CN112216592A - 宽动态范围离子检测系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽动态范围离子检测系统及装置，宽动态范围离子检测装置包括接收阳极板、增益组件及第一FC检测器。接收阳极板的中部设有部分检测离子穿过的第一通孔。增益组件与第一通孔对应设置，增益组件用于将从第一通孔穿过的检测离子进行增益处理。第一FC检测器用于接收经增益组件增益处理后产生的增益电子。上述的宽动态范围离子检测装置，进行检测工作时，小部分检测离子穿过第一通孔由增益组件接收并进行增益处理，第一FC检测器接收经增益组件增益处理后产生的增益电子，并可以通过ADC采集卡获得第二检测信号，用于小信号的检测。如此，能实现准确测量宽范围动态离子，以及能减小检测器的电压使用范围，从而增加检测器的使用寿命。

Description

宽动态范围离子检测系统及装置
技术领域
本发明涉及一种离子检测装置，特别是涉及一种宽动态范围离子检测系统及装置。
背景技术
飞行时间质谱(time-of-flight mass spectrometer,TOFMS)由于检测速度快、质量范围宽，通常被广泛的用于生物化学定性及定量分析。其原理为：在真空环境下，物质分子(原子)在电离室电离后，不同的离子在加速区获得相同的动能，由于不同离子质量不同，其速度不同，在离子飞行过程中，检测器接收离子的时间不同而被分离检测。
随着现代科技的发展，对于离子的检测需求越来越高，传统的检测器已经不能满足某些领域的应用，主要原因有几下几个方面：1)检测器材料电子增益能力不是没有上限的，在一定条件下会趋于饱和；2)长期处于高电压工作状态，对于检测器的损耗将大大增加；3)电子增益范围随电压增加不完全呈线性关系。如此，对于例如要求宽动态检测(四个量级以上)的应用，常规的检测器设计将不再满足要求。
发明内容
基于此，有必要克服现有技术的缺陷，提供一种宽动态范围离子检测系统及装置，它能够准确测量宽范围动态离子。
其技术方案如下：一种宽动态范围离子检测装置，包括：接收阳极板，所述接收阳极板的中部设有部分检测离子穿过的第一通孔；增益组件，所述增益组件与所述第一通孔对应设置，所述增益组件用于将从所述第一通孔穿过的所述检测离子进行增益处理；及第一FC检测器，所述第一FC检测器用于接收经所述增益组件增益处理后产生的增益电子。
上述的宽动态范围离子检测装置，进行检测工作时，先由接收阳极板直接接收所需要检测的大部分检测离子，并可以通过ADC采集卡获得第一检测信号，用于大信号的检测；小部分检测离子穿过第一通孔由增益组件接收并进行增益处理，第一FC检测器接收经增益组件增益处理后产生的增益电子，并可以通过ADC采集卡获得第二检测信号，用于小信号的检测。如此，能实现准确测量宽范围动态离子，以及能减小检测器的电压使用范围，从而增加检测器的使用寿命。
在其中一个实施例中，所述的宽动态范围离子检测装置还包括屏蔽罩、第一栅网极片与第二栅网极片，所述屏蔽罩罩设于所述接收阳极板外，所述屏蔽罩的中部设有与所述第一通孔位置相应的第二通孔，所述第一栅网极片设置于所述接收阳极板背离于所述屏蔽罩的一侧，所述第二栅网极片设置于所述第二通孔中，所述第二栅网极片的栅网部位与所述第一通孔相对设置。
在其中一个实施例中，所述第一栅网极片的栅网部位和/或所述第二栅网极片的栅网部位为金属丝栅网，所述金属丝栅网的目数为80目～100目，所述金属丝栅网的金属丝直径为25um～50um。
在其中一个实施例中，所述增益组件包括MCP板，所述MCP板与所述第一通孔对应设置。
在其中一个实施例中，所述MCP板为两个，两个所述MCP板间隔设置。
在其中一个实施例中，所述的宽动态范围离子检测装置还包括第一检测区极片与第二检测区极片，所述第二栅网极片、所述第一检测区极片与所述第二检测区极片依次间隔设置，所述第一检测区极片设有第三通孔，所述第二检测区极片设有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔均和所述第一通孔位置相应设置；其中一个所述MCP板位于所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间，且所述MCP板的两侧面的边缘分别与所述第二栅网极片与所述第一检测区极片电性接触；另一个所述MCP板位于所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间，且所述MCP板的两侧面的边缘分别与所述第一检测区极片与所述第二检测区极片电性接触；所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间电连接有第一分压电阻，所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间电连接有第二分压电阻，所述第二检测区极片通过第三分压电阻接地设置。
在其中一个实施例中，所述的宽动态范围离子检测装置还包括设置于所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间的第一绝缘垫，以及设置于所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间的第二绝缘垫；所述第一绝缘垫与所述第二绝缘垫均设有与所述第一通孔位置相应的安装孔，两个所述MCP板分别安装于两个所述安装孔中。
在其中一个实施例中，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均同轴设置；所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均为圆形孔。
在其中一个实施例中，所述第一FC检测器包括金属内筒及套设于所述金属内筒外的金属外筒，所述金属内筒用于接收所述增益组件增益处理后产生的增益电子，所述金属外筒用于施加直流负高压。
一种宽动态范围离子检测系统，包括述的宽动态范围离子检测装置，还包括ADC采集卡与上位机，所述上位机通过所述ADC采集卡分别与所述接收阳极板、所述第一FC检测器电性连接。
上述的宽动态范围离子检测系统，由于包括所述的宽动态范围离子检测装置，其技术效果由所述的宽动态范围离子检测装置带来，与所述的宽动态范围离子检测装置的有益效果相同，在此不进行赘述。
在其中一个实施例中，所述ADC采集卡为双通道采集卡，所述双通道采集卡分别与所述接收阳极板、所述第一FC检测器电性连接；或者，所述ADC采集卡为两个，其中一个所述ADC采集卡与所述接收阳极板电性连接，另一个所述ADC采集卡与所述第一FC检测器电性连接。
在其中一个实施例中，所述接收阳极板与所述第一FC检测器均通过匹配电阻与所述ADC采集卡电性连接。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的宽动态范围离子检测装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述的宽动态范围离子检测系统的结构示意图。
附图标记：
10、接收阳极板，11、第一通孔，20、增益组件，21、MCP板，30、第一FC检测器，31、金属内筒，32、金属外筒，40、屏蔽罩，41、第二通孔，50、第一栅网极片，60、第二栅网极片，70、第一检测区极片，80、第二检测区极片，90、第一分压电阻，100、第二分压电阻，110、第三分压电阻，120、第一绝缘垫，130、第二绝缘垫，140、ADC采集卡，150、上位机，160、匹配电阻。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在一个实施例中，请参阅图1，一种宽动态范围离子检测装置，包括接收阳极板10、增益组件20及第一FC检测器30。所述接收阳极板10的中部设有部分检测离子穿过的第一通孔11。所述增益组件20与所述第一通孔11对应设置，所述增益组件20用于将从所述第一通孔11穿过的所述检测离子进行增益处理。所述第一FC检测器30用于接收经所述增益组件20增益处理后产生的增益电子。
上述的宽动态范围离子检测装置，进行检测工作时，先由接收阳极板10直接接收所需要检测的大部分检测离子，并可以通过ADC采集卡140获得第一检测信号，用于大信号的检测；小部分检测离子穿过第一通孔11由增益组件20接收并进行增益处理，第一FC检测器30接收经增益组件20增益处理后产生的增益电子，并可以通过ADC采集卡140获得第二检测信号，用于小信号的检测。如此，能实现准确测量宽范围动态离子，以及能减小检测器的电压使用范围，从而增加检测器的使用寿命。
进一步地，所述的宽动态范围离子检测装置还包括屏蔽罩40、第一栅网极片50与第二栅网极片60。所述屏蔽罩40罩设于所述接收阳极板10外，所述屏蔽罩40的中部设有与所述第一通孔11位置相应的第二通孔41，所述第一栅网极片50设置于所述接收阳极板10背离于所述屏蔽罩40的一侧，所述第二栅网极片60设置于所述第二通孔41中，所述第二栅网极片60的栅网部位与所述第一通孔11相对设置。如此，第一栅网极片50上施加负直流高压，用于牵引检测离子，同时能抑制接收阳极板10产生二次电子。同样地，第二栅网极片60上施加负直流高压，用于牵引检测离子，同时能抑制接收阳极板10产生二次电子。此外，第一栅网极片50、接收阳极板10及屏蔽罩40相当于第二FC检测器，屏蔽罩40能防止外部电场对检测离子的干扰影响，同时也能避免接收阳极板10对第一FC检测器30干扰影响，保证第二FC检测器对信号进行稳定准确测量。
如此可见，本实施例引入两种检测方式，其一、第二FC检测器能直接接收所需要检测的离子获得检测信号，能较为直观地、准确地反应离子原始状态；其二、MCP板21将检测离子进行增益后，增大小离子的量，再通过第一FC检测器30进行接收检测，根据增益的倍数进行换算，便可得到实际离子强度大小。
此外，可选地，检测工作时，第二栅网极片60上施加的电势高于第一栅网极片50上所施加的电势，从而保证检测离子能够正常被接收阳极板10接收检测，以及能保证小部分检测离子穿过第一通孔11被增益组件20所接收。
在一个实施例中，所述第一栅网极片50的栅网部位和/或所述第二栅网极片60的栅网部位为金属丝栅网，所述金属丝栅网的目数为80目～100目，所述金属丝栅网的金属丝直径为25um～50um。如此，能较好地防止外部电场渗透干扰离子通道。
在一个实施例中，所述增益组件20包括MCP板21，所述MCP板21与所述第一通孔11对应设置。如此，待检测离子经MCP板21(Micro channel Plate，板微通道板)增益处理后产生增益电子。此外，可选地，增益组件20还可以为电子倍增管(Electron multiplier tube，EMT)或电子倍增器(Electron Multipliers，ETP)。
进一步地，所述MCP板21为两个，两个所述MCP板21间隔设置。如此，经过两次增益处理后的增益电子被第一FC检测器30接收，能实现增益范围达到103～105量级。可以理解的是，根据实际检测情况需要可以将MCP板21设置为3个或以上，MCP板21数量越多，能实现的增益量级越大。
进一步地，所述的宽动态范围离子检测装置还包括第一检测区极片70与第二检测区极片80。所述第二栅网极片60、所述第一检测区极片70与所述第二检测区极片80依次间隔设置，所述第一检测区极片70设有第三通孔，所述第二检测区极片80设有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔均和所述第一通孔11位置相应设置。其中一个所述MCP板21位于所述第二栅网极片60与所述第一检测区极片70之间，且所述MCP板21的两侧面的边缘分别与所述第二栅网极片60与所述第一检测区极片70电性接触。另一个所述MCP板21位于所述第一检测区极片70与所述第二检测区极片80之间，且所述MCP板21的两侧面的边缘分别与所述第一检测区极片70与所述第二检测区极片80电性接触。所述第二栅网极片60与所述第一检测区极片70之间电连接有第一分压电阻90，所述第一检测区极片70与所述第二检测区极片80之间电连接有第二分压电阻100，所述第二检测区极片80通过第三分压电阻110接地设置。如此，第一分压电阻90、第二分压电阻100、第三分压电阻110、第二栅网极片60、第一检测区极片70及第二检测区极片80串联连接在一起，在第二栅网极片60上施加负直流高压时，第二栅网极片60与第一检测区极片70之间有强电场，第一检测区极片70与第二检测区极片80之间有强电场，能起到牵引检测离子的作用。此外，具体而言，第一分压电阻90、第二分压电阻100、第三分压电阻110的阻值相同，均具体采用高精密电阻，其阻值偏差在千分之二以内，耐压均大于500V，通过相同阻值的电阻进行分压处理，能保证离子通道上为均匀强电场。
进一步地，所述的宽动态范围离子检测装置还包括设置于所述第二栅网极片60与所述第一检测区极片70之间的第一绝缘垫120，以及设置于所述第一检测区极片70与所述第二检测区极片80之间的第二绝缘垫130。所述第一绝缘垫120与所述第二绝缘垫130均设有与所述第一通孔11位置相应的安装孔，两个所述MCP板21分别安装于两个所述安装孔中。具体而言，第一绝缘垫120与第二绝缘垫130均为聚四氟乙烯绝缘垫，第一绝缘垫120与第二绝缘垫130的外部尺寸与的检测区极片偏差不大，以保证较好的绝缘隔离效果。此外，第一绝缘垫120与第二绝缘垫130的厚度略大于MCP板21的厚度，能承受压力，保证MCP板21边缘导电体与检测区极片良好接触的同时不会承受较大压力被损坏。另外，安装孔的孔径略大于MCP板21，实现安装固定MCP板21。
在一个实施例中，所述第一通孔11、所述第二通孔41、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均同轴设置；所述第一通孔11、所述第二通孔41、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均为圆形孔。如此，能实现两个MCP板21同轴心上下间隔布置。此外，所述第一通孔11、所述第二通孔41、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔还可以为其它形状的孔，例如椭圆形孔、方形孔、三角形孔以及其它不规则形状孔。
在一个实施例中，所述第一FC检测器30包括金属内筒31及套设于所述金属内筒31外的金属外筒32，所述金属内筒31用于接收所述增益组件20增益处理后产生的增益电子，所述金属外筒32用于施加直流负高压。如此，金属外筒32能抑制金属内筒31二次电子的产生，保证检测信号的准确性。
在一个实施例中，具体而言，金属外筒32与金属内筒31均采用不锈钢材料制造。此外，所述第一检测区极片70、第二检测区极片80、第一栅网极片50与第二栅网极片60均采用不锈钢材料制造。
在一个实施例中，请一并参阅图1及图2，一种宽动态范围离子检测系统，包上述任一实施例括述的宽动态范围离子检测装置，还包括ADC采集卡140与上位机150。所述上位机150通过所述ADC采集卡140分别与所述接收阳极板10、所述第一FC检测器30电性连接。
上述的宽动态范围离子检测系统，由于包括所述的宽动态范围离子检测装置，其技术效果由所述的宽动态范围离子检测装置带来，与所述的宽动态范围离子检测装置的有益效果相同，在此不进行赘述。
进一步地，所述ADC采集卡140为双通道采集卡，所述双通道采集卡分别与所述接收阳极板10、所述第一FC检测器30电性连接；或者，所述ADC采集卡140为两个，其中一个所述ADC采集卡140与所述接收阳极板10电性连接，另一个所述ADC采集卡140与所述第一FC检测器30电性连接。
进一步地，所述接收阳极板10与所述第一FC检测器30均通过匹配电阻160与所述ADC采集卡140电性连接。如此，能避免检测信号返回，保证检测信号的准确性。其中，匹配电阻160的阻值可选为20Ω～2000Ω，具体为50Ω。如此，第一FC检测器30和第二FC检测器的信号经匹配电阻160转换成电压信号，分别被双通道采集卡记录，最终由上位机150进行软件数据处理。双通道采集卡根据实际信号大小，可以独立进行数据记录及量程设置，第一FC检测器30和第二FC检测器的检测离子飞行距离不同，飞行时间存在一定偏差，通过自制的软件系统可对两个通道进行飞行时间校准，同时合并谱图，最终实现宽动态范围同时检测。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种宽动态范围离子检测装置，其特征在于，包括：
接收阳极板，所述接收阳极板的中部设有部分检测离子穿过的第一通孔；
增益组件，所述增益组件与所述第一通孔对应设置，所述增益组件用于将从所述第一通孔穿过的所述检测离子进行增益处理；及
第一FC检测器，所述第一FC检测器用于接收经所述增益组件增益处理后产生的增益电子。
2.根据权利要求1所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，还包括屏蔽罩、第一栅网极片与第二栅网极片，所述屏蔽罩罩设于所述接收阳极板外，所述屏蔽罩的中部设有与所述第一通孔位置相应的第二通孔，所述第一栅网极片设置于所述接收阳极板背离于所述屏蔽罩的一侧，所述第二栅网极片设置于所述第二通孔中，所述第二栅网极片的栅网部位与所述第一通孔相对设置。
3.根据权利要求2所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，所述第一栅网极片的栅网部位和/或所述第二栅网极片的栅网部位为金属丝栅网，所述金属丝栅网的目数为80目～100目，所述金属丝栅网的金属丝直径为25um～50um。
4.根据权利要求2所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，所述增益组件包括MCP板，所述MCP板与所述第一通孔对应设置。
5.根据权利要求4所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，所述MCP板为两个，两个所述MCP板间隔设置。
6.根据权利要求5所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，还包括第一检测区极片与第二检测区极片，所述第二栅网极片、所述第一检测区极片与所述第二检测区极片依次间隔设置，所述第一检测区极片设有第三通孔，所述第二检测区极片设有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔均和所述第一通孔位置相应设置；其中一个所述MCP板位于所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间，且所述MCP板的两侧面的边缘分别与所述第二栅网极片与所述第一检测区极片电性接触；另一个所述MCP板位于所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间，且所述MCP板的两侧面的边缘分别与所述第一检测区极片与所述第二检测区极片电性接触；所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间电连接有第一分压电阻，所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间电连接有第二分压电阻，所述第二检测区极片通过第三分压电阻接地设置。
7.根据权利要求6所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，还包括设置于所述第二栅网极片与所述第一检测区极片之间的第一绝缘垫，以及设置于所述第一检测区极片与所述第二检测区极片之间的第二绝缘垫；所述第一绝缘垫与所述第二绝缘垫均设有与所述第一通孔位置相应的安装孔，两个所述MCP板分别安装于两个所述安装孔中。
8.根据权利要求7所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均同轴设置；所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔、所述第四通孔及所述安装孔均为圆形孔。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的宽动态范围离子检测装置，其特征在于，所述第一FC检测器包括金属内筒及套设于所述金属内筒外的金属外筒，所述金属内筒用于接收所述增益组件增益处理后产生的增益电子，所述金属外筒用于施加直流负高压。
10.一种宽动态范围离子检测系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的宽动态范围离子检测装置，还包括ADC采集卡与上位机，所述上位机通过所述ADC采集卡分别与所述接收阳极板、所述第一FC检测器电性连接。
11.根据权利要求10所述的宽动态范围离子检测系统，其特征在于，所述ADC采集卡为双通道采集卡，所述双通道采集卡分别与所述接收阳极板、所述第一FC检测器电性连接；或者，所述ADC采集卡为两个，其中一个所述ADC采集卡与所述接收阳极板电性连接，另一个所述ADC采集卡与所述第一FC检测器电性连接。
12.根据权利要求10所述的宽动态范围离子检测系统，其特征在于，所述接收阳极板与所述第一FC检测器均通过匹配电阻与所述ADC采集卡电性连接。
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