CN109841494A - 一种高动态范围mcp检测器 - Google Patents

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蒋吉春
花磊
王艳
吴称心
李海洋
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Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种用于飞行时间质谱仪的高动态范围MCP检测器，其具体结构包括屏蔽电极、两组MCP固定电极、MCP片、电子接收电极、信号耦合电容、各分压电阻、高压脉冲电源、高压电源以及脉冲时序。本发明通过在MCP检测器中引入一定时序的脉冲高压，可瞬时改变MCP片两端的电压差以获得可控质量范围内MCP检测器增益的可调谐，从而实现飞行时间质谱仪高动态范围检测。

Description

一种高动态范围MCP检测器
技术领域
本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种用于飞行时间质谱仪的瞬时可调增益MCP检测器，可实现飞行时间质谱仪高动态范围检测。
背景技术
飞行时间质谱仪(Time-of-Flight Mass Spectrometer，TOFMS)具有结构简单、分析速度快、分辨率和灵敏度高、微秒级的快速响应速度和全质量范围等特点，在环境检测、生命科学等领域具有广泛的应用。通常TOFMS的检测器由微通道板(micro channel plate，MCP)组成。MCP是由许多特殊的空心玻璃纤维压制而成的平板状电子倍增器，每个空心纤维通道内壁上都涂有次级电子发射系数较高的材料，通道内径在几微米到几十微米之间，MCP板两面均镀有导电层将所有通道连接起来作为电极，当MCP两端加上一定直流电压(～1kV)后，高能量的离子撞击到MCP通道内壁涂层上，产生大量的次级电子，次级电子在电场作用下继续撞击通道涂层，产生更多的次级电子，如此重复，实现电子倍增。通常MCP单片厚约0.5mm，增益倍数为103～104并具有皮秒级响应速度。
然而，在TOFMS实际的应用中，由于待分析样品通常较为复杂，不同组分的含量往往会有几个数量级的差别，使得不同组分的离子信号差别较大。较强的离子信号会使离子探测器饱和，影响信号的检测，对强信号和弱信号都会产生测量误差，降低仪器的动态范围。基于此，本发明通过在MCP检测器中引入一定时序的脉冲高压，可瞬时改变MCP片两端的电压差以获得可控质量范围内MCP检测器增益的可调谐，从而实现飞行时间质谱仪高动态范围检测。
发明内容
本发明的目的在于通过脉冲高压的方式，动态调节MCP检测器的增益，从而提高飞行时间质谱仪的检测动态范围。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高动态范围MCP检测器，包括中空圆环形屏蔽电极、中空圆环形的第一、第二、第三、第四MCP固定电极、第一、第二MCP片、电子接收电极、信号耦合电容、各电阻、脉冲高压电源(17)、高压电源以及沿时脉冲时序发生器；其特征在于：
从上往下依次顺序设置的屏蔽电极、第一MCP固定电极、第二MCP固定电极、第三MCP固定电极、第四MCP固定电极、电子接收电极，以上所述组件均同轴、平行、相对放置；其中第一、第二MCP片分别置于第一、第二MCP固定电极和第三、第四MCP固定电极之间并与之相邻固定电极相连，电子接收电极为圆片结构；
由沿时脉冲时序发生器、第一高压电源、第二高压电源电路并联构成脉冲高压电源；脉冲电源输出端与MCP固定电极相连，第一、第二、第三、第四MCP固定电极之间依次经第一、第二、第三电阻分压；第四MCP固定电极经第四电阻与高压电源相连；电子接收电极通过串接电阻与高压电源相连；信号与电子接收电极通过电容相连。
屏蔽电极、4片MCP固定电极以及电子接收电极均为不锈钢等金属或镀有金属的导电材料；屏蔽电极一侧粘贴有金属栅网，金属栅网覆盖住屏蔽电极的中部通孔。
5个电阻的阻值为1MΩ～50MΩ；电容为10～1000pF；脉冲时序的频率为1Hz～50KHz；3个高压电源电压为0～±10000V。
所采用的MCP片厚度为0.1～2mm，倾斜角为5°～30°，直径为10～100mm。
脉冲电源输出端和高压电源可同时施加于两片MCP两端，或也可取消第二电阻，脉冲电源输出端和高压电源仅施加于一个单片MCP两端。
可通过切换三个高压电源极性，实现正离子和负离子检测。
该检测器结构适用于“Z-stack”和“Chevron”两种级联方式。
本发明提出的高动态范围MCP检测器，在MCP检测器中引入一定时序的脉冲高压，可瞬时改变MCP片两端的电压差以获得可控质量范围内MCP检测器增益的可调谐，可在强离子流时采用低增益，弱离子流时采用高增益，使得检测器一直处于非饱和状态，从而提高TOFMS检测的动态范围。
附图说明
图1为本发明的一种高动态范围MCP检测器结构示意图。
图2为上片增益可调谐的MCP检测器结构示意图。
图3为下片增益可调谐的MCP检测器结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图包括中空圆环形屏蔽电(3、中空圆环形的第一、第二、第三、第四MCP固定电极(4、5、6、7)、第一、第二MCP片11、电子接收电极8、信号耦合电容9、各电阻(12、13、14、15、16)、脉冲高压电源17、高压电源(19、20、22)以及沿时脉冲时序发生器18；其特征在于：
从上往下依次顺序设置的屏蔽电极3、第一MCP固定电极4、第二MCP固定电极5、第三MCP固定电极6、第四MCP固定电极7、电子接收电极8，以上所述组件均同轴、平行、相对放置；其中第一、第二MCP片分别置于第一、第二MCP固定电极(4、5)和第三、第四MCP固定电极(6、7)之间并与之相邻固定电极相连，电子接收电极8为圆片结构；
由沿时脉冲时序发生器18、第一高压电源19、第二高压电源20电路并联构成脉冲高压电源17；脉冲电源17输出端21与MCP固定电极4相连，第一、第二、第三、第四MCP固定电极(4、5、6、7)之间依次经第一、第二、第三电阻(16、15、14)分压；第四MCP固定电极7经第四电阻13与高压电源22相连；电子接收电极8通过串接电阻12与高压电源22相连；信号10与电子接收电极8通过电容9相连。
屏蔽电极3、4片MCP固定电极以及电子接收电极8均为不锈钢等金属或镀有金属的导电材料；屏蔽电极3一侧粘贴有金属栅网2，金属栅网2覆盖住屏蔽电极的中部通孔。
5个电阻的阻值为1MΩ～50MΩ；电容9为10～1000pF；脉冲时序18的频率为1Hz～50KHz；3个高压电源电压为0～±10000V。
所采用的MCP片厚度为0.1～2mm，倾斜角为5°～30°，直径为10～100mm。
脉冲电源17输出端21和高压电源22可同时施加于两片MCP两端，或也可取消第二电阻15，脉冲电源17输出端21和高压电源仅施加于一个单片MCP两端。
可通过切换三个高压电源极性，实现正离子和负离子检测。
该检测器结构适用于“Z-stack”和“Chevron”两种级联方式。
实施例：如图1所示为本发明的高动态范围MCP检测器。工作时离子1从屏蔽电极3上方引入，轰击第一片MCP，产生大量二次电子，二次电子在电场的作用下继续向下轰击MCP通道表面产生更多的二次电子；第一片MCP引出的电子经过加速后轰击第二片MCP，同样的引发出更多的电子，最终被电子收集电极8接收，并通过电容9耦合传输信号。两片MCP两端分别连接脉冲高压电源输出端21和高压电源22，脉冲高压电源17的输出可在一定时序18下切换至HV1和HV2，即可保证在强离子流时保持两片MCP之间处于较低电压差，减少MCP增益，弱离子流时处于较高电压差，增强MCP增益，因此来灵活调节检测器增益，达到准确测量以及提高动态范围的目的。
该高动态范围MCP检测器还可以对其中的单片MCP进行可增益调谐，仅需撤去电阻15，增加两块高压电源23、24，详见图2为上片增益可调谐的MCP检测器结构以及图3下片增益可调谐的MCP检测器结构示意图。该两种结构均可以达到瞬时调谐MCP检测器系统增益的目的。
另外，本专利中结构示意图均为“Chevron”级联方式的高动态范围MCP检测器结构，同样的，该结构也可用于“Z-stack”级联方式的MCP检测器。

Claims (7)

1.一种高动态范围MCP检测器，包括中空圆环形屏蔽电极(3)、中空圆环形的第一、第二、第三、第四MCP固定电极(4)(5)(6)(7)、第一、第二MCP片(11)、电子接收电极(8)、信号耦合电容(9)、各电阻(12)(13)(14)(15)(16)、脉冲高压电源(17)、高压电源(19)(20)(22)以及沿时脉冲时序发生器(18)；其特征在于：
从上往下依次顺序设置的屏蔽电极(3)、第一MCP固定电极(4)、第二MCP固定电极(5)、第三MCP固定电极(6)、第四MCP固定电极(7)、电子接收电极(8)，以上所述组件均同轴、平行、相对放置；其中第一、第二MCP片分别置于第一、第二MCP固定电极(4)(5)和第三、第四MCP固定电极(6)(7)之间并与之相邻固定电极相连，电子接收电极(8)为圆片结构；
由沿时脉冲时序发生器(18)、第一高压电源(19)、第二高压电源(20)电路并联构成脉冲高压电源(17)；脉冲电源(17)输出端(21)与MCP固定电极(4)相连，第一、第二、第三、第四MCP固定电极(4)(5)(6)(7)之间依次经第一、第二、第三电阻(16)(15)(14)分压；第四MCP固定电极(7)经第四电阻(13)与高压电源(22)相连；电子接收电极(8)通过串接电阻(12)与高压电源(22)相连；信号(10)与电子接收电极(8)通过电容(9)相连。
2.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
屏蔽电极(3)、4片MCP固定电极以及电子接收电极(8)均为不锈钢等金属或镀有金属的导电材料；屏蔽电极(3)一侧粘贴有金属栅网(2)，金属栅网(2)覆盖住屏蔽电极的中部通孔。
3.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
5个电阻的阻值为1MΩ～50MΩ；电容(9)为10～1000pF；脉冲时序(18)的频率为1Hz～50KHz；3个高压电源电压为0～±10000V。
4.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
所采用的MCP片厚度为0.1～2mm，倾斜角为5°～30°，直径为10～100mm。
5.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
脉冲电源(17)输出端(21)和高压电源(22)可同时施加于两片MCP两端，或也可取消第二电阻(15)，脉冲电源(17)输出端(21)和高压电源仅施加于一个单片MCP两端。
6.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
可通过切换三个高压电源极性，实现正离子和负离子检测。
7.根据权利要求1所述的MCP检测器，其特征在于：
该检测器结构适用于“Z-stack”和“Chevron”两种级联方式。
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