CN104599931A - 一种紧凑型带电粒子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型带电粒子探测器。其中，屏蔽电极，微通道板组、电子收集极和电子收集极屏蔽筒依次装配在装配法兰上，电路分压系统对微通道板组供电，完成微通道板组对信号的放大作用。所述的质谱探测器可用于飞行时间质谱仪中作为探测器，具体来说，带电粒子轰击微通道板组，带电粒子信号被放大后被电子收集极接受，该信号可直接被外界的数据采集系统读取，从而获得相应的质谱信息。本发明结构简单、构型紧凑，可以根据需要实现微型化。该紧凑型带电粒子探测器在拥有高灵敏度的同时，可以对探测到的高速信号进行非常高质量的阻抗匹配输出从而为设计微型化高灵敏度的质谱仪提供高质量的硬件支持。

Description

一种紧凑型带电粒子探测器

技术领域

本发明涉及一种紧凑型带电粒子探测器，可以实现真空系统中带正/负电荷的粒子的探测，属于带电粒子探测技术领域。

背景技术

飞行时间质谱作为一种重要的分析手段，在环境监测、医学诊断、药物合成研发、半导体制造业以及食品安全等方方面面均发挥着重要的作用。飞行时间质谱作为质谱仪的一种，其基本原理仍然是根据待分析物的质量来确定待分析物的成份，相对含量，有的还可以给出化合物的结构分析。具体而言，首先将待分析物进行离子化，而后利用荷质比将待分析物进行分离，从而确定待分析物的成份以及相对含量。飞行时间质谱的特点在于利用待分析物成份离子的飞行时间不同来实现对待分析物的定量或者定性分析。首先待分析物成份离子在飞行时间质谱仪中被电场加速，从而获取等同的动能。而对于不同荷质比的离子而言，其由于此相同动能而获得的速度会不同。上述不同荷质比的离子经过一段无场的自由飞行区域之后，便会在时间上分离开来。最终，最轻的离子便会首先到达探测器。以时间为坐标，则可以依次获得离子的成份信息，以及其相应的强度。

飞行时间质谱具有结构相对简单、性价比高、并且可以分析的样品质量理论上可以达到无线大的范围。特别的，飞行时间质谱在每一次对电离事件的测量中可以同时将该电离事件中的所有的不同荷质比的质谱峰同时获取，因而使其在分析较大荷质比的有机分子时具有极高的灵敏度，而这是传统的磁场质谱等所无法比拟的。飞行时间质谱主要包括离子源，加速电极组，无场飞行区和探测器等主要部分。随着分析市场的快速发展，尤其是飞行时间质谱在地质诊断、公共卫生以及火灾监测等需要实时现场监测等行业的应用，便携易用的飞行时间质谱成为飞行时间质谱发展的一个主要方向。为了使飞行时间质谱做到高分辨并且实现便携式，对于仪器的尺寸、重量以及功耗方面均需要作出非常之大的改进。随着对离子在质谱仪中飞行时间路径的改进并且缩短至5厘米之下，低成本的真空系统才得以得到真正的实现。正是基于上述技术的发展，使得微型飞行时间质谱的研制成为可能。遗憾的是传统的带电粒子探测器目前还很难实现微型化设计。

目前，飞行时间质谱的探测器主要包括法拉第杯、离散打拿极倍增器、单通道电子倍增器和微通道板探测器。其中，法拉第杯具有很好的线性，却对信号不具有放大的能力。离散打拿极倍增器体积较大，无法实现微型化。单通道电子倍增器具有紧凑、高捕获率等特点，但是，当真空环境高于10-4托时噪声的影响变得非常明显。微通道板探测器高信噪比、高灵敏度、可以实现微型化设计等优点成为当今微型带电粒子探测器设计的首要考虑探测器。微通道板探测器具有很好的时间分辨特性，但是紧凑型的基于微通道板探测器的设计仍然面临诸多问题，除了微型化的设计方面，另外一个重要的问题在于经过微通道板探测器如何获得完美的质谱信号谱峰，因为在信号采集与传输过程中很容易出现阻抗不匹配而导致质谱谱峰信号的失真。

发明内容

本发明是鉴于以上的事实而做出的，其目的在于提供一种紧凑型带电粒子探测器。

一种紧凑型带电粒子探测器，包括屏蔽电极、微通道板组、电子收集极、电子收集极屏蔽筒、电路分压系统以及装配法兰。其中，屏蔽电极、微通道板组、电子收集极、电子收集极屏蔽筒依次平行并且同轴的装配在装配法兰上。

（a）屏蔽电极用于屏蔽施加在探测器一侧的电场对所要进行探测的离子在飞行过程中的时间所带来的影响；

（b）微通道板组起到对所要探测的离子信号进行放大的作用；

（c）电子收集极和电子收集极屏蔽筒用于接收经过微通道板组放大后的电子信号并转化为可以直接测量的电子信号输出给外界采集系统；

（d）电路分压系统为微通道板组和各级电极提供可供工作的电压；

（e）装配法兰为一可装配在质谱仪装置的用于承载屏蔽电极、微通道板组、电子收集极、电子收集极屏蔽筒和电路分压系统的经过改造的标准法兰。

本发明的上述任一技术方案，屏蔽电极位于质谱仪内离子无场飞行区域的末端，并且电极端面与飞行方向垂直放置。屏蔽电极为一中间为金属栅网的圆形电极，金属栅网材质为金、镍、银、铜等金属导体材料，离子透过率10%至99%。屏蔽电极半径尺寸为5毫米至200毫米。

本发明的上述任一技术方案，微通道板组包括两片重叠的微通道板和两片固定微通道板的圆环电极。微通道板平面平行于屏蔽电极，并且与屏蔽电极同轴放置。两片微通道板重叠且调整轴向方向使微通道板内部的微通道呈现对立方向排列，从而使离子信号经过微通道板组后获得的增益达到最大。

上述的圆环电极材料可以是不锈钢、铜或铝等导电金属材料。

本发明的上述任一技术方案，电子收集极与电子收集极屏蔽筒属于同轴结构设计，电子收集极为一锥形体结构，其平面平行于微通道板组的平面并且与微通道板组同轴装配，用于收集经过微通道板组放大后的信号；

上述电子收集极所采用的锥形体设计为一含有中心支撑轴的中空型锥形体，锥形体外部的立体角度大小10度至150度，中间空出部分的立体角度大小为10度至150度。上述中心支承轴垂直于锥形体平面并且用于连接锥形体平面与锥形体锥顶；

上述锥形体锥顶固定在焊接在装配法兰的同轴信号接头上，电子收集极屏蔽筒与电子收集极形成50欧姆的匹配电阻，用于获取高质量的质谱信号峰值。

本发明的上述任一技术方案，电路分压系统包括三个高压电阻，耐压范围均需要大于2400伏特，阻值大小在200欧姆至20兆欧姆；

上述三个高压电阻中用于接收外界的高压，电阻1直接连接在外界高压上，电阻2与电阻1串联并且以并联的方式连接在微通道板组的固定电极板上，为微通道板组提供合适的工作电压。电阻3与电阻1和电阻2串联并且输出端与屏蔽电极相连，并且接地。

本发明的上述任一技术方案，装配法兰为一标准法兰或者自制的非标准法兰；

所述自制的非标准法兰构成的装配法兰材料为不锈钢材料，直径为5至300毫米，厚度为3-30毫米；

上述装配法兰将屏蔽电极、微通道板组、电子收集极、电子收集极屏蔽筒同轴并且相互绝缘的固定在该装配法兰的用于连接与质谱仪方向的一侧；

上述装配法兰在中心轴向焊接有同轴信号接头，该同轴信号接头用于输出电子收集极输出的电子信号；

上述装配法兰在侧面有高压接头贯穿于法兰，该高压接头用于连接外界施加在所述紧凑型带电粒子探测器上的高压。在装配法兰内部，高压接头与电路分压系统串联。

本发明涉及的紧凑型带电粒子探测器，结构简单、构型紧凑，可以根据需要实现微型化。该紧凑型带电粒子探测器在拥有高灵敏度的同时，可以对探测到的高速信号进行非常高质量的阻抗匹配输出从而为设计微型化高灵敏度的质谱仪提供高质量的硬件支持。

附图说明

图1本发明紧凑型带电粒子探测器的原理侧视图；

图2本发明实施例二氧化氮激光电离质谱图；

图3本发明实施例激光溅射金属靶材质谱图。

其中，1-屏蔽电极；2-微通道板组；3-电子收集极；4-电子收集极屏蔽筒；5-电路分压系统；6-装配法兰。

附图中的侧视图为示意性的且未按照比例绘制。不过不同的附图中相同或相似的部件均在附图中给出相同的标记。

具体实施方式

下面将通过一些具体的实施例来说明本发明所体现出来的属性和优点。本发明是按照如下方式设计的紧凑型带电粒子探测器，如图1所示。具体到本实施例，该紧凑型带电粒子探测器由屏蔽电极1（屏蔽栅网的离子透过率约80%）、微通道板组2（直径32毫米）、电子收集极3（椎体外部角度90度，接收电子信号端面直径20毫米）、电子收集极屏蔽筒4、电路分压系统5（电阻1大小为1兆欧姆，电阻2大小为10兆欧姆，电阻3大小为200欧姆）以及装配法兰6（为超高真空标准法兰）。其中，屏蔽电极1，微通道板组2、电子收集极3和电子收集极屏蔽筒4依次同轴地装配在装配法兰6上，电路分压系统5对微通道板组2供电，完成微通道板组2对信号的放大作用。所述的带电粒子探测器可用于飞行时间质谱仪中作为探测器，具体来说，带电粒子轰击微通道板组2，带电粒子信号被放大后被电子收集极3接受，该信号可直接被外界的数据采集系统读取，从而获得相应的质谱信息。

实施例1

质谱信号的定标

在本实施例的测试阶段，上述紧凑型带电粒子探测器被装配在一个简易的飞行时间质谱中，电离源采用激光电离方式，标准气体采用二氧化氮气体。在离子被激光电离后形成离子后经过大概50厘米的飞行路径到达紧凑型带电粒子探测器。采集到的信号经过同轴线缆贯穿法兰，并与一Tektronix数字示波器（带宽500MHz,采样速率5G/s）连接。图2所示的是二氧化氮气体在407纳米的激光电离过程中所采集到得质谱图像，由于二氧化氮气体可以在激光场作用下解离成一氧化氮，因此，从图中可以清晰的看到有二氧化氮和一氧化氮两个非常明显的质谱峰。此时，外界电压经过装配法兰所施加的高压为1900伏特。通过图2，明显的看出经过该紧凑型带电粒子探测器探测到得质谱信号，具有很好的谱型，并且信号在输出电阻匹配上表现出了优越的性能。

实施例2

信号输出阻抗的匹配

在本实施例的测试阶段，上述紧凑型带电粒子探测器被装配在一个飞行距离为1米的简易飞行时间质谱中。为了更加清楚的说明该紧凑型带电粒子探测器在信号采集过程中阻抗匹配方面的优越性能，测试时采用了可以获得更强离子信号的激光溅射固体靶材的方式，通过很强的质谱峰来测试探测器的性能。与实施例1类似，施加在电路分压单元的总高压为1900伏特。被紧凑型带电粒子探测器输出的质谱型号由Tektronix数字示波器（带宽500MHz,采样速率5G/s）接收并显示出来。图3所示的是激光溅射固体靶材后得到的具有众多成份的质谱峰。从图3可以非常清楚的看到经由紧凑型带电粒子探测器所探测到的即便是最高质谱峰也表现出非常标准的谱峰形状，并且在图3内部插图所示的局部细节放大来看，该质谱峰并未观测到任何的由于阻抗失配而出现的谱峰形状振荡失真现象。这就为后续的谱峰精确表征提供了很好的基础。证明本紧凑型带电粒子探测器实现了非常精确匹配的信号传输阻抗匹配。

本领域技术人员将理解上面的实施例纯粹是以示例的方式给出的，并且一些改变是可能的。

Claims (10)

1.一种紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：包括屏蔽电极（1）、微通道板组（2）、电子收集极（3）、电子收集极屏蔽筒（4）、电路分压系统（5）以及装配法兰（6）；

其中，屏蔽电极（1）、微通道板组（2）、电子收集极（3）、电子收集极屏蔽筒（4）依次平行并且同轴的装配在装配法兰（6）上；

（a）屏蔽电极（1）用于屏蔽施加在探测器一侧的电场对所要进行探测的离子在飞行过程中的时间所带来的影响；

（b）微通道板组（2）起到对所要探测的离子信号进行放大的作用；

（c）电子收集极（3）和电子收集极屏蔽筒（4）用于接收经过微通道板组（2）放大后的电子信号并转化为能够直接测量的电子信号输出给外界采集系统；

（d）电路分压系统（5）为微通道板组（2）和各级电极提供可供工作的电压；

（e）装配法兰（6）为一可装配在质谱仪的用于承载屏蔽电极（1）、微通道板组（2）、电子收集极（3）、电子收集极屏蔽筒（4）和电路分压系统（5）的经过改造的标准法兰。

2.根据权利要求1所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述屏蔽电极（1）位于质谱仪内离子无场飞行区域的末端，并且电极端面与飞行方向垂直放置；所述屏蔽电极（1）为一中间为金属栅网的圆形电极，离子透过率10%至99%。屏蔽电极半径尺寸为5毫米至200毫米。

3.根据权利要求2所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述的金属栅网的材质为金属导体材料，包括金、镍、银、铜。

4.根据权利要求2所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述微通道板组（2）包括两片重叠的微通道板和两片固定微通道板的圆环电极；所述微通道板平面平行于所述屏蔽电极（1），并且与所述屏蔽电极（1）同轴放置；所述两片重叠的微通道板内部的微通道呈对立方向排列，从而使离子信号经过微通道板组（2）后获得的增益达到最大。

5.根据权利要求4所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述的圆环电极材料为导电金属材料，包括不锈钢、铜或铝。

6.根据权利要求1所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述电子收集极（3）与所述电子收集极屏蔽筒（4）属于同轴结构设计，所述电子收集极（3）为一锥形体结构，其平面平行于微通道板组（2）的平面并且与微通道板组（2）同轴装配，用于收集经过微通道板组（2）放大后的信号。

7.根据权利要求6所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述电子收集极（3）所采用的锥形体设计为一含有中心支撑轴的中空型锥形体，锥形体外部的立体角度为10度至150度，中间空出部分的立体角度为10度至150度；所述中心支撑轴垂直于锥形体平面并且用于连接锥形体平面与锥形体锥顶。

8.根据权利要求7所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：所述锥形体锥顶固定连接在所述装配法兰（6）的同轴信号接头上，电子收集极屏蔽筒（4）与电子收集极（3）形成50欧姆的匹配电阻。

9.根据权利要求1所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：

所述电路分压系统（5）包括三个高压电阻，耐压范围均大于2400伏特，阻值大小在200欧姆至20兆欧姆；

所述三个高压电阻用于接收外界的高压，电阻1直接连接在外界高压上，电阻2与电阻1串联并且以并联的方式连接在所述微通道板组（2）的固定电极板上，为所述微通道板组（2）提供工作电压；

电阻3与电阻1和电阻2串联并且输出端与所述屏蔽电极（1）相连，并且接地。

10.根据权利要求9所述的紧凑型带电粒子探测器，其特征在于：

所述装配法兰（6）为一标准法兰或者自制的非标准法兰；

所述自制的非标准法兰构成的装配法兰（6）材料为不锈钢材料，直径为5至300毫米，厚度为3-30毫米；

所述装配法兰（6）将所述屏蔽电极（1）、所述微通道板组（2）、所述电子收集极（3）、所述电子收集极屏蔽筒（4）同轴并且相互绝缘的固定在所述装配法兰（6）的用于连接与质谱仪方向的一侧；

所述装配法兰（6）在中心轴向焊接有同轴信号接头，该同轴信号接头用于输出电子收集极（3）输出的电子信号；

所述装配法兰（6）在侧面有高压接头贯穿于法兰，所述高压接头用于连接外界施加在所述紧凑型带电粒子探测器上的高压；在装配法兰内部，高压接头与电路分压系统（5）串联。