[發明專利]一種基于脈沖前沿時間測量和幅度修正算法的飛行時間質譜儀電子學讀出方法

無效

• 申請號: 201110131019.6
• 申請日: 2011-05-19
• 公開（公告）號: CN102789952A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 宗誠剛
• 申請（專利權）人: 安徽中科大建成海晟科技有限責任公司
• 主分類號: H01J49/00
• 分類號: H01J49/00;H01J49/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于飛行時間質譜儀領域，特別涉及一種將脈沖前沿時間測量和幅度-時間修正算法相結合的，可同時提高飛行時間質譜儀時間分辨和定量性能，并且可節省成本的電子學讀出方法。?

背景技術

飛行時間質譜儀作為一種高端分析儀器，在環境監測、食品安全、生物、制藥等領域具有廣泛的應用。評價飛行時間質譜儀性能的一個最重要指標是其分辨率，該分辨率指標除了與物理設計、機械加工相關，也直接取決于儀器讀出電子學的時間測量精度。?

通常飛行時間質譜儀的讀出電子學，往往采用以下兩種方案之一：?

第一種是先用快前置放大器對離子檢測器輸出的脈沖進行放大，然后利用ADC對放大后的脈沖直接波形采樣，脈沖到達時間可利用重心法得出。該方案的優點是可直接測到原始脈沖的波形，有利于剔除噪聲，且提高了儀器的定量分析性能及靈敏度指標。但由于脈沖到達時間直接由ADC采樣數據計算得到，因此若想進一步提高儀器的分辨率，必須采用高速高分辨的ADC。例如，如果要使飛行時間質譜儀達到10000的分辨率，ADC的采樣率至少要達到1G?SPS。而高采樣率ADC的采用，必然伴隨著高速數據(大于1G?Byte/s)緩存和傳輸的問題，不但使電子學設計方案變得更復雜，也帶來了功耗和散熱的問題，不利于在未來使儀器往低功耗、低成本、便攜式方向發展。更嚴重的是，受限于國內半導體加工工藝和設計經驗的不足，幾乎國內所用的ADC芯片全都需要從國外進口。而高采樣率的ADC芯片不但價格昂貴，更由于可應用于國防等重要領域，往往在采購時面臨禁運的問題。因此，如果采用單靠ADC進行波形采樣的電子學讀出方?案，由于高速ADC的價格、采購、研發成本的制約，必然限制了高分辨率的飛行時間質譜儀器的自主產業化。?

第二種是先用恒比定時電路(CFD)將離子檢測器輸出的模擬信號轉化為數字脈沖，然后利TDC直接測量脈沖的到達時間。采用當前國內的成熟技術，較容易實現時間分辨好于1ns的TDC，因此采用第二種方案，在實現了較高的時間性能的前提下節省了ADC。但缺點是TDC作為數字器件，只能得知某時刻離子源輸出脈沖的有無，并記錄它的到達時間，而無法測量脈沖的形狀或幅度(其中包含離子數目信息)。例如即使有兩個或更多質荷比相同的離子在短時間內(例如1ns)同時到達離子檢測器，TDC的計數仍然為1，從而導致儀器的定量性能和靈敏度不如第一種方案。方案二的另一個缺點則來自CFD電路。CFD的使用，雖然能夠消除幅度游動效應帶來的時間誤差，但它需要對離子檢測器輸出的高速脈沖信號進行反相放大、延遲、求和等模擬調理，再經高速比較器轉換成數字脈沖，然后才送到TDC進行時間測量。而每一級模擬調理電路，都意味著信號帶寬和信噪比的損失，以及新的時間誤差的引入。隨著近年來數字技術的進步，利用TDC可以實現越來越高的時間精度(比如國內最新的采用商業FPGA芯片實現的TDC可達到好于100ps的時間分辨)，因此，將脈沖的時間數字化盡量提前，使模擬處理過程盡量簡化，才能有效發揮TDC的精度優勢。因而第二個方案中CFD電路，會對高端飛行質譜儀器的性能形成制約。?

現有的飛行時間質譜儀的讀出電子學基本都是基于上述兩種方式，雖然可以在一定程度上實現功能，但都有不容忽視的缺點，限制了飛行時間質譜儀的應用領域，及其自主產業化。?

發明內容

本發明的目的一在于，針對現有飛行時間質譜儀單靠ADC或單靠TDC讀出方案的不足，提出一種將脈沖前沿時間測量與脈沖成形采樣相結合的新方案，它同時采用中低速ADC與TDC，在改善儀器性能的同時，簡化了讀出電路結構，降低了成本。?

本發明的目的二在于，在目的一的基礎上，提出了一種在飛行時間質譜儀讀出系統中利用脈沖幅度信息，對TDC前沿時間測量結果進行在線修正的方法。?采用該方法可克服前沿定時的幅度-時間游動效應，提高最終的時間測量精度。?

為達到目的一，本發明提出一種將脈沖前沿時間測量與脈沖成形采樣相結合的新方案，所述的處理步驟為：?

步驟a，首先將來自離子檢測器(通常是微通道板)的探測器信號利用前置放大器進行放大，然后將放大后的信號通過射頻電纜送到電子學數據采集卡。?

步驟b，來自前放的信號到達電子學數據采集卡后，先經模擬緩沖器(Buffer)進行1∶1放大；?