DE102015006681A1

DE102015006681A1 - Transimpedanzverstärker

Info

Publication number: DE102015006681A1
Application number: DE102015006681.1A
Authority: DE
Inventors: Heinz Lerche
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-12-17
Also published as: GB201410004D0; CN105305976B; GB2526857A; CN105305976A; US9431976B2; US20150357981A1; GB2526857B

Abstract

Es werden ein Transimpedanzverstärker und ein Verfahren zum Konfigurieren eines Transimpedanzverstärkers offenbart. Der Transimpedanzverstärker umfasst eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist. Die Widerstandsanordnung umfasst einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, ein resistives Element und einen Isolator, der das resistive Element umgibt. Ferner umfasst die Widerstandsanordnung mehrere leitfähige Kompensationselemente, von denen jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt, und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgangsspannung Vout des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind, wobei die erste Spannung ein erster Anteil von Vout ist und die zweite Spannung ein zweiter Anteil von Vout ist. Die Spannungsquelle umfasst einen Spannungscontroller zum Einstellen des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Transimpedanzverstärker, auf ein Verfahren zum Konfigurieren eines Transimpedanzverstärkers und auf ein Verfahren zum Verwenden eines Transimpedanzverstärkers.
Hintergrund
Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen es notwendig ist, Ströme über einen hohen Dynamikbereich mit einem guten Signal/Rausch-Verhältnis zu messen. Zum Beispiel gibt es in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie einen Bedarf an einen Verstärker mit der Fähigkeit, auf Signale mit einem hohen Dynamikbereich genau anzusprechen und die Isotopenhäufigkeit mit hoher Genauigkeit zu messen. In einer solchen Anwendung tritt eine besonders anspruchsvolle Anforderung recht häufig auf. Zunächst muss der Verstärker einen verhältnismäßig großen Ionenstrom messen. Dieses Eingangssignal klingt schnell ab und wenige Sekunden später tritt ein verhältnismäßig sehr schwacher zweiter Ionenstrom auf (der durch eine kleine Isotopenhäufigkeit verursacht ist). Der Verstärker muss in der Lage sein, sowohl das schnelle Abklingen des ersten Signals zu behandeln als auch eine genaue Messung des verhältnismäßig schwachen Stromsignals vorzunehmen.
Um dies zu erreichen, muss der Verstärker nach der Messung des ersten Signals fast bis zur Sättigung des Verstärkers einen schnellen und genauen Abfall auf null (d. h. auf das Grundrauschen) aufweisen. Außerdem muss der Verstärker selbst im Millivoltausgabebereich in der Nähe des Grundrauschens des Verstärkers ein minimales Unterschwingen und Überschwingen des Ausgangssignals erzeugen.
Messungen dieses Typs können unter Verwendung von Transimpedanzverstärkern ausgeführt werden, die zum Ausführen einer Strom-Spannungs-Umwandlung ('Transimpedanz') verwendet werden.
1 zeigt einen beispielhaften Transimpedanzverstärker 100 des Standes der Technik, der einen Operationsverstärker 10 und einen Rückkopplungswiderstand R, der zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10 und den Ausgang des Operationsverstärkers 10 geschaltet ist, umfasst. Im Idealfall verstärkt der Transimpedanzverstärker den Eingangsstrom I und setzt ihn in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung in eine niederimpedante Ausgangsspannung V um: V = –I·R.
Transimpedanzverstärker, die dafür konfiguriert sind, mit kleinen oder sehr kleinen Eingangsströmen I im Pico- bis Femtoamperebereich zu arbeiten, arbeiten typischerweise mit einem großen Rückkopplungswiderstand R in dem Bereich von 1·10⁹ bis 1·10¹⁴ Ohm.
Wenn ein sehr kleiner Eingangsstrom I gemessen wird, fließt ein sehr kleiner Strom über den Rückkopplungswiderstand R und erzeugt über den Rückkopplungswiderstand R einen kleinen Spannungsabfall, der den negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 10 in der Weise ansteuert, dass sich die Ausgangsspannung V in Ansprechen auf das Eingangssignal I ändert. Die Ausgangsspannung V des Verstärkers 100 kompensiert die Eingangsspannung über den Rückkopplungswiderstand und steuert den Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 10 auf null Volt an. Ein idealer Verstärker behält zwischen seinen zwei Eingangsanschlüssen immer null Volt.
Allerdings ist dem gemessenen Eingangsstrom I in der Praxis immer ein Vorstrom überlagert. Falls der Vorstrom konstant ist, ist ein ebenfalls konstanter Spannungsabfall vorhanden. Zum Beispiel veranlasst ein Vorstrom von 1 fA einen Spannungsabfall von 10 mV, wenn ein Rückkopplungswiderstand R von 10 TΩ verwendet ist. Im Idealfall sollte dieser zusätzliche Spannungsabfall so klein wie möglich sein, was die Auswahl eines Operationsverstärkers 10 mit einem sehr kleinen Vorstrom erfordert.
Wenn ein Transimpedanzverstärker dieses Typs entworfen wird, sollte sorgfältig auf seine Stabilität geachtet werden, da äußerst hochimpedante Widerstände eine Eigenkapazität zeigen, die dazu neigt, den Verstärker schwingen zu lassen. In der Praxis ist bekannt, die theoretische Bandbreite des Verstärkers durch Nebenschließen des Rückkopplungswiderstands R mit einem kleinen Kondensator C in dem Bereich von 0,05–0,1 pF zu begrenzen. Die Zeitkonstante T des Rückkopplungswiderstands R selbst ist dann gleich T = R·C, was für sehr hochohmige Rückkopplungswiderstände näherungsweise 0,5 bis 1 Sekunde ist.
Wo der Verstärker 10 eine hochgenaue Messung, z. B. in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie um 1 ppm (Teile auf eine Million), erreichen muss, ist der inhärente exponentielle Abfall des Rückkopplungswiderstands R bei dieser Genauigkeit gleich der Verzögerung D von: D = ln(1·10⁺⁶)·T = 13,8·T = näherungsweise 7 bis 14 s.
Ein Abfall dieser Größe könnte für praktische Experimente sinnvoll sein, wobei solche idealen Teile wegen des Wesens äußerst hochimpedanter Widerstände und des hinzugefügten Kondensators in der Praxis aber nicht erreichbar sind. Die meisten diskreten elektronischen Kondensatoren weisen im Inneren ein festes Dielektrikum auf, wobei nicht ideale Verhaltensweisen des Dielektrikums wie etwa ein endlicher Isolationswiderstand (Leckstrom) und Polarisationseffekte (dielektrische Absorption) die Verwendung dieser Kondensatoren ausschließen.
Außerdem unterscheiden sich die Eigenschaften äußerst hochimpedanter Widerstände im Terraohmbereich von idealen Widerständen beträchtlich. Es müssen der Temperaturkoeffizient, der Spannungskoeffizient, die Eigenkapazität und die Eigeninduktivität berücksichtigt werden. Die ersten zwei Eigenschaften können durch gute Materialauswahl während der Herstellung optimiert werden und die letzte Eigenschaft kann wegen der hohen Betriebsgeschwindigkeit effektiv ignoriert werden. Allerdings sollte die Eigenkapazität sehr sorgfältig behandelt werden, um einen funktionstüchtigen Verstärker zu bauen.
Eine bekannte Technik, um die einem ultrahochimpedanten Widerstand in einem Transimpedanzverstärker zugeordneten Nachteile zu kompensieren zu versuchen, ist z. B. in GB 2393865 B beschrieben, wo ein niedriger ohmiger Widerstand mit dem ultrahochohmigen Widerstand in Reihe geschaltet ist. Der zu messende Strom wird in den viel niederimpedanteren Widerstand eingespeist und erzeugt einen Kompensationsspannungsabfall, um das Verhalten von Stromverstärkern zu verbessern.
Allerdings nimmt diese Lösung ein Modell eines nahezu idealen Widerstands nur mit einer Streukapazität an.
2 zeigt die Konstruktion eines beispielhaften ultrahochohmigen Widerstands 200. Der Widerstand 200 ist dadurch konstruiert, dass eine hochimpedante resistive Beschichtung 220 um einen isolierenden Keramikzylinder 210 gewendelt ist. Die resistive Beschichtung 220 wirkt als das resistive Element des Widerstands 200, wobei die Komponente umso mehr Widerstand zeigt, je mehr schraubenförmige Spiralen hergestellt sind. Um das resistive Element 220 vor mechanischer und/oder chemischer Beeinträchtigung zu schützen, ist das resistive Element 220 mit einer Lackbeschichtung 230, die eine Dicke von etwa 0,75 mm, z. B. eine Dicke zwischen 0,5 mm–1 mm wie etwa von 0,5 mm, 0,6 mm, 0,75 mm, 0,8 mm oder 1 mm, aufweisen kann, hermetisch abgedichtet.
Theoretisch wirkt die Lackbeschichtung 230 selbst ebenfalls als ein resistives Teil, da jede Schicht einen endlichen Widerstand aufweist. Da die Schicht ein guter Isolator ist, wirkt sie darüber hinaus ebenfalls als ein festes Dielektrikum, das polarisiert werden kann und das eine dielektrische Absorption erleidet. Somit kann die Lackbeschichtung 230 als ein entlang der Länge einer idealen resistiven Komponente verteiltes Maschennetz von Widerständen und Kondensatoren behandelt werden.
Wenn ein kleiner Strom gemessen wird, wirkt das verteilte Maschennetz von RC-Netzen als eine Querimpedanz. Der Wert der Querimpedanz kann für ultrahochohmige Widerstände sehr hoch sein, was dazu führt, dass dem real zu messenden Strom eine lange Aufladedauer eines Stroms überlagert wird. Darüber hinaus zeigen die gespeicherten Ladungen in dem Maschennetz selbst dann, wenn der zu messende Strom physikalisch entfernt ist, einen Abklingstrom. Außerdem führen elektrische Felder, die den Widerstand umgeben, in das Maschennetz von RC-Netzen in der Widerstandsbeschichtung Ladungen ein. Die Wirkungen zusammen führen in die Transimpedanzverstärkerschaltung eine erste exponentielle Zeitkonstante ein, die die Steigung der gemessenen Anstiegs- und Abfallzeiten verfälscht und das Verstärkeransprechen allgemein verzerrt.
GB 2424330 A beschreibt eine Technik, um diese Probleme durch Steuern der elektrischen Felder des Widerstands zu überwinden zu versuchen. Es ist ein Metallzylinder vorgesehen, der den Rückkopplungswiderstand des Transimpedanzverstärkers umgibt und der als ein Kondensator wirkt, der eine Luftisolation aufweist und der auf einer Spannung gleich einem Bruchteil der Verstärkerausgangsspannung gehalten wird. Durch diese Anordnung wird der empfindliche Rückkopplungswiderstand abgeschirmt und kann Rauschen von externen Quellen elektrischer Strahlung und Felder das Signal nicht stören. Der Transimpedanzverstärker enthält mehrere Operationsverstärker, die dafür konfiguriert sind, die Verstärkung zu verbessern und Filternetze bereitzustellen, um eine minimale Anstiegszeit des Verstärkers zu erreichen.
In einer alternativen Technik beschreibt US 7262655 B2 eine Transimpedanzverstärkeranordnung mit einem Rückkopplungswiderstand mit einem verhältnismäßig niedrigen Wert von etwa 100 kΩ. Der Rückkopplungswiderstand besteht aus einer Reihe von Chipwiderständen mit kleinerem Wert. Jeder Chipwiderstand ist in einer Leiter paralleler elektrischer Widerstände, die dafür bestimmt ist, die Streukapazität des stückweise veränderlichen elektrischen Felds der Chipkondensatoren zu kompensieren, in nächster Nähe zu einem niederimpedanten Gegenstück vorgesehen.
Allerdings nehmen die in GB 2424330 A und in US 7262655 B2 vorgeschlagenen Lösungen an, dass der Rückkopplungswiderstand eine konstante lineare Vorrichtung ist, was für ultrahochohmige Widerstände in der Praxis nicht der Fall ist. Folglich können Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Verstärkerverhaltens verschlechtert sein, wenn ein ultrahochohmiger Widerstand verwendet ist.
Darüber hinaus wirkt der isolierende Kern 210 des Widerstands 200 in Bezug auf den in 2 gezeigten ultrahochohmigen Widerstand 200 außerdem als ein Dielektrikum, wobei ein axiales elektrisches Feld entlang des Widerstandskörpers in dem isolierenden Kern 210 eine dielektrische Ladung und somit ebenfalls eine dielektrische Absorption verursachen kann. Das isolierende Element 230, das das resistive Element 220 umgibt, kann gleichfalls eine dielektrische Absorption erleiden. Diese dielektrische Absorption führt eine zweite Zeitkonstante ein, die zu einer weiteren unerwünschten Verzögerung und/oder Verzerrung führt, wenn sehr kleine Ströme (d. h. Femtoampere) gemessen werden. In einigen Fällen kann die zweite Zeitkonstante so lang sein, dass das Ausgangssignal nach einer Änderung der Eingabe effektiv nie den richtigen Pegel (z. B. 0 V) erreicht.
3 zeigt ein beispielhaftes Ansprechen am Ausgang eines Transimpedanzverstärkers auf eine Stufenänderung auf ein Signal mit dem Pegel null am Eingang. Dieses Ansprechen veranschaulicht die Wirkung der ersten Zeitkonstante τ₁ und der zweiten Zeitkonstante τ₂. Die mit τ₁ bezeichnete Kurve zeigt die Wirkung von τ₁, wenn angenommen ist, dass der Rückkopplungswiderstand eine konstante lineare Vorrichtung ist (d. h., wenn die Wirkung von τ₂ ignoriert wird). Die mit τ₂ bezeichnete Kurve zeigt das reale Ansprechen eines Verstärkers mit einem ultrahochimpedanten Rückkopplungswiderstand. Wie zu sehen ist, hat die dielektrische Absorption, die die zweite Zeitkonstante eingeführt hat, das Verstärkeransprechen verzögert und verzerrt, so dass die Verstärkerausgabe effektiv nie den richtigen Pegel erreicht.
4 zeigt ein weiteres beispielhaftes Verstärkeransprechen auf eine Stufenänderung auf ein Signal mit dem Pegel null am Eingang, das typisch für Transimpedanzverstärker des Standes der Technik sein kann. Wie zu sehen ist, verringert sich die Verstärkerausgabe anfangs schnell, da der Verstärker dafür optimiert ist, τ₁ zu minimieren, und somit ein schnelles Anfangsansprechen aufweist. Allerdings kann nach dem schnellen Anfangsansprechen ein allmähliches Kriechen in der Ausgabe in Richtung des Endausgabepegels beobachtet werden. Dieses Kriechen ist durch τ₂ verursacht und verursacht eine Verzögerung und Verzerrung in dem Verstärkeransprechen, so dass die Verstärkerausgabe den richtigen Pegel effektiv nie erreichen kann.
Diese Wirkungen sind für ultrahochohmige Widerstände (d. h. 1 TΩ und darüber) hoch signifikant. Somit können die in GB 242433 A und in US 762655 B2 beschriebenen Lösungen für die Messung sehr kleiner Ströme unter Verwendung eines ultrahochimpedanten Widerstands wirkungslos sein.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Transimpedanzverstärker bereitgestellt, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt. Ferner umfasst die Widerstandsanordnung mehrere leitfähige Kompensationselemente, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt. Ferner umfasst der Transimpedanzverstärker eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgangsspannung V_OUT des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind, wobei die erste Spannung ein erster Anteil von V_OUT ist und die zweite Spannung ein zweiter Anteil von V_OUT ist und wobei die Spannungsquelle Folgendes umfasst: einen Spannungscontroller zum Einstellen des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils.
Der Transimpedanzverstärker kann ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker sein, d. h., der Verstärker kann zur Verwendung in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie geeignet sein. Der Transimpedanzverstärker kann ein verhältnismäßig schnelles Ansprechen auf Änderungen der Stromeingabe in den Verstärker aufweisen. Zum Beispiel kann sich die Ausgangsspannung in einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer nach einer Änderung des Eingangsstroms (z. B. innerhalb von 8 Sekunden oder 6,5 oder 6 oder 5 oder 4 Sekunden der Änderung des Eingangsstroms) auf einen Pegel ausregeln. Außerdem kann sich der Transimpedanzverstärker ohne Unterschwingen oder Überschwingen auf den Ausgangspegel ausregeln, was die Ausregelzeit für die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers minimiert. Diese Eigenschaften können in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, in der ein erster und ein zweiter Eingangsstrom gemessen werden sollen, wobei der zweite verhältnismäßig kleine Eingangsstrom (z. B. in der Größenordnung von Picoampere (pA) oder weniger, z. B. 400 pA (4·10^–10 A) oder 100 pA (1·10^–10 A) oder 60 pA (6·10^–11 A) oder 2 pA (2·10^–12 A) oder 20 fA (2·10^–14 A) oder 1 fA (1·10^–15 A) usw.) eine Zeit später folgt, nachdem der erste verhältnismäßig große Eingangsstrom abgeklungen ist, oder in irgendwelchen anderen Anwendungen, in denen ein verhältnismäßig schnelles Ansprechen auf Änderungen des Eingangsstroms und/oder eine Fähigkeit zum Messen kleiner Eingangsströme erforderlich ist, nützlich sein.
Der Transimpedanzverstärker kann einen Rückkopplungswiderstand aufweisen, der (insbesondere wo er ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Verstärker ist) ein ultrahochohmiger Widerstand ist, der einen Widerstandswert von näherungsweise 1 TΩ (d. h. 1·10¹² Ω) oder mehr aufweisen kann. Zum Beispiel kann er einen Widerstand von 1 TΩ oder 1·10^–10 TΩ wie etwa 3 TΩ oder 1–100 TΩ wie etwa 10 TΩ, 20 TΩ, 25 TΩ, 40 TΩ, 60 TΩ, 70 TΩ, 90 TΩ oder 100 TΩ aufweisen.
Die Anzahl unvollkommener Widerstandseigenschaften, die für Widerstände mit kleineren Werten vernachlässigbar sein können, kann für Widerstände mit ultrahohen Werten erheblich werden. Diese Eigenschaften enthalten eine nichtlineare axiale und radiale Kapazität und/oder eine dielektrische Absorption entlang der Länge des Widerstands, die eine erhebliche Auswirkung auf die Ansprechempfindlichkeit und Genauigkeit von Transimpedanzverstärkern, die ultrahochohmige Rückkopplungswiderstände verwenden, aufweisen können/kann. In einigen Anwendungen, z. B. in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, sind die Geschwindigkeit und die Genauigkeit, mit der die Transimpedanzverstärker-Spannungsausgabe auf eine Änderung der Stromeingabe anspricht, wichtig, um Isotopenmessungen auszuführen.
Darüber hinaus sind ultrahochohmige Widerstände in der Praxis keine konstanten linearen Vorrichtungen. Wegen Herstellungstoleranzen weist das isolierende Element, das das resistive Element umgibt, wahrscheinlich Abweichungen seiner Dicke, z. B. von näherungsweise ±0,2 mm, auf. Dies verursacht eine inhomogene Verteilung der radialen und axialen elektrischen Felder in dem Widerstand, was das verteilte Maschennetz von RC-Netzen, das von dem isolierenden Element abgeleitet ist, beeinflusst.
Die mehreren leitfähigen Kompensationselemente, die irgendeine geeignete Querschnittsgröße und Querschnittsform und irgendeine geeignete Längslänge aufweisen können, ermöglichen das Anlegen eines externen elektrischen Felds an den Widerstand, um die Eigenschaften der axialen und radialen dielektrischen Absorption des Widerstands zu kompensieren. An jedes Kompensationselement können unterschiedliche Spannungen angelegt werden und werden folglich unterschiedliche externe elektrische Felder angelegt. Dies ermöglicht eine differentielle nichtlineare Kompensation entlang der Längslänge des Widerstands, was die Kompensation der nichtlinearen Verteilung der axialen und radialen Kapazität und/oder der dielektrischen Absorption entlang der Längslänge des Widerstands ermöglicht.
Die an die leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannungen können jeweils voneinander verschieden sein, so dass an den Widerstand entlang seiner Längslänge unterschiedliche externe elektrische Felder angelegt werden. Somit können die an die leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannungen so gewählt werden, dass an den Widerstand an einem Ort, wo dies erforderlich ist, um den Grad der axialen und/oder radialen Kapazität und/oder der dielektrischen Absorption, die dort erfahren werden/wird, zu kompensieren, ein größeres externes elektrisches Feld angelegt wird, und dass an den Widerstand an einem Ort, wo dies erforderlich ist, um den Grad der axialen und/oder radialen Kapazität und/oder der dielektrischen Absorption, die dort erfahren werden/wird, zu kompensieren, ein kleineres externes elektrisches Feld angelegt wird. Somit können die einzigartigen nichtlinearen Eigenschaften jedes einzelnen Rückkopplungswiderstands auf einer Grundlage von Widerstand zu Widerstand kompensiert werden, was für jeden einzigartigen Widerstand zu einer genaueren Kompensation fuhrt.
Obwohl die erste und die zweite Spannung wahrscheinlich voneinander verschieden sind, können sie alternativ, z. B. dort, wo es erwünscht ist, dass das erste und das zweite leitfähige Kompensationselement jeweils elektrische Felder mit derselben Größe erzeugen, um die Nichtlinearitäten des Rückkopplungswiderstands zu kompensieren, dieselben sein.
Die Kompensation der axialen und der radialen Kapazität und/oder der dielektrischen Absorption auf diese Weise verbessert die Geschwindigkeit, mit der die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers auf eine Änderung einer Stromeingabe in den Transimpedanzverstärker anspricht. Darüber hinaus kann sich die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers auf ihren Ausgangspegel ausregeln, ohne überzuschwingen oder unterzuschwingen, was die Genauigkeit von Messungen, die unter Verwendung des Transimpedanzverstärkers vorgenommen werden, verbessern kann. Dies kann in einer Anzahl verschiedener Anwendungen nützlich sein, in denen eine schnelle Rückkehr zu einem Basislinienpegel mit der Ausgabe null ohne Überschwingen oder Unterschwingen in Ansprechen darauf, dass der Eingangsstrom zu null wird, erwünscht ist. Zum Beispiel ist es in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie erwünscht, dass ein zweiter, kleiner Strom, der bald nach einem ersten, größeren Strom folgt, unter Verwendung des Transimpedanzverstärkers genau gemessen werden kann. Somit können die leitfähigen Kompensationselemente verwendet werden, um Überschwingen und Unterschwingen auf der Ausgabeebene zu minimieren, was in Anwendungen wie etwa der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, bei denen es erwünscht sein kann, die Ausregelzeit der Ausgabe des Verstärkers zu minimieren, besonders vorteilhaft ist.
Die erste Spannung und die zweite Spannung, die an das erste und an das zweite leitfähige Kompensationselement angelegt werden, werden von der Ausgangsspannung V_OUT des Transimpedanzverstärkers in der Weise abgeleitet, dass die erste Spannung ein erster Anteil von V_OUT (z. B. 0,2 V_OUT) ist und die zweite Spannung ein zweiter Anteil von V_OUT (z. B. 0,6 V_OUT ist). Die Spannungsquelle kann irgendeine elektrische Komponente oder Sammlung von Komponenten umfassen, die die erste und die zweite Spannung von V_OUT ableiten und sie an das erste und an das zweite leitfähige Kompensationselement anlegen kann bzw. können.
Der erste und/oder der zweite Anteil können/kann auf irgendeinen Anteil der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers eingestellt werden, z. B. können sie/kann er auf irgendeinen Wert zwischen (einschließlich) dem 0-1-fachen der Ausgabe des Verstärkers (z. B. auf das 0,3-fache der Ausgabe des Verstärkers oder auf das 0,7-fache der Ausgabe des Verstärkers) eingestellt werden. Alternativ können/kann der erste und/oder der zweite Anteil, z. B., wenn die Spannungsquelle eine aktive Komponente wie etwa einen Verstärker aufweist, auf einen größeren Wert als die Ausgabe des Verstärkers (wie etwa 1,5 V_OUT oder 4 V_OUT usw.) eingestellt werden. Alternativ können sie auf einen Anteil der Ausgabe, der kleiner als 0 ist, z. B. auf –0,4 V_OUT oder –1,6 V_OUT usw., eingestellt werden.
Die Spannungsquelle kann wenigstens einen Spannungsteiler (oder Potentialteiler) an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers umfassen, wobei die erste Spannung und/oder die zweite Spannung von dem wenigstens einen Spannungsteiler entnommen werden/wird. Der Spannungsteiler kann irgendeine Anzahl von Widerständen umfassen, von denen jeder irgendeinen Widerstandswert aufweisen kann, der zum Ableiten des gewünschten ersten Anteils und/oder zweiten Anteils geeignet ist.
In diesem Fall kann der Spannungscontroller wenigstens einen veränderlichen Widerstand umfassen, der in dem wenigstens einen Spannungsteiler in der Weise angeordnet ist, dass der wenigstens eine erste Anteil und/oder der zweite Anteil, die/der durch den Spannungsteiler eingestellt werden/wird, unter Verwendung des wenigstens einen veränderlichen Widerstands eingestellt werden können/kann.
Zusätzlich oder alternativ kann die Spannungsquelle eine digitale Schaltung umfassen, die dafür konfiguriert ist, die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers zu digitalisieren und die erste Spannung und/oder die zweite Spannung als eine Funktion der digitalisierten Ausgabe des Transimpedanzverstärkers einzustellen.
In diesem Fall kann die digitale Schaltung einen Einstelleingang zum Einstellen des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils umfassen, wobei der Spannungscontroller den Einstelleingang der digitalen Schaltung umfasst. Der Einstelleingang kann einen Vorspannungseingang in die digitale Schaltung und/oder eine Programmierschnittstelle für die digitale Schaltung umfassen.
Der Spannungscontroller kann einen Einstellanschluss umfassen, der so konfiguriert ist, dass der erste Anteil und/oder der zweite Anteil durch Anlegen einer Einstellspannung (z. B. Vx) an den Einstellanschluss eingestellt werden/wird. Zum Beispiel kann die Spannungsquelle wenigstens einen Spannungsteiler zum Einstellen des ersten und/oder des zweiten Anteils umfassen. Der Einstellanschluss kann dann so ausgelegt sein, dass die Einstellspannung in der Weise an den Spannungsteiler angelegt wird, dass eine Änderung der an den Einstellanschluss angelegten Spannung die Vorspannung des Spannungsteilers ändert und folglich den ersten Anteil und/oder den zweiten Anteil ändert.
Darüber hinaus kann die an die leitfähigen Kompensationselemente angelegte Spannung nicht mehr unter Verwendung eines veränderlichen Widerstands in dem Spannungsteiler und/oder unter Verwendung des Einstelleingangs der digitalen Schaltung eingestellt werden, falls der Transimpedanzverstärker nach der Anfangskonfiguration innerhalb einer Unterdruckkammer aufgenommen ist, die für den Schutz vor Feuchtigkeit und geladenen Teilchen, die durch kosmische Strahlung aus der Luft erzeugt werden könnten, nützlich sein kann. Irgendwelche Abweichungen der an die leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannungen gegenüber der Anfangskonfiguration, z. B. von der Komponentenalterung oder von Temperaturabweichungen, während der gesamten Lebensdauer des Transimpedanzverstärkers können dann durch Anlegen einer Spannung an den Einstellanschluss kompensiert werden. Selbst wenn der Transimpedanzverstärker nicht in einer Unterdruckkammer aufgenommen ist, kann der Einstellanschluss dennoch in der Weise vorgesehen sein, dass die an das wenigstens eine leitfähige Kompensationselement angelegte Spannung durch Anlegen einer Spannung an den Einstellanschluss eingestellt werden kann.
Der Spannungscontroller kann zum voneinander unabhängigen Einstellen des ersten Anteils und des zweiten Anteils konfiguriert sein. Zum Beispiel kann die Spannungsquelle zwei Spannungsteiler umfassen, wobei der erste den ersten Anteil einstellt und der zweite den zweiten Anteil einstellt. Jeder der Spannungsteiler kann einen veränderlichen Widerstand (und/oder einen Einstellanschluss) umfassen, so dass die zwei veränderlichen Widerstände unabhängig eingestellt werden können, um den ersten Anteil unabhängig von dem zweiten Anteil einzustellen und umgekehrt.
Alternativ kann die Spannungsquelle einen Spannungsteiler zum Einstellen des ersten Anteils und eine digitale Schaltung zum Einstellen des zweiten Anteils umfassen, wobei der Spannungscontroller einen veränderlichen Widerstand in dem Spannungsteiler und einen Einstelleingang in der digitalen Schaltung umfasst. Dadurch können der erste und der zweite Anteil unabhängig voneinander geändert werden.
Die Form des resistiven Elements kann rohrförmig sein, wobei das resistive Element ein Hohl- oder Vollrohr sein kann und die Querschnittsform irgendeine geeignete Form, vorzugsweise kreisförmig oder nahezu kreisförmig, sein kann, oder es kann als eine Schraubenform gebildet sein, z. B. um einen isolierenden Kern oder um irgendeine andere geeignete Anordnung gewendelt sein kann.
Die Längslänge des Widerstands ist nicht die Länge des resistiven Wegs des resistiven Elements (z. B. des Schraubenwegs entlang eines schraubenförmigen resistiven Elements), sondern ist die lineare Länge des Widerstands. Zum Beispiel kann die Längslänge des Widerstands die Länge entlang der Längsachse des Widerstands oder die Länge von dem Eingang in den Widerstand zu dem Ausgang sein. Falls der Widerstand sehr kurz, aber mit einem sehr großen Durchmesser ist, wäre die Längslänge weiterhin die Länge entlang der Längsachse des resistiven Elements und würde nicht zu dem Durchmesser des resistiven Elements.
Die Länge jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente kann im Wesentlichen gleich der oder größer als die Hälfte des Außendurchmessers des Widerstands sein. Zum Beispiel kann sie 40% des Außendurchmessers des Widerstands oder 50% des Außendurchmessers des Widerstands oder 60% des Außendurchmessers des Widerstands oder 80% des Außendurchmessers des Widerstands usw. sein. Auf diese Weise können Nichtlinearitäten des Widerstands unter Verwendung der leitfähigen Kompensationselemente genau kompensiert werden, ohne die Widerstandsanordnung übermäßig kompliziert zu machen.
Jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente kann so angeordnet sein, dass es verschiedene Positionen entlang der Längslänge des Widerstands belegt, so dass sich keine der Kompensationselemente entlang der Länge des Widerstands überlappen.
Die mehreren leitfähigen Kompensationselemente können eine Hohlrohrform mit irgendeiner Querschnittsform, die zum Anlegen kompensierender externer elektrischer Felder an den Widerstand geeignet ist, aufweisen. Vorzugsweise ist die Querschnittsform der mehreren leitfähigen Kompensationselemente für jedes Element dieselbe. Vorzugsweise ist die Querschnittsform der mehreren leitfähigen Kompensationselemente an die Querschnittsform des Widerstands angepasst, die in bevorzugten Formen kreisförmig sein kann. Die Länge jedes leitfähigen Kompensationselements kann ebenfalls dieselbe oder verschieden sein. Jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente kann so angeordnet sein oder nicht so angeordnet sein, dass es den Isolator des Widerstands wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des resistiven Elements vollständig umgibt.
Der Innendurchmesser jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente kann im Wesentlichen das Doppelte des Außendurchmessers des Widerstands (z. B. des Außendurchmessers des isolierenden Materials) sein. Zum Beispiel kann er 1,8-mal größer als der Außendurchmesser des Widerstands oder 2-mal größer als der Außendurchmesser des Widerstands oder 2,1-mal größer als der Außendurchmesser des Widerstands oder 2,4-mal größer als der Außendurchmesser des Widerstands usw. sein. Auf diese Weise kann das Anlegen einer Spannung, die für die leitfähigen Kompensationselemente erforderlich ist, auf einem beherrschbaren Pegel gehalten werden (wobei sie z. B. von der Ausgabe eines Transimpedanzverstärkers abgeleitet werden kann), während sie weiterhin die genaue Kompensation von Nichtlinearitäten des Widerstands ermöglicht.
Die isolierende Schicht, die das leitfähige Element des Widerstands umgibt, kann aus irgendeinem isolierenden Material gebildet sein, wobei sie z. B. eine Lackbeschichtung umfassen kann, die auf dem resistiven Element gebildet ist. Die Lackbeschichtung kann irgendeine geeignete Dicke aufweisen, und da die Dicke der Lackbeschichtung wegen Herstellungstoleranzen entlang der axialen Länge des Widerstands variieren kann, kann dies wenigstens einige der Nichtlinearitäten der Kapazität und der dielektrischen Absorption des Widerstands entlang der Länge des Widerstands verursachen. Diese können kompensiert werden, um die leitfähigen Kompensationselemente zu verwenden.
Vorzugsweise umfassen die mehreren leitfähigen Kompensationselemente drei leitfähige Kompensationselemente. Dies kann ermöglichen, dass die Nichtlinearitäten des Widerstands entlang der Länge des Widerstands mit einem höheren Grad an Genauigkeit kompensiert werden. Außerdem kann der Widerstand mehr als drei leitfähige Kompensationselemente umfassen, was die Genauigkeit, mit der die Nichtlinearitäten kompensiert werden können, noch weiter verbessert.
Der Widerstand kann einen isolierenden Kern umfassen. Der isolierende Kern kann wegen Herstellungstoleranzen Abweichungen seiner Dicke und/oder Materialeigenschaften aufweisen. Dies kann eine nichtlineare Verteilung der radialen und axialen elektrischen Felder und der dielektrischen Absorption in dem Widerstand verursachen. Wie oben erläutert wurde, können die leitfähigen Kompensationselemente wieder verwendet werden, um diese Nichtlinearitäten zu kompensieren, um das Verhalten eines Transimpedanzverstärkers zu verbessern.
Die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers kann eine Spannungsausgabe sein und die Eingabe des Transimpedanzverstärkers kann eine Stromeingabe sein.
Die Widerstandsanordnung kann in einer Unterdruckkapsel aufgenommen sein, so dass wenigstens die Widerstandsanordnung von der Kapsel umgeben ist. Eines oder mehrere weitere Elemente des Transimpedanzverstärkers, z. B. die Spannungsquelle usw., können ebenfalls in der Unterdruckkammer aufgenommen sein. Alternativ kann der gesamte Transimpedanzverstärker in der Unterdruckkammer aufgenommen sein. Die Unterdruckkammer kann nützlich für den Schutz vor Feuchtigkeit und geladenen Teilchen sein, die durch kosmische Strahlung aus der Luft erzeugt werden könnten.
Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung einen Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker bereit, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; mehrere leitfähige Kompensationselemente, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt; und eine veränderliche Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei das zweite leitfähige Kompensationselement vorzugsweise an das erste leitfähige Kompensationselement angrenzt, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind und wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung ist und wobei die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers und der ersten Spannung von der Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung verschieden ist.
Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung einen Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker bereit, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einem Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; wenigstens drei leitfähige Kompensationselemente, die den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgeben; und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer dritten Spannung an ein drittes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: das erste leitfähige Kompensationselement entlang der Längslänge des Widerstands an das zweite leitfähige Kompensationselement angrenzt; das zweite leitfähige Kompensationselement entlang der Längslänge des Widerstands an das dritte leitfähige Kompensationselement angrenzt; und das zweite leitfähige Kompensationselement entlang der Längslänge des Widerstands zwischen dem ersten leitfähigen Kompensationselement und dem dritten leitfähigen Kompensationselement positioniert ist; und wobei die Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung von der Differenz zwischen der zweiten Spannung und der dritten Spannung verschieden ist.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Massenspektrometer bereit, das irgendeinen der oben beschriebenen Transimpedanzverstärker umfasst.
Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Konfigurieren des oben beschriebenen Transimpedanzverstärkers bereit, das das Anlegen eines Stufenstroms an den Eingang des Transimpedanzverstärkers; und das Einstellen einer ersten Spannung, die an ein erstes leitfähiges Kompensationselement angelegt wird, und/oder einer zweiten Spannung, die an das zweite Kompensationselement angelegt wird, umfasst.
Das Einstellen der ersten und/oder der zweiten Spannung kann durch iterative Einstellung des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils ausgeführt werden, wobei z. B. der erste Anteil eingestellt werden kann und die Stufenstromeingabe wiederholt werden kann, um die durch die Einstellung des ersten Anteils verursachte Wirkung auf die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers zu bestimmen. Dieser Prozess kann mehrmals wiederholt werden, bis die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers auf eine gewünschte Weise arbeitet. Gleichfalls kann dieser iterative Prozess ebenfalls ausgeführt werden, wenn die zweite Spannung eingestellt wird. Darüber hinaus kann der iterative Prozess der Einstellung und des erneuten Testens des Verstärkeransprechens auf einen Stufenstrom dadurch ausgeführt werden, dass der erste und der zweite Anteil nacheinander (d. h. nach dem Einstellen des zweiten Anteils Zurückkehren zu der iterativen Einstellung des ersten Anteils, daraufhin Zurückkehren zu der iterativen Einstellung des zweiten Anteils, daraufhin Zurückkehren zu der iterativen Einstellung des ersten Anteils usw.) oder zusammen (d. h. iteratives Einstellen sowohl des ersten als auch des zweiten Anteils gleichzeitig) wiederholt eingestellt werden.
Die erste Spannung und/oder die zweite Spannung können/kann auf Werte eingestellt werden, die das Überschwingen und das Unterschwingen einer Spannung am Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf den Stufenstrom bei dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers minimieren. Auf diese Weise kann die Ausregelzeit der Ausgabe des Verstärkers minimiert werden, was in Anwendungen wie etwa der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie besonders nützlich sein kann. Von Bedeutung für Isotopenverhältnismessungen ist, dass die Zeit für den Transimpedanzverstärker zum Ausregeln auf eine Endausgangsspannung vorteilhaft minimiert werden kann, wobei dies insbesondere nicht dem Erhalten der schnellsten Zeitkonstante für die Verstärkerabfallcharakteristik äquivalent ist.
Während die an das erste leitfähige Kompensationselement (das das Kompensationselement ist, das dem Eingang des Transimpedanzverstärkers am nächsten ist) angelegte erste Spannung eine Wirkung auf das Überschwingen und Unterschwingen der Spannung am Ausgang des Verstärkers haben kann, kann sie insbesondere dafür eingestellt werden, eine gewünschte Zeitkonstante für den Transimpedanzverstärker in Ansprechen auf die Stufenänderung des Stroms zu erreichen. Zum Beispiel kann eine Zeitkonstante von näherungsweise 0,5–1,5 Sekunden (gleich 0,32–0,11 Hz) wie etwa 0,4 Sekunden oder 0,7 Sekunden oder 1 Sekunde oder 1,5 Sekunden oder 1,6 Sekunden usw. erwünscht sein.
Die an das zweite leitfähige Kompensationselement (das das Kompensationselement am zweitnächsten zu dem Eingang des Transimpedanzverstärkers ist) angelegte zweite Spannung kann einen erheblichen Einfluss auf das Überschwingen und Unterschwingen des Verstärkers haben und somit unter besonderer Berücksichtigung des Minimierens des Überschwingens und Unterschwingens einer Spannung am Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf einen Stufenstrom an den ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers eingestellt werden.
Der erste und/oder der zweite Anteil können/kann unter Verwendung des Spannungscontrollers oder durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel, z. B. durch Ändern der Werte der Widerstände in einem Spannungsteiler in der Spannungsquelle usw., eingestellt werden.
Wo die Widerstandsanordnung ein drittes leitfähiges Kompensationselement aufweist, das das Kompensationselement am nächsten zu dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers ist, kann eine an das dritte leitfähige Kompensationselement angelegte dritte Spannung auf einen Pegel zum Minimieren des Überschwingens und Unterschwingens einer Spannung am Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf einen Stufenstrom bei dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers und zum Verkürzen einer Anstiegszeit des Stufenstroms bei dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers eingestellt werden.
Auf diese Weise oder durch irgendeine andere geeignete Einstelltechnik kann der Transimpedanzverstärker dafür konfiguriert werden, gewünschte Eigenschaften eines schnellen Ansprechens auf Änderungen des Eingangsstroms bei keinem oder wenig Unterschwingen oder Überschwingen in seiner Ausgabe aufzuweisen.
Im Gegensatz zu Verfahren des Standes der Technik, bei denen der Transimpedanzverstärker vorzugsweise zur Verwendung in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie dient, wird die gewählte Einstelltechnik so ausgeführt, dass sichergestellt wird, dass die Zeitkonstante irgendeines Kriechens in der Ausgabe des Verstärkers in Richtung eines Endausgangspegels selbst dann minimiert wird, wenn dies zu einer längeren Anfangssignalverzögerung führt.
Ferner kann das Konfigurationsverfahren das Einstellen einer an einen Einstellanschluss des Transimpedanzverstärkers angelegten Spannung (wobei der Einstellanschluss so ausgelegt ist, dass eine an den Einstellanschluss angelegte Spannung wenigstens eine der an die leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannungen einstellt), um den ersten Anteil und/oder den zweiten Anteil einzustellen, umfassen. Die Einstellung der an wenigstens eines der leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannung durch Einstellen des ersten und/oder des zweiten Anteils ermöglicht, dass die Eigenschaften des Verstärkers selbst dann über die gesamte Lebensdauer des Verstärkers abgestimmt und eingestellt werden, wenn andere Techniken zum Einstellen der an die leitfähigen Kompensationselemente angelegten Spannung (z. B. veränderliche Widerstände am Ausgang des Verstärkers) (z. B. aufgrund dessen, dass der Verstärker innerhalb einer Unterdruckkammer aufgenommen ist) nicht verfügbar sind.
Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Umwandeln eines Stroms in eine Spannung unter Verwendung eines Transimpedanzverstärkers bereit, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt. Ferner umfasst die Widerstandsanordnung mehrere leitfähige Kompensationselemente, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt. Ferner umfasst der Transimpedanzverstärker eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind. Das Verfahren umfasst Folgendes: Anlegen des umzuwandelnden Stroms an den Eingang des Transimpedanzverstärkers in der Weise, dass an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers eine entsprechende Spannung ausgegeben wird, und Anlegen der ersten Spannung an das erste leitfähige Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und der zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei die erste Spannung und/oder die zweite Spannung eine bzw. mehrere Größen aufweisen/aufweist, die so eingestellt sind, dass sie das Überschwingen und Unterschwingen der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf eine Änderung des Eingangsstroms minimieren.
Das Minimieren des Überschwingens und Unterschwingens der Ausgabe sollte die Ausregelzeit des Verstärkers minimieren, was selbst dort, wo die Minimierung zu einem längeren Anfangssignalabfall führt, für Anwendungen wie etwa die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, besonders vorteilhaft sein kann.
Außerdem stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Ausführen einer Massenspektrometrie bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen von Ionen in einer Ionenquelle; Trennen der Ionen in Übereinstimmung mit ihrem Masse/Ladung-Verhältnis in einem Massenanalysator; Einlassen der Ionen in einen Kollektor, um einen elektrischen Strom zu erzeugen; und Umwandeln des elektrischen Stroms in eine Spannung in Übereinstimmung mit dem oben offenbarten Verfahren.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Widerstandsanordnung zur Verwendung in einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker bereitgestellt, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; wobei die Widerstandsanordnung ferner mehrere leitfähige Kompensationselemente umfasst, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des r wenigstens teilweise umgibt; wobei die mehreren leitfähigen Kompensationselemente in der Weise elektrisch voneinander isoliert sind, dass eine erste Spannung mit einer von null verschiedenen Größe (z. B. eine Spannung, die auf einem höheren Potential oder auf einem niedrigeren Potential als die Masse ist) an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente angelegt werden kann und eine zweite von null verschiedene Spannung (z. B. eine Spannung mit höherem Potential oder niedrigerem Potential als die Masse) an ein zweites leitfähiges Kompensationselement angelegt werden kann.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Widerstandsanordnung bereitgestellt, die einen Widerstand mit einer Impedanz größer als 10¹² Ω oder größer als 10¹³ Ω umfasst, wobei der Widerstand eine Längslänge aufweist und Folgendes umfasst: ein resistives Element, das eine Länge aufweist; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; wobei die Widerstandsanordnung ferner mehrere leitfähige Kompensationselemente umfasst, die den Isolator jeweils wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgeben; wobei die mehreren leitfähigen Kompensationselemente in der Weise voneinander isoliert sind, dass an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente eine erste Spannung mit einer von null verschiedenen Größe angelegt werden kann und an ein zweites leitfähiges Kompensationselement eine zweite Spannung angelegt werden kann.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Widerstandsanordnung bereitgestellt, die einen ultrahochohmigen Widerstand umfasst, wobei der ultrahochohmige Widerstand eine Längslänge aufweist und Folgendes umfasst: ein resistives Element, das eine Längslänge aufweist; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; wobei die Widerstandsanordnung ferner mehrere leitfähige Kompensationselemente umfasst, die den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgeben; wobei die mehreren leitfähigen Kompensationselemente in der Weise elektrisch voneinander isoliert sind, dass an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente eine erste Spannung mit einer von null verschiedenen Größe angelegt werden kann und an ein zweites leitfähiges Kompensationselement eine zweite Spannung angelegt werden kann.
Ein ultrahochohmiger Widerstand ist ein Widerstand, der eine Impedanz größer oder gleich 1 TΩ, z. B. 1–10 TΩ oder 1–100 TΩ, aufweist. Ein ultrahochohmiger Widerstand kann eine Längslänge von wenigstens 1 mm, z. B. zwischen 1 mm und 10 cm, aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Widerstandsanordnung bereitgestellt, die einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand ein rohrförmiges resistives Element (hohl oder voll) oder ein gewendeltes resistives Element umfasst, wobei das resistive Element eine Längslänge aufweist; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt, umfasst; wobei die Widerstandsanordnung ferner mehrere leitfähige Kompensationselemente, die den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgeben, umfasst; wobei die mehreren leitfähigen Kompensationselemente in der Weise elektrisch voneinander isoliert sind, dass an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente eine erste Spannung mit einer von null verschiedenen Größe angelegt werden kann und an ein zweites leitfähiges Kompensationselement eine zweite Spannung angelegt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Verwendung eines ultrahochohmigen Widerstands in einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker.
Außerdem stellt die Offenbarung einen Transimpedanzverstärker bereit, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die den ultrahochohmigen Widerstand der vorliegenden Offenbarung umfasst, wobei die Widerstandsanordnung zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist.
Außerdem stellt die Offenbarung einen Transimpedanzverstärker bereit, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die einen Widerstand mit einer Impedanz größer als 10¹² Ω oder größer als 10¹³ Ω in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung umfasst, wobei die Widerstandsanordnung zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist.
Außerdem stellt die Offenbarung einen Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Transimpedanzverstärker bereit, der eine resistive Anordnung umfasst, die einen ultrahochohmigen Widerstand aufweist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein ultrahochohmiger Widerstand und ein Transimpedanzverstärker in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung werden nur beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen beispielhaften Transimpedanzverstärker zeigt, der im Stand der Technik bekannt ist;
2 eine beispielhafte Konstruktion eines ultrahochohmigen Widerstands, die im Stand der Technik bekannt ist, zeigt;
3 ein beispielhaftes Ansprechen eines Transimpedanzverstärkers des Standes der Technik zeigt;
4 ein weiteres beispielhaftes Ansprechen eines Transimpedanzverstärkers des Standes der Technik zeigt;
5 einen Transimpedanzverstärker mit einer ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstandsanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 ein RC-Maschennetzmodell für einen ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand zeigt;
7 einen weiteren Transimpedanzverstärker mit der ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstandsanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 ein RC-Maschennetzmodell für die ultrahochohmige Rückkopplungswiderstandsanordnung der vorliegenden Offenbarung, wenn sie in einer Transimpedanzverstärkerschaltung verwendet ist, zeigt;
9 das Ausgangsspannungsansprechen eines Transimpedanzverstärkers, der die ultrahochohmige Rückkopplungswiderstandsanordnung der vorliegenden Offenbarung umfasst, wenn ein an den Eingang des Transimpedanzverstärkers angelegter Strom von 1 pA ausgeschaltet wird, zeigt;
10 eine Vergrößerung des Ausgangsspannungsansprechens aus 9 zeigt;
11 das Ausgangsspannungsansprechen eines Transimpedanzverstärkers, der die ultrahochohmige Rückkopplungswiderstandsanordnung der vorliegenden Erfindung umfasst, wenn an den Eingang des Transimpedanzverstärkers ein Strom von 1 pA angelegt wird und daraufhin ausgeschaltet wird, zeigt; und
12 eine Vergrößerung des Ausgangsspannungsanprechens eines Transimpedanzverstärkers des Standes der Technik, wenn an den Eingang des Transimpedanzverstärkers ein Strom von 1 pA angelegt wird und daraufhin ausgeschaltet wird, zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Ein 'ultrahochohmiger Widerstand' kann ein Widerstand mit einem Widerstandswert von näherungsweise 1 TΩ (d. h. 1·10¹² Ω) oder mehr sein. Zum Beispiel kann er einen Widerstandswert von 1–10 TΩ wie etwa 1 TΩ, 3 TΩ, 8 TΩ oder 10 TΩ oder einen Widerstandswert von 1–100 TΩ wie etwa 10 TΩ, 20 TΩ, 25 TΩ, 40 TΩ, 60 TΩ, 70 TΩ, 90 TΩ oder 100 TΩ oder einen Widerstandswert von 10–100 TΩ wie etwa 50 TΩ oder 100 TΩ aufweisen. Ultrahochohmige Widerstände sind von besonderer Verwendung als Rückkopplungswiderstände in Transimpedanzverstärkern, die zur Messung sehr niedriger Ströme, z. B. in der Größenordnung von Femtoampere (fA), d. h. 1·10^–15 A, verwendet werden.
5 zeigt eine Transimpedanzverstärkerschaltung 500, die einen Operationsverstärker IC1, eine Widerstandsanordnung 510, die einen ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand R_F umfasst, der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers IC1 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC1 geschaltet ist, einen ersten Spannungsteiler, der Widerstände R1, R2, R3 und R4 umfasst, und einen zweiten Spannungsteiler, der Widerstände R5, R6, R7 und R8 umfasst, umfasst. Die Widerstände R1, R3 und R6 sind veränderliche Widerstände. In Reihe mit einer Einstellspannung Vx ist ein weiterer Widerstand R9 vorgesehen.
Der Rückkopplungswiderstand R_F ist in der in 2 gezeigten Art und Weise konstruiert und in dem obigen 'Hintergrund'-Abschnitt beschrieben.
6 zeigt ein verteiltes Maschennetz von Widerständen und Kondensatoren parallel zu einem idealen resistiven Element des Widerstands R_F, das das Wesen der Wechselwirkung zwischen dem resistiven Element und der Lackbeschichtung darstellt. Theoretisch ist das Netz gekoppelter Widerstände und Kondensatoren ein infinitesimal kleines Maschennetz.
Allerdings ist es in der Praxis erwünscht, den Widerstand mit einem RC-Maschennetz endlicher Größe zu modellieren, wobei im Idealfall ein Gleichgewicht zwischen Komplexität und Genauigkeit der Modellierung gesucht wird. Experimente haben gezeigt, dass der Rückkopplungswiderstand R_F in Abhängigkeit von den physikalischen Dimensionen des Widerstands R_F unter Verwendung nur einer kleinen Anzahl von Elementen modelliert werden kann. Zum Beispiel kann der Rückkopplungswiderstand R_F effektiv unter Verwendung von drei bis fünf Elementen entlang der Länge des Widerstands modelliert werden, so dass das ideale resistive Element, wie in 6 gezeigt ist (wo es vier ideale resistive Elemente mit einem RC-Maschennetz entsprechender Größe gibt), in drei bis fünf getrennte ideale Widerstände in Reihe mit einem entsprechend bemessenen RC-Maschennetz geteilt sein kann. Für verhältnismäßig kleine Widerstände (z. B. Widerstände mit einer kurzen Längslänge) kann es möglich sein, den Widerstand R_F effektiv unter Verwendung zweiter getrennter idealer Widerstände in Reihe mit einem entsprechend bemessenen RC-Maschennetz zu modellieren.
Der Wert jedes entsprechenden Elements in dem in 6 gezeigten Modell, das den Rückkopplungswiderstand R_F repräsentiert, kann zueinander gleich sein.
Allerdings kann identifiziert werden, dass Inkonsistenzen in der Herstellung der ultrahochohmigen Widerstände bedeuten, dass der Rückkopplungswiderstand R_F genauer modelliert werden kann, falls die Größe jedes Elements anders ist.
Insbesondere kann das resistive Element 220 kein gleichmäßig verteilter Widerstand entlang der Längslänge des Widerstands 200 sein. Somit können die idealen resistiven Komponenten in 6 das resistive Element 220 genauer modellieren, falls jede der idealen resistiven Komponenten eine andere Größe aufweist.
Darüber hinaus können Abweichungen der Dicke der Lackbeschichtung entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F, die in der Größenordnung von näherungsweise ±0,2 mm liegen können, eine inhomogene Verteilung der radialen und axialen elektrischen Felder und somit veränderliche Grade der radialen und axialen dielektrischen Absorption verursachen. Gleichfalls können Abweichungen der Größe und der Materialeigenschaften des isolierenden Kerns 210 des Rückkopplungswiderstands R_F ferner Nichtlinearitäten der Verteilung der radialen und axialen elektrischen Felder und somit veränderliche Grade der radialen und axialen dielektrischen Absorption verursachen. Die Verteilung des RC-Netzes wird durch Abweichungen der Dicke des Lacks und durch Nichtlinearitäten in dem Kern beeinflusst und kann unter Verwendung anderer Werte für jede Komponente in dem RC-Netz modelliert werden. Zum Beispiel können jeder Kondensator und jeder Widerstand in dem RC-Netz einen anderen Wert aufweisen, um Abweichungen des Lacks und/oder des Kerns zu modellieren.
Diese Abweichungen entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F können die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der unter Verwendung des Transimpedanzverstärkers 500 vorgenommenen Messungen verschlechtern. Folglich können Abweichungen der Herstellungstoleranzen jedes einzigartigen Rückkopplungswiderstands R_F unter Verwendung unterschiedlicher Werte für die Komponenten in der Ersatzschaltung aus 6 modelliert werden, indem jeder Rückkopplungswiderstand R_F als eine einzigartige Vorrichtung behandelt wird. Somit kann das RC-Netz eine kombinierte Behandlung aller physikalischen Eigenschaften wie etwa (axialer) parasitärer Kapazitäten und (axialer und radialer) dielektrischer Absorption repräsentieren, die daraufhin beim Festsetzen der Kompensation für die physikalischen Eigenschaften verwendet werden können, um ein gutes Ansprechen im Zeitbereich ohne Verzerrung der Ausgabe zu erreichen.
Die Verwirklichung hat zur Entwicklung einer Technik zur Kompensation der Nichtlinearität des Rückkopplungswiderstands R_F unter Verwendung einer Reihe leitfähiger (z. B. Metall-)Kompensationszylinder C1, C2 und C3, die die Schicht aus Lack des Rückkopplungswiderstands R_F umgeben, geführt. Jeder leitfähige Zylinder weist eine Länge entlang der Längslänge des Rückkopplungswiderstands R_F auf, wobei die Länge jedes leitfähigen Zylinders C1, C2 und C3 dieselbe oder eine andere sein kann. Wie in 5 gezeigt ist, umgibt jeder Zylinder C1, C2 und C3 einen anderen Abschnitt des Rückkopplungswiderstands R_F entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F. Wie ebenfalls in 5 gezeigt ist, ist die Längslänge des Widerstands R_F die lineare Länge des Widerstands, z. B. von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss. Sie ist z. B. nicht die Länge des resistiven Wegs des resistiven Elements des Widerstands R_F, das z. B. wendelförmig sein kann, was die Länge des resistiven Wegs des Widerstands länger als die Längslänge des Widerstands macht.
Jeder der Zylinder C1, C2 und C3 ist mit einem Spalt zwischen den Zylindern C1, C2 und C3 und der Lackschicht des Rückkopplungswiderstands R_F gebildet. Jeder Zylinder C1, C2 und C3 ist von den anderen Zylindern in der Weise elektrisch isoliert, dass an jeden Zylinder C1, C2 und C3 eine andere Spannung angelegt werden kann.
Diese Konfiguration ermöglicht, dass durch die Zylinder C1, C2 und C3 entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F eine nichtlineare Kompensation bereitgestellt werden kann. Die Kompensation unter Verwendung der Zylinder C1, C2 und C3 isoliert das resistive Element des Rückkopplungswiderstands R_F von der elektrischen Ladung der Lackbeschichtung, die eine Belastung der inneren Kapazitäten und ihrer entsprechenden Beschichtungswiderstände verursacht, was zu einer Verringerung der durch den Transimpedanzverstärker 200 erreichbaren Genauigkeit führen würde. Durch Anlegen eines gut eingestellten und kalibrierten externen elektrischen Felds von den Zylindern C1, C2 und C3 in der Weise, dass entlang der Längslänge des Rückkopplungswiderstands R_F ein nichtlineares elektrisches Feld aufgebaut wird, kann die Kompensation axialer und radialer parasitärer Kapazitäten und einer axialen und radialen dielektrischen Absorption, die alle in Bezug auf die Position entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F (als Folge der obenerwähnten Herstellungsinkonsistenzen) nichtlinear sind, entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F erreicht werden.
Durch Neutralisieren aller dieser Elemente kann ohne Kompromiss bezüglich der Verzerrung für den Transimpedanzverstärker 500 ein verbessertes Ansprechen im Zeitbereich erreicht werden. Somit wird ein genaueres Kompensationsschema für ultrahochohmige Widerstände verwirklicht und ein Transimpedanzverstärker 500 mit sehr hoher dynamischer Genauigkeit zum Messen sehr niedriger Ströme erreicht.
Insbesondere ist es möglich, die Kompensation der axialen und dielektrischen Absorption zu optimieren, die in dem 'Hintergrund'-Abschnitt beschriebene und in 3 gezeigte Wirkung der zweiten Zeitkonstante τ₂ zu minimieren und dadurch die Ausregelzeit für die Ausgabe V_OUT des Verstärkers zu minimieren. Somit kann der Transimpedanzverstärker 500 durch Einstellen des nichtlinearen elektrischen Felds entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F eine kurze Ausregelzeit bei der Messung eines hohen V_OUT für eine Stufenzunahme des Eingangsstroms I_IN und eine kurze Rückkehrzeit zur genauen Ausgabe von null, wenn der Eingangsstrom I_IN ausgeschaltet wird, erreichen. Ein solches Verhalten kann in einer Anzahl verschiedener Anwendungen, z. B. in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, in der der Transimpedanzverstärker 500 auf Signale mit einem hohen Dynamikbereich genau ansprechen und sowohl ein schnelles Abklingen eines ersten Signals als auch eine genaue Messung eines verhältnismäßig schwachen zweiten Stromsignals genau behandeln muss, besonders nützlich sein.
Die Länge der Zylinder C1, C2 und C3 kann als Funktion des Außenumfangs des Rückkopplungswiderstands R_F bestimmt werden. Die Zylinder sind hauptsächlich dafür bestimmt, die Längsveränderlichkeit des Rückkopplungswiderstands R_F zu kompensieren, so dass effektiv angenommen werden kann, dass die bogenförmige Kapazität des Rückkopplungswiderstands R_F um den Rückkopplungswiderstand R_F konstant sein kann. Unter dieser Annahme hat es wenig Vorteil, die Länge jedes der Zylinder C1, C2 und C3 auf sehr viel weniger als die Hälfte des Umfangs des Rückkopplungswiderstands R_F einzustellen. Wesentlich kürzere Zylinderlängen als diese würden zu einer höheren Auflösung der Kompensation in Längsrichtung als auf den Umfang des Rückkopplungswiderstands R_F führen, was sich nicht lohnt.
Zum Beispiel kann der Umfang des Rückkopplungswiderstands 18 mm sein und kann die Länge jedes der Zylinder zwischen etwa 8 mm–13 mm, z. B. 11 mm, sein. Der Widerstand kann irgendeine Länge, z. B. zwischen 35–40 mm, wie etwa 37 mm, aufweisen. Wenn der Widerstand sehr lang ist, können mehr als drei Zylinder verwendet werden, und wenn er sehr kurz ist, können (wie im Folgenden vorgeschlagen ist) nur zwei Zylinder verwendet werden.
Theoretisch sollte der optimale Durchmesser der Zylinder so groß wie möglich sein, da dies eine stetigere Feldänderung auf der Oberfläche des Rückkopplungswiderstands R_F ergibt und die Wirkung von Montagefehlern bei der Anpassung der Zylinder C1, C2 und C3 minimieren sollte. Darüber hinaus können Zylinder C1, C2 und C3 mit kleinen Durchmessern den Transimpedanzverstärker 500 während der Konfiguration schwer einstellbar machen. Allerdings würde ein sehr großer Durchmesser erfordern, dass an jeden der Zylinder C1, C2 und C3 eine sehr große Spannung angelegt wird, was problematisch sein könnte, wenn die Spannungen vom Ausgang des Transimpedanzverstärkers 500 abgegriffen werden. Somit kann der tatsächliche Durchmesser der Zylinder in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungspegel gewählt werden, von dem erwartet wird, dass ihn der Transimpedanzverstärker 200 erzeugt (der von der bestimmten Anwendung des Transimpedanzverstärkers 500 abhängen kann). Üblicherweise ist festgestellt worden, dass ein Zylinderinnendurchmesser, der näherungsweise doppelt so groß wie der Außendurchmesser des Rückkopplungswiderstands R_F ist, wirksam sein kann. Zum Beispiel kann der Rückkopplungswiderstand einen Außendurchmesser von 5,5 mm aufweisen und können die Zylinder C1, C2 und C3 jeweils einen Durchmesser von 9–13 mm, z. B. von 11 mm, aufweisen.
Die Konfiguration des Transimpedanzverstärkers 500 kann stattfinden, bevor er zum Ausführen von Strommessungen verwendet wird. Für Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Anwendungen ist der Hauptgütefaktor während der Konfiguration angesichts der Notwendigkeit, ein verhältnismäßig schwaches Stromsignal genau zu messen, die Vermeidung des Überschwingens und Unterschwingens der Ausgangsspannung V_OUT nach einer Stufenzunahme oder Stufenabnahme des Eingangsstroms I_IN, auch wenn dies zu einer geringfügig längeren Zeitkonstante für den Gesamtanstieg und Gesamtabfall des Signals V_OUT für den Transimpedanzverstärker 500 führen kann. Somit kann sich die Konfiguration des Transimpedanzverstärkers 500 hauptsächlich auf die Kompensation der axialen und radialen dielektrischen Absorption konzentrieren, um die zweite Zeitkonstante τ₂ zu minimieren.
Als der Eingangsstrom I_IN in den Transimpedanzverstärker 500 kann ein schaltbarer Teststrom, z. B. von 1 pA, angelegt werden, so dass der Eingangsstrom I_IN von 0 pA auf 1 pA und umgekehrt schalten kann. Anfangs kann die an den Zylinder C1, der der Zylinder, der dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers IC1 am nächsten ist, angelegte Spannung unter Verwendung des veränderlichen Widerstands R3 eingestellt werden. Der Zylinder C1 dominiert die kapazitive Rückkopplung und bestimmt einen Bruchteil der Zeitkonstante für die Gesamtschaltung. Der Bereich von R3 kann z. B. als ein Anteil der Ausgangsspannung V_OUT in dem Bereich des etwa 0,05- bis 0,15-fachen der Ausgangsspannung V_OUT konfiguriert sein und kann eine Zeitkonstante von etwa 0,5 bis 1,5 Sekunden (gleich einer Bandbreite von 0,32 bis 0,11 Hz) ergeben.
Die Spannung, die anfangs an den Zylinder C2, der der dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers IC1 zweitnächste Zylinder ist, angelegt wird, kann z. B. anfangs auf das 0,5-fache der Ausgangsspannung V_OUT eingestellt werden. Die Einstellung des Anteils der Ausgangsspannung V_OUT, die an den Zylinder C2 angelegt wird, kann daraufhin unter Verwendung des veränderlichen Widerstands R6 ausgeführt werden, der dafür konfiguriert werden kann, das Anlegen einer Spannung zu ermöglichen, die in dem Bereich des etwa 0,4- bis 0,6-fachen der Ausgangsspannung V_OUT proportional der Ausgangsspannung V_OUT ist. Die Einstellung der an den Zylinder C2 angelegten Spannung hat einen geringen Einfluss auf die Zeitkonstante der gesamten Schaltung und kann zur Optimierung des Unterschwingens und Überschwingens von null der Ausgangsspannung V_OUT geändert werden. Folglich kann die Einstellung der an den Zylinder C2 angelegten Spannung für Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Anwendungen die wichtigste Einstellung sein, die bei der Konfiguration des Transimpedanzverstärkers 500 vorzunehmen ist.
Daraufhin kann durch Einstellen des veränderlichen Widerstands R1, der dafür konfiguriert werden kann, das Anlegen einer Spannung zu ermöglichen, die ein Anteil der Ausgangsspannung V_OUT, z. B. in dem Bereich von etwa dem 0,6- bis 1-fachen der Ausgangsspannung V_OUT, ist, die Einstellung des Anteils der Ausgangsspannung V_OUT, der an den Zylinder C3 angelegt wird, der der dem Ausgang des Operationsverstärkers IC1 nächste Zylinder ist, ausgeführt werden. Dieser Anteil der Ausgangsspannung V_OUT kann variiert werden, um irgendwelches restliches Überschwingen oder Unterschwingen der Ausgangsspannung V_OUT zu optimieren und um die Anstiegszeit einer Stromstufe in I_IN zu verkürzen.
Falls der Transimpedanzverstärker 500 keine ausreichend schnelle, verzerrungsfreie Ausregelzeit erreicht (wobei z. B. in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie eine Ausregelzeit von weniger als etwa sechs Sekunden, z. B. 6,5 Sekunden oder 6 Sekunden oder 5 Sekunden oder 4,5, erwünscht sein kann), kann eine weitere experimentelle Einstellung des Anteils der Ausgangsspannung V_OUT, die an den Zylinder C2 angelegt wird, vorgenommen werden.
Die Einstellung der an die Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen kann iterativ vorgenommen werden. Zum Beispiel kann die an den Zylinder C1 angelegte Spannung iterativ eingestellt werden, wobei nach jeder Einstellung das Verhalten des Transimpedanzverstärkers 500 gemessen wird. Derselbe Prozess kann für die Zylinder C2 und/oder C3 vorgenommen werden. Nachdem eine Spannung für wenigstens zwei der Zylinder C1, C2 und C3 eingestellt worden ist, kann für die an wenigstens einen der Zylinder, für die zuvor eine Spannung eingestellt worden ist, angelegte Spannung eine weitere Einstellung vorgenommen werden. Zum Beispiel kann eine iterative Wiederholung der Spannungseinstellung an den Zylindern C1, C2 und C3 stattfinden, bis ein gewünschtes Verhalten des Transimpedanzverstärkers 500 erreicht ist.
Da die axialen und radialen parasitären Kapazitäten und die axiale und radiale dielektrische Absorption des Rückkopplungswiderstands R_F alle mit der Position entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F nichtlinear sind, werden die Differenzen zwischen den an jeden angrenzenden Zylinder angelegten Spannungen ebenfalls entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F variieren. Das heißt, die Differenz zwischen V_OUT und V₃ (der an C3 angelegten Spannung) ist nicht dieselbe wie die Differenz zwischen V₃ und V₂ (der an C2 angelegten Spannung) und/oder die Differenz zwischen V₃ und V₂ ist nicht dieselbe wie die Differenz zwischen V₂ und V₁ (der an C1 angelegten Spannung) und/oder die Differenz zwischen V₂ und V₁ ist nicht dieselbe wie die Differenz zwischen V₁ und der Spannung an dem Eingangsanschluss des Operationsverstärkers IC1. Somit ist die Verteilung der entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F angelegten Spannungen nichtlinear. Da die Verteilung der Spannungen zum Kompensieren der Nichtlinearitäten des Rückkopplungswiderstands R_F ausgelegt wird, entspricht die Nichtlinearität der Spannungsverteilung den Nichtlinearitäten des Rückkopplungswiderstands R_F.
Nach der Optimierung der an die Zylinder C1, C2 und C3 des Rückkopplungswiderstands R_F angelegten Spannungen kann die Orientierung des Rückkopplungswiderstands R_F wegen des einzelnen Wesens der ultrahochohmigen Widerstände und ihrer großen räumlichen Nichtlinearitäten nicht umgekehrt werden.
Nachdem der Transimpedanzverstärker 500 konfiguriert worden ist, kann der Transimpedanzverstärker 500 in einer Unterdruckkammer aufgenommen werden, bevor er zum Messen sehr kleiner Eingangsströme verwendet wird. Das Aufnehmen des Transimpedanzverstärkers 500 in einer Unterdruckkammer schützt ihn vor Feuchtigkeit und vor dem daraus folgenden α-Zerfall, der sich negativ auf die Genauigkeit der Messungen des Transimpedanzverstärkers auswirken kann.
Nachdem der Transimpedanzverstärker 500 in der Unterdruckkammer aufgenommen worden ist, kann es nicht mehr möglich sein, irgendeinen der Widerstände R1, R3 und R6 einzustellen. Allerdings können während des Einbaus des Transimpedanzverstärkers 500 in die Unterdruckkammer und/oder wegen Temperaturänderungen im Zeitverlauf und/oder wegen Komponentenalterung Abweichungen von der optimalen Einstellung der Widerstände R1, R3 und R6 auftreten. Falls nach dem Einbau des Transimpedanzverstärkers 500 in die Unterdruckkammer Einstellungen erforderlich sind, kann an die Unterdruckkammer von außen eine Kompensationsspannung Vx angelegt werden, um die an den zweiten Zylinder C2 angelegte Spannung zu ändern. Die bei Vx angelegte Spannung könnte ein Bruchteil der Ausgangsspannung V_OUT sein, könnte z. B. zwischen dem 0- bis 0,2-fachen von V_OUT sein. Die Fähigkeit, die an den zweiten Zylinder C2 angelegte Spannung einzustellen, kann besonders nützlich in Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Anwendungen sein, bei denen die Optimierung des Unterschwingens und Überschwingens von null wichtig ist.
7 zeigt einen weiteren Transimpedanzverstärker 700, der die oben beschriebene Widerstandsanordnung 510 nutzt, die einen ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand R_F umfasst. Es wird angemerkt, dass die in 7 gezeigten Komponentenwerte nur beispielhafte Werte sind und dass andere Komponentenwerte verwendet werden können. Der Transimpedanzverstärker 700 ist sehr ähnlich dem Transimpedanzverstärker 500, enthält aber einen weiteren Operationsverstärker IC2. Der weitere Operationsverstärker IC2 kann bei einer verhältnismäßig hohen Spannung, z. B. ±15 V, betrieben werden, um das von dem Operationsverstärker IC1 ausgegebene Signal weiter zu verstärken, wenn der Operationsverstärker IC1 bei einer verhältnismäßig niedrigen Spannung, z. B. bei ±1 bis 2 V, betrieben wird, um den Vorstrom des Operationsverstärkers IC1 zu minimieren. Der weitere Operationsverstärker IC2 ist mit einem Widerstand R10 und mit einem Kondensator C1 ausgelegt, so dass er als ein nicht invertierender Integrator arbeitet, um ein Schwingungsverhalten zu unterdrücken, das als Folge des Betriebs des weiteren Operationsverstärkers IC2 bei verhältnismäßig hohen Spannungen auftreten kann. Die Integratorschaltung wirkt wie ein Tiefpassfilter und senkt die Verstärkung für Hochfrequenzen, während sie eine Schwingung vermeidet und die Gleichstromverstärkung aufrechterhält.
8 zeigt einen weiteren Transimpedanzverstärker 800, der die oben beschriebene Widerstandsanordnung 510 nutzt, die einen ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand R_F umfasst. Der Transimpedanzverstärker 800 ist eine vereinfachte Version des Transimpedanzverstärkers 200 und enthält ein vereinfachtes RC-Maschennetzmodell für den Rückkopplungswiderstand R_F. Der Spannungsteiler am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 800 ist ein vereinfachter Spannungsteiler und umfasst drei veränderliche Widerstände R810, R820 und R830, die für die Einstellung der an die Zylinder C1, C2 und C3 des Rückkopplungswiderstands R_F angelegten Spannungen konfiguriert sind.
9 zeigt einen Graphen des Abfalls der Ausgangsspannung V_OUT über der Zeit für einen Transimpedanzverstärker, der den oben beschriebenen Rückkopplungswiderstand R_F verwendet. Die Zeit ist in einem Maßstab von 2 Sekunden/DIV (Teilstrich) auf der x-Achse dargestellt und die Ausgangsspannung V_OUT ist in einem Maßstab von 1 fA/DIV auf der y-Achse dargestellt (obwohl die y-Achse über dem 5. Teilstrich von der Grundlinie elektronisch komprimiert ist, damit das gesamte Stromsignal vertikal in den Graphen passt). Der Eingangsstrom I_IN ist anfangs 1 pA und zum Zeitpunkt t₁ wird das Signal ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt t₂, näherungsweise vier Sekunden, nachdem das Eingangssignal ausgeschaltet worden ist, ist die Ausgangsspannung V_OUT ohne Unterschwingen oder Überschwingen nahezu auf null (d. h. auf die Grundlinie) abgefallen. Ein Spannungsabfall innerhalb dieser Zeitdauer und ohne irgendein Unterschwingen oder Überschwingen ist in einer Anzahl verschiedener Anwendungen, z. B. in der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, in der ein zweites Signal, das schnell auf ein erstes Signal folgt, mit hoher Genauigkeit gemessen werden muss, erwünscht und kann durch richtiges Konfigurieren des Rückkopplungswiderstands R_F ermöglicht werden.
Es wird angemerkt, dass 9 zwischen t₁ und t₂ zwei Abfallzeitdauern zeigt. Der erste, sanfte Abfall von t₁ wird durch die Schaltung verursacht, die zum Messen des Signals verwendet wird. Das Ende des ersten Abfalls und der Anfang des zweiten, des 'Kanten'-Abfalls ist dort, wo die Wirkung des 'Begrenzers' der Messelektronik endet.
10 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Graphen aus 9, die den Abfall der Ausgangsspannung V_OUT auf die Grundlinie ohne irgendein Unterschwingen oder Überschwingen veranschaulicht. Die Maßstäbe der x-Achse und der y-Achse sind dieselben wie für 9. Zum Zeitpunkt t₁ wird wieder ein 1-pA-Signal am Eingang des Transimpedanzverstärkers ausgeschaltet, und zum Zeitpunkt t₂, der näherungsweise vier Sekunden nach t₁ ist, ist die Ausgangsspannung V_OUT ohne Unterschwingen oder Überschwingen auf die Grundlinie abgefallen.
11 zeigt einen Graphen der Ausgangsspannung V_OUT im Zeitverlauf für einen Transimpedanzverstärker, der die Widerstandsanordnung 510 verwendet, die einen oben beschriebenen Rückkopplungswiderstand R_F umfasst. Die Zeit ist in einem Maßstab von 2 Sekunden/DIV auf der x-Achse dargestellt und die Ausgangsspannung V_OUT ist in einem Maßstab von 2 pA/DIV auf der y-Achse dargestellt. Anfangs wird der Eingangsstrom I_IN von 0 A auf 1 pA geschaltet, was einen Anstieg von V_OUT veranlasst. Zum Zeitpunkt t₁ wird das Signal des Eingangsstroms I_IN ausgeschaltet, was veranlasst, dass die Ausgangsspannung V_OUT nahezu auf null (d. h. auf die Grundlinie) abfällt. Wie oben erläutert wurde, erreicht die Ausgangsspannung V_OUT zum Zeitpunkt t₂, was näherungsweise vier Sekunden nach t₁ ist, ohne irgendein Unterschwingen oder Überschwingen ihren Grundlinienwert.
12 zeigt einen beispielhaften Graphen der Ausgangsspannung V_OUT eines Transimpedanzverstärkers, der nur einen ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand verwendet und die oben beschriebene Widerstandsanordnung 510 nicht verwendet. Somit ist in dem ultrahochohmigen Rückkopplungswiderstand keine Unterdrückung der dielektrischen Absorption vorgesehen. Die Zeit ist in einem Maßstab von 10 Sekunden/DIV auf der x-Achse dargestellt und die Ausgangsspannung V_OUT ist in einem Maßstab von 1 fA/DIV auf der y-Achse dargestellt. Anfangs ist der Eingangsstrom I_IN gleich 1 pA und zum Zeitpunkt t₃ wird der Eingangsstrom ausgeschaltet. Etwa vier Sekunden nach t₃ ist noch eine Restausgangsspannung vorhanden und sogar zehn Sekunden nach t₃ ist die Ausgangsspannung noch etwa 10 mV. Für Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Anwendungen ist dies inakzeptabel, da durch Isotope verursachte kleine Signale maskiert werden, da V_OUT nicht auf null abgefallen ist, bevor das zweite kleine Stromsignal gemessen werden muss. Erst zum Zeitpunkt t₄, was mehr als 50 Sekunden nach t₁ ist, ist die Ausgangsspannung auf den Grundlinienwert abgefallen. Aus diesem Grund begrenzen Verfahren des Standes der Technik den Wert von Rückkopplungswiderständen, die praktisch für die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie verwendet werden können, auf 10¹¹ Ohm. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Erfindung die praktische Verwendung von Rückkopplungswiderständen so hoch wie 10 TΩ oder höher, was eine dringend notwendige Erhöhung der Empfindlichkeit des Detektionssystems und eine Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses bereitstellt, was die Genauigkeit der Messung verbessert.
Somit sind die Abfallzeit- und Überschwingen/Unterschwingen-Vorteile der Verwendung der Widerstandsanordnung 510 in Transimpedanzverstärkern, insbesondere, wenn sie für die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie verwendet werden, leicht sichtbar.
Vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet werden verschiedene Alternativen zu den oben beschriebenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung gewürdigt werden.
Zum Beispiel kann der Rückkopplungswiderstand R_F mit irgendeiner Größe und Form unter Verwendung irgendwelcher zum Bilden eines ultrahochohmigen Widerstands geeigneter Materialien konstruiert werden, anstatt den Rückkopplungswiderstand R_F durch Wendeln einer hochimpedanten resistiven Beschichtung um einen Keramikzylinder (oder um einen Glaszylinder oder um irgendein anderes isolierendes Material) und durch dessen Beschichten mit einer abgedichteten Lackbeschichtung zu konstruieren. In einem Beispiel kann der Rückkopplungswiderstand R_F überhaupt nicht mit einer abgedichteten Lackbeschichtung versehen sein. Stattdessen kann das resistive Element von irgendeinem Typ eines isolierenden Materials, z. B. von Luft oder einem Unterdruck, umgeben sein. Die Zylinder C1, C2 und C3 können gleichfalls aus irgendeinem leitfähigen Material und mit irgendeiner Größe oder Form, die zum Aufbauen der oben beschriebenen elektrischen Kompensationsfelder geeignet ist, hergestellt sein. Zum Beispiel können sie leitfähige Kompensationselemente C1, C2 und C3 mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt, mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt, mit einem im Wesentlichen ovalen Querschnitt usw. sein. Darüber hinaus können die Kompensationselemente C1, C2 und C3 nicht so angeordnet sein, dass sie den Rückkopplungswiderstand R_F vollständig umgeben, sondern dass sie den Rückkopplungswiderstand R_F stattdessen teilweise umgeben. Zum Beispiel können die Zylinder C1, C2 und C3 eine Form, die den Rückkopplungswiderstand R_F nicht vollständig einschließt, wie etwa eine 'C'- oder eine 'U'-Form, aufweisen.
Darüber hinaus können anstelle der Verwendung dreier Zylinder C1, C2 und C3 irgendeine Anzahl leitfähiger Zylinder von zwei aufwärts, die den Widerstand umgeben, um die nichtlinearen Abweichungen entlang der Länge der Elemente, die den Widerstand ergeben, zu korrigieren, angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Widerstandsanordnung 510 mit zwei, drei, vier oder mehr leitfähigen Zylindern versehen sein, die jeweils elektrisch voneinander isoliert sind, so dass an jeden eine andere Spannung angelegt werden kann, um entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F unterschiedliche kompensierende externe elektrische Felder aufzubauen.
Wenn der Rückkopplungswiderstand R_F keine Lackbeschichtung umfasst, kann er mit irgendeiner Dicke gebildet sein, die geeignet ist, die hochimpedante resistive Beschichtung vor mechanischer und/oder chemischer Beeinträchtigung zu schützen.
Die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 können alle dieselbe radiale Größe aufweisen oder einer oder mehrere der leitfähigen Zylinder können eine andere radiale Größe als die anderen leitfähigen Zylinder aufweisen. Wo wenigstens einer der leitfähigen Zylinder eine andere radiale Größe als die anderen leitfähigen Zylinder aufweist, kann er oder kann er nicht mit wenigstens einem der anderen leitfähigen Zylinder in der radialen Richtung wenigstens überlappend gebildet sein. Zum Beispiel kann es zwei leitfähige Zylinder geben, wobei sich ein erster, kürzerer Zylinder in der Nähe des Zentrums des Rückkopplungswiderstands R_F befindet und ein zweiter, längerer resistiver Zylinder mit einem größeren Radius in der Weise angeordnet ist, dass er sich mit dem ersten Zylinder so überlappt, dass die Längsmitten des ersten und des zweiten Zylinders auf der Längslänge des Rückkopplungswiderstands R_F dieselbe Position oder ähnliche Positionen belegen. An den ersten Zylinder kann eine erste Spannung angelegt werden, an ein Ende des zweiten Zylinders kann eine ”hohe” Spannung angelegt werden und an das andere Ende des zweiten Zylinders kann eine ”niedrige” Spannung (z. B. Masse) angelegt werden.
Die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 können den Widerstand zusammen entlang seiner gesamten Längslänge oder entlang nur eines Teils seiner Länge umgeben.
Wenigstens einer der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 kann vorzugsweise eine leitfähige Oberfläche in Richtung des Rückkopplungswiderstands R_F freilegen. Allerdings kann alternativ wenigstens einer der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 zwischen dem leitfähigen Material des Zylinders und dem Rückkopplungswiderstand R_F wenigstens eine andere Oberfläche umfassen. Zum Beispiel kann das leitfähige Material eines oder mehrerer der Zylinder C1, C2 und C3 ”vergraben” sein, wobei ein isolierendes Material in der Weise gebildet ist, dass es das leitfähige Material wenigstens teilweise bedeckt.
Wenn der Rückkopplungswiderstand R_F in einem Transimpedanzverstärker wie dem in 5, 7 und 8 der vorliegenden Offenbarung gezeigten verwendet wird, können durch irgendein Mittel Spannungen von der Verstärkerausgangsspannung abgeleitet und an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegt werden. Die an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen werden von einer Spannungsquelle angelegt. Die Spannungsquelle kann einen oder mehrere Spannungsteiler umfassen, so dass die an jeden der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen (wie in 5, 7 und 8 gezeigt ist) über einen oder mehrere Spannungsteiler von der Verstärkerausgangsspannung V_OUT abgeleitet werden. Somit können der eine oder die mehreren Spannungsteiler als eine Spannungsquelle für einen oder mehrere leitfähige Zylinder C1, C2, C3 angesehen werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Spannungsquelle irgendwelche anderen Komponenten zum Ableiten der Spannungen und zum Anlegen an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 umfassen. Die Spannungsquelle kann z. B. eine digitale Schaltung umfassen, die zum Lesen der Ausgangsspannung des Verstärkers (z. B. durch Digitalisieren der Ausgangsspannung) und zum Einstellen wenigstens einer der an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen als Funktion der Ablesung konfiguriert ist. In dieser Implementierung kann die digitale Schaltung ferner einen spannungsabhängigen Widerstand umfassen, der um einen Betrag eingestellt wird, der von der Ablesung der Ausgangsspannung bestimmt wird, um wenigstens eine der an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen einzustellen. Außerdem oder alternativ zu dem spannungsabhängigen Widerstand kann die digitale Schaltung wenigstens einen Verstärker, Transistor und/oder Spannungsregler umfassen, wobei eine Eingabe in den Verstärker, Transistor und/oder Spannungsregler um einen aus der Ablesung der Ausgangsspannung bestimmten Betrag eingestellt wird, um die an wenigstens einen der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegte Spannung einzustellen. Außerdem oder alternativ zur Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstands, Verstärkers, Transistors und/oder Spannungsreglers kann die digitale Schaltung einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) zum Lesen der Ausgabe des Verstärkers und einen Digital/Analog-Umsetzer (DAC) zum Steuern der an wenigstens einen der Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannung durch die Spannungsquelle umfassen.
Optional kann die Spannungsquelle wenigstens einen Potentialteiler zum Anlegen einer Spannung an wenigstens einen der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 und wenigstens eine der oben beschriebenen digitalen Schaltungsanordnungen zum Anlegen einer Spannung an wenigstens einen der anderen leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 umfassen.
Wo die Spannungsquelle wenigstens einen Spannungsteiler zum Anlegen einer Spannung an wenigstens einen der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 umfasst, kann sie darüber hinaus irgendeine Anzahl von Widerständen mit irgendeinem Wert umfassen, die zum Anlegen einer gewünschten Spannung an jeden der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 geeignet sind. Anstatt zwei Spannungsteiler zu verwenden, wie es in 7 gezeigt ist, kann darüber hinaus irgendeine Anzahl von Spannungsteilern verwendet werden, wobei es z. B. einen einzelnen Spannungsteiler geben kann, von dem die Spannungen für wenigstens einen der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 erhalten werden, oder drei Spannungsteiler, einen für jeden der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3, geben kann. Außerdem kann es mehr als drei Spannungsteiler geben, wenn z. B. R_F mehr als drei leitfähige Zylinder aufweist.
Der bzw. die Spannungsteiler können so ausgelegt sein, dass sie keine veränderlichen Widerstände umfassen. In diesem Fall können die an jeden der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen durch Anlegen einer oder mehrerer externer Spannungen an einen Punkt an dem bzw. den Spannungsteilern (wie etwa der Spannung Vx in 5 und 7) geändert werden. Wo die Spannungsquelle wenigstens eine der oben beschriebenen digitalen Schaltungsanordnungen umfasst, kann der Anteil von V_OUT, der durch die digitale Schaltung an wenigstens einen leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegt wird, unter Verwendung eines Einstelleingangs eingestellt werden. Der Einstelleingang kann eine Vorspannung für die digitale Schaltung umfassen, die den Arbeitspunkt des ADC und/oder des DAC und/oder die an den spannungsabhängigen Widerstand angelegte Spannung und/oder die an den Transistor angelegte Spannung und/oder die an den Verstärker angelegte Spannung und/oder die an den Spannungsregler angelegte Spannung ändern kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Einstelleingang eine Programmierschnittstelle umfassen, die dafür konfiguriert ist, den Betrieb der digitalen Schaltung einzustellen. Auf diese Weise kann die an wenigstens einen der Zylinder C1, C2 und C3 angelegte Spannung ein einstellbarer Anteil der Ausgangsspannung des Verstärkers sein (wobei die an wenigstens einen der Zylinder C1, C2 und C3 angelegte Spannung z. B. für eine gegebene Ausgangsspannung des Verstärkers erhöht oder verringert werden kann, wie etwa von 0,7 V_OUT auf 0,8 V_OUT geändert werden kann).
Der Transimpedanzverstärker kann so konfiguriert sein, dass die Spannung Vx den Anteil von V_OUT beeinflusst, der an einen oder mehrere der leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegt wird. Der Transimpedanzverstärker kann so konfiguriert sein, dass er mehr als einen Anschluss zum Anlegen einer externen Spannung an den bzw. die Spannungsteiler (d. h. mehr als ein Vx) aufweist, so dass die an mehr als einen leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegte Spannung unabhängig von den anderen an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen geändert werden kann.
Alternativ kann der Transimpedanzverstärker so konfiguriert sein, dass er keinen Anschluss zum Anlegen einer externen Spannung an den bzw. die Spannungsteiler aufweist (d. h. kann Vx weggelassen sein).
Ein Transimpedanzverstärker, der den Rückkopplungswiderstand R_F verwendet, ist nicht nur auf die in 5, 7 und 8 gezeigten Anordnungen und Komponenten beschränkt, sondern kann irgendwelche für das Herstellen eines Transimpedanzverstärkers geeignete Komponenten umfassen. Zum Beispiel kann irgendein geeigneter Verstärker verwendet werden, anstatt in dem Transimpedanzverstärker einen oder mehrere Operationsverstärker zu verwenden. Darüber hinaus kann der Transimpedanzverstärker nur eine einzelne Verstärkungsstufe oder mehrere Verstärkungsstufen aufweisen. Darüber hinaus kann der Transimpedanzverstärker außerdem zusätzliche Elemente, z. B. eines oder mehrere Filter und/oder einen oder mehrere Integratoren usw., umfassen, die entweder als Teil einer Verstärkungsstufe oder irgendeiner anderen Stufe des Transimpedanzverstärkers oder als eine getrennte Funktionsstufe gebildet sein können.
Die Konfiguration der an die leitfähigen Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen kann in irgendeiner Reihenfolge und unter Verwendung irgendeines Prozesses, die zum Erreichen der gewünschten Verhaltensergebnisse geeignet sind, ausgeführt werden.
Die an die Zylinder C1, C2 und C3 angelegten Spannungen können irgendeine Größe aufweisen, die geeignet ist, ein gewünschtes Verhalten des Transimpedanzverstärkers zu erreichen. Obwohl die oben beschriebenen Aspekte Bereiche von Bruchteilen der Ausgangsspannung V_OUT (z. B. das 0,4- bis 0,6-fache von V_OUT) offenbaren, in denen die an wenigstens einen der Zylinder C1, C2 und C3 angelegte Spannung liegen kann, sind diese z. B. lediglich beispielhaft.
Sofern die Größen der Spannungen nichtlinear entlang der Länge des Rückkopplungswiderstands R_F verteilt sind, um wie zuvor erläutert die Nichtlinearitäten des Rückkopplungswiderstands R_F zu kompensieren, kann an irgendeinen oder irgendwelche der Zylinder C1, C2 und C3, wie es der Fachmann für geeignet hält, irgendein absoluter Spannungswert oder Bruchteil von V_OUT angelegt werden, um ein gewünschtes Transimpedanzverstärker-Verhalten zu erreichen.
Darüber hinaus kann der Transimpedanzverstärker ohne eine Unterdruckkammer betrieben werden, anstatt den Transimpedanzverstärker in einer Unterdruckkammer aufzunehmen.
In einer alternativen Anordnung kann die Widerstandsanordnung zwei oder mehr Widerstände umfassen, die miteinander gekoppelt sind (z. B. in Reihe geschaltet sind), um die Funktion des Rückkopplungswiderstands R_F auszuführen. Es wird gewürdigt werden, dass jeder der zwei oder mehr Widerstände die oben beschriebenen Nichtlinearitäten aufweist und dass somit jeder der Widerstände mit zwei oder mehr leitfähigen Zylindern C1, C2 usw. versehen wäre, an die die wie oben beschriebenen Spannungen angelegt würden, um die Nichtlinearitäten jedes der Widerstände zu kompensieren. Obwohl die zwei oder mehr Widerstände miteinander gekoppelt sind, um zusammen die Funktion eines Rückkopplungswiderstands auszuführen, ist somit in einer solchen Anordnung jeder der Widerstände selbst als ein Rückkopplungswiderstand R_F zu behandeln, um die Nichtlinearitäten jedes der Widerstände in der oben beschriebenen Weise zu kompensieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2393865 B [0013]
GB 2424330 A [0018, 0020]
US 7262655 B2 [0019]
US 726265582 [0020]
GB 242433 A [0024]
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Claims

Transimpedanzverstärker, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; und mehrere leitfähige Kompensationselemente, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt; und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgangsspannung V_OUT des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind, wobei die erste Spannung ein erster Anteil von V_OUT ist und die zweite Spannung ein zweiter Anteil von V_OUT ist und wobei die Spannungsquelle Folgendes umfasst: einen Spannungscontroller zum Einstellen des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 1, wobei die variable Spannungsquelle Folgendes umfasst: wenigstens einen Spannungsteiler an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers, wobei die erste Spannung und/oder die zweite Spannung von dem wenigstens einen Spannungsteiler entnommen werden/wird.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 2, wobei der Spannungscontroller Folgendes umfasst: wenigstens einen veränderlichen Widerstand, der so ausgelegt ist, dass der wenigstens eine erste Anteil und/oder der zweite Anteil unter Verwendung des wenigstens einen veränderlichen Widerstands einstellbar sind/ist.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Spannungscontroller Folgendes umfasst: einen Einstellanschluss, der so konfiguriert ist, dass der erste Anteil und/oder der zweite Anteil durch Anlegen einer Einstellspannung an den Einstellanschluss eingestellt werden können/kann.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spannungsquelle Folgendes umfasst: eine digitale Schaltung, die dafür konfiguriert ist, die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers zu digitalisieren und die erste Spannung und/oder die zweite Spannung als Funktion der digitalisierten Ausgabe des Transimpedanzverstärkers einzustellen.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 5, wobei: die digitale Schaltung einen Einstelleingang zum Einstellen des ersten Anteils und/oder des zweiten Anteils umfasst; und der Spannungscontroller den Einstelleingang der digitalen Schaltung umfasst.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Spannungscontroller dafür konfiguriert ist, den ersten Anteil und den zweiten Anteil unabhängig voneinander einzustellen.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente so angeordnet ist, dass es eine andere Position entlang der Längslänge des Widerstands belegt.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens eines der mehreren leitfähigen Kompensationselemente den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands vollständig umgibt.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 9, wobei jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente rohrförmig ist.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 10, wobei jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente dieselbe radiale Größe aufweist.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei der Innendurchmesser wenigstens eines der mehreren leitfähigen Kompensationselemente im Wesentlichen doppelt so groß wie der Außendurchmesser des Widerstands ist.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente dieselbe Länge aufweist.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Länge jedes der mehreren leitfähigen Kompensationselemente im Wesentlichen gleich oder größer als die Hälfte des Außendurchmessers des Widerstands ist.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Isolator an dem resistiven Element gebildet ist.
Transimpedanzverstärker nach Anspruch 15, wobei der Isolator, der das isolierende Element umgibt, eine Lackbeschichtung umfasst.
Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch, der ferner ein Unterdruckgehäuse umfasst, das wenigstens die Widerstandsanordnung umgibt.
Massenspektrometer, das den Transimpedanzverstärker nach einem vorhergehenden Anspruch umfasst.
Verfahren zum Konfigurieren des Transimpedanzverstärkers nach einem der Ansprüche 1–18, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen eines Stufenstroms an den Eingang des Transimpedanzverstärkers; und Einstellen der ersten Spannung und/oder der zweiten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste Spannung und/oder die zweite Spannung so eingestellt werden/wird, dass das Überschwingen und das Unterschwingen einer Spannung an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf den Stufenstrom am ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, das ferner Folgendes umfasst: Einstellen der ersten Spannung und/oder der zweiten Spannung durch Einstellen des Spannungscontrollers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die erste Spannung so eingestellt wird, dass für den Transimpedanzverstärker eine gewünschte Zeitkonstante erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei ein drittes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers näher als das erste und das zweite leitfähige Kompensationselement ist; und das zweite leitfähige Kompensationselement entlang der Längslänge des Widerstands zwischen dem ersten und dem dritten leitfähigen Kompensationselement positioniert ist; wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Einstellen der an das zweite leitfähige Kompensationselement angelegten zweiten Spannung zum Minimieren des Überschwingens und Unterschwingens einer Spannung an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf den Stufenstrom an dem ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die erste und/oder die zweite Spannung durch iterative Einstellung eingestellt werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, das ferner einen Schritt des Einstellens einer an das dritte leitfähige Kompensationselement angelegten dritten Spannung zum Minimieren des Überschwingens und Unterschwingens einer Spannung an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf den Stufenstrom an dem Eingang des Transimpedanzverstärkers und zum Verkürzen einer Anstiegszeit des Stufenstroms an dem Eingang des Transimpedanzverstärkers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die dritte Spannung durch iterative Einstellung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei der Spannungscontroller einen Einstellanschluss umfasst, der so konfiguriert ist, dass der erste Spannungsanteil und/oder der zweite Spannungsanteil durch Anlegen einer Einstellspannung an den Einstellanschluss eingestellt werden können/kann, wobei das Verfahren ferner einen folgenden Schritt umfasst: Einstellen einer an den Einstellanschluss angelegten Spannung zum Ändern des ersten Spannungsanteils und/oder des zweiten Spannungsanteils, die/der an die leitfähigen Kompensationselemente angelegt werden/wird.
Verfahren zum Umwandeln eines Stroms in eine Spannung unter Verwendung eines Transimpedanzverstärkers, der Folgendes umfasst: eine Widerstandsanordnung, die zwischen einen Ausgang des Transimpedanzverstärkers und einen Eingang des Transimpedanzverstärkers geschaltet ist, wobei die Widerstandsanordnung Folgendes umfasst: einen Widerstand, der eine Längslänge aufweist, wobei der Widerstand Folgendes umfasst: ein resistives Element; und einen Isolator, der das resistive Element umgibt; und mehrere leitfähige Kompensationselemente, wobei jedes den Isolator wenigstens entlang eines Teils der Längslänge des Widerstands wenigstens teilweise umgibt; und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und einer zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei: die erste Spannung und die zweite Spannung jeweils von der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers abgeleitet sind, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen des umzuwandelnden Stroms an den Eingang des Transimpedanzverstärkers in der Weise, dass an dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers eine entsprechende Spannung ausgegeben wird, und Anlegen der ersten Spannung an das erste leitfähige Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente und der zweiten Spannung an ein zweites leitfähiges Kompensationselement der mehreren leitfähigen Kompensationselemente, wobei die erste Spannung und/oder die zweite Spannung eine bzw. mehrere Größen aufweisen/aufweist, die so eingestellt sind/ist, dass sie das Überschwingen und Unterschwingen der Ausgabe des Transimpedanzverstärkers in Ansprechen auf eine Änderung des Eingangsstroms minimieren/minimiert.
Verfahren zum Ausführen einer Massenspektrometrie, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen von Ionen in einer Ionenquelle; Trennen der Ionen in Übereinstimmung mit ihrem Masse/Ladung-Verhältnis in einem Massenanalysator; Einlassen der Ionen in einen Kollektor zum Erzeugen eines elektrischen Stroms; und Umwandeln des elektrischen Stroms in eine Spannung in Übereinstimmung mit dem Verfahren nach Anspruch 28.