DE102017007565A1

DE102017007565A1 - Temperaturkompensierte eiektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017007565A1
Application number: DE102017007565.4A
Authority: DE
Inventors: Sven Wohlgethan
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2018-02-15
Also published as: DE102017007565A8; US20210356977A1; US20180046207A1; CN208092569U; GB2554347B; GB2554347A; US11092987B2; GB201613957D0

Abstract

Eine temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung umfasst: eine Leiterplatte, eine Vielzahl von elektronischen Komponenten, die auf der Leiterplatte so angeordnet sind, dass sie mindestens eine elektronische Schaltung bilden, einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des mindestens einen elektronischen Schaltkreises zu messen; und eine wärmeerzeugende Komponente, die dazu konfiguriert ist, durch einen Temperaturregelkreis geregelt zu werden, wobei der Temperaturregelkreis dazu konfiguriert ist, eine von der wärmeerzeugenden Komponente als Reaktion auf die vom Temperatursensor gemessene Temperatur erzeugte Wärmemenge zu regeln. Die Vielzahl von elektronischen Komponenten sind auf der Leiterplatte dazu angeordnet, auf einer von einer oder mehreren Bahnen zu liegen, wobei jede Bahn der einen oder mehreren Bahnen durch einen entsprechenden Kreis mit einem Radius definiert ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte elektronische Vorrichtung, die Bestandteil eines HF-Detektors zum Erzeugen eines Gleichspannungspegels aus einem HF-Eingangssignal sein kann. Ein derartiger HF-Detektor wird ebenfalls bereitgestellt, zusammen mit einem Regelkreis zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen eines elektronischen Verstärkers in einem Analyseinstrument, das diesen HF-Detektor verwendet. Das Analyseinstrument kann ein Massenspektrometer sein, das eine ionenoptische Vorrichtung umfasst, wie z. B. ein Quadrupol-Massenfilter.
Hintergrund der Erfindung
Techniken zum Umwandeln von Wechselspannung in eine gleichwertige Gleichspannung, die die Amplitude der Wechselspannung repräsentiert, sind in vielen elektrischen oder elektronischen Systemen gut bekannt. Auf dem Gebiet der Ionenverarbeitung und Massenspektrometrie verwendet ein Hochfrequenz-(HF)-Detektor derartige Techniken, um die HF-Spannung in ein entsprechendes, für die Amplitude der HF-Spannung als eine Gleichspannung kennzeichnendes Signal umzuwandeln, als Teil eines geschlossenen Regelkreises, um die Amplitude der HF-Spannung als Konstante beizubehalten. Es versteht sich, dass eine derartige Gleichspannung nicht strikt eine Gleichspannung von einer konstanten Amplitude über die Zeit hinweg ist. Vielmehr ist die Gleichspannung ein Signal, das einen Gleichspannungspegel aufweist, der die Amplitude der HF-Spannung anzeigt, die über die Zeit hinweg konstant sein kann, aber sich auch über die Zeit hinweg allmählich verändern kann, abhängig von der umgewandelten HF-Spannung als einem Eingang.
Der geschlossene Regelkreis kann Bestandteil einer ionenoptischen Vorrichtung sein, wie z. B. eines Quadrupols, einer Ionenfalle, Kollisionszelle oder einer ionenoptischen Linse. Veränderungen in der Amplitude des HF-Potentials können Auswirkungen auf das elektrische Feld haben, dem die Ionen in einer ionenoptischen Vorrichtung unterliegen, und dadurch unerwünschte Effekte verursachen, wie z. B. ungenaue Messungen und Ionenverlust.
Die Strom-Spannungs-(I-V)Kennlinien der Komponenten, die bei der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet werden, werden den Gleichspannungsausgangspegel erheblich beeinflussen. Insbesondere haben die aktiven Komponenten, die häufig zur Gleichrichtung verwendet werden, Strom-Spannungs-Kennlinien, die nichtlinear in Bezug auf die Temperatur variieren. Zum Beispiel ist das derzeit am häufigsten verwendete Halbleitermaterial mit verschiedenen anderen chemischen Elementen dotiertes und zur Bildung eines PN-Übergangs kombiniertes Silizium. Dieser Übergang hat eine Temperaturabhängigkeit insoweit, als die Beziehung zwischen der Spannung über den Übergang und dem Strom durch ihn von der Übergangstemperatur abhängt.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine bekannte Beziehung zwischen dem Strom durch eine Diode (I_D) und der Spannung (U_D) über die Diode hinweg dargestellt und wie diese in Bezug auf die Temperatur variiert. Diese Beziehung wird sowohl graphisch als auch mathematisch dargestellt. Jeder Halbleiter hat einen intrinsischen ohmschen Anteil (im Allgemeinen ca. 15–30 Ω bei einer Diode) in seinem Strompfad, daher wird es selbst im Normalbetrieb zu etwas Leistungsverlust kommen. Eine Folge dieses Leistungsverlusts ist es, dass die Temperatur am Halbleiter-PN-Übergang oder Metall-Halbleiter-Schottky-Übergang der Diode ansteigen wird. Somit ist – wie in 1 dargestellt – ein derartiger Effekt selbstverstärkend, und ein stabiler Zustand wird nicht von selbst erreicht werden. Eine Diode hat im Allgemeinen auch eine parasitäre Kapazität von nicht mehr als ungefähr 1 pF.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 2 ist eine typische bestehende Schaltung eines HF-Detektors zum Umwandeln eines Eingangswechselspannungssignals 10 in eine entsprechende Gleichspannung 60 mittels einer Diode 20 dargestellt, zusammen mit einem Graphen, der die Beziehung zwischen der Eingangsspannung (U_hf) und der Verlustleistung in der Diode (P_D) veranschaulicht. Ein derartiges Design wird zum Beispiel im von Thermo Fisher Scientific (TM) unter dem Markennamen „iCAP”, Modelle „Q” und „RQ”, vermarkteten induktiv gekoppelten Plasma-(ICP)-Massenspektrometer verwendet. Der HF-Detektor wird normalerweise in einem elektronischen geschlossenen Regelkreis verwendet, um die Amplitude des HF-Signals auf einem gewünschten, konstanten Pegel zu halten. Der HF-Detektor umfasst: die Diode 20; einen Widerstand 30; einen Kondensator 40 und einen Induktor 50. Der Kondensator 40 und der Induktor 50 bilden einen Tiefpassfilter, so dass der Gleichspannungsausgang 60 eine geringe Restwelligkeit aufweist. Aufgrund der Verwendung eines Halbleiters (der Diode 20) als das Gleichrichterelement ist diese Konfiguration temperaturabhängig. Die Beziehung zwischen Spannung und Verlustleistung in der Diode (die in engem Zusammenhang mit der Diodentemperatur T_D steht) ist hochgradig nichtlinear. Das führt dazu, dass die Beziehung zwischen der Amplitude des Wechselspannungseingangs 10 und dem Gleichspannungspegel 60 ebenfalls nichtlinear in Bezug auf die Temperatur ist.
Somit werden Temperatureffekte einen Offsetgleichspannungsfehler am Ausgang 60 der HF-Detektorschaltung verursachen. Diese Offsetgleichspannung hat ebenfalls eine nichtlineare Beziehung in Bezug auf die Eingangswechselspannung 10, da eine höhere Eingangsspannung 10 zu einem höheren Strom in der Diode (und potentiell anderen Komponenten), mehr Verlustleistung und damit mehr Wärme in der Diode führen wird und damit deren Strom-Spannungs-Kennlinie verändern wird. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn hohe Eingangsleistungen bereitgestellt werden, wie z. B. für ein HF-Potential, das an eine ionenoptische Vorrichtung geliefert werden soll.
Es ist auch bekannt, die Schaltung durch Temperaturregelung, wie zum Beispiel in US-2,221,703 und US-2,930,904 behandelt, auf einer konstanten Temperatur zu halten. Zum Beispiel kann ein Temperatursensor verwendet werden, um die Temperatur zu erfassen, und ein Heizgerät kann anschließend die Temperatur durch einen geschlossenen Regelkreis erhöhen, falls sie unterhalb eines gewünschten Niveaus liegt. Die Temperatur wird dadurch typischerweise auf einer Temperatur gehalten, die höher als die Raumtemperatur ist. Die Idee hinter diesem Ansatz ist es, wärmebedingte Fehlerquellen in der Gleichrichterkomponente selbst zu vermeiden. Durch Konstanthalten der Temperatur kann die Spannung vom Detektor über die Zeit hinweg sogar bei Temperaturänderungen präzise und stabil gehalten werden.
In Bezug auf 10 ist schematisch eine Anordnung von Komponenten für eine bestehende umgebungstemperaturkompensierte HF-Detektorschaltung 500 dargestellt. Die Schaltung 500 umfasst: Gleichrichterdioden 520; Lastwiderstände 530; einen Kondensator 540; einen Induktor 550; Heizwiderstände 560; einen Transistor 570; einen Operationsverstärker 580 und passive Steuerungskomponenten 590. Diese sind auf einer Leiterplatte (PCB) montiert. Angesichts der elektrischen Anforderungen sind die Komponenten typischerweise symmetrisch angeordnet, angezeigt durch Symmetrielinie 501.
Ein Temperatursensor 595 misst die Temperatur an einem gewählten Punkt auf der PCB und eine entsprechende Wärmemenge wird bereitgestellt, um die Temperatur stabil zu halten. Die Gleichrichterdioden 520, Lastwiderstände 530, Kondensator 540 und Induktor 550 sind die beheizten Komponenten 510, die den HF-Detektor bilden (zum Beispiel wie in 2 dargestellt). Der Transistor 570, der neben den beheizten Komponenten 510 auf der PCB angeordnet ist, regelt den Strom durch die Heizwiderstände 560, die das Wärmeniveau aufrechterhalten. Der Transistor 570 wird durch den Operationsverstärker 580 und seine zugehörigen passiven Steuerungskomponenten 590 gesteuert, um das Wärmeniveau einzustellen. Dieser geschlossene Regelkreis ist unterhalb des Ansteuertransistors 570 angeordnet.
Die Heizwiderstände 560 wandeln die durch den zugeführten Strom festgelegte elektrische Leistung in Wärmeenergie um, um die Komponenten 510, die sie umgeben, zu beheizen. Der Transport der Wärme erfolgt hauptsächlich durch Wärmeleitung durch das PCB-Material, das typischerweise aus einem FR4-Material hergestellt ist. Diese Anordnung soll eine konstante Temperatur bereitstellen, wenn die Umgebungstemperatur im Bereich von 15°C bis 35°C liegt.
Dieser Ansatz hat mehrere Nachteile. Erstens ist der Wärmestrom durch die Schaltung nicht einheitlich, was die Beharrungszustandsregelung schwierig macht. Weiterhin hat jeder Widerstand seine eigene Toleranz, was das Einstellen der Wärmemenge, die erzeugt wird, schwierig macht. Der Ansteuertransistor 570, der infolge seines Verlustwiderstands, des ihn durchfließenden hohen Stroms und der Spannung zwischen seinem Kollektor und Emitter heiß wird, stellt ebenfalls eine zusätzliche Wärmequelle dar. Diese Effekte erzeugen eine ungleichmäßige Temperatur auf der Oberfläche der PCB und ergeben eine längere Zeitkonstante zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichts. Angesichts des Ohmschen Gesetzes und der Formel für elektrische Leistung (P = I²R) kann eine kleine Veränderung im Strom eine große Veränderung in der Verlustleistung und im daraus resultierenden Erwärmungseffekt verursachen. Diese nichtlineare Beziehung macht die Regelung noch komplizierter.
Diese Technik beabsichtigt im Allgemeinen, irgendwelche Einflüsse, die Änderungen der Raumtemperatur auf den Ausgang haben könnten, zu mindern. In einigen Szenarios ist das Regeln der Schaltungstemperatur auf diese Weise weniger effektiv, insbesondere, wenn hohe Leistungseingangssignale bereitgestellt werden. Die von der Schaltung erzeugte Wärme (Eigenerwärmung), insbesondere der Diode, kann daher eine erhebliche Auswirkung auf die Leistung haben. Die Beziehung zwischen der Strom-Spannungs-Beziehung und Temperatur kann linear sein, ist aber typischerweise nichtlinear (quadratisch oder logarithmisch). Die unmittelbare Nähe der Komponenten zueinander macht die Beziehung sogar noch unvorhersagbarer. Darüber hinaus ist der Bereich der gesamten Schaltung erheblich größer als die kleine Plättchengröße einer Komponente, wie z. B. der Diode. Somit kann die Zeit zum Erzielen einer Temperaturänderung in einer Komponente um Größenordnungen kleiner sein als die Zeit zum Ändern der gesamten Leiterplattentemperatur um denselben Betrag. Das macht die Verwendung von derartigen Umgebungstemperaturkompensationstechniken zur Abschwächung des Eigenerwärmungseffekts außerordentlich schwierig.
Das Bereitstellen einer Schaltung, die zum Beispiel eine Gleichrichterkomponente (wie z. B. eine Diode) verwendet und insbesondere für den Betrieb mit hohen Eingangsspannungen und/oder -leistungen, mit einer Strom-Spannungs-Kennlinie, die eine reduzierte (vorzugsweise minimale oder vernachlässigbare) Temperaturabhängigkeit und/oder eine stabile Betriebstemperatur aufweist, wäre daher äußerst vorteilhaft.
Zusammenfassung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine temperaturkompensierte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Regelkreis, wie er durch Anspruch 21 definiert ist, eine ionenoptische Vorrichtung, wie sie in Anspruch 22 definiert ist, und ein Verfahren zum Betreiben einer temperaturgeregelten elektronischen Vorrichtung nach Anspruch 24 bereitgestellt. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen detailliert beschrieben.
Eine temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung wird mittels elektronischer Komponenten, die auf einer Leiterplatte aufgebaut sind, gebildet. Die Temperaturregelung bedient sich: eines Temperatursensors zum Messen einer Temperatur der mindestens einen elektronischen Schaltung, einer durch den Temperaturregelkreis geregelten wärmeerzeugenden Komponente, um Wärme als Reaktion auf die durch den Temperatursensor gemessene Temperatur zu erzeugen (und somit einen geschlossenen Regelkreis bereitzustellen). Die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte sind dazu angeordnet, auf einer oder mehreren Bahnen zu liegen, die jeweils einem entsprechenden Kreis folgen, der einen Radius aufweist. Die eine oder mehreren Bahnen können eine Vielzahl von Bahnen sein. Dann kann jede der Vielzahl von Bahnen einem entsprechenden konzentrischen Kreis mit einem (unterschiedlichen) Radius folgen. Mit anderen Worten sind die Komponenten in Kreisen in zunehmendem Abstand von einem (gemeinsamen) Mittelpunkt aus angeordnet. Dies kann die Wärmeverteilung verbessern. Das Wärmemanagement kann genauer sein und eine schnellere Reaktion auf thermische Veränderungen dann [sic!] vorhandene Schaltungs-Designs aufweisen. Die elektronischen Komponenten werden vorzugsweise auf eine neuartige, rotationssymmetrische Weise angeordnet (so dass die Anordnung im Allgemeinen ebenso aussehen würde, wenn die Leiterplatte gedreht würde).
Die elektronische Vorrichtung ist typischerweise ein HF-Detektor, der Bestandteil einer Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung sein kann, insbesondere, um ein Potenzial für eine Elektrode der ionenoptischen Vorrichtung bereitzustellen. Die ionenoptische Vorrichtung kann ein Quadrupol sein. Eine ionenoptische Vorrichtung und ein Massenspektrometer, das eine derartige ionenoptische Vorrichtung umfasst, können ebenfalls in Betracht gezogen werden. Mit dem hier beschriebenen Ansatz kann die elektronische Vorrichtung genauer und stabiler arbeiten, insbesondere die Bereitstellung eines genauen und stabilen Potenzials für eine ionenoptische Vorrichtung ermöglichen. Der HF-Detektor kann verbessert werden bezüglich Genauigkeit beim Umwandeln einer Wechsel-(oder HF-) in eine entsprechende Gleichspannung zur Verwendung in einem mit hoher Spannung arbeitenden AC-/HF-Generatorsystem im geschlossenen Regelkreis, das gegen Raumtemperaturänderungen und langfristige Alterungseffekte von Komponenten widerstandsfähiger ist.
Vorteilhafterweise sind die elektronischen Komponenten so angeordnet, dass diejenigen mit höherer Verlustleistung sich im Betrieb auf einer Bahn mit einem größeren Radius befinden als dem von elektronischen Komponenten mit geringerer Verlustleistung im Betrieb. Mit anderen Worten: Komponenten mit höherer Verlustleistung sind weiter vom (gemeinsamen) Mittelpunkt entfernt angeordnet. Insbesondere sind die voneinander getrennten elektronischen Komponenten so beschaffen, dass das Verhältnis einer die elektronischen Komponenten umgebenden Fläche (in der sich keine weiteren elektronischen Komponenten befinden) zur Leistung, die die elektronische Komponente im Betrieb abführt, für alle Komponenten ungefähr gleich ist. Daher sind Komponenten mit höherer Leistung weiter vom Mittelpunkt entfernt angeordnet als Komponenten mit niedrigerer Leistung.
Einige der elektronischen Komponenten können dupliziert sein. Mit anderen Worten: anstelle einer einzigen Funktionskomponente können mehrere Funktionskomponenten implementiert sein, um dieselbe Funktionalität bereitzustellen. Dies kann auf eine Weise geschehen, in der die von den duplizierten Komponenten zusammen abgeführte Gesamtleistung dieselbe ist wie die von einer einzigen Komponente abgeführte Leistung, die dieselbe Funktion erreicht, aber der Temperaturanstieg aufgrund der duplizierten Komponenten ist niedriger, als es bei einer einzigen Komponenten [sic!] der Fall wäre. Jede der duplizierten Komponenten kann im Betrieb dieselbe Leistung abführen wie jede andere und sie können auf derselben Bahn angeordnet sein.
Der Temperatursensor wird vorzugsweise im (gemeinsamen) Mittelpunkt der Bahnen angeordnet. Die wärmeerzeugende Komponente ist günstiger Weise auf der anderen Seite der Leiterplatte an den elektronischen Komponenten (die den Funktionskreis bilden) angeordnet. Bevorzugter ist die wärmeerzeugende Komponente am (gemeinsamen) Mittelpunkt angebracht. In der bevorzugten Ausführungsform ist die wärmeerzeugende Komponente an einem Wärmeverteiler angebaut, der über die Rückseite der Leiterplatte hinweg zusammen mit der Schaltung auf der Vorderseite der Leiterplatte (d. h. den Bahnen) verläuft. Günstiger Weise umfasst die wärmeerzeugende Komponente einen Heiztransistor (oder ist ein solcher). Entlang einer von einem mit der einen oder mehreren Bahnen konzentrischen Kreis definierten Auslöserbahn können Auslöser angeordnet sein. Die Auslöserbahn hat vorzugsweise einen Radius, der größer ist als der Radius jeder beliebigen der einen oder mehreren Bahnen. Optional ist der Wärmeverteiler so angeordnet, dass er bis zu den Auslösern verläuft. Die Leiterplatte umfasst vorteilhafterweise mehrere Schichten aus Metall, wobei es sich um Kupfer handeln kann. Dies kann die Wärmeverteilung weiter verbessern und zusätzliche HF-Abschirmung bereitstellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann auf vielerlei Art und Weise praktisch umgesetzt werden, und eine bevorzugte Ausführungsform wird nun lediglich beispielhaft anhand der dazugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
1 zeigt eine bekannte Beziehung zwischen dem Strom durch eine Diode und der Spannung über die Diode und wie diese in Bezug auf die Temperatur variiert;
2 stellt eine typische bestehende Schaltung eines HF-Detektors zum Umwandeln eines Eingangswechselspannungssignals in eine entsprechende Gleichspannung mittels einer Diode dar, zusammen mit einem Graphen, der die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Verlustleistung in der Diode veranschaulicht;
3 zeigt eine mit einem geschlossenen Regelkreis geregelte HF-Potential-Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung mittels eines HF-Detektors;
4 veranschaulicht einen HF-Detektor nach einer ersten Ausführungsform der Offenbarung, der mehreren Dioden verwendet;
5 zeigt Graphen von Diodenstrom im Verhältnis zur Zeit für zwei Dioden der Ausführungsform von 4, zusammen mit einem Graphen, der den Summeneffekt der zwei Diodenströme im Verhältnis zur Zeit zeigt;
6 zeigt einen Graphen der gesamten Verlustleistung durch die drei Dioden der Ausführungsform von 4 im Verhältnis zur Zeit;
7 veranschaulicht einen HF-Detektor nach einer zweiten Ausführungsform der Offenbarung;
8a stellt ein erstes Beispiel einer HF-Signal-Amplitude im Verhältnis zur Zeit für den Betrieb des HF-Detektors von 7 dar;
8b stellt ein zweites Beispiel einer HF-Signal-Amplitude im Verhältnis zur Zeit für den Betrieb des HF-Detektors von 7 dar;
9 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten ICP-Massenspektrometers, mit dem die Erfindung verwendet werden kann;
10 zeigt schematisch eine Anordnung von Komponenten für eine bestehende umgebungstemperaturkompensierte HF-Detektorschaltung;
11 zeigt ein Blockdiagramm eines Thermoreglers für einen HF-Detektor nach einer dritten Ausführungsform;
12 veranschaulicht ein Layout von Komponenten für einen HF-Detektor und einen Thermoregler der dritten Ausführungsform auf einer ersten Seite einer Leiterplatte;
13 zeigt ein Funktionsprinzip der Ausführungsform von 12;
14 stellt ein anderes Funktionsprinzip der Ausführungsform von 12 dar; und
15 veranschaulicht zwei Ansichten von Komponenten auf einer zweiten Seite der Leiterplatte der Ausführungsform, die in 12 gezeigt wird.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine mit einem geschlossenen Regelkreis geregelte HF-Potential-Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung mittels eines HF-Detektors gezeigt. Diese wird in einer schematischen Form als ein Blockdiagramm dargestellt. Die Stromversorgung umfasst: einen HF-Signalgeber 100; einen geschlossenen Amplitudenregelkreis 110 und einen Umgebungstemperaturkompensationsteil 160. Die Stromversorgung stellt ein geregeltes HF-Potential 145 als einen Ausgang bereit. Dieses wird an eine ionenoptische Vorrichtung, wie z. B. einen Quadrupolmassenfilter oder Massenanalysator 170, geliefert.
Der HF-Signalgeber 100 erzeugt ein HF-Signal 105, das als ein Eingang an den geschlossenen Amplitudenregelkreis 110 bereitgestellt wird. Der geschlossene Amplitudenregelkreis 110 umfasst: einen Regler 120; einen HF-Verstärker 130; einen Transformator 140 und einen HF-Detektor 150. Der Regler 120, der typischerweise ein Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regler ist, liefert als einen Ausgang ein geregeltes HF-Signal 125 an den HF-Verstärker 130. Der HF-Verstärker 130 verstärkt das geregelte HF-Signal 125 und liefert ein verstärktes HF-Signal 135 an den HF-Transformator 140. Der sekundärseitige Ausgang des HF-Transformators 140 stellt das geregelte HF-Potential 145 bereit. Das geregelte HF-Potential 145 wird auch als ein Eingang an den HF-Detektor 150 über einen Spannungsteiler 155 geliefert. Der Spannungsteiler 155 stellt dadurch ein geteiltes geregeltes HF-Potential 156 bereit. Der HF-Detektor 150 wandelt das erhaltene geteilte, geregelte HF-Potential 156 in einen Gleichspannungspegel 151 um, der für die Amplitude des geregelten HF-Potentials 145 kennzeichnend ist. Der Eingang in den HF-Detektor vom Spannungsteiler 155 ist typischerweise ungefähr 1 bis 20 V bei einer Frequenz von ungefähr 1 bis 10 MHz. Der Gleichspannungspegel 151 wird als ein Eingang an den Regler 120 bereitgestellt, zusammen mit dem HF-Signal 105 vom HF-Signalgeber 100, um dadurch das geregelte HF-Signal 125 zu erzeugen. Um die Umgebungstemperatur des geschlossenen Amplitudenregelkreises 110 auf einem eingestellten Niveau zu halten, misst der Umgebungstemperaturkompensationsteil 160 die Umgebungstemperatur und stellt gegebenenfalls Wärme 165 bereit, um die Umgebungstemperatur auf einem eingestellten Niveau zu halten.
Eine Reihe von spezifischen Verbesserungen in dieser Stromversorgung wird nun beschrieben, insbesondere in Bezug auf den HF-Detektor 150 und den Umgebungstemperaturkompensationsteil 160.
Verbessertes HF-Detektor-Design
Das Design des in 3 dargestellten HF-Detektors 150 entsprach früher 2, wie vorstehend behandelt. Der HF-Detektor 150 verwendet mindestens eine Halbleiterdiode (umfassend einen Halbleiterübergang in Form eines PN- oder Schottky-Übergangs), um seinen HF-Eingang gleichzurichten und in einen Gleichspannungspegel umzuwandeln. Ein verbessertes Design des HF-Detektors im Vergleich zu dem in 2 dargestellten ist daher angesichts der Temperaturempfindlichkeit, die derartige Dioden aufweisen können, wünschenswert.
Es wurde erkannt, dass das Halten der abgeführten oder verlorenen Leistung in der Diode auf einem festen (vorzugsweise konstanten) Niveau über die Zeit hinweg die nichtlinearen Effekte der Diodeneigenerwärmung abschwächt, indem erhebliche Temperaturänderungen in der Diode vermieden werden. Somit wird die I-V-Kennlinie der Diode temperaturunabhängig und jeder durch den Leistungsverlust in der Diode verursachte Versatz hängt nicht mehr von der gesamten oder durchschnittlichen Eingangssignalleistung ab.
Allgemein gesprochen kann daher eine temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente betrachtet werden, die dazu konfiguriert ist, ein Eingangssignal zu empfangen. Die temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente umfasst einen Diodenteil zum Gleichrichten des empfangenen Eingangssignals und dadurch zum Bereitstellen eines gleichgerichteten Ausgangssignals. Der Diodenteil weist eine Betriebstemperatur auf. Die temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente umfasst weiterhin vorteilhafterweise einen Temperaturkompensationsregler, der dazu konfiguriert ist, eine Verlustleistung durch den Diodenteil über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg (vorzugsweise direkt) zu regeln, so dass ein Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg voreingestellte Kriterien erfüllt.
Ebenfalls bereitgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer temperaturkompensierten Gleichrichterkomponente, eines HF-Detektors, eines Regelkreises zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen eines elektronischen Verstärkers in einem Analyseinstrument (wie z. B. einer ionenoptischen Vorrichtung in einem Massenspektrometer), einer ionenoptischen Vorrichtung und/oder eines Massenspektrometers, die/das eine oder mehrere Funktionsschritte aufweist, die der Funktionalität irgendeiner spezifischen Vorrichtung oder irgendeines spezifischen Geräts in diesem Schriftstück entsprechen. Die ionenoptische Vorrichtung ist vorzugsweise eine Quadrupol-Ionenoptikvorrichtung, wie z. B. eine Quadrupol-Ionenfalle oder Quadrupol-Ionenführung.
Der Diodenteil dient vorzugsweise zum Gleichrichten eines HF-Eingangssignals. Der Diodenteil dient vorzugsweise zum Gleichrichten eines HF-Eingangssignals, zum Beispiel mit einer Frequenz von mindestens 50 kHz, 100 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 5 MHz oder 10 MHz und/oder nicht mehr als 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz oder 10 MHz. Der Frequenzbereich kann zum Beispiel zwischen 1 MHz und 10 MHz, 1 MHz und 8 MHz, 1,5 MHz bis 6 MHz oder 3 MHz bis 5 MHz liegen. Der Diodenteil kann jedoch dafür geeignet sein, in einigen Fällen HF-Eingangssignale bis zu 1 GHz gleichzurichten. Typischerweise dient der Diodenteil zum Gleichrichten eines Eingangssignals, das so niedrig ist wie 1 V, 3 V oder 5 V und/oder so hoch wie 7 V, 10 V, 15 V oder 20 V. Der Diodenteil kann zum Gleichrichten eines Eingangssignals dienen, das eine Leistung hat, die so niedrig ist wie 1 W, 3 W, 5 W oder 10 W und/oder so hoch wie 0 W, 15 W, 20 W, 25 W oder 30 W. Der Diodenteil umfasst zweckmäßigerweise eine Halbleiterdiode, zum Beispiel hergestellt aus Silizium, Germanium, SiGe, GaAs, GaN, SiC oder einer Kombination von Materialien. Die Halbleiterdiode kann eine PN-Übergangsdiode oder eine Schottky-Diode (mit einer Metall-Halbleiterschnittstelle) sein. Eine Schottky-Diode ist angesichts einer Reihe von Faktoren vorteilhaft. Erstens ist ihre Schaltzeit von Vorwärts- zu Rückwärtsrichtung (zum Beispiel ungefähr 10 ns) typischerweise viel kürzer als bei einer Siliziumdiode (normalerweise ungefähr 100 ns). Ebenso ist Leistung gewöhnlich weniger temperaturabhängig und ihre parasitäre Kapazität ist im Allgemeinen kleiner als eine PN-Übergangsdiode.
Vorzugsweise wird der Temperaturkompensationsregler dazu konfiguriert, eine Gesamtverlustleistung durch den Diodenteil über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg so zu regeln, dass sie auf einem eingestellten Niveau ist. Dies ist insbesondere derart, dass der Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg (ungefähr) konstant ist. In diesem Zusammenhang wird der Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg typischerweise als ein arithmetischer Mittelwert verstanden. Insbesondere können die voreingestellten Kriterien die sein, dass die Verlustleistung durch den Diodenteil und/oder der Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg konstant ist (das heißt ein eingestellter Wert) oder um nicht mehr als 20%, 15%, 10%, 5%, 2% oder 1% von einem eingestellten Wert abweicht. In einem anderen Sinn darf der Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg um nicht mehr als 1°C, 2°C, 5°C, 10°C oder 15°C abweichen. Zusätzlich oder alternativ kann der Temperaturkompensationsregler dazu konfiguriert sein, die Verlustleistung durch den Diodenteil über den vorgegebenen Zeitraum hinweg so zu regeln, dass die Verlustleistung durch den Diodenteil und/oder der Mittelwert der Betriebstemperatur über den vorgegebenen Zeitraum hinweg einen ersten Grenzwert nicht überschreitet und nicht unter einen zweiten Grenzwert abfällt. Der erste und/oder der zweite Grenzwert können unter Bezugnahme auf die vorstehend behandelte maximale Abweichung eingestellt werden. Der erste Grenzwert liegt normalerweise unter 100°C. Der vorgegebene Zeitraum kann 1 s, 2 s, 5 s, 10 s, 20 s, 25 s, 30 s, 40 s oder 45 s betragen.
In der mit der Temperaturkompensation für eine Komponente (insbesondere unter Bezugnahme auf 2 oben und 4 und 7 unten) zusammenhängenden Beschreibung in diesem Schriftstück wurde die Gleichrichterdiode als eine einzelne Diode dargestellt, die dahingehend wirkt, das empfangene Wechselspannungspotential gleichzurichten. Eine gängigere Umsetzung würde jedoch mindestens vier Dioden in einer Graetz-Brückengleichrichterkonfiguration verwenden. Tatsächlich könnte jede der vier Dioden durch zwei oder mehr parallele Dioden umgesetzt werden, um eine hohe Stromlast für jede Diode abzuschwächen. Allgemein gesprochen kann die temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente Bestandteil einer Brückengleichrichterschaltung sein.
In weiteren allgemeinen Worten und in einem anderen Aspekt versteht es sich, dass ein HF-Detektor bereitgestellt werden kann. Der HF-Detektor dient vorzugsweise zum Erzeugen eines Gleichspannungspegels aus einem HF-Eingangssignal und kann eine Gleichrichterstufe umfassen, die dazu konfiguriert ist, das HF-Eingangssignal zu empfangen und dadurch ein gleichgerichtetes HF-Signal bereitzustellen. Die Gleichrichterstufe umfasst vorteilhafterweise mindestens eine temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente nach dieser Offenbarung. Der HF-Detektor kann weiterhin einen Tiefpassfilter umfassen, der dazu angeordnet ist, ein für die Amplitude des HF-Eingangssignals kennzeichnendes Signal als einen Gleichspannungspegel aus dem gleichgerichteten HF-Signal bereitzustellen. Insbesondere ist der Tiefpassfilter dazu konfiguriert, unerwünschte höhere harmonische Komponenten des gleichgerichteten Eingangs-HF-Signals zu unterdrücken (mit anderen Worten Brummspannungen reduzierend). In der bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente eine Vielzahl von temperaturkompensierten Gleichrichterkomponenten, die zum Beispiel einen Brückengleichrichter bilden. Optional umfasst der HF-Detektor weiterhin einen Umgebungstemperaturkompensator, der dazu konfiguriert ist, den Diodenteil in Reaktion auf eine Feststellung, dass die Betriebstemperatur des Diodenteils unterhalb einer eingestellten Temperatur liegt, zu beheizen.
Zwei spezifische Umsetzungen, um diese feste oder konstante Verlustleistung zu erreichen, werden vorgestellt. Jede von ihnen kann als ein spezifisches Beispiel einer breiteren Kategorie von Techniken betrachtet werden, wie nun erörtert wird. Der erste dieser beiden Ansätze wird derzeit bevorzugt.
Sekundär-Dioden-Ansatz
Das grundlegende Prinzip dieses Ansatzes besteht darin, dass neben der für das Gleichrichten des (HF)-Eingangspotentials verwendeten Diode (einer „ersten” Diode) eine zweite Diode bereitgestellt wird. Die zweite Diode ist thermisch an die erste Diode gekoppelt, so dass die Temperaturen der ersten und der zweiten Diode eng miteinander verbunden und im Wesentlichen dieselben sind. Das kann der Fall sein, wenn die erste und die zweite Diode in demselben Gerätepaket (einem Multigerätepaket) zum Beispiel in der Form einer integrierten Schaltung, eines Chips oder dergleichen bereitgestellt werden. Die Verlustleistung durch die zweite Diode kann auf der Grundlage der Pakettemperatur (die weitgehend eine Funktion der Verlustleistung durch die erste Diode ist) geregelt werden, um die Gesamtverlustleistung durch das Paket, die die Summe der Verlustleistung durch sowohl die erste als auch die zweite Diode sein wird, auf einem konstanten und/oder eingestellten Niveau zu halten. Auf diese Weise werden die Pakettemperatur und daher die Temperatur der ersten Diode reguliert. Im Prinzip könnten gemäß diesem Ansatz mehrere „zweite” Dioden bereitgestellt werden, obwohl dies erfordern würde, dass die Verlustleistung durch jede „zweite” Diode basierend auf der ersten Diode geregelt wird.
Allgemein gesprochen kann der Diodenteil, wie vorstehend detailliert erläutert, als eine erste Diode umfassend betrachtet werden, die dazu angeordnet ist, das Eingangssignal zu empfangen und dazu konfiguriert ist, das Eingangssignal gleichzurichten, um das gleichgerichtete Ausgangssignal bereitzustellen. Dann kann der Diodenteil weiterhin mindestens eine weitere Diode umfassen, die thermisch an die erste Diode gekoppelt ist (so dass sich ihre Temperatur in Übereinstimmung mit der der ersten Diode ändert und vorzugsweise so, dass die Temperaturen der ersten Diode und mindestens einer weiteren Diode dieselben sind). Der Temperaturkompensationsregler ist vorteilhafterweise dazu konfiguriert, eine Verlustleistung durch die mindestens eine weitere Diode basierend auf einer Verlustleistung durch die erste Diode einzustellen und so, dass die Gesamtverlustleistung durch die erste Diode und die mindestens eine weitere Diode über den vorgegebenen Zeitraum hinweg auf einem eingestellten Niveau ist. Die Verlustleistung durch die mindestens eine weitere Diode kann eingestellt werden oder angepasst werden basierend auf oder in einer inversen Beziehung zur Betriebstemperatur des Diodenteils. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die mindestens eine weitere Diode eine zweite Diode umfassen (thermisch an die erste Diode gekoppelt, wie vorstehend behandelt). Dann umfasst der Temperaturkompensationsregler eine Kompensationsstromquelle, die dazu konfiguriert ist, die zweite Diode mit einem Kompensationsstrom zu versorgen. Der Kompensationsstrom kann eingestellt werden, um die Verlustleistung durch die mindestens eine weitere Diode gemäß den in diesem Schriftstück bezeichneten Parametern zu regeln.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 4 wird ein HF-Detektor 200 nach dieser ersten Ausführungsform dargestellt, der mehrere Dioden verwendet. Das kann als eine Hardware-Umsetzung betrachtet werden (im Gegensatz zu einer zweiten nachstehend behandelten Ausführungsform). Wo Komponenten gezeigt werden, die mit denen des HF-Detektors 1 von 2 übereinstimmen, wurden dieselben Bezugszahlen verwendet. Der HF-Detektor 200 umfasst: ein Diodenpaket 201; einen Widerstand 30; einen Kondensator 40 und einen Induktor 50. Das Diodenpaket 201 umfasst: eine erste Diode 210; eine zweite Diode 220 und eine dritte Diode 230. Die erste Diode 210, zweite Diode 220 und dritte Diode 230 befinden sich alle in demselben Paket (und typischerweise auf derselben Komponente oder demselben Plättchen oder in demselben Gehäuse) und sind daher alle thermisch miteinander gekoppelt. Die Bereichsgröße der Komponente, die die erste Diode 210, zweite Diode 220 und dritte Diode 230 bildet, kann bei ungefähr 0,5 mm² liegen. Viele Hochfrequenzdioden auf dem Markt stehen nicht nur in einem Einzeleinheitspaket, sondern vielmehr in einer Zweier-, Dreier- oder Vierer-Konfiguration zur Verfügung. Die Größe der Komponente, in die die Dioden eingebettet sind (zum Beispiel der kontinuierliche Plättchenbereich, der alle Dioden abdeckt) ist klein und folglich ist die thermische Kopplung zwischen den Dioden sehr gut, mit einer kleinen Verzögerungszeitkonstante zwischen den Temperaturänderungen.
Der Zweck der ersten Diode 210 besteht darin, das Eingangswechselspannungssignal 10 gleichzurichten, um Signal 60 bereitzustellen, das anschließend von einem Tiefpassfilter (gebildet durch den Widerstand 30, Kondensator 40 und Induktor 50) verarbeitet wird, um ein entsprechendes für die Amplitude des HF-Eingangssignals kennzeichnendes Signal ohne Restwelligkeit bereitzustellen. Die zweite Diode 220 soll eine zusätzliche Verlustleistung zur Regelung der Temperatur bereitstellen, wie vorstehend behandelt. Die Verlustleistung der zweiten Diode 220 wird durch einen Kompensationsstrom (I_Kompensation) geregelt. Der Kompensationsstrom wird basierend auf der Temperatur des Diodenpakets 201 erzeugt.
Im Prinzip kann die Pakettemperatur durch einen Temperatursensor bestimmt werden. Das wird in dieser Ausführungsform effizient durch die Verwendung der dritten Diode 230 erreicht. Eine konstante Stromquelle (CCS) 232 speist durch die dritte Diode 230 einen kleinen Strom, I_messung, ein. Der Strom aus der CCS 232 wird so berechnet, dass keine signifikanten Eigentemperatureffekte auftreten können. Daher zeigt der Spannungsabfall über dem PN-Übergang der dritten Diode 230 die Temperatur der dritten Diode 230 (und daher die Temperatur des Pakets 201) an. Dieses legt daher das Potential an der Anode der dritten Diode 230 in Bezug zur Erde, U_DT, fest. Ein Operationsverstärker 234 misst diese Spannung, die vom Verstärker 224 und Transistorleistungsverstärker 222 weiter verstärkt wird, um die zweite Diode 220 mit dem Kompensationsstrom zu versorgen. Der Transistorleistungsverstärker 222 wird für höhere Kompensation bereitgestellt, falls die Operationsverstärker 224, 234 nicht genügend Strom liefern können; er kann jedoch weggelassen werden, wenn er nicht benötigt wird. Diese Konfiguration kann effektiv eine geschlossene Operationsschaltung bilden, die eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom umwandelt.
Ein Beispielbetrieb dieses HF-Detektors 200 kann helfen, die Temperaturregulierung zu verstehen. Nehmen wir erstens an, dass ein Strom ungleich Null durch die zweite Kompensationsdiode 220 fließt und dass die Temperatur aller drei Dioden (das heißt die Temperatur des Pakets 201) stabil ist. Dann wird die Amplitude des HF-Eingangssignals 10 größer, was zu einem höheren Strom durch die erste Diode 210 führt. Das führt zu einem Temperaturanstieg der ersten Diode 210. Die Temperatur der dritten Diode 230 wird sich aufgrund der engen Kopplung der Dioden auch erhöhen (und in der Tat wird sich auch die Temperatur der zweiten Diode 220 und des Pakets 201 erhöhen). Angesichts der in 1 dargestellten Beziehung für den Spannungsabfall basierend auf der Temperatur (die obere Formel) wird sich der Spannungsabfall über der dritten Diode 230 hin zu einem niedrigeren Wert (–2 mV/K) ändern. Diese Veränderung im Spannungsabfall wird zu einer Reduzierung von U_DT führen und dies wird vom Operationsverstärker 234 aufgenommen werden. Infolgedessen wird auch der Kompensationsstrom I_Kompensation sinken, was den Strom durch die und damit die Verlustleistung in der zweite(n) Diode 220 reduziert. Durch geeignete Kalibrierung bleibt die Gesamtverlustleistung durch die erste Diode 210, zweite Diode 220 und dritte Diode 230 daher dieselbe. Die umgekehrte Situation wird verständlich, wenn die Amplitude des HF-Eingangssignals 10 kleiner wird, was zu einer Erhöhung des Spannungsabfalls über die dritte Diode 230 und zu einer Erhöhung der Verlustleistung in der zweiten Diode 220 führt.
Die Verlustleistung in der zweiten Diode 220 D2 ist dadurch immer umgekehrt proportional zur Verlustleistung in der ersten Diode 210. Unter Bezugnahme auf 5 werden Graphen des Diodenstroms im Verhältnis zur Zeit für die erste Diode 210 (Diodenstrom I_D1) und die zweite Diode 220 (Diodenstrom 102) gezeigt, zusammen mit einem Graphen, der den Summeneffekt der zwei Diodenströme im Verhältnis zur Zeit (I_D1 + I_D2) zeigt. Im linken Graphen wird der Strom durch die erste Diode 210 I_D1 mit unterschiedlichen Pegeln dargestellt. Der mittlere Graph zeigt den Strom durch die zweite Diode 220 I_D2, von dem zu sehen ist, dass er sich umgekehrt proportional zum Strom durch die erste Diode 210 ändert. Der rechte Graph zeigt den Summeneffekt der zwei Dioden über die Zeit hinweg, wobei die Gesamtverlustleistung durch die zwei Dioden über die Zeit hinweg konstant ist und daher die Temperatur T_D1+D2 der zwei Dioden auf einem konstanten, festen Niveau gehalten wird, auch bei unterschiedlichen Lastströmen durch die erste Diode 210.
Unter Bezugnahme auf 6 wird ein Graph der Gesamtverlustleistung durch die erste Diode 210 (P_D1), die zweite Diode 220 (P_D2) und die dritte Diode 230 (P_D3) im Verhältnis zur Zeit gezeigt, von der zu sehen ist, dass sie konstant ist. Die Verstärker 222, 224, 234, die erste Diode 210, die zweite Diode 220, die dritte Diode 230 und die CCS 232 bilden daher einen geschlossen Regelkreis, der den Leistungsverlust und damit die Temperatur des Pakets 201 konstant hält, ohne die früheren Probleme von thermischen Veränderungen der Kennlinien der (ersten) Gleichrichterdiode 210. Obwohl in diesem Beispiel drei Dioden gezeigt werden, versteht es sich, dass für [sic!] jede der ersten, zweiten und dritten Dioden in der Praxis mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Dioden umfassen kann, die zusammenwirken. Vorzugsweise werden 2 bis 6 Dioden in Reihe für jeden Diodentyp betrieben (das heißt für jede der ersten, zweiten bzw. dritten Dioden).
Ein Vorteil dieser Umsetzung besteht darin, dass sie einfach bei niedrigen Kosten zu implementieren ist. Darüber hinaus sind keine Software-Änderungen für die Art und Weise nötig, in der das Eingangssignal 10 bereitgestellt wird, insbesondere als Teil des Regelkreis-Reglers von 3.
Allgemein gesprochen kann die temperaturkompensierte Gleichrichterkomponente weiterhin einen Temperatursensor umfassen, der dazu konfiguriert ist, ein für die Betriebstemperatur des Diodenteils kennzeichnendes Signal zu erzeugen. Der Kompensationsstrom kann dann in Reaktion auf das für die Betriebstemperatur des Diodenteils kennzeichnende Signal erzeugt werden. Damit das funktioniert, wird der Temperatursensor vorteilhafterweise thermisch mit der ersten und der zweiten Diode gekoppelt. Der Temperatursensor kann eine dritte Diode sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine weitere Diode eine dritte Diode umfassen, die thermisch mit der ersten und der zweiten Diode gekoppelt ist. Dann kann der Temperaturkompensationsregler weiterhin eine konstante Kompensationsstromquelle umfassen, die gekoppelt ist, um einen konstanten Strom durch die dritte Diode zu ziehen. Das Potential an einer Anode der dritten Diode kann dadurch die Betriebstemperatur des Diodenteils anzeigen. Somit kann der Kompensationsstrom basierend auf dem Potential an der Anode der dritten Diode eingestellt werden. Der Temperaturkompensationsregler umfasst optional eine Operationsverstärkerschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Kompensationsstrom basierend auf dem Potential an der Anode der dritten Diode einzustellen. Der Operationsverstärker kann zum Beispiel ein Transkonduktanzverstärker sein.
Diodenstromsteuerung durch Software
Ein alternativer Ansatz nach dem vorstehend bezeichneten allgemeinen Konzept besteht darin, die Verlustleistung in der Gleichrichterdiode so zu regeln, dass die Verlustleistung in der Gleichrichterdiode im Durchschnitt ein festes (konstantes) Niveau innerhalb eines Zeitraums aufweist. Das wird vorzugsweise mit Software umgesetzt.
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein HF-Detektor 300 nach dieser zweiten Ausführungsform dargestellt. Wo Komponenten gezeigt werden, die mit denen des HF-Detektors 1 von 1 übereinstimmen, wurden dieselben Bezugszahlen verwendet. Der HF-Detektor 300 umfasst: einen Software-Regler 310; eine Diode 20; einen Widerstand 30; einen Kondensator 40 und einen Induktor 50. Die Diode 20, Widerstand 30, Kondensator 40 und Induktor 50 funktionieren in derselben Weise wie vorstehend in Bezug auf 1 beschrieben. Der Software-Regler 310 steuert die Weise, in der Signale an die Diode 20 zur Gleichrichtung angelegt werden, und daher die Verlustleistung in Diode 20. Im Prinzip regelt der Software-Regler 310 die Verlustleistung in Diode 20 so, dass sie im Durchschnitt (in einem arithmetischen Sinn) ein festes und konstantes Niveau über die Zeit hinweg aufweist. Mit anderen Worten: die durchschnittliche Verlustleistung über die Zeit hinweg bleibt unverändert. Dies wird erreicht, indem zusätzliche Leistung in der Diode während eines Dummy-Zeitraums in regelmäßigen Abständen abgeführt wird, und wird nun anhand von Beispielen veranschaulicht werden.
Unter Bezugnahme auf 8a wird ein erstes Beispiel einer HF-Signal-Amplitude im Verhältnis zur Zeit für den Betrieb des HF-Detektors von 7 dargestellt. In einem ersten Zeitraum wird ein HF-Signal einer ersten Amplitude gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter oder Massenanalysator 170, der eine erste Masse m₁ einfängt) und eine erste Leistung P₁ wird abgeführt. Die Verlustleistung hängt von der eingefangenen Masse und/oder dem Filtern in der Vorrichtung 170 ab (oder umgekehrt steht jede Masse eines Ions im Zusammenhang mit der entsprechenden HF-Amplitude). In einem zweiten Zeitraum wird ein HF-Signal einer zweiten Amplitude gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter oder Massenanalysator 170, der eine zweite Masse m₂ einfängt und/oder filtert) und dementsprechend eine zweite Leistung P₂ abgeführt. In ähnlicher Weise wird ein HF-Signal einer dritten Amplitude in einem dritten Zeitraum gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter oder Massenanalysator 170, der eine dritte Masse m₃ einfängt und/oder filtert) und entsprechend eine dritte Leistung P₃ abgeführt.
Basierend auf P₁, P₂ und P₃ bestimmt der Software-Regler 310 die durchschnittliche Verlustleistung über die kombinierten ersten, zweiten und dritten Zeiträume hinweg. Anschließend bestimmt er eine Dauer eines zusätzlichen Zeitraums und eine zusätzliche Verlustleistung, um die durchschnittliche Verlustleistung über die kombinierten ersten, zweiten, dritten und zusätzlichen Zeiträume hinweg so einzustellen, dass sie dem gewünschten vorgegebenen konstanten Wert entspricht. In diesem Fall wird die Dauer des zusätzlichen Zeitraums als t_Verweil1 dargestellt und die bestimmte zusätzliche Verlustleistung wird als P_Dummy (im Grunde so, als ob ein Ion der Masse m_Dummy vom Quadrupol-Massenfilter 170 gefiltert wird) dargestellt. Man wird bemerken, dass die zusätzliche Amplitude vorzugsweise erheblich größer als die maximal verwendbare HF-Amplitude ist, um die Verweilzeit im Vergleich zu den für den Analysator verwendeten HF-Amplitudensignalen kurz zu halten.
Unter Bezugnahme auf 8b wird ein zweites Beispiel einer HF-Signal-Amplitude im Verhältnis zur Zeit für den Betrieb des HF-Detektors von 7 dargestellt. Dieses ist dem ersten Beispiel in mancher Hinsicht ähnlich und der Einfachheit halber werden die Verlustleistungen im ersten Beispiel zum Vergleich ebenfalls dargestellt. In einem vierten Zeitraum wird ein HF-Signal einer vierten Amplitude gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter 170, der eine vierte Masse m₄ einfängt und/oder filtert) und eine vierte Leistung P₄ wird abgeführt. In einem fünften Zeitraum wird ein HF-Signal einer fünften Amplitude gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter 170, der eine fünfte Masse m₅ einfängt und/oder filtert) und eine fünfte Leistung P₅ wird abgeführt. Ein HF-Signal einer sechsten Amplitude wird in einem sechsten Zeitraum gleichgerichtet (korrespondierend mit einem Quadrupol-Massenfilter 170, der eine sechste Masse ms einfängt und/oder filtert) und eine sechste Leistung P₆ wird abgeführt. Basierend auf P₄, P₅ und P₆ bestimmt der Software-Regler 310 die durchschnittliche Verlustleistung über die kombinierten vierten, fünften und sechsten Zeiträume hinweg. Anschließend bestimmt er eine Dauer eines siebten Zeitraums und eine siebte Verlustleistung, um die durchschnittliche Verlustleistung über die kombinierten vierten, fünften, sechsten und siebten Zeiträume hinweg so einzustellen, dass sie dem gewünschten vorgegebenen konstanten Wert entspricht (der vorteilhafterweise derselbe wie der im ersten Beispiel verwendete sein wird). In diesem Fall wird die Dauer des siebten Zeitraums als t_Verweil2 dargestellt und die bestimmte siebte Verlustleistung wird als P_Dummy* (im Grunde als ob ein Ion der Masse m_Dummy* vom Massenfilter 170 gefiltert wird) dargestellt.
Man wird bemerken, dass t_Verweil2 größer ist als t_Verweil1 und P_Dummy gleich P_Dummy* ist (oder m_Dummy und _mDummy* gleich sind). Das liegt daran, dass die Diode 20 eine maximale Verlustleistung hat. Daher ist der Software-Regler 310 eventuell nicht immer in der Lage, die Verlustleistung in Diode 20 nur durch Verändern der Dummy-Verlustleistung so zu regeln, dass sie im Durchschnitt ein festes Niveau über die Zeit hinweg aufweist. Durch Anpassen der Dauer des Dummy-Zeitraums und/oder der Dummy-Verlustleistung kann die durchschnittliche Verlustleistung effizienter und effektiver geregelt werden. In der Praxis wird immer die maximale Verlustleistung verwendet und nur die Dauer des Dummy-Zeitraums wird angepasst, um die Dauer des Dummy-Zeitraums so kurz wie möglich zu halten.
Um die vorstehenden Ausführungen in einer etwas anderen Weise zusammenzufassen, kann der Bereich, der zwischen der Verlustleistung (y-Achse) und der Zeitlinie (x-Achse) eingeschlossen ist, effektiv den Leistungsverlust in der Gleichrichterdiode 20 repräsentieren. Mit diesen Informationen und der einstellbaren Verweilzeit der Dummy-Leistung kann der Bereich, der von der Verlustleistungskurve über die Zeit hinweg eingeschlossen wird, auf ein konstantes Niveau festgesetzt werden. Ein konstanter Bereich bedeutet einen konstanten Leistungsverlust in der Diode. Auf diese Weise wird auch die Temperatur in der Diode konstant gehalten und es kann keine Fehleränderung, die eine thermische Veränderung verursacht, auftreten.
Allgemein gesprochen kann der Temperaturkompensationsregler dazu konfiguriert sein, den Betrieb des Diodenteils so zu regeln, dass: der Diodenteil während eines ersten Abschnitts des vorgegebenen Zeitraums das gleichgerichtete Ausgangssignal basierend auf dem empfangenen Eingangssignal bereitstellt; und der Diodenteil während eines zweiten Abschnitts des vorgegebenen Zeitraums (der nicht mit dem ersten Abschnitt des vorgegebenen Zeitraums überlappt) das gleichgerichtete Ausgangssignal basierend auf einem Kompensationssignal bereitstellt. Das Kompensationssignal ist vorteilhafterweise so eingestellt, dass die Verlustleistung durch den Diodenteil über den vorgegebenen Zeitraum hinweg auf einem eingestellten Niveau ist. Zweckmäßigerweise ist der Temperaturkompensationsregler dazu konfiguriert, die Amplitude des Kompensationssignals und/oder die Dauer des zweiten Abschnitts des vorgegebenen Zeitraums so einzustellen, dass die Verlustleistung durch den Diodenteil über den vorgegebenen Zeitraum hinweg auf einem eingestellten Niveau ist. Der Temperaturkompensationsregler kann auf diese Weise als ein Computerprogramm umgesetzt werden.
Derartige Umsetzungen sind eventuell weniger bevorzugt als der vorstehend behandelte Sekundär-Dioden-Ansatz. Das liegt zum Teil daran, dass das Regeln des Diodenstroms aufgrund des zusätzlichen Zeitverbrauchs beim Abführen der Dummy-Leistung Overheads in die Vorrichtung einbringt, was sie weniger effizient macht. Das kann besonders unvorteilhaft sein, wenn nur kleine Anzahlen von verschiedenen Massen (z. B. bis zu 10) gemessen werden. In diesem Fall ist eine zusätzliche Verweilzeit von 5 Sekunden oder mehr für jeden Durchlauf potenziell nachteilig. Nichtsdestoweniger kann es Szenarios geben, in denen dieser Ansatz dem Sekundär-Dioden-Ansatz vorzuziehen ist. Zum Beispiel kann er von Vorteil sein, wo Hardware-Änderungen am HF-Detektor schwieriger oder nicht möglich sind.
Verbesserte Umgebungstemperaturkompensation
Unter Bezugnahme auf 11 ist ein Blockdiagramm eines Thermoreglers für einen HF-Detektor nach einer dritten Ausführungsform dargestellt. Der Thermoregler umfasst: einen Temperatursensor 610; einen Temperaturregelkreis 620; einen Spannungsteiler 630; einen Heiztransistor 640 und eine konstante Stromquelle 650. Idealerweise wird die thermische Abschirmung 660 bereitgestellt, um den Heiztransistor 640 und den Temperatursensor 610 zu koppeln.
Der Temperatursensor 610 misst die Temperatur der Schaltung und stellt ein für diese Messung kennzeichnendes Temperatursignal 615 an den Temperaturregelkreis 620 bereit. Der Temperaturregelkreis 620 ist dazu konfiguriert, ein Steuersignal 625 zu erzeugen, das den Betrieb des Heiztransistors 640 entsprechend regelt. Der Temperaturregelkreis 620 erreicht dies, indem er das Temperatursignal 615 mit einem eingestellten Temperatumiveau 635 vergleicht, das für eine gewünschte stabile Betriebstemperatur kennzeichnend ist und durch den Spannungsteiler 630 eingestellt ist und daher von einem Benutzer eingestellt und/oder angepasst werden kann, zum Beispiel während einer Kalibrierung oder der Ersteinrichtung. Die Konfiguration der Komponenten, die diesen Thermoregler und die HF-Detektorschaltung bilden (zum Beispiel wie vorstehend unter Bezugnahme auf 4 oder 7 beschrieben) kann einen erheblichen Effekt auf seine Performance haben.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 10 behandelt, haben bestehende Ansätze zum Umsetzen einer Umgebungstemperaturkompensation erhebliche Nachteile, insbesondere aufgrund der Probleme der Eigenerwärmung, der nichtlinearen Korrelation zwischen der Beziehung Strom-Spannung der Komponenten und der Temperatur, der unmittelbaren Nähe der Komponenten zueinander und der langen Zeit, die benötigt wird, um eine Leiterplattentemperaturänderung zu erzielen. Darüber hinaus wurden weitere Probleme identifiziert: ungleiche Wärmeverteilung auf der PCB-Oberfläche aufgrund einer schlechten Symmetrie bei der Komponentenplatzierung; exzessive Eigenerwärmung der Komponenten verursacht durch eine hohe Konzentration von elektronischen Geräten; die Nutzung von Wärmeleitung als Hauptwärmeübertragungs-Mechanismus angesichts der flächigen Positionierung der Wärmequelle (oder -quellen) auf der PCB-Oberfläche; und Probleme bei der genauen Wärmemessung aufgrund der Abhängigkeit von der Platzierung eines Sensors. Zusammen führen diese Sachverhalte zu einem mangelhaften Wärmemanagement, indem eine konstante Temperatur und folglich eine stabile HF-Detektorspannung verhindert wird.
Es wurde festgestellt, dass viele dieser Probleme auf eine kleine Anzahl von gemeinsamen Designüberlegungen zurückgehen. Zunächst wird die Platzierung der Komponenten typischerweise basierend auf den elektrischen Anforderungen festgelegt, nicht dem thermischen Verhalten der Schaltung. Zweitens verursacht die Verwendung von Mehrpunkt-Heizelementen (wie z. B. mehreren Widerständen) unterschiedliche Abstände von der Wärmequelle zu jeder einzelnen Komponente. Ein Angehen dieser Designüberlegungen kann die Art und Weise, in der die Temperaturkompensation umgesetzt ist, erheblich verbessern.
Wenn man zunächst die Platzierung der Komponenten betrachtet, wird man bemerken, dass die herkömmliche Platzierung der elektrischen Komponenten eine Spiegelsymmetrie aufweist (wie durch die Symmetrielinie 501 in 10 angezeigt). Diese Symmetrie ist jedoch nicht ideal für ein Wärmemanagement, das eine gleiche Temperatur über den relativ großen Oberflächenbereich der PCB (im Vergleich zum Oberflächenbereich jeder einzelnen Komponente) gewährleistet. Andere Symmetrieformen können jedoch für ein besseres Wärmemanagement förderlicher sein, z. B. Rotationssymmetrie. Darüber hinaus können weitere Vorteile erzielt werden, indem alternative Wege der Beheizung der Komponenten zur Bereitstellung einer Temperaturregelung verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 12 wird ein Layout von Komponenten für einen HF-Detektor (einen Hochfrequenzspannungsdetektor) und einen Thermoregler der dritten Ausführungsform auf einer ersten Seite einer Leiterplatte veranschaulicht. Wo die Komponenten dieselben wie die in 10 gezeigten sind, wurden dieselben Bezugszahlen verwendet (und es kann angenommen werden, dass die Funktion derartiger Komponenten in 12 dieselbe ist wie für 10, sofern nicht etwas anderes angegeben ist). Es ist zu sehen, dass die Anordnung der Komponenten in 12 im Gegensatz zu 10 eine Rotationssymmetrie aufweist. Die Komponenten werden entlang von Bahnen bereitgestellt, die durch konzentrische Kreise mit unterschiedlichen Radien definiert sind.
Im Zentrum der Schaltungsanordnung wird der Temperatursensor 700 bereitgestellt. In unmittelbarer Nähe dazu werden die Kondensatoren 550 bereitgestellt. Um die Kondensatoren herum befinden sich die Induktoren 540. Anschließend sind in einem weiteren Radius die Dioden 520 montiert. Die Lastwiderstände 530 werden anschließend um eine weitere kreisförmige Bahn bereitgestellt. Schließlich werden Thermoauslöser 710 um die gesamte Schaltung herum bereitgestellt. Diese können den Detektorschaltungsbereich von der übrigen PCB isolieren. Verbindungen auf der Leiterplatte werden durch Metallleiter bereitgestellt, wie z. B. die Leiter 705, die zwischen den beiden Auslösern 710 verlaufen, die Signale (Spannungen und/oder Ströme) von außerhalb der Detektorschaltung und umgekehrt transportieren können. Der Bereich der Schaltung innerhalb der Auslöser beträgt typischerweise mindestens 2 cm² oder 3 cm² und kann bis zu 5 cm² oder 10 cm² groß sein. Der Temperaturregelkreis kann in der Lage sein, für Temperaturänderungen von mindestens (oder mehr als) 2°C/Stunde, 3°C/Stunde oder 4°C/Stunde Regulierungen vorzunehmen. Er kann in der Lage sein, für Temperaturänderungen von bis zu 4°C/Stunde, 4,5°C/Stunde oder 5°C/Stunde Regulierungen vorzunehmen. Typischerweise der [sic!]
Somit wird anstatt der Verwendung eines „zufälligen” Layouts für die Komponenten (oder auch eines mit einer einfachen Spiegelsymmetrie) eine im Allgemeinen rotationssymmetrische Platzierung (in Form von Kreisen oder Polygonen, die durch einen entsprechenden Kreis definiert sind) bereitgestellt. Aufgrund der radialen Platzierung der Komponenten wird sich die gesamte Erzeugung von Wärme (induziert oder eigenerzeugt) radial über die Schaltung auf dem Detektor verbreiten. Örtliche heiße Stellen oder Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen werden vermieden und der Wärmestrompfad verläuft gleichmäßig zu jedem Punkt in der Kreisfläche. Jede Komponente in dieser Anordnung auf der PCB hat dadurch dieselbe Temperatur. Die symmetrische Anordnung wird auf alle Komponenten und die PCB selbst angewandt.
Wie durch 12 impliziert, kann die radial symmetrische Platzierung der Komponenten auf alle Elemente der Schaltung (in diesem Fall den Detektor) angewandt werden. Es spielt im Allgemeinen keine Rolle, wie die Komponenten elektrisch miteinander verbunden sind. In dieser Angelegenheit können Reihen- und/oder Parallelschaltungen ausgeführt werden. Zum Beispiel ist zu sehen, dass die Induktoren 540 in Reihe geschaltet sind. Im Gegensatz dazu sind die Kondensatoren 550 parallel geschaltet. Andere Zusammenschaltungen können in internen Schichten der PCB hergestellt werden, sind jedoch hier nicht dargestellt.
Allgemein gesprochen in Bezug auf diesen Aspekt kann daher eine temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung in Betracht gezogen werden, umfassend: eine Leiterplatte (wie z. B. eine PCB); eine Vielzahl von elektronischen Komponenten, montiert auf der Leiterplatte in einer Anordnung, um mindestens eine elektronische Schaltung zu bilden; einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur der mindestens einen elektronischen Schaltung zu messen; und eine wärmeerzeugende Komponente, die dazu konfiguriert ist, durch einen Temperaturregelkreis gesteuert zu werden. Der Temperaturregelkreis ist dazu konfiguriert, eine Menge an Wärme, die durch die wärmeerzeugende Komponente in Reaktion auf die vom Temperatursensor gemessene Temperatur erzeugt wurde, zu regeln. Insbesondere ist die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte dazu angeordnet, auf einer von einer oder mehreren Bahnen zu liegen, wobei jede Bahn durch einen entsprechenden Kreis mit einem Radius (oder diesem folgend) definiert ist. Die Vielzahl von elektronischen Komponenten befinden sich typischerweise getrennt von dem Temperaturregelkreis. Die Vielzahl von elektronischen Komponenten bilden im Allgemeinen eine elektronische Schaltung, obwohl es eine oder mehrere weitere elektronische Schaltungen geben kann, die durch die Vielzahl von elektronischen Komponenten in Ausführungsformen gebildet werden.
Die eine oder mehreren Bahnen sind vorzugsweise eine Vielzahl von Bahnen. Dann kann jede der Vielzahl von Bahnen durch einen entsprechenden Kreis mit einem (unterschiedlichen) Radius definiert werden oder diesem folgen. Jede Bahn kann durch einen Kreis und/oder durch ein Polygon, das auf einem derartigen Kreis liegende Ecken aufweist) definiert werden. Wo die Bahn durch ein Polygon definiert ist, sind die auf der Bahn angeordneten Komponenten vorteilhafterweise an den Ecken des Polygons positioniert. Das Polygon ist typischerweise in einem derartigen Fall regelmäßig.
Der Temperatursensor, die wärmeerzeugende Komponente und der Temperaturregelkreis sind normalerweise dazu konfiguriert, eine geschlossene Temperaturregelungsanordnung bereitzustellen, um die gemessene Temperatur auf einem eingestellten Niveau zu halten. Das eingestellte Niveau kann fest, nutzerbestimmt und/oder typischerweise höher als eine Umgebungstemperatur (oder erwartete Umgebungstemperatur, zum Beispiel in einem Labor) sein. Das eingestellte Niveau kann zum Beispiel mittels eines Spannungsteilers eingestellt werden, um ein Signal zum Vergleich mit einem durch den Temperatursensor erzeugten Signal bereitzustellen. Der Temperaturregelkreis kann zum Beispiel ein Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regler sein. Die eine oder mehreren Bahnen können eine Vielzahl von Bahnen sein, die insbesondere so zu verstehen sind, dass sie einen gemeinsamen Mittelpunkt definieren. Dann wird der Temperatursensor vorteilhafterweise im gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet. Dies kann eine verbesserte (genauere) Temperaturmessung bieten.
Optional umfasst die temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung weiterhin eine Vielzahl von Auslösern, angeordnet entlang einer Auslöserbahn, die durch einen mit der einen oder den mehreren Bahnen konzentrischen Kreis definiert ist (oder ihm folgt). Der Kreis hat vorzugsweise einen Radius, der größer ist als der Radius jeder beliebigen der einen oder mehreren Bahnen. Noch bevorzugter umfasst die temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung weiterhin eine oder mehrere leitende Bahnen auf der Leiterplatte, insbesondere Metallbahnen oder -leiter. Diese können dazu konfiguriert sein, eine Verbindung zu und/oder von der mindestens einen elektronischen Schaltung bereitzustellen, wobei jede leitende Bahn zwischen entsprechenden nebeneinanderliegenden der Vielzahl von Auslösern verläuft.
Der Temperaturregelkreis ist vorzugsweise getrennt von der einen oder den mehreren Bahnen angeordnet. Mit anderen Worten ist er abseits der Vielzahl von elektronischen Komponenten, die die mindestens eine elektronische Schaltung bilden, positioniert. In weniger bevorzugten Ausführungsformen kann der Temperaturregelkreis jedoch durch einen Abschnitt der Vielzahl von elektronischen Komponenten gebildet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung ein HF-Detektor und die Vielzahl von elektronischen Komponenten bilden: eine Gleichrichterstufe, die dazu konfiguriert ist, ein HF-Eingangssignal zu empfangen und dadurch ein gleichgerichtetes HF-Signal bereitzustellen; und einen zusätzlichen Tiefpassfilter, der dazu angeordnet sein kann, aus dem gleichgerichteten HF-Signal ein Signal der Amplitude des HF-Eingangssignals (als einen Gleichspannungspegel) auszugeben. Der Gleichspannungspegel umfasst weniger Restwelligkeit (weniger Wechselspannungskomponenten) als das gleichgerichtete HF-Signal. Die Hauptkomponente des Gleichspannungspegels kann daher ein Gleichspannungssignal sein. In einigen Ausführungsformen kann der Gleichspannungspegel einige (erheblich) kleinere Wechselspannungskomponenten aufweisen. Der Gleichspannungspegel wird sich langsam ändern, falls und wenn es eine Änderung in der Amplitude des HF-Eingangspegels gibt. Die Gleichrichterstufe umfasst typischerweise mindestens eine Diode (und möglicherweise mehrere Dioden). Vorzugsweise umfasst der Tiefpassfilter: einen Kondensator und einen Induktor (und optional einen Widerstand). Optional werden mehrere Kondensatoren und/oder Induktoren und/oder Widerstände bereitgestellt. Der HF-Detektor kann Bestandteil eines Regelkreises zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen eines elektronischen Verstärkers in einem Analyseinstrument sein. Insbesondere kann das Analyseinstrument ein Massenspektrometer sein. Vorteilhafterweise dient der Regelkreis zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen einer ionenoptischen Vorrichtung. Der Regelkreis wiederum kann Bestandteil einer Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung sein. Eine ionenoptische Vorrichtung, die eine derartige Stromversorgung umfasst, und/oder ein Massenspektrometer, das eine derartige ionenoptische Vorrichtung umfasst, kann weiterhin in Betracht gezogen werden.
In einem anderen Aspekt kann ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen temperaturgeregelten elektronischen Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das Verfahren das Bereitstellen elektrischer Signale an die elektronische Vorrichtung umfassen, um die mindestens eine elektronische Schaltung, den Temperatursensor, die wärmeerzeugende Komponente und den Temperaturregelkreis zu betreiben. Das Bereitstellen von elektrischen Signalen an die elektronische Vorrichtung kann das Bereitstellen eines Eingangssignals (zweckmäßigerweise eines Wechselspannungseingangssignals) an die elektronische Schaltung umfassen. Die elektronische Schaltung ist vorzugsweise eine Gleichrichterschaltung (zum Umwandeln eines Wechselspannungseingangssignals in ein Gleichspannungsausgangssignal). Das Einwirken der elektronischen Schaltung auf das Eingangssignal bewirkt typischerweise, dass Wärme erzeugt wird (die von der Leistung des Wechselspannungseingangssignals abhängen kann). Das Verfahren umfasst weiterhin vorzugsweise das Messen der Temperatur der elektronischen Schaltung mittels des Temperatursensors. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren weiterhin das Regeln der wärmeerzeugenden Komponente mittels des Temperaturregelkreises in Reaktion auf die vom Temperatursensor gemessene Temperatur.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Verfahren zum Herstellen einer temperaturgeregelten elektronischen Vorrichtung wie in diesem Schriftstück beschrieben in Betracht gezogen werden. Alle derartigen Verfahren können einen oder mehrere Funktionsschritte aufweisen, die der Funktionalität irgendeiner spezifischen Vorrichtung oder irgendeines spezifischen Geräts in diesem Schriftstück entspricht, wird ebenfalls bereitgestellt [sic!].
Diese Idee, sowohl im allgemeinen Sinn als auch in spezifischen Fällen, ermöglicht es, dass die Komponenten radial platziert werden (definiert durch einen Radius und Winkel: r, θ), und nicht in einer herkömmlichen „kartesischen” Weise (definiert durch entsprechende Positionen auf jeder der zwei zueinander senkrechten Achsen, wie z. B. x, y). Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer Oberfläche der Leiterplatte so positioniert wird, dass die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Oberfläche im Allgemeinen Rotationssymmetrie aufweist. Auf diese Weise kann sich die durch die Komponenten verbreitete Wärme gleichmäßiger verbreiten.
Unter Bezugnahme auf 13 wird ein Funktionsprinzip der Ausführungsform von 12 gezeigt. Um das Wärmemanagement weiter zu verbessern, werden die Komponenten zusätzlich über die PCB verteilt. Für jede Funktionskomponente werden mehrere Geräte bereitgestellt (in Reihe, falls das Gerät durch Strom gesteuert wird oder darauf anspricht, wie z. B ein Induktor, oder parallel, falls es durch Spannung gesteuert wird oder darauf anspricht, wie z. B. ein Kondensator oder eine Gleichrichterdiode), um die Temperatur von jeder einzelnen Vorrichtung zu reduzieren. Zum Beispiel können mehrere Gleichrichterdioden parallel platziert werden, um den durch jede einzelne Diode fließenden Strom entsprechend zu reduzieren. Der Temperaturanstieg aufgrund der Verlustleistung ist proportional zur an die elektronischen Geräte angelegten Leistung (P_verlust ≈ T_anstieg). Wie in
13 dargestellt, kann eine einzelne Komponente, die eine Leistung P, verbraucht (und abführt) und eine Temperatur T₁ aufweist, durch drei Komponenten ersetzt werden, die jeweils eine Leistung P₃ abführen und eine Temperatur T₂ aufweisen. Obwohl die verbrauchte Gesamtleistung dieselbe ist, kann die Temperatur niedriger sein, so dass T₂ < T₁ (3 × P₃ = P₁). Wenn man diese Technik verwendet, ist die durch die Komponenten verbrauchte Gesamtleistung weniger dicht auf der PCB konzentriert und die eigenerzeugte Wärme wird zwischen den Komponenten aufgeteilt. Durch Verteilen der Verlustleistung pro Flächeneinheit wird das Wärmemanagement verbessert.
In einem allgemeinen Sinn versteht es sich, dass ein Abschnitt der Vielzahl von elektronischen Komponenten, die die mindestens eine elektronische Schaltung bilden, mindestens ein Set (und vorzugsweise mehrere Sets) von duplizierten elektronischen Komponenten umfasst, wobei die elektronischen Komponenten in jedem Set von duplizierten elektronischen Komponenten dazu konfiguriert sind, dieselbe Funktion aufzuweisen und im Betrieb dieselbe Leistung abzuführen. Die Komponenten in jedem Set von duplizierten Komponenten sind typischerweise auf derselben Bahn der Leiterplatte montiert.
Von der Platzierung der elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte wird vorstehend angemerkt, dass sie eine Rotationssymmetrie aufweisen. Wie dort erläutert, erlaubt dies eine bessere Wärmeableitung. Weitere Verbesserungen an der Positionierung der Komponenten können jedoch vorgenommen werden. Unter Bezugnahme auf 14 wird ein anderes Funktionsprinzip der Ausführungsform von 12 dargestellt. Die elektronischen Komponenten werden platziert, um ein Verhältnis von der Verlustleistung zum von der Komponente abgedeckten oder der Komponente zugewiesenen Bereich fest oder konstant zu halten. Somit wird einem Gerät, das mehr Leistung verbraucht (und damit abführt), das eine Leistung P, abführt, ein größerer Oberflächenbereich A₁ zugewiesen als einem Gerät, das weniger Leistung verbraucht (und damit abführt), das eine Leistung P₂ abführt, dem ein kleinerer Oberflächenbereich A₂ zugewiesen wird. Dies wird in dem Layout von 12 erreicht, indem das Gerät, das weniger Leistung abführt, auf einer Bahn platziert wird, die einen kleineren Radius aufweist als die Bahn, auf der das Gerät, das mehr Leistung abführt, platziert wird. Somit wird einem Gerät, das noch weniger Leistung abführt (Verlustleistung P₃), ein noch kleinerer Oberflächenbereich A₃ zugewiesen. Auf diese Weise kann die Verlustleistung pro Flächeneinheit konstant gehalten werden, wodurch die Temperatur aufgrund der eigenerzeugten Wärme über die Schaltung hinweg konstant gehalten wird und die thermischen Einflüsse zwischen einer Komponente und einer anderen abgeschwächt werden.
Dem vorstehend behandelten allgemeinen Sinn wird man entnehmen, dass jede der Vielzahl von elektronischen Komponenten dazu konfiguriert ist, im Betrieb eine entsprechende Leistung abzuführen. Dann kann jede elektronische Komponente auf einer Bahn gemäß ihrer entsprechenden abgeführten Leistung im Betrieb angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Vielzahl von elektronischen Komponenten so angeordnet werden, dass die elektronischen Komponenten, die dazu konfiguriert sind, im Betrieb eine höhere Leistung abzuführen, auf einer Bahn angeordnet sind, die einen größeren Radius aufweist als den Radius einer Bahn, auf der die elektronischen Komponenten, die dazu konfiguriert sind, im Betrieb eine niedrigere Leistung abzuführen, angeordnet sind. In besonderen Ausführungsformen kann die Vielzahl von elektronischen Komponenten so angeordnet werden, dass die elektronischen Komponenten, die dazu konfiguriert sind, im Betrieb dieselbe Leistung abzuführen, auf derselben Bahn angeordnet sind.
Falls eine erste elektronische Komponente auf einer ersten Bahn angeordnet ist, die einen ersten Radius aufweist, und eine zweite elektronische Komponente auf einer zweiten Bahn angeordnet ist, die neben der ersten Bahn liegt (wobei die zweite Bahn einen zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist), basiert der Abstand zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius zweckmäßigerweise auf der Leistung, die die zweite Komponente gemäß ihrer Konfiguration im Betrieb abführt.
In einem anderen Sinn kann die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte entlang der einen oder mehreren Bahnen und getrennt voneinander so angeordnet sein, dass für jede der Vielzahl von elektronischen Komponenten das Verhältnis von einem die entsprechenden elektronischen Komponenten umgebenden Bereich, in dem sich keine anderen elektronischen Komponenten befinden, zur Leistung, die die entsprechende elektronische Komponente gemäß ihrer Konfiguration im Betrieb abführt, ungefähr dasselbe ist (über alle der mindestens einen elektronischen Schaltung oder mindestens eine der Vielzahl von elektronischen Schaltungen hinweg). Das Verhältnis kann ungefähr dasselbe sein, falls der Unterschied zwischen dem Verhältnis für eine Komponente und dem Verhältnis für eine andere Komponente nicht mehr (oder weniger) als 10%, 5%, 2%, 1% oder 0,5% beträgt, und/oder falls sich die Verhältnisse um nicht mehr (oder weniger) als 0,1, 0,05, 0,01 oder 0,005 unterscheiden.
Unter Bezugnahme als Nächstes auf 15 werden zwei Ansichten von Komponenten auf einer zweiten Seite der Leiterplatte (gegenüberliegend der in 12 gezeigten Seite) der Ausführungsform, die in 12 gezeigt wird, veranschaulicht. Es werden eine Draufsicht (a) und eine Seitenansicht (b) gezeigt. Die Thermoauslöser 710, die in 12 sichtbar waren, sind in der Draufsicht (a) ebenfalls zu sehen. Das wärmeerzeugende Gerät ist ein Transistor 730, der auf einem Wärmeverteiler 740 montiert ist. Der Transistor 710 ist an den Anschlüssen 720, die ebenfalls in 12 auf der anderen Seite der PCB sichtbar sind, an die Schaltung angeschlossen. Obwohl ein Heiztransistor 730 gezeigt wird, könnten stattdessen mehrere Heiztransistoren verwendet werden. Die Verwendung einer einzigen aktiven Komponente (in diesem Fall eines Transistors) als ein Wärmeerzeuger ist besonders vorteilhaft, da sie den Vorteil einer linearen Beziehung zwischen Strom oder Spannung und Verlustleistung in dem Gerät mit der Möglichkeit des symmetrischen Platzierens der Wärmequelle in der Schaltung verbindet. Die Beziehung der linearen Leistung des Transistors steht im Gegensatz zum quadratischen Ausdruck für Verlustleistung (und damit seinem Erwärmungseffekt) zu Spannung oder Strom in einem Widerstand, wie vorstehend behandelt.
Der Wärmeverteiler 740 ist vorteilhafterweise aus Metall hergestellt und verläuft über die Rückseite der PCB bis zu den Thermoauslösern 710 und daher über den gesamten Oberflächenbereich hinter der Schaltung auf der anderen Seite. Der Wärmeverteiler 740 verteilt die Wärme über den Oberflächenbereich der PCB hinweg, um die Temperatur stabil zu halten und die Zeit zu verkürzen, die für das Herstellen eines Temperaturgleichgewichts nötig ist, sobald Wärme erzeugt wird. Darüber hinaus werden die mehreren Kupferebenen zweckmäßigerweise in den inneren Schichten der PCB bereitgestellt. Das kann die Wärmeverteilung verbessern und wirkt auch als eine HF-Abschirmung. Durch die Verwendung von Metall (anstatt von PCB-FR4-Material) mit seiner größeren thermischen Leitfähigkeit wird die Zeitkonstante für Wärmeausgleichsprozesse erheblich verkürzt. Ein besonderer Vorteil des Wärmeverteilers besteht darin, den Spannungsteiler 630 abzuschirmen und dadurch einen stabilen Referenzpegel für die Temperaturregelung zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorstehend behandelten allgemeinen Sinns befindet sich die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer ersten Seite der Leiterplatte und die wärmeerzeugende Komponente befindet sich auf einer zweiten Seite der Leiterplatte (wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt). Es versteht sich, dass die eine oder mehreren Bahnen einen Mittelpunkt definieren (oder einen gemeinsamen Mittelpunkt, falls es eine Vielzahl von Bahnen gibt), und sich dann die wärmeerzeugende Komponente vorteilhafterweise im Mittelpunkt oder mit ihrem Zentrum im Allgemeinen am oder in der Nähe des Mittelpunkts (zum Beispiel nicht weiter entfernt als die nächstgelegene der einen oder mehreren Bahnen vom Mittelpunkt) befindet.
Vorzugsweise wird die wärmeerzeugende Komponente auf einem Wärmeverteiler montiert. Vorteilhafterweise ist der Wärmeverteiler so angeordnet, dass er über die zweite Seite der Leiterplatte in gleicher Ausdehnung wie die eine oder mehrere Bahnen, die auf der ersten Seite der Leiterplatte definiert sind, verläuft. Noch bevorzugter ist der Wärmeverteiler so angeordnet, dass er bis zu den Auslösern verläuft.
Zweckmäßigerweise umfasst die wärmeerzeugende Komponente einen Heiztransistor. Dies kann aufgrund der nichtlinearen Spannung-/Strom-Beziehung für den Transistor im Vergleich zur linearen Spannung-/Strom-Beziehung für einen Widerstand erhebliche Vorteile gegenüber einem oder mehreren Heizwiderständen bieten.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leiterplatte mehrere (vorzugsweise flächige) Metallschichten. Diese können Wärmeverteil- und HF-Abschirmungseffekte bieten. Sie können auch Schaltungsverbindungen bieten. Die Metallschichten umfassen vorteilhafterweise (und noch bevorzugter sind oder bestehen sie aus) Kupfer.
Zu den Hauptvorteilen der hier beschriebenen Technik zählen: die Verwendung eines einzigen Heizgerätes mit gleichen Abständen zum Einsatzpunkt; eine Kosteneinsparung, da keine Heizwiderstände erforderlich sind; keine lineare Beziehung im Transistor zwischen Kollektor-Strom und Kollektor-Emitter-Spannung; der geschlossene Regelkreis verwendet eine lineare Beziehung zwischen der an den Transistor angelegten Spannung und der Verlustleistung, so dass die zugeführte Leistung besser gesteuert werden kann; hohe Symmetrie für alle Komponente [sic!] führt zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung auf der PCB-Oberfläche; die Eigenerwärmung wird aufgrund des lastaufteilenden Effekts der mehreren elektrischen Komponenten (auf ein Minimum) reduziert; gleiche Temperaturen sind aufgrund konstanter Bereich-zu-Verlustleistungs-Verhältnisse erzielbar; eine schnelle thermische Zeitkonstante wird aufgrund der Verwendung von Metall zum Wärmetransport erzielt; und Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung wird aufgrund der Wärmebildung auf der Ober- und Unterseite der Schaltung als Haupttransportmechanismus verwendet.
Insbesondere ist anzumerken, dass die Temperaturregelung die Schaltungstemperatur auf zwischen 40°C und 75°C, vorzugsweise zwischen 55°C und 65°C und noch bevorzugter zwischen 58°C und 60°C festlegen kann. Außerdem ist die Anzahl der in der Anordnung von 12 verwendeten Geräte tatsächlich kleiner als die von 10. Zum Beispiel wird die Anzahl der Lastwiderstände 530 von 36 in der Ausführungsform von 10 auf 18 in der 12 – Ausführungsform reduziert.
Umsetzung der ionenoptischen Vorrichtung
In einem anderen generalisierten Aspekt kann ein Regelkreis zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen eines elektronischen Verstärkers in einem Analyseinstrument (wie z. B. einem Massenspektrometer) in Betracht gezogen werden. Der Regelkreis kann insbesondere zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen einer ionenoptischen Vorrichtung dienen. Der Regelkreis umfasst vorteilhafterweise: einen Regler, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal aus einem HF-Generator zu empfangen, ein für die Amplitude des HF-Potentials kennzeichnendes Signal (Gleichstrompegel) zu empfangen und einen HF-Ausgang aus dem empfangenen HF-Signal zu erzeugen, eingestellt auf der Grundlage des empfangenen, für die Amplitude des HF-Potentials kennzeichnenden Signals; eine Ausgangsschaltung, die so angeordnet ist, dass sie das HF-Potential zum Versorgen einer ionenoptischen Vorrichtung aus dem HF-Ausgang des Reglers erzeugt; und einen in diesem Schriftstück offengelegten HF-Detektor, der dazu konfiguriert ist, das HF-Potential zu empfangen und das für die Amplitude des HF-Potentials kennzeichnende Signal für den Regler zu erzeugen. Optional umfasst die Ausgangsschaltung einen HF-Verstärker, der dazu angeordnet ist, den HF-Ausgang aus dem Regler zu empfangen und den HF-Ausgang zu verstärken. Dann kann die Ausgangsschaltung weiterhin einen Transformator umfassen, der dazu konfiguriert ist, den verstärkten HF-Ausgang als einen primärseitigen Eingang zu empfangen und das HF-Potential als einen sekundärseitigen Ausgang bereitzustellen. Optional kann die Ausgangsschaltung auch einen Spannungsteiler umfassen, der dazu konfiguriert ist, das HF-Potential von der sekundären Seite des Transformators mit dem HF-Detektor zu koppeln.
Es kann auch eine Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung bereitgestellt werden, umfassend: einen HF-Generator, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal zu erzeugen; und einen wie in diesem Schriftstück offengelegten Regelkreis, der dazu konfiguriert ist, das HF-Signal aus dem HF-Generator zu empfangen und das HF-Potential an die ionenoptische Vorrichtung zu liefern. In noch einem anderen Aspekt kann eine ionenoptische Vorrichtung in Betracht gezogen werden, umfassend: eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines elektrischen HF-Felds mittels eines empfangenen HF-Potentials; einen HF-Generator, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal zu erzeugen; und einen Regelkreis, wie er in diesem Schriftstück beschrieben wird, der dazu konfiguriert ist, das HF-Signal vom HF-Generator zu empfangen und das HF-Potential an die Elektrodenanordnung zu liefern.
In (der vorstehend beschriebenen) 3 wurde gezeigt, wie eine HF-Potential-Stromversorgung für eine ionenoptische Vorrichtung mittels eines HF-Detektors umgesetzt werden kann. Nun werden weitere Details über die ionenoptische Vorrichtung und deren Verwendung betrachtet werden. Insbesondere ist die ionenoptische Vorrichtung vorzugsweise eine Quadrupol-Ionenoptikvorrichtung, wie z. B. eine Quadrupol-Oonenfalle, ein Quadrupol-Massenfilter oder Quadrupol-Massenanalysator, die bzw. der typischerweise Bestandteil eines Massenspektrometers ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die ionenoptische Vorrichtung Bestandteil eines Massenspektrometers mit einer induktiv gekoppelten Plasma-(ICP)-Ionenquelle, insbesondere zur Elementaranalyse. Insbesondere kann das Massenspektrometer zwei oder mehrere Analysatoren für die untersuchten Ionen aufweisen. Der erste Analysator ist eine Kollisions-/Reaktionszelle (QCell), die zum Beispiel flache Quadrupolelektroden aufweist (ein „Flatapole”). Der zweite Analysator ist eine Quadrupol-Ionenoptikvorrichtung für das Isolieren der zu messenden Ionen. Eine Verbesserung eines derartigen Massenspektrometers mit zwei Analysatoren weist einen zusätzlichen Massenanalysator auf, normalerweise eine weitere Quadrupol-Ionenoptikvorrichtung, was somit ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer bereitstellt. Der zusätzliche Quadrupol ist stromaufwärts der Kollisions-/Reaktionszelle positioniert. Ein derartiges Massenspektrometer wird in unserer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 1516508.7 offengelegt und Einzelheiten davon werden nun der Vollständigkeit halber kurz behandelt.
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine schematische Darstellung eines bekannten ICP-Massenspektrometers gezeigt, mit dem die in diesem Schriftstück offengelegte ionenoptische Vorrichtung verwendet werden kann. Dieses ICP-Massenspektrometer umfasst: einen ICP-Brenner 410; einen Sampler-Cone 420; einen Skimmer-Cone 430; eine Ionenoptik 440; einen ersten (Q1) Massenfilter 450; eine Reaktionszelle (Q2) 460; eine differentiell gepumpte Blende 470; einen zweiten (Q3) Massenfilter 480; und einen Ionendetektor 490. Als Q3-Massenfilter 480 kann ein Massenanalysator oder ein Teil eines Massenanalysators in Betracht gezogen werden. In diesem Design werden Ionen im ICP-Brenner 410 erzeugt, über Sampler 420 und Skimmer 430 in Vakuum eingebracht, durch die (Biege-)Ionenoptik 440 transportiert und vom Q1-Quadrupol-Massenfilter 450 ausgewählt. Man wird bemerken, dass Q1-Massenfilter 450 relativ kurz im Vergleich zu Q2-Reaktionszelle 460 und Q3-Massenfilter 480 ist und schematisch entsprechend dargestellt wird. Darüber hinaus sind die Vakuumbedingungen des Q1-Massenfilters 450 weniger anspruchsvoll als für die nachfolgenden Phasen. Hier werden die Ionenoptik 440 und der Q1-Massenfilter 450 mit im Wesentlichen demselben Druck betrieben. Ionen des ausgewählten Massenbereichs treten in die Quadrupol-Reaktionszelle 460 ein, und das Reaktionsprodukt wird durch die Ionenoptik und die differentiell gepumpte Blende 470 in den analytischen Quadrupol-Massenfilter Q3 480 gelenkt und vom Hochdynamikbereich-Detektor 490, zum Beispiel einem SEM, detektiert. Der Q3-Massenfilter 480 ist hoch selektiv (insbesondere im Vergleich zum Q1-Massenfilter 450) und hat eine Bandpassbreite von typischerweise nicht mehr als 1 amu.
Der Q1-Quadrupolmassenfilter 450 wählt ein begrenztes Set von zu untersuchenden Ionen aus. Der Q1-Massenfilter 450 hat vorteilhafterweise eine niedrigere Auflösung als der Q3-Massenfilter 480. Wie vorstehend bemerkt, ist der Q1-Massenfilter 450 ein kurzer Quadrupol, der typischerweise eine Elektrodenlänge in axialer Richtung des Quadrupols von 5 bis 7 cm hat. Dieser Quadrupol ist vorteilhafterweise weniger kostspielig in der Herstellung als die Q2-Zelle 460 und der Q3-Massenfilter 480. Er hat jedoch eine viel breitere Bandpassbreite als der Q3-Massenfilter 480, stromabwärts von der Q2-Kollisions-/Reaktionszelle 460.
Ionen, die ein Masse-/Ladungsverhältnis A innerhalb eines Bereichs von Interesse aufweisen, werden vorzugsweise in der Flanke des Bandpasses des Q1-Massenfilters 450 positioniert, um signifikante Störeinflüsse zu vermeiden. Stromabwärts von der Q2-Reaktions-/Kollisionszelle 460 haben die Ionen von Interesse, die vom Q3-Massenfilter 480 detektiert werden, ein Masse-/Ladungsverhältnis von A + R. Falls der durch den Hochauflösungs-Q3-Massenfilter 480 detektierte Störpegel noch hoch ist, wird eine Verschiebung des Isolationsfensters des Q1-Massenfilters 450 umgesetzt, um die Messergebnisse zu verbessern. Aufgrund der Positionierung der Masse von Interesse A an der Flanke des Bandpasses des Q1-Massenfilters 450 und des Problems, dass eine falsche Einstellung des Isolationsfensters des Quadrupols 450-Problems zu erhöhten Störeinflüssen führt, kann die Spannungsversorgung zu den Elektroden des Q1-Massenfilters die Leistung des Massenspektrometers erheblich beeinflussen. Daher werden alle externen Einflüsse auf die Elektronik, die die Spannung für die Elektroden bereitstellt, wie z. B. Temperaturänderungen, wünschenswerterweise auf ein Minimum reduziert. Die Verwendung einer Stromversorgung zum Bereitstellen des HF-Potentials für den Q1-Massenfilter 450 in einem solchen Massenspektrometer kann daher sehr vorteilhaft sein. Die Verwendung einer derartigen Stromversorgung zum Bereitstellen des HF-Potentials für den Q3-Massenfilter 480 ist ebenfalls von potenziellem Nutzen.
Diese Herausforderung wird noch erschwert durch den normalen Messmodus dieses Massenspektrometers, das anders als andere Arten von Massenspektrometer keinen vollen Massenbereich misst. Stattdessen ist es dazu konfiguriert, nur spezifische Massen, die analysiert werden sollen, zu messen. Typischerweise werden ICP-Massenspektrometer für Routinemessungen verwendet, zum Beispiel um die Reinheit von Wasser zu messen. Diese Routinemessungen müssen schnell durchführbar sein. Typischerweise werden mittels des Massenspektrometers für jede untersuchte Masse 10 Durchlaufe von 4 Sekunden durchgeführt, was zu einer Messzeit von 10 bis 20 Sekunden bis hin zu 1,5 Minuten führt. Bis zu 30 verschiedene Massen können für jede untersuchte Probe analysiert werden.
Infolge derartiger Betriebsmodi können sich die zugeführte HF-Spannung oder -Spannungen (insbesondere zum Q1-Massenfilter 450 und zum Q3-Massenfilter 480) sehr schnell ändern. Die durch die angelegte HF-Spannung verursachte Temperatur kann sich dann auch schnell ändern, so dass die herkömmliche Temperaturkompensation nicht schnell genug sein kann. Andere Arten von Massenspektrometern, die nur spezifische Massen (und nicht einen vollen Bereich von Massen) messen, können vor einer ähnlichen Herausforderung stehen. Die durchschnittliche Verlustleistung im HF-Detektor (insbesondere aufgrund der Gleichrichterdiode) und der daraus folgende Temperaturanstieg werden im Allgemeinen von der Masse der zu analysierenden Ionen abhängen. Ein Ion geringerer Masse (wie z. B. Lithium, Li) wird eine niedrigere Verlustleistung als ein Ion höherer Masse (zum Beispiel Kobalt, Co) verursachen. Insbesondere wird ein Ion mit einer sehr hohen Masse, wie z. B. Uran (U), eine viel höhere Verlustleistung als ein Ion geringerer Masse, wie z. B. Kupfer (Cu), aufweisen. Der Q1-Massenfilter 450 wird typischerweise Ionen mit Massen zwischen der von Magnesium (Mg) und Gold (Au) bearbeiten müssen, wohingegen der Q3-Massenfilter 480 typischerweise einen breiteren Bereich an Massen wird bearbeiten müssen, zum Beispiel Ionen mit Massen zwischen der von Lithium (Li) und Uran (U). Da jeder Massenfilter Ionen verschiedener Masse analysiert, steigt die Temperatur des HF-Detektors mit einer höheren Masse an und sinkt mit einer geringeren Masse. Bei der Analyse von U unmittelbar nach der Analyse von Li könnte der Temperaturanstieg bis zu 60°C betragen und dieser könnte [sic!] Anstieg könnte innerhalb von 100 μs geschehen.
Ein Massenspektrometer, das eine wie in diesem Schriftstück offengelegte ionenoptische Vorrichtung umfasst, sollte daher in einem generalisierten Sinn betrachtet werden. Das Massenspektrometer kann eines oder mehrere aufweisen von: einer ICP-Quelle; einer Triple-Quadrupol-Konfiguration; einer Konfiguration für Elementaranalyse; einem Regler für Messungen eines einzigen nominellen Masse-/Ladungsverhältnisses; und einer Konfiguration zum Ausführung einer Messung in nicht mehr als 1,5 Minuten, 1 Minute, 45 Sekunden, 30 Sekunden, 20 Sekunden, 15 Sekunden, 10 Sekunden, 5 Sekunden, 4 Sekunden 2 Sekunden, 1 Sekunde, 0,5 Sekunden, 0,1 Sekunden, 0,05 Sekunden, 0,01 Sekunden, 0,005 Sekunden oder 0,001 Sekunden. Eine typische Zeitdauer für eine durchschnittliche Massenmessung liegt zwischen 1 ms und 5 s.
Jeder der in diesem Schriftstück offengelegten allgemeinen Ansätze kann als Computerprogramm oder programmierbare oder programmierte Logik implementiert werden, das bzw. die dazu konfiguriert ist, ein hier beschriebenes Verfahren, wenn es durch einen Prozessor abgearbeitet wird, auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert werden.
Jeder in diesem Schriftstück beschriebene Regler kann dazu konfiguriert sein, entsprechend den Schritten eines jeden der hier beschriebenen Verfahren (allein oder kombiniert) zu funktionieren. Er kann Strukturmerkmale (eines oder mehrere der folgenden Elemente: einen oder mehrere Eingänge, einen oder mehrere Ausgänge, einen oder mehrere Prozessoren, sowie Schaltungen) aufweisen, die dazu konfiguriert sind, einen oder mehrere der Schritte dieser Verfahren auszuführen. Ein solcher Regler kann einen Computer oder Prozessor zur Ausführung eines Computerprogramms oder einer programmierbaren oder programmierten Logik umfassen, der bzw. die dazu konfiguriert ist, eines der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
Es versteht sich, dass an den vorstehenden Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Geltungsbereich der Erfindung fallen. Während die Erfindung in Bezug auf einen besonderen Typ von Regelkreis und Anwendung (eine HF-Detektorschaltung für eine ionenoptische Vorrichtung) beschrieben wurde und die Erfindung in einem derartigen Fall besondere Vorteile hat, wie in diesem Schriftstück behandelt, kann die Erfindung auf andere Typen von Schaltkreisen und/oder Anwendungen angewandt werden. Jedes in der Spezifikation offengelegte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offengelegte Merkmal ein Beispiel einer generischen Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind Singularformen von Begriffen in diesem Schriftstück so auszulegen, dass sie auch die Pluralform und umgekehrt umfassen, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt. Sofern der Zusammenhang nichts anderes vorgibt, bedeutet zum Beispiel im Vorliegenden, einschließlich der Ansprüche, ein Bezug im Singular wie beispielsweise „ein” oder „eine” (wie beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler) „ein oder mehrere” (zum Beispiel ein oder mehrere Analog-Digital-Wandler). In der gesamten Beschreibung und den gesamten Ansprüchen dieser Offenbarung bedeuten die Wörter „umfassen”, „beinhalten”, „aufweisen” und „enthalten” und Varianten davon, zum Beispiel „umfassend” und „umfasst” oder ähnliches, „einschließlich ohne Beschränkung darauf” und sollen weitere Komponenten nicht ausschließen (und schließen sie auch nicht aus).
Die Verwendung sämtlicher hier bereitgestellter Beispiele oder von auf Beispiele verweisenden Formulierungen („zum Beispiel”, „wie beispielsweise”, „beispielsweise” und derartige Formulierungen) soll lediglich die Erfindung besser veranschaulichen und weist nicht auf eine Beschränkung des Geltungsumfangs der Erfindung hin, sofern nichts anderes beansprucht wird. Formulierungen in der Beschreibung dürfen keinesfalls als Hinweis auf ein nicht beanspruchtes Element als maßgeblich für die praktische Umsetzung der Erfindung ausgelegt werden.
Alle in dieser Spezifikation beschriebenen Schritte können in jeder beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, sofern nicht anders angegeben oder der Kontext nicht etwas anderes erfordert.
Alle der in dieser Spezifikation offengelegten Aspekte und/oder Merkmale können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen mindestens einige dieser Merkmale und/oder Schritte sich gegenseitig ausschließen. Wie in diesem Schriftstück beschrieben, kann es besondere Kombinationen von Aspekten geben, die von weiterem Vorteil sind, wie z. B. die Verwendung von kombinierten temperaturkompensierten Komponenten in einer temperaturkompensierten Schaltung. Insbesondere gelten die bevorzugten Merkmale der Erfindung für alle Aspekte der Erfindung und können in jeder beliebigen Kombination verwendet werden. Ebenso können in nicht wesentlichen Kombinationen beschriebene Merkmale getrennt (nicht miteinander kombiniert) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2221703 [0008]
US 2930904 [0008]

Claims

Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung, umfassend: eine Leiterplatte; eine Vielzahl von elektronischen Komponenten, die auf der Leiterplatte in einer Anordnung aufgebaut sind, so dass sie mindestens eine elektronische Schaltung bilden; einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur der mindestens einen elektronischen Schaltung zu messen; eine wärmeerzeugende Komponente, die dazu konfiguriert ist, durch einen Temperaturregelkreis gesteuert zu werden, wobei der Temperaturregelkreis dazu konfiguriert ist, eine Menge an Wärme, die durch die wärmeerzeugende Komponente in Reaktion auf die vom Temperatursensor gemessene Temperatur erzeugt wurde, zu regeln; und wobei die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte dazu angeordnet sind, auf einer von einer oder mehreren Bahnen zu liegen, wobei jede Bahn der einen oder mehreren Bahnen durch einen entsprechenden Kreis definiert ist, der einen Radius aufweist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehrere Bahnen eine Vielzahl von Bahnen darstellen, wobei jede Bahn der Vielzahl von Bahnen durch einen entsprechenden konzentrischen Kreis mit einem unterschiedlichen Radius definiert ist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer Oberfläche der Leiterplatte positioniert ist, so dass die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Oberfläche im Allgemeinen Rotationssymmetrie aufweist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der Vielzahl von elektronischen Komponenten so angeordnet ist, dass sie im Betrieb eine entsprechende Leistung abführen, und die Vielzahl von elektronischen Komponenten so angeordnet ist, dass elektronische Komponenten, die dazu konfiguriert sind, eine höhere Leistung im Betrieb abzuführen, auf einer Bahn angeordnet sind, die einen größeren Radius aufweist als einen Radius einer Bahn, auf der die elektronischen Komponenten, die dazu konfiguriert sind, im Betrieb eine niedrigere Leistung abzuführen, angeordnet sind.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine erste elektronische Komponente auf einer ersten Bahn angeordnet ist, die einen ersten Radius aufweist, und eine zweite elektronische Komponente auf einer zweiten Bahn angeordnet ist, die neben der ersten Bahn liegt, wobei die zweite Bahn einen zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist, wobei der Abstand zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius zweckmäßigerweise auf der Leistung basiert, die die zweite Komponente gemäß ihrer Konfiguration im Betrieb abführt.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte entlang der einen oder mehreren Bahnen und getrennt voneinander so angeordnet ist, so dass für jede der Vielzahl von elektronischen Komponenten das Verhältnis von einem die entsprechenden elektronischen Komponenten umgebenden Bereich, in dem sich keine anderen elektronischen Komponenten befinden, zur Leistung, die die entsprechende elektronische Komponente gemäß ihrer Konfiguration im Betrieb abführt, ungefähr dasselbe ist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor, die wärmeerzeugende Komponente und der Temperaturregelkreis dazu konfiguriert sind, eine geschlossene Temperaturregelungsanordnung bereitzustellen, um die gemessene Temperatur auf einem eingestellten Niveau zu halten.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine oder mehrere Bahnen einen gemeinsamen Mittelpunkt definieren, wobei der Temperatursensor im gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet ist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer ersten Seite der Leiterplatte und die wärmeerzeugende Komponente auf einer zweiten Seite der Leiterplatte befindet.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine oder mehrere Bahnen einen Mittelpunkt definieren, wobei die wärmeerzeugende Komponente im gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet ist.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die wärmeerzeugende Komponente an einen Wärmeverteiler angebaut ist, der über die zweite Seite der Leiterplatte hinweg zusammen mit einer oder mehreren Bahnen verläuft, die auf der ersten Seite der Leiterplatte definiert sind.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach vorstehenden Anspruch [sic!], wobei die wärmeerzeugende Komponente einen Heiztransistor umfasst.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Vielzahl von Auslösern, die entlang einer Auslöserbahn angeordnet sind, die durch einen Kreis definiert ist, der mit der einen oder mehreren Bahnen konzentrisch ist und einen Radius aufweist, der größer ist als der Radius der einen oder mehreren Bahnen.
Verfahren nach Anspruch 13, wenn abhängig von Anspruch 11, wobei der Wärmeverteiler dazu angeordnet ist, bis zur Auslöserbahn zu verlaufen.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, weiterhin umfassend: eine leitende Bahn auf der Leiterplatte, die dazu konfiguriert ist, eine Verbindung zu und/oder von der mindestens einen elektronischen Schaltung bereitzustellen, wobei die leitende Bahn zwischen nebeneinanderliegenden der Vielzahl von Auslösern verläuft.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte mehrere Metallschichten umfasst.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Metallschichten Kupfer umfassen.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt der Vielzahl von elektronischen Komponenten, die die mindestens eine elektronische Schaltung bilden, mindestens ein Set von duplizierten elektronischen Komponenten umfasst, wobei die elektronischen Komponenten in jedem Set von duplizierten elektronischen Komponenten dazu konfiguriert sind, dieselbe Funktion aufzuweisen und im Betrieb dieselbe Leistung abzuführen.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung ein HF-Detektor ist, wobei die Vielzahl von elektronischen Komponenten bildet: eine Gleichrichterstufe, die dazu konfiguriert ist, das HF-Eingangssignal zu empfangen und dadurch ein gleichgerichtetes HF-Signal bereitzustellen; und einen Tiefpassfilter, der dazu angeordnet ist, ein für die Amplitude des HF-Eingangssignals kennzeichnendes Signal aus dem gleichgerichteten HF-Signal zu erzeugen.
Temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Temperaturregelkreis getrennt von der einen oder mehreren Bahnen angeordnet ist.
Regelkreis zum Einstellen einer Amplitude eines HF-Potentials zum Versorgen eines elektronischen Verstärkers in einem Analyseinstrument, wobei der Regelkreis umfasst: einen Regler, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal von einem HF-Generator zu empfangen, ein für die Amplitude des HF-Potentials kennzeichnendes Signal zu empfangen und einen HF-Ausgang aus dem empfangenen HF-Signal bereitzustellen, der auf der Grundlage des empfangenen, für die Amplitude des HF-Eingangssignals kennzeichnenden Signals eingestellt ist; eine Ausgangsschaltung, die so angeordnet ist, dass sie das HF-Potential zum Versorgen des elektronischen Verstärkers im Analyseinstrument aus dem HF-Ausgang des Reglers erzeugt; und den HF-Detektor nach Anspruch 17, der dazu konfiguriert ist, das HF-Potential zu empfangen und das für die Amplitude des HF-Potentials kennzeichnende Signal für den Regler zu erzeugen.
Ionenoptische Vorrichtung, umfassend: eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines elektrischen HF-Feldes mittels eines empfangenen HF-Potentials; einen HF-Generator, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal zu erzeugen; und einen Regelkreis nach Anspruch 21, der dazu konfiguriert ist, ein HF-Signal aus dem HF-Generator zu empfangen und das HF-Potential an die Elektrodenanordnung zu liefern.
Ionenoptische Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die ionenoptische Vorrichtung eine Quadrupol-Ionenoptikvorrichtung ist.
Verfahren zum Betrieb einer temperaturgeregelten elektronischen Vorrichtung, wobei die temperaturgeregelte elektronische Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 20 entspricht, das Verfahren die Bereitstellung von elektrischen Signalen an die elektronische Vorrichtung umfasst, um den mindestens einen elektronischen Schaltkreis, den Temperatursensor, die wärmeerzeugende Komponente und den Temperaturregelkreis zu betätigen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt der Bereitstellung von elektrischen Signalen an das elektronische Gerät die Bereitstellung eines Eingangssignals an den elektronischen Schaltkreis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, ferner umfassend: Messen der Temperatur des elektronischen Schaltkreises mittels eines Temperatursensors, und Regeln der wärmeerzeugenden Komponente mittels des Temperaturregelkreises als Reaktion auf die vom Temperatursensor gemessene Temperatur.