DE112012002058B4

DE112012002058B4 - Ionenerfassung

Info

Publication number: DE112012002058B4
Application number: DE112012002058.8T
Authority: DE
Inventors: Alexander Kholomeev; Alexander Alekseevich Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: CA3007585A1; CN103518249A; CA2835502C; US20140224995A1; CA2835502A1; JP2014513407A; GB2502243A; US20160268118A1; DE112012002058T8; GB201702401D0; WO2012152949A1; CN103518249B; US9349579B2; GB2544920A; JP6002755B2; US9496123B2; GB2502243B; DE112012002058T5; GB201107958D0; GB2544920B

Abstract

Ionendetektor für ein Massenanalysegerät, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden, wobei der Ionendetektor Folgendes umfasst:eine Erfassungsanordnung, umfassend:mehrere Erfassungselektroden (80, 85), die dazu ausgebildet sind, mehrere Bildstromsignale von den Ionen im Massenanalysegerät zu erfassen; undeinen Vorverstärker (200, 120), wobei der Vorverstärker (200, 120) dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; undeine Kompensationsschaltung, die dazu angeordnet ist, mindestens ein Kompensationssignal bereitzustellen, wobei jedes Kompensationssignal eine Ausgangsgröße eines Spannungspuffers des Vorverstärkers (200, 120) ist, einer jeweiligen Abschirmung US 5 886 346 A der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird und auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen basiert, wobei jede Abschirmung (100, 101, 105, 106) als Abschirmung einer jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen einer Erfassungselektrode (80, 85) und dem Vorverstärker (200, 120) gegen eine oder mehrere parasitäre Kapazitäten dient; undwobei es eine Kapazität zwischen jeder Abschirmung(100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen Erfassungselektrode (80, 85) und Vorverstärker (200, 120) der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst,wobei das von der Kompensationsschaltung bereitgestellte Kompensationssignal so ausgelegt ist, um eine Potentialdifferenz zwischen jeder der Abschirmungen(100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung(81, 86) zu minimieren, um so eine Reduzierung in jeder Kapazität zur bewirken und eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Ionenerfassung für ein Massenanalysegerät, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden, und das einen Ionendetektor enthält, sowie ein Verfahren zur Ionenerfassung. Ein solches Massenanalysegerät kann ein FTICR-Massenanalysegerät („Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysegerät“), ein elektrostatisches Orbital-Fallen-Massenanalysegerät oder irgendeine andere Ionenfalle mit Bildstromerfassung enthalten.
Hintergrund der Erfindung
Für die Fourier-Transformation-Massenspektrometrie (FTMS) wurde die Erfassungsgrenze der Masse-zu-Ladung-Verhältnisanalyse (m/z) in Marshall, A.G., Hendrickson C.L., „Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Detection: Principles and Experimental Configurations“, Int. J. Mass Spectrom. 2002, 215, 59-75, definiert. Darin wird die Erfassungsgrenze als die kleinste Anzahl von Ionen (M) mit einer Ladung q erachtet, die mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 3:1 erfasst werden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Nachweisgrenze proportional zum Spannungsrauschen eines Eingangstransistors des Vorverstärkers (V_n) und zur Kapazität der Erfassungsschaltung (C_det) sowie umgekehrt proportional zur relativen Amplitude der erfassten Schwingungen (A) ist. In anderen Worten: $M = k o n s t \frac{C_{det} V_{n}}{q A} .$
Das Spannungsrauschen wird vom Halbleiterproduktionsprozess bestimmt und Verbesserungen darin sind beschränkt. Auch wird die relative Amplitude der erfassten Schwingungen durch die Qualität des Fallenfelds beschränkt und Verbesserungen darin sind auch schwierig (z. B. ist A nahezu 60-70% in praktisch umsetzbaren elektrostatischen Orbital-Fallen-Analysegeräten). Daher wird eine Verbesserung der Erfassungsgrenze am wahrscheinlichsten dadurch erreicht, dass die Kapazität der Erfassungsschaltung (C_det) reduziert wird.
WO2008/103970 A2 zeigt einen breitbandigen Vorverstärker für FTMS. Jedoch wird in dieser Konstruktion vorgeschlagen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis optimiert ist, wenn die Eingangskapazität des JFET-Transistors im Vorverstärker der Summe der Schaltungskapazität und der Kapazität der Erfassungsplatte gleicht. Dies ist ein anderer Ansatz als die zuvor vorgeschlagene Kapazitätsverringerung.
Die parasitäre Kapazität in Massenanalysegeräten wird typischerweise mittels passiven Maßnahmen reduziert, zum Beispiel indem Erfassungselektroden voneinander getrennt werden, deren Größe reduziert wird oder indem Kabel so kurz und so dünn wie möglich gemacht werden. Alle diese Verfahren stellen nur eine schrittweise Verbesserung bereit. Es ist wünschenswert, eine signifikante Verringerung von mehreren Kapazitätsquellen mittels eines anderen Verfahrens bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert, wobei weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen definiert sind.
Insbesondere wird wird ein Ionendetektor für ein Massenanalysegerät bereitgestellt, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden. Der Ionendetektor umfasst: eine Erfassungsanordnung, umfassend: mehrere Erfassungselektroden, die dazu ausgebildet sind, mehrere Bildstromsignale von den Ionen im Massenanalysegerät zu erfassen; und einen Vorverstärker, wobei der Vorverstärker dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; und eine Kompensationsschaltung, die dazu angeordnet ist, mindestens ein Kompensationssignal bereitzustellen, wobei jedes Kompensationssignal einem jeweiligen kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird und auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen basiert. Es gibt eine Kapazität zwischen jedem der kompensierenden Teile der Erfassungsanordnung und einem jeweiligen signalführenden Teil der Erfassungsanordnung, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst.
Die Kompensationsschaltung verursacht dadurch eine Reduzierung in der Kapazität zwischen jedem kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung und dessen jeweiligem signalführendem Teil der Erfassungsanordnung. Diese Reduzierung ist in Bezug auf den Wert, den sie sonst sein würde, wäre die Kompensationsschaltung nicht vorhanden.
In anderen Worten wird die Kapazität zwischen jedem der kompensierenden Teile der Erfassungsanordnung und dem jeweiligen signalführenden Teil der Erfassungsanordnung definiert, wenn das Kompensationssignal nicht angelegt ist. Wenn jedoch jedes Kompensationssignal angelegt wird, kompensiert es die jeweilige Kapazität der Erfassungsanordnung und beeinflusst das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals. Die Kapazität zwischen jedem der kompensierenden Teile der Erfassungsanordnung und dem jeweiligen signalführenden Teil der Erfassungsanordnung, wenn das Kompensationssignal angelegt wird, wird im Vergleich zu der Kapazität, wenn das Kompensationssignal nicht angelegt ist, reduziert. Tatsächlich kann zwischen einem kompensierenden Teile der Erfassungsanordnung und einem signalführenden Teil der Erfassungsanordnung effektiv oder im Wesentlichen null sein, wenn das Kompensationssignal angelegt wird.
Vorteilhafterweise basiert das am kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung angelegte Kompensationssignal auf einem vom jeweiligen signalführenden Teil der Erfassungsanordnung geführten Signal. Der Signalamplitudenunterschied zwischen dem Wechselstromanteil des Kompensationssignals und dem Wechselstromanteil des vom jeweiligen signalführenden Teil geführten Signals ist vorzugsweise relativ klein im Vergleich zu der Signalamplitude des Wechselstromanteils des vom jeweiligen signalführenden Teil geführten Signals. Gegebenenfalls ist der Signalamplitudenunterschied der Wechselstromanteile nicht mehr als 10%, 5%, 2,5%, 1% oder 0,5%. In günstiger Weise ist der Phasenunterschied zwischen dem Kompensationssignal und dem vom jeweiligen signalführenden Teil geführten Signal klein. Gegebenenfalls ist der Phasenunterschied kleiner als 90 Grad, 45 Grad, 30 Grad, 15 Grad, 10 Grad, 5 Grad oder 1 Grad.
In einer Ausführungsform umfasst der signalführende Teil der Erfassungsanordnung eine Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden und der jeweilige kompensierende Teil der Erfassungsanordnung umfasst eine Abschirmung für die Erfassungselektrode. Das jeweilige Kompensationssignal kann der Abschirmung bereitgestellt werden, um effektiv eine Kapazität von null zwischen der Abschirmung und der Erfassungselektrode zu verursachen. Hier kann die Abschirmung an der Erfassungselektrode angrenzen. Die Abschirmung für die Erfassungselektrode umfasst vorzugsweise eine die Erfassungselektrode umgebende leitende Oberfläche, die von der Erfassungselektrode isoliert ist. Insbesondere besteht die Abschirmung für die Erfassungselektrode aus einem Dielektrikum, vorzugsweise Glas, mit metallisierten äußeren und inneren Beschichtungen, wobei die metallisierte innere Beschichtung dazu ausgebildet ist, das Ionensignal zu erfassen, und die metallisierte äußere Beschichtung dazu ausgebildet ist, das Kompensationssignal zu empfangen. Diese Anordnung ist für elektrostatische orbitalfallenartige Masseanalysegeräte besonders vorteilhaft, zum Beispiel der Art, wie sie in US 5 886 346 A beschrieben und unter dem Markennamen Orbitrap erhältlich ist.
Zusätzlich oder alternativ kann ein signalführender Teil der Erfassungsanordnung eine Verbindung, z. B. ein Kabel, zwischen einer Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden und dem Vorverstärker umfassen und der jeweilige kompensierende Teil der Erfassungsanordnung kann eine Abschirmung für die Verbindung umfassen. Das jeweilige Kompensationssignal kann für die Abschirmung bereitgestellt werden, um effektiv eine Kapazität von null zwischen der Abschirmung und der Verbindung zu verursachen. Die Abschirmungen für die Erfassungselektrode und für die Verbindung können elektrisch miteinander verbunden sein. Dann kann ein einziges gemeinsames Kompensationssignal für sowohl die Abschirmung der Erfassungselektrode als auch die Abschirmung der Verbindung bereitgestellt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Vorverstärker einen ersten Spannungspuffer, der dazu angeordnet ist, ein erstes Bildstromsignal der mehreren Bildstromsignale zu empfangen. In solch einer Ausführungsform kann die Kompensationsschaltung dazu angeordnet sein, ein erstes Kompensationssignal, das eine Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers umfasst, bereitzustellen. Dadurch basiert das erste Kompensationssignal auf dem ersten Bildstromsignal. Der erste Spannungspuffer kann eine niedere Ausgangsimpedanz bereitstellen. In bevorzugter Weise umfasst der erste Spannungspuffer einen Transistor, insbesondere einen rauscharmen JFET mit der niedersten möglichen Gate-Kapazität und der höchsten möglichen Steilheit.
In manchen Ausführungsformen wird die Kompensationsschaltung weiterhin dazu angeordnet, ein zweites Kompensationssignal, das auf einem zweiten Bildstromsignal der mehreren erfassten Bildstromsignale basiert, bereitzustellen. Das zweite Kompensationssignal kann einem zweiten kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt werden, wobei es eine Kapazität zwischen dem zweiten kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung und einem jeweiligen, zweiten signalführenden Teil der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst. Hier kann der Vorverstärker weiterhin einen zweiten Spannungspuffer umfassen, der dazu angeordnet ist, das zweite Bildstromsignal zu empfangen, wobei das zweite Kompensationssignal eine Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers umfasst. Nochmals kann der zweite Spannungspuffer eine niedere Ausgangsimpedanz bereitstellen. In bevorzugter Weise umfasst der zweite Spannungspuffer einen Transistor, insbesondere einen rauscharmen JFET mit der niedersten möglichen Gate-Kapazität und der höchsten möglichen Steilheit. Gegebenenfalls umfasst in dieser Anordnung der erste signalführende Teil der Erfassungsanordnung eine erste Erfassungselektrode, wobei der jeweilige kompensierende Teil eine erste Abschirmung für die erste Erfassungselektrode umfasst. Dies reduziert die Kapazität zwischen der ersten Erfassungselektrode und der Erde. Auch kann der zweite signalführende Teil eine zweite Erfassungselektrode umfassen, wobei der jeweilige kompensierende Teil eine zweite Abschirmung für die zweite Erfassungselektrode umfasst. Dies reduziert die Kapazität zwischen der zweiten Erfassungselektrode und der Erde.
Gegebenenfalls kann der erste Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfassen. Dann kann die Kompensationsschaltung weiterhin dazu angeordnet sein, dem Transistor-Drain ein Drain-Kompensationssignal bereitzustellen. Dies kann die effektive Kapazität zwischen dem Gate und dem Drain des Transistors reduzieren. In manchen Fällen ist die Kompensationsschaltung dazu angeordnet, einem zweiten kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung ein zweites Kompensationssignal bereitzustellen, und der Vorverstärker umfasst einen zweiten Spannungspuffer, der dazu angeordnet ist, das zweite Bildstromsignal zu empfangen, wobei das zweite Kompensationssignal eine Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers umfasst. In solchen Fällen kann der Vorverstärker weiterhin einen Differenzialverstärker umfassen, der dazu angeordnet ist, die Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers und die Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers zu empfangen und eine Differenzialausgangsgröße bereitzustellen, wobei der Differenzialverstärker vorzugsweise weiterhin dazu ausgebildet ist, das Drain-Kompensationssignal bereitzustellen. Gegebenenfalls basiert das Drain-Kompensationssignal auf dem zweiten Bildstromsignal, insbesondere im Fall von symmetrischen Differenzeingangssignalen.
Gegebenenfalls könnte das Kompensationssignal in einer gebräuchlicheren Weise bereitgestellt werden, d. h., indem eine Kaskadeneinstellung des Eingangspuffers verwendet wird. D. h., ein zusätzlicher Transistor im Eingangspuffer ist in Basisschaltungskonfiguration (oder Gate-Schaltungskonfiguration) mit dem Drain des Eingangsfolgers in Reihe geschaltet, wobei die Basis (oder das Gate) des Basisschaltung-Transistors (oder des Gate-Schaltung-Transistors) an den Ausgang des Eingangspuffers gleichstromgekoppelt oder wechselstromgekoppelt ist. Dies kann daher die Verwendung der zweiten Signalausgangsgröße, um ein Kompensationssignal bereitzustellen, unnötig machen.
Der Differenzialverstärker umfasst vorzugsweise einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers angeordneten ersten Verstärkertransistor und einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers angeordneten zweiten Verstärkertransistor, wobei der erste und der zweite Verstärkertransistor als ein differenzielles Paar angeordnet sind. Das Drain-Kompensationssignal kann von einem Signal am Drain des zweiten Verstärkertransistors bereitgestellt werden. Gegebenenfalls ist das Drain-Kompensationssignal ein dem Drain des Transistors des ersten Spannungspuffers bereitgestelltes erstes Drain-Kompensationssignal und der zweite Spannungspuffer kann einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfassen. Dann kann das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Drain-Kompensationssignal, das dem Drain des Transistors des zweiten Spannungspuffers bereitgestellt wird, umfassen, wobei das zweite Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des ersten Verstärkertransistors bereitgestellt wird. Dies kann die Kapazität zwischen dem Gate und dem Drain des Transistors reduzieren.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kompensationsschaltung dazu angeordnet, einem ersten abschirmungskompensierenden Teil der Erfassungsanordnung ein erstes Abschirmungskompensationssignal und einem zweiten abschirmungskompensierenden Teil der Erfassungsanordnung ein zweites Abschirmungskompensationssignal bereitzustellen. Dann können das erste Abschirmungskompensationssignal und das zweite Abschirmungskompensationssignal gleich sein. Gegebenenfalls kann der erste abschirmungskompensierende Teil eine Abschirmung für eine erste Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden umfassen und der zweite abschirmungskompensierende Teil kann eine Abschirmung für eine Verbindung zwischen der ersten Erfassungselektrode und dem Vorverstärker umfassen. Alternativ kann der erste abschirmungskompensierende Teil eine Abschirmung für eine zweite Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden umfassen und der zweite abschirmungskompensierende Teil kann eine Abschirmung für eine Verbindung zwischen der zweiten Erfassungselektrode und dem Vorverstärker umfassen. Vorteilhafterweise werden Kompensationssignale für die Abschirmung der ersten Erfassungselektrode, für die Abschirmung der zweiten Erfassungselektrode, für die Abschirmung einer Verbindung zwischen der ersten Erfassungselektrode und dem Vorverstärker und für die Abschirmung einer Verbindung zwischen der zweiten Erfassungselektrode und dem Vorverstärker bereitgestellt.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des Ionendetektors kann ein abschirmender Leiter sein, der zwischen einer ersten Erfassungselektrode und einer zweiten Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden positioniert und dazu eingerichtet ist, mit einer, vorzugsweise externen Spannungsquelle verbunden zu werden. Gegebenenfalls stellt die Spannungsquelle eine festgelegte Spannung bereit. Dies reduziert die Kapazität zwischen der ersten Erfassungselektrode und der zweiten Erfassungselektrode. Gegebenenfalls ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, aufgrund des Bildstroms, der von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden erfasst wird, dem abschirmenden Leiter eine Spannung bereitzustellen, damit eine aufgrund der Raumladung basierende Änderung der Schwingungsfrequenz der im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen ausgeglichen wird.
Vorteilhafterweise kann der Vorverstärker einen mehrere Verstärkertransistorpaare umfassenden Differenzialverstärker umfassen. Dabei kann jedes Verstärkertransistorpaar Folgendes umfassen: einen jeweiligen ersten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem ersten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen; und einen jeweiligen zweiten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem zweiten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen. Dann können die jeweiligen ersten und zweiten Verstärkertransistoren jedes Verstärkertransistorpaars als ein differenzielles Paar angeordnet sein und die mehreren Verstärkertransistorpaare können parallel zueinander angeordnet werden. Dies reduziert das gesamte Leistungsdichtespektrum des Rauschens, das von den mehreren Verstärkertransistorpaaren erzeugt wird, im Vergleich zu dem Fall, wo nur ein Verstärkertransistorpaar verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Massenspektrometer, der ein Massenanalysegerät und den wie hierin beschriebenen Ionendetektor umfasst, bereit.
In einem zugehörigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ionenerfassung für ein Massenanalysegerät bereitgestellt, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden. Das Verfahren umfasst: Erfassen mehrerer Bildstromsignale mittels mehrerer Erfassungselektroden, die Teil einer Erfassungsanordnung bilden, wobei die Erfassungsanordnung weiterhin einen Vorverstärker umfasst, wobei der Vorverstärker dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; und Bereitstellen von mindestens einem Kompensationssignal, wobei jedes Kompensationssignal einem jeweiligen kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird und auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen basiert. Es gibt eine Kapazität zwischen jedem der kompensierenden Teile der Erfassungsanordnung und einem jeweiligen signalführenden Teil der Erfassungsanordnung, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst.
Alternativ kann man ein Verfahren zur Ionenerfassung für ein Massenanalysegerät beschreiben, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden. Das Verfahren umfasst: Erfassen mehrerer Bildstromsignale mittels mehrerer Erfassungselektroden, die Teil einer Erfassungsanordnung bilden, wobei die Erfassungsanordnung weiterhin einen Vorverstärker umfasst, wobei der Vorverstärker dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; und Bereitstellen von mindestens einem Kompensationssignal, wobei jedes Kompensationssignal einem jeweiligen kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird, um eine jeweilige Kapazität der Erfassungsanordnung, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst, zu kompensieren. In bevorzugter Weise basiert jedes Kompensationssignal auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen.
In bevorzugter Weise umfasst ein signalführender Teil der Erfassungsanordnung eine Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden und der jeweilige kompensierende Teil der Erfassungsanordnung umfasst eine Abschirmung für die Erfassungselektrode. Insbesondere umfasst die Abschirmung für die Erfassungselektrode eine die Erfassungselektrode umgebende leitende Oberfläche, die von der Erfassungselektrode isoliert ist.
Zusätzlich oder alternativ umfasst ein signalführender Teil der Erfassungsanordnung eine Verbindung zwischen einer Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden und dem Vorverstärker und der jeweilige kompensierende Teil der Erfassungsanordnung umfasst eine Abschirmung für die Verbindung.
In manchen Ausführungsformen umfasst der Vorverstärker einen ersten Transistorspannungspuffer, der dazu angeordnet ist, ein erstes Bildstromsignal der mehreren Bildstromsignale zu empfangen, und das mindestens eine Kompensationssignal umfasst ein erstes Kompensationssignal, das eine Ausgangsgröße des ersten Transistorspannungspuffers umfasst. Dadurch basiert das erste Kompensationssignal auf dem ersten Bildstromsignal. Gegebenenfalls umfasst das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Kompensationssignal, das auf einem zweiten Bildstromsignal der mehreren erfassten Bildstromsignale basiert, wobei das zweite Kompensationssignal einem zweiten kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird, wobei es eine Kapazität zwischen dem zweiten kompensierenden Teil der Erfassungsanordnung und einem jeweiligen, zweiten signalführenden Teil der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst. Dann kann der Vorverstärker weiterhin einen zweiten Transistorspannungspuffer umfassen, der dazu angeordnet ist, das zweite Bildstromsignal zu empfangen, wobei das zweite Kompensationssignal eine Ausgangsgröße des zweiten Transistorspannungspuffers umfasst. In einer Ausführungsform umfasst ein erster signalführender Teil der Erfassungsanordnung eine erste Erfassungselektrode, wobei der jeweilige kompensierende Teil eine erste Abschirmung für die erste Erfassungselektrode umfasst, und der zweite signalführende Teil umfasst eine zweite Erfassungselektrode, wobei der jeweilige kompensierende Teil eine zweite Abschirmung für die zweite Erfassungselektrode umfasst.
In manchen Ausführungsformen umfasst der erste Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration und wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein dem Transistor-Drain bereitgestelltes Drain-Kompensationssignal umfasst.
Dann umfasst das Verfahren gegebenenfalls weiterhin: Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Transistorspannungspuffers und der Ausgangsgröße des zweiten Transistorspannungspuffers an einem Differenzialverstärker im Vorverstärker; und Bereitstellen einer Differenzialausgangsgröße vom Differenzialverstärker. Dann kann der Schritt des Bereitstellens mindestens eines Kompensationssignals Bereitstellen des Drain-Kompensationssignals vom Differenzialverstärker umfassen. Hier kann das Drain-Kompensationssignal auf dem zweiten Bildstromsignal basieren.
Der Differenzialverstärker umfasst vorzugsweise einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Transistorspannungspuffers angeordneten ersten Verstärkertransistor und einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des zweiten Transistorspannungspuffers angeordneten zweiten Verstärkertransistor, wobei der erste und der zweite Verstärkertransistor als ein differenzielles Paar angeordnet sind. Das Drain-Kompensationssignal wird vorzugsweise von einem Signal am Drain des zweiten Verstärkertransistors bereitgestellt. Gegebenenfalls ist das Drain-Kompensationssignal ein erstes Drain-Kompensationssignal, wobei der zweite Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfasst und wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Drain-Kompensationssignal, das dem Drain des Transistors des zweiten Spannungspuffers bereitgestellt wird, umfasst. Dann kann das zweite Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des ersten Verstärkertransistors bereitgestellt werden. Dies kann die Kapazität zwischen dem Gate und dem Drain des Transistors reduzieren.
In manchen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Kompensationssignal: ein erstes Abschirmungskompensationssignal, das einem ersten abschirmungskompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird; und ein zweites Abschirmungskompensationssignal, das einem zweiten abschirmungskompensierenden Teil der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird. Dann sind das erste Abschirmungskompensationssignal und das zweite Abschirmungskompensationssignal vorzugsweise gleich. Der erste abschirmungskompensierende Teil kann eine Abschirmung für eine erste Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden umfassen und der zweite abschirmungskompensierende Teil kann eine Abschirmung für eine Verbindung zwischen der ersten Erfassungselektrode und dem Vorverstärker umfassen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Bereitstellen eines abschirmenden Leiters, der an eine zwischen einer ersten Erfassungselektrode und einer zweiten Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden positionierte Spannung gekoppelt ist.
In der bevorzugten Ausführungsform kann der Vorverstärker auch einen mehrere Verstärkertransistorpaare umfassenden Differenzialverstärker umfassen, wobei jedes Verstärkertransistorpaar Folgendes umfasst: einen jeweiligen ersten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem ersten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen; und einen jeweiligen zweiten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem zweiten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen, wobei die jeweiligen ersten und zweiten Verstärkertransistoren jedes Verstärkertransistorpaars als ein differenzielles Paar angeordnet sind und wobei die mehrere Verstärkertransistorpaare parallel zueinander angeordnet sind.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine elektrostatische Ionenfallenvorrichtung, umfassend: einen Fallenfeldgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein Fallenfeld, das ein Ionenfallenvolumen, in dem Ionen eingeschlossen sind, definiert, bereitzustellen; eine Erfassungsanordnung, die dazu eingerichtet ist, einen Bildstrom von Ionen, die im Ionenfallenvolumen gefangen sind, mittels mehrerer Erfassungselektroden zu erfassen; einen abschirmenden Leiter, der zwischen einer ersten Erfassungselektrode und einer zweiten Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden positioniert ist; und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, aufgrund von einem Bildstrom, der von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden erfasst wird, eine Spannung am abschirmenden Leiter anzulegen, bereit.
Diese elektrostatische Ionenfallenvorrichtung (gegebenenfalls eine elektrostatische orbitalfallenartige Vorrichtung) umfasst vorteilhafterweise einen abschirmenden Leiter zwischen einer ersten Erfassungselektrode und einer zweiten Erfassungselektrode, was die Kapazität zwischen diesen beiden Elektroden reduziert. In bevorzugter Weise definiert die Ionenfallenvorrichtung eine Achse und der abschirmende Leiter befindet sich zwischen der ersten und zweiten Erfassungselektrode entlang dieser Achse. Insbesondere ist der Fallenfeldgenerator dazu eingerichtet, die Ionen einzuschließen, sodass die Ionen dazu veranlasst werden, entlang der Achse zu schwingen. Die Achse ist gegebenenfalls längslaufend. In vorteilhafterweise Weise ist die Steuerung dazu eingerichtet, am abschirmenden Leiter eine Wechselstromspannung anzulegen.
Darüber hinaus stellt der abschirmende Leiter einen anderen Vorteil gegenüber der zuvor beschriebenen Kompensationsschaltung bereit. Bei einer großen Anzahl von Ionen verschiebt sich die Schwingungsfrequenz der Ionen, hauptsächlich aufgrund von Bildladungen, die durch bewegende Ionen in allen Elektroden angeregt werden. Indem die Spannung, die einer Elektrode angeregt wird, gleichphasig oder phasenverschoben mit dem erfassten Bildstromsignal moduliert wird, wird dieser Effekt aufgehoben, was die Massengenauigkeit und den Dynamikbereich der Analyse verbessert.
Vorteilhafterweise ist die Steuerung dazu eingerichtet, dem abschirmenden Leiter die Spannung aufgrund des Bildstroms, der von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden erfasst wird, anzulegen, sodass eine Änderung in der Schwingungsfrequenz der durch die Raumladung im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen ausgeglichen wird. Man wird verstehen, dass das Ionenfallenvolumen die Achse definiert und dass die Schwingungsfrequenz sich auf die axiale Schwingung bezieht.
Gegebenenfalls umfasst der Fallenfeldgenerator eine innere Elektrode, die entlang der Achse angeordnet ist, und die elektrostatische Ionenfallenvorrichtung umfasst weiterhin erste und zweite äußere Elektroden, die entlang der Achse, die konzentrisch mit der inneren Elektrode ist, positioniert sind, um die innere Elektrode einzuschließen und um einen Raum zwischen der inneren Elektrode und den äußeren Elektroden zu definieren, wobei jener Raum das Ionenfallenvolumen definiert. In Ausführungsformen umfassen die mehreren Erfassungselektroden eine oder mehrere der Folgenden: die innere Elektrode; die erste äußere Elektrode; und die zweite äußere Elektrode.
In bevorzugter Weise ist die erste Erfassungselektrode die erste äußere Elektrode und die zweite Erfassungselektrode ist die zweite äußere Elektrode. Alternativ kann eine der Erfassungselektroden die innere Elektrode umfassen. Auch kann gegebenenfalls mehr als eine innere Elektrode bereitgestellt werden. In manchen solchen Fällen kann die erste Erfassungselektrode eine erste innere Elektrode sein. Gegebenenfalls kann die zweite Erfassungselektrode eine zweite innere Elektrode sein.
In manchen Ausführungsformen umfasst der abschirmende Leiter einen Ring, der konzentrisch mit der inneren Elektrode ist. Zusätzlich oder alternativ kann der abschirmende Leiter ein an einem zentralen Teil (entlang der Achse) der inneren Elektrode gebildetes Segment umfassen.
In bevorzugter Weise ist der abschirmende Leiter derart platziert, dass wesentliches Koppeln des Wechselstromsignals der Erfassungselektroden vermieden wird. Dadurch wird eine zu große Anziehungskraft in Richtung des abschirmenden Leiters vermieden.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum elektrostatischen Einfangen von Ionen, umfassend: Veranlassen, dass Ionen in einem Ionenfallenvolumen gefangen werden; und Erfassen eines Bildstroms von im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen mittels mehrerer Erfassungselektroden; Bereitstellen eines abschirmenden Leiters, der zwischen einer ersten Erfassungselektrode und einer zweiten Erfassungselektrode der mehreren Erfassungselektroden positioniert ist; und Anlegen einer Spannung an den abschirmenden Leiter aufgrund von einem von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden erfassten Bildstrom, bereitgestellt. Gegebenenfalls kann dieses Verfahren weiterhin zusätzliche Merkmale umfassen, um jene, die mit Bezug auf die entsprechende hierin definierte elektrostatische Ionenfallenvorrichtung definiert wurden, widerzuspiegeln.
Es versteht sich auch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die explizit offenbarten besonderen Kombinationen der Merkmale beschränkt ist, sondern dass es auch irgendeine Kombination von Merkmalen, die unabhängig voneinander beschrieben sind und von einem Fachmann zusammen implementiert werden könnten.
Figurenliste
Die Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis umgesetzt werden, wovon nun eine nur beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wird.

1 zeigt eine schematische Anordnung eines bestehenden Massenspektrometers, der ein Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle und ein externes Speichermedium enthält.
2 zeigt das bestehende Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle von 1 genauer, zusammen mit einer bestehenden Erfassungsschaltung.
3 stellt eine erste Ausführungsform einer Ionenerfassungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
4 zeigt eine schematische Darstellung der in 3 gezeigten Ausführungsform der Ionenerfassungsanordnung mit zusätzlichen Details.
5 stellt eine zweite Ausführungsform eines Vorverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der mit der Ionenerfassungsanordnung von 4 zu verwenden ist.
6 bildet ein Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab.
7 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Vorverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung, der mit der Ionenerfassungsanordnung von 4 zu verwenden ist.
8 stellt eine Ionenerfassungsanordnung dar, die das Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle nach 6 und die dritte Ausführungsform des Vorverstärkers nach 7 enthält.
9 stellt Variationen von Ausführungslösungen für die Differenzeingangsstufe von 7 und 8 dar.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zunächst mit Bezug auf 1 wird eine schematische Anordnung eines bestehenden Massenspektrometers, der eine elektrostatische Falle und ein externes Speichermedium enthält, gezeigt. Die Anordnung nach 1 wird in den eigenen WO 02/078046 A2 und WO2006/129109 A2 ausführlich beschrieben und wird daher hier nicht ausführlich beschrieben. Weitere Details bezüglich dieser Anordnung können in diesen zwei Dokumenten gefunden werden, wobei deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme darauf mit einbezogen wird.
1 ist enthalten, um das Verständnis der Verwendung und des Zwecks eines Massenanalysegeräts mit elektrostatischer Falle zu verbessern. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf solch ein Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle beschrieben wird, wird man verstehen, dass sie auch auf andere Arten von Massenanalysegeräten mit elektrostatischer Falle, die Bildstromerfassung oder ein elektrostatisches Feld verwenden, um die Ionen dazu zu veranlassen, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden, wie z. B. ein FTICR-Massenanalysegerät („Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz-Massenanalysegerät“), angewandt werden kann.
Aus 1 ist es ersichtlich, dass der Massenspektrometer 10 Folgendes umfasst: eine kontinuierliche oder gepulste Ionenquelle 20; einen Ionenquellenblock 30; eine HF-Sendevorrichtung 40 zum Kühlen von Ionen; einen linearen Ionenfallenmassenfilter 50; eine Oktapol-Übertragungsvorrichtung 55; eine gebogene Linearfalle 60 zum Speichern von Ionen; eine Ablenkungslinsenanordnung 70; die elektrostatische Falle 75, die das elektrostatische orbitalfallenartige Massenanalysegerät ist (das von Thermo Fischer Scientific unter dem Markennamen Orbitrap vertrieben wird) und eine gespaltene äußere Elektrode (umfassend die erste Elektrode 80 und die zweite Elektrode 85) sowie eine innere Elektrode 90 umfasst. Auf der optischen Achse des Ionenstrahls kann es auch einen (nicht gezeigten) fakultativen sekundären Elektronenvervielfacher geben.
Mit Bezug auf 2 wird nun das bestehende Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle nach 1 zusammen mit einer bestehenden Erfassungsschaltung ausführlicher gezeigt. Ein Bildstrom wird mittels Differenzialverstärker auf der ersten äußeren Elektrode 80 und der zweiten äußeren Elektrode 85 der Falle erfasst, wie in 2 gezeigt. Die erste äußere Elektrode 80 und die zweite äußere Elektrode 85 werden jeweils als Erfassungselektroden bezeichnet. Der erste Leiter 81 und der zweite Leiter 86 führen jeweils ein erstes Bildstromsignal und ein zweites Bildstromsignal zum Vorverstärker 200.
Der Vorverstärker 200 umfasst: einen ersten Verstärkertransistor T2; und einen zweiten Verstärkertransistor T1; einen ersten Widerstand R1; einen zweiten Widerstand R2; und einen Operationsverstärker OP1. Der erste Verstärkertransistor T2 und der zweite Verstärkertransistor T1 sind als ein differenziertes Paar verbunden, wobei sie gemeinsam mit dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 und einer konstanten Stromquelle einen Differenzialverstärker bilden.
2 bildet auch verschiedene parasitäre TeilKapazitäten schematisch ab, deren Zusammenwirken eine Gesamtkapazität der Erfassungsschaltung verursacht. Der Vollständigkeit halber sind auch manche parasitäre Widerstände gezeigt. Die Gesamtkapazität der Erfassungsschaltung C_det ist eine Kombination der folgenden Teilkapazitäten (wobei in Klammern typische Werte für ein übliches Analysegerät mit elektrostatischer Orbitalfalle dargestellt werden):

1. Kapazität zwischen erster äußerer Elektrode 80 und zweiter äußerer Elektrode 85 (C1 = 5 pF, geschätzt);
2. Kapazität zwischen jeder Erfassungselektrode und der Erde (C2 = 20 pF);
3. Kapazität zwischen Leitern (Kabeln), die von jeder Erfassungselektrode zum Vorverstärker und zur Erde führen (C3 = 5 pF);
4. Kapazität zwischen jeder Erfassungselektrode und der zentralen Elektrode 90 (C4 = 3 pF);
5. Kapazität zwischen jeder Erfassungselektrode zu anderen Elektroden, z. B. zur Ablenkungslinsenanordnung 70 (C5 = 3 pF); und
6. Gate-Drain-Kapazität des ersten Eingangstransistors T2 des Vorverstärkers und Gate-Drain-Kapazität des zweiten Eingangstransistors T1 des Vorverstärkers (C6 = 10 pF).

Für die obigen beispielhaften Kapazitätswerte wird die Gesamtkapazität der Erfassungsanordnung, einschließlich der Erfassungselektroden und des Vorverstärkers, durch $C_{det} = C 1 + 0,5 * (C 2 + C 3 + C 4 + C 5 + C 6)$
angegeben.
Basierend auf den oben angegebenen, typischen geschätzten Werten ist C_det = 25,5 pF.
Der erste Verstärkertransistor T2 und der zweite Verstärkertransistor T1 sind üblicherweise JFET-Transistoren. Ein einzelner JFET-Transistor hat eine spektrale Rauschdichte N (die normalerweise in nV/VHz gemessen wird) und ein typischer Wert ist 0,85 nV/√Hz. Die Gesamtrauschdichte der Differenzeingangsstufe wird durch √2*N angegeben. Daher ist das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) der in 2 gezeigten Anordnung proportional zu $S / N \propto 1 / (C_{det} * \sqrt 2 * N) .$
Man wird verstehen, dass eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Verringerung von C_det auch zu einer Verbesserung in der zuvor identifizierten Erfassungsgrenze M führt. Wird das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht, indem C_det reduziert wird, wird im Gegenzug die Anzahl von Ionen, die gebraucht werden, um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, reduziert.
Nunmehr mit Bezug auf 3 wird eine erste Ausführungsform einer Ionenerfassungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die in 3 gezeigte Ausführungsform basiert auf der von 2, hat aber eine Anzahl von wesentlichen Änderungen. Diese Ausführungsform erläutert einen Weg, wie die Bildstromsignale erfasst werden. Merkmale, die denen in 1 oder 2 entsprechen, sind durch jeweils gleiche Bezugszeichen identifiziert.
In diesem Fall bestehen die äußeren Elektroden 80 und 85 vorzugsweise aus klarem oder hochohmigem Glas mit einem niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es ist so metallisiert (d. h., mit Metall beschichtet), dass die äußere Beschichtung nicht mit der inneren Beschichtung, die die Elektroden 80 und 85 bildet, verbunden ist, aber eine erste leitende Oberfläche 100 und eine zweite leitende Oberfläche 105 bildet, die jeweils die Elektroden 80 und 85 entsprechend umgeben und dadurch als Abschirmung fungieren. Es könnte einen Spalt zwischen diesen Oberflächen 100, 105 geben oder dieser Spalt könnte gegebenenfalls durch eine hochohmige Widerstandsschicht 110 (deren Gesamtwiderstand bevorzugt mehr als 1 MOhm beträgt und besonders bevorzugt mehr als 10 MOhm beträgt) abgedeckt werden. Diese Oberflächen haben vorzugsweise auch eine Verbindung mit der inneren Oberfläche des Glasgebildes (nicht gezeigt) und bilden eine Barriere zwischen den Elektroden 80 und 85.
Der erste Leiter (das erste Kabel) 81 und der zweite Leiter (das zweite Kabel) 86 der ersten Erfassungselektrode 80 und der zweiten Erfassungselektrode 85 verbinden diese Elektroden mit der ersten Stufe des Pufferns oder des Verstärkens, das durch den jeweiligen FET-Transistor 82 bzw. 87 gebildet wird. Diese Kabel werden durch eine erste leitende Abschirmung 101 und eine zweite leitende Abschirmung 106, die jeweils auch mit elektrisch leitenden Oberflächen 100 und 105 verbunden sind, umgeben. Jedoch müssen in den Fällen, wo die leitenden Oberflächen 100 und 105 ihre eigenen Verbindungen zum Kompensationssignal haben, die leitenden Abschirmungen 101 und 106 für die Verbindungen nicht mit den leitenden Oberflächen 100 und 105 elektrisch verbunden werden.
Während Signale der Elektroden 80 und 85 durch FET-Transistoren 82 und 87 verstärkt werden, werden sie von den ankommenden Signalen entkoppelt und können für differenzielle Verstärkung durch den Verstärker 120, aber auch für aktive Kompensation, verwendet werden. Für die aktive Kompensation speisen der erste Repeater (Puffer oder Verstärker) 83 und der zweite Repeater (Puffer oder Verstärker) 88 die Signale zurück zu den Abschirmungen 101 und 106 sowie zu den leitenden Oberflächen 100 und 105. So ist die Gesamtdämpfung des ankommenden Signals genau (oder nahezu) eins.
Dadurch bildet sich keine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 80, 85 und den (als Abschirmungen wirkenden) leitenden Oberflächen 100 und 105 aus. Dies ist der Fall, weil die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Elektrode 80 und der ersten leitenden Oberfläche 100 minimiert wird, sodass die Kapazität zwischen diesen effektiv aufgehoben wird. Dass gleiche trifft auf die zweite Elektrode 85 und die zweite leitende Oberfläche 105 zu. Demnach trifft dies auch auf den ersten Leiter 81 und die erste Abschirmung 101 sowie den zweiten Leiter 86 und die zweite Abschirmung 106 zu. Dieser Ansatz erlaubt es, C2, C3, C5 auf im Wesentlichen null zu reduzieren. Zusätzlich könnte C1 reduziert werden, indem eine Barriere zwischen der ersten Elektrode 80 und der zweiten Elektrode 85, wie es zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt wird. WO-03/048789 A2 stellt Informationen über einen allgemeinen Kapazitätskompensation-Ansatz bereit, wie er in elektrodynamischen Sensoren für medizinische Anwendungen angewandt wird und in mancher Hinsicht ähnlich zu der hier verwendeten Kompensation ist.
In der Praxis kommt durch die endliche Ansprechzeit des ersten FETs 82, des zweiten FETs 87, des ersten Repeaters 83 und des zweiten Repeaters 88 eine kleine Phasenverschiebung zwischen von den Elektroden erfassten Bildstromsignalen und den aktiven Kompensationssignalen vor. Jedoch wird diese Phasenverschiebung in dem üblicherweise interessierenden Frequenzbereich (200-2000 kHz) nur ein paar Grad sein. Dies wird nicht eine Reduktion von C2, C3, C5 um mindestens einen Faktor von 5-10 verhindern.
Nunmehr mit Bezug auf 4 wird eine schematische Darstellung der in 3 gezeigten Ausführungsform mit zusätzlichen Details gezeigt. Die parasitären Kapazitäten und Widerstände, die in 2 gezeigt wurden, werden auch in dieser Zeichnung gezeigt. Die Kapazitäten zwischen jeder der Erfassungselektroden und der Erde sowie zwischen den Leitern (Kabeln) und der Erde (C2+C3) und die Kapazität zwischen dem Vorverstärkereingang und der Erde (C6) stellen nun den größten Beitrag zu C_det bereit. Zusätzlich zu den Abschirmungen 100, 105 und 101, 106 wird eine weitere aktive Abschirmung dadurch implementiert, dass zusätzliche Pufferverstärker bereitgestellt werden, indem ein erster Puffertransistor T4 als Teil eines ersten Spannungsfolgers 130 und ein zweiter Puffertransistor T3 als Teil eines zweiten Spannungsfolgers 135 verwendet wird (wobei der erste Puffertransistor T4 und der zweite Puffertransistor T3 die gleiche spektrale Rauschdichte N aufweisen). Der erste Spannungsfolger 130 steuert die erste Abschirmung 101 und die erste leitende Oberfläche 100 an und der zweite Spannungsfolger 135 steuert die zweite Abschirmung 106 und die zweite leitende Oberfläche 105 an.
Genau genommen erhöht dieser Ansatz die gesamte spektrale Rauschdichte um einen Faktor √2, aber der effektive Kapazitätswert der Erfassungsschaltung C_det wird drastisch reduziert. Indem die Kapazitäten C2 und C3 kompensiert werden und die Kapazität C6 zu in etwa 1/5 des ursprünglichen Werts reduziert wird, wird die typische effektive Gesamtkapazität $\begin{array}{l} C'_{det} & = & C 1 + 0,5 (C 2 + C 3 + C 4 + C 5 + C 6) \\ = & 5 + 0,5 * (0 + 0 + 3 + 0 + 2) = 7,5 pF . \end{array}$
Wie oben vermerkt wird, verschlechtert sich die spektrale Rauschdichte des Vorverstärkers 120 um den Faktor √2 und wird 2N nV/VHz gleichen. Nichtsdestotrotz wird das S/N für diese Schaltung $S / N' \sim 1 / (7,5 * 2 * N) .$
Im Vergleich zu 1/ (C_det*√2*N), wie zuvor für die Ausführungsform von 2 angegeben, ist eine Verbesserung G des S/N in etwa $G = (25,5 * \sqrt 2) / (7,5 * 2) = 2,4.$
Daher bewirkt die Reduzierung der Kapazität eine Verbesserung des S/N, die wesentlich größer ist als die Reduzierung des S/N aufgrund der Erhöhung der spektralen Rauschleistungsdichte des Vorverstärkers. Jedoch sind auch weitere Verbesserungen möglich, insbesondere innerhalb des Vorverstärkers.
Mit Bezug auf 5 wird nun eine zweite Ausführungsform eines Vorverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, der mit der Ionenerfassungsanordnung von 4 zu verwenden ist. Der Vorverstärker 300 ähnelt dem in 4 gezeigten Vorverstärker 120. Jedoch enthält er auch zusätzliche Merkmale, um die Vorverstärkereingangskapazität zu kompensieren.
Ein Signal, das die gleiche Amplitude und Phase wie das Vorverstärkereingangssignal der ersten Erfassungselektrode 80 aufweist, wird mit dem Drain des FET-Transistors T4, der Teil des ersten Spannungsfolgers 130 ist, verbunden. Ebenso wird ein Signal, das die gleiche Amplitude und Phase wie das Vorverstärkereingangssignal der zweiten Erfassungselektrode 85 aufweist, mit dem Drain des FET-Transistors T3, der Teil des zweiten Spannungsfolgers 135 ist, verbunden. D.h., dass alle drei Transistorklemmen eines jeden Spannungsfolgers die gleiche Wechselspannung und nahezu keine Eingangskapazität zwischen den Klemmen aufweisen.
Dies wird erreicht, indem das am Drain des FET-Transistors T4 des ersten Spannungsfolgers 130 angelegte Signal vom Drain des zweiten Verstärkertransistors T1 mit einem zusätzlichen Widerstand R4 genommen wird. Ebenso wird das am Drain des FET-Transistors T3 des zweiten Spannungsfolgers 135 angelegte Signal vom Drain des ersten Verstärkertransistors T2 mit einem zusätzlichen Widerstand R3 genommen. Die Widerstandswerte von R3 und R4 sollten mittels der Gleichung $R = 2 / Y_{fs}$
ausgewählt werden, wobei Y_fs die Übertragungsadmittanz vorwärts eines JFET-Transistors ist. Ein typischer Wert für C_det wird nun von 7,5 pF auf 6,5 pF reduziert, da C6 effektiv zu in etwa null reduziert wird. Dann wird in diesem Fall die S/N-Verbesserung G insgesamt $G = (25,5 * \sqrt 2) / (6,5 * 2) = 2,77.$
Die Widerstandswerte von R3 und R4 könnten auch so ausgewählt werden, dass sie von der obigen Gleichung abweichen. Zum Beispiel könnten sie so ausgewählt werden, dass C6 überkompensiert wird. Jedoch ist Überkompensation der ganzen Gesamtkapazität der Erfassungsschaltung nicht wünschenswert, da es zu einer Instabilität des Vorverstärkers führen kann.
Weitere Kapazitätsreduktionen können auch durch die Anwendung anderer Mittel als die Kompensation erreicht werden. Nunmehr mit Bezug auf 6 wird ein Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es zeigt die elektrostatische Orbitalfallenart des Massenanalysegeräts, das in 1 bis 4 gezeigt ist, aber mit einem zusätzlichen Merkmal. Ein Leiter, der hier als Metallring 140 gebildet ist, wird zwischen der ersten Erfassungselektrode 80 und der zweiten Erfassungselektrode 85 installiert. Der Spalt zwischen dem Metallring 140 und jeder Elektrode ist gleich und der Metallring 140 ist mit der Spannungsquelle 145 verbunden. Die Spannungsquelle 145 ist vorzugsweise extern.
Es werden üblicherweise ein paar Hundert Volt am Metallring 140 angelegt, um das richtige Feld innerhalb des Massenanalysegeräts zu erzielen. Während der Erfassung ist die Spannung vorzugsweise statisch, könnte aber zu anderen Zeiten schaltbar sein. Diese Spannung hat vorzugsweise eine Welligkeit von weniger als ein paar (1, 2 oder 3) Millivolt und ist vorzugsweise innerhalb eines Frequenzbereichs unterhalb von 100-200 kHz. Die Spannung am Metallring 140 wird verstellt, um eine optimale Leistung des Instruments, zum Beispiel für minimales Abklingen für alle analysierten m/z, bereitzustellen.
Dieser Leiter spaltet die parasitäre Kapazität C1 in zwei Teile mit dem gleichen Wert und erlaubt die Reduzierung dieser Kapazität um die Hälfte. Die Spannung, die an diesem Leiter angelegt wird und vorzugsweise von einer externen Quelle kommt, könnte dazu verwendet werden, die Ionenfrequenzen, wie in US-7,399,962 , 11, oder in US-7,714,283 , 5, beschrieben, zu verstellen. Diese Metallringelektrode 140 wird zur feinen Optimierung der Vorrichtungsleistung verwendet, die vorzugsweise während des Kalibrationsprozesses für verschiedene Intensitäten von Ionen mit verschiedenen m/z-Verhältnissen durchgeführt wird. Das Kriterium für die Optimierung ist es, eine gleichmäßige Zerfallskonstante für alle Ionentransiente aller Intensitäten für ein vorgegebenes m/z und auch eine monotone Abhängigkeit dieser Zerfallskonstante auf m/z (vorzugsweise (m/z)^-1/2) bereitzustellen.
In diesem Fall wird ein typischer Wert für C_det auf 4 pF reduziert das S/N ist nun proportional zu $S / N'' \propto 1 / (4 * 2 * N) .$
Dann wird die Verbesserung von S/N insgesamt $G = (25,5 * \sqrt 2) / (4 * 2) = 4,5.$
Nunmehr mit Bezug auf 7 wird eine dritte Ausführungsform eines Vorverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung, der mit der Ionenerfassungsanordnung von 4 zu verwenden ist, gezeigt. Dieser Vorverstärker 310 enthält alle Merkmale, die im Vorverstärker 300 nach 5 gezeigt sind. Jedoch enthält er jetzt ein zusätzliches Merkmal, um das S/N-Verhältnis weiter zu verbessern. Der erste Verstärkertransistor T2 und der zweite Verstärkertransistor T1 werden von einem Satz von (normalerweise im Wesentlichen identischen) Transistoren gebildet, die parallel geschaltet sind. Wenn K solche Transistoren bereitgestellt werden (wobei K eine ganze Zahl >1 ist), gibt es mehrere erste Verstärkertransistoren T2 1 bis T2 K und mehrere zweite Verstärkertransistoren T1_1 bis T1_K.
Dieser Ansatz reduziert die spektrale Rauschdichte des Vorverstärkers insgesamt um einen Faktor im Bereich von 2N bis V2N. Für K solcher Paare von parallel geschalteten Transistoren wird die spektrale Rauschdichte des Vorverstärkers mit der Pufferstufe insgesamt gleich N[2(1+1/K)]^1/2.
In der Praxis kann es Schwierigkeiten geben, mehr als 3 oder 4 parallel geschaltete Transistoren durch einen einzigen Spannungspuffer, der durch einen einzigen JFET gebildet wird, anzusteuern, da die Eingangskapazität der parallel geschalteten Transistoren zu hoch wird. Die folgende Tabelle stellt Schätzungen der S/N-Verbesserung in Schaltungen mit bis zu vier Transistoren auf jeder Seite der Differenzialstufe relativ zu der in 2 gezeigten Ausbildung bereit. Die in 3 bis 6 gezeigten Verbesserungen werden auch berücksichtigt.

Transistor-Anzahl, K 1 2 3 4

spektrale Rauschdichte insgesamt 2N 1,73N 1,63N 1, 58N

S/N-Verbesserung insgesamt 4,5 5,2 5,5 5,7
Alle in der Tabelle gezeigten Zahlen für die S/N-Verbesserung insgesamt können als absolute Obergrenzen für eine vereinfachte Analyse des Bildstromerfassungssystems angesehen werden. In der Praxis kann die S/N-Verbesserung niederer ausfallen und von der Art der Eingangstransistoren und der Tiefe der durch das Kompensationssignal an der Eingangspufferstufe des Verstärkers erstellten kapazitiven Rückkopplung abhängen.
Mit Bezug auf 8 wird nun eine Ionenerfassungsanordnung gezeigt, die das Massenanalysegerät mit elektrostatischer Falle nach 6 und die dritte Ausführungsform des Vorverstärkers nach 7 enthält. Alle übrig bleibenden parasitären Kapazitäten und Widerstände werden für einen Vergleich mit denen, die in 2 gezeigt sind, auch gezeigt.
Die parasitäre Kapazität C4 wird durch die technische Ausführung des elektrostatischen orbitalfallenartigen Massenanalysegerätes bestimmt. Im Prinzip könnte die parasitäre Kapazität C4 ähnlich dem Ansatz der in 6 gezeigten Ausführungsform reduziert werden, indem die zentrale Elektrode 90 in zwei geteilt wird und jeder Hälfte eine aktive Kompensation über eine entkoppelnde Hochspannungskapazität zugeführt wird. Dies könnte unabhängig von den anderen ergriffenen Maßnahmen ausgeführt werden. Jedoch ist es unwahrscheinlich, dass diese Maßnahme einen wesentlichen Nutzen bringt, und rechtfertigt daher nicht eine wesentliche Erhöhung von Aufwand und Kosten. Zudem stellt C4 die kleinste parasitäre Kapazität, die die Signalintensität beeinflusst, und, aufgrund der hohen an der zentralen Elektrode 90 angelegten Spannungen (die typisch 5 kV erreichen können), die Kapazität, die am schwierigsten zu kompensieren ist, dar.
Insgesamt erlaubt es eine aktive Kompensation im Prinzip die typische effektive Kapazität C_det von in etwa 24 pF auf in etwa 5 oder 6 pF zu reduzieren, wie zuvor beschrieben. Zusätzlich wird erwartet, dass der ergriffene Kompensationsansatz einen zusätzlichen Ausführungsform-Freiheitsgrad erlaubt. Zum Beispiel könnten die Wände der Massenspektrometer-Kammer jetzt viel näher bei der Massenanalysegerätbaugruppe sein; und die Kabel zum Vorverstärker könnten gegebenenfalls länger gemacht werden. Ganz wichtig ist, dass die Abschirmungen 101 und 106 und die leitenden Oberflächen 100 und 105, die für die aktive Kompensation verwendet werden, auch die Erfassungselektroden 80 und 85 von anderen Rauschquellen, insbesondere von Erdungskreisen, abschirmen. Zusätzliche S/N-Verbesserungen zu denen, die zuvor vorgeschlagen wurden, können daher auch möglich sein.
Nunmehr mit Bezug auf 9 werden Variationen von Ausführungslösungen für die Differenzeingangsstufe von 7 und 8 gezeigt. Die gezeigte Eingangsdifferenzialstufe könnte irgendeine bekannte Schaltung, die eine Kaskode-Kombination der Transistoren oder irgendeine andere bekannte Schaltungslösung, die den gleichen Effekt, wie in 9 gezeigt, bereitstellt, umfasst, sein.
Transistoren in der Stufe könnten irgendwelche rauscharmen Typen, wie zum Beispiel JFETs, MOSFETs oder BJTs npn/pnp, sein. Die V_Bias-Spannung könnte ein konstantes Potenzial oder eine Spannung, die dem Eingangsgleichtaktsignal folgt, sein. Eingangspuffertransistoren T3 und T4 in 7 und 8 erlauben eine Reduzierung der Rauschdichte insgesamt, indem Transistoren mit sehr niederer spektraler Rauschdichte verwendet werden. Normalerweise haben solche ultrarauscharme Transistoren eine relativ hohe Eingangskapazität - zum Beispiel hat IF3601 (hergestellt von InterFet Corp.) eine spektrale Rauschdichte von 0,3 nV/VHz und eine Eingangskapazität von 300 pF und diese Werte sind 0,5 nV/VHz und 60 pF für den IF9030.
Der Eingangspuffer mit einer Drain-Schaltungstopologie (Kollektorschaltungstopologie), der in 7 und 8 gezeigt ist, hebt seine Eingangskapazität auf und eröffnet damit die Möglichkeit, parallel geschaltete Transistoren mit großen Eingangskapazitäten anzusteuern. Diese Technik könnte in einer Differenzialstufe ohne Eingangspuffer eine gute Verbesserung (bis zu einen Faktor von 2) der spektralen Rauschdichte des Vorverstärkers im Vergleich zu einem Vorverstärker, der einen üblichen JFET mit niederer Kapazität, wie z. B. dem BF862 (hergestellt von NXP Semiconductor mit einer spektralen Rauschdichte von 0,8 nV/VHz und 10 pF Eingangskapazität), verwendet, bereitstellen.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen hierin beschrieben wurden, wird ein Fachmann verschiedene Abwandlungen und Ersetzungen im Betracht ziehen.
Zum Beispiel könnte diese Erfindung auf alle Arten von FTICR-Gerät, HF-Ionenfalle und elektrostatischer Falle angewandt werden, darunter auch Geräte mit mehreren Erfassungselektroden, für sowohl ungerade als auch gerade Anzahlen solcher Elektroden.
Diese Erfindung könnte auch dazu verwendet werden, mit der Raumladung verbundene Effekte aktiv zu kompensieren. Zum Beispiel verschiebt sich bei einer großen Anzahl an Ionen die Schwingungsfrequenz der Ionen in allen Fallen. Zu einem großen Teil wird dies durch die Bildladungen, die durch bewegende Ionen in allen Elektroden induziert werden, verursacht. Wird die auf manche der Elektroden induzierte Spannung gleichphasig oder phasenverschoben mit dem Signal moduliert, könnte dieser Effekt aufgehoben werden und die Fallen könnten toleranter zu einer hohen Raumladung gemacht werden. Dies wiederum verbessert die Massengenauigkeit und den Dynamikbereich der Analyse.
Um dies zu erreichen, sieht einer der Wege vor, dass am Metallring 140 nicht nur eine kompensierende Gleichspannung, sondern auch ein Wechselstromsignal angelegt wird. Die Wechselspannung wird vorzugsweise von beiden erfassten Signalen abgeleitet, zum Beispiel von deren Unterschied, der mit einem bestimmten Koeffizienten normiert wird. Die Gleichspannung könnte auch abhängig vom Signal korrigiert werden, zum Beispiel um eine durch die Raumladung verursachte Frequenzänderung zu kompensieren. Dies kann die Massengenauigkeit verbessern. Andere Elektroden, inklusive der Erfassungselektroden selbst, könnten mit entsprechender Wirkung verwendet werden.
Zum Beispiel könnte die Gleichspannung auf allen äußeren Elektroden durch eine Spannung, die das Abfallen der axialen Frequenz aufgrund der Raumladung kompensiert, vorgespannt werden. Die erwartete Raumladung könnte von der Anzahl von Ionen, die für die Injektion ins Analysegerät angefordert wurden, oder direkt von den ersten Millisekunden des Übergangssignals geschätzt werden. Die Kompensationsspannung könnte dann langsam auf das notwendige Niveau hochgelaufen werden, sodass die Frequenzverschiebung über der gesamten Übergangszeit aufgehoben wird.
In einem weiteren Beispiel könnten zusätzliche Segmente in der Nähe eines zentralen Teils der zentralen Elektrode geformt werden, sodass Ionen nahe an diesen zusätzlichen Segmenten passieren, aber sodass diese Segmente zu weit von den Erfassungselektroden entfernt sind, um wesentliche Kupplung eines Wechselstromsignals in jene Elektroden zu verursachen. Wird ein Wechselstromsignal von den erfassten Signalen gebildet und wird es dann gleichphasig mit diesen Segmenten angelegt, würden dadurch die Ionen zu den Segmenten angezogen werden. Dadurch, dass die Amplitude des Wechselstromsignals mittels eines zusätzlichen Verstärkers verstellt wird, wird es möglich, eine anziehende Kraft, die die Anziehung von Spiegelladungen, die in den Erfassungselektroden gebildet sind, kompensiert, zu verursachen. Dadurch wird die Schwingungsfrequenz nicht von der Raumladung abhängen, weder insgesamt für den gesamten Strahl noch lokal für ein bestimmtes m/z oder einen beschränkten m/z-Bereich.
Ein Fachmann wird verstehen, dass verschiedene Transistorarten im Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendet werden können. Manche Transistoren können einen tieferen Rauschpegel aber eine höhere Kapazität als andere Transistoren aufweisen. In solchen Fällen würde das Rauschen am Vorverstärkerausgang insgesamt noch immer reduziert sein, wenn diese Transistoren mit dieser Erfindung verwendet werden. Dies ist aufgrund der Reduktion in C_det aufgrund von anderen Quellen, wie zuvor beschrieben, der Fall.

Claims

Ionendetektor für ein Massenanalysegerät, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden, wobei der Ionendetektor Folgendes umfasst: eine Erfassungsanordnung, umfassend: mehrere Erfassungselektroden (80, 85), die dazu ausgebildet sind, mehrere Bildstromsignale von den Ionen im Massenanalysegerät zu erfassen; und einen Vorverstärker (200, 120), wobei der Vorverstärker (200, 120) dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; und eine Kompensationsschaltung, die dazu angeordnet ist, mindestens ein Kompensationssignal bereitzustellen, wobei jedes Kompensationssignal eine Ausgangsgröße eines Spannungspuffers des Vorverstärkers (200, 120) ist, einer jeweiligen Abschirmung US 5 886 346 A der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird und auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen basiert, wobei jede Abschirmung (100, 101, 105, 106) als Abschirmung einer jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen einer Erfassungselektrode (80, 85) und dem Vorverstärker (200, 120) gegen eine oder mehrere parasitäre Kapazitäten dient; und wobei es eine Kapazität zwischen jeder Abschirmung (100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen Erfassungselektrode (80, 85) und Vorverstärker (200, 120) der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst, wobei das von der Kompensationsschaltung bereitgestellte Kompensationssignal so ausgelegt ist, um eine Potentialdifferenz zwischen jeder der Abschirmungen (100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung(81, 86) zu minimieren, um so eine Reduzierung in jeder Kapazität zur bewirken und eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.
Ionendetektor nach Anspruch 1, wobei die Abschirmung (100, 105) für jede Erfassungselektrode (80, 85) ein Dielektrikum mit einer metallisierten äußeren Beschichtung aufweist, die eine leitende Oberfläche um die Erfassungselektrode (80, 85) bildet und von der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) durch das Dielektrikum isoliert ist, wobei die metallisierte äußere Beschichtung dazu ausgebildet ist, das Kompensationssignal zu empfangen, und wobei jede Erfassungselektrode (80, 85) auf dem Dielektrikum eine metallisierte innere Beschichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Bildstromsignale der Ionen des Massenanalysators zu detektieren.
Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) eine leitende Abschirmung (101, 106) für die Verbindung (81, 86) zwischen einer Erfassungselektrode (80, 85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) und dem Vorverstärker (200, 120) umfasst.
Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vorverstärker (200, 120) einen ersten Spannungspuffer umfasst, der dazu angeordnet ist, ein erstes Bildstromsignal der mehreren Bildstromsignale zu empfangen; und wobei die Kompensationsschaltung dazu angeordnet ist, ein erstes Kompensationssignal, das eine Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers umfasst, bereitzustellen, wobei das erste Kompensationssignal dadurch auf dem ersten Bildstromsignal basiert.
Ionendetektor nach Anspruch 4, wobei die Kompensationsschaltung weiterhin dazu angeordnet ist, ein zweites Kompensationssignal, das auf einem zweiten Bildstromsignal der mehreren erfassten Bildstromsignale basiert, bereitzustellen, wobei das zweite Kompensationssignal einer zweiten Abschirmung (105) der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird, wobei es eine Kapazität zwischen der zweiten Abschirmung (105) der Erfassungsanordnung und einer jeweiligen, zweiten Erfassungselektrode (85) der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst; und wobei der Vorverstärker (120, 200) weiterhin einen zweiten Spannungspuffer umfasst, der dazu angeordnet ist, das zweite Bildstromsignal zu empfangen, wobei das zweite Kompensationssignal eine Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers umfasst.
Ionendetektor nach Anspruch 5, wobei die Erfassungsanordnung eine erste Erfassungselektrode (80) umfasst, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) eine erste Abschirmung (100) für die erste Erfassungselektrode (80) umfasst, und wobei die Erfassungsanordnung die zweite Erfassungselektrode (85) umfasst, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) die zweite Abschirmung (105) für die zweite Erfassungselektrode (85) umfasst.
Ionendetektor nach einem der Ansprüche 4-6, wobei der erste Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfasst und wobei die Kompensationsschaltung weiterhin dazu angeordnet ist, dem Transistor-Drain ein Drain-Kompensationssignal bereitzustellen.
Ionendetektor nach Anspruch 7, sofern von Anspruch 5 abhängig, wobei der Vorverstärker (120, 200) weiterhin einen Differenzialverstärker umfasst, der dazu angeordnet ist, die Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers und die Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers zu empfangen und eine Differenzialausgangsgröße bereitzustellen, wobei der Differenzialverstärker weiterhin dazu ausgebildet ist, das Drain-Kompensationssignal bereitzustellen.
Ionendetektor nach Anspruch 8 oder Anspruch 7, sofern von Anspruch 5 abhängig, wobei das Drain-Kompensationssignal auf dem zweiten Bildstromsignal basiert.
Ionendetektor nach Anspruch 8, wobei der Differenzialverstärker einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers angeordneten ersten Verstärkertransistor und einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers angeordneten zweiten Verstärkertransistor umfasst, wobei der erste und der zweite Verstärkertransistor als differenzielles Paar angeordnet sind und wobei das Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des zweiten Verstärkertransistors bereitgestellt wird.
Ionendetektor nach Anspruch 10, wobei das Drain-Kompensationssignal ein erstes Drain-Kompensationssignal ist, wobei der zweite Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfasst und wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Drain-Kompensationssignal, das dem Drain des Transistors des zweiten Spannungspuffers bereitgestellt wird, umfasst, wobei das zweite Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des ersten Verstärkertransistors bereitgestellt wird.
Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kompensationsschaltung dazu angeordnet ist, einer ersten Abschirmung der Erfassungsanordnung ein erstes Abschirmungskompensationssignal und einer zweiten Abschirmung der Erfassungsanordnung ein zweites Abschirmungskompensationssignal bereitzustellen, wobei das erste Abschirmungskompensationssignal und das zweite Abschirmungskompensationssignal gleich sind.
Ionendetektor nach Anspruch 12, wobei die erste Abschirmung eine Abschirmung (100) für eine erste Erfassungselektrode (80) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) umfasst und wobei die zweite Abschirmung eine Abschirmung (101) für eine Verbindung (81) zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und dem Vorverstärker (120, 200) umfasst.
Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: einen abschirmenden Leiter (140), der zwischen einer ersten Erfassungselektrode (80) und einer zweiten Erfassungselektrode (85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) positioniert und dazu eingerichtet ist, mit einer Spannungsquelle (145) verbunden zu werden.
Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Vorverstärker (120, 200) einen mehrere Verstärkertransistorpaare umfassenden Differenzialverstärker umfasst, wobei jedes Verstärkertransistorpaar Folgendes umfasst: einen jeweiligen ersten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem ersten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen; und einen jeweiligen zweiten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem zweiten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen, wobei die jeweiligen ersten und zweiten Verstärkertransistoren jedes Verstärkertransistorpaars als differenzielles Paar angeordnet sind und wobei die mehreren Verstärkertransistorpaare parallel zueinander angeordnet sind.
Massenspektrometer, umfassend ein Massenanalysegerät und den Ionendetektor nach einem der vorherigen Ansprüche.
Elektrostatische Ionenfallenvorrichtung, umfassend: einen Fallenfeldgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein Fallenfeld, das ein Ionenfallenvolumen, in dem Ionen eingeschlossen sind, definiert, bereitzustellen; eine Erfassungsanordnung, die dazu eingerichtet ist, einen Bildstrom von Ionen, die im Ionenfallenvolumen gefangen sind, mittels mehrerer Erfassungselektroden (80, 85) zu erfassen; einen abschirmenden Leiter (140), der zwischen einer ersten Erfassungselektrode (80) und einer zweiten Erfassungselektrode (85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) positioniert ist; und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, aufgrund von einem Bildstrom, der von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) erfasst wird, eine Spannung am abschirmenden Leiter (140) anzulegen, wobei zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und der zweiten Erfassungselektrode (85) eine Kapazität ist und die Spannung, die durch die Steuerung bereitgestellt wird, so eingerichtet ist, dass die Kapazität zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und der zweiten Erfassungselektrode (85) reduziert wird, und um eine Änderung in der Schwingungsfrequenz der durch die Raumladung im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen auszugleichen.
Verfahren zur Ionenerfassung für ein Massenanalysegerät, in dem Ionen dazu veranlasst werden, mit einer Periode schwingende Ionenpakete zu bilden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen mehrerer Bildstromsignale mittels mehrerer Erfassungselektroden (80, 85), die Teil einer Erfassungsanordnung bilden, wobei die Erfassungsanordnung weiterhin einen Vorverstärker (120, 200) umfasst, wobei der Vorverstärker (120, 200) dazu angeordnet ist, ein auf mehreren erfassten Bildstromsignalen basierendes Ausgangssignal bereitzustellen, wobei das Ausgangssignal ein Signal-Rausch-Verhältnis aufweist; Bereitstellen von mindestens einem Kompensationssignal, wobei jedes Kompensationssignal eine Ausgangsgröße eines Spannungspuffers des Vorverstärkers (200, 120) ist, einer jeweiligen Abschirmung (100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird und auf einem oder mehreren der Mehrzahl von erfassten Bildstromsignalen basiert; wobei jede Abschirmung (100, 101, 105, 106) als Abschirmung einer jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen einer Erfassungselektrode (80, 85) und dem Vorverstärker (200, 120) gegen eine oder mehrere parasitäre Kapazitäten dient; und wobei es eine Kapazität zwischen jeder Abschirmung (100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zwischen Erfassungselektrode (80, 85) und Vorverstärkers (200, 120) (100, 101, 105, 106) der Erfassungsanordnung gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst, wobei das von der Kompensationsschaltung bereitgestellte Kompensationssignal so ausgelegt ist, um eine Potentialdifferenz zwischen jeder der Abschirmungen der Erfassungsanordnung und der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) oder Verbindung (81, 86) zu minimieren, um so eine Reduzierung in jeder Kapazität zu bewirken und eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Abschirmung (100, 105) für jede Erfassungselektrode (80, 85) ein Dielektrikum mit einer metallisierten äußeren Beschichtung aufweist, die eine leitende Oberfläche um die Erfassungselektrode (80, 85) bildet und von der jeweiligen Erfassungselektrode (80, 85) durch das Dielektrikum isoliert ist, wobei die metallisierte äußere Beschichtung dazu ausgebildet ist, das Kompensationssignal zu empfangen, und wobei jede Erfassungselektrode (80, 85) auf dem Dielektrikum eine metallisierte innere leitende Beschichtung auf dem Dielektrikum aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Bildstromsignale der Ionen des Massenanalysators zu detektieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) eine leitende Abschirmung (101, 106) für die Verbindung (81, 86) zwischen einer Erfassungselektrode (80, 85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) und dem Vorverstärker (200, 120) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18-20, wobei der Vorverstärker (120, 200) einen ersten Spannungspuffer umfasst, der dazu angeordnet ist, ein erstes Bildstromsignal der mehreren Bildstromsignale zu empfangen; und wobei das mindestens eine Kompensationssignal ein erstes Kompensationssignal, das eine Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers umfasst, umfasst, wobei das erste Kompensationssignal dadurch auf dem ersten Bildstromsignal basiert.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Kompensationssignal, das auf einem zweiten Bildstromsignal der mehreren erfassten Bildstromsignale basiert, umfasst, wobei das zweite Kompensationssignal einer zweiten Abschirmung (105) der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird, wobei es eine Kapazität zwischen der zweiten Abschirmung (105) der Erfassungsanordnung und einer jeweiligen, zweiten Erfassungselektrode (85) gibt, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Vorverstärkerausgangssignals beeinflusst; und wobei der Vorverstärker (120, 200) weiterhin einen zweiten Spannungspuffer umfasst, der dazu angeordnet ist, das zweite Bildstromsignal zu empfangen, wobei das zweite Kompensationssignal eine Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Erfassungsanordnung eine erste Erfassungselektrode (80) umfasst, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) eine erste Abschirmung (100) für die erste Erfassungselektrode (80) umfasst, und wobei die Erfassungsanordnung die zweite Erfassungselektrode (85) umfasst, wobei die jeweilige Abschirmung (100, 101, 105, 106) die zweite Abschirmung (105) für die zweite Erfassungselektrode (85) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21-22, wobei der erste Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfasst und wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein dem Transistor-Drain bereitgestelltes Drain-Kompensationssignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, sofern von Anspruch 22 abhängig, weiterhin umfassend: Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers und der Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers an einem Differenzialverstärker im Vorverstärker (120, 200); und Bereitstellen einer Differenzialausgangsgröße vom Differenzialverstärker; und wobei der Schritt des Bereitstellens mindestens eines Kompensationssignals Bereitstellen des Drain-Kompensationssignals vom Differenzialverstärker umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 24, sofern von Anspruch 25 abhängig, wobei das Drain-Kompensationssignal auf dem zweiten Bildstromsignal basiert.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Differenzialverstärker einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des ersten Spannungspuffers angeordneten ersten Verstärkertransistor und einen zum Empfangen der Ausgangsgröße des zweiten Spannungspuffers angeordneten zweiten Verstärkertransistor umfasst, wobei der erste und der zweite Verstärkertransistor als ein differenzielles Paar angeordnet sind und wobei das Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des zweiten Verstärkertransistors bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Drain-Kompensationssignal ein erstes Drain-Kompensationssignal ist, wobei der zweite Spannungspuffer einen Transistor in einer Drain-Schaltungskonfiguration umfasst und wobei das mindestens eine Kompensationssignal weiterhin ein zweites Drain-Kompensationssignal, das dem Drain des Transistors des zweiten Spannungspuffers bereitgestellt wird, umfasst, wobei das zweite Drain-Kompensationssignal von einem Signal am Drain des ersten Verstärkertransistors bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18-28, wobei das mindestens eine Kompensationssignal Folgendes umfasst: ein erstes Abschirmungskompensationssignal, das einer ersten Abschirmung der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird; und ein zweites Abschirmungskompensationssignal, das einer zweiten Abschirmung der Erfassungsanordnung bereitgestellt wird, wobei das erste Abschirmungskompensationssignal und das zweite Abschirmungskompensationssignal gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die erste Abschirmung eine Abschirmung (100) für eine erste Erfassungselektrode (80) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) umfasst und wobei die zweite Abschirmung eine Abschirmung (101) für eine Verbindung (81) zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und dem Vorverstärker (120, 200) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18-30, weiterhin umfassend: Bereitstellen eines abschirmenden Leiters (140), der an eine zwischen einer ersten Erfassungselektrode (80) und einer zweiten Erfassungselektrode (85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) positionierte Spannung gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18-31, wobei der Vorverstärker (120, 200) einen mehrere Verstärkertransistorpaare umfassenden Differenzialverstärker umfasst, wobei jedes Verstärkertransistorpaar Folgendes umfasst: einen jeweiligen ersten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem ersten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen; und einen jeweiligen zweiten Verstärkertransistor, der dazu angeordnet ist, ein auf einem zweiten Bildstromsignal basierendes Signal zu empfangen, wobei die jeweiligen ersten und zweiten Verstärkertransistoren jedes Verstärkertransistorpaars als differenzielles Paar angeordnet sind und wobei die mehreren Verstärkertransistorpaare parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum elektrostatischen Einfangen von Ionen, umfassend: Veranlassen, dass Ionen in einem Ionenfallenvolumen gefangen werden; Erfassen eines Bildstroms von im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen mittels mehrerer Erfassungselektroden (80, 85) ; Bereitstellen eines abschirmenden Leiters (140), der zwischen einer ersten Erfassungselektrode (80) und einer zweiten Erfassungselektrode (85) der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) positioniert ist; und Anlegen einer Spannung an den abschirmenden Leiter (140) aufgrund von einem von mindestens einer der mehreren Erfassungselektroden (80, 85) erfassten Bildstrom, wobei zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und der zweiten Erfassungselektrode (85) die an den abschirmenden Leiter (140) angelegte Spannung die Kapazität zwischen der ersten Erfassungselektrode (80) und der zweiten Erfassungselektrode (85) reduziert, und um eine Änderung in der Schwingungsfrequenz der durch die Raumladung im Ionenfallenvolumen gefangenen Ionen auszugleichen.