實驗室分析儀器--質譜儀的電子倍增器檢測器結構原理

電子倍增器是一個能高倍放大微弱離子信號的檢測器件。按打拿極的排列方式區分，有分離打拿極式電子倍增器和通道式電子倍增器（CEM）。圖2（a）為分離打拿極式電子倍增器的結構示意。當進入電子倍增器的離子轟擊第一個電子打拿極（倍增器電極）后，會激發出大量的二次電子，這些電子在電場的作用下會加速繼續轟擊第二個電極，從而產生更多的電子，而這些電子接著再去轟擊第三個電極，如此相繼轟擊而產生越來越多的二次電子，最后再用一個電子接收器將這些電子信號輸出，從而達到放大輸入信號的目的。通常一個電子倍增器約有16～20個電子打拿極，可將離子信號放大達10⁴～10⁸倍。

圖2 電子倍增器結構示意圖

通道式電子倍增器又稱為連續打拿極電子倍增器，見圖2（b），工作原理類似于分離打拿極式電子倍增器。其結構由一個彎曲的漏斗狀玻璃管構成，二次電子沿彎管加速，并在對應管內壁連續碰撞出更多的二次電子形成沿彎管逐漸增大的電子流，最后在接收極輸出電信號。

需要注意的是，所有類型的倍增檢測器在使用過程中增益都會因使用時間的增長而逐漸變小，這就需要根據儀器靈敏度的要求定期調整倍增器的工作電壓，使增益保持在適當的水平。最終，電壓達到其使用極限值后，如果增益下降顯著，就需要立即更換電子倍增器。

圖3 計數法測量的原理框圖

數字采集通常有模擬和計數兩種方式。在一些儀器中，模擬放大器部分設計成積分器形式，此時反饋電阻被去掉，能獲得更好的信噪比（SNR）。計數方式一般采用寬帶前置放大器結合快甄別器。在飛行時間質譜的數據采集系統中，用時間數字轉換器（TDC）替代計數器（見圖3）

隨著模擬和數字技術的快速發展及成本的降低智能化數據采集成為一種趨勢。來自檢測器的模擬信號被快速轉換為數字信號，再進行數字濾波、校正以及譜累加等。例如，將來自ADC的數據與設定閾值比較，大于閾值的數據被記錄下來，小于閾值的則被認為是噪聲而被舍棄從而提高信噪比、減少數據量。采用高階數字濾波器可實現較為理想的通帶頻率特性，顯著提高信噪比，并降低高頻模擬信號電路實現的難度。此外，智能模塊化數據采集也減少了給主控計算機的數據量，同時具有更好的可編程特性。

磁式質譜儀中，多接收器的采用可消除離子源和部分儀器狀態隨時間波動對測量結果的影響，適用于高精度同位素比值分析。但由于存在不同通道的零點校正和增益差，需在數據采集系統中增加校準回路。典型的校準回路采用精密開關將標準電流分別接入到各前置放大器的輸入端，在離子流關斷的條件下分別測量各放大器的輸出，如圖4所示。這些數據被用來校正實際測量過程中各通道間的偏差。

圖4 典型的多通道數據采集校正電路