СПЕКТРОМЕТР С ИНТЕГРАЛЬНЫМ ЕМКОСТНЫМ ТРАНСИМПЕДАНСНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК G01N27/62 H01J49/02 

Предпосылки создания изобретения

[0001] Область техники

Настоящее изобретение относится к детекторному устройству, а именно к детекторам для спектрометров.

[0002] Спектрометры ионной подвижности (Ion mobility spectrometer, IMS) и асимметричные полевые спектрометры ионной подвижности (field asymmetric ion mobility spectrometers, FAIMS) или дифференциальные спектрометры ионной подвижности (differential mobility spectrometers, DMS) часто используют для обнаружения таких веществ, как взрывчатка, наркотики, отравляющих веществ кожно-нарывного и нервно-паралитического действия и т.п. Спектрометр, как правило, имеет в своем составе детекторную ячейку, куда подают образец воздуха, содержащего подозрительное вещество, или аналит, в газообразном или парообразном состоянии. Ячейка работает при атмосферном (или приблизительно равном атмосферному) давлении и имеет электроды, возбуждаемые с целью формирования в ячейке градиента напряжения.

[0003] Молекулы в образце воздуха ионизируются, например, при помощи источника радиоактивного излучения, источника ультрафиолетового (УФ) излучения или при помощи коронного разряда, и проходят в область дрейфа ячейки через электростатический затвор, расположенный на одном из ее концов. Ионизированные молекулы пролетают к противоположной стороне ячейки, к коллектору, со скоростью, которая зависит от размера иона, вызывая в коллекторе импульс тока. Ток в коллекторе преобразуют в напряжение и усиливают. Ион можно идентифицировать при помощи измерения времени пролета через ячейку.

[0004] Изложенное в настоящем разделе описание предпосылок создания настоящего изобретения не следует считать существующим уровнем техники по причине его упоминания в этом разделе. Аналогично не следует считать, что проблемы, упомянутые в данном разделе, были ранее обнаружены на существующем уровне техники. Изложенное в данном разделе описание предпосылок создания настоящего изобретения лишь представляет различные подходы, которые сами по себе также могут являться изобретениями.

Сущность изобретения

[0005] Предложены спектрометры, включающие интегральные емкостные детекторы. Такие спектрометры могут использоваться для ионизации молекул исследуемого образца с целью идентификации этих молекул на основе ионов. В одной из реализаций ионы пролетают вдоль камеры внутри спектрометра и собираются при помощи коллектора. Формируемый сигнал ионов усиливают при помощи интегрального емкостного детектора.

[0006] В одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе детектор. Упомянутый детектор имеет в своем составе коллектор с первой стороной, сконфигурированной для приема ионов, пролетевших в сторону коллектора, и второй стороной. Упомянутый детектор также имеет в своем составе диэлектрический элемент вблизи второй стороны упомянутого коллектора. Упомянутый детектор также имеет в своем составе усилитель с входом и выходом. Упомянутый детектор также имеет в своем составе элемент емкостной пластины вблизи упомянутого диэлектрического элемента и напротив упомянутого коллектора. Элемент емкостной пластины соединен с выходом усилительного элемента.

[0007] В еще одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе детектор. Упомянутый детектор имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для приема ионов, пролетевших в сторону коллектора, удерживаемый на первой стороне диэлектрика. Упомянутый детектор также имеет в своем составе пластинчатый элемент, расположенный на второй стороне упомянутого диэлектрика напротив упомянутой первой стороны в конфигурации, обеспечивающей перекрытие с коллектором. Упомянутый детектор также имеет в своем составе усилитель, имеющий вход и выход. Упомянутый коллектор электрически связан с упомянутым входом. Упомянутый пластинчатый элемент электрически связан с упомянутым выходом.

[0008] Еще один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к спектрометру. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для приема ионов. Упомянутый коллектор размещен и сконфигурирован как первая пластина конденсатора. Упомянутый детектор также имеет в своем составе диэлектрик вблизи упомянутого коллектора. Упомянутый спектрометр также имеет в своем составе пластину, сконфигурированную как вторая пластина конденсатора, расположенную с противоположной стороны от коллектора относительно упомянутого диэлектрика. Упомянутый спектрометр имеет также усилительный элемент, включающий вход, выход и петлю обратной связи. Упомянутый конденсатор сконфигурирован в упомянутой петле обратной связи.

[0009] Настоящий раздел с описанием сущности изобретения приведен, чтобы представить в упрощенной форме набор концепций, более подробно описанных ниже в разделе с подробным описанием изобретения. Данный раздел не имеет целью указание ключевых или критически важных элементов заявленного изобретения, а также не должен использоваться как вспомогательное средство при определении объема заявленного изобретения.

Описание чертежей

[0010] Подробное описание настоящего изобретение выполнено со ссылками на приложенные чертежи. На чертежах левые цифры обозначения указывают на номер чертежа, в котором это числовое обозначение появляется впервые. Применение одинаковых числовых обозначений в различных местах описания и в различных чертежах может указывать на сходные или идентичные элементы.

[0011] Фиг. 1 представляет собой эскизную иллюстрацию примера устройства IMS, имеющего в своем составе интегральный емкостной детектор в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

[0012] Фиг. 2 представляет собой детальное изображение одного из вариантов осуществления интегрального емкостного детектора, который может применяться, например, в качестве интегрального емкостного детектора совместно с примером устройства IMS, проиллюстрированного на фиг. 1;

[0013] Фиг. 3 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из вариантов осуществления схемы трансимпедансного усилителя, например схемы, формируемой с помощью конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 2;

[0014] Фиг. 4 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из альтернативных вариантов осуществления схемы, формируемой с помощью конфигурации фиг. 2;

[0015] Фиг. 5 представляет собой эскизную иллюстрацию второго варианта осуществления устройства IMS, имеющего в своем составе интегральный емкостной детектор и второй детектор; и

[0016] Фиг. 6 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из вариантов осуществления детектора со схемой сброса.

Подробное описание примеров осуществления изобретения

[0017] Фиг. 1 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из примеров спектрометра, например спектрометра 100 ионной подвижности (IMS), в котором выполняется электрическая ионизация молекул исследуемого образца. Спектрометр 100 IMS имеет в своем составе удлиненный корпус 102, расположенный от первой стенки 104 до второй стенки 106. В корпусе 102 вблизи первой стенки 104 выполнено впускное отверстие 108. Исследуемые молекулы могут вовлекаться в корпус 102 через впускное отверстие 108. Корпус 102 образует ионизационную камеру 110 и дрейфовую камеру 112, сообщающиеся по текучей среде, однако разделенные затвором 114, с помощью которого управляют проходом ионов в дрейфовую камеру 112. Ионизационная камера 110 имеет в своем составе ионизирующий источник 116, который может быть источником радиоактивного излучения, например источником на никеле-63, устройством коронного разряда, фотоионизирующим источником или источником любого другого типа, подходящим для ионизации исследуемого образца. Дрейфовая камера 112 имеет в своем составе пары 118 электродов, расположенные по длине дрейфовой камеры 112 для обеспечения градиента потенциалов вдоль дрейфовой камеры 112, способного обеспечить перемещение ионов слева направо (в соответствии с иллюстрацией фиг. 1). Вблизи второй стенки 102 корпуса 102 в дрейфовой камере 112 находится коллектор 120 детектора 122. Обнаружение ионов происходит при их контакте с коллектором 120.

[0018] Ионизация исследуемых молекул может выполняться множеством различных способов. Например, ионизирующий источник может ионизировать молекулы при помощи различных многошаговых процедур с использованием ионов, образующихся в плазме.

[0019] В вариантах осуществления настоящего изобретения действующие ионы формируются при помощи коронного разряда. Действующие ионы ионизируют исследуемую молекулу. Например, ионизирующий источник образует ионы, которые затем отводятся с целью ионизации исследуемых молекул. Действующими ионами могут быть ионизированные газы (например, азот и газы из состава воздуха) и другие газы в ионизационной камере, например вода и т.п. Несмотря на потенциальную возможность разрушения исследуемой молекулы, может выполняться управление ионизацией с целью получения мягкой ионизации, за счет чего минимизируется разрушение молекул и максимизируется получение молекул с единичным зарядом, например положительным или отрицательным единичным зарядом.

[0020] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в IMS-спектрометре измеряется время, необходимое иону для достижения коллектора 120 после открытия затвора 114. Это время, время пролета, может быть поставлено в соответствие молекуле, из которой образован ион. Подвижность ионов используется для идентификации молекул, соответствующих ионам. Например, может применяться компьютер, для сравнения выходного сигнала детектора 122 с библиотекой плазмограмм известных ионов. Ток ионов, разряжаемых на коллекторе 120, как правило, является очень малым. Следовательно, в соответствии с дальнейшим более подробным описанием, в состав детектора 122 входит усилительная схема 124, имеющая в своем составе усилительный элемент 126 для усиления ионного тока.

[0021] Выход детектора 122 может быть подключен к измерительной системе 123. Варианты осуществления измерительных систем 123 могут иметь в своем составе аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, усилительные элементы и т.п., в соответствии с последующим более подробным описанием. Процессоры не ограничены ни материалами, из которых они выполнены, ни применяемыми в них вычислительными механизмами. Например, процессор может состоять из полупроводников и/или транзисторов (например, электронная интегральная схема (integrated circuit, IC)). В состав вариантов осуществления настоящего изобретения могут входить и другие подходящие измерительные системы 123.

[0022] В состав процессора может быть включена память. В памяти могут храниться данные, например программа или инструкции для управления IMS-спектрометром, данные и т.п. Может использоваться одно запоминающее устройство, однако могут также применяться множество различных типов и комбинаций памяти (например, материальная память), таких как память с произвольным доступом (random access memory, RAM), память на жестком диске, память на съемном носителе, внешняя память и другие типы машиночитаемых носителей для хранения данных.

[0023] Ионы перемещаются по дрейфовой камере 112 в сторону второй стенки 106. Вблизи второй стенки 106 располагается коллектор 120. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения коллектор 120 удерживается при помощи диэлектрика 128. Диэлектрик 128 может представлять собой любой подходящий диэлектрик, при этом в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения он представляет собой печатную плату (printed circuit board, РСВ), выполненную из полиимида. Коллектор 120 может быть выполнен из любого подходящего материала (например, медь, другие металлы, проводящие материалы и т.п.) или из комбинации материалов и может быть размещен на печатной плате или подключен к печатной плати при помощи соответствующих средств.

[0024] Фиг. 2 представляет собой детальное изображение одного из вариантов осуществления интегрального емкостного детектора, который может применяться, например, в качестве интегрального емкостного детектора совместно с примером устройства IMS, проиллюстрированного на фиг. 1. Коллектор 220 размещен на печатной плате РСВ 228 и занимает площадь, подходящую для сбора ионов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения печатная плата РСВ 228 является по существу круглой с диаметром, составляющим около 7,5 миллиметров и площадью, равной приблизительно 44 квадратным миллиметрам. Подразумевается, что могут применяться другие подходящие формы, размеры и площади. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения коллектор 220 достаточно компактен, однако одновременно с этим позволяет выполнять надежное обнаружение. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения коллектор 220 окружен охранным кольцом 230. Охранное кольцо 230 может быть выполнено из любого подходящего материала, например, проводящего материала, металла и т.п.

[0025] На одной из сторон печатной платы РСВ 228, напротив коллектора 220, удерживается элемент 232 емкостной пластины. Элемент 232 емкостной пластины может быть выполнен из любого подходящего материала (например, медь, другие металлы, проводящие материалы и т.п.) или из комбинации материалов и может быть размещен на печатной плате или подключен к печатной плате при помощи соответствующих средств.

[0026] Конденсатор с параллельными пластинами имеет емкость, которая зависит от площади поверхности перекрывающихся частей пластин, расстояния между пластинами и диэлектрической постоянной (относительная диэлектрическая проницаемость) в соответствии с уравнением

С=(k⋅8.854⋅10~12⋅A/D)⋅1⋅10~12,

где k - диэлектрическая постоянная диэлектрического материала, А - площадь перекрывающихся частей пластин, D - расстояние между пластинными, а С - емкость конденсатора.

[0027] Перекрывающиеся части элемента 232 емкостной пластины и коллектора 220 вместе с печатной платой РСВ 228 сконфигурированы для функционирования в качестве конденсатора, при этом часть коллектора 220, перекрывающая элемент 232 емкостной пластины, выполняет роль одной пластины конденсатора, печатная плата РСВ 228 выполняет роль диэлектрика, а элемент 232 емкостной пластины выполняет роль второй пластины конденсатора. Элемент 232 емкостной пластины имеет размер, обеспечивающий площадь перекрытия части коллектора 220, достаточную для получения требуемой емкости в заданном применении, в соответствии с последующим более подробным описанием. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения печатная плата РСВ 228 выполнена из полиимида, диэлектрическая постоянная которого равна приблизительно 3,4. Элемент 232 емкостной пластины имеет размер, обеспечивающий площадь перекрытия коллектора 220, равную примерно 44 квадратным миллиметрам. Толщина печатной платы РСВ составляет около 1,5 миллиметра. Следовательно, емкость конденсатора, образованного коллектором 220, элементом 232 емкостной пластины и печатной платой РСВ 228 составляет около 0,883 пикофарад. Допускаются также и другие конфигурации, дающие другие значения емкости и подходящие для различных применений.

[0028] В соответствии с последующим более подробным описанием конденсатор, образованный перекрывающимися частями элемента 232 емкостной пластины и коллектором 220 вместе с диэлектриком, и коллектор 220 формируют узел суммирующего соединения в схеме емкостного трансимпедансного усилителя. Узел суммирующего соединения соединен с первым входом 234 усилительного элемента 226.

[0029] Далее обратимся к фиг. 2, усилительный элемент 226 представляет собой операционный усилитель любого подходящего типа. Кроме того, допускаются и другие подходящие типы усилительных элементов. Первый вход 234 операционного усилителя 226 является инвертирующим. Операционный усилитель 226 имеет также второй вход 236, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя 226. Второй вход 236 операционного усилителя 226 заземлен. Операционный усилитель 226 имеет также выход 238. Выход 238 соединен с элементом 232 емкостной пластины.

[0030] Фиг. 3 представляет собой эскизную иллюстрацию схемы, образованной устройством, которое проиллюстрировано на фиг. 2. Конденсатор, образованный элементом 232 емкостной пластины, диэлектриком 228 и коллектором 229, показанными на фиг. 2, функционирует как конденсатор 340 обратной связи, размещенный в петле обратной связи усилительного элемента 326. Конденсатор 340 обратной связи и коллектор 320 объединены в узле 342 суммирующего соединения, к которому подключен инвертирующий вход 334 операционного усилителя 326.

[0031] Схема на фиг. 3 функционирует как емкостной трансимпедансный усилитель, который преобразует ток, поданный на его вход, в низкоимпедансный выходной сигнал. При воздействии ионов на коллектор 320 ионный сигнал вызывает накопление заряда в конденсаторе 340, при этом выходной сигнал операционного усилителя 326 растет в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от полярности входного сигнала. То есть схема в соответствии с иллюстрацией функционирует как интегратор и интегрирует ионный ток из коллектора 320 в виде растущего напряжения.

[0032] С накоплением заряда в конденсаторе 340 конденсатор 340 может достичь своего функционального предела, в результате чего необходим разряд для приведения конденсатора 340 в исходное состояние. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения конденсатор 340 включен параллельно переключательной схеме 344 сброса. При необходимости сброса конденсатора 340 переключатель в переключательной схеме 344 сброса может быть разомнут, что позволяет разрядить конденсатор 340 и привести его в исходное состояние. В вариантах осуществления настоящего изобретения переключательная схема 344 сброса может также содержать резистивные элементы для управления скоростью изменения напряжения, чтобы ограничить мгновенный ток.

[0033] Фиг. 4 представляет собой эскизную иллюстрацию схемы, образованной устройством, которое проиллюстрировано на фиг. 2, с альтернативной конфигурацией для разряда конденсатора 440. В различных операционных усилителях 426 имеются входные защитные диоды. Элемент 432 емкостной пластины, подключенный к выходу операционного усилителя 426, коммутируется на землю. При этом заряд, накопленный в конденсаторе, стекает через защитные диоды операционного усилителя 426. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обеспечиваются резистивные элементы для ограничения мгновенного тока при разряде.

[0034] Операционный усилитель 426 имеет выводы питания для подачи электрической энергии в операционный усилитель 426. Конденсатор 440 сбрасывается в некоторых примерах при помощи заземления выводов питания операционного усилителя 426. При этом заряд, накопленный в конденсаторе 440, стекает через внутренние диодные структуры операционного усилителя. В состав некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения входят также резистивные элементы для управления скоростью изменения напряжения с целью ограничения мгновенного тока.

[0035] В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения конденсатор 440 сбрасывается при помощи частичного или полного реверсивного переключения выводов питания операционного усилителя 426. При этом заряд, накопленный в конденсаторе 440, стекает через внутренние диодные структуры операционного усилителя. В состав некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения входят также резистивные элементы для управления скоростью изменения напряжения с целью ограничения мгновенного тока.

[0036] В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения спектрометр 100 также имеет в своем составе генераторы ионов в ячейках с переключаемой полярностью. Вместо сброса конденсатора 140 эти генераторы ионов используются для изменения заряда конденсатора между противоположными полярностями.

[0037] Выше описан сброс конденсатора 140, однако подразумевается, что детектор 122 может также использоваться в схеме смещения без сброса конденсатора 140, как это описано в одном из вариантов осуществления изобретения, например, в заявке на патент США №61/654426, озаглавленной «Емкостной трансимпедансный усилитель со смещением» (Integrated Capacitor Transimpedance Amplifier), которая принадлежит заявителю, зарегистрирована одновременно и включена в настоящий документ путем ссылки.

[0038] На фиг. 5 проиллюстрирован один из альтернативных вариантов спектрометра 500. Спектрометр 500 включает по существу те же самые компоненты, что и спектрометр 100 на фиг. 1, однако спектрометр 500 дополнительно имеет в своем составе второй коллектор 546, второй операционный усилитель 548 и резистивный элемент 550, размещенный в петле обратной связи операционного усилителя 548. Резистивный элемент 550 и второй коллектор 546 объединены в точке 552 суммирующего соединения, к которой подключен инвертирующий вход 554 второго операционного усилителя 548. Неинвертирующий вход 556 второго операционного усилителя 548 заземлен.

[0039] При функционировании системы исследуемый образец вводят в ионизационную камеру 510, после чего с помощью ионизирующего источника 516 ионизируют этот образец. На протяжении первой части времени после открытия затвора 514, что позволяет ионам проходить в дрейфовую камеру 512, ионы собираются при помощи второго коллектора 546. В течение этого периода времени первый коллектор 520 и связанные с ним схемы удерживаются в состоянии сброса. Ионизация, выполняемая при помощи ионизирующего источника 516, как правило, дает в результате пик действующих ионов (и результирующий пиковый ток действующих ионов). Пока этот пик не пройдет, может использоваться второй коллектор 546 и связанные с ним схемы. Однако после пика действующих ионов первый коллектор 520 и связанные с ним схемы больше не удерживают в состоянии сброса, а используют для контроля потока ионов, либо отдельно, либо в комбинации со вторым коллектором 546. Описанная конфигурация может использоваться, таким образом, для «усиления» выбранных частей ионного спектра.

[0040] На фиг. 6 проиллюстрирован один из альтернативных вариантов детектора 622. В данном варианте осуществления настоящего изобретения выход операционного усилителя 626 соединен с резистивным элементом 657. Резистивный элемент 657 соединен с выключателем 659, который при замыкании заземляет резистивный элемент 657. Когда выключатель 659 разомкнут, резистивный элемент 657 соединен с неинвертирующим входом второго усилительного элемента 661, который в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения представляет собой измерительный усилитель или второй операционный усилитель. Выход второго операционного усилителя 661 подключен к конденсатору 640 обратной связи. С помощью такой конфигурации заряд конденсатора 640 обратной связи может изменяться независимо от текущего состояния системы и независимо от входного сигнала. Когда выключатель 659 замкнут, напряжение на элементе 632 емкостной пластины, соединенном со вторым усилительным элементом 661, может быть задано равным любому уровню в пределах напряжений питания усилительного элемента. Противоположная пластина конденсатора 640 подключена к земле через противовключенные диоды 663. Диоды 663 проиллюстрированы как отдельные элементы, однако в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эти диоды 663 встроены во входную схему первого усилительного элемента 626. То есть в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения сброс конденсатора 640 может выполняться без каких-либо дополнительных компонентов или дополнительных соединений с узлом 642 суммирующего соединения.

[0041] Диэлектрик 128 и компоненты, описанные как расположенные на стороне диэлектрика 128, противоположной коллектору 120, могут размещаться в различных вариантах осуществления настоящего изобретения внутри или снаружи дрейфовой камеры 112 и корпуса 102. Подразумевается, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения суммирующее соединение интегратора, диэлектрика и т.п. может располагаться внутри корпуса 102, причем эти элементы соответствующим образом защищены при помощи любых средств.

[0042] В предшествующем описании вариантов осуществления настоящего изобретения емкостные элементы описаны на примере конденсатора с параллельными пластинами, однако допускается также применение других систем конденсаторов. Также в роли диэлектрика 128 в рассмотренном варианте осуществления настоящего изобретения выступает печатная плата, однако допускается, что печатная плата может использоваться в комбинации с другими конструктивными решениями для обеспечения воздушного зазора между элементом 132 емкостной пластины и коллектором 120.

[0043] Дополнительно, схема 126 усиления проиллюстрирована на чертежах эскизно, но допускается, что схема 126 усиления может быть размещена на печатной плате РСВ 128. В других вариантах осуществления настоящего изобретения схема 126 усиления может быть отдельной от диэлектрика.

[0044] Варианты осуществления детекторов, имеющих в своем составе емкостные трансимпедансные усилители, позволяют снизить или устранить тепловой шум, что позволяет получить сигнал с низким уровнем шума.

[0045] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения трансимпедансный усилитель может обеспечивать защиту от внешних источников шума и исключать внесение шума. В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения трансимпедансный усилитель может обеспечивать широкую полосу пропускания. В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения трансимпедансный усилитель может исключать электрические утечки.

[0046] Интегральный емкостной детектор был описан выше в сочетании с конкретным вариантом осуществления IMS-спектрометра, например IMS-спектрометра, сконфигурированного для работы при атмосферном давлении, однако нужно понимать, что варианты осуществления интегрального емкостного детектора могут использоваться совместно с различными другими системами спектрометров, включая системы FAIMS и DMS. Примеры устройства спектрометрии, с которыми, предположительно, могут использоваться варианты осуществления интегральных емкостных детекторов, описаны, например, в патентах США №6051832 (Bradshaw и соавт.), №6255623 (Turner и соавт.), №5952652 (Taylor и соавт.), №4551624 (Spangler и соавт.), №6459079 (Machlinski и соавт.) и №6,495,824 (Atkinson и соавт.), описание которых полностью включено в настоящий документ путем ссылки.

[0047] Выражения «один», «один из» и «упомянутый», а также аналогичные выражения в контексте описания настоящего изобретения (особенно в контексте приведенной ниже формулы изобретения) следует понимать как охватывающие одновременно единственное и множественное число, если на обратное не указано прямо или если это прямо не противоречит контексту. Выражения «имеющий в своем составе», «имеющий», «включающий» и «содержащий» следует понимать как неисчерпывающие (т.е. означающие «включающий, но не ограниченный перечисленным»), если не указано обратное. Диапазоны значений, приведенные в настоящем документе, служат исключительно как упрощенный способ ссылки на каждое отдельное значение, попадающее в диапазон, если не указано обратное, при этом каждое отдельное значение диапазона входит в настоящее описание, как если бы оно было указано в настоящем документе индивидуально. Все способы, описанные в настоящем документе, могут выполняться в любом подходящем порядке, если в настоящем документе не указано обратно или если это явно не противоречит контексту. Примеры или выражения, указывающие на примеры (например, «такой как»), в настоящем документе имеют целью только разъяснение настоящего изобретения и не накладывают ограничений на объем изобретения, если только на это не указано прямо в формуле изобретения. Какие бы выражения ни использовались в настоящем описании, не следует считать никакие элементы, не заявленные в формуле изобретения, существенными для практического применения настоящего изобретения.

[0048] В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения структуры, способы, подходы и т.п., описанные в настоящем документе, могут применяться в множестве различных аналитических устройств. В настоящем документе описано устройство IMS-спектрометра, однако несмотря на это, описанные методы, подходы, структуры и т.п. могут применяться в множестве других аналитических инструментов. Такие устройства могут быть сконфигурированы с ограниченной функциональностью (например, «тонкие устройства») или с полноценной функциональностью (например, «толстые» устройства). Таким образом, функциональность устройства может соотноситься с программными или аппаратными ресурсами устройства, например вычислительной мощностью, памятью (например, объемом накопителя данных), аналитическими возможностями и т.п. Например, источник коронного разряда может использоваться также в других типах спектрометрии, в которых используется процедура ионизации, например в масс-спектрометрах (mass spectrometers, MS).

[0049] Настоящее изобретение описано на примере усилителей и усилительных элементов, однако усилитель или усилительный элемент не следует понимать как ограниченный единым элементом. Напротив, подразумевается, что эти термины в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения могут охватывать схемы, включающие множество элементов, интегральные схемы или любые другие системы, подходящие для усиления.

[0050] В настоящем описании варианты осуществления настоящего изобретения были описаны структурно, однако данная структура и ее структурные и/или функциональные эквиваленты могут также выполнять способы.

[0051] В настоящем документе описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, включая наилучший вариант осуществления настоящего изобретения, известный изобретателям. По прочтении предшествующего описания специалистам в данной области техники могут быть очевидны различные вариации этих предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Изобретателями подразумевается, что специалисты в данной области техники могут применять такие вариации соответствующим образом, при этом подразумевается также, что настоящее изобретение может применяться на практике способом, отличающимся от конкретного описанного в данном документе способа. В соответствии с этим в объем настоящего изобретения входят все модификации и эквиваленты содержимого пунктов формулы изобретения, приложенной к настоящему документу, в соответствии с действующим законодательством. Кроме того, любые комбинации описанных выше элементов во всех возможных вариантах также входят в объем настоящего изобретения, если только на указано обратное или если это прямо не противоречит контексту.

[0052] Настоящее изобретение было описано в терминах, относящихся к структурным элементам и/или операциям способов, но нужно понимать, что охарактеризованное в приложенной формуле изобретение не обязательно ограничено описанными конкретными элементами или операциями. Рассмотренные конкретные элементы и операции являются примерами форм реализации заявленного изобретения.

Изобретение может быть использовано для обнаружения таких веществ, как взрывчатка, наркотики, отравляющих веществ кожно-нарывного и нервно-паралитического действия и т.п. Описаны спектрометры, включающие интегральные емкостные детекторы. Интегральный емкостной детектор интегрирует ионный ток из коллектора, преобразуя его в изменяющееся напряжение. Детектор имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для приема ионов в спектрометре, диэлектрик и пластину, перекрывающуюся с коллектором и расположенную с противоположной стороны от диэлектрика. Детектор также имеет в своем составе усилитель. Изобретение позволяет снизить уровень шума. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Спектрометр, содержащий:

детектор, включающий:

коллектор, имеющий первую сторону и вторую сторону, при этом упомянутая первая сторона сконфигурирована для обнаружения ионов, дрейфующих в сторону упомянутого коллектора;

диэлектрический элемент вблизи упомянутой второй стороны;

усилитель, имеющий вход и выход; и

элемент емкостной пластины вблизи упомянутого диэлектрического элемента и напротив упомянутого коллектора, при этом упомянутый элемент емкостной пластины соединен с выходом упомянутого усилителя.

2. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутый диэлектрик включает печатную плату.

3. Спектрометр по п. 1 или 2, в котором упомянутые коллектор, диэлектрический элемент и элемент емкостной пластины функционируют как конденсатор в петле обратной связи упомянутого усилителя.

4. Спектрометр по п. 1 или 2, в котором упомянутый коллектор подключен к входу упомянутого усилителя, так что упомянутый коллектор, упомянутый диэлектрический элемент и упомянутый элемент емкостной пластины образуют емкостной трансимпедансный усилитель.

5. Спектрометр по п. 3, в котором упомянутый элемент емкостной пластины, упомянутый диэлектрик и упомянутый коллектор образуют схему интегратора, сконфигурированную для интегрирования ионного тока из упомянутого коллектора в виде напряжения.

6. Спектрометр по п. 3, также включающий схему сброса, подключенную к упомянутому конденсатору для сброса, по выбору, упомянутого конденсатора.

7. Спектрометр по п. 3, в котором упомянутый усилитель включает операционный усилитель;

при этом конденсатор сконфигурирован таким образом, чтобы быть сбрасываемым, по выбору, путем разряда через диоды упомянутого операционного усилителя.

8. Спектрометр по п. 1 или 2, включающий охранное кольцо, окружающее упомянутый коллектор вблизи упомянутого диэлектрика.

9. Спектрометр по п. 1 или 2, в котором упомянутый диэлектрик включает по меньшей мере одно из следующего: воздушный зазор, печатную плату, керамику, термопластик, стекло, поликарбонат, полиэфир, полистирен, полипропилен или политетрафторэтилен (PFTE).

10. Спектрометр по п. 1 или 2, включающий спектрометр ионной подвижности, сконфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.

11. Спектрометр по п. 1 или 2, в котором упомянутый элемент емкостной пластины и упомянутый коллектор перекрывают друг друга с площадью, приблизительно равной сорока четырем квадратным миллиметрам.

12. Спектрометр по п. 1 или 2, также включающий трансимпедансный усилитель и второй коллектор, подключенный к трансимпедансному усилителю и сконфигурированный для приема ионов по меньшей мере до тех пор, пока не пройдет пик ионов.

13. Спектрометр, содержащий:

детектор, включающий:

коллектор, сконфигурированный для приема ионов, дрейфующих в сторону коллектора, удерживаемый на первой стороне диэлектрика;

пластинчатый элемент, расположенный на второй стороне упомянутого диэлектрика, противоположной упомянутой первой стороне, в конфигурации, обеспечивающей перекрытие с коллектором; и

усилитель, имеющий вход и выход, при этом упомянутый коллектор подключен к упомянутому входу, а упомянутый пластинчатый элемент подключен к упомянутому выходу.

14. Спектрометр по п. 13, в котором упомянутый детектор сконфигурирован как интегратор для интегрирования ионного тока из упомянутого коллектора с получением напряжения.

15. Спектрометр по п. 13 или 14, включающий спектрометр ионной подвижности, сконфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.

16. Спектрометр по п. 13 или 14, в котором упомянутый диэлектрик включает печатную плату и упомянутый усилитель удерживается при помощи упомянутой печатной платы.

17. Спектрометр по п. 13 или 14, в котором упомянутые перекрывающиеся части коллектора и пластинчатого элемента сконфигурированы, чтобы функционировать как конденсатор, помещенный в петле обратной связи упомянутого усилителя.

18. Спектрометр по п. 13 или 14, также включающий схему сброса, сконфигурированную для сброса, по выбору, упомянутого конденсатора.

19. Спектрометр по п. 18, в котором упомянутый усилитель включает по меньшей мере один защитный диод;

при этом схема сброса включает переключательный элемент и резистивный элемент и упомянутый переключательный элемент сконфигурирован для подключения, по выбору, упомянутого пластинчатого элемента к упомянутому по меньшей мере одному защитному диоду упомянутого усилителя.

20. Спектрометр, включающий:

коллектор, сконфигурированный для приема ионов, при этом упомянутый коллектор размещен и сконфигурирован как первая пластина конденсатора;

диэлектрик вблизи упомянутого коллектора;

пластину, сконфигурированную как вторая пластина конденсатора, расположенную с противоположной стороны от упомянутого коллектора относительно упомянутого диэлектрика; и

усилительный элемент, имеющий вход, выход и петлю обратной связи,

при этом упомянутый конденсатор помещен в упомянутой петле обратной связи.

21. Спектрометр по п. 20, в котором упомянутый диэлектрик включает по меньшей мере одно из следующего: воздушный зазор, полиимид, керамику, термопластик, стекло, поликарбонат, полиэфир, полистирен, полипропилен или политетрафторэтилен (PFTE).

22. Спектрометр по п. 20 или 21, в котором упомянутые коллектор, диэлектрик, пластина и усилительный элемент размещены и сконфигурированы как интегратор.

23. Спектрометр по п. 22, в котором интегратор включает суммирующее соединение, при этом упомянутый спектрометр включает также схему сброса, сконфигурированную для сброса интегратора без непосредственного подключения к упомянутому суммирующему соединению.

24. Спектрометр по п. 20 или 21, в котором коллектор расположен в конце дрейфовой трубки спектрометра для сбора ионов из дрейфовой трубки.