阅读说明：本技术 改进的带电粒子检测器 (Improved charged particle detector ) 是由 W.谢尔斯 R.斯特雷索 K.宏特 于 2018-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明总体上涉及科学分析设备的部件，并且涉及分析设备的完整条目。更具体地，本发明涉及在质谱应用中用于检测离子的装置和方法。该装置可以包括具有高灵敏度部段和低灵敏度部段的电子倍增器，或者电子倍增器与单独供电的转换倍增电极(特别是高能转换倍增电极)的组合，或者物理地结合在电子倍增器内或周围的转换倍增电极的组合。(The present invention relates generally to components of scientific analysis equipment and to complete items of analysis equipment. More particularly, the present invention relates to apparatus and methods for detecting ions in mass spectrometry applications. The device may comprise an electron multiplier having a high sensitivity section and a low sensitivity section, or a combination of an electron multiplier and a separately powered conversion dynode, in particular a high energy conversion dynode, or a combination of conversion dynodes physically incorporated in or around the electron multiplier.)

改进的带电粒子检测器

技术领域

本发明总体上涉及科学分析设备的部件，并且涉及分析设备的完整条目。更具体地，但不排他地，本发明涉及在质谱应用中用于检测离子的装置和方法。

背景技术

在许多科学应用中，放大电子信号是必要的。例如，在质谱仪中，分析物被电离以形成一系列带电粒子(离子)。然后，通常通过加速和暴露于电场或磁场中，根据它们的质荷比分离所得离子。分离的信号离子撞击离子检测器表面以产生一个或多个二次电子。结果显示为作为质荷比函数的所检测离子的相对丰度的光谱。

在其他应用中，待检测的粒子可以不是离子，并且可以是中性原子、中性分子、电子或光子。在任何情况下，仍然提供了粒子撞击的检测器表面。

由输入粒子对检测器的撞击表面的撞击产生的二次电子通常被电子倍增器放大。电子倍增器通常通过二次电子发射来操作，由此单个或多个粒子对倍增器撞击表面的撞击导致与撞击表面的原子相关联的单个或(优选地)多个电子被释放。

对于某些应用，需要具有非常高灵敏度水平的粒子检测器，以便允许检测其他物种中的单个离子。例如，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)将被分析的原子转换成离子(在ICP源处)。如此形成的离子然后被质谱仪分离和检测。ICP-MS通常需要使用专门的电子倍增器来处理极宽的动态范围的输出。在现有技术中，已知一系列倍增器可以处理由多个离子产生的电平非常高的信号，同时仍然能够检测由单个离子的撞击产生的非常低的信号。

不管灵敏度水平如何，本领域仍然需要动态范围的进一步改进。据申请人所知，自20世纪90年代引入这些仪器以来，它们的动态范围没有实质性的改进。

在检测效率、响应线性度、增益稳定性、微分漂移和使用寿命方面的改进在本领域中也是普遍期望的。

本领域还希望简化质谱仪器的结构，并且也便于维护和更换任何转换表面和/或电子发射表面。

对文件、动作、材料、设备、物品等的讨论包括在本说明书中，仅仅是为了提供本发明的上下文的目的。这并不暗示或表示任何或所有这些内容形成现有技术基础的一部分，或者是在本申请的每个权利要求的优先权日之前存在的与本发明相关的领域中的公知常识。

发明内容

在本发明的第一方面，但不一定是最广泛的方面，提供了一种用于检测带电粒子的装置，该装置包括：转换倍增电极，其被配置为在被粒子撞击时发射一个或多个二次电子或离子；电子倍增器，其被配置为从由转换倍增电极发射的一个或多个二次电子或离子形成放大的电子信号输出。

在第一方面的一个实施例中，电子倍增器具有相对低灵敏度部段(section)和相对高灵敏度部段。

在第一方面的一个实施例中，转换倍增电极与电子倍增器单独供电。

在第一方面的一个实施例中，转换倍增电极是高能转换倍增电极。

在第一方面的一个实施例中，转换倍增电极物理地结合在电子倍增器内或电子倍增器周围。

在第二方面，本发明提供了一种用于检测带电粒子的装置，该装置包括：转换倍增电极，其被配置为在被粒子撞击时发射一个或多个二次电子或离子；电子倍增器，其被配置为从由转换倍增电极发射的一个或多个二次电子或离子形成放大的电子信号输出，其中转换倍增电极物理地结合在电子倍增器内或电子倍增器周围。

在第二方面的一个实施例中，转换倍增电极与电子倍增器单独供电和/或不电耦合到电子倍增器的倍增电极。

在第二方面的一个实施例中，其中，电子倍增器具有相对低灵敏度部段和相对高灵敏度部段。

在第二方面的一个实施例中，转换倍增电极与电子倍增器单独供电和/或不电耦合到电子倍增器的倍增电极。

第二方面的一个实施例中，转换倍增电极是高能转换倍增电极。

在第三方面，本发明提供了一种用于检测带电粒子的装置，该装置包括：转换倍增电极，其被配置为在被粒子撞击时发射一个或多个二次电子或离子；电子倍增器，其被配置为从由转换倍增电极发射的一个或多个二次电子或离子形成放大的电子信号输出，其中转换倍增电极与电子倍增器单独供电和/或不电耦合到电子倍增器的倍增电极。

在第三方面的一个实施例中，转换倍增电极是高能转换倍增电极。

在第三方面的一个实施例中，转换倍增电极物理地结合在电子倍增器内或电子倍增器周围。

在第三方面的一个实施例中，电子倍增器具有相对低灵敏度部段和相对高灵敏度部段。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，与相对低灵敏度部段的电子信号输出相比，相对高灵敏度部段的电子信号输出是相对高增益的电子信号输出。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，相对低灵敏度部段是模拟部段，并且相对高灵敏度部段是配置为输出一系列脉冲高度的数字部段。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，数字部段输出被配置为可用作电子计数电路中的输入。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，相对高灵敏度部段和相对低灵敏度部段各自包括一个或多个分立的倍增电极，其中电子倍增器被配置成使得相对低灵敏度部段提供相对低增益的电子信号输出，而相对高灵敏度部段提供相对高增益的电子信号输出。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，相对高灵敏度部段和/或相对低灵敏度部段被配置为在至少约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、75或100μA的输出电流下操作。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，转换倍增电极具有大于约+1、+2、+3、+4、+5、+6、+7、+8、+9+10kV、+15kV或+20kV或小于约-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-15或-20kV的施加电压。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，施加到转换倍增电极的电压与施加到电子倍增器的相对低灵敏度部段的电压解耦。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，相对低灵敏度部段包括至少约6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16个分立的倍增电极。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，相对高灵敏度部段包括至少约10、11、12、13、14、15、16、17或18个分立的倍增电极。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，转换倍增电极与电子倍增器的结构成一体，紧邻电子倍增器，或者在电子倍增器结构内。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，施加到转换倍增电极的偏压低于在相同装置的情况下施加的偏压，即使在所述相同装置的远侧设置有转换倍增电极，较低的电压使得通常与使转换倍增电极靠近电子倍增器相关联的任何有害影响被降低或消除。

在第一方面或第二方面或第三方面的一个实施例中，施加到转换倍增电极的偏压小于约5、4、3、2或1kV。

在第四方面，本发明提供了一种质谱仪器，其包括第一方面的任何实施例的装置。

在第四方面的一个实施例中，质谱仪器被配置为检测以小于约0.1ppb、0.01ppb、1ppt、0.1ppt、0.01ppt或1ppq的浓度存在的目标粒子。

在第四方面的一个实施例中，质谱仪器被配置为执行电感耦合等离子体质谱。

在第五方面，本发明提供了一种对样品进行质谱分析的方法，该方法包括将用于分析的样品引入第一方面的任何实施例的质谱仪器中的步骤，以及操作该仪器以提供一个或多个电子信号输出的步骤。

在第五方面的一个实施例中，质谱分析能够检测以小于约0.1ppb、0.01ppb、1ppt、0.1ppt、0.01ppt或1ppq的浓度存在的目标粒子。

在第五方面的一个实施例中，质谱是电感耦合等离子体质谱。

附图说明

图1A图解地示出了本发明的优选装置，其在用于质谱装置的检测器的上下文中是有用的。

图1B图解地示出了优选装置，其中转换倍增电极包含在电子倍增器的结构中。

图1C图解地示出了优选装置，其中转换倍增电极包含在电子倍增器的结构中。该装置没有本发明的其他实施例中存在的高增益部段和低增益部段，而是仅包括单个增益部段。该实施例可以与模拟或脉冲计数检测电子装置结合使用。

图2A图解地示出了图1的装置，但是示出了电荷粒子的路径：正离子到高能转换倍增电极上的撞击点，以及电子从转换倍增电极到电子倍增器的倍增电极。

图2B图解地示出了配置为检测负离子的图2A的装置。负离子行进通过输入孔口到达转换倍增电极，正离子从该倍增电极发出。正离子行进到电子倍增器的第一倍增电极。

图2C图解地示出了图1B的装置，其被配置为检测正离子，并且具有包含在电子倍增器的结构内的转换倍增电极。

图2D图解地示出了图1B的装置，其被配置为检测负离子，并且具有包含在电子倍增器的结构内的转换倍增电极。

图3是本发明的优选装置的原型的照片，示出了外部呈现的主要物理特征。

图4示出了图3的原型装置的模型操作参数。字母“m”到“v”仅用于识别曲线。

图5A是示出作为离子质量和能量的函数的来自离子碰撞的二次电子产率的曲线图。二次电子产率随质量的变化在光谱中产生“质量偏差”效应。字母“m”到“v”仅用于识别曲线。

图5B是示出平均值＝0.8、2.0和4.0的泊松概率分布函数的曲线图。最大可能的检测效率受到泊松统计的限制。

图6A是从图3的原型检测器的低增益(模拟)部段产生的增益曲线。

图6B是从图3的原型检测器的高增益(脉冲输出)部段产生的增益曲线。

图7示出了由图3的原型检测器产生的平台曲线，其中高能转换倍增电极被偏置到-5kV和-10kV。字母“m”和“n”仅用于识别曲线。

图8A是具有开口面积比(OAR)为30％的***倍增电极的电子倍增器与开口面积比为75％的***倍增电极相比的模拟增益曲线。

图8B是具有开口面积比为30％的***倍增电极的电子倍增器与开口面积比为75％的***倍增电极相比的脉冲增益曲线。对于这两个电子倍增器，高能转换倍增电极被偏置到-10kV。

具体实施方式

在考虑该描述之后，对于本领域技术人员来说，如何在各种替代实施例和替代应用中实现本发明将是显而易见的。然而，尽管本文将描述本发明的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为示例而非限制来呈现。因此，对各种替代实施例的描述不应被解释为限制本发明的范围或广度。此外，优点或其他方面的陈述适用于特定的示例性实施例，而不一定适用于权利要求覆盖的所有实施例。

贯穿本说明书的描述和权利要求书，词语“包括(comprise)”和该词语的变体，例如“包含(comprising)”和“包括(comprises)”并不旨在排除其他添加剂、部件、整体或步骤。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在不同地方的出现不一定都指同一实施例，但是可以指同一实施例。

应当理解，并非本文描述的本发明的所有实施例都具有本文公开的所有优点。一些实施例可能具有单个优点，而其他实施例可能根本没有优点，并且仅仅是现有技术的有用替代。

本发明至少部分地基于申请人的以下发现：具有高灵敏度部段和低灵敏度部段的电子倍增器，或者电子倍增器与单独供电的转换倍增电极(和在一些实施例中高能量转换倍增电极)的组合，或者物理地结合在电子倍增器内或周围的转换倍增电极的组合提供了相对于现有技术的检测器装置具有一定改进的检测器装置。

如本文所用，术语“转换倍增电极”旨在包括能够在粒子撞击时发射二次电子(或离子)的任何发明物，所述粒子为诸如带电或不带电原子、带电或不带电分子、带电或不带电亚原子粒子诸如中子或质子或电子或光子。根据本发明，转换倍增电极可以***作为与专用于放大的倍增电极相比具有相对高的电势。

在一些实施例中，倍增电极是“高能转换倍增电极”。电势可以相对于地测量，或者适当地相对于装置的另一个部件测量。虽然在定义高能转换倍增电极时可能存在一定的相关性，但通常情况下，电子倍增器的低增益部段的高能转换倍增电极和第一倍增电极通常接地，并且高能转换倍增电极被偏置到比电子倍增器的低增益部段的第一倍增电极更远离零的电压。

如本领域技术人员所理解的，离子到电子(和离子到离子)的转换效率通常随着离子撞击转换倍增电极的表面的速度而增加。因此，转换倍增电极通常被设计成增加入射离子的速度，以便尽可能地优化转换效率。

与电子倍增器的倍增电极(特别是低增益部段的第一倍增电极)相比，在检测器装置中结合单独供电的分立转换倍增电极允许该倍增电极被单独偏置，并被偏置到更高的电压。这种布置的优点在于，它避免了将电子倍增器部段的偏置电压升高到超过发生电子放大所需的电压的需要。在用于ICP-MS的现有技术检测器中，电子倍增器的初始电压被升高到约-1600V，以确保足够的离子到电子转换效率。然而，在本发明中，转换倍增电极的偏压被升高(以便确保期望的转换效率)，同时电子倍增器(特别是低增益部段)可以被偏置到更低的电压。因此，低增益电子倍增器部段(在较低电压下操作)具有更大的电压“余度”，这又提供了更长的使用寿命。

延长检测器的使用寿命可以提供减慢增益变化速率和/或减慢随时间推移的微分漂移速率的额外优势。

高能转换倍增电极通常具有专用电源，基本上独立于装置的电子倍增器部段的电源。使用单独的电源可以允许更好地独立控制施加到高能转换倍增电极的电压和/或电流。分立电源的使用还可以允许更好地控制施加到电子倍增器部段的电压和/或电流。

与装置结合使用的电源可以是固定电压或可调电压类型。可以根据装置的线性度或增益要求，或者实际上任何其他要求，选择任何电源相对于高能转换倍增电极或者电子倍增器部段的倍增电极链中的任何倍增电极的连接位置。在一些实施例中，电源可以被配置为仅向单个倍增电极或一组倍增电极施加电压。

如本领域技术人员所理解的，分压器链可以用于将电压从电源分配到一组倍增电极。分压器链可以包括设置在倍增电极之间的一系列电阻器。分压器链可以是纯无源的，仅由电阻元件组成，或者它可以包含电压调节中的有源部件，例如二极管或晶体管。当涉及终端倍增电极时，电阻器通常设置在终端倍增电极和接地或参考电压之间。作为替代，可以在该位置使用齐纳二极管。

在质谱仪的上下文中，已经通过质量分离器的离子被加速到施加了高电压的转换倍增电极上。然后，由入射离子从转换倍增电极发射的电子(或离子)进入电子倍增器的第一倍增电极，在那里二次电子被从二次发射表面发射。

在这种情况下，技术人员完全熟悉发射表面的材料、物理和功能配置，示例性类型是由倍增电极提供的。

如电子倍增器中常规的那样，提供第一电子发射表面(一系列倍增电极中的第一倍增电极的表面)，其被配置为接收输入粒子，并且响应于输入粒子的撞击发射一个或多个电子。在发射多个电子的情况下(这是典型的)，会导致输入信号的放大。同样如常规的那样，提供一系列第二和后续的电子发射表面。这些发射表面的功能是放大从第一发射表面发射的电子。可以理解，放大通常发生在一系列发射表面的每个后续发射表面。典型地，由最终发射表面发射的二次电子被引导到阳极表面上，阳极中形成的电流馈入信号放大器，随后馈入输出设备。

在本发明中，电子倍增器可以具有配置为检测以相对高的浓度存在的离子的低灵敏度部段，以及配置为检测以相对低的浓度存在的离子的高灵敏度部段。

微分灵敏度可以通过本领域技术人员认为合适的任何手段来提供，包括使用信号放大器，例如，由此高灵敏度部段的信号输出被放大，而低灵敏度部段的信号输出不被放大。替代地，当倍增器由分立的倍增电极构成时，倍增电极的二次电子发射率水平在高灵敏度部段与低灵敏度部段相比可以更高。例如，高灵敏度部段中的倍增电极可以由比低灵敏度部段中的倍增电极具有更高发射率或具有更大撞击面积的材料制成。

然而，更典型地，电子倍增器部段的微分灵敏度是由高灵敏度部段和低灵敏度部段的增益相乘而产生的。实现了高灵敏度部段的较高增益，因为它与前一个低灵敏度部段的增益相乘。

在该装置的电子倍增器中，低灵敏度部段可以是模拟部段(可以被认为是低增益部段)，高灵敏度部段可以是能够脉冲计数的数字部段(可以被认为是高增益部段)。数字部段输出的有效增益大约是模拟部段和数字部段的增益的乘积。因此，可以理解，在隔离情况下，这两个部段可能具有相同的增益，但是数字部段具有更高的输出增益，因为它的增益被前面模拟部段的增益倍增。换句话说，数字部段可以称为高增益部段，因为由它提供的信号比由模拟部段提供的信号具有更高的增益，因为它是两个(模拟和数字)部段的增益的乘积。由数字部段提供的增益信号是总增益——两个(模拟和数字)部段的增益的乘积。

在任何情况下，高灵敏度(数字)部段适用于检测少量出现的离子。数字部段的输出包括由单一离子产生的脉冲，该单一离子已经被提供了足够的增益，使得所有这些离子都可以被脉冲计数检测电子器件检测到。通常使用电子定时器或计数器来处理输出脉冲。作为一个示例，每当在预定时间窗口中产生信号时，与该预定时间窗口相关联的计数器都可以递增。

在操作中，由于极高的离子通量导致饱和，脉冲计数部段具有有限的范围，在这种情况下，乘法器的模拟部段提供有用的输出信号。在本装置中，这两个部段可以通过串联布置的两个倍增电极组同时操作，该倍增电极组具有中间“***”倍增电极、接地倍增电极和保护(栅极)倍增电极。模拟部段的输出信号通过“***”倍增电极提取到模拟收集器上。信号穿过***倍增电极的孔的部分是模拟输出。信号中没有穿过孔的部分被传送到电子倍增器的数字(脉冲)部段，以便进一步放大增益。

电子倍增器的模拟和脉冲部段可以参照“***比”来描述。例如，第一电子倍增器可以具有开口面积比(即倍增电极中所有孔的总面积)为30％的***倍增电极。在这种情况下，***倍增电极为模拟部段提供标称30％的信号提取，并向脉冲部段提供70％的传输。第二电子倍增器可以具有开口面积比为75％的***倍增电极。在这种情况下，***倍增电极将为模拟部段提供标称75％的信号提取，并向脉冲部段提供25％的传输。如图8所示，第一和第二电子倍增器的微分***比导致微分增益。

撞击在第一倍增电极级上的离子产生电子信号，该电子信号的一部分被收集在模拟收集器中，从而产生模拟信号输出。保护倍增电极上的电压被设置在一定电平，使得剩余电子通过第二级以产生数字(脉冲计数)输出信号。当脉冲信号升高到预定水平(响应于相对高的离子通量而出现的水平)时，升高的脉冲信号导致向保护倍增电极施加合适的电压，以防止电子进入第二级并损坏检测器。

在一些实施例中，具有低灵敏度部段和高灵敏度部段的电子倍增器的使用有助于检测器的动态范围的显著增强。申请人特别发现，降低检测器装置(包括电子倍增器的高增益部段和低增益部段)的内阻有助于离子检测的总体增强的动态范围。如下面关于某些优选实施例进一步讨论的，提供了其他优点。

在该装置的一些实施例中，转换倍增电极物理上设置在电子倍增器内或电子倍增器周围。转换倍增电极可以被考虑在电子倍增器内，其中它被(完全地或部分地)设置在由电子倍增器的硬表面限定的边界体积内。替代地，转换倍增电极可以靠近电子倍增器的任何面向外的表面，术语“靠近”包括小于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100mm的任何距离。

在此上下文中的术语“在...内或周围”可以通过参考电子倍增器的第一电子发射表面和转换倍增电极之间的距离来定义。该距离可以小于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100mm。

在一些实施例中，转换倍增电极紧邻电子倍增器的第一倍增电极。

如下文将进一步解释的，当转换倍增电极被单独供电或与电子倍增器电解耦，从而允许转换倍增电极设置在电子倍增器内或电子倍增器周围时，获得了优势。

现在参考图1A和图1B，它们以高度图解的形式示出了本发明的示例性装置。在该实施例中，正离子被四极杆加速并聚焦，以便穿过装置的输入孔口。离子然后行进到发射二次电子(或离子)的高能转换倍增电极。转换倍增电极的弯曲发射表面将二次电子(或离子)聚焦到电子倍增器中，并且首先聚焦到最左边的倍增电极(被认为是电子倍增器的低增益部段的第一倍增电极)，最左边的倍增电极然后进一步发射偏转到相邻倍增电极的二次电子，然后进一步发射偏转到(右侧)相邻倍增电极的二次电子，依此类推。

继续图1A和图1B的实施例，对于正离子检测，高能转换倍增电极将具有高偏压HV(A)，其与具有高偏压HV(B)的第一倍增电极的偏压相比更高(或具有显著更大的幅度，或更远离零)。用于负离子的检测的偏压在图2B和2D中示出。

带电粒子穿过本装置的路径清楚地显示在图2A、图2B、图2C和图2D中。

在图2A和图2B的实施例中，前五个倍增电极(从左低增益部段的第一倍增电极开始计数)构成电子倍增器的低增益部分。由前三个倍增电极发射和放大的电子产生的输出信号是模拟的。

第六个和随后的倍增电极构成电子倍增器的高增益部分。由第六和随后的倍增电极发射和放大的电子产生的输出信号是脉冲(数字)信号，该信号(通过未示出的其他电子器件)可用于提供计数输出。如下所述，该装置的优选形式具有更高的倍增电极数量，例如在低增益部段有12个倍增电极，在高增益部段有17个倍增电极。

在图1A和图1B的优选实施例中，将注意到转换倍增电极被偏置到高负电压(例如-10kV)，这在入射离子带正电荷的情况下是必需的。如本领域技术人员将理解的，当入射离子带负电时，转换倍增电极被偏置到高正电压(例如+10kV)。当高能转换倍增电极发射的粒子是负的(即电子)时，电子倍增器的低增益部段中的第一倍增电极是负的(例如-2kV)。当入射离子为负时，在撞击第一倍增电极时释放正离子的高能转换倍增电极也是负的(例如-2kV)。

根据本发明，其中高能转换倍增电极被偏置到负电压，电子倍增器的低增益部段的第一倍增电极被偏置到较大的负电压(即更接近零)。当高能转换倍增电极被偏置到正电压时，电子倍增器的低增益部段的第一倍增电极通常被偏置到负电压。

从图1B、图2C和图2D可以理解，图1A、图2A和图2B所示的高能转换倍增电极的功能可以由物理上定位在电子倍增器内或电子倍增器周围的转换倍增电极代替。这提供了易于构造、节省空间的优点，并且还使得可以使用组合转换器/倍增器，从而最小化部件更换中的任何困难。对于具有物理上定位在电子倍增器内或电子倍增器周围的转换倍增电极的实施例，转换倍增电极可以具有施加的相对适中的偏压(例如小于约5、4、3、2或1kV)。通常，小于约3kV的转换倍增电极偏压允许转换倍增电极在物理上靠近电子倍增器，而不会对倍增器功能产生任何显著的有害影响。

从图1C可以理解，该装置的一些实施例的电子倍增器部段是单增益倍增器。在这种情况下，电子倍增器的所有倍增电极形成单个增益部段，这不同于本文公开的其他实施例的高增益部段和低增益部段。在图1C的实施例中，通过转换倍增电极(i)物理地设置在电子倍增器内并且(ii)与电子倍增器单独供电或电解耦而获得优点。

在一个方面，本发明还提供了一种与粒子检测装置(例如质谱仪)一起使用的替换部件或可替换部件，该粒子检测装置包括转换倍增电极和倍增器倍增电极链，其中替换部件或可替换部件被配置为允许转换倍增电极与倍增器倍增电极链单独供电。

电子倍增器(即高灵敏度部段和低灵敏度部段的组合)的电阻被设置为低于针对现有技术电子检测器所指出的水平，从而增强了电子倍增器的动态范围。

除了降低内阻之外或替代降低内阻，或者作为降低内阻的自然结果，该装置被配置成使得电子倍增器的高灵敏度部段和低灵敏度部段可在至少约50、75或100μA的线性输出电流下操作。对于电子倍增器的高灵敏度部段和低灵敏度部段，这意味着比现有技术装置中使用的电流增加了大约10倍。

应当注意，当需要流过各倍增电极的微分电流时，使用配置为向所选倍增电极施加不同幅度的偏置电压的独立电源是实现微分电流的一种手段。

不希望以任何方式受到理论的限制，因为检测器的动态范围是低增益部段和高增益部段的动态范围的乘积，所以在一些实施例中，检测器的动态范围的总体增加可以比典型的商用检测器高至少一个数量级或两个数量级。

现在参考图3，图3示出了根据图1A的方案广泛构造的本发明的原型装置。高能转换倍增电极在100处示出，电子倍增器在110处示出。电子倍增器110具有120附近的低增益部分和130附近的高增益部分。

现在转到图4，已经通过建模估计了本发明的装置的某些操作参数。

不希望以任何方式受到理论的限制，建议通过降低检测器的内阻来提高动态范围。脉冲计数部段(即高灵敏度部段)和模拟部段(即低灵敏度部段)都被设计成在至少50μA的线性输出电流下操作。对于每个部段，这大约比市售的典型现有技术检测器高一个数量级。

由于检测器的动态范围是模拟和脉冲计数部段的动态范围的乘积，新检测器的动态范围的总体增加原则上比典型的商用检测器高两个数量级。

为了提高装置的使用寿命、增益稳定性和降低微分速率，增加了每个部段中的倍增电极数量：在模拟(即低灵敏度)部段中使用了12个倍增电极，在脉冲计数(即高灵敏度)部段中使用了17个倍增电极。

预计使用单独供电的转换倍增电极的益处是为检测器提供额外的使用寿命。如上所述，在用于诸如感应耦合质谱分析的应用的现有技术检测器中，模拟部段的起始电压(-HV)通常升高到约-1600V，以确保足够的离子到电子转换效率。随着高能转换倍增电极的引入，转换倍增电极电压可以与提供模拟增益所需的电压解耦。因此，倍增器的模拟部段可以在低得多的初始-HV电压下操作，从而为更长的寿命提供额外的电压开销。

关于入射离子的检测效率，当高能离子入射到表面上时，二次电子根据泊松分布发射，其均值取决于离子的质量和能量以及发射表面的材料。二次离子产率对应于发射离子数量的泊松分布的均值。图5A中的趋势和值是不锈钢和镁/银转换倍增电极可以预期的典型趋势和值。

来自离子-电子转换过程的发射电子的泊松分布是来自电子倍增器的脉冲高度分布(PHD)的形状的决定因素，它也对检测效率设置了基本限制。

对于具有低均值的二次电子发射分布，当离子入射到转换表面时，有很大的概率将发射零电子。对于均值＝0.8的分布，将发射零个二次电子的概率为约0.45(参见图5B)，即平均二次电子产率＝0.8的物种的最大可能检测效率为约55％。对于产率＝2的物种，零二次电子的概率下降到约0.14，将最大可能检测效率提高到约86％。

当产率增加到4时，可以产生98％的检测效率，这样的效率是非常理想的，尤其是当样品中存在低浓度的目标离子时。由于并入了高能转换倍增电极，产率4是可实现的。相比没有设置在电子倍增器的低增益区域的第一倍增电极之前的高能转换倍增电极的检测器，这提供了在可实现的检测效率方面的优点。

对于给定的撞击能量，二次电子产率随质量的变化导致光谱中的质量偏差。图5A所示的数据显示，对于2keV的撞击能量，二次电子产率从约2的最大值变化到约0.8的最小值。也就是说，最高产率(在5amu处)比最低产率(在140amu处)高约2.5倍。对于10keV的撞击能量，二次电子产率从约5.1的最大值变化到约4.2的最小值。在这种情况下，最大产率仅比最小产率高约1.2倍。

为了获得与对140amu离子具有约4.2的二次电子产率的倍增器相同或相似的信号水平，对140amu离子具有约0.8的产率的倍增器需要以比该检测器高约5.2倍(＝4.2/0.8)的增益操作。需要以更高的增益操作可能会降低检测器的使用寿命，与本装置相比，这是现有技术检测器的缺点。

可以测量原型的线性度水平。为了以3e3的增益获得50μA的模拟输出电流，需要大于约16nA的输入离子电流。这种大小的离子电流可从例如质谱仪器中获得。

对于图3所示的原型检测器，已经生成低增益(模拟)部段(参见图6A)和高增益(脉冲计数)部段(参见图6B)的增益曲线。为了获得约3e3的模拟增益，需要约1100V的起始电压。这比通常施加到ICP-MS检测器的模拟部段的起始电压低约500V。

有利地，图3所示的原型检测器已经被证明对于施加到高能转换倍增电极的-5kV或-10kV的电压能够产生高质量的平台曲线(参见图5)。这是由于来自转换倍增电极的二次电子产率增加而改善的脉冲高度分布的表现。高质量的平台曲线能够实现脉冲计数操作电压的可靠设置。

除了操作中的任何功能改进之外，分立的高能转换倍增电极的并入为检测器的机械设计提供了灵活性。在一些实施例中，电子倍增器可以在转换倍增电极上方的任何方向上旋转，从而允许相对于四极杆的轴向或径向定向。参考图3，图3示出了具有高能转换倍增电极100的原型检测器，高能转换倍增电极100与具有高灵敏度部段和低灵敏度部段的分立倍增电极电子倍增器110可操作地连接。

本装置特别可用作质谱仪器中的检测器部件，包括在需要检测极低丰度(abundance)离子的应用中使用的仪器。此类应用包括电感耦合质谱。因此，在一个方面，本发明提供了电感耦合质谱仪器和本文所述装置的组合。

该仪器可以包括用于通过电感耦合等离子体电离样品的部件。

电感耦合等离子体是通常通过用电磁线圈加热气体而产生的等离子体，所述气体包含足够浓度的离子和电子以使其导电。等离子体通常保持在仪器的喷枪中，该喷枪由三根同心管(通常为石英)组成，喷枪的端部设置在感应线圈内部。该仪器通常包括用于在喷枪的两个最外面的管之间引入氩气的部件，间歇地施加电火花以将自由电子引入气流中。电子被加速，并可能与氩原子碰撞，以导致电子释放，释放的电子又被加速。该过程一直持续到碰撞中新电子的释放速率被电子与氩离子(失去电子的原子)的再结合速率所平衡。等离子体的温度约为10，000K。

本装置可以在物理上和/或结构上被配置成可与现有的市售ICP-MS仪器一起操作。仅作为示例，本装置可以被配置为在由下列供应商供应的任何ICP-MS仪器中作为电子倍增器操作：Agilent^TM，例如型号7800、7900、8900三重四极杆、8800三重四极杆、7700e、7700x和7700s；或PerkinElmer^TM，例如型号NexION2000、N8150045、N8150044、N8150046和N8150047；或ThermoFisher Scientific，例如型号iCAP RQ、iCAP TQ和Element Series；或Shimadzu，例如型号ICPMS-2030。

本装置的电子倍增器部件已经通过线性、分立倍增电极倍增器的方式进行了举例说明。鉴于本说明书的益处，技术人员能够常规测试其他类型的倍增器类型是否适合本发明。例如，可以使用连续(通道)倍增电极来代替分立倍增电极电子倍增器。在这种情况下，该装置可以包括与连续倍增电极结合的高能转换倍增电极。

此外，尽管本装置相对于ICP-MS仪器及其部件特别有利，但并不意味着本申请的范围受到如此限制。可以想到，本发明的至少一些特征可以应用于非ICP-MS仪器及其部件。例如，在电子倍增器中使用高增益和低增益部段倍增电极仍然可以提供优势，将单独供电的转换倍增电极集成到电子倍增器的结构中也是如此。本领域技术人员可以使用常规方法来测试本发明对于一系列现有质谱仪器及其部件，甚至对于与质谱无关的应用的有用性。

应当理解，在本发明的示例性实施例的描述中，为了简化公开内容并帮助理解各种发明方面中的一个或多个，本发明的各种特征有时被一起组合在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明需要比每个权利要求中明确陈述的更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。

此外，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征，但不包括其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图在本发明的范围内，并且形成不同的实施例，如本领域技术人员将理解的。例如，在下面的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，在没有这些具体细节的情况下，也可以实施本发明的实施例。在其他情况下，没有详细示出众所周知的方法、结构和技术，以免模糊对该描述的理解。

因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选实施例的内容，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对其进行其他和进一步的修改，并且意图主张所有这些落入本发明范围内的改变和修改。功能可以添加到图或从图中删除，并且操作可以在功能块之间互换。在本发明的范围内，可以向所描述的方法添加步骤或删除步骤。

尽管已经参照特定的示例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，本发明可以以许多其他形式实施。