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Die Erfindung betrifft allgemein
die Detektion von Ionen in der Massenspektrometrie, insbesondere ein
Datenerfassungssystem, enthaltend Operationsverfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Ionenmenge zu vorausgewählten Zeitintervallen eines
oder mehrerer Ionenspektren. Die Erfindung betrifft auch ein Datenerfassungssystem,
insbesondere ein Time-Of-Flight
Datenerfassungsystem, ein Verfahren zum Detektieren von Ionen in
der Time-Of-Flight Spektroskopie, und eine Vorrichtung zum Detektieren
und Quantifizieren mindestens eines Ionenspektrums von einem Spektrum
von Ionen in einem Time-Of-Flight Massenspektrometer. Die Erfindung
betrifft auch allgemein Massenspektrometer und Massenspektroskopieverfahren.
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Die Wissenschaft der Massenspektrometrie hat
sich als ein wertvolles Werkzeug in der analytischen Chemie bewährt. Die
Massenspektrometrie geht davon aus, dass elektrisch neutrale Moleküle einer
Probe geladen oder ionisiert werden können, und ihre Bewegung durch
elektrische und magnetische Felder gesteuert werden kann. Die Antwort
eines geladenen Moleküls
auf ein magnetisches und elektrisches Feld wird durch ein Masse/Ladungs-Verhältnis der
Ionen beeinflusst, so dass Ionen eines bestimmten Masse/Ladungs-Verhältnisses
selektiv detektiert werden können.
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Massenspektrometer unterscheiden
sich voneinander in erster Linie in der Art und Weise, in welcher
die Ionen unterschiedlicher Masse/Ladungs-Verhältnisse voneinander verschieden
sind. Magnetsektormassenspektrometer trennen Ionen gleicher Energie
durch die Eigendynamik der Ionen, wenn sie in einem magnetischen
Feld reflektiert oder gestreut werden. Quadrupole Massenspektrometer trennen
Ionen basierend auf ihrer Beschleunigungsrate, in Antwort auf ein
Hochfrequenzfunkfrequenzfeld bei Anwesenheit eines Gleichstromfeldes.
Ionenzyklotron- und Ionenfallenspektrometer unterscheiden Ionen
aufgrund der Frequenz oder Abmessungen ihrer Resonanzschwingungen
in wechselnden Stromfeldern. Time-Of-Flight Massenspektrometer unterscheiden
Ionen gemäß ihrer
Geschwindigkeit über
einer festen Distanz.
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Obwohl sie im Design relativ einfach
sind, erzeugen Time-Of-Flight (im folgenden „TOF" bezeichnet) Massenspektrometer Daten
mit einer sehr hohen Rate. Da Ionen, die unterschiedliche Masse/Ladungs-Verhältnisse
aufweisen, in einer einzelnen Probe vorhanden sein können, treffen
sie zu unterschiedlichen Zeiten auf die Detektoren, gemäß ihrer Geschwindigkeit
oder kinetischen Energie. Das Detektorausgangssignal weist eine
Folge von Ionenankunftsantworten auf, die innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls
komprimiert werden, im allgemeinen weniger als 1/10 einer Mikrosekunde.
Innerhalb 100 Mikrosekunden haben alle Ionen, einschließlich der schwersten,
die Länge
des TOF-Spektrometers zurückgelegt,
und sind am Detektor angekommen, um ein Spektrum dieses Probenmoleküls zu erzeugen. Bis
zu 1 Mio. Spektren können
für eine
gegebene analysierte Probe erzeugt werden. Darüber hinaus kann es sein, dass
diese Spektren in chronologisch geordnete Sätze getrennt werden müssen. Die
Zeitskala läge
bei der Größenordnung
von 1 ms.
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Nur ein kleines Segment, das bestimmte
Ionenmassen aufweist, von allen Daten, die durch die Analyse einer
gegebenen Probe erzeugt werden, kann von Interesse sein. In der
Vergangenheit mussten jedoch die Wissenschaftler Daten über die
Gesamtspektren, die von der Probe erzeugt worden sind, sammeln.
Um die Datengröße zu reduzieren und
sich auf die interessierende Ionenmasse zu konzentrieren, wurde
vorgeschlagen, die Detektionsschaltung unmittelbar vor der vorhergesagten
Ankunftszeit oder dem Ankunftsfenster einer ausgewählten Masse
einzuschalten. Einzelheiten eines derartigen Systems sind in der
US 5,367,162 offenbart,
die dem Rechtsnachfolger der Erfindung gehört. Dieses Patent liefert auch
eine Diskussion des Standes der Technik. Keines der bekannten Geräte ist in der
Lage, Time-of-Flight Spektren kontinuierlich und ununterbrochen
zu detektieren, zu sammeln und zu verarbeiten. Speziell detektiert
und wandelt keines der bekannten Geräte kontinuierlich analoge Signale in
digitale Signale zur Auswahl, Summation, und Verarbeitung unter
Verwendung eines kompakten Systems, welches bei einem im Wesentlichen
reduzierten Leistungspegel arbeitet, verglichen mit bisher bekannten
Geräten.
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Die Erfindung soll die Probleme des
Standes der Technik beseitigen.
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Verschiedene Aspekte der Erfindung
sind in den unabhängigen
Ansprüchen
genannten. Verschiedene bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen genannt.
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In einem Aspekt der Erfindung gemäß dem beigefügten Patentanspruch
1 wird ein System geschaffen, das gedacht ist zur Verwendung in
der Time-of-Flight Massenspektroskopie zur Detektion von mindestens
einer Ionenart in einem Ionenspektrum, enthaltend eine Signalerfassungsschaltung
zum Detektieren der Ionen in dem Spektrum und zum Erzeugen von Ausgangssignalen,
die für
diese kennzeichnend sind, eine Sequenz- und Speichersteuerungsschaltung
zum Identifizieren bestimmter der Signale, die zu speichern sind,
eine Speicherschaltung zum Speichern der Ausgangssignale, die durch
die Sequenz- und Speichersteuerschaltung identifiziert wurden, und
eine Digitalsignalprozessorschaltung, die die identifizierten Signale
von dem Speicher empfängt,
um die identifizierten Daten zu summieren und ein Ausgangssignal
zu erzeugen, das für
einen Wert des detektierten Ionenspektrums kennzeichnend ist. Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Sammeln der Daten.
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Vorzugsweise wird ein Erfassungssystem geschaffen
zur Detektion einer Mehrzahl von Ionen in einem TOF-Massenspektrometer
und zur Lieferung eines Ausgangssignals, welches kennzeichnend ist für Nur-Auswahl-Ionen,
die von Interesse sind. Das Datenerfassungsystem weist vorzugsweise
einen Detektor oder Transducer auf zum Empfang der Spektren der
Ionen in einer Probe, und zum Erzeugen von Datensignalen, die kennzeichnend
sind für die
empfangenen Ionen, ein Datenerfassungsmodul zum Identifizieren nur
bestimmter der Datensignale als Signale von Interesse, und zum vorübergehenden
Speichern der Datensignale von Interesse. Ein Signalprozessor ist
ebenfalls vorzugsweise enthalten, um die Daten teilweise zu verarbeiten
durch Aufsummieren der Daten von Interesse und zum Speichern in
einem Speicher. Unter bestimmten Bedingungen können die Daten in dem Signalprozessor
an eine Instrumentensteuerung übertragen
werden, wo die Daten einer zusätzlichen
Verarbeitung unterzogen werden.
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Vorzugsweise wird ein Datenerfassungsystem
geschaffen für
TOF-Massenspektrometer, mit einer Schaltung zum Empfangen einer
Mehrzahl von Ionen und mit einem kontinuierlichen digitalen Ausgangssignal,
das für
die Ionen kennzeichnend ist, einer Schaltung, die operativ mit dem
digitalen Ausgang verbunden ist zur Identifizierung bestimmter digitaler
Ausgangssignale als Daten von Interesse, und einer Speicherschaltung
zur vorübergehenden
Speicherung identifizierter Signale und zum Verwerfen aller anderen.
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Die Vorrichtung weist vorzugsweise
eine Instrumentensteuerschaltung auf, die operativ mit der Signalprozessorschaltung,
der Datenerfassungsschaltung, der Ionendetektorschaltung und dem
Time-of-Flight Massenspektrometer verbunden ist zum Empfang von
Daten und zur Lieferung von Programmiersteuerbefehlen. Die Ionendetektorschaltung weist
vorzugsweise auf: einen Ionendetektor, der aus einer Gruppe ausgewählt ist,
die im Wesentlichen aus einem sekundären Elektronenmultiplizierer
und Mikrokanalplattendetektoren besteht; einen Vorverstärker, der
operativ mit dem Ionendetektor verbunden ist, und der einen Gewinnsteuereingang
aufweist; und eine Gewinnsteuerschaltung, die operativ mit dem Gewinnsteuereingang
gekoppelt ist zur dynamischen Dämpfung
oder Verstärkung
des Gewinns des Vorverstärkers
in Antwort auf zuvor empfangene Signale.
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Die Datenerfassungschaltung weist
vorzugsweise auf: ein Signalerfassungsmodul, das operativ gekoppelt
ist, um Eingangssignale für
die Ionendetektorschaltung zu empfangen; ein Sequenz- und Speichersteuermodul,
das operativ gekoppelt ist, um das Signalerfassungsmodul zu aktivieren;
und ein Speichermodul, das mit dem Signalerfassungsmodul und dem
Sequenz- und Speichersteuermodul verbunden ist zur temporären Speicherung
von Signalen von dem Signalerfassungsmodul, wenn es durch das Sequenz-
und Speichersteuermodul gesteuert wird.
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Die Signalprozessorschaltung weist
vorzugsweise auf: mindestens eine Signalprozessorschaltung und mindestens
eine Akkumulatorschaltung, wobei die mindestens eine Signalprozessorschaltung
den Gewinnwert des Signals auf einen gemeinsamen Referenzwert einstellt
und den eingestellten Wert mit einem programmierten Schwellenwert
vergleicht, wobei die mindestens eine Akkumulatorschaltung den Einstellwert,
der den programmierten Schwellenwert erfüllt oder überschreitet, summiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung gemäß dem beigefügten Patentanspruch
11 erfolgt die Schaffung eines Verfahrens zum Detektieren mindestens
eines Ions in der TOF-Massenspektrometrie,
enthaltend die Schritte: Empfangen einer Mehrzahl von Ionen an einem
Detektor eines TOF-Massenspektrometers, Erzeugen einer Mehrzahl
von Ausgangssignalen in Antwort auf die Ionen, die von dem Detektor
empfangen worden sind, als Funktion der Zeit, Identifizieren der
Mehrzahl der Signale als Funktion der Zeit als Signale, die zu speichern
sind und Signale, die zu ignorieren sind, und Summieren der Signale,
die zu speichern sind als Funktion der Zeit.
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Vorteile, die durch die bevorzugten
Datenerfassungssysteme und Verfahren gemäß der Erfindung geschaffen
werden, können
die Fähigkeit
umfassen, Daten mit mehr als der doppelten herkömmlich verfügbaren Rate zu sammeln und
zu verarbeiten. Darüber
hinaus kann die Auflösung
signifikant verbessert werden, als ein Ergebnis des Sammelns größerer Segmente
von Daten über
ein kleineres Zeitintervall, als bisher verfügbar. Dies hat schärfere und besser
definiertere Datensätze
zur Folge, als bisher, wodurch es möglich wird, zwischen Ionenspektren-Masse/Ladungs-Verhältnissen
zu unterscheiden, die bisher nicht detektierbar waren. Bevorzugte Datenerfassungssysteme
und Verfahren, die die Erfindung verwenden, können darüber hinaus den Vorteil aufweisen,
sicherzustellen, dass alle Daten von Interesse gesammelt werden,
da sämtliche
Daten digitalisiert und vorübergehend
gespeichert werden. Auf diese Weise gehen keine Daten verloren,
als Folge des Startens eines Systems oder einer Digitalisierungsschaltung
unmittelbar nachdem die interessierenden Ionen teilweise bereits
detektiert worden sind. Diese und andere Merkmale, Aufgaben und
Vorteile der Erfindung werden durch das Lesen der detaillierten
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
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Die Erfindung kann in verschiedener
Weise ausgeführt
werden, und bevorzugte Ausführungsbeispiele
eines Datenerfassungssystems und eines Massenspektroskopiesystems
gemäß der Erfindung werden
im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
TOF-Massenspektroskopiesystem in Blockdiagrammform gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 allgemein
in Blockdiagrammform die Grundkomponenten eines Datenerfassungssystems gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Verwendung in dem Spektroskopiesystem nach 1;
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3 ein
elektrisches Schaltungsdiagramm in detaillierter Blockform eines
bevorzugten Datenerfassungsmoduls, wie in 2 gezeigt;
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4 eine
elektrische Schaltung in Blockform und schematischer Form einer
bevorzugten Signalerfassungsschaltung;
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5 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein eine bevorzugte
Sequenz- und Speicherzeitbasisschaltung verdeutlicht, die in dem
Datenerfassungssystem, wie in 2 gezeigt,
verwendet wird;
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6 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein eine bevorzugte
Vorverstärkergewinnsteuerungs-
und Verarbeitungsidentifikationsschaltung verdeutlicht, die in der
Sequenz- und Steuerungszeitbasisschaltung verwendet wird;
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7 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein einen
bevorzugten TOF-Massenspektrometerperiodenzähler verdeutlicht, der in der
Sequenz- und Speicherzeitbasisschaltung verwendet wird;
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8, 9 und 10 Blockdiagramme, die allgemein eine
bevorzugte Speicherschaltung verdeutlichen;
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11 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein eine bevorzugte
Taktimpulserzeugungsschaltung verdeutlicht, die in der Sequenz-
und Speicherzeitbasisschaltung verwendet wird;
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12 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein eine bevorzugte
Digitalsignalprozess- und akkumulatorschaltung verdeutlicht, die
in dem in 2 gezeigten
Datenerfassungssystem verwendet wird;
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13 eine
elektrische Schaltung in Blockdiagrammform, die allgemein eine bevorzugte
Instrumentensteuermodulschaltung verdeutlicht;
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14 ein
Zeitablaufdiagramm gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel;
und
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15 eine
Zeitablaufschaltung zur Steuerung des Gewinns der in 4 gezeigten Signalerfassungsschaltung.
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In der folgenden Beschreibung wird
durchgehend Bezug genommen auf verschiedene unterschiedliche Zeichnungsfiguren,
wobei ähnliche
oder gleiche Komponenten mit gleichen Beschriftungen oder Bezugsziffern
versehen sind. Die Mehrfachreferenz oder Elementidentifikation ist
ein Weg, um eine Schaltung auf einer Seite mit einer Begleitschaltung oder
einem Element auf einer anderen Seite zu verbinden. 1 zeigt allgemein in Blockdiagrammform ein
TOF-Massenspektrometersystem 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Spektroskop 10 weist ein Time-of-Flight Massenspektrometer 12 auf,
enthaltend, jedoch nicht einschränkend,
eine orthogonale oder „onaxis" Flugröhrenkonfiguration,
die irgendeine einer Anzahl von Quellen 14 verwendet, beispielsweise
einen Gaschromatograph, eine Gasentladungsquelle, eine induktiv
gekoppelte Plasmaquelle, oder dergleichen. Beispielhaft ist nur
die Quelle 14 an einem Ende einer Probenkammer 15 angeordnet,
senkrecht zu einer Flugröhre 16.
An einem Ende der Flugröhre 16 ist
ein Detektor oder Transducer 42 angeordnet, der später genauer
beschrieben wird. Der Detektor 42 liefert ein analoges
Ausgangssignal über
eine Leitung 24 an ein Datenerfassungssystem 20,
um vom Sensor 42 erzeugte Daten aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Das
Datenerfassungssystem 20 liefert ferner ein oder mehrere
Ausgangssignale über
eine oder mehrere Leitungen, allgemein gekennzeichnet mit 23 (2), um einen Betrieb des
Massenspektrometers zu steuern. Das Datenerfassungssystem 20 ist
operativ mit einem PC oder einer anderen Schnittstelle 27 über Datenleitungen
oder Busse 36 verbunden. Über die Busse oder Leitungen 36 kann
der Benutzer im Wesentlichen alle Betriebsparameter des Spektrometers 12 steuern,
sowie die Datensammelprozedur und Verarbeitungsprozedur, die dem
Datenerfassungssystem 20 folgt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Datenerfassungssystems 20 zur Verwendung mit einer
Zeit-Array-Detektion in der TOF-Massenspektrometrie. Das System 20 weist
allgemein vier Module auf, einschließlich einem Vorverstärker 40,
der mit einem Ionendetektor 42 und einem Datenerfassungsmodul
(DAM) 22 verbunden ist, welches operativ geschaltet ist,
um ein analoges Eingangssignal bei 38 von der Vorverstärkerschaltung 40 zu
empfangen, wie später
beschrieben wird, ein Signalprozessormodul (SPM) 26, das
operativ geschaltet ist, um ein digitales Eingangssignal von DAM 22 über die
Busse 28 und 30 zu empfangen, und ein Instrumentensteuermodul
(ICM) 32, das ausgelegt ist, um ein digitales Ausgangssignal
von SPM 26 über
einen Bus 13 zu empfangen. Das Instrumentensteuermodul 32 ist vorzugsweise
mit anderen Modulen, beispielsweise 22 und 26, über eine
Leitung 13 verbunden, mit speziellen Modulen des Systems 10 über Leitungen 23 und
einem PC (Personal Computer) oder einem anderen Prozessor über einen
Datenbus oder Leitung 36, wie später genauer beschrieben wird.
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Das Datenerfassungssystem 20 ist
ausgelegt zur Steuerung und Sequenzierung der Operationen des TOF-Massenspektrometers,
dient als eine zentrale Zeitbasis für das Spektrometer 12,
sammelt und verarbeitet Daten von dem Ionendetektor 42, steuert
die Gewinneinstellungen des Ionendetektorausgangsvorverstärkers, und
liefert einen Satz von Zeit-Array-Daten an den PC oder einen anderen
Prozessor 27. Der grundlegende Vorteil, der durch das im
folgenden beschriebene System erhalten wird, liegt darin, dass das
gesamte analoge Eingangssignal 24 in ein digitales Signal
im DAM 22 umgewandelt wird, für jede Probe oder vorübergehend
analysiert wird, als Funktion der Zeit. Die digitalen Daten, die während eines
bestimmten Augenblicks oder Zeitintervalls von Interesse gesammelt
werden, werden markiert oder identifiziert in dem DAM 22,
um für
eine spätere
Verarbeitung gespeichert zu werden. Die digitalen Datensignale,
die identifiziert oder markiert worden sind für ein Nichtspeichern (oder
nicht markiert oder identifiziert), werden verworfen, indem die verworfenen
Daten mit neuen Daten überschrieben werden.
Die identifizierten Datensignale werden durch Busse 28 und 30 an
den SPM 26 übertragen, bei
welchem die Daten summiert und vorverarbeitet werden. Das DAM 22 und
SPM 26 enthalten eine Mehrzahl von bestimmten Registern
und Bussen, derart, dass Datensignale geteilt und bei reduziertem Arbeitszyklus
verarbeitet werden. Die summierten Daten werden durch den Bus 13 an
das ICM 32 übertragen,
für eine
zusätzliche
Verarbeitung und Übertragung
an den PC 27. Jede der Komponenten, die das System 20 aufweisen,
wird im folgenden genauer beschrieben.
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Die Ionendetektorschaltung 42 (1) detektiert Ionen innerhalb
des TOF-Massenspektrometers 12 und liefert analoge Signale
zum Eingang 24. Der Detektor 42 ist speziell ein
herkömmlicher
Ionendetektor 42, der einen Ausgang 24 aufweist,
der mit dem Vorverstärker 40 verbunden
ist. Der Ionendetektor 42 kann irgendein Detektor sein,
der von einer Anzahl von Detektoren gegenwärtig verfügbar ist, einschließlich Mikrokanalplatten-Detektoren
und sekundäre
Elektronenmultiplizierer-Detektoren. Der Vorverstärker 40 arbeitet
entweder als variabler Dämpfer oder
als eine variable Gewinnstufe, die einen Gewinnsteuereingang aufweist,
um Signale von der Gewinnsteuerschaltung 127 (6) zu empfangen, um die
Amplitude der Signale, die ausgegeben werden, selektiv zu steuern,
wie im folgenden beschrieben wird. Der Ausgang des Verstärkers 40 ist
mit dem Eingang 38 des Datenerfassungsmoduls 22 verbunden.
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3 zeigt
die Komponenten des DAM 22, enthaltend ein Signalerfassungsmodul
(SAM) 60 und ein Sequenz- und Speichersteuermodul (SSCM) 62, beide
liefern Daten und Steuerbits an ein Register oder Speichermodul 64.
Speziell weist das SAM 60 einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler 66 auf,
und einen Ionenzähler 68,
der mit der Vorverstärkerschaltung 40 verbunden
ist, um Daten von dem Eingang 24 (3 und 4)
zu empfangen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der A/D-Wandler 66 ein „Track-and-Hold" A/D-Wandler, der
einen 8-Bit Ausgang und vorzugsweise einen 10-Bit Ausgang aufweist,
der bei einer Frequenz von 500 MHz arbeiten kann. Der AlD-Wandler 66 weist
auch zwei Ausgänge 70, 72 auf,
zwischen denen Daten hin und her geschaltet werden, aus Gründen, die
später
klarer werden. Wie in 4 gezeigt,
weist ein paralleler Ionenzähler 68,
der durch gestrichelte Linien gezeigt ist, einen Diskriminatorverstärker 76 auf,
der ausgelegt ist, um analoge Signale, die vom Eingang 24 geliefert werden,
zu empfangen, sowie ein analoges Schwellenwert- oder Referenzsignal,
das am Ausgang 78 des Digital/Analog(D/A)-Wandlers 80 bereit
gestellt wird. Das analoge Ausgangssignal kann durch digitale Eingangssignale
gesteuert werden, die durch einen Signalprozessor an die Eingangsanschlüsse 81 geliefert
werden. Wenn das Eingangssignal auf der Leitung 24 gleich
dem Pegel des Ausgangssignals 78 ist, das am Diskriminator 76 anliegt,
oder diesen überschreitet,
wird ein Signal auf 74 an den Zähler 69 ausgegeben,
was wiederum ein Ausgangssignal über 82 erzeugt
(202, 206, 3),
an eine Pipeline-Verzögerungsschaltung 84 (4), um anzuzeigen, dass
der Signalschwellenwert erfüllt
ist. Für
jede Eingabe in den Diskriminator 76 auf der Leitung 24, die
den Schwellenwert nicht erfüllt,
wird Null bei 82 an die Pipeline-Verzögerungsschaltung 84 ausgegeben.
Der Ionenzähler 69 erzeugt
jedoch nur ein Ausgangssignal bei 82, wenn er durch ein
Signal aktiviert wird, welches am Eingang 86 von dem SSCM 62 angelegt
wird.
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Das SSCM 62, wie in den 3 und 5 bis 7 gezeigt,
steuert das Sammeln von Daten von dem A/D-Wandler 66 und/oder
Ionenzähler 68,
sowie die Steuerung der Zeitgebung der Modulation, Extraktion und
Ablenkung der Pulse in dem TOF-Massenspektrometer. Zusätzlich steuert
das SSCM 62 den Gewinn des analogen Eingangssignals 24,
das durch die Vorverstärkerschaltung 40 erzeugt
wird, indem ein Gewinnsteuersignal am Eingang 125 (2) bereitgestellt wird.
Wie in 5 gezeigt, weist
das SSCM 62 verschiedene statische Zufallszugriffsspeichermodule 90 auf,
enthaltend einen Speichersteuerspeicher 92, einen Zählwertsteuerspeicher 94,
einen Impulssteuerspeicher 96 und einen Gewinnsteuerspeicher 98,
die jeweils an eine Adressleitung 100 gekoppelt sind, die
Programmierdaten von dem ICM 32 empfängt. Jedes Speichermodul ist
in der Lage, ungefähr
4000 unterschiedliche Datenzeichenketten zu speichern, wobei jede
Datenfolge acht oder mehr Datenbits aufweist. Jedes Datenbit, das
in jedem der Speicher gespeichert ist, repräsentiert ein 2 Nanosekunden-Segment
oder Zeitabtastung. Die Ausgangssignale 104, 106 und 108 jedes
Speichers 94, 96 und 98 sind jeweils
mit Parallel-IN, Seriell-OUT 8-Bit Register 112, 114 und 116 verbunden.
Jedes Register 112, 114 und 116 empfängt 500
MHz Taktimpulse von einer Taktimpulsleitung 118. Jedes
Register wird folglich mit 8 Bit an Information alle 16 Nanosekunden
geladen, und die Daten werden von jedem Register seriell alle 2
Nanosekunden gesendet. Das Ausgangssignal 120 des Registers 110 weist
ein 8-Bit Wort auf, wobei jedes Bit an eines der acht Register in 200 gesendet wird, wie
später
genauer erklärt.
Jedes dieser Bits bildet ein Speicher/Verwerfen-Signal, das die
Daten in dem bestimmten Register als Daten identifiziert, die zu speichern
sind und die später
zu verarbeiten sind, oder als Daten, die zu ignorieren sind.
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Die Daten, die in statische RAM-Speicher 90 geladen
werden, sind bestimmt durch die Ionen von Interesse, die durch den
Benutzer im Computer 27 identifiziert werden, der mit dem
System 20 durch das ICM 32 über die Leitung 36 in
Verbindung ist. Die bestimmten geplanten Ankunftszeiten der Ionen,
die von Interesse sind, werden durch Standardtabellen bestimmt,
die dann verwendet werden, um zu identifizieren, welche 2 Nanosekunden
Datenfenster zu sammeln sind. Das Ausgangssignal 120 von
dem Speichersteuenegister 110 wird mit Datenausgangssignalen
von einem oder von dem anderen der Ausgänge 70, 72 des
A/D-Wandlers 66 kombiniert, und Ausgänge 202, 206 von
dem Ionenzähler 68 an
einem bestimmten Eingang eines Registers in 200, wie später beschrieben,
um das digitale Signal zu identifizieren oder zu markieren, dass
es von Interesse ist und zur Verarbeitung später gespeichert wird. Wenn ein
bestimmtes 8-Bit Datensegment in einem 2 Nanosekunden Fenster ausgewählt wird,
bei dem ein Ion, das von Interesse ist, erwartet wird, wird das
A/D-Digitalsignal sowie das Ionenzählwertausgangssignal vorübergehend
in einem bestimmten Register gespeichert. Ein Eingang dieses Registers
würde eine „1" aufweisen, um diese
Daten als Daten von Interesse zu kennzeichnen und sollten gehalten
werden. Daten, bei denen der spezielle Registereingang einen falschen
oder einen Nullwert aufweist, werden nicht gespeichert. In ähnlicher
Weise besetzt ein positiver Wert oder „1" die gleiche Bitposition in dem Zählwertsteuerspeicher,
ausgegeben bei 122 von dem Steuenegister 112 zum
gleichen Zeitpunkt, als „wahr" oder „1", um A/D-Daten zu
sammeln und zu speichern. Das Ausgangssignal von dem Register 112 aktiviert
den Ionenzähler 68 am
Eingang 86, wie oben kurz beschrieben.
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Die Werte, die in 94 gespeichert
sind, müssen
die Pipelineverzögerung
des A/D-Wandlers 66 berücksichtigen.
Zu beachten ist, dass die Pipeline-Verzögerung des Ionenzählers 68 auch
auf die Pipeline-Verzögerung
des A/D-Wandlers 66 abgestimmt ist. Die Daten werden in ähnlicher
Weise jeweils von den Impuls- und Gewinnsteuenegistern 114, 116 ausgegeben,
um die Zeitgebung der Modulation, Extraktion und/oder Impulsablenkung
der Impulse in dem TOF-Massenspektrometer und den Vorverstärkergewinn
für die
Schaltung 40 zu steuern.
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Das SSCM 62 (3) weist ein Gewinnsteuermodul 127 (6) auf, um den Gewinn der Vorverstärkerschaltung 40 über ein
gegebenes Zeitintervall zu steuern, sowie ein Prozessoridentifikationsmodul 148 zum
Anweisen, welcher Prozessor oder welche mehreren Prozessoren in
dem SPM 26 für
die Verarbeitung der Daten verantwortlich sind. Das Gewinnsteuermodul 127 weist
speziell einen Gewinnauswahlzähler 128 auf,
der ein Eingangssignal vom Ausgang 126 des Gewinnsteueregisters 116 empfängt, wie
oben beschrieben. Die Eingabe über 126 schaltet den
Gewinnauswahlzähler 128 hin
und her, um ein Ausgangssignal bei 130 zu erzeugen, welches
parallel zu dem Gewinnspeicher 132 und einem Komparator 134 geschaltet
ist. Der Gewinnspeicher 132 enthält Gewinninformation für jedes
Datensammelfenster, das von dem System 20 zu sammeln ist.
Die Gewinninformation, die im Speicher 132 gespeichert
ist, ist durch erste analysierte wenige Spektralproben bestimmt.
Dort wo der Gewinn eines bestimmten Fensters eine Datenbegrenzung
verursacht hat, oder unzureichend oder schwach war, wird der Gewinn
kompensiert, indem der Gewinn auf den entsprechenden Pegel eingestellt
wird. Die korrigierten Gewinnpegel werden in dem Gewinnspeicher 132 über die
Leitung 135, die mit dem ICM 32 verbunden ist,
programmiert. Jedes Mal, wenn der Gewinnauswahlzähler 128 geschaltet
wird, veranlasst das Ausgangssignal bei 130 den Gewinnspeicher 132,
einen neuen Gewinnwert für
das nächste
oder das entsprechende Datenfenster auszuwälilen. Das Ausgangssignal oder
der neue Gewinnwert bei 136 ist parallel zu einem Gewinn-Pipeline-Register 138 und
einem Zurücklesepuffer 140 geschaltet.
Der geeignete Gewinnwert für
die Vorverstärkerschaltung 40 wird
bei 142 ausgegeben. Das Ausgangssignal bei 144,
welches von dem Puffer 140 erzeugt wird, kann über die Leitung 135 an
das ICM 32 über
die Leitung 13 zu Diagnosezwecken übertragen werden. Der Gewinnauswahlzähler 128 wird
nach einer bestimmten Anzahl von Gewinneinstellungen zurückgesetzt,
die der Anzahl der Datenfenster entspricht. Ein Fensterzählwert 170 wird
von dem ICM 32 über
die Leitungen 13 und 145 vorprogrammiert, um der
Anzahl an Eingaben in den Gewinnauswahlzähler 128 zu entsprechen.
Der Fensterzählwert 170 gibt
ein Signal aus, das die Anzahl an Datenfenster kennzeichnet, die
gesammelt worden sind, die mit dem Ausgang 130 von dem
Gewinnauswahlzähler 128 verglichen
werden. Wenn das Ausgangssignal bei 130 gleich dem Ausgangssignal
bei 172 ist, veranlasst ein Ausgang 146 ein Zurücksetzen
des Gewinnauswahlzählers 128 auf
Null und einen erneuten Beginn. Wie kurz oben erwähnt, identifiziert
das Prozessoridentifikationsmodul 148, welcher oder welche
Prozessoren in dem SPM 26 für die Verarbeitung der von
dem System 20 gesammelten Daten verantwortlich ist. Darüber hinaus
speichert das Modul 148 die Gewinneinstellung zu dem Zeitpunkt,
bei dem eine Datenprobe aufgezeichnet wurde.
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Viele Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler verwenden
eine Technik, die als „Pipelining" bekannt ist. Bei
dieser Technik nimmt ein A/D-Wandler 66 eine Abtastung
für ein
bestimmtes Zeitintervall vor, also alle 2 Nanosekunden. Wenn jedoch
eine bestimmte Abtastung von dem A/D-Wandler 66 ausgegeben wird,
können
30 Nanosekunden verstrichen sein, und der Gewinn zum Zeitpunkt der
Ausgabe kann verschieden sein. Um sicherzustellen, dass die geeignete
Gewinneinstellung mit der korrekten Datenabtastung vereinigt wird,
speichert eine Pipeline-Verzögerung 84,
die mit dem Eingang 126 und der Taktimpulsleitung 118 verbunden
ist, einen Wert, der die Verzögerung
repräsentiert,
die dem A/D-Wandler 66 zu eigen ist. Ein Ausgang 149 der
Pipeline-Verzögerung
ist mit einem gespeicherten Gewinn und einem Prozessoridentifikations-(PID)-Zähler 150 verbünden, der,
wenn durch den Ausgang 149 umgeschaltet, ein Ausgangssignal 152 erzeugt,
welches von dem gespeicherten Gewinn und dem PID-Speicher 154 empfangen
wird. Der gespeicherte Gewinn und der PID-Speicher 154 enthalten
gleiche Information, wie in dem Gewinnspeicher 132 enthalten,
wie oben beschrieben, jedoch ist das Ausgangssignal 158,
das mit dem gespeicherten Gewinn und dem PID Pipeline-Register 160 verbunden
ist, von Gewinnänderungen
verzögert,
die an 142 im Vorverstärker
gesetzt werden, durch den Schrittindex oder die Verzögerung,
die in dem A/D-Wandler 66 enthalten ist. Das Ausgangssignal
an 158 identifiziert ebenfalls den bestimmten Prozessor
in dem SPM 26, verantwortlich für das Empfangen und das Verarbeiten
der Datenprobe. Das PID-Tag, das der Gewinninformation angehängt ist
und vom Speicher 158 ausgegeben wird, ist ebenfalls durch
Programmierung in dem ICM 32 gemäß der Anzahl der Prozessoren
innerhalb des SPM und der Anzahl der Datenproben, die zu identifizieren
sind, die zu speichern und zu verarbeiten sind, vorab zugewiesen.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung, wie etwa dem gegenwärtig Beschriebenen, kann der
Benutzer sich in die beschriebene Anzahl von Prozessoren einklinken, ähnlich wie
Computerkarten in PCs einrasten. Wie bei den digitalen Daten des
Signals sind das Ionenzählwertbit,
das Speicher/Verwerf-Bit, die Gewinninformation und der PID-Bezeichner
dem gesammelten Datenstrom jeder Abtastung hinzuaddiert.
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Auch enthaltend einen Bereich des
SSCM 62 und speziell einen Bereich des Impulsgebersteuerspeichers 96 und
des Registers 114 ist ein TOF-Massenspektrometerperiodenzählermodul 180 (7) konfiguriert, um die
Zykluszeit oder die Zeitperiode des TOF-Massenspektrometers zu steuern
oder zu regulieren. Insbesondere empfängt ein Zähler 182, vorzugsweise
ein 12-Bit-Zähler
einen Pulstakteingang oder PCLK von einer im folgenden beschriebenen
Takterzeugungsschaltung. Das Ausgangssignal 184 des Zählers 182 ist mit
einem Komparator 190 verbunden und mit einer Leitung 100,
die das Erfassen und die Speichersteueradresse für jedes statische RAM-Modul 90,
wie oben beschrieben, liefert. Da jeder Taktimpuls PCLK den Zähler 182 umschaltet,
wird ein Ausgangssignal an 184 um „1" für
die Speicher 92, 94, 96 und 98 inkrementiert,
um jeweils die Ausgabe eines 8-Bit Datenwortes von jedem Ort alle
16 Nanosekunden zu veranlassen. Wenn bevorzugt wird, dass das TOF-Massenspektrometer
eine Zeitperiode von 20 Mikrosekunden aufweist, zählt der
Zähler 182 bis 1250 Zählwerte,
um eine 20 Mikrosekunden-Zeitperiode zu beenden, für jeden
Zählwert
werden eine 8-Bit Position in jedem Speicher in dem statischen RAM 90 identifiziert,
insgesamt 10.000 Bits. Da jede Bitposition einem 2 Nanosekunden
Zeitsegment entspricht, ist die Gesamtzeit eine 20 Mikrosekunden-Zeitperiode.
Der Zähler 182 wird durch
den Wert, der in einem Terminierungsregister 186 gespeichert
ist, zurückgesetzt,
der einen Ausgang aufweist, der mit dem Komparator 190 verbunden
ist. Wenn der Zählwert
und der Terminierungszählwert
gleich sind, setzt das Ausgangssignal 192 am Komparator
den Zähler 182 zurück.
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Erneut bezugnehmend auf 3 enthält das System 20 ein
Speichermodul 64, welches konfiguriert ist, um sämtliche
Daten, die von dem A/D-Wandler 66 digitalisiert worden
sind, zu empfangen, einen Ionenzähler 68 und
beigefügte
Bezeichnungsdaten, die von dem SSCM 62 geliefert werden.
Bezugnehmend auf die 3 und 8 bis 10 weist das Speichermodul 64 eine
Mehrzahl von Register 200 auf, vorzugsweise emittergekoppelte
Logik zu Transistor-Transistor-Logik
(ECL/TTL) – Register.
Wie in 8 gezeigt, werden
vorzugsweise acht Register 200 verwendet, die jeweils mit
REG 0 bis REG 7 bezeichnet sind und parallel angeordnet sind. Die
Register REG 0 bis REG 7 sind mit Ausgängen 70, 72 des
A/D-Wandlers 66 verbunden, mit Ausgängen 202, 206 des
Ionenzählers 68 und
mit den Ausgängen 120, 164 der
Register 110, 160 (5).
Diese Ausgänge
liefern das Speichern/Verwerf-Bit 110, das 10-Bit A/D-Signal 70, 72,
das Ionenzählwertbit 202, 206,
das 4-Bit Gewinnsignal 164 und das 2-Bit PID-Signal 164,
wie oben beschrieben.
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Man hat festgestellt, dass wenn die
Daten von dem A/D-Wandler 66 und dem Ionenzähler 68 zwischen
vielen Registern aufgeteilt werden und parallel verarbeitet werden,
der Arbeitszyklus des Speichermoduls 64 vorteilhaft reduziert
werden kann und die Zeitperiode des TOF-Massenspektrometers kann vorteilhaft
erhöht
werden. Entsprechend ist es vorzuziehen, den Ausgang 70 des
A/D-Wandlers 66 sowie den geraden Ausgang von dem Ionenzähler 68,
wie schematisch in 3 gezeigt,
als Ausgang 202 auf einen Bus 204 zu verbinden,
der mit geradzahligen Registern verbunden ist, bezeichnet mit REG
0, REG 2, REG 4 und REG 6 ( 8).
Ebenfalls mit diesem Bus verbunden und den entsprechenden Eingängen der
geradzahligen Register sind Sequenzierungs- und Speichersteuerdaten,
die das Speicher/Verwerf-Bit, die Gewinn-Bits und die PID-Bits enthalten. In ähnlicher
Weise sind die ungeradzahligen Ausgänge, einschließlich der
Ausgang 72 am A/D-Wandler 66, der Ausgang 206 des
Ionenzählers 68 und
die in Zusammenhang stehenden Sequenzierungs- und Speichersteuerdaten
mit dem Bus 208 verbunden, der mit den ungeradzahligen
Registern REG 1, REG 3, REG 5 und REG 7 verbunden ist. Darüber hinaus ist
jedes der Register 200 mit einem bestimmten Taktausgangssignal
verbunden, allgemein bezeichnet als REGCLKn, wobei n die Registernummer
ist. Wie oben kurz erwähnt,
reduziert das Speichern jeder Datenprobe in einem der acht Register 200 die
Betriebsbandbreitenanforderungen von 500 MHz auf 62,5 MHz pro Register.
An diesem Punkt ist es ebenfalls vorzuziehen, die Eigenschaft des
Signals von ECL auf TTL umzuwandeln, um die größere Verfügbarkeit von TTL-Logikkomponenten
zu berücksichtigen. ECL-Logik
kann zwar durchgehend verwendet werden, jedoch kann es sein, dass
bestimmte Komponenten angepasst werden müssen, um die Operationen durchzuführen.
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Mit den Ausgängen der Register 200 sind TTL-Logik
FIFO-Speicher 210 verbunden, die jeweils einem entsprechenden
Register REG 0 bis REG 7 zugewiesen sind (9 und 10).
Für Zwecke
dieser Diskussion ist ein bestimmtes Register 210 durch
die Bezeichnung FIFOn identifiziert, wobei n die FIFO-Adresse repräsentiert
und einem der acht Register, wie oben beschrieben, entspricht. Jedes FIFOn
empfängt
das Ausgangssignal seines Registers REGn über einen reservierten fest
verdrahteten Bus oder eine Datenleitung, die allgemein mit der Bezugsziffer 212 gekennzeichnet
ist. Jeder FIFOn-Speicher weist vorzugsweise ein 18-Bit Register
auf, welches 256 adressierbare Positionen hat. Wenn jedes FIFOn
damit beginnt Daten zu empfangen, werden Daten von jedem FIFOn sequentiell
gemäß der FIFO-Adresse
auf den jeweiligen geradzahligen und ungeradzahligen Datenbus 214, 216 ausgelesen.
Die Register 218, 220 verbinden die Ausgänge 222, 224 der
geradzahligen und ungeradzahligen FIFOs, über ihre Ausgänge 226, 228 mit
den ungeradzahligen und geradzahligen Datenbussen 214, 216.
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Die Übertragung von Daten von FIFOn
an die geradzahligen und ungeradzahligen Busse 214, 216 wird
durch eine autonome finite Zustandsmaschine (FSM) 240 gesteuert,
wie oben in 3 Speichermodul 64 gezeigt.
FSM 240 detektiert das Vorhandensein von Daten in dem FIFOn
und veranlasst das Auslesen der Daten auf die Datenbusse 214, 216.
Wenn Daten in allen FIFO- Registern 210 vorhanden
sind, liest die FSM 240 gleichzeitig Daten von den geradzahligen
und ungeradzahligen FIFOs aus. Für
jede Gruppe von ungeradzahligen und geradzahligen FIFOs werden die
Daten sequentiell von jedem FIFO ausgelesen. Beispielsweise FIFO0
Position 0, FIFO2 Position 0, FIFO4 Position 0, etc. Die Daten werden
sequentiell auf den geradzahligen Bus 214 ausgegeben. Gleichzeitig
liest die FSM 240 Daten sequentiell von den ungeradzahligen
FIFOs; beispielsweise FIFO1 Position 0, FIFO3 Position 0, FIFOS
Position 0, etc. Diese Daten werden auf dem Datenbus 216 parallel
gleichzeitig mit den Daten von den GERADZAHLIGEN FIFOs ausgegeben.
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Die Taktgebung aller Operationen
innerhalb des Systems 20 basiert auf einem Taktimpuls,
der von SSCM 62 erzeugt wird. Insbesondere weist das SSCM 62 ein
Taktmodul 250 auf, mit einem Oszillator 252 (11), der mit einer vorbestimmten
Frequenz arbeitet (s. 13 und 14). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erzeugt der Oszillator 252 ein 500 MHz Signal, welches
bei 254 an verschiedene Komponenten ausgegeben wird. Das
500 MHz Signal, das bei 254 ausgegeben wird, wird an den A/D-Wandler 66 (4) angelegt und an das Pipeline-Verzögerungsregister 84 (5), sowie an den Zähler, den
Impulsgeber und die Gewinnsteuenegister 122, 124, 126,
jeweils über
die Leitung 118. Der Ausgang 254 ist parallel
zu einem JOHNSON Zähler 256 geschaltet,
arbeitet mit der gleichen Frequenz, und zu einem Frequenzteiler 258.
Der Frequenzteiler 258 erzeugt einen Ausgangsimpuls bei 260 gleich
einem Achtel des Taktimpulses, oder 62,5 MHz. Der Ausgang 260 ist
wiederum mit einer Takterzeugungsschaltung 262 verbunden.
Die Ausgänge,
allgemein bezeichnet als 264 und 266 für die entsprechenden Zähler 256, 262,
liefert einen entsprechenden Taktimpuls an die entsprechende Vorrichtung
innerhalb des DAM 22.
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Wie in 1 gezeigt,
ist das SPM 26 operativ geschaltet, um Daten von DAM 22 zu
empfangen, die Daten anfangs zu verarbeiten und die Daten über den
Bus 13 an das ICM 32 auszugeben. Spezieller, und
unter Bezugnahme auf 12,
weist das SPM 26 einen oder mehrere Prozessoren auf, wie
gezeigt, allgemein bezeichnet als digitale Signalprozessoren und
Akkumulatorkarten (DSPAs). Obwohl in Betracht gezogen wird, dass
ein DSPA 270 adäquat
sein kann für
einige Operationen, können
mehr als ein DSPA bevorzugt sein, oder am bevorzugtesten können vier derartige
Karten verwendet werden, die jeweils adressierbar sind als DSPA
0, DSPA 1, DSPA 2 und DSPA 3 gemäß der digitalen
Adresse, die jedem Digitalsignal von dem PID-Modul 148 zugewiesen
wird, wie oben beschrieben. Zum Zwecke dieser Beschreibung und der
Klarheit ist nur ein DSPA gezeigt.
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Jeder DSPA ist verantwortlich für die erste Stufenverarbeitung
der Daten von dem A/D-Wandler 66. Da jedes Datenwort oder
Signal an die entsprechende DSPA übertragen wird, wird es entweder durch
sein geradzahliges oder ungeradzahliges Eingangs-FIFO 274 empfangen,
bevor es bei 276 ausgegeben wird. Die Datenausgabe bei 276 ist
unterteilt in A/D-Gewinndaten und Ionenzählergewinndaten. Die zwei digitalen
Signale werden über
zwei getrennte Wege entlang des Ausgangs 280 gesendet, wobei
jeder Bereich sein eigenes Tag oder seine eigene Bezeichnung beibehält. Die
Daten von dem A/D-Wandler 66 werden in dem Falle verwendet,
bei dem Ionenzähler 68 einen
bestimmten Parameter, wie im folgenden beschrieben, nicht erfüllt. Dies
erfolgt, um zu verhindern, dass ungültige Daten von dem Ionenzähler 68 verwendet
werden. Die Software, die auf dem Mikroprozessor 306 läuft, bestimmt, ob
die Ionenzählerdaten
gültig
sind, indem verifiziert wird, dass die Anzahl der Ionen (Zählwerte)
pro Sekunde klein genug ist, dass eine geringe Wahrscheinlichkeit
dafür besteht,
dass mehr als ein Ion zu einem Zeitpunkt auf den Detektor trifft.
Dies stellt sicher, dass der Ionenzähler nicht gesättigt war.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung werden die Daten von dem A/D-Wandler 66 bei 282 eingestellt,
indem der Wert des Gewinns verwendet wird. Diese Einstellung der
Daten stellt sicher, dass alle Proben mit der gleichen Referenz
abgeglichen werden. Die Einstellung erfolgt vorzugsweise, nachdem
die Daten durch ein Nachschlagtabellenmodul 286 verlaufen
und bei 284 ausgegeben wurden. Der eingestellte Wert vom A/D-Wandler 66 wird
bei 288 an einen digitalen Diskriminator 290 ausgegeben,
wo die Daten mit einem programmierten Schwellenwert verglichen werden. Wenn
der Datenwert kleiner als der Schwellenwert ist, werden die Daten
verworfen. Wenn der eingestellte Wert den Schwellenwert erfüllt oder überschreitet,
dann werden die Daten bei 292 an den Akkumulatorbereich 294 des
DSPA ausgegeben. Der Akkumulatorbereich des DSPA weist einen Addierer 296 auf,
der den eingestellten Wert von dem Ausgang 292 empfängt. Der
Addierer 296 wird durch die Datenübertragung indiziert, und der
eingestellte Wert wird zu einem vorherigen Wert addiert, der an
dieser Position in einem statischen Zufallszugriffsspeicher (SRAM) 298 gespeichert
ist, über 300 an
den Addierer 296 ausgegeben. Das Ergebnis der Addition
wird dann in dem SRAM 298 gespeichert. In dieser Weise werden
Proben einer gegebenen Analyse, die über viele Spektren gesammelt
wurden, miteinander summiert. Dieser Prozess dauert an, bis das
Ergebnis der Addition eine Überlaufbedingung
erzeugt, oder bis eine ausreichende Anzahl von Proben gesammelt worden
ist. Eine „ausreichende Anzahl" an Proben wird durch
bestimmte Programmparameter bestimmt, die von dem Operator eingestellt
werden.
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Wenn die Daten von dem Akkumulator 294 ausgegeben
werden, entweder weil der Akkumulator davor ist, überzulaufen,
oder aufgrund eines Befehls, werden die Daten bei 300 an
einem Bus 302 ausgegeben, der mit dem Schnittstellenmodul 310 verbunden
ist. Der Zweck der Akkumulatorschnittstelle 310 ist die Übernagung
der Ergebnisse, die folglich bisher angesammelt wurden, an den Mikroprozessor
auf der DSPA-Karte. Diese Funktion erlaubt die Übertragung, ohne dass irgendwelche
eingehenden Daten von DAM 22 verpasst werden. Einige Akkumulatoren erfordern
eine „Totzeit", um ihre Ergebnisse
zu überragen.
Dies erzeugt einige Proben, die verloren gehen, während der
Akkumulator seine Ergebnisse überträgt. Sobald
die Daten an den Prozessor 306 übertagen worden sind, setzt
die Software, die von dem Prozessor 306 ausgeführt wird,
den Prozess des Akkumulierens fort. Zusätzlich untersucht die Software
die A/D-Daten und die Ionenzählerdaten und
entscheidet, welche dieser gültig
sind, wie oben beschrieben. Wenn die Daten von dem Akkumulator die
ersten Proben sind, bestimmt die Software, die auf dem DSPA läuft, Gewinneinstellungen,
die zu verwenden sind, und reicht diese Information an das ICM weiter.
Diese Daten werden dann verworfen. Wenn die Gewinneinstellungen
bereits bestimmt sind, dann werden die Daten von dem Akkumulator mit
den Daten summiert, die zuvor durch DSPA gesammelt worden sind.
Diese Daten werden in einer Art und Weise summiert, um die chronologische
Reihenfolge aufrechtzuerhalten. Sobald der DSP alle erforderlichen
Daten gesammelt hat, werden sie über den
Bus 13 an das ICM übertragen.
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Der DSPA 270 weist ferner
ein Nur-Lese-, nicht flüchtigen
Speicher (ROM) – Modul 304 auf, welches
operativ mit dem Bus 302 und dem Mikroprozessor 306 verbunden
ist. Der Mikroprozessor 306 befragt das ROM 304 sowie
das DSPA 270 gemäß den darin
gespeicherten Programm. Daten, die von dem Mikroprozessor 306 gesammelt
werden, werden in einem zweiten SRAM 308 gespeichert, welches
ebenfalls mit dem Bus 302 verbunden ist. Der Bus 302 ist
operativ geschaltet, oder anderweitig mit den Akkumulatorschaltungen über ein
Akkumulatorspeicherschnittstellenmodul 310 und eine Busschnittstelle 312 jeweils
in Verbindung, wobei beide eine Daten-über-Kreuz-Übertragung erlauben. Die Busschnittstelle 312 ist
wiederum mit einem Busschnittstellenmodul 314 verbunden,
beispielsweise einen VME-Bus, und mit einem gemeinsam verwendeten
Speicher 316 über
die Leitung 318, wodurch eine Zwei-Wege-Kommunikation durch die Schnittstelle 312 an
den Mikroprozessor 316 erlaubt wird. Die Busschnittstelle 314 ist
wiederum in einer Zwei-Wege Verbindung über die Leitung 320 mit
einem VME-Bus 13 in üblicher
Weise verbunden. Der VME-Bus 313 ist operativ mit dem ICM 32 verbunden,
welches Programmierbefehle und Anweisungen an verschiedene Module
oder Systeme liefert, die das Datenerfassungssystem enthalten, welches
die Erfindung verwendet.
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Das ICM 32 (13) ist verantwortlich für das Einstellen
aller Datenerfassungsparameter. Viele der Parameter werden durch
das Programm innerhalb des damit verbundenen PCs vorgeschrieben. Andere
Parameter, wie etwa Gewinneinstellungen für den Vorverstärker 40 erfolgen
durch das ICM 32, nachdem die ersten paar Proben zu Beginn
jeder Analyse gesammelt worden sind. Nach dem Setzen des Erfassungssystems
initiiert das ICM 32 die Analyse, überwacht die Bestimmung der
Vorverstärkergewinneinstellungen,
weist die DSPA-Karten an, die Verarbeitung zu beginnen und Daten
zu speichern, sammelt die Daten von der DSPA und führt abschließende Verarbeitungsschritte
für die
Daten durch. Wenn es gefordert ist, sendet es die Daten an den PC.
Zusätzlich
und gleichzeitig zu den oben genannten Aufgaben ist das ICM 32 ebenfalls
verantwortlich für
die Gesamtoperation des TOF-Massenspektrometers.
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Das ICM 32, wie in 2 gezeigt, ist durch den
VME-Bus 13 mit der DSPA 270 und dem DAM 22 verbunden.
Dies erlaubt dem ICM 32 den DSPA 270 und das DAM 22 für Diagnosezwecke
zu testen, diese Komponenten zur Datenerfassung zu konfigurieren
und Ergebnisse von diesen Modulen nach Abschluss der Datenerfassung
zu sammeln. Das VME-Businterface 13 erlaubt ebenfalls dem
DSPA 270, auf den gemeinsamen Speicher 310A auf
dem ICM 32 zuzugreifen. Der gemeinsame Speicher 310A weist
eine dynamische Zufallszugriffsspeichersteuerung 312A auf,
die den Zugriff auf einen dynamischen Zufallszugriffsspeicher 314A steuert,
der eine Kapazität
in einem Bereich von 4 bis 256 MB aufweist. Zusätzlich erlaubt die VME-Schnittstelle 311 eine
Interprozessorkommunikation mit dem DSPA 270 über einen
Satz von bestimmten Registern in der VME-Busschnittstelle 311.
Ebenfalls operativ geschaltet mit der VME-Schnittstelle 311 ist
ein DMA und ein Datenumwandler 316A, der gebildet ist, um
die Ergebnisse, die von dem ICM 32 gesammelt worden sind,
an den PC 27 (1) über den
Bus 36 zu übertragen.
Diese bestimmte Hardware liest autonom Daten von dem gemeinsamen
Speicherblock 310A, wandelt einen bestimmten Bereich der
Daten von dem digitalen Signalprozessorformat in das Personal Computer
Format, und sendet es an den HSL-Block 318A. Der HSL-Block 318A verwendet dann
eine eigene serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle 36,
um die Ergebnisse an den PC 27 zu übertragen. Das ICM 32 liefert
ebenfalls einen digitalen Signalprozessor 320, der operativ über den
Bus 321 an die VME-Busschnittstelle 311 über eine DSP-Schnittstelle 322 geschaltet
ist. Ebenfalls operativ mit dem Bus 321 verbunden ist ein
Zufallszugriffsspeicher (RAM) 323, sowie ein Flash-Speicher 324,
die eine Programm-und Datenspeicherung für den DSP 320 liefern.
Der Flash-Speicher 324 ist vorzugsweise ein Firmware-Chip,
der elektrisch programmiert und gelöscht werden kann, und der ein halbes
Megabyte an Speicherkapazität
aufweisen kann, um die Programminformation an den DSP 320 zu
liefern. Das statische RAM 323 dient dazu, einen Pufferraum
für Daten
an und von dem DSP zu liefern, sowie zur Speicherung zusätzlicher
Betriebssoftware, die von dem Flash-Speicher 324 heruntergeladen wird.
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Mit einem 8-Bit Eingabe/Ausgabe (I/O)– Bus 326 ist
ein nicht-flüchtiger
RAM 328 zur Speicherung von Konstanten verbunden, ein dualer
universal asynchroner Transceiver 330, der wiederum operativ mit
einem RS-232 Transceiver verbunden ist, der verwendet wird, um Signale
von der Quelle 14 zu liefern und zu empfangen, wie in 1 für das TOF-Massenspektrometer
gezeigt. Ebenfalls mit dem Bus 326 ist eine NI-Schnittstelle 332 verbunden, die
konfiguriert ist, um mit allen anderen Modulen des TOF-Massenspektrometers über die
Leitung oder den Bus 23 zu kommunizieren, wie oben erwähnt und in 1 gezeigt. Ebenfalls mit
dem Bus 326 ist ein Steuer- und Statusregister verbunden,
welches Daten speichert, die während
einer Paritätsüberprüfung erzeugt
werden, und Fehlerinformationen während des Betriebs des Systems.
Es sei angemerkt, dass der 8-Bit I/O-Bus 326 mit einem
lokalen I/O-Anschluss 336 mit dem Bus 321 verbunden
ist, so dass Daten zwischen dem DSP 320, dem gemeinsamen Speicher 310 und
anderen Speicherkomponenten des ICM 32 ausgetauscht werden
können.
Es sei angemerkt, dass der 8-Bit I/O-Bus 326 ebenfalls
operativ mit dem HSL 318 verbunden ist, über einen
Bus 338, um eine direkte Übertragung der Daten zwischen
dem NV RAM 328, dem dualen universalen asynchronen Transceiver 330 und
dem NI 332 zu ermöglichen.
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In Betrieb, und in Bezugnahme auf
die 14 und 15, werden die bestimmten
Datenparameter, die aufzuzeichnen und zu sammeln sind, in dem Datenerfassungssystem 20 über Softwarebefehle
programmiert, die von dem PC an das ICM 32 geliefert werden,
das wiederum diese Befehle an die entsprechenden Komponenten und
Module überträgt, die
in dem System 20 enthalten sind. Bei Empfang der ersten
paar transienten Ionenimpulse, die auf den TOF-Massenspektrometer
beschleunigt und von dem Detektor 42 empfangen werden,
wird der Gewinn der analogen Signale, die von diesem erzeugt werden,
automatisch durch das Gewinnsteuermodul 127 (7) eingestellt und in dem
Gewinnsteuerspeicher 98 gespeichert. Als Ergebnis wird folglich
der Gewinn selbst eingestellt, um einen bestimmten Bereich oder
Schwellenwert zu erfüllen.
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Nach der Selbstkalibrierung des Gewinns, der
durch die programmierten Schwellenwerten und den Gewinnsteuermodulen 127 bestimmt
ist, wird jedes analoge Signal, das von dem Detektor 42 erzeugt
wird, in ein digitales Signal im A/D-Umwandler 66 umgewandelt,
und/oder in ein Ionenzählwertsignal
im Ionenzähler 68 (4). Wie oben kurz erwähnt muss
das Ionenzählwertsignal
für das
Register ausreichend stark sein, wie durch den Diskriminator 76 und
die Referenz 80 bestimmt. Die zwei Signale, das A/D- und
das Ionenzählwertsignal
verlaufen durch das digitale Erfassungsmodul 22, wo sie
identifiziert, gekennzeichnet oder markiert werden als digitale
Daten, die in einem oder mehreren bestimmten 2-Nanosekunden Zeitfenstern
auftreten. Jedes 2-Nanosekunden Fenster wird durch einen Zyklus
des 500 MHz Taktimpulses berechnet (s. 14).
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Bei jedem 2-Nanosekunden Zyklusauftreten wird
das Datenausgangssignal alternieren auf den Bussen 70, 72 mit
einer Frequenz von 250 MHz ausgegeben, wie durch alternierend gültige Kästen angezeigt,
die auf Zeitlinien DATA A und DATA B identifiziert sind. Die Daten,
die von dem A/D-Wandler 66 und dem Ionenzähler 68 ausgegeben
werden, sowie die Speicher- und Steuerbits, die von dem SSCM 62 geliefert
werden, werden temporär
in den Registern gespeichert, durch Aktivierung des bestimmten Registers
REGn 200 diktiert (8).
Mit einer vorbestimmten Anzahl an Registern REGn, am bevorzugtesten
mit n = 8, sind alle Register nach einem 16-Nanosekunden Zeitintervall
voll. Während
in den Registern REGn die Daten einer Eigenschaftsänderung unterzogen
werden, vorzugsweise von einem ECL-Signal (high bei –0,8 V und
low bei –1,6
V) in ein TTL-Signal (high bei 2,5 V und low bei 0,0 V), was im Wesentlichen
zu einer Verstärkung
und einer Verschiebung in dem Datensignal führt. Sobald alle Register REGn
voll sind, werden die Daten parallel über die bestimmten Busse 212 an
einen entsprechenden FIFOn übertragen.
Es ist zu diesem Zeitpunkt, dass das Speicher/Verwerf-Bit oder Label,
das ausgegeben wird, um die Daten in den FIFOn zu speichern und
an das SPM 26 weiterzugeben oder die Daten zu verwerfen,
indem erlaubt wird, dass sie in den REGn überschrieben werden, im nächsten Zyklus.
Das Speicher/Verwerf-Bit n ist direkt mit der FIFOn-Schreibermöglichung
verbunden, wodurch eine direkte Steuerung der Speicherung einer
gegebenen Datenprobe erfolgt.
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Daten, die von den FIFOs 210 ausgegeben werden,
werden parallel von den ungerad- und geradzahligen
FIFOs auf parallelen Bussen 214, 216 an eine bestimmte
der DSPAs 270 ausgegeben, die durch die Adresse oder PID
bestimmt ist, die dem Datenpaket durch SSCM 62 in DAM 26 zugewiesen ist.
Dieser Prozess wird im Wesentlichen durch FSM 240 gesteuert,
welches wiederum kontinuierlich die Daten, die in jedes FIFOn eingegeben
werden und bestimmt, welche Daten von den FIFOs zur Übemagung
an das SPM 26 gelesen werden. Jeder DSPA führt eine
Vorverarbeitung der Daten durch, einschließlich der Einstellung der Daten
auf einen Basisgewinnwert, der als Einstellung bezeichnet wird,
so dass sie summiert werden können.
Die Daten werden dann gespeichert und an das ICM 32 ausgegeben und
an eine operativ in Zusammenenhang stehende gesteuerte Software.
Nach der Ausgabe an das ICM werden die Daten dann an den PC übertragen.
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Das Datenerfassungssystem 20,
wie oben beschrieben, weist mehrere Mikroprozessoren oder Digitalsignalprozessoren
in dem ICM 32 und DSPA 270 auf. Die mehreren Digitalsignalprozessoren
liefern Hardwareunterstützung
für unteilbare
Leserechtoperationen, die zum Zugriff auf Softwaresemaphore verwendet
werden. Diese Softwaresemaphore werden wiederum verwendet, um exklusiven
Zugriff auf gemeinsame Hardware- und Softwareressourcen zu garantieren.
Beispielsweise verarbeitet der digitale Signalprozessor 306 auf
der DSPA-Karte 270 gleichzeitig Daten, die von den Akkumulatorbereichen 271, 272 übertragen
werden, während
die gleichen Abschnitte den Prozess des Akkumulierens der Daten fortsetzen.
Gleichzeitig verarbeitet der digitale Signalprozessor 320 und
das ICM 32 (13)
die Daten und die Schnittstelle zu dem PC, wandelt manchmal Daten,
die in dem gemeinsamen Speicher 310 gespeichert sind vor
einer Übertragung über das
HSL 318, 36, gesteuert durch das DMA und den Datenumwandler 316.
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Bevorzugte Datenerfassungssysteme
und Verfahren können
vorteilhafterweise die Möglichkeit schaffen,
Daten mit fast doppelter Rate, wie üblich verfügbar, zu sammeln und zu verarbeiten.
Zusätzlich
kann die Auflösung
signifikant verbessert werden, als ein Ergebnis des Sammelns größerer Segmente
von Daten über
einen kürzeren
Zeitraum, verglichen mit bisher verfügbaren. Dies kann schärfer und
besser definierte Datensätze
liefern, als bisher, wodurch es möglich wird, zwischen Ionenarten
von Masse/Ladungs-Verhältnisklassen
zu unterscheiden, die bisher nicht detektierbar waren. Darüber hinaus können bevorzugte
Verfahren und Systeme vorteilhaft sicherstellen, dass alle bestimmten
Daten, die von Interesse sind, gesammelt werden, da alle Daten digitalisiert
und vorübergehend
gespeichert werden. In dieser Weise gehen keine Daten verloren, aufgrund
eines Startens eines Systems oder einer Digitalisierungsschaltung
unmittelbar nachdem die Ionen, die von Interesse sind, bereits teilweise
detektiert worden sind.
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Die oben gegebene Beschreibung betrifft
nur bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Modifikationen der Erfindung können
von Fachleuten auf diesem Gebiet durchgeführt werden. Es ist folglich
zu verstehen, dass die Ausführungsbeispiele,
die in den Zeichnungen gezeigt und im Vorangegangenen beschrieben
worden sind, lediglich Beispiele sind und den Schutzbereich der
Erfindung nicht einschränken,
der durch die folgenden Ansprüche
definiert ist.