一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛行時間質譜技術，具體為一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法。
【背景技術】
[0002]飛行時間質譜的基本原理是帶電離子在加速電場作用下獲得一定動能后，快速飛行到探測器從而被探測。通常為了獲得可觀察的電壓信號，還會對信號進行電子倍增和電壓放大的處理。由于帶電離子的荷質比會影響離子到達探測器的時間，因此飛行時間質譜是目前質譜分析儀中的一項重要識別技術。飛行時間質譜具有時間響應快、空間分辨率強以及探測靈敏度高等特點，被廣泛應用于各類基礎科學研究、航空航天等高科技領域，在與民生息息相關的食品安全、生物醫藥、環境監測等技術領域，也都有十分廣泛的用途。
[0003]飛行時間質譜上的離子信號呈脈沖型尖端形狀。電壓信號出現的時間取決于離子的荷質比、加速電壓以及離子的飛行距離。離子信號的數目、能量以及空間分布均會影響離子信號的強度幅度和時間寬度。因此人們通常選擇電壓信號的面積，即電壓強度對時間的積分，來表征離子信號的強度，用面積數值的相對大小表征離子信號的相對強弱。飛行時間質譜的超高靈敏度使得它可以探測少數離子，甚至可以探測單個離子。因此獲得單個離子信號的具體強度數值對定量分析時間質譜至關重要。但是目前缺乏一種易于操作且能夠精確獲知單個離子信號強度的方法。
【發明內容】
[0004]本發明為解決目前飛行時間質譜技術中難以精確探測單個離子強度的技術問題，提供一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法，為定量分析時間質譜提供了一種易于操作，切實可行的通用技術。
[0005]本發明是采用以下技術方案實現的:一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法，包括如下步驟:
(a)控制待測離子源以脈沖形式發射離子；由待測離子源發射的離子在加速電場的作用下在真空環境中加速飛向離子探測器后被轉換成相應的電流信號，再轉換為相應的電壓信號，并進行放大，最后輸入數字示波器，得到呈現為信號峰的離子信號；
(b)調節數字示波器的觸發電平，針對每個觸發電平，利用洛倫茲擬合獲得一個相應信號峰包圍的面積值，也就是一個脈沖發射的離子信號的強度，進而得到不同觸發電平下一個脈沖發射的離子信號的強度；
(C)根據上一步驟中得到的數據畫出離子信號的強度與觸發電平的關系曲線，并進行線性擬合，根據擬合結果反推出觸發電平為零時離子信號的峰面積，即得到單個離子信號的強度值。
[0006]本發明通過常規技術手段使待測離子源以脈沖形式發射離子，進而通過離子探測器探測接收，最終在數字示波器上得到離子的信號峰；調節數字示波器的觸發電平，在每個觸發電平下均能得到離子源在一個脈沖中所發射離子的信號強度，也就是得到一個觸發電平與一個脈沖發射的離子信號強度的關系；記錄多個觸發電平下的離子信號強度值，畫出相應的圖像，經過線性擬合就可以反推出單個離子的信號強度。
[0007]本發明所述方法可適用于不同的待測離子源，只需控制待測離子源以脈沖形式發射離子即可。所述的離子探測器、加速電場等均是本領域的常規技術。洛倫茲擬合能夠提高對信號峰面積值的計算精度。
[0008]進一步的，步驟(b)中在每個觸發電平下對離子源信號多次測量，即獲得每個觸發電平下的多個脈沖的離子信號，然后再取平均值，作為該觸發電平下的一個脈沖發射的離子信號的強度。
[0009]取平均值可以使最終結果更加精確可靠。
[0010]進一步的，步驟(a)中控制離子源以納秒脈沖發射離子。
[0011]納秒脈沖能夠保證每個脈沖發射的離子數量極少，并且可以保證時間質譜上離子信號的時間分辨，這樣就可以進一步提高測量的精確度。
[0012]本發明采用洛倫茲擬合以及線性擬合，進而反推出單個離子的信號強度，所用方法結果精確可靠，操作十分簡單，可以應用于對多種離子源的探測。
【附圖說明】
[0013]圖1測量飛行時間質譜中單個離子信號的裝置示意圖。
[0014]1-真空室；2_離子栗；3_待測離子源；4_加速柵網；5_微通道板；6_不銹鋼電極；
7-加速柵網供電電源；8_微通道板供電電源；9_數字延遲脈沖發生器；10_離子源控制器；11-數字示波器；12_脈沖信號放大器；13_觸發電平控制器。
[0015]圖2飛行時間質譜。圖中的觸發電平是8mV，黑色實線是洛倫茲擬合，圖中數據A是峰號的面積。
[0016]圖3離子信號積分面積與觸發電平的關系。圖中線性擬合得到與y軸交點的面積值0.27V (4) *ns，即對應于單個銫原子離子信號強度。
【具體實施方式】
[0017]圖1是本發明具體應用時所用裝置的結構示意圖。
[0018]標示I是一個真空室，壓強達到10 3-10 4Pa即可。在本實驗中，真空壓強可以達到10 7Pa,由離子栗維持真空度。真空腔體內是飛行時間質譜的最基本結構:標示4是一個加速柵網，由加速柵網供電電源7提供恒定電壓；標示3是待測離子源，本實驗使用的是堿金屬原子銫的離子源。標示5是兩塊微通道板，二者之間用薄不銹鋼圓形環片隔開。為了減小探測信號的噪聲，微通道板的通道方向反向放置。標示8是微通道板的供電電源。標示6是一塊不銹鋼電極(收集極)。標示9是一個數字延遲脈沖發生器，可產生納秒量級甚至皮秒量級的脈沖控制信號。標示10是一個離子源控制器，用于控制離子源的產生。本實驗中標示10具體采用一臺脈沖染料激光器，可產生寬度為8ns的光脈沖。標示12是脈沖信號放大器，其功能是將不銹鋼電極的電流信號轉化為電壓信號，并進行放大。標示11是一臺數字示波器。用于記錄和存儲飛行時間質譜的信號。標示13是數字示波器的觸發電平控制器。
[0019]具體探測時，數字延遲脈沖發生器9產生納秒量級的控制信號輸入到離子源控制器10，產生納秒脈沖的光，進而得到納秒脈沖的離子源(標示3)。或者通過使加速柵網供電電源7產生納秒脈沖電壓，同樣可以得到納秒脈沖的離子源。離子源在加速柵網4產生的加速電場的作用下加速飛向離子探測器(由標示5、6、8組成)，經過電子倍增效應得到的大量電子形成電流。通過脈沖信號放大器12將電流轉換為電壓信號，并進行放大，最后通入數字示波器11。
[0020]第一步:調節觸發電平控制器13的觸發電平，可以在數字示波器上記錄不同觸發電平下的離子信號，經數據處理得到電壓對時間的積分面積。圖2是觸發電平設置為SmV時，數字示波器采集到的一幅典型的銫原子離子的飛行時間質譜信號。信號的凹陷越深、寬度越大代表電子倍增后的電子數越多。由于采集信號電路和放大電壓電路中存在電容等電子元件，使得電壓信號出現振蕩。利用洛倫茲擬合可以獲得峰信號的面積值，即可得到離子信號的強度。
[0021]第二步:測量一系列觸發電平下的銫原子離子的飛行時間質譜。在相同觸發電平下多次測量，取平均值，畫出離子信號的積分面積(經過洛倫茲擬合后得到的面積值)與觸發電平的關系，進行線性擬合得到表征單個離子信號的強度的面積數值。圖3是測試的結果。可見隨著觸發電平的增加，離子信號的面積呈線性增加。進行線性擬合，反推到觸發電平為零時的面積即是單個離子強度的定量表示。
[0022]說明:1.在使用本發明所述方法進行單離子強度測量時，應使得離子源的數目盡量少。2.在其他裝置上利用本發明所述方法進行單離子強度測量時，部分裝置的改變，例如離子源，離子探測器，放大器等改變時，獲得的單離子面積也不同。但所述的裝置，尤其是方法具有通用性。獲得了單離子信號強度便可以進行定量分析。
【主權項】
1.一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法，其特征在于，包括如下步驟: Ca)控制待測離子源以脈沖形式發射離子；由待測離子源發射的離子在加速電場的作用下在真空環境中加速飛向離子探測器后被轉換成相應的電流信號，再轉換為相應的電壓信號，并進行放大，最后輸入數字示波器，得到呈現為信號峰的離子信號； (b)調節數字示波器的觸發電平，針對每個觸發電平，利用洛倫茲擬合獲得一個相應信號峰包圍的面積值，也就是一個脈沖發射的離子信號的強度，進而得到不同觸發電平下一個脈沖發射的離子信號的強度； (C)根據上一步驟中得到的數據畫出離子信號的強度與觸發電平的關系曲線，并進行線性擬合，根據擬合結果反推出觸發電平為零時離子信號的峰面積，即得到單個離子信號的強度值。2.如權利要求1所述的一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法，其特征在于，步驟(b)中在每個觸發電平下對離子源信號多次測量，即獲得每個觸發電平下的多個脈沖的離子信號，然后再取平均值，作為該觸發電平下的一個脈沖發射的離子信號的強度。3.如權利要求1或2所述的一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法，其特征在于，步驟(a)中控制離子源以納秒脈沖發射離子。
【專利摘要】本發明涉及飛行時間質譜技術，具體為一種測量飛行時間質譜中單個離子信號的方法。解決了目前飛行時間質譜技術中難以精確探測單個離子強度的技術問題。本發明通過常規技術手段使待測離子源以脈沖形式發射離子，進而通過離子探測器探測接收，最終在數字示波器上得到離子的信號峰；調節數字示波器的觸發電平，在每個觸發電平下均能得到離子源在一個脈沖中所發射離子的信號強度，也就是得到一個觸發電平與一個脈沖發射的離子信號強度的關系；記錄多個觸發電平下的離子信號強度值，畫出相應的圖像，經過線性擬合就可以反推出單個離子的信號強度。該方法操作簡單，測量結果精確度高。
【IPC分類】G01R19/25
【公開號】CN105158551
【申請號】CN201510492655
【發明人】姬中華, 趙延霆, 肖連團, 賈鎖堂
【申請人】山西大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月12日