CN208092569U - 温度受控电子设备、控制电路以及离子光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种温度受控电子设备，其包括：电路板；多个电子组件，其以形成至少一个电子电路的布置安装在所述电路板上；温度传感器，其经配置以测量所述至少一个电子电路的温度；以及热产生组件，其经配置以由温度控制电路控制，所述温度控制电路经配置以响应于由所述温度传感器测量的所述温度而控制由所述热产生组件产生的热的量。所述多个电子组件布置在所述电路板上以位于一个或多个路径中的一者上，所述一个或多个路径中的每一路径由具有半径的相应圆界定。

Description

温度受控电子设备、控制电路以及离子光学装置
技术领域
本实用新型涉及温度补偿式电子设备，其可形成用于从RF输入信号产生DC电平的RF检测器的部分。还提供此类RF检测器，以及用于设定RF电位的振幅的控制电路，所述RF电位用于使用此RF检测器供应到分析仪器中的电子放大器。所述分析仪器可为包括离子光学装置的质谱仪，例如四极滤质器。
背景技术
用于将AC电压转换成表示AC电压的振幅的等效DC电压的技术在许多电气或电子系统中是众所周知的。在离子处理和质谱分析领域中，射频(RF)检测器使用此类技术来将RF电压变换成指示RF电压的振幅(作为DC电压)的对应信号，作为闭环控制电路的部分来将RF电压的振幅维持为恒定的。将理解，此类DC电压并不严格地为随时间推移而振幅恒定的DC电压。实际上，DC电压为具有的DC电平指示RF电压的振幅的信号，所述振幅可能随时间推移而恒定，也可能随时间推移取决于作为输入的经变换RF 电压而逐渐改变。
闭环控制电路可形成离子光学装置的部分，例如四极杆、离子阱、碰撞室或离子光学透镜。RF电位的振幅变化可能会影响离子在离子光学装置中所经受的电场，从而引起不合需要的效果，例如不准确测量和离子的损耗。
AC到DC转换中所使用的组件的电流-电压(I-V)特性将对DC输出电平具有显著影响。确切地说，常常用于整流的有源组件具有相对于温度非线性改变的电流-电压特性。举例来说，当前最常用的半导体材料是硅，其掺杂有不同的其它化学元素且组合以形成 PN结。此结具有温度相依性，相依性体现为跨越所述结的电压与穿过所述结的电流之间的关系取决于结温度。
参考图1，示出穿过二极管的电流(ID)与跨越二极管的电压(UD)之间的已知关系以及此关系如何相对于温度而变化。此关系以图形和数学形式两者示出。每一半导体在其电流路径中具有内部电阻部分(对于二极管通常约为15到30Ω)，因此甚至在正常操作中也会发生一些功率损耗。此功率损耗的后果为，二极管的半导体PN结或金属半导体肖特基结的温度将增大。因此，如图1所示，此类效果为自放大式的，且不会自己达到稳定条件。二极管通常还具有不大于约1pF的寄生电容。
接下来参考图2，描绘用于使用二极管20将输入AC电压信号10转换为对应DC电压60的RF检测器的典型现有电路，以及说明输入电压(Urf)与二极管中耗散的功率(PD) 之间的关系的曲线图。此类设计例如用于由赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)(TM)以品牌名称“iCAP”、型号“Q”和“RQ”出售的电感耦合等离子体 (ICP)质谱仪中。RF检测器通常用于电子闭环电路中，以将RF信号的振幅保持于所需的恒定电平。RF检测器包括：二极管20；电阻器30；电容器40；以及电感器50。电容器40和电感器50形成低通滤波器，以使得DC输出60具有低纹波。由于将半导体(二极管20)用作整流元件，因此这种配置是温度相依性的。电压与二极管中耗散的功率(其与二极管温度TD紧密联系)之间的关系是高度非线性的。此导致AC输入10的振幅与 DC电压电平60之间的关系相对于温度也是非线性的。
因此，温度影响将在RF检测器电路的输出60处造成DC偏移电压误差。此DC偏移电压也相对于传入AC电压10具有非线性关系，因为较高传入电压10将引起二极管(和潜在的其它组件)中的较高电流、二极管中的较多功率损耗且因此引起较多热，从而改变二极管的电流-电压特性。在提供高功率输入时，例如对于待提供到离子光学装置的 RF电位，这尤其成问题。
还已知通过外部温度控制来将电路维持于恒定温度，如在例如US-2,221,703和US-2,930,904中所考虑。举例来说，温度传感器可用以检测温度，且通过闭环反馈，加热器可接着在温度低于所要水平的情况下增大温度。温度由此通常维持于高于室温的温度。此方法之构思为消除整流组件自身中的热相关误差源。通过保持温度恒定，来自检测器的电压可随时间推移而保持精确且稳定，甚至在温度改变时也是这样。
参考图10，示意性地示出用于现有环境温度补偿式RF检测器电路500的组件的布置。电路500包括：整流二极管520；负载电阻器530；电容器540；电感器550；加热电阻器560；晶体管570；运算放大器580；以及无源控制组件590。这些都安装在印刷电路板(PCB)上。鉴于电气要求，所述组件通常以对称方式布置，所述对称方式由对称线501指示。
温度传感器595测量PCB上所选点处的温度，且提供相应的热量以保持温度稳定。整流二极管520、负载电阻器530、电容器540和电感器550为形成RF检测器(例如，如图2所示)的受热组件510。在PCB上位于受热组件510下方的晶体管570控制穿过加热电阻器560的电流，其维持热水平。晶体管570由运算放大器580和其相关联的无源控制组件590控制，以设定加热水平。此闭环控制电路位于致动晶体管570下方。
加热电阻器560将由所供应电流确定的功率转换为热能以加热其所环绕的组件510。热传输主要通过经由PCB材料的热传导来实现，PCB材料通常由FR4材料制得。此布置意欲在环境温度处于15℃到35℃的范围中时提供恒定温度。
此方法具有若干缺点。首先，热经由电路的流动不均匀，从而使得难以进行稳态控制。此外，每一电阻器具有其自身的公差，从而使得难以设定所产生的热量。致动器570 还表示额外热源，从而由于其寄生电阻、流过其的高电流以及其集电极与发射极之间的电压而变热。这些效果在PCB的表面上产生不均匀的温度，且给出较长时间常数以达到热平衡。根据欧姆定律和功率公式(P＝I2R)，电流的小改变可引起所耗散功率和所得热效应的大改变。此非线性关系使得控制更为棘手。
此技术大体旨在降低室温改变对输出可能具有的任何影响。在一些情形中，以此方式控制电路温度效率较低，在提供高功率输入信号时尤其如此。由电路(自热)，尤其是二极管，产生的热因此可能对性能具有显著影响。电流-电压关系与温度之间的关系可能是线性的，但通常是非线性的(二次或对数)。组件的紧密接近使得所述关系更加不可预测。此外，整个电路的面积比组件(例如二极管)的小裸片大小大得多。因此，使组件的温度改变的时间可能比整个电路板温度改变相同量的时间小若干量级。此使得使用此类环境温度补偿技术来缓解自热效应非常具挑战性。
因此，提供如下电路将高度有利：例如，使用整流组件(例如二极管)，且明确地说用于以高输入电压和/或功率操作，其中电流-电压特性具有减小的(优选地最小或可忽略的)温度相依性和/或稳定的操作温度。
实用新型内容
依据此背景，提供一种温度受控电子设备，其包括：电路板；多个电子组件，其以形成至少一个电子电路的布置安装在所述电路板上；温度传感器，其经配置以测量所述至少一个电子电路的温度；以及热产生组件，其经配置以由温度控制电路控制，所述温度控制电路经配置以响应于由所述温度传感器测量的所述温度而控制由所述热产生组件产生的热的量；且其中所述多个电子组件布置在所述电路板上以位于一个或多个路径中的一者上，所述一个或多个路径中的每一路径由具有半径的相应圆界定。其中所述温度受控电子设备可以为RF检测器。
提供一种用于设定用于供应到分析仪器中的电子放大器的RF电位的振幅的控制电路，所述控制电路包括：控制器，其经配置以从RF产生器接收RF信号，接收指示所述 RF电位的所述振幅的信号，且从基于指示所述RF输入信号的所述振幅的所述所接收信号调整的所述所接收RF信号提供RF输出；输出电路，其经布置以从所述控制器的所述RF输出产生用于供应到所述分析仪器中的所述电子放大器的所述RF电位；以及上述RF 检测器，其经配置以接收所述RF电位且产生指示用于所述控制器的所述RF电位的所述振幅的所述信号。
提供一种离子光学装置，其包括：电极布置，用于使用所接收RF电位产生RF电场；RF产生器，其经配置以产生RF信号；以及上述控制电路，其经配置以从所述RF产生器接收所述RF信号且将所述RF电位提供到所述电极布置。在附属权利要求中详述本实用新型的进一步特征。
使用安装在电路板上的电子组件形成温度受控电子设备。所述温度控制使用：温度传感器，其测量至少一个电子电路的温度；温度控制电路；热产生组件，其由所述温度控制电路控制以响应于由所述温度传感器测量的温度而产生热(且由此提供闭环控制)。电子组件布置在所述电路板上以位于一个或多个路径上，所述路径中的每一者沿循具有半径的相应圆。所述一个或多个路径可为多个路径。接着，所述多个路径中的每一者可沿循具有(不同)半径的相应同心圆。换句话说，所述组件布置成圆，距(共用)中心点的距离逐渐增大。此举可改善热分布。热管理可更准确，且可比现有电路设计具有对热改变的更快响应。优选地，所述电子组件以新颖的、可旋转对称的方式布置(以使得如果电路板旋转，那么所述布置看起来将大体相同)。
所述电子设备通常为RF检测器，其可形成用于离子光学装置的电力供应器的部分，确切地说，以提供以提供电位到所述离子光学装置的电极。所述离子光学装置可为四极杆。还可考虑离子光学装置和包括此类离子光学装置的质谱仪。使用本文中所描述的方法，电子设备可以更精确且稳定的方式工作，确切地说，允许将精确且稳定的电位提供到离子光学装置。所述RF检测器可在将AC(或RF)转换为相关DC电压的准确度方面得以改善，以供用于闭环高电压AC/RF产生器系统中，对室温改变和长期组件老化效应更具适应性。
有利地，所述电子组件被布置成使得在使用中耗散较高功率的电子组件处于半径比在使用中耗散较低功率的电子组件的路径半径大的路径上。换句话说，耗散较高功率的组件布置得距(共用)中心较远。确切地说，所述电子组件彼此分离，使得环绕所述电子组件的区域(没有其它电子组件位于其中)与所述电子组件在使用中耗散的功率的比率对于所有组件大致相同。因此，较高功率组件布置得比较低功率组件距中心远。
所述电子组件中的一些可重复。换句话说，替代单个功能组件，可实施多个功能组件以提供相同功能性。此可以如下方式完成：重复组件一起耗散的总功率与实现相同功能的单个组件耗散的功率相同，但归因于重复组件的温度增大低于对于单个组件将发生的温度增大。重复组件可各自在使用中耗散彼此相同的功率，且其可布置在同一路径上。
温度传感器优选地位于路径的(共用)中心点处。所述热产生组件有益地位于所述电路板的与所述电子组件(形成功能电路)相对的另一侧上。更优选地，所述热产生组件位于(共用)中心点处。在优选实施例中，所述热产生组件安装在散热器上，所述散热器延伸跨越所述电路板的背侧，与所述电路板的前侧上的电路(即，所述路径)共同延伸。有利地，所述热产生组件包括(或为)加热晶体管。切断器可沿着由与所述一个或多个路径同心的圆界定的切断路径而定位。所述切断路径的半径优选地大于一个或多个路径中的任一者的半径。任选地，散热器经布置以延伸直到切断器。所述电路板有益地包括可为铜的多个金属层。此可进一步改善热扩散，且可另外提供RF屏蔽。
附图说明
本实用新型可通过多种方式实践，且现将仅借助于实例且参考附图来描述优选实施例，在附图中：
图1示出穿过二极管的电流与跨越二极管的电压之间的已知关系以及此关系如何相对于温度而变化；
图2描绘用于使用二极管将输入AC电压信号转换为对应DC电压的RF检测器的典型现有电路，以及说明输入电压与二极管中耗散的功率之间的关系的曲线图；
图3示出使用RF检测器的离子光学装置的闭环控制RF电位电力供应器；
图4图示根据本实用新型的第一实施例的使用多个二极管的RF检测器；
图5示出图4的实施例的两个二极管的二极管电流与时间的曲线图，以及示出两个二极管电流与时间的总和效果的曲线图；
图6示出由图4的实施例的三个二极管耗散的总功率与时间的曲线图；
图7图示根据本实用新型的第二实施例的RF检测器；
图8a描绘用于图7的RF检测器的操作的RF信号振幅与时间的第一实例；
图8b描绘用于图7的RF检测器的操作的RF信号振幅与时间的第二实例；
图9示出可与本实用新型一起使用的已知ICP质谱仪的示意性图示；
图10示意性地示出用于现有环境温度补偿式RF检测器电路的组件的布置；
图11描绘根据第三实施例的用于RF检测器的热控制器的框图；
图12图示第三实施例的RF检测器和热控制器在印刷电路板的第一侧上的组件的布局；
图13示出图12的实施例的一个操作原理；
图14描绘图12的实施例的另一操作原理；以及
图15图示图12中所示的实施例的印刷电路板的第二侧上的组件的两个视图。
具体实施方式
参考图3，示出用于使用RF检测器的离子光学装置的闭环控制RF电位电力供应器。此以示意性形式描绘为框图。所述电力供应器包括：RF信号产生器100；闭环振幅控制电路110；以及环境温度补偿部分160。所述电力供应器提供受控RF电位145作为输出。此输出提供到离子光学装置，例如四极滤质器或质量分析器170。
RF信号产生器100产生RF信号105，所述RF信号作为输入提供到闭环振幅控制电路110。闭环振幅控制电路110包括：控制器120；RF放大器130；变压器140；以及 RF检测器150。通常为比例-积分-微分(PID)控制器的控制器120将受控RF信号125 作为输出提供到RF放大器130。RF放大器130放大受控RF信号125，且将经放大RF信号135提供到RF变压器140。RF变压器140的次级侧输出提供受控RF电位145。受控 RF电位145还经由分压器155作为输入提供到RF检测器150。分压器155由此提供经划分受控RF电位156。RF检测器150将所接收的经划分受控RF电位156转换为DC电平151，所述DC电平指示受控RF电位145的振幅。从分压器155到RF检测器的输入通常为约1到20V，频率为约1到10MHz。DC电平151以及来自RF信号产生器100的 RF信号105作为输入提供到控制器120，以便由此产生受控RF信号125。为了将闭环振幅控制电路110的环境温度维持在设定水平，环境温度补偿部分160测量环境温度，且在需要的情况下提供热165以将环境温度保持在设定水平。
现将尤其参考RF检测器150和环境温度补偿部分160来描述此电力供应器中的数个特定改善。
改善的RF检测器设计
图3中所示的RF检测器150的设计先前是根据如上文所论述的图2。RF检测器150使用至少一个半导体二极管(包括呈PN或肖特基结形式的半导体结)来对其RF输入进行整流且转换为DC电平。与图2中所示的RF检测器比较，RF检测器的改善设计因此是合乎需要的(在此类二极管可展现的对温度的敏感性方面)。
已认识到，使二极管中耗散或损耗的功率随时间推移而保持在固定(优选地恒定)水平通过避免二极管中的显著温度改变而减轻二极管自热的非线性效应。因此，二极管的I-V特性独立于温度，且由二极管中的功率损耗引起的任何偏移不再取决于总或平均输入信号功率。
一般来说，因此可考虑到经配置以接收输入信号的温度补偿式整流组件。所述温度补偿式整流组件包括二极管部分，用于对所接收输入信号进行整流且由此提供经整流输出信号。所述二极管部分具有操作温度。所述温度补偿式整流组件有利地进一步包括温度补偿控制器，所述温度补偿控制器经配置以控制(优选地，直接控制)所述二极管部分在预定时间周期内耗散的功率，使得操作温度在所述预定时间周期内的平均值满足预设准则。
还提供一种制造和/或操作温度补偿式整流组件、RF检测器、用于设定用于供应到分析仪器中的电子放大器(例如质谱仪中的离子光学装置)的RF电位的振幅的控制电路、离子光学装置和/或质谱仪的方法，其具有与本文中的任何特定设备或装置的功能性对应的一个或多个功能步骤。所述离子光学装置优选地为四极离子光学装置，例如四极离子阱或四极离子导引件。
所述二极管部分优选地用于对RF输入信号进行整流。所述二极管部分优选地用于对RF输入信号进行整流，所述信号例如具有至少50KHz、100KHz、1MHz、2MHz、5MHz 或10MHz和/或不大于5MHz、6MHz、7MHz、8MHz、9MHz或10MHz的频率。频率范围可例如介于1MHz与10MHz、1MHz与8MHz、1.5MHz到6MHz或3MHz到5MHz 之间。然而，在一些情况下，所述二极管部分可适合于对高达1GHz的RF输入信号进行整流。通常，所述二极管部分用于对低到1V、3V或5V和/或高达7V、10V、15V 或20V的输入信号进行整流。所述二极管部分可用于对具有低到1W、3W、5W或10W 和/或高达10W、15W、20W、25W或30W的功率的输入信号进行整流。所述二极管部分有益地包括半导体二极管，其例如由硅、锗、SiGe、GaAs、GaN、SiC或材料的组合制得。所述半导体二极管可为PN结二极管或肖特基二极管(具有金属-半导体界面)。鉴于数个因素，肖特基二极管是有利的。首先，其从前向到反向偏压的切换时间(例如约10ns)通常比硅二极管(通常约100ns)小得多。而且，其性能通常具有较小温度相依性，且其寄生电容通常小于PN结二极管。
优选地，温度补偿控制器经配置以将二极管部分在预定时间周期内耗散的总功率控制在设定水平。确切地说，此使得操作温度在预定时间周期内的平均值(大致)恒定。在此上下文中，操作温度在预定时间周期内的平均值通常理解如算术平均值。确切地说，预设准则可为二极管部分耗散的功率和/或操作温度在预定时间周期内的平均值恒定 (即为设定值)或从设定值改变不大于20％、15％、10％、5％、2％或1％。在另一意义上，操作温度在预定时间周期内的平均值不可改变大于1℃、2℃、5℃、10℃或15℃。另外或替代地，温度补偿控制器可经配置以控制二极管部分在预定时间周期内耗散的功率，使得二极管部分耗散的功率和/或操作温度在预定时间周期内的平均值不超过第一阈值且不低于第二阈值。可参考上文所论述的最大变化设定第一阈值和/或第二阈值。所述第一阈值通常小于100℃。所述预定时间周期可为1s、2s、5s、10s、20s、25s、 30s、40s或45s。
在本文中与对组件的温度补偿相关的描述(尤其参考以上图2以及以下图4和7)中，整流二极管已示出为用以对所接收AC电位进行整流的单个二极管。然而，更常用的实施方案将使用呈格雷茨桥式整流器配置(Graetz bridge rectifier configuration) 的至少四个二极管。实际上，四个二极管中的每一者可由两个或更多个并联二极管实施，以缓解每一二极管的高电流负载。一般来说，温度补偿式整流组件可形成桥式整流器电路的部分。
以更一般术语且在另一方面中，将理解，可提供RF检测器。RF检测器优选地用于从RF输入信号产生DC电平，且可包括整流级，所述整流级经配置以接收所述RF输入信号且由此提供经整流RF信号。所述整流级有利地包括至少一个根据本实用新型的温度补偿式整流组件。所述RF检测器可进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器经布置以从所述经整流RF信号提供指示所述RF输入信号的振幅(作为DC电平)的信号。确切地说，所述低通滤波器经配置以抑制所述经整流输入RF信号的非所需较高谐波分量 (换句话说，降低纹波电压)。在优选实施例中，所述至少一个温度补偿式整流组件为例如形成桥式整流器的多个温度补偿式整流组件。任选地，所述RF检测器进一步包括环境温度补偿器，所述环境温度补偿器经配置以响应于确定二极管部分的操作温度小于设定温度而加热所述二极管部分。
呈现用以实现此固定或恒定功率耗散的两个特定实施方案。这些实施方案中的每一者可视为更广技术类别的特定实例，如现在将论述。这两种方法中的第一者当前是优选的。
次级二极管方法
此方法的基本原理为，除了用于对(RF)输入电位进行整流的二极管(“第一”二极管)以外，还提供第二二极管。第二二极管热耦合到第一二极管，使得第一二极管与第二二极管的温度紧密联系且基本上相同。此可为以下情况：第一二极管与第二二极管设置于例如呈集成电路、芯片或其类似者形式的同一装置封装(多装置封装)中。可基于封装温度(其很大程度上随第一二极管耗散的功率而变)来控制由第二二极管耗散的功率，以便将封装所耗散的总功率(将为第一二极管和第二二极管两者所耗散的功率的总和)保持在恒定和/或设定水平。在如此操作时，封装温度且因此第一二极管的温度得以调节。原理上，可根据此方法提供多个“第二”二极管，但这将需要基于第一二极管控制每一“第二”二极管所耗散的功率。
一般来说，如上文所详述，可认为二极管部分包括第一二极管，其经布置以接收输入信号且经配置以对输入信号进行整流，以便提供经整流输出信号。接着，所述二极管部分可进一步包括热耦合到第一二极管的至少一个其它二极管(使得其温度改变根据第一二极管的温度改变，且优选地使得第一二极管与至少一个其它二极管的温度相同)。温度补偿控制器有利地经配置以基于第一二极管所耗散的功率设定至少一个其它二极管所耗散的功率，且使得第一二极管和至少一个其它二极管在预定时间周期内所耗散的总功率为设定水平。可基于二极管部分的操作温度设定或与二极管部分的操作温度成反比关系来调整至少一个其它二极管所耗散的功率。在优选实施例中，至少一个其它二极管可包括第二二极管(热耦合到第一二极管，如上文所论述)。接着，温度补偿控制器包括补偿电流源，所述补偿电流源经配置以将补偿电流提供到第二二极管。可设定所述补偿电流以根据本文中识别的参数控制至少一个其它二极管所耗散的功率。
接下来参考图4，图示根据此第一实施例的使用多个二极管的RF检测器200。此可认为是硬件实施方案(与下文论述的第二实施例相比)。在示出与图2的RF检测器1的组件共用的组件之处，已使用相同参考数字。RF检测器200包括：二极管封装201；电阻器30；电容器40；以及电感器50。二极管封装201包括：第一二极管210；第二二极管220；以及第三二极管230。第一二极管210、第二二极管220和第三二极管230全部在同一封装中(且通常在同一组件或裸片上或在同一外壳中)，且因此全部热耦合到彼此。构成第一二极管210、第二二极管220和第三二极管230的组件面积大小可为约 0.5mm2。市场上有许多高频二极管可用，不仅有单单元封装，而且有两重、三重或四重配置。二极管嵌入其中的组件(例如，覆盖所有二极管的连续裸片区域)的大小为小的，且因此，二极管之间的热耦合非常好，温度改变之间具有小的延迟时间常数。
第一二极管210的目的是对输入AC电压信号10进行整流以提供信号60，所述信号接着由低通滤波器(由电阻器30、电容器40和电感器50形成)处理以提供无纹波的指示RF输入信号的振幅的对应信号。第二二极管220意欲提供额外功率耗散以控制温度，如上文所论述。第二二极管220的功率耗散由补偿电流(Icompensation)控制。补偿电流是基于二极管封装201的温度而产生。
原理上，可通过温度传感器确定封装温度。此在此实施例中使用第三二极管230有效地实现。恒定电流源(CCS)232将小电流Imeasure注入第三二极管230。计算来自CCS 232 的电流，使得无显著自温度效应可发生。因此，跨越第三二极管230的PN结的电压降指示第三二极管230的温度(且因此指示封装201的温度)。因此，此将设定第三二极管230的阳极相对于地面的电位UDT。运算放大器234测量此电压，此电压由放大器224 和晶体管功率放大器222进一步放大以将补偿电流提供到第二二极管220。如果运算放大器224、234无法提供足够电流，则提供晶体管功率放大器222以获得较高补偿，但如果不需要，则可省略晶体管功率放大器。这种配置可有效地形成闭环操作电路，从而将输入电压转换为输出电流。
此RF检测器200的实例操作可帮助理解温度调节。首先，假定非零电流流过第二补偿二极管220，且所有三个二极管的温度(即，封装201的温度)稳定。接着，RF输入信号10的振幅增大，从而引起较高电流穿过第一二极管210。此使得第一二极管210 的温度上升。由于二极管的封闭耦合，第三二极管230的温度也将上升(且实际上，第二二极管220和封装201的温度也将上升)。鉴于图1中示出的电压降基于温度的关系 (以上公式)，跨越第三二极管230的电压降将改变为较低值(-2mV/K)。电压降的此改变将引起UDT降低，且此将由运算放大器234拾获。结果，补偿电流Icompensation也将下降，从而降低穿过的电流且因此降低第二二极管220中耗散的功率。通过适当校准，由第一二极管210、第二二极管220与第三二极管230耗散的总功率因此保持相同。在RF输入信号10的振幅减小时将理解相反情境：引起跨越第三二极管230的电压降增大，且第二二极管220中耗散的功率增大。
第二二极管220D2中耗散的功率由此始终与第一二极管210中耗散的功率成反比关系。参考图5，示出第一二极管210(二极管电流ID1)和第二二极管220(二极管电流ID2)的二极管电流与时间的曲线图，以及示出两个二极管电流(ID1+ID2)与时间的总和效果的曲线图。在左侧曲线图中，描绘具有改变的水平的穿过第一二极管210的电流 ID1。中间曲线图示出穿过第二二极管220的电流ID2，将看出，其相对于穿过第一二极管 210的电流相反地改变。右侧曲线图示出两个二极管随时间推移的总和效果，其中两个二极管所耗散的总功率随时间推移而恒定，且因此，两个二极管的温度TD1+D2维持在恒定的固定水平，甚至在不同负载电流穿过第一二极管210的情况下也是这样。
参考图6，示出第一二极管210(PD1)、第二二极管220(PD2)和第三二极管230(PD3)所耗散的总功率与时间的曲线图，可看出，其为恒定的。放大器222、224、234、第一二极管210、第二二极管220、第三二极管230和CCS 232因此形成闭环电路，其维持功率损耗且因此维持封装201的温度恒定，而没有整流(第一)二极管210的特性的热改变的先前问题。尽管在这些实例中示出三个二极管，但将理解，第一、第二和第三二极管中的每一者在实践中可包括串联和/或并联地一起操作的多个二极管。优选地，对于每种类型的二极管(即，分别对于第一、第二和第三二极管中的每一者)，2到6个二极管串联地操作。
此实施方案的一个益处为，其以低成本简单明了地实施。此外，提供输入信号10的方式不需要软件改变，确切地说，作为图3的闭环控制器的部分。
一般来说，温度补偿式整流组件可进一步包括温度传感器，其经配置以产生指示二极管部分的操作温度的信号。可接着响应于指示二极管部分的操作温度的信号而产生补偿电流。为使此有效，温度传感器有利地热耦合到第一二极管和第二二极管。温度传感器可为第三二极管。举例来说，至少一个其它二极管可包括第三二极管，其热耦合到第一二极管和第二二极管。接着，温度补偿控制器可进一步包括恒定电流源，所述恒定电流源经耦合以获取穿过第三二极管的恒定电流。第三二极管的阳极处的电位可由此指示二极管部分的操作温度。因此，可基于第三二极管的阳极处的电位设定。温度补偿控制器任选地包括运算放大器电路，其经配置以基于第三二极管的阳极处的电位设定补偿电流。所述运算放大器可例如为跨导放大器。
通过软件控制二极管电流
根据上文识别的一般概念的替代方法为控制整流二极管中耗散的功率，使得整流二极管中耗散的功率在一段时间内平均为固定(恒定)水平。此优选地以软件实施。
参考图7，图示根据第二实施例的RF检测器300。在示出与图1的RF检测器1的组件共用的组件的情况下，已使用相同参考数字。RF检测器300包括：软件控制器310；二极管20；电阻器30；电容器40；以及电感器50。二极管20、电阻器30、电容器40 和电感器50以与上文相对于图1所描述的相同方式操作。软件控制器310控制将信号施加到二极管20以进行整流的方式，且因此控制二极管20中耗散的功率。原理上，软件控制器310控制二极管20中耗散的功率以随时间推移平均为(在算术意义上)固定且恒定的水平。换句话说，随时间推移耗散的平均功率保持固定。此通过在每隔一定间隔的虚设时间周期期间在二极管中耗散额外功率来实现，且现将使用实例来加以说明。
参考图8a，描绘用于图7的RF检测器的操作的RF信号振幅与时间的第一实例。在第一时间周期中，对第一振幅的RF信号进行整流(与俘获第一质量m1的四极滤质器或质量分析器170对应)，且耗散第一功率P1。所耗散功率取决于装置170中俘获和/或滤波的质量(或相反，离子的每一质量与对应RF振幅相关)。在第二时间周期中，对第二振幅的RF信号进行整流(与俘获和/或滤波第二质量m2的四极滤质器或质量分析器170 对应)，且相应地耗散第二功率P2。同样，在第三时间周期中对第三振幅的RF信号进行整流(与俘获和/或滤波第三质量m3的四极滤质器或170对应)，且对应地耗散第三功率 P3。
基于P1、P2和P3，软件控制器310确定在组合的第一、第二和第三时间周期内的平均功率耗散。其接着确定额外时间周期的持续时间和额外功率耗散，以便将组合的第一、第二、第三和额外时间周期内的平均功率耗散设定为等于所需的预定常数值。在此情况下，额外时间周期的持续时间示出为tDwell1，且所确定的额外功率耗散示出为PDummy(在效果上，好像质量mDummy的离子被四极滤质器170滤波)。应注意，额外振幅优选地显著高于最大可用RF振幅，以与用于分析器的RF振幅信号相比保持停留时间短。
参考图8b，描绘用于图7的RF检测器的操作的RF信号振幅与时间的第二实例。此在一些方面中且为方便起见类似于第一实例，借助于比较也示出第一实例中的功率耗散。在第四时间周期中，对第四振幅的RF信号进行整流(与俘获和/或滤波第四质量m4的四极滤质器170对应)，且耗散第四功率P4。在第五时间周期中，对第五振幅的RF信号进行整流(与俘获和/或滤波第五质量m5的四极滤质器170对应)，且耗散第五功率 P5。在第六时间周期中，对第六振幅的RF信号进行整流(与俘获和/或滤波第六质量m6的四极滤质器170对应)，且耗散第六功率P6。基于P4、P5和P6，软件控制器310确定在组合的第四、第五和第六时间周期内的平均功率耗散。其接着确定第七时间周期的持续时间和第七功率耗散，以便将将组合的第四、第五、第六和第七时间周期内的平均功率耗散设定为等于所需的预定常数值(其将有利地与第一实例中使用的预定常数值相同)。在此情况下，第七时间周期的持续时间示出为tDwell2，且所确定的第七功率耗散示出为PDummy*(在效果上，好像质量mDummy*的离子被四极滤质器170滤波)。
应注意，tDwell2大于tDwell1，且PDummy等于PDummy*(或mDummy与mDummy*相同)。这是因为二极管20具有最大功率耗散。因此，软件控制器310可能并不始终能够仅通过改变虚设功率耗散来控制二极管20中耗散的功率以随时间推移平均为固定水平。通过调整虚设时间周期的持续时间和/或虚设功率耗散，可更高效且有效地控制平均功率耗散。在实践中，始终使用最大功率耗散，且仅调整虚设时间周期的持续时间，以便保持虚设时间周期的持续时间尽可能短。
为以稍微不同的方式概括上文，功率耗散(y轴)与时间线(x轴)之间围封的区域可有效地表示整流二极管20中的功率损耗。利用此信息和虚设功率的可调整停留时间，由随时间的功率耗散图表围封的区域可固定在恒定水平。恒定区域意味着二极管中的恒定功率损耗。以此方式，二极管中的温度也保持恒定，且误差诱发的热改变不会发生改变。
一般来说，温度补偿控制器可经配置以控制二极管部分的操作，使得：在预定时间周期的第一部分期间，二极管部分基于所接收输入信号提供经整流输出信号；以及在预定时间周期的第二部分(与预定时间周期的第一部分不重叠)期间，二极管部分基于补偿信号提供经整流输出信号。补偿信号有利地经设定而使得二极管部分在预定时间周期内耗散的功率为设定水平。有益的是，温度补偿控制器经配置以设定补偿信号的振幅和 /或预定时间周期的所述第二部分的持续时间，使得二极管部分在预定时间周期内耗散的功率为设定水平。以此方式，温度补偿控制器可实施为计算机程序。
此类实施方案可能不如上文所论述的次级二极管方法优选。这部分地因为控制二极管电流将开销引入装置中(归因于在耗散虚设功率时的额外时间消耗)，从而使得其效率较低。在仅测量小数目的不同质量(例如，至多10)时，这可能尤其不利。在此情况下，每一轮次的5秒或更大的额外停留时间潜在地是不利的。然而，可能存在此方法比次级二极管方法更佳的情形。举例来说，在RF检测器的硬件改变较困难或不可能的情况下，其可能具有益处。
改善的环境温度补偿
参考图11，描绘根据第三实施例的用于RF检测器的热控制器的框图。所述热控制器包括：温度传感器610；温度控制电路620；分压器630；加热晶体管640；以及恒定电流源650。理想的是，提供热屏蔽件660以耦合加热晶体管640与温度传感器610。
温度传感器610测量电路的温度，且将指示此测量的温度信号615提供到温度控制电路620。温度控制电路620经配置以产生控制信号625，所述控制信号相应地控制加热晶体管640的操作。温度控制电路620通过比较温度信号615与设定温度水平635来实现此控制，所述设定温度水平指示所需的稳定操作温度且通过分压器630设定，且因此可由用户例如在校准或初始设置期间加以设定和/或调整。形成此热控制器和RF检测器电路(例如，如上文参考图4或7所描述)的组件的配置可能对其性能具有显著影响。
如上文参考图10所论述，实施环境温度补偿的现有方法具有显著缺点，尤其是归因于自热问题、组件的电流-电压关系与温度之间的非线性相关、组件的紧密接近以及实现电路板温度改变所需的长时间。此外，已识别其它问题：PCB表面上归因于组件布置的不良对称性的不均匀热分布；组件的由电子装置的高浓度引起的过量自热；鉴于加热源(或若干源)在PCB表面上的平面放置而将热传导用作主要听传递机制；以及由于对传感器置放的相依性而引起的准确热测量问题。这些问题一起导致不完美的管理，从而阻碍恒定温度且因此阻碍了稳定的RF检测器电压。
已认识到，这些问题有许多是源于少数常见的设计考虑因素。首先，组件的布置通常基于电气要求，而非电路的热特性来确定。第二，使用多点加热器(例如多个电阻器) 使得从热源到每一其它组件的距离不同。解决这些设计考虑因素可显著改善实施温度补偿的方式。
首先考虑组件的布置，应注意，电组件的常规布置具有镜像对称性(如由图10中的对称线501指示)。然而，此对称性对于确保PCB的相对较大表面积(与任一组件的表面积相比)上的相等温度的热管理来说并不理想。然而，其它形式的对称性可能较有益于更好的热管理，例如旋转对称性。此外，可通过使用加热组件的替代方式提供温度控制来获得进一步益处。
现参考图12，图示第三实施例的RF检测器(高频电压检测器)和热控制器在印刷电路板的第一侧上的组件的布局。在组件与图10中所示的组件相同之处，已使用相同参考数字(且可假定图12中的此类组件的功能与图10相同，除非另有指示)。将看出，不同于图10，图12中的组件的布置具有旋转对称性。沿着由不同半径的同心圆界定的路径提供所述组件。
在电路布置的中心处提供温度传感器700。紧接其周围提供电容器550。电感器540环绕电容器。接着在较宽半径处，安装二极管520。接着围绕另一圆形路径提供负载电阻器530。提供环绕整个电路的最终热切断器710。这些可将检测器电路区域从PCB的其余部分隔离。电路板上的连接由金属迹线提供，例如在两个切断器710之间传递的迹线705，其可将信号(电压和/或电流)从外部传输到检测器电路，且反之亦然。切断器内的电路的面积通常至少为2cm2或3cm2，且可能大达5cm2或10cm2。温度控制电路可能能够调节至少(或大于)2℃/小时、3℃/小时或4℃/小时的温度改变。其可能能够调节至多4℃/小时、4.5℃/小时或5℃/小时的温度改变。通常，
因此，替代使用组件的“随机”布局(或甚至具有简单镜像对称性的布局)，提供大体可旋转对称的布置(以圆或由相应圆界定的多边形的形式)。由于组件的径向布置，所有热产生(诱发或自我产生)将跨越检测器上的电路径向扩散。局部热点或具有不同温度的区域得以避免，且热流动路径到圆区域中的每个点是均匀的。在此布置中在PCB 上的任何组件由此具有相同温度。对称布置应用于所有组件和PCB自身。
如图12所暗示，组件的径向对称布置可应用于电路(在此情况下，检测器)的所有元件。组件如何电连接到彼此通常并不重要。在此方面，可实现串联和/或并联连接。举例来说，可以看出，电感器540是串联连接。相比之下，电容器550是并联连接。可在PCB的内部层处制得其它互连件，但此处未示出。
在此方面，一般来说，可因此考虑到温度受控电子设备，其包括：电路板(例如PCB)；多个电子组件，其以形成至少一个电子电路的布置安装在所述电路板上；温度传感器，其经配置以测量至少一个电子电路的温度；以及热产生组件，其经配置以由温度控制电路控制。温度控制电路经配置以响应于由温度传感器测量的温度而控制由热产生组件产生的热的量。确切地说，所述多个电子组件布置在所述电路板上以位于一个或多个路径中的一者上，每一路径由具有半径的相应圆界定(或沿循所述圆)。所述多个电子组件通常与所述温度控制电路分离。所述多个电子组件通常形成一个电子电路，但在若干实施例中，可能存在由多个电子组件形成的一个或多个其它电子电路。
所述一个或多个路径优选地为多个路径。接着，所述多个路径中的每一者可由具有 (不同)半径的相应同心圆界定或沿循所述同心圆。每一路径可由圆和/或拐角位于此类圆上的多边形界定。在路径是由多边形界定的情况下，位于所述路径上的组件有利地定位在多边形的拐角上。在此情况下，所述多边形通常为规则多边形。
温度传感器、热产生组件和温度控制电路通常经配置以提供闭环温度控制布置，以将所测量温度维持在设定水平。所述设定水平可为固定的、由用户确定的，和/或通常高于环境温度(或预期环境温度，例如在实验室中)。所述设定水平可借助于分压器设定，以例如提供用于与由温度传感器产生的信号进行比较的信号。温度控制电路可例如为比例-积分-微分(PID)控制器。所述一个或多个路径可为多个路径，确切地说，应理解为界定共用中心点。接着，温度传感器有利地位于所述共用中心点处。此可提供改善的(更准确的)温度测量。
任选地，温度受控电子设备进一步包括沿着由与所述一个或多个路径同心的圆界定 (或沿循所述圆)的切断路径定位的多个切断器。所述圆的半径优选地大于一个或多个路径中的任一者的半径。更优选地，温度受控电子设备进一步包括在电路板上的一个或多个导电路径，确切地说，金属迹线。这些可经配置以提供到和/或从至少一个电子电路的连接，每一导电路径在多个切断器中的相应邻近者之间延行。
温度控制电路优选地与所述一个或多个路径分开定位。换句话说，其经定位而远离形成所述至少一个电子电路的多个电子组件。然而，在次优选的实施例中，温度控制电路可由多个电子组件的一部分形成。
在优选实施例中，温度受控电子设备为RF检测器，且所述多个电子组件形成：整流级，其经配置以接收RF输入信号且由此提供经整流RF信号；以及额外低通滤波器，其可经布置以依据所述经整流RF信号输出RF输入信号的振幅的信号(作为DC电平)。 DC电平包括的纹波比经整流RF信号少(较少AC分量)。DC电平的主要分量因此可为DC 信号。在一些实施例中，DC电平可能具有一些(显著)较小的AC分量。如果存在RF输入水平的振幅的改变且在存在RF输入水平的振幅的改变时，DC电平将逐渐改变。整流级通常包括至少一个二极管(且可能包括多个二极管)。优选地，低通滤波器包括：电容器；以及电感器(和视情况选用的电阻器)。任选地，提供多个电容器和/或电感器和/或电阻器。RF检测器可形成用于设定用于供应到分析仪器中的电子放大器的RF电位的振幅的控制电路的部分。确切地说，所述分析仪器可为质谱仪。有利地，控制电路用于设定用于供应到离子光学装置的RF电位的振幅。控制电路又可形成用于离子光学装置的电力供应器的部分。可进一步考虑到包括此类电力供应器的离子光学装置和/或包括此类离子光学装置的质谱仪。
在另一方面中，可提供操作此类温度受控电子设备的方法。举例来说，所述方法可包括将电信号提供到所述电子设备，以便操作所述至少一个电子电路、所述温度传感器、所述热产生组件和所述温度控制电路。将电信号提供到所述电子设备可包括将输入信号 (有益地，AC输入信号)提供到电子电路。电子电路优选地为整流电路(用于将AC输入信号转换为DC输出信号)。电子电路对输入信号的作用效果通常为产生热(其可取决于 AC输入信号的功率)。所述方法优选地进一步包括使用温度传感器测量电子电路的温度。有利地，所述方法进一步包括使用所述温度控制电路响应于由所述温度传感器测量的温度而控制所述热产生组件。
另外或替代地，可考虑一种制造如本文所描述的温度受控电子设备的方法。还提供可能具有与本文中的任何特定设备或装置的功能性对应的一个或多个功能步骤的任何此类方法。
在其一般意义和特定情况两者下，此构思允许组件以径向方式(由半径和角度(r，θ)界定)而非以常规“笛卡尔”方式(由两个垂直轴线(例如x，y)中的每一者上的相应位置界定)放置。有利地，此准许多个电子组件定位在电路板的表面上，使得表面上的多个电子组件通常具有旋转对称性。以此方式，在整个组件中的热扩散可较均匀地扩散。
参考图13，示出图12的实施例的一个操作原理。为进一步改善热管理，组件另外扩散出PCB。对于每一功能组件，提供多个装置(如果装置受电流控制或响应于电流，例如为电感器，则串联地提供，或如果装置受电压控制或响应于电压，例如为电容器或整流二极管，则并联地提供)，以便降低每一个别装置的温度。举例来说，可并联地放置多个整流二极管，以相应地降低流过每一二极管的电流。归因于功率耗散的温度上升与电子装置中施加的功率成比例(Ploss≈Trise)。如图13中所示，消耗(和耗散)功率P1且具有温度T1的单个组件可由各自耗散功率P3且具有温度T2的三个组件替换。尽管消耗的总功率相同(3×P3＝P1)，但温度可降低，使得T2<T1。使用此技术，组件消耗的总功率不太密集地集中在PCB上，且自我产生的热在组件之间共享。通过分散每单位面积耗散的功率，热管理得以改善。
在一般意义上，可理解，形成至少一个电子电路的多个电子组件的一部分包括至少一组(且优选地多组)重复电子组件，每一组重复电子组件中的电子组件经配置以具有相同功能且在使用中耗散相同功率。每一组重复组件中的组件通常安装在电路板的相同路径上。
电路板上的电子组件的布置在上文提到为具有旋转对称性。如此处所解释，此允许更好的热耗散。但可使得组件的定位进一步改善。现参考图14，描绘图12的实施例的另一操作原理。电子组件经放置以便保持耗散到由所述组件覆盖或指派到所述组件的区域的功率比率固定或恒定。因此，耗散功率P1的、功率消耗(且因此耗散)较大的装置被指派的表面积A1比耗散功率P2的、功率消耗(且因此耗散)较小的装置被指派的较小表面积A2大。此在图12的布局中通过将较小功率耗散装置放置在半径小于放置较大功率耗散装置的路径的路径上来实现。因此，耗散更低的装置(耗散功率P3)被指派的表面积A3更小。以此方式，每单位面积耗散的功率可保持恒定，由此保持由自我产生的热引起的温度跨越电路恒定，且缓解一个组件与另一组件之间的热影响。
从上文所论述的一般意义上，应注意，多个电子组件中的每一者经配置以在使用中耗散相应功率。接着，每一电子组件可根据其在使用中的相应耗散功率而布置在路径上。另外或替代地，多个电子组件可经布置而使得经配置以在使用中耗散较高功率的电子组件布置在半径比布置经配置以在使用中耗散较低功率的电子组件的路径的半径大的路径上。在特定实施例中，多个电子组件可经布置而使得经配置以在使用中耗散相同功率的电子组件布置在相同路径上。
有益的是，如果第一电子组件布置在具有第一半径的第一路径上且第二电子组件布置在邻近于第一路径的第二路径(所述第二路径具有大于第一半径的第二半径)上，则第一半径与第二半径之间的距离是基于第二组件经配置以在使用中耗散的功率。
在另一意义上，多个电子组件可沿着一个或多个路径布置在电路板上且彼此分离，使得对于所述多个电子组件中的每一者，环绕相应电子组件的没有其它电子组件位于其中的区域与相应电子组件经配置以在使用中耗散的功率的比率大致相同(跨越全部所述至少一个电子电路或多个电子电路中的至少一者)。如果一个组件的比率与另一组件的比率相差不超过(或小于)10％、5％、2％、1％或0.5％和/或如果所述比率相差不超过(小于)0.1、0.05、0.01或0.005，则所述比率可大致相同。
接下来参考图15，图示图12中所示的实施例的印刷电路板的第二侧(与图12中所示的侧相对)上的组件的两个视图。示出俯视图15(a)和侧视图15(b)。图12中可见的热切断器710也可见于俯视图15(a)中。热产生装置为安装在散热器740上的晶体管730。晶体管710在连接720处连接到电路，所述连接在PCB的另一侧上也可见于图12中。尽管示出一个加热晶体管730，但可替代地使用多个加热晶体管。使用单个有源组件(在此情况下，晶体管)作为热产生器尤其有益的，因为其组合了电流或电压与装置中耗散的功率之间的线性关系以及可能以对称方式将热源放置到电路的优势。晶体管的线性功率关系与所耗散功率(且因此其热效应)与电阻器中的电压或电流的二次表达式(如上文所论述)形成对比。
散热器740有利地由金属制得，且延伸跨越PCB的背侧直到热切断器710，且因此在电路后另一侧的整个表面区域上延伸。散热器740跨越PCB的表面区域扩散热，以保持温度稳定且减少一旦产生热则需实现的温度平衡所花费的时间。此外，多个铜平面有益地设置于PCB的内层中。此可改善热扩散，且还充当RF屏蔽件。通过使用金属(替代PCB FR4材料)，利用其较大热导率，热均衡过程的时间常数极大地减小。散热器的一个特定优势为屏蔽分压器630，且由此保持用于温度控制的稳定参考水平。
在上文所论述的一般意义的优选实施例中，多个电子组件位于电路板的第一侧上，且热产生组件位于电路板的第二侧上(第二侧与第一侧相对)。可理解，一个或多个路径界定中心点(或如果存在多个路径，则界定共用中心点)，且接着，热产生组件有利地位于中心点处或其中心大体位于或接近于所述中心点(例如，不远离所述一个或多个路径中最接近于所述中心点的路径)。
优选地，所述热产生组件安装在散热器上。有利地，所述散热器经布置以延伸跨越电路板的第二侧，与界定在电路板的第一侧上的一个或多个路径共同延伸。更优选地，散热器经布置以延伸直到切断器。
有益的是，热产生组件包括加热晶体管。归因于晶体管的非线性电压-电流关系(与电阻器的线性电压-电流关系相比)，此可提供优于一个或多个加热电阻器的显著益处。
在优选实施例中，电路板包括多个(优选地平面)金属层。这些金属层可提供热扩散和RF屏蔽效应。其还可提供电路互连件。所述金属层有利地包括铜(且更优选为铜或由铜形成)。
此处描述的技术的主要优势包含：使用到使用点距离相等的单个加热装置；节省成本，因为不需要加热电阻器；集电极电流与集电极-发射极电压之间的晶体管中的非线性关系；闭环操作电路使用施加到晶体管的电压与所耗散功率之间的线性关系，以使得可更好地控制所供应功率；所有组件的高对称性产生PCB表面上的均匀热分布；自热归因于多个电组件的负载共享效果而减小(到最小)；可归因于恒定的区域与耗散功率比率而实现相等温度；归因于使用金属用于热传输而实现快速热时间常数；以及使用热传导、对流和辐射作为主要传递机制(归因于电路的顶部和底部上的热产生)。
确切地说，应注意，温度控制可将电路温度固定在40℃与75℃之间，优选地55℃与65℃之间，且更优选地58℃与60℃之间。此外，用于图12的布置中的装置的数目事实上低于图10的装置的数目。举例来说，负载电阻器530的数目从图10的实施例中的 36个减少到图12实施例中的18个。
离子光学装置实施方案
在另一一般化方面中，可考虑一种用于设定用于供应到分析仪器(例如质谱仪)中的电子放大器的RF电位的振幅的控制电路。确切地说，所述控制电路可用于设定用于供应到离子光学装置的RF电位的振幅。所述控制电路有益地包括：控制器，其经配置以从RF产生器接收RF信号，接收指示所述RF电位的振幅的信号(DC电平)，且从基于指示所述RF电位的振幅的所接收信号调整的所接收RF信号产生RF输出；输出电路，其经布置以从所述控制器的RF输出产生用于供应到离子光学装置的RF电位；以及如本文中所述的RF检测器，其经配置以接收RF电位且产生指示用于所述控制器的RF电位的振幅的信号。任选地，所述输出电路包括RF放大器，所述RF放大器经布置以从所述控制器接收所述RF输出且放大所述RF输出。接着，所述可进一步包括变压器，所述变压器经配置以接收所述经放大RF输出作为初级侧输入且提供所述RF电位作为次级侧输出。任选地，所述输出电路还可包括分压器，所述分压器经配置以将来自所述变压器的次级侧的所述RF电位耦合到所述RF检测器。
还可提供一种用于离子光学装置的电力供应器，其包括：RF产生器，其经配置以产生RF信号；以及如本文中公开的控制电路，其经配置以从所述RF产生器接收所述RF 信号且将所述RF电位提供到所述离子光学装置。在又一方面中，可考虑一种离子光学装置，其包括：电极布置，用于使用所接收RF电位产生RF电场；RF产生器，其经配置以产生RF信号；以及如本文所描述控制电路，其经配置以从所述RF产生器接收所述RF 信号且将所述RF电位提供到所述电极布置。
图3(上文所描述)中已示出如何使用RF检测器实施用于离子光学装置的RF电位电力供应器。现将考虑关于离子光学装置和其使用的更多细节。确切地说，离子光学装置优选地为四极离子光学装置，例如四极离子阱、四极滤质器或四极质量分析器，其通常形成质谱仪的部分。
在优选实施例中，离子光学装置形成具有电感耦合等离子体(ICP)离子源的质谱仪(尤其用于元素分析)的部分。确切地说，质谱仪可具有用于所研究离子的两个或更多个分析器。第一分析器为碰撞/反应室(QCel l)，例如具有平坦四极电极(“平杆”)。第二分析器为用于隔离待测量离子的四极离子光学装置。具有两个分析器的此类质谱仪的改善具有额外质量分析器，通常为另一四极离子光学装置，其因此提供三重四极质谱仪。额外四极杆定位在碰撞/反应室上游。此类质谱仪公开于我们的同在申请中的第 1516508.7号英国专利申请案中，且现在出于完整性起见将简要论述此质谱仪的细节。
参考图9，示出已知ICP质谱仪的示意性图示，本文中公开的离子光学装置可与其一起使用。此ICP质谱仪包括：ICP炬410；取样锥420；截取锥430；离子光学件440；第一(Q1)滤质器450；反应室(Q2)460；差分泵送孔隙470；第二(Q3)滤质器480；以及离子检测器490。Q3滤质器480可视为质量分析器或质量分析器的一部分。在这个设计中，离子在ICP炬410中产生，经由取样器420和截取器430引入到真空中，传送穿过(弯曲)离子光学件440且由Q1四极滤质器450选择。应注意，相比于Q2反应室 460和Q3滤质器480，Q1滤质器450相对较短，且如此示意性地描绘。此外，Q1滤质器450的真空条件不如用于后续级的真空条件苛刻。此处，离子光学件440和Q1滤质器450在大体相同的压力下操作。所选质量范围的离子传递到四极反应室460中，且反应产物经由离子光学件和差分泵送孔隙470引导到分析四极滤质器Q3480中且由高动态范围检测器490(例如，SEM)检测。Q3滤质器480很大程度上具有选择性(尤其与Q1 滤质器450相比)，且具有通常不超过1amu的带通宽度。
Q1四极滤质器450选择一组有限离子进行研究。Q1滤质器450有利地具有比Q3滤质器480低的分辨率。如上文所指出，Q1滤质器450为电极的长度在四极杆的轴线方向上通常为5到7cm的短四极杆。此四极杆有利地比Q2室460和Q3滤质器480制造起来更低廉。然而，其具有比Q2碰撞/反应室460下游的Q3滤质器480宽得多的带路径宽度。
质荷比A处于所关注的范围内的离子优选地定位在Q1滤质器450的带路径的肋部，以避免显著干扰。在Q2反应/碰撞室460下游，由Q3滤质器480检测的所关注离子具有质荷比A+R。如果由高分辨率Q3滤质器480所检测的干扰电平仍然高，则实施Q1滤质器450的隔离窗口的偏移，以改善测量结果。归因于将所关注的质量A定位在Q1滤质器450的带路径的肋部以及四极杆450的隔离窗口的不正确调整问题导致干扰增大的问题，到Q1滤质器的电极的电压供应器可能对质谱仪的性能具有显著影响。因此，对提供电极电压(例如温度改变)的电子件的任何外部影响宜降到最低。使用电力供应器用于将RF电位提供到此类质谱仪中的Q1滤质器450因此可为高度有利的。使用此类电力供应器用于将RF电位提供到Q3滤质器480也具有潜在益处。
此挑战由于此质谱仪的正常测量模式而更为困难，此质谱仪不同于其它类型的质谱仪，不测量全范围的质量。实情为，其经配置以仅测量待分析的特定质量。通常，ICP 质谱仪用于例行测量，例如测试水的纯度。这些例行测量必须快速进行。通常，对于每一所研究质量，使用质谱仪执行10个4秒的扫描，从而导致测量时间从10到20秒直到1.5分钟。对于每一研究样品至多可分析30个不同质量。
由于此类操作模式，所供应RF电压或若干电压(确切地说，供应到Q1滤质器450 和Q3滤质器480)可能会非常快速地改变。由所施加RF电压引起的温度可接着也快速改变，使得常规温度补偿可能不够快速。仅测量特定质量(而非全范围的质量)的其它类型的质谱仪也可能面临类似挑战。RF检测器中(确切地说，归因于整流二极管)的平均功率耗散和所得温度增大通常将取决于正分析的离子的质量。较低质量离子(例如锂， Li)将引起比较高质量离子(例如，钴，Co)低的功率耗散。确切地说，例如铀(U) 的非常高质量的离子将具有比例如铜(Cu)的较低质量离子高得多的功率耗散。Q1滤质器450通常将需要处置质量介于镁(Mg)与金(Au)之间的离子，然而，Q3滤质器480 通常将需要处置较宽范围的质量，例如质量介于锂(Li)与铀(U)之间的离子。由于每一滤质器分析不同质量的离子，因此RF检测器的温度随着质量较高而增大，且随着质量较低而减小。在紧接分析Li之后分析U时的温度增大可高达60℃，且此可增大可在100μs内发生。
因此应在一般化意义上考虑包括如本文中公开的离子光学装置的质谱仪。所述质谱仪可具有以下各者中的一或多者：ICP源；三重四极杆配置；用于元素分析的配置；用于测量单个标称质量与电荷比率的控制器；以及用以在不大于1.5分钟、1分钟、45秒、 30秒、20秒、15秒、10秒、5秒、4秒、2秒、1秒、0.5秒、0.1秒、0.05秒、0.01 秒、0.005秒或0.001秒内进行测量的配置。用于平均质量测量的典型持续时间介于1ms 与5s之间。
本文公开的一般方法中的任一者可实施为经配置以在由处理器操作时执行本文中所描述的任何方法的计算机程序或可编程或已编程逻辑。计算机程序可存储在计算机可读媒体上。
本文中描述的任何控制器可经配置以根据本文中所描述的任何方法步骤(单独或组合地)来操作。其可具有经配置以执行这些方法步骤中的任何一个或多个的结构特征(以下各项中的一个或多个：一个或多个输入；一个或多个输出；一或多个处理器；逻辑；以及电路)。此类控制器可包括用于执行经配置以执行本文中所描述的方法中的任一个的计算机程序或者可编程或已编程逻辑的计算机或处理器。
应了解，可对前述实施例作出变化，但这些变化仍属于本实用新型的范围内。尽管已参考特定类型的电路和应用(用于离子光学装置的RF检测器电路)描述本实用新型且本实用新型在如本文所论述的此类情况下具有特定优势，但本实用新型可应用于其它类型的电路和/或应用。除非另外说明，否则本说明书中所公开的每一特征都可被用于相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。
如在本文中(包含在权利要求书中)所用，除非上下文另外指示，否则本文中术语的单数形式应理解为包含复数形式，且反之亦然。例如，除非上下文另外指示，否则包含权利要求书中的本文中的单数参考，例如“一(a/an)”(例如，模/数转换器)表示“一个或多个”(例如，一个或多个模/数转换器)。在本实用新型的描述和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变型，例如，“包括(comprising)”和“包括(comprises)”或类似词语表示“包含但不限于”，且并不意图(且并不)排除其它组件。
本文中所提供的任何和所有实例或示范性语言(“如”、“例如”、“举例来说”以及类似语言)的使用仅意图更好地说明本实用新型，并且除非另外要求，否则并不指示对本实用新型的范围的限制。本说明书中的任何语言均不应理解为指示实践本实用新型所必需的任何未主张要素。
除非另有陈述或上下文另有要求，否则本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行。
本说明书中公开的所有方面和/或特征可以任何组合进行组合，此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。如本文所描述，可能存在具有进一步益处的特定方面组合，例如将组合的温度补偿式组件用于温度补偿式电路中。确切地说，本实用新型的优选特征适用于本实用新型的所有方面且可以任何组合形式使用。同样，可单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。

Claims (28)

1.一种温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备包括：
电路板；
多个电子组件，其以形成至少一个电子电路的布置安装在所述电路板上；
温度传感器，其经配置以测量所述至少一个电子电路的温度；以及
热产生组件，其经配置以由温度控制电路控制，所述温度控制电路经配置以响应于由所述温度传感器测量的所述温度而控制由所述热产生组件产生的热的量；且
其中所述多个电子组件布置在所述电路板上以位于一个或多个路径中的一者上，
所述一个或多个路径中的每一路径由具有半径的相应圆界定。
2.根据权利要求1所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述一个或多个路径为多个路径，多个路径中的每一路径由具有不同半径的相应同心圆界定。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述多个电子组件定位于所述电路板的表面上，使得所述表面上的所述多个电子组件大体具有旋转对称性。
4.根据权利要求1或2所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述多个电子组件中的每一者经配置以在使用中耗散相应功率，且所述多个电子组件被布置成使得经配置以在使用中耗散较高功率的电子组件布置在半径比经配置以在使用中耗散较低功率的电子组件所布置的路径的半径的路径上。
5.根据权利要求4所述的温度受控电子设备，其特征在于，第一电子组件布置在具有第一半径的第一路径上，且第二电子组件布置在邻近于所述第一路径的第二路径上，所述第二路径具有大于所述第一半径的第二半径，所述第一半径与所述第二半径之间的距离是基于所述第二电子组件经配置以在使用中耗散的所述功率。
6.根据权利要求1或2所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述多个电子组件中的每一者经配置以在使用中耗散相应功率，且所述多个电子组件沿着所述一个或多个路径布置在所述电路板上且彼此分离，使得对于所述多个电子组件中的每一者，环绕所述相应电子组件的没有其它电子组件位于其中的区域与所述相应电子组件经配置以在使用中耗散的所述功率的比率大致相同。
7.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度传感器、所述热产生组件和所述温度控制电路经配置以提供闭环温度控制布置，以将所测量温度维持在设定水平。
8.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述一个或多个路径界定共用中心点，所述温度传感器位于所述共用中心点处。
9.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述多个电子组件位于所述电路板的第一侧上，且所述热产生组件位于所述电路板的第二侧上。
10.根据权利要求6所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述一个或多个路径界定中心点，所述热产生组件位于所述中心点处。
11.根据权利要求9所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述热产生组件安装在散热器上，所述散热器经布置以延伸跨越所述电路板的所述第二侧，与界定在所述电路板的所述第一侧上的所述一个或多个路径共同延伸。
12.根据权利要求10所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述热产生组件包括加热晶体管。
13.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备进一步包括：
多个切断器，其沿着由与界定所述一个或多个路径的圆同心的圆界定的切断路径而定位，且具有的半径大于所述一个或多个路径中的任一者的半径。
14.根据权利要求10所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备进一步包括：
多个切断器，其沿着由与界定所述一个或多个路径的圆同心的圆界定的切断路径而定位，且具有的半径大于所述一个或多个路径中的任一者的半径。
15.根据权利要求11所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备进一步包括：
多个切断器，其沿着由与界定所述一个或多个路径的圆同心的圆界定的切断路径而定位，且具有的半径大于所述一个或多个路径中的任一者的半径，并且所述散热器经布置以延伸直到所述切断路径。
16.根据权利要求13所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备进一步包括：
在所述电路板上的导电路径，其经配置以提供到和/或从所述至少一个电子电路的连接，所述导电路径在所述多个切断器中的邻近者之间延行。
17.根据权利要求14所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备进一步包括：
在所述电路板上的导电路径，其经配置以提供到和/或从所述至少一个电子电路的连接，所述导电路径在所述多个切断器中的邻近者之间延行。
18.根据权利要求14所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述电路板包括多个金属层。
19.根据权利要求18所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述金属层包括铜。
20.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，形成所述至少一个电子电路的所述多个电子组件的一部分包括至少一组重复电子组件，每一组重复电子组件中的所述电子组件经配置以具有相同功能且在使用中耗散相同功率。
21.根据权利要求14所述的温度受控电子设备，其特征在于，形成所述至少一个电子电路的所述多个电子组件的一部分包括至少一组重复电子组件，每一组重复电子组件中的所述电子组件经配置以具有相同功能且在使用中耗散相同功率。
22.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备为RF检测器，所述多个电子组件形成：
整流级，其经配置以接收RF输入信号且由此提供经整流RF信号；以及
低通滤波器，其经布置以从所述经整流RF信号产生指示所述RF输入信号的振幅的信号。
23.根据权利要求14所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度受控电子设备为RF检测器，所述多个电子组件形成：
整流级，其经配置以接收RF输入信号且由此提供经整流RF信号；以及
低通滤波器，其经布置以从所述经整流RF信号产生指示所述RF输入信号的振幅的信号。
24.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的温度受控电子设备，其特征在于，所述温度控制电路与所述一个或多个路径分开定位。
25.一种用于设定用于供应到分析仪器中的电子放大器的RF电位的振幅的控制电路，所述控制电路包括：
控制器，其经配置以从RF产生器接收RF信号，接收指示所述RF电位的所述振幅的信号，且从基于指示所述RF电位的所述振幅的所接收信号调整的所述所接收RF信号提供RF输出；
输出电路，其经布置以从所述控制器的所述RF输出产生用于供应到所述分析仪器中的所述电子放大器的所述RF电位；以及
根据权利要求22所述的温度受控电子设备，所述RF检测器经配置以接收所述RF电位作为所述RF输入信号且产生指示用于所述控制器的所述RF电位的所述振幅的所述信号。
26.一种用于设定用于供应到分析仪器中的电子放大器的RF电位的振幅的控制电路，所述控制电路包括：
控制器，其经配置以从RF产生器接收RF信号，接收指示所述RF电位的所述振幅的信号，且从基于指示所述RF电位的所述振幅的所接收信号调整的所述所接收RF信号提供RF输出；
输出电路，其经布置以从所述控制器的所述RF输出产生用于供应到所述分析仪器中的所述电子放大器的所述RF电位；以及
根据权利要求23所述的温度受控电子设备，所述RF检测器经配置以接收所述RF电位作为所述RF输入信号且产生指示用于所述控制器的所述RF电位的所述振幅的所述信号。
27.一种离子光学装置，其特征在于，所述离子光学装置包括：
电极布置，用于使用所接收RF电位产生RF电场；
RF产生器，其经配置以产生RF信号；以及
根据权利要求26所述的控制电路，其经配置以从所述RF产生器接收所述RF信号且将所述RF电位提供到所述电极布置。
28.根据权利要求27所述的离子光学装置，其特征在于，所述离子光学装置为四极离子光学装置。
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