電子倍增器及使用電子倍增器的質譜儀的製作方法
2023-09-20 00:50:10 3
本申請要求於2013年11月26日提交的第61/909,091號美國專利申請的優先權和權益，其的全部公開特此出於所有目的以引用的方式併入本文。本申請涉及下列各項中的每一個：於2012年11月19日提交的第61/728,188號美國專利申請、於2012年12月3日提交的第61/732,865號美國專利申請、於2013年3月14日提交的第61/781,963號美國申請、於2013年3月14日提交的第61/781,945號美國申請、於2013年11月18日提交的第14/082,512號美國申請以及於2013年11月18日提交的第14/082,685號美國申請，其中的每一個的全部公開特此出於所有目的以引用的方式併入本文。
技術領域
某些特徵、方面和實施方案涉及電子倍增器及使用電子倍增器的質譜儀。在一些情況下，檢測器可以被配置來結合脈衝計數信號來使用一個或多個模擬信號以擴展檢測器的動態範圍。在某些配置中，檢測器可以被配置來關閉飽和倍增電極的下遊倍增電極以保護檢測器，而無需調整檢測器增益。
背景技術：
在很多情況下通常需要檢測離子。通常使用電子倍增器放大離子信號以準許它們的檢測。
技術實現要素：
在本文所述的某些方面，本文描述了檢測器，其中來自電子倍增器的兩個或更多倍增電極的信號可以與脈衝計數一起測量以提供用於增加的動態範圍和改善的線性度。在入射信號較大的情況下，檢測器可以被配置來關閉高電流倍增電極以保護倍增電極，同時仍提供可用信號用於測量。
在一方面中，提供了一種質譜儀，其包括樣品引入系統、流體耦接到所述樣品引入系統的離子源、流體耦接到所述離子源的質量分析器，以及流體耦接到所述質量分析器的檢測器。在一些情況下，所述檢測器包括多個倍增電極，其中所述多個倍增電極中的至少兩個倍增電極每一個均電耦接到各個靜電計。在一些配置中，所述檢測器被配置來測量來自電耦接到它的各個靜電計的所述至少兩個倍增電極中的一個的非飽和模擬信號以及對脈衝進行計數以提供脈衝計數信號。在一些實例中，所述檢測器被配置來將測量到的非飽和模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準。
在某些實施方案中，所述質譜儀還可包括電耦接到所述多個倍增電極中的一個的至少一個額外的靜電計。在一些實例中，第一處理器可以電耦接到每一個靜電計。在其他情況下，不帶有各個靜電計的至少一個倍增電極定位在電耦接到靜電計的倍增電極之間。在一些實例中，所述質譜儀的所述電子倍增器配置有每隔一個電耦接到靜電計的倍增電極。在一些配置中，所述質譜儀的所述電子倍增器配置有每三個電耦接到靜電計的倍增電極。在其他配置中，所述質譜儀的所述電子倍增器配置有每四個電耦接到靜電計的倍增電極。在額外實例中，所述質譜儀的所述電子倍增器配置有每五個電耦接到靜電計的倍增電極。
在某些配置中，所述質譜儀的所述檢測器的每一個靜電計電耦接到信號轉換器。例如，每一個靜電計電耦接到模數轉換器以將來自電耦接到靜電計的所述倍增電極中的每一個的同時數位訊號提供到所述第一處理器。在一些實施方案中，所述第一處理器被配置來將所述非飽和模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準。在其他配置中，所述第一處理器可以電耦接到所述多個倍增電極並且被配置來防止每一個倍增電極處的電流過載。在一些實例中，所述檢測器被配置來改變飽和倍增電極處或者來自所述飽和倍增電極下遊的倍增電極處的電壓。在其他實施方案中，在測量具有不同質荷比和/或不同濃度的種類之間，不調整所述電子倍增器的電壓。在一些實施方案中，所述質譜儀的所述電子倍增器被配置來在所述多個倍增電極中的飽和倍增電極處終止信號放大。在一些實例中，所述電子倍增器被配置來在所述多個倍增電極中的每一個倍增電極處提供獨立電壓控制。在其他實施方案中，隨著每一個倍增電極處的電子電流的改變，倍增電極到倍增電極電壓不變。在某些實例中，使用所述質譜儀，離子電流測量的動態範圍大於100KHz讀數的108。在一些配置中，所述第一處理器被配置來使用所述非飽和模擬信號和所述脈衝計數信號來確定樣品中的離子的水平。在其他實施方案中，所述第一處理器被配置來使用各個電子倍增器增益來縮放所述非飽和模擬信號。
在另一方面中，描述了一種電子倍增器，其包括多個倍增電極，其中所述多個倍增電極中的至少兩個倍增電極每一個均電耦接到各個靜電計。在一些實例中，所述電子倍增器被配置來測量來自電耦接到它的各個靜電計的所述至少兩個倍增電極中的一個的非飽和模擬信號，其中所述電子倍增器被配置來對脈衝進行計數以提供脈衝計數信號並且其中所述電子倍增器被配置來將測量到的非飽和模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準。
在某些配置中，所述電子倍增器包括電耦接到所述多個倍增電極中的一個的至少一個額外的靜電計。在其他配置中，不帶有各個靜電計的至少一個倍增電極定位在電耦接到靜電計的倍增電極之間。在一些配置中，所述電子倍增器配置有每隔一個電耦接到靜電計的倍增電極。在額外的配置中，所述電子倍增器配置有每三個電耦接到靜電計的倍增電極。在一些實施方案中，所述電子倍增器配置有每四個電耦接到靜電計的倍增電極。在其他實例中，所述電子倍增器配置有每五個電耦接到靜電計的倍增電極。
在一些實例中，所述電子倍增器的每一個靜電計電耦接到信號轉換器。在某些實施方案中，每一個信號轉換器是模數轉換器以提供同時數位訊號。在某些配置中，第一處理器電耦接到每一個靜電計。在一些實例中，所述第一處理器被配置來將所述非飽和模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準。在某些實施方案中，所述第一處理器被配置來在所述多個倍增電極中的飽和倍增電極處終止信號放大。在其他實例中，所述第一處理器被配置來改變飽和倍增電極處或者來自所述飽和倍增電極下遊的倍增電極處的電壓。在另外的實施方案中，在測量具有不同質荷比和/或不同濃度的種類之間，不調整所述電子倍增器的電壓。在一些配置中，所述電子倍增器被配置來在所述多個倍增電極中的飽和倍增電極處終止信號放大。在額外的配置中，所述電子倍增器被配置來在所述多個倍增電極中的每一個倍增電極處提供獨立電壓控制。在一些實施方案中，隨著每一個倍增電極處的電子電流的改變，倍增電極到倍增電極電壓不變。在某些配置中，所述電子倍增器的動態範圍大於100KHz讀數的108。在一些實例中，所述第一處理器被配置來使用所述非飽和模擬信號和所述脈衝計數信號來確定樣品中的離子的水平。在其他實例中，所述第一處理器被配置來使用各個電子倍增器增益來縮放所述非飽和模擬信號。
在額外方面中，提供了一種電子倍增器，其包括多個倍增電極並且被配置來提供來自所述多個倍增電極中的至少兩個倍增電極的動態模擬信號輸出，其中所述電子倍增器被配置來在測量到飽和電流時在飽和倍增電極處終止信號放大，其中所述電子倍增器還被配置來對脈衝進行計數並且提供脈衝計數信號，並且其中所述電子倍增器被配置來交叉校準測量到的模擬信號和所述脈衝計數信號。術語「動態模擬信號輸出」是指不必從用於不同測量的同一倍增電極提供的模擬信號輸出。例如，根據信號強度，所使用的模擬信號輸出可由用於不同測量的不同倍增電極提供，例如，可從一個測量中的第三倍增電極和另一測量中的第六倍增電極提供。
在一些配置中，測量到的動態模擬信號輸出由所述多個倍增電極中的中點倍增電極上遊的倍增電極提供。在其他配置中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊的倍增電極提供。在另外的配置中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊一個倍增電極的倍增電極提供。在額外配置中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊兩個倍增電極的倍增電極提供。在另外的配置中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊三個倍增電極的倍增電極提供。在一些實施方案中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊四個倍增電極的倍增電極提供。在其他實施方案中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊五個倍增電極的倍增電極提供。在額外實施方案中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊六個倍增電極的倍增電極提供。在一些實例中，所述動態模擬信號輸出由所述飽和倍增電極上遊七個倍增電極的倍增電極提供。
在某些配置中，所述電子倍增器被配置來提供來自所述多個倍增電極中的至少三個倍增電極的所述動態模擬信號輸出。在其他配置中，所述電子倍增器被配置來提供來自所述多個倍增電極中的至少四個倍增電極的所述動態模擬信號輸出。在另外的配置中，所述電子倍增器可以包括第一處理器，其電耦接到所述多個倍增電極中的所述至少兩個倍增電極中的每一個。在一些情況下，所述第一處理器被配置來將所述非飽和模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準。在其他情況下，在測量具有不同質荷比和/或不同濃度的種類之間，不調整所述電子倍增器的電壓。在一些實施方案中，所述電子倍增器被配置來在所述多個倍增電極中的每一個倍增電極處提供獨立電壓控制。在其他實施方案中，隨著每一個倍增電極處的電子電流的改變，倍增電極到倍增電極電壓不變。在額外實例中，所述電子倍增器的動態範圍大於100KHz讀數的108。在另外的實例中，所述第一處理器被配置來使用所述動態模擬輸出信號和所述脈衝計數信號來確定樣品中的離子的水平。在一些實施方案中，所述第一處理器被配置來使用各個電子倍增器增益來縮放所述動態模擬信號輸出。在某些實例中，所述多個倍增電極中的所述至少兩個倍增電極中的每一個電耦接到各個靜電計。
在另一方面中，一種確定樣品中的種類的量的方法包括：測量表示所述樣品中的所述種類的非飽和模擬信號，其中用電子倍增器測量所述非飽和模擬信號，所述電子倍增器包括多個倍增電極，其中所述多個倍增電極中的至少兩個倍增電極電耦接到各個靜電計，其中所述電子倍增器被配置來在檢測到飽和電流的倍增電極處終止信號放大。所述方法還可包括用所述電子倍增器對脈衝進行計數以提供脈衝計數信號。所述方法還可包括交叉校準測量到的非飽和模擬信號和提供的脈衝計數信號以確定所述樣品中的所述種類的量。
在某些配置中，所述樣品中的所述種類是提供到所述電子倍增器的離子。在其他配置中，所述樣品中的所述種類發射提供到所述電子倍增器的光子。在一些情況下，所述方法可包括在緊靠檢測到所述飽和電流的所述倍增電極上遊的倍增電極處測量所述非飽和模擬信號。在其他情況下，所述方法可包括在檢測到所述飽和電流的所述倍增電極上遊的至少兩個倍增電極的倍增電極處測量所述非飽和模擬信號。在另外的情況下，所述方法可包括在與測量所述非飽和模擬信號不同的倍增電極處測量第二非飽和模擬信號，以及將測量到的第二非飽和模擬信號與所述提供的脈衝計數信號交叉校準。在一些實例中，所述方法可包括在與測量所述非飽和模擬信號和所述第二非飽和模擬信號不同的倍增電極處測量第三非飽和模擬信號，以及將測量到的第三非飽和模擬信號與所述提供的脈衝計數信號交叉提供。
在某些配置中，所述方法可包括測量來自提供高於噪聲信號並且低於飽和信號的模擬信號的倍增電極之間的每一個倍增電極的模擬信號，以及將所述測量到的模擬信號中的每一個與所述提供的脈衝計數信號交叉校準。在其他配置中，來自每一個倍增電極的所述模擬信號被轉換成數位訊號，其與所述提供的脈衝計數信號交叉校準。在一些實例中，所述方法可以包括：通過測量表示所述樣品中的第二種類的非飽和模擬信號來檢測不同於所述樣品中的所述種類的所述樣品中的第二種類，而無需調整所述電子倍增器的所述電壓；以及交叉校準表示所述樣品中的所述第二種類的測量到的非飽和模擬信號和所述脈衝計數信號以確定所述樣品中的第二種類的量。
在另一方面中，一種檢測離子的方法包括：同時測量來自電子倍增器的多個倍增電極中的兩個或更多倍增電極的模擬信號；選擇在測量到飽和信號的倍增電極上遊的測量到的模擬信號中的一個；對脈衝進行計數以提供脈衝計數信號；以及將所選擇的測量到的模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準以確定離子的水平。在某些配置中，所述方法可包括在測量到所述飽和信號的所述倍增電極處終止信號放大。
在額外的方面，一種檢測從樣本中發射的光子的方法包括：同時測量來自電子倍增器的多個倍增電極中的兩個或更多倍增電極的模擬信號；選擇在測量到飽和信號的倍增電極上遊的測量到的模擬信號中的一個；對脈衝進行計數以提供脈衝計數信號；以及將所選擇的測量到的模擬信號與所述脈衝計數信號交叉校準以確定所述樣品的濃度。在一些情況下，所述方法包括在測量到所述飽和信號的所述倍增電極處終止信號放大。
本文中更詳細地描述額外特性、特徵、方面、實施方案以及配置。
附圖說明
參考附圖描述信號倍增器的某些特徵、方面和實施方案，在附圖中：
圖1是根據某些實例的包括多個倍增電極的檢測器的圖示；
圖2是根據某些實例的其中每一個倍增電極電耦接到靜電計的檢測器的圖示；
圖3是根據某些實例的其中每隔一個倍增電極電耦接到靜電計的檢測器的圖示；
圖4是根據某些實例的其中每三個倍增電極電耦接到靜電計的檢測器的圖示；
圖5A是根據某些實例的其中每四個倍增電極電耦接到靜電計的檢測器的圖示；
圖5B是根據某些實例的其中使用模擬信號和脈衝計數信號來確定離子的水平的圖示；
圖5C是示出根據某些配置的隨著脈衝級和兩個模擬級的濃度變化的線性檢測器響應的曲線圖；
圖6是根據某些實例的其中每五個倍增電極電耦接到靜電計的檢測器的圖示；
圖7是示出根據某些實例的用於多個倍增電極中的每一個的信號強度範圍的圖表；
圖8是示出根據某些實例的使用電阻梯來控制檢測器中的倍增電極的電壓的圖示；
圖9是示出根據某些實例的使用每一個均電耦接到各個倍增電極的多個靜電計的圖示；示出到處理器的絕緣連接
圖10是示出根據某些實例的電耦接到放大器以向放大器提供功率的功率轉換器的圖示；
圖11是示出根據某些實例的被配置來對檢測器中的倍增電極偏壓提供單獨控制的示例電路的圖示；
圖12是根據某些實例的被配置來響應於倍增電極的飽和而終止信號的放大的電路的示意圖；
圖13是示出根據某些實例的各種倍增電極的動態範圍的圖表；
圖14A是根據某些實例的被配置來控制倍增電極電壓的電路；
圖14B和圖14C一起示出根據某些配置的被配置來控制倍增電極電壓的另一電路的示意圖；
圖15是根據某些實例的側向檢測器的圖示；
圖16是根據某些實例的質譜儀的框圖；
圖17A是根據某些實例的微通道板的圖示；
圖17B是根據某些配置的堆疊微通道板的圖示，所述堆疊微通道板中的每一個可以起到倍增電極的作用；
圖18是根據某些實例的相機的實例；
圖19是根據某些實例的用於執行俄歇光譜的系統的圖示；以及
圖20是根據某些實例的用於執行ESCA的系統的圖示。
鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將認識到，附圖中的部件並不限制，而且在不脫離本文所述的技術的精神和範圍的情況下，也可包括額外部件。
具體實施方式
本文所述的某些特徵、方面和實施方案涉及檢測器以及使用它們的系統，所述系統可以接收入射離子、放大對應於所述離子的信號並且提供所得的電流或電壓。在一些實施方案中，本文所述的檢測器和系統可以具有擴展動態範圍，從而在沒有損壞或過早老化裝置的情況下接受較大電子電流。在其他情況下，所述檢測器和系統由於高濃度(或者發射到或以其他方式提供到離子檢測器的離子量較高)可能對過載或飽和效應基本不敏感，而仍提供快速採集時間和準確測量，並且同時對測量低離子濃度或水平足夠敏感，例如，千兆分之1000或更少。在一些情況下，具有不同增益的不同模擬級可以用來調整動態範圍。例如，測量的一個或多個模擬級的增益可以對照脈衝級和/或其他模擬級進行校準。
在一些實施方案中，本文所述的檢測器的倍增電極可以用來以不會使倍增電極過載的方式測量信號，例如，表示入射離子或光子的信號。例如，檢測器可以被配置來使得飽和倍增電極下遊的倍增電極「短路」或者不用於放大。這種配置可以增加檢測器的壽命，並且可以準許不必改變或調整用於每一個樣品的檢測器的增益便在較廣的濃度範圍上使用檢測器。例如，每一個倍增電極的電壓(或電流)可以被監控和/或用來測量信號。如有需要，高於噪聲水平並且低於飽和水平的倍增電極信號可以用來提供模擬信號，所述模擬信號可以用來確定入射在檢測器上的離子(或光子)的數量。在信號放大導致較大電流的情況下，飽和水平下遊的倍增電極可以被分流或關閉，以便終止放大並且保護那些倍增電極。在信號放大仍較小的情況下，例如，歸因於較低的離子或光子水平，可以實施脈衝計數，以確定在此類低水平或濃度下存在的離子數量。在一些配置中，可存在一個或多個分束器，從而使得在檢測器中的某一點，信號的某一部分被分開並提供到脈衝計數電極，而信號的其餘部分可以被作為模擬信號。引用術語「上遊」和「下遊」應被理解為指代一個倍增電極相對於另一倍增電極的位置。在另一倍增電極上遊的倍增電極通常定位成更靠近檢測器的入口孔，而在另一倍增電極下遊的倍增電極通常定位成更靠近檢測器的集電極。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器和系統廣泛應用於很多不同類型的裝置，包括但不限於，醫學和化學儀器的離子檢測器，例如，質譜分析法、輻射檢測器、法拉第杯、蓋革計數器、閃爍計數器、光子計數器、發光測量，以及可以接收離子或光子並且放大信號以提供表示入射粒子或光的電流(或電壓)、圖像或信號的其他裝置。裝置可用於或可包括一個或多個閃爍體、初級發射器、次級發射器或者其他材料，以促進離子檢測和/或使用離子來提供圖像。視覺成像部件可以與測量的信號一起使用，以構建表示由本文所述的檢測器和系統接收到的離子/光子的圖像。下文更詳細地描述這些和其他檢測器和系統的實例。此外，裝置可用來測量光子水平，例如，其中樣品發射一定波長的光的螢光、磷光或其他發光過程，以便使用發射的光來確定樣品的濃度。
下文參考包括倍增電極或倍增電極級的裝置來描述某些附圖。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將認識到，倍增電極或倍增電極級的確切數量可以改變，例如，從5變到30或者大於30的倍增電極級的中間或其他數量中的任一數量，具體取決於所需的信號放大、所需的裝置敏感性以及其他考慮。此外，在提及通道的情況下，例如，微通道板裝置的通道，通道的確切數量也可根據需要而改變。
在某些實施方案中並且參考圖1，示出離子或光子檢測器100的某些部件。檢測器100包括脈衝計數電極135和電極135上遊的多個倍增電極125到133。儘管未示出，但檢測器100的部件將一般定位在真空管或外殼(在真空下)內，並且也可包括聚焦透鏡或者其他部件，以便以合適的角度將射束120提供到第一倍增電極126。另外，分束器可以存在於倍增電極的中點，以將某些量的信號提供作為模擬信號，並且將剩餘的信號提供到脈衝計數電極135。在檢測器100的使用中，射束120入射到第一倍增電極126上，所述第一倍增電極通過光電效應將離子信號轉換成電信號，所述電信號示為射束122。在一些實施方案中，倍增電極126(和倍增電極127到133)可以包括入射表面上的材料薄膜，其可以接收離子並且導致電子從所述表面對應發射。來自離子束120的能量由倍增電極126通過電子發射而轉換成電信號。每一個離子發射的電子的確切數量至少部分取決於材料的逸出功和入射離子的能量。由倍增電極126發射的次級電子在下遊倍增電極127的大體方向上發射。例如，分壓器電路(如下文描述)或其他合適的電路可以用來為每一個下遊倍增電極提供更大的正電壓。倍增電極126與倍增電極127之間的電勢差導致從倍增電極126發射的電子朝向倍增電極127加速。加速度的確切水平至少部分取決於使用的增益。倍增電極127通常維持在比倍增電極126更大的正電壓，例如，具有100到200伏的更大正值，以便導致由倍增電極126發射的電子朝向倍增電極127加速。隨著電子從倍增電極127中發射出來，它們朝向下遊倍增電極128加速，如射束140所示。提供級聯機構，其中每一個連續的倍增電極級發射的電子比上遊倍增電極發射的電子數量更多。所得的放大信號可以被讀作來自倍增電極中的一個或多個的模擬信號和/或作為來自脈衝計數電極135的脈衝計數信號。在電極135處測量到的計數可以用來確定每秒到達的離子量(每秒的計數或每秒的脈衝)，和/或存在於樣品中的特定離子的量，例如，具有所選擇的質荷比的特定離子，或者離子的其他特性。如有需要，測量的電流可以用於使用傳統標準曲線技術來定量表示離子的濃度或量。通常，檢測的電流取決於從倍增電極126發射出的電子的數量，所述數量與入射離子的數量和裝置100的增益成比例。增益一般被定義成相對於從倍增電極126發射出的電子的數量，在集電極處收集到的電子的數量。例如，如果每一個倍增電極處發射5個電子，並且裝置100包括總共8個倍增電極，那麼增益是58或約390,000。增益也可以取決於施加到裝置100的電壓。例如，如果電壓增加，那麼倍增電極之間的電勢差增加，從而導致擊打特定倍增電極級的電子的入射能增加。
在一些實施方案中，通過準許將太多的離子(或光子)引入到外殼中和/或通過將增益調整得太高，可能會使檢測器100過載。如上所述，現有離子檢測器的增益可以通過改變或調整控制電壓進行調整，以便在檢測器沒有飽和的情況下提供所需信號。例如，典型檢測器的操作電壓可在800到3000伏之間。改變操作電壓可以導致增益改變。典型的增益值可從約105到約108。針對任何給定的增益，檢測器具有可用動態範圍，所述動態範圍受到高電流端處的飽和以及低輸入電流情況下的檢測器噪聲限制。增益調整通常可以在不同樣品之間發生，以避免檢測器在高樣品濃度(或離子量較高)情況下過載，並且避免在低樣品濃度(或低水平的入射離子)的情況下沒有提供足夠的信號放大。可替代地，可以選擇增益(通過選擇合適的操作電壓)，以使得在不同質荷比下，改變離子電流的水平不會使檢測器飽和。調整測量到測量或圖像到圖像的增益會增加採樣時間，可以降低檢測器響應時間，以及可導致結果不準確。例如，在檢測器的增益改變之後，檢測器可能要花幾秒穩定下來。在增益太高的情況下，檢測器可以變得過載或飽和，從而可以導致檢測器的壽命減少，並且提供基本上不準確的測量。在增益太低的情況下，處於較低濃度水平或量的離子將落入噪聲信號內並且未被檢測到。本文所述的檢測器的實施方案準許同時在低濃度和高濃度下(以固定或不變的增益)檢測離子，而同時保護下遊倍增電極免受可損壞倍增電極的飽和電流。在某些配置中，檢測器的電壓可以保持不變，並且可以呈現為在較高水平下對飽和或過載不敏感，或者對進入檢測器的離子(或光子)的量不敏感。相反，可以測量到達所選擇的倍增電極級(或來自所選擇的倍增電極級)的電流，從而反映輸入電子與離開電子的離子電流差。這些讀數可以用來確定是否應在下面的下一級引出電子電流，從而可以停止去往較低倍增電極，即，下遊倍增電極的所有電子電流。所選擇的倍增電極級處的高於噪聲水平並且低於飽和水平的測量電流可以由級增益縮放，以確定表示到達檢測器的離子(或光子)的濃度或量的電流信號。如果來自模擬級的信號不能將檢測器的範圍擴展到較低離子水平，也可以執行脈衝計數。測量到的模擬信號和脈衝信號可以交叉校準以進一步提高準確性。下文更詳細地描述此類過程的說明。
在某些實施方案中，離子檢測器100的倍增電極126到133(並且共同示為元件125)中的每一個可以被配置來電耦接到靜電計，從而可以監控或測量多個倍增電極125中的一個或多個或者每一個的電流(輸入電流或輸出電流)。如有需要，為了更簡單的配置，靜電計可用簡單的電流電壓轉換器替換，例如，運算放大器。每一個運算放大器的輸出可以耦接到信號轉換器，例如，模數信號轉換器，以提供數位訊號。在一些配置中，每一個倍增電極之間的電壓差可為約100到200V。如本文中其他地方所述，靜電計可是模擬電路或數字電路的一部分。例如，包括一個或多個場效應電晶體的固態放大器可以用來測量多個倍增電極126到133中的每一個的電流。在一些情況下，多個倍增電極126到133中的每一個可包括各個固態放大器。如有需要，放大器可以耦接到一個或多個信號轉換器、處理器或其他電部件。在組合中，部件可提供或被視作包括一個或多個通道的微控制器，例如，ADC通道。在一些實施方案中，單個微處理器可以電耦接到倍增電極中的一個、兩個或更多，例如，全部，從而使得針對一個、兩個或更多，例如，全部倍增電極，電流值可以同時被提供到處理器。由於倍增電極電壓不同，因此，可以通過將各種信號與每一個倍增電極電隔離的一些手段來提供電流值，例如，可以使用光耦合器、電感器、光管、IRF裝置或者其他部件。例如，來自不同模擬級的不同信號可以彼此電隔離，以提供更準確的測量。在其他配置中，電耦接到合適部件(如本文所述)的處理器可以監控每一個倍增電極的電流水平，以確定樣品的濃度或者基於信號來構建圖像。
在某些實施方案中並且參考圖2，示出檢測器中的某些部件的一個配置。在圖2中，檢測器200包括多個倍增電極級230到237和脈衝計數電極220以及相關聯的電路(未示出)。例如，脈衝計數電極220可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極220起到脈衝計數器的作用。儘管未示出，但分束器可存在於檢測器200內。在檢測器200中，倍增電極級230到237中的每一個電耦接到各個靜電計240到247。靜電計240到247可以每一個均電耦接到第一處理器250，例如，通過處理器250的單獨輸入通道。儘管圖2中未示出，但倍增電極/靜電計對中的每一個可以與其他倍增電極/靜電計對電隔離，從而將單獨的模擬信號提供到處理器250。處理器250可以存在於印刷電路板上，並且可包括印刷電路板上通常見到的其他部件，包括但不限於，I/O電路、數據總線、存儲器單元(例如，RAM)、時鐘發生器、輔助集成電路以及其他電部件。出於參考目的，倍增電極236緊靠倍增電極233的上遊，並且倍增電極237緊靠倍增電極233的下遊。緊靠另一倍增電極的上遊或下遊的倍增電極在本文中也稱為鄰近倍增電極。
在圖2所示的檢測器的使用中，離子或光子入射在倍增電極230上。電子從倍增電極230中發射出來並且擊打倍增電極234。額外的電子從倍增電極234中發射出來並且擊打倍增電極231。針對強信號，這個過程可以沿著倍增電極鏈繼續，直至達到飽和水平為止。在發生飽和的情況下，飽和倍增電極下遊的倍增電極可以短路，以防止損壞。來自倍增電極230與飽和倍增電極之間的倍增電極的模擬信號(及其增益)可以被測量並且用來確定到達檢測器的離子/光子的數量。在一些情況下，使用來自緊靠飽和倍增電極上遊的倍增電極的模擬信號。如有需要，可以使用來自兩個或更多倍增電極的模擬信號，以確定到達檢測器的離子/光子的數量。這些不同的信號應提供約相同數量的離子/光子，並且如有需要，信號可以進行均分，以提高檢測器的整體準確性。在一些情況下，例如，可通過使用分束器分開信號來執行脈衝計數，從而將信號的一部分提供作為模擬信號，而剩餘的信號可以被檢測為脈衝計數信號。此外，在到達檢測器的離子/光子信號比較弱的情況下，下遊倍增電極可不飽和或關閉，因為它們仍低於飽和電流水平。來自電極220的脈衝信號可以用來對入射離子/光子的數量進行計數。模擬信號和脈衝信號可以交叉校準以提供校準曲線，所述校準曲線可以用來測量極低的離子水平(千兆分率)到極高的離子水平(千分率或更高)，而無需調整提供到檢測器的電壓，例如，檢測器可以在一次掃描中實現線性動態範圍的八到十或十到十二或者更多量級。交叉校準可以採用很多方式執行，但通常通過確定不同的離子/光子水平處的模擬信號與脈衝計數的曲線圖的斜度來計算。在除了中點倍增電極之外的倍增電極處測量模擬信號的能力可以擴展動態範圍，以便使用模擬信號測量離子，例如，模擬信號可以用來在兆分率到千分率上提供線性響應。此外，執行脈衝計數的能力將檢測器的動態範圍擴展到較低水平，例如，少於每秒106計數或低於兆分率。組合之後，具有從千兆分率到千分率的線性響應的檢測器可以用來在單次掃描中測量離子水平(或光子強度)。
在其他實施方案中並且現在參考圖3，可能不需要或不必要在檢測器的每一個倍增電極處監控模擬信號。例如，在檢測器300中，每隔一個倍增電極電耦接到靜電計。檢測器300包括多個倍增電極級330到337和脈衝計數電極320。脈衝計數電極320可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極320起到脈衝計數器的作用。儘管未示出，但分束器可存在於檢測器300內。在檢測器300中，每隔一個倍增電極級電耦接到各個靜電計。例如，倍增電極級330到333沒有電耦接到靜電計，而倍增電極級334到337中的每一個電耦接到各個靜電計344到347。靜電計344到347(以及它們對應的倍增電極)可以彼此電隔離，以將單獨信號提供到第一處理器。靜電計344到347可以每一個均通過處理器350的單獨輸入通道電耦接到第一處理器350。如本文所述，處理器350可存在於印刷電路板上，其可包括印刷電路板上通常見到的其他部件，包括但不限於，I/O電路、數據總線、存儲器單元(例如，RAM)、時鐘發生器、輔助集成電路以及其他電部件。通過將檢測器配置成靜電計在每隔一個電極上，可以實施檢測器製造和減少電路。儘管圖3中所示的配置示出靜電計存在於每隔一個倍增電極處，但可能需要將靜電計包括在相鄰倍增電極上，隨後是沒有靜電計的倍增電極級，而不是以每隔一個倍增電極為基礎將靜電計間隔開。例如，在檢測器包括八個倍增電極和四個靜電計的情況下，可能需要從除了最後四個倍增電極級332、333、336和337之外的所有級中省略靜電計。在觀察到飽和倍增電極的情況下，可以使用來自飽和倍增電極上遊的倍增電極/靜電計對的模擬信號，例如，緊靠上遊。例如，如果確定倍增電極336處出現飽和，那麼可以使用來自倍增電極335的模擬信號。來自被測量的倍增電極的模擬信號可以對照脈衝計數信號交叉校準，所述脈衝計數信號通過對電極320處的脈衝進行計數來提供，並且用來確定存在於樣品中的離子的數量或者在光子入射到檢測器300上的樣品中的特點種類的濃度。
在額外的實施方案中並且參考圖4，可能需要將檢測器配置成靜電計在每三個倍增電極上。例如，檢測器400包括多個倍增電極430到437和脈衝計數電極420。脈衝計數電極420可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極420起到脈衝計數器的作用。儘管未示出，但分束器可存在於檢測器400內。在檢測器400中，每三個倍增電極級電耦接到各個靜電計。例如，倍增電極級434、432和437中的每一個分別耦接到靜電計444、442和447，並且所有其他的倍增電極級沒有耦接到靜電計。靜電計444、442和447可以每一個均與彼此電隔離，並且可以每一個均通過處理器450的單獨輸入通道(未示出)電耦接到處理器450。脈衝計數電極420可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極420起到脈衝計數器的作用。儘管將三個靜電計示為存在於檢測器400中，但如有需要，三個靜電計可以共同定位在倍增電極級的中間、共同朝向倍增電極級的一端或者以不同於每三個倍增電極的其他方式間隔開。例如，可能需要從除了最後三個倍增電極級433、436和437之外的所有級中省略靜電計。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將容易選擇包括每一個均電耦接到各個倍增電極的三個靜電計的檢測器的額外配置。在檢測器400的使用中，可以在倍增電極434、432和437中的一個或多個處監控模擬信號。如果在倍增電極434、432和437中的一個處發生飽和，那麼可以使用來自上遊倍增電極的模擬信號。也可以實施脈衝計數。來自倍增電極434、432和437中的一個或多個的模擬信號可以對照脈衝計數交叉校準，以在較廣的離子或光子範圍上提供線性響應。如果在倍增電極中的一個處觀察到電流飽和，那麼飽和倍增電極下遊的倍增電極可以短路，以停止信號放大並且保護檢測器。
在其他實施方案中並且參考圖5A，可能需要將檢測器配置成靜電計在每四個倍增電極上。例如，檢測器500包括多個倍增電極530到537和脈衝計數電極520。脈衝計數電極520可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極520起到脈衝計數器的作用。儘管未示出，但分束器可存在於檢測器500內。在檢測器500中，每四個倍增電極級電耦接到各個靜電計。例如，倍增電極級535和537中的每一個分別耦接到靜電計545和547，並且所有其他的倍增電極級沒有耦接到靜電計。靜電計545和552可以每一個均與彼此電隔離，並且可以通過處理器550的單獨輸入通道(未示出)電耦接到處理器550。儘管將兩個靜電計示為存在於檢測器500中，但如有需要，兩個靜電計可以共同定位在倍增電極級的中間、共同朝向倍增電極級的一端或者以不同於每四個倍增電極的其他方式間隔開。例如，可能需要從除了最後兩個倍增電極級533和537之外的所有級中省略靜電計。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將容易選擇包括每一個均電耦接到各個倍增電極的兩個靜電計的檢測器的額外配置。
參考圖5B，示出具有靜電計間隔開四個倍增電極的檢測器的額外配置。具體而言，三個倍增電極574、576和578每一個均電耦接到各個靜電計582、584和586，並且分別提供電流iA1、iA2和iA3。增益G存在於倍增電極中的每一個之間，其中GA1是來自第一倍增電極572和倍增電極574的增益，GA2是從第一倍增電極572到倍增電極576的增益，並且GA3是從第一倍增電極到倍增電極578的增益。靜電計584、585和587中的每一個電耦接到各個信號轉換器583、585和587，以將信號提供到處理器(未示出)。每一個倍增電極級的電流iA大體等於輸入離子通量(或光子通量)nin乘以該級的增益GA並且乘以庫倫常數。來自特定倍增電極的電流可以被信號轉換器數位化，例如，16位模數轉換器，以提供輸出Acps。由脈衝計數電極590提供的脈衝計數Pcps應約等於適當校準的儀器的輸入離子通量nin。在圖5B所示的實施方案中，不同的倍增電極級574、576和578可以用來調整動態範圍。倍增電極級578具有最高相關聯的模擬增益，並且倍增電極級574具有最低相關聯的模擬增益574。本文所述的電路可以用來讀出各個倍增電極574、576和578中的一個或多個，並且終止或關閉飽和倍增電極級下遊的倍增電極。例如，如果在倍增電極578處檢測到飽和，那麼倍增電極578下遊的電極，例如，倍增電極578與脈衝電極590之間的那些倍增電極，可以分流或關閉，以保護檢測器。例如，通過構建Acps與Pcps的曲線圖，每一個模擬倍增電極級的增益可以對照各個離子水平的脈衝級進行校準，並且如有需要，也可以對照其他模擬級進行校準。例如並且參考圖5C，示出檢測器響應與離子濃度的曲線圖。脈衝級校準可以用來確定低水平的離子，例如，千兆分之10。針對稍高水平的離子，例如，少於10ppm，可以使用第一模擬級校準，例如，通過使用來自倍增電極576的模擬信號。針對較高水平的離子，例如，少於100ppm，可以使用第二模擬級校準，例如，通過使用來自倍增電極574的模擬信號。
在一些實例中，可能需要將檢測器配置成靜電計在每五個倍增電極上。例如並且參考圖6，檢測器600包括多個倍增電極630到637和脈衝計數電極620。脈衝計數電極620可耦接到其他合適的電部件，例如，如第5,463,219號和第7,928,361號美國專利中所述，以準許電極620起到脈衝計數器的作用。儘管未示出，但分束器可存在於檢測器600內。在檢測器600中，每五個倍增電極級電耦接到各個靜電計。例如，倍增電極級633和634中的每一個分別耦接到靜電計643和644，並且所有其他的倍增電極級沒有耦接到靜電計。靜電計643和644可以每一個均與彼此電隔離，並且可以每一個均通過處理器650的單獨輸入通道(未示出)電耦接到處理器650。儘管將兩個靜電計示為存在於檢測器600中，但如有需要，兩個靜電計可以共同定位在倍增電極級的中間、共同朝向倍增電極級的一端或者以不同於每五個倍增電極的其他方式間隔開。此外，靜電計耦接無需在第二倍增電極級634和第七倍增電極級633上發生，而是可存在於第一倍增電極630和第六倍增電極636上、第三倍增電極631和第八倍增電極637上，或者由四個倍增電極級分隔開的其他倍增電極上。
儘管圖2到圖6示出特定靜電計間隔，其中存在八個以上倍增電極級，但間隔可與圖2到圖6中所示的特定間隔不同。例如，在存在八個以上倍增電極的情況下，間隔可大於每五個倍增電極、可集中在中間倍增電極級、可集中朝向接近脈衝計數電極的倍增電極級，或者可以其他方式按照所需或選擇方式間隔。例如，在使用二十六個倍增電極電子倍增器的一些情況下，第一靜電計可存在於中點，例如，電耦接到倍增電極13，並且第二靜電計可以定位在倍增電極13的上遊，例如，電耦接到倍增電極6或倍增電極7。然而，如有需要，第二靜電計可以定位在倍增電極13的下遊，例如，可以電耦接到倍增電極13與脈衝計數電極之間的倍增電極。
在某些實施方案中，在本文所述的檢測器和系統的操作中，可以在各個倍增電極級處監控一個或多個模擬信號，例如，輸入或輸出電流，例如，如果下一個倍增電極正向偏置，那麼這個電流可以是輸入電流，否則是輸出電流。監控的模擬信號可以與脈衝計數結合使用，以便使用模擬信號、脈衝計數和/或它們之間的交叉校準來提供從離子/光子的低水平到離子/光子的高水平的大體線性響應。如有需要，可以同時測量和轉換一個或多個倍增電極處的輸入電流。例如，可以使用倍增電極的增益曲線來計算每一個倍增電極(或選擇的倍增電極)處的輸入電流。可以監控在飽和倍增電極的上遊並且在其中噪音水平是信號的主要分量的倍增電極的下遊的倍增電極級的輸入電流(或輸出電流)。此外，檢測器可以被配置來關閉在觀察到飽和的下遊的倍增電極。例如，如果在任何倍增電極級觀察到飽和，那麼該倍增電極級和/或隨後的下遊倍增電極級可以關閉，例如，通過改變下遊倍增電極的電壓來停止級聯，以便保護檢測器的剩餘倍增電極，從而可以延長檢測器壽命。可以實時執行對個別倍增電極的監控，以便擴展檢測器的動態範圍，例如，動態範圍可以被增益延長。在出現低信號的情況下，例如，來自較低的離子或光子水平，可不必關閉下遊倍增電極，並且可以實施脈衝計數以便檢測低離子(或光子)水平。
參考圖7，示出模擬信號窗口，其中高於噪聲閾值710的信號和低於飽和水平720的信號可以用作模擬信號。例如，來自倍增電極1的信號屬於噪聲並且一般不會使用。倍增電極10表示飽和倍增電極，並且信號放大在倍增電極10處終止，從而沒有信號來自倍增電極11和12。來自倍增電極2到9的模擬信號中的一個或多個可以用來確定引入到檢測器中的離子的水平。在不希望被任何特定理論限制的情況下，更靠近倍增電極10的上遊倍增電極處的模擬信號可具有更好的信噪比，並且可更適合於確定分析物水平。例如，來自倍增電極9或倍增電極8的模擬信號通常預期比來自倍增電極2或倍增電極3的模擬信號具有更好的信噪比。可能需要在窗口710、720內使用來自不同倍增電極的模擬信號，例如，兩個或更多信號，以提高確定離子水平的整體準確性。兩個或更多模擬信號可以每一個均與脈衝計數信號交叉校準，如本文所述。
在某些實施方案中並且參考圖8，示出檢測器中的某些部件的示意圖。示出電子倍增器800的六個倍增電極810到815，但如曲線所示，倍增電極812與813之間可以存在額外的倍增電極級。電阻梯830用來使下遊倍增電極發生電偏壓，以便具有比上遊倍增電極更大的正電壓，從而導致電子的加速度和離子信號805的放大。例如，第一倍增電極810的電壓經過選擇，以使得擊打倍增電極810的電子將被發射並且朝向第二倍增電極811加速。通過選擇電阻梯830中的合適電阻值，實現各個倍增電極810到815的偏壓。例如，電阻值經過選擇以補充每一個倍增電極的輸入電流減去輸出電流的差，而同時基本上維持偏壓。如圖8所示，可以存在電耦接到模數轉換器850的放大器840，例如，具有反饋的運算放大器，以便將數位訊號發送到處理器(未示出)，用於測量倍增電極820處的電流。測量到的電流可以與已知的離子水平相關，以確定其中監控光子的離子濃度或樣品濃度。在一些情況下，測量到的電流可以被放大和數位化，並且所得數位訊號可以與脈衝計數信號交叉校準。
在本文所述的檢測器的某些配置中，供應到每一個倍增電極的電流可以是電子電流的直接測量。靜電計可以用來測量一個或多個倍增電極級的輸入電流，而不會干擾或改變其他倍增電極級。通常，放大器可以耦接到每一個倍增電極偏壓，以在偏壓處創建虛擬接地。相對於虛擬接地的輸出電壓與倍增電極電流乘以反饋電阻器的電阻成比例。來自監控的倍增電極的放大器的信號隨後可以被轉換，例如，使用模數轉換器進行轉換，並且得到的值可以提供到處理器。如本文所述，倍增電極/靜電計對可以每一個均與其他倍增電極/靜電計對電隔離，以便使多個倍增電極中的每一個倍增電極電隔離。圖9中示出此類配置的一個圖示，其中出於表示的目的，示出三個倍增電極級。倍增電極911示為電耦接到放大器921和信號轉換器931。電阻器941電耦接到放大器921。放大器921耦接到倍增電極911的倍增電極偏壓，以便在偏壓處創建虛擬接地。可以使用電阻梯905提供倍增電極偏壓，例如，如參考圖8的電阻梯830所述。相對於虛擬接地的輸出電壓與來自倍增電極911的電流乘以反饋電阻器941的電阻成比例。來自放大器921的輸出隨後可以被信號轉換器931轉換，並且得到的值可以提供到處理器950。倍增電極912的輸入電流(或輸出電流)也可採用類似方式測量。具體而言，放大器922電耦接到倍增電極912和信號轉換器932。電阻器942電耦接到放大器922。放大器922耦接到倍增電極912的倍增電極偏壓，以便在偏壓處創建虛擬接地。相對於虛擬接地的輸出電壓與來自倍增電極912的電流乘以反饋電阻器942的電阻成比例。來自放大器922的輸出隨後可以被信號轉換器932轉換，並且得到的值可以提供到處理器950。如有需要，可採用類似方式使用放大器923、信號轉換器933、反饋電阻器943以及處理器950在倍增電極913處測量電流。如有需要，可以提供單獨的數位訊號，從而使得可以接受窗口內的測量電流包括處理器使用的文字或信號。在一些配置中，所提供的數位訊號中的一個或多個可以與脈衝計數信號交叉校準，以提供適合在較廣的離子濃度範圍上使用的檢測器響應。
在某些實例中，儘管圖9中的全部三個倍增電極都示為包括各個靜電計，但可能需要只包括兩個靜電計，例如，可不監控倍增電極912處的電流。在本文所述的一些實施方案中，電阻器和系統可以包括耦接到內部倍增電極(例如，在第一倍增電極與脈衝計數電極之間的那些)的兩個、三個、四個、五個或更多靜電計，以便提供用於確定平均輸入信號的足夠信號。如有需要，每一個內部倍增電極可以包括各個靜電計，以提高測量的整體準確性。參考圖10，單個倍增電極1010示為電耦接到放大器1020。放大器1020在倍增電極1010的偏壓處浮動。浮動DC/DC轉換器1030可以電耦接到放大器1020和信號轉換器1040，以便為這些部件提供功率。DC/DC轉換器1030通常將較高電壓，例如，24伏轉換成提供給放大器1020和信號轉換器1040的較低電壓，例如，5伏。不同於DC/DC轉換器的功率轉換器也可用在圖10所示的配置中，以便將功率提供到靜電計。如有需要，每一個倍增電極都可以電耦接到功率轉換器。在一些實施方案中，只有電耦接到靜電計的那些倍增電極也電耦接到功率轉換器。如有需要，第一倍增電極1010可以維持在固定偏移，從而可以有助於將離子到電子轉換保持不變。倍增電極1010可以與倍增電極鏈中的其他倍增電極電隔離，從而使得從倍增電極1010中提供單獨信號。
在某些實例中，通過選擇電阻梯中的適當電阻器，可以提供如本文所述的倍增電極偏壓。在這個配置中，改變輸入電子電流將改變倍增電極到倍增電極電壓，並且可以產生錯誤。為了避免這種錯誤，可能需要調節每一個倍增電極電壓，以降低可隨著增加的電子電流從電壓變化引起的任何錯誤。圖11中示出準許單獨控制倍增電極電壓的一個配置。為了實現基本不變的電壓，可以使用齊納二極體或已調節的放大器。圖11的裝置包括分別電耦接到放大器1120和1121的倍增電極1110和1111，類似於參考圖10描述的配置。放大器1131可以電耦接到電阻梯1105和齊納二極體1141，以便對提供到倍增電極1110的電壓進行獨立控制。例如，齊納二極體1141電耦接到放大器1131 的輸出，以便對倍增電極1110的偏壓進行額外控制，例如，如有需要或需求以便限制或修剪電壓，並且通常有助於將偏壓提供到倍增電極1110，當電子電流在檢測器的其他倍增電極處增加時所述偏壓基本不改變。類似地，齊納二極體1142電耦接到放大器1132的輸出，以準許對倍增電極1111的偏壓進行控制。靜電計可以電耦接到倍增電極1110和1111中的每一個(或者只耦接到倍增電極1110和1111中的一個)。例如，放大器1120可以電耦接到倍增電極1110並且用來將模擬信號提供到信號轉換器1150，所述信號轉換器可將所述信號轉換成例如數位訊號並且將轉換的信號提供到處理器(未示出)。類似地，放大器1121可以電耦接到倍增電極1111並且用來將模擬信號提供到信號轉換器1151，所述信號轉換器可將所述信號轉換成例如數位訊號並且將轉換的信號提供到處理器(未示出)。來自倍增電極1110、1111中的每一個的信號可彼此電隔離。在檢測器包括兩個以上倍增電極的情況下，倍增電極之間可以存在多個電壓控制器，例如，類似於圖11所示的放大器/齊納二極體組合，以便單獨控制檢測器的倍增電極到倍增電極電壓。每一個倍增電極可以與其他倍增電極發送的信號分開將信號提供到處理器。如有需要，每一個倍增電極節點之間無需電壓控制。例如，可能需要省略某些倍增電極之間的電壓控制，以便簡化檢測器的整體構造。在圖11所示的配置中，電阻器鏈可以使用極低的電流，例如，少於0.1mA，從而降低生成的熱量和對檢測器電源的電流需求，所述檢測器電源通常是3kV電源。
在某些實施方案中，在高入射離子(或光子)水平下，例如更靠近通常將發現脈衝計數電極的地方的那些下遊倍增電極可開始飽和。例如，隨著輸入電流增加，下遊倍增電極級將開始使放大器和信號轉換器飽和。儘管電子設備不可能因飽和而損壞，但這些倍增電極的電流增加，從而在電阻梯或電壓調節器中產生熱量。此外，存在於發射電子的倍增電極表面上的材料可以損壞。倍增電極表面的損壞或降解可以導致特定倍增電極的局部增益改變，從而可以導致測量錯誤。理想情況下，倍增電極電壓經過選擇以與每一個檢測器的動態範圍良好重疊。可能需要在某些情況下重疊一個數量級或更多，以實現線性輸出。如果針對某一離子水平選擇此類增益並且隨後在入射一定質荷比的更多離子的情況下執行測量，則可能需要停止緊挨著飽和倍增電極的電子束。在一些實施方案中，飽和倍增電極可是將信號放大的最後倍增電極，例如，如果適當配置的話，飽和電極可起到集電極的作用，而在其他實例中，飽和倍增電極下遊的倍增電極可以短路，以便充當集電板，從而移除所有電子。很多不同的機構可以用來終止信號放大。在一些實施方案中，鄰近飽和倍增電極並且在其下遊的倍增電極的偏壓可以進行調整，從而使得電子不從飽和倍增電極朝向鄰近的下遊倍增電極加速，從而將導致飽和倍增電極起到類似於集電板的作用。通過這種方式，電子流在飽和倍增電極處終止。通過在飽和倍增電極處終止放大，檢測器的增益可以保持較高，以準許檢測低離子水平，而在樣品中也存在高離子水平的情況下，同時最小化損壞任何檢測器部件的風險。如果增益不夠高到足以檢測低離子(或光子)水平，那麼可以執行脈衝計數來檢測此類低水平。
參考圖12，示出電路的示意圖，所述電路可以被實施，以終止本文所述的檢測器和系統中的信號放大。圖12中沒有標記的部件類似於參考圖11描述和示出的那些。在飽和水平，下遊倍增電極1211(相對於飽和倍增電極1210的下遊)可以相對於飽和倍增電極1210稍微正向偏置。例如，節點可以將下面的倍增電極級上的分壓器縮短到飽和倍增電極的+5V節點。如果存在約2伏的參考電壓，那麼下面的倍增電極1211將在飽和倍增電極上以約+3V結束。飽和倍增電極1210的輸出信號將成為集電極並且將收集所有的電子電流。ADC將以逆極性飽和。如有需要，這種配置可以用來對倍增電極增益電壓進行直接鉗位，或者可以由控制系統檢測。例如，當入射信號改變時，發生信號終止的特定倍增電極可從測量到測量改變。理想情況下，保護開關速度可以接近ADC轉換速度，從而在下遊倍增電極可能發生任何損壞之前，可以實施信號終止。如有需要，來自緊靠飽和倍增電極1210上遊的倍增電極的模擬信號可以用於確定離子水平，並且提供更準確的結果。例如，如果在倍增電極處檢測到飽和，那麼可以使用來自上遊倍增電極/靜電計對的模擬信號，例如，可以進行數位化和/或與脈衝計數信號交叉校準。
作為本文所述的實施方案的本質屬性，通過測量模擬信號和脈衝計數信號以及通過停止飽和倍增電極(或者飽和倍增電極下遊的倍增電極)的信號放大，提供增加的動態範圍。例如，在以固定增益操作並且具有26個倍增電極的檢測器中，如果在倍增電極23處檢測到飽和，那麼可通過將倍增電極23處的放大短路來終止放大。可以使用來自倍增電極23上遊的倍增電極的一個或多個模擬信號，例如，來自倍增電極1到22中的任一個的所述模擬信號，以便確定離子水平。脈衝計數也可結合模擬信號實施，以進一步擴展動態範圍。針對隨後以相同固定增益測量或接收具有相同或不同質荷比的離子，可存在的離子數量使得在倍增電極19處發生飽和。在不必調整檢測器的電壓的情況下，可以在倍增電極19處終止放大，如在使用典型電子倍增器時將需要。通過這種方式，檢測器可以監控倍增電極的輸入電流，以確定信號放大何時應終止並且可以在不損失線性度或檢測速度的情況下擴展檢測器的動態範圍。出於說明的目的，如果測量每一個倍增電極處的電流，那麼動態範圍由增益延伸。如果使用16位模數轉換器，那麼是65k(216)乘以所述增益。如果系統被設計成在飽和倍增電極處終止放大，那麼檢測器可以在最大電壓下操作，例如，3kV，以提供最大增益。在這個電壓下，很多檢測器中將預期107的增益。為了說明噪聲並且將單個離子事件的信噪比假設為10:1，動態範圍將降低到1/10。當在每一個倍增電極上使用16位ADC時的總動態範圍將預期為約6x1010(65,000乘以106)。如果讀數的轉換以100KHz的頻率發生，那麼可以存在約100,000個不同的樣品測量並且可以用來將動態範圍擴展到高達約6x1015的總動態範圍。在一些情況下，動態範圍可以是約108或更多，例如，109、1010、1011或1012或者更多。針對特定樣品，在不必改變檢測器的增益的情況下，可以掃描和檢測強度變化很大的不同質荷比離子。這種配置簡化了檢測器的用戶操作，並且降低檢測不到低離子水平或不準確地測量高離子水平的量的可能性。
在某些實施方案中，為了說明倍增電極的典型輸出並且說明每一個倍增電極處的動態範圍，圖13中示出13個倍增電極檢測器中的每一個倍增電極的倍增電極電流相對於輸入電流的圖示。如圖13所示，用於倍增電極1和2的ADC的輸出極低並且在電子噪聲內。因此，來自這些倍增電極的模擬信號將不提供離子水平(或光子水平)的準確測量。倍增電極3到10提供在可以接受窗口內的ADC輸出。倍增電極3到10的模擬信號值中的任何一個或多個可以用作離子水平的測量。在不希望被這個圖示限制的情況下，倍增電極8到10處的信噪比可以比倍增電極3到5處的信噪比更好。在這個實例中，倍增電極11被測量為飽和，從而導致倍增電極12和13關閉，因而終止倍增電極11處的信號放大。倍增電極11到13的測量也可以被丟棄或者以其他方式不用作模擬信號。如果存在低離子水平，那麼信號放大可以不在倍增電極11處終止。來自脈衝計數電極(未示出)的脈衝計數可以用來準確檢測此類低離子水平。來自模擬級的測量信號可以與脈衝計數信號交叉校準，以進一步提高準確性。例如，由於模擬信號和脈衝計數的重疊，模擬信號和脈衝計數可以交叉校準(如結合圖5B和圖5C所述)，以提供校準曲線，所述校準曲線可以用來在較廣的濃度範圍上測量離子水平，例如，1012到1014或更多。
在某些實例中，並且如本文所述，不需要測量每一個倍增電極處的電流。相反，可以測量和使用每兩個、每三個或每四個倍增電極。每一個級之間的增益可以是任何值，並且可以通過將ADC讀數與下面和上面的級相比較來進行『校準』。這個發現的增益隨後可以用作輸入電流，等於所有級的增益乘以ADC讀數。在一些情況下，固定電壓可以大於所有倍增電極級電壓的總和，並且底部或最後的電阻器可以用來吸收任何額外的電壓。此外，底部電阻器也可以吸收通過使倍增電極短路以終止信號放大而生成的任何過多的電壓。在一些配置中，可能需要具有足夠的倍增電極來補償最終的老化。例如，如果因表面材料的降解，EM增益隨著時間的推移而降低，那麼飽和點可在倍增電極組中進一步向下遊移動。如果最後的倍增電極沒有為單個離子事件產生10:1的信噪比(或者其他選擇的信噪比)，那麼響應可表明檢測器已經超過了可用壽命。歸因於飽和倍增電極處的信號終止和下遊倍增電極的保護，預期的檢測器壽命應比當前的傳統系統長得多。
在某些實施方案中，圖14A示出可以用來測量倍增電極的信號的電路的另一示意圖。電路1400通常包括電耦接到電容器1420和控制器1405(或者如有需要的話，處理器)的放大器1410。電路通過部件1430電耦接到倍增電極(未示出)。數位訊號可以從處理器提供，並且用來控制倍增電極的偏壓。例如，來自處理器的信號可以用來使倍增電極短路，以便調節倍增電極偏壓或以其他方式幫助信號放大機構或者終止信號放大機構。
在某些配置中，圖14B和圖14C示出電路的另一示意圖。電路分成兩個圖，以便提供電路的更易於使用的版本。在示意圖中，NGND表示虛擬接地。電路包括電耦接到放大器U16A和U16B的DC/DC轉換器U6，以便將約101伏的電壓提供到倍增電極(標記為節點)。約4.096伏的參考電壓從電壓基準U19提供，並且可以與來自DC/DC轉換器U6的電壓一起使用，例如，使用放大器U16A和U16B和放大器Q3的輸出，以便將101伏提供到倍增電極。來自倍增電極的模擬信號可以由靜電計J4測量，並且提供到模數轉換器U12。模數轉換器U12電耦接到數字隔離器U23和U24，從而可以將信號與倍增電極隔離。來自每一個倍增電極的輸出信號可以與其他倍增電極的信號電絕緣，以使得來自每一個倍增電極的每一個信號與來自其他倍增電極的信號隔開，從而準許來自不同倍增電極的信號的同時測量。為了確定是否任一倍增電極處都出現飽和信號，飽和閾值可以設置在軟體中，並且如果在倍增電極處檢測到飽和，那麼電壓可以被鉗位，以便停止飽和倍增電極處的放大。例如，驅動放大器Q6和鉗位的其他部件可以用來使倍增電極短路，例如，將它放在虛擬接地NGND處，從而將停止所述倍增電極處的信號放大。倍增電極組中的一個、兩個、三個或更多倍增電極可包括類似於圖14B和圖14C所示的電路，以提供獨立電壓控制、獨立電壓鉗位(如有需要)，並且提供來自倍增電極的單獨電隔離信號。在圖14B和圖14C的電路的使用中，可以測量或監控來自倍增電極組中的倍增電極的一個或多個倍增電極信號。在檢測非飽和信號的情況下，可使用下遊倍增電極繼續放大，例如，通過將合適的電壓提供到下遊倍增電極。當檢測飽和信號時，觀察到飽和信號的倍增電極可以接地到虛擬接地，以終止所述飽和倍增電極處的放大。飽和倍增電極上遊的一個或多個模擬信號可以使用並且轉換成數位訊號。數位訊號可以與脈衝計數信號交叉校準，如本文所述。如有需要，可以使用兩個或更多模擬信號。
在某些實施方案中，在實施本文所述的檢測器時，商購的部件可以經過選擇和組裝，以作為印刷電路板上的較大電路的一部分和/或可以電耦接到倍增電極的單獨板或晶片。某些部件可以被包括在檢測器的真空內，而其他部件可仍留在檢測器的真空管之外。例如，靜電計、過流保護和分壓器可以放在真空管中，因為它們不會產生可增加暗電流的任何大量的熱量。為了提供真空管中的部件與系統的處理器之間的電耦合，可以實施合適的耦合器和電纜，例如，可以插入到合適耦合器中的柔性PCB饋電電纜。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器可以被配置來側向或端部(也稱為正面)裝置。例如，圖1到圖4用圖形示出側向裝置的實例，其中光入射在檢測器的端部上。端部檢測器的外殼一般將是不透明的，從而使得光電陰極(或者第一倍增電極)附近的檢測器的端部只是接收任何大量光(或離子)的部分。在其他配置中，可以採用如本文所述的類似方式實施側向檢測器，例如，側向檢測器可以包括具有電耦接到各個靜電計的倍增電極中的一個、兩個、三個或更多(或全部)的多個連續倍增電極。圖15中示出側向檢測器的一個圖示。檢測器1500包括定位在裝置1500的側面1515上的孔口或入口開口1510。離子(示為檢測器外部的射束1505和檢測器內部的射束1516) 可以進入檢測器1500的側面1515上的孔口1510，並且擊打倍增電極1520。如參考端部裝置所述，倍增電極1520可以發射電子，所述電子可以由裝置1500內的倍增電極1521到1526放大。可存在脈衝計數電極1530，以提供用於測量低光子(或離子)水平的脈衝計數信號。側向檢測器1500的選擇倍增電極可以電耦接到各個靜電計(或者電流到電壓轉換器)，並且可包括合適的電路，例如，類似於結合圖1到圖12所述，以準許測量來自倍增電極1520到1526的模擬信號(和/或脈衝計數)並且計算離子水平。儘管圖15中將入射光子(或離子)示為相對於孔口1510以約九十度的角度入射，但也可以使用除了九十度之外的角度。如有需要，可以使用一個或多個離子透鏡元件以選擇的軌跡將離子提供到檢測器1500。
在某些實例中，存在於任何電子倍增器中的確切倍增電極配置可以變化。例如，倍增電極布置可採用網格類型、軟百葉窗類型、線性聚焦類型、盒和磨類型、圓籠類型、微通道板類型、金屬通道倍增電極類型、電子轟擊類型，或者其他合適的配置。在某些實施方案中，使用倍增電極和集電極的合適材料可以形成本文所述的檢測器。例如，倍增電極可包括下列元素或材料中的一個或多個：Ag-O-Cs、GaAs:Cs、GaAs:P、InGaAs:Cs、Sb-Cs、Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs、Na-K-Sb-Cs、Cs-Te、Cs-I、InP/InGaAsP、InP/InGaAs，或者它們的組合。檢測器的倍增電極可包括下列各項中的一個或多個：碳(金剛石)、AgMg、CuBe、NiAl、Al2O3、BeO、MgO、SbKCs、Cs3Sb、GaP:Cs或者其他合適的材料。如本文所述，選擇用於倍增電極中的確切材料對增益有直接影響，並且如有需要，已知材料的增益曲線可以用在本文所述的計算中。這些材料中的一個或多個可以合適的角度存在於表面上，以準許表面起到倍增電極的作用。脈衝計數電極也可包括合適的材料，以準許脈衝的計數，例如，一個或多個導電材料。
在某些實例中，本文所述的檢測器可以用在許多不同的應用中，包括但不限於：醫學和化學儀器、離子和粒子檢測器、輻射檢測器、微通道板檢測器，以及用在可能需要檢測離子或粒子的其他系統中。下文更詳細地描述這些和其他檢測器的說明。在某些實施方案中，本文所述的檢測器和相關聯電路可以用在醫學和化學儀器中。例如，檢測器可以用在質譜分析應用中，以檢測從待分析的樣品的破碎或電離中得到的離子。圖16示出質譜儀1600的總圖。質譜儀1600包括四個通用部件或系統，其包括樣品引入裝置1610、電離裝置1620(也稱為離子源)、質量分析器1630以及檢測器1640。本文中更詳細地論述這些部件中的每一個，但通常，檢測器1640可是本文所述的電子倍增器中的一個或多個，例如，包括電耦接到靜電計的倍增電極的檢測器。如本文所述，檢測器可以測量當離子入射在檢測器上時感生的電荷或產生的電流。樣品引入裝置1610、電離裝置1620、質量分析器1630和檢測器1640可使用一個或多個真空泵以降低的壓力操作。然而，在某些實例中，只有質量分析器1630和檢測器1640可在降低的壓力下操作。樣品引入裝置1610可採用樣品入口系統的形式，所述樣品入口系統可以在準許部件保持在真空下的同時接收樣品。樣品引入裝置1610可以被配置成分批進樣、直接探頭進樣、色譜進樣，或者其他樣品引入系統，例如，諸如在直接樣品分析中使用的那些。在分批進樣系統中，樣品在外部揮發並且「滲漏」到電離區域中。在直接探頭進樣系統中，使用樣品架或探頭將樣品引入到電離區域中。在色譜進樣系統中，樣品首先使用一種或多種色譜技術進行分離，例如，氣相色譜法、液相色譜法或者其他色譜技術，並且隨後分離的成分可以被引入到離子源1620中。在一些實施方案中，樣品引入裝置1610可是注射器、噴霧器，或者可將固態、液態或氣態樣品輸送到電離裝置1620中的其他合適裝置。電離裝置1620可是可以將樣品分裂和/或電離的裝置中的任何一個或多個，例如，包括：等離子體(電感耦合等離子體、電容耦合等離子體、微波誘導等離子體等)、電弧、電火花、漂移離子裝置、可以使用氣相電離(電子電離、化學電離、解吸化學電離、負離子化學電離)將樣品電離的裝置、場解吸裝置、場電離裝置、快速原子轟擊裝置、次級離子質譜分析裝置、電噴霧電離裝置、探針電噴霧電離裝置、超聲噴霧電離裝置、大氣壓化學電離裝置、大氣壓光致電離裝置、大氣壓雷射電離裝置、基質輔助雷射解吸電離裝置、氣溶膠雷射解吸電離裝置、表面增強雷射解吸地理裝置、輝光放電、共振電離、熱電離、熱噴霧電離、放射電離、離子附加電離、液態金屬離子裝置、雷射消融電噴霧電離，或者這些所述電離裝置中的任意兩個或更多的組合。質量分析器1630可採用多種形式，一般取決於樣品性質、所需的解析度等，並且下文進一步論述示例性質量分析器。檢測器1640可是本文所述的任何合適的檢測器，例如，電子倍增器、閃爍檢測器等，其中的任一個均可包括電耦接到靜電計的倍增電極。系統1600通常電耦接到處理器(未示出)，所述處理器包括微處理器和/或計算機以及用於分析引入到MS裝置1600中的樣品的合適軟體。一個或多個資料庫可由處理器訪問，以確定引入到MS裝置1600中的種類的化學特性。所屬領域中已知的其他合適的額外裝置也可與MS裝置1600一起使用，包括但不限於，自動進樣器，諸如，可以從鉑金埃爾默健康科學公司(PerkinElmer Health Sciences,Inc)商購的AS-90plus和AS-93plus自動進樣器。
在某些實施方案中，系統1600的質量分析器1630可採用許多形式，具體取決於所需的解析度和引入的樣品的性質。在某些實例中，質量分析器是掃描式質量分析器、磁式扇形分析器(例如，用於單聚焦和雙聚焦MS裝置)、四極質量分析器、離子阱分析器(例如，回旋加速器、四極離子阱、軌道阱)、飛行時間分析器(例如，飛行分析器的基質輔助雷射解吸電離時間)，以及可將具有不同質荷比的種類分開的其他合適的質量分析器。在一些實施方案中，質量分析器可耦接到可相同或者可不同的另一質量分析器。例如，可以將三級四極裝置用作質量分析器。如有需要，質量分析器1630也可包括離子阱，或者可以有助於從存在於樣品中的其他離子中選擇具有所需質荷比的離子的其他部件。質量分析器1630可以被掃描，從而實時將具有不同質荷比的離子提供到檢測器1640。
在某些實施方案中，選擇使用的檢測器1640可至少部分取決於電離技術和/或所選擇的質量分析器。例如，可能需要使用包括耦接到靜電計的倍增電極的電子倍增器，所述靜電計具有飛行分析器的較高動態範圍時間和用於包括四極分析器的器具。通常，檢測器1640可是本文所述的電子倍增器檢測器中的任一個，包括具有多個倍增電極的那些、具有微通道板的那些，以及可以放大離子信號並且進行檢測的其他類型的檢測器，如本文所述。例如，檢測器可以配置成參考圖1到圖12所述的那樣。在其他實施方案中，本文所述的檢測器的某些部件可以用在微通道板中，以放大信號。微通道板的作用類似於本文所述的電子倍增器的倍增電極級，但存在的許多單獨通道除了放大之外還提供空間解析度。微通道板的確切配置可以改變，並且在一些實例中，微通道板(MCP)可以採用鋸齒形MCP、Z堆疊MCP或者其他合適的MCP的形式。下文更詳細地描述說明性MCP。不論使用的檢測器的類型如何，檢測器都可以在器具掃描不同質荷比時接收離子。可以產生質譜，所述質譜是針對掃描到的質荷比中的每一個具有所選擇的質荷比的離子數量的函數。如有需要，可計算每秒以特定質荷比到達的離子數量。根據樣品中的離子水平，檢測器可以動態確定任何特定倍增電極處是否存在飽和，並且使用來自所選擇的上遊倍增電極的模擬信號來確定樣品中的特定離子水平。
在某些實施方案中並且參考圖17A，示出微通道板1700的示意圖，所述微通道板包括基本平行於彼此定向的多個電子倍增器通道1710。板1700中的通道的確切數量可以改變，例如，100到200或者更多。MCP可以包括位於所述板的每一個表面上的電極1720和1730，以提供從所述板的一側到另一側的偏壓。通道1710中的每一個通道的壁可以包括可以發射次級電子的材料，所述電子可以在通道的下方放大。每一個通道(或者選擇數量的通道)可以電耦接到各個靜電計，以便測量來自每一個通道的輸入電流。例如，來自非飽和通道的信號可以用來確定離子水平，並且飽和通道可以短路，以便保護通道或者以其他方式不用來提供信號或圖像。如有需要，電極1720和1730可以被配置成電極陣列，所述電極陣列具有對應於每一個通道的電極，以準許獨立控制提供到每一個通道的電壓。此外，在一些配置中，每一個通道可以與其他通道電隔離，以在板1700中提供多個連續但分開的倍增電極。外部分壓器可以用來施加偏壓，以便使電子從裝置的一側加速到另一側。在某些實施方案中，MCP可以被配置成鋸齒形(v狀)MCP。在一個配置中，鋸齒形MCP包括兩個微通道板，其中通道從彼此旋轉約九十度。鋸齒形MCP的每一個通道可以電耦接到各個靜電計，或者選擇數量的通道可以電耦接到靜電計。在其他實施方案中，MCP可以被配置成Z堆疊MCP，其中三個微通道板排列成類似於Z的形狀。與單個MCP相比，Z堆疊MCP可具有增加的增益。
在一些情況下，多個微通道板可堆疊並且配置成使得每一個板起到類似於倍增電極的作用。圖17B中示出一個圖示，其中板1760、1762、1764、1766和1768堆疊在一起。儘管未示出，但所述板中的一個、兩個、三個、四個或全部五個可電耦接到各個靜電計。可使用本文中參考倍增電極所述的那些類似的電路和配置來控制應用到每一個板的電壓。在一些情況下，堆疊的MCP可以用作或用在X射線檢測器中，並且通過控制施加到個別板的電壓，檢測器的增益可以針對每一個圖像自動調整，以便提供更清楚的圖像。
在某些實例中，MS裝置1600可與一個或多個其他分析技術聯用。例如，MS裝置可與用於執行液相色譜法、氣相色譜法、毛細管電泳以及其他合適的分離技術的裝置聯用。當將MS裝置耦接到氣相色譜儀時，可能需要包括合適的接口，例如，阱、射流分離器等，以便將樣品從氣相色譜儀引入到MS裝置中。當將MS裝置耦接到液相色譜儀時，可能需要包括合適的接口，以說明用在液相色譜法和質譜分析法中的體積的差異。例如，可使用分離接口，從而只有離開液相色譜儀的少量樣品可被引入到MS裝置中。從液相色譜儀離開的樣品也可沉積在合適的線、杯子或腔室中，以用於傳輸到MS裝置1600的電離裝置1620。在某些實例中，液相色譜儀可包括被配置來在樣品穿過加熱毛細管時將所述樣品蒸發和霧化的熱噴霧。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將容易選擇用於將樣品從液相質譜儀引入到MS裝置中的其他合適裝置。在某些實例中，MS裝置可以彼此聯用，以用於串聯質譜法分析。例如，一個MS裝置可包括第一類型的質量分析器，並且第二MS裝置可包括與第一MS裝置不同或類似的質量分析器。在其他實例中，第一MS裝置可操作以將分子離子隔離，並且第二MS裝置可操作以破碎/檢測隔離的分子離子。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將能夠設計聯用的MS/MS裝置，其中的至少一個包括增壓裝置。在一個或多個MS裝置彼此聯用的情況下，可以不只使用單個檢測器。例如，可存在兩個或更多檢測器，以準許離子的不同類型的檢測。
在其他實施方案中，本文所述的電子倍增器可用在放射性檢測器中，以檢測提供離子或粒子的放射性衰變。具體而言，由α粒子發射或β粒子發射衰變的放射性核素可使用本文所述的檢測器直接檢測到。通常，α粒子衰變提供氮核的帶正電粒子。諸如U-238的重原子由α發射衰變。在β粒子發射中，從原子核中放射電子。例如，I-131(放射性碘)通常用來檢測甲狀腺癌。I-131放射β粒子，可以使用本文所述的檢測器中的一個檢測到所述β粒子。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器可存在於相機中，所述相機被配置來檢測β粒子發射並且重構目標的圖像。例如，本文所述的檢測器可以用在相機中，以提供可以顯示或存儲在相機的存儲器中的圖像，例如，數字圖像和X射線圖像。在一些實施方案中，相機可被配置來檢測來自放射性同位素的電子發射。相機通常包括掃描頭中的一個或多個檢測器或者檢測器的陣列。在一些實例中，所述陣列的檢測器中的一個或多個可包括本文所述的檢測器中的任一個，例如，包括電耦接到各個靜電計的倍增電極的檢測器。通過臺架、臂或者其他定位構件，例如，耦接到一個或多個電機的臂，所述掃描頭一般定位在或者可以在目標的上方或周圍移動到電子發射。處理器，例如，存在於計算機系統中的一個用以控制掃描頭的位置和移動，並且可以接收輸入電流、計算平均輸入電流並且使用此類計算的值來構建和/或存儲表示接收到的電子發射的圖像。由於每一個檢測器相對於入射發射定位在不同角度，因此，檢測器的位置可以提供空間解析度。因此，可發生任何一個檢測器的飽和，而其他檢測器保持非飽和或者在不同的倍增電極處變得飽和。如有需要，處理器可以在任何一個檢測器處確定倍增電極是否飽和，並且隨後在同一倍增電極處將其他檢測器的其他非飽和倍增電極短路。例如，如果六個檢測器陣列中的檢測器1在倍增電極12處飽和，那麼其他檢測器處的信號放大可以在倍增電極12處終止，以在不同檢測器的相同倍增電極級處提供相對輸入電流，從而可以用來提供圖像的空間解析度和/或增強對比度。通過在不同檢測器的相同倍增電極處終止信號放大，可以省略加權因數的使用並且可以用更簡單的方式構建圖像。可替代地，可以基於在每一個檢測器的哪裡發生飽和來應用加權因數，以便重新構建圖像。出於說明的目的，圖18中示出相機的一個實例。相機1800示為包括掃描頭1810中的兩個檢測器1820和1830。檢測器1820、1830中的每一個可被配置成如本文所述，例如，可包括電耦接到各個靜電計的倍增電極。如有需要，檢測器1830、1840可被配置成相同或者可不同。檢測器1820、1830每一個均電耦接到處理器(未示出)，所述處理器可以接收來自檢測器的信號，以用於構建圖像。通過將掃描頭定位在要成像的目標上或附近並且在該位置測量電子發射，相機1800可以用來創建2D圖像。檢測器1820、1830中的每一個可能接收不同水平的電子發射，從而可以用來對比目標的圖像。例如，各種電子發射強度可以進行編碼，例如，用灰度等級編碼或用顏色編碼，以提供表示掃描頭1810下方的區域的圖像。在出現低電子發射水平的情況下，也可實施和使用脈衝計數。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器可以用在俄歇光譜(AES)應用中。在不希望被任何特定科學理論限制的情況下，在俄歇光譜中，在材料的一系列內部事件之後電子可從一個或多個表面中發射出來。從表面發射的電子可以用來提供不同區域的表面的地圖或圖像。參考圖19，示出用於AES的系統。系統1900包括將電子提供到表面1905的電子源，例如，電子槍1910。電子從表面1905發射並且偏轉到筒鏡分析器(CMA)中和檢測器1920上，以用於放大。例如，在檢測器1920中，俄歇電子倍增，如本文中參考圖1到圖12所述，並且得到的信號發送到處理器1930。裝置可以被提供來自電源1940的電力。根據入射電子束能量，對照較寬的次級電子背景光譜，可以分析收集到的俄歇電子。檢測器1920可是本文所述的檢測器中的任一個，並且可以實時終止飽和倍增電極處的放大，而不必針對電子槍1910提供的不同入射能來改變檢測器的增益。如有需要，可使用AC調製以及信號衍生，以便更好地分析所述表面。也可使用測量來自俄歇電子的信號的其他裝置，例如，掃描式俄歇顯微鏡。圖像可以由表面構建而成，並且不同的表面高度可以顯示在不同的灰影中，以提供表面地圖。在出現低電子發射水平的情況下，也可實施和使用脈衝計數。
在其他實例中，本文所述的檢測器可用來執行ESCA(化學分析電子光譜法)或者X射線光電子光譜法。通常，通過使用X射線的射束照耀材料，而同時針對材料的上表面，例如，針對頂部1到10nm測量逃逸的若干電子的動能，可執行ESCA。類似於AES，ESCA通常在超高真空條件下執行。ESCA可以用來分析許多不同類型的材料，包括但不限於：無機化合物、金屬合金、半導體、聚合物、元素、催化劑、陶瓷、油漆、紙、墨水、木材、植物部分、化妝品、牙齒、骨頭、醫學植入物、生物材料、粘性油、膠水、離子改性材料以及很多其他材料。參考圖20，示出典型ESCA系統的框圖。系統2000包括全都在外殼2005中的X射線發生器2010、通常在其上添加固態樣品的樣品室或架2020，以及檢測器2030。通常存在一個或多個高真空泵，以在外殼1905內提供超高真空。樣品架2020可以耦接到高臺或移動平臺，以準許樣品移動和分析樣品的不同區域。X射線發生器2010提供入射在表面2020上的X射線2015。電子2025被噴射並且由檢測器2030接收。檢測器2030可包括收集透鏡、能量分析器以及所需的其他部件。檢測器也可包括本文所述的檢測器中的一個或多個，例如，包括具有電耦接到靜電計的兩個或更多倍增電極的多個倍增電極的檢測器，以便確定到達檢測器的電子的數量。來自一個或多個非飽和倍增電極的模擬信號可以用來確定樣品的特定位置的平均離子計數。脈衝計數可以結合模擬信號監控實施。此外，本文所述的檢測器終止放大的能力準許檢測器以高增益值操作，從而可以導致更準確的測量。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器可以用在真空紫外線(VUV)光譜應用中。例如，VUV可用於確定半導體行業中所用的各種材料的逸出功。VUV系統可包括與參考ESCA和俄歇光譜所述的那些類似的部件。VUV系統可包括光源或能源，其可以掃描波長，以提供光源或能源的入射能與噴射的電子的數量之間的關係。這個關係可以用來確定材料的增益。
在一些實施方案中，本文所述的檢測器可以用在顯微鏡應用中。例如，材料表面上的原子的布置可以使用場離子顯微鏡成像。顯微鏡可包括耦接到檢測器的較窄取樣尖端，例如，包括多個倍增電極的檢測器，其中一個或多個倍增電極電耦接到靜電計或多通道板，其中一個或多個通道耦接到各個靜電計。成像氣體，例如，氦氣或氖氣可以提供到真空室並且用來將表面成像。隨著探頭尖端在表面上經過，將電壓施加到頂部，從而將頂部的表面上的氣體電離。氣體分子變得帶正電，並且從尖端朝向所述表面排斥所述氣體分子。隨著在大體垂直於表面的方向上排斥離子，接近尖端的表面會將所述表面放大。檢測器(如本文所述)可以收集這些離子，並且隨著電子在表面上方從一個位置掃描到另一位置，計算的離子信號可用來構建表面的原子圖像。
在一些實例中，本文所述的檢測器可以用在電子顯微鏡中，例如，透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、反射電子顯微鏡、掃描投射電子顯微鏡、低壓電子顯微鏡，或者其他電子顯微鏡。通常，電子顯微鏡將電子束提供到圖像，從而從射束中散射出電子。出射電子束可以被檢測並且用來重新構建試樣的圖像。具體而言，出射電子束可以使用本文所述的檢測器中的一個或多個進行檢測，如有需要，任選地使用閃爍屏或螢光屏，以便提供散射電子束的更準確的測量。射束可以在目標的表面上掃描，並且每一個掃描點的所得電流測量可以用來提供目標的圖像。如有需要，可以存在檢測器陣列，以使得可在每一個掃描點實現空間解析度，從而進一步增強圖像。
在一些情況下，本文所述的檢測器可以用在大氣粒子檢測中。例如，可以使用本文所述的檢測器來測量由太陽活動入射在上層大氣上的粒子。粒子可被收集和/或集中到檢測器中，以用於計數或其他測量。根據需要，最終的計數可以用來測量太陽活動或者測量其他天文現象。例如，檢測器可是測量從太陽或其他行星發射的高能粒子通量或高能粒子通量的粒子望遠鏡的部分。測量可以用來構建目標的圖像，可用於在高水平的太陽活動期間重新定位衛星或其他電信設備，或者可採用其他方式使用。
在某些實例中，本文所述的檢測器可以用在輻射掃描儀中，諸如，用來對人類成像或者用來對無生命物體成像的那些，例如，以便在屏幕中心對行李成像。具體而言，一個或多個檢測器可以電耦接到非破壞性離子束。該項的不同部件可採用不同方式吸收離子束。所得的測量可以用來構建被測量的行李或其他物品的圖像。
在某些實例中，本文所述的檢測器可以用來測量表示樣品中的種類的非飽和模擬信號。非飽和模擬信號可以用包括多個倍增電極的電子倍增器來測量，其中電子倍增器被配置來在檢測到飽和電流的倍增電極處終止信號放大。也可以用電子倍增器對脈衝進行計數，以提供脈衝計數信號。測量到的模擬信號和脈衝計數信號可以交叉校準，以確定樣品中的種類(離子或光子)的量。在一些配置中，可以使用來自緊靠檢測到飽和電流的倍增電極上遊的倍增電極的非飽和模擬信號。在其他情況下，使用出現飽和電流的倍增電極上遊的至少兩個倍增電極的倍增電極處的非飽和模擬信號。在額外的實例中，測量與所述非飽和模擬信號不同的倍增電極處的第二非飽和模擬信號，並且第二非飽和模擬信號可以與脈衝計數信號校準。在其他情況下，測量與所述非飽和模擬信號和所述第二非飽和模擬信號不同的倍增電極處的第三非飽和模擬信號，並且測量到的第三非飽和模擬信號可以與脈衝計數信號交叉校準。在一些實施方案中，測量來自提供高於噪聲信號且低於飽和信號的倍增電極之間的每一個倍增電極的模擬信號，並且測量到的模擬信號中的每一個可以與脈衝計數信號交叉校準。如有需要，來自每一個倍增電極的模擬信號可以被轉換成數位訊號，所述數位訊號隨後與脈衝計數信號交叉校準。在一些實施方案中，無需調整電子倍增器的電壓，檢測器便可以檢測樣品中的第二種類，所述第二種類不同於所述樣品中的所述種類。例如，所述第二種類可是具有不同質荷比的離子，或者在測量光子的情況下，可以是以不同於第一樣品的波長發光的樣品。可以測量表示樣品中的第二種類的非飽和模擬信號，並且表示樣品中的第二種類的測量到的模擬信號可以與脈衝計數信號交叉校準，以便確定樣品中的第二種類的量。
在某些情況下，本文所述的檢測器可以用來同時測量來自電子倍增器的多個倍增電極中的兩個或更多倍增電極的模擬信號，而同時也執行脈衝計數。可以選擇和使用模擬信號中的一個或多個。例如，可以使用來自在測量到噪聲信號的倍增電極的下遊並且在測量到飽和信號的倍增電極的上遊的倍增電極的測量到的模擬信號中的一個。可以用脈衝計數電極對脈衝進行計數，以提供脈衝計數信號，並且所選擇的測量到的模擬信號可以與脈衝計數信號交叉校準。在一些配置中，信號放大在測量到飽和信號的倍增電極處終止。
在某些實施方案中，本文所述的檢測器以及使用它們的方法可以使用計算機裝置或者包括處理器的其他裝置實施。計算機系統通常包括至少一個處理器，所述處理器電耦接到一個或多個存儲器單元，以便接收來自靜電計的信號。例如，計算機系統可以是通用計算機，諸如，基於Unix、英特爾奔騰(Intel PENTIUM)處理器、Motorola PowerPC、Sun UltraSPARC、惠普(Hewlett-Packard)PA-RISC處理器，或者任何其他類型的處理器。根據技術的各個實施方案，可以使用任何類型的計算機系統中的一個或多個。此外，系統可位於單個計算機上，或者可分布在由通信網絡附接的多個計算機之間。例如，通用計算機系統可被配置來執行所述功能中的任一個，包括但不限於：倍增電極電壓控制、電流輸入(或輸出)的測量、脈衝計數、圖像生成等。應了解，系統可執行其他功能，包括網絡通信，並且技術並不限於具有任何特定功能或功能集。
檢測器和方法的各個方面可實施作為在通用計算機系統中執行的專用軟體。計算機系統可包括連接到一個或多個存儲器裝置的處理器，諸如，磁碟驅動器、存儲器或者用於存儲數據的其他裝置。存儲器通常用於在計算機系統的操作期間存儲程序和數據。計算機系統的部件可由互連裝置耦接，其可包括(例如，集成在相同機器內的部件之間的)一個或多個總線和/或(例如，存在於單個離散機器上的部件之間的)網絡。互連裝置提供在系統的部件之間交換的通信(例如，信號、數據、指令)。計算機系統通常電耦接到電源和/或倍增電極(或通道)，從而使得電信號可被提供到和來自電源和/或倍增電極(或通道)，以便提供所需的信號放大。計算機系統也可包括一個或多個輸入裝置，例如，鍵盤、滑鼠、跟蹤球、麥克風、觸控螢幕、手動開關(例如，超越控制開關)，以及一個或多個輸出裝置，例如，印刷裝置、顯示屏、揚聲器。此外，計算機系統可含有將計算機系統連接到通信網絡的一個或多個接口(作為互連裝置的補充或可替代方案)。計算機系統也可包括一個或多個信號處理器，例如，數位訊號處理器，其可以存在於印刷電路板上，或者可存在於通過適當接口電耦接到印刷電路板的單獨板或裝置上，例如，串聯ATA接口、ISA接口、PCI接口等。
在某些實施方案中，計算機的存儲系統一般包括計算機可以讀和可以寫非易失性記錄介質，其中存儲有信號，所述信號定義待由處理器執行的程序，或者存儲在所述介質中或介質上的信息，以便由所述程序處理。例如，特定例程、方法或技術的倍增電極偏壓可存儲在介質上。例如，所述介質可是磁碟存儲器或快閃記憶體。通常，在操作中，處理器促進數據從非易失性記錄介質讀取到另一存儲器中，允許處理器比介質更快訪問所述信息。這個存儲器通常是易失性隨機存取存儲器，諸如，動態隨機存取存儲器(DRAM)或靜態存儲器(SRAM)。它可位於存儲系統中或者位於存儲器系統中。處理器通常在集成電路存儲器內操縱數據，並且隨後在處理完成之後將數據複製到介質。已知用於管理介質與集成電路存儲器單元之間的數據移動的多種機構，並且技術不限於此。所述技術也不限於特定存儲器系統或存儲系統。介質可被配置成接收使用模擬信號、脈衝計數和交叉校準產生的校準曲線。個別離子測量(或光子測量)可以與校準曲線相關，以確定特定樣品中的離子水平或者發射光子的樣品的濃度。
在某些實施方案中，計算機系統也可包括特別編程的專用硬體，例如，專用集成電路(ASIC)或現場可以編程門陣列(FPGA)。技術的方面可在軟體、硬體或固件或者它們的任何組合中實施。此外，此類方法、動作、系統、系統元件及其部件可作為上述計算機系統的一部分或者作為單獨部件實施。儘管通過實例的方式將計算機系統描述為可實踐技術的各個方面的一種類型的計算機系統，但應了解，各方面並不限於在所述計算機系統上實施。各個方面可在具有不同架構或部件的一個或多個計算機上實踐。計算機系統可是可使用高級計算機程式語言編程的通用計算機系統。所述計算機系統也可使用特別編程的專用硬體實施。在所述計算機系統中，處理器通常是可商購的處理器，諸如，可從英特爾公司(Intel Corporation)得到的眾所周知的奔騰(Pentium)級處理器。可得到許多其他處理器。此類處理器通常執行的作業系統可是，例如，可從微軟公司(Microsoft Corporation)得到的Windows 95、Windows 98、Windows NT、Windows 2000(Windows ME)、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8或Windows 10作業系統；可從蘋果公司(Apple)得到的MAC OS X，例如，雪豹(Snow Leopard)、Lion、山獅(Mountain Lion)或者其他版本；可從昇陽電腦公司(Sun Microsystems)得到的Solaris作業系統；或者可從各種來源得到的UNIX或Linux作業系統。可使用很多其他作業系統，並且在某些實施方案中，簡單的命令集或指令集可起到作業系統的作用。
在某些實例中，處理器和作業系統可一起定義可用高級程式語言為其編寫應用程式的計算機平臺。應理解，技術不限於特定計算機系統平臺、處理器、作業系統或網絡。此外，鑑於本公開的益處，所屬領域的技術人員應明白，本技術並不限於具體程式語言或計算機系統。此外，應了解，也可以使用其他適當的程式語言和其他適當的計算機系統。在某些實例中，硬體或軟體被配置來實施認知架構、神經網絡或者其他合適的實施方案。如有需要，計算機系統的一個或多個部分可分布在耦接到通信網絡的一個或多個計算機系統上。這些計算機系統也可是通用計算機系統。例如，各個方面可分布在被配置來將服務(例如，伺服器)提供到一個或多個客戶端計算機或者作為分布式系統的一部分執行整體任務的一個或多個計算機系統之間。例如，各個方面可在客戶端伺服器或多層系統上執行，所述客戶端伺服器或多層系統包括分布在執行根據本發明的各種功能的一個或多個伺服器系統之間的部件。這些部件可是可執行的中間(例如，IL)或解譯(例如，Java)代碼，所述代碼使用通信協議(例如，TCP/IP)在通信網絡(例如，網際網路)上傳送。也應了解，技術並不限於在任何特定系統或系統組上執行。此外，應了解，所述技術並不限於任何特定的分布式架構、網絡或者通信協議。
在一些情況下，可使用面向對象的程式語言來編程各個實施方案，諸如，SmallTalk、Basic、Java、C++、Ada或C#(C-Sharp)。也可使用其他面向對象的程式語言。可替代地，可使用功能、腳本和/或邏輯程式語言。各種配置可在非編程環境中實施(例如，以HTML、XML或其他格式創建的文件，所述文件當在瀏覽器程序的窗口中查看時，呈現圖形用戶界面(GUI)的方面或者執行其他功能)。某些配置可實施為編程或非編程元件，或者它們的任何組合。在一些情況下，計算機系統可以在處理時間中執行各種信號的交叉校準，其大約可為幾秒或更少，具體取決於接收到的信號的數量。處理時間通常比可以在沒有使用處理器的情況下執行的快幾個數量級。
在介紹本文中公開的方面、實施方案和實例的元件時，「一」、「一個」、「所述」和「該」旨在表示有一個或多個元件。術語「包括」、「包含」以及「具有」旨在表示開放性含義，並且表示除了所列元件外，可能還有額外元件。鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將認識到，實例的各個部件可以與其他實例中的各個部件互換或用其替代。
儘管上文已經描述了某些方面、實例和實施方案，但鑑於本公開的益處，所屬領域的一般技術人員將認識到，所公開的說明性方面、實例和實施方案的附加、替代、修改和變更是可能的。