[发明专利]一种基于脉冲前沿时间测量和幅度修正算法的飞行时间质谱仪电子学读出方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行时间质谱仪领域，特别涉及一种将脉冲前沿时间测量和幅度-时间修正算法相结合的，可同时提高飞行时间质谱仪时间分辨和定量性能，并且可节省成本的电子学读出方法。 

背景技术

飞行时间质谱仪作为一种高端分析仪器，在环境监测、食品安全、生物、制药等领域具有广泛的应用。评价飞行时间质谱仪性能的一个最重要指标是其分辨率，该分辨率指标除了与物理设计、机械加工相关，也直接取决于仪器读出电子学的时间测量精度。 

通常飞行时间质谱仪的读出电子学，往往采用以下两种方案之一： 

第一种是先用快前置放大器对离子检测器输出的脉冲进行放大，然后利用ADC对放大后的脉冲直接波形采样，脉冲到达时间可利用重心法得出。该方案的优点是可直接测到原始脉冲的波形，有利于剔除噪声，且提高了仪器的定量分析性能及灵敏度指标。但由于脉冲到达时间直接由ADC采样数据计算得到，因此若想进一步提高仪器的分辨率，必须采用高速高分辨的ADC。例如，如果要使飞行时间质谱仪达到10000的分辨率，ADC的采样率至少要达到1G SPS。而高采样率ADC的采用，必然伴随着高速数据(大于1G Byte/s)缓存和传输的问题，不但使电子学设计方案变得更复杂，也带来了功耗和散热的问题，不利于在未来使仪器往低功耗、低成本、便携式方向发展。更严重的是，受限于国内半导体加工工艺和设计经验的不足，几乎国内所用的ADC芯片全都需要从国外进口。而高采样率的ADC芯片不但价格昂贵，更由于可应用于国防等重要领域，往往在采购时面临禁运的问题。因此，如果采用单靠ADC进行波形采样的电子学读出方 案，由于高速ADC的价格、采购、研发成本的制约，必然限制了高分辨率的飞行时间质谱仪器的自主产业化。 

第二种是先用恒比定时电路(CFD)将离子检测器输出的模拟信号转化为数字脉冲，然后利TDC直接测量脉冲的到达时间。采用当前国内的成熟技术，较容易实现时间分辨好于1ns的TDC，因此采用第二种方案，在实现了较高的时间性能的前提下节省了ADC。但缺点是TDC作为数字器件，只能得知某时刻离子源输出脉冲的有无，并记录它的到达时间，而无法测量脉冲的形状或幅度(其中包含离子数目信息)。例如即使有两个或更多质荷比相同的离子在短时间内(例如1ns)同时到达离子检测器，TDC的计数仍然为1，从而导致仪器的定量性能和灵敏度不如第一种方案。方案二的另一个缺点则来自CFD电路。CFD的使用，虽然能够消除幅度游动效应带来的时间误差，但它需要对离子检测器输出的高速脉冲信号进行反相放大、延迟、求和等模拟调理，再经高速比较器转换成数字脉冲，然后才送到TDC进行时间测量。而每一级模拟调理电路，都意味着信号带宽和信噪比的损失，以及新的时间误差的引入。随着近年来数字技术的进步，利用TDC可以实现越来越高的时间精度(比如国内最新的采用商业FPGA芯片实现的TDC可达到好于100ps的时间分辨)，因此，将脉冲的时间数字化尽量提前，使模拟处理过程尽量简化，才能有效发挥TDC的精度优势。因而第二个方案中CFD电路，会对高端飞行质谱仪器的性能形成制约。 

现有的飞行时间质谱仪的读出电子学基本都是基于上述两种方式，虽然可以在一定程度上实现功能，但都有不容忽视的缺点，限制了飞行时间质谱仪的应用领域，及其自主产业化。 

发明内容

本发明的目的一在于，针对现有飞行时间质谱仪单靠ADC或单靠TDC读出方案的不足，提出一种将脉冲前沿时间测量与脉冲成形采样相结合的新方案，它同时采用中低速ADC与TDC，在改善仪器性能的同时，简化了读出电路结构，降低了成本。 

本发明的目的二在于，在目的一的基础上，提出了一种在飞行时间质谱仪读出系统中利用脉冲幅度信息，对TDC前沿时间测量结果进行在线修正的方法。 采用该方法可克服前沿定时的幅度-时间游动效应，提高最终的时间测量精度。 

为达到目的一，本发明提出一种将脉冲前沿时间测量与脉冲成形采样相结合的新方案，所述的处理步骤为： 

步骤a，首先将来自离子检测器(通常是微通道板)的探测器信号利用前置放大器进行放大，然后将放大后的信号通过射频电缆送到电子学数据采集卡。 

步骤b，来自前放的信号到达电子学数据采集卡后，先经模拟缓冲器(Buffer)进行1∶1放大；