离子检测系统和方法与流程

本发明涉及用于检测离子的一种离子检测系统和方法。该系统和方法用于一种飞行时间质谱仪，且因此本发明进一步涉及一种质谱仪，具体来说涉及一种包含该离子检测系统的飞行时间质谱仪。

背景技术：
飞行时间（TOF）质谱仪被广泛地用于基于多个离子沿一条飞行路径的飞行时间来确定这些离子的质荷比（m/z）。多个离子以一个短离子脉冲的形式从一个脉冲离子源发出，且被引导沿一个规定的飞行路径穿过一个抽空空间以便撞击或穿过一个离子检测器。该检测器然后向一个数据获取系统提供一个输出。该离子源被安排成使得这些离子以一个恒定动能离开该源并且在一段时间之后到达该检测器，其中该时间取决于离子的质量，离子质量越大则越慢。从该源发出的该离子脉冲因此沿该飞行路径分离，这样使得这些离子以多个短的离子包（packets）到达该检测器，每个包包括具有一个特定质量（m/z）或受限质量范围的一个或多个离子并且通常为几纳秒（ns）长。因此，要求该检测器在此时间尺度上解析离子包。该检测器典型地是次级电子发射类型的，这样使得这些离子包在该检测器处产生多个电子包，这些电子包被次级电子发射以典型地105-108的一个因数放大。如果这些包中的离子数在不同的包之间在一个大范围内变化，则可能发生该检测器和/或该数据获取系统的饱和。如果减小该检测器的增益以避免由强度最大离子包导致的饱和，则该检测器可能不足够敏感来检测强度最小离子包。因此，该检测器的动态范围遭到损害。此外，检测器寿命可能由于多个强离子包的影响而减少。当前，以下技术已知用于延长TOF质谱分析中的检测的动态范围。在EP1215711中，描述了一种方法，该方法涉及在后续的扫描中进行提取之前切换离子传输。然而，此方法降低灵敏度且不保护该检测器使其免受强离子包。另一方法是在多个离子包的中间检测之后对这些离子包进行即时（on-the-fly）调制，如在例如US6,674,068和WO2008/046594中描述的。此方法具有以下缺点：其需要一个额外检测器和在该飞行路径中的多于一个时间焦点，这对于一些类型的飞行路径来说是不可行的。在US7,126,114和US2002/0175292中描述了将这些离子分裂到两个或更多个检测器上。在US6,864,479和US6,940,066中描述了这些检测器具有不同的增益并且可以组合检测器输出的此类安排。除了需要两个或更多个分离的检测器之外，在这些安排中同样不存在对检测器的保护以使其免受强离子包影响。已知更进一步的方法，包括由具有类似尺寸的（如在US5,777,326中描述的）或不同尺寸的（如在US4,691,160、US6,229,142、WO99/38191、US6,646,252中描述的）多个阳极之间的离子产生的电子包分裂；电子包在更大数量的放大通道上的扩展（如在US6,906,318和US7,141,785中描述的）；以及使用具有不同增益的两个或更多个数据获取通道的电子包检测。几乎所有这些技术都没有提供对检测器进行保护以使其免受强离子包影响，一个例外是离子包的即时调制。然而，从离子源穿过TOF分析器的离子传输从现今的系统中当前的百分之几增加到未来系统中的潜在大于百分之五十将意味着到达该检测器上的离子流可能高达>108离子/秒。这将会使检测器的寿命降低到不可接受的水平（例如几个小时），并且因此需要解决。在关于比TOF质谱仪扫描要慢的质谱仪的WO2006/014286（US7,238,936）中描述了检测器增益的即时调制，其中有充分的时间使一个中间检测级禁用一个后续的检测级，并且调制速度是在毫秒或微秒的尺度。在这种现有技术装置中，一个进入的离子信号的上升时间（例如，在一个四极杆、RF离子阱或扇形MS中的一个质量扫描过程中）充分长，使得作用于较晚到达的离子的一个动态切换足以适当地调制该信号。然而，其中描述的检测器将不适合于检测一个TOF质谱仪或更快扫描的质谱仪中的多个离子，在这些质谱仪中，由于这些进入的离子包，信号的上升时间和下降时间典型地具有几纳秒（ns）长的数量级。因此，仍然需要提高对TOF质谱分析中带电粒子的检测。鉴于以上背景，创造了本发明。

技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供一种用于检测离子的检测系统，该检测系统包括：一个放大安排，该放大安排用于将多个离子转化成多个次级粒子包并且放大这些次级粒子包，其中该放大安排被安排成使得每个次级粒子包产生在时间上由一个延迟分离的至少一个第一输出和一个第二输出，并且使得在产生该第一输出和该第二输出之间的延迟的过程中，由一个次级粒子包产生的第一输出用于调制由该同一个包产生的第二输出。根据本发明的另一个方面，提供一种用于检测离子的检测系统，包括∶一个放大安排，该放大安排用于将多个离子转化成多个次级粒子包并且放大这些包；其中该放大安排被安排成使得每个次级粒子包至少在该放大安排的一个第一检测器位置处产生一个第一输出，并且在该放大安排的处于该第一检测器位置下游的一个第二检测器位置处产生一个第二输出；并且其中该放大安排被进一步安排具有在该第一检测器位置与该第二检测器位置之间的一个延迟路径，该延迟路径足以使由一个次级粒子包产生的第一输出用于控制由同一个次级粒子包产生的第二输出的增益。根据本发明的又一个方面，提供一种用于检测离子的方法，包括∶将多个离子转化成多个次级粒子包并且放大这些包；从每个次级粒子包产生至少一个第一输出和一个第二输出，其中在产生该第一输出和该第二输出之间提供一个充分的延迟，使得由一个次级粒子包产生的第一输出用于调制由同一个包产生的第二输出。这些次级粒子可选自由电子、次级离子以及光子组成的组。这些次级粒子包典型地包括电子的包（电子包），这些电子包在转化回多个电子以产生第二输出之前可任选地被转化成多个光子包。任选的转化成多个光子允许该第一输出与该第二输出之间的电去耦（即，光子转化提供因此电去耦的第一输出和第二输出的光耦合）。本发明有利地提供对多个单独次级粒子包的即时（即，动态）调制，这样使得其适合于用作一个TOF检测器。该调制可以允许检测系统将两个输出保持在饱和极限之下，并且因此提供一个显著增加的动态范围。例如，该第一输出可以被安排成使得它总是处于一个饱和水平之下，并且使用该第一输出调制该第二输出优选地确保该第二输出不到达一个饱和水平或非线性体系。此外，可以保护该检测系统使其免受强离子包的影响，尤其在其中调制第二输出包括在产生该第二输出之前使次级粒子包衰减的实施例中。本发明因此可以提供一种检测系统，该检测系统与用於相同应用的现有技术系统相比具有增加的寿命。与用于TOF的现有技术检测系统，如利用多个通道和多个增益的检测系统相比，本发明可以降低的成本和复杂度来实施。该检测系统适用于TOF质谱分析，因为该检测系统使用同一个次级粒子包（即，从一个离子包产生）来产生第一输出和第二输出，但在产生该第一输出与该第二输出之间充分延迟该包，这样使得该第一输出可用于调制该第二输出。换句话说，本发明基于提供一个实质的传输或飞行路径，该实质的传输或飞行路径将产生一个第一输出的一个第一位置处与产生一个第二输出的一个第二位置处的包的到达分离开一段时间，该时间足以使现代高速电子器件提供次级粒子包的即时调制。如提到的，该检测系统尤其可用于检测已在一个飞行时间（TOF）质量分析器中分离的多个离子，即，被转化成多个电子包的这些离子尤其是已在一个飞行时间（TOF）质量分析器中分离的离子。因此，优选地，这些检测到的离子是已在飞行时间（TOF）质量分析器中分离的离子。因此，这些离子可以具体来说处于多个分离的离子包的形式，这样使得每个离子包被转换成一个电子包。在此，一个离子包包括一个或多个离子。本发明有利地可以提供一种用于飞行时间（TOF）质谱仪的高动态范围检测系统。TOF质量分析器优选地是正交加速TOF质量分析器或多反射TOF质量分析器。该TOF质量分析器可以具备或不具备离子存储器。因此，在另一个方面中，本发明提供一种质谱仪，包括∶用于产生多个离子一个离子源；一个飞行时间质量分析器，该飞行时间质量分析器用于根据这些产生的离子穿过质量分析器的飞行时间而将它们分离；以及根据本发明的一个检测系统，该检测系统用于检测已由该质量分析器分离的这些离子。然而，本发明并不必限于用在TOF质谱仪中，并且可以用在用于检测离子的其他类型的质谱仪中，例如，四极杆、离子阱以及扇形磁场质谱仪。本发明适用于离子包长度很小，优选地大致上亚微秒（<1µs）的离子包的检测。因此，在本发明的另一个方面中，提供一种用于检测离子包，优选地在一个质谱仪中检测离子包的检测系统，该检测系统包括：一个放大安排，该放大安排用于将这些离子包转化成多个次级粒子包并且放大这些次级粒子包，其中该放大安排被安排成使得每个次级粒子包产生在时间上由一个延迟分离的至少一个第一输出和一个第二输出，并且使得在产生该第一输出和该第二输出之间的延迟的过程中，由一个次级粒子包产生的第一输出用于调制由同一个包产生的第二输出，其中这些离子包和/或该第一输出与该第二输出之间的延迟大致上持续亚微秒。该质谱仪可以包括任何适合类型的离子源，诸如本领域中任何已知的离子源，例如MALDI、ESI、EI、API等。该延迟线路可以为一个延迟电子包（电子延迟）或光子包（光延迟）的延迟线路。本发明优选地包括允许这些次级粒子包传播一个延长的时间（即，延迟）而不具有显著增益（例如，具有的一个增益因数在范围100或以下（尤其0.01到100）内，优选地5或以下（尤其0.5到5），以及更优选地1或以下（尤其0.3到1））。该延迟优选地由一个延迟路径提供，该延迟路径优选地为用于这些次级粒子包的一个传输或飞行路径，该路径在该放大安排中提供从第一检测器位置到第二检测器位置的一个充分长的路径，在这些位置产生将被发送到一个数据获取系统的输出，这样使得这些次级粒子包穿过该延迟路径花费的时间使得该包在该第一检测器位置处可被取样，并且从该位置产生的一个输出（第一输出）可用于调制在下游的第二检测器位置从同一个包产生的输出（第二输出）。该延迟路径优选地为其中次级粒子包大致上没有经历放大（优选地约1或以下的增益）的一个路径。替代地，该次级粒子包可以经历在该延迟路径内的一个低程度的放大（例如，约100或以下（例如0.01到100），优选地5或以下（例如0.5到5）的增益因数）。该延迟路径优选地包括一个飞行管，尤其是其中这些包为电子包的飞行管。在该飞行管内可以提供一个或多个电子或离子光学透镜以便当这些电子包穿过该飞行管时聚焦这些电子包。适合的飞行管可以包括以下各项中的任一项∶(i)一个零电场或低电场区域，优选地具有低增益或没有增益（例如5或以下，或者1或以下的增益），优选地具有一个或多个静电透镜或磁透镜以便限制行进中的电子包的大小，其中电子以高能（例如几百到几千eV，例如100到10,000eV）穿过这个零电场或低电场区域；或(ii)提供一个低总增益（例如5或以下，例如0.5到5）的一组倍增极，其中因为跨这些倍增极的较低速度的电子传播而导致延迟发生。调制第二输出可以包括调节该第二输出的增益，例如通过调节施加到该放大安排的第二检测位置的一个或多个电压或通过调节进一步下游的第二输出的增益，例如调节一个前置放大器的增益，该前置放大器放大该第二输出以避免一个数据获取系统的饱和。优选地，通过使用在该第二检测位置上游的一个栅极来实施调制该第二输出，这些次级粒子包穿过该栅极到达该第二检测位置，其中响应于基于该第一输出的一个控制信号，该栅极可工作以调节、优选地衰减穿过栅极的这些包的强度。因此，栅极控制信号优选基于由一个次级粒子包产生的第一输出并且用于操作该栅极以便当同一个包穿过该栅极时调节该包的强度，由此调制由该同一个包产生的第二输出。该栅极优选位于延迟路径的端部，即，最靠近第二检测位置的端部。优选地，当该包沿延迟路径（例如一个飞行管）行进时，在该延迟路径端部的栅极同时打开（例如，响应于基于该第一输出的一个控制信号）以便当该包通过栅极到达第二放大级（如下描述）和/或第二检测位置时调节该包的强度。该栅极可以包括电子衰减光学器件的任何安排，例如任何一个或多个电极或倍增极。该栅极可以包括一个或多个电极（在这个上下文中这些电极可以为倍增极），这些电极可被通电，即，由施加到其的控制电压通电以调节电子包的一部分，这样使得被调节的部分不被该第二放大级放大。例如，一个或多个电极（在这个上下文中这些电极可以为倍增极）可被通电以偏转或推斥电子包的一部分，使得被偏转或推斥的部分不被该第二放大级放大。在一些实施例中，该栅极可以包括串联安排的（至少）一对倍增极，其中该对中的一个第一倍增极具有安排于其中的多个开口，这些开口允许一个电子包中的电子的一部分穿过而到达该对中的一个第二倍增极（第一倍增极的下游），由此一个电子包被分成两个流，一个流从该对中的第一倍增极和第二倍增极各自行进，并且其中这些流中的至少一个在这些流被再结合以产生第二输出之前以基于该第一输出来调制强度。在一些这种实施例中，该栅极可以包括串联安排的（至少）一对倍增极，其中该对中的一个第一倍增极具有安排于其中的多个开口，这些开口允许一个电子包中的电子的一部分穿过而到达该对中的一个第二倍增极（第一倍增极的下游），其中该第一倍增极可以为单独的或一个第一倍增极序列的一部分，并且该第二倍增极可以为单独的或一个第二倍增极序列的一部分，其中或者(i)该第一倍增极允许少数电子穿过（低传输），并且从该第一倍增极或第一倍增极序列出现的次级电子的强度在被检测到之前被调节（衰减），或者(ii)该第一倍增极允许大多数电子穿过（高传输），并且从该第二倍增极或第二倍增极序列中出现的次级电子的强度在被检测到之前被调节（衰减）。来自该第一倍增极或第一倍增极序列和来自该第二倍增极或第二倍增极序列的输出优选地相结合以便形成第二输出。在情况(i)中，例如，一个可控制电压可以施加到该第一倍增极（或该第一倍增极序列的一个倍增极）以便调节该第一倍增极发出的、被检测到的次级电子的数量。在情况(ii)中，例如，一个可控制电压可以施加到该第二倍增极（或该第二倍增极序列的一个倍增极）以便调节该第二倍增极发出的、被检测到的次级电子的数量。应了解，可以实施许多替代类型的栅极。一种替代栅极可以包括处于一个光导发光调制装置形式的一个光栅极，即，用于调制多个光子包的强度的一个光闸。这种实施例可以例如操作在提供于第一检测位置之后的一个光延迟线路端部的栅极，并且在该电子包已被转化成一个光子包之后，该光子包接着沿光延迟线路被传递。此类型的栅极的替代类型的一个实例包括一个闪烁器，该闪烁器位于第一电子放大级的下游（第一检测位置），任选地之后是一个长度（例如几米，例如1到5米）的光纤（即，光延迟），接下来是由基于第一输出的控制信号控制的一个克尔盒（Kerrcell）。以下更详细地描述用于产生适用于控制该克尔盒的控制信号的电路。随后，在该克尔盒下游的一个光电倍增管完成该检测器并且产生第二输出。因此，在操作中，在第一检测位置之后，该电子包在该闪烁器中产生一个光子包，该光子包被光纤运载到该克尔盒，该克尔盒调制该光子包的强度，然后该光子包被传输到该光电倍增管。基于纳米材料和/或MEMS装置的克尔盒可以允许该克尔盒的操作电压降到更可接受的程度，例如大约100V的区域中。因此可看出，不仅可以使用电子包的直接调制，而且例如像在克尔盒的情况中，调制已由电子包转化成的一个光子包可用于调制第二输出。一个光栅极，诸如前述的克尔盒或另一种类型的光导发光调制装置，可用于不同于使用一个光延迟线路描述的检测系统构造的其他构造的检测系统。在另一个实例中，一个光栅极可与一个电子延迟线路组合使用。例如，这些电子包可能经受延迟，例如在此描述的飞行管中（“电子延迟”），其中如在此描述的，在延迟的下游，这些延迟的电子包经受转化成为多个光子包，之后是在产生第二输出之前使用一个光栅极的光子包强度调制。本发明并不限于具有用于调制次级粒子强度的一个单个衰减级或一个单个栅极，而是本发明可以包括多于一个粒子衰减级，例如多于一个栅极。这些级和/或栅极可以串联安排。在每个衰减级之后，在具有或没有产生一个输出（即，第二输出，和任选地其他输出等）的粒子的情况下，这种多个粒子衰减级可以各自独立地使用。优选地，在该放大安排的一个第一放大级之后，产生该第一输出和/或定位第一检测器的位置。该第一放大级优选地将这些离子包转化成多个电子包并且进一步优选以将该第一输出保持在其饱和水平之下的一个增益来放大这些包。优选地，在该放大安排的一个第二放大级之后，产生该第二输出和/或定位第二检测器的位置。该第二放大级优选地以将第二输出保持在其饱和水平之下的一个增益放大这些包。使用该第一输出调制该第二输出优选地用于确保该第二输出不到达一个饱和水平或非线性体系。例如，该次级粒子包在第二放大级之前的一个衰减可以确保包后续不被该第二放大级放大到高于该第二输出的饱和水平。该第一放大级可以包括一个微通道板（MCP），例如单个或人字形对MCP，或者优选地一个离散倍增极电子倍增器。在一个简单情况下，该第一放大级可以仅包括一个转化倍增极以便将多个离子包转化和放大成多个电子包，即，没有进一步的倍增极和/或MCP。该第二放大级可以包括与第一放大级类似的安排，例如一个微通道板（MCP），例如单个或人字形对MCP，或者优选地一个离散倍增极电子倍增器。然而，更优选地，第二放大级包括一系列离散倍增极，之后是一个加速间隙、一个闪烁器（优选地一个快速闪烁器）和一个光子检测器，诸如一个光电倍增管（其中一个光子包被最终转化回一个电子包以用于第二检测位置处的检测）。从噪声最小化的观点来看，后者的安排是有利的，并且允许一个最终检测器阳极保持在实质的地电位。因此，该放大安排可以仅包括电子放大级或可以额外地包括电子包转化成光子（光子转化）的一个或多个中间级，这些中间级在光子再次转化回电子包（例如在一个光电倍增管中）之前。该延迟或延迟路径优选地提供大致上持续亚微秒或<1µs的一个延迟时间该延迟或延迟路径优选地提供至少1纳秒（ns）、更优选地1到50ns、优选地1到10ns的一个延迟时间。该延迟更优选地在以下范围中的任一个内∶1-5ns；5-10ns；10-15ns；15-20ns；20-25ns；25-30ns；30-35ns；35-40ns；40-45ns；45-50ns。该延迟更优选地在以下范围中的任一个内∶a)1-5nsb)5-10ns；b)3-20ns；c)5-50ns。根据另一个观点，以上时期因此表示第一输出与第二输出之间的优选时期。在存在一个第一放大级和第二放大级之处，以上的延迟时间是由延迟路径提供的、一个次级粒子包离开第一放大级与进入第二放大级之间的时间。应了解，虽然在此仅已明确描述第一输出和第二输出以及相应的第一检测器位置和第二检测器位置，但本发明可以包括来自对应的第三或其他检测器位置的一个第三或其他输出。第三或其他检测器位置各自可以独立地定位于第一检测器位置和第二检测器位置的上游、中间或下游。第三或其他输出中的任一个可用于调制第二或另一个输出和/或被馈送到该数据获取系统。该第一检测位置可以包括一个第一检测装置，诸如一个栅格或其他装置，以便取样（例如感应或拦截）该电子包的至少一部分并且产生第一输出，即，第一检测信号。该第一输出随后优选地馈送至控制电子器件，这些控制电子器件被适配成响应于该第一输出产生一个控制信号，例如作为一个电压脉冲以便调制该第二输出，优选地在产生该第二输出之前通过操作以上描述的栅极来调节，优选地衰减该次级粒子包的强度。更优选地，该栅极由该控制信号操作以便在第二放大级之前调节同一个次级粒子包的强度。因此，该栅极优选地也定位于该第二放大级之前或作为该第二放大级的一部分或定位于该第二放大级内。用于操作该栅极以便调节次级粒子包强度的控制信号优选地仅当在第一检测器位置处的包强度（即，第一输出）高于一个阈值，例如对应于第二输出和/或数据获取系统的一个线性操作的一个阈值时才产生。该包被该栅极衰减的因数（衰减因数）优选地被馈送到该数据获取系统，该数据获取系统收集该第二输出这样使得该数据获取系统可以将该第二输出与应用于该包的衰减因数相乘。例如，如果包强度被衰减一个因数3（即，这样使得其强度变成其未衰减强度的三分之一），则随后将该第二输出乘以因数3。该第二输出优选地被馈送到一个数据获取系统。任选地，该第一输出也可以被馈送到数据获取系统，例如以便提供一个低增益检测信号。该数据获取系统优选地包括一个前置放大器和一个模数（A/D）转换器以便转化该第二输出并且任选地将该第一输出转化成一个数字信号。该数据获取系统优选地包括数据处理装置，例如一个或多个专用处理器，诸如FPGA、GPU等和/或又一个通用计算机，诸如PC等，以便处理数字化的第二输出和任选地数字化的第一输出。该数据获取系统优选地将该第二输出与应用于该电子包的衰减因数（若有的话）相乘。在一些实施例中，由第一输出和第二输出（和任选地其他输出）产生的对应的数据流，在任选的数据处理之后，可以被该数据获取系统合并以便产生一个合并的质谱。用于合并两个或更多个数据流的方法为质谱分析领域中已知的，参见例如WO2008/08867和US7,220,970。然而，本发明有利地使得一个单个输出（第二输出）能够在宽动态范围运行，而不需要将来自该输出的数据流与来自具有不同增益的另一输出的一个数据流合并。该数据获取系统或另一个数据处理系统可以处理该第二输出并且任选地可以处理该第一输出以便产生代表一个质谱的数据，该数据任选地可以储存于和/或输出到例如一个计算机文件、VDU或硬拷贝。对来自由来自一个TOF或其他质量分析器的多个离子包产生的一个检测系统的一个输出进行数据处理以便产生代表一个质谱的数据在本领域中是众所周知的。本发明因此可以进一步包括输出代表一个质谱的数据，例如作为来自数据获取系统的一个输出，该数据获取系统已处理该第二输出并且任选地已处理该第一输出以便产生代表一个质谱的数据。相应地，本发明可以进一步包括用于输出代表一个质谱的数据的一个输出装置。该输出装置可以包括一个电子显示装置（例如VDU屏幕）或打印机。虽然对一个TOF质谱仪尤其有用，但应了解，本发明可用于其他类型的质谱仪中，这些质谱仪中要求调制检测系统的输出以便避免到达一个饱和水平。其他类型的质谱仪可以例如是但不限于：一个传输四极杆、离子阱（例如线性或3D离子阱）、静电阱、具有镜像电流检测的轨道离子阱（例如在Makarov，分析化学（AnalyticalChemistry），2000年，第1158页中描述的）或扇形磁场质谱仪。附图说明为了更全面地理解本发明，现在参照附图来描述本发明的不同的非限制性实例，在附图中：图1示意性示出根据本发明的一种检测系统和方法的一个第一示范性实施例；图2示意性示出根据本发明的、包括一个低传输栅极的一种检测系统和方法的一个第二示范性实施例；图3示意性示出根据本发明的、包括一个高传输栅极的一种检测系统和方法的一个第三示范性实施例；并且图4示意性示出用于根据本发明的一种检测系统和方法的栅极电子器件的一个示范性实施例。具体实施方式参照图1，示出本发明的一个实施例，该实施例包括一个TOF质量分析器10，该TOF质量分析器10在使用中根据离子的m/z，依靠这些离子穿过本领域中已知的质量分析器的不同飞行时间而将一个短离子脉冲分离成一连串短离子包。该质量分析器10可以为具有或没有离子存储器的一个线性TOF、正交加速TOF、反射TOF或多反射TOF。应了解，可能需要一个分离的脉冲离子源（未示出）以用于产生一个短离子脉冲并将该短离子脉冲引入TOF质量分析器10中以用于进行离子分离。分离的离子包束离开TOF质量分析器10，穿过反负阻管栅格11并进入检测系统2。反负阻管栅格11以相对于分析器10的略负电位偏置，这样使得该分析器中来自散射离子的电子不会被检测到。这些离子包首先撞击一个第一放大级20的一个转化倍增极22，该转化倍增极从撞击转化倍增极的每个离子包中产生一个电子包，其中每个电子包中的电子数与产生电子包的离子包中的离子数成比例。第一放大级20包括一个电子倍增器，该电子倍增器具有在转化倍增极22之后的多个离散倍增极23，当这些电子包沿倍增极23连续传递时，这些转化倍增极22放大这些电子包。在一个替代实施例中，第一放大级20可以作为所示出的离散倍增极电子倍增器的替代或补充，包括一个单个的或一个人字形对的微通道板（MCP）。为简单起见，不示出用于第一放大级20的电源和电压，因为它们在本领域中是众所周知的。由第一放大级20放大的电子包随后穿过位于一个第一检测位置的一个栅格21，该栅格取样每个电子包的一部分并且产生一个第一输出，以下将更详细描述。用于在第一检测位置取样到达栅格21的电子包束的替代检测装置可用于其他实施例中，例如镜像电流检测（使用快速FET）；从一个倍增极直接读出（可能是或可能不是电容性或电感性耦接）；拦截束的一部分的一个快速磷光体（用于电去耦）。该第一输出连接至控制电子器件80，该控制电子器件80基于该第一输出，通过控制施加到以下更详细描述的一个栅极50的一个或多个电压来调制电子包束。在通过栅格21之后，该电子包束接下来进入飞行管40，该飞行管被设计成在电子包再次在下游的一个第二检测位置被检测到之前，为这些电子包提供一个充分长的飞行路径，该飞行路径也称作一个延迟线路，如以下更详细描述。作为实例，飞行管40可以包括以下各项中的任一项∶一个零场或低场区域，其中电子以一个高能（例如几百到几千eV）穿越该区域；或具有低总增益（例如0.5到5）的一组倍增极，其中当电子沿该组倍增极连续传递时，因为电子传播的较低速度而发生延迟。在示出的实施例中，这些电子包穿过提取光学器件30，该提取光学器件将这些离子提取到飞行管40和飞行管40中的一个或多个透镜41中，这些透镜41使电子包束保持聚焦，即，限制电子束的大小。提取光学器件30可以包括一组栅格，或优选地，包括一组同轴无栅格电极，一个或多个电压被施加到这些电极。然而，一个或多个透镜41是任选的并且可能不是在所有实施例中都必需的。该一个或多个透镜41可以为静电透镜或磁透镜。作为实例，该一个或多个透镜41可以包括一个单透镜（Einzellens）；浸没透镜；和/或与外管壳体40同轴的一个管。栅极50位于飞行管40的端部，电子包束穿过该栅极50，并且该栅极被适配成用于逐包调制这些电子包的强度，如以下更详细描述。栅极50之后是一个第二放大级60，该第二放大级在示出的实施例中包括：一个快速闪烁器65，以便将这些电子包中的电子转化成多个光子；和一个光电倍增管67，以便将这些光子包中的光子转化回多个电子，这些电子最后由位于一个第二检测位置处的检测阳极70收集，该检测阳极从收集的电子包产生来自检测系统的一个第二输出。使用一个闪烁器和光电倍增管的这种安排允许最小化噪声并且使得检测阳极能够保持实际接地。任选地，第二放大级60按顺序可以包括一个或多个（例如一个到三个）离散倍增极，之后是一个加速间隙并且然后是如所描述的快速闪烁器和光电倍增管。进一步任选地，一个真空窗口可以定位于闪烁器与光电倍增管之间，以便使得能够例如更容易接近该光电倍增管以进行更换。在另一个替代实施例中，第二放大级60可以包括与第一放大级的类型类似的一个放大级，例如包括一个离散倍增极电子倍增器和/或一个单个或一个人字形对的微通道板。为简单起见，未示出用于第二放大级60的电源和电压，因为它们在本领域中是众所周知的。最后，该第二输出被传递到一个数据获取系统90以用于进行数据处理。数据获取系统90数字化该第二输出并且记录和/或处理数字化信号。数据获取系统90优选地包括具有的带宽高于约100到300MHz的一个前置放大器，之后是具有8到12位竖直动态范围的一个1到4GHzADC，来自控制电子器件80的板载处理和输入，如以下更详细描述。任选地，在一些实施例中，数据获取系统90也接收和数字化该第二输出并且记录和/或处理该数字化信号。现将更详细地描述检测系统的操作并且尤其是第二输出的调制。在操作中，离开第一放大级20的每个电子包由栅格21取样，该栅格21拦截每个电子包的一部分，由此从每个包产生处于一个电信号形式的一个第一输出，该电信号被与栅格21相连接的控制电子器件80取样。电子包被第一放大级20放大的程度被安排成使得第一输出和控制电子器件80不到达一个饱和水平。控制电子器件80被安排成基于来自栅格21的第一输出在栅极50上产生一个或多个电压，优选地控制电子器件80被安排成每当被栅格21拦截到的一个电子包的强度并且因此第一输出的幅度（并且因此原始离子包的强度）超出一个阈值时在栅极50上产生一个电压，典型地是一个电压脉冲。该阈值典型地对应于检测系统的后续部分（例如第二放大级60）的正常线性操作的一个极限。为简单起见，以下描述将关于施加到栅极50的一个电压，但应理解，这意味一个或多个电压。施加于栅极50上的电压以此方式推斥接近该栅极的电子，并且由此当电压存在于栅极上时衰减穿过该栅极的电子包，即，降低包强度。因此，电子包的强度最终在下游的第二检测位置被检测到并且因此第二输出受到施加到栅极50的电压调制。必要时，电子包可以被栅极50完全阻止，但通常的操作将允许该包通过但将包强度降低到不导致下游检测系统或数据获取系统的饱和的一个可接受的程度。当无电压被控制电子器件80施加于栅极50时（即，当被拦截电子包并且因此第一输出以及因此进入的离子包的强度位于该阈值之下，例如在检测系统的后续部分且尤其第二输出的正常线性操作内），该电子包将不会被衰减并且将未调制地前进穿过栅极50到达第二放大级60且因此被数据获取系统90检测到。以此方式，包括最终（第二）输出的检测系统总是保持在一个饱和水平之下，优选地对应于第二输出的线性操作的极限并且自修正以处理进入的强离子包。此外，该检测系统的最敏感、最高增益部分由此可被保护，免受进入的强离子包的影响。在一个优选实施例中，栅极50被提供为一个Bradbury-Nielsen栅极，该栅极由2组平行电线制成∶奇数号电线连接至电子器件80以便从中接收控制电压，并且偶数号电线连接至飞行管电位。当从电子器件的一个开关83施加电压脉冲时，电子在电线之间的每个间隙中被偏转，这样使得电子中的大多数被吸引到电线上。这种安排的变体是使这些电线连接至电子器件80，其方式为使得启用电线之间的许多间隙（典型地大多数），以便当从开关83施加电压脉冲时完全阻止电子，并且仅完全不启用每第n个间隙（例如每第10个）这样使得该间隙传递电子。控制电子器件80包括一个放大器81和一个比较器82。第一输出被放大器81放大并且在比较器82中与一个基准信号84进行比较，由此当第一输出超出相对于基准的一个值时从比较器82中形成一个触发脉冲。该触发脉冲启用电压开关83以便传递一个电压脉冲来控制栅极50。栅极50的工作与电子包穿过延迟线路的行进同步，这样使得一个电子包产生一个第一输出并且控制电子器件基于来自该电子包的第一输出操作栅极，由此当同一个电子包穿过该栅极时适当地调制或不调制该电子包的强度。提供的延迟因此应足以使控制电子器件以及时方式操作该栅极来调制产生第一输出的同一个电子包，其中栅极控电压是基于该第一输出的。另一方面，拦截电子包束以产生第一输出与启用栅极50之间的这种延迟应尽可能短，因为它界定飞行管40的相应长度。使用当前可用技术，该延迟优选地位于5-10ns范围内。例如，对于1KeV的一个平均电子能量来说，100mm的不间断飞行长度提供大约5ns的一个延迟。这是一个可接受的延迟线路长度，并且时间尺度足以使当前可用电子器件调制特定电子包。因此重要的是，确保在任何过强电子包到达栅极之前启用该栅极。在一些实施例中，衰减率方便地可以使得强度调制可以作为位移（bitshift）操作的一个结果来执行（即，衰减的2次幂）。每当电压被施加到栅极50时，栅极使穿过该栅极的电子包衰减一个衰减因数（优选地在2至20的范围内，更优选地10至20）。该衰减因数可以与仪器校准过程中施加到该栅极的电压有关。校准本身可以利用校准物分子的同位素分布∶同位素比在强峰的若干百分比内应保持正确。如果施加一个栅极电压，则数据获取系统90随后将第二输出与该衰减因数相乘（且如果无电压施加则乘以1）。替代地，在其他实施例中，第二输出从数据获取系统被发送至一个下游计算机，该第二输出具有指示栅极上电压存在或不存在的一个附加位，计算机凭此附加位使用预校准的衰减因数修正第二输出。栅极50可以模拟方式或数字方式工作。在模拟工作中，这些电子包的衰减可以被安排成栅极50上的这个或这些电压的一个函数（例如单调函数），一个最优衰减电压通过一个校准过程选择在某个值。模拟工作的优势是衰减因数的可调性，而其主要劣势是该因数对进入的信号强度的可能的依赖（因为信号经由空间电荷效应而影响电子的能量和角分布）。图1中示出的实施例典型地以模拟工作实施。以下更详细参照图2和图3描述数字工作。以下是检测系统的典型灵敏度和增益的实例。为了在数百MHz的一个带宽可靠地检测，拦截到的电子包应优选以至少3，更优选地至少5的信噪比被检测。事实上，这意味着它应含有大约至少200,000至600,000基本电荷或大约30至100飞库仑。随后，第一输出将被控制电子器件80的放大器81可靠地放大，形成比较器82上的一个触发脉冲并且启用电压开关83以便将一个电压脉冲传递至栅极50。如果检测系统的灵敏度被调节成检测仅含有单个离子的进入的离子包，则即使使用高动态范围放大级20和60和一个高性能的数据获取系统90（例如含有一个10或12位ADC），线性动态范围也可能典型地在一个包中的几百个离子（例如约100到300个离子）时结束。控制电子器件80的可靠工作则优选地要求第一级20的放大应处于大约1000到3000的一个范围。此外，为保持每个级20或60在线性范围内，其最大输出不应超出约5×107到108电子/脉冲，这限制检测系统的总增益到大约5×105个电子/离子，对应于约200到300的第二放大级60的增益。作为经验规则，一个电子倍增器的一个倍增极工作直到从其面积的每平方厘米提取约1到5库仑的电荷。因此，在将需要改变乘数之前可检测到约1011个最大脉冲，这实际上允许检测达到大约104到105最大每秒脉冲数（这大致达到对于正交加速TOF分析器的约1到10个强脉冲/发射和对于多反射TOF分析器的约100到1000个强脉冲/发射）持续达到若干星期或月。先前描述基于当前可用技术，并且这些数字因为技术性能提高而可能改变。优选地，本发明目标在于衰减第二级中的强脉冲放大，其方式为使得在最坏的可能情况下输出仍保持在5×107到108个电子/脉冲之下。事实上，正常和衰减的操作的范围应重叠至少因数3或至少因数5，因此如果每个范围覆盖动态范围200到300，则该结合的系统在一个单个光谱中可能能够具有动态范围10,000到20,000并且在一个1秒数据获取时间中远远超过106。这使得TOF分析器与从现代离子源中出现的、可能达到1010离子/秒的整个离子流的100%传输兼容。如以上简略提到的，栅极50的工作可以模拟或数字方式实施。模拟工作已参照图1描述。在一个数字工作的模式中，电子束的衰减可以被安排成作为栅极50上的一个或多个脉冲电压的函数而展示出陡降，而不是如在模拟工作中作为一个单调函数而变化。这可以（例如）通过将栅极50分成多个（例如许多）传输通道（例如通过将栅极安排为具有贯穿其中的多个开口或通道的一个网或倍增极，即，一个穿孔的倍增极）来实现。可以允许这些电子无任何障碍地穿过这些通道的某一部分（可为小部分或大部分）并且阻止其穿过其他通道。图1的实施例可以此方式工作，其中此类栅极充当栅极50。现在参照图2和3描述尤其适合于数字工作的进一步优选实施例，这些优选实施例可以根据栅极通道的设计来分类。低传输栅极通道∶图2中示出大致上在图1中直出达到栅极50的一种检测系统的另一个实施例。因此，类似参考数字指代类似部件。在图2实施例中，栅极50被安排成具有在一个第一倍增极51（穿孔的倍增极）的区域上的，优选地均匀分布的多个小开口53，这样使得一个电子包中的所有电子的仅一小部分（例如1%-10%）穿过这些通道并且击中第二倍增极52。通过对倍增极51施加一个正电压脉冲，其中该电压基于第一输出由控制电子器件80施加（以图1中控制电子器件80对栅极50施加电压的相同方式），可以阻止从倍增极51产生的次级电子56朝向第二放大级的一个或多个其他倍增极61的组前进，由此衰减该电子包。然而，总是允许从倍增极52产生的次级电子57传递到其对应组的一个或多个其他倍增极62。来源于倍增极51和倍增极52的次级电子的路径再次在闪烁器65收敛，以便在光电倍增管67的阳极70上产生一个检测信号，该信号为来自系统的第二输出。电子传递的持续时间和倍增极61、62的增益可以被调节成消除数据获取系统90的任何质量峰偏移或饱和。在此实施例中栅极被数字地操作成使得施加到倍增极51的电压突然阻止发出的次级电子达到其他倍增极61，即，不存在衰减（当不施加电压时）或电子包的衰减是通过一个固定的衰减因数，该衰减因数对应于来自检测到的第二输出的来自倍增极51的电子损失。然而，如果施加到图2中的倍增极51的衰减电压脉冲不足够高，则在电子分布的较高能量尾部的电子的一部分仍将经历最终检测，并且模拟模式将由此占优势。高传输栅极通道∶图3中示出同样大致在图1中示出达到栅极50的一种检测系统的又一个实施例。在图3实施例中，栅极50被安排成同样具有在一个第一倍增极51的区域上的，优选均匀分布的多个小开口，这次该栅极50具有非常高的传输（例如它是一个电蚀刻或电沉积的栅格），这样使得所有电子的仅一小部分（例如1%-10%）击中栅极50，而所有其他电子穿过并且击中位于倍增极51之后的第二倍增极52，这样使得来自倍增极52的次级电子可以穿过高传输穿孔倍增极51到达下一个放大级60。通过对倍增极52施加一个正电压脉冲，其中该电压是基于第一输出由控制电子器件80施加的（以与图1中控制电子器件80对栅极50施加电压的相同方式），可以阻止来自该倍增极的次级电子穿过倍增极51由此衰减电子包，这样使得仅来自倍增极51前表面的电子将到达第二放大级60并且被检测到，该第二放大级在图3所示的实施例中是闪烁器65和光电倍增管67。在一个不同实施例中，高传输倍增极51和倍增极52可以类似于图2中的那些倍增极定位，这样使得来自倍增极51的次级电子移动穿过一个倍增极组61并且来自倍增极52的次级电子移动穿过一个倍增极组62以便最终收敛于阳极70，并且通过对倍增极52施加一个正电压脉冲，可以阻止来自该倍增极的次级电子朝向倍增极组62前进，由此衰减电子包。在此实施例中栅极也被数字地操作使得施加到倍增极52的电压突然阻止发出的次级电子被检测到，即，不存在衰减（当不施加电压时）或电子包的衰减是通过对应于来自检测到的第二输出的来自倍增极52的电子损失的一个固定衰减因数。然而，如果施加到图3中的倍增极52的衰减电压脉冲不足够高，则在电子分布的较高能量尾部的电子的一部分仍将经历最终检测，并且模拟模式将由此占优势。图4中示出栅极控电子器件80的一个优选实施例，连同穿过这些部件的特征传播延迟tp（即，使信号穿过这些部件花费的时间）。在适当的情况下，与图1至图3中使用的参考数字相同的参考数字用于表示相同部件。在图4示出的实施例中，该检测系统的另一个变化在于第一输出是取自倍增极23之一，而不是栅格21。因此，在所有实施例中不需要栅格21。然而，第一输出可取自以上参照图1描述的栅格21。电信号（其是第一输出）被首先馈送到一个放大器81。放大器81是充当一个电压放大器或一个电流到电压转换器的一个高速OpAmp并且具有一个典型地小于1.5ns的tp。接下来，一个幅度鉴别器和脉冲检测器182接收放大的第一输出并且将其与一个阈值电压或电流183相比较（取决于该放大的第一输出是一个电压还是电流）。该幅度鉴别器和脉冲检测器182因此是基于一个或多个电压或电流比较器的一个回路。该幅度鉴别器和脉冲检测器182可以例如是一个恒定因数鉴别器（CFD）或当一个在阈值之上的信号出现时提供一个数字脉冲187的其他装置。所需要的鉴别水平因此由阈值电压或电流183设定。如果进入的信号超出鉴别水平，则对于数据获取系统（DAQ）90，幅度鉴别器和脉冲检测器182额外产生一个“低增益”标记信号185，这样使得DAQ可以将从系统检测到的第二输出乘以适合的衰减因数。可以替代地可能使由DAQ从数据信号强度中的跳跃中检测到信号衰减，这可以节省低增益标记的使用。该幅度鉴别器和脉冲检测器182具有一个典型地小于1ns的tp。HV脉冲形成器205从幅度鉴别器和脉冲检测器182中接收数字脉冲187并且作为响应产生连接至栅极50的一个HV脉冲210（图4中示意性示出）以衰减穿过该栅极的电子。HV脉冲形成器205可以为（例如）一个基于雪崩的HV单稳态触发器和/或再生开关并且产生具有尖锐边缘（<1ns）和限定的脉冲持续时间（例如10到40ns）的多个HV脉冲。HV脉冲形成器205具有一个典型地小于2.5ns的tp。因此可看出，整个控制电子器件80具有从放大器的输入到HV脉冲形成器的输出的、小于5ns的一个总传播延迟tp。一般而言，整个控制电子器件80优选地具有从放大器的输入到HV脉冲形成器的输出的、小于10ns更优选地小于5ns的一个总传播延迟tp。在先前的一个变体中，如本领域中有经验的技术人员已知的，脉冲形成器的输出也可以电容性地耦接至栅极50，其中RC链应以使得不破坏脉冲的上升时间和下降时间的方式进行选择。栅极50每次被最佳操作以便使在栅极接收到的一个电子包衰减一个持续时间，该持续时间典型地不长于电子包在其峰高度的10%时的峰宽度，并且可不长于电子包在其峰高度的30%时的峰宽度。当电子强度降低时这典型地允许系统回到更灵敏的（不衰减）模式。如果在施加一个脉冲之后电子峰仍太强，则将形成并且施加下一个HV脉冲，以此类推。然而，在一些实施例中，该栅极可以被操作长于此持续时间的一个持续时间。该栅极可以被操作（由电压脉冲通电），即，施加每个电压脉冲一个持续时间，该持续时间典型地在10到40ns的范围内。然而，在一些实施例中，该栅极可以被操作短于或长于此持续时间的一个持续时间，尤其如果连续被两个或更多个脉冲操作时。数据获取系统或其他数据处理装置然后优选在栅极的操作过程中在所有数据点倍增衰减的第二输出，这样使得来自所有衰减的电子包的第二输出乘以衰减因数。可见，本发明优选地可以提供一种并入电子器件的检测系统，该检测系统使得能够通过动态调节一种具有至少两个电子放大级的检测系统内部的有效放大或增益来使检测器部件和数据获取系统保持在其正常线性工作（正常动态范围）内。增益的动态调节优选地通过从一个给定电子包中拾取一个第一电子信号作为一个放大系统的一个第一放大级的输出，使这些电子沿着一个延迟线路（例如一个飞行管）方向，同时接通在该延迟线路端部的一个栅极以便在必要时基于该第一电子信号衰减同一个给定电子包的强度。在穿过栅极之后，这些电子进一步穿过第二级放大并且产生一个可检测的电子信号作为一个第二输出。在第一输出与第二输出之间提供一个光去耦也是可行的，其中电子在第一输出的检测位置处或该位置之后被转换成光子，光子在一个光延迟线路（例如若干米长的光纤）上被传递到一个光导发光调制装置，并且然后通过使用如次级电子发射或一个雪崩二极管或一个二极管阵列，光子被一个光电倍增管转化成电子。应了解，检测系统可以被设计用于检测正离子或负离子，例如通过施加到该检测系统的部件的适当的电压变化。在此，离子用作带电粒子的一个实例，但本发明同样地可用于离子之外的带电粒子。如在此使用的，包括权利要求在内，除非上下文另外说明，否则在此术语的单数形式应当理解为包括复数形式，并且反之亦然。例如，除非上下文另外说明，否则在此包括权利要求中的单数引用，如“一种”或“一个”是指“一个或多个”。贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变化形式（例如“包括（comprising）”和“包含（comprises）”等）表示“包括但不限于”并且不旨在（并且不会）排除其他部件。应当理解的是，可以做出本发明的前述实施例的变化形式，同时仍落在本发明的范围之内。除非另有说明，否则本说明书中披露的每个特征可以由服务于相同、等同或类似目的替代特征来代替。因此，除非另有说明，否则所披露的每个特征只是一个一般系列的等同或类似特征中的一个实例。使用在此提供的任何一个以及所有实例、或示例性语言（“例如”、“如”、“举例而言”以及相似语言），仅旨在更好地说明本发明并且不表示对本发明的范围进行限制，除非另外要求。本说明书中的任何语言都不应当被理解为是在指示：任何未提出权利要求的元件是对本发明的实现至关重要的。本说明书中描述的任何步骤可以按照任意顺序来执行或同时执行，除非另有说明或内容要求。本说明书中描述的所有特征结合以任意组合形式而组合，除了这种特征和/或步骤中的至少一些相互推斥的组合形式。具体而言，本发明的优选特征应用于本发明的所有方面并且可以采用任意组合形式来使用。同样，非本质的组合方式中描述的特征可以独立使用（不进行组合）。