Спектрометр с емкостным трансимпедансным усилителем со смещением Российский патент 2018 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 нервнопаралитического 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 ионизируют, например, при помощи источника радиоактивного излучения, источника ультрафиолетового (УФ) излучения или при помощи коронного разряда, и затем ионы проходят в область дрейфа ячейки через электростатический затвор, расположенный на одной из сторон ячейки. 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 с описанием предпосылок создания настоящего изобретения, были ранее известны на существующем уровне техники. Изложенное в данном разделе имеет целью представить различные подходы, которые сами по себе также могут являться изобретениями.

Сущность изобретения

[0005] Предложены спектрометры, имеющие в своем составе емкостные детекторы со смещениями. 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 ионами сигнал усиливают при помощи трансимпедансного усилителя. В петле обратной связи трансимпедансного усилителя размещен конденсатор. Данная схема сконфигурирована для функционирования в качестве интегратора. Выход схемы соединен с измерительной системой.

[0006] В одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе детектор. Упомянутый детектор имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для обнаружения ионов, и емкостной трансимпедансный усилитель, подключенный к упомянутому коллектору. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе также схему смещения, подключенную к трансимпедансному усилителю, входящему в состав спектрометра.

[0007] В еще одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе детектор. Упомянутый детектор имеет в своем составе усилитель, имеющий вход и выход. К упомянутому выходу подключен конденсатор. Упомянутый детектор также имеет в своем составе коллектор, подключенный к упомянутому входу усилителя и сконфигурированный для сбора ионов, вступающих в контакт с коллектором. Упомянутый детектор также имеет в своем составе схему смещения, подключенную к упомянутому усилителю.

[0008] В еще одном из аспектов настоящего изобретения предложен спектрометр. Упомянутый спектрометр имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для приема ионов и подключенный к суммирующему соединению. Упомянутый спектрометр также имеет в своем составе коллектор и суммирующее соединение. Упомянутое суммирующее соединение подключено к входу усилителя, имеющего вход и выход. Упомянутый спектрометр также имеет в своем составе схему смещения, имеющую вход и выход. Упомянутый выход подключен к выходу упомянутого усилителя. Упомянутый спектрометр также имеет в своем составе конденсатор, подключенный к упомянутому выходу схемы смещения и к упомянутому суммирующему соединению.

[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;

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

[0017] Фиг. 7 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из вариантов осуществления детектора, имеющего в своем составе схему смещения;

[0018] Фиг. 8 представляет собой эскизную иллюстрацию еще одного из вариантов осуществления детектора, имеющего в своем составе схему смещения; и

[0019] Фиг. 9 представляет собой эскизную иллюстрацию еще одного из вариантов осуществления детектора, имеющего в своем составе схему смещения.

Подробное описание примеров осуществления изобретения

[0020] Фиг. 1 представляет собой эскизную иллюстрацию одного из примеров спектрометра, например, спектрометра 100 ионной подвижности (IMS), в котором выполняется электрическая ионизация молекул исследуемого образца. IMS-спектрометр 100 имеет удлиненный корпус 102, пролегающий 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 в дрейфовой камере 112, способного перемещать ионы слева направо (в соответствии с иллюстрацией фиг. 1). Вблизи второй стенки 102 корпуса 102 в дрейфовой камере 112 находится коллектор 120 из состава детектора 122. Обнаружение ионов происходит при их контакте с коллектором 120.

[0021] 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.

[0022] 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, водяной пар 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.

[0023] 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. Выход детектора 122 может быть подключен к измерительной системе 123, в соответствии с последующим более подробным описанием.

[0024] 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)). При этом в состав процессора может входить 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. В состав вариантов осуществления настоящего изобретения могут входить и другие подходящие измерительные системы.

[0025] 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 плате при помощи соответствующих средств.

[0026] 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 квадратных миллиметра. Подразумевается, что могут применяться другие подходящие формы, размеры и площади. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения коллектор 220 имеет размер, который 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.

[0027] На одной из сторон печатной платы РСВ 228, напротив коллектора 220, установлен 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.

[0028] 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 пластинами, а С - емкость конденсатора.

[0029] 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 22 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 миллиметров. 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.

[0030] В соответствии с последующим более подробным описанием, конденсатор, образованный перекрывающимися частями элемента 232 емкостной пластины, а также коллектором 120 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.

[0031] 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.

[0032] 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.

[0033] 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.

[0034] 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 переключающей схеме 344 сброса. При необходимости сброса конденсатора 340 выключатель 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, и т.п.

[0035] Фиг. 4 представляет собой эскизную иллюстрацию схемы, образованной устройством, которое проиллюстрировано на фиг. 2, с альтернативной конфигурацией для разрядки конденсатора 440. В некоторых вариантах осуществления операционного усилителя 426 обеспечены 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.

[0036] 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.

[0037] 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.

[0038] 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 440 эти генераторы ионов используются для переключения заряда конденсатора между противоположными полярностями.

[0039] 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.

[0040] В данном варианте осуществления настоящего изобретения, при его функционировании, 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 пройти 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.

[0041] 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. 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.

[0042] Подразумевается, что варианты осуществления емкостных детекторов могут использоваться без сброса, например, с использованием элементов смещения. Один из примеров детектора, с которым могут быть использованы варианты осуществления настоящего изобретения, описан в заявке на патент США №61/654333, озаглавленной «Интегральный емкостной трансимпедансный усилитель» (Integrated Capacitor Transimpedance Amplifier), которая принадлежит заявителю, зарегистрирована одновременно и включена в настоящий документ путем ссылки. Дополнительно подразумевается, что варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться совместно с любыми подходящими устройствами спектрометров, включая те, в которых коллектор не образует части конденсатора и не накапливает заряд (например, используется отдельный конденсатор).

[0043] Обратимся к фиг. 7, на которой проиллюстрирован один из вариантов осуществления емкостного детектора 760 со смещением. В данном варианте осуществления настоящего изобретения выход 762 детектора 760 подключен к измерительной системе 723. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения измерительная система 723 имеет в своем составе аналого-цифровой преобразователь любого подходящего типа. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения детектор 760 сконфигурирован для функционирования в качестве интегратора, управляемого сигналом ионов из спектрометра ионной подвижности.

[0044] Детектор 760 имеет в своем составе элемент 764 операционного усиления, который в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения является операционным усилителем, и конденсатор 766. Конденсатор 766 соединен с выходом коллектора 768 в суммирующем соединении 770, к которому подключен инвертирующий вход 772 операционного усилителя 764. Неинвертирующий вход 774 операционного усилителя 764 заземлен. Конденсатор 766 соединен также со схемой 776 смещения. Схема 776 смещения подключена к выходу операционного усилителя 764.

[0045] При функционировании системы детектор 760 работает как интегратор, управляемый сигналом ионов, собираемых коллектором 760 устройства спектрометрии. Сигнал ионов вызывает накопление заряда в конденсаторе 766, при этом выходной сигнал операционного усилителя 764 растет в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от полярности входного сигнала.

[0046] В некоторых системах возможный выходной сигнал операционного усилителя может быть ограничен его напряжением питания. Кроме того, измерительные системы 723 или их компоненты могут иметь ограниченный входной диапазон. Соответственно, входной сигнал с коллектора 768 одной полярности может вызывать достижение предела выходом операционного усилителя 764 или достижение предела входного диапазона измерительной системы 723 или одного из ее компонентов.

[0047] При помощи схемы 776 смещения обеспечивают смещение выходного сигнала операционного усилителя 764 таким образом, что выходной сигнал возвращается в свои пределы и в пределы входного диапазона измерительной системы 723. Таким образом, входной диапазон измерительной системы может использоваться повторно, если каждый раз при выходе выходного сигнала операционного усилителя 764 за пределы диапазона он смещается на величину входного диапазона измерительной системы 723.

[0048] В варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 7, измерительная система 723 имеет в своем составе аналого-цифровой преобразователь с ограниченным входным диапазоном. Схема 776 смещения в варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 7, имеет в своем составе источник 778 напряжения. С помощью источника 778 формируют, с возможностью выбора, напряжение таким образом, что когда выходное напряжение операционного усилителя 764 превышает заранее заданный предел, источник 778 напряжения формирует напряжение для смещения этого выходного напряжения и возвращает выходной сигнал операционного усилителя обратно в его пределы, а также выходной сигнал на выходе 762 детектора 760 - в пределы входного диапазона измерительной системы 723.

[0049] На фиг. 8 проиллюстрирован еще один из вариантов осуществления емкостного детектора 860 со смещением. В данном варианте осуществления настоящего изобретения схема 876 смещения имеет в своем составе второй усилительный элемент 880, например, измерительный усилитель. Другие подходящие усилительные элементы включают, без ограничения перечисленным, измерительные усилители на интегральной схеме или измерительные усилители, образованные из различных компонентов, и т.п. Выход операционного усилителя 864 соединен с неинвертирующим входом 882 измерительного усилителя 880. Инвертирующий вход 884 заземлен. Инструментальный усилитель 880 также имеет вход 886 опорного напряжения, соединенный с источником 888 селективно регулируемого опорного напряжения.

[0050] При помощи изменения выходного напряжения с использованием источника 888 селективно регулируемого опорного напряжения может выполняться регулирование выходного сигнала измерительного усилителя 880 и детектора 860. То есть, при достижении предела выходного сигнала операционного усилителя 864 для расширения динамического диапазона детектора 860 может использоваться регулирование выходного сигнала источника 888 напряжения.

[0051] На фиг. 9 проиллюстрирован еще один из вариантов осуществления емкостного детектора 960 со смещением. В данном варианте осуществления настоящего изобретения вход 986 опорного напряжения измерительного усилителя 980 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 990. Выход 962 детектора 960 подключен к аналого-цифровому преобразователю 992, который, в свою очередь, подключен к схеме 994 управления, например, процессору. Схема 994 управления подключена к цифро-аналоговому преобразователю 990. Таким образом, схема 994 управления принимает сигнал, зависящий от выходного сигнала 962 детектора 960, и сконфигурирована для обеспечения входного сигнала для управления усилением измерительного усилителя 980. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения управление измерительным усилителем 980 может быть основано на выходном сигнале детектора, на программируемой логике или на любом другом подходящем средстве управления. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения управление смещением, с возможностью выбора, при помощи схемы 994 управления может выполняться в любое время.

[0052] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения аналого-цифровой преобразователь 992, схема 994 управления и цифро-аналоговый преобразователь 990 могут быть объединены в микроконтроллере.

[0053] В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения применяется интегральный емкостной трансимпедансный усилитель, например, описанный в заявке на патент США №61/654333, озаглавленной «Интегральный емкостной трансимпедансный усилитель», принадлежащей заявителю и зарегистрированной одновременно, в котором могут быть интегрированы аналого-цифровой преобразователь 992, схема 994 управления и цифро-аналоговый преобразователь 990, удерживаемые при помощи диэлектрика, описанного в упомянутом документе. При этом коллектор, входящий в состав такого интегрального емкостного трансимпедансного усилителя, может выполнять роль пластины емкостных детекторов со смещением, описанных выше и проиллюстрированных на чертежах, приложенных к настоящему документу.

[0054] Таким образом, можно видеть, что варианты осуществления емкостного детектора со смещением, в соответствии с описанием в настоящем документе, могут обеспечивать возможность широкого динамического диапазона, ограниченного лишь номинальным напряжением конденсатора и пределами второго усилительного элемента 226, в то время как остальные уровни в системе поддерживаются в нормальных пределах. Варианты осуществления емкостного детектора со смещением, в соответствии с описанием в настоящем документе, могут обеспечивать широкий динамический диапазон системы, несмотря на ограничения напряжения питания и выходного сигнала усилителя, используемого в схеме интегратора, и несмотря на ограниченный входной диапазон измерительных систем или аналого-цифрового преобразователя.

[0055] В еще одном из вариантов осуществления настоящего изобретения высокомощный усилитель с малым входным током смещения, работающий на низких напряжениях питания, может использоваться в комбинации с измерительным усилителем, работающим от более высоких напряжений питания и обеспечивающим смещение с целью обеспечения более широкого динамического диапазона.

[0056] Варианты осуществления детекторов, имеющих в своем составе емкостные трансимпедансные усилители, позволяют снизить или устранить тепловой шум, что позволяет получить сигнал с низким уровнем шума.

[0057] Настоящее изобретение описано на примере усилителей и усилительных элементов, однако усилитель или усилительный элемент не следует понимать как ограниченные 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.

[0058] Интегральный емкостной детектор был описан выше в сочетании с конкретным вариантом осуществления IMS-спектрометра, 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 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.

[0059] 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 непосредственно 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 обратное 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 не использовались в настоящем описании, не следует считать никакие элементы, не заявленные в формуле изобретения, существенными для практического применения настоящего изобретения.

[0060] В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения структуры, методы, 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 spectrometer, MS).

[0061] В настоящем описании варианты осуществления настоящего изобретения были описаны структурно, однако данная структура и ее структурные и/или функциональные эквиваленты могут также выполнять способы.

[0062] 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 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 не указано обратное или если это прямо не противоречит контексту.

[0063] 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 относится к детекторному устройству, а именно к детекторам для спектрометров, которые могут быть использованы для обнаружения таких веществ как взрывчатка, наркотики, отравляющих веществ кожно-нарывного и нервнопаралитического действия и т.п. Согласно изобретению спектрометры включают интегральные емкостные детекторы, при этом интегральный емкостной детектор интегрирует ионный ток из коллектора с получением изменяющегося напряжения. Детектор имеет в своем составе коллектор, сконфигурированный для приема ионов в спектрометре, диэлектрик и пластину, перекрывающую коллектор, с противоположной стороны от диэлектрика. Детектор также имеет в своем составе усилитель. Предложен емкостной детектор со смещением. Изобретение обеспечивает возможность расширения динамического диапазона и снижение уровня шумов. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Спектрометр, содержащий:

детектор, включающий:

коллектор, сконфигурированный для обнаружения ионов;

емкостной трансимпедансный усилитель, подключенный к упомянутому коллектору; и

схему смещения, подключенную к упомянутому трансимпедансному усилителю, включенному в упомянутый детектор.

2. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутая схема смещения включает источник напряжения.

3. Спектрометр по п. 1, в котором упомянутая схема смещения включает усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

4. Спектрометр по п. 3, также включающий схему управления, сконфигурированную для модуляции упомянутого регулируемого коэффициента усиления усилителя.

5. Спектрометр по п. 4, в котором упомянутая схема управления включает процессор;

при этом схема управления подключена к выходу емкостного трансимпедансного усилителя; и

схема управления модулирует усиление упомянутого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления на основе выходного сигнала емкостного трансимпедансного усилителя.

6. Спектрометр по п. 3, включающий аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу упомянутого детектора.

7. Спектрометр по п. 6, включающий схему управления, включающую процессор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, и цифро-аналоговый

преобразователь, подключенный к упомянутому процессору и к упомянутому усилителю с регулируемым коэффициентом усиления.

8. Спектрометр по п. 6 или 7, в котором упомянутая схема управления сконфигурирована для управления усилением упомянутого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления для поддержания выходного сигнала упомянутого детектора в динамическом диапазоне упомянутого емкостного трансимпедансного усилителя и упомянутого аналого-цифрового преобразователя.

9. Спектрометр по любому из пп. 1-7, в котором упомянутый коллектор сконфигурирован как одна из пластин конденсатора обратной связи упомянутого емкостного трансимпедансного усилителя.

10. Спектрометр по любому из пп. 1-7, в котором упомянутый емкостной трансимпедансный усилитель включает операционный усилитель с конденсатором в петле обратной связи упомянутого операционного усилителя.

11. Спектрометр по п. 10, в котором упомянутый коллектор и конденсатор подключены к суммирующему соединению;

при этом упомянутое суммирующее соединение подключено к входу упомянутого операционного усилителя; и

ни один из других компонентов не подключен напрямую к упомянутому суммирующему соединению.

12. Спектрометр по любому из пп. 1-7, в котором упомянутый емкостной трансимпедансный усилитель сконфигурирован в качестве интегратора для интегрирования ионного тока из упомянутого коллектора в виде напряжения.

13. Спектрометр по любому из пп. 1-7, также включающий второй коллектор, подключенный ко второму трансимпедансному усилителю и сконфигурированный для приема ионов по меньшей мере до тех пор, пока не пройдет пик ионов.

14. Спектрометр по любому из пп. 1-7, включающий спектрометр ионной подвижности, сконфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.

15. Спектрометр, содержащий:

детектор, включающий:

усилитель, имеющий вход и выход, при этом упомянутый выход подключен к конденсатору;

коллектор, подключенный к упомянутому входу усилителя и сконфигурированный для сбора ионов, вступающих в контакт с коллектором; и

схему смещения, подключенную к упомянутому усилителю.

16. Спектрометр по п. 15, в котором упомянутая схема смещения сконфигурирована для смещения, с возможностью выбора, выходного сигнала упомянутого усилителя.

17. Спектрометр по п. 16, в котором упомянутая схема смещения сконфигурирована для смещения, с возможностью выбора, выходного сигнала упомянутого усилителя для поддержания выходного сигнала усилителя в пределах динамического диапазона усилителя.

18. Спектрометр по п. 17, в котором упомянутая схема смещения включает источник напряжения, выполненный с возможностью формирования напряжения для смещения выходного напряжения усилителя.

19. Спектрометр по п. 17, в котором упомянутая схема смещения включает усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

20. Спектрометр по п. 19, также включающий схему управления, сконфигурированную для модуляции упомянутого регулируемого коэффициента усиления усилителя.

21. Спектрометр по п. 20, в котором упомянутая схема управления включает процессор;

при этом схема управления подключена к выходу усилителя; и

схема управления модулирует усиление упомянутого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления на основе выходного сигнала усилителя.

22. Спектрометр по п. 19, включающий аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу упомянутого детектора.

23. Спектрометр по п. 22, включающий схему управления, включающую процессор, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, и цифро-аналоговый преобразователь, подключенный к упомянутому процессору и к упомянутому усилителю с регулируемым коэффициентом усиления.

24. Спектрометр по п. 23, в котором упомянутая схема управления сконфигурирована для управления усилением упомянутого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления для поддержания выходного сигнала упомянутого детектора в динамическом диапазоне упомянутого усилителя и упомянутого аналого-цифрового преобразователя.

25. Спектрометр по любому из пп. 17-24, в котором упомянутый коллектор сконфигурирован как одна из пластин конденсатора обратной связи упомянутого усилителя.

26. Спектрометр по любому из пп. 17-24, в котором упомянутый усилитель включает операционный усилитель с конденсатором в петле обратной связи упомянутого операционного усилителя.

27. Спектрометр по п. 26, в котором упомянутый коллектор и конденсатор подключены к суммирующему соединению;

при этом упомянутое суммирующее соединение подключено к входу упомянутого операционного усилителя; и

ни один из других компонентов не подключен напрямую к упомянутому суммирующему соединению.

28. Спектрометр по любому из пп. 17-24, в котором упомянутый усилитель сконфигурирован в качестве интегратора, выполненного с возможностью интегрирования ионного тока из упомянутого коллектора в виде напряжения.

29. Спектрометр по любому из пп. 15-24, также включающий второй коллектор, подключенный ко второму усилителю и сконфигурированный для приема ионов по меньшей мере до тех пор, пока не пройдет пик ионов.

30. Спектрометр по п. 17, включающий спектрометр ионной подвижности, сконфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.

31. Спектрометр по п. 15, в котором упомянутый конденсатор помещен в петле обратной связи упомянутого усилителя, так что упомянутые усилитель и конденсатор сконфигурированы для преобразования сигнала с упомянутого коллектора в напряжение.

32. Спектрометр по любому из пп. 15-18, в котором упомянутая схема смещения включает регулируемый, с возможностью выбора, усилитель в петле обратной связи упомянутого усилителя.

33. Спектрометр по любому из пп. 15-19, в котором упомянутый конденсатор включает по меньшей мере часть упомянутого коллектора, элемент емкостной пластины и диэлектрик, размещенный между упомянутым коллектором и упомянутым элементом емкостной пластины.

34. Спектрометр, включающий:

коллектор, сконфигурированный для приема ионов в упомянутом спектрометре и подключенный к суммирующему соединению;

суммирующее соединение, подключенное к входу усилителя, при этом упомянутый усилитель имеет выход;

схему смещения, имеющую вход и выход, при этом упомянутый выход подключен к выходу упомянутого усилителя; и

конденсатор, подключенный к упомянутому выходу схемы смещения и к упомянутому суммирующему соединению.

35. Спектрометр по п. 34, в котором упомянутый усилитель включает операционный усилитель, при этом упомянутая схема смещения включает регулируемый, с возможностью выбора, измерительный усилитель.

36. Спектрометр по п. 35, также включающий микропроцессор, сконфигурированный для регулирования усиления упомянутого измерительного усилителя.

37. Спектрометр по любому из пп. 34-36, в котором упомянутые усилитель и конденсатор формируют емкостной трансимпедансный усилитель, при этом упомянутые конденсатор, коллектор и усилитель являются единственными компонентами, электрически связанными с упомянутым суммирующим соединением.

38. Спектрометр по любому из пп. 34-36, включающий спектрометр ионной подвижности, сконфигурированный для работы по существу при атмосферном давлении.