[发明专利]放大器

说明书

一种电容式互阻抗放大器，包括：电压放大器，所述电压放大器具有用于连接至输入电流源的反相输入端子；反馈电容器，所述反馈电容器耦合在所述反相输入端子与所述输出端子之间，以累积从所述输入电流源接收到的电荷并相应地产生反馈电压；校准单元，所述校准单元包括校准电容器，所述校准电容器经由校准开关电耦合至所述电压放大器的所述反相输入端子，从而电耦合至所述反馈电容器；所述校准单元可操作以将所述校准开关切换至允许将一定量的电荷从所述校准电容器放电到所述反馈电容器的校准状态；所述电容式互阻抗放大器被设置为在所述校准开关处于所述校准状态时确定在所述反馈电容器两端产生的电压，并且根据产生的所述电压(V)的值和电荷量(Q)来确定用于所述反馈电容器的电容值(C＝Q/V)。

技术领域

本发明涉及放大器。特别地，但非排他地，本公开涉及用于对由粒子检测器或计数器(例如带电粒子检测器/计数器(例如，用于质谱仪、电子计数器或光子计数器(例如光度计)等的离子束电流测量设备))产生的检测信号进行放大的电容式互阻抗放大器。本发明可提供结合了这种放大器的静电计。本公开可以用于放大光电倍增管或光电检测器等的电流输出。

背景技术

质谱仪要求尽可能高的灵敏度和精确度，以提供准确的质谱分析。鉴于从较少量样品中提取较高质量数据的趋势日益增加，这一要求变得更加迫切。这种情况的出现是因为只有很有限量的样品是可用的，或者是因为可用的样品中含有非常低浓度的目标元素。这些情况不可避免地导致使用低或非常低的信号进行质谱分析，进而后续还需要提高精确度和准确性。检测非常低的光子计数信号所需的光度计也存在同样的要求。

最终，质谱仪中的精确度和准确性不可避免地受到所用离子检测系统的精确度的限制。一个主要因素是信号内存在的噪声，这一因素严重限制了低信号离子检测系统的精确度。也就是说，随着检测到的信号的大小接近检测系统内潜在噪声的大小，信噪比下降，并且准确性和精度受到损失。尽管离子检测系统中可能存在许多噪声源，但是当人们考虑离子检测系统当前所基于的原理时，重要的噪声源会变得明显。

图1A和1B示意性地示出了质谱仪的示例(图1A)，以及质谱仪中常用的离子检测系统的核心元件(图1B)。具体来说，图1A示出了尼尔(Alfred O.Nier)在二十世纪40年代开发并至今仍广泛使用的尼尔型质谱仪的示例。需要注意的是，这种类型的质谱仪仅是一种类型的质谱仪的一个示例，并且以下讨论并非旨在限制所讨论的原理。质谱仪包括离子源(2)。该离子源(2)被布置为与排空的离子导管(3)连通；该排空的离子导管被布置为在初始直线轨迹上接受从离子源输出的离子；该直线轨迹与磁体(4)产生的磁场相交，并因此，在磁体存在的情况下，会沿弯曲的轨迹进行电磁重定向。

在离开磁体的影响后，离子路径(5)恢复直线轨迹，该直线轨迹在离子检测器(6)处终结。如本领域技术人员已知的，在存在磁体(4)的情况下，离子路径的曲线部分的曲率半径取决于所涉及离子的质荷比(m/q)。因此，离子路径(5)的角位移指示了所涉及离子的质荷比。

图1B示意性地示出了图1A中质谱仪的离子检测器(6)的核心元件。法拉第杯(7)被布置成与排空的离子导管的终端连通，以便直接接收来自离子源(2)的已经穿过选定的角位移(即选定的质荷比)的离子路径的离子。法拉第杯是导电的(通常是金属的)杯或导管(或仅仅是板)，其被设计为捕获真空离子导管(3)中的带电粒子。当带电粒子到达法拉第杯的导电内表面时，在接收到的离子被中和的同时，法拉第杯的材料会获得少量净电荷。然后法拉第杯的导电材料被放电，以便测量与撞击的带电粒子数量相等的小电流。按照这种方式，尽管穿过离子路径(5)的带电粒子(例如离子)提供了初始粒子电流，但是法拉第杯的导电材料中电子的感应电流提供了随后持续的载流子电流，该载流子电流与初始粒子电流成正比。通过测量从法拉第杯中发出的电流(I)，即每个单位时间(t)中流出或流入(即，接收正离子的情况)法拉第杯的电子(电荷e-)的数量(N)，就可以确定/计算在该时间段上法拉第杯接收到的离子的数量为：