电压悬浮控制装置、控制方法及飞行时间质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱领域，特别是涉及一种电压悬浮控制装置、控制方法及飞行时间质谱仪。

背景技术

质谱技术自上世纪发明以来，因其高灵敏度和直接质量测定的特点，被广泛应用于化学分析。其中，飞行时间质谱仪TOFMS(Time-of-Flight Mass Spectrometer)是最常用的质量分析器之一，相较于其他类型质量分析器，具有微秒级检测速度以及高分辨率、高灵敏度、高质量精度、高质量上限等优点，十分适合与常压离子化技术联用。

飞行时间质谱仪TOFMS中质量分析区的核心主要由脉冲调制区、加速区、反射区、检测器几部分组成，每一部分都会加上专门的高压直流电位，形成专有的离子飞行传输电场。

当飞行时间质谱仪TOFMS工作时，加速区需要加上足够的高电压，以使离子有足够的动能开始运动，高质量的离子需要加上更高的加速电压，从而增加离子撞击力度，获取更高的检测效率。同时，检测器的两端需要加上足够的高压，以保证检测器可以正常工作有足够的电流放大增益。这样就需要对加速区和检测器分别独立加电，并且电压灵活可调节，加速区高压可以针对正负离子灵活切换极性，同时，检测器的基准电位需要和加速区高压的电位是等电位，加在检测器上的高压需要悬浮叠加在加速区高压上。

检测器高压要悬浮叠加在很高的加速区高压上，并且两者还要可以实现独立工作、灵活可调，这在工程技术实际实现上，存在着相当大的难度。

发明内容

基于此，有必要针对目前检测器高压要悬浮叠加在很高的加速区高压上，并且两者还要可以实现独立工作、灵活可调，这在工程技术实际实现上，存在着相当大的难度的问题，提供一种电压悬浮控制装置、控制方法及飞行时间质谱仪。

一种电压悬浮控制装置，包括：电源及控制模块、加速区、隔离模块、检测器；其中：

所述电源及控制模块用于提供检测器电压给定控制信号和加速区电压给定控制信号，以及为所述电压悬浮控制装置提供电源；

所述加速区用于根据所述加速区电压给定控制信号生成加速区输出电压；

所述隔离模块用于隔离所述检测器电压给定控制信号，并根据所述检测器电压给定控制信号生成检测器电压给定隔离控制信号；

所述检测器用于根据所述检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压，所述检测器的接地端与所述加速区的输出端连接，所述检测器的输出电压为所述检测器第一电压和所述加速区输出电压的悬浮叠加电压。

在其中一个实施例中，所述隔离模块包括第一隔离线性模块和第二隔离线性模块，所述电压悬浮控制装置还包括第一数模转换模块和第一模数转换模块；其中：

所述第一数模转换模块用于对所述检测器电压给定控制信号进行数模转换生成检测器电压给定模拟控制信号；

所述第一隔离线性模块用于对所述检测器电压给定控制模拟信号进行隔离和线性处理，生成所述检测器电压给定隔离控制信号，所述检测器根据所述检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压；

所述第二隔离线性模块用于对所述检测器的输出电压进行隔离和线性处理，生成所述检测器的输出电压反馈隔离信号；

所述第一模数转换模块用于对所述检测器的输出电压的反馈隔离信号进行模数转换生成检测器的输出电压反馈数字信号；

所述电源及控制模块还用于根据所述检测器的输出电压反馈数字信号，调节所述检测器电压给定控制信号。

在其中一个实施例中，所述隔离模块还包括隔离供电模块，所述电压悬浮控制装置还包括第一开关模块，其中：

所述第一开关模块用于断开或接通所述电源及控制模块提供给所述检测器的工作电源；

所述隔离供电模块用于对所述工作电源进行隔离处理后为所述检测器提供隔离电源。

在其中一个实施例中，所述加速区包括加速正高压区和加速负高压区，所述电压悬浮控制装置还包括第二开关模块，所述第二开关模块分别与所述电源及控制模块、所述加速正高压区和所述加速负高压区连接，用于选择所述加速正高压区和所述加速负高压区其中之一与所述电源及控制模块接通，使得所述加速区输出的加速区输出电压在正高压和负高压之间切换。

在其中一个实施例中，所述第二开关模块包括电源开关、极性切换开关和第一继电器，所述电源开关、极性切换开关和第一继电器连接在所述电源及控制模块、所述加速区之间，其中：

所述电源开关和极性切换开关用于配合控制所述第一继电器选择所述加速正高压区和所述加速负高压区其中之一与所述电源及控制模块接通。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第二数模转换模块和第二模数转换模块，其中，所述第二数模转换模块用于对所述加速区电压给定控制信号进行数模转换生成加速区电压给定模拟控制信号；

所述加速区根据所述加速区电压给定模拟控制信号生成加速区输出电压；

所述第二模数转换模块用于对所述加速区输出电压进行模数转换生成加速区的输出电压反馈数字信号；

所述电源及控制模块还用于根据所述加速区的输出电压反馈数字信号，调节所述加速区电压给定控制信号。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第二继电器和第三继电器，其中，

所述第二继电器的输入端分别与所述加速正高压区的输出端和所述第一继电器的输出端连接，所述第二继电器的输出端与所述检测器的接地端连接；

所述第三继电器的输入端分别与所述加速负高压区的输出端和所述第一继电器的输出端连接，所述第三继电器的输出端与所述检测器的接地端连接。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第一放电电路，所述第一放电电路连接所述加速区的输出端，并用于在当前时刻工作的电路要在所述加速正高压区与所述加速负高压区之间切换前，释放所述加速正高压区或所述加速负高压区积累的电荷，在所述加速正高压区或所述加速负高压区的电压降到第一预设电压后，所述第二开关模块控制所述加速正高压区与所述加速负高压区之间执行切换。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第二放电电路，所述第二放电电路连接所述检测器的输出端，并用于在当前时刻工作的电路要在所述加速正高压区与所述加速负高压区之间切换前释放所述检测器积累的电荷，在所述检测器的电压降到第二预设电压后，所述第二开关模块控制所述加速正高压区与所述加速负高压区之间执行切换。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路与所述加速正高压区的输出端和所述加速负高压区的输出端连接，用于对所述加速正高压区或所述加速负高压区的输出电压进行滤波。

在其中一个实施例中，所述电压悬浮控制装置还包括第二滤波电路，所述第二滤波电路与所述检测器的输出端连接，用于对所述检测器的输出电压进行滤波。

一种电压悬浮控制方法，包括：

获取检测器电压给定控制信号和加速区电压给定控制信号；

根据所述加速区电压给定控制信号生成加速区输出电压；

隔离所述检测器电压给定控制信号生成检测器电压给定隔离控制信号；

根据所述检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压；

将所述检测器第一电压和所述加速区输出电压进行悬浮叠加，获取检测器的输出电压。

一种飞行时间质谱仪，包括如上所述的电压悬浮控制装置。

上述电压悬浮控制装置、控制方法及飞行时间质谱仪，通过隔离模块将电源及控制模块提供的检测器电压给定控制信号进行隔离，检测器根据隔离后的控制信号生成检测器第一电压，并通过检测器的接地端与加速区的输出端连接，使得检测器的输出电压为检测器第一电压和加速区输出电压的悬浮叠加电压，实现了加速区电压和检测器电压的独立灵活控制和集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是第一实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图2是第二实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图3是第三实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图4是第四实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图5是第五实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图6是第六实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图7是第七实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图8是第八实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图9是第九实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图10是第十实施例的电压悬浮控制装置示意图；

图11是本发明实施例提供的一电压悬浮控制方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，是本发明实施例提供一电压悬浮控制装置示意图，该电压悬浮控制装置具体可包括：电源及控制模块100、加速区200、隔离模块300、检测器400；其中：

电源及控制模块100用于提供检测器电压给定控制信号和加速区电压给定控制信号，以及为电压悬浮控制装置提供电源。

加速区200用于根据上述加速区电压给定控制信号生成加速区输出电压。

隔离模块300用于隔离上述检测器电压给定控制信号，并根据该检测器电压给定控制信号生成检测器电压给定隔离控制信号。

检测器400用于根据上述检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压，且上述检测器400的接地端与加速区200的输出端连接，使得检测器400的输出电压为上述检测器第一电压和加速区200输出电压的悬浮叠加电压。

上述实施例提供的电压悬浮控制装置通过隔离模块将电源及控制模块提供的检测器电压给定控制信号进行隔离，检测器根据隔离后的控制信号生成检测器第一电压，并通过检测器的接地端与加速区的输出端连接，使得检测器的输出电压为检测器第一电压和加速区输出电压的悬浮叠加电压，实现了加速区电压和检测器电压的独立灵活控制和集成。

在其中一个实施例中，在检测正离子模式时，检测器的第一电压0～+2000V悬浮叠加在加速区高压0～-5000V上；在检测负离子模式时，检测器的第一电压0～+2000V悬浮叠加在加速区高压0～+5000V上。

在其中一个实施例中，如图2所示，上述隔离模块300具体可包括第一隔离线性模块310和第二隔离线性模块320，上述电压悬浮控制装置还包括第一数模转换模块500和第一模数转换模块600；其中：

第一数模转换模块500用于对上述检测器电压给定控制信号进行数模转换生成检测器电压给定模拟控制信号。

第一隔离线性模块310用于对上述检测器电压给定控制模拟信号进行隔离和线性处理，生成检测器电压给定隔离控制信号，检测器400根据该检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压。在其中一个实施例中，在上述第一数模转换模块500输出0-10V时，对应检测器400的第一电压0～+2000V。

第二隔离线性模块320用于对检测器400的输出电压进行隔离和线性处理，生成检测器400的输出电压反馈隔离信号。

第一模数转换模块600用于对上述检测器的输出电压的反馈隔离信号进行模数转换生成检测器400的输出电压反馈数字信号。

上述电源及控制模块100还用于根据检测器400的输出电压反馈数字信号，调节检测器电压给定控制信号，进而调节检测器400的输出电压。

在其中一个实施例中，如图3所示，上述隔离模块还包括隔离供电模块330，上述电压悬浮控制装置还包括第一开关模块700，其中：

第一开关模块700用于断开或接通电源及控制模块100提供给检测器400的工作电源。

隔离供电模块330用于对上述工作电源进行隔离处理后为检测器400提供隔离电源。

在其中一个实施例中，如图4所示，上述加速区200具体可包括加速正高压区210和加速负高压区220，上述电压悬浮控制装置还包括第二开关模块800，该第二开关模块分别与电源及控制模块100、加速正高压区210和加速负高压区连接210，用于选择加速正高压区210和加速负高压区220其中之一与电源及控制模块100接通，使得加速区200输出的加速区输出电压在正高压和负高压之间切换。

在其中一个实施例中，如图5所示，上述第二开关模块800包括电源开关820、极性切换开关840和第一继电器860，且上述电源开关820、极性切换开关840和第一继电器860连接在电源及控制模块100、加速区200之间，其中：电源开关820和极性切换开关840用于配合控制第一继电器860选择加速正高压区210和加速负高压区220其中之一与电源及控制模块100接通。

在其中一个实施例中，如图6所示，上述电压悬浮控制装置具体还可包括第二数模转换模块900和第二模数转换模块1000，其中，第二数模转换模块900用于对上述加速区电压给定控制信号进行数模转换生成加速区电压给定模拟控制信号。

加速区200根据上述加速区电压给定模拟控制信号生成加速区输出电压。在其中一个实施例中，在上述第二数模转换模块900输出0-10V时，对应加速区500的输出电压0～5000V。

第二模数转换模块1000用于对上述加速区输出电压进行模数转换生成加速区的输出电压反馈数字信号。

上述电源及控制模块100还用于根据上述加速区的输出电压反馈数字信号，调节加速区电压给定控制信号，进而控制加速区的输出电压。

在其中一个实施例中，如图7所示，上述电压悬浮控制装置具体还可包括第二继电器1100和第三继电器1200，其中，

第二继电器1100的输入端分别与加速正高压区210的输出端和第一继电器860的输出端连接，第二继电器1100的输出端与检测器400的接地端连接。第二继电器1100为高压继电器，用于配合第一继电器860选择加速正高压区210和加速负高压区220其中之一与电源及控制模块100接通。

第三继电器1200的输入端分别与加速负高压区220的输出端和第一继电器860的输出端连接，第三继电器的1200输出端与检测器400的接地端连接。第三继电器1200为高压继电器，用于配合第一继电器860选择加速正高压区210和加速负高压区220其中之一与电源及控制模块100接通。

在其中一个实施例中，如图8所示，上述电压悬浮控制装置还包括第一放电电路1300，该第一放电电路1300连接上述加速区200的输出端，并用于在当前时刻工作的电路要在加速正高压区210与加速负高压区220之间切换前，释放加速正高压区210或加速负高压区220积累的电荷，在加速正高压区210或加速负高压区220的电压降到第一预设电压后，第二开关模块800控制加速正高压区210与加速负高压区220之间执行切换。

上述实施例提供的电压悬浮控制装置通过第一放电电路在加速正高压区与加速负高压区之间切换前快速释放加速正高压区或加速负高压区积累的电荷，在加速正高压区或加速负高压区的电压降到第一预设电压后，第二开关模块控制加速正高压区与加速负高压区之间执行快速切换，从而实现正、负离子的快速切换检测，极大的缩短了研发周期和降低了研发成本。

在其中一个实施例中，上述第一预设电压具体可以为0V或一个比较低的预设电压，通过上述第一放电电路，可使加速正高压区与加速负高压区之间执行切换的时间在1.5s内完成，实现极性快速稳定切换。

在其中一个实施例中，如图8所示，上述电压悬浮控制装置还包括第二放电电路1400，该第二放电电路1400连接上述检测器400的输出端，并用于在当前时刻工作的电路要在加速正高压区210与加速负高压区220之间切换前释放检测器400积累的电荷，在检测器的电压降到第二预设电压(具体可以为0V或一个比较低的预设电压)后，第二开关模块800控制加速正高压区210与加速负高压区220之间执行切换。

上述实施例提供的电压悬浮控制装置通过第二放电电路，可使加速正高压区与加速负高压区之间实现极性快速稳定切换，从而实现正、负离子的快速切换检测。

在其中一个实施例中，如图8所示，上述电压悬浮控制装置还包括第一滤波电路1500，该第一滤波电路1500与加速正高压区210的输出端和加速负高压区220的输出端连接，用于对加速正高压区210或加速负高压区220的输出电压进行滤波。

在其中一个实施例中，如图8所示，上述电压悬浮控制装置还包括第二滤波电路1600，该第二滤波电路1600与检测器400的输出端连接，用于对检测器400的输出电压进行滤波。

在其中一个实施例中，如图9所示，上述第一放电电路1300具体可包括至少一个第一电阻R1(每个第一电阻的阻值可以不一样，具体阻值可根据实际使用场景选型)，如具体可包括五个第一电阻R1，每个第一电阻的一端与加速正高压区的输出端210和加速负高压区220的输出端连接，另一端接地。

在其中一个实施例中，如图9所示，上述第二放电电路1400包括至少一个第三电阻R3(每个第三电阻的阻值可以不一样，具体阻值可根据实际使用场景选型)，每个第三电阻R3的一端与检测器400的输出端连接，另一端接地。

在其中一个实施例中，如图9所示，上述第一滤波电路1500具体可包括第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一电感L1，其中，第四电阻R4、第五电阻R5和第一电感L1依次串联连接在加速正高压区210和加速负高压区220的输出端与第一滤波电路1500的输出端之间；第一电容C1连接在加速正高压区210和加速负高压区220的输出端与接地端之间；第二电容C2连接在第四电阻R4和第五电阻R5的连接节点与接地端之间；第三电容C3连接在第五电阻R5和第一电感L1的连接节点与接地端之间。

在其中一个实施例中，通过由多个电阻、电容、电感组成的RCL多级低通第一滤波电路1500，使加速正高压区210和加速负高压区220的输出高压纹波可以控制在50mV以内，这样就很好的实现了飞行时间质谱仪的高分辨率的要求。

在其中一个实施例中，如图9所示，上述第二滤波电路1600包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6和第二电感L2，其中，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第二电感L2依次串联连接在检测器400的输出端与第二滤波电路1600的输出端之间；第四电容C4连接在第六电阻R6和第七电阻R7的连接节点与接地端之间；第五电容C5连接在第七电阻R7和第八电阻R8的连接节点与接地端之间；第六电容C6连接在第八电阻R8和第二电感L2的连接节点与接地端之间。

在其中一个实施例中，通过由多个电阻、电容、电感组成的RCL多级低通第二滤波电路1600，使检测器400的输出高压纹波可以控制在50mV以内，这样就很好的实现了飞行时间质谱仪的高分辨率的要求。

在其中一个实施例中，如图10所示，上述电压悬浮控制装置具体还可包括检测器极片1700和加速区极片1800，其中，检测器极片1700连接检测器400的输出端，加速区极片1800连接加速区200的输出端；检测器极片1700和加速区极片1800置于真空腔体。加速区极片1800的电压可以通过加速区200独立灵活的调节和监测，检测器极片1700和加速区极片1800之间的电压可以通过检测器1700独立灵活的调节和监测，这样高压就很有效的加到了检测器1700上，同时实现了离子加速动能的独立灵活调节和检测器增益的独立灵活调节。

在其中一个实施例中，上述检测器可以为微通道板MCP(Micro Channel Plate)，这是一种离子探测器，是由许多相互平行的、能产生二次电子的微小通道组成的平板状电子倍增器。微通道板MCP的性能参数主要有微通道孔径d、微通道倾斜角θ、微通道板厚度h及其电流增益等。

本发明还提供一种电压悬浮控制方法，可适用于飞行时间质谱仪，如图11所示，该电压悬浮控制方法具体可包括以下步骤：

步骤100：获取检测器电压给定控制信号和加速区电压给定控制信号。

步骤200：根据所述加速区电压给定控制信号生成加速区输出电压。

步骤300：隔离所述检测器电压给定控制信号生成检测器电压给定隔离控制信号。

步骤400：根据所述检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压。

步骤500：将所述检测器第一电压和所述加速区输出电压进行悬浮叠加，获取检测器的输出电压。

上述实施例提供的电压悬浮控制方法通过隔离检测器电压给定控制信号，并根据该检测器电压给定隔离控制信号生成检测器第一电压，将检测器第一电压和加速区输出电压进行悬浮叠加，获取检测器的输出电压，实现了加速区电压和检测器电压的独立灵活控制和集成。

本实施例中的电压悬浮控制方法与上述图1对应实施例中的电压悬浮控制装置属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的装置实施例，且装置实施例中的技术特征在本方法实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明还提供一种飞行时间质谱仪，该飞行时间质谱仪具体可包括如上所述的电压悬浮控制装置。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。