TWI821157B - 檢測離子的裝置及方法 - Google Patents

檢測離子的裝置及方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI821157B
TWI821157B TW106115119A TW106115119A TWI821157B TW I821157 B TWI821157 B TW I821157B TW 106115119 A TW106115119 A TW 106115119A TW 106115119 A TW106115119 A TW 106115119A TW I821157 B TWI821157 B TW I821157B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
signal
ion
electrode
excitation
ion trap
Prior art date
Application number
TW106115119A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201805996A (zh
Inventor
米歇爾 阿里曼
史蒂芬Ｋ 布茲曼
阿爾伯特 布洛克豪斯
米歇爾 舒密特
顯耀 鍾
亞歷山大 勞爾
Original Assignee
德商萊寶有限責任公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 德商萊寶有限責任公司 filed Critical 德商萊寶有限責任公司
Publication of TW201805996A publication Critical patent/TW201805996A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI821157B publication Critical patent/TWI821157B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/36—Radio frequency spectrometers, e.g. Bennett-type spectrometers, Redhead-type spectrometers
    • H01J49/38—Omegatrons ; using ion cyclotron resonance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/022—Circuit arrangements, e.g. for generating deviation currents or voltages ; Components associated with high voltage supply
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/424—Three-dimensional ion traps, i.e. comprising end-cap and ring electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本發明揭示一種用於檢測離子(4a,4b)的裝置(1)，包括：一離子阱(2)，其具有一第一電極，較佳是一環電極(3)，並且也具有至少一第二電極，較佳是一帽電極(7a、7b)，一儲存信號產生器(5)，用於產生一RF儲存信號(URF)，該產生器可耦合至該第一電極(3)，以在該離子阱(2)中產生一電儲存場(E)，以及一激發裝置(6a,6b)，用於產生一激發信號(Ustim1,Ustim2)來激發儲存在該離子阱(2)中的離子(4a,4b)。該儲存信號產生器(5)設計成設定該RF儲存信號(URF)的一振幅(ARF)及/或一頻率(fRF)。本發明也關於離子(4a,4b)的質量選擇檢測之相關方法。更進一步，呈現具有恆等或目標離子化能量的一合適離子化方法。

Description

檢測離子的裝置及方法
本發明係關於偵測離子的裝置，尤其係關於用於通過質譜法檢查離子的裝置，包括：一離子阱，其具有至少一個第一電極，較佳為至少一個環形電極，並且還具有至少一個第二電極，較佳為帽(cap)電極，其通常用於從該離子阱中激發的離子中獲取一離子信號；一儲存信號產生器，用於產生一RF儲存信號，該產生器可耦合到該第一電極，以在該離子阱中產生一電儲存場；一激發裝置，用於產生一激發信號來激發儲存在該離子阱中的離子，以及一檢測器，用於檢測由該已激發離子所產生的一離子信號。本發明也關於檢測離子的相關方法。
所謂電離子共振單元形式的離子阱通常具有一環形電極和兩個帽電極，在雙曲線保羅阱(Paul trap)形式的習知四極陷阱的情況下，它們都具有雙曲線幾何形狀。該等兩個帽電極通常為接地電位，而射頻AC電壓形式的一RF儲存信號則供應至該環電極。由於該RF儲存信號，在該離子阱中產生一電場(四極場)，該電場也被稱為一電儲存場，因為在這種電場內的離子或帶電粒子可以穩定地除儲存在該離子阱內。
基於該電離子共振單元的質譜儀通常以所謂的「不穩定模式」操作，其中儲存的離子以目標方式從該離子阱中去除，並由一粒子檢測器登錄。然而，此方法在質量解析度與敏感度方面有些缺點。因此，在過去幾年 中，已經開發了一種方法，其中可以寬頻方式以及非破壞性方式檢測離子(每次測量一個光譜)，以便以這種方式改善該離子共振單元的特性。
在非破壞性檢測的情況下，通過測量該離子阱的該帽電極或該等帽電極上之感應電荷來檢測離子。為了產生該等感應電荷，該等離子由一激發信號激發以產生振盪，其頻率取決於該離子質量或取決於該等激發離子的質荷比(mass-to-charge)，使得離子可以借助於在該等帽電極上產生的該離子電流或離子信號來檢測。
在上述類型的現有裝置中，該電儲存場或該RF儲存信號的頻率是恆定的，並且可以例如為1MHz的數量級。使用具有恆定頻率儲存場的原因包括：RF儲存信號或儲存場電壓(諧振變壓器)的低損耗產生，以及經過儲存信號的窄頻特性而顯著簡化之串擾(crosslink)電流形式干擾效應補償。考慮到由射頻電儲存場引起與第一電極的電容耦合，在測量離子信號的第二電極處產生這種串擾或干擾電流。根據該RF儲存信號的頻率與振幅，串擾或干擾電流通常都具有恆定頻率與振幅。
1999年美國質譜學會雜誌第10冊第10號中由M.Aliman和A.Glasmachers所發表的文章「A Novel Electric Ion Resonance Cell Design with High Signal-to-Noise Ratio and Low Distortion for Fourier Transform Mass Spectrometry」，建議使用具有新穎設計的離子阱，其電極具有偏離雙曲線形狀的幾何形狀，而不是常規電子離子阱，例如保羅阱的形式，以減少串擾電流。在所提出設計的情況下，雙曲環電極由具有拋物線電位分佈的一系列環形電極代替，其中帽電極的雙曲線幾何形狀保持不變。在新穎設計的情況下所保留的串擾電流，可以通過電子補償技術進行補償。
針對可能串擾電流的補償，US 9,035,245 B2提議藉由簡單電子組件來進行補償，取代軟體補償。為此，耦合到該第一電極中的該RF儲存信號，通過變壓器以反相方式，例如以旋轉180°的相位，耦合到第二電極中。通過一變壓器耦合到該第二電極中的該補償信號通常具有與RF儲 存信號振幅成比例的振幅，如此在給定適當的比例縮放之下，補償信號基本上可以從一開始就完全補償串擾電流。
然而，借助於US 9,035,245B2中描述的該變壓器所補償之干擾或串擾電流預先假定該RF儲存信號之頻率基本上是恆定的。為了能夠測量具有大質荷比(m/z)的分析物，另外需要高振幅的儲存場，其中需要具有幾kV振幅的RF儲存信號，例如對於用來檢測質荷比大於1000m/z或等於1000amu的分析物(給定環形電極的常規半徑-在幾毫米的範圍內-和1MHz數量級的儲存頻率)。
本發明的目的之一在於提供一種上述中提到的裝置，以及使其可在大質荷比的頻寬之下檢測離子之方法。
根據一個態樣，該目的通過上述中提到的該種裝置來實現，其中該儲存信號產生器設計成設定或改變該RF儲存信號的振幅及/或頻率，較佳基於至少一個可預定義的控制信號來精確地確定。
本發明實施例提出操作具備該離子諧振單元形式的該離子阱之該裝置，利用一電儲存場進行非破壞性離子檢測，其中理想來說可自由選擇，即幾乎任意選擇該RF儲存信號的振幅和/或頻率，如此也可自由選擇電儲存場的該波形。如此，因為該電儲存場的頻率fRF以1/fRF 2影響可映射質量範圍，所以可大幅增加離子可儲存在該離子阱內的質量範圍。在這方面，例如可以儲存和檢測或顯示在該離子阱內該電儲存場的1MHz頻率與大約1kV振幅上，或該離子阱內該電儲存場的500kHz頻率與只有250V振幅上，具有例如1000amu的質荷比之相同離子。耦合至該第一電極的該RF儲存信號通常為一AC電壓，其施加於該第一電極與一恆等電位，通常是接地電位之間。
為了藉由一儲存信號產生器產生一RF儲存信號，來產生振 幅及/或頻率可設定的一射頻儲存場，存在以下許多可能性： 在一個具體實施例內，用於設置該RF儲存信號的該頻率及/或該振幅之該儲存信號發生器具有至少一個全橋式模組，該全橋式模組具有至少四個電子組件，這些組件藉由個別控制信號，例如電晶體形式，特別是場效電晶體形式(例如功率MOSFET「金屬氧化物半導體場效電晶體」)來驅動。在該全橋式模組的四個可驅動電子組件中，在每種情況下，兩個，即是一對，都串連在半橋式中。該等兩個半橋式每一者都包括在並聯電路中連接的一對可驅動電子組件。在個別配對的該第一與第二組件間之兩分接頭中，通常第一個連接至接地並且第二個連接至該第一電極，如此在該等兩個分接頭(tap)之間產生一電壓UAB，該電壓形成由該信號產生器產生的該RF儲存信號。
為了在控制信號的幫助之下驅動該等可控制電子組件，存在許多可能性：藉由範例，該等控制信號可為數位信號，如此可產生方波信號形式的RF儲存信號並耦合至該電極內。然而，另外存在用類比控制信號驅動該等可控制電子組件的可能性，以便用此方式來產生一基本上任意的信號形狀或波形，例如一正弦或三角形RF儲存信號。
例如為環電極形式的該第一電極形成相對於接地的電容CRing，使得主要供應具有該儲存場頻率fRF的無功功率(reactive power)或功率耗損PB：PB=CRing UAB 2 fRF。
在一個實施例中，該全橋式模組具有至少一個串聯電阻，用於減少該等可驅動電子組件的功率耗損。這是有利的，特別是使用MOSFET形式的可驅動電子組件，因為在MOSFET形式的可驅動電子組件中，除了無功功率耗損之外，還發生額外的切換與傳導耗損(這可以通過串聯電阻來降低)，不過設備或該儲存信號產生器內的總功率耗損保持不變。然而因為該串聯電阻比該等可驅動電子組件更容易冷卻，因此更容易消除其內產生 的功率耗損。
在進一步具體實施例內，該儲存信號產生器設計成在其週期的至少一個部分間隔(duration)期間，產生具有恆定振幅的一RF儲存信號。若該RF儲存信號的該週期中複數個部分間隔具有一恆定振幅，而該等不同部分間隔內的該等振幅可特別有不同的選擇。個別部分間隔內該RF儲存信號具有恆定振幅的期間通常至少為該週期的1%或2%，並且通常最多大約是該RF儲存信號的週期之10%。
在使用全橋式模組來產生該RF儲存信號之下，除了切換耗損之外，還可能發生分流(shunt)電流。為了避免該分流電流，在該儲存信號產生期間，可使用該週期中具有恆定振幅的一部分間隔，較佳具有零振幅(也稱為「零相位」)。為了產生該恆定振幅，則可適當地驅動該全橋式模組的該可驅動電子組件。具有一個或可能具有複數個部分間隔(具有恆定振幅)的一RF儲存信號之使用也可用於更精確的電離(ionization)，如底下更進一步詳細說明。
使用該全橋式模組時則該RF儲存信號的頻率可設定於大約0Hz與大約1MHz(若借助於合適的控制信號來驅動該等可驅動電子組件)之間的寬廣頻率範圍內。為了提高該RF儲存信號的該(最大)振幅，在使用該全橋式概念之下存在許多可能性：為了提高該(最大)振幅，可提高該或一個別全橋式模組的該操作電壓，或複數個全橋式模組可串聯，其中每一者都具有專屬電源，提供電壓給個別全橋式模組。這種模組概念的優點在於該功率耗損分散在串聯的該等全橋式模組之間。此外，在該等個別全橋式模組內可使用具有較低介電強度的更具成本效益之電子組件然而在使用複數個全橋式模組時，驅動該等電子組件的複雜度可能提高。
在進一步具體實施例內，用於產生該RF儲存信號的該儲存信號產生器具有至少一個功率類比放大器，用於放大一類比控制信號，該產生器較佳包含具有至少兩電子組件(藉由該類比控制信號驅動)的一半橋式 模組。該等可驅動電子組件可例如為場效電晶體，特別是MOSFET。該等可驅動電子組件通常以半橋互連，並且在線性放大操作中操作。借助於該功率類比放大器，給定一合適的預定控制信號，實際上可產生該RF儲存信號的任意波形，例如正弦或三角形RF儲存信號。
在進一步具體實施例內，該儲存信號產生器具有至少一個隔離的DC/DC轉換器，以便產生高DC電壓。該DC/DC轉換器已隔離，也就是說牽涉到具有電隔離的轉換器。尤其是，該隔離的DC/DC轉換器可用來提供一浮動供應電壓，可用來產生雙極AC電壓形式的一RF儲存信號，例如該全橋式模組的一浮動供應電壓。若合適，在具有該功率類比放大器的該信號產生器內，該已隔離DC/DC轉換器可供電給閘驅動器，並且該驅動器用來控制通過MOSFET的電流。為了產生浮動供應電壓，也可使用電池取代一隔離的DC/DC轉換器。
上面進一步說明的該儲存信號產生器可配置在該離子阱附近，以便維持該線電容，並因此維持小的無功功率，不過也可將該儲存信號產生器固定或配置在遠離該離子阱的地方，並接受額外無功功率的發生。
在進一步具體實施例內，該裝置包含一補償設備，該設備用來產生一補償信號，來補償在該第二電極上該電儲存場所產生的一干擾電流，該信號用來測量該離子阱內該已激發離子的離子信號。如上面進一步說明，借助於非破壞性離子檢測，分析該裝置內更精準放入該離子阱的該等離子。利用由該第二電極上或通常為帽電極的電極上該等激發離子所感應的感應電荷形式下之離子信號測量，來實現該離子的離子分析或檢測。
通常利用通過測量放大器，例如通過電荷放大器，將該離子電流信號轉換成電壓與該離子電流成比例形式下的離子信號，來實現該等感應電荷或該離子電流信號的測量。記錄離子電流信號或與其成比例的離子信號之測量瞬態，並且通常藉由光譜儀中的傅立葉變換，將其轉換成頻譜或質譜。由於該轉換，該裝置也稱為(電)傅里葉變換離子迴旋共振(FT-ICR) 質譜儀。
由於該(等)第二電極與該RF儲存信號耦合到其中的該第一電極在空間上接近，在該至少一個第一電極和該至少一個第二電極之間存在一電容耦合，該電容耦合具有將干擾或串擾電流注入第二電極並因此注入該電荷放大器的效果。該干擾電流可能超過該離子信號，或該離子電流可能超過十一個數量級。在沒有補償之下，這種干擾電流會導致該電荷放大器過驅動，如此借助於適當手段補償該干擾電流。
因為該電儲存場或該RF儲存信號可隨頻率而變並且具有基本上任意波形，必須提供一種補償設備，其適合產生一補償信號來啟動這種寬頻補償。用於產生該補償信號的該補償設備通常具有一或多個電子組件，也就是說針對此目的之該補償設備通常不具有(純)軟體解決方案的資源。借助於該補償設備的該補償可用許多方式實現，如底下所解釋： 在一個具體實施例內，該補償設備設計成依據由該儲存信號產生器耦合進入該第一電極的該RF儲存信號產生該補償信號。在此具體實施例內，使用通常以電壓信號形式呈現的該RF儲存信號來產生該補償信號，也就是說以來自該RF儲存信號的適當形式獲取該補償信號。該補償信號通常像是電壓信號，後續可轉換成電流信號。針對此目的，以電壓信號形式存在的該補償信號可透過電容送至該電荷放大器，通常用於測量該離子電流，如此在該輸入上存在一電流信號。
在一個實施例中，用於產生該補償信號的該補償設備具有一電壓源。該儲存信號產生器通常也具有一電壓源，以便產生該RF儲存信號。該RF儲存信號的電壓源以及該補償設備的電壓源彼此同步，通常精確到使得該補償設備的電壓源產生一逆向電壓，其相對於該儲存信號產生器的電壓源所產生之逆向電壓。因此，該補償設備的電壓源產生一電壓信號，其相對於該儲存信號產生器的電壓源所產生之該RF儲存信號相位移180°。可以通過電容器(如上所述)將該補償信號(如果適當地以合適的縮放方式)饋送 到該電荷放大器。
在進一步具體實施例內，該補償設備設計成依據用於驅動該儲存信號產生器的至少一個可驅動電子組件之至少一個類比控制信號產生該補償信號。該類比控制信號可為例如饋送至該儲存信號產生器的該功率類比放大器用來將其放大的該控制信號。該類比控制信號可同樣以逆向並且合適的比例縮放方式，透過電容當成補償信號饋送至該電荷放大器，不需要專屬電壓源來產生該補償信號。
若合適，該補償設備可設計成不測量耦合至其中產生該信號的該儲存信號產生器內該第一電極之該RF儲存信號，而是直接測量通過該第一電極所下降的電壓。
在替代具體實施例內，該補償設備設計成借助於流過該第一電極的電流，或借助於該第一電極與進一步帽電極零件之間的一串擾電流部分，來產生該補償信號。在此案例中，用合適方式或藉由合適設備，測量通過該第一電極的電流或該串擾電流部分。該受測電流或該串擾電流部分反相、適當地(即適當地相對於該干擾電流)比例縮放以及後續當成補償信號饋送至通常該裝置內存在的該功率放大器。該補償信號可為電流信號，但也可為電壓信號，該信號通常在電容上轉換成電流信號。
在一個實施例當中，該補償設備設計成測量通過一電導線將該RF儲存信號耦合至該第一電極的該電流。通常，在其上測量該電流的該電導線配置在該儲存信號產生器與該第一電極或該離子阱之間，也就是說，在此案例中通常在該離子阱之外並且一般來說也在其中通常配置該離子阱的真空環境之外測量該電流。用來產生該補償信號的該電流測量可以許多方式實現： 在一個實施例當中，該補償設備包括一(寬頻)變壓器或用於非接觸式測量電線中電流的裝置，例如以一個或多個線圈的形式。電流測量需要高測量精準度，在導線之內電流的測量期間通常能夠確保有該高測量 精準度。
在第一案例中，該(寬頻)變壓器的主要繞組是電線的一部分，並且次要繞組上的壓降可藉由(小)電容轉換為補償電流形式的補償信號，其可用反相方式(具有與主要線圈相比的次要線圈相反之繞組，而不需要進一步措施)饋送到該電荷放大器，而離子電流也饋送到該電荷放大器。若合適，在此需要藉由一主動電路額外調整，即縮放，該次要繞組上的電壓。
在第二案例中，以無接觸方式測量該電線內的電流，通常藉由一或多個線圈。針對此目的，可用Rogowski線圈結合信號放大器來作為範例。Rogowski線圈可用於範圍為MHz的頻率，如此滿足測量裝置內電流的需求。
在進一步實施例中，該補償設備具有裝在該第一電極與該第二電極之間的一輔助電容，並且該補償設備設計用來測量通過該輔助電容的電流。因為在該第一電極內的電流比通過該第一電極與該第二電極之間該耦合電容的電流高出複數個數量級，經過證實具有不用直接測量通過該環電極的電流，而是測量通過一輔助電容的電流之優點，其中該輔助電容通常為一電容器形式，其與該耦合電容並聯配置。該輔助電容通常具有類似於該第一電極與該第二電極之間該耦合電容的數量級之值，例如大約700fF。較小的電流簡化該測量，並降低用於該補償的電流源需求。
該輔助電容可裝配或固定在該第一電極附近，例如該離子阱的外側。然而，也可將該輔助電容形成為一離散電容器，例如成為一薄膜電容器，在其中通常配置該離子阱的真空室或真空環境之外。這具有該輔助電容與該電荷放大器之間維持簡短連接線，並且如此可將耦合干擾降至最低之優點。
在一個實施中，用於測量通過該輔助電容的電流之該補償裝置具有一運算放大器電路，例如一電流回饋運算放大器(「電流回饋放大器」)，或某些其他合適的運算放大器電路，例如一電壓回饋運算放大器(「電壓回 饋放大器」)。由於與該第一電極相比，通過該輔助電容的電流顯著降低，如此可使用一運算放大器電路來取代一離散電路進行電流測量。如此借助於該電流回饋運算放大器，可將通過該輔助電容的電流轉換成一比例輸出電壓，該輸出電壓藉由小電容轉換成一補償電流形式的一補償信號，其饋送來補償一功率放大器的輸入。
在進一步具體實施例內，用於測量該串擾電流部分或通過該輔助電容的該電流之該補償設備具有一跨導(transconductance)放大器。該跨導放大器同樣可進行電流測量，其中該跨導放大器可特別實現為一離散電路，例如例如以共同基極連接操作的電晶體形式，但也可以設計為一運算放大器。電晶體形式的該跨導放大器具有0V的基極射極電壓，如此在測量通過該第一電極的該電流期間，該第一電極可透過該跨導放大器或其基極射極接點維持接地電位，該電儲存場並不受影響且不發生能量耗損。在藉由該跨導放大器測量通過該第一電極的電流期間，需要中斷該離子阱或該測量單元之內的該接地連接。這在測量通過該輔助電容的電流期間並不需要。
在進一步具體實施例內，該裝置額外包括一電子束產生設備，用於產生可饋送至該離子阱的一電子束，以便在該離子阱內部產生離子。該電子束產生設備使其利用衝擊電離或可利用電荷交換電離，在原地產生離子，即是在該離子阱的內部。該電子束產生設備可設計成例如使用燈絲或白熾燈的電子槍形式，該電子束產生設備通常固定至該第一電極(通常為該環電極)的外側。透過該環電極內一孔，通常位於該環電極的對稱平面高度上，該電子束可通過進入該離子阱的內部。
用於該電子碰撞電離的該最佳電離能量一般大約是70eV。一旦該電子束進入該離子阱的內部(給出例如對於RF儲存信號為70eV的電子能量，或相對於大於-70V的電子束產生裝置出口停止點的該第一電極(環電極)之一RF儲存電壓)，該電子束經過該電儲存場調變，其結果是電子獲得不同的能量，如此顯著更難以檢測或確定存在於該離子阱中的離子數 量。此外，該等電子以非所欲的方式分布在該離子阱內部，如此在不同位置上產生離子。然而理想上，該等離子應該只在該中央平面或對稱平面內或在該(雙曲面)環電極的中央上離子化，該環電極應該旋轉對稱並設計成相對於該中央平面鏡像對稱。在該等離子檢測期間，「填滿」離子的該離子阱內部具有惡化的敏感度與解析度。
在一個實施例當中，該電子束產生設備設計成以脈衝方式將該電子束送入該離子阱內，並且較佳與該儲存信號產生器同步，以便只在該RF儲存信號週期的至少一個部分間隔期間，將該電子束送入該離子阱內，其中該儲存信號具有恆定振幅，尤其是零振幅。為了減少上述問題，在此實施例當中，只在該儲存場循環的該至少一個部分間隔期間(上面有進一步說明)，將該電子束送入該離子阱的內部。在該部分間隔期間，該離子阱內部之內該電儲存場的絕對值也恆定或完全消失(零振幅)。因此，所有該等電子都具有定義的能量，專門在該離子阱的中央平面內移動並只在此產生離子，因此可以比較精準判定在該離子阱內產生的離子數。
除了在具有零振幅的部份間隔期間將該電子束饋送入該離子阱內部，選替性地，也可在該電儲存場具有不同於零的恆定振幅時，將該電子束饋送至該離子阱。藉由範例，在該儲存場的複數個週期上執行離子化，並且在此案例中，借助於複數個具有恆定、不同電儲存場振幅的部份間隔，可用目標方式調變該電子能量。根據每個不同、恆定的RF儲存場振幅，可產生具有不同、已定義離子化能量及/或具有不同離子化率的離子子集。
本發明實施例也關於如上面進一步說明的裝置，尤其是本發明實施例說明中簡介部分內說明的裝置，其中該裝置設計成同時或在相同時間上產生用於激發該離子阱內所存在離子的激發信號，以及檢測在該離子阱內已激發離子的離子信號。在此裝置的案例中，可選擇性或借助於該激發信號以寬頻方式，激發該離子阱的該儲存場內存在之該等離子，其中在相同時間上檢測在該激發期間產生的該離子信號或離子電流。尤其是在此案 例中，可實現該等離子的永久(若適合寬頻)激發，而不受到該離子信號或該離子電流的測量所中斷。
在此具體實施例內，由於與其他離子的碰撞，因此可補償離子的震盪阻尼。結果，也減少其中通常操作該離子阱的真空安裝需求，也就是說比傳統離子阱(較小泵等)的案例較不嚴格。尤其是，這裡提供的優點在於，可以在更高的操作壓力下以目標方式操作離子阱，例如在大於1 x 10-5毫巴的壓力下，例如高達1 x 10-3毫巴，或者具有比常規離子阱案例更短的平均路徑長度。因此，真空安裝可明顯製作的更小型，使得整個該裝置或該質量分析儀的結構非常輕薄。該激發信號的饋送以及該離子信號的檢測可以在同一個電極適當地進行。
較佳是，饋送該離子信號的檢測器連接到該至少一個第二電極，通常是帽電極，並且該激發設備設計成饋送該激發信號，將儲存在該離子阱內的該等離子激發至該第一電極，通常是環電極，或激發至該離子阱的進一步電極。
在此具體實施例內，該離子阱的不同電極都用於該激發信號的饋送以及該離子信號的檢測。在現有離子阱內，該檢測發生於該(等)帽電極上；該激發信號饋送至該第一電極，通常是該環電極，或至進一步電極。如此，用於該第二電極或帽電極上的測量通道總是空閒，可專門用來檢測該離子電流或該感應鏡射電荷。
在此案例中，該帽電極可具有二或多個部分，其中一第一帽電極部分，其通常位於該徑向方向內並形成該實際帽電極，用於該離子電流的檢測，而一帽電極部分通常徑向位於外側上，用於饋送該激發信號。如同常規的保羅阱，即使已分成二或多個帽電極部分，該帽電極還是具有雙曲線形。雖然(輕微)偏離理想雙曲線形狀而導致高階場分量，但這對於本文案來說通常並不重要。因此，對於該離子阱的該帽電極和(如果合適的話)該環電極偏離雙曲線形狀並且具有(大約)任意幾何形狀這也是可能的。
在一個實施例當中，通常是該環電極的該第一電極分成至少兩個電極部分，每個都可饋送該RF儲存信號，其中該激發信號較佳饋送到至少該等電極部分之一者。在此案例中，該第一電極通常沿著該離子阱的對稱軸(對應至該等離子的該激發方向)分成二或更多電極部分。該等兩電極部分可特別為該第一電極的兩半，每一者都饋送該RF儲存信號，其中該等兩半可特別配置成相對於該離子阱中央平面鏡向對稱。
該裝置可設計成將該RF儲存信號饋送至一第一電極部分，將該RF儲存信號饋送至一第二電極，並且將一激發信號加入至後者或從後者中減去，如此讓該激發信號在該等兩電極部分之間有落差。另外，可將其中已從該RF儲存信號中減去該激發信號的一信號饋送至該第一電極的該第一電極部分，而將該激發信號與該RF儲存信號加總形成的一信號饋送至該第一電極的該第二電極部分。若該裝置內有一補償設備，則供應至該個別電極部分或該等兩電極部分之間的該激發信號可具有基本上任意形狀、振幅和激發頻率。不言而喻，該第一電極或該環電極也可具有三或更多電極部分。
在本文所說明具體實施例的案例中，對該RF儲存信號的振幅及/或頻率可設置將具有優勢，但不是絕對必要的。關鍵的是，該補償設備能夠盡可能作為由於該激發信號被饋送到該第一電極或該第一電極的個別電極部分而產生的干擾電流之寬頻補償，也就是說不需要產生具有可設置振幅及/或頻率的一RF儲存信號之信號發生器。
在進一步實施例當中，該激發設備設計成產生具有至少一個激發頻率的一激發信號，用於選擇性地激發該離子阱中的離子，其中該激發頻率較佳對應至該離子阱中所激發的該等離子之振盪頻率。在此實施例當中，在該離子阱內已目標方式激發並檢測個別離子或離子類型(具有預定質荷比)。為了激發具有所要質荷比的離子族群或離子，可使用該離子震盪的基礎頻率，但也可使用對應至該基礎頻率與該RF儲存信號頻率總和的一激 發頻率，或對應至典型奇數次諧波的一激發頻率，即三次、五次、...，該等離子的基礎振盪頻率具有該所要的質荷比。
為了獲得完整的頻譜，在此具體實施例內，可改變或輪換激發信號的激發頻率。在此案例中，針對寬頻質譜的產生，該RF儲存信號可維持恆定，如此可消除複雜、寬頻的干擾電流補償。此外，在此案例中，並不需要藉由合適的瞬態記錄器記錄檢測到的離子信號，也不需要通過傅里葉變換將它們轉換成頻譜或質譜。若在不改變該RF儲存信號之下調整該激發信號的該激發頻率，如此可實現簡單、小型並且具成本效益的測量設定。
為了產生完整的頻譜，其也可維持該激發信號的該激發頻率恆定，並且改變該RF儲存信號的頻率及/或振幅。也可組合該激發信號的該激發頻率變化與該RF儲存信號的頻率及/或振幅變化，以便獲得盡可能完整的寬頻頻譜。
在進一步具體實施例內，該裝置包括連接至該至少一個第二電極的一放大器，用於將一已放大的離子信號饋送至該檢測器，較佳是特定頻率相關電荷放大器。如上面的進一步說明，在該離子阱內所儲存的離子之激發期間，以一感應電荷或一離子電流的形式產生一離子信號，用來檢測離子，通常被引導而遠離該第二電極並饋送至一放大器(通常是一電荷放大器)。該電荷放大器將該離子電流轉換成電壓形式的一已放大離子信號，然後可由該檢測器，例如藉由FFT轉換，轉換成一頻譜或轉換成一質譜。使用頻率相關電荷放大器，即是使用具有頻率相關放大功能的電荷放大器，就有優點，因為該干擾電流通常高出所要測量的該離子電流十二個數量級。該干擾電流可特別具有頻率，接近所要測量的該離子信號之頻率。為了在該補償信號可能無法完成該串擾電流的補償之情況下開啟該離子信號測量，頻率鑑別有其優點，其中藉由經歷該電荷放大器中較低放大的這些頻率分量，來抑制干擾電流或串擾電流的頻率分量。
在該裝置中，特別是可檢測產生於個別帽電極上並且分別饋 送至一放大器，特別是一電荷放大器的兩個離子電流。為了在檢測期間提高該敏感度，由該等放大器放大的該等兩離子信號可彼此減去，如此在該檢測器內只檢測到該等兩個離子電流之間的差異。用來放大個別離子電流的兩個放大器與進行該減法的放大器一起形成具有三個(可操作)放大器的一儀器放大器。
在一個實施例當中，該裝置額外包括一比較設備，用於比較該激發信號的該至少一個激發頻率與該已放大的離子信號。用來比較該已放大離子信號與該激發信號的該激發頻率之該比較設備，可用來選擇性檢測具有特定震盪頻率及/或質荷比的離子，並且可為例如該檢測器的零件。另外或此外，該比較設備也可形成一控制設備(請參見底下)的零件，以便將已激發離子永久儲存在該離子阱內，或以目標方式從該離子阱內移除。
較佳是，該比較設備設計成用來將內含該至少一個激發頻率的一參考信號與該已放大離子信號混合。尤其是，該比較設備由一頻率混合器構成，該頻率混合器通常從該已放大離子信號的該參考頻率與該(離子)頻率產生一總和信號與一差異信號當成輸出信號，其可進一步處理，例如以便簡化該已激發離子的檢測，或以便合適地修改一控制迴圈內該激發信號的振幅及/或脈衝週期。該比較設備也可設計成執行比頻率的加和減更複雜的計算，尤其是若該比較設備用於控制設備內或控制迴圈內。
在進一步實施例當中，該裝置包括一過濾設備，用於將該參考信號饋送至該比較設備之前過濾，特別是用於產生與該已放大離子信號相位同步的一參考信號之鎖相迴圈形式。該鎖相迴圈，也稱為PLL，使其可將在相位方面適合該離子信號並有利於檢測的參考信號饋送至該頻率混合器(請參閱底下)。除了鎖相迴圈以外，某些其他種過濾，例如FFT式過濾，也可在該頻率混合器的該過濾器設備連接上游實現。
在進一步具體實施例內，該檢測器具有一低通濾波器，用於過濾該比較設備所供應的一輸出信號。該頻率混合器通常從該等已激發離 子中該離子信號的該參考頻率fref和該震盪頻率fion產生兩個頻率，就是一加總信號與一差異信號，當成輸出信號。若該震盪頻率fion在該PLL的擷取範圍內，則在使用低通濾波器過濾來抑制該加總信號之後，會產生一DC電壓，因為濾波後的輸出信號如下：fout=｜fion-fref｜。該DC電壓可由類比數位轉換器轉換成數位信號。因為只在該類比數位轉換器的輸出上測量電壓，在此該震盪頻率fion對應至該參考頻率fref或該激發頻率，因此借助於該數位信號可推斷出該等離子的該離子質量M或該質荷比M/Z。
為此，可運用在將該等離子加速脫離該離子阱中心之後的事實，該等離子進行具有特性震盪頻率的震盪，則在一電離子阱的案例中，例如保羅阱，以下為真：
Figure 106115119-A0305-02-0019-1
其中URF代表該RF儲存信號的振幅，r0代表該離子阱的半徑，fRF代表該RF儲存信號的頻率，Z代表該離子的電荷數，M代表該離子的質量，mH代表質子質量並且e代表基本電荷。如此該震盪頻率fion取決於該等離子的質荷比M/Z、取決於該離子阱的幾何參數(r0 2)，也取決於該RF儲存信號的儲存場。若已知這些參數，則借助於等式(1)可推測出該已激發離子的該離子質量或該質荷比。
在進一步具體實施例中，該裝置具有一控制設備，用於選擇性儲存或移除藉由該離子阱內該激發信號所激發的該等離子，其中該控制設備較佳包括該放大器，尤其是該頻率相關電荷放大器，並且也包括該比較設備並且設計成用於控制該激發信號的一振幅及/或一脈衝週期。該控制設備可用來控制在具有實質上恆等震盪振幅的路徑上，具有質荷比或具有通常對應至該激發頻率或該激發頻率整數倍數的震盪頻率之離子族群，如此可永久儲存或長時間儲存在該離子阱內。另外，該控制設備可用一目標方式從該離子阱內移除個別離子族群，例如藉由所選取的震盪振幅、藉由該激發信號，其具有與該離子阱的一電極，通常是帽電極，碰撞的幅度。
本發明實施例也關於一離子阱，尤其是上面進一步說明的裝置之離子阱內，離子的質量選擇檢測方法，包括：產生一激發信號，其具有至少一激發頻率來激發該離子阱內的離子；以及也同時檢測在該離子阱內該等離子激發時所產生的一離子信號，其中檢測較佳包括比較該特別放大的離子信號與內含該激發信號的至少一個激發頻率之一參考信號。
較佳是，將該激發信號饋送至一電極或至該離子阱內與該電極不同的一電極部分，或其上檢測到該離子信號的該電極部分。針對該離子阱內該等離子的同時或平行檢測與激發之結果，可特別在由該等已激發離子所產生的該離子信號與一參考信號之間執行比較，其中該參考信號可例如具有該激發信號的該激發頻率，並且若合適的話，在相位方面也對應至該激發信號，如此簡化該等離子的檢測。
在一個實施例當中，實現該激發信號的一振幅及/或一脈衝週期之控制，將該等已激發離子儲存在該離子阱內及/或從該離子阱移除該等已激發離子，其中該控制包括該離子信號的一較佳頻率相關放大，以便形成一已放大離子信號，也包括該已放大離子信號與內含該激發信號的至少一激發頻率之一參考信號間之比較。
如同上面有關於該裝置的進一步說明，在藉由一激發信號的離子激發以及該處理內所產生該離子信號檢測的期間，可執行該激發信號的控制，通常是其振幅及/或脈衝週期，以便用目標方式將該等已激發離子保持在具有恆等震盪振幅之路徑上。另外，可用一幅度大小選擇該激發信號的該振幅及/或該脈衝週期，如此該等離子與該電極碰撞，並且用此方式從該離子阱內移除。
從本發明示範具體實施例的後續描述當中，參考圖式內的圖片，以及從申請專利範圍當中，可了解本發明的進一步特色與優點。該等個別特徵可以在每種情況下單獨實現，或者在本發明的變型中以任何期望的組合形式多重實現。
1:裝置
2:離子阱
3:第一電極
3a:第一電極部分
3b:第二電極部分
4:氣體
4a、4b:離子
5:儲存信號產生器
6a:第一激發單元
6b:第二激發單元
7a、7b:第二電極
8a、8b:電荷放大器
9:檢測器
9a:數位類比轉換器
9b:光譜儀
10:全橋式模組
11:專屬電壓源
12a-d:控制信號
13a:第一串聯電阻
13b:第二串聯電阻
15:功率類比放大器
16:半橋式模組
17a、b:閘驅動器
18a、b:光耦合器
19:運算放大器
20a、b:DC/DC轉換器
21:運算放大器
22a、b:帽電極部分
22a、b:帽電極部分
25:補償設備
26:電壓源
27:電流計
28:電流源
29:跨導放大器
30:電線
31:變壓器
32:線圈
33:輔助電容
34:電流回饋運算放大器
35:電子束產生設備
36:電子束
37:孔洞
38a:燈絲
38b:Wehnelt圓柱
38c:陽極
39:對稱軸線
40:控制設備
41:比較設備
42:參考信號
43:鎖相迴圈
44:比較器
45:整合器
46:震盪器
47:輸出信號
48:低通濾波器
49:類比數位轉換器
圖式中描述示範具體實施例，並且於下列說明當中解釋。圖式中：圖1顯示用於檢測離子的一裝置之示意圖，該裝置包括具有一環電極、兩帽電極的一離子阱，也包括一儲存信號產生器，圖2a-c顯示圖1中該儲存信號產生器的三個示意圖，在每個案例中都具有一全橋式模組以及具有其所產生的一RF儲存信號，圖3顯示具有複數個全橋式模組串聯的儲存信號產生之示意圖，圖4顯示具有一功率類比放大器的儲存信號產生之示意圖，圖5顯示類似於圖1具有由該RF儲存信號所產生的一干擾電流以及具有用於補償該干擾電流的一補償信號之裝置的示意圖，圖6顯示根據由該儲存信號產生器所產生的該RF儲存信號來產生一補償信號之一補償設備的示意圖，圖7顯示借助於通過該離子阱中一第一電極的一電流來產生一補償信號之一補償設備的示意圖，圖8a-c顯示以不同方式決定通過該第一電極的該電流之三種補償設備的示意圖，圖9a、b顯示具有一輔助電容的一補償設備之示意圖，該設備設計成用來測量流過該輔助電容的電流，圖10a-c顯示用於將一電子束饋送進入該離子阱的一電子束產生設備，以及用於產生具有不同離子化能量的離子之兩個RF儲存信號的示意圖，圖11顯示具有在一激發信號饋送到該等帽電極時離子激發所產生的電位分佈之一離子阱的示意圖，圖12顯示具有在一激發信號饋送到該環電極中兩電極部分時離子激發所產生的電位分佈之一離子阱的示意圖， 圖13顯示類似於圖12具有一控制設備，來選擇性將離子儲存到該離子阱或從中移除離子之示意圖，其中該設備包括一放大器與一頻率混合器，圖14顯示用於檢測離子的設備之示意圖，該設備包括一頻率混合器和一鎖相迴路，以及圖15顯示Mathieu微分方程式的穩定圖之示意圖。
在以下圖式說明中，相同或功能相同組件都使用相同的參考符號。
圖1圖解顯示用於檢測儲存在一離子阱2內離子4a、4b的裝置。裝置1用來以質譜法檢查離子4a、4b，因此在下文中也稱為質譜儀。在顯示的範例中，離子阱2設計成一電離子阱(保羅阱)，並且具有環電極形式的第一電極3。將一AC電壓URF形式的一RF儲存信號供應給環電極3，該信號在離子阱2內產生一射頻交換場形式的一電儲存場E，其中動態儲存要試驗的一氣體4之離子4a、4b。為了產生該RF儲存信號URF，裝置1具有一儲存信號產生器5。氣體4藉由一饋送設備(特定細節內未例示)饋送至離子阱2內部。
從該電儲存場E，得出作用在離子4a、4b上的平均恢復力(restoring)程度越大，則離子4a、4b就越遠離離子阱2的中間或中心。為了測量離子4a、4b的質荷比(m/z)，利用一激發信號Ustim,1、Ustim,2(刺激)激發後者來執行震盪，其頻率取決於該離子質量以及該離子電荷，並且通常在kHz至MHz數量級的頻率範圍內，例如從大約1kHz至200kHz。該個別激發信號Ustim,1、Ustim,2由一第一和一第二激發單元6a、6b所產生，其下游連接一個別放大器。
針對無擾動(perturbation-free)的非破壞性檢測(即離子阱4a、4b在檢測後仍存在於離子阱2中)，已激發離子4a、4b的震盪信號以誘導 反射鏡電荷形式在兩個第二電極7a、7b(測量電極)上分離，其形成離子阱2的該等帽電極。兩帽電極7a、7b分別透過個別濾波器連接至個別低雜訊電荷放大器8a、8b。
電荷放大器8a、8b在一方面獲取並放大帽電極7a、7b上依靠該激發所產生的兩離子電流Iion1、Iion2之一者，並在另一方面將其維持在虛擬接地的電位上。從利用電荷放大器8a、8b將該等離子電流Iion1,Iion2轉換成電壓信號，通過差分形成來產生一離子信號uion(t)，該離子信號的時間分佈例示於圖1的右下方。
該離子信號uion(t)饋送至一檢測器9，在所顯示的範例內，具有一數位類比轉換器9a和一光譜儀9b用來執行快速傅立葉分析(FFT)，以便產生質譜，這例示於圖1的右上方。在此案例中，檢測器9或光譜儀9b首先產生儲存在離子阱2內離子4a、4b的該特性離子共振頻率fion之頻譜，該頻譜根據個別離子4a、4b的質量與電荷上的該離子共振頻率fion轉換成質譜。該質譜代表受測粒子或電荷的數量，與該質荷比m/z為函數關係。
在用來試驗離子4a、4b的常規裝置1內，使用可具有kHz至MHz數量級的恆定頻率fRF，例如1MHz，以及數百伏特恆定(最大)振幅ARF之RF儲存信號URF。
圖1內所示的裝置1，更精確來說是將其儲存信號產生器5設計成將該RF儲存信號URF的振幅ARF和頻率fRF設定在相對較大之值範圍上，例如在該RF儲存信號URF的頻率fRF之案例中，在大約0.1Hz至大約1MHz的值範圍內。該振幅ARF可同樣改變，以便產生所要的波形，例如正弦、三角形或方形的該RF儲存信號URF。
圖2a-c顯示信號產生器5的示範具體實施例，其中借助於一全橋式模組10實現該波形的設定以及該RF儲存信號URF的頻率fRF。全橋式模組10具有四個屬於功率MOSFET形式的電晶體T1至T4。第一對 電晶體T1、T4和第二對電晶體T2、T3都串聯並形成一半橋。兩對T1、T4和T2、T3或該等兩個半橋都配置在並聯電路內。一電壓源11用來產生一供應電壓UD給全橋式模組10，並且與該第一對電晶體T1、T4和該第二對電晶體T2、T3並聯。該第一與第四電晶體T1、T4之間全橋式模組10的一第一分接頭(tap)A連接至環電極3，並且該第二與第三電晶體T2、T3之間的一第二分接頭B則連接至接地電位。該等分接頭A、B之間下降的電壓UAB對應至圖1內所示的該RF儲存信號URF。
借助於四個控制信號12a-d來驅動全橋式模組10的該等四個電晶體T1至T4，其中該等信號在顯示的範例中為數位信號。在該RF儲存信號URF的週期T期間，選取該等控制信號12a-d，如此假定圖2a內例示的該第一切換狀態a)在該週期T的該第一半期間，並且假定圖2a內同樣例示的該切換狀態b)在該週期T的該第二半期間。
如同圖2a內右邊上所見，以此方式在該等兩個分接頭A、B之間產生一雙極電壓UAB以及如此具有方形波的一RF儲存信號URF。為了能夠以浮動方式產生該雙極電壓UAB，該供應電壓UD必須浮動，這可藉由使用電池形式的一電壓源11來達成，或可能藉由使用一絕緣，即電流去耦的DC/DC轉換達成。
圖2b顯示一信號產生器5，其全橋式模組10與圖2a內所示的全橋式模組10不同，其中一第一串聯電阻13a配置在該第一分接頭A與該等第一和第四電晶體T1、T4之間，並且一第二串聯電阻13b配置在該第二分接頭B與該等第二和第三電晶體T2、T3之間。同樣可從圖2b內看出，因為該電流上升(di/dt)變慢，兩個串聯電阻13a、13b將該等分接頭A、B之間該電源UAB的切換邊緣平坦化，或將該RF儲存信號URF的切換邊緣平坦化，這有助於補償串擾電流。再者，串聯電阻13a、13b可降低電晶體T1至T4內上升的功率耗損，或可將其傳輸至串聯電阻13a、13b，如此該功率耗損可比從電晶體T1至T4更容易消耗。
針對圖2a、b內顯示的案例，其中以數位方式驅動全橋式模組10，並且在該處理中產生一可能光滑的方波電壓UAB，在一個別半橋式內或電晶體T1、T4及/或T2、T3的一個別配對內可產生切換耗損或分流電流。為了避免，可用圖2c內顯示的方式來驅動圖2a、b內的全橋式模組10：除了圖2a、b內顯示的該等第一和第二切換狀態以外，也產生一第三切換狀態，其中選取控制信號12a-d，如此該第三電晶體T3與該第四電晶體T4或該第一電晶體T1與該第二電晶體T2同時開啟。在該第三切換狀態內，通常假定一般大約是該RF儲存信號URF中該週期T的一部分間隔△T0之2%至10%，該等兩分接頭A、B之間的該RF儲存信號URF或該電壓UAB具有零振幅或消失的振幅，從圖2c內可發現。除了減少切換耗損，借助於這種部分間隔△T0或借助於複數個部分間隔，其中每個案例中的該電壓UAB都具有一恆定電壓，如此可改善離子阱2內的離子化，如底下更進一步詳細說明。
利用在適當時間點上藉由控制信號12a-d，開啟與關閉電晶體T1至T4，如此可改變該RF儲存場URF的該頻率fRF。然而，也可存在於線性操作內用類比控制信號12a-d來驅動該等電晶體T1至T4，以便用此方式產生基礎任意信號形狀，例如正弦或三角形RF儲存信號URF，其中針對此目的，若合適可使用一控制器，例如底下關於圖4的說明。
為了可使用全橋式模組10來設定該RF儲存信號URF的該(最大)振幅ARF，可將電壓源11設計成設定該供應電壓UD之值。另外，如圖3內所例示，複數個全橋式模組10可串聯，以便提高該RF儲存信號URF的該(最大)振幅ARF。在圖3內顯示的電路圖中，將環電極3例示為一電容CRing的形式，信號產生器5的已串聯全橋式模組10所產生之該RF儲存信號URF會通過此電容而下降。每一全橋式模組10都具有一專屬電壓源11用來產生一供應電壓Ubatt，根據存在的複數個全橋式模組10，其值通常低於只有單一全橋式模組10的信號產生器5所使用之值。
圖4顯示使用具有一功率類比放大器15的一儲存信號產生器5來產生一RF儲存信號URF之進一步可能性。功率類比放大器15用來放大一類比控制信號USetpoint，以便產生具有(最大)振幅ARF，可例如為100V或以上的數量級之一類比RF儲存信號URF。為此，功率類比放大器15具有一半橋式模組16(也稱為輸出級)，而該模組具有電晶體T1、T2形式的兩個可驅動電子組件，使其在n通道功率MOSFET的形式中更精準。來自圖1的環電極3由圖4中類似於圖3的一電容CRing所例示，該電容連接在半橋式模組16的兩個串聯電阻T1、T2之間。在線性操作中驅動半橋式模組16的兩個電阻T1、T2，其中該等電晶體T1、T2的該閘電流透過具有電流控制輸出的兩個閘驅動器17a、17b來控制。兩閘驅動器17a、17b透過個別光耦合器18a、18b，與該輸出電壓的控制或該RF儲存信號URF的控制電隔離。針對該控制，在圖4內顯示的功率類比放大器15的案例中，使用一運算放大器19。在每個案例中，透過一專屬隔離的DC/DC轉換器20a、20b，將供應電壓供應給兩個驅動器17a、17b。藉由運算放大器19的該控制透過第一和第二電阻R1、R2來執行，如此該RF儲存信號URF與該控制信號USetpoint成比例，也就是說以下成立：URF=a USetpoint，其中在以下顯示範例中，係數a成立：a=(1+R2/R1)。
如同上面關於圖1的進一步說明，由於離子阱2內離子4a、4b的激發，測量在帽電極7a、7b上產生的該離子電流IIon1、IIon2，以便檢測離子阱2內的離子4a、4b或以便記錄一質譜。由於帽電極7a、7b與環形電極3的在空間上接近，在它們之間存在如圖5所示一耦合電容CCross的電容耦合。如針對圖5內第一環電極7a所示，該耦合電容CCross造成一干擾或串擾電流IInt，其加入該離子電流IIon1內。該干擾電流IInt可能超出該離子電流Iion1高達大約十一個數量級，並且過度驅動電荷放大器8a、8b，或可能過度驅動用於放大該離子電流IIon1的不同種放大器。
如圖5內所見，為了補償該干擾電流IInt，將例如一補償電 流IComp形式的補償信號供應給該電荷放大器8a，其中該信號為該干擾電流IInt的反相並且適合比例縮放，如此IComp=-IInt為真。在圖5內所示範例的案例中，該補償信號IComp與該離子信號IIon一起饋送至電荷放大器8a，以更精確地將其放大到電荷放大器8a的運算放大器21之反相輸入端，使得離子電流IIon1僅存在於電荷放大器中。像電荷放大器的情況一樣，電荷放大器8a另外還具有一補償電容CComp，例如以電容器的形式，依次與運算放大器21的反相輸入端及其輸出端並聯連接，以便在電荷放大器8a的該輸出上產生一個電壓，以下為真：Uout=-Qion/CComp=-IIon△t/CComp，其中Qion代表在第一帽電極7a上由於離子4a、4b激發所產生的該感應電荷，並且△t代表該離子測量的持續時間。
在圖5所示的範例案例中，除了測量個別帽電極7a、7b上的該離子電流IIon以外，進一步通常提供具有雙曲線外型的旋轉對稱帽電極部分22a、22b，其與形成間隙的帽電極7a、7b之徑向外緣相鄰。在進一步帽電極部分22a、22b，通常為接地電位，與旋轉對稱環電極3之間，產生可用外型調節的一電容CRing。兩進一步帽電極部分22a、22b用於確保離子阱2中良好的四極場。針對兩進一步帽電極部分22a、22b都為接地電位的案例，其通常不活躍，也就是說對離子電流檢測的貢獻都很小並且非所要。透過一開關S1，可將該(第一)激發設備6a的該激發信號UStim1饋送至第一帽電極7a，以便激發離子阱2內的離子4a、4b。
因為在本案例中信號產生器5設計成產生具有MHz範圍可變頻率fRF以及基礎任意波形的該RF儲存信號URF，所以需要設計該補償信號IComp進行對應的寬頻補償。底下詳細解釋用來實現一補償設備25，使其可產生這種補償信號IComp的許多可能性。
在圖6內所例示範例的案例中，用於產生一補償信號UComp的一補償設備25具有一電壓源26，設計成根據該RF儲存信號URF產生該補償信號UComp，或從該RF儲存信號URF衍生出該補償信號UComp。該補償 信號UComp為一電壓，其通常為該RF儲存信號URF的逆相(通常相位移180°)並且適合比例縮放，並且透過一補償電容CComp饋送至電荷放大器8a，以便產生相對於該干擾電流IInt逆相的一補償電流IComp。為此目的，補償設備25的電壓源26以及信號產生器5或其電壓源在補償設備25的幫助下同步，也就是說，針對此目的，補償設備在傳訊(signaling)方面連接至該儲存信號產生器5。
該RF儲存信號URF的該信號分佈(profile)以及該補償信號UComp的該信號分佈都必須彼此調整，以便有最佳補償。若合適，可能需要記錄流過接地電位上環電極3與一個別帽電極部分22a、22b之間該電容CRing的該串擾電流部分IU(請參閱圖5)，並且用它當成參考來產生該補償信號UComp。
若合適，相對於圖6內顯示的圖例，補償設備25並非絕對需要一專屬電壓源；而是在圖4內所例示信號產生器5利用放大一類比控制信號USetpoint來產生該RF儲存信號URF之案例中，類比控制信號可用來產生該補償信號UComp。在此案例中，該控制信號USetpoint僅必須逆相(inverted)並且可被放大。
圖7顯示借助於電流計27，測量位於來自圖5內兩進一步帽電極部分22a、22b之一者上環電極3之間，用圖7內一電容CRing來呈現的該串擾電流部分IU相對於接地之基本原理。如圖7內可見，透過一串聯電阻RV將該RF儲存信號URF饋送至環電極3。在圖7內所顯示範例的案例中，電流計27與可調整電流源28一起形成補償設備25，用來產生饋送至電荷放大器8a輸入端的補償電流IComp形式下之該補償信號。可調整電流源28用來逆轉該已測量串擾電流部分IU，並且根據該干擾電流進行比例縮放，以便補償對於離子4a、4b檢測的影響。
關於實現圖7內所示根據該已測量串擾電流部分IU來產生該補償信號IComp的原理之實現，許多實現可能性存在，差別在於該串擾電 流部分IU的測量類型以及該補償信號IComp的產生類型。底下參照圖8a-c，說明根據關於圖7所例示原理來實現一補償設備25之許多可能性。
圖8a顯示具有一跨導放大器29用來產生該補償信號IComp的一補償設備25，該跨導放大器同時用於測量該串擾電流部分IU以及用於產生該補償信號IComp。跨導放大器29在共基極連接中操作，並且具有0V的基極-發射極電壓，為此，環形電極3或電容CRing經由跨導放大器29保持在接地電位，並且離子阱2內的該電儲存場E不受影響。在圖8a內所示補償設備25的案例中，相對於接地測量該串擾電流部分IU，針對此原因，在此範例中，需要中斷離子阱2內或該儲存單元之內的接地連接。
圖8b顯示設計成測量一電線30內該電流IRF，用來將該RF儲存信號耦合至離子阱2之外環電極3之一補償設備25。針對此目的，補償設備25具有一(寬頻)變壓器31，其主要繞組配置在電線30內，並且通過其次級繞組的電壓會下降，然後再圖8b所示範例的案例中，藉由一電容CComp將該電壓轉換成一補償電流IRF形式的補償信號，然後饋送至電荷放大器8a。相較於圖8a內的顯示，可能需要借助於一主動電路(在更特定細節中未顯示)，調整變壓器31的該次級繞組上產生的該電壓，以便獲得最佳補償。
圖8b顯示一補償設備25，如同圖8a內所示該補償設備的案例，其中在一電線30上測量通過環電極3的該電流IRF，該電流用於將該RF儲存信號URF耦合至環電極3。在圖8b所示解決方案的案例中，補償設備25設計成以不接觸方式測量通過電線30的該電流IRF，並且具有用於此目的之線圈32。在顯示的範例中，線圈32為Rogowski線圈，適合在該MHz範圍內該RF儲存場URF的高頻率fRF上進行電流測量。一信號放大器33用於將線圈32所供應的該信號放大以及逆相，該信號藉由一電容CComp轉換成補償電流IRF形式的一補償信號，然後將該信號饋送至電荷放大器8a的輸入端。
圖9a-c最終顯示一補償設備25，其具有電容器形式的一輔助電容CAux，該電容裝配在環電極3與第一帽電極7a(離子阱2的內部之外)之間。如此，該輔助電容CAux與該電儲存場E所產生的該耦合電容CCross並聯配置。在此範例中，補償設備25設計成測量通過該輔助電容CAux的該電流IAux，其中該電容通常具有與數百fF數量級的該耦合電容CCross類似之值，例如大約700fF。
通過該輔助電容CAux的該電流IAux在其波形上對應至該串擾電流部分IU，但是具有顯著較低的絕對值，結果顯著減少該補償所需的該電流源。在圖9a內，如同圖8a內所示範例的案例中，補償設備25具有一跨導放大器29，以便測量通過該輔助電容CAux的該電流IAux。跨導放大器29同時用來當成一可調整電流源，用來產生一補償電流IComp形式的該補償信號。
一電容器可用來實現輔助電容33，該電容器固定在離子阱2的外側並先接觸環電極3，再來接觸上方帽電極7a。該電容器可當成一分隔(discrete)電容器，例如薄膜電容器的形式，配置在其中通常配置或操作離子阱2的該真空室之外。輔助電容33配置在該真空室之外或位於與離子阱2一段距離的位置上，使其可縮短至電荷放大器8a的電連接線，以便將可能的耦合干擾降至最低。
由於通過該輔助電容CAux而非該(分隔)跨導放大器29的該電流IAux之強度相對低，所以可使用一運算放大器電路進行測量，如藉由圖9b內針對一電流回饋運算放大器34的範例所示。在電流回饋運算放大器34的該輸出上產生之該電壓Ua=-IAux dt/CAux與通過該輔助電容CAux的該電流IAux成比例。藉由將電流回饋運算放大器34的該逆向輸入連接至該輸出的一(小型)補償電容CComp，如上面進一步說明，則電流回饋運算放大器34的該輸出電壓轉換成一補償電流IComp形式的補償信號。
一般來說，不僅對於第一帽電極7a或第一電荷放大器8a， 也對於第二帽電極7b或第二電荷放大器8b，可實現如上面進一步說明的該補償信號UComp、IComp之產生，並且通常實際上可實現。由於離子阱2的對稱外型，通常只足夠測量該串擾電流部分IU、該電流IRF、IAux及/或該RF儲存信號URF一次，並且饋送一個並且是相同的補償信號UComp、IComp兩者至第一電荷放大器8a和第二電荷放大器8b進行補償。
對於在離子阱2內產生離子4a、4b存在許多可能性：離子4a、4b可產生在離子阱2之外，並且在離子化之後饋送至離子阱2。另外，可將待檢驗的氣體4以電荷中性的狀態饋送至離子阱2，並且可在離子阱2之內原位離子化。針對此目的可使用一電子束36，該電子束由一電子束產生設備35(電子槍)所產生，如圖10a內所例示。在顯示的範例中，電子束產生設備35裝在離子阱2之外環電極3上，並且電子束36透過環電極3內一孔洞37饋送至離子阱2內部。
在顯示的範例中，電子束產生設備35具有通過加熱設備(在更特定細節中未顯示)加熱的一燈絲38a(白熾燈絲)，以便釋放電子並產生電子束36。環電極3內的孔洞37，Wehnelt圓柱38b內的對應孔洞，如圖10a內所例示，以及圍繞該Wehnelt圓柱的一陽極38c內之一孔洞都沿著一直線配置。在顯示的範例中，將電子束36饋送進入該雙曲線環電極3的對稱平面或中央平面(XY平面)，在此相對於與該Z方向對稱的平面執行鏡射對稱。理想上，在對稱平面之內產生離子4a、4b，以更精確地將其放置在離子阱2的中心，在此處該對稱平面與往該Z方向的環電極3之對稱軸線39相交，環電極3相對於該對稱軸具有旋轉對稱性。
一旦電子束36進入離子阱2的內部，則用該電儲存場E進行調變，使得電子束36的該等電子獲得不同能量。由電子束36進行該衝擊離子化的最佳離子化能量一般大約是70eV，結果離子阱2內所存在離子數量的檢測或判斷會因為電子束36的該等電子能量變化而有顯著不同。此外由於該電儲存場E，電子束36的該等電子以非所要的方式分散在離子阱 2內部，如此在離子阱2內部之內不同位置上產生離子4a、4b。然而理想上，應只在(雙曲線)環電極3的該對稱平面(XY平面)內產生離子4a、4b，該環電極在顯示的範例內設計成相對於該對稱平面旋轉對稱與鏡向對稱，因為在離子4a、4b的檢測期間，「填滿」離子4a、4b的離子阱2之內部通常造成糟糕的敏感度與解析度。
為了減少此問題，上面關於圖2c說明的該零相位可用來將電子束36饋送進入離子阱2，也就是說只有在該RF儲存信號URF的該週期T之一部分間隔△Ti、△Ti+1期間，才能將電子束36饋送進入離子阱2，其中該RF儲存信號URF以及該電儲存場E具有消失的振幅(零振幅)。
在此案例中，電子束產生設備35可設計成例如使用將該部分間隔△Ti、△Ti+1內電子束36偏轉的偏轉電極來產生一脈衝電子束，其中該電子束不會進入離子阱2，如此該電子束不會通過環電極3內的孔洞37。另外或此外，針對此目的，電子束產生設備35的陽極38c上之該電壓可在兩電壓值之間快速切換，其中在該等兩電壓值之一者的案例中，電子束36的該等電子之能量不足以通過離子阱2。
電子束產生設備35可額外與儲存信號產生器5同步，以便只在該RF儲存信號URF的該週期T之一個別所要部分間隔△Ti、△Ti+1期間將脈衝電子束饋送至離子阱2，其中該信號具有消失的振幅，如圖10b內所例示。該饋送只在該部分間隔△Ti、△Ti+1期間或在該零相位期間，確定離子阱2內電子束36的該等電子首先具有一定義的能量，其次專門在離子阱2的該中央軸或對稱平面內移動，並且只有這些產生離子4a、4b，如此可用較高精確度決定在離子阱2內產生的離子4a、4b之數量。
額外地或選擇性地，也可在該週期T的部份間隔△Ti、△Ti+1內將電子束36饋送至離子阱2，其中該RF儲存信號URF非零的恆定振幅，如圖10c內針對兩(額外)部分間隔△Ti、△Ti+1的例示。在此案例中，該RF儲存信號可用來沿著電子束產生設備35的陽極38a與環電極3之間的該路 徑，減速或加速電子束36的該等電子。在此案例中，電子束36的該等電子是否已減速的事實取決於陽極38c與環電極3的該RF儲存信號間之該電位為正或負，其中該RF儲存信號在該個別部分間隔△Ti、△Ti+1內恆定。如此以目標方式，藉由調整該RF儲存信號URF或該RF儲存信號URF的波形適合用於該離子化，來調節饋送進入離子阱2或是電子束36的該等電子之電子能量。
針對在一個別時間間隔△Ti、△Ti+1內產生的離子n ion,i 、n ion,i+1 之數量，以下為真：n ion,i =(η i ).(△T i )並且個別n ion,i+1 =(η i+1 ).(△T i+1 )，其中η i 、η i+1 代表個別離子化率或離子化效率。
因此，在具有N部分間隔的該RF儲存信號URF週期T期間總共產生之離子N ion,tot 數量為真，其中該RF儲存信號URF的振幅在每個案例中都恆定：
Figure 106115119-A0305-02-0033-2
可理解地，為了決定在離子阱2內產生的離子4a、4b總數，該等離子N ion,tot 的數量必須乘上其中將電子束36饋送至離子阱2的週期數。
特別是針對圖10b內顯示的該波形，顯而易見的是，對於每個零相位，可通過陽極38c與環電極3之間的該電位△φ e 來實現明確定義的離子化能量，並且可通過該離子化率η i 與該離子化期間△T i 來實現實際上恆定的離子子集。如此，可產生由不同大小並具有不同離子化能量及/或不同離子化率η i 的離子子集所構成之已定義離子4a、4b總數。如圖10c內所見，即使在具有部分間隔△T i 、△T i+1 的該RF儲存信號URF之波形案例中，其中該RF儲存信號URF具有非零的恆定振幅△φi，則可針對不同離子子集實現明確定義的離子化能量△φ e +△φ i 。
圖11顯示保羅阱形式的離子阱2，如此可用於例如圖1內顯示的裝置1。離子阱2具有兩個整合帽電極7a、7b以及一個環電極3，在顯示的範例中，該環電極分成兩個(環)電極部分3a、3b，而信號產生器5 的該RF儲存信號URF分別饋送至該兩部分(請參閱圖1)。兩電極部分3a、3b相對於離子阱2的一中央平面鏡向對稱配置，如圖11內所示，整體設計成繞著當成離子阱2的對稱軸39之該Z軸對稱旋轉。
在圖11內所示範例的案例中，該激發信號Ustim1以暫時順序(momentarily)從一激發設備6a、6b(請參閱圖1)饋送至帽電極7a、7b，來激發離子阱2內的離子4a、4b或一離子族群，其中帽電極7a、7b同時當成帶離該離子電流Iion1、Iion2的測量電極。
在圖11內所示範例的案例中，針對激發信號Ustim1，供應方波脈衝形式具有一脈衝週期TP和一振幅UP的一(短)激發脈衝來精確差分，或在一差分電壓的形式中，即是針對上帽電極7a上的該激發信號Ustim1，Ustim1=+UP為真，而針對下帽電極7b上的該激發信號Ustim1，-Ustim1=-UP為真。離子阱2內產生的該電位Φ1可如圖11內所見，其中假設一RF儲存信號URF具有0V之值來簡化。
在圖11內所示範例的案例中，帽電極7a、7b具有雙功能性，因為其首先用來激發離子4a、4b，接著用來測量該等感應離子信號Iion1、Iion2。在常規離子阱2內絕對需要這種兩帽電極7a、7b可用於激發與測量的雙重用途，因為在常規離子阱2內的該RF儲存信號URF設計成在非常窄頻帶內具有恆定頻率fRF，以便在該第一地點內啟用該串擾電流Iint的無中斷補償，或以便盡可能簡單設置該補償。
如上面進一步說明，若裝置1除了該(在此案例中恆定)RF儲存信號URF以外，還內含可進行該串擾電流Iint寬頻補償的一補償設備25，則可將一激發信號Ustim2饋送至環電極3或兩電極部分3a、3b，如圖12內所例示。如兩帽電極7a、7b的案例中，以差分電壓的形式將該激發信號Ustim2饋送至兩電極部分3a、3b，也就是說，在第一電極部分3a上將該激發信號Ustim2加入至該RF儲存信號URF，並且在第二電極部分3b上從該RF儲存信號URF減去，如此以方波脈衝形式具體實施的該激發信號Ustim2之雙倍振 幅UP呈現在兩電極部分3a、3b之間。此處在離子阱2內產生的該電位Φ2在圖12內顯示成與來自圖11的該電位Φ1相加，其中再次假設消失的RF儲存信號(URF=0V)來簡化說明。
如圖12內所見，在激發離子4a、4b稍微從離子阱2中心往一第一近似位置(給予合適的縮放比例)偏離該坐落位置z=0的案例中，該電位Φ2對應至在該激發信號Ustim1饋送至圖11內帽電極7a、7b時所產生之該電位Φ1。因此，有關已知該電位Φ1關聯於離子4a、4b的激發對於該電位Φ2大體上成立。可理解地，相較於圖12內所顯示，該激發信號Ustim2可只饋送至第一電極部分3a，也就是說，對於將該電壓饋送至第一電極部分3a來說URF+Ustim2成立，而在此案例中，只有該RF儲存信號URF當成AC電壓才會饋送至第二電極部分3b(反之亦然)。
通過在補償設備25(圖12內未例示)的幫助之下該干擾或串擾電流Iint的該寬頻補償，其可補償在該離子電流Iion1、Iion2上該激發信號Ustim2耦合至兩電極部分3a、3b的影響。在此範例中，兩帽電極7a、7b只用來檢測該個別離子電流Iion1、Iion2，如此總是在虛擬零電位上(+0V)。同時，可將該激發信號Ustim2饋送至兩電極部分3a、3b，以便激發離子阱2內存在的離子4a、4b(參閱圖1)。
也在圖12內例示的離子阱2之案例中，在離子阱2內激發的離子4a、4b可用一激發信號Ustim2來激發(以寬頻方式)，其中該信號為具有一(大)振幅UP和一(相較於該振幅來說非常短)週期TP的方波脈衝，即實際上為Dirac脈衝。
針對在圖11所示操作模式內藉由這種方波脈衝的離子4a、4b之寬頻激發，根據M.Aliman於1998年發表的論文「Ein Beitrag zur breitbandigen Massenspektrometrie mit elektrischen Ionenresonanzzellen[運用電子離子共振單元的寬頻質譜法]」(EIRZ)，其在此以引用方式併入本申請案內文中，以下成立，根據等式(5.16)，第59頁： T P
Figure 106115119-A0305-02-0036-7
 ,其中fion,z,max代表要激發的最快離子4a、4b之震盪頻率，並且TP代表該方波脈衝的脈衝週期。
在如圖12所示離子阱2的操作模式中，結果如下：
Figure 106115119-A0305-02-0036-4
此外，對於該差分激勵或該激發信號Ustim2，必須符合有關該激發信號Ustim2的「脈衝時間積分」UP x TP之條件，避免在該激發期間，離子4a、4b的該震盪振幅提高到該等離子與帽電極7a、7b碰撞並因此而從離子阱2移除之程度。針對圖11內所示離子阱2的標準操作模式，在一正弦RF儲存信號或一正弦儲存電壓具有振幅VRF和頻率fRF之案例中，根據上面論文中第89頁的等式(5.55)，結果如下：(U p * T p )
Figure 106115119-A0305-02-0036-8
1.905
Figure 106115119-A0305-02-0036-6
針對圖12所示離子阱2的操作模式，以下結果成立：
Figure 106115119-A0305-02-0036-5
如此有關上面進一步引用該寬頻激發所說明在帽電極7a、7b上之該激發，可迅速適用於環電極3上的該激發，如圖12內所說明。
將該激發信號Ustim2饋送至環電極3，以更精確放到兩電極部分3a、3b，並且可有利地使用該離子電流Iion1、Iion2同時檢測，由於該離子族群維持在具有大體上恆定震盪振幅的路徑上，所以用目標方式將離子族群永久儲存在離子阱2內，或由於以已激發離子4a、4b與帽電極7a、7b或可能與環電極3碰撞並如此從離子阱2移除之幅度選取該震盪振幅(在該Z方向內)，所以用目標方式從離子阱2移除該離子族群。
如上面進一步說明，針對將已激發離子4a、4b維持在具有 恆定震盪振幅的路徑上，則必須滿足有關該激發信號Ustim2的該脈衝週期TP和該脈衝時間積分之兩不等式(2)和(3)。特別是若不滿足不等式(3)，則已激發離子4a、4b通常具有幅度讓已激發離子4a、4b從離子阱2移除的一震盪振幅。不用說，不等式(3)可從Dirac脈衝推廣到該激發信號Ustim2的任意波形，例如上述輪文中的等式(5.56)。
為了將已激發離子4a、4b永久儲存在離子阱2內，因此該激發信號Ustim2更需要精確的已激發離子4a、4b之該振幅UP和該脈衝持續時間TP，來滿足上面進一步說明的條件(2)和(3)。因為該激發信號Ustim2供應至環電極3，根據圖12內未例示的補償設備25，造成要補償的一干擾電流Iint，如此後者不會影響該離子信號Iion1、Iion2，依照原理該激發信號Ustim2可假設為任意波形。因此該激發信號Ustim2的平均「脈衝積分」UP TP可經過特別選擇，如此滿足上面的條件(3)。
為了實現這一點，可使用一控制設備40，下面通過參考圖13的範例來描述在第一帽電極7a處分接的離子信號Iion1=+Iion。不用說，也可根據第二帽電極7b上的該離子信號Iion2=-Iion來執行這種控制，或兩離子信號Iion1、Iion2，特別是其間的差異，可用於該控制。
在圖13內所示範例的案例中，控制設備40具有一(頻率相關)電荷放大器8a，其產生AC電壓形式的一已放大離子信號Uion。頻率相關電荷放大器8a的使用有利於以目標方式，抑制該離子信號Iion1內對於該串擾電流有貢獻的頻率分量放大。一般而言，這種頻率鑒別是必須或有利的，因為該離子信號IIon1中可產生串擾電流的一信號分量最多可大於離子4a、4b所產生該離子信號IIon1的一信號分量十二個數量級數。將電荷放大器8a所放大的離子信號Uion饋送至一(寬頻)比較設備41，屬於控制設備40的一部分。也將參考信號42饋送至比較設備41，在每一案例中該參考信號包含該激發信號Ustim2的一激發頻率fion1、...、fionN或由該激發頻率fion1...、fionN構成。
該激發信號Ustim2的該激發頻率fion、fion1、...用來選擇性激發離子阱2內，在每個案例中屬於具有特定質荷比的一離子族群之離子4a、4b。在此案例中，該激發信號Ustim2的該激發頻率fion通常對應至離子阱2內要激發的離子4a、4b之震盪頻率或共振頻率fion，其在離子阱2內往該徑向方向與該z方向都維持穩定。在本文內說明離子阱2為雙曲線保羅阱形式的案例中，利用Mathieu微分等式說明該離子例如往該z方向的移動。圖15顯示該Mathieu微分等式的穩定性圖，其中通常將慣性的特徵頻率β=f(a,q)的穩定性條件表示為無維度參數a和q的函數。該參數a與可能存在並且供應至帽電極7a、7b的共用模式電壓成比例，並且該參數q與該RF儲存信號URF成比例。針對個別離子頻率fion，fion=β(a,q)x fRF/2成立。
圖15內以陰影方式表示的區域滿足該穩定性標準，也就是說離子4a、4b在該陰影區域內的穩定路徑上移動。如圖15內所見，在該穩定性圖內，存在複數個陰影區域，這產生較高階共振。在參考圖15時，顯而易見的是，該參數a的任何記錄值之該離子頻率fion實際上可任意更穩定，即在該RF存儲信號fRF的較高頻率fRF處。
如上面進一步說明，在圖13內所示範例的案例中，呈現具有不同激發頻率fion1、fion2、...的複數個參考信號42，以便用目標方式激發離子阱2內具有不同質荷比的離子4a、4b。該寬頻、可調整的比較設備41也當成一頻率混合器，並且將參考信號42的該激發頻率fion1、fion2、...與該RF儲存信號URF混合，以及與由電荷放大器8a所放大的該離子信號Uion混合。設定比較設備41，如此一個別激發頻率fion1、...的激發程度，尤其是該激發信號Ustim2的振幅UP與脈衝持續時間TP的乘積UP TP，滿足條件(3)，即是該激發追隨離子阱2內已激發離子4a、4b的該等軌道或該震盪振幅A，如此這些離子封裝仍舊在離子阱2內。具有此或可能不同激發頻率fion1、...的離子4a、4b或離子封裝可借助於比較設備41來激發，如此這些離子以目標方式從離子阱2移除。
具有該個別激發頻率fion1、...的參考信號42可由個別可調整震盪器來產生，該震盪器屬於一個別激發設備6a、6b(參考圖1)的一部分或一共用激發設備6的一部分。從該激發信號Ustim2也可產生該參考信號42或該個別激發頻率fion1、...，借助於一濾波器設備的幫助對該信號濾波，來將該信號饋送至兩電極部分3a、3b，例如借助於鎖相迴圈43形式的濾波裝置，如底下將參考圖14的說明，或借助於利用FET轉換來濾波的一濾波設備。
圖14內例示的裝置1為特別簡化並因此具備成本效益的離子檢測或質量分析之裝置1，其中可省略上面進一步說明的補償設備25。在圖14內所示裝置1的案例中，該離子信號Iion1、Iion2通常在一個別帽電極7a、7b上分接，其中為了簡化起見，只在圖14內例示在第一帽電極7a上分接該離子信號Iion1。該激發信號Ustim1饋送(分別具有正和負符號)至一個別外側帽電極部分22a、22b，其由一間隙與實際帽電極7a、7b相隔。與圖13內不同，以整合方式具體實施圖14內所示裝置1的環電極3。如圖13內所示裝置1的案例，在圖14內所示裝置1的案例中可同時執行離子阱2內離子4a、4b的激發與檢測。
就如同圖13內所示的裝置1，圖14內的裝置1具有一比較設備41以及一電荷放大器8a，用來產生一已放大的離子信號Uion1，該信號饋送至比較設備41，其形成圖14內所示範例的案例中一頻率混合器。將一參考信號42饋送至比較設備41，然後藉由鎖相迴圈43形式的一濾波設備過濾該激發信號Ustim1，來產生該參考信號。為此，鎖相迴圈43具有頻率混合器形式的一比較器44、一整合器45以及一震盪器46，用來產生參考信號42。鎖相迴圈43讓參考信號42的相位能夠匹配該已放大離子信號Uion1的相位。
圖14內所示的裝置1可用特別簡單的方式，來檢測離子阱2內具有特定離子質量的離子4a、4b：為此，所需要就是將該頻率混合器形 式的補償設備41之輸出信號47饋送至一低通濾波器48，該濾波器將求和信號從輸出信號47濾除，如此輸出信號47在震盪器46或參考信號42的該震盪頻率fion與該參考頻率fref之間形成該差分頻率，也就是說以下成立：fout=｜fion-fref｜。輸出信號47由一類比數位轉換器49轉換成數位輸出信號DC。只有若該震盪頻率fion對應至該參考頻率fref，而該參考頻率對應至該激發頻率時，或若該震盪頻率fion位於鎖相迴圈43的該擷取範圍內時，數位輸出信號DC才具有非零之值。因此，若已知等式(1)內其他變數之數值，則可決定激發離子4a、4b的質量或質荷比。
為了用圖14內所示裝置1記錄頻譜，可改變該激發頻率fion或該參考頻率fref，即連續運行。在圖14內所示裝置1的案例中，若使用信號產生器5來產生該RF儲存信號URF，則可調整該信號的該振幅ARF及/或該頻率fRF，並且由一寬頻補償設備25所提供，如上面進一步說明，然後可改變該RF儲存信號URF的該振幅ARF及/或該頻率fRF，以便根據等式(1)激發離子阱2內具有不同質荷比的離子4a、4b。不用說，該RF儲存信號URF的變化可與該激發頻率fion或該參考頻率fref結合，以便記錄一寬頻質譜。
另外在圖14內所示裝置1的案例中，可提供一控制設備40，以便藉由已經借助於一合適選取的激發信號Ustim1永久激發的該等離子，將已激發離子4a、4b永久維持在離子阱2內，如上面關於圖13的進一步說明。在圖13內所示裝置1的案例中以及圖14內所示裝置1的案例中，離子4a、4b之間的碰撞可補償阻尼，如此對於離子阱2通常在其內運作的真空安裝或真空環境之需求並不像常規離子阱2案例那樣嚴格。尤其是，離子阱2內的操作壓力可選擇高於常規離子阱2內的壓力，如此可降低產生真空的該真空泵之抽唧功率，因此可讓整個裝置1的結構非常小。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在 申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧離子阱
3‧‧‧第一電極
4‧‧‧氣體
4a、4b‧‧‧離子
5‧‧‧儲存信號產生器
6a‧‧‧第一激發單元
6b‧‧‧第二激發單元
8a、8b‧‧‧電荷放大器
9‧‧‧檢測器
9a‧‧‧數位類比轉換器
9b‧‧‧光譜儀

Claims (37)

  1. 一種用於檢測離子的裝置，其包括：一離子阱(2)，其具有一第一電極，並且也具有至少一第二電極，一儲存信號產生器(5)，用於產生一RF儲存信號(URF)，該儲存信號產生器可耦合到至少一個該第一電極(3、3a，3b)，以在該離子阱(2)中產生一電儲存場(E)，一激發裝置(6a,6b)，用於產生一激發信號(Ustim1,Ustim2)來激發儲存在該離子阱(2)中的離子(4a,4b)，以及一檢測器(9)，用於檢測由該激發離子(4a,4b)所產生的一離子信號(IIon1,IIon2)，其中該儲存信號產生器(5)設定該RF儲存信號(URF)的一振幅(ARF)及/或一頻率(fRF)；其中設定該RF儲存信號(URF)的該振幅(ARF)及/或該頻率(fRF)之該儲存信號產生器(5)具有至少一全橋式模組(10)，該全橋式模組具有可藉由一個別控制信號(12a-d)驅動的至少四個電子組件(T1,T2,T3,T4)，其中該全橋式模組(10)具有至少一個串聯電阻(13a,13b)，用於減少該等可驅動電子組件(T1,T2,T3,T4)的功率耗損，且其中該儲存信號產生器(5)產生一RF儲存信號(URF)，該信號在其週期(T)的至少一個部分間隔(△Ti,△Ti+1)期間具有一恆等振幅，及該裝置進一步包括：一補償設備(25)，用於產生一補償信號(UComp,IComp)來補償由該第二電極(7a,7b)上該電儲存場(E)所產生的一干擾電流(Iint)。
  2. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一電極是一環電極(3)，並且該第二電極是一帽電極(7a、7b)。
  3. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中用於產生該RF儲存信號(URF)的該儲存信號產生器(5)具有至少一個功率類比放大器(15)，用於放大一類比控制信號(USetpoint)。
  4. 如前述申請專利範圍第3項之裝置，其中該儲存信號產生器(5)包含具有至少兩電子組件(藉由該類比控制信號(USetpoint)驅動)的一半橋式模組(16)。
  5. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中該儲存信號產生器(5)具有至少一個已絕緣的DC/DC轉換器(20a,20b)。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該補償設備(25)依據由該儲存信號產生器(5)耦合進入該第一電極(3)的該RF儲存信號(URF)產生該補償信號(UComp)。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中產生該補償信號(UComp)的該補償設備(25)有一電壓源(26)。
  8. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該補償設備(25)依據用於驅動該儲存信號產生器(5)的至少一個可驅動電子組件(T1,T2)之至少一個類比控制信號(USetpoint)，來產生該補償信號(UComp)。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該補償設備(25)借助於流過該第一電極(3)的一電流(IRF)，或借助於該第一電極(3)與一進一步帽電極零件(22a,22b)之間的一串擾電流部分(IU)，來產生該補償信號(IComp)。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該補償設備(25)測量通過一電線(30)上該第一電極(3)用來將該RF儲存信號(URF)耦合至該第一電極(3)的該電流(IRF)。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該補償設備(25)具有一變壓器(31)或一設備(32)，用於以無接觸方式測量該電線(30)內的該電流(IRF)。
  12. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該補償設備(25)具有裝在該第一電極(3)與該第二電極(7a,7b)之間的一輔助電容(33)，並且該補償設備設計用來測量通過該輔助電容(33)的一電流(IAux)。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中用來測量通過該輔助電容(33)的該電流(IAux)之該補償設備(25)具有一運算放大器電路。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中該運算放大器電路是一電流回饋運算放大器(34)。
  15. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中用於測量該串擾電流部分(IU)或通過該輔助電容(33)的該電流(IAux)之該補償設備(25)具有一跨導放大器(29)。
  16. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括：一電子束產生設備(35)，用於產生可饋送至該離子阱(2)以便產生離子(4a,4b)的一電子束(36)。
  17. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該電子束產生設備(35)設計成以 脈衝方式將該電子束(36)饋送進入該離子阱(2)。
  18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該電子束產生設備(35)與該儲存信號產生器(5)同步，以便只在該RF儲存信號(URF)的該週期(T)的至少一個部分間隔(△Ti,△Ti+1)期間，將該電子束(36)饋送至該離子阱(2)，其中該RF儲存信號(URF)具有恆等振幅。
  19. 如申請專利範圍第1項之裝置，其係同時設計成產生一激發信號(Ustim1,Ustim2)來激發該離子阱(2)內存在的離子(4a,4b)，並檢測在該離子阱(2)內激發的該等離子(4a,4b)之該離子信號(Iion1,Iion2)。
  20. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中用於饋送該離子信號(Iion1,Iion2)的該檢測器(9)連接到該至少一個第二電極(7a,7b)，並且其中該激發設備(6a,6b)設計成將儲存在該離子阱(2)內用來激發該等離子(4a,4b)的該激發信號(Ustim1,Ustim2)饋送至該離子阱(2)的該第一電極(3a,3b)或饋送至一進一步電極(22a,22b)。
  21. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一電極分成至少兩個電極部分(3a,3b)，每個都可饋送該RF儲存信號(URF)，其中該激發信號(Ustim1,Ustim2)係饋送到至少該等電極部分(3a,3b)之一者。
  22. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，其中該激發設備(6a,6b)設計成產生該激發信號(Ustim1,Ustim2)，該信號具有至少一激發頻率(fion,fion1,...)，用於選擇性激發該離子阱(2)內的離子(4a,4b)。
  23. 如前述申請專利範圍第22項之裝置，其中該至少一激發頻率(fion,fion1,...) 對應至離子阱(2)內要激發的該等離子(4a,4b)之一震盪頻率(fion)。
  24. 如前述申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括：一放大器，其連接至該至少一個第二電極(7a,7b)，用於將一已放大的離子信號(Uion1,Uion2)饋送至該檢測器(9)。
  25. 如前述申請專利範圍第24項之裝置，其中該放大器是一特定頻率相關電荷放大器(8a,8b)。
  26. 如申請專利範圍第24項之裝置，進一步包括：一比較設備(41)，用來將該激發信號(Ustim,1,Ustim,2)的該至少一個激發頻率(fion,fion,1,...)與該已放大離子信號(UIon1,UIon2)做比較。
  27. 如申請專利範圍第26項之裝置，其中該比較設備(41)設計成用來將內含該至少一個激發頻率(fion,fion1,...,fionN)的至少一個參考信號(42)與該已放大離子信號(Uion1,Uion2)混合。
  28. 如申請專利範圍第27項之裝置，進一步包括：一濾波器設備(43)，用來在將該參考信號(42)饋送至該比較設備(41)之前經過濾波。
  29. 如申請專利範圍第28項之裝置，其中該濾波器設備(43)是一鎖相迴圈(43)，用來產生與該已放大離子信號(Uion1,Uion2)相同步的該參考信號(42)。
  30. 如申請專利範圍第27項之裝置，其中該檢測器(9)具有一低通濾波器(48)，用來將該比較設備(41)供應的一輸出信號(47)濾波。
  31. 如申請專利範圍第22項之裝置，其具有一控制設備(40)，用來選擇性儲存或移除藉由該離子阱(2)內該激發信號(Ustim1,Ustim2)所激發的該等離子(4a,4b)。
  32. 如申請專利範圍第31項之裝置，其中該控制設備(40)包含該放大器以及也包含該比較設備(41)。
  33. 如申請專利範圍第32項之裝置，其中該放大器是該頻率相關電荷放大器(8a,8b)。
  34. 一種用來對一離子阱內的離子進行質量選擇檢測之方法，係利用申請專利範圍第1至33項中任一項的裝置來進行，包括：產生具有至少一個激發頻率(fion,fion1,..)的一激發信號(Ustim1,Ustim2)，用來激發該離子阱(2)內的離子(4a,4b)，以及同時檢測在該離子阱(2)內該等離子(4a,4b)激發時產生的一離子信號(Iion1,Iion2)。
  35. 如申請專利範圍第34項之方法，其中檢測包含將一放大的離子信號(Uion1,Uion2)與內含該激發信號(Ustim1,Ustim2)的至少一個激發頻率(fion,fion1,..)之一參考信號(42)做比較。
  36. 如申請專利範圍第34項之方法，其中實現該激發信號(Uion1,Uion2)的一振幅(UP)及/或一脈衝週期(TP)之控制，來將該已激發離子(4a,4b)儲存在該離子阱(2)內及/或用來從該離子阱(2)移除該已激發離子(4a,4b)。
  37. 如申請專利範圍第36項之方法，其中該控制包含該離子信號(Iion1,Iion2)的一頻率相關放大，以便形成該放大的離子信號(Uion1,Uion2)，並且也形成該放大的離子信號(Uion1,Uion2)與內含該激發信號(Ustim1,Ustim2)的至少一個激發頻率(fion,fion1,..)之該參考信號(42)的比較。
TW106115119A 2016-05-10 2017-05-08 檢測離子的裝置及方法 TWI821157B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016208009.1 2016-05-10
??102016208009.1 2016-05-10
DE102016208009.1A DE102016208009A1 (de) 2016-05-10 2016-05-10 Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Ionen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201805996A TW201805996A (zh) 2018-02-16
TWI821157B true TWI821157B (zh) 2023-11-11

Family

ID=58638860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106115119A TWI821157B (zh) 2016-05-10 2017-05-08 檢測離子的裝置及方法

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3455873A1 (zh)
DE (1) DE102016208009A1 (zh)
TW (1) TWI821157B (zh)
WO (1) WO2017194333A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2569800B (en) * 2017-12-22 2022-09-07 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Method and device for crosstalk compensation
DE102019204694A1 (de) 2019-04-02 2020-10-08 Carl Zeiss Smt Gmbh Massenspektrometer mit einer Ionisierungseinrichtung
EP4044483A4 (en) * 2019-11-18 2023-01-11 Huawei Technologies Co., Ltd. METHOD AND DEVICE FOR SIGNAL TRANSMISSION, REFLECTOR AND RECEIVER
GB2607590A (en) * 2021-06-04 2022-12-14 Edwards Vacuum Llc Method and ion trap for detecting ions
CN113437515B (zh) * 2021-07-08 2023-05-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线
CN113921369A (zh) * 2021-09-29 2022-01-11 上海裕达实业有限公司 用于质谱仪离子导引的射频电源及其调谐方法
GB2613601A (en) * 2021-12-08 2023-06-14 Edwards Vacuum Llc Ion trap and method for detecting ions in an ion trap

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5256875A (en) * 1992-05-14 1993-10-26 Teledyne Mec Method for generating filtered noise signal and broadband signal having reduced dynamic range for use in mass spectrometry
WO2007130304A2 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Thermo Finnigan Llc Efficient detection for ion traps
TW200832490A (en) * 2006-11-13 2008-08-01 Brooks Automation Inc Electrostatic ion trap
EP2778669A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-17 Morpho Detection, LLC Ion trap mobility spectrometer and method of using the same
CN103354203B (zh) * 2003-01-10 2016-02-03 珀杜研究基金会 多阶段离子处理系统及其操作方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5198665A (en) * 1992-05-29 1993-03-30 Varian Associates, Inc. Quadrupole trap improved technique for ion isolation
DE4324224C1 (de) * 1993-07-20 1994-10-06 Bruker Franzen Analytik Gmbh Quadrupol-Ionenfallen mit schaltbaren Multipol-Anteilen
DE19501823A1 (de) * 1995-01-21 1996-07-25 Bruker Franzen Analytik Gmbh Verfahren zur Regelung der Erzeugungsraten für massenselektives Einspeichern von Ionen in Ionenfallen
US5625186A (en) * 1996-03-21 1997-04-29 Purdue Research Foundation Non-destructive ion trap mass spectrometer and method
DE102012013038B4 (de) * 2012-06-29 2014-06-26 Bruker Daltonik Gmbh Auswerfen einer lonenwolke aus 3D-HF-lonenfallen
DE102013208959A1 (de) 2013-05-15 2014-11-20 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Vorrichtung zur massenselektiven Bestimmung eines Ions

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5256875A (en) * 1992-05-14 1993-10-26 Teledyne Mec Method for generating filtered noise signal and broadband signal having reduced dynamic range for use in mass spectrometry
CN103354203B (zh) * 2003-01-10 2016-02-03 珀杜研究基金会 多阶段离子处理系统及其操作方法
WO2007130304A2 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Thermo Finnigan Llc Efficient detection for ion traps
TW200832490A (en) * 2006-11-13 2008-08-01 Brooks Automation Inc Electrostatic ion trap
EP2778669A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-17 Morpho Detection, LLC Ion trap mobility spectrometer and method of using the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017194333A1 (en) 2017-11-16
TW201805996A (zh) 2018-02-16
DE102016208009A1 (de) 2017-11-16
EP3455873A1 (en) 2019-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI821157B (zh) 檢測離子的裝置及方法
JP5918821B2 (ja) 静電型イオントラップ
US6559408B2 (en) Toroidal low-field reactive gas source
TWI404111B (zh) 質量分析計之控制方法及質量分析計
TW523796B (en) Method and apparatus for improved ion acceleration in an ion implantation system
US20030155075A1 (en) Plasma processing apparatus and plasma processing method
US10141174B2 (en) Method for examining a gas by mass spectrometry and mass spectrometer
JP2012049056A (ja) イオントラップ質量分析装置
JPWO2002059954A1 (ja) プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
JP5965388B2 (ja) パルス・モードにおけるグロー放電分光分析測定のための方法および装置
EP1416515B1 (en) Ion trap device and its tuning method
Szyszka et al. Towards 3D printed compact Quadrupole mass spectrometer with MEMS components
JP2000077025A (ja) 四重極質量分析装置
JP2005340092A (ja) イオントラップ装置及び該装置の調整方法
Wu et al. Electron density and temperature of dual-frequency capacitively coupled argon plasma in two-dimensional distribution obtained and studied in experiment
JP2006516675A (ja) 電気的接触を確立するための能動的方法及びシステム
Yu et al. Accurate Ion Energy Control in Plasma Processing by Switched-Mode Power Converter
CN117526727B (zh) 等离子体电源反馈电路、反馈方法以及等离子体电源
JP2005050689A (ja) 多重極型質量分析計
JP5293562B2 (ja) イオントラップ質量分析装置
Kiriyama et al. Electron cyclotron resonance plasma production by using pulse mode microwaves and dependences of ion beam current and plasma parameters on the pulse condition
JP3946133B2 (ja) 質量分析装置及びその調整方法。
CN113189190A (zh) 一种射频电源控制器
Chernoiziumskaya et al. Diagnostics of charged particles impinging on electrode in RF and microwave discharges
Mandal et al. Dynamics of ion cloud in a linear Paul trap