實(shí)驗(yàn)室分析儀器--質(zhì)譜儀的電子倍增器檢測(cè)器結(jié)構(gòu)原理
電子倍增器是一個(gè)能高倍放大微弱離子信號(hào)的檢測(cè)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(gè)電子打拿極（倍增器電極）后，會(huì)激發(fā)出大量的二次電子，這些電子在電場(chǎng)的作用下會(huì)加速繼續(xù)轟擊第二個(gè)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(gè)電極，如此相繼轟擊而產(chǎn)生越來(lái)越多的二次電子，最后再用一個(gè)電子接收器將這些電子信號(hào)輸出，從而達(dá)到放大輸入信號(hào)的目的。通常一個(gè)電子倍增器約有16～20個(gè)電子打拿極，可將離子信號(hào)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(chēng)為連續(xù)打拿極電子倍增器，見(jiàn)圖2（b），工作原理類(lèi)似于分離打拿極式電子倍增器。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)彎曲的漏斗狀玻璃管構(gòu)成，二次電子沿彎管加速，并在對(duì)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(hào)。
需要注意的是，所有類(lèi)型的倍增檢測(cè)器在使用過(guò)程中增益都會(huì)因使用時(shí)間的增長(zhǎng)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(cè)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(shí)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(shí)間質(zhì)譜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）替代計(jì)數(shù)器（見(jiàn)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(shì)。來(lái)自檢測(cè)器的模擬信號(hào)被快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字濾波、校正以及譜累加等。例如，將來(lái)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(lái)，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(hào)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(shí)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(shí)間波動(dòng)對(duì)測(cè)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(kāi)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(cè)量各放大器的輸出，如圖4所示。這些數(shù)據(jù)被用來(lái)校正實(shí)際測(cè)量過(guò)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
