统频率且在Y轴上说明噪声移除或衰减。曲线说明滤波器仅在较高频率下移除噪声。如所展示，在约20Hz处衰减开始显著增加之前，衰减为最低的直至频率移动超过约3.0Hz。衰减继续直至约350Hz后，在此点衰减不再进一步出现增加，且实际上衰减中的一些消失。此可因系统中饱和状态最终阻止进一步衰减的事实所致。仿真中所示的最大衰减约为54dB。由此系统实现的参数基于用于建立电路210的各种组件可为可调节的，且因此可实现较小或较高值和/或更快或更慢的衰减。例如，在一些实施例中，针对在约50Hz至约10kHz范围内的频率，可实现约10dB至约45dB范围内的衰减。图4的电路210亦在实验台上测试，从而表明类似于图5中说明的那些结果的结果。

图6说明根据申请人的教示的一些实施例的另一滤波器或电路310。滤波器310可包含一或多个晶体管，如四个晶体管320，322，324，326所示，其可促进在由输入端312所供应的电压到达高压输出端或如负载电阻器314所说明的负载之前，过滤来自高压输入端312的噪声。图4的电路210类似，尽管输出端或负载如负载电阻器314所说明，但其它电组件可用作电路310的输出端。如所展示，在所说明的实施例中，输入端312和负载电阻器314可分别与地面311，315接地。一或多个晶体管320、322、324、326亦可促进维持穿过负载电阻器314的实质上恒定电压。如所展示，一或多个晶体管包含两对晶体管321，325。第一对晶体管321包含第一晶体管320和共同形成达林顿晶体管的第三晶体管324，且第二对晶体管325包含第二晶体管322和共同形成达林顿晶体管的第四晶体管326，但呈反方向。达林顿晶体管可改善电路310处理高电压或电流的能力，且亦可按需要由增加电路310的β值或电流增益提供高阻抗。因此达林顿晶体管321，325的第一晶体管(亦即，第一和第二晶体管320，322)的基极引线(B)中的小电流可控制晶体管320、322、324、326的集极引线(C)中的大电流，且有效电容值可随晶体管320、322、324、326的β值增加而改善。

在一些实施例中，第一、第二、第三和第四晶体管320，322，324，326可为可具有电流增益、单位电压增益和电源增益(其可为电流和电压增益的产物)的射极输出器晶体管。同时第一和第二晶体管对321，325可以多种方式布线，在一些实施例中晶体管320、322、324、326的集极引线(A)可与高压输入端312电性连接，第一和第二晶体管320，322的基极引线(B)可与经过滤高压输入端313电性连接，且第三和第四晶体管324，326的基极引线(B)可与对应的第一和第二晶体管320，322的晶体管发射器(C)电性连接。集极引线(A)处的电压可经配置以使四个晶体管320、322、324、326偏压，同时基极引线(B)处的电压可穿过晶体管320、322、324、326供给且借助于个别晶体管发射极(C)输出。在所说明的实施例中，尽管至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可使用许多其它晶体管，但第一和第三晶体管320，324为npn晶体管，更确切地说为MPS3904，且第二和第四晶体管322，326为pnp晶体管，更确切地说为MPS3906。

尽管所说明的实施例展示两个晶体管对321，325，但在一些其它实施例中一或多个晶体管可为在一个极性处操作的单个晶体管对或达林顿晶体管。另外，在一些其它实施例中，可向晶体管对或达林顿晶体管添加其它阶以使得晶体管对或达林顿晶体管可包含三个或三个以上晶体管。因此，本文中针对晶体管或系统、装置、电路的任何其它组件和方法使用字“对”并不将晶体管或其它组件的数目限制在两个晶体管或其它组件。对可包括两个或两个以上晶体管或两个或两个以上其它这些组件。增加达林顿晶体管中的晶体管数目可增加对的β值。另外，在一些实施例中，像就电路210而言所述的装配的晶体管装配可用于与电路310的组件结合和/或代替这些组件。

在一些实施例中，电路310可进一步包含与一或多个晶体管320、322、324、326电耦合以使低频率通过而阻断高频率的低通滤波器330。尽管可使用许多不同类型的低通滤波器330，包括像图4的低通滤波器的二阶低通滤波器，在一些实施例中可使用包含电阻器332和电容器338的单个低通滤波器。在一些实施例中，诸如电阻器332的电阻器可经一或多个亦可提供所需过滤的二极管(例如，就图1而言所示和所述的二极管)替换。电阻器332和电容器338可串联耦合。如所展示，在一些实施例中，电阻器332可耦合到电压输入端312和电容器330，且电容器一侧可耦合到地面339同时另一侧耦合到第一和第二晶体管320、322的基极引线(B)。尽管任何数目的电阻值和任何数目的电容值至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可与电阻器332和电容器338一起使用，但在一些实施例中，电阻器332的电阻可在约0.1MΩ至约10MΩ范围内，且电容器338的电容可在约0.001μF至约0.1μF范围内。在所说明的实施例中，电阻器332具有约2MΩ的电阻且电容器338具有约0.047μF的电容。

在一些实施例中，电路310可进一步包含齐纳二极管对340。如所展示，齐纳二极管对340可包含在相反方向上且与第一和第二晶体管对321、325并联电耦合的第一二极管342和第二二极管344。齐纳二极管对340可保护电路310以免于可在使用中导致的高压瞬变。如所展示，第一和第二二极管342、344为D1N5240二极管，但至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而定可使用许多其它二极管。

在一些实施例中，电路310可进一步包含一或多个耦合到晶体管320、322、324、326的输出端的电阻器。可使用任何数目的电阻器，但在所说明的实施例中，第一电阻器350作为电路310的一部分在先前所述的负载电阻器314的上游包括在内。一或多个电阻器350可促进保护电路310以免于短路情况下的过电流。尽管任何电阻器的电阻值可至少部分视电路的其它组件和所需输入和输出参数而变化，但在一些实施例中一或多个电阻器中的任一者的电阻可在约0.1MΩ至约1000MΩ范围内。在所说明的实施例中，第一电阻器350的电阻约为1MΩ且负载电阻器314的电阻约为100MΩ。

在使用中，在高压输入端312处可供应输入电压以驱动负载电阻器314。输入电压可直接连接到低通滤波器330和一或多个晶体管对321、325的集极引线(A)。可过滤穿过低通滤波器330的电压以便可防止高于特定阈值水平的频率到达电路310的其余部分。尽管选择何种频率可穿过电路310可基于许多不同参数设定，在一些实施例中，阈频率可在约1Hz至约100Hz范围内。穿过低通滤波器330的电压可随后供至各晶体管对321、325的初始晶体管320、322的基极引线(B)中。引导朝向电路310的上部部分360的电压可施加至晶体管320、322、324、326中的每一者的集极引线(A)处，其可经配置以使晶体管320、322、324、326偏压。

到达第一晶体管320和第二晶体管322的基极引线(B)的经过滤电压视电压是否为正或负而定，可驱动电流流过两个晶体管320，322中的一者。举例而言，如所展示，当施加负电压时，第一晶体管320和由此第三晶体管324可经配置以关闭以使得没有电流穿过它们，而第二晶体管322和随后第四晶体管326允许电流通过。随着电流自第二晶体管322的基极引线(B)移动至第二晶体管322的晶体管发射器(C)和随后同样自第四晶体管326的基极引线(B)移动至第四晶体管326的晶体管发射器(C)可存在小的电压降。同样，当施加正电压时，第二晶体管322和因此第四晶体管326可经配置以关闭以使得没有电流穿过它们而晶体管320使电流穿过它且随后穿过第三晶体管324，同样随着电流自第一晶体管320的基极引线(B)移动至第一晶体管320的晶体管发射器(C)和自第三晶体管324的基极引线(B)移动至第三晶体管324的晶体管发射器(C)可发生小的电压降的可能性。

若穿过滤波器310上部360的电压值超出一定程度，此情况可发生，例如，若负载电阻器314变为短路，则随后电流可绕过两个晶体管对321，325且可改为由齐纳二极管对340传导。在一些实施例中，齐纳二极管对340可开始导电时的电压在约±10V至约±30V范围内。

在电流已通过个别晶体管对321，325之后，电流可随后移动穿过一或多个电阻器350(若存在)且移动至电压输出端(亦即，如负载电阻器314所示)。通常，电路310可具有DC下的单位增益。增益可随可提供所需过滤的频率而降低。

在高压输入端312处的输入电压可在约±2kV至约±8kV范围内，且在负载电阻器314处产生的输出电压在量级上可低大约1.2V。负载电阻器314的准确电压可例如由添加可调整高压电源312以获得所需输出电压的反馈回路来控制。在所说明的实施例中，输入电压约为±5kV且产生的输出电压约为±4.9988kV。

申请人的教示的各方面可根据以下实例进一步理解，以下实例不应理解为以任何方式限制申请人的教示的范围。图7说明图6电路310的仿真(使用)。与图3和图5类似，在X轴上说明系统频率且在Y轴上说明噪声移除或衰减。曲线说明滤波器几乎立即开始移除噪声且在约3Hz和约400Hz之间以接近线性的方式如此进行。在约20Hz处，衰减约为20dB。系统持续衰减直至约1.8kHz后，在此点衰减不再进一步出现衰减，且实际上衰减中的一些消失。此可因系统中饱和状态最终阻止进一步衰减的事实所致。仿真中所示的最大衰减约为52dB。由此系统实现的参数基于用于建立电路的各种组件可为可调节的，且因此可实现较小或较高值和/或更快或更慢的衰减。例如，在一些实施例中，针对在约5Hz至约10kHz范围内的频率，可实现约10dB至约40dB范围内的衰减。此电路310亦在实验台和技术原型TOF谱仪上测试，且这些测试的结果与图7中所示的仿真类似。

本文所述的系统、装置、电路和方法可结合许多不同质谱系统使用。在图1提供一些质谱仪(申请人的教示可采用这些质谱仪而使用)的总体框架时，图8提供一些这样的光谱仪的一些其它细节。申请人的教示的各方面可根据与图8相关的实例进一步理解，但这些实施例不应理解为以任何方式限制申请人的教示的范围。所属领域的技术人员将了解多种配置，以这些配置质谱仪以及其组件(例如质谱分析器和离子分析器)可根据申请人的教示使用。

图8说明飞行时间质谱仪10(且更明确地说为四极杆/飞行时间混合质谱仪(QqTOF))的非限制性实施例，所述质谱仪先前更一股地在图1中说明。如所展示，质谱仪10可包含离子源12、离子分析器14和包含一或多个位于分析器14上游的四极杆20、30、40的质谱分析器9。四极杆20、30、40可安置在邻近的可例如由透镜24，34隔开的腔室22、32、42中。

与用于高压电源的电路或滤波器相关的申请人的教示可与提供高压的质谱仪10的任何电源一起使用，借助于非限制性实例，此高压可为任何超过约±30V的电压，且在一些实施例中申请人的教示尤其适用于与包含含离子检测模块和一或多个MCP检测器90的TOF分析器的分析器14结合。

可包括产物和先驱离子(下文所讨论)的分析物离子可经由一或多个离子光学元件或透镜60和离子入口62发射至分析器14中。一或多个透镜60可与供应约±2kV至约±8kV范围内的电压的高压电源耦合。离子一旦通过入口62即可收集于分析器14内的加速器或加速器总成17的积累/加速区域16中。加速器总成可由高压(例如约±500V至约±2kV范围内的电压)提供动力以加速离子。在各种实施例中，积累/加速区域16可含有用于使离子导向漂移场室11的推动电极18。在一些实施例中，加速器总成17亦可包含其它电极，诸如借助于非限制性实例，保护环19。在各种实施例中，保护环19可形成用于在漂移场室11之前加速离子的加速管柱。通过在加速时间间隔期间向电极18和电极19施加短暂性高压电场，可停止离子积累且可使离子加速至漂移场室11中。所施加的电压可在约±500V至约±2kV范围内。在一些实施例中，如图8中所示，高压可由与电极18和保护环19耦合的脉冲发生器70供应。

在各种实施例中，漂移场室11可包含屏蔽或衬垫13。可向衬垫13施加高压以产生供离子漂移的电场。所施加的电压可在约±2kV至约±20kV范围内。任选地亦可包括一或多个离子反射器或镜子15以增加如图8中所示的飞行路径的有效长度。在一些实施例中，离子反射器15可包含二阶离子镜子。一或多个离子反射器15上所施加的电压可在约±0V至约±5kV的范围内。

在穿过漂移场室11之后，离子可由用于检测的一或多个MCP检测器90接受接收。应了解离子源可为脉冲或连续流离子源，但在任一情况下，离子可以作为独立离子批次(或取出提取)的离子加速至漂移场室11中。与其它组件类似，可向一或多个MCP检测器90施加(例如)约±2kV至约±20kV范围内的电压。一或多个MCP检测器90可用于测量许多参数。在一些实施例中，参数可为其使离子穿过漂移场室11的时间长度(即，其完成飞行路径所需时间)，所述时间可指示离子的m/z比。通常具有较大m/z比的离子与具有较小m/z比的离子耗费更长时间以完成飞行路径。

脉冲发生器70可经配置以向系统任何数目的组件提供电压。所施加的电压可为约±2kV至约±20,000kV范围内的高压。如所展示，在一些实施例中，脉冲发生器70可与加速器总成17电耦合，且更明确地说与推动电极18和保护环19电耦合，但是，在一些实施例中脉冲发生器70可与一或多个质谱仪10的组件中的任一者电耦合，这些组件包括(但不限于)透镜60、加速器总成17、衬垫13、反射器15和一或多个MCP检波动器90，以使得这些组件中的任一者的电压输入由脉冲发生器70提供。脉冲发生器70可包括一或多个开关以一次接通和断开到达质谱仪10的一或多个组件的电源。因此，申请人关于各种滤波器或电路的教示可并入脉冲发生器70的电路和/或接受来自脉冲发生器70或任何其它电源的电压输入的组件中的任一者的电路中。

在各种实施例中，质谱仪10可包含系统控制器80，其可包含任何合适的软件、硬件和固件。在一些实施例中，应用程序可用于操作和控制系统控制器80。在各种实施例中，系统控制器80可控制质谱仪10的各种方面。例如，系统控制器80可控制由脉冲发生器70供应的高压。确切地说，在一些实施例中，系统控制器80可控制脉冲发生器70开关的接通-断开操作。在各种实施例中，系统控制器80可控制施加至加速总成17的各个电极18，19的电压的脉冲重复频率。在一些实施例中，系统控制器80亦可控制质谱仪10的其它组件，包括(但不限于)一或多个四极杆20、30、40。另外，在一些实施例中，系统控制器80可根据选择用于分析的样品离子或分析物离子的一或多个特性来控制脉冲发生器70。再者，在一些实施例中，系统控制器80可根据已选择用于质量分析的分析物离子的质量来控制脉冲发生器70。再者，在一些实施例中，系统控制器80可根据已选择用于质量分析的分析物离子的m/z比来控制脉冲发生器70。在各种实施例中，应用程序可确定可如何控制脉冲发生器70。在一些实施例中，基于包括(但不限于)样品类型的多种因素，可选择不同的应用程序。

使用多种系统、装置和方法可选择分析器14中到达透镜62用于分析和检测的分析物离子。如图8中所示，离子最初可由离子源12(例如电喷雾源)提供。离子源的其它非限制性实例尤其包含连续离子源、脉冲离子源、电感耦合等离子体(ICP)离子源、基质辅助激光解吸电离(MALDI)离子源、辉光放电离子源、电子碰撞离子源或光化电离离子源。

一旦自离子源12射出，任选地离子即可借由连续通过采集器板50和撇渣板(“撇渣器”)52中的孔隙抽取至相干离子束中，采集器板和撇渣板可容纳于经配置以借由机械泵抽空以达到所需压力真空室54中。借由采集器板50和撇渣器52提供的离子抽取可产生窄的和高聚焦离子束。在一些实施例中，可使用其它真空室、板、撇渣器和泵例如以提供离子束的其它聚焦和更精细的控制。

自离子源12射出的离子无论其是否穿过一或多个采集器板或撇渣器，均可穿过一或多个四极杆。一或多个四极杆可位于一或多个与一或多个机械泵结合的腔室中，以使泵可经操作以将一或多个腔室抽空至所需压力范围。通常，用各个连续四极杆增加各腔室内的压力。尽管所说明的实施例使用四极杆，但亦可使用具有此性质的六级杆、八级杆或其它杆。

如所展示，自离子源12射出的离子可穿过四极杆20、30、40，这些四极杆中的每一个可分别安置于腔室22、32、42中，其中各腔室由个别透镜24，34隔开。四极杆20、30、40可经配置以出于多种目的(至少视经分析的质量和经测量的所需参数而定)执行多种功能。因此，特定四极杆如何与所述实施例结合使用的任何描述决不限制申请人关于执行任何数目的功能的任何数目的四极杆的教示的使用。

在一些实施例中，Q0四极杆20可经配置用于作为准直四极杆操作以提供用于离子碰撞引起的冷却和聚焦。在一些实施例中，Q1四极杆30可经配置以选择所关注的离子，有时称为先驱离子。借助于非限制性实例，Q1四极杆30可以质量-分辨模式操作以选择具有特定m/z比的离子作为先驱离子，或者Q1四极杆30可作为离子阱借由使透镜34维持在比Q1四极杆30更高的偏置电势操作。在一些实施例中，Q2四极杆40可经配置以作为碰撞室操作从而选择待在分析器14中测量的离子。借助于非限制性实例，可借由通过气体入口46供应合适的碰撞气体(例如氩气、氦气等)使Q2四极杆40中的离子经受碰撞诱发的解离(CID)从而进一步聚焦离子且提供产物离子。或者，Q2四极杆40可作为离子阱操作。自Q2四极杆40射出的离子可随后穿过一或多个透镜60且进入分析器14用于如上文所述的检测。

任选地可包括一或多个单独RF离子导向或粗短棒以促进离子在四极杆之间转移。粗短棒可充当Brubaker透镜且可促进防止离子经受因与可已在邻近的透镜附近形成的任何边缘场相互作用所致的轨道衰减，例如，若透镜维持在偏置电势。同时粗短棒可位于整个质谱分析器9中的许多位置，如在Q0四极杆20和Q1四极杆30之间提供，安置于腔室32中的粗短单独RF离子导向或粗短棒38所示。

尽管四极杆20、30、40和其相关组件已描述具有经设计以实现特定目的的配置和模式，但所属领域的技术人员将认识到四极杆20、30、40中的每一个亦可至少部分视所需质谱仪应用程序而定具有其它配置且以其它模式操作。

另外，应了解本文所述的质谱仪10只是一种可根据本文所披露的系统、装置、电路和方法的方面使用的可能TOF拓扑结构。可用于与本文所披露的系统、装置、电路和方法结合的质谱仪的其它非限制性，例示性实施例包含单级或单独飞行时间质谱仪(TOF)、双级或串联飞行时间质谱仪(TOF-TOF)、阱/飞行时间混合质谱仪(Trap-TOF)和具有其它飞行时间拓扑结构的质谱仪。可用于与申请人的教示结合的质谱仪或其组件的其它实施例的一些非限制性实例可在分别于2010年5月7日和2011年5月6日申请的美国专利申请案第61/332,387号和其后续相关专利合作条约公开案WO2011/138669(标题为“用于针对质谱传递超快脉冲发生器极性转换的三重开关拓扑结构”)中查找，所述专利的全文在此以引用的方式并入。

再者，应了解申请人的教示亦可应用于具有包含具有噪声效应的高压应用的其它配置的质谱仪和分析器。借助于非限制性实例，包含电子倍增器(例如分立倍增极电子倍增器或连续倍增极电子倍增器)的分析器亦可用于与申请人的教示结合。可用于与申请人的教示结合的质谱仪或其组件的其它实施例的一些非限制性实例可在美国专利第7,923,681号(标题为“质谱仪的碰撞室”)中查找，所述专利在此以全文引用的方式并入本文中。

虽然以上描述提供了各种实施例的实例和具体细节，但是应了解，所述实施例的一些特征和/或功能允许在不脱离所述实施例的范围的情况下加以修改。以上描述意图说明本发明，其范围仅由在此随附的权利要求的语言进行限制。例如，虽然结合各种实施例来描述本文中的教示，但并不预期将这些教示限于这些实施例。与其相反，如所属领域的技术人员应了解的，本文中的教示涵盖各种替代方案、修改和等效物。所有在此引用的公开案和参照案以其全文明确地以引用的方式并入本文中。

Claims (20)

1.一种质谱仪系统，其包含：

离子分析器；

高压电源，其电耦合到所述分析器；和

高压滤波器，其电耦合到所述高压电源且经配置以降低来自由所述高压电源输出的高正电压的噪声，且进一步经配置以降低来自由所述高压电源输出的高负电压的噪声。

2.根据权利要求1所述的质谱仪系统，其中所述高压滤波器包含一或多个二极管，其经配置以在由所述高压电源输出的电压到达所述分析器的输出端之前过滤来自所述电压的噪声，且任选地其中所述一或多个二极管包含并联电耦合且彼此在相反方向上安置的第一二极管和第二二极管。

3.根据权利要求1所述的质谱仪系统，其中所述高压滤波器包含至少一个晶体管，其经配置以在由所述高压电源输出的电压到达所述分析器的输出端之前过滤来自所述电压的噪声。

4.根据权利要求3所述的质谱仪系统，其中所述至少一个晶体管包含并联电耦合的第一晶体管和第二晶体管。

5.根据权利要求3所述的质谱仪系统，其中所述至少一个晶体管包含至少两个并联电耦合的晶体管对，每一对包含达林顿(Darlington)晶体管。

6.根据权利要求1所述的质谱仪系统，其中所述高压电源为电耦合到所述分析器的唯一电压电源。

7.根据权利要求1所述的质谱仪系统，其中所述分析器包含透镜、加速器、电极、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一者，且所述高压电源电耦合到所述透镜、所述加速器、所述电极、所述衬垫、所述反射器和所述一或多个多通道板检测器中的至少一者。

8.一种用于质谱仪系统的高压电源的电路，其包含：

高压输入端；

高压输出端；

二极管，其在所述高压输入端和所述高压输出端之间电耦合，且经配置以在由所述高压输入端输出的电压到达所述高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声；以及

电容器，其电耦合到所述二极管。

9.根据权利要求8所述的电路，其进一步包含：

第二二极管，其并联电耦合到所述二极管，安置在与所述二极管方向相反的方向上，且经配置以在由所述高压输入端输出的电压到达所述高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声。

10.根据权利要求8或11所述的电路，其中所述二极管和所述第二二极管中的任一者或二者经配置以自动调整从而在所述高压输出端处实现所需输出电压。

11.根据权利要求8所述的电路，其中向接近于质谱仪的离子分析器或在其中的透镜施加所述高压输出端。

12.一种用于质谱仪系统的高压电源的电路，其包含：

高压输入端；

高压输出端；

低通滤波器，其在所述高压输入端和所述高压输出端之间耦合，且经配置以防止高于阈频率的频率通过所述高压输出端；以及

至少一个晶体管，其在所述高压输入端和所述高压输出端之间耦合，位于所述低通滤波器的下游，且经配置以在由所述高压输入端输出的电压到达所述高压输出端之前过滤来自所述电压的噪声。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述至少一个晶体管包含射极输出器晶体管。

14.根据权利要求12所述的电路，其中所述至少一个晶体管包含至少两个并联电耦合的晶体管，且任选地其中所述至少两个晶体管的第一晶体管包含npn晶体管且所述至少两个晶体管的第二晶体管包含pnp晶体管。

15.根据权利要求12所述的电路，其中所述至少一个晶体管包含至少两个并联电耦合的晶体管对，每一对包含达林顿晶体管且任选地其中所述至少两个晶体管对的第一晶体管对包含至少两个npn晶体管且所述至少两个晶体管对的第二晶体管对包含至少两个pnp晶体管。

16.根据权利要求12所述的电路，其中所述低通滤波器包含至少一个电阻器和至少一个电容器，且任选地其中所述低通滤波器包含二阶低通滤波器以使得所述至少一个电阻器包含至少两个电阻器且所述至少一个电容器包含至少两个电容器。

17.根据权利要求12所述的电路，其进一步包含与所述至少一个晶体管并联电耦合的齐纳(Zener)二极管对。

18.根据权利要求12所述的电路，其进一步包含安置在所述至少一个晶体管下游的电阻器。

19.根据权利要求8或12所述的电路，其中所述高压输入端为与所述电路相关的唯一电源。

20.根据权利要求12所述的电路，其中向透镜、加速器、电极、衬垫、反射器和一或多个多通道板检测器中的至少一者施加所述高压输出端。