Baseline restoration circuit |
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申请号 | JP2007338835 | 申请日 | 2007-12-28 | 公开(公告)号 | JP2008241690A | 公开(公告)日 | 2008-10-09 |
申请人 | Leco Corp; レコ コーポレイションLeco Corporation; | 发明人 | CASPER TED J; | ||||
摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To compensate the instantaneous shift of a baseline. SOLUTION: A circuit for correcting the baseline shift of the detector coupling circuit of a TOFMS provides gain and impedance characteristics that compensate the AC coupling effect of the detector. In one circuit, baseline correction is achieved by injecting a current equal to that which flows due to the stored charge in the detectors AC coupling network. In another circuit, a current source drives an integrator coupled to a signal path to reduce the detector AC coupling effects. In another circuit, a low-noise amplifier utilizes a feedback network that reduces the detector AC coupling effects. In yet another circuit, an operational amplifier is employed to reduce the detector AC coupling effects. COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT | ||||||
权利要求 | 質量分析計のイオン検出器の結合回路からの出力信号におけるシフトを補正するためのベースライン回復回路であって、 調節可能な電流源と、 検出器の結合回路の出力に結合された入力、及び前記電流源に結合された出力を備えたローパスフィルタとを有し、 前記電流源は、検出器の結合回路の電圧シフトを相殺する電流を注入するために検出器の結合回路の出力に結合されている回路。 結合回路は、TOFMSのイオン検出器に関連している、請求項1に記載の回路。 質量分析計のイオン検出器の結合回路からの出力信号におけるシフトを補正するためのベースライン回復回路であって、 検出器の結合回路の出力に結合された補償回路を有し、 この補償回路が、 電流源と、 この電流源と検出器の終端インピーダンスとの間に結合された積分器とを備えている回路。 結合回路は、TOFMSのイオン検出器に関連している、請求項3に記載の回路。 質量分析計のイオン検出器の結合回路からの出力信号におけるシフトを補正するためのベースライン回復回路であって、 入力及び出力を有する低雑音増幅器と、 この増幅器の利得及び入力インピーダンスを変更してベースラインを回復する帰還ネットワークと、 イオン検出器の結合回路からの信号におけるシフトを補正する信号を前記出力において提供するために前記増幅器に結合されたバイアス回路とを有する回路。 前記増幅器に選択的に結合される複数のインピーダンスを更に有する、請求項5に記載の回路。 結合回路は、TOFMSのイオン検出器に関連している、請求項5に記載の回路。 前記増幅器は単一ステージのトランジスタ増幅器である、請求項5に記載の回路。 前記増幅器は演算増幅器である、請求項5に記載の回路。 飛行時間質量分析計(TOFMS)であって、 イオン化チャンバを備えるサンプル源と、 前記サンプル源からのイオンを加速するために前記イオン化チャンバに結合された飛行チューブと、 前記飛行チューブに結合されたイオン検出器と、 前記検出器に結合された検出器結合回路と、 ベースライン電圧シフトを補正するために前記結合回路に結合されたベースライン回復回路とを有するTOFMS。 前記回復回路は、前記イオン検出器からの信号の交流結合によって導入された誤差を補正する、請求項10に記載のTOFMS。 前記回復回路は、検出器の交流結合の影響を減少するためにシステムのインピーダンス及び/又は利得を変更する、請求項11に記載のTOFMS。 前記回復回路は、前記検出器からの信号経路に電流を注入して検出器の交流結合の影響を減少させるために電流源に結合された積分器を有する、請求項10に記載のTOFMS。 前記回復回路は、検出器の交流結合の影響を減少させるために前記検出器からの信号経路に結合された積分器に結合された電流源を有する、請求項10に記載のTOFMS。 前記回復回路は、検出器の交流結合の影響を減少させるために帰還ネットワークを採用した低雑音増幅器を有する、請求項10に記載のTOFMS。 前記回復回路は、検出器の交流結合の影響を減少させるために帰還ネットワークを採用した演算増幅器を有する、請求項10に記載のTOFMS。 質量分析計のイオン検出器の結合回路からの出力信号におけるシフトを補正するためのベースライン回復回路であって、 調節可能な電流源と、 この電流源に結合されたローパスフィルタとを有し、 前記電流源は、結合回路のシフトを相殺する電流を注入するために検出器の結合回路の出力に結合されている回路。 結合回路は、TOFMSのイオン検出器に関連している、請求項17に記載の回路。 質量分析計のイオン検出器の結合回路からの出力信号におけるシフトを補正するためのベースライン回復回路であって、 検出器の結合回路の出力に結合された補償回路を有し、 この補償回路が、 電流源と、 この電流源と検出器の終端インピーダンスとの間に結合された積分器とを備えている回路。 結合回路は、TOFMSのイオン検出器に関連している、請求項19に記載の回路。 |
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说明书全文 | 関連出願への相互参照 本出願は、テッド・J・キャスパーによって2007年1月3日出願された米国仮出願第60/878,299号(発明の名称:ベースライン回復回路)に基づく米国特許法第119条(e)項の下での優先権を主張するものであり、同米国仮出願の開示内容の全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。 本発明は、検出システムの交流結合によって引き起こされるベースラインオフセットを補償する回路に関する。 飛行時間質量分析計(TOFMS)に適したイオン検出器が利用可能になってきており、これらの検出器は、データ収集システムがイオン検出器デバイスと異なる電位にあることを許容する。 これにより、イオン検出器の出力段を接地電位の近傍にすることを必要とせずに、感度と分解能のためにイオン検出器の電圧を最適化できる。 これらの検出器は、検出器の出力からの電子流をデータ収集システムに結合するために直流阻止コンデンサを使用している。 この形式の検出器の例はETPのAF882123である。 この特定の検出器は、検出器の出力を、データ収集システムにつながるコネクタに結合するために1000pFの高電圧コンデンサを使用している。 第2の1000pFのコンデンサが電流のための戻り経路を提供し、検出器出力バイアス供給源と接地との間に接続されている。 この容量の値は種々の検出器モデル及び製造業者によって異なるであろう。 更に、容量値は印加した検出器バイアス電圧によって変化する。 この方法は高周波結合を提供するが、低周波成分はデータ収集システムに伝達されず、ベースラインがシフトすることになるが、これは出力の大きさと持続期間に依存する。 この問題は、「ETP Electron Multiplies MagneTOF tm Dector Applications Notes Preliminary Version - 13/9/06」と題されたアプリケーションノートにおいてETP(SGE Analytical Science Pty. Ltd.の事業部)によって最近認識された。 典型的なイオン検出器はガウス形の電流パルスを出力する。 これらのパルスは、ピーク振幅とピーク振幅の半分のレベルでのパルスの幅とによって定義される。 この幅は、科学の分野では一般に半値全幅(Full Width Half Height(FWHH)と呼ばれる。イオン検出器からの典型的な出力パルスでは、FWHHは400pSから15nSを越える値であり、振幅は50Ωで測定した時にマイクロボルトから数百ミリボルトである。歴史的に見ると、検出器の最後のグリッド又はプレートが接地基準の50Ωシステムに終端される。この50Ωシステムは、慣用の同軸ケーブルを用いた検出器からデータ収集システムへの接続を容易にする。 検出装置には高電圧が存在しているため、検出器の直流結合は不可能であろう。 例としては、イオン又はその他の荷電粒子の検出に使用される電子倍増管又はマイクロチャンネルプレートが挙げられる。 交流結合回路は、平均オフセットをベースラインに発生させるが、これは検出器の平均出力電流に検出器の出力負荷抵抗値を掛けた値に等しい。 更に、検出器のパルスは、パルスの高さと幅に依存する瞬時的オフセットを発生させ、これによりピークに依存するベースラインを作る。 本発明は、その様な瞬時的なベースラインのシフトを補償する。 本発明は、検出器の交流結合の影響を補償する利得及びインピーダンス特性を提供することによってベースラインのシフトを補正するための方法と回路を提供する。 一実施形態においては、回路は、検出器の交流結合ネットワーク内の蓄積電荷によって流れる電流と等しい電流を注入することによってベースライン補正を行う。 別の実施形態においては、電流源が、信号経路に結合された積分器を駆動して、検出器の交流結合の影響を無くすか低減する。 更に別の実施形態においては、低雑音増幅器ステージが、検出器の交流結合の影響を無くすか低減する帰還ネットワークを利用している。 本発明の更に別の実施形態においては、検出器の交流結合の影響を無くすか低減する演算増幅器が採用されている。 これらの実施形態の各々において、飛行時間質量分析計のためのベースライン回復が、イオン検出器の交流結合ネットワークによって導入された誤差を補正するために提供される。 本発明のこれら及びその他の特徴、目的及び利点は、添付の図面を参照して以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。 典型的な交流結合ネットワークのコンピュータ化モデル(P−Spiceでモデル化されている)は、検出器の交流結合回路の影響を示す。 図1はこのモデルを示す。 ETPの検出器の交流結合部はブロック10の中にある。 実際の検出器出力信号は負極性である。 議論を単純にするために、このシミュレーションでは正のパルスが使用された。 区分的ガウス形状パルスが発生され、検出器の電流出力を模擬するために電流源(G1−G4)に送られた。 複数のパルスを得るために、電流源が組み合わせられた。 4個のパルスが次の順序で注入された;2mV 2nS FWHH(半値全幅)、500mV 15nS FWHH、2mV 2nS FWHH、2mV 2nS FWHH。 接地に対するR6とR4を横切って発生される出力電圧を測定した。 1メガの+HV抵抗値(フィルタを模擬)により、R4に直流シフトが生じる。 シフトの大きさは、R6を横切って発生される電圧(コンデンサCl及びC4の電圧の合計)の50/5050に等しい。 信号の時間遅れはT1〜T6で示されている。 図2は、R5を1メガとした場合のシミュレーションの結果を示す。 発生された瞬時的オフセットは、検出器からの積分電流値に、存在する容量の逆数を掛けたものに等しい。 例えば、0.5Vの信号ピークを発生させるためには、10mAを50Ω(回路の負荷抵抗値)に流す必要がある。 ガウス形状の10mAでFWHHが15nSのパルスの積分電流は159.9pA−秒である。 500pFの容量(C4と直列のC1)を横切って発生される電圧は319.8mVであり、これは計算値に近い。 この電圧はR6と、R4を横切って測定したインピーダンス(R4を含む)とによって分圧される。 負荷抵抗値は50Ωであるため、単一の500mVでFWHHが15nSのパルスによってR4の両端間に発生する直流オフセットは、50/5050に319.8mVを掛けて求めた電圧、即ち、3. l6mVである。 このオフセットは、R×C(この場合、5050×500pF)の時定数で放電する。 オフセットが500μV(2mV信号の1/4)内に減衰するためには、4.66μSの無信号時間が生じなければならないであろう。 R6の両端間の平均電圧は、検出器の平均出力電流に5050掛けた値に等しくなる(但し、電流は、回路の時定数以上の頻度で生じるパルスから構成されているものとする)。 もしR5が0近くに減少された場合(+HV供給源への直接接続)、もはやClは回路中において支配的でなくなり、或る以前のピークについてのオフセットは小さくなる。 何故なら、+HVがフィルタを通されて供給された場合の時定数(lnF/2×5050Ω)に比べて、時定数がlnF×5050Ωに増加するためである。 R6の平均電圧は、平均検出器電流×5kに等しいままとなる。 図3は、R5を0.01とした場合のシミュレーションの結果を示す。 ETPのAF882123検出器についてはベースラインシフトが存在する。 瞬時的シフトはピークに依存し、従って組成及び濃度によって変化する。 サンプルのスペクトル成分によっては、オフセットは、それらを正方向にシフトすることによって、トレーリングマスイベント(trailing mass event)をマスクしてしまう傾向がある。 前に述べたように、コンピュータモデルシミュレーションは、実際の検出器が発生する極性とは逆の極性の電流を使用した。 これらのベースラインシフトは、議論される方法の変種を含む多くの手段によって補正できる。 これらの方法の変形例、或いは異なる回路及び/又は部品の使用は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく行うことができる。 以下の説明はベースラインシフトの影響を補正するのに使用できる回路例とそれらの動作である。 実施例1:積分及び補償電流の注入 C5の両端間の電圧は、交流結合のためにR4の両端間に発生されるオフセットとほぼ同一であるため、G5は交流結合の影響を相殺する、即ち無くす電流を注入するように調節される。 図5は、図3で使用されたのと同じ刺激の結果を示す。 図3は、1.5mVを越えるベースラインドリフトを示す。 しかし、ベースライン回復回路20では、図5に示されるように、ベースラインドリフトがほぼゼロに低減されている。 G5の実際の実施は、(例えば)Texas Instrumentsから販売されているOPA660、OPA860又はOPA615の様な相互コンダクタンス増幅器を利用して達成できる(全ての回路の電流源G1〜G5についても同様である)。 必要とされる電流源を作るためにトランジスタや演算増幅器を使用することもできる。 この実施形態は、検出器からの低レベル信号に広帯域雑音を付加してしまう欠点がある。 何故なら、電流源が負荷抵抗に直接繋がっているからである。 雑音は、増幅器の帯域幅(OPA660、OPA860又はOPA615の場合、400MHz越える場合もある)まで付加される。 実施例2:電流駆動積分器補償器 U1のコレクタ電流は、(上記したように)入力電圧を50Ωで割ったものに等しいため、CINT内の電流は、C2を通って流れる電流と一致する。 従って、検出器からの或る入力パルスに対して、CINTの両端間に発生される電圧は、C2の両端間に発生される電圧に一致する。 このCINTに発生された電圧は、RFEEDBACKを介してRLOAD及び検出器に帰還される。 RlはRFEEDBACKに等しく、またそれら関連するコンデンサの両端間に発生される電圧は等しいため、RFEEDBACKとRlの電流は等しく、RLOADには電流が流れない。 CINTとC2は、時定数が等しいため、それらの電圧は同じ速度で低下する。 この回路は、RFEEDBACKとCINTによって設定されるブレークポイント以下の低周波雑音をシステムに加える。 この実施形態では、加えられた雑音が約50kHz未満で存在するであろう。 この回路の変形例は、大きな(CINTの100倍以上)のブロッキングコンデンサをRFEEDBACKと直列に入れ、C3を短絡させるものである。 この変形例によれば、より低い周波数での応答が可能になるが、U1の直流バイアス点のドリフトが大きくなる。 実施例3:低雑音増幅器ベースライン補正 典型的な低雑音増幅器40(図7)は、大きなブロッキングコンデンサClを介して接続された低雑音RFトランジスタQlから構成される。 エミッタ回路内のR4及びコレクタベース回路内のR1によって帰還が構成されている。 図示の値により、l00Hzから400MHzにわたり、約50Ωの入力インピーダンスが得られる。 図8に示すように、この回路40は、所望の周波数において利得と入力インピーダンスを増加させるためにR1と直列にコンデンサCFBを追加することによって変更できる。 コンデンサCFBを追加することにより、低周波利得を増加できると共に、低周波入力インピーダンスを高め、検出器の結合コンデンサの両端間に発生される電圧を補償することができる。 なお、増幅器によっては、CFBに似たブロッキングコンデンサを採用しているものもある。 しかし、目的は、交流結合検出器を用いた動作に対してCFBの値を最適化することである。 前に利用したものと同じ検出器について、増幅器の雑音レベルを増加させることなくFWHHが20nS未満のパスルのベースラインを回復するためには、CFBの値を0.017μFに設定するのが最適であることが分かった。 実施例4:調節可能なベースライン補正を備えた典型的な低雑音増幅器 実施例5:演算増幅器回路 上記の実施例において示すと共に説明した本発明の好ましい実施形態に対して、添付の請求の範囲によって定義された発明の精神又は範囲から逸脱することなく種々の変形を行えることは当業者とって明白であろう。 10 検出器の交流結合部 20、30 ベースライン回復回路 40、50 低雑音増幅回路 60 演算増幅回路 |