DE3116953A1

DE3116953A1 - Switchable preamplifier

Info

Publication number: DE3116953A1
Application number: DE19813116953
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl-Ing. 5064 Rösrath Kaltenbach
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-04-29
Filing date: 1981-04-29
Publication date: 1982-12-02

Abstract

A switchable preamplifier (1) is equipped with an amplifier (2) with resistors (6, 7, 8) which can be optionally connected, the resistor (6) having the highest value being accommodated in an encapsulated space (9) together with a magnetically operable contact (3); the magnet (11) necessary for operating the contact (3) is arranged outside the capsule (9). <IMAGE>

Description

Umschaltbarer Vorverstärker Switchable preamplifier

Die Erfindung bezieht sich auf einen umschaltbaren Vorverstärker mit einem mit wahlweise einschaltbaren Widerständen ausgerüsteten Verstärker.The invention relates to a switchable preamplifier an amplifier equipped with optionally switchable resistors.

Bei Massenspektrometern, insbesondere bei Lecksuchgeräten, in denen Massenspektrometer als Leckgasdetektoren eingesetzt werden, sind die zu verarbeitenden Signalbereiche extrem groß Vorverstärker mit einer den Meßbereichen entsprechenden Dynamik gibt es nicht. Deshalb ist es bekannt und üblich, umschaltbare Vorverstärker einzusetzen. Bei umschaltbaren Vorverstärkern haben die Umschaltelemente jedoch einen störenden Einfluß insbesondere auf den empfindlichsten Meßbereich. In diesem Meßbereich sollte ein Widerstand im T-Ohm-Bereich (größer als 1012 Ohm) wirksam sein, so daß die gewünschte Empfindlichkeit erreicht wird. Bei Widerständen der genannten Größenordnung stellen aber bereits Störkapazitäten von weniger als 1 pF eine Kapazität dar, die die Zeitkonstante des Verstärkers in unerwünschter Weise drastisch erhöht. Eine derartige Störkapazität kann z. B.With mass spectrometers, especially with leak detectors, in which Mass spectrometers used as leak gas detectors are the ones to be processed Signal ranges extremely large. Preamplifier with a corresponding measuring range There is no such thing as dynamism. That is why it is known and common to have switchable preamplifiers to use. With switchable preamplifiers, however, the switching elements have a disturbing influence especially on the most sensitive measuring range. In this In the measuring range, a resistance in the T-ohm range (greater than 1012 ohms) should be effective so that the desired sensitivity is achieved. With resistances of the However, the order of magnitude mentioned already represents interference capacitances of less than 1 pF a capacitance that undesirably increases the time constant of the amplifier increased dramatically. Such a disturbance capacitance can, for. B.

der Schalter aufweisen, mit dem die zur Bereichserweiterung nötigen Widerstände zu- oder abgeschaltet werden.the switch with which the necessary for the area expansion Resistors can be switched on or off.

Darüber hinaus sind Widerstände dieser Größenordnung höchst leckstromempfindlich und erfahren deshalb ebenfalls Störungen durch die verwendeten Umschaltelemente.In addition, resistors of this size are extremely sensitive to leakage current and therefore also experience interference from the switching elements used.

Die Empfindlichkeit mehrstufig umschaltbarer Vorverstärker üblicher Bauart lag bisher etwa bei 10'14 A. Versuche, empfindlichere Vorverstärker herzustellen, schlugen bisher immer fehl. Eine größere Empfindlichkeit war zwar im Prinzip durch Einschaltung eines Widerstandes im T-Ohm-Bereich realisierbar; aufgrund der Umschaltelemente kam es jedoch stets zu einem unerwünschten Driften und zu nicht akzeptable Einstellzeiten mit Zeitkonstanten von einigen Sekunden.The sensitivity multi-stage switchable preamplifier more common Design was so far around 10'14 A. Attempts to manufacture more sensitive preamplifiers, have always failed so far. A greater sensitivity was in principle by A resistor can be switched on in the T-ohm range; due to the switching elements However, there was always an undesirable drift and unacceptable response times with time constants of a few seconds.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Vorverstärker der eingangs genannten Art, insbesondere für Massenspektrometer, zu schaffen.The present invention is based on the object of an improved Preamplifiers of the type mentioned, in particular for mass spectrometers, too create.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von den die Meßbereiche bestimmenden Widerständen, die zweckmäßigerweise im Gegensatz zur üblichen Parallelschaltung in Reihe geschaltet sind, derjenige Widerstand mit dem höchsten Wert (Hochohmwiderstand) mit einem magnetisch betätigbaren Kontakt in einem gekapselten Raum untergebracht ist und daß der zur Betätigung des Kontaktes notwendige Magnet außerhalb der Kapsel angeordnet ist. Der empfindliche und daher gekapselte Bereich enthält zur Umschaltung nur einen Widerstand und einen einpoligen Schalter. Der wesentliche Vorteil dieser Maßnahmen liegt darin, daß der Hochohmwiderstand gegen Leckströme und Störkapazitäten gesichert werden kann, so daß selbst bei einer Empfindlichkeit von 10-17 A ein unerwünschtes Driften nicht mehr auftritt und die Zeitkonstanten ausreichend klein gehalten werden können.According to the invention this object is achieved in that of the Resistances determining the measuring range, which are expediently in contrast to the usual Parallel connection are connected in series, the resistance with the highest Value (high resistance) with a magnetically actuated contact in an encapsulated Space is accommodated and that the magnet necessary to actuate the contact is arranged outside the capsule. The sensitive and therefore encapsulated area contains only a resistor and a single-pole switch for switching. Of the The main advantage of these measures is that the high resistance against Leakage currents and interference capacitances can be secured, so that even with a sensitivity from 10-17 A an undesired drift no longer occurs and the time constants can be kept sufficiently small.

Wenn der Verstärker mehrstufig ausgebildet ist und seine erste Stufe eine Elektrometerröhre umfaßt, dann ist zweckmäßigerweise auch diese Röhre im gekapselten Raum angeordnet, so daß auch diese frei von Störfeldern gehalten werden kann.When the amplifier is multi-stage and its first stage comprises an electrometer tube, then this tube is also expediently in the encapsulated Space arranged so that this can also be kept free from interference fields.

Soll ein Massenspektrometer, insbesondere ein als Gasdetekto in Lecksuchgeräten eingesetztes Massenspektrometer, mit einem Vorverstärker der erfindungsgemäßen Art ausgerüstet werden, dann ist es zweckmäßig, die Kapsel mit den darin enthaltenen Elementen direkt auf dem Massenspektrometer zu montieren. Auch die weiteren, den umschaltbaren Vorverstärker bildenden Elemente können dort als "Huckepack-Elektronik" montiert sein. Diese Anordnung hat sich als am wenigsten störanfällig erwiesen.Should a mass spectrometer, especially one used as a gas detector in leak detectors used mass spectrometer, with a preamplifier of the type according to the invention be equipped, then it is useful to put the capsule with the inside contained Mount elements directly on the mass spectrometer. Also the others, the Switchable preamplifier-forming elements can be called "piggyback electronics" be mounted. This arrangement has proven to be the least susceptible to failure.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention will be based on FIG Exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 2 are explained.

Der in der Figur 1 dargestellte umschaltbar ausgebildete Vorverstärker 1 umfaßt den Verstärker 2, der mit jeweils von einem Schalter 3, 4 und 5 überbrückten Widerständen 6, 7 und 8 in an sich bekannter Weise parallel beschaltet ist.The switchable preamplifier shown in FIG 1 comprises the amplifier 2, which is bridged by a switch 3, 4 and 5, respectively Resistors 6, 7 and 8 are connected in parallel in a manner known per se.

Widerstand 6 ist der den empfindlichsten Meßbereich bestimmende Hochohmwiderstand. Diesem parallel liegt ein magnetisch betätigbarer Schalter 3. Widerstand 6 und Schalter 3 sind in einer gestrichelt dargestellten Kapsel 9 untergebracht. Der der Betätigung des Schalters 3 dienende Elektromagnet 11 liegt außerhalb der Wandungen der Kapsel 9. Schalter 3 (vorzugsweise ein Reed-Relais) und Magnet 11 liegen - durch die Wandung der Kapsel 9 getrennt -möglichst nahe nebeneinander, damit die Wirkung des Magnetfeldes den Schalter 3 erreicht.Resistor 6 is the high-ohmic resistance which determines the most sensitive measuring range. A magnetically operable switch 3 is located parallel to this. Resistor 6 and switch 3 are housed in a capsule 9 shown in dashed lines. That of actuation of the switch 3 serving electromagnet 11 lies outside the walls of the capsule 9. Switch 3 (preferably a reed relay) and magnet 11 lie - through the wall the capsule 9 separated - as close as possible to each other, so that the effect of the magnetic field reached switch 3.

In der Regel sind Vorverstärker für die genannten Zwecke mehrstufig ausgebildet. Das soll auch für den als Symbol dargestellten Verstärker 2 gelten. Seine erste Stufe wird mit einer Elektrometerröhre 12 betrieben. Diese ist zum Schutz gegen Störfelder ebenfalls in der Kapsel 9 untergebracht.As a rule, preamplifiers are multi-stage for the purposes mentioned educated. This should also apply to the amplifier 2 shown as a symbol. Its first stage is operated with an electrometer tube 12. This is for protection Against interference fields also housed in the capsule 9.

Zur Versorgung und zum Anschluß der in der Kapsel 9 untergebrachten Elemente sind mehrere schematisch dargestellte Durchführungen durch die Wandungen der Kapsel 9 vorgesehen.For supply and connection of the housed in the capsule 9 Elements are several schematically shown leadthroughs through the walls the capsule 9 is provided.

Über die Durchführung 13 erfolgt die Zuführung des zu messenden Signals. Durchführung 14 dient der Verbindung des Hochohmwiderstandes 6 mit dem nächst kleineren Widerstand 7.The signal to be measured is supplied via the feedthrough 13. Implementation 14 is used to connect the High resistance 6 with the next smaller resistance 7.

Über die Durchführung 15 ist die Elektrometerröhre 12 mit dem Verstärker 2 verbunden. Die Durchführungen müssen vakuumdicht ausgeführt sein, wenn die Kapsel 9 evakuierbar sein soll. Das Material, aus demydie Kapsel 9 besteht, ist zweckmäßigerweise nicht magnetisierbar. Dieses Material sichert eine HF-gekapselte Ausführung. Der Innendruck der Kammer kann nach dem Betriebsdruck des Massenspektrometers identisch sein (vorteilhaft). Auch ein trockenes Schutzgas unter Atmosphärendruck ist möglich.The electrometer tube 12 is connected to the amplifier via the bushing 15 2 connected. The bushings must be made vacuum-tight if the capsule 9 should be evacuable. The material from which the capsule 9 is made is expedient not magnetizable. This material ensures an RF-encapsulated design. Of the Internal pressure of the chamber can be identical to the operating pressure of the mass spectrometer be (advantageous). A dry protective gas under atmospheric pressure is also possible.

Figur 2 zeigt, wie der erfindungsgemäße Vorverstärker bei Massenspektrometern zweckmäßig montiert ist. Mit 17 ist ein Teil des Massenspektrometers bezeichnet, das die zu messenden oder zu registrierenden Signale liefert. Unmittelbar auf diesen Teil ist die Kapsel 9 montiert. Die in der Kapsel 9 enthaltenen Elemente - Hochohmwiderstand 6, Schalter 3, -Röhre 12 - sind schematisch dargestellt. Die weiteren Elemente des Vorverstärkers 1 - Verstärker 2, Widerstände 7, 8, Schalter 4, 5 sowie Hochfrequenzfilter (nur einer ist dargestellt und mit 18 bezeichnet) - sind als "Huckepack-Elektronik" außerhalb der Kapsel 9, aber ebenfalls unmittelbar am Massenspektrometer 17 angeordnet. Die Versorgung und/oder Steuerung der einzelnen Elemente des Vorverstärkers 1 erfolgt von einer weiteren, lediglich als Block dargestellten Schaltung 19. Diese ist zweckmäßigerweise auf einer Europa-Karte aufgebaut. Auf dieser Karte können auch die weiteren Verstärker angeordnet sein.Figure 2 shows how the preamplifier according to the invention is used in mass spectrometers is appropriately mounted. With 17 part of the mass spectrometer is referred to, that supplies the signals to be measured or recorded. Immediately on this Part of the capsule 9 is mounted. The elements contained in the capsule 9 - high resistance 6, switch 3, tube 12 - are shown schematically. The other elements of the Preamplifier 1 - amplifier 2, resistors 7, 8, switches 4, 5 and high frequency filters (only one is shown and labeled 18) - are called "piggyback electronics" arranged outside the capsule 9, but also directly on the mass spectrometer 17. The individual elements of the preamplifier 1 are supplied and / or controlled of a further circuit 19, shown only as a block. This is expedient built on a map of Europe. The other amplifiers can also be used on this card be arranged.

Mindestens der Schalter 3, aber auch die übrigen Schalter 4 und 5 sind zweckmäßigerweise als Reed-Relais ausgebildet.At least switch 3, but also the other switches 4 and 5 are expediently designed as reed relays.

Die von ihnen jeweils überbrückten Widerstände liegen in Reihe. Bei unempfindlicheren Meßbereicheh ist der Hochohmwiderstand 6 vom Schalter 3 überbrückt. Störende Polarisationserscheinungen durch hohe Spannungsbelastungen können somit schnell abgebaut oder durch vorzeitiges Umschalten ganz vermieden werden.The resistors bridged by them are in series. at The high-ohm resistor 6 is bridged by the switch 3 for less sensitive measuring ranges. Disturbing polarization phenomena due to high voltage loads can thus can be quickly dismantled or avoided entirely by switching prematurely.

Claims

Switchable preamplifier CLAIMS 1.) Switchable preamplifier with an amplifier equipped with optionally switchable resistors, d it is indicated that the resistance with the highest value (High resistance (6) with a magnetically actuated contact (3) in an encapsulated Space (9) is accommodated and that the necessary to actuate the contact (3) Magnet (11) is arranged outside the capsule (9).

2. Preamplifier according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the other resistors (7, 8) with the high resistance (6) in Are connected in series.

3. Preamplifier according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the amplifier (2) is designed in several stages, that its first Stage comprises an electrometer tube (12) and that this tube is also encapsulated Room (9) is housed.

4. Preamplifier according to claim 1, 2 or 3, since d u r c h g e k e n It is noted that the encapsulated space (9) can be evacuated.

5. Preamplifier according to claim 1, 2 or 3, d a d u r c h g e k e It is noted that the capsule is dry protective gas under atmospheric pressure contains.

6. Preamplifier according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g It is not noted that the walls of the capsule (9) are made of one material exist, which shields the interior of the capsule against electromagnetic interference.

7. With a preamplifier according to one of the preceding claims Equipped mass spectrometer, d u r ch e k e n n n z e i c h n e t that the capsule (9) is mounted directly on the mass spectrometer (17).

8. A mass spectrometer according to claim 7, d a d u r c- h g e k e n n notices that the entire preamplifier is mounted on the mass spectrometer is.

9. Mass spectrometer according to claim 6 or 7 with a preamplifier according to claim 4, that the interior of the Capsule (9) can be evacuated together with the interior of the mass spectrometer.