CN117461110A - 具有改进的电压稳定性的电子倍增器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于诸如质谱仪的离子检测器件的电子倍增器。该倍增器包括稳压部件或系统，并且被配置为在操作期间减少稳压部件或系统内的电压波动和/或由稳压部件或系统发射的电磁辐射对电子倍增器的输出信号的负面影响。该电子倍增器被配置为将稳压部件或系统内的电压波动和/或由稳压部件或系统发射的电磁辐射与电子倍增器的输出信号解耦。

Description

具有改进的电压稳定性的电子倍增器

技术领域

本发明总体上涉及科学分析装备的部件，也涉及分析装备的完整项目。更具体地，但不是唯一地，本发明涉及在诸如质谱仪的离子检测器件中使用的电子倍增器。

背景技术

基本来说，电子倍增器起放大输入信号的作用。输入可能非常低，例如质谱仪分析仪的单个离子输出。为了提供高水平的灵敏度，必须构造和操作电子倍增器，以提供获得有用输出信号所需的高增益。

电子倍增器通常通过二次电子发射操作，由此单个或多个粒子撞击倍增器撞击表面以导致与撞击表面的原子相关联的单个或(优选)多个电子被释放。一个二次电子发射的输出形成另一个二次电子发射的输入，使得电子信号跨多个电子发射步骤以指数方式增长。设置收集器电极(通常是阳极)以收集由终端电子发射表面发射的电子。收集的电子通过导线被传导离开收集器，形成倍增器输出。倍增器输出通常形成基于软件的分析仪的输入。

电子倍增器的一种类型是已知的离散倍增极电子倍增器。这种倍增器包括被称为倍增极的一系列表面，并且该系列中的倍增极均被设置为越来越多的正电压。每个倍增极能够在来自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。典型的离散倍增极电子倍增器具有12到24个倍增极级，并且根据应用，其以10⁴到10⁸之间的工作增益使用。例如，在GC-MS应用中，电子倍增器通常在模拟模式下运行，增益约为10⁵。对于新的电子倍增器，这种增益通常通过施加约1400伏的高电压来实现。

本领域中已知的其它类型的倍增器，其中电子放大发生在连续的倍增极上。连续的倍增极系统通常采用喇叭形漏斗结构。内表面被涂覆或处理以实现二次发射。连续的倍增极使用从输入端到输出端不断增加的正电压。这种类型的第一设备被称为通道电子倍增器(CEM)。CEM通常需要2至4千伏以便获得10⁶个电子的增益。

另一种类型的连续倍增极电子倍增器被称为微通道板(MCP)。它可以被认为是非常小的连续倍增极电子倍增器的二维平行阵列，这些非常小的连续倍增极电子倍增器被构造在一起并且并联供电。每个微通道通常为平行壁的。MCP通常在每个电极之间携带大约10⁹Ω的电阻。一个微通道板的电子增益可以大约为10⁴至10⁷个电子。

不管是哪种类型，电子倍增器的基本特征是它的线性度。线性度是实际检测器输出与预期检测器输出之比的量度。线性度通常被作为实际测量输出的函数来测量。已知的线性度可用于校正实际输出，以获得倍增器的尝试输出。例如，在测量到的输出为100μA时，线性度为1和0.5意味着检测器试图分别输出100μA和200μA。

任何偏离线性响应的情况当然都是不可取的。非线性的常见原因是电压崩溃，由此电子倍增器内部产生的电子级联相对于倍增器的带状电流在尺寸上变得很重要。带状电流是流经电子倍增器物理电路的电流。电子级联是与电子倍增器物理电路并行运行的虚电路。电子级联可以被认为是从物理电路中提取电流，并将其引导到这个并联虚电路中。这具有减少沿着这些平行部分中的每一个的带状电流的副作用。

带状电流的减少然后导致跨这些并联部分的电压损耗。由于电子级联随着每一个放大步骤变得更大，朝向电子倍增器收集器(通常是阳极)的电压损耗增加。这些电压损耗通常被称为“电压崩溃”。

施加到电子倍增器的总电压不会由于电压崩溃而降低。相反，“丢失”的电压分流到电子倍增器的输入端。因此，电压崩溃的最终结果是电压沿着整个电子倍增器重新分布。电子倍增器放大位点之间的电压在输入端增加，在中间大约相同，在收集器附近降低。倍增器发射表面的电子放大高度依赖于这些电压，因此电子倍增器的增益被改变。由于电压崩溃被电子级联相对于带状电流的幅度驱动，因此产生输出电流相关增益。因此，电压崩溃决定电子倍增器的线性度。

各种装置已经被用于防止电压崩溃，并因此改善电子倍增器的线性度。例如，齐纳二极管已经被用于“锁定”电子放大链中两点之间的电压差。增加齐纳二极管的代价是减少电子倍增器的运行寿命。出于这个原因，通常只有一个或两个齐纳二极管被添加到电子倍增器的端部区域。

申请人首次提出使用改进的电压稳定装置来解决电压崩溃的问题和伴随的对电子倍增器的线性度的负面影响。虽然比现有技术中使用的一个或两个齐纳二极管具有更大的效果，但是改进的电压稳定装置被发现会导致电子倍增器输出的衰减。具体来说，经验表明噪声的增加会降低电子倍增器的信噪比(S/N)，并继而导致倍增器灵敏度的降低。因此，在改进倍增器线性度时，噪声和灵敏度受到损害。

本发明的一个方面是提供对现有技术电子倍增器的改进，以提供具有改进的线性度同时保持可接受的灵敏度的倍增器。提供现有技术电子倍增器的有用替代品是本发明的另一个方面。

在本说明书中包括对文件、行为、材料、设备、物品等的讨论仅仅是为了提供本发明的背景。并不暗示或表示任何或所有这些事项构成现有技术基础的一部分，或者是在本申请的每个权利要求的优先权日之前存在的、与本发明相关的领域中的常识。

发明内容

在第一方面中，但不一定是最广泛的方面，本发明提供一种电子倍增器。该电子倍增器包括稳压部件或系统。该电子倍增器被配置为在操作期间减少稳压部件或系统内的电压波动和/或由稳压部件或系统发射的电磁辐射对电子倍增器的输出信号的负面影响。

在第一方面的一个实施例中，电子倍增器被配置为提供输出信号，并且进一步被配置为将稳压部件或系统内的电压波动和/或由稳压部件或系统发射的电磁辐射与输出信号解耦。

在第一方面的一个实施例中，该电子倍增器包括电子发射表面和电子收集器，电子收集器被配置为从电子发射表面收集电子，其中电子倍增器被配置为减少倍增极(如果存在)和/或电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件暴露于稳压部件或系统内的电压波动和/或由稳压部件或系统发射的电磁辐射。

在第一方面的一个实施例中，该电子倍增器包括用于引导稳压部件或系统内的电压波动离开倍增极(如果存在)和/或电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件的装置。

在第一方面的一个实施例中，用于引导电压波动的装置被配置为将电压波动引导至电接地。

在第一方面的一个实施例中，用于引导电压波动的装置是频率特定滤波器，该频率特定滤波器被配置为引导稳压部件或系统内的电压波动的一部分、大部分或基本上全部离开倍增极(如果存在)和/或电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件。

在第一方面的一个实施例中，滤波器被配置为优先地对在稳压部件或系统中产生的电压波动的频率处的电压波动进行操作。

在第一方面的一个实施例中，频率的一部分、大部分或基本上全部高于电子倍增器的导体中的带状电流的有效频率。

在第一方面的一个实施例中，滤波器被配置为过滤100Hz至1000GHz频带中的电压波动分量。

在第一方面的一个实施例中，滤波器是连接到稳压部件或系统的多极滤波器。

在第一方面的一个实施例中，该电子倍增器包括电磁辐射拦截器，该电磁辐射拦截器被配置为并被定位成减少倍增极(如果存在)和/或电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件暴露于的由稳压部件或系统发射的电磁辐射的量。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器被配置为起吸收和/或反射和/或偏转、和/或转移和/或弯曲和/或抵消和/或衍射和/或折射和/或耗散由稳压部件或系统发射的电磁辐射的作用。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器由导电和/或磁性材料制成。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器是连续的或不连续的，包括网。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器被配置为吸收和/或反射和/或偏转、和/或转移和/或弯曲和/或抵消和/或衍射和/或折射和/或耗散由稳压部件或系统发射的一些、大部分或基本上全部的电磁辐射。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器是射频(RF)屏蔽件。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器或其部分在物理上沿着稳压部件或系统与倍增极(如果存在)和/或电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件之间的视线设置。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器部分地或基本上完全包围一个或多个稳压部件或系统。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器接触或邻近电子倍增器的结构。

在第一方面的一个实施例中，结构是电子倍增器的板。

在第一方面的一个实施例中，板提供用于电子倍增器的一个或多个电气或电子元件的基板。

在第一方面的一个实施例中，电磁辐射拦截器被配置为吸收和/或反射和/或衍射和/或折射0.1GHz至1000GHz频带中的电磁辐射。

在第一方面的一个实施例中，稳压部件或系统是限流部件或系统。

在第一方面的一个实施例中，限流部件或系统是或包括二极管。

在第一方面的一个实施例中，二极管是压敏二极管。

在第一方面的一个实施例中，稳压部件是齐纳二极管、雪崩二极管或其功能等同物。

在第一方面的一个实施例中，稳压系统包括至少一个齐纳二极管、雪崩二极管或其功能等同物。

在第一方面的一个实施例中，稳压系统包括至少1、2、3、4或5个齐纳二极管或雪崩倍增器，或其功能等同物。

在第一方面的一个实施例中，由稳压部件或系统发射的电磁辐射是闪烁噪声或粉红噪声。

第二方面，本发明提供了一种科学仪器。该科学仪器安装有根据第一方面任一项实施例的电子倍增器。

附图说明

图1示出了现有技术的离散倍增极电子倍增器的电路图，该技术没有任何用于减少电压崩溃的装置。

图2示出了图1的现有技术倍增器的电路图，尽管具有3个串联连接的齐纳二极管以减少电压崩溃并增加响应的线性度。

图3示出了图1的现有技术倍增器的电路图，尽管具有3个并联连接的齐纳二极管以减少电压崩溃并增加响应的线性度。

图4示出了图2的电子倍增器的电路图，尽管包括被配置为过滤电压波动的电容器。

图5示出了图3的电子倍增器的电路图，尽管包括被配置为过滤电压波动的电容器。

图6示意性地示出了现有技术的离散倍增极电子倍增器的总体物理特征。

图7示意性地示出了本发明的优选电子倍增器的总体物理特征，该电子倍增器具有第一板、第二板和第三板，以及设置在第一和第三板之间的RF屏蔽件。

除非本文另有说明，否则当跨不同附图使用时，标记有相同数字的附图的特征被认为是相同的特征，或者至少是功能上相似的特征。

附图不是按照任何特定的比例或尺寸制备的，并且不是作为各种实施例的完全精确的表示而呈现的。

具体实施方式

在考虑该描述之后，对于本领域技术人员来说，本发明如何在各种替代实施例和替代应用中实现将是显而易见的。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不是限制来呈现。因此，对各种替代实施例的描述不应被解释为限制本发明的范围或广度。此外，优点或其他方面的陈述适用于特定的示例性实施例，而不一定适用于所有实施例，或者实际上适用于权利要求所涵盖的任何实施例。

在本说明书的整个说明书和权利要求中，单词“包含”和该单词的变体，例如“包括”和“具有”并不意味着排除其他添加物、组分、整数或步骤。

在本说明书中对“一个实施例”或“一种实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一种实施例中”贯穿本说明书的出现不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。

本发明至少部分地基于发明人的发现，即在改进倍增器线性度方面，噪声水平增加。而且，至少可以通过减少电子倍增器收集器和/或倍增极暴露于稳压装置内产生的电压波动和/或由稳压装置发射的电磁辐射的量，在某种程度上应对噪声的增加。申请人还发现，考虑到倍增器使用的某些方面，具有缩短的使用寿命的电子倍增器仍然对一些终端用户有用。

更具体地，已经发现，在将用于抑制电压崩溃的改进装置结合到电子倍增器中的情况下，电子倍增器输出的衰减由于用于抑制电压崩溃的装置发射的电磁辐射和/或在该装置内产生的电压波动而引起，通常以闪烁噪声或粉红噪声的形式出现：即具有1/f功率谱密度的噪声。鉴于反比关系，电压波动对噪声升高的贡献在较低频率下具有更大的幅度。

然而更具体地，发明人已经发现，只要解决了来自二极管的意外显著级噪声以及对收集器和倍增极的伴随影响，通过使用跨端子倍增极或终端倍增极区域连接的三个以上齐纳二极管，可以有效地提供电子倍增器线性度的增加。

在不希望以任何方式受到理论限制的情况下，提出问题噪声可以由齐纳二极管P-N结处的电子从结的一侧随机跃迁到另一侧而产生。这造成了被观察为电压波动的电荷不平衡。这种电压波动沿着电路传播，并在输出信号中产生噪声。同时，这种电压波动驱动电子跨P-N结返回，来回运动发出电磁辐射，很像天线。当这种电磁辐射到达导电元件(如倍增极和收集器/阳极)时，其调制穿过它们的电子流。对于固定电阻，这些调制被转换成电压调制。跨边界的跳跃在大小和时间上是随机的，所以这产生了随机的、不相关的电磁辐射。

本文公开了电子倍增器的各种实施例，该电子倍增器被设计成特别减少电子收集器和/或携带电子离开电子收集器的导电元件(例如导线)以及存在的任何倍增极的暴露。收集器和/或相关联的导管特别容易受到连接的齐纳二极管内产生的电压波动和/或由它们发射的电磁辐射，尤其是无线电频带内的辐射的影响。这些频率下的电压波动和辐射增加了电子倍增器输出的噪声基底，并且相应地一些信号可能丢失(即未被检测到)。

鉴于上述发现，提供用于减少电子收集器和/或导电元件和/或任何倍增极暴露于有害电压波动和/或电磁辐射的装置。

在本发明的一些实施例中，电压波动在源处，即在稳压部件或系统处被减小。例如，可以设置过滤掉有害频率的部件或系统。在一个实施例中，稳压部件或系统是一个或多个齐纳二极管，在这种情况下，多极滤波器可以跨一个或多个齐纳二极管中的每一个连接。多极滤波器为电压波动的较高频率分量(相对于带状电流较高)提供到地的路径。在这方面，大量的电压波动被控制并引导到电接地，而决不会朝向倍增极、收集器或收集器导管行进。多极滤波器的示例性布置跨在最后一个倍增极和收集器/阳极之间的47V齐纳二极管连接，使用额定为200V的两个22nF电容器和47kOhm电阻器。这两个电容器并联连接。47kOhm电阻器与两个电容器中的一个串联连接，以改变其频率响应。

齐纳二极管内发生的电压波动完全是随机的，因此它们包含非常宽的频率范围。波动幅度随频率而减小。这些频率一起产生“粉红”噪声，这与“白”噪声(在所有频率下幅度相等)是有区别的。

在一些实施例中，通过使用设置在稳压部件或系统外部的电磁辐射拦截器来减少倍增极、收集器或收集器导管对齐纳噪声的暴露，该电磁辐射拦截器能够以某种方式干扰电磁辐射到倍增极、收集器或收集器导管的传输。因此，辐射可以被吸收和/或反射和/或偏转和/或转向和/或弯曲和/或抵消和/或衍射和/或折射和/或耗散，从而至少减少撞击到倍增极、收集器或收集器导管上的电磁辐射的量。

关于确定要截获的电磁辐射，可以考虑电子倍增器中的物理结构，其通常从大约0.1毫米到几十厘米不等。如果这些结构被认为是四分之一波长或半波长天线，那么理想波动方程告诉我们，频率预计在：4x 299,792,458/(0.01X 1E9)＝120GHz的范围内。如果是1毫米，频率增加到1THz；如果是10厘米，频率降低到10GHz。

在本发明的一些实施例中，在源处减少一些电磁辐射，并且另外，在源外截获的一些电磁辐射和/或一些电压波动被转移。关于电压波动，申请人已经根据经验证明，跨3个齐纳二极管中的每一个使用2级多极滤波器，结合设置在二极管和收集器之间的RF屏蔽件，可以将100V、100V和50V下的噪声降低到最多为单个50V齐纳二极管的噪声。经发现，3个齐纳二极管改进了倍增器的线性度，但是没有注意到由噪声引起的灵敏度、动态范围和量化精度的预期损失。

可以预期，3个齐纳二极管的结合将降低倍增器的运行寿命，因此，技术人员甚至不认为这种方法是有用的。然而，本发明人意识到，对于某些用户来说，延长的运行寿命不是主要关注的问题。一些电子倍增器用户更关心的是更高水平的线性度，尽管这些用户不会同时接受灵敏度、动态范围和定量精度的任何实质性下降。本发明首次提供了一种满足此类用户技术要求的电子倍增器产品。

在电子倍增器的现有技术中，术语“线性度”可以指倍增器性能的两个方面之一。第一个用途是关于DC线性度，它可以指给定“增益”的实际和预期电子倍增器输出之比，作为输出电流的函数。在这种情况下，对于完美的线性响应，电子倍增器输入增加10倍，那么输出也应该增加10倍。术语线性度的第二个用途与脉冲线性度有关，是对给定增益下电子倍增器响应N个同时离子到达的能力的度量。它可以用与DC线性度相同的方式进行测量。不同之处在于，DC线性度是在不确定的工作周期内测量的线性度，而脉冲线性度是作为瞬时响应测量的。这两种线性度在功能上是相互联系的。

DC线性度和脉冲线性度分别主要是电压崩溃和电容的函数。本发明涉及DC线性度以及电压崩溃对DC线性度的影响。然而，通过稳压部件或系统解决电压崩溃来改进DC线性度可以在某种程度上间接改进脉冲线性度，这是技术人员容易理解的。

通过本发明，通过添加稳压部件或系统来改进线性度。在本发明的示例性形式中，稳压部件是齐纳二极管或其功能等同物。在这种情况下，齐纳二极管通过锁定电路中两点之间的电压来运转，从而限制或防止导致倍增器中非线性响应的电压崩溃。如本领域所理解的，齐纳二极管偏离理想行为。例如，反向击穿电压(Vz)根据施加的电流有所变化。然而，在本发明的上下文中，变化可以忽略不计，并且出于实际目的，齐纳二极管的Vz可以被认为是与电流无关的。为了提供更好的线性度，可以使用多个齐纳二极管，优选至少3、4、5、6、7、8、9或10个齐纳二极管被结合到电子倍增器中。

稳压部件或系统通常被引入到电子倍增器电路中，以解决在具有显著电子吞吐量水平的一个或多个倍增极或一个或多个倍增极区域处的电压崩溃。这通常是在离散倍增极倍增器中的端子中的至少1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个倍增极。对于连续倍增极倍增器，稳压部件或系统通常被引入以解决倍增器的一个或多个倍增极的端子至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％区域中的电压崩溃。优选的是，首先在最高电子吞吐量的倍增极或倍增极区域(即，端子倍增极或区域)引入稳压部件或系统，以便在线性度方面给出最有益的效果。在没有达到所需线性度水平的情况下，可以引入进一步的稳压部件或系统。例如，在具有12个倍增极的离散倍增极电子倍增器中，齐纳二极管(具有噪声滤波器)可以添加到两个端子倍增极(即倍增极11和12)中的每一个。在评估线性度后，可以决定需要进一步改进，在这种情况下，齐纳二极管(具有噪声滤波器)可以被添加到紧接在第11个倍增极之前的倍增极(即倍增极10)。如果需要进一步改进，则可以将另一个齐纳二极管(具有滤波器)添加到第9个倍增极，依此类推。优选地，总体电压稳定提供大于约50μA、60μA、70μA、80μA、90μA或100μA的线性度。

增加齐纳二极管的代价是电子倍增器的运行寿命缩短。这发生是因为锁定两个区之间的电压阻止了电压增加以补偿电子倍增器的电子发射表面的老化。理论上，几乎无限的线性度可以以几乎所有电子倍增器寿命为代价来实现。因此，要根据预期的最终用户的需求来达成技术平衡。

齐纳二极管噪声在现有技术中不是实质性问题，原因有三。首先，通常只使用一个齐纳二极管，从而限制了引入倍增器的齐纳噪声源的量。其次，齐纳二极管通常被放置在最后一个放大事件的位置(例如，在一个离散倍增极电子倍增器中的最后一个倍增极)和收集器/阳极之间。这通常只是低电压(～50V)。较低的齐纳二极管电压比较高的齐纳二极管电压产生较少的噪声。第三，齐纳二极管通常不单独用于改进电子倍增器的线性度。如果电子倍增器的电阻降低，那么同样的工作电压将通过电子倍增器产生更大的“带状电流”。这继而延迟电压崩溃的发生。在电子倍增器(即熔融部件)的热和机械极限内，可以增加带状电流，而不会对性能或使用寿命产生任何实质性影响。因此，电子倍增器通常结合降低电阻和添加齐纳二极管以增加线性度。这种方法的一个意想不到的副作用是，齐纳二极管以电压波动的形式产生的噪声源于跨P-N势垒的随机瞬时电荷运动。这些电荷运动可以被认为是电流波动，对于具有较大带状电流的给定电压来说，电流波动相对较小。

对于所需的100μA线性度，可能需要使用至少3、4或5个齐纳二极管。在电子倍增器由低功率电源供电的情况下，不可能显著降低倍增器的电阻来增加带状电流和延迟电压崩溃。相反，可以使用更高电压的齐纳二极管(例如约100v)。在给定多个齐纳二极管噪声源的情况下，以这种方式设计的电子倍增器相对于上述缓解因素提出了具有挑战性的场景，这些齐纳二极管噪声源在高压下被驱动以产生显著的噪声，而没有能力用高带状电流进行补偿。

本发明可以(但不一定)提供一种或多种优于现有技术的电子倍增器。例如，与现有技术的倍增器相比，可以在保持相同(或更低)电子噪声水平(因此灵敏度)的同时提供更大的电压稳定性(因此更大的线性度，继而提供线性度)。额外的线性度可以转化为电子倍增器的更大的动态范围。包括本发明的电子倍增器的质谱仪可以使用更大的动态范围来实现更大的吞吐量。较低的噪声底还可以通过增加采集数据的信噪比间接改进质谱仪的吞吐量。

线性度可以使用电压稳定装置(例如通过3、4或5个齐纳二极管)来增加，而不降低跨电子倍增器的电阻。这允许使用低功率电源为高线性电子倍增器供电。在现有技术中，高线性电子倍增器使用较低的总电阻来增加带状电流。虽然这样可以减少齐纳噪声的影响，但需要高功率电源，因为功率是电压和电流的数学乘积。

电子倍增器中的数字化器和模数转换器(ADCs)的一些实现对输入信号中的低频分量提供较大响应和/或对高频分量提供较弱响应。Delta-Sigma ADCs是后者的示例。它们的优点之一是将噪声“混合”到它们不敏感的高频中，继而提高信噪比，从而增加位深度。诸如Delta-Sigma ADCs的系统对齐纳二极管噪声特别敏感，但是当与用于限制倍增极、电子收集器和/或导管暴露于二极管内的电压波动和/或二极管发出的电磁辐射的装置一起使用时，可以从多个齐纳二极管的使用获益。

为了更充分地描述本发明，参考本文中图2、图3、图4、图5、图7、图8和图9所示的非限制性实施例。图2和图6供比较之用。

首先转到图1，示出了现有技术的电子倍增器的电路的表示。在运行中，输入离子(10)存在于诸如质谱仪(未绘制)的仪器中，并且撞击倍增器的第一倍增极(15)，引起二次电子(20)的发射。这些二次电子随后撞击第二倍增极(25)以释放二次电子(30)，这些二次电子继而撞击第三倍增极，依此类推。对于每一个倍增极，电子数量呈几何级数增加，导致由最终倍增极(40)发射的二次电子(35)的雪崩。由最终倍增极(40)发射的电子被收集器(45)收集，并形成输出信号，该信号由导管(50)传导到分析仪(未绘制)。

倍增器带状电流电荷载流子沿着倍增器运行，如图箭头(55)所示。流过倍增器的端子区域(60)的大量二次电子利用区域(60)中的带状电流，引起端子区域(50)中电压崩溃的倾向。正如本文别处所解释的，电压崩溃对倍增器线性度具有负面影响。端子区域(60)示出包括三个倍增极，尽管考虑到倍增器中的每个倍增极都能够引出带状电流并导致电压崩溃，但可以包括任意数量的倍增极。

图2示出了与最终三个倍增极串联连接的三个齐纳二极管(65、70、75)的使用，并为这些倍增极替换了图1中所示的电阻器。类似的布置如图3所示，除了齐纳二极管(65、70、75)相对于地(80)并联连接到近端电阻器。在这两种情况下，齐纳二极管(65、70、75)的作用是锁定最终3个倍增极的电压，以防止电压崩溃，并因此保持倍增器的合理线性度。申请人发现图2和图3的倍增器显示出有用的线性度(比具有1或2个齐纳倍增极的版本有所改进)，然而发现检测下限受到影响。发现齐纳二极管(65、70、75)内的电压波动和/或由齐纳二极管(65、70、75)发射的电磁辐射会导致输出信号的衰减，这继而提高了倍增器的噪声底。

图4示出了图2的实施例，尽管多极滤波器(在该实施例中是成对的电容器和电阻器85、90、95)跨齐纳二极管(65、70、75)中的每一个并联连接。

图5示出了图3的实施例，尽管多极滤波器(在该实施例中是成对的电容器和电阻器85、90、95)跨齐纳二极管(65、70、75)中的每一个并联连接。

在图4和图5的实施例中，发现由于3个齐纳二极管(65、70、75)的存在，线性度得到改进，并且通过使用电容器(85、90、95)减少了倍增器输出的衰减。电容器(85、90、95)的滤波功能通过将噪声从齐纳二极管(65、70、75)分流到地(40)来运行，从而减少收集器(45)的暴露。对于某些应用，发现对入射离子的检测极限是不可接受的。

为了进一步提高性能，RF屏蔽件(作为示例性电磁辐射拦截器)被并入电子倍增器的结构中或以新结构的形式提供。RF屏蔽件的功能是减少收集器(45)暴露于从齐纳二极管(65、70、75)发射的电磁辐射。

转到图6，示意性地示出了现有技术的离散倍增极电子倍增器的总体结构。倍增器包括一系列离散的倍增极(其中三个标记为15、25、40)和由第一板(105)和第二板(110)支撑的电子收集器(45)。板(105)和(110)通常由陶瓷材料制成。电气部件(未绘制)通常安装在板(105)和(110)中的一个或两个上。

图7示出了本发明的电子倍增器，该电子倍增器的总体结构基本上与图6相同，尽管在其上安装了具有电气部件(120)的第三板(115)。在该实施例中，第三板(115)包括电子倍增器运行所需的所有电子元件。第三板通过安装件(108)附接到第一板(105)。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在修改安装件(108)之后，可以将电气部件(120)安装在第三板(115)的内表面上。

图7的实施例的电路系统如图4所示，齐纳二极管(65、70、75)安装在区域(130)中的第三板上，与二极管电连接的三个端子倍增极(38、39、40)相邻。

RF屏蔽件(125)设置在第一板(105)和第三板(115)之间，其延伸一定长度并被定位成抑制或防止由区域(130)中的齐纳二极管(65、70、75)发出的噪声撞击收集器(45)。

其中设置的比倍增极(38)更高的倍增极(如图所示)连接到齐纳二极管，RF屏蔽件(125)延伸得更高(如图所示)，以便有效地屏蔽收集器(45)免受那些更高(如图所示)倍增极发出的噪声的影响。在一些实施例中，RF屏蔽件(125)向上延伸(如图所示)以与板(105)和(115)的上(如图所示)边缘对齐，并且在这种情况下，可能不需要安装件(108)。

离散倍增极倍增器中的单“板”可以由多层构成，例如胶合板芯、由RF屏蔽材料组成的中间层和由工业标准材料组成的外层。

在一些实施例中，离散倍增极倍增器中的单板可以在其内部形成空腔，RF屏蔽件设置在空腔内。

本领域技术人员将理解，除了具体描述的那些之外，本文所述的发明还可以进行进一步的变化和修改。应当理解，本发明包括属于本发明精神和范围内的所有这些变化和修改。

虽然已经结合详细示出和描述的优选实施例公开了本发明，但是对本领域技术人员来说，对本发明的各种修改和改进将变得显而易见。例如，虽然本发明主要通过参考离散倍增极电子倍增器来描述，但是本技术人员将容易理解这些原理适用于其他类型的倍增器，包括CEM、多通道CEM、MCP、交叉场(magneTOF^TM)、Ceramax和双模电子倍增器。

因此，本发明的精神和范围不受前述示例的限制，而是在法律允许的最广泛意义上理解。

Claims (32)

1.一种电子倍增器，其特征在于，包括稳压部件或系统，所述电子倍增器被配置为在操作期间减少所述稳压部件或系统内的电压波动和/或由所述稳压部件或系统发射的电磁辐射对所述电子倍增器的输出信号的负面影响。

2.根据权利要求1所述的电子倍增器，其特征在于，所述电子倍增器被配置为提供输出信号，并且进一步被配置为将所述稳压部件或系统内的所述电压波动和/或由所述稳压部件或系统发射的所述电磁辐射与所述输出信号解耦。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的电子倍增器，其特征在于，包括电子发射表面和电子收集器，所述电子收集器被配置为从所述电子发射表面收集电子，其中所述电子倍增器被配置为减少倍增极(如果存在)和/或所述电子收集器和/或携带电子离开所述电子收集器的导电元件暴露于所述稳压部件或系统内的电压波动和/或由所述稳压部件或系统发射的电磁辐射。

4.根据权利要求3所述的电子倍增器，其特征在于，包括用于引导所述稳压部件或系统内的电压波动离开倍增极(如果存在)和/或所述电子收集器和/或携带电子离开所述电子收集器的导电元件的装置。

5.根据权利要求4所述的电子倍增器，其特征在于，所述用于引导电压波动的装置被配置为将所述电压波动引导至电接地。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的电子倍增器，其特征在于，所述用于引导电压波动的装置是频率特定滤波器，所述频率特定滤波器被配置为引导所述稳压部件或系统内的所述电压波动的一部分、大部分或基本上全部离开倍增极(如果存在)和/或所述电子收集器和/或携带电子离开所述电子收集器的导电元件。

7.根据权利要求6所述的电子倍增器，其特征在于，所述滤波器被配置为优先地对在所述稳压部件或系统中产生的所述电压波动的频率处的所述电压波动进行操作。

8.根据权利要求7所述的电子倍增器，其特征在于，所述频率的一部分、大部分或基本上全部高于所述电子倍增器的导体中的带状电流的有效频率。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的电子倍增器，其特征在于，所述滤波器被配置为过滤100Hz至1000GHz频带中的电压波动分量。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述滤波器是连接到所述稳压部件或系统的多极滤波器。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，包括电磁辐射拦截器，所述电磁辐射拦截器被配置为并且被定位成减少倍增极(如果存在)和/或所述电子收集器和/或携带电子离开所述电子收集器的导电元件暴露于的由所述稳压部件或系统发射的电磁辐射的量。

12.根据权利要求11所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器被配置为起吸收和/或反射和/或偏转和/或转移和/或弯曲和/或抵消和/或衍射和/或折射和/或耗散由所述稳压部件或系统发射的电磁辐射的作用。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器由导电和/或磁性材料制成。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器是连续的或不连续的，包括网。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器被配置为吸收和/或反射和/或偏转和/或转移和/或弯曲和/或抵消和/或衍射和/或折射和/或耗散由所述稳压部件或系统发射的一些、大部分或基本上全部的所述电磁辐射。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器是射频(RF)屏蔽件。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器或其部分在物理上沿着所述稳压部件或系统与倍增极(如果存在)和/或所述电子收集器和/或携带电子离开所述电子收集器的导电元件之间的视线设置。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器部分地或基本上完全包围所述一个或多个稳压部件或系统。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器接触或邻近所述电子倍增器的结构。

20.根据权利要求19所述的电子倍增器，其特征在于，所述结构是所述电子倍增器的板。

21.根据权利要求20所述的电子倍增器，其特征在于，所述板提供用于所述电子倍增器的一个或多个电气或电子部件的基板。

22.根据权利要求11至21中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述电磁辐射拦截器被配置为吸收和/或反射和/或衍射和/或折射0.1GHz至1000GHz频带中的电磁辐射。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述稳压部件或系统是限流部件或系统。

24.根据权利要求23所述的电子倍增器，其特征在于，所述限流部件或系统是或包括二极管。

25.根据权利要求24所述的电子倍增器，其特征在于，所述二极管是压敏二极管。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述稳压部件是齐纳二极管、雪崩二极管或其功能等同物。

27.根据权利要求1至25中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述稳压系统包括至少一个齐纳二极管、雪崩二极管或其功能等同物。

28.根据权利要求1至25中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，所述稳压系统包括至少1、2、3、4或5个齐纳二极管或雪崩二极管或其功能等同物。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的电子倍增器，其特征在于，由所述稳压部件或系统发射的所述电磁辐射是闪烁噪声或粉红噪声。

30.所述的电子倍增器如本文参照附图基本描述并如附图所示，不包括现有技术附图。

31.所述的电子倍增器如参考本说明书基本描述，不包括现有技术说明书。

32.一种科学仪器，其特征在于，安装有根据权利要求1至31中任一项所述的电子倍增器。