阅读说明：本技术 集成式倍增检测装置 (Integrated form multiplication detection device ) 是由 薛兵 丁宇红 姜健 任维松 唐朝阳 沈辉 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种集成式倍增检测装置，包括：电子倍增打拿极、信号电子收集极、盖板部件以及电压分配元器件；所述盖板部件包括：印刷电路单元；所述电子倍增打拿极、信号电子收集极设置于盖板部件面向真空的一侧；所述电压分配元器件设置于盖板部件面向真空一侧相对应的另一侧；所述电压分配元器件设置于印刷电路单元上。本发明能够在真空系统中，实现多次倍增放大微小离子流的问题。本发明能够让在真空中进行电子倍增的器件和其它放大器件集成在同一个印刷电路板的两面上；本发明突破现有技术中的缺陷，使用方便，且性价比较高。(The invention provides an integrated multiplication detection device, which comprises: the electron multiplier dynode, the signal electron collector, the cover plate component and the voltage distribution component; the cover member includes: a printed circuit unit; the electron multiplier dynode and the signal electron collector are arranged on one side of the cover plate component facing to vacuum; the voltage distribution component is arranged on the other side of the cover plate component corresponding to the vacuum side; the voltage distribution component is arranged on the printed circuit unit. The invention can realize the problem of multiply amplifying the micro ion current for many times in a vacuum system. The invention can integrate the device for electron multiplication and other amplifying devices in vacuum on two sides of the same printed circuit board; the invention breaks through the defects in the prior art, is convenient to use and has higher cost performance.)

集成式倍增检测装置

技术领域

本发明涉及物理仪器装置领域，具体地，涉及一种集成式倍增检测装置，尤其是一种在真空系统中检测微小粒子流的仪器装置。

背景技术

很多仪器需要检测在真空装置中产生的微小带电粒子流。比如在质谱仪中，离子经过按其质荷比分离以后，打到检测器上形成电流信号。经常这种电子流的信号很小，即使经过高倍放大器放大，也会掩埋在电子噪声中。通常人们可以用一个电子倍增器来作为检测器，使最初的粒子流，先转化成电子流，再经过逐级倍增，放大几十万到几百万倍，然后再送到放大器放大，就能成功地把信号检测出来了。传统的电子倍增器由一系列打拿极组成。其上的电压由高压电源经过分压电阻产生，从电子的进口到出口，打拿极的电位逐步上升。电子受电场的吸引，打上第一个打拿极。在打拿极上，一个电子可以打出两个到四个二次电子，然后这些二次电子再次受到电场吸引，加速打到第二个打拿极上；这样在第二个打拿极上，每个电子又倍增为2个到4个；然后每个电子再受电场吸引，打到第三个打拿极上，再次得到倍增。譬如:每次倍增的倍增率为3，那么经过10次倍增以后，一个入射的电子就会产生310个电子的输出。也就是说这个倍增器的总体倍增率达到59000。通常打拿极由金属片做成，装在陶瓷支架上，形成整个倍增器。质谱仪的倍增器还有一个转换电极，它可以将入射的离子2首先转换成二次电子6，然后这些二次电子再经过倍增器逐级地倍增，输出一个电流信号。也有的倍增器设计成一个玻璃管道，在这个玻璃管道的内壁上，通过加热析出，形成一层铅膜。由于这层铅膜是高电阻性的，在这个管道的两端加上高压以后，这个管道内就形成一个电位梯度。电子从一头进入，不断地在内壁上撞击、倍增，并向另一端移动，最后在管子的另一端，就形成几百万倍的电子流。这种结构的倍增器又叫做通道式倍增器(英文名为:Channeltron)。通道电子倍增器具备小巧、造价便宜的特点。当然它是玻璃结构，也有易碎的特点，同时也存在饱和电流较低的缺点。

专利文献CN109712864A公开了一种简化质谱仪，包括：第一印刷电路板、第二印刷电路板和格栅电极板，格栅电极板设置于第一印刷电路板和第二印刷电路板之间；第一印刷电路板、第二印刷电路板上相向设置有平行导电条，格栅电极板上设置有格栅电极，相向设置的平行导电条分别与格栅电极共同构成复式并列的离子阱；简化质谱仪还包括连通到真空泵的壳体，壳体内部通过真空泵将复式并列的离子阱置于真空腔中。该专利仍然不具备电子倍增的功能，也就是说在检测微小信号的时候都无法进一步地在真空腔内将粒子流信号先行放大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种集成式倍增检测装置。

根据本发明提供的一种集成式倍增检测装置，其特征在于，包括：电子倍增打拿极、信号电子收集极、盖板部件以及电压分配元器件；所述盖板部件包括：印刷电路单元；所述电子倍增打拿极、信号电子收集极设置于盖板部件面向真空的一侧；所述电压分配元器件设置于盖板部件面向真空一侧相对应的另一侧；所述电压分配元器件设置于印刷电路单元上。

优选地，还包括：真空单元；所述印刷电路单元包括：印刷电路板；所述电子倍增打拿极、信号电子收集极与印刷电路板相连；所述印刷电路板的电路层数为一层或者多层；所述印刷电路板上设置一个或者多个盲埋孔以连接不同电路层。

优选地，所述印刷电路板的电路层数为多层。

优选地，所述电子倍增打拿极包括以下任一种或者任多种构件：-压制金属片构件；-印刷电路金属层图案构件；所述压制金属片构件与印刷电路板相连接；所述压制金属片构件包括：间隙排列的压制金属片；所述印刷电路金属层图案构件设置于印刷电路板的表面上。

优选地，所述压制金属片采用以下任意一种材料：-二次电子发射系数大于设定阈值的金属材料；-表面镀有二次电子发射系数大于设定阈值的金属的材料。

优选地，还包括：离子转换打拿极；所述离子转换打拿极位于电子倍增打拿极前端；所述离子转换打拿极位于盖板部件面向真空的一侧；所述离子转换打拿极能够检测正离子或者负离子流。

优选地，所述的电压分配元器件包括分压电阻和高压接插件；所述印刷电路金属层图案构件包括：接地屏蔽构件；以避免高压电源以及真空粒子流装置中的电信号对电子收集极的电信号产生干扰。

优选地，还包括：质谱分析单元；所述质谱分析单元位于盖板部件面向真空的一侧；至少一部分经过质谱分析单元的离子打到所述离子转换打拿极上转化为二次电子，并经过倍增、放大、记录得到质谱图，获取质谱图信息。

优选地，所述质谱分析单元包括：离子阱质量分析器。

优选地，所述离子阱质量分析器采用印刷电路板制成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够在真空系统中，实现多次倍增放大微小离子流的问题；

2、本发明能够让在真空中进行电子倍增的器件和其它放大器件集成在同一个印刷电路板的两面上；

3、本发明突破现有技术中的缺陷，使用方便，且性价比较高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为本发明中电子倍增的基础部件示意图。

图3为本发明中印刷线路板图案。

图4为本发明中电子倍增片连接示意图。

图5为本发明中更简单的电子倍增示意图。

图6为本发明中刷电路板的外侧电路图形。

图中：

盖板1 第四个印刷电路板打拿极13.4

打拿极2 第N个印刷电路板打拿极13.N

分离打拿极3 经过质谱检测后的离子15

第一倍增片3.6 过孔16

第二倍增片3.7 焊盘21

第三倍增片3.8 焊盘21.1

第四倍增片3.9 焊盘23

第一印制图案打拿极31 二次电子25

第二印制图案打拿极32 分压电阻27

第三印制图案打拿极33 焊盘28

第四印制图案打拿极34 耦合器件29

由金属片制成的打拿极3.N 外侧的放大电路30

真空系统11 焊腿31

物理实验装置12 横向电路连接32

第一个印刷电路板打拿极13.1 电流信号4

第二个印刷电路板打拿极13.2 屏蔽环70

第三个印刷电路板打拿极13.3

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图6所示，根据本发明提供的一种集成式倍增检测装置，其特征在于，包括：电子倍增打拿极、信号电子收集极、印刷电路单元、盖板部件以及电压分配元器件；所述盖板部件包括：印刷电路单元；所述电子倍增打拿极、信号电子收集极设置于盖板部件面向真空的一侧；所述电压分配元器件设置于盖板部件面向真空一侧相对应的另一侧；所述电压分配元器件设置于印刷电路单元上。

本发明要解决在真空系统中，实现多次倍增放大微小离子流的问题，也就是要设计一个能在真空中进行电子倍增的器件，让它和其它放大器件集成在同一个印刷电路板的两面上。

优选地，还包括：真空单元；所述印刷电路单元包括：印刷电路板；所述电子倍增打拿极、信号电子收集极与印刷电路板相连；所述印刷电路板的电路层数为一层或者多层；所述印刷电路板上设置一个或者多个盲埋孔以连接不同电路层。

优选地，所述印刷电路板的电路层数为多层。

优选地，所述电子倍增打拿极包括以下任一种或者任多种构件：-压制金属片构件；-印刷电路金属层图案构件；所述压制金属片构件与印刷电路板相连接；所述压制金属片构件包括：间隙排列的压制金属片；所述印刷电路金属层图案构件设置于印刷电路板的表面上。

优选地，所述压制金属片采用以下任意一种材料：-二次电子发射系数大于设定阈值的金属材料；-表面镀有二次电子发射系数大于设定阈值的金属的材料。

优选地，还包括：离子转换打拿极；所述离子转换打拿极位于电子倍增打拿极前端；所述离子转换打拿极位于盖板部件面向真空的一侧；所述离子转换打拿极能够检测正离子或者负离子流。

优选地，所述的电压分配元器件包括分压电阻和高压接插件；所述印刷电路金属层图案构件包括：接地屏蔽构件；以避免高压电源以及真空粒子流装置中的电信号对电子收集极的电信号产生干扰。

优选地，还包括：质谱分析单元；所述质谱分析单元位于盖板部件面向真空的一侧；至少一部分经过质谱分析单元的离子打到所述离子转换打拿极上转化为二次电子，并经过倍增、放大、记录得到质谱图，获取质谱图信息。

优选地，所述质谱分析单元包括：离子阱质量分析器。

优选地，所述离子阱质量分析器采用印刷电路板制成。本发明提出一种对微弱粒子流进行信号倍增放大的装置，该装置集成在产生粒子流的装置的真空系统盖板、或者是盖板法兰的一部分上；其特征包括：包括一块多层印刷电路板，其中在真空的一侧的印刷线路上设有多个电子倍增打拿极和信号电子收集极；另一侧的印刷电路上安装有电压分配元器件和放大电路器件；印刷电路板设有多个不漏气的过孔以连接两侧的电路。

本发明的一个重要特征是打拿极的材料包括具备高二次电子发射系数的金属材料。它可以是用铍铜、镍铍或者银镁合金压制成的金属片，或是在其他金属表面，比如印刷电路敷铜面上镀有铍铜、镍铍或者银镁合金等具备高二次电子发射系数的金属材料。

具体地，在一个实施例中，如图1所示，一种倍增放大装置的包括：真空系统11，真空系统11由腔体和一块盖板1构成，此处忽略密封件(如橡胶垫)的细节。在真空系统中，装有一个物理实验装置12，这个物理实验装置成为产生微小粒子流的源。譬如它可以是一个离子阱质谱仪。经过质谱检测后的离子15，从其中的一个狭缝中射出。

在盖板的真空一侧，也就是内侧，装有许多打拿极。其中打拿极2是一个离子向电子转换的打拿极，它接受了离子阱中射出的离子，产生二次电子25。二次电子25被电场加速，打到第一个印刷电路板打拿极13.1上，产生多个二次电子发射。这些二次电子依次地经过后继的打拿极13.2,……13.N和分离打拿极3，多次倍增，最后经过倍增的电子由收集极14接受。而图中这些打拿极都是通过印刷电路板中的过孔16和印刷电路板外侧的电子元器件连接在一起，以便给它们提供电压，并将接受到的电子信号送至外侧的放大电路30上以进行信号放大和处理。

如图2所示，倍增放大装置的基础部件包括：印刷线路板1，以及其上安装的让离子转换至电子的电极2和打拿极13.N，打拿极3.N。其中打拿极13.N是直接由印刷电路板上的敷铜图案构成，而3.N是由金属片制成的打拿极。离子向电子转换的电极2和打拿极3.N(左上角用立体图进一步显示)都是通过它们的两条腿31直接焊接在印刷线路板1上。

打拿极的打拿面都弯折成一定角度，这样有利于控制二次电子的发射方向，使产生的二次电子能更好地被下一个打拿极接受。

这些金属片打拿极可以用金属片弯折组成，而金属片的材料可以是铍铜、镍铍、铜镁等具备高二次电子发射系数的合金材料，也可以通过在普通金属材料表面镀上这些具备高发射系数的材料制成。而印刷电路板的敷铜图案构成的印刷打拿极13.N也应在普通铜箔表面镀上一层铍铜、镍铍、铜镁等具备高二次电子发射系数的合金材料，有助于二次电子的发射。

如图2、图3所示，印刷电路板1宜采用多层形印刷电路板，层数至少有有上、中、下三层。中间层形成横向电路连接32，有助于形成不透气的过孔。图3的上半侧显示了内层的图案，下半侧显示的是外层的图案。在内层图案中，焊盘21、21.1是用来焊接离子向电子转换电极用的。而焊盘23是用来焊接金属片打拿极3.N用的。这些焊盘通过中间层的导线32，连接到外层的焊盘上。而外层的焊盘通过外层的线路连接到分压电阻27。图中显示了3个印刷的倍增打拿极13.1、13.2、13.3和供金属片倍增打拿极安装的三对焊盘23，总共才6级倍增。而实际应用中，级数可以适当增加或者减少。图4显示了表面贴装的分压电阻27，它们将一个倍增器电源的高压分成了各个分段电压，施加给各个打拿极。图3中的25是一个电子接受极，经过倍增的电子由它来接受，并通过过孔和焊盘28，通过耦合器件29，提供给运算放大器30，进行小信号放大。所以本发明提供的这个实施方案装置包含了电子倍增和小信号放大，全部集成在这个印刷电路板制成的真空盖板上。

如图2所示，一半打拿极13.N是直接用印刷电路板的敷铜图案做成的，但也可以像图5中所示的一样将铍铜等材料制成的第一倍增片3.6、第二倍增片3.7、第三倍增片3.8、第四倍增片3.9焊接在印刷电路板的铜面上。由于金属片可以弯成必要的形状，所以这种焊接上的倍增打拿极就能够更好地控制二次电子的发射方向，有助于提高二次电子的接受效率。

在另一个实施例中，二次电子的接受效率也可以通过控制相对电极的距离和位移来得到充分的保证。如图5所示，在一种倍增放大装置中，原来所有的金属片打拿极3.N被替换成另一块印刷线路板做成的印刷电路图形打拿极。这块印刷线路板63，通过一组引脚64焊接在主印刷线路板1上，以提供电压给其上的各个打拿极。这些第一印制图案打拿极31、第二印制图案打拿极32、第三印制图案打拿极33、第四印制图案打拿极34与前述主印刷电路板上印制图案打拿极13.1、13.2、13.3、13.4呈面对面交错放置。这样设计，省去了装配时焊接多块金属片打拿极的工作量，进一步降低了成本。

综上所述本发明的实施特例包含不同的打拿极构成方案，打拿极既可以由铍铜、镍铍等金属片来构成，并焊接在印刷线路板上，也可以直接是由印刷电路板上的敷铜面构成。为了提高二次电子增益，这些敷铜层的表面镀有铍铜、镍铍或者银镁合金材料。

值得强调的是：印刷线路板1的气密性必须得到保证，优选将内侧和外层的这些引线焊盘之间的电连接通过中间层转折方式来连接。也就是说在内表面和外表面的焊盘不是对准联通的，而是要通过中间层的铜引线来连在一起，这在图2、3中已有明确显示。

打拿极3.N和将离子转换成电子的转换极2是由适合于真空的焊锡，比如银锡合金焊条，来焊在印刷线路板上，焊接结束后，一定要经过有机溶剂的清洗，去除残存的助焊剂和多余的锡渣。焊接过程中一定要避免把焊锡溅到打拿极的表面。

本发明为了能够探测离子，其中一个特例中还包括一个离子向电子转换的打拿极，这个打拿极也通过焊接，安装在印刷线路板的真空一侧。

在大气的一侧，印刷线路板上安装的电压分配器件包括分压电阻等，也可包括连接高压电源的高压接插件。同时在大气的一侧印刷线路板上安装的信号放大电路，包括电阻、电容和运算放大分立或集成电路。另外，在内外层的印刷电路图形中，包含对高压和小信号屏蔽的电极环。图6是图3的印刷电路板的外侧电路图形。这里除了在原有的表面贴装电阻、电容和放大芯片以及它们的连接焊盘以外，还加了一圈屏蔽环70，以隔离高压电路和小信号电路。屏蔽环的图形应根据实际电路需要设计，它既可以设在外侧(大气一侧)，也可以设在内侧(真空一侧)或两侧兼有。

为了保证盖板的气密性，印刷电路板的基质材料宜采用由适合真空装置的材料构成。如果真空系统是一个中真空系统，比如在10-3毫巴的数量级，印刷线路板可以采用普通FR4等树脂玻璃纤维材质的印刷电路板做成。如果是运用在高真空或超高真空的范围中，应该采用陶瓷基质的或者是PTFE基质的印刷电路板材料。

本发明的主旨是设计一个粒子流倍增和小信号放大的集成装置，但也不排除将信号粒子流产生的装置和它集成在一起，比如说：图1中的离子阱，如果可以由印刷电路板做成，它也可以进一步地集成或者是焊接在印刷线路板1上，形成一体化。

图3给出的印刷线路板图案只是为了解释本发明而提供的示意图。本行业的技术人员可以设计更加复杂的印刷线路板图案，以适合相应的倍增率和相应的电场环境，还可以加上一些信号屏蔽功能。

印刷电路板的集成、电子倍增和信号放大有利于降低成本、提高生产效率。这种装置的具体设计可以有更多的变化，以适应于各种器件装置的需要，行业内人员可以对此进行更多的改变，但是这不能排除在本发明的范围之外。

本发明能够在真空系统中，实现多次倍增放大微小离子流的问题；本发明能够让在真空中进行电子倍增的器件和其它放大器件集成在同一个印刷电路板的两面上；本发明突破现有技术中的缺陷，使用方便，且性价比较高。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、单元、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、单元、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、单元、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、单元、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、单元、单元视为既可以是实现方法的软件单元又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。