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      質(zhì)譜儀中離子檢測器用于檢測和記錄離子流的強(qiáng)度。無機(jī)和同位素質(zhì)譜的離子檢測器通常有法拉第杯、分離打拿極電子倍增器、通道式電子倍增器、微通道板以及閃爍光電倍增器（Daly）等，加速器質(zhì)譜中還可能用到對離子能量敏感的探測器。在這些探測器中，法拉第杯直接收集離子的電荷，結(jié)合其對二次電子逸出的抑制，其線性動態(tài)范圍大，但靈敏度不高；其他類型的探測器則多是通過轉(zhuǎn)換電極先將離子轉(zhuǎn)換為電子、光子信號后，再進(jìn)行增益達(dá)10⁴～10³的倍增放大。

      多數(shù)質(zhì)譜儀的離子檢測系統(tǒng)中會同時(shí)配置兩種或更多的離子信號檢測器，且之間可相互切換。在離子信號強(qiáng)時(shí)，常常使用法拉第杯進(jìn)行檢測；在離子信號強(qiáng)度＜10^-15A時(shí)，使用電子倍增器。

       質(zhì)譜測量中常常面臨較大豐度差異同位素的測量，加之質(zhì)譜儀器的離子流信號十分微弱，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍和靈敏度非常重要。此外，根據(jù)儀器的配置和測試目的不同，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也會有較大的差異。如今計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了數(shù)據(jù)采集的效率和測試精度。

一、法拉第杯檢測器

       法拉第杯是一種設(shè)計(jì)成杯形狀的離子檢測器，圖1是使用法拉第杯接收離子的工作原理示意。離子進(jìn)入法拉第杯后產(chǎn)生的電流信號經(jīng)一個(gè)高精度、高阻值的電阻（10¹⁰Ω、10¹¹Ω、10¹²Ω）及一個(gè)前置放大器轉(zhuǎn)換為與之信號強(qiáng)度相對應(yīng)的模擬電壓信號，此信號再通過電壓頻率轉(zhuǎn)換器（UFC）或模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，*后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。

      為保證放大電路的穩(wěn)定性、滿足對法拉第信號的準(zhǔn)確測量，還需為放大器等電子器件提供良好的電磁屏蔽、恒溫和真空條件。通常要求UFC和頻率計(jì)的溫度漂移范圍小于1×10^-6℃ ^-1.

圖1 使用法拉第杯接受離子的工作原理框圖

二、電子倍增器

      電子倍增器是一個(gè)能高倍放大微弱離子信號的檢測器件。按打拿極的排列方式區(qū)分，有分離打拿極式電子倍增器和通道式電子倍增器（CEM）。圖2（a）為分離打拿極式電子倍增器的結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)進(jìn)入電子倍增器的離子轟擊di一個(gè)電子打拿極（倍增器電極）后，會激發(fā)出大量的二次電子，這些電子在電場的作用下會加速繼續(xù)轟擊第二個(gè)電極，從而產(chǎn)生更多的電子，而這些電子接著再去轟擊第三個(gè)電極，如此相繼轟擊而產(chǎn)生越來越多的二次電子，*后再用一個(gè)電子接收器將這些電子信號輸出，從而達(dá)到放大輸入信號的目的。通常一個(gè)電子倍增器約有16～20個(gè)電子打拿極，可將離子信號放大達(dá)10⁴～10⁸倍。

圖2 電子倍增器結(jié)構(gòu)示意圖

      通道式電子倍增器又稱為連續(xù)打拿極電子倍增器，見圖2（b），工作原理類似于分離打拿極式電子倍增器。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)彎曲的漏斗狀玻璃管構(gòu)成，二次電子沿彎管加速，并在對應(yīng)管內(nèi)壁連續(xù)碰撞出更多的二次電子形成沿彎管逐漸增大的電子流，*后在接收極輸出電信號。

      需要注意的是，所有類型的倍增檢測器在使用過程中增益都會因使用時(shí)間的增長而逐漸變小，這就需要根據(jù)儀器靈敏度的要求定期調(diào)整倍增器的工作電壓，使增益保持在適當(dāng)?shù)乃健?終，電壓達(dá)到其使用極限值后，如果增益下降顯著，就需要立即更換電子倍增器。

圖3 計(jì)數(shù)法測量的原理框圖

      數(shù)字采集通常有模擬和計(jì)數(shù)兩種方式。在一些儀器中，模擬放大器部分設(shè)計(jì)成積分器形式，此時(shí)反饋電阻被去掉，能獲得更好的信噪比（SNR）。計(jì)數(shù)方式一般采用寬帶前置放大器結(jié)合快甄別器。在飛行時(shí)間質(zhì)譜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）替代計(jì)數(shù)器（見圖3）

      隨著模擬和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展及成本的降低智能化數(shù)據(jù)采集成為一種趨勢。來自檢測器的模擬信號被快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行數(shù)字濾波、校正以及譜累加等。例如，將來自ADC的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值比較，大于閾值的數(shù)據(jù)被記錄下來，小于閾值的則被認(rèn)為是噪聲而被舍棄從而提高信噪比、減少數(shù)據(jù)量。采用高階數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)較為li想的通帶頻率特性，顯著提高信噪比，并降低高頻模擬信號電路實(shí)現(xiàn)的難度。此外，智能模塊化數(shù)據(jù)采集也減少了給主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)量，同時(shí)具有更好的可編程特性。

      磁式質(zhì)譜儀中，多接收器的采用可消除離子源和部分儀器狀態(tài)隨時(shí)間波動對測量結(jié)果的影響，適用于高精度同位素比值分析。但由于存在不同通道的零點(diǎn)校正和增益差，需在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加校準(zhǔn)回路。典型的校準(zhǔn)回路采用精密開關(guān)將標(biāo)準(zhǔn)電流分別接入到各前置放大器的輸入端，在離子流關(guān)斷的條件下分別測量各放大器的輸出，如圖4所示。這些數(shù)據(jù)被用來校正實(shí)際測量過程中各通道間的偏差。

圖4 典型的多通道數(shù)據(jù)采集校正電路

三、其他類型的離子檢測裝置

1、閃爍光電倍增器

      閃爍光電倍增器也稱戴利（Daly）倍增器，因1960年戴利（Daly）**使用閃爍晶體和光電倍增管檢測帶電粒子而得名。和電子倍增器的區(qū)別為:入射離子先打到一個(gè)離子電子轉(zhuǎn)換電極上，產(chǎn)生和入射離子強(qiáng)度相對應(yīng)的電子，再由電子去轟擊一塊閃爍晶體，使其產(chǎn)生和電子強(qiáng)度相對應(yīng)的光子，*后通過光電倍增管放大光信號，以實(shí)現(xiàn)離子信號放大功能。具有高增益、低噪聲、線性好等特點(diǎn)，且光電倍增管位于儀器真空系統(tǒng)外面，易于更換。圖5為戴利（Daly）倍增器原理示意圖。

圖5 戴利（Daly）倍增器原理示意圖

2、微通道板檢測器（microchannel plate，MCP）

      圖6（a）為微通道板檢測器結(jié)構(gòu)示意，是一種二維平面的檢測器，由大量管徑為20m、長度為1mm的微通道管組成，每塊板的增益可達(dá)10⁴，多塊板串聯(lián)可得到更高的增益。微通道板具有探測面積大、增益高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。

圖6 微通道板檢測器結(jié)構(gòu)示意圖

      圖6（b）為微通道板上獨(dú)立的微通道管的電子倍增原理示意。在二次電子穿越通道管的過程中，會多次碰撞通道管的管壁，這樣就能連續(xù)地產(chǎn)生大量的二次電子。發(fā)射層的下方是電阻鉛玻璃層，它能在通道管內(nèi)部產(chǎn)生從輸入端到陽極逐漸增高的電勢使電子加速，上述過程不停地重復(fù)，直到產(chǎn)生的電子云全部離開通道管，被陽極接收。

3、新型的DCD（ direct charge detector）平面檢測器

      DCD平面檢測器被用于多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜（SPECTRO MS公司）中，該檢測器同時(shí)具有4800個(gè)檢測通道，可覆蓋5～240u的質(zhì)量范圍。

文章來源：EWG1990儀器學(xué)習(xí)網(wǎng)