CN112585718A - 具有改进构造的检测器 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及科学分析设备的组件。更特别地，但不排他地，本发明涉及电子倍增器及其修改，用于通过改进的构造来延长操作寿命或以其它方式改进性能。本发明可以实施为包括一个或多个电子发射表面的检测器的形式，该检测器包括一个或多个检测器元件，该检测器元件被配置成在一侧上限定检测器内部的环境并且在另一侧上限定检测器外部的环境，其中该一个或多个检测器元件被配置成抑制或防止从检测器外部的环境到检测器内部的环境的气体流。这样的检测器可以在质谱仪器中使用。

Description

具有改进构造的检测器

技术领域

本发明总体上涉及科学分析设备的组件。更特别地，但不排他地，本发明涉及电子倍增器及其修改，用于通过改进的构造来延长操作寿命或以其它方式改进性能。

背景技术

在质谱仪中，分析物被电离形成一系列带电粒子(离子)。所得到的离子然后典型地通过加速和暴露于电场或磁场根据它们的质荷比被分离。分离的信号离子撞击离子检测器表面，以产生一个或多个二次电子。结果显示为作为质荷比函数的被检测离子的相对丰度的光谱。

在其它应用中，待检测的粒子可能不是离子，并且可能是中性原子、中性分子或电子。在任何情况下，仍然提供粒子撞击的检测器表面。

由输入粒子对检测器的撞击表面的撞击产生的二次电子典型地被电子倍增器放大。电子倍增器通常通过二次电子发射来操作，由此单个或多个粒子对倍增器撞击表面的撞击导致与撞击表面的原子相关联的单个或(优选地)多个电子被释放。

一种类型的电子倍增器被称为离散倍增极电子倍增器。这种倍增器包括一系列称为倍增极的表面，系列中的每个倍增极被设置为越来越多的正电压。每个倍增极能够在来自从先前倍增极发射的二次电子的撞击下发射一个或多个电子，从而放大输入信号。

另一种类型的电子倍增器使用单个连续倍增极操作。在这些版本中，连续倍增极本身的电阻材料被用作分压器，以沿着发射表面的长度分布电压。

连续倍增极倍增器的简单示例是通道电子倍增器(CEM)。这种类型的倍增器由具有经处理表面的电阻材料的单个管组成。该管通常沿着其长轴线是弯曲的，以减轻离子反馈。本领域中有时使用术语“子弹检测器”。

CEM可以具有组合在一起形成通常称为多通道CEM的布置的多个管。

这些管通常围绕彼此缠绕，而不是像在上面刚刚讨论的单管版本的情况中那样简单地弯曲。

另一种类型的电子倍增器是magneTOF检测器，它既是交叉场检测器，又是连续倍增极检测器。

另一种类型的电子倍增器是交叉场检测器。垂直于离子和电子的运动的电场和磁场的组合被用来控制带电粒子的运动。这种类型的检测器典型地被实现为离散或连续的倍增极检测器。

检测器可以包括微通道板检测器，其是用于检测单个粒子(电子、离子和中子)的平面组件。它与电子倍增器密切相关，因为两者都通过电子经由二次发射的倍增来增强单个粒子。然而，因为微通道板检测器具有许多独立的通道，所以它可以额外地提供空间分辨率。

本领域中的一个问题是，基于电子发射的检测器的性能随着时间的推移而降低。人们认为二次电子发射随着时间的推移而减少，导致电子倍增器的增益降低。为了补偿这一过程，必须定期增加施加到倍增器的操作电压，以保持所需的倍增器增益。然而，最终倍增器将需要替换。需注意，检测器增益可能急剧地和缓慢地受到负面影响。

现有技术人员已经通过增加倍增极表面积解决了倍增极老化的问题。表面积的增加用来将电子倍增过程的工作负荷分布在更大面积上，有效地减缓了老化过程并提高了操作寿命和增益稳定性。这种方法仅提供使用寿命的适度增加，并且当然会受到带有质谱仪器的检测器单元的尺寸限制。

本领域的另一个问题是内部离子反馈，对于微通道板检测器来说尤其如此。随着电子的数量通过检测器的放大装置指数级地增加，吸附的原子可以被电离。然后，这些离子被检测器偏压朝向检测器输入加速。除非采取具体措施，否则这些离子在与通道壁碰撞时可能有足够的能量来释放电子。碰撞引发了电子的第二次指数级增长。这些“假”后脉冲不仅干扰离子测量，还可能导致永久放电，并且随着时间的推移显著破坏检测器。

本发明的一个方面是通过提供具有延长的使用寿命和/或改善的性能的基于倍增极的检测器来克服或改善现有技术的问题。另一个方面是提供一种有用的现有技术的替代方案。

文件、行为、材料、装置、制品等的讨论被包括在本说明书中，仅仅是为了提供本发明的上下文。没有暗示或表示任何或所有这些事项因为其在本申请的每个权利要求的优先权日之前就存在而形成了现有技术基础的一部分，或者是与本发明相关的领域中的公知常识。

发明内容

在第一方面，但不一定是最广泛的方面，本发明提供了一种包括一个或多个电子发射表面的检测器，该检测器包括一个或多个检测器元件，该检测器元件被配置成在一侧上限定检测器内部的环境并且在另一侧上限定检测器外部的环境，其中该一个或多个检测器元件被配置成抑制或防止从检测器外部的环境到检测器内部的环境的气体流。

在第一方面的一个实施例中，该流是非常规流。

在第一方面的一个实施例中，检测器包括一个或多个电子发射表面，该检测器包括：(i)第一和第二检测器元件，其相关联以形成接口，或者(ii)具有不连续部的单一检测器元件，其中相关联的第一和第二检测器元件或具有不连续部的单一检测器元件在一侧上限定检测器内部的环境，并且在另一侧上限定检测器外部的环境，并且其中接口或不连续部被配置成抑制或防止气体从检测器外部的环境到检测器内部的环境的非常规流。

在第一方面的一个实施例中，非常规流是分子流，或过渡的常规/分子流。

在第一方面的一个实施例中，密封剂设置在接口或不连续部内或周围，以抑制或防止气体从检测器外部的环境到检测器内部的环境的非常规流。

在第一方面的一个实施例中，密封剂能够与检测器元件形成基本上气密的密封。

在第一方面的一个实施例中，密封剂也是粘合剂。

在第一方面的一个实施例中，第一和/或第二检测器元件被配置成使得在第一和第二检测器元件的接口处提供在检测器外部的环境到检测器内部的环境之间的非线性或曲折路径。

在第一方面的一个实施例中，第一和第二检测器元件相对于彼此定位或成角度，使得在第一和第二检测器元件之间的接口处提供检测器外部的环境和检测器内部的环境之间的非线性或曲折路径。

在第一方面的一个实施例中，第一和/或第二检测器元件被成形为使得在第一和/或第二检测器元件之间的接口处提供在检测器外部的环境和检测器内部的环境之间的非线性或曲折路径。

在第一方面的一个实施例中，非线性或曲折路径处于宏观水平(macroscopiclevel)。

在第一方面的一个实施例中，非线性或曲折路径包括两个线性子路径，其中在两个线性子路径的相交处形成一个角度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度大于约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度大于约45度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度为约90度。

在第一方面的一个实施例中，非线性或曲折路径包括大于2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个线性子路径，并且其中在两个线性子路径中的每一个的相交处形成一个角度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度中的一个、大多数或每一个大于约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度中的一个、大多数或每一个大于约45度。

在第一方面的一个实施例中，形成的角度中的一个、大多数或每一个为约90度。

在第一方面的一个实施例中，非线性或曲折路径是弯曲的，或者包括曲线，或者包括一系列曲线。

在第一方面的一个实施例中，第一检测器元件包括第一形成物或凹部，并且第二检测器元件包括第二形成物或凹部，并且其中第一形成物或凹部紧密地配合第二形成物或凹部，以便提供第一和第二检测器元件之间的接口。

在第一方面的一个实施例中，第一检测器元件包括多个形成物和/或凹部，并且第二检测器元件包括多个形成物和/或凹部，并且其中第一检测器元件的形成物和/或凹部紧密地配合第二检测器元件的第二形成物和/或凹部，以便提供第一和第二检测器元件之间的接口或接口的一部分。

在第一方面的一个实施例中，检测器元件中的一个或多个是检测器壳体元件或检测器外壳元件或检测器支撑元件。

在第一方面的一个实施例中，检测器包括检测器元件之间的至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45或50个接口，检测器元件之间的接口被配置成抑制或防止气体从检测器外部的环境到检测器内部的环境的非常规流。

在第一方面的一个实施例中，检测器包括：第一和第二检测器元件，其在它们之间限定空间；以及占据该空间的可变形构件或块体，其中第一和第二检测器元件以及可变形构件或块体被配置成在一侧上限定检测器内部的环境并且在另一侧上限定检测器外部的环境。

在第一方面的一个实施例中，可变形构件或块体被配置成抑制或防止检测器外部的气体进入检测器内。

在第一方面的一个实施例中，检测器元件中的一个或多个是配置成限制或防止检测器外部的气体进入检测器内的元件。

在第一方面的一个实施例中，气体是可用作质谱仪中的样品载气的残余气体。

在第一方面的一个实施例中，检测器包括检测器元件之间的至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45或50个接口，检测器元件之间的接口被配置成抑制或防止气体从检测器外部的环境到检测器内部的环境的过渡和/或分子流。

在第一方面的一个实施例中，粒子被配置为质谱仪的原始部分或替换部分。

在第一方面的一个实施例中，当检测器在质谱仪的真空室内操作时，抑制或防止气体从检测器外部的环境到检测器内部的环境的非常规流是足够的，以使得检测器的电子发射表面或阳极/收集器周围的环境与检测器外部紧邻处的环境在以下方面不同：相应环境中气体物质的存在、不存在或分压；和/或相应环境中污染物物质的存在、不存在或浓度。

在第一方面的一个实施例中，第一和/或第二检测器元件；和/或第一和第二检测器元件之间的接口被配置成降低检测器的真空传导率。

在第一方面的一个实施例中，第一和第二检测器元件之间的接口被配置成降低检测器的真空传导率。

在第一方面的一个实施例中，第一和/或第二元件是能够降低检测器的真空传导率的气流屏障。

在第一方面的一个实施例中，检测器包括一系列电子发射表面，这些表面布置成形成电子倍增器。

在第二方面，本发明提供了一种质谱仪，其包括第一方面的任何实施例的检测器。

附图说明

图1是高度示意性的框图，示出了一种典型的布置，其中气相色谱仪器耦接到质谱仪，质谱仪具有本文所述类型的配置成最小化真空传导率的离子检测器。

图2是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的剖视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径。

图3是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的透视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径。

图4是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的剖视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径，元件中的一个具有形成物，另一个具有互补的凹部。

图5是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的剖视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径，元件中的一个具有一系列形成物，另一个具有一系列互补的凹部。

图6是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的剖视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径，元件中的一个具有周边唇缘。

图7是两个检测器元件(“A”和“B”)之间的示例性接口的剖视图，以便在其接口处形成非线性或曲折的路径，元件中的一个具有周边唇缘和凹部，另一个具有互补的形成物。

图8A和图8B是两个检测器元件(“A”和“B”)的剖视图，其中可变形构件用于闭塞或部分地闭塞两者间的空间。

图9A和图9B是三个检测器元件(“A”、“B”和“C”)的剖视图，其中可变形构件用于闭塞或部分地闭塞元件之间的空间。

图10A和图10B是两个检测器元件(“A”和“B”)的剖视图，其中可变形块体用于闭塞或部分地闭塞两者间的空间。

具体实施方式

在考虑了该描述之后，对于本领域技术人员来说，如何在各种替代实施例和替代应用中实现本发明将是显而易见的。然而，尽管这里将描述本发明的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为示例而非限制地呈现。因此，对各种替代实施例的这种描述不应被理解为限制本发明的范围或广度。此外，优点或其它方面的陈述适用于特定的示例性实施例，并且不一定适用于权利要求书所覆盖的所有实施例。

在本说明书的整个描述和权利要求书中，词语“包括”和该词语的变体，诸如“包含”和“含有”，并不旨在排除其它添加剂、组分、整体或步骤。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。

应当理解，并非本文描述的本发明的所有实施例都具有本文公开的所有优点。一些实施例可能具有单一优点，而其它实施例可能根本没有优点，并且仅仅是现有技术的有用替代。

本发明至少部分地基于检测器性能和/或使用寿命受其操作的环境影响的发现。特别地，已经发现，改变气体和其它材料(其中一些可能充当倍增极污染物)在周围建立的真空下经由检测器的任何接口或不连续部进入检测器的能力会影响使用寿命和/或性能。在设计用于质谱分析和其它应用的检测器时，现有技术人员此前没有考虑到需要通过接口和不连续部来抑制或防止气体或其它材料进入和离开检测器。

申请人提出了一系列特征，以结合到现有的检测器设计中，或者替代地作为重新设计检测器的基础。这些特征具有共同的功能，即形成屏障或部分屏障或其它装置来减缓原子或分子或任何更大物质进入检测器的移动。在没有本发明的情况下，这样的原子、分子或更大的物质原本将能够利用检测器元件中的任何不连续部或两个检测器元件之间的任何接口进入检测器，并潜在地污染检测器的电子发射表面或阳极/收集器或导致其它故障。

本发明的检测器可以用来降低气体或其它材料进入和离开检测器的真空传导率。本检测器可以具有将检测器内部的环境与检测器外部的环境分离的进一步效果。理想的最终结果是减少潜在污染物进入检测器并污染电子发射表面(诸如倍增极表面)或检测器的收集器/阳极表面的任何机会。

如技术人员所理解的，检测器在各种压力状态下操作。在足够低的压力下，检测器内部和外部的气体不再像常规流体一样流动，而是以过渡流或分子流的形式操作。不希望以任何方式受到理论的限制，申请人提出，当内部和外部检测器环境在过渡和/或分子流状态(即非常规流)下操作时，元件之间的任何接口或元件中的不连续部可以提供污染物可以经由其进入内部检测器环境的途径。

鉴于这一发现，提出了通过各种手段防止或至少抑制气体的分子或过渡流进入检测器的解决方案。这样的手段包括使用密封剂，该密封剂由基本上不透气的材料组成，并且能够与检测器元件形成基本上气密的密封。其它手段包括实施各种用于接合检测器元件的策略，以便提供非线性或曲折的路径来限制或防止气体进入检测器的能力。

应当理解，任何接口实际上都是三维的，并且因此分子穿过接口可以有许多路径，即使可以画出穿过接口的线性视线。在本发明的上下文中，术语“非线性或曲折的”旨在包括当考虑二维横截面时线性视线不能通过接口从一侧画到另一侧的任何布置。

一种用于防止或至少抑制气体进入检测器的分子或过渡流的装置可以用来绝对防止气体分子(或实际上任何其它污染物)从检测器外部进入到内部。在本发明的一些形式中，该装置用于延迟或阻滞气体分子的通过，使得对于给定的单位时间，进入检测器的分子数量少于没有提供这种装置的情况。单位时间可以参照质谱分析所需的时间长度来考虑。在质谱仪耦接到分离设备(诸如气相色谱设备)的情况下，可能需要抑制或防止样品载气进入质谱仪的检测器至少约一个小时的时间，该时间是使样品通过色谱介质并检测从其中顺序排出的物质所需要的。在样品直接注入质谱仪的情况下，单位时间可以是10分钟左右，甚至更短。

为了减少外部和内部检测器环境的耦接，下面描述的特征被设想为有用的。例如，在检测器结合到质谱仪中的情况下，去耦使检测器本身能够充当泵。通过密封/屏蔽检测器，这种内部泵送机制产生了有利的环境。在没有密封/屏蔽的情况下，很少或没有内部泵送发生，因为它是相对弱的泵。这种内部泵送对质谱仪的真空泵起着加成的作用，以产生优越的操作环境，在该环境中电子发射表面或阳极/收集器表面可以操作。更好的操作环境的主要益处是增加检测器的操作寿命。次要益处包括降低噪声、减少离子反馈、增加灵敏度和增加动态范围。

在一些实施例中，用于防止或至少抑制气体进入检测器的分子或过渡流的装置旨在对于用于将样品引导至其中安装有检测器的质谱仪的电离装置的载气(诸如氢气、氦气或氮气)有效。一旦样品被电离，所得到的离子的通过就在质量分析器的控制下，然而残余的载气继续越过质量分析器并朝向离子检测器。在现有技术中，没有考虑残余载气对检测器的使用寿命和/或性能的影响。申请人已经发现，残余的载气典型地包含污染或以其它方式干扰检测器的倍增极(其为放大电子发射表面)或检测器的收集器/阳极的操作的污染物。在一些情况下，载气本身可能对倍增极或收集器/阳极具有有害影响。

检测器可以包括其中具有不连续部的单一元件。该元件可以专用于或附带地负责保持内部检测器环境(即，电子发射表面或收集器/阳极表面周围的环境)和外部检测器环境(即，检测器可在其中操作的真空室内的环境)之间的分离。由单一元件提供的环境中的分离不一定提供完全的分离，并且在许多情况下可能仅仅降低气体分子会进入检测器内部的环境的可能性。

单一检测器元件中的不连续部可以是例如离散的孔口，其允许气体的分子或过渡流进入检测器。替代地，不连续部可能由制造检测器元件的材料的多孔性引起，这允许气体的分子或过渡流通过材料并进入检测器。在任何情况下，可以将密封剂施加到不连续部处，以便为气体或与之混合的任何其它污染物的通过提供屏障或部分屏障。

密封剂还可以具有粘合性质，以便于结合到不连续部的表面，并且还可以结合到周围的材料，以便防止在形成真空和破坏真空的过程中的移位，这是质谱仪的真空室中常见的情况。

合适的密封剂/粘合剂可以包括焊料、诸如聚酰亚胺的聚合物(任选地为胶带形式，诸如Kapton^TM胶带)。优选地，密封剂/粘合剂是一旦固化则对“虚漏”的贡献最小的密封剂，因为它在真空下基本上不会将液体、蒸汽或气体解吸到室中。这种材料在本领域中通常被称为“真空安全的”。解吸的物质可能对仪器的真空抽吸系统具有有害影响。

在一些情况下，检测器的构造需要两个或更多个元件的关联，以提供复合结构。该复合结构可以专用于或附带地负责保持内部检测器环境(即，电子发射表面或收集器/阳极表面周围的环境)和外部检测器环境(即，检测器可在其中操作的真空室内的环境)之间的分离。

该复合结构可以提供用于防止或至少抑制气体进入检测器的分子或过渡流的手段，并且在这种情况下，两个检测器元件之间的接口提供了气体可以通过分子或过渡流进入检测器的潜在手段。

对复合结构有贡献的检测器元件中的任一个或两个可以以专用或附带的方式配置成实现防止或至少抑制气体的分子或过渡流进入检测器的目的。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

在其他实施例中，第三元件可以被添加到复合结构，以进一步防止或至少抑制气体的分子或过渡流进入检测器。例如，在第一和第二元件邻接以形成接口的情况下，第三元件可以施加在第一和第二元件上，以便骑跨接口。第三元件可以通过任何手段固定在位，但是优选地通过粘合剂并且更优选地具有密封剂性质的粘合剂。这些特征中的任何一个或多个可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

参考图2，其示出了第一检测器元件“A”和第二检测器元件“B”，检测器元件“B”具有允许元件“A”紧密地配合在其中的凹部。元件“A”和“B”示出为分离的，以便更清楚地示出每个元件的轮廓以及两个元件之间的“U”形接口。实际上，元件“A”和“B”将相互接触，以便形成提供针对气体的屏障或部分屏障的接口。

即使元件“A”和“B”彼此接触，气体仍然可以通过分子或过渡流经由接口穿过，从而从检测器外部的环境移动到检测器内部的环境。然而，由接口的两个90度拐角提供的非线性或曲折路径抑制了通过其中的气体的过渡或分子流。这些特征中的任何一个或多个可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图2的布置与其中元件“B”不具有凹部并且元件“A”仅位于元件“B”的平坦表面上的情况形成对比。在这种情况下，接口是严格线性的，因此与其中接口限定非线性或曲折路径的图2的布置相比，气体更可能通过分子或过渡流从检测器的外部迁移到内部。这些特征中的任何一个或多个可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图3示出了类似于图2的布置，不同的是在元件“B”中设置有相对较深的纵向狭槽，元件“A”紧密地接合到该狭槽中。给定元件“B”中狭槽的增加的深度，在图2的元件“A”和“B”之间形成的接口比图2所示的接口长。更长的长度使气体分子在单位时间内迁移接口的长度的能力最小化。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图4示出了由元件“A”和元件“B”形成的接口，类似于图1的实施例，其中元件“A”具有向下延伸的形成物，该形成物被配置成与元件“B”中形成的凹部紧密地接合。与图1的实施例相比，这种布置通过分子或过渡流为气体的迁移提供了改进的屏障或部分屏障。这种改进源于由接口限定的路径的延长以及具有四个90度拐角的非线性或曲折路径。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图5示出了由元件“A”和元件“B”形成的接口，类似于图4的实施例，但是元件“A”具有一系列向下延伸的形成物，其被配置成与元件“B”的互补凹部紧密地接合。与图4的实施例相比，这种布置通过分子或过渡流为气体的迁移提供了改进的屏障或部分屏障。这种改进源于由接口限定的路径的延长(每个形成物延长了路径长度)以及具有十个90度拐角和三个45度拐角的非线性或曲折路径。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图6示出了元件“B”包括唇缘的实施例，元件“A”在其侧面上邻靠该唇缘。元件“A”的向下指向的端面接触元件“B”的面向上的表面。在这种布置中，接口提供了具有单个90度拐角的非线性或曲折路径。应当理解，唇缘的深度增加了路径长度，更深的唇缘提供了对沿着接口的气体的分子或过渡流的增强的抑制或防止。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

图7示出了更复杂的布置，其包括使用元件“A”上的形成物，在元件“B”上具有互补的凹部和唇缘。应当理解，元件“A”的厚度(在y方向上)提供了增加的路径长度，以更有效地抑制气体通过接口。

应当理解，非线性或曲折的路径可以至少部分地由弯曲段或多个弯曲段构成。例如，参照图1，元件“A”的面向下的表面可以是弯曲的或波纹状的，元件“B”的凹部是互补的，使得这两个元件紧密地配合在一起。通常，在基于分子或过渡流防止或抑制气体通过接口的迁移方面，浅曲线的使用可能不如90度拐角有效。

在一些实施例中，非线性或曲折的路径由弯曲段和线性段的组合提供。

在上述任一实施例以及技术人员设想的任何另外的实施例中，在组装之前，可以将密封剂(也可以用作粘合剂)施加到元件“A”和/或元件“B”的(多个)相互接触区域，以进一步限制通过接口的任何气体流。此外或替代地，密封剂/粘合剂可以设置在接口的外部，以便覆盖元件“A”和元件“B”邻接的任何区域(例如，沿着由元件“A”的面向侧面的表面和元件“B”的面向上的表面形成的线)。这些特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

密封剂可以在两个元件的接口内或接口附近使用，其中两个元件提供从检测器外部的环境到检测器内部的环境的线性或非曲折路径。即使提供了线性或非曲折的路径，在一些情况下，密封的存在可能也足以充分地抑制或防止气体分子进入检测器。

在检测器的一些实施例中，两个检测器元件不形成接口，而是在两者间限定空间。该空间可以允许气体从检测器外部到内部的非常规流体流(诸如，过渡和/或分子流)。为了抑制或防止气体流通过该空间，可变形构件或可变形块体可以设置在该空间中。构件或块体被配置成通过变形(例如，通过挠曲、拉伸、压缩、膨胀或渗出)来占据空间。变形(和因此闭塞或部分闭塞)可能由一个元件相对于另一个元件的移动引起。否则，这两个元件保持固定的空间关系，但是可变形构件或块体被迫或被允许占据两者间的空间。

应当理解，可变形构件或块体可以由抑制气体通过其中的材料或化合物组成，以保持检测器内部的环境和检测器外部的环境之间的差异。该材料或组合物可能具有将原子或分子释放到质谱仪的真空室中形成的显著真空中的低倾向。

图8A示出了两个检测器元件(“A”和“B”)，它们之间具有空间，可变形构件(10)设置在该空间内。图8B示出了在元件“A”向下移动使得可变形构件(10)闭塞或部分地闭塞元件“A”和元件“B”之间的空间之后的图8A的布置。在该实施例中的可变形构件是刚性且基本上为U形的构件。构件的预成形形状被元件“A”相对于元件“B”的移动破坏。构件的刚度导致构件试图恢复到其原始的U形，从而产生承靠元件的力。换句话说，当变形时，该构件可以被偏置以呈现一种形状，该形状被配置成闭塞或部分地闭塞该空间。当然，具有其它形状的构件也是可以设想的，包括三角形、曲线形和不规则形状。

图9A示出了三个检测器元件(“A”、“B”和“C”)，其具有在元件“A”和元件“B”之间的第一空间以及在元件“A”和元件“C”之间的第二空间，并且可变形构件(10)设置在第一和第二空间内。图9B示出了在由箭头指示的方向上施加向下的压力使得可变形构件(10)闭塞或部分地闭塞第一和第二空间之后的图9A的布置。在该实施例中，刚性的U形构件横跨中心元件(“A”)放置，使得构件的翼部在压力下向外张开，以密封中心元件和两个接合元件之间的间隙。构件的刚度通过张力将施加到构件的一个区域的力传递到构件的其它区域，使得它们向内和/或向外张开。这些张开的区域然后可以定位在两个元件相遇的空间内。通过精心布置，空间内的这些张开区域将与形成接合间隙的一个或两个元件形成压力接触。

图10A示出了两个检测器元件(“A”和“B”)，它们之间具有空间，可变形块体(20)设置在该空间内。图10B示出了在元件“A”向下移动使得可变形块体闭塞或部分地闭塞元件“A”和元件“B”之间的空间之后的图10A的布置。在两个元件之间放置软块体。块体可能需要保持在位，或者比两个元件之间的标称间隙厚，并通过与两个元件的压力接触保持在位。

检测器可以包括使用本文公开的可变形构件或块体的任何方法的组合。

在一些情况下，两个检测器元件可以形成接口，并且还在两者间限定空间。在这种情况下，本文公开的用于抑制或防止气体流过接口和空间两者的方法可以在检测器中使用。

本检测器可以用于技术人员认为合适的任何应用中。一个典型的应用是作为质谱仪中的离子检测器。参考图1，图1示出了耦接到质谱仪的气相色谱仪的典型布置。样品被注入并与载气混合，载气推动样品通过烘箱内的分离介质。样品的分离的组分从输送管线的末端出来，并且进入质谱仪。这些组分被电离并加速通过离子阱质量分析器。离开质量分析器的离子进入检测器，每个离子的信号被其中的离散倍增极电子倍增器(未示出)放大。放大的信号用连接的计算机处理。

申请人首先认识到，从输送管线的末端与样品组分一起排出的载气和其它材料可能进入并污染检测器的内部。这具有急性的负面影响(瞬时改变检测器的性能)，但也有更慢性的负面影响，导致长期性能不足和检测器使用寿命的缩短。在发现问题的真实性质后，申请人提供了一种具有一个或多个特征的检测器，该特征抑制或防止污染物经由检测器元件中的任何不连续部或两个检测器元件之间的任何接口进入。

鉴于申请人发现了将内部检测器环境与外部检测器环境分离的优点，建议检测器构造的发展将包括提供更完整的外壳和壳体，以保护电子发射表面或收集器/阳极表面免受真空室中固有污染物的影响。因此，各种壳体或外壳元件可以被添加到现有技术的检测器中，并且在这方面，元件之间的接口可以形成。

除了如上所述的检测器元件接口的配置之外，进一步的结构特征可以结合到检测器中。作为第一个特征，检测器外壳的外表面可以由尽可能少的连续部件(元件)组成。优选地，外壳由单件材料制成，以便提供连续的外表面，并且在这种情况下，可以用密封剂密封任何不连续部。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

检测器外壳中的任何工程化不连续部的大小可以被尺寸设计成尽可能小(就面积而言)。如在此上下文中所用，术语“工程化不连续部”旨在包括气体可以从检测器外部迁移到内部的任何途径，诸如有意工程化到检测器中的任何孔口、格栅、栅格、通风口、开口或狭槽。这种不连续部典型地将具有一种功能(诸如允许离子流进入检测器)，并且因此可以尺寸设计成刚好足够大以执行所需的功能，但优选地不要更大。在一些实施例中，工程化不连续部可以大于正常功能所需的绝对最小值，但不可以比绝对最小所需尺寸大超过1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

检测器外壳中的任何工程化不连续部可以被定向或对准或以其它方式在空间上布置成背离在检测器的外部环境中流动的任何气体，诸如质谱仪中存在的残余载气流。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

检测器外壳的外表面可以使用倒圆特征来从检测器外部的环境周围流动的任何气体产生层流和/或涡流。这些层流和/或涡流可以提供高气体压力区域，该区域有效地密封不连续部，否则该不连续部将会允许残余载气进入。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

检测器外壳表面中的任何不连续部都可能具有相关联的气流屏障，以抑制残余载气的进入。在一些实施例中，气流屏障是检测器元件，其一部分可以与另一个检测器元件形成接口。应当理解，虽然气流屏障可以提供优势，但是这种屏障也可以为气体进入检测器提供另外的入口，在该处，屏障与检测器的另一个元件形成接口。鉴于本说明书的益处，技术人员能够构思出适用于该功能的一系列发明物。

在一些实施例中，屏障具有第一和第二开口，其中一个开口与检测器外壳中的不连续部(以及因此检测器内部的环境)气体连通，并且第二开口与检测器外部的环境气体连通。第二开口可以远离检测器，以便基本上没有任何气体(诸如残余载气)的流动。这些特征中的任何一个或多个可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

在一些实施例中，第二开口仍然暴露于气体流，然而，屏障被配置成防止或抑制流动气体进入检测器的内部环境。通过抑制或防止已经进入屏障的气体流动，使得较少或没有已经进入的气体流到检测器内部的环境中，可以实现这一目的。例如，气流屏障可以尽可能长，和/或尽可能窄，和/或包括一个或多个弯曲部或拐角；和/或包括一个或多个90度弯曲部，和/或包括内部挡板以最小化内部视线。这些特征中的任何一个或多个可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

气流屏障可以被配置或定位或定向成使得任何开口背离检测器外部环境中的气流，诸如由质谱仪使用的残余载气流。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

气流屏障可以包括倒圆外表面，以防止或抑制任何放电。附加地或替代地，这种倒圆表面可以从检测器外部的环境中流动的气体产生层流气流和/或涡流。这些层流和/或涡流可以提供高压区域，该高压区域基本上密封了护罩的开口。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

两个或更多个气流屏障可以被配置或定位或定向成加成地或协同地一起工作，以便防止或抑制在检测器外部流动的气体进入检测器的内部环境。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

作为另外的特征，检测器可以包括内部挡板，以限制或完全消除通过检测器的任何或所有内部视线。该特征通常是适用的，只要粒子(诸如离子和电子)的光学特性没有受到负面影响。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

检测器典型地将包括允许粒子束进入的输入孔口。申请人已经发现，这种孔口典型地将允许显著量的残余载气和相关联的材料进入，并且实际上耦接了检测器内部环境和外部环境。如本文其它地方所讨论的，这种耦接在许多情况下是不希望的，并且因此在可能的程度上，输入孔口的尺寸应该最小化。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

在检测器包括两个孔口的情况下，优选的是，孔口布置成使得孔口之间没有全部或部分的直接视线。这种布置用来干扰气体通过检测器的自由流动，这又防止或抑制了残余载气进入检测器。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

在检测器与离轴输入光学设备相关联的情况下，这种设备可以结合不连续部(诸如通风口、栅格、开口或孔口)，以有利于任何气体流过该设备，而不是聚积。这种方法防止或抑制气体在输入光学器件周围和检测器外部的区域中的局部积聚，这种气体有进入检测器内部环境的倾向。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。该特征可以单独结合到检测器中，或者与本文公开的任何其它特征中的任何一个或多个结合。

本发明的许多实施例通过控制检测器的真空传导率来实现优点，这反过来控制内部检测器环境和外部检测器环境的耦接。

当传导率根据本发明减少时，减少的水平可以表示为在没有本发明的传导率调节特征的情况下测量的传导率的百分比。传导率的减少可以大于约10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、100％、200％、300％、400％、500％、600％、700％、800％、900％或1000％。

本领域技术人员理解真空传导率的概念，并且能够测量检测器的传导率，或者至少两个检测器的相对传导率。作为一种近似，检测器可以被认为是直的圆柱形管道或管，其传导率可以通过参考管道的(总)长度(M)和半径(cm)来计算。长度除以半径，这提供了L/a比率，传导率(例如，以L/sec为单位)从参考表中读出。检测器的几何形状可能与直的圆柱形管道或管略有不同，因此计算的绝对传导率可能不准确。然而，为了评估检测器的传导率调节特征的有效性，这种近似将是有用的。

在降低检测器真空传导率以使内部和外部环境的耦接最小化的过程中，可能导致检测器内部环境的总体改善。不希望以任何方式受到理论的限制，该方法可以允许检测器的电子倍增器的电子流充当泵，从而为检测器操作创造更清洁的环境。这种更清洁的内部环境主要延长了倍增器的使用寿命。根据检测器如何操作，第二个益处还包括降低的噪声、更高的灵敏度、增加的动态范围和减少的离子反馈。检测器真空传导率的降低限制了有害外部环境对检测器性能和寿命的影响。这包括持续影响和急性影响两者。

另一个优点是将检测器操作对检测器性能和寿命的负面影响最小化。申请人发现，用户对占空比、离子输入电流和模式的选择影响检测器性能，并在很大程度上影响检测器寿命。这种效应是由于真空弛豫时间而产生的，真空弛豫时间是在检测器内部形成基本上完全的真空以与外部环境平衡所需的时间。弛豫时间典型地与占空比中的“关断时间”一致。

类似地，已经证明电荷的离散性质导致典型离子输入电流的假关断时间。在足够低的电流下，这些假关断时间可以具有检测器真空弛豫时间的数量级，特别是当检测器在飞行时间(TOF)模式下操作时。在TOF模式下，分析物离子被及时收集在一起。因此，不同分析物的数量及其质量分布也决定了在TOF模式下的假关断时间。通过最小化检测器的真空传导率，延长了检测器的真空弛豫时间。这允许检测器在更大的占空比和离子输入电流范围内实现预期的性能和寿命。真空弛豫时间的延长也限制了检测器操作模式和分析物离子混合物对检测器性能和寿命的影响。

降低真空传导率的另一个影响是使由于外部检测器环境变化导致的检测器校准变化最小化。这包括由于污染物的突然到达而导致的增益的突然损失，以及由于水分子到达检测器表面而导致的暂时增益恢复。

本发明可以以多种形式实施，并且具有导致或有助于减少检测器的真空传导率的一个或一组特征。本发明可以实施为以下形式：密封的检测器；部分密封的检测器；具有一个或多个气流屏障的检测器；与适当设计的离轴输入光学器件相关联的检测器，该光学器件将存在的任何气体流转移离开检测器；包括一个或多个气流屏障的检测器，该气流屏障与适当设计的离轴输入光学器件相关联，该光学器件将存在的任何气体流转移离开检测器；检测器，其包括诸如通风口、栅格、开口和/或孔口的工程化不连续部，以防止具有视线输入孔口的检测器中气体的局部积聚；包括一个或多个气流屏障的检测器，该气流屏障还包括诸如通风口、栅格、开口和/或孔口的工程化不连续部，以防止具有视线输入孔口的检测器中气体的局部积聚；检测器，其使用可调节(并且优选地可移动的)气流屏障来在操作期间最小化传导率。

在一个实施例中，检测器是技术人员已知类型的离散倍增极电子倍增器。除了放大倍增极链之外，这种倍增器可以包括或不包括转换倍增极。

另一个实施例是微通道板(MCP)检测器，其由叠堆中的4个或更多个不同的元件构成，以最小化真空传导率。目前，需要至多3个元件来实现所需的检测器增益，并且为了进一步最小化MCP真空传导率，使用至少4个元件，每个附加元件在路径中增加另一个弯曲部。

MCP检测器可以使用封闭的收集器来最小化真空传导率；使用叠堆中的MCP检测器旋转元件来最小化真空传导率。MCP可以包括“多通道夹点”(MPP)元件，以最小化真空传导率。MPP是薄元件，位于MCP叠堆中的两个常规放大元件之间，构成许多局部狭窄部。在包夹MPP的放大元件中的每个通道可能有多于一个狭窄部。在这种情况下，MPP中的夹点聚集在一起，以与放大元件通道对齐。

MCP检测器包括4个或更多个不同的旋转元件，包括多通道夹点并且包括封闭的收集器。

另一个实施例是连续电子倍增器(CEM)的形式，其包括一个或多个“夹点”，以最小化真空传导率。夹点被定义为CEM结构的局部狭窄部。当使用多个夹点时，它们可以串行/顺序、并行或使用两者的组合来布置。

另一个实施例是这样的CEM，其：包括一个或多个弯曲部以最小化真空传导率；或者包括封闭的收集器以最小化真空传导率；或者包括围绕检测器轴线的一个或多个扭曲部以最小化真空传导率；或者包括夹点、弯曲部、扭曲部和封闭收集器的组合。

虽然本发明已经主要通过参考质谱仪中使用的类型的检测器进行了描述，但是应当理解，本发明不限于此。在其它应用中，待检测的粒子可能不是离子，并且可能是中性原子、中性分子或电子。在任何情况下，仍然提供粒子撞击的检测器表面。

应当理解，本发明的示例性实施例的描述、本发明的各种特征有时被组合在单个实施例、附图或其描述中，目的是简化公开内容并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。

此外，虽然本文描述的一些实施例包括其它实施例中包括的一些特征，但不包括其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如本领域技术人员将理解的。例如，在下面的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，没有详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。

因此，虽然已经描述了被认为是本发明的优选实施例的内容，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对其进行其它和进一步的修改，并且意图要求所有这些变化和修改落入本发明的范围内。功能可以添加到图中或从图中删除，并且操作可以在功能框之间互换。在本发明的范围内，可以向所描述的方法添加或删除步骤。

尽管已经参照具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其它形式来体现。

Claims (23)

1.一种包括一个或多个电子发射表面的检测器，所述检测器包括一个或多个检测器元件，所述一个或多个检测器元件被配置成在一侧上限定所述检测器内部的环境并且在另一侧上限定所述检测器外部的环境，其中，所述一个或多个检测器元件被配置成抑制或防止从所述检测器外部的所述环境到所述检测器内部的所述环境的气体流。

2.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述流是非常规流。

3.根据权利要求1和2所述的检测器，包括：

(i)第一和第二检测器元件，其相关联以形成接口，或者

(ii)单一检测器元件，其具有不连续部，

其中，所述相关联的第一和第二检测器元件或具有不连续部的所述单一检测器元件在一侧上限定所述检测器内部的环境，并且在另一侧上限定所述检测器外部的环境，并且其中，所述接口或不连续部被配置成抑制或防止从所述检测器外部的环境到所述检测器内部的环境的气体流。

4.根据权利要求3所述的检测器，其中，密封剂设置在所述接口或不连续部内或周围，以抑制或防止气体从所述检测器外部的所述环境到所述检测器内部的所述环境的所述非常规流。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的检测器，其中，所述第一和/或第二检测器元件被配置成使得在所述第一和第二检测器元件的所述接口处提供在所述检测器外部的所述环境到所述检测器内部的所述环境之间的非线性或曲折路径。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的检测器，其中，所述第一和第二检测器元件相对于彼此定位或成角度，使得在所述第一和第二检测器元件之间的所述接口处提供在所述检测器外部的所述环境和所述检测器内部的所述环境之间的非线性或曲折路径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的检测器，其中，所述第一和/或第二检测器元件成形为使得在所述第一和第二检测器元件之间的所述接口处提供在所述检测器外部的所述环境和所述检测器内部的所述环境之间的非线性或曲折路径。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的检测器，其中，所述非线性或曲折路径处于宏观水平。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的检测器，其中，所述非线性或曲折路径包括两个或更多个线性子路径，其中，在所述两个或更多个线性子路径中的每一个的所述相交处形成角度。

10.根据权利要求9所述的检测器，其中，所述形成的角度大于约45度。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的检测器，其中，所述非线性或曲折路径是弯曲的，或者包括曲线，或者包括一系列曲线。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的检测器，其中，所述第一检测器元件包括第一形成物或凹部，并且所述第二检测器元件包括第二形成物或凹部，并且其中，所述第一形成物或凹部紧密地配合所述第二形成物或凹部，以便提供所述第一和第二检测器元件之间的所述接口。

13.根据权利要求12所述的检测器，其中，所述第一检测器元件包括多个形成物和/或凹部，并且所述第二检测器元件包括多个形成物和/或凹部，并且其中，所述第一检测器元件的所述形成物和/或凹部紧密地配合所述第二检测器元件的所述第二形成物和/或凹部，以便提供所述第一和第二检测器元件之间的所述接口或所述接口的一部分。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的检测器，其中，所述检测器元件中的一个或多个是检测器壳体元件或检测器外壳元件或检测器支撑元件。

15.根据权利要求3至14中任一项所述的检测器，包括所述检测器元件之间的至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45或50个接口，所述检测器元件之间的所述接口被配置成抑制或防止气体从所述检测器外部的所述环境到所述检测器内部的所述环境的所述非常规流。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的检测器，包括：

第一和第二检测器元件，其在它们之间限定空间，以及

占据所述空间的可变形构件或块体，其中，所述第一和第二检测器元件以及所述可变形构件或块体被配置成在一侧上限定所述检测器内部的环境并且在另一侧上限定所述检测器外部的环境。

17.根据权利要求16所述的检测器，其中，所述可变形构件或块体被配置成抑制或防止所述检测器外部的气体进入所述检测器内。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的检测器，其中，所述检测器元件中的一个或多个是配置成抑制或防止所述检测器外部的气体进入所述检测器内的元件。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的检测器，其中，所述气体是可用作质谱仪中的样品载气的残余气体。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的检测器，其中，当所述检测器在质谱仪的所述真空室内操作时，所述抑制或防止气体从所述检测器外部的所述环境到所述检测器内部的所述环境的所述非常规流是足够的，以使得所述检测器的所述电子发射表面或收集器/阳极表面周围的所述环境与所述检测器外部紧邻处的所述环境在以下方面不同：所述相应的环境中气体物质的存在、不存在或分压；和/或所述相应的环境中污染物物质的存在、不存在或浓度。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的检测器，其中，所述第一和/或第二检测器元件；和/或所述第一和第二检测器元件之间的所述接口被配置成降低所述检测器的真空传导率。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的检测器，其中，所述一个或多个检测器元件是能够降低所述检测器的真空传导率的气流屏障。

23.一种包括根据权利要求1至22中任一项所述的检测器的质谱仪。

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