[发明专利]用于带电粒子检测的前置放大器

说明书

发明的技术领域

本发明涉及一种用于带电粒子(特别是离子)检测装置的前置放大器，具体地用于对从带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲或者下冲效应进行校正。该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。本发明还提供了一种用于在接地隔离的前置放大器处对从这种带电粒子检测电极接收到的信号中存在的过冲或下冲效应进行校正的方法。

发明背景

如光电倍增器(PM)或次级电子倍增器(SEM)的带电粒子检测器典型地用在如质谱仪这样的仪器中。这些检测器提供接地基准的电脉冲信号(其被称为“事件(event)”)，这些信号可以在高电压基准(如高达2kV)上浮动并且由于电子的电荷而通常具有负极性。在质谱仪中，例如，通过计数在一个分立的时间段内接收到的事件数目，这样的检测信号随后可以用于创建一个质谱(指示不同质量的离子的相对丰度)。因此，提高事件的检测精确度和辨别力提供了更高质量的质谱。

检测到的脉冲可以具有几纳秒的持续时间。当脉冲的持续时间在5ns到20ns的范围内时，这些与来自主电源、该频域内的无线电和数字总线信号上的突发部分的噪音和干扰重合。为了减少此干扰问题，例如可以通过使用信号变压器，使检测电极的输出被接地隔离。这缓解了接地回路上的直流和低频交流干扰的问题并且可以使所测量信号的信噪比(SNR)得到显著改进。

变压器的使用具有进一步的优点，因为可以改变极性并可以匹配阻抗。此外，变压器可以起到过滤出位于设备的阻带中的噪音和干扰的作用。这可以增强信号质量。

然而，这种安排还存在许多困难。源于检测电极的脉冲信号具有短的瞬态过程。这意味着特别是当使用变压器生成时，隔离信号可能包括附加的伪象。具体地，该脉冲的瞬态部分可能包括原始信号中不存在的附加过冲或下冲。当通量耦合的变压器仅可以通过交流信号时，在该隔离的信号中可能造成这种失真。

这种失真意味着使得脉冲持续时间的区分性降低。这不仅降低了使用此信号生成的任何质谱的精度，并且此失真还会掩饰直接相邻的脉冲并且从而使得难以对脉冲进行区分。因此，提高检测器输出信号的质量是一个挑战。

发明内容

针对此背景，本发明提供了一种用于对从带电粒子检测电极接收的信号中存在的过冲或者下冲效应进行校正的前置放大器。该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。该前置放大器包括：一个主放大级，被配置成用于接收和放大隔离的信号；一个前馈级，被配置成用于从所放大的隔离的信号生成一个补偿信号；以及一个输出，被安排成用于提供一个输出信号，该输出信号为所放大的隔离的信号与该补偿信号的组合。生成该补偿信号来反映过冲(或下冲)效应。如果该隔离信号包括一个负脉冲，则可能存在过冲，并且如果该隔离信号包括一个正脉冲，则可能存在下冲。

本前置放大器使用该前馈级从而为引入到该隔离的信号内的伪象提供补偿，特别是当所述信号是使用变压器生成时。通过生成一个反映过冲或下冲效应并且因此产生脉冲成形的补偿信号，在该主放大之后清除了此失真。该补偿信号可以是来自该检测电极的隔离的信号的成比例修改的复制品。有利的是，该前馈级将该隔离信号的放大版而不是该隔离信号本身作为其输入。这意味着在补偿之前将弱信号放大并且使其更容易在过冲或下冲效应与弱脉冲之间进行区分(在随后阶段)。此外，该主放大级可以用于向该前置放大器提供固有稳定性。这从而可以避免可能由于将该补偿信号叠加在所放大的隔离的信号上而导致的任何引起振荡的条件或状态。

当该前馈级使用即时隔离信号的放大版时，针对该隔离的信号中的脉冲的任何高度和持续时间来生成补偿信号。该前置放大器从而能够处理在几乎40dB范围内的不同的信号变化高度。并且，可以针对低达3ns至高于40ns的脉冲持续时间生成补偿信号。