[发明专利]磁性扇区质谱仪磁体的控制

说明书

技术领域

本发明涉及磁性扇区质谱仪磁体的控制。确切地说，其涉及用于磁体的闭合回路控制的电路和方法。

背景技术

磁性扇区质量分析仪是一种众所周知的质谱仪，用于跨越相对宽质量范围的离子的高分辨率分析。离子在加速电压U₀的影响下加速穿过飞行管，它们在飞行时间分离。加速过程结束时离子的动能mv²/2是由加速场施加的能量的结果，z.U₀；因此

随着移动的离子进入由磁体产生的磁场，特定质荷比m/z的带电离子沿着唯一半径r_m的圆形路径在垂直于所施加磁场的方向的方向上偏转。如将众所周知，归因于磁场(z.v.B，其中z为离子电荷，v为离子速度，且B为磁场强度)的力平衡向心力mv²/r_m。

重新布置v且代入到以上等式中产生：

换句话说，针对给定磁通量密度B且当加速到特定电位U₀时，特定质荷比的离子将遵循半径r_m的弯曲路径。

在扇区质量分析仪中，离子源、加速器区、磁体和检测器的相对位置是固定的。因此，特定物质的离子将仅在特定B和U₀处到达检测器(而非(例如)分析仪的壁)。

为了检测特定质量，有必要高度准确地控制(即，保持稳定)磁场。当然，加速电位U₀也必须保持恒定，但此相对简单；从以上等式还注意到，离子到达检测器时离子的位置(与r_m相关)与B^-1成比例，但对U₀的改变不太敏感，因为r_m取决于U₀的平方根。

U₀和B两者可原则上变化以扫描跨越检测器的多个离子物质。然而，优选地，对于特定实验，U₀保持恒定，而B改变。这主要是因为，在磁性扇区质量分析仪中，离子的焦点随着U₀改变，且需要离子束保持聚焦在检测器上。

此项技术中已知通过适当传感器测量磁体产生的通量密度，且使用此信号调节磁场。参看例如US-A-3,597,679。适当传感器通常为霍耳效应传感器或场探针。

典型设置在图1中展示。使用场探针10等测量磁体内的通量密度。从场探针10输出的模拟信号放大且接着连接到运算放大器20的第一输入。在微控制器30处产生设定值作为数字信号，且在DAC 40处将其转换为模拟信号。DAC 40的输出连接到运算放大器20的第二输入使得(模拟)测得的通量密度可与模拟设定点进行比较。

运算放大器20的输出在功率放大器50中放大，且功率放大器50输出用于控制供应到磁性扇区质谱仪中的磁体的电流。场探针10测得的磁通量密度可因此用于控制设定值，并且，以此方式，实现模拟闭合回路反馈控制。此外，运算放大器的比例-积分-微分(PID)控制(和原则上测得的通量密度的放大)是可能的。

尽管图1的布置中可实现的磁通量密度的步进分辨率受到DAC 40的分辨率限制，但一个DAC步阶内磁通量的稳定性可高得多，这(例如)取决于运算放大器20和电子器件的其它部分。

磁性扇区质谱法的主要用途是确定样本中已知要素的丰度(与(例如)或TOF质谱法形成对比，或TOF质谱法通常寻求识别样本中的未知要素，或确认或反驳特定物质或(更通常地)物质群组的存在)。这是为何磁场的最大稳定性合乎需要：给定U₀处的极恒定磁场将确保特定m/z的离子(且仅具有所述特定m/z的离子)恰当地聚焦在检测器上，且随着时间的过去而保持如此。因此，磁场稳定性与仪器分辨率直接关联；对于两个邻近质量的离子，辨别它们的能力(即，测量一个物质，而不测量另一物质)将是磁场稳定性的结果。对于约20,000的仪器分辨率，磁通量密度的标准偏差需要在一小时内稳定在3ppm内。对于50,000的仪器分辨率，磁通量密度的标准偏差需要在一小时内稳定在1ppm内。更高的分辨率将是合乎需要的。

除极稳定静止磁场的要求外，还需要扇区分析仪的磁体能够在两个稳定磁通量密度值之间跳跃，以便测量两个不同离子物质的强度(量)。跳跃应尽可能快速，同时跳跃之后磁体内的磁通量密度出于上文阐述的原因必须稳定。此尤其苛刻，因为磁体材料内磁域的再定向由相对缓慢的时间常数支配。