佘乾顺，苏 弘,*，徐治国，赵祖龙，毛瑞士，柯建林

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100049； 3.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

质谱分析法是根据带电离子质荷比(m/z)的不同而形成质谱图进而分析物质成分构成、原子质量测定及发现稳定同位素的方法[1]。该方法首先将待测物质电离形成带电离子，然后将离子加速并通过电场或磁场，根据不同质荷比的离子运动径迹不同而进行分离，分离后的离子依次进入离子收集器，经采集和处理后即可绘制出质谱图，最后可根据质谱图对待测物质的成分进行定性或定量分析[2]。质谱分析法的特点是测试速度快、结果精确、样品用量少、灵敏度高，能精确测定物质组成成分的比值。质谱分析技术已成为分析科学的重要组成部分，基于质谱分析法的质谱仪，已广泛用于核科学[3]、地质年代测定、同位素稀释质谱分析、同位素示踪分析等[4]。

磁质谱仪已经历数10年的发展，技术与性能不断增强，应用也日趋广泛，逐渐发展为一种常规的分析测试仪器。但目前中国的磁质谱仪研发和制造技术还相对落后，原创性的能力更加薄弱，导致绝大部分均依赖于从国外进口。因此，开展磁质谱仪相关技术的研究对提高我国质谱仪器的制造技术具有重要的意义。本文针对一款新型磁质谱仪的研发需求，开展测量与读出电路的研究。由于磁质谱仪中的离子收集器输出的电荷信号十分微弱，而离子源的打火对微弱信号的处理会造成较大影响，这对数字化读出系统的研制提出了较大挑战。在充分研究磁质谱仪的构造和工作机理的基础上，开展磁质谱仪的高精度数字化读出系统的研制，实现磁质谱仪离子收集器输出的418通道微弱电荷信号的测量与数字化处理，满足离子束的质谱测量需求。

1 磁质谱仪

1.1 磁质谱仪构成

本文介绍的磁质谱仪主要由离子源、预聚焦透镜、磁分析器[7]、真空设备、控制系统[8]、电源设备、束流监测设备、离子收集器及数字化读出系统组成，主要用于对真空弧离子源引出的离子束成分和比例进行诊断，离子源、磁分析器和离子收集器为系统的核心。离子源是将待测样品在高真空条件下进行离子化的装置。这些带电粒子在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入磁分析器。磁分析器是将同时进入的不同质量的离子，按m/z大小进行分离的装置[5]。分离后的离子依次进入离子收集器[6]，经收集、放大、数字化和计算机处理后，绘出质谱图。

1.2 离子收集器

图1 无死区法拉第筒阵列Fig.1 Faraday cup array with no dead zone

离子收集器置于磁分析器末端，为1个法拉第筒阵列探测器，用于探测离子的分布信息[9]。设计的无死区法拉第筒阵列如图1所示，为消除探测器有效面积部分的探测死区，探测器探头采用双层PCB板重叠并增加底层条宽来设计。法拉第筒阵列由416个电极单元组成，每个电极条宽2.5 mm、高29 mm，相邻电极条分布在不同的PCB叠层上，且交错排布，使得电极间无死区。探测器总长度为1 040 mm，上、下各有1个长条电极，用于测量离子束是否偏离垂直位置，因此该法拉第筒阵列共包含418个信号输出通道。

法拉第筒阵列单个电极收集得到的电荷信号非常微弱，需有良好的屏蔽来降低外界噪声及干扰对信号的影响，这里选用屏蔽性能高达80 dB的多芯电缆和连接器将微弱电荷信号输送到后端的数字化读出系统。离子收集器在真空腔中的组装如图2所示，将每30个通道的信号通过1条屏蔽线缆引出，因此真空腔体上共放置14个信号输出接口，单个通道输出的电荷范围为0.1～100 pC。

图2 离子收集器组装图Fig.2 Assembled diagram of ion collector

2 数字化读出系统设计

数字化读出系统主要实现对法拉第筒阵列探测器的418通道的微弱电荷信号进行转换、放大与采集，并将数据上传到上位机进行显示与存储。数字化读出系统的总体设计如图3所示，主要包括前端处理电路与数据获取模块等，其中前端处理电路包括14块前端积分电路板，将418通道的微弱电荷信号转换为电压信号，并做适量放大；数据获取模块主要采用商业化的CRIO组件构成，CRIO组件通过以太网接口与远程上位机进行数据交互。CRIO是美国国家仪器(NI)公司研制的一种可灵活配置的嵌入式系统，这里的CRIO组件包含了数据采集组件、数字接口组件、RS485通信组件和CRIO控制器。

总体设计思路是将418通道的微弱电荷信号通过14块相同的前端积分板进行前端处理，每块积分板包含30个处理通道，每个通道包含两个处理量程(标识为A和B)，并可通过上位机任意控制选择单个通道的处理量程。单块前端积分板输出两路差分模拟电压信号，单路输出信号包含15个通道的串行电压信号。14块前端积分板中的其中1块板输出1路采集时钟信号和1路采集触发信号到CRIO的数字接口组件，用于控制数据采集模块的数字化过程。CRIO数字接口组件接收磁质谱仪离子源打火的触发信号，延迟一定时间后输出1路积分触发信号，通过扇出板将积分触发信号同步扇出为14路分发到14块前端积分板中，该信号用于控制积分器的积分时长。CRIO的RS485通信组件输出包含418通道的量程控制信号，通过扇出板将418通道的量程控制信号切分为14组对应分发到14块前端积分板中，量程控制信号全部通过RS485接口进行传输。CRIO数据采集组件根据数字接口组件的采集触发信号与采集时钟信号将28路差分电压信号进行模数转换，对应得到418个通道的数据。

图3 数字化读出系统总体设计Fig.3 Overall design of digital readout system

2.1 前端积分板设计

前端积分板的电路设计如图4所示，由门控积分电路、反相衰减电路、模拟多路复用电路、差分驱动电路、CPLD硬件电路及固件、光耦隔离电路等组成。门控积分电路将微弱电荷信号转换为-10～0 V之间的电压信号，再通过反相衰减电路将-10～0 V之间的电压信号转换到0～4 V之间，然后通过模拟多路复用电路将15个通道的并行信号转换为串行信号依次输出，最后通过差分驱动电路将0～4 V的单端串行电压信号转换为-4～4 V的差分电压信号并输出。每块电路板包含30个处理通道，每个通道包含两个处理量程，通过使用不同大小积分电容的门控积分器来实现，由外部上位机一对一控制单个通道对应门控积分器的工作状态实现处理量程的选择。每块电路板包含两路差分电压输出信号VO1、VO2，每路以串行方式输出15个处理通道的信号，并输出1路采集时钟信号DAQ-sclk和1路采集触发信号DAQ-trig，输入1路控制积分器积分时长的积分触发信号Trig-in，输入1路30个通道量程的控制信号30bit_Ctrl(RS485串口)。为减少数字信号对前端微弱信号的干扰，将所有的控制信号先经高速光耦隔离器件隔离后再对应去控制相应的器件。

门控积分器选用美国TI公司的一款低噪微弱电荷信号进入前端积分板，由上位机设置每个通道的量程A或B，来自上位机的418通道量程切换控制信号通过扇出板扇出并分发到各前端积分板，控制对应通道的量程控制开关SHAi(或SHBi)的导通或断开。以下结合图5所示的前端积分板工作时序进行工作流程的说明，假设前一个事件设置为某通道A量程档工作，第二个事件设置为B量程档工作。扇出板输入的Trig-in信号控制积分时长，当Trig-in的上升沿到来时，SHAi开关闭合，SRAi开关断开，SHBi开关断开，SRBi开关闭合，积分器A开始正常工作，积分器B断开并保持泄放状态，微弱电荷信号在积分器的积分电容CAi上形成电压信号VAi，而积分器B的输出VBi一直为0。当Trig-in的下降沿到来时，SHAi开关断开，SRAi开关继续保持断开状态，SHBi开关闭合，SRBi开关闭合，积分器A停止工作并维持VAi的电压供CRIO数据采集组件进行数字化，积分器B开始工作将不需要的输入电荷信号进行泄放。同时发送采集触发信号DAQ-trig和采集时钟信号DAQ-sclk，当将15个通道的串行电压信号采集完毕后，采集触发信号DAQ-trig和采集时钟信号DAQ-sclk均变成低电平，同时SHAi开关闭合，SRAi开关也闭合，SHBi和SRBi开关均保持闭合状态，积分器A和B均进行泄放，以还原到初始状态。通过30bit_Ctrl信号在第2次Trig-in上升沿来之前设置为量程B工作，其工作时序及流程与上面A量程档工作类似，只是输出的电压信号为B积分器VBi，积分器A的输出电压VAi为0，其次在输出串行电压信号时，模拟多路复用器的地址选通控制信号也需对应30bit_Ctrl信号所选择的相应量程的输出通道。

图4 前端积分板的电路设计Fig.4 Block diagram of front-end integration board

声精密门控积分放大器IVC102U进行设计，低量程档A使用1 pF的积分电容，高量程档B使用5.6 pF的积分电容。反相衰减电路选用美国ADI公司的四通道精密高速运算放大器OP467进行设计。模拟多路复用电路选用美国ADI公司的32通道模拟多路复用器ADG732进行设计，将32路(S0～S31)输入信号依次切换至公共输出端。差分驱动电路选用美国ADI公司的低功耗高速差分驱动器AD8131进行设计。前端积分板中光耦隔离电路主要用于隔离控制器CPLD输出的控制信号，包括3部分隔离电路：1) 控制器输出用于控制60个门控积分器工作的两类控制信号SR和SH，选用双通道高速光耦器件HCPL-0531来设计；2) 控制器输出用于控制CRIO数据采集组件数字化处理的采集触发信号DAQ-sclk和采集时钟信号DAQ-trig所需的两路光耦隔离电路，选用高速的单通道光耦器件HCPL-0720来设计；3) 控制器输出用于控制多路复用器选通地址的控制信号隔离电路，同样采用高速光耦HCPL-0720来设计。前端积分板中的控制器选用美国ALTERA公司MAX II系列的CPLD器件EPM1270T144C5N进行设计，工作时钟频率为100 MHz。

图5 前端积分板工作时序Fig.5 Working sequence of front-end integration board

2.2 扇出板设计

扇出板的电路设计如图6所示，上位机通过CRIO组件发送418通道量程切换控制信号到扇出板，通道量程切换控制信号共有70个字节组成，扇出板对通道量程切换控制信号进行分发和扇出，以40 bit为一路(其中控制位30 bit)，共分发成14路，全部采用RS485总线进行通信，选用器件MAX490进行设计。将CRIO组件输入的积分触发信号Trig-in通过控制器CPLD扇出为14路同步输出，扇出板控制器同样选用CPLD器件EPM1270T144C5N来设计，工作时钟频率为100 MHz。

2.3 数据获取模块

数据获取模块主要采用商用的CRIO组件来搭建，CRIO将开放嵌入式架构与C系列模块进行融合，是一种由NI LabView驱动的可重配置I/O (RIO) 架构。每个系统包含1个可编程的FPGA，用于自定义定时、触发及处理一系列可用的模块化I/O，可满足任何嵌入式应用系统的需求。此外，用户可采用LabView图形化开发工具对CRIO进行按需编程，可广泛应用于各类嵌入式控制和数据获取系统。

图6 扇出板设计图Fig.6 Block diagram of fan-out board

数据获取模块使用的CRIO组件包括4种设备：1个控制器cRIO-9068，2个CRIO数据采集组件NI9220，1个CRIO数字I/O组件NI9402和1个RS485通信组件NI9871。cRIO-9068是一款适用于高级控制和监控应用的嵌入式控制器，该控制器搭载FPGA和运行NI Linux Real-Time操作系统的实时处理器，可连接8个可热插拔C系列I/O模块至CRIO机箱来获取各种测量或控制信号，还可通过两个千兆以太网端口建立多个网络连接。NI9220是一种模数转换组件，包含16个差分输入通道，每个通道均提供±10 V的测量范围和16位的测量精度，因此前端积分板输出的28个电压通道共需两个NI9220组件。NI9402为数字输入/输出模块，具有4个数字I/O通道，输入输出类型为单端的LVTTL，最大电压为5.25 V，最大的I/O通道切换频率为16 MHz，最大传播延迟时间为55 ns。NI9871为4端口RS485/RS422 C系列串行仪器控制模块，串行端口可直接通过FPGA访问，从而灵活地与串行设备进行通信。

3 数字化读出系统性能测试

在实验室条件下搭建的测试系统如图7所示，利用安捷伦信号源模拟磁质谱仪系统的离子源打火触发信号，利用吉时利6221电流源模拟法拉第筒阵列探测器的输出信号，通过扇出板中的代码设置积分时长为500 μs，对该数字化读出系统进行了性能测试。

图7 实验室测试系统框图Fig.7 Block diagram of laboratory test system

经测试该数字化读出系统实现了0.1～120 pC范围输入电荷的测量，其中低量程档A的测量范围为0.1～10 pC，高量程档B的测量范围为5～120 pC。图8为单通道双量程非线性误差测试结果，对数字化读出系统的418个通道全部进行了测试和标定，其中高量程档B的最大非线性误差为0.33%，低量程档A的最大非线性误差为1.95%。

图8 单通道双量程线性误差Fig.8 Linearity error of single channel with different ranges

将整个数字化读出系统与磁质谱仪真空腔输出接口及离子源打火触发信号对接后，对整个数字化读出系统进行了现场应用测试，在远程上位机中得到的质谱图如图9所示，结果表明，该数字化读出系统各模块组件全部工作正常，并得到了满足物理性能指标的离子束质谱图。

图9 离子束质谱图Fig.9 Mass spectrometer of ion beam

4 结论

完成了该磁质谱仪离子收集器数字化读出系统的电路设计和工程化实现，并已投入实验应用，较好地实现了对法拉第筒阵列探测器输出的微弱电荷信号的数字化处理与读出。针对离子收集器输出的418通道微弱电荷信号，采用门控积分器的前端处理方法并结合模数转换的数字化技术路线，实现了418通道0.1～120 pC范围电荷信号的测量与读出。为保证系统的测量精度，在微弱信号处理方面重点考虑了器件的选型、电路设计及采用大量的屏蔽措施。首先尽量选用低噪声器件；其次对数字信号进行光耦隔离，进行了多层(14层)PCB板的设计，将敏感的微弱信号线布于两层地平面之间加以屏蔽，并将模拟地与数字地、模拟电源与数字电源全部隔离设计；最后考虑外屏蔽措施，采用高性能的屏蔽连接器及屏蔽线缆，为电路板设计了屏蔽壳，并在壳体与盖板之间增设镀银密封条。测试结果表明，该数字化读出系统的主要指标非线性误差好于原定的3.6%的设计指标，满足了实验与工程应用要求。