實(shí)驗(yàn)室分析儀器--質(zhì)譜儀的離子檢測器分類及結(jié)構(gòu)原理
質(zhì)譜儀中離子檢測器用于檢測和記錄離子流的強(qiáng)度。無機(jī)和同位素質(zhì)譜的離子檢測器通常有法拉第杯、分離打拿極電子倍增器、通道式電子倍增器、微通道板以及閃爍光電倍增器（Daly）等，加速器質(zhì)譜中還可能用到對離子能量敏感的探測器。在這些探測器中，法拉第杯直接收集離子的電荷，結(jié)合其對二次電子逸出的抑制，其線性動態(tài)范圍大，但靈敏度不高；其他類型的探測器則多是通過轉(zhuǎn)換電極先將離子轉(zhuǎn)換為電子、光子信號后，再進(jìn)行增益達(dá)104～103的倍增放大。
多數(shù)質(zhì)譜儀的離子檢測系統(tǒng)中會同時配置兩種或更多的離子信號檢測器，且之間可相互切換。在離子信號強(qiáng)時，常常使用法拉第杯進(jìn)行檢測；在離子信號強(qiáng)度＜10-15A時，使用電子倍增器。
質(zhì)譜測量中常常面臨較大豐度差異同位素的測量，加之質(zhì)譜儀器的離子流信號十分微弱，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍和靈敏度非常重要。此外，根據(jù)儀器的配置和測試目的不同，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也會有較大的差異。如今計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了數(shù)據(jù)采集的效率和測試精度。
一、法拉第杯檢測器
法拉第杯是一種設(shè)計(jì)成杯形狀的離子檢測器，圖1是使用法拉第杯接收離子的工作原理示意。離子進(jìn)入法拉第杯后產(chǎn)生的電流信號經(jīng)一個高精度、高阻值的電阻（1010Ω、1011Ω、1012Ω）及一個前置放大器轉(zhuǎn)換為與之信號強(qiáng)度相對應(yīng)的模擬電壓信號，此信號再通過電壓頻率轉(zhuǎn)換器（UFC）或模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。
為保證放大電路的穩(wěn)定性、滿足對法拉第信號的準(zhǔn)確測量，還需為放大器等電子器件提供良好的電磁屏蔽、恒溫和真空條件。通常要求UFC和頻率計(jì)的溫度漂移范圍小于1×10-6℃?-1.
圖1 使用法拉第杯接受離子的工作原理框圖
二、電子倍增器
電子倍增器是一個能高倍放大微弱離子信號的檢測器件。按打拿極的排列方式區(qū)分，有分離打拿極式電子倍增器和通道式電子倍增器（CEM）。圖2（a）為分離打拿極式電子倍增器的結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)進(jìn)入電子倍增器的離子轟擊第一個電子打拿極（倍增器電極）后，會激發(fā)出大量的二次電子，這些電子在電場的作用下會加速繼續(xù)轟擊第二個電極，從而產(chǎn)生更多的電子，而這些電子接著再去轟擊第三個電極，如此相繼轟擊而產(chǎn)生越來越多的二次電子，最后再用一個電子接收器將這些電子信號輸出，從而達(dá)到放大輸入信號的目的。通常一個電子倍增器約有16～20個電子打拿極，可將離子信號放大達(dá)104～108倍。
圖2 電子倍增器結(jié)構(gòu)示意圖
通道式電子倍增器又稱為連續(xù)打拿極電子倍增器，見圖2（b），工作原理類似于分離打拿極式電子倍增器。其結(jié)構(gòu)由一個彎曲的漏斗狀玻璃管構(gòu)成，二次電子沿彎管加速，并在對應(yīng)管內(nèi)壁連續(xù)碰撞出更多的二次電子形成沿彎管逐漸增大的電子流，最后在接收極輸出電信號。
需要注意的是，所有類型的倍增檢測器在使用過程中增益都會因使用時間的增長而逐漸變小，這就需要根據(jù)儀器靈敏度的要求定期調(diào)整倍增器的工作電壓，使增益保持在適當(dāng)?shù)乃?。最終，電壓達(dá)到其使用極限值后，如果增益下降顯著，就需要立即更換電子倍增器。
圖3 計(jì)數(shù)法測量的原理框圖
數(shù)字采集通常有模擬和計(jì)數(shù)兩種方式。在一些儀器中，模擬放大器部分設(shè)計(jì)成積分器形式，此時反饋電阻被去掉，能獲得更好的信噪比（SNR）。計(jì)數(shù)方式一般采用寬帶前置放大器結(jié)合快甄別器。在飛行時間質(zhì)譜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）替代計(jì)數(shù)器（見圖3）
隨著模擬和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展及成本的降低智能化數(shù)據(jù)采集成為一種趨勢。來自檢測器的模擬信號被快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行數(shù)字濾波、校正以及譜累加等。例如，將來自ADC的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值比較，大于閾值的數(shù)據(jù)被記錄下來，小于閾值的則被認(rèn)為是噪聲而被舍棄從而提高信噪比、減少數(shù)據(jù)量。采用高階數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)較為理想的通帶頻率特性，顯著提高信噪比，并降低高頻模擬信號電路實(shí)現(xiàn)的難度。此外，智能模塊化數(shù)據(jù)采集也減少了給主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)量，同時具有更好的可編程特性。
磁式質(zhì)譜儀中，多接收器的采用可消除離子源和部分儀器狀態(tài)隨時間波動對測量結(jié)果的影響，適用于高精度同位素比值分析。但由于存在不同通道的零點(diǎn)校正和增益差，需在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加校準(zhǔn)回路。典型的校準(zhǔn)回路采用精密開關(guān)將標(biāo)準(zhǔn)電流分別接入到各前置放大器的輸入端，在離子流關(guān)斷的條件下分別測量各放大器的輸出，如圖4所示。這些數(shù)據(jù)被用來校正實(shí)際測量過程中各通道間的偏差。
圖4 典型的多通道數(shù)據(jù)采集校正電路
三、其他類型的離子檢測裝置
1、閃爍光電倍增器
閃爍光電倍增器也稱戴利（Daly）倍增器，因1960年戴利（Daly）首次使用閃爍晶體和光電倍增管檢測帶電粒子而得名。和電子倍增器的區(qū)別為:入射離子先打到一個離子電子轉(zhuǎn)換電極上，產(chǎn)生和入射離子強(qiáng)度相對應(yīng)的電子，再由電子去轟擊一塊閃爍晶體，使其產(chǎn)生和電子強(qiáng)度相對應(yīng)的光子，最后通過光電倍增管放大光信號，以實(shí)現(xiàn)離子信號放大功能。具有高增益、低噪聲、線性好等特點(diǎn)，且光電倍增管位于儀器真空系統(tǒng)外面，易于更換。圖5為戴利（Daly）倍增器原理示意圖。
圖5 戴利（Daly）倍增器原理示意圖
2、微通道板檢測器（microchannel plate，MCP）
圖6（a）為微通道板檢測器結(jié)構(gòu)示意，是一種二維平面的檢測器，由大量管徑為20m、長度為1mm的微通道管組成，每塊板的增益可達(dá)104，多塊板串聯(lián)可得到更高的增益。微通道板具有探測面積大、增益高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。
圖6 微通道板檢測器結(jié)構(gòu)示意圖
圖6（b）為微通道板上獨(dú)立的微通道管的電子倍增原理示意。在二次電子穿越通道管的過程中，會多次碰撞通道管的管壁，這樣就能連續(xù)地產(chǎn)生大量的二次電子。發(fā)射層的下方是電阻鉛玻璃層，它能在通道管內(nèi)部產(chǎn)生從輸入端到陽極逐漸增高的電勢使電子加速，上述過程不停地重復(fù)，直到產(chǎn)生的電子云全部離開通道管，被陽極接收。
3、新型的DCD（ direct charge detector）平面檢測器
DCD平面檢測器被用于多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜（SPECTRO MS公司）中，該檢測器同時具有4800個檢測通道，可覆蓋5～240u的質(zhì)量范圍。
