RU2625805C2

RU2625805C2 - Device for converting ion current of ion mobility spectrometer

Info

Publication number: RU2625805C2
Application number: RU2015119785A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Головин; Владимир Васильевич Беляков; Евгений Анатольевич Громов
Original assignee: Анатолий Владимирович Головин
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-07-19
Also published as: RU2015119785A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to the ion mobility spectrometry, which allows to detect minute quantities of explosives, drugs, hazardous and toxic substances, to conduct medical researches, as well as to ensure the quality control of food products, construction and industrial materials. The device for converting the ion currrent of the ion mobility spectrometer with fast switching the polarity of the detected ions is based on the use of the integrating and differentiating stages converting the input ion current into voltage and providing an equivalent resistive characteristic of transimpedance converting the ion current, as well as, at least, of one controlled current generator at the integrating stage inlet to set the starting voltage at its output. The compensating pulse charge of the controlled generator current is determined by the integral charge of the previous ion cycle, by the induced capacitive charges from the electrical circuits, altering the potential when switching the high voltage polarity, and the required voltage at the integrating stage output.

EFFECT: reduction of the integrating stage storage capacitor, charge control on the storage capacitor by using a current source, minimized charge transfer through the current generator control circuit, that allows to increase the integrating stage sensitivity and to optimize the dynamic range of the transimpedance ion current conversion, when switching the detected ion polarity.

5 dwg

Description

Изобретение относится к спектрометрии ионной подвижности, позволяющей обнаруживать сверхмалые количества взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проводить медицинские исследования, а также обеспечивать контроль качества продуктов питания, строительных и промышленных материалов.The invention relates to ion mobility spectrometry, which allows to detect ultra-small quantities of explosive, narcotic, dangerous and toxic substances, conduct medical research, and also provide quality control of food products, construction and industrial materials.

Прибор, работающий на основе спектрометрии ионной подвижности (рис. 1), состоит из пробоотборного устройства 1 с возможностью отбора паров из воздушной фазы и термодесорбции частиц малолетучих веществ с промежуточного носителя, источника ионизации 2, выталкивающего электрода 3, ионного затвора 4, отделяющего камеру ионизации 5 от камеры дрейфа 6, коллекторного электрода 7 с установленной защитной сеткой 8, преобразователя ионного тока 9, блока обработки и хранения данных 10, управляющей электронной системы управления 11, газового насоса 12, системы очистки воздуха 13, блока индикации и управления 14, блока коммутации 15 и аккумуляторной батареи 16 для автономной работы.A device operating on the basis of ion mobility spectrometry (Fig. 1) consists of a sampling device 1 with the possibility of taking vapors from the air phase and thermal desorption of particles of low-volatility substances from an intermediate carrier, an ionization source 2, an ejection electrode 3, an ion shutter 4, which separates the ionization chamber 5 from the drift chamber 6, the collector electrode 7 with the protective grid 8 installed, the ion current transformer 9, the data processing and storage unit 10, the control electronic control system 11, the gas pump 12, syst We clean air 13, and the display control unit 14, switching unit 15 and the battery 16 for battery life.

В основу работы спектрометров ионной подвижности положен принцип разделения ионов по критерию подвижности в однородном электрическом поле в газовой среде при атмосферном давлении. Газовый насос 12 создает поток воздуха 17, в котором проба 18 из пробоотборного устройства 1 по патрубку 19 поступает в камеру ионизации 5. Из ионов, образовавшихся при работе источника ионизации 2, с использованием выталкивающего электрода 3 и ионного затвора 4 формируется ионный сгусток 20, инжектируемый в камеру дрейфа 6, в которой происходит разделение ионов по подвижностям в постоянном электрическом поле 21 напряженностью около 200 В/см. Для обеспечения в камере дрейфа 6 стабильной газовой среды с постоянной влажностью воздуха применяется система очистки воздуха 13, оснащенная газовым насосом и сорбентом на основе молекулярных сит, которая формирует поток очищенного и осушенного воздуха 22 через патрубки 23 и 24. В результате ионы достигают коллекторного электрода 7, перед которым установлена защитная сетка 8 для минимизации индуцированных наводок от подлетающего ионного сгустка. Коллекторный электрод 7 подключается к входу преобразователя ионного тока 9, с выхода которого измеренная временная структура ионного тока поступает в блок обработки и хранения данных 10. Оперативность и точность выявления и идентификации веществ обеспечивается синхронизацией от электронной системы управления 11 через линии связи 25. Отображение информации об обнаружении и управление прибором осуществляется с помощью блока индикации и управления 14. Для подключения внешнего питания, периферии, сетевых устройств и вывода графической информации на внешние дисплеи используются разъемы блока коммутации 15. Автономную работу прибора обеспечивает аккумуляторная батарея 16.The ion mobility spectrometers are based on the principle of ion separation by the criterion of mobility in a uniform electric field in a gas medium at atmospheric pressure. The gas pump 12 creates an air stream 17, in which the sample 18 from the sampling device 1 through the pipe 19 enters the ionization chamber 5. From the ions formed during the operation of the ionization source 2, an ionic clot 20 is injected using an ejection electrode 3 and an ion gate 4 into the drift chamber 6, in which the ions are separated by mobilities in a constant electric field 21 with an intensity of about 200 V / cm. To ensure a stable gas environment with constant humidity in the drift chamber 6, an air purification system 13 is used, equipped with a gas pump and a molecular sieve sorbent, which forms a stream of purified and dried air 22 through nozzles 23 and 24. As a result, the ions reach the collector electrode 7 in front of which a protective grid 8 is installed to minimize induced pickups from an approaching ion clot. The collector electrode 7 is connected to the input of the ion current transducer 9, from the output of which the measured temporary structure of the ion current enters the data processing and storage unit 10. The efficiency and accuracy of the detection and identification of substances is ensured by synchronization from the electronic control system 11 via communication lines 25. Display of information about detection and control of the device is carried out using the display and control unit 14. To connect external power, peripherals, network devices and display graphic information mation on external displays used connectors switching unit 15. Autonomous operation of the device provides a battery 16.

При работе источника ионизации 2 в ионном сгустке 20 образуются как положительные, так и отрицательные ионы. Однако установленное при включении прибора постоянное электрическое поле 21 обеспечивает возможность детектирования или положительных, или отрицательных ионов. При этом значительная часть целевых веществ образует при ионизации только положительные или только отрицательные ионы, поэтому наибольшую практическую значимость и достоверность получаемых результатов обеспечивает спектрометрия ионов одновременно положительной и отрицательной полярности. Существуют детекторы с двумя установленными внутрь одного корпуса спектрометрами ионной подвижности, каждый из которых работает в фиксированной полярности (patent US no. 7345276, P.G. Wynn, J.A. Breach, Mar. 18, 2008). Кроме того, известны варианты разделения потоков пробы и ионов детектируемых веществ при одновременном обнаружении положительных и отрицательных ионов (patent US no. 6459079, К.J. Machlinski, M.A. Pompeii, Oct. 1, 2002; patent US no. 8415614, J.R. Atkinson, A. Clark, S.J. Taylor, Apr. 9, 2013). Существенные недостатки указанных конструкций выражаются в усложнении системы забора пробы, ухудшении транспорта пробы за счет увеличения длины канала и появления дополнительных изгибов, сложности контроля за распределением воздушного потока с целевыми веществами, применении сложных по конструкции ионных источников и ионных затворов, а также в увеличении линейных размеров и массы таких детекторов.When the ionization source 2 is operating in the ionic bunch 20, both positive and negative ions are formed. However, the constant electric field 21 established when the device was turned on makes it possible to detect either positive or negative ions. In this case, a significant part of the target substances forms only positive or only negative ions during ionization; therefore, the spectrometry of ions of both positive and negative polarity provides the greatest practical significance and reliability of the results obtained. There are detectors with two ion mobility spectrometers installed inside one housing, each of which operates in a fixed polarity (patent US no. 7345276, P.G. Wynn, J.A. Breach, Mar. 18, 2008). In addition, there are known options for separating sample flows and ions of detectable substances while detecting positive and negative ions (patent US no. 6459079, K.J. Machlinski, MA Pompeii, Oct. 1, 2002; patent US no. 8415614, JR Atkinson, A. Clark, SJ Taylor, Apr. 9, 2013). Significant disadvantages of these designs are expressed in the complexity of the sampling system, the deterioration of the transport of the sample due to the increase in the channel length and the appearance of additional bends, the difficulty of controlling the distribution of the air flow with target substances, the use of complex ionic sources and ionic gates, and the increase in linear dimensions and the masses of such detectors.

Для практического применения более перспективным представляется спектрометрия ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов. В детекторе, построенном на таком принципе, последовательно устанавливается высокое напряжение для создания электрического поля в камерах ионизации и дрейфа для детектирования отрицательных ионов, затем производится переключение полярности высокого напряжения для создания электрического поля в камерах ионизации и дрейфа для детектирования положительных ионов. Частота переключения полярности высокого напряжения более 8 Гц приводит к практически одномоментному детектированию положительных и отрицательных ионов с достоверностью, достаточной для практического применения.For practical applications, ion mobility spectrometry with fast switching of the polarity of the detected ions seems to be more promising. In a detector based on this principle, a high voltage is sequentially set to create an electric field in the ionization and drift chambers for detecting negative ions, then a high voltage polarity is switched to create an electric field in the ionization and drift chambers for detecting positive ions. The switching frequency of the high voltage polarity of more than 8 Hz leads to almost simultaneous detection of positive and negative ions with a reliability sufficient for practical use.

Важным элементом конструкции такого спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов является устройство преобразования ионного тока. Данное устройство преобразования представляет собой трансимпедансный усилитель (Усилители с токовой обратной связью, Н. Савенко, Современная электроника, №2, 2006, стр. 18-23), преобразующий входной ионный ток в напряжение, коэффициент передачи которого выражается как отношение выходного напряжения к входному току и имеет размерность сопротивления. При этом с учетом требований по обработке сигнала ионного тока коэффициент трансимпедансного преобразования такого усилителя должен составлять не менее 1 ГОм. Кроме того, требуется обеспечить защиту усилителя ионного тока от попадания тока емкостной наводки от защитной сетки при переключении полярности высокого напряжения, которые могут в несколько раз превышать ток ионного сгустка.An important design element of such an ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions is an ion current conversion device. This conversion device is a transimpedance amplifier (Amplifiers with current feedback, N. Savenko, Modern Electronics, No. 2, 2006, p. 18-23), which converts the input ion current into voltage, the transmission coefficient of which is expressed as the ratio of the output voltage to the input current and has the dimension of resistance. At the same time, taking into account the requirements for processing the ion current signal, the transimpedance conversion coefficient of such an amplifier should be at least 1 GΩ. In addition, it is necessary to ensure the protection of the ion current amplifier from the ingress of capacitive current from the protective grid when switching the polarity of high voltage, which can several times exceed the current of the ion bunch.

Устройство преобразования ионного тока, наиболее близкое к предлагаемому, используется в спектрометре ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов (Application US no. 2013/0284914, Н. Zaleski, М. Piniarski, S. Feldberg, J. Anderson, O. Samarin, Oct. 31, 2013). В данной заявке на патент первое трансимпедансное интегрирующее звено, преобразующее ток в напряжение, образовано операционным усилителем 801, конденсатором в цепи обратной связи 802 и ключом 803. При этом указанные выше компоненты могут являться составляющими стандартной интегральной схемы, такой как IVC102 компании Texas Instruments. В этом случае перенос заряда через управляющую цепь 810 составляет по спецификации компании Texas Instruments 0,2 пикокулона. Второе дифференцирующее звено 805 основано на операционном усилителе 806 с низким уровнем шума, с резистором R1 в обратной связи и конденсатором С2. Таким образом, коэффициент трансимпедансного преобразования схемы усиления ионного тока 800 составляет около 1 ГОм.The closest to the ion current conversion device is used in an ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions (Application US no. 2013/0284914, N. Zaleski, M. Piniarski, S. Feldberg, J. Anderson, O. Samarin, Oct. 31, 2013). In this patent application, the first transimpedance integrating element that converts current to voltage is formed by an operational amplifier 801, a capacitor in the feedback circuit 802, and a key 803. The above components may be components of a standard integrated circuit such as Texas Instruments IVC102. In this case, the charge transfer through the control circuit 810 is, according to the specification of Texas Instruments, 0.2 pc. The second differentiator 805 is based on a low noise operational amplifier 806, with feedback resistor R1 and capacitor C2. Thus, the transimpedance conversion coefficient of the ion current amplification circuit 800 is about 1 GΩ.

Для защиты усилителя ионного тока от попадания тока емкостной наводки от защитной сетки при переключении полярности высокого напряжения ключ 803 переводится в закрытое состояние перед переключением полярности и остается закрытым во время переключения полярности высокого напряжения, открываясь на несколько миллисекунд позже для стабилизации напряжения на защитной сетке. Типовая длительность между закрытым и открытым состоянием ключа 803 составляет менее 5 мс.To protect the ion-current amplifier from getting the capacitive induction current from the protective grid when switching the polarity of the high voltage, the key 803 is turned to the closed state before switching the polarity and remains closed during the switching of the polarity of the high voltage, opening a few milliseconds later to stabilize the voltage on the protective grid. The typical duration between the closed and open state of the key 803 is less than 5 ms.

Первым недостатком описанного в заявке на патент Application US no. 2013/0284914 устройства преобразования ионного тока является значительный перенос заряда из цепи управления 810. С учетом требований по миниатюризации дрейфовых камер спектрометров ионной подвижности и повышения разрешающей способности приходится ограничивать суммарный заряд ионного сгустка, попадающего на коллектор ионного тока. При этом типовое значение такого заряда составляет около 0,4 пКл. Таким образом, указанный в заявке Application US no. 2013/0284914 перенос заряда через управляющую цепь 810 величиной 0,2 пКл окажет сильное влияние на выходной сигнал устройства преобразования ионного тока, что приведет к значительному искажению сигнала и ограничению динамического диапазона.The first drawback of Application US no. 2013/0284914 the ion current conversion device is a significant charge transfer from the control circuit 810. Given the requirements for miniaturization of the drift chambers of ion mobility spectrometers and increase the resolution, it is necessary to limit the total charge of the ion bunch falling on the ion current collector. In this case, the typical value of such a charge is about 0.4 pC. Therefore, the application in US Application no. 2013/0284914 charge transfer through the control circuit 810 of 0.2 pC will have a strong effect on the output signal of the ion current conversion device, which will lead to significant signal distortion and limited dynamic range.

Второй недостаток связан с большим значением емкости 802 цепи обратной связи величиной 10 пФ, ограничивающей импеданс преобразования всего усилительного блока 800. При суммарном заряде типового ионного сгустка 0,4 пКл полное изменение выходного напряжения интегрирующего звена 804 составит 40 мВ, что, в свою очередь, приведет к низкому соотношению сигнал-шум.The second disadvantage is associated with a large feedback capacitance 802 of 10 pF, which limits the conversion impedance of the entire amplification unit 800. With a total charge of a typical ion bunch of 0.4 pC, the total change in the output voltage of the integrating unit 804 will be 40 mV, which, in turn, will result in a low signal to noise ratio.

Третий недостаток заключается в снижении динамического диапазона усилителя ионного тока, поскольку отсутствует возможность предварительного вывода уровня напряжения на выходе интегрирующего звена 804 к нижней границе диапазона выходных напряжений при измерении отрицательных ионов и к верхней границе диапазона при детектировании положительных ионов.The third disadvantage is the reduction in the dynamic range of the ion current amplifier, since it is not possible to preliminarily output the voltage level at the output of the integrating element 804 to the lower boundary of the output voltage range when measuring negative ions and to the upper limit of the range when detecting positive ions.

Применение стандартной интегральной схемы IVC102 компании Texas Instruments, как описано в заявке Application US no. 2013/0284914, имеет следующие недостатки: большое значение конденсатора обратной связи и соответствующий низкий импеданс преобразования, существенное усложнение схемотехники из-за необходимости двухполярного питания с жесткими требованиями по уровню пульсаций, ограничения на возможность вывода в произвольную стартовую точку интегрирования из-за фиксированного начального уровня сброса выходного напряжения. Кроме того, значительный входной ток и его сильная зависимость от температуры из-за использования полевых транзисторов с управляемым p-n-переходом (FET) вызывают ограничения длительности интегрирования, выход усилителя из линейного режима и насыщение выходного каскада.Texas Instruments standard IVC102 integrated circuit application as described in Application US no. 2013/0284914, has the following disadvantages: the large value of the feedback capacitor and the corresponding low conversion impedance, a significant complication of circuitry due to the need for bipolar power supply with stringent pulsation requirements, restrictions on the ability to output integration to an arbitrary starting point due to a fixed initial level discharge output voltage. In addition, a significant input current and its strong temperature dependence due to the use of field effect transistors with a controlled pn junction (FET) cause limitations on the duration of integration, the output of the amplifier from linear mode, and saturation of the output stage.

Задача предлагаемого устройства преобразования ионного тока спектрометра ионной подвижности, работающего в режиме быстрого переключения полярности высокого напряжения для попеременного детектирования положительных и отрицательных ионов, состоит в компенсации смещения напряжения на выходе трансимпедансного интегрирующего звена, возникающего в результате интегрирования заряда емкостной наводки от электрических цепей, изменяющих потенциал при переключении полярности высокого напряжения, минимизации переноса заряда через цепь управления и оптимизации динамического диапазона для увеличения точности и повышения достоверности результатов измерений.The objective of the proposed device for converting the ion current of the ion mobility spectrometer operating in the fast switching mode of high voltage polarity for alternately detecting positive and negative ions is to compensate for the voltage bias at the output of the transimpedance integrating element resulting from the integration of capacitive pickup charge from electric circuits that change the potential when switching the polarity of the high voltage, minimizing charge transfer through the circuit pack ION and optimizing the dynamic range to increase accuracy and improve the reliability of measurement results.

Предлагаемое устройство преобразования ионного тока спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов (рис. 2) отличается использованием управляемого генератора 26 пикоамперного тока на входе 27 интегрирующего каскада 28. Интегрирующий каскад 28 образован операционным усилителем 29 с накопительным конденсатором в цепи обратной связи 30. Генератор 26 управляется по цепям 31, обеспечивая два режима работы интегрирующего каскада 28: режим начальной установки и рабочий режим трансимпедансного преобразователя. Режим начальной установки заключается в выводе напряжения на выходе 32 на заданный стартовый уровень при подготовке к измерению ионов определенной полярности в необходимом динамическом диапазоне. Это обеспечивается подачей на вход 27 импульса пикоамперного тока от генератора 26 и его интегрированием. Величина, полярность, длительность и количество импульсов пикоамперного тока определяется интегральным зарядом ионов предыдущего цикла, зарядами, наводимыми от защитной сетки 8 через коллекторный электрод 7 при переключении полярности, и необходимым динамическим диапазоном. Рабочий режим трансимпедансного преобразователя обеспечивает преобразование ионного тока 33, поступающего от коллекторного электрода 7 на вход 27 интегрирующего каскада 28 в напряжение на выходе 32, которое подается на дифференцирующий каскад 34, состоящий из входного конденсатора 35, операционного усилителя 36 и резистора в цепи обратной связи 37. Совместное действие интегрирующего 27 и дифференцирующего 34 каскадов обеспечивает эквивалентную резистивную характеристику трансимпедансного преобразования ионного тока 33. Далее сигнал с выхода 38 дифференцирующего каскада 34 поступает в блок обработки и хранения данных 10.The proposed device for converting the ion current of the ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions (Fig. 2) is characterized by the use of a controlled generator 26 of picoampere current at the input 27 of the integrating stage 28. The integrating stage 28 is formed by an operational amplifier 29 with a storage capacitor in the feedback circuit 30. The generator 26 is controlled by circuits 31, providing two operating modes of the integrating stage 28: the initial installation mode and the operating mode of the transimpedance converter I am. The initial installation mode consists in outputting the voltage at the output 32 to a predetermined starting level in preparation for measuring ions of a certain polarity in the required dynamic range. This is ensured by applying a picoampere current pulse to the input 27 from the generator 26 and its integration. The magnitude, polarity, duration and number of pulses of the picoampere current is determined by the integral charge of the ions of the previous cycle, the charges induced from the protective grid 8 through the collector electrode 7 when the polarity is switched, and the necessary dynamic range. The operating mode of the transimpedance converter provides the conversion of the ion current 33 supplied from the collector electrode 7 to the input 27 of the integrating stage 28 into a voltage at the output 32, which is supplied to the differentiating stage 34, consisting of an input capacitor 35, an operational amplifier 36, and a resistor in the feedback circuit 37 The combined action of integrating 27 and differentiating 34 cascades provides an equivalent resistive characteristic of the transimpedance conversion of the ion current 33. Next, the signal from output 38 differentiating cascade 34 enters the processing unit and data storage 10.

На рис. 3 приведен вариант реализации управления генератором 26 через гальваническую оптронную развязку 39 цепей 31. Подачей пакета широтно-модулированных импульсов 40 на вход гальванической оптронной развязки 39 обеспечивается вытекающий ток из анода фотодиода оптрона 41. Часть этого тока инжектируется в эмиттер р-n-р биполярного транзистора 42 и формирует ток на входе 27 интегрирующего каскада 28, вызывающий отрицательное смещение напряжения на его выходе 32. Аналогично, подачей пакета широтно-модулированных импульсов 43 с использованием оптрона 44 и n-р-n биполярного транзистора 45 формируется положительный сдвиг напряжения на выходе 32 интегрирующего каскада 28. Включение биполярных транзисторов 42 и 45 по схеме с общей базой обеспечивает минимизацию выходной емкости источника (емкость коллектор-база) и минимизацию емкостной связи между выходом (коллекторы) и цепью управления (эмиттеры) источника. Уровни пикоамперного тока, поступающего на вход 27 интегрирующего каскада 28 с генератора 26, определяются временными параметрами и количеством пакетов широтно-модулированных сигналов 40 и 43 по цепям 31, обеспечивающими заданный стартовый уровень напряжения на выходе 32 интегрирующего каскада 28. Выбор стартового уровня, равного половине напряжения питания 46, обеспечивает возможность использования операционного усилителя 29 с однополярным питанием при равных динамических диапазонах напряжения на выходе 32 для положительных и отрицательных входных токов 33. Добавление резистора 47 и конденсатора 48 позволяет ограничить полосу пропускания дифференцирующего каскада 34. При этом формируется дополнительная задержка выходного сигнала, которую необходимо учитывать при последующей обработке в блоке обработки и хранения данных 10. Использование делителя напряжения с резисторами 49 и 50 равных номиналов устанавливает стационарный уровень напряжения на выходе 38 дифференцирующего каскада 34 равным половине напряжения питания 46. Использование операционного усилителя 36 с однополярным питанием обеспечивает динамический диапазон напряжения на выходе 38 от уровня «земли» до положительного напряжения питания 46. Резистор 51 и конденсатор 52 формируют фильтр на входе оптрона 41, а резистор 53 и конденсатор 54 формируют фильтр на входе оптрона 44, преобразуя широтно-модулированные импульсы 40 и 43 из цепей управления 31 в постоянное напряжение. Резистор 55 и конденсатор 56 образуют выходной фильтр гальванической оптронной развязки 39.In fig. Figure 3 shows an embodiment of controlling the generator 26 through galvanic optocoupler isolation 39 of the circuits 31. A packet of pulse-width modulated pulses 40 is supplied to the input of the galvanic optocoupler isolation 39 from the anode of the photodiode of the optocoupler 41. A part of this current is injected into the emitter of a pnp bipolar transistor 42 and generates a current at the input 27 of the integrating stage 28, causing a negative voltage bias at its output 32. Similarly, by applying a packet of pulse-width modulated pulses 43 using an optocoupler 44 and n-p -n of the bipolar transistor 45, a positive voltage shift is generated at the output 32 of the integrating stage 28. Turning on the bipolar transistors 42 and 45 according to the scheme with a common base minimizes the output capacitance of the source (collector-base capacitance) and minimizes the capacitive coupling between the output (collectors) and the control circuit (emitters) of the source. The levels of picoampere current supplied to the input 27 of the integrating stage 28 from the generator 26 are determined by the time parameters and the number of packets of the width-modulated signals 40 and 43 along the circuits 31, providing a given starting voltage level at the output 32 of the integrating stage 28. Choosing a starting level equal to half supply voltage 46, allows the use of operational amplifier 29 with unipolar power supply with equal dynamic voltage ranges at output 32 for positive and negative current flows 33. Adding a resistor 47 and a capacitor 48 allows you to limit the passband of the differentiating stage 34. This creates an additional output signal delay, which must be taken into account during subsequent processing in the data processing and storage unit 10. Using a voltage divider with resistors 49 and 50 of equal nominal values sets the stationary voltage level at the output 38 of the differentiating stage 34 equal to half the supply voltage 46. Using an operational amplifier 36 with unipolar power This provides a dynamic voltage range at the output 38 from the ground level to the positive supply voltage 46. Resistor 51 and capacitor 52 form a filter at the input of optocoupler 41, and resistor 53 and capacitor 54 form a filter at the input of optocoupler 44, converting pulse-width modulated pulses 40 and 43 of the control circuits 31 to a constant voltage. Resistor 55 and capacitor 56 form an output filter of galvanic optocoupler isolation 39.

На рис 4. приведен вариант реализации автоматического управления генератором пикоамперных токов 26 через цепь обратной связи, использующую операционный усилитель 57 и оптронную развязку 39, для вывода напряжения на выходе 32 интегрирующего каскада 28 на уровень напряжения 58, формируемый резистивным делителем 59, 60. Сравнение уровней напряжения реализуется с помощью операционного усилителя 57. Ток обратной связи, пропорциональный разности этих уровней напряжений, ограничивается резистором 61, протекает через один из светодиодов оптронных элементов 41 и 44 гальванической оптронной развязки 39, включает генератор 26 и формирует входной втекающий или вытекающий пикоамперный ток, приводящий к достижению на выходе 32 интегрирующего каскада 28 уровня напряжения 58. Замыкание ключа 62 шунтирует оптроны 41 и 44, выключает генератор пикоамперных токов 26 и переводит интегрирующий каскад 28 в рабочий режим трансимпедансного преобразователя. Уровень напряжения 58, формируемый делителем напряжения из резисторов 59 и 60, выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимый динамический диапазон по выходу 32 интегрирующего каскада 28.Figure 4 shows an embodiment of automatic control of a picoammeter current generator 26 through a feedback circuit using an operational amplifier 57 and optocoupler isolation 39 to output the voltage at the output 32 of the integrating stage 28 to the voltage level 58 formed by the resistive divider 59, 60. Comparison of levels voltage is implemented using an operational amplifier 57. Feedback current, proportional to the difference of these voltage levels, is limited by a resistor 61, flows through one of the LEDs of the optocouplers nt 41 and 44 of the galvanic optocoupler isolation 39, turns on the generator 26 and generates an incoming or outgoing pico-ampere current, which leads to the voltage level 58 reaching output 32 of the integrating stage 28. Closing the switch 62 shunts the optocouplers 41 and 44, turns off the pico-ampere current generator 26 and transfers integrating cascade 28 into the operating mode of the transimpedance converter. The voltage level 58 generated by the voltage divider from the resistors 59 and 60 is selected so as to provide the necessary dynamic range for the output 32 of the integrating stage 28.

На рис 5. приведен вариант реализации автоматического управления генератором пикоамперных токов 26 через пассивную резистивно-емкостную цепь, состоящую из резистора 63 и конденсатора 64. В рабочем режиме трансимпедансного преобразователя интегрирующего каскада 28 ключи 65 и 66 замкнуты, генератор 26 выключен. Номинал резистора 63 намного больше номиналов резисторов 59 и 60, поэтому конденсатор 64 заряжается до значения, близкого к уровню напряжения 58. При переходе в режим начальной установки уровня напряжения на выходе 32 интегрирующего каскада 28 ключи 65 и 66 размыкаются, и между входом 27 и выходом 32 интегрирующего каскада 28 устанавливается токовая обратная связь через резистор 63, конденсатор 64 и генератор 26. В результате происходит установление уровня напряжения на выходе 32 интегрирующего каскада 28 на уровень, близкий к напряжению на конденсаторе 64 и уровню напряжения 58. Для поддержания установленного уровня напряжения на конденсаторе 64 требуется обязательная регулярная работа интегрирующего каскада 28 в рабочем режиме трансимпедансного преобразователя.Figure 5 shows an embodiment of the automatic control of the picoampere current generator 26 through a passive resistive-capacitive circuit consisting of a resistor 63 and a capacitor 64. In the operating mode of the transimpedance converter of the integrating stage 28, the keys 65 and 66 are closed, the generator 26 is turned off. The value of the resistor 63 is much higher than the values of the resistors 59 and 60, so the capacitor 64 is charged to a value close to the voltage level 58. When you switch to the initial voltage level setting mode at the output 32 of the integrating stage 28, the keys 65 and 66 open, and between the input 27 and the output 32 of the integrating stage 28, current feedback is established through the resistor 63, the capacitor 64 and the generator 26. As a result, the voltage level at the output 32 of the integrating stage 28 is set to a level close to the voltage on the capacitor 64 and voltage level 58. In order to maintain a specified voltage level on the capacitor 64, regular regular operation of the integrating stage 28 is required in the operating mode of the transimpedance converter.

Claims

A device for converting the ion current of an ion mobility spectrometer operating in the fast switching mode of high voltage polarity for alternately detecting positive and negative ions, comprising: an integrating cascade that converts the input current to voltage, in which at least before, during and after switching the high polarity voltage, using at least one adjustable current generator at the input of the integrating stage, the compensation of the offset voltage output the cascade obtained by integrating the ion charge and the capacitive pickup charge from electric circuits when switching the high voltage polarity, and setting the starting voltage level at the output of the integrating stage, which determines the admissible dynamic range of the cascade according to the input charge.