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实验室分析仪器--质谱仪的电子倍增器检测器结构原理

深蓝

2023/01/29

气质联用（GCMS）

电子倍增器是一个能高倍放大微弱离子信号的检测器件。按打拿极的排列方式区分，有分离打拿极式电子倍增器和通道式电子倍增器（CEM）。图2（a）为分离打拿极式电子倍增器的结构示意。当进入电子倍增器的离子轰击第一个电子打拿极（倍增器电极）后，会激发出大量的二次电子，这些电子在电场的作用下会加速继续轰击第二个电极，从而产生更多的电子，而这些电子接着再去轰击第三个电极，如此相继轰击而产生越来越多的二次电子，最后再用一个电子接收器将这些电子信号输出，从而达到放大输入信号的目的。通常一个电子倍增器约有16～20个电子打拿极，可将离子信号放大达10⁴～10⁸倍。

图2 电子倍增器结构示意图

通道式电子倍增器又称为连续打拿极电子倍增器，见图2（b），工作原理类似于分离打拿极式电子倍增器。其结构由一个弯曲的漏斗状玻璃管构成，二次电子沿弯管加速，并在对应管内壁连续碰撞出更多的二次电子形成沿弯管逐渐增大的电子流，最后在接收极输出电信号。

需要注意的是，所有类型的倍增检测器在使用过程中增益都会因使用时间的增长而逐渐变小，这就需要根据仪器灵敏度的要求定期调整倍增器的工作电压，使增益保持在适当的水平。最终，电压达到其使用极限值后，如果增益下降显著，就需要立即更换电子倍增器。

图3 计数法测量的原理框图

数字采集通常有模拟和计数两种方式。在一些仪器中，模拟放大器部分设计成积分器形式，此时反馈电阻被去掉，能获得更好的信噪比（SNR）。计数方式一般采用宽带前置放大器结合快甄别器。在飞行时间质谱的数据采集系统中，用时间数字转换器（TDC）替代计数器（见图3）

随着模拟和数字技术的快速发展及成本的降低智能化数据采集成为一种趋势。来自检测器的模拟信号被快速转换为数字信号，再进行数字滤波、校正以及谱累加等。例如，将来自ADC的数据与设定阈值比较，大于阈值的数据被记录下来，小于阈值的则被认为是噪声而被舍弃从而提高信噪比、减少数据量。采用高阶数字滤波器可实现较为理想的通带频率特性，显著提高信噪比，并降低高频模拟信号电路实现的难度。此外，智能模块化数据采集也减少了给主控计算机的数据量，同时具有更好的可编程特性。

磁式质谱仪中，多接收器的采用可消除离子源和部分仪器状态随时间波动对测量结果的影响，适用于高精度同位素比值分析。但由于存在不同通道的零点校正和增益差，需在数据采集系统中增加校准回路。典型的校准回路采用精密开关将标准电流分别接入到各前置放大器的输入端，在离子流关断的条件下分别测量各放大器的输出，如图4所示。这些数据被用来校正实际测量过程中各通道间的偏差。

图4 典型的多通道数据采集校正电路

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