用于带电粒子检测的前置放大器制造技术

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是接地隔离的并且包括：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接地隔离的信号生成一个补偿信号，该补偿信号被生成用于反映过冲或下冲效应；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接地隔离的信号与该补偿信号的组合。还提供了一种包括该前置放大器的带电粒子检测安排。

【技术实现步骤摘要】
用干带电粒子检测的前詈放大器 专利技术的抟术领域 本专利技术涉及一种用于带电粒子(特别是离子）检测安排的前置放大器，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。本专利技术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。 专利技术背景 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。
技术实现思路
针对此背景，本专利技术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。 在优选实施例中，该前置放大器进一步包括一个输入级。这可以被配置成用于从 带电粒子检测电极接收检测信号以及将前置放大器与带电粒子检测电极接地隔离。这可以 从所接收到的检测信号中生成隔离的信号。优选地，该输入级包括一个变压器。该变压器 有益地包括一个被安排成用于接收检测信号的初级绕组和一个电感耦合到该初级绕组上 的次级绕组。该次级绕组优选地被安排成用于提供隔离的信号。该变压器从而可以将该前 置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。该变压器有利地从检测信号中产生一个隔离的 信号。该变压器的替代物可以包括一个电容器。然而，这种设备还可以负责引入该前置放 大器旨在进行校正的过冲或下冲效应。该变压器可以进一步起到低通滤波器的作用。有益 地，该输入级可以进一步包括跨接该变压器的次级绕组的一个电阻。此电阻可以被配置成 用于在该输入级的输出处提供电压信号。 可以在如下电压模式下使用该变压器：其中，其次级绕组上的电阻略高于其特征 阻抗被设计成用于的电阻。在这种情况下，由于所接收到的电子及其由该检测器安排(如 SEM)所供应的电流，可能会获得更高程度的电压增益。当该变压器的输出没有通过输入放 大器虚拟接地时，该变压器的固有输入电容可以是可用的。因此，该变压器可以起到无源分 量信号滤波器的作用，同时将放大器接地与检测电极接地隔离。 在该优选实施例中，该主放大级包括一个非反相放大器配置。这可以包括一个运 算放大器(其中隔离信号被提供至其非反相输入)、在其反相输入与基准电压之间耦合的一 个第一电阻以及在其输出与其反相输入之间耦合的一个第二电阻。有益地，还可以在该运 算放大器的输出及其反相输入之间提供电容。这可以提供稳定性，特别是补偿该运算放大 器的相位裕量。 有利的是，该隔离的信号包括一个脉冲。然后，该前馈级可以被配置成用于生成与 该脉冲的大小及宽度成比例的补偿信号。具体地，该前馈级和该输出可以被配置成用于提 供输出信号，从而使其包括一个与该隔离的信号的脉冲相一致的脉冲。然后，该输出信号的 脉冲可以基本上不宽于该隔离的信号的脉冲。拓宽该脉冲会导致任何相邻的脉冲的可辨别 力降低。此外，这可能增加用于生成质谱和补偿质谱仪的死时间的装置(逻辑）的复杂 性。 优选地，该前馈级包括一个集成器。更优选地，该集成器是一个集成式信号成形电 路。这可以被配置成用于(从主放大级)接收放大后的隔离的信号并且生成集成信号。可以 通过集成一段时间内所放大的隔离的信号来生成该集成信号。等价地，该集成器可以是低 通滤波器的形式。这可以使用电容。 有益地，该集成器(集成式信号成形电路）被进一步配置成包括一个附加的衰减部 件。该衰减部件可以产生与该集成器的上升时间相比相当长的指数拖尾效应。有利的是，该 附加的衰减部件包括有益地为正向偏置的一个或多个二极管。可选地，该一个或多个二极 管包括一个硅二极管并且优选地为一个PIN二极管。尽管可以替代性地使用其他二极管， 但该PIN二极管可以产生上述指数拖尾效应。在该优选实施例中，该集成器包括一个带有 负反馈的放大器，具体地为反相放大器。在反馈回路中有益地提供电容和衰减部件。该电 容提供集成(低通滤波)效应。这可以进一步使输出信号平滑并且降低由于干扰而引起的噪 声。 有利的是，该集成器在一种反相配置中包括一个运算放大器。这可以意味着该运 算放大器的非反相输入耦合到基准电压上。此外，该运算放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对从一个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并且包括：一个主放大级，该主放大级被配置成用于接收和放大该隔离的信号；一个前馈级，该前馈级被配置成用于从所放大的接地隔离的信号生成一个补偿信号，该补偿信号被生成用于反映这些过冲或下冲效应；以及一个输出，该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接地隔离的信号与该补偿信号的组合。

【技术特征摘要】
2013.03.21 GB 1305207.11. 一种用于对从一个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并且包括： 一个主放大级，该主放大级被配置成用于接收和放大该隔离的信号； 一个前馈级，该前馈级被配置成用于从所放大的接地隔离的信号生成一个补偿信号， 该补偿信号被生成用于反映这些过冲或下冲效应；以及 一个输出，该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接地隔离 的信号与该补偿信号的组合。2. 如权利要求1所述的前置放大器，进一步包括： 一个输入级，该输入级被配置成用于从该带电粒子检测电极接收一个检测信号并且将 该前置放大器与该带电粒子检测电极接地隔离。3. 如权利要求2所述的前置放大器，其中，该输入级包括一个变压器，该变压器包括一 个被安排成用于接收该检测信号的初级绕组和一个电感耦合到该初级绕组上并且被安排 成用于提供该隔离的信号的次级绕组，该变压器由此将该前置放大器与该带电粒子检测电 极接地隔离。4. 如以上任一项权利要求所述的前置放大器，其中，该主放大级包括一个非反相放大 器配置。5. 如以上任一项权利要求所述的前置放大器，其中，该隔离的信号包括一个脉冲，并且 其中，该前馈级被配置成用于生成与该脉冲的大小及宽度成比例的补偿信号。6. 如权利要求5所述的前置放大器，其中，该前馈级和该输出被配置成用于提供该输 出信号，从而使得该输出信号包括一个与该隔离的信号的脉冲相对应的脉冲，该输出信号 的脉冲不宽于该隔离的信号的脉冲。7. 如以上任一项权利要求所述的前置放大器，其中，该前馈级包括： 一个集成器，被配置成用于接收所放大的隔离的信号并且通过集成一段时间内所放大 的隔离的信号来生...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·赫明，
申请(专利权)人：塞莫费雪科学不来梅有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE