测量气体和真空中粒子簇的电流分布

摘要

本发明涉及测量撞击Faraday检测器的检测器电极的自由飞行离子簇或电子簇的电流分布。此处的检测器电极由大量双极布置的结构元件组成，其中相邻结构元件具有相反的极性，并且具有相同极性的结构元件电相连，在相邻结构元件之间施加电压，从而使离子或电子在撞击检测电极之前，基本偏转到具有两种极性的其中一种极性的结构元件上。如果单独测量两种极性结构元件上的电流分布并将其相减，则可在不使用帘栅极的情况下获得对应于纯离子或纯电子电流分布的电流分布。

说明书

技术领域

本发明涉及测量诸如离子或电子等自由飞行带电粒子的电流，例如，这些粒子撞击离子迁移谱仪中Faraday检测器的检测器电极。本发明尤其涉及防止感应镜像电流造成的信号失真。

背景技术

通过平面检测器电极测量诸如电子或离子等自由飞行带电粒子的电流，会因接近粒子在检测器电极中产生的镜像电流而失真。在离子迁移谱仪中尤其会发生这种失真，并存在于逐渐增加的离子信号中，如图1中曲线(6)和(7)所示意性地示出，该图显示了离子迁移谱仪和迁移谱的示意图。迁移率分辨率的数量级因而降低一半以上。通过一种已知方法可降低这种失真，即在检测器电极前面放置(自支撑)帘栅极，但在具有非常精细的帘栅极的小型移动设备上，会产生干扰严重的颤噪效应。帘栅极还会捕获一部分粒子电流，从而降低灵敏度。帘栅极的偏转所造成的粒子轨迹失真可降低迁移率分辨率。而且，帘栅极占了制作成本的很大一部分。

如K.B.Pfeifer和A.N.Rumph所著题为《具有虚拟孔栅的离子迁移谱仪(Ion Mobility Spectrometer with VirtualAperture Grid)》的专利说明书US 7,838,823B1所述，通过让电荷自由飞行到离子迁移谱仪中产生场的电极堆栈的最后一个电极，可不再需要帘栅极。这些电荷可部分补偿入射离子簇的电荷，因而可降低检测器电极中的镜像电流，但它们不能完全抑制镜像电流。作者称之为“虚拟栅极”。

因此仍需要更好地抑制镜像电流产生的失真，优选可以不必使用帘栅极。

发明内容

本发明提供一种用于测量撞击在检测器电极上的自由飞行带电粒子簇的电流分布(电流-时间曲线、电流曲线)的方法。此方法的特征在于，检测器电极由大量双极布置的结构元件组成，其中相邻结构元件具有相反的极性，具有相同极性的所有结构元件均连接在一起。在具有不同极性的两组结构元件之间施加电压，从而使入射粒子在撞击检测器电极不久之前，以仅撞击一种极性的结构元件的方式偏转。分别测量两种极性中每种极性的结构元件的电流分布并将两者相减。以几乎相同方式在两组结构元件中形成的镜像电流分布也被相减，从而获得对应于纯粒子电流的电流分布。结构元件布置在表面上，尤其是作为平面检测器电极。

自由飞行粒子在此被认为是，具体地，可能在电场或磁场的作用下在气体或真空中移动的电子或离子。例如，自由飞行粒子簇可以是迁移谱仪中的离子，或者也可以是质谱仪中多通道板中的离子产生的电子。例如，在迁移谱仪中，离子在大气压下在气体中移动，然而在多通道板的工作压力下(即，通常在高真空中)产生和测量自由飞行电子。

通过在两个电流分布相减时应用加权可改善此方法。可在模拟电气测量电子装置中测量电流分布并将其相减，例如，在电流分布转换为电压信号后通过使用差分放大器(运算放大器)的方式。在这种情况下，通常在转换之前预先放大电流分布。还存在另一种可能，即借助两个模拟-数字转换器(A/D转换器)将模拟电流分布(必要时已放大)转换为数字数据并在算术逻辑单元中将其进一步处理。放大器、差分放大器和A/D转换器优选布置在其正面包含检测器电极结构元件的支撑件的背面。

检测器电极的形式可以是，例如，双极直线栅极、方形或三角形像素式结构、或者同心圆或同心螺旋(曲线栅极)结构或者迷宫结构。

本发明提供一种Faraday检测器来测量带电粒子簇的电流分布，所述Faraday检测器具有检测电极，其检测表面与充气空间或真空空间相邻。Faraday检测器的特点是，检测器电极由大量双极布置的结构元件组成，其中相邻结构元件具有相反的极性，并且具有相同极性的结构元件电相连。Faraday检测器还有至少一个电压源和一套测量电子装置。一个或多个电压源与两组结构元件连接，并为两组结构元件提供不同的电势，从而使来自空间的粒子基本偏转到一种极性的结构元件上。优选每组结构元件分别与一个电源(DC电压发生器)连接。测量电子装置分别测量具有两种极性的结构元件的电流分布。

例如，可在电流-电压转换(I/U转换器)之后借助差分放大器来产生两种极性的结构元件的电流分布的差分信号。测量电子装置可包含I/U转换器、差分放大器，还可有一个或多个前置放大器。然而，测量电子装置还可包含两个模拟-数字转换器，该转换器将电流分布(必要时已放大)转换为两个独立的数字数据流，根据该数据流确定差分信号。

在测量电子簇时，空间通常处于其中产生电子簇的二次电子倍增器(例如微通道板)的工作压力下。该工作压力通常是高真空(p<0.1Pa)。然而，若要测量迁移谱仪中的离子，空间中的压力还可以是大气压。

检测电极优选是平面电极。例如，它的形式可以是双极直线栅极、优选是方形或三角形的像素式结构或镶嵌结构，或者同心圆或同心螺旋(曲线栅极)结构或迷宫结构。结构元件可布置在支撑件上，但也可在机械上自支撑。支撑件可由绝缘体(>10⁶Ohm·m)组成或者具有高电阻(10²–10⁶Ohm·m)传导表面。结构元件的结构宽度和间距优选小于2000μm，特别地小于1000μm，最优选介于50μm和250μm之间，但也可小于50μm。

在大气压下的迁移谱仪中，用于将离子偏转到具有相同极性的结构元件上的电场优选低于1000V/cm，或至少显著低于气体中的击穿电场强度。若要使真空中的带电粒子偏转，需要的场强度必须近似地与U/D成比例，其中U是粒子在检测电极前面穿越的加速电压，并且D是不同极性的相邻结构元件的间距；所需场强度取决于结构元件的间距和粒子撞击检测器电极的动能。U＝500V的加速电压和D＝0.5mm的间距可产生10000V/cm的偏转电场强度。

附图说明

图1的左侧显示了离子迁移谱仪的示意图，但不含气路、样本引入或电子装置。样本蒸汽在空间(1)中电离，例如，通过来自一层放射性镍⁶³Ni的电子电离。

环形电极栈(5)处的电势产生的电场将离子拉到门栅(2)处，大部分离子在此处裂解。例如，门栅(2)可以是双极Bradbury-Nielsen闸门。短暂打开门栅可允许离子云进入漂移区。然后云溶解为具有不同迁移率的单独离子簇(3)和(4)，存在不同迁移率的离子时，离子簇漂移过漂移区。离子簇以不同的漂移速度在几毫秒的漂移时间内飞向检测器电极(10)，在它们接近检测器电极(10)时在其上产生镜像电流，然后再撞击到检测器电极上。撞击时，离子簇抵消镜像电流产生的表面电荷。通过测量装置(13)测量离子簇的电流分布并将其显示为离子迁移谱中的信号，如图右侧所示。镜像电流使迁移谱的信号失真，即具有缓慢上升的斜坡(6)和(7)，并且仅有很低的迁移率分辨率。

图2显示了镜像电流如何导致正点电荷+q的测量信号失真。图的左侧从上到下显示了点电荷+q接近检测器电极(10)的四个阶段(t₁-t₄)。依照惯例，可通过假设一个虚拟镜像电荷–q来表示镜像电流效果，该电荷位于检测器表面(11)另一侧相同距离处。事实上，在检测器表面(11)上形成分层电荷分布，并产生与镜像电荷–q对应的电势分布。在此分层电荷分布的电荷积聚时，负电流沿着与箭头(12)相反的方向(即箭头方向的正电流)从电荷库(14)流向检测器电极(10)。该电流显示为正电流，并在测量装置(13)中测得。右侧显示了镜像电流与时间的函数关系i_i(t)，即在阶段t₁到t₄的时间内。该电流随着点电荷+q越来越接近检测器表面(11)而增加。镜像电流导致的积聚在表面(11)上的电荷-q之和也同点电荷的电荷+q一样相应增加，只是符号相反。随着电荷越来越接近表面，电荷分布逐渐缩小为表面(11)上的一点。在接触表面的t₄时刻，此镜像电荷–q被点电荷+q完全中和，结果是电流突然不再流入测量装置(13)。镜像电流i_i(t)的时间积分，即右侧图中阴影区域，精确给出了点电荷的电荷+q。但此电流曲线并不与预期的点电荷的实际电流曲线德尔塔函数一致，而是与此图右侧的增加并突然结束的电流曲线图i_i(t)一致。

图3显示了类似的过程，但现在不是针对点电荷，而是针对在空间上扩展的离子簇，例如，如图1所示的存在于离子迁移谱仪中的离子簇。在此图的右上角，是测量装置(13)测量的电流曲线图i_i(t)。在此处，电流曲线i_i(t)也由于在表面(11)上逐渐积聚的镜像电荷而失真，但是它未突然停止，因为由入射离子簇所引起的中和过程的持续时间延长了。i_i(t)曲线是图2中时间移位电流曲线使用与簇中电荷分布对应的加权进行的叠加。在第一个粒子到达的时刻t₃，中和开始。粒子电流开始中和镜像电荷，但镜像电流仍然流过测量装置(13)，因为多数粒子仍在接近。流过测量装置(13)的电流精确地在时刻t＝t₅结束。现在整个粒子簇都已到达检测器电极。右下角的图表i_p(t)显示了穿过表面(11)的离子电流在不存在镜像电流和镜像电荷，因此也没有中和时的曲线。不过电流i_p(t)不能直接测量，测量装置(13)不能显示该电流。本发明旨在精确导出此电流i_p(t)。

图4显示了可用于本发明的双极直线栅极。例如，此类直线栅极可布置在电路板。将两组线性电极分别连在一起；电压源(21)和(22)可为两组电极施加不同电势。测量装置(19)和(20)可测量各电极组和共用地线(14)之间的电流，但不能区别镜像电流和粒子电流。方向箭头(17)和(18)指示了正电流的方向。

图5显示了电极组(30-36)和电极组(40-45)之间的电势差积聚的电场如何让入射粒子(50)在检测器电极的正前方偏转。这种偏转使粒子实际上只能撞击电极组(40-45)。如果结构足够精细，则接近的粒子积聚的镜像电荷实际上在两个电极组中均相同。

图6显示了本发明的效果。将双极结构栅极用作检测器电极，例如图4所示的双极栅极，使用测量装置(19)测量电流i_i1(t)，使用测量装置(20)测量电流i_i2(t)。带电荷+q的离子簇接近检测器电极，并以相同的方式均在两组电极中产生镜像电流(51)和(53)。但如图5所示，在最后一刻各个离子朝向与测量装置(19)连接的电极偏转。左侧的两个电流图(电流分布)显示了两个测量装置(19)和(20)的电流。左上角的图显示了粒子撞击的电极处的电流i_i1(t)。但如已在图3中所示，形成的镜像电流分布(51)仅相当于电荷+q/2。在时刻t₃，当第一批粒子撞击电极时，镜像电荷的中和开始；但这只需要一半的粒子电流。另一半粒子电流通过测量装置流走，并导致细阴影区之上的电流分布(52)。底部的图i_i2(t)显示粒子电流未流入的电极中也形成了镜像电流分布(53)。在时刻t₃，当第一批粒子撞击其他电极并因此簇电荷减少时，镜像电流也降低，但更多粒子仍在接近电极。随着簇中的电荷减少，一部分镜像电荷回流。曲线(55)显示了没有电荷回流时镜像电荷的积聚；曲线(56)显示了镜像电荷不再进一步积聚时电荷的回流。结果便是曲线(57)显示的电流分布。该电流分别在测量装置(20)中测得，最初是正的，后来是负的。从电流分布i_i1(t)中减去电流分布i_i2(t)，得出纯粒子电流i_p(t)的分布，如右侧图中所示。

图7显示了方形电极结构。

图8显示了等腰三角形电极结构。

具体实施方式

本发明涉及测量通常撞击在例如离子迁移谱仪中的平面检测器电极上的诸如离子或电子等自由飞行带电粒子的电流中。

图1的左侧显示了此类离子迁移谱仪的示意图，但为了更好地理解，不含气路、样本引入或电子装置。样本蒸汽在空间(1)中电离，例如，通过来自一层放射性镍⁶³Ni的电子电离。环形电极栈(5)处的电势产生的电场将离子拉到门栅(2)处，大部分离子在此处裂解。例如，门栅(2)可以是双极Bradbury-Nielsen闸门。短暂打开门栅可允许小型离子云进入漂移区。然后云分离为具有不同迁移率的单独离子簇(3)和(4)，当存在不同迁移率的离子时，离子簇以不同速度漂移过漂移区。漂移时间通常是几毫秒。离子簇飞向检测器电极(10)，在它们接近检测器电极(10)时在其上产生镜像电流，然后再撞击到检测器电极上。撞击时，离子簇抵消镜像电流产生的表面电荷。通过测量装置(13)测量离子簇的电流分布并将其显示为离子迁移谱中的信号，如图右侧所示。镜像电流使迁移谱的信号失真，即具有缓慢上升的斜坡(6)和(7)，并且仅有很低的迁移率分辨率。

本发明尤其涉及不使用帘栅极而防止感应镜像电流造成的这些离子信号失真。若要理解本发明，必须详细了解镜像电流的结构和特性。

图2显示了正点电荷+q向检测器电极(10)移动并最终撞击到该电极上时，镜像电流如何使测量装置(13)测得的测量信号失真。图的左侧从上到下显示了点电荷+q接近检测器电极(10)的四个阶段(t₁到t₄)。依照惯例，可通过假设一个虚拟镜像电荷–q来表示镜像电流效果，该电荷位于检测器表面(11)另一侧相同距离处。事实上，在检测器表面(11)上形成分层电荷分布，并产生与镜像电荷–q对应的电势分布。在此分层电荷分布的电荷积聚时，负电荷载子(例如电子)的电流沿着与箭头(12)相反的方向从共用地线(14)流向检测器电极(10)。该负电荷载子的电流显示为正电流，并在测量装置(13)中测得。图2右侧的图表显示了镜像电流与时间的函数关系i_i(t)，即在阶段t₁到t₄的时间内。该电流随着点电荷+q越来越接近检测器表面(11)而增加。镜像电流导致的积聚在表面(11)上的电荷-q之和也同点电荷的电荷+q一样相应增加，只是符号相反。随着电荷越来越接近表面，电荷分布逐渐缩小为表面(11)上的一点。在接触表面的t₄时刻，此镜像电荷–q被点电荷+q完全中和，结果是电流突然不再流入测量装置(13)。镜像电流i_i(t)的时间积分，即右侧图中阴影区域，精确给出了点电荷的电荷+q。但此测得的电流曲线并不与预期的点电荷的实际电流曲线德尔塔函数一致，而是与此图右侧的增加并突然结束的电流曲线图i_i(t)一致。

当具有总电荷+q的细长电荷载子簇接近检测器电极(10)并最终撞击该电极时，电流曲线看似稍有不同。图3显示了细长离子簇的此类过程，例如，如图1所示地发生在离子迁移谱仪中的过程。再一次考虑接近的四个阶段t₁到t₄。在此图的右上角，显示了测量装置(13)测量的电流曲线图i_i(t)。在此处，电流曲线i_i(t)的特性也受表面(11)上逐渐积聚的镜像电荷的影响，但是它未突然停止，因为由入射离子簇引起的中和过程的持续时间延长了。i_i(t)曲线是图2中时间移位电流曲线根据簇中电荷分布进行加权的叠加。在第一批离子到达检测器表面(11)的t₃时刻，中和开始。离子电流立即开始中和镜像电荷，但镜像电流仍然流过测量装置(13)，因为多数离子仍在接近。流过测量装置(13)的电流仅在时刻t＝t₅结束。此时整个离子簇都已到达检测器电极。

与电流曲线i_i(t)相反，右下角的图i_p(t)显示了穿过表面(11)的离子的离子电流在不存在镜像电流和镜像电荷，因此也没有中和时的曲线。不过该电流i_p(t)不能直接测量，测量装置(13)不能显示该电流。本发明的目的是精确表示此电流i_p(t)。

两个电流曲线i_i(t)和i_p(t)包含相同的电荷量，如阴影区域所示。通过比较两个曲线，可确定在测量装置(13)中测量的电流曲线i_i(t)的半值全宽是离子电流i_p(t)的两倍多。因此，如果可以测量未失真的该离子电流，则迁移率分辨率将提高到两倍多。此外，灵敏度(定义为信号振幅与噪声之比)将在相同背景噪声下增加，这可从离子电流曲线的高度看出，该高度是原来的两倍多。

本发明现在提出，用来测量带电自由飞行粒子电流的Faraday检测器通常使用的平面检测器电极应分解为具有双极布置的大量精细结构元件，例如，双极直线栅极，如图4中所示，或者是方形或三角形结构元件，如图7和图8中所示。这些结构元件应形成两个双极组，其中相邻的结构元件应属于不同的组。在图4、图7和图8中，属于同一组的电极用相同颜色显示。结构元件优选布置到绝缘基板(支撑件)上，例如电子电路板或陶瓷板。

图4显示了根据本发明的Faraday检测器的检测电极，其中，结构元件是双极直线栅极的线性电极。线性电极的末端分成两组(15)和(16)连接在一起。这两组(15)和(16)分别与电压源(21)和(22)中的一个以及测量装置(19)和(20)中的一个连接以测量电流。

在两组线性电极(15)和(16)之间施加电势差，从而产生一个电场，使带电粒子横向偏转(此处：平行于检测器平面并垂直于线性电极)。接近检测器电极的粒子簇在撞击两组线性电极(15)和(16)之前在其中感应出相同的镜像电流。但如图5中所示，在入射粒子簇撞击之前不久，线性电极(30-36)和(40-45)之间的电势差使其偏转，从而使这些粒子仅撞击一种极性的结构元件，即线性电极(40-45)。

在测量装置(19)和(20)中分别测得两组线性电极(15)和(16)的电流与时间的函数关系，并相减。这意味着以几乎相同的方式在两组(15)和(16)中形成的镜像电流曲线也相减，从而留下相当于纯粒子电流的电流-时间曲线。这种相减可在模拟电路中执行，或在电流转换为数字数据之后在数字电路(算术逻辑单元)中执行。图4中未显示这些电路。模拟电路可包含前置放大器、差分放大器或A/D转换器，优选布置在线性电极(15)和(16)附近，优选在正面包含线性电极(15)和(16)的支撑件的背面。而且，布置在背面的电路优选通过外壳进行电屏蔽。

选择结构元件的结构宽度和间距(例如图4中的线性电极)时，应确保横向偏转的电场不会在检测电极前方的空间中穿透太大深度。此处结构元件的结构宽度和间距优选小于1000μm，小于500μm更佳，具体介于50μm和250μm之间。但也可小于50μm，尤其小于10μm。偏转电场深入空间中的距离大约等于结构元件间距的一倍到两倍。检测器表面可几乎完全由结构元件覆盖(图5)。结构元件之间还可有间隙，其中间隙的宽度大约等于结构元件的结构宽度(图4)。

图6详细显示了本发明的工作原理。此处的检测器电极是双极结构的栅极，例如根据图4的双极直线栅极，并使用测量装置(19)来测量第一电极组(15)的第一电流分布i_i1(t)，使用测量装置(20)来测量第二电极组(16)的第二电流分布i_i2(t)。带电荷+q的正离子簇接近检测器电极，并以相同的方式在两组电极中产生镜像电流分布(51)和(53)。但如图5中所示，在最后一刻各个正离子朝向负电势(15)的电极组偏转，但该电极组与测量装置(19)连接。

图6中左侧的两个图从上到下分别显示了在测量装置(19)和(20)测得的电流分布。顶部的图显示了离子偏转向的电极组(15)的电流分布i_i1(t)。

但如已在图3中所示，形成的镜像电流分布(51)对时间积分时仅相当于簇电荷的一半+q/2。在时刻t₃，当第一批离子撞击电极组(15)时，镜像电荷的中和开始；但这只需要一半的离子电流。另一半离子电流通过测量装置(19)流走，最后形成曲线(52)的电流分布，其中细阴影区域属于离子电流，粗阴影区域属于镜像电流。电流分布的精确形状取决于簇中的离子分布。

底部的图i_i2(t)显示了也在无离子电流流过的电极组(16)中形成的镜像电流分布(53)。曲线(55)显示了假设没有电荷回流时的镜像电荷的积聚。在时刻t₃，当第一批离子撞击另一个电极组(15)因而簇的电荷减少时，镜像电荷开始回流。曲线(56)显示了假设镜像电荷未进一步积聚时的电荷的回流。但实际上，镜像电荷的积聚与其回流重叠，因此在测量装置(20)中测得对应于曲线(57)的电流。该电流分布最开始是正的(粗阴影区域)，后来变成负的(精阴影区域)。

如本发明所提出，如果现在从顶部图的电流曲线i_i1(t)中减去底部图的电流曲线i_i2(t)，结果就是纯离子电流(粒子电流)i_p(t)＝i_i1(t)-i_i2(t)，如右图所示，因为镜像电流分布在差中完全消失了。在此提醒：这就是本发明力图测量的精确粒子电流分布i_p(t)。

检测器电极的结构有多个实施例。最简单的形式是图4中所示的双极直线栅极。为了避免所有颤噪效应，优选在实心绝缘基板上使用导电轨道制作栅极。栅极杆越细且它们之间的距离越小，使带电粒子偏转的电压差则可以设置得越低。两种极性的结构元件中的镜像电流分布则变得越来越相似，因为粒子偏转造成的扰动变得越来越小。

此处必须注意的是，除了绝缘基板上的双极直线栅极，还可使用无支撑的双极Bradbury-Nielsen闸门。这样做的优点是，迁移谱仪中通常使用的过滤空气(或氮气)气流可通过栅极顺畅流向离子。此外，这些栅极可切换为允许通过，从而使粒子电流过栅极，到达第二个检测器，例如质谱仪。

栅极在绝缘基板上时，如果基板具有细孔的图案，则还可让气流通过。

图7和8示意性地示出具有双极结构的检测电极的其它实施例。可将像素式方形和三角形布置到电路板上，但是必须从背面提供穿过电路板的电源引线。像素式元件的角可以是斜角或圆角。更多可能的实施例是相互交错的螺旋或不同类型的迷宫(具有圆形以及矩形结构)。如果像素式元件布置在支撑件上，则可通过电路板上的绝缘层中的导电轨道连接一种极性的像素式元件，而在与第一层绝缘的电路板的其它层中连接另一种极性的像素式元件。

原则上，检测电极的结构元件可布置在电路板上、陶瓷绝缘体上或任何其它绝缘体上。优选在基板上的导电电极之间开凹槽，以避免漏电流和撞击粒子产生的充电。除了使用凹槽，基板的表面也可涂上高电阻材料。尽管会有例如5皮安的小恒定电流流过，但这基本无害；积极的效果是防止了所有类型的充电。

如果两个极性的结构元件的面积大小不完全相同，或者如果粒子的偏转在镜像电流中产生微小的不对称，则在两个电流相减时可引入权重w：i_p(t)＝i_i1(t)–w×i_i2(t)。选择权重w时要确保形成的电流分布尽可能不失真。

本文中已经针对离子迁移谱仪通过举例方式介绍了这种方法。但是，该示例在此处不应具有限制效果。原则上，可通过本发明测量飞向检测器电极的任何带电粒子簇的电流，而不会因镜像电流产生失真。为了提供另一个示例，可通过相似的方式在飞行时间质谱仪中测量由多通道板(MCP)中的离子产生并通过检测器板测量的电子，而不产生干扰镜像电流。