[发明专利]可降低噪声的质谱装置及方法

说明书

本发明提供了一种可降低噪声的质谱装置和方法，离子源设置在滤质型质量分析器的入射端，离子存储装置设置在滤质型质量分析器的出射端，离子检测器设置在离子存储装置的出射端。采用阶段性采样、储存与分析的方式代替传统的连续进样方式，避开绝大多数的噪声。通过控制采样、储存和出射分析的时间比例，实现降低噪声的目的。同时，利用单粒子噪声时间特性和储存弹出特性的信号变化规律不同，可通过小波变换或其他谱分析算法提出单粒子效应对应的信号分量，并在原有谱图信号中予以去除。本发明结构简单，实现方便，仅需对分析过程进行一定的时序控制，即可实现有效降低单粒子噪声的目的，拓展了质谱技术在载人航天和深空探测领域的应用。

技术领域

本发明属于质谱分析仪器领域，特别涉及一种可降低噪声的质谱装置及方法。

背景技术

单粒子噪声(Single Particle Noise)主要包括高能粒子与大质量颗粒，如微尘、液滴等。单粒子噪声的存在是产生导致单粒子效应的关键因素。单粒子效应(Single eventeffects-SEE)是空间高能带电粒子在穿越器件灵敏区的过程，在与半导体材料产生大量带电粒子的现象，属于辐射电离效应。高能带电粒子包括两部分，宇宙线里的高能重离子和高能质子，辐射带的高能质子。当能量足够大的高能粒子射入集成电路时，电离效应(包括次级粒子的)，产生数量极多的电离空穴-电子对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产生单粒子翻转、CMOS器件产生单粒子闭锁，甚至出现单粒子永久损伤的现象。

自从1962年学术界论文里面提出了“单粒子事件效应”概念后，单粒子效应危害便与航天工程的发展如影相随。现在卫星结构日益复杂，高性能的微电子器件被大量应用在卫星系统中，单粒子效应的危害十分严重，当它造成航天器控制系统的逻辑混乱时，可能造成灾难性后果。2011年我国首次火星计划的萤火一号卫星因俄方上级控制系统遭受空间粒子辐射诱发单粒子事件效应而失控，导致任务失效，致使我国首次火星探测功败垂成。单粒子效应是继等离子体充电效应之后又一严重威胁航天器安全的主要空间环境效应，而且随着航天器系统复杂程度和器件集成度越来越高，单粒子效应的危害会更加严重。

在质谱分析仪器方面，单粒子噪声同样具有很严重危害，如高能粒子直接打到检测器或者数字检测电路，会导致器件逻辑状态改变、功能受到干扰或失效等，容易造成仪器工作状态中断。高能粒子打到金属或者空间物体表面，会导致金属或者空间物体表面性质改变。单粒子噪声还会产生二次离子效应，产生大量离子，引发空间电荷效应，更严重时会导致产生的质谱数据不可接受。如利用气溶胶飞行时间质谱仪分析带有放射性的金属如铀、钍时，由于单粒子噪声的存在，实验过程中会产生大量的α粒子，使得最终获得的质谱图上出现较多的离子峰包，影响最终的分析结果。

目前质谱领域针对单粒子噪声进行的应对改进措施有能量敏感型探测器和提高检测器响应速度及采集速度。能量敏感型探测器是通过设定一个检测能量阈值，当高于此阈值的离子被探测到时，该信号的数字化数据被切换到地或其他模数转换通道，从而避免高能量的单粒子事件被计数得到错误结果。提高检测器响应速度及采集速度是通过使用超快速度的快电子电路(通常典型采样速度超过1GHz)，由于普通质谱信号反映为定速的离散离子流，根据概率分布可知，正常信号在采样速度超过一定极限后会不易发生同时到达的脉冲，但是单粒子事件由于来源于瞬时的一个高能单粒子，在连续的时间片段内会产生多个离子信号。因此可以设置一个合理的死时间，使收到信号脉冲后一段时间内削弱或堵塞后续信号的接受，这样也能在一定程度上杜绝单粒子时间对采集谱峰的不利影响。

然而，上述改进措施存在一定的局限性，例如目前很难得到高能量敏感分辨的探测器，同时单粒子事件有时也会在正常数据的离子能量段也存在一定强度分布丰度，无法彻底排除单粒子事件。此外，超高速电子电路本就更容易受到单粒子事件产生误触发及逻辑跑飞，同时受到航天系统现有技术限制，高速数据采集芯片需要进口或受禁运，即使独立自主开发相关的宇航级芯片，其速度也只能达到民用级的较高水准，难以彻底通过信号的高速时间响应特征将单粒子事件与正常信号造成区分。因此需要找到新的低成本、巧妙的方式来解决单粒子事件问题。