TW202200983A - 用於偵測帶電粒子之粒子偵測器 - Google Patents

用於偵測帶電粒子之粒子偵測器 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種粒子偵測器(1)，該粒子偵測器(1)包括：一量測電極(6)，其用於量測帶電粒子(2)；一偵測裝置(7)，其用於偵測藉由該量測電極(6)量測之該等帶電粒子(2)；及一評估裝置(8)，其用於判定藉由該偵測裝置(7)偵測之帶電粒子(2)之數目(QN )。該偵測裝置(7)具有用於將由該等帶電粒子(2)產生之一電荷信號(Q(t))轉換成一電壓信號(U(t))的一電荷放大器(9)，及用於放大該電壓信號(U(t))之一放大器裝置(10)。

Description

用於偵測帶電粒子之粒子偵測器
本發明係關於一種用於偵測帶電粒子之粒子偵測器。
本發明係關於一種粒子偵測器，該粒子偵測器包括：一量測電極，其用於量測帶電粒子；一偵測裝置，其用於偵測藉由量測電極量測之帶電粒子；及一評估裝置，其用於判定藉由偵測裝置偵測之帶電粒子之數目。
粒子偵測器主要用於質譜儀範圍(MS範圍)內以偵測粒子或對粒子進行計數。使在高真空(fine/high vacuum)範圍內產生及提取之帶電粒子加速至一適合量測或收集電極且在該處藉助於一偵測裝置進行偵測。存在用於偵測帶電粒子(例如，離子)之各種方法：可藉由感應電荷量測(非破壞性)或藉由粒子碰撞(破壞性)來偵測帶電粒子。
兩種破壞性粒子偵測方法之間存在區別： •     例如，使用一法拉第杯(Faraday cup)進行帶電粒子之電流偵測 •     使用一電子管透過電子倍增進行粒子之偵測
運用法拉第杯，達成小動態範圍(至多3個十進位級(3 decades))。針對較大動態範圍(高達5個至6個十進位級)，使用所謂的主動電荷倍增器(諸如倍增極(dynode)、通道電子倍增器(通道倍增器(Channeltron))或二次電子倍增器(SEM))及微通道板(MCP)，參見例如J.L. Wiza之文章「Microchannel plate detectors」(Nuclear Instruments and Methods，第162卷，第1-3期、第1-15期，1979年，第587頁至第601頁)，或M. Pfeifer等人之「Low power readout electronics for a UV MCP detector with cross strip anode」(Journal of Instrumentation，第9卷，2014年3月)。
一般而言，關於粒子電流之量測，參考柏林之P. Strehl、Springer之書「Beam instrumentation and diagnostics」(2006年)以及紐約之Springer之「Techniques for Nuclear and Particle Experiments: A How-to Approach」(1994年)。
電荷倍增器之問題係長期操作期間之大漂移及降級。例如，在MCP之情況中，歸因於微通道之永久不可逆故障，必須藉由不斷地提高高加速電壓來不斷地重新調整放大率。最後，從一應用視角來看，必須在一短操作時間之後更換電荷倍增器。另一方面，法拉第杯非常穩健且幾乎不展示任何可量測漂移及降級，但當前已知之量測配置僅達成小動態範圍。
總之，使用具有高穩健性及穩定性之一法拉第杯或收集電極藉由電流量測進行之帶電粒子的偵測係可能的，但靈敏度比藉由一電荷倍增器偵測帶電粒子時低。
另一方面，使用一電荷倍增器之粒子偵測之動態範圍比使用一法拉第杯之偵測動態大高達三個十進位級。另外，由於此等電荷倍增器之電流量測，此類型之偵測對具有高質量之粒子之靈敏度明顯降低。電荷倍增器之靈敏度與質荷比m/z之平方根成反比。
本發明之 目的 本發明之目的係提供一種粒子偵測器，該粒子偵測器一方面非常穩健，且另一方面在偵測帶電粒子時具有一高動態範圍。
本發明之 標的 藉由上述類型之一粒子偵測器達成此目的，其中偵測裝置具有用於將由帶電粒子產生之一電荷信號轉換成一電壓信號的一電荷放大器，及用於放大該電壓信號之一放大器裝置。
在根據本發明之粒子偵測器中，不同於具有呈一法拉第杯之形式之一量測電極的習知粒子偵測器，未藉助於一靜電計量測及評估帶電粒子之電流，而是藉助於一電荷放大器將由帶電粒子產生之一電荷信號轉換成一電壓信號。以此方式，粒子偵測器可用於以高度穩健性及穩定性偵測個別粒子，與具有呈一法拉第杯之形式之一量測電極的一偵測器一樣。藉助於放大器裝置，亦放大電壓信號以確保高達5個至6個十進位級之一動態範圍。然而，與一電荷倍增器相反，並非個別電荷經放大以產生大動態範圍，而是放大由電荷放大器產生之電壓信號。
根據本發明之粒子偵測器能夠偵測個別帶電粒子且判定加速至量測電極之粒子之數目或其等總電荷。偵測裝置通常設計為用於處理類比信號之一電子電路之形式。偵測裝置較佳應配置或附接為儘可能接近量測電極。
評估裝置通常為經設計以數位地處理信號之一電子單元。評估裝置讀取偵測裝置之輸出且評估其等狀態或結果以判定所偵測之帶電粒子之數目。
評估裝置可經設計以控制偵測裝置(例如，放大器裝置)，如下文將更詳細描述。
在一項實施例中，評估裝置經設計以在帶電粒子在量測電極處之一量測或撞擊時間附近之一各自計數窗中評估電壓信號以判定所偵測之帶電粒子之數目。如上文已描述，此處描述之粒子偵測器未量測電流，而是量測在特定量測時間藉由量測電極收集之個別電荷或粒子數量。換言之，在量測時間偵測量測電極處之個別粒子或複數個粒子之「碰撞」，此導致電壓信號之一電壓跳變。各自計數窗通常具有兩半，一半在帶電粒子之量測時間之前且另一半在該量測時間之後。然而，量測時間不一定必須在計數窗中間。計數窗之一典型持續時間之數量級為數微秒或更少。
評估裝置可在放大器裝置之一輸出端處讀出經放大類比電壓信號且將其轉換成一數位電壓信號以進行數位評估或進一步處理。出於此目的，可藉由評估裝置以一適合取樣頻率fs 對類比電壓信號進行取樣，其中以下情況適用：fs ＞＞ f2 ，其中f2 表示一所關注頻率範圍之一上頻率(upper frequency) (參見下文)。
在此實施例之一進一步發展中，偵測裝置具有通常呈一觸發電路之形式之用於界定各自計數窗之一觸發單元。為界定計數窗，觸發電路在兩個二進位狀態之間切換，其中在電壓信號超過或下降至低於一臨限值時發生切換。觸發電路可具有例如呈一帶通濾波器之形式之一濾波器，以濾出與觸發相關之頻率範圍。
觸發電路可具有一放大器以及一臨限開關，例如呈一斯密特觸發器(Schmitt trigger)之形式，其在電壓信號之兩個不同臨限值在兩個不同切換狀態之間切換且以此方式界定各自計數窗之持續時間。一各自計數窗之持續時間可由於觸發而略微波動，即，其不一定為恆定的。
觸發電路連接於偵測電路中之放大器裝置下游且亦在其輸出端處供應一類比觸發信號，該類比觸發信號藉由評估裝置讀出且針對各粒子碰撞或針對各電壓跳變產生一脈衝。因此，觸發信號提供關於量測電極處之粒子碰撞數目之資訊。
代替此處描述之觸發電路，可實行觸發以在評估裝置中之數位化電壓信號上界定一各自計數窗。若量測電極處存在快速連續的大量碰撞，則電壓信號之數位評估可能不夠快以至於無法實行觸發。
較佳地，其中由觸發裝置界定之計數窗較佳地藉由評估裝置在時間上向稍後時間偏移，使得計數窗在各自量測時間或碰撞時間附近。特定言之，計數窗偏移達其長度之一半以使碰撞時間或量測時間在計數窗中間。
在上文描述之兩種情況(即，運用類比及數位觸發之兩種情況)中，可因此針對一碰撞時間或一量測時間Ti 之各粒子碰撞自電壓信號獲得一計數窗dTi (之前及之後之dTi /2)。在計數窗內，評估裝置可根據一適合演算法來計算粒子之數量或數目(參見下文)。僅在各自碰撞時間Ti 附近之指定時間窗dTi ([Ti - dTi /2, T + dTi /2])中實行對應演算法，以最小化判定帶電粒子之數目時之雜訊及干擾。
在一進一步發展中，評估裝置經設計以在各自計數窗中對電壓信號進行濾波以提高信雜比。在此發展中，在各自計數窗內對電壓信號進行數位濾波。數位濾波可為例如電壓信號之一滑動平均(sliding averaging)。由於電壓信號在弱碰撞(即，在量測電極處與少量粒子之碰撞)之情況中非常嘈雜，故在評估裝置中將碰撞信號之典型形狀判定為一迴旋項(convolution term)以應用已知演算法進行濾波(例如，小波或基於傅立葉(Fourier-based)之演算法)亦可為有利的。可藉由滑動平均或藉由可使用之另一降低雜訊量測資料演算法來達成信雜比之一改良，該改良可為例如至少10 dB或20 dB之一因數。
在一進一步發展中，評估裝置經設計以判定量測時間之前與量測時間之後之電壓信號的一電壓差Ui 以判定在一各自計數窗中偵測之帶電粒子之數目。在各自計數窗中，判定量測時間之前(基本位準)與量測時間之後之(通常經濾波)電壓信號之間之差。為判定所收集粒子之數目或總電荷QN ，自各自計數窗中之所收集電荷Qi 形成總和，其與在各自計數窗中計算之電壓差Ui 成比例。運用電荷放大器之一電荷轉電壓(charge-to-voltage)轉換因數CF (其例如數量級可為大約100 nV/As)，得出以下結果：
Figure 02_image001
其中10Nx 表示放大器裝置之放大因數。
在另一實施例中，評估裝置經設計以在各自計數時間間隔內之一取樣時間ts,i 評估量測時間之後之電壓信號以判定電壓差，其中以下情況適用：3/f0 ＜ ts,i ＜ 4.5/f0 ，其中f0 表示電荷放大器之一(通過)諧振頻率。由於電壓信號在電壓跳變之後緩慢減低，故不應將取樣時間選擇得太晚以免搞錯量測結果。亦不應將取樣時間選擇得太晚，此係因為進一步粒子接著可能撞擊於量測電極上。然而，亦不應將取樣時間點選擇得太早，此係因為電荷放大器具有一暫態反應，且為了判定電壓差，吾人應等待直至電荷放大器已達到一穩態。在例如大約10 MHz之一通過諧振頻率下，取樣時間ts ,i 之一適合值例如在計數窗dTi 起始之後之大約300 ns與大約450 ns之間。
在一項實施例中，電荷放大器係在一預定頻率間隔中具有大於10 dB之一信雜比之一低雜訊電荷放大器。電荷放大器通常表示偵測裝置之第一級，其連接至量測電極。在介於一第一頻率f1 與一第二頻率f2 之間之一所關注頻率範圍[f1 , f2 ]內，低雜訊電荷放大器之信雜比(SNR)較佳地應大於10 dB (即，SNR ＞ 3: SNR = 10^(SNR_dB/20)，其中SNR_dB = 10)。
所關注頻率範圍[f1 , f2 ]內之信雜比之結果如下：
Figure 02_image002
其中ΔuQ 表示有用電壓信號(以V為單位)，且eN 2 表示由電荷放大器引起之雜訊分量(以V/Hz為單位)。所關注頻率範圍之下頻率f1 之數量級通常為kHz，例如從大約20 kHz至100 kHz；所關注頻率範圍之上頻率f2 之數量級通常為MHz，例如15 MHz或以上。電荷放大器可具有例如數量級為大約10 MHz之一通過諧振頻率f0 。
在另一實施例中，電荷放大器具有至少45° (較佳地至少 60°)之一相位邊限。為使過衝保持較低，電荷放大器之相位邊限不應低於大約45°之一值。此係特別有利的，因為電壓信號之評估應在離帶電粒子撞擊於量測電極上時之量測時間不太遠的一取樣時間發生。
在另一實施例中，放大器裝置具有可藉由評估裝置依據電壓信號或其信號位準來調整之一放大因數。若量測時間相距足夠遠，則放大器裝置之輸出端處之電壓信號或位準返回至輸出位準或輸出電位。在緊密連續撞擊時間之情況中，放大器配置之輸出端處之電壓信號穩定地增加，然而，傾斜度始終較低(在最壞情況中最初為一幾乎對數增加)，使得基本位準(基線)隨著時間推移增加地愈來愈緩慢。然而，從長遠來看，放大器配置之輸出端處之電壓信號始終返回至初始電位。因此，若藉由評估裝置依據電壓信號之信號位準來指定或調整放大裝置之放大因數則為有利的。在依據電壓信號之信號位準之位準來選取放大器裝置之一適合非過驅動放大因數10Nx 時，可達成擴大至超過4個或5個十進位級之粒子偵測器之一動態範圍。
在一進一步發展中，放大器裝置之放大因數可在至少4個十進位級內、較佳至少5個十進位級內調整。依據電壓信號之值或位準對放大因數進行之一適合調整可達成大約5個十進位級之粒子偵測器之一動態範圍。為了在4個或5個十進位級內調整放大因數，放大器裝置通常具有串聯連接之數個(例如，4個或5個)放大器級。例如，一各自放大器級可具有101 之一放大因數，使得在N個放大器級之情況下得出10N 之一最大放大因數。應瞭解，一放大器級亦可具有一不同放大因數，例如，0.5 x 101 、2 x 101 等。評估裝置通常可開啟或關閉個別放大器級以將放大因數增大或減小達一個數量級(101 )。評估裝置亦可在一各自量測開始時實行個別放大器級之輸出之一自動偏移調整或(若必要)將個別放大器級從過驅動重設為量測就緒。
在另一實施例中，量測電極設計為一法拉第杯。一法拉第杯係一導電中空體(金屬杯)。法拉第杯確保可藉由連接至法拉第杯之偵測裝置拾取透過一適合輸入孔隙吸入之全部帶電粒子，而幾乎不具有反向散射。
運用一法拉第杯，可偵測fA範圍內之粒子電流，其對應於大約1000個粒子/s之一粒子電流。由於法拉第杯之高穩健性，通常在腐蝕或氧化環境中或在高粒子束密度或高溫下使用法拉第杯。
法拉第杯亦提供量測信號之高絕對準確度、高長期穩定性及低漂移。由於直接量測粒子之電荷，故法拉第杯亦未展示質量偏倚(mass discrimination)，即，無靈敏度取決於粒子大小(包含分子離子之質量)。法拉第杯之操作不需要高電壓。此使其特別適於高真空至超高真空範圍內之應用以及無法容忍強電場之應用。法拉第杯或配備有呈一法拉第杯之形式之一量測電極的一粒子偵測器可特定言之用於質譜術領域中，例如用於殘留氣體分析器(RGA)中。
運用呈一法拉第杯之形式之一量測電極，藉由收集帶電粒子而實行一破壞性量測。替代地，量測電極可用於未與量測電極本身接觸之帶電粒子之非破壞性偵測或感應電荷量測。量測電極可例如用於在一離子阱質譜儀中對呈離子形式之帶電粒子進行非破壞性偵測；然而，類似於法拉第杯，其亦可用於粒子之破壞性偵測。
在另一實施例中，粒子偵測器包括用於從該粒子偵測器之環境提取帶電粒子的一提取裝置。出於此目的，提取裝置一般具有具一孔隙開口之一孔隙，帶電粒子可透過該孔隙開口到達粒子偵測器。孔隙開口通常與量測電極或定位於該處之一孔隙開口(例如，一法拉第杯之孔隙開口)在一瞄準線上。在一帶電粒子源配置於粒子偵測器之環境中之事件中，粒子偵測器之瞄準線與此粒子源對準。瞄準線並非絕對必要的；在另一實施例中，粒子束可電磁偏轉至法拉第杯。
在另一實施例中，粒子偵測器包括用於將帶電粒子自提取裝置導引至量測電極之一粒子導引裝置。粒子導引裝置可為例如離子光學器件或類似者。若自提取裝置至量測電極之路徑與平均自由路徑相比較小，則可省去粒子導引裝置之佈建。
在另一實施例中，提取裝置及/或粒子導引裝置經設計以過濾帶電粒子。粒子導引裝置及提取裝置兩者皆可過濾帶電粒子。例如，提取裝置可設計為呈具有金屬柵格結構之一所謂的尼爾森柵格(Nielsen grid)之形式的一離子過濾裝置。粒子導引裝置可例如藉由一基於傅立葉之過濾方法來提供對帶電粒子之過濾。
本發明之進一步特徵及優點應從本發明之例示性實施例之以下描述，參考展示本發明必要之細節之圖式且從發明申請專利範圍出現。在本發明之一實施例中，個別特徵可各自個別地或以任何組合共同地實施。
在圖式之以下描述中，相同元件符號用於相同或功能上相同之組件。
圖1示意性地展示用於偵測帶電粒子2 (其在所展示之實例中係離子)之一粒子偵測器1之結構。帶電粒子2從配置於粒子偵測器1外部(例如，在圖式中未展示之一腔室中)之一粒子源3發出。帶電粒子2經由一提取裝置4之一孔隙開口從環境進入粒子偵測器1。呈離子光學器件之形式之一粒子導引裝置5用於將帶電粒子2自提取裝置4引導或導引至一量測電極，該量測電極在所展示之實例中設計為一法拉第杯6。帶電粒子2自粒子源3沿著一筆直軌跡傳播至法拉第杯6。可藉由法拉第杯6量測在法拉第杯6之一輸入孔隙處進入之帶電粒子2，而幾乎不具有反向散射。
提取裝置4及粒子導引裝置5兩者皆可用於過濾帶電粒子2，使得僅具有特定(已知)質荷比之帶電粒子2可進入法拉第杯6。為進行過濾，提取裝置4可例如具有具金屬柵格結構之一尼爾森柵格。粒子導引裝置5可實現例如藉由一基於傅立葉之過濾方法來過濾帶電粒子2。在提取裝置4與呈法拉第杯6之形式之量測電極之間之路徑與帶電粒子2之平均自由路徑相比較小之事件中，可省去粒子導引裝置5之佈建。
粒子偵測器1亦具有用於偵測藉由呈法拉第杯6之形式之量測電極偵測之帶電粒子2的一偵測裝置7，及用於判定藉由偵測裝置7 (偵測電子單元)偵測之帶電粒子2之數目的一評估裝置8。
在圖1中所展示之實例中，偵測裝置7構造為一類比電路且應配置為儘可能接近法拉第杯6。
評估裝置8用於對在偵測裝置7之輸出端處提供之類比信號進行數位處理。為了在評估裝置8 (評估電子單元)中進行數位處理，藉助於A/D轉換器(未展示)將類比信號轉換成數位信號。評估裝置8可藉助於藉由一雙箭頭指示之一數位介面連接至其他數位裝置，例如連接至一量測電腦或類似者。
圖1之偵測裝置7具有用於將由帶電粒子2產生之一電荷信號Q(t)轉換成一電壓信號U(t)的一電荷放大器9。連接於電荷放大器9下游之一放大器裝置10用於在放大器裝置10之輸出端(在圖1中藉由U(t)表示)處產生一經放大電壓信號U(t)。
圖2展示在一基本電荷(具有一基本電荷之一帶電粒子2)撞擊於法拉第杯6上時之電流Iion (t)。電荷信號Q(t)形成圖2中所展示之電流曲線Iion (t)下方之區域。圖2亦展示放大器配置10之輸出端處之經放大電壓信號U(t)，其係由於帶電粒子2以基本電荷撞擊而產生。
圖3展示類似於圖2之具有一基本電荷之帶電粒子2重複撞擊於法拉第杯6上之一表示。在圖3中所展示之實例中，帶電粒子2以16微秒之一恆定週期撞擊於法拉第杯6上。如圖3中可見，電壓信號U(t)在一各自帶電粒子2之撞擊之後減小，此係因為一放電經由偵測裝置7之電子單元發生。
為評估電壓信號U(t)以判定所偵測之帶電粒子2之總電荷QN 之數目(或，若已知粒子2之電荷，則判定其等效物)，若僅在法拉第杯6處在一各自帶電粒子2 (或數個帶電粒子2)之一量測或碰撞時間Ti 附近之一各自計數窗dTi (i = 1、2、…)中評估用於最小化雜訊之電壓信號U(t)則為有利的。碰撞時間Ti 通常形成各自計數窗dTi 之時間間隔之中間，即，計數窗dTi 從Ti - dTi /2延伸至Ti + dTi /2。
計數窗dTi 之界定原則上可在評估裝置8中藉由數位化電壓信號U(t)之一適合評估來進行。
在圖1中所展示之實例中，粒子偵測器1具有用於界定一各自計數窗dTi 之一觸發裝置11 (更精確而言，一觸發電路)。替代地，觸發裝置可能經整合且為評估裝置8之部分，其自一類比或數位電壓信號判定一觸發信號。在所展示之實例中，觸發裝置11包括用於對與觸發相關之電壓信號U(t)之頻率進行濾波的一帶通濾波器12，以及一組合放大器及觸發器電子單元13，其在所展示之實例中具有呈一斯密特觸發器之形式之一臨限開關。圖4中亦展示觸發裝置11之輸出端處存在之(二進位)觸發信號T(t)。當電壓信號U(t)超過或下降至低於一臨限值時，發生觸發信號T(t)之兩個二進位狀態之間之切換。因此，觸發信號T(t)亦造成能夠對法拉第杯6上之帶電粒子2之碰撞時間Ti 進行計數。
如亦從圖4可見，在觸發期間產生之觸發信號或由觸發裝置11判定之對應計數窗dT’i 在各情況中在量測時間Ti 之前，或更明確言之，量測時間Ti 形成計數窗dT’i 之末尾。為判定帶電粒子2之數目QN ，計數窗dT’i 因此由評估裝置在時間上向稍後時間偏移，使得計數窗(dTi )在各自量測時間Ti 附近。較佳地，計數窗dTi 偏移達dTi /2，使得量測時間Ti 在計數窗dTi 中間。
圖4中所展示之計數窗dTi 選擇為比較長以使表示清楚；一各自計數窗dTi 之持續時間通常明顯短於圖4中所展示。
放大器裝置10之輸出端處之電壓信號U(t)通常非常嘈雜，尤其是在法拉第杯6處之弱碰撞(即，在少量粒子2碰撞時)之情況中。雜訊係由電子單元(例如，藉由電荷放大器9)引起，如下文更詳細描述。
圖5展示一計數窗dTi 期間之(嘈雜)電壓信號U(t)、一理想電壓信號Uid (t)，及藉由對電壓信號U(t)進行一滑動平均以增加信雜比而產生的一經濾波電壓信號Uf (t)。代替滑動平均，亦可藉由評估裝置8來實行其他降低雜訊演算法。例如，可將一特定粒子碰撞之電壓信號U(t)之典型形狀判定為一迴旋項以藉助於已知演算法(例如，小波或基於傅立葉之演算法)來將信雜比改良達例如至少10 dB或20 dB。
為判定在各自計數窗dTi 中撞擊於法拉第杯6上之帶電粒子2之數目Qi ，判定量測時間Ti 之前與量測時間Ti 之後之電壓信號U(t) (更精確而言，經濾波電壓信號Uf (t))之一電壓差Ui ，如圖5中所展示。基於呈經濾波電壓信號Uf (t)在計數窗dTi 開始時所具有之一電壓位準之形式的一基線來判定電壓差Ui 。
為判定電壓差Ui ，在量測時間Ti 之後在最後粒子碰撞時間附近之各自計數窗dTi 內之一取樣時間ts,i 評估圖5中所展示之實例中的電壓信號U(t)，其中以下情況適用：3/f0 ＜ ts,i ＜ 4.5/f0 ，其中f0 表示電荷放大器9之一通過諧振頻率。
位於上文指定之時間間隔中之一取樣時間ts,i 已被證明有利於判定各自時間窗dTi 中之帶電粒子2之數目Qi ，如下文將參考圖6進行說明。
圖6展示一理想化(標準化)電壓跳變U0 之電壓信號Xs (t)，其中以下內容適用於相關聯電壓信號XS (t)：
Figure 02_image003
其中α形成電荷放大器9之相位邊限之一量測(其中0 ＜ α ＜ 1)，且其中ω0 表示電荷放大器9之通過循環諧振頻率(ω0 = 2 π f0 ，其中f0 表示電荷放大器9之通過諧振頻率)。通過諧振頻率f0 之數量級可為例如MHz，例如：f0 = 10 MHz。在圖6中，理想電壓信號Xs (t)被展示為相位邊限α = [0.900, 0.625, 0.425, 0.280]之四個值之一實例。取樣時間ts,i 一方面應處於電荷放大器9之穩態，且另一方面在量測時間Ti 之後不應過長。對於最佳取樣時間ts,i ，上文指定之時間間隔已被證明是有利的：1 ＜ ts,i /τ0 ＜ 1.5，其中τ0 ≈ 3/f0 。
為了避免在進一步粒子可撞擊於法拉第杯6上時之一比較遲時間點達到電荷放大器9之穩態，已證明若電荷放大器9具有至少45°、較佳地至少60°之一相位邊限則為有利的，與圖5中所展示之實例中之情況一樣。亦已證明若電荷放大器9係一低雜訊電荷放大器9則為有利的，低雜訊電荷放大器9在介於一下頻率f1 與一上頻率f2 之間之一所關注預定頻率間隔中具有至少10 dB之一信雜比。
信雜比如下定義：
Figure 02_image005
其中ΔuQ 表示有用電壓信號(以V為單位)，且eN 2 表示由電荷放大器9之電子單元引起之雜訊分量(以V/Hz為單位)。所關注頻率範圍之下頻率f1 之數量級通常為kHz，例如從大約20 kHz至100 kHz；所關注頻率範圍之上頻率f2 之數量級通常為MHz，例如15 MHz或以上。
圖7展示低雜訊電荷放大器9之典型雜訊行為，或在標準化為電荷放大器9之諧振頻率f0 之介於f1 /f0 與f2 /f0 之間之一頻率範圍內的其之頻率相依雜訊密度eN ，其中f0 表示電荷放大器9之通過諧振頻率。
為判定撞擊粒子2之數目或與此數目成比例之(基本)電荷數QN ，形成在各自計數窗dTi 中收集之電荷之總和Qi ，其與以上文所描述之方式計算之電壓差Ui 成比例。
運用電荷放大器9之一電荷轉電壓轉換因數CF (其例如數量級可為大約100 nV/As)，針對N個時間窗dTi (1 = 1、…、N)中之總電荷QN 得出以下結果：
Figure 02_image006
因數10Nx 形成放大器裝置10之放大因數。
由於放大器裝置10之輸出端處之電壓信號U(t)在帶電粒子2之緊密連續碰撞之情況中穩定地增加，但隨著信號位準之一穩定增加，傾斜度降低，故基本位準亦隨著增加的時間或隨著增加的碰撞數目而更緩慢地(在最壞情況中幾乎對數地)增加。然而，從長遠來看，放大器裝置10之輸出端處之電壓信號U(t)始終返回至初始電位。因此，若放大裝置10之放大因數10Nx 係可調整的則為有利的。
在圖1中所展示之放大器裝置10中，可在五個十進位級內分階段調整放大因數10Nx (Nx = 1、…5)，即，可運用放大器配置10產生101 至105 之一放大率。出於此目的，放大器裝置10具有例如串聯連接之五個放大器級，出於清楚之原因未在圖1中展示該等放大器級。各放大器級具有101 之一放大因數，且可藉由評估裝置8個別地開啟或關閉。應瞭解，放大器裝置10可具有更多或更少個放大器級，且一各自放大器級之放大因數不一定必須為一個十進位級(101 )。
依據電壓信號U(t)之信號高度(位準)，評估裝置8定義放大器裝置10之一最佳放大因數10Nx,opt ，在該最佳放大因數下，不會過驅動放大器裝置10之輸出端處之電壓信號U(t)。出於此目的，若評估裝置8可讀出放大器裝置10之五個放大器級之各者之一各自輸出則為有利的。此亦為有利的，使得在起始一各自量測時，評估裝置8可實行對放大器裝置10之放大器級之一自動偏移調整。若必要，則放大器裝置10將個別放大器級從過驅動重設為量測就緒。
圖8展示在帶電粒子2之數目係基本電荷之情況及存在大約105 個基本電荷之情況兩者中，最佳非過驅動放大因數係104 (即，Nx,opt = 4)。圖9展示放大器裝置10之輸出端處之各自電壓信號U(t)在一初始增加之後隨著增加的碰撞數目而再次減小。運用具有五個放大器級之放大器裝置10，可因此達成大約五個十進位級之粒子偵測器1之一動態範圍。因此，放大器裝置10實務上接管一個二次電子倍增器(SEM)之功能。
總之，可以上文所描述之方式實施一粒子偵測器1，其一方面由於法拉第杯6或一量測電極之使用而為穩健的且具有一高穩定性，且另一方面涵蓋高達5個至6個十進位級之一高動態範圍。作為使用一法拉第杯6之一替代例，亦可使用另一量測電極以便量測帶電粒子2。例如，可以一非破壞性方式量測帶電粒子2，其中使用量測電極6來量測感應電荷。
1:粒子偵測器 2:帶電粒子/撞擊粒子 3:粒子源 4:提取裝置 5:粒子導引裝置 6:量測電極/法拉第杯 7:偵測裝置 8:評估裝置 9:電荷放大器 10:放大器裝置/放大器配置/放大裝置 11:觸發裝置 12:帶通濾波器 13:組合放大器及觸發器電子單元 Iion (t):電流/電流曲線 QN :帶電粒子之數目/總電荷/基本電荷數 Q(t):電荷信號 ts,i :取樣時間 T(t):觸發信號 U(t):電壓信號 Uf (t):經濾波電壓信號 Uid (t):理想電壓信號
例示性實施例在示意圖中展示且在以下描述中進行說明。在圖式中： 圖1係用於偵測帶電粒子之一粒子偵測器之一示意圖，其包括一量測電極、一偵測裝置及一評估裝置， 圖2係偵測裝置之一放大器裝置之輸出端處之一電壓信號及具有藉由量測電極量測之一基本電荷(elementary charge)之一帶電粒子之一電荷信號的一示意圖， 圖3係來自圖2之電壓信號之一示意圖，其中複數個粒子在不同量測時間撞擊於量測電極上， 圖4係類似於圖3之一示意圖，其中展示用於判定撞擊於量測電極上之帶電粒子之各自數目的一觸發信號及複數個計數窗， 圖5係圖4之計數窗之一者中之電壓信號之一示意圖，其中判定一電壓差以判定帶電粒子之數目， 圖6展示具有不同相位邊限之偵測器裝置之一電荷放大器之輸出端處的一理想電壓信號之示意圖， 圖7係一所關注頻率間隔中之電荷放大器之信雜比之一示意圖， 圖8係具有不同放大因數之放大器裝置之輸出端處的電壓信號之一示意圖，及 圖9係類似於圖8之一示意圖，其中展示在一較長時段內之電壓信號之進程。
1:粒子偵測器
2:帶電粒子/撞擊粒子
3:粒子源
4:提取裝置
5:粒子導引裝置
6:量測電極/法拉第杯
7:偵測裝置
8:評估裝置
9:電荷放大器
10:放大器裝置/放大器配置/放大裝置
11:觸發裝置
12:帶通濾波器
13:組合放大器及觸發器電子單元
QN:帶電粒子之數目/總電荷/基本電荷數
T(t):觸發信號
U(t):電壓信號

Claims (15)

  1. 一種粒子偵測器(1)，其包括： 一量測電極(6)，其用於量測帶電粒子(2)；一偵測裝置(7)，其用於偵測藉由該量測電極(6)量測之該等帶電粒子(2)；及一評估裝置(8)，其用於判定藉由該偵測裝置(7)偵測之帶電粒子(2)之數目(QN )，其中該偵測裝置(7)具有用於將由該等帶電粒子(2)產生之一電荷信號(Q(t))轉換成一電壓信號(U(t))的一電荷放大器(9)，及用於放大該電壓信號(U(t))之一放大器裝置(10)。
  2. 如請求項1之粒子偵測器，其中該評估裝置(8)經設計以在該量測電極(6)處在該等帶電粒子(2)之一量測時間(Ti )附近之一各自計數窗(dTi )中評估該電壓信號(U(t))，以判定所偵測之帶電粒子(2)之該數目(QN )。
  3. 如請求項2之粒子偵測器，其中該偵測裝置(7)具有用於界定該各自計數窗(dTi )之一觸發裝置(11)。
  4. 如請求項3之粒子偵測器，其中由該觸發裝置界定之該計數窗(dTi )在時間上向稍後時間偏移較佳達dTi /2，使得該計數窗(dTi )在該各自量測時間Ti 附近。
  5. 如請求項2至4中任一項之粒子偵測器，其中該評估裝置(8)經設計以在該各自計數窗(dTi )中對該電壓信號(U(t))進行濾波以提高信雜比。
  6. 如請求項2至5中任一項之粒子偵測器，其中該評估裝置(8)經設計以判定該量測時間(Ti )之前與該量測時間(Ti )之後之該電壓信號(U(t))中之一電壓差(Ui )，以判定在一各自計數窗(dTi )中偵測之帶電粒子(2)之該數目(QN )。
  7. 如請求項6之粒子偵測器，其中該評估裝置(8)經設計以在該量測時間(Ti )之後在各自計數時間間隔(dTi )內之一取樣時間(ts,i )判定該電壓信號(U(t))以判定該電壓差(Ui )，其中以下情況適用：3/f0 ＜ ts,i ＜ 4.5/f0 ，其中f0 表示該電荷放大器(9)之一諧振頻率。
  8. 如前述請求項中任一項之粒子偵測器，其中該電荷放大器(9)係在一預定頻率間隔([f1 , f2 ])中具有大於10 dB之一信雜比之一低雜訊電荷放大器。
  9. 如前述請求項中任一項之粒子偵測器，其中該電荷放大器(9)具有至少45°、較佳地至少60°之一相位邊限(α)。
  10. 如前述請求項中任一項之粒子偵測器，其中該放大器裝置(10)具有可藉由該評估裝置(8)依據該電壓信號(U(t)調整之一放大因數(10Nx )。
  11. 如請求項10之粒子偵測器，其中可在至少四個十進位級範圍、較佳地在至少五個十進位級範圍調整該放大因數(10Nx )。
  12. 如前述請求項中任一項之粒子偵測器，其中該量測電極經設計為一法拉第杯(6)。
  13. 如前述請求項中任一項之粒子偵測器，其進一步包括：用於提取該等帶電粒子(2)之一提取裝置(4)。
  14. 如請求項13之粒子偵測器，其進一步包括：用於將該等帶電粒子(2)自該提取裝置(4)導引至該量測電極(6)的一粒子導引裝置(5)。
  15. 如請求項13或請求項14之粒子偵測器，其中該提取裝置(4)及/或該粒子導引裝置(5)經設計以過濾該等帶電粒子(2)。
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