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磁性扇区质谱仪磁体的控制

阅读:10发布:2020-05-14

专利汇可以提供磁性扇区质谱仪磁体的控制专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于控制 磁性 扇区质谱仪(10)的磁体(70)的控制系统包括: 磁场 传感器 (140),其用于感测所述磁体(70)的磁场且产生表示其的输出;设定点产生器(210),其经配置以产生表示或关于所述磁体(70)的所要磁场的输出;以及数字 控制器 (130),其经配置以接收来自所述磁场传感器(140)的所述输出的可变数字输入 信号 和来自所述设定点产生器(210)的所述输出的设定点数字 输入信号 ,且产生数字输出,从所述数字输出导出 控制信号 用于控制到所述磁体(70)的 电流 以便继而控制其所述磁场;其中所述控制系统经布置以根据所述磁体(70)的所述所要磁场将多个不同控制器设定中的 选定 一者施加到所述数字控制器(130)。,下面是磁性扇区质谱仪磁体的控制专利的具体信息内容。

1.一种用于控制磁性扇区质谱仪的磁体的控制系统,其包括:
磁场传感器,其用于感测所述磁体的磁场且产生表示其的输出;
设定点产生器,其经配置以产生表示或关于所述磁体的所要磁场的输出;以及数字控制器,其经配置以接收来自所述磁场传感器的所述输出的可变数字输入信号和来自所述设定点产生器的所述输出的设定点数字输入信号,且产生数字输出,从所述数字输出导出控制信号用于控制到所述磁体的电流以便继而控制其所述磁场;以及处理器;
用于检测通过所述磁性扇区质谱仪的离子以用于感测磁场的离子检测器,所述离子检测器经配置以产生表示入射到所述检测器上的离子的量的检测器输出信号;并且其中所述处理器经布置以接收所述检测器输出信号,并且经配置以基于所述检测器处的离子的所述检测而计算控制器设定,并且
其中所述控制系统经布置以根据所述磁体的所述所要磁场将多个不同控制器设定中的选定一者施加到所述数字控制器。
2.根据权利要求1所述的控制系统,其中所述控制系统经配置以控制所述质谱仪的参数,以便使离子物质的质谱峰值的边沿与所述离子检测器对准,且通过在所述峰值边沿与所述离子检测器对准时扰动所述质谱仪参数来确定适于根据对应磁体电流控制信号产生的所述磁体的磁通量密度的控制器设定。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制系统,其中所述磁场传感器进一步包括模/数转换器ADC以便将表示所述磁体的磁场的模拟信号转换为所述磁场传感器处的针对所述数字控制器的所述可变数字输入信号。
4.根据权利要求3所述的控制系统,其进一步包括用于根据所述ADC和磁场传感器的温度控制所述ADC输出的温度控制布置。
5.根据权利要求4所述的控制系统,其中所述温度控制布置包含经定位以便确定所述磁场传感器处或邻近于所述磁场传感器处的温度的温度传感器。
6.根据权利要求5所述的控制系统,其中所述温度传感器具有提供到所述ADC的输出,用于由所述磁场传感器测得的所述磁体的磁场的温度校正。
7.根据权利要求6所述的控制系统,其中所述数字控制器得到表示依据由所述温度传感器测得的所述温度而变的所述磁场传感器的响应的校准曲线或查找表,所述温度传感器输出作为进一步输入供应到所述数字控制器,所述数字控制器随后根据所述温度传感器输出调节从所述磁场传感器导出的所述可变数字输入信号。
8.根据权利要求5所述的控制系统,其中所述温度控制布置进一步包括温度控制器和加热器/冷却器,所述温度传感器将测得的输入提供到所述温度控制器用于对照设定点温度输入进行比较,所述温度控制器产生到所述加热器/冷却器的控制信号输出以便减小所述设定点和测得的温度输入之间的误差。
9.根据权利要求3所述的控制系统,其进一步包括经布置以对所述ADC输出进行滤波的数字滤波器
10.根据权利要求9所述的控制系统,其中所述数字滤波器无限脉冲响应滤波器
11.根据权利要求10所述的控制系统,其中所述无限脉冲响应滤波器包括契比夫I型滤波器。
12.根据权利要求1所述的控制系统,包括为由单一晶体形成的磁阻性传感器的第二磁场传感器。
13.根据权利要求1所述的控制系统,其进一步包括用于将所述数字控制器的所述数字输出转换为模拟信号的数/模转换器DAC布置。
14.根据权利要求13所述的控制系统,其中所述DAC布置形成所述数字控制器的一部分。
15.根据权利要求13所述的控制系统,其进一步包括所述数字控制器和所述磁体之间的模拟功率放大器,用于放大所述DAC布置的所述输出。
16.根据权利要求15所述的控制系统,其进一步包括布置在磁体和所述模拟功率放大器之间的模拟阻尼电路,所述模拟阻尼电路具有输出,所述模拟阻尼电路的所述输出与所述DAC的所述输出组合从而形成到所述模拟功率放大器的第一输入。
17.根据权利要求16所述的控制系统,其中所述模拟功率放大器为运算放大器,所述模拟阻尼电路输出和所述DAC输出的所述组合连接到所述运算放大器的非反相输入。
18.根据权利要求16所述的控制系统,其中所述模拟阻尼电路具有可切换频率响应。
19.根据权利要求13到18中任一权利要求所述的控制系统,其中所述DAC布置包括多个DAC。
20.一种磁性扇区质谱仪,其包括:
离子源,其经布置以产生具有质荷比m/z的离子束;
离子加速器,其经布置以将离子加速到电位Uo;
磁体,其在根据权利要求1-19中任一权利要求所述的控制系统的控制下,经布置以根据m/z、Uo、所述磁体内的磁通量密度沿着圆形路径转向由所述离子加速器加速的所述离子。
21.根据权利要求20所述的磁性扇区质谱仪,其进一步包括第二离子检测器,所述第二离子检测器也定位在所述磁体下游但在垂直于所述离子束的行进方向的横向方向中空间上分离;其中所述离子束包括第一和第二质荷比的离子,所述处理器经配置以控制所述质谱仪的参数以便使所述第一质荷比的离子的质谱峰值的边沿与正在感测所述磁场的所述离子检测器对准,同时所述第二质荷比的离子导向所述第二离子检测器。
22.根据权利要求21所述的磁性扇区质谱仪,其中:
所述离子源经布置以产生含有各自具有质荷比(m/z)i的多个离子物质的离子束;
所述离子加速器经布置以将所述离子束中的所述离子加速到电位Uo;
所述磁体经布置以根据(m/z)i、Uo和所述磁体内的所述磁通量密度B沿着圆形路径转向经加速的离子;
所述离子源经布置以产生包括第一牺牲离子物质的离子和第二分析物离子物质的离子的离子,所述第一牺牲离子物质的离子具有第一质荷比(m/z)1且遵循所述磁体内的第一弯曲路径,不同于所述第一牺牲离子物质的所述第二分析物离子物质的离子具有第二质荷比(m/z)2且遵循所述磁体内的不同于所述第一弯曲路径的第二弯曲路径,且进一步其中离子检测布置具有多个空间上分离的检测器;
所述控制系统经配置以在所述离子检测布置中调节所述磁通量密度B、所述电位U0和/或一或多个检测器的位置中的一或多者,使得所述第一牺牲离子物质的离子导向正在感测所述磁场的所述离子检测器以便表示第一牺牲离子物质的那些离子的质量峰值的边沿与正在感测所述磁场的所述离子检测器对准,而所述第二分析物离子物质的离子导向与正在感测所述磁场的所述离子检测器空间上分离的第二检测器,使得表示那些第二分析物离子物质的离子的质量峰值远离所述质量峰值边沿与所述第二检测器对准;
且进一步其中,正在感测所述磁场的所述离子检测器具有表示牺牲质量的所述质量峰值边沿处的强度的输出信号,从表示牺牲质量的所述质量峰值边沿处的强度的所述输出信号产生针对所述数字控制器的所述可变数字输入信号。
23.一种控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场的方法,其包括:
感测所述磁体的所述磁场且产生表示其的传感器输出;
产生表示或关于所述磁体的所要磁场的设定点数字信号
将多个不同控制器设定中的一者施加到系统控制器,所施加的所述控制器设定是根据所述磁性扇区质谱仪的系统参数选择的;
在所述系统控制器处接收从所述传感器输出导出的可变数字输入信号作为第一输入,且接收所述设定点数字信号作为第二输入,并产生由所述第一和第二输入以及施加到所述系统控制器的所述控制器设定确定的数字控制信号输出;以及
基于所述数字控制信号输出控制由磁体电供应器供应到所述磁体的电流,以便继而控制由所述磁体产生的所述磁场,所述方法进一步包括:
产生第一质荷比(m/z)1的离子;
将质荷比(m/z)1的所述离子加速到能量z1Uo,其中Uo为施加到所述离子的电位;
在所述磁体中产生具有磁通量密度Bm的磁场;
将质量(m/z)1的离子引导到所述磁体中,其中其遵循弯曲路径;以及
利用离子检测器检测已遵循由下式界定的半径rm的所述磁体内的弯曲路径的那些离子rm=Bm-1(2.Uo.(m/z)1)1/2;以及
调节所述磁性扇区质谱仪的所述参数以便致使与质量(m/z)1的所述离子对应的质量峰值的边沿与所述离子检测器对准以用于检测与所述磁场的改变对应的所述离子检测器处的离子强度的改变以用于感测所述磁体的磁场。
24.根据权利要求23所述的方法,其中所述传感器输出信号为由正在感测所述磁场的离子检测器产生的模拟传感器输出信号,所述方法进一步包括将所述模拟传感器输出信号转换为磁场传感器处或紧邻磁场传感器处的位置处的所述可变数字输入信号。
25.根据权利要求24所述的方法,其进一步包括控制第二磁场传感器的温度。
26.根据权利要求25所述的方法,其中所述磁性扇区质谱仪进一步包括邻近于所述第二磁场传感器定位的温度传感器、加热器/冷却器和温度控制器,所述方法包括:
产生温度传感器信号作为到所述温度控制器的第一输入;
至少基于到所述温度控制器的所述第一输入产生温度控制信号作为所述温度控制器的输出;以及
通过将所述温度控制信号施加到所述加热器/冷却器来控制所述第二磁场传感器的所述温度。
27.根据权利要求23所述的方法,其进一步包括对所述可变数字输入信号进行数字滤波。
28.根据权利要求23所述的方法,其进一步包括将所述数字控制信号输出转换为针对所述磁体电力供应器电流的模拟控制信号。
29.根据权利要求28所述的方法,其进一步包括放大所述模拟控制信号,随后将其供应到所述磁体电力供应器。
30.根据权利要求29所述的方法,其进一步包括在放大之前将所述模拟控制信号与来自所述磁体的模拟反馈信号组合。
31.根据权利要求23所述的方法,其中所述调节步骤包括调节所述电位Uo以便使所述峰值边沿与所述离子检测器对准。
32.根据权利要求23所述的方法,其进一步包括:
一旦所述质量峰值的所述边沿已与所述离子检测器对准,就扰动所述磁性扇区质谱仪的所述参数,从而从所施加的扰动导出供施加到所述系统控制器的针对所述磁通量密度Bm的针对所述系统控制器的第一静止场控制器设定;以及
将所述导出的第一静止场控制器设定施加到所述系统控制器,用于所述磁通量密度Bm处离子的后续检测。
33.根据权利要求32所述的方法,其进一步包括:
将质荷比(m/z)1的所述离子加速到能量z1U1,其中U1≠Uo;
在所述磁体中产生具有磁通量密度Bn的磁场,其中Bm≠Bn;
将质量(m/z)1的离子引导到所述磁体中,其中其遵循弯曲路径;以及
利用所述离子检测器检测已遵循由rn=Bn-1(2.Uo.(m/z)1)1/2界定的半径rn的所述磁体内的弯曲路径的那些离子;
其中针对Bn的所述控制器设定不同于针对Bm的所述第一静止场控制器设定。
34.根据权利要求33所述的方法,其中所述调节步骤包括调节电位U1以便使所述峰值边沿与所述离子检测器对准。
35.根据权利要求34所述的方法,其进一步包括:
一旦所述质量峰值的所述边沿已与所述检测器对准,就扰动所述磁性扇区质谱仪的所述参数;
从所施加的扰动导出供施加到所述系统控制器的针对所述磁通量密度Bn的针对所述系统控制器的第二静止场控制器设定;以及
将所述导出的第二静止场控制器设定施加到所述系统控制器用于所述磁通量密度Bn处离子的后续检测。
36.根据权利要求35所述的方法,其进一步包括确定用于从Bm到Bn的转变的转变场控制器设定;以及
当从Bm到Bn转变时将所述转变场控制器设定施加到所述系统控制器用于离子的后续检测。
37.根据权利要求36所述的方法,其中Bm>Bn。
38.根据权利要求23所述的方法,其进一步包括:
产生第二质荷比(m/z)2的离子;
将质荷比(m/z)2的所述离子加速到能量z2U1,其中U1为施加到所述离子的电位;
在所述磁体中产生具有磁通量密度Bn的磁场,从而将质量(m/z)2的所述离子引导到所述磁体中,其中其遵循弯曲路径;以及
利用所述离子检测器检测已遵循由rn=Bn-1(2.U1.(m/z)1)1/2界定的半径rn的所述磁体内的弯曲路径的那些离子;
其中:Bn≠Bm,且进一步其中针对所述系统控制器的静止场控制器设定对于Bn和Bm是不同的。
39.根据权利要求38所述的方法,其进一步包括:
调节所述磁性扇区质谱仪的所述系统参数以便致使与质量(m/z)2的所述离子对应的质量峰值的边沿与所述检测器对准。
40.根据权利要求39所述的方法,其进一步包括确定针对Bm和Bn之间磁通量密度的跳跃的转变场控制器设定,以及当在Bm和Bn之间转变时将所述转变场控制器设定施加到所述系统控制器用于离子的后续检测。
41.根据权利要求36所述的方法,其进一步包括:当所述系统控制器随后控制所述磁体以便将所述磁通量密度从Bm改变到Bn时施加经确定用于从Bm到Bn的跳跃的所述转变场控制器设定,以及当一旦已达到Bn所述磁通量密度就随后维持在Bn时施加所述第二静止场控制器设定,且其中所述第二静止场控制器设定不同于所述转变场控制器设定。
42.根据权利要求33所述的方法,其中rn=rm但Bm≠Bn。
43.根据权利要求32所述的方法,其进一步包括:
产生第二质荷比(m/z)2的离子;
将质荷比(m/z)2的所述离子加速到能量z2U1,其中U1为施加到所述离子的电位;
在所述磁体中产生具有磁通量密度Bn的磁场,从而将质量(m/z)2的所述离子引导到所述磁体中,其中其遵循弯曲路径;以及
利用所述离子检测器检测已遵循由rn=Bm-1(2.U1.(m/z)1)1/2界定的半径rn的所述磁体内的弯曲路径的那些离子;
其中rm≠rn但Uo=U1,使得(m/z)1的离子沿着与(m/z)2的离子不同的路径行进。
44.根据权利要求43所述的方法,其进一步包括设定所述磁性扇区质谱仪的所述参数使得所述第一质荷比(m/z)1的离子与正在感测所述磁场的所述离子检测器对准,而所述第二质荷比(m/z)2的离子与在空间上与所述离子检测器分离的第二离子检测器对准。
45.根据权利要求44所述的方法,其中所述磁性扇区质谱仪的所述参数经设定使得所述第二质荷比(m/z)2的离子的质量峰值的中心与所述第二离子检测器对准,而所述第一质荷比(m/z)1的离子的质量峰值的边沿与正在感测所述磁场的所述离子检测器对准。
46.根据权利要求23所述的方法,其中所述多个不同控制器设定各自界定比例、积分和/或微分控制参数中的一或多者。
47.根据权利要求44所述的方法,其中导出第一静止场控制器设定的步骤包括在所述扰动的施加之后启发式确定P、I和/或D。
48.一种确定针对系统控制器的控制器设定的方法,其中所述系统控制器控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场,所述方法包括以下步骤:
产生具有质荷比m/z的离子;
加速质荷比m/z的所述离子;
在所述磁体中产生具有磁通量密度Bm的磁场;
将质荷比m/z的离子引导到所述磁体中,其中其遵循朝向离子检测器的弯曲路径;
调节所述磁性扇区质谱仪的参数以便致使与质荷比m/z的所述离子对应的质量峰值的边沿与所述检测器对准;
一旦所述质量峰值的所述边沿已与所述检测器对准就扰动所述磁性扇区质谱仪的所述参数;
从所施加的扰动导出供施加到所述系统控制器的针对所述磁通量密度Bm的针对所述系统控制器的第一静止场控制器设定;以及
将所述导出的第一静止场控制器设定施加到所述系统控制器用于所述磁通量密度Bm处离子的后续检测。
49.一种确定针对系统控制器的控制器设定的方法,其中所述系统控制器控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场,所述方法包括以下步骤:
产生离子;
朝向所述磁体加速所述离子;
在所述磁体中产生具有第一磁通量密度Bm的第一磁场;
将离子引导到所述磁体中,其中其遵循朝向离子检测器的弯曲路径;
将所述磁体中的所述磁场调节到第二磁通量密度Bn,此时离子的质量峰值的边沿与所述离子检测器对准;
一旦所述质量峰值的所述边沿已在所述第二磁通量密度Bn处与所述检测器对准就扰动所述磁性扇区质谱仪的参数;
从所施加的扰动导出针对所述系统控制器的改变的场控制器设定,以供在所述磁通量密度从所述第一磁通量密度Bm改变到所述第二磁通量密度Bn时施加到所述系统控制器;以及
将所述导出的改变的场控制器设定施加到所述系统控制器用于Bm和Bn之间所施加的磁场的后续改变。
50.一种控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场的方法,其包括:
产生多个离子物质的离子,所产生的离子包括第一牺牲离子物质的离子和不同于所述第一牺牲离子物质的第二分析物离子物质的离子;
用电位U0加速所产生的离子;
将经加速的离子引导到所述磁体中,所述磁体经配置以产生磁通量密度B的磁场以便致使进入其的离子沿着弯曲路径偏转;以及
在离子检测布置处检测退出所述磁体的离子;
其中所述第一牺牲离子物质的离子具有质荷比(m/z)1且遵循所述磁体内的第一弯曲路径,而第二分析物离子物质的所述离子具有质荷比(m/z)2且遵循所述磁体内的不同于所述第一弯曲路径的第二弯曲路径;
且进一步其中,所述离子检测布置具有多个空间上分离的检测器;
所述方法进一步包括:
在所述离子检测布置中调节所述磁通量密度B、所述电位U0和/或一或多个检测器的位置中的一或多者,使得所述第一牺牲离子物质的离子导向第一检测器以便表示所述第一牺牲离子物质的那些离子的质量峰值的边沿与所述第一检测器对准,而所述第二分析物离子物质的离子导向空间上与所述第一检测器分离的第二检测器,使得表示那些第二分析物离子物质的离子的质量峰值远离所述质量峰值边沿与所述第二检测器对准;以及通过监视牺牲质量的所述峰值边沿处的检测器强度的改变来控制所述磁通量密度B,以便维持所述第二分析物离子物质的离子与所述第二检测器的所述对准。

说明书全文

磁性扇区质谱仪磁体的控制

技术领域

[0001] 本发明涉及磁性扇区质谱仪磁体的控制。确切地说,其涉及用于磁体的闭合回路控制的电路和方法。

背景技术

[0002] 磁性扇区质量分析仪是一种众所周知的质谱仪,用于跨越相对宽质量范围的离子的高分辨率分析。离子在加速电压U0的影响下加速穿过飞行管,它们在飞行时间分离。加速过程结束时离子的动能mv2/2是由加速场施加的能量的结果,z.U0;因此
[0003]
[0004] 随着移动的离子进入由磁体产生的磁场,特定质荷比m/z的带电离子沿着唯一半径rm的圆形路径在垂直于所施加磁场的方向的方向上偏转。如将众所周知,归因于磁场(z.v.B,其中z为离子电荷,v为离子速度,且B为磁场强度)的平衡向心力mv2/rm。
[0005] 重新布置v且代入到以上等式中产生:
[0006]
[0007] 换句话说,针对给定磁通量密度B且当加速到特定电位U0时,特定质荷比的离子将遵循半径rm的弯曲路径。
[0008] 在扇区质量分析仪中,离子源、加速器区、磁体和检测器的相对位置是固定的。因此,特定物质的离子将仅在特定B和U0处到达检测器(而非(例如)分析仪的壁)。
[0009] 为了检测特定质量,有必要高度准确地控制(即,保持稳定)磁场。当然,加速电位U0也必须保持恒定,但此相对简单;从以上等式还注意到,离子到达检测器时离子的位置(与rm相关)与B-1成比例,但对U0的改变不太敏感,因为rm取决于U0的平方根。
[0010] U0和B两者可原则上变化以扫描跨越检测器的多个离子物质。然而,优选地,对于特定实验,U0保持恒定,而B改变。这主要是因为,在磁性扇区质量分析仪中,离子的焦点随着U0改变,且需要离子束保持聚焦在检测器上。
[0011] 此项技术中已知通过适当传感器测量磁体产生的通量密度,且使用此信号调节磁场。参看例如US-A-3,597,679。适当传感器通常为霍效应传感器或场探针。
[0012] 典型设置在图1中展示。使用场探针10等测量磁体内的通量密度。从场探针10输出的模拟信号放大且接着连接到运算放大器20的第一输入。在微控制器30处产生设定值作为数字信号,且在DAC 40处将其转换为模拟信号。DAC 40的输出连接到运算放大器20的第二输入使得(模拟)测得的通量密度可与模拟设定点进行比较。
[0013] 运算放大器20的输出在功率放大器50中放大,且功率放大器50输出用于控制供应到磁性扇区质谱仪中的磁体的电流。场探针10测得的磁通量密度可因此用于控制设定值,并且,以此方式,实现模拟闭合回路反馈控制。此外,运算放大器的比例-积分-微分(PID)控制(和原则上测得的通量密度的放大)是可能的。
[0014] 尽管图1的布置中可实现的磁通量密度的步进分辨率受到DAC 40的分辨率限制,但一个DAC步阶内磁通量的稳定性可高得多,这(例如)取决于运算放大器20和电子器件的其它部分。
[0015] 磁性扇区质谱法的主要用途是确定样本中已知要素的丰度(与(例如)或TOF质谱法形成对比, 或TOF质谱法通常寻求识别样本中的未知要素,或确认或反驳特定物质或(更通常地)物质群组的存在)。这是为何磁场的最大稳定性合乎需要:给定U0处的极恒定磁场将确保特定m/z的离子(且仅具有所述特定m/z的离子)恰当地聚焦在检测器上,且随着时间的过去而保持如此。因此,磁场稳定性与仪器分辨率直接关联;对于两个邻近质量的离子,辨别它们的能力(即,测量一个物质,而不测量另一物质)将是磁场稳定性的结果。对于约20,000的仪器分辨率,磁通量密度的标准偏差需要在一小时内稳定在3ppm内。对于50,000的仪器分辨率,磁通量密度的标准偏差需要在一小时内稳定在1ppm内。
更高的分辨率将是合乎需要的。
[0016] 除极稳定静止磁场的要求外,还需要扇区分析仪的磁体能够在两个稳定磁通量密度值之间跳跃,以便测量两个不同离子物质的强度(量)。跳跃应尽可能快速,同时跳跃之后磁体内的磁通量密度出于上文阐述的原因必须稳定。此尤其苛刻,因为磁体材料内磁域的再定向由相对缓慢的时间常数支配。
[0017] 磁芯内的剩磁也可能提出挑战。确切地说,磁通量密度的均质性可跨越磁体减小,尤其在从相对较高磁场跳跃到相对较低磁场时。此外,磁场探针的位置处的磁通量密度可因而不同于离子束的位置处的磁通量密度。当目标磁通量密度为低时,磁体跳跃将花费显著较长时间。
[0018] 图2a说明对于1006,磁通量密度B与磁场强度H的曲线(源:Femm 4.2(有限要素磁性模拟软件,David Meeker)。从图中看出,B与H的非线性非常清晰。图2b是从Paul Oxley等人的《磁力和磁性材料的期刊(Journal of Magnetism and Magnetic Materials)》321(2009)2107-2114导出,且说明随着磁场跳跃的滞后效应。图2b展示达到特定通量密度值必需的H场(磁场强度,以A/m测得,且与磁体电流成比例)如何取决于历史(跳跃尺寸),且此外,行为的非线性程度。
[0019] 此过程的结果为,PID参数的单一集合对于覆盖所有可能跳跃尺寸和通量密度通常是不当的。确切地说,针对第一对磁场强度之间的跳跃确定的PID参数对于第二对不同磁场强度之间的跳跃可能不恰当或至少不是最佳的。不同磁通量密度之间的跳跃意味着将必须考虑不同时间常数,例如功率级的时间常数、磁域的排序的时间常数,和用于加热磁体的时间常数。
[0020] 此外,即使一旦磁场标称上静止(即,不在从一个值跳跃到另一值的过程中),PID参数对于B和U0的所有值也是固定的。在实践中,这意味着其至多只是折衷,且对于目标通量密度和跳跃尺寸的特定组合来说可能完全不是非常适当的。即使对于给定标称磁通量密度,最佳PID参数将取决于装置特定条件,例如磁体间隙内场传感器的特定位置等等。
[0021] 图1的电子电路自身还向磁体间隙中的磁通量密度引入随机和系统误差两个潜在源。举例来说,磁场探针的输出始终含有一些噪声。通常通过施加RC要素来完成平滑。具有挑战性的是优化电路以便排除噪声,但同时不牺牲时间信息。并且,存在漂移效应的若干可能源,例如归因于温度改变,尤其在图1的场传感器10、运算放大器20和DAC40中。解决这些效应需要精密且昂贵的电子设计,例如温度稳定和/或校准。
[0022] 通常,磁性扇区质谱仪中的磁通量密度B将在几十mT和几百mT之间可变,一直到约1T。举例来说,在当前优选仪器中,磁体间隙内部的通量密度在200mT和750mT之间可变。磁体的芯中的通量密度通常要高达2倍,这取决于磁体设计和几何形状。快速跳跃可在完整质量范围上发生。
[0023] A.A.Malafronte,M.N.Martins,2005粒子加速器会议会议记录,田纳西州诺克斯维尔,第2833ff页描述用于在电子回旋加速器中控制磁场的布置。霍尔传感器的输出使用16位ADC转换为数字信号。产生用于控制回路的数字设定点,且微控制器将数字设定点与数字化霍尔传感器输出进行比较。由于所述比较,随后产生数字控制信号作为来自微控制器的输出。所述数字输出供应到16位DAC,其提供在模拟驱动器中放大的输出。驱动器的输出继而控制到磁体电力供应器的电流。
[0024] Malafronte布置旨在减少成本。磁场稳定性和不同磁通量密度之间的跳跃速度对于所描述的电子回旋加速器控制器中的考虑因素并不关键;注意到30ppm的通量稳定性,其比高分辨率(20,000或更高)磁性扇区质谱仪所需的数量级差一个数量级或更多。
[0025] 对照此背景,本发明试图提供一种用于磁性扇区质量分析仪中的磁场的控制的改进的布置和方法。

发明内容

[0026] 根据本发明的第一方面,提供一种根据权利要求1的用于控制磁性扇区质谱仪的磁体的控制系统。
[0027] 在其最广泛意义上,本发明的此方面因此提供一种用于磁性扇区质谱仪的数字控制器,取决于质谱仪的特定参数而向其施加不同控制器设定。
[0028] 对于磁性扇区质谱仪的给定配置,离子将根据一组潜在可变参数移动穿过其中:举例来说,质谱仪的加速电位、由磁体产生的磁场、离子的质荷比、离子源和检测器的相对位置等等。为了使特定质荷比的离子通过质谱仪且到达检测器,需要设定特定质谱仪参数。
根据本发明的第一方面,可根据特定质谱仪参数选择控制器的适当设定,例如控制回路的转移函数的常数。在一个优选实施例中,控制系统可采用查找表,其中已经存储预定或经校准的控制器设定。随后,参照查找表,可根据在样本的分析中待采用的特定质谱仪参数选择特定控制器设定。确切地说,查找表可含有确定为尤其适于特定磁通量密度、加速度电压、质荷比等的多个差异控制器设定。
[0029] 作为查找表的替代方案,控制系统可实际上存储函数关系,可取决于质谱仪参数依据所述函数关系计算控制设定。举例来说,磁体中的磁通量密度和控制器设定之间的函数关系可依据先前实验/校准凭经验或启发式地确定。随后,在样本离子的后续分析期间,一旦已识别适当磁通量密度等等,就可依据所存储的函数关系确定适当控制器设定。
[0030] 在实施例中,磁场传感器为从单一晶体导出的磁阻式单晶传感器或霍尔传感器。此传感器的(模拟)输出优选地使用ADC转换为传感器处或紧邻传感器处的数字信号。控制系统的数字部分对温度波动不敏感。通过将ADC定位在场传感器处或邻近于场传感器处,温度控制要求局部化。
[0031] 为了控制场传感器处的温度,在简单实施例中,采用温度传感器以将校正信号提供到ADC。在较复杂优选布置中,可通过使用温度传感器、温度控制器和加热器/冷却器实现场传感器的温度控制,所述温度传感器将测得的输入提供到温度控制器用于对照设定点温度输入进行比较,所述温度控制器产生到加热器/冷却器的控制信号输出以便减小设定点和测得的温度输入之间的误差。
[0032] 场传感器优选围封在外壳内以辅助温度调节。
[0033] 控制系统可进一步包括经布置以对ADC输出进行滤波的数字滤波器,例如无限脉冲响应滤波器。特别优选的是契比夫I型滤波器(Chebyshev type I filter)。
[0034] 数字控制器的输出可转换为模拟信号,所述模拟信号用于控制到磁体的电流。任选地,数字控制器输出可使用可例如包含第一和第二DAC的数/模转换器(DAC)布置而转换为模拟信号。DAC布置的输出可使用运算放大器放大,运算放大器的输出驱动功率放大器。
[0035] 合意地,控制系统可进一步包括连接在磁体的线圈和DAC布置之间的模拟反馈电路。反馈电路可用于向模拟反馈回路提供可切换频率响应。经滤波的输出可与驱动功率级的运算放大器处的DAC布置的输出组合。此允许与数字回路的循环时间相比以较短时间尺度校正波动。
[0036] 本发明还扩展到一种根据权利要求19的磁性扇区质谱仪。
[0037] 本发明的优选实施例提供用于建立所述多个控制器设定的各种技术。举例来说,质谱仪参数可经调节以便使质谱峰值的边沿与检测器对准。峰值的边沿通常极其陡峭(也就是说,峰值的强度随着磁通量密度的小改变而极快速上升)。因此,在检测器处检测离子强度的改变可提供磁通量密度的改变的精确测量。通过使质谱峰值的边沿与检测器对准且接着扰动质谱仪的参数(例如,通过将扰动引入到供应到磁体的电流中,以便继而扰动磁通量密度,或扰动加速电场),可确定针对质谱仪参数的集合(具体地说,针对所述磁通量密度)的控制器设定。举例来说,如果控制器使用比例-积分-微分(PID)控制,那么扰动质量峰值的边沿周围的磁场可允许转移函数常数(比例、积分或微分常数中的一或多者)。因此确定的控制器设定可经存储用于将来使用相同或类似质谱仪参数分析离子时使用。
[0038] 此技术可用于确认用于静止磁场的合适的控制器设定,并且还用于确定用以优化两个磁场之间的转变的合适的控制器设定。在特别优选的实施例中,控制器系统可采用用于两个磁场之间的转变的第一控制器设定,以优化所述转变的速度和准确性,例如最小化过冲,且接着一旦系统已到达目标磁场就可应用第二不同控制器设定,所述第二控制器设定经优化以将磁通量密度维持为在此处尽可能恒定。
[0039] 本发明还扩展到根据权利要求21的一种控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场的方法。
[0040] 在本发明的其它方面中,提供用于确定用于控制器的控制器设定的方法,所述控制器经布置以控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场。权利要求46和47中界定所述方法。
[0041] 本发明还扩展到一种控制由磁性扇区质谱仪中的磁体产生的磁场的方法,包括:产生多个离子物质的离子;以电位U0加速所产生的离子;将加速的离子引导到磁体中,所述磁体经配置以产生通量密度B的磁场以便致使进入其的离子沿着弯曲路径偏转;以及在离子检测布置处检测退出磁体的离子;其中第一牺牲离子物质的离子具有质荷比(m/z)1且遵循磁体内的第一弯曲路径,而不同于牺牲物质的第二分析物离子物质的离子具有质荷比(m/z)2且在磁体内遵循不同于第一弯曲路径的第二弯曲路径;以及进一步,其中所述离子检测布置具有多个空间上分离的检测器;所述方法进一步包括:调节通量密度B、加速电位U0和/或离子检测布置中(一或多个)检测器的位置中的一或多者,使得牺牲物质的离子导向第一检测器以便表示牺牲物质的那些离子的质量峰值的边沿与第一检测器对准,而分析物离子物质的离子导向与第一检测器空间上分离的第二检测器,使得表示那些分析物离子的质量峰值大体与远离质量峰值边沿的第二检测器对准;以及通过监视牺牲质量的峰值边沿处的检测器强度的改变来控制磁通量密度B,以便维持分析物离子与所述第二检测器的对准。
[0042] 磁性扇区质谱仪中的质量峰值的边沿通常为陡峭的。可通过在第一检测器处引导牺牲质量(即,不是具有分析用途的离子物质)的峰值边沿来利用此优点,而可在第二检测器处引导具有分析用途的物质的离子。磁体中的磁通量密度的小波动将产生第一检测器处离子强度的大改变,因为峰值边沿导向所述第一检测器。峰值强度改变可因此用于提供表示通量密度改变的反馈信号来控制磁通量。此继而允许控制分析物离子使得其保持导向第二检测器但远离峰值边沿,即(例如)处于或朝向峰值中心。
[0043] 在本发明的又一方面中,提供一种磁性扇区质谱仪,包括:离子源,其经布置以产生含有各自具有质荷比(m/z)i的一或多个离子物质的离子束;离子加速器,其经布置以将离子束中的离子加速到电位Uo;磁体,其经布置以根据(m/z)i、Uo和磁体内的磁通量密度B沿着圆形路径转向经加速的离子;控制系统,其用于控制磁体,所述控制系统包含:设定点产生器,其经配置以产生表示或关于磁体的所要磁场的输出;磁场传感器,其用于产生表示磁体中的通量密度B的信号;以及数字控制器,其经配置以接收来自磁场传感器的输出的可变数字输入信号和来自设定点产生器的输出的设定点数字输入信号,且产生数字输出,从所述数字输出导出控制信号用于控制到磁体的电流以便继而控制其磁场;以及离子检测布置,其在磁体下游用于接收和检测来自磁体的离子。
[0044] 本发明的优点可包含以下各者中的一或多者:
[0045] 较低成本
[0046] 较好温度稳定性,因为仅必须考虑磁场传感器
[0047] 较好操作安全性
[0048] 较快调节
[0049] 两个磁通量密度之间的较快磁体跳跃;还可针对相同开始和结束磁通量密度识别不同控制器设定,以实现不同行为模型。举例来说,一个控制器设定可允许过冲,以便提供所述两个磁通量密度之间的最快改变。如果过冲为不利的,可改为指定非周期性行为,例如以保护检测器中的SEM;
[0050] 取决于磁通量密度值、磁性跳跃尺寸、检测器位置和/或仪器寿命,可变PID或其它控制器设定是可能的。
[0051] 静态和动态控制器设定的组合产生极其快速和稳定的磁通量密度值。
[0052] 当使用峰值边沿和牺牲质量时,可实现磁通量密度的更好的稳定性;
[0053] 磁场传感器140的信号可经数字滤波,从而提供平滑和时间分辨率之间的较好折衷;
[0054] 因为离子束的积分用于校准,所以不必准确地调节探针的位置。事实上,尽管将磁场传感器定位在磁体的杂散场区内不是优选的,即使这样也可校准磁场传感器位置。
[0055] 质量保证:可有规律地重复控制器设定的导出。
[0056] 相同磁体电流控制器和磁场传感器可用于大量不同仪器而无任何硬件修改;当在不同仪器上使用时仅必须改变控制器设定,因此节省成本和后勤供给;
[0057] 磁体的质量可较低,例如磁性曲线的线性和滞后,因为此可经校准;
[0058] 如所建议的控制器设定确定过程将校准磁场传感器使得完整系统(场传感器、电子器件、磁体(更确切地说:离子束覆盖的区域处磁通量密度的积分)考虑在内。附图说明
[0059] 本发明可以若干方式付诸实践,且现将仅借助于实例且参看附图描述一些优选实施例,附图中:
[0060] 图1展示用于控制磁性扇区质谱仪中的磁通量密度的现有技术控制布置的示意布置;
[0061] 图2a展示针对1006钢,磁通量密度B与磁场强度H的曲线;
[0062] 图2b展示针对不锈钢,磁通量密度B与磁场强度H的曲线;
[0063] 图3展示具有体现本发明的控制系统的磁性扇区质谱仪的示意布置;
[0064] 图4展示图3的控制系统的优选实施例的电路图;
[0065] 图5示意性地展示适合与图3和4的控制系统一起使用的场传感器布置;
[0066] 图6以示意框图格式展示图4中展示的控制系统的布置的替代布置;
[0067] 图7展示针对特定质荷比的离子的质谱峰值,其展示为检测器信号强度与磁通量密度的曲线;以及
[0068] 图8展示适合与图3的磁性扇区质谱仪一起使用的离子检测器的布置。

具体实施方式

[0069] 首先参看图3,展示磁性扇区质谱仪10的示意布置。磁性扇区质谱仪具有用于产生离子束30的离子源20。离子束30中的离子通过静电板40加速从而形成加速离子光学件,在图3中通常由参考数字50指示。离子束30穿过缝隙60且进入磁体70。磁体70为由电流源80驱动的电磁体。磁场因此形成于磁体孔内。
[0070] 如以上背景部分中所解释,且如所属领域的技术人员将熟悉,进入磁体70的离子将遵循具有被界定为rm=B-1(2.U0.(m/z))1/2的半径的圆形路径、其中U0为在加速离子光学件50中施加到离子的加速电位,B为磁体70中的磁通量密度,且(m/z)为特定物质的离子的质荷比。
[0071] 此情况的结果是,对于给定加速电位和磁场,离子束30中的不同离子物质将依据其m/z遵循不同路径(也就是说,不同半径的弯曲路径)。相对较轻离子将遵循由点线100指示的较紧密弯曲的路径,而相对较重离子将遵循由点线90指示的不太紧密弯曲的路径。结果是,其都不会退出磁体。然而,特定m/z的离子具有导致离子束30中的所述物质的离子沿着路径110退出磁体的曲率半径。这些离子随后撞击检测器120,检测器120可(例如)含有一或多个法拉弟杯和/或二次电子倍增器(SEM)。在图3的示意性实施例中,为简单起见展示单一检测器120。检测器输出可经存储、导出到屏幕125和/或(如下文在本发明的实施例中将阐述)用于调谐控制器130的设定。
[0072] 质谱仪10在控制系统的控制下。其目的和功能将在下文详细描述。然而,简单来说,控制系统提供用于磁体70的闭合回路反馈控制。此通过监视/测量磁体70内的磁通量密度来实现。为了做到这一点,磁场传感器140定位在磁体70的孔内。磁场传感器140的优选配置和组成在下文结合图5更详细地陈述。
[0073] 磁场传感器140将可变输入提供到控制器130。到控制器130的可变输入表示磁体70内的传感器位置处的磁通量密度。到控制器的设定点输入从外部设定点产生器(图3中未图示)提供,或在控制器130自身的硬件或固件内预编程。控制器130将来自磁场传感器140的可变输入与设定点(目标磁通量密度)比较,且接着产生数字控制器输出,所述数字控制器输出在DAC级220处转换为模拟信号、以放大器230放大,且馈送到磁体电流源80。供应到磁体绕组的电流的控制因此继而控制磁体70内的磁通量密度。
[0074] 如同任何反馈回路,图3的布置具有转移函数。在优选实施例中,控制器130使用比例-积分-微分(PID)控制,且根据质谱仪10的参数选择和施加控制器设定(例如,比例增益、积分时间常数和/或微分时间常数),所述参数例如(确切地说)针对特定离子物质的磁体70内的所选择的磁通量密度B、两个磁通量密度之间的跳跃,等等。
[0075] 如还将见于图3中,信号还从磁体线圈绕组分接出且经由模拟阻尼区段240反馈回到控制器130,以对用于电流源80的驱动器信号提供阻尼效应。下文将结合图4更详细地阐述此情况。
[0076] 在以下描述中,应理解,控制器130主要经设计以控制磁体70中的磁场,也就是说准许不同磁通量密度之间的快速、准确调节(使得可使用检测器120的相同或类似位置单独地检查多个离子物质),并且还在取得特定物质的离子的测量值的同时保持磁体70中的磁通量密度极其稳定和准确。尽管如此,从上文的等式一目了然,施加到加速离子光学件50的静电板40的加速电位U0也必须是已知且准确地设定的。U0还可在实验分析之间变化,以便允许分析大范围的离子物质。然而,在实行分析的同时改变U0并不是优选的,因为U0的变化可更改检测器120的平面处离子束30中的离子的聚焦。因此,在以下描述中,除非另外论述,否则加速电位U0可在特定控制器校准/调谐或后续离子分析实验期间视为固定的。
[0077] 已提供反馈系统及其在磁性扇区质谱仪10内的位置和功能的概观,现将描述控制器130和相关联组件的特定优选实施例。随后将在单独部分中描述用于调谐/校准针对控制器130的设定的方法。
[0078] 控制器130的优选配置
[0079] 图4中展示说明图3的控制系统的特别优选的布置的电路图。图4中,用类似参考标号标记图3共同的组件。
[0080] 图3和4的控制器130由微控制器构成,从现场可编程阵列(FPGA)210将设定点(目标磁通量密度)供应到微控制器。磁场传感器140还将可变输入供应到控制器130,如上文结合图3所解释。
[0081] 控制器130为数字的。由FPGA 210产生的设定点为到数字控制器130的第一数字输入,且来自磁场传感器的到数字控制器的第二输入也是数字的。磁场传感器优选地为产生模拟输出的磁阻式或霍尔传感器。此使用ADC(图4中未图示)转换为数字信号。优选地,ADC紧邻磁场传感器定位(乃至在传感器上/形成传感器的一部分)以便最小化温度变化对磁场稳定性的影响。下文将结合图6进一步阐述此情况。
[0082] 控制器130从磁场传感器提供对数字设定点输入和数字(数字化)可变输入之间的差的PID响应。针对控制器130的PID设定是布置的重要特征,并非固定。实际上,采用多个不同PID设定,给定时间采用的特定PID设定取决于磁性扇区质谱仪10的参数。举例来说,施加到控制器130的PID设定可与磁体70中的当前磁通量密度、当不同离子物质待检测时磁通量密度的新的结束设定点、两个不同通量密度之间的跳跃的量值等等中的一或多者相关。可在质谱仪参数的特定集合处例如以下文待描述的方式经由校准/调谐获得针对质谱仪参数的特定集合的特定PID设定,且所述特定PID设定可作为值的矩阵存储在存储器(图4中未图示)中,所述存储器可形成控制器130的一部分,或可改为与控制器130物理上分离。此外,尽管控制器130的PID参数的值的矩阵可以查找表的形式存储,但在其它布置中,可例如确定性地导出函数关系,使得对于质谱仪参数的任何集合,可经由所述函数关系获得PID设定。
[0083] 控制器130的输出为用于控制磁体电流的数字控制信号,其在施加适当PID参数的情况下从设定点和测得的输入之间的差导出。数字输出由数/模转换(DAC)级220转换为模拟信号。DAC级220的模拟输出由通常在250处展示且由运算放大器230形成的放大模接收,运算放大器230继而将模拟输出提供到形成磁体电流源80的一部分的功率级。
[0084] 模拟阻尼区段240还提供为磁体线圈、DAC级220和运算放大器230的非反相输入之间的反馈。模拟阻尼区段包含磁体70处的额外场线圈,从而将反馈提供到运算放大器230用于设定磁体电流源80的功率级中的磁体电流。模拟阻尼区段240还包含可切换的高或低阻尼;此允许较快控制瞬变,而具有较长循环时间(<=5ms)的数字控制消除漂移。
[0085] 为了实现随着离子横越磁体70离子所经历的磁通量密度的最大稳定性,需要DAC级220的模拟输出的分辨率极高,使得极其准确地控制到磁体线圈的电流。实施此要求的一个优选方式为组合两个单一DAC从而形成DAC级220。如图4中可见,DAC级220由第一20位DAC 220a连同第二12位DAC 220b形成。每一DAC 220a、220b的模拟输出连同来自模拟阻尼区段
240的反馈模拟阻尼信号组合从而形成到运算放大器230的非反相输入。
[0086] 作为两个DAC 220a、220b的用途的替代方案,如果切换时间比磁体电流源80中的功率级的时间常数快得多,那么DAC级220可改为通过使用两个值之间的极快速切换来实现所要程度的分辨率。
[0087] 尽管图4中,DAC级220展示为与控制器130和运算放大器/电流源80分离,当然将理解,DAC级220可形成控制器130的一部分或者放大级的一部分。
[0088] 图3和4的布置说明的磁通量密度控制方法(其中控制器130为数字的,且因此到其的输入连同控制信号输出也是数字的)意味着系统控制的仅小部分在模拟域中发生,其中温度敏感度可能成问题。特定来说,在图4的布置中,温度漂移的仅有电位源在(模拟)放大模块250中且在磁场传感器140处。关于放大模块,可能影响磁体电流的温度波动由磁场传感器间接测得,且因此反馈和控制。
[0089] 控制系统的其它温度敏感部分为磁场传感器140(其产生模拟信号输出)和将模拟磁通量密度值转换为数字信号的ADC(图4中未图示)。如上文所解释,优选地,ADC形成场探针的一部分使得严格地限制任何潜在成问题的温度变化的位置。尽管数字磁场传感器可用,但其不能够提供必需程度的数字分辨率,且另外不合适用于图3的质谱仪中预期的磁通量密度。
[0090] 图5以示意框的形式展示试图解决磁场传感器140处的温度不稳定性的磁场传感器140的布置。
[0091] 在图5的布置中,磁场传感器140的模拟输出由传感器放大器300放大,且接着利用ADC 310从模拟转换为数字信号。ADC 310的数字输出在滤波器320处滤波,且滤波器数字输出将可变数字输入信号提供到控制器130。
[0092] 需要在磁场传感器输出已由ADC 310转换为数字信号之后实行磁场传感器输出的滤波。当正确采用时,数字滤波提供比可使用电阻器/电容器(RC)型模拟滤波器实现的更好的平滑和时间分辨率的组合。
[0093] 滤波器320的特别优选的布置为无限脉冲响应滤波器,因为这与FIR滤波器相比需要较少数据点来滤波。特别优选的实施方案可为契比雪夫I型滤波器,因为此滤波器极其陡峭且阻带中无纹波。陡峭的滤波器为合乎需要的,因为时间分辨率维持到较高程度。
[0094] 作为上文的替代方案,可能改为采用椭圆形滤波器。
[0095] 磁场传感器140可为(例如)霍尔传感器、磁阻式传感器、AMR传感器、GMR传感器、CMR传感器或TMR传感器。特别优选的是呈场板的形式的磁阻性传感器,其为从单一晶体切割的磁阻式传感器。此类场板与霍尔传感器相比具有高动态范围。并且,霍尔传感器往往会归因于垂直霍尔电流而遭受“爆米花”噪声和热负载的问题。相对平坦特性曲线的结果为,继而需要相对高的霍尔电流。另一方面,单晶霍耳效应传感器可提供优于传统霍尔传感器的可接受改进。
[0096] 返回到图5,磁场传感器140、传感器放大器300和ADC 310的温度控制通过使用温度传感器330来实现。可在较简单布置中直接采用温度传感器的输出信号以控制ADC310:特定来说,温度传感器330的输入由ADC 310采用以使用已知信号/温度关系校正模拟磁场传感器信号。
[0097] 然而,温度控制的优选方式如图5所示。温度控制器340从温度传感器330接收信号作为第一可变输入。设定点输入还供应到温度控制器340。温度控制器340产生控制输出信号,所述控制输出信号用于控制加热器350使得实现闭合环路热控制。
[0098] 除加热器350之外或代替加热器350,可采用例如帕尔贴冷却器等冷却器。
[0099] 为了进一步优化温度控制,需要图5中的温度敏感组件中的每一者(为滤波器320保留的所有组件)包含在封闭外壳内(展示为点线360),内部具有热绝缘。
[0100] 现在转而参看图6,以示意框的形式展示控制系统的替代实施例。图3、4和6共同的组件用类似参考标号标记。此外,为了避免重复,将不再次详细描述图3、4和6共同的控制系统的那些部分。
[0101] 图6中,数字设定点值由FPGA 210产生。此将第一设定点数字输入提供到控制器130。磁场传感器140将数字可变输入信号提供到控制器130。与先前一样,数字控制器130的输出转换为模拟信号,模拟信号随后在放大器模块250中放大以用于产生磁体70的线圈的需求电流。
[0102] 然而,在图6的布置中,到控制器130的进一步输入从检测器120提供(还参看图3)。检测器输出来自法拉第杯或来自SEM。数据记录器400处理离子检测器120的输出。所述经处理的输出可直接用于提供对控制器130的进一步控制,或可使用计算机或其它微处理器410进行预处理。使用离子检测器120的输出作为到控制器130的进一步输入的目的将在随后部分中阐述,其涉及控制器130的校准/调谐。
[0103] 控制系统的设定的校准/调谐
[0104] 现将描述用于校准或调谐针对图3、4和6中展示的控制系统的控制器设定的技术。校准或调谐意指确定多种不同磁通量密度处控制系统的最佳常数的过程。在图3、4和6的实施例中,控制器130采用PID控制,且以下技术导致针对不同通量密度并且当尝试在两个不同磁通量密度之间快速转变时导出比例增益以及积分和微分时间常数。
[0105] 校准技术全部依赖于典型磁谱中质谱峰值的边沿的锐度。图7中展示典型的此峰值,图7是离子检测器120处的强度(任意单位)作为具有仪器分辨率21500的磁性扇区质谱仪的磁通量密度的函数的曲线。
[0106] 在两个峰值边沿(前导和拖尾边沿)处,曲线的斜率极高;此意味着磁通量密度值的极小变化导致对测得的强度的显著影响。因此,测量峰值边沿处的强度提供一种测量磁通量密度的任何改变的极其精确的方式。通过确定峰值边沿处的峰值的斜率,峰值的强度可转换为磁通量密度值。
[0107] 假定峰值高度的5%和95%之间的线性行为,且对于21500的分辨力(针对图7中的峰值的分辨力),1ppm的磁通量密度的改变将产生峰值的最大值的5%的测得的强度的改变,和峰值高度的一半处的值的10%。
[0108] 此技术提供更多优点。简单地使用磁场传感器140测量磁通量密度提供通量密度的有用“快照”,但限于仅紧邻磁场传感器140的通量密度的测量。相比之下,通过使用峰值边沿测量磁通量密度,测量离子束30覆盖的磁体区域上方的积分。此在第一和第二通量密度之间跳跃时可特别有利,因为例如归因于磁域的重组和磁芯中的剩磁的较慢过程取决于磁体间隙内部的位置。此对于小磁场值特别重要。
[0109] 为实现最佳系统控制,需要获得针对静态和动态磁场两者的控制器设定。质量峰值边沿可用于获得两者。
[0110] 确定静态磁通量密度处的控制器设定。
[0111] 第一任务是使峰值边沿与检测器120对准。磁通量密度B和加速电位U0经调节使得特定质荷比的离子导向检测器120。一旦已通过调节质谱仪的参数定位峰值的边沿,就将扰动施加到质谱仪参数以在控制系统内引入略微振荡。依据振荡频率确定控制环路的时间常数,且对于PID控制算法,可确定I和D设定。存在启发式或以其它方式确定控制设定的许多方式:Ziegler Nichols、Chien、Hrones和Reswick等,其中的每一者将是闭合环路控制的领域的技术人员众所周知的。并且,针对P的设定可变化,直至振荡在强度中不再可见。
[0112] 此技术准许针对如上文所定义的初始校准实验中采用的特定磁通量密度导出控制器的经优化设定。确切地说,导出的设定可经存储供在任何后续分析中使用,在后续分析中磁通量密度与导出设定所处的磁通量密度相同或类似。
[0113] 通过重复磁通量密度的不同值处的分析,可产生控制器设定的阵列或矩阵,每一控制器设定与相应通量密度相关联。矩阵可经存储以供后续作为查找表使用,或可用于导出或计算B和控制器设定之间(例如,B和PID之间)的函数关系。
[0114] 如先前阐述,管控磁性扇区质谱仪中的离子移动的运动的等式含有原则上可改变的四个参数。然而,在这些当中,离子的弯曲路径的半径基本上为固定的,因为仅沿着由半径rm界定的特定路径行进的离子将到达检测器120。这意味着,为了获得针对B的多个值的控制器设定,加速电位U0或离子的质荷比中的任一者必须改变。在一个优选实施例中,改变加速电压。因为对于给定质量,磁通量密度与电压的平方根成比例,所以将加速电压修改4倍等效于磁通量密度的2倍的变化。
[0115] 为了跨越较宽磁场范围(即,超出简单地通过修改U0可确认的范围)扩展所确定的控制器设定,必须采用不同质荷比离子。举例来说,如果CO2引入到离子源20,那么质量12、22、28、44处存在相当大的强度的片段质量。因此,利用一种气体和不同加速电压值U0、U1、U2...,可确认针对高达质量44的整个质量范围的控制器设定。
[0116] 确定针对改变的通量密度的控制器设定。
[0117] 如果磁场逐步骤经修改。且如果最终磁通量密度值为其中质量峰值处于如图7中所展示的升高或下降沿处的值,那么系统对逐步跳跃的反应也可确定和优化。最佳控制器参数可特定来说(例如)根据Ziegler Nichols的第二规则或通过其它算法确认。优化针对两个磁通量密度之间的跳跃的控制器设定允许继而优化跳跃可发生的速度。并且,当考虑导出针对动态磁场的控制器设定时,还校准出磁通量密度及其时间行为取决于位置的效应,且尤其是离子束30覆盖的积分与磁场传感器140的位置之间的差。
[0118] 取决于开始磁通量密度值,此技术可针对不同跳跃大小重复。并且,以类似于上文概述的程序的方式,可获得磁场/通量密度的不同结束值。
[0119] 确切地说小磁场/通量密度/质量值处的系统行为且尤其是动态行为取决于磁体70内的位置。这意味着,对于宽同时质量范围和低质量,例如为同时确定He3和He4,控制器设定取决于离子的质荷比,或更确切地说也取决于检测器120的位置。在此类极专业情况中,可能优选的是针对不同收集器位置独立地确定控制器设定。
[0120] 确定针对静态和动态场两者的控制器设定。
[0121] 通过在两个磁通量密度之间跳跃获得的控制器设定可与那些从静止场测量值获得(单独地)的控制器设定组合。在两个通量密度之间跳跃期间,一般来说需要应尽可能快速地到达最终通量密度(用于测量最终m/z的离子);因此,控制器设定在牢记此目标的前提下优化。跳跃之后,磁通量密度的稳定性最为重要;因此在已到达第二磁通量密度之后,可切换控制器设定以使用那些实际上从静态校准针对质谱仪参数的所述特定集合导出的控制器设定。在转变周期中,可采用静态和动态控制器设定的组合,其中考虑跳跃期间通过控制器设定确定的长期漂移效应,否则采用通过静态校准获得的设定。
[0122] 可在无用户交互的情况下自动实行确定针对静态和动态磁场两者的控制器设定的各种不同方法。可例如每年或每两年和/或在焙烤系统之后重复设定的确定。还需要在仪器针对高分辨力参数化时实行控制器设定确定,以便获得离子分析期间的最大精确度。
[0123] 使用峰值边沿用于磁通量密度控制。
[0124] 转向图8,展示形成离子检测器120的离子收集器(例如法拉弟杯)的特定布置。
[0125] 经常,并非落到检测器120的质量范围内的所有质量用于测量同位素比。当测量CO2(质量44)时,可能存在不来自分析物气体的质量,例如Ar(质量40)。或者,并非来自分析物气体的所有同位素对于特定分析问题都是相关的。在任一情况下,经识别存在但不具有分析用途的离子物质可用作“牺牲”质量以收集在如图8中所展示的可变多收集器离子检测器中。
[0126] 如该图中所见,离子检测器120包括多个空间上分离的离子收集器500、510、520。离子收集器的相对位置可调节:确切地说,第三离子收集器520位置可单独调节,和/或两个或所有三个收集器可相对移动。此外,在一个实施例中,收集器位置可手动地调节,然而在其它实施例中,数字控制器或另一微处理器可调节离子收集器的位置以便实现下文的效应。
[0127] 通过调节加速电位、磁通量密度和绝对/相对收集器位置中的一或多者,第一质荷比(m/z)1的离子导向第一收集器500。第二质荷比(m/z)2的离子导向第二收集器510。同时,第三收集器520可经定位使得在分析物的分析期间,质荷比为(m/z)3的牺牲质量在峰值边沿处。如上文所解释,此第三收集器520的信号因此提供一种测量磁体70的磁通量密度的改变的极其精确的方式。与平常一样,经由第一和第二收集器500、510分析其它质量(m/z)1和(m/z)2。
[0128] 来自第三收集器520的信号可反馈到磁体电流源80(用电子方式或由数据记录器400,或经由计算机410-参看图6),以便进一步稳定磁通量密度。
[0129] 存在其中此反馈特别有利的两个情况。第一情况为,测量质量的边沿处存在小肩部。此处,强制性保持磁通量密度尽可能稳定:通过磁通量密度的小改变,将留下所述肩部。通过上文阐述的程序稳定通量密度将增加准确性。因为1ppm的通量密度的变化将等效于峰值的5%的信号强度的变化,所以此技术可用于获得完全落入子ppm范围中的通量密度稳定性。
[0130] 反馈的第二特别有利用途是,当测量具有大峰值的足部处的SEV的小强度时。此处,重要的是保护SEV使其不受相邻质量的大得多的强度影响,且此保护可使用上文阐述的程序进行。
[0131] 尽管图8展示两个分析物离子收集器,当然将理解,可以采用分析物离子物质的其它量(1、3、4…)。此外,可存在其中需要2个或更多不同牺牲质量的情形。
[0132] 以上详细描述已描述本发明可采取的许多形式中的仅几种形式。出于此原因,详细描述意图借助于说明而非借助于限制。技术人员将预期对已经描述的特定实施例的各种修改和添加。举例来说,尽管以上实施例在数字PID控制器的上下文中描述,将理解,预期各种其它控制器,例如(但不限于):具有观测器的状态控制器;“相互依存的”网络控制;直接合成方法;最小原型算法;Dahlin算法;Vogel-Edgar算法;内部模型控制;数字前馈控制;一般线性控制器;R(s)U(s)=T(s)Ysp(s)-S(s)Y(s);R、S、T是任意阶次的多项式;离散时间线性MISO控制器;模型预测控制;和/或模糊控制。
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