專利名稱：用于同步離子屏蔽質量分離器的驅動設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于同步離子屏蔽質量分離器的驅動設備，具有參考振蕩器、直接數字合成器、低通濾波器和比較器，其中同步離子屏蔽質量分離器具有梳形分離電極，參考振蕩器給直接數字合成器提供參考頻率，由直接數字合成器產生的輸出信號由低通濾波器濾波，并且低通濾波器的輸出信號由比較器處理。此外本發(fā)明涉及用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其中同步離子屏蔽質量分離器具有梳形分離電極。
背景技術：
此類質量分離器在質譜儀中用于根據帶電粒子-離子-的質量或者根據其質量/電荷比分開帶電粒子，因此所述質量分離器也稱為分析器。質量分離器構成質譜儀的整個空間需求的基要部分。因此在質譜儀的最小化的范圍內，開發(fā)特別小但是此外高效率的質量分離器具有特別的意義，所述質量分離器此外以極端的精度分開不同離子。這樣的質量分離器例如在由J. _P. Hauschild等人的論文“Mass spectra measured by a fullyintegrated MEMS mass spectrometer^(International Journal of Mass Spectrometry,ElserVier，2007年3月)中描述，并且在那里稱為同步離子屏蔽質量分離器。同步離子屏蔽質量分離器基本上由梳形分離電極組成。該梳形分離電極具有多個齒，所述齒并排地以與梳脊微小的間隔布置，使得在分離電極的齒和梳脊之間保留小的間隙。梳脊還經常具有小的突起(Vorstillpung)，所述突起分別與齒相對。要分析的離子由電場(根據其電荷)被施加力，并且(根據其質量)被加速。在經歷電場后，離子具有相同的運動方向。一方面電場強度和另一方面離子的質量和電荷確定離子在經歷電位差后的速度。從間隙的一端、即質量分離器的輸入端，加速的離子平行于梳脊被引入質量分離器中。為了能夠使離子沿間隙沒有問題地移動，質量分離器通常在最大程度上被抽真空。在小型質量分離器的情況下對于真空的要求不像在非最小化的質量分離器的情況下那樣嚴格，因為離子在最小化的質量分離器中必須經過顯著小的路程，并且因此與剩余氣體原子或者分子相撞的概率減小。通過在梳形分離電極的齒和梳脊之間施加電壓而引起電場，通過間隙運動的離子從其原始運動方向偏轉，使得所述離子與梳形分離電極碰撞并且不到達間隙的另一端、即質量分離器的輸出端。根據離子的電荷和電場的方向，偏轉的離子要么碰撞分離電極的齒，要么碰撞梳脊。如果質量分離器例如被放入質譜儀中，則這些偏轉的離子不再能夠供進一步分析使用。從現有技術已知，在每隔一個的齒和梳脊之間施加電壓并且不對位于其間的齒和梳脊施加電壓。由此沿齒產生交替地施加電壓和不施加電壓的簡單的模式，下面稱為信號序列。這種信號序列的簡化的表示在這里用零和一進行，其中一代表存在電位差，而零代表不存在電位差。因此交替地施加電壓和不施加電壓的前述信號序列相應于交替的零和一的信號序列。在具有10個齒的梳形分離電極的情況下例如在嚴格交變地存在和不存在電位差的情況下得出0101010101。為獲得根據離子質量的離子分離，根據現有技術以確定的時鐘頻率在分離電極的輸出端的方向上使信號序列分別推移一個齒。也就是說在下一時鐘步驟中為具有10個齒的前述梳形分離電極得出下面的信號序列1010101010。 僅具有確定的、通過時鐘頻率和分離電極的幾何結構確定的速度的離子跟隨信號序列的遷移的零，亦即分離電極中的無場的(feldfrei)區(qū)域，并且到達質量分離器的輸出端。具有過小或者過高速度的離子在分離電極的間隙中移動期間到達以下區(qū)域，在所述區(qū)域內所述離子由在齒和梳脊之間籠罩著的電場偏轉。結果，僅具有確定的質量電荷比的離子由質量分離器允許通過，也即與具有其他質量電荷比的離子分離。通過改變時鐘頻率可以選擇其他的離子速度并且因此可以選擇質量分離器的其他的質量電荷比。雖然質量分離器不根據質量而是根據質量電荷比選擇，但是通常仍論及質量分離器。從現有技術已知的質量分離器通常如下方式被驅動把在開始時所述的質量分離器的比較器的輸出信號分成兩個信號并且把所述信號之一逆轉(invertieren)。由此得到兩個以相同的時鐘頻率轉換的互補信號。這兩個信號再次被用于驅動分離電極的齒，其中信號中的一個控制分離電極的第一個和每隔一個的另外的齒-亦即奇數齒并且兩個電極中的另一個控制分離電極的第二個和每隔一個的另外的齒-亦即偶數齒。此外從J. -P. Hauschild 等人的論文 “The novel synchronous ion shieldmassanalyzer”(Journal ofMass Spectrometry, 2009,44)中已知一種方法，其中，通過相對于切斷時間延長分離電極的齒上的電壓的接通時間，提高同步離子屏蔽質量分離器的分辨率。用于實現該方法的驅動電路在G. Quiring等人的“Optimierung der Ansteuerungdes SIS-Massenseparators im planar integriertenMikro_Massenspektrometer，，(Mikrosystemtechnik Kongress, 2009, VDE VerlagGmbH)中予以描述。該驅動電路基本上包括四個并行的信號路徑，所述信號路徑分別具有直接數字合成器、低通濾波器和比較器。由于信號路徑的多重實施，該驅動電路在技術上是耗費的并且成本高的。此外可能的信號序列非常有限。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的任務是，說明一種用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的驅動設備和方法，其可靈活地被使用并且成本低。前面導出和說明的任務從開始時所述的驅動設備出發(fā)通過如下方式解決由可編程元件把比較器的輸出信號轉換為與梳形分離電極的齒數相應的數目的輸出信號。可編程元件的使用使得能夠在相應編程和驅動該可編程元件時輸出原則上相應于任意的信號序列的輸出信號。因此利用本發(fā)明的驅動設備不僅能夠產生從現有技術中已知的信號序列，而且能夠使用尤其不依賴于硬件地特定于應用的信號序列。為了用相同的硬件產生另外的信號序列，已經足夠的是，改變可編程元件的編程。此外，本發(fā)明的驅動設備比現有技術的驅動設備顯著更簡單地構建，使得由此得出巨大的成本優(yōu)點。根據本發(fā)明的一種有利的改進方案規(guī)定，可編程元件是形式為FPGA的可編程邏輯元件。本發(fā)明的另一種有利的改進方案的特征在于，可編程邏輯元件是CPLD。在此情況下FPGA表示所謂的現場可編程門陣列，其是可編程集成電路。同樣，可編程集成電路是復雜可編程邏輯器件，簡稱CPLD。FPGA和CPLD是廣泛分布的并且因此是用于實現特定編程的適宜的微芯片。根據對于信號序列的要求，按照可以考慮的FPGA和CPLD的特定的優(yōu)點和缺點的權衡來使用FPGA或CPLD?？商娲兀鳛榭删幊淘部梢允褂梦⒖?制器，其中這里應該檢驗是否能夠滿足對于微控制器和在那里實現的操作系統(tǒng)的在時間上準確地切換的信號序列的要求。對于本應用情況優(yōu)選地可以使用具有有實時特性的操作系統(tǒng)的數字信號處理器。此外，前面導出的和說明的任務還從開始時所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法出發(fā)通過如下方式解決根據當前實施方案使用驅動設備的輸出信號用來驅動梳形分離電極的齒。利用已述的驅動設備能夠利用本發(fā)明方法實現用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的特別靈活的可能性，因為可用驅動設備產生的信號序列原則上是任意的，并且這在驅動設備的特別簡單和成本低的構造情況下實現。并非每一個信號序列均適用于驅動同步離子屏蔽質量分離器。例如僅由一組成的信號序列導致沒有離子能夠通過質量分離器。在下面描述選擇特別有利的信號序列。根據本發(fā)明的一種有利的改進方案規(guī)定，驅動設備的輸出信號具有信號序列，其中該信號序列交替地由n個零和m個一組成，其中可編程元件的所有k個時鐘使該信號序列繼續(xù)遷移(weiterwandern) j步,其中n、m、k和j是大于零的自然數并且其中n大于或者等于商(j mod(n+m))/k。對于這種信號序列有決定意義的是后面所述的條件，即n大于或者等于商(j mod(n+m))/ko在此情況下,j mod (n+m)表示在用n+m除j時的余數。首先該條件保證離子完全能夠通過質量分離器。這在簡單的例子中變得特別清楚。例如如果n等于l，m等于2，k等于I和j等于2，則這意味著，通過零代表的并且其中不進行離子偏轉的無場的區(qū)域正好為一個齒寬。如果所述齒在每一時鐘正好繼續(xù)遷移兩個齒，則這意味著，離子不具有從時鐘的無場的區(qū)域到達下一時鐘的下一無場的區(qū)域的可能性，因為在一個時鐘中的無場的區(qū)域和在下一時鐘中的無場的區(qū)域之間始終存在持續(xù)具有電場的區(qū)域。在具有10個齒的梳形分離電極的情況下這看上去例如如下(粗體表示始終有場的位置)I.時鐘01101101102.時鐘:1101101101。在該例子以及所有后面的例子情況下認為離子從左邊被引入質量分離器，也就是說，在第一時鐘中首先碰到無場的齒，其相應于第一時鐘的上述信號序列中的第一個數字O。在第二時鐘中，所述離子不具有到達下一無場的齒的可能性，因為在第二齒處的持續(xù)的電場阻斷通向下一無場的齒的路徑，該下一無場的齒通過第二時鐘的信號序列的第三個數字0代表。本發(fā)明的一種有利的擴展方案的特征在于，數目n等于2，數目m等于2，數目k等于I和數目j等于2。該信號序列的前兩個時鐘在其他的時鐘中重復，并且在具有10個齒的梳形分離電極的情況下例如得出I.時鐘00110011002.時鐘1100110011。
根據本發(fā)明的一種特別有利的改進方案規(guī)定，數目n等于2，數目m等于2，數目k等于I和數目j等于I。該信號序列的前四個時鐘在其他的時鐘中重復，并且在具有10個齒的梳形分離電極的情況下例如得出I.時鐘00110011002.時鐘1001100110
3.時鐘11001100114.時鐘0110011001。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的擴展方案中規(guī)定，數目n等于1，數目m等于1，數目k等于I和數目j等于I。該本發(fā)明擴展方案正好相應于從現有技術中已知的由交替的一和零組成的信號序列，其在每一時鐘繼續(xù)遷移一步。該信號序列的前兩個時鐘在其他的時鐘中重復，并且在具有10個齒的梳形分離電極的情況下例如得出I.時鐘01010101012.時鐘1010101010。根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選的擴展方案，數目m大于數目n。在此情況下，當數目n等于3并且數目m等于5時特別有利。此外在一個優(yōu)選的實施例中規(guī)定，驅動設備的輸出信號具有信號序列，其中該信號序列由后面跟隨一的e個零組成，其中可編程元件的所有g個時鐘使信號序列繼續(xù)遷移h步，其中e、g和h是大于零的自然數并且其中e大于或者等于商h/g。后面提到的條件、即e大于或者等于商h/g對于這種信號序列具有意義。這里該條件也保證離子完全能夠通過質量分離器。亦即該信號序列僅由e個零的唯一的塊和此外僅由一組成。也就是說利用該信號序列僅單個“包”離子(亦即在代表e個齒的無場的區(qū)域的由e個零組成的塊中)由質量分離器接受，并且僅該包的具有確定的速度并且因此具有確定的質量電荷比的離子能夠通過質量分離器。如果不滿足e大于或者等于商h/g的條件，則這意味著，離子不具有從第一時鐘的無場的塊到達后面的時鐘的下一無場的塊的可能性，因為在一個時鐘中的無場的塊和下一時鐘中的無場的塊之間始終存在持續(xù)具有電場的區(qū)域。在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中規(guī)定，數目e等于1，數目g等于I以及數目h等于I。這相應于以下信號序列，其中唯一的零沿分離電極的齒遷移。在具有5個齒的梳形分離電極的情況下得出下面的信號序列I.時鐘011112.時鐘101113.時鐘110114.時鐘111015.時鐘111106.時鐘和所有其他時鐘11111。根據本發(fā)明的另一種有利的擴展方案規(guī)定，信號序列通過移位寄存器實現。該移位寄存器在可編程元件中實現。在移位寄存器的存儲元件中存儲的零和一的序列在每一時鐘中繼續(xù)遷移預先給定的數目的步。在此情況下，移位寄存器的末尾處的值被重新引回該移位寄存器的開頭。移位寄存器的存儲元件的值同時構成可編程元件的輸出信號。
在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中規(guī)定，在元件的每一個時鐘從存儲器中讀出信號序列，在所述每個時鐘設置輸出信號的變化。代替移位寄存器，適合于在可編程元件中設置存儲器，在所述存儲器中存儲在每一時鐘要使用的信號序列。該信號序列在每一時鐘從存儲器中讀出，并且在可編程元件的輸出端處輸出。


詳細地，現在有許多設計和改進本發(fā)明驅動設備的可能性。為此參照置于權利要求I后的權利要求以及下面的參考附圖對于本發(fā)明的優(yōu)選實施例 的詳細的描述。在附圖中圖I示意示出從現有技術已知的驅動設備，圖2示意示出從現有技術已知的同步離子屏蔽質量分離器的作用原理，圖3示意示出本發(fā)明驅動設備，圖4示意示出在使用移位寄存器的情況下本發(fā)明方法的作用原理，和圖5示意示出在使用存儲器的情況下本發(fā)明方法的作用原理。
具體實施例方式在圖I中所示的從現有技術已知的驅動設備為產生參考頻率信號而具有參考振蕩器I。參考振蕩器I的參考頻率信號由直接數字合成器2轉換為預先給定的頻率。在通過低通濾波器3對直接數字合成器2的頻率信號低通濾波后，現在清除了不希望的頻率分量的頻率信號由比較器4處理。比較器4輸出兩個相同的輸出信號，其中一個通過反相器5逆轉。被逆轉的和未逆轉的信號用于驅動梳形分離電極6。分離電極6具有多個齒7和梳脊8。未逆轉的信號用于驅動分離電極6的第一個和每隔一個的另外的齒7。被逆轉的信號用于驅動分離電極6的第二個和每隔一個的另外的齒7。從圖2可以看出在圖I中所示的分離電極6的更準確的作用原理。分離電極6的梳脊8通過電壓源9和多個開關10與分離電極6的齒7連接。在此情況下，給每一個齒7分配開關10。如果所有的開關10都打開，則與梳脊6并行運動的離子能夠不受阻礙地在梳脊6和齒7之間移動。如果開關10之一被閉合，則在相應的齒7和梳脊6之間施加通過電壓源9預先給定的電壓。在相應的齒7和梳脊6之間的從該電壓產生的電場能夠使并行于梳脊6在梳脊6和齒7之間移動的離子偏轉。通常這些離子與分離電極6的結構碰撞，并且不可供進一步分析使用。如從圖I可見，給分離電極6的齒7分配的開關10由比較器4的被逆轉的和未逆轉的信號控制，由此得出，在每隔一個的齒7上施加電壓而在剩余的齒7上不施加電壓。由在齒處的交替地施加的電壓和未施加的電壓組成的該信號序列以通過直接數字合成器2預先給定的頻率逆轉。這與以下意義相同，即在齒7上施加的信號序列以直接數字合成器2的頻率的每一時鐘繼續(xù)在分離電極6的輸出端的方向上遷移一步。在圖2中，如從示例性地描述要分析的離子的可能的路徑的所畫入的箭頭得知，輸出端布置在分離電極的上端。具有與沿齒7遷移的信號序列相同的速度的離子，當在進入分離電極的情況下在第一齒上未施加電壓時，亦即所述離子在信號序列中首先碰到零，能夠跟隨該通過零代表的該無場的區(qū)域通過分離電極6，并且從而到達分離電極6的輸出端。具有比信號序列低或者高的速度的離子，在分離電極6內碰到以下區(qū)域，在該區(qū)域中，所述離子通過由在該區(qū)域中的齒7上施加的電壓引起的場被偏轉，而不到達分離電極6的輸出端。齒7的驅動的一種未不出的可能性在于，來自比較器4的逆轉的信號和未逆轉的信號分別在可能的放大后作為電壓信號直接在齒7上施加。在該未示出的實施方案中不需要電壓源9和開關10。從圖3可以看出本發(fā)明驅動設備的作用原理。與圖I的從現有技術已知的驅動設備同樣地，本發(fā)明驅動設備也具有參考振蕩器I、直接數字合成器2、低通濾波器3和比較器4，它們以和圖I相同的方式接線。但是本發(fā)明驅動設備的比較器4僅輸出唯一的輸出信號，其被輸送給可編程元件11。可編程元件11具有相應于梳形分離電 極6的齒7的數目的數目的輸出信號。這意味著，給分離電極6的每一個齒7分配可編程兀件11的輸出信號，并且因此每一個齒7可通過可編程元件11的相應的輸出信號單獨地控制。圖4示出可編程元件11，其中通過移位寄存器實現本發(fā)明方法。在此情況下，可編程元件11內的移位寄存器具有多個存儲元件12，其相應于可編程元件11的輸出端13的數目。在可編程元件11的存儲元件12中存儲希望的信號序列。在本情況下是交替的零和一的簡單的序列。在可編程兀件11的每一個時鐘，在所述每一個時鐘設置輸出信號的變化，把在移位寄存器的每一個存儲元件12中存儲的值向移位寄存器的下一存儲元件12轉交。在此情況下，在移位寄存器的最后的存儲元件12中存儲的值向移位寄存器的第一存儲元件12轉交。圖5示出可編程存儲元件11，其具有存儲器14。在存儲器14中存儲要由可編程兀件11輸出的信號序列。在可編程兀件的每一個時鐘，在所述每一個時鐘設置輸出信號的變化，從存儲器14中讀出信號序列，并且通過存儲元件12和輸出端13輸出。以這種方式能夠由可編程元件11輸出幾乎任意的信號序列。在本例子中示出交替的零和一的簡單的信號序列。
權利要求
1.用于同步離子屏蔽質量分離器的驅動設備，具有參考振蕩器(I)、直接數字合成器(2)、低通濾波器(3)和比較器(4)，其中同步離子屏蔽質量分離器具有梳形分離電極(6)，參考振蕩器(I)給直接數字合成器(2)提供參考頻率，由直接數字合成器(2)產生的輸出信號由低通濾波器(3)濾波，并且低通濾波器(3)的輸出信號由比較器(4)處理，其特征在于， 由可編程元件(11)把比較器⑷的輸出信號轉換為與梳形分離電極(6)的齒(7)的數目相應的數目的輸出信號。
2.根據權利要求I所述的驅動設備，其特征在于，可編程元件(11)是可編程邏輯元件，特別是形式為現場可編程門陣列(FPGA)或者形式為復雜可編程邏輯器件(CPLD)的可編程邏輯元件，或者可編程元件(11)是微控制器，特別是形式為數字信號處理器(DSP)的微控制器。
3.用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其中同步離子屏蔽質量分離器具有梳形分離電極(6)，其特征在于，根據權利要求I或2之一所述的驅動設備的輸出信號被用于驅動梳形分離電極(6)的齒(7)。
4.根據權利要求3所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，驅動設備的輸出信號具有信號序列，其中信號序列交替地由n個零和m個ー組成，其中可編程元件(11)的所有k個時鐘使信號序列繼續(xù)遷移j步，其中n、m、k和j是大于零的自然數并且其中n大于或者等于商(j mod(n+m))/ko
5.根據權利要求4所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，數目n等于2，數目m等于2，數目k等于I和數目j等于2。
6.根據權利要求4所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，數目n等于2，數目m等于2，數目k等于I和數目j等于I。
7.根據權利要求4所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，數目n等于1，數目m等于1，數目k等于I和數目j等于I。
8.根據權利要求4所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，數目m大于數目n。
9.根據權利要求8所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，數目n等于3和數目m等于5。
10.根據權利要求3所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，驅動設備的輸出信號具有信號序列，其中信號序列由后面跟隨一的e個零組成，其中可編程元件(11)的所有g個時鐘使信號序列繼續(xù)遷移h步，其中e、g和h是大于零的自然數并且其中e大于或者等于商h/g。
11.根據權利要求10所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在干，數目e等于1，數目g等于I和數目h等于I。
12.根據權利要求4到9之一所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，信號序列通過移位寄存器實現。
13.根據權利要求4到11之一所述的用于驅動同步離子屏蔽質量分離器的方法，其特征在于，在兀件(11)的姆ー個時鐘，從存儲器(14)中讀出信號序列,在所述姆ー個時鐘設置輸出信號的變化。
全文摘要
本發(fā)明描述和示出一種用于同步離子屏蔽質量分離器的驅動設備，具有參考振蕩器(1)、直接數字合成器(2)、低通濾波器(3)和比較器(4)，其中同步離子屏蔽質量分離器具有梳形分離電極(6)，其中參考振蕩器(1)給直接數字合成器(2)提供參考頻率，由直接數字合成器(2)產生的輸出信號由低通濾波器(3)濾波并且低通濾波器(3)的輸出信號由比較器(4)處理。根據本發(fā)明，通過如下方式實現可靈活使用的和成本低的驅動設備由可編程元件(11)把比較器(4)的輸出信號轉換為與梳形分離電極(6)的齒(7)的數目相應的數目的輸出信號。
文檔編號H01J49/02GK102768935SQ201210149468
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權日2011年3月30日
發(fā)明者M·戴爾曼, M·格丁 申請人:克洛納測量技術有限公司