KR20230011409A - 고성능 하전 입자 검출을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하전 입자들을 검출하기 위한 검출 장치를 제안한다. 디바이스는 마이크로채널 플레이트들을 포함하는 검출 어셈블리에 의존한다. 마이크로채널 플레이트 디바이스의 유용한 표면은 검출 전면의 상류에서 빔 편향 수단의 사용을 통해 제 시간에 최대화된다. 대응하는 방법이 또한 제안된다.

Description

고성능 하전 입자 검출을 위한 장치 및 방법

본 발명은 하전 입자 검출기들의 분야에 있다. 특히, 본 발명은 무엇보다도 이차 이온 질량 분광계(Secondary Ion Mass Spectrometry)(SIMS)를 포함하는, 질량 분광계에서 응용을 찾는, 하전 입자들을 검출하기 위한 고성능 장치에 관한 것이다.

질량 분광법은 분자 또는 샘플을 구성하는 요소들을 결정하기 위해 통상적으로 사용되는 분석 기술이다. 질량 분광계는 전형적으로 이온들의 소스, 질량 분리기 및 검출기를 포함한다. 이온들의 소스는 예를 들어 기상, 액상 또는 고상의 샘플 분자들을 이온들, 즉, 전기적 비중성 하전 원자들 또는 분자들로 변환할 수 있는 디바이스일 수 있다. 수개의 이온화 기술들은 본 기술분야에 널리 공지되어 있고, 이온 소스 디바이스의 특정 구조는 본 명세서에 임의의 상세로 설명되지 않을 것이다. 대안적으로, 질량 분광계에 의해 분석될 이온들은 그 기상, 액상 또는 고상의 샘플과 조사 소스, 예컨대 레이저, 이온 또는 전자 빔 사이의 상호작용에서 기인할 수 있다. 이온 방출 샘플은 그러한 경우에 이온들의 소스인 것으로 간주된다.

이온 소스에서 비롯되는 이온 빔은 질량 분석기를 사용하여 분석되며, 이는 그 질량 대 전하 비율에 따라 이온들을 분리하거나, 분류할 수 있다. 비율은 전형적으로 m/z로 표현되며, 여기서 m은 통일된 원자 질량 단위들의 피분석물의 질량이고, z는 이온에 의해 운반되는 기본 전하의 수이다. 로렌츠 힘 법칙 및 뉴턴의 제2 운동 법칙은 비상대론적 경우에 공간에서 하전 입자들의 운동을 특징화한다. 따라서, 질량 분광계들은 이온 소스에서 나오는 이온들을 분리하기 위해 다양한 공지된 조합들에서 전기장들 및/또는 자기장들을 이용한다. 특정 질량 대 전하 비율을 갖는 이온은 질량 분석기에서 특정 궤적을 따른다. 상이한 질량 대 전하 비율들의 이온들이 상이한 궤적들을 따름에 따라, 피분석물의 조성은 관찰된 궤적들에 기초하여 결정될 수 있다. 파 빔에 포함되는 상이한 파장들의 스펙트럼의 발생을 허용하는 광학 분광계과의 유사점에 의해, 질량 분광계는 분자 또는 샘플에 포함되는 상이한 질량 대 전하 비율들의 스펙트럼을 발생시키는 것을 허용한다.

섹터 기구들은 특정 유형의 질량 분석 기구이다. 섹터 기구는 하전 입자들의 경로 및/또는 속도에 영향을 미치기 위해 자기장 또는 전기장 및 자기장의 조합을 사용한다. 일반적으로, 이온들의 궤적들은 섹터 기구를 통한 통과에 의해 굽혀지며, 그것에 의해 가벼운 느린 이온들은 더 무거운 빠른 이온들보다 더 많이 편향된다. 자기 섹터 기구들은 일반적으로 2개의 클래스에 속한다. 스캐닝 섹터 기구들에서, 자기장이 변경되어, 단일 유형의 이온만이 특별히 동조된 자기장에서 검출가능하다. 필드 강도들의 범위를 스캐닝함으로써, 질량 대 전하 비율들의 범위가 순차적으로 검출될 수 있다. 비스캐닝 자기 섹터 기구들에서, 정적 자기장이 이용된다. 이온들의 범위는 평행하게 그리고 동시에 검출될 수 있다. 공지된 비스캐닝 자기 섹터 기구들은 전형적으로 마타우후-헤르조그(Mattauch-Herzog) 유형 질량 분광계들로 분류된다.

마타우후-헤르조그 유형 질량 분석기는 정전 섹터(ESA), 그 다음 이차 이온 궤적들 상에 자기 섹터로 구성된다. 정전 섹터 및 자기 섹터의 배열은 전형적으로 자기 섹터의 출구 평면을 따라 광범위한 질량 대 전하 비율들(m/z)을 분산시키는 것을 허용한다. 모든 이온 질량들은 (원래 마타우후-헤르조그 구성 내의) 출구 평면, 또는 자기 섹터의 출구 평면로부터 거리를 두고 위치된 초점 평면에 집중된다. 공지된 마타우후-헤르조그 유형 질량 분광계들의 대부분은 가장 높은 질량 분해능에 대한 이중 집중 조건(무색 질량 필터링)에서 동작할 수 있다. 수백에서 수천까지의 전형적인 질량 분해능이 달성된다.

이러한 질량 분광계 아키텍처의 하나의 흥미로운 특징들은 이상적으로 초점 평면 검출기를 포함하는, 적절한 검출 시스템이 구비되면, 광범위한 질량 스펙트럼을 동시에 캡처하기 위한 그 능력이다. 초점 평면 검출기는 짧은 취득 시간, 전형적으로 1 초의 몇 분의 1 동안에 전체 질량 스펙트럼을 동시에 취득할 수 있다. 이러한 동시 취득 능력은 수개의 혜택들을 제공한다. 첫째로, 100%의 측정 듀티 사이클이 달성될 수 있다. 이러한 혜택은 모든 질량 대 전하 비율(m/z) 피크들이 동시에 수집되기 때문에 측정에 필요한 더 작은 샘플 크기들뿐만 아니라 더 좋은 검출 제한들을 초래할 수 있다. 둘째로, 전체 질량 스펙트럼을 동시에 기록하는 능력은 연속 및 펄스 이온화 기술들 둘 다를 사용하는 것을 허용한다. 특히, 레이저 절제/이온화와 같은 펄스 이온화 기술들은 일반적으로 스펙트럼 신호의 빠른 변화들을 도입하고 따라서 순차적인 검출 기술들은 측정들에서 에러들을 야기할 것이다.

질량 분광법에 대한 이상적인 초점 평면 검출기는 단일 이온을 검출하기에 충분히 민감해야 하는 한편 그의 단일 1차원(1D) 픽셀의 카운트 속도(로컬 카운트 속도)는 가장 높은 이온 빔 전류들을 취급하기 위해, 10⁷ 카운트들/초들(cps)보다 더 많아야 한다. 실제로, 10⁶ cps/mm보다 더 많은 1D 로컬 카운트 속도가 전형적으로 필요하다. 더욱이, 로컬 동적 범위(검출기가 검출된 신호에 선형으로 응답하는 신호 범위에 의해 정의됨)는 또한 광범위한 화학 농도들을 정확히 측정하기 위해 10⁵ 내지 10⁶인 것이 필요하다.

공지된 검출 시스템들은 전형적으로 적어도 하나의 마이크로채널 플레이트(microchannel plate)(MCP) 유닛을 포함한다. 전형적인 마이크로채널 플레이트(MCP)는 전형적인 직경들이 10 내지 100 ㎛ 범위인 10⁴ 내지 10⁷ 소형 전자 증배관들로 구성된다. 각각의 채널은 개별적인 전자 증배관으로서의 역할을 하며, 이는 단일 이온, 전자, 원자, 분자 또는 광자를 검출할 수 있다. MCP는 전형적으로 납 유리와 같은 높은 저항 재료로 제조된다. MCP의 전방 측면 및 후방 측면은 약 1000V의 전형적인 전압 차이가 전기 소스와 같은 적절한 바이어싱 수단을 통해 인가되는 금속화된 전극들이다. 단일 활성 입자가 채널 표면과 부딪칠 때, 그것은 하나 이상의 이차 전자를 생성하며, 이차 전자는 인가된 전압만큼 MCP 채널 내로 가속된다. 이들 이차 전자들 각각은 채널 벽과 다시 부딪칠 때 2개 이상의 이차 전자를 방출할 수 있다. 이러한 프로세스는 채널을 따라 캐스케이드된다. 따라서, 채널과 부딪치는 단일 활성 입자는 채널을 따라 전자 방출의 캐스케이드를 생성하여, 채널의 출력에서 적어도 10⁴개의 전자의 전자 클라우드를 초래한다. MCP 뒤에 배치된 애노드는 MCP와 부딪치는 각각의 단일 이벤트를 등록하기 위해 전자 클라우드를 전자적으로 검출할 수 있다. MCP 어셈블리는 단일 마이크로채널 플레이트, 또는 그의 스택트 어셈블리를 포함할 수 있다.

그러나, 공지된 MCP 기반 초점 평면 검출기들은 수개의 제한들에 의해 성가시게 된다. 제한된 로컬 카운트 속도는 검출 신호가 고농도 종들에 대해 포화되는 것을 초래한다. 전형적인 MCP들은 로컬 카운트 속도를 10⁴ 내지 10⁵ cps/mm²로 제한한다. 공지된 MCP 기반 초점 평면 검출기들에서, MCP의 이러한 로컬 카운트 속도는 1D 로컬 카운트 속도를 10⁴ 내지 10⁵ cps/mm 미만으로 제한한다. 제한된 로컬 동적 범위는 종들의 나쁜 검출가능 농도 범위를 초래한다. 질량 분광법은 전형적으로 최대 10⁶보다 더 큰 광범위한 동적 범위를 필요로 한다. 공지된 MCP 디바이스들의 전체 동적 범위가 전형적으로 10⁷보다 더 크지만, 그것이 허용하는 로컬 동적 범위는 수백 내지 수천 배 더 작다(10³ 내지 10⁴).

MCP 기반 기술들의 상기 2개의 제한은 주로 각각의 MCP 채널이 취급할 수 있는 최대 카운트 속도에 의해 제한된다는 사실로 인한 것이고, 따라서 하나의 검출기 픽셀의 최대 로컬 카운트 속도 및 로컬 동적 범위는 픽셀에 수반되는 MCP 채널들의 수에 의존한다. 각각의 MCP 채널은 전형적으로 2개의 검출 이벤트 사이의 수 밀리초의 데드 타임을 특징으로 하고 따라서 MCP 채널이 취급할 수 있는 최대 카운트 속도는 10² cps 미만으로 제한된다. MCP 채널의 크기에 따라, MCP의 밀도는 전형적으로 10³에서 10⁴ 채널들/mm² 미만까지이다. 동일한 채널과 부딪치는 다수의 이온을 회피하기 위한 통계들을 고려하면, 단일 MCP의 최대 카운트 속도는 최대 10⁵ cps/mm² 이하로 제한된다. 이러한 제한된 카운트 속도는 전형적으로 MCP 스택 구성들에서 더 나쁘며, 2개 또는 3개의 MCP는 전체 이득을 개선하기 위해 함께 연결된다. 이러한 경우에, 제1 MCP의 채널과 부딪치는 단일 입자는 이러한 단일 입자의 검출에 수반되는 이하의 MCP 플레이트들의 수개의 채널들에 대한 데드 타임을 초래할 수 있다. 따라서, 그러한 공지된 아키텍처에서의 달성가능 최대 카운트 속도는 10⁴ 내지 10⁵ cps/mm²보다 훨씬 더 작고, 로컬 동적 범위는 10⁴보다 훨씬 더 작다(3보다 더 큰 최소 신호 대 잡음 비를 고려함).

특허 문헌 US 6 521 887 B1은 비행 시간(Time-of-Flight)(TOF) 분광계를 개시한다. 그것은 TOF 기구의 듀티 사이클을 증가시키기 위해 펄스 또는 게이트 이온 빔을 회피하는 것을 목표로 한다. 기구의 드리프트 영역 내의 편향 수단은 단일 이온 빔을 검출 디바이스 상의 상이한 위치들로 편향시키기 위해 사용되며, 그것은 MCP 어셈블리를 포함할 수 있다.

본 발명의 목적은 선행 기술의 단점들의 적어도 일부를 극복하는 디바이스를 제시하는 것이다. 특히, 본 발명은 공지된 MCP 기반 하전 입자 검출기들에 비해 개선된 성능을 산출하는 하전 입자 검출 장치를 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 하전 입자들을 검출하기 위한 검출 장치가 제공된다. 장치는 하전 입자 빔 유입구를 포함한다. 장치는 적어도 하나의 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리의 입구 면을 포함하는 검출 전면 또는 구역을 더 포함하며, 입구 면은 제1 방향(Z)을 따라 연장되고, MCP 어셈블리는 그의 입구 면에 충돌하는 하전 입자들의 빔을 수용하고 각각의 충돌하는 하전 입자에 대해, 그의 반대 출구 면 상에서 대응하는 증폭된 검출 신호를 발생시키도록 구성된다. 장치는 상기 증폭된 검출 신호들을 수집하기 위한 적어도 하나의 판독 애노드를 포함하며, 애노드는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 출구 면까지의 거리에, 그리고 출구 면과 평행하게 배열된다. 더욱이, 장치는 상기 입구 면으로부터 거리를 두고 상기 유입구의 하류에 배열되고 상기 제1 방향(Z)을 따라 하전 입자들의 유입 빔을 선택적으로 편향시키도록 구성된 빔 편향 수단을 포함하여, 대응하는 하전 입자들은 상기 제1 방향(Z)을 따라 MCP 어셈블리의 입구 면의 상이한 부분들에 선택적으로 도달한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 하전 입자들을 검출하기 위한 검출 장치가 제안된다. 장치는 하전 입자 빔 유입구, 적어도 하나의 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리의 입구 면을 포함하는 검출 전면을 포함한다. 입구 면은 제1 방향(Z)을 따라 연장된다. MCP 어셈블리는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(X)을 따라, 그의 입구 면에 충돌하는 하전 입자들의 복수의 빔(10)을 수용하고 각각의 충돌하는 하전 입자에 대해, 그의 반대 출구 면 상에서 대응하는 증폭된 검출 신호를 발생시키도록 구성된다. 장치는 상기 증폭된 검출 신호들을 수집하기 위한 적어도 하나의 판독 애노드를 더 포함하며, 애노드는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 출구 면까지의 거리에, 그리고 출구 면과 평행하게 배열된다. 장치는 상기 입구 면으로부터 거리를 두고 상기 유입구의 하류에 배열되고 상기 제1 방향(Z)을 따라 하전 입자들의 유입 빔들을 선택적으로 편향시키도록 구성된 빔 편향 수단을 더 포함하여, 대응하는 하전 입자들은 상기 제1 방향(Z)을 따라 MCP 어셈블리의 입구 면의 상이한 부분들에 선택적으로 도달한다. 하전 입자 유입구, 빔 편향 수단, 검출 전면 및 판독 애노드는 상기 제2 방향(X)을 따라 연장된다.

바람직하게는, 빔 편향 수단은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 하전 입자 광학 유닛에 의해 하전 입자 빔의 전파 방향에 적용될 편향 각도를 동적으로 제어하도록 구성된다. 제어 유닛은 바람직하게는 데이터 처리 유닛 및 메모리 요소를 포함할 수 있으며, 데이터 처리 유닛은 원하는 기능들을 구현하기 위해 소프트웨어 코드에 의해 프로그램된다.

바람직하게는, 빔 편향 수단은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 하전 입자 빔의 전파 방향이 하전 입자 광학 유닛에 의해 편향되는 개구 각도를 동적으로 제어하도록 구성된다. 제어 유닛은 바람직하게는 데이터 처리 유닛 및 메모리 요소를 포함할 수 있으며, 데이터 처리 유닛은 원하는 기능들을 구현하기 위해 소프트웨어 코드에 의해 프로그램된다.

바람직하게는, 하전 입자 광학 유닛은 한 쌍의 편향 플레이트들 또는 브래드버리 닐슨 그리드를 포함할 수 있다. 한 쌍의 편향 플레이트들은 바람직하게는 그들 자체 사이에 하전 입자 빔 통로를 정의할 수 있다.

상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면은 바람직하게는 상기 제1 방향(Z)을 따라 2 내지 3 cm에 걸쳐 연장될 수 있다.

바람직하게는, 검출 전면 또는 구역은 상기 제1 방향(Z)에 수직인 제2 방향(X)을 따라 추가로 연장될 수 있고, 복수의 MCP 어셈블리의 입구 면들은 상기 제2 방향(X)으로 적어도 15 cm의 집계된 길이에 걸쳐 연장된다. 제1 방향은 바람직하게는 상기 빔 편향 수단에 의해 편향되기 전에 유입 하전 입자 빔의 궤적이 전개되는 평면에 수직일 수 있다.

복수의 MCP 어셈블리의 입구 면들은 바람직하게는 1 내지 100 cm의 집계된 길이에 걸쳐 연장될 수 있다.

최대 1 mm 폭의 갭은 상기 제2 방향(X)을 따라 임의의 2개의 인접 MCP 어셈블리의 각각의 출구 면들을 분리하는 것이 바람직할 수 있다.

임의의 2개의 인접 MCP 어셈블리 사이의 갭 크기는 바람직하게는 동일할 수 있다.

바람직하게는, 임의의 2개의 인접 판독 애노드를 분리하는 갭은 대응하는 2개의 인접 MCP 어셈블리의 입구 및 출구 면들을 분리하는 갭과 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다.

모든 MCP 어셈블리들은 바람직하게는 실질적으로 동일한 채널 크기 및 증폭 이득 특성들을 가질 수 있다.

바람직하게는, 모든 MCP 어셈블리들은 상기 주요 방향에 수직으로 연장되는 동일한 폭을 가질 수 있다.

검출기의 전면 구역은 바람직하게는 상기 MCP 어셈블리들의 입구 면들로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 디바이스는 각각의 MCP 어셈블리의 각각의 입구 및 출구 면들 사이에 전위 차이를 인가하도록 구성된 바이어싱 수단을 포함할 수 있다. 바이어싱 수단은 바람직하게는 전기 소스를 포함할 수 있다.

바이어싱 수단은 바람직하게는 양 또는 음의 부동 전위를 검출기의 전방 면에 인가하도록 구성될 수 있다. 바이어싱 수단은 바람직하게는 전기 소스를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 바이어싱 수단은 공통 전위를 모든 MCP 어셈블리들의 각각의 출구 면들에 인가하도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 바이어싱 수단은 양 또는 음의 부동 전위를 빔 편향 수단에 인가하도록 구성될 수 있다. 전위는 바람직하게는 검출기의 전방 면에 인가되는 부동 전위와 동일할 수 있다.

바람직하게는, 바이어싱 수단은 양 또는 음의 부동 전위를 장치의 구성요소들에 인가하도록 구성될 수 있다. 구성요소들은 바람직하게는 빔 편향 수단 및 검출기 전면을 포함할 수 있으며, MCP 어셈블리들의 일부이다.

MCP 어셈블리들은 바람직하게는 복수의 다수의 MCP 디바이스의 스택트 어셈블리, 세브론 어셈블리 또는 Z-스택트 어셈블리를 포함할 수 있다.

장치는 더 바람직하게는 각각의 MCP 어셈블리에 대한 하나의 전용 판독 애노드를 포함할 수 있고, 상기 판독 애노드는 바람직하게는 대응하는 MCP 어셈블리의 출구 면을 따라 연장될 수 있다.

적어도 하나의 판독 애노드는 바람직하게는 지연 라인 애노드, 픽셀화된 애노드 어레이, 저항 애노드, 형상화된 애노드, 단일 애노드 또는 그의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 빔 편향 수단은 상기 제2 방향(X)을 따라 연장될 수 있다.

바람직하게는, 상기 하전 입자들은 이온들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하전 입자들은 전자들을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 그 질량/전하 비율에 따라 초점 평면을 따라 이온들을 분산시키기 위한 질량 분광계가 제공된다. 분광계는 검출 전면을 갖는 검출 장치를 포함하며, 검출 전면은 상기 분산된 이온들이 검출 전면에 충돌하도록 상기 초점 평면 상에 배열된다. 분광계는 상기 검출 장치가 본 발명의 일 양태를 준수한다는 점, 및 검출 전면이 연장되는 상기 제1 방향(Z)이 이온들이 질량 분광계에 의해 분산되는 평면에 수직이라는 점에서 주목할 만하다.

바람직하게는, 상기 질량 분광계에 포함되는 상기 검출 장치의 편향 수단은 질량 분광계의 질량 필터링 유닛을 빠져 나가는 모든 분산된 이온들을 편향시키기 위해 배열될 수 있다. 질량 필터링 유닛은 바람직하게는 자기 섹터 기구를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 질량 분광계에 포함되는 상기 검출 장치의 검출 전면은 질량 분광계의 질량 필터링 유닛에 의해 분산되는 임의의 이온들이 검출 전면에 충돌하도록 상기 초점 평면에 걸칠 수 있다.

바람직하게는, 질량 분광계는 이차 이온 질량 분광법(SIMS) 디바이스일 수 있다. 질량 분광계 디바이스는 더 바람직하게는 마타우후-헤르조그 유형 디바이스일 수 있다.

질량 분광계는 바람직하게는 부동 구성에 사용되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 추가 양태에 따르면, 하전 입자들을 검출하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 본 발명의 일 양태에 따른 장치를 사용한다. 방법은 이하의 단계들:

i) 하전 입자 빔을 제공하는 단계 - 빔은 바람직하게는 전파 방향을 가질 수 있음 - ;

ii) 적어도 하나의 MCP 어셈블리가 연장되는 상기 제1 방향(Z)을 따라 미리 결정된 편향 각도에 따라 상기 하전 입자 빔을 편향시키는 디바이스의 빔 편향 수단을 사용하는 단계;

iii) 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리에 의해 제공되는 바와 같이, 증폭된 검출 신호를 판독하는, 디바이스의 적어도 하나의 판독 애노드를 사용하는 단계;

iv) 상이한 미리 결정된 검출 각도를 사용하여 단계 ii) 및 단계 iii)을 적어도 한 번 반복하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에 따르면, 하전 입자들을 검출하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 본 발명의 일 양태에 따른 장치를 사용한다. 방법은 이하의 단계들:

i') 복수의 하전 입자 빔을 제공하는 단계 - 빔들은 바람직하게는 전파 방향을 가질 수 있음 - ;

ii') 적어도 하나의 MCP 어셈블리가 연장되는 상기 제1 방향(Z)을 따라 미리 결정된 편향 각도에 따라 상기 하전 입자 빔들을 편향시키는 디바이스의 빔 편향 수단을 사용하는 단계;

iii') 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리에 의해 제공되는 바와 같이, 증폭된 검출 신호들을 판독하는, 디바이스의 적어도 하나의 판독 애노드를 사용하는 단계;

iv') 상이한 미리 결정된 검출 각도를 사용하여 단계 ii) 및 단계 iii)을 적어도 한 번 반복하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명의 일 양태에 따른 질량 분광계를 사용하는 방법이 제공된다. 방법은 이하의 단계들:

a) 상기 분광계 디바이스의 질량 필터링 유닛을 사용하여 이차 이온 빔에 포함되는 이온 종들을 분산시키며, 그것에 의해 복수의 이온 빔을 발생시키는 단계;

b) 적어도 하나의 MCP 어셈블리가 연장되는 상기 제1 방향(Z)을 따라 미리 결정된 편향 각도에 따라 상기 복수의 이온 빔을 편향시키는, 질량 분광계의 검출 장치의 일부인 분광계의 빔 편향 수단을 사용하는 단계;

c) 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리에 의해 제공되는 바와 같이, 증폭된 검출 신호를 판독하는, 질량 분광계의 검출 장치의 일부인 분광계의 적어도 하나의 판독 애노드를 사용하는 단계;

d) 상이한 미리 결정된 검출 각도를 사용하여 단계 b) 및 단계 c)를 적어도 한 번 반복하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 단계 ii) 및 단계 iii) 또는 단계 b) 및 c) 각각은 상기 제1 방향(Z)을 따라 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면의 범위에 걸쳐 하전 입자 빔 또는 복수의 이온 빔 각각을 스캔하기 위해 반복될 수 있다.

바람직하게는, 단계 ii) 및 단계 iii)은 상기 제1 방향(Z)을 따라 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면의 범위를 스캔하기 위해 반복될 수 있다.

바람직하게는, 단계 b) 및 단계 c)는 상기 제1 방향(Z)을 따라 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면의 범위에 걸쳐 복수의 이온 빔을 스캔하기 위해 반복될 수 있다.

바람직하게는, 빔 편향 수단은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 하전 입자 광학 유닛에 의해 하전 입자 빔의 전파 방향에 적용될 편향 각도를 동적으로 제어하도록 구성된다. 단계 ii) 또는 단계 b) 각각의 2개의 연속 반복 사이에서, 편향 각도는 바람직하게는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면 상에서 편향된 빔에 의한 제1 반복 동안 발생되는 스폿이 동일한 편향된 빔에 의한 제2 반복 동안 발생되는 스폿과 중첩되지 않도록 변경될 수 있다.

단계 ii)의 2개의 연속 반복 사이에서, 편향 각도는 바람직하게는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면 상에서 편향된 빔에 의한 제1 반복 동안 발생되는 스폿이 제2 반복 동안 발생되는 스폿과 중첩되지 않도록 변경될 수 있다.

단계 b)의 2개의 연속 반복 사이에서, 편향 각도는 바람직하게는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면 상에서 편향된 이온 빔에 의한 제1 반복 동안 발생되는 스폿이 동일한 편향된 이온 빔에 의한 제2 반복 동안 발생되는 스폿과 중첩되지 않도록 변경될 수 있다.

연속적으로 판독 증폭된 검출 신호들은 바람직하게는 주어진 하전 입자 또는 주어진 복수의 분산된 이온 종에 대응하는 조합된 검출 신호를 산출하기 위해 메모리 요소에 저장되고 데이터 처리 유닛에 의해 조합될 수 있다.

연속적으로 판독 증폭된 검출 신호들은 바람직하게는 주어진 하전 입자에 대응하는 조합된 검출 신호를 산출하기 위해 메모리 요소에 저장되고 데이터 처리 유닛에 의해 조합될 수 있다.

상기 조합은 바람직하게는 주어진 하전 입자에 대한 연속적으로 판독된 검출 카운트들을 합산하는 것을 포함할 수 있다.

연속적으로 판독 증폭된 검출 신호들은 바람직하게는 주어진 복수의 분산된 이온 종에 대응하는 조합된 검출 신호를 산출하기 위해 메모리 요소에 저장되고 데이터 처리 유닛에 의해 조합될 수 있다. 조합된 검출 신호는 바람직하게는 주어진 편향 각도를 사용하여 기록되는 질량 스펙트럼 데이터에 대응할 수 있다.

제안된 발명은 공지된 MCP 기반 하전 입자 검출기들에 비해 개선된 성능을 산출하는 하전 입자 검출 장치를 제공한다. 공지된 MCP 기반 하전 입자 검출기들의 제한들을 극복하기 위해, 검출기의 공간 분해능으로부터 검출가능 이온 빔 신호를 분리하는 것이 제안된다. 본 발명의 양태들에 따르면, 검출기와 부딪치는 하전 입자 빔을 검출하는 것에 수반되는 검출기의 MCP 채널들의 수가 증가된다. 이것은 MCP 채널 유입구들이 위치되는, 검출기의 전방 표면과 부딪치는 이온 빔 스폿의 위치를 변경함으로써 달성된다. MCP 채널들의 주어진 세트가 유입 빔에 의해 포화되지만, 빔은 아직 미사용된 MCP 채널들의 세트로 편향된다. MCP 채널들의 복수의 순차 세트에서 기인하는 대응하는 검출 신호들은 총 검출 신호를 재구성하기 위해 조합될 수 있다. 검출기의 공간 분해능을 유지하는 동안, 제안된 발명의 양태들은 검출가능 최대 로컬 카운트 속도 및 동적 범위를 개선한다. 적어도 10의 개선 인자가 관찰되었다. 제안된 검출 장치는 이차 이온 질량 분광법(SIMS)을 포함하여, 높은 동적 질량 분광법 적용들을 위한 MCP 기반 1D 초점 평면 검출기에 특히 유용하다. 그러한 시나리오에서, 질량 분광계의 질량 필터링 유닛(예를 들어, 자기 섹터 기구)을 빠져 나가는 이온 빔들은 집중된 이온 빔들의 확산을 수평 방향으로 방해하지 않고 검출기의 수직 방향으로 스캔된다.

본 발명의 수개의 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않는 도면들로서 예시된다.
- 도 1은 검출기 어셈블리와 부딪치는 하전 입자 빔의 사시도의 개략적인 예시이다.
- 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출 장치를 통한 측방 절개의 개략적인 예시이다.
- 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출 장치의 상면도의 개략적인 예시이다.
- 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출 장치를 통한 측방 절개의 개략적인 예시이다.
- 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하전 입자 편향 유닛의 개략적인 예시이다.
- 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질량 분광계 디바이스의 개략적인 예시이다.

이러한 섹션은 본 발명을 설명된 실시예들로 제한하지 않고, 바람직한 실시예들 및 도면들에 기초하여 본 발명의 특징들을 더 상세히 설명한다. 달리 명시되지 않는 한, 특정 실시예의 맥락에 설명된 특징들은 다른 설명된 실시예들의 추가적인 특징들과 조합될 수 있다. 설명 도처에서, 유사한 참조 번호들은 본 발명의 상이한 실시예들에 걸쳐 유사한 또는 동일한 개념에 사용될 것이다. 예를 들어, 참조들(100, 200, 300, 400 및 500)은 본 발명에 따르지만, 그의 2개의 개별적 실시예에서 검출 장치를 각각 설명한다.

설명은 본 발명을 이해하기 위해 관련되는 제안된 검출기 장치의 그들 양태들에 집중한다. 디바이스는 또한 예를 들어 적절히 치수화된 전원, 또는 각각 필요한 위치들에서 장치의 다양한 요소들을 유지하기 위한 기계 홀더 프레임과 같은, 다른 일반적으로 공지된 양태들을 포함하지만, 그들 양태들은 명시적으로 언급되지 않는다는 점이 포함한다는 점이 통상의 기술자에게 분명할 것이다.

도 1은 하전 입자 빔(10)을 예시한다. 비제한적인 예로서, 빔은 질량 분광계의 자기 필터링 섹터를 빠져 나가는 이온 빔에 대응할 수 있다. 이온 빔은 전형적으로 문자 X에 의해 표시된 방향으로 질량 분광계의 초점 평면을 따라 연장되는 하전 입자 검출기(110)와 부딪친다. 검출기의 전면(112)은 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리의 채널들의 입구 면들로 구성된다. 채널들은 그들에 진입하는 검출된 이온들을 대응하는 출구 면(114) 상에 발생되는 측정가능 검출 신호로 증폭하기 위해 사용된다. 공지된 MCP 기반 검출기들에서, 이온 빔(10)(실선들)은 항상 X 방향에 수직 방향인 Z 방향을 따라 동일한 스폿(12) 상에서 검출기(110)와 부딪친다. X 방향으로 검출기를 따르는 1D 픽셀 크기는 수직 방향(Z)으로의 검출기의 활성 폭에 의존하지 않는다. 활성 폭이 Z 방향으로 더 넓을수록, 하나의 1D 픽셀에 잠재적으로 포함되는 채널들의 수가 더 커진다. 자기 섹터 질량 분광계 기구에서의 전형적인 이온 빔은 Z 방향으로 수천 ㎛(전형적으로 2000 ㎛ 미만)만큼 X 방향으로 수백 ㎛의 작은 스폿 크기에 잘 집중된다. 따라서, 빔은 전형적으로 Z 방향으로 검출기의 이용가능 활성 폭의 일부에만 부딪쳐서, 이온 빔을 검출하는 것에 수반되는 각각의 1D 픽셀에서 증폭 채널들의 실제 수를 제한하는 것을 초래한다.

이온 빔(10, 10', 10'')이 예시된 바와 같이 Z 방향(도 1의 점선 및 파선 참조)을 따라 MCP의 활성 폭 내에 스캔되면, 이온 빔의 검출에 수반되는 실제 MCP 채널들의 총 수는 상당히 증가되고 따라서 검출가능 최대 로컬 카운트 속도 및 동적 범위는 X 방향을 따라 동일한 검출기 1D 분해능을 유지하면서 상당히 개선된다. 스폿(12, 12', 12'')은 상이한 시간들에 검출기의 전면(112)의 상이한 부분들을 조명하므로, 이러한 검출 프로세스에 수반되는 Z 방향(수직)으로의 MCP의 집계된 활성 폭은 20 mm 초과로 확장될 수 있어, 공지된 검출기들과 비교하여 적어도 한 자릿수의 개선을 초래한다. 이것은 이온 빔이 MCP 어셈블리의 전방 면(112) 상에 스캔되지 않는 경우와 비교하여 10배 초과로 로컬 카운트 속도 및 동적 범위를 개선하는 것을 돕는다. 이러한 스캐닝 메커니즘은 또한 다수의 이온이 동일한 채널과 부딪칠 확률을 추가로 감소시키고, 따라서 MCP 검출기 어셈블리의 검출 효율을 추가로 개선하는 것을 돕는다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치(100)의 개략도를 제공한다. 검출 장치(100)는 이온들 또는 클러스터 이온들과 같은 하전 입자들을 운반하는 빔(10)이 장치에 진입할 수 있는 개구부 또는 유입구(102)를 포함한다. 측방 절개도로 인해, 유입구가 도 1에 도시된 바와 같이 X 방향을 따라 연장되어, 슬릿을 형성한다는 점이 이해된다. 다수의 하전 이온 빔은 장치(100)에 진입되어, X 방향을 따라 산란되고 편향 및 검출 수단을 향해 전파된다. 예시되는 예에서, 비제한적인 예로서, 유입 하전 입자 빔(10)은 방향(Y)을 따라 유입구를 향해 이동한다. 빔 편향 수단(130)은 유입구의 하류에 배열된다. 빔 편향 수단은 편향 플레이트들, 브래드버리-닐슨 게이트 유형의 디바이스, 또는 하전 입자 빔의 방향에 선택적으로 작용하기 위한 본 기술분야에 공지된 다른 유닛들을 포함할 수 있다. 제어 유닛(140)에 의해 제어되는, 편향의 선택된 크기에 따라, 편향 수단을 가로지르는 하전 입자 빔(10)은 그의 초기 전파 방향(Y)에 대해 대응하는 편향 각도(θ)만큼 편향된다. 편향 각도는 전형적으로 하전 입자 빔이 편향 수단(130)을 가로지르면서 전개되는 전기장의 강도의 함수이다. 하전 빔(10)이 편향 수단을 나가면, 그것은 그의 벗어난 궤적을 직선 라인으로 지속하며, 전체 장치는 예시되지 않은 진공 인클로저에 포함된다. 편향 수단(130)의 더 하류에, 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리(110)가 배열된다. MCP 어셈블리는 하전 입자 빔을 수용하기 위한, 검출 전면(112)을 형성하는 복수의 마이크로채널을 포함한다. 편향 각도(θ)에 따라, 검출 전면(112) 상에 빔에 의해 발생되는 스폿은 Z 방향을 따라 채널들(12)의 상이한 세트를 조명한다. 채널에 진입하는 각각의 하전 입자에 대해, 대응하는 증폭된 전기 신호는 검출기의 출구 면(114) 상에 발생된다. 이들 검출 신호들은 적어도 하나의 판독 애노드(120)에 의해 수집되며, 이는 MCP 어셈블리의 출구 면(114)까지의 거리에, 그리고 출구 면(114)과 평행하게 배열된다. 판독 애노드(120)는 예시되지 않은 데이터 처리 수단에 동작적으로 결합된다. 데이터 처리 수단은 판독 애노드에 의해 제공되는 검출 카운트들을 메모리 요소에 저장하고/하거나 기록된 데이터를 추가 처리하도록 구성된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 검출 장치(200)를 통한 절개의 상면도를 도시한다. 다양한 개념들을 설명하기 위해, 예시된 치수들은 축척에 따라 도시되지 않고 일부 거리들은 도면의 더 용이한 이해를 위해 과장되어 있다. 장치는 주요 방향(X)을 따라, 그리고 수직 Z 방향을 따라 연장되는 전면 구역을 포함한다. 검출 전면(212)은 X 방향을 따라 나란히 배열된 복수의 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리(210)의 각각의 입구 면들을 포함한다. MCP 어셈블리들의 전방 면들(212)은 전면 구역을 구성하고 동일한 번호들은 둘 다를 지정하기 위해 사용될 것이다. 예외는 MCP 어셈블리들을 분리하는 물리적 갭들 또는 간극들(G)에 의해 주어진다. 도시되는 예에서, 3개의 MCP 어셈블리가 사용된다. 물론, 다른 복수들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 가능하다. 이용가능 MCP 크기들 및 검출 전면의 X 방향으로의 원하는 총 길이(예를 들어, 전형적인 마타우후-헤르조그 유형 질량 분광계에 대해 1 cm 미만에서 100 cm 초과까지)에 따라, MCP 어셈블리들의 적절한 수가 디바이스(200) 내로 통합된다. 도 3의 예에서, 상이한 길이들에 걸쳐 연장되는 MCP 어셈블리들 은 나란히 배열된다. 각각의 MCP 어셈블리는 상이한 크기 입구 면을 제공한다. 각각의 MCP 어셈블리(210)의 깊이(H)는 바람직하게는 동일하여, 증폭 특성들은 X 방향으로 검출기의 길이를 따라 균일하다. 비제한적인 예로서, 깊이(H)는 전형적으로 단일 MCP 어셈블리들에 대해 약 0.5 내지 1 mm, 세브론 유형 스택트 MCP 어셈블리에 대해 1 내지 2 mm, 및 Z 스택트 유형 MCP 어셈블리에 대해 1.5 내지 3 mm이다. 이상적으로, 갭들(G)은 무시가능 크기이지만, 실제로 1 mm보다 더 크지 않아야 한다. 실제로, 전방 면(212)에 충돌하는 하전 입자(즉, 이온들, 전자들)는 MCP들 중 하나의 전방 면(212)과 부딪치는 경우에만 검출될 수 있으며, 갭들(G)은 검출 범위에서 데드 스폿들을 형성한다. 바람직하게는, 임의의 2개의 인접 MCP 어셈블리 사이의 갭들은 균일한 크기이다. 각각의 충돌하는 하전 입자는 입구 면(212)에 부딪치는 MCP 어셈블리의 출구 면(214)에서 대응하는 증폭된 신호를 발생시킨다. 갭(G)은 2개의 인접 MCP 어셈블리의 각각의 출구 면들로 연장된다. 증폭된 신호들을 검출하기 위해, 적어도 하나의 판독 애노드(220)는 MCP 어셈블리들(210)의 출구 면들에 평행하게, 그로부터 거리(d)(전형적이지만 2 내지 5 mm로 제한되지 않음)를 두고 배열된다. 단일 MCP 어셈블리, 또는 다수의 MCP 어셈블리의 사용에 관계없이, 판독 애노드(들)는 비예시된 데이터 처리 수단에 동작적으로 결합되며, 이는 검출기의 X 축 및 Z 축을 따르는 그 위치와 함께, 애노드(들)에 의해 판독되는 검출 카운트들을 저장한다. Z 방향을 따르는 검출 이벤트의 위치는 MCP 어셈블리들(210)로부터 상류에 배열된 빔 편향 수단(230)에 의해 하전 입자 빔들(10)에 가해지는 편향에 의해 지시된다. 기록의 시간에 검출 장치의 구성을 설명하는 정보, 즉 MCP의 입구 면 상의 편향 전압, 각도 또는 편향 거리는 또한 각각의 검출 이벤트에 대한 검출 카운트들과 함께 저장된다. 이들 파라미터들의 값들은 편향 수단(230)에 의해 적용되는 편향 각도를 결정하는 비예시된 제어 유닛에 이용가능하다. 그렇게 행함으로써, 유입 하전 입자들(10)의 스펙트럼 데이터가 생성된다. 스펙트럼 데이터는 바람직하게는 그 추가 처리를 위해, 또는 디스플레이 디바이스 상에 동일한 것을 디스플레이하기 위해 메모리 요소에 저장된다. 처리 수단은 예를 들어 메모리 요소에 대한 판독/기입 액세스를 갖는 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 데이터 프로세서가 애노드(들)(220)를 판독하도록 디자인된 특정 회로를 포함할 수 있지만, 그것은 대안적으로 적절한 소프트웨어 코드에 의해 이러한 작업을 프로그램되는 프로그램가능 프로세서를 포함할 수 있다. 모든 설명된 구성요소들은 예를 들어 가공 프레임일 수 있는 비예시된 홀더 프레임에 의해 제 자리에 유지된다. 상이한 유형들의 애노드들(220)은 MCP 어셈블리들(210)을 떠나는 전자들을 수집하기 위해 고려될 수 있다. 제1 유형은 단일 애노드이며, 이는 전형적으로 MCP 뒤에 배치된 단일 금속 플레이트이다. 이러한 애노드 플레이트는 전체 MCP들을 떠나는 전자들의 총 수를 수집하고 따라서 MCP들과 부딪치는 총 신호 세기(입자들의 아날로그 전류 또는 수)를 검출한다. 제2 유형의 애노드는 위치 민감 애노드 판독들과 관련되며, 이는 MCP들과 부딪치는 다수의 이벤트의 위치 및 세기 둘 다를 반환할 수 있다. 위치 민감 애노드 판독의 상이한 유형들은 지연 라인(DL) 애노드, 저항 애노드, 픽셀화된 애노드 어레이, 형상화된 애노드 어레이 등과 같은 MCP 기반 검출기들에 현재 사용된다.

검출 전면이 X 축을 따라 복수의 MCP 어셈블리로 구성되면, 모든 MCP 어셈블리들은 바람직하게는 실질적으로 동일한 채널 크기 및 증폭 이득 특성들을 가질 수 있다. 게다가, 모든 MCP 어셈블리들은 상기 주요 방향에 수직으로, 즉 Z 축을 따라 연장되는 동일한 폭을 가질 수 있다. 장치는 각각의 MCP 어셈블리의 각각의 입구 및 출구 면들 사이에 전위 차이를 인가하도록 구성되는 비예시된 바이어싱 수단을 더 포함한다. 바이어싱 수단은 예를 들어 전기 소스를 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 바이어싱 수단은 양 또는 음의 부동 전위를 검출기의 전방 면에 인가하고, 공통 전위를 모든 MCP 어셈블리들의 각각의 출구 면들에 인가하도록 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제안된 검출 장치의 편향 수단은 도 4에 예시된 바와 같이, 편향 플레이트들을 포함하는 디바이스에 의해 제공된다. 도 4는 유입구(302), 이전에 설명된 바와 같이 입구 및 출구 면들(312, 314)을 갖는 MCP 어셈블리들(310), 및 이온 빔 편향기(332, 334)를 포함하는 빔 편향 수단(330)을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(300)를 통한 측방 절개도를 도시하며, 모두는 X 방향으로 연장된다.

이온 빔 편향기 내의 2개의 플레이트(332)는 평행하게 연장되고 그들 자체 사이에 하전 입자 빔(10)에 대한 통로 또는 갭을 정의한다. 편향기 플레이트들(332)은 편향기 플레이트들이 연장되는 평면에 수직인 방향으로 이온 빔들을 편향시키기 위해 반대 극성들로 바이어싱된다. 이 때문에, 전기 소스, 전압 바이어싱 유닛 또는 제어 유닛(340)이 사용된다. 편향기(332, 334)의 치수들, 상대 배열 및 바이어싱 전위들은 예를 들어, 주어진 타깃 적용을 최상으로 매칭시키기 위해, 수치 시뮬레이션을 통해 실제로 최적화된다. 비제한적인 예로서, Y 방향을 따르는 편향 플레이트 폭은 바람직하게는 2 mm 내지 8 mm 범위이다. Z 방향를 따르는 플레이트들(332) 사이의 거리는 바람직하게는 3 mm 내지 5 mm 범위이다. 플레이트들(332)과 외부 전극들(334) 사이의(프린지 필드 영역들을 더 작은 거리들로 한정하는 편향기의 양 측면들 상의) 갭은 1 mm 내지 4 mm 범위이다. 바람직하게는, 플레이트들 사이의 거리는 약 4 mm이며, 플레이트들과 외부 전극들 사이의 갭은 약 2 mm인 한편, Y 방향을 따르는 플레이트들의 폭은 약 6 mm이다. 장치의 유입구(302)를 정의하는, 외부 전극들 사이의 거리는 바람직한 경우 약 6 mm이다. 바람직하게는, 편향 플레이트들(332) 및 외부 전극들(334)은 X 축을 따라 연장되며, 이는 약 100 mm 내지 150 mm만큼, 및 바람직하게는 약 130 mm만큼 Y 및 Z 축들 둘 다에 수직이다. 일반적으로, Z 축을 따르는 이온 빔들의 편향 길이, 즉 MCP 어셈블리의 입구 면 상에서 스캔될 수 있는 최대 스팬은 증가하는 편향 플레이트 폭에 따라 증가한다. 질량 분해능 및 투과 값들은 증가하는 투과 플레이트 폭에 따라 감소한다. 20 mm의 편향의 타깃은 질량 분해능(0 V에서 관찰되는 질량 분해능의 적어도 최대 절반) 및 투과(70%)의 제약들에 따라 기하학적 및 전압 값들의 다양한 조합들에 대해 달성가능할 수 있다.

하전 입자 편향기(300)의 동작 원리는 이하와 같다: Z 축을 따르는 편향 거리(D)는 편향 플레이트들(332) 사이의 거리(d), 그들의 길이(L) 및 한 쌍의 플레이트들(±V)에 인가되는 전위 차이(ΔV)에 의존한다. 이온이 2개의 플레이트 사이에 생성되는 전기장(E = -ΔV/d)에 eV₀의 에너지로 진입할 때, 그것은 편향 각도(θ)로 편향될 것이다.

MCP 어셈블리의 각각의 MCP 채널은 단일 MCP, 세브론 또는 Z 스택 어셈블리이든지, 회복 시간을 특징으로 하며, 그 동안 채널은 새롭게 충돌하는 하전 입자를 증폭할 수 없다. 주어진 응답 시간 후에, 포화된 채널은 다시 한 번 동작가능해진다. 따라서, 바람직한 실시예에 따르면, 편향 수단의 제어 유닛은 MCP 어셈블리의 마이크로채널들의 응답 시간과 동기화된다. 제어 유닛은 효과적으로 항상 하전 입자 빔을, 이전에 설명된 바와 같은 편향을 통해, 편향의 시간에 동작 MCP 채널들을 포함하는 검출 전면의 구역들로 스티어링하는 것을 목표로 한다. 따라서, 연속적으로 그리고 선형으로 전개하는 스캐닝 패턴의 속도는 바람직하게는 MCP 채널들의 응답 시간과 동기화되어, 하전 입자 빔은 이전 조명에 의해 야기되는 고갈로부터 완전히 재충전되면 동일한 채널만을 조명한다.

대체 실시예에서, 제어 유닛은 X 방향을 따라, 주기적으로 MCP 어셈블리의 검출 전면의 Z 방향을 따라 초기에 산란되는 다수의 하전 입자 빔을 스캔하기 위해 톱니파 신호를 사용한다. 저전력 고전압 연산 증폭기는 1 Hz 내지 10 kHz 범위에서 스캔 속도로 이온 편향 플레이트들의 전압을 스캔한다. 스캐닝 신호(톱니파 신호)는 스텝 전압들의 다수의 스캔의 조합으로 구성된다. 전압 스텝들의 수는 검출기의 수직 축(Z)에서 이온 빔들의 크기 및 이온 빔들의 필요한 편향 길이에 의존한다. 더 높은 신호 속도(1 kHz 초과)는 검출기의 향상된 신호 카운트 속도를 달성하는데 바람직하다. 스캐닝 속도는 MCP 어셈블리의 포화된 채널의 회복 시간의 함수로서 실제로 설정된다. 측정이 시작될 때, 제어 유닛은 스캐닝 신호를 고전압 증폭기에 송신하고, 시간 디지털 변환기(Time-to-digital converter)(TDC)를 동기로 시작/트리거한다. 스텝 전압이 변경될 때마다, 펄스는 내부 카운터를 증가시키기 위해 제2 라인 상의 TDC로 넘어갈 것이다. 취득 동안, 데이터는 TDC로부터 수집된다. 미가공 데이터는 판독 애노드에 의해 취득되었고 TDC는 {x 위치, y 위치, 전압 스텝의 수, 및 스캔의 반복}의 포맷을 갖는다. 다수의 스캔 후에, 모든 질량 스펙트럼들을 조합하기 위해 상이한 스텝 전압들에서 각각의 질량 스펙트럼 상에 통합 시간이 있을 수 있다.

도 5는 유입구(402), 이전에 설명된 바와 같이 입구 및 출구 면들(412, 414)를 갖는 MCP 어셈블리들(410), 및 이온 빔 편향기(432, 434)를 포함하는 빔 편향 수단(430)을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(400)를 통한 측방 절개도를 도시한다.

제안된 검출 장치의 편향 수단(430)은 브래드버리-닐슨 게이트(Bradbury-Nielsen Gate)(BNG) 디바이스를 포함한다. BNG 디바이스는 Y 방향을 따라 연장되는 와이어들 또는 스트립들(433, 434)의 2개의 인터리브된 세트로 구성되며, 이는 편향 필드 영역이 짧은 거리들, 전형적으로 와이어들의 직경 또는 스트립들의 길이의 2배로 제한되도록 동일하게 이격되고 반대 극성들에서 바이어싱된다. 스트립 폭은 예를 들어 0 내지 1.6 mm 범위이며, 각각의 스트립은 50 내지 100 ㎛의 두께를 갖는다. 스트립들 사이의 거리는 0.4 mm 내지 1 mm 범위이다. 예로서, 3keV에서 이온들을 포함하는 하전 입자 빔에 대해, 스트립들 상의 전압은 편향 수단의 대응하는 비예시된 제어 유닛에 의해 0V에서 최대 ±800 V까지 증가될질 수 있다. 이온 빔들의 편향 길이는 증가하는 스트립 폭에 따라 증가한다. 투과 값들은 증가하는 스트립 폭에 따라 감소한다. 인가된 전압들에 따라, BNG는 Z 방향을 따라 전압 의존 개방을 갖는 각도 내에서 하전 입자 빔들을 산란시킨다.

모든 제시된 실시예들에서, 검출기 디바이스는 최대 10 kV의 고전압까지 부동될 수 있는 한편, 부동 전위는 정 또는 부극성을 가질 수 있다. 부동 전위는 바람직하게는 빔 편향 수단을 포함하여, 검출 장치의 모든 구성요소들에 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 양태에 따른 마타우후-헤르조그 유형 분광계 디바이스의 구성요소들을 예시한다. 이온들은 이온화 기술(여기서 논의되지 않음)에 의해 발생되고 분석 하에 샘플로부터 추출된다. 그 다음, 이온 빔(10)은 분광계의 상이한 엔티티들을 사용하여 집중되고 분석된다. 유입 이온 빔(10)을 필터링하기 위해 정전 섹터(20) 다음에 자기 섹터(30)를 사용하는 그러한 분광계들의 기능은 본 기술분야에서 잘 이해되고 이러한 설명의 맥락에서 추가 상세들로 설명되지 않을 것이다. 자기 섹터(30)는 초기 빔에 포함되는 이온들이 빠져 나가서, 그들의 각각의 질량 대 전하 비율들에 따라 주요 방향(X)을 따라 분산되는 출구 평면(32)을 포함한다. 분광계는 또한 이전에 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 검출 장치를 포함한다. 검출 장치(500)는 동작적으로 결합된 제어 유닛(540)에 의해 제어되는, 빔 편향 수단(530), 예를 들어 이전에 설명된 편향 플레이트들을 포함한다. 검출 장치는 또한 적어도 하나의 MCP 어셈블리(510)의 입구 면(512)을 특징화하는 검출 구역 또는 전면을 포함한다. 검출 전면은 분광계의 초점 평면 상에 위치되도록 배열된다. 이러한 예에서, MCP 어셈블리(510)의 입구 면(512)이 편향 수단(530)에 대해 각도를 이루어 연장될 수 있다는 점이 이해된다. 또한, 이온 빔들은 X 방향을 따라 상이한 각도들로 편향 수단(430)을 가로질러서, X 방향을 따라 각각의 위치에 대해 상이하지만, 공지된 길이들의 궤적들을 가로지르는 것을 초래한다. N개의 인가된 편향 전압 중 각각에 대해, 즉, X 축에 수직인, Z 축을 따르는 모든 필터링된 이온 빔들의 각각의 편향 각도에 대해, 샘플의 전체 질량 스펙트럼(40)(즉, 모든 m/z 비율들에 대한 질량 스펙트럼)은 이전에 설명된 바와 같이, 비예시된 판독 애노드(들) 상에 대응적으로 증폭된 검출 신호들을 기록함으로써 획득된다. N개의 대응하는 부분 질량 스펙트럼(즉, 부분 카운트된 검출 이벤트들)을 설명하는 데이터는 상기 메모리 요소에 액세스를 갖는 데이터 처리 유닛에 의해 샘플의 집계된 질량 스펙트럼(즉, 모든 m/z 비율들에 대한 집계된 카운트된 검출 이벤트들) 내로 조합될 수 있다. 검출 장치는 고진공/초고 진공(HV/UHV) 호환가능하고 마타우후-헤르조그 질량 분광계의 전체 초점 평면을 커버하며, 이는 전형적으로 수 센티미터 내지 수십 센티미터이다. 그것은 100 ㎛보다 더 좋은 1차원(수평) 공간 분해능, 10⁶ cps보다 더 좋은 로컬 카운트 속도, 10⁵보다 더 좋은 동적 범위를 제공한다.

N개의 전압/편향 스텝은 편향된 빔에 의해 MCP 입구 면들 상에 발생되는 대응적으로 편향된 스폿들이 Z 방향을 따라 입구 면의 대부분에 걸치도록 미리 결정된다. 게다가, MCP 채널들의 응답 시간이 고려된다: 주어진 전압 스텝은 하전 입자들이 포화될 때까지, MCP 채널들이 하전 입자들을 검출할 수 있는 시간에 최대 대응하는 시간 동안 인가된다. 이어서, 다른 전압 스텝이 인가되며, 여기서 2개의 스텝 사이의 차이는 편향된 빔이 포화된 모드에 있지 않은, 마이크로채널들의 상이한 세트를 다음에 조명한다는 것이다. 이들 측정들은 검출 이벤트들을 정확히 카운트하기 위한 MCP 채널들의 가용성을 최대화하며, 그것에 의해 장치의 카운트 속도를 증가시킨다. 대응하는 교정 데이터는 사용되는 MCP 어셈블리의 유형, 장치의 치수들, 및 다른 인자들에 의존한다. 이들 데이터는 장치의 어셈블리 상에 제공되고 제어 유닛(540)이 판독 액세스를 갖는 메모리 요소에서 이용가능해진다.

N개의 편향 스텝 각각에서, 대응하는 검출 신호는 판독 애노드를 사용하여 기록된다. 따라서, 모든 m/z 비율들에 대한 질량 스펙트럼 데이터는 각각의 편향 스텝에서 기록된다. 그 다음, 모든 단계들에 대응하는 데이터는 예를 들어, 전체 질량 스펙트럼을 발생시키기 위해, 연속적으로 판독된 이온 검출 카운트들을 합산함으로써 조합된다.

특정 바람직한 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 범위 내의 다양한 변경들 및 수정들이 통상의 기술자에게 분명하기 때문에, 예시로서만 주어진다는 점이 이해되어야 한다. 보호 범위는 청구항들의 이하의 세트에 의해 정의된다.

Claims (20)

1. 하전 입자들을 검출하기 위한 검출 장치(100, 200, 300, 400)로서,
   하전 입자 빔 유입구(102, 302);
   적어도 하나의 마이크로채널 플레이트(MCP) 어셈블리(110, 210, 310, 410)의 입구 면(112, 212, 312, 412)을 포함하는 검출 전면 - 상기 입구 면은 제1 방향(Z)을 따라 연장되며, 상기 MCP 어셈블리는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(X)을 따라, 그의 입구 면에 충돌하는 하전 입자들의 복수의 빔(10)을 수용하고 각각의 충돌하는 하전 입자에 대해, 그의 반대 출구 면(114, 214) 상에서 대응하는 증폭된 검출 신호를 발생시키도록 구성됨 - ;
   상기 증폭된 검출 신호들을 수집하기 위한 적어도 하나의 판독 애노드(120, 220)를 포함하며, 상기 애노드는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 출구 면까지의 거리에, 그리고 상기 출구 면과 평행하게 배열되고,
   상기 장치는 상기 입구 면으로부터 거리를 두고 상기 유입구의 하류에 배열되고 상기 제1 방향(Z)을 따라 하전 입자들의 유입 빔들을 선택적으로 편향시키도록 구성된 빔 편향 수단(130, 230, 330, 430)을 더 포함하여, 대응하는 하전 입자들은 상기 제1 방향(Z)을 따라 상기 MCP 어셈블리의 입구 면의 상이한 부분들에 선택적으로 도달하고;
   상기 하전 입자 유입구, 상기 빔 편향 수단, 상기 검출 전면 및 상기 판독 애노드는 상기 제2 방향(X)을 따라 연장되는, 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 빔 편향 수단(130, 230, 330)은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛(140, 440)을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 하전 입자 광학 유닛에 의해 상기 하전 입자 빔의 전파 방향에 적용될 편향 각도를 동적으로 제어하도록 구성되는, 검출 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 하전 입자 광학 유닛은 편향 플레이트들(332)의 쌍을 포함하는, 검출 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 빔 편향 수단(420)은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 하전 입자 빔의 전파 방향이 상기 하전 입자 광학 유닛에 의해 편향되는 개구 각도를 동적으로 제어하도록 구성되는, 검출 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 하전 입자 광학 유닛은 브래드버리 닐슨 그리드(432, 434)를 포함하는, 검출 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면은 상기 제1 방향(Z)을 따라 2 내지 3 cm에 걸쳐 연장되는, 검출 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 MCP 어셈블리의 입구 면들은 상기 제2 방향(X)으로 적어도 15 cm의 집계된 길이에 걸쳐 연장되는, 검출 장치.
8. 제7항에 있어서, 각각의 MCP 어셈블리에 대한 하나의 전용 판독 애노드를 더 포함하고, 상기 판독 애노드는 대응하는 MCP 어셈블리의 출구 면을 따라 연장되는, 검출 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 판독 애노드는 지연 라인 애노드, 픽셀화된 애노드 어레이, 저항 애노드, 형상화된 애노드, 단일 애노드 또는 그의 임의의 조합을 포함하는, 검출 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 양 또는 음의 부동 전위를 상기 빔 편향 수단을 포함하는, 장치의 구성요소들에 인가하도록 구성된 바이어싱 수단을 더 포함하는, 검출 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하전 입자들은 이온들을 포함하는, 검출 장치.
12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하전 입자들은 전자들을 포함하는, 검출 장치.
13. 이온의 질량/전하 비율에 따라 초점 평면을 따라 이온들을 분산시키는 질량 분광계로서,
    상기 분광계는 검출 전면을 갖는 검출 장치를 포함하며, 상기 검출 전면은 분산된 이온들이 상기 검출 전면에 충돌하도록 상기 초점 평면 상에 배열되고, 상기 검출 장치는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항을 준수하고, 상기 제1 방향(Z)은 상기 이온들이 분산되는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는, 질량 분광계.
14. 제13항에 있어서, 상기 검출 장치의 편향 수단은 상기 질량 분광계의 질량 필터링 유닛을 빠져 나가는 모든 분산된 이온들을 편향시키기 위해 배열되는, 질량 분광계.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 검출 장치의 검출 전면은 상기 질량 분광계의 질량 필터링 유닛에 의해 분산되는 임의의 이온들이 검출 전면에 충돌하도록 상기 초점 평면에 걸치는, 질량 분광계.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 마타우후-헤르조그(Mattauch-Herzog) 유형 디바이스인 것을 특징으로 하는, 질량 분광계.
17. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하여, 하전 입자들을 검출하기 위한 방법으로서, 이하의 단계들:
    i) 복수의 하전 입자 빔을 제공하는 단계;
    ii) 적어도 하나의 MCP 어셈블리가 연장되는 상기 제1 방향(Z)을 따라 미리 결정된 편향 각도에 따라 상기 하전 입자 빔들을 편향시키는 디바이스의 빔 편향 수단을 사용하는 단계;
    iii) 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리에 의해 제공되는 바와 같이, 상기 증폭된 검출 신호들을 판독하는, 상기 디바이스의 적어도 하나의 판독 애노드를 사용하는 단계;
    iv) 상이한 미리 결정된 편향 각도를 사용하여 단계 ii) 및 단계 iii)을 적어도 한 번 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 질량 분광계를 사용하는 방법으로서,
    이하의 단계들:
    a) 상기 분광계 디바이스의 질량 필터링 유닛을 사용하여 이차 이온 빔에 포함되는 이온 종들을 분산시키며, 그것에 의해 복수의 이온 빔을 발생시키는 단계;
    b) 적어도 하나의 MCP 어셈블리가 연장되는 상기 제1 방향(Z)을 따라 미리 결정된 편향 각도에 따라 상기 복수의 이온 빔을 편향시키는 상기 분광계의 빔 편향 수단을 사용하는 단계;
    c) 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리에 의해 제공되는 바와 같이, 상기 증폭된 검출 신호를 판독하는, 분광계의 적어도 하나의 판독 애노드를 사용하는 단계;
    d) 상이한 미리 결정된 검출 각도를 사용하여 단계 b) 및 단계 c)를 적어도 한 번 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 단계 ii) 및 단계 iii) 또는 단계 b) 및 c) 각각은 상기 제1 방향(Z)을 따라 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면의 범위에 걸쳐 상기 하전 입자 빔 또는 상기 복수의 이온 빔 각각을 스캔하기 위해 반복되는, 방법.
20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 편향 수단은 하전 입자 광학 유닛 및 제어 유닛(140, 440)을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 하전 입자 광학 유닛에 의해 상기 하전 입자 빔의 전파 방향에 적용될 편향 각도를 동적으로 제어하도록 구성되고, 단계 ii) 또는 단계 b) 각각의 2개의 연속 반복 사이에서, 상기 편향 각도는 상기 적어도 하나의 MCP 어셈블리의 입구 면 상에서 편향된 빔에 의한 제1 반복 동안 발생되는 스폿이 동일한 편향된 빔에 의한 제2 반복 동안 발생되는 스폿과 중첩되지 않도록 변경되는, 방법.

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