跨阻抗放大器

摘要

一种跨阻抗放大器及其配置方法。跨阻抗放大器包括耦合在跨阻抗放大器的输出与跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件。电阻器组件包括具有纵向长度的电阻器、电阻元件和包围着电阻元件的绝缘体。电阻器组件进一步包括：多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围绝缘体；以及电压源，用于向多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中第一电压和第二电压各自源自跨阻抗放大器的输出电压Vout，第一电压占Vout第一比例且第二电压占Vout第二比例。电压源包括用于调节第一比例和/或第二比例中的至少一者的电压控制器。

权利要求

1.一种跨阻抗放大器，包括：

耦合在该跨阻抗放大器的输出与该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：

电阻元件：以及

包围着该电阻元件的绝缘体；以及

多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；以及电压源，用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的输出电压Vout，该第一电压占Vout第一比例并且该第二电压占Vout第二比例，并且其中，该电压源包括：电压控制器，用于调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例。

2.如权利要求1所述的跨阻抗放大器，其中，该电压源包括：该跨阻抗放大器的该输出处的至少一个分压器，其中该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压取自该至少一个分压器。

3.如权利要求2所述的跨阻抗放大器，其中，该电压控制器包括：至少一个可变电阻器，该可变电阻器被安排成使得使用该至少一个可变电阻器可调节该至少一个第一比例和/或第二比例。

4.如以上任何一项权利要求所述的跨阻抗放大器，其中，该电压控制器包括：调节端子，该调节端子被配置成使得通过向该调节端子施加调节电压可调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例。

5.如权利要求1-3中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该电压源包括：数字电路，该数字电路被配置成用于使该跨阻抗放大器的输出数字化并且根据该跨阻抗放大器的数字化输出设置该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压。

6.如权利要求5所述的跨阻抗放大器，其中：

该数字电路包括用于调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例的调节输入；以及该电压控制器包括该数字电路的该调节输入。

7.如权利要求1-3、6中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该电压控制器被配置成用于相互独立地调节该第一比例和该第二比例。

8.如权利要求1-3、6中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件被安排成沿着该电阻器的纵向长度占据不同的位置。

9.如权利要求1-3、6中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的至少一个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分完全包围着该绝缘体。

10.如权利要求9所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件是管状的。

11.如权利要求10所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件具有相同的径向大小。

12.如或者权利要求10或者权利要求11所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的至少一个导电补偿元件的内径基本上是该电阻器的外径的两倍。

13.如权利要求1-3、6、10、11中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件具有相同的长度。

14.如权利要求1-3、6、10、11中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件的长度基本上大于等于该电阻器的外径的一半。

15.如权利要求1-3、6、10、11中任一项所述的跨阻抗放大器，其中，该绝缘体形成在该电阻元件上。

16.如权利要求15所述的跨阻抗放大器，其中，包围着该电阻元件的该绝缘体包括漆涂层。

17.如权利要求1-3、6、10、11、16中任一项所述的跨阻抗放大器，进一步包括包围着至少该电阻器组件的真空外壳。

18.一种质谱仪，该质谱仪包括如以上任何一项权利要求所述的跨阻抗放大器。

19.一种对如权利要求1至17中任一项所述的跨阻抗放大器进行配置的方法，该方法包括：向该跨阻抗放大器的该输入施加阶跃电流；以及

设置该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压。

20.如权利要求19所述的方法，其中，该第一电压和/或该第二电压被设置成响应于该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流而使该跨阻抗放大器的输出处的电压的过冲和下冲最小化。

21.如或者权利要求19或者权利要求20所述的方法，进一步包括：通过调节该电压控制器来设置该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压。

22.如权利要求19或者权利要求20所述的方法，其中，该第一电压被设置成用于为该跨阻抗放大器实现期望的时间常数。

23.如权利要求19或者权利要求20所述的方法，其中该多个导电补偿元件中的第三导电补偿元件离该跨阻抗放大器的该输出比该第一和第二导电补偿元件更近；以及该第二导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度被定位在该第一和第三导电补偿元件之间；

该方法进一步包括以下步骤：

将施加于该第二导电补偿元件的该第二电压设置成用于响应于该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流而使该跨阻抗放大器的该输出处的电压的过冲和下冲最小化。

24.如权利要求19或者权利要求20所述的方法，其中，通过迭代调节来设置该第一和/或第二电压。

25.如权利要求23所述的方法，进一步包括如下步骤：将施加于该第三导电补偿元件的第三电压设置成用于响应于该跨阻抗放大器的该输入处的该阶跃电流而使该跨阻抗放大器的该输出处的电压的过冲和下冲最小化以及增加该跨阻抗放大器的该输入处的该阶跃电流的上升时间。

26.如权利要求25所述的方法，其中，通过迭代调节来设置该第三电压。

27.如权利要求19、20、25中任一项所述的方法，其中，该电压控制器包括调节端子，该调节端子被配置成使得通过将调节电压施加于该调节端子可调节该第一电压比例和/或该第二电压比例中的至少一个比例，该方法进一步包括以下步骤：对施加于该调节端子的电压进行调节以更改施加于这些导电补偿元件的该第一电压比例和/或第二电压比例中的至少一个比例。

28.一种使用跨阻抗放大器将电流转换成电压的方法，该跨阻抗放大器包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出与该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：

电阻元件：以及

包围着该电阻元件的绝缘体；以及

多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；以及电压源，用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的该输出，该方法包括：

将有待转换的该电流施加于该跨阻抗放大器的该输入，这样使得在该跨阻抗放大器的该输出处输出相应的电压，以及向该多个导电补偿元件中的该第一导电补偿元件施加该第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加该第二电压，其中该第一电压和/或该第二电压的幅值被设置成用于响应于输入电流的变化而使该跨阻抗放大器的该输出的过冲和下冲最小化。

29.一种用于执行质谱法的方法，包括：

在离子源中生成离子；

根据这些离子的质荷比在质量分析仪中将这些离子分开；

将这些离子接纳至收集器以生成电流；以及

根据如权利要求28所述的方法将该电流转换成电压。

说明书

跨阻抗放大器

技术领域

[0001] 本披露涉及一种跨阻抗放大器、一种用于配置跨阻抗放大器的方法以及一种用于使用跨阻抗放大器的方法。

背景技术

[0002] 有许多应用需要测量信噪比良好的、跨高动态范围的电流。例如，在同位素比值质谱法中，需要一种具有对高动态范围的信号做出准确响应并且高精度地测量同位素丰度的能力的放大器。在这种应用中，往往有特别严格的要求。放大器必须首先测量相对大的离子电流。此输入信号快速减弱并且几秒后出现相对非常弱的二次离子电流(由低同位素丰度引起)。放大器必须能够处理该第一信号的快速减弱和对相对弱的电流信号进行精确测量两者情况。

[0003] 为了实现此内容，在以几乎达到放大器的饱和下测量该第一信号之后，放大器需要快速且精确衰减到零(即，至噪声本底)。放大器还需要生成输出信号的最小下冲和过冲，即使毫伏输出范围接近放大器的噪声本底。

[0004] 可以使用跨阻抗放大器执行这种类型的测量，这些跨阻抗放大器用于执行电流电压转换(“跨阻抗”)。

[0005] 图1示出了现有技术的跨阻抗放大器100，该放大器包括运算放大器10和连接在运算放大器10的反相输入与运算放大器10的输出之间的反馈电阻器R。在理想情况下，跨阻抗放大器将放大输入电流I并且根据等式：V＝-I*R将其转换成低阻抗输出电压V。

[0006] 被配置成用于以微微安至毫微微安范围内的小或非常小的输入电流I操作的跨阻抗放大器通常与1E9到1E14欧姆范围内的大的反馈电阻器R一起操作。

[0007] 当测量非常小的输入电流I时，非常小的电流流过反馈电阻器R并且跨反馈电阻器R产生小的电压降，从而驱动运算放大器10的负输入端子，这样使得输出电压V随着对输入信号I的响应而变化。放大器100的输出电压V通过该反馈电阻器补偿该输入电压并且驱动运算放大器10的输入端子至零伏特。理想的放大器将始终在其两个输入端子之间维持零伏特。

[0008] 然而，实际上，偏置电流总是叠加在所测量的输入电流I上。如果偏置电流恒定，还存在恒定的电压降。例如，当使用10TΩ的反馈电阻器R时，1fA的偏置电流将引起10mV的电压降。理想地，这种附加电压降应尽可能小，这需要选择具有非常小的偏置电流的运算放大器10。

[0009] 当设计这种类型的跨阻抗放大器时，应特别注意其稳定性，因为极高的阻抗电阻器展现出易于引起放大器振荡的自电容。实际上，已知的是通过使反馈电阻器R与0.05-0.1pF范围内的小电容器C并联来限制放大器的理论带宽。则反馈电阻器R的时间常数T本身等于T＝R*C，这针对非常高值的反馈电阻器大致是0.5到1秒。

[0010] 当要求放大器10实现高精度测量时，例如，同位素比值质谱法中大约1ppm(一百万分之一)，反馈电阻器R的固有指数型衰减在本精度下等于以下衰减D：

[0011] D＝ln(1E+6)*T＝13.8*T＝大致7至14s。

[0012] 这种大小的衰减对于实际实验而言可能是合理的，但由于极高阻抗电阻器的性质和所添加的电容器，这种理想的(几)分之一实际上是不可实现的。大多数离散的电子电容器内具有固态电介质并且该电介质的非理想行为(如有限的绝缘电阻(泄漏电流)和极化效应(电介质吸收))排斥使用那些电容器。

[0013] 兆欧范围内的极高阻抗电阻器的特性也与理想的电阻器差别很大。温度系数、电压系数、自电容和自感应必须被考虑在内。在制造过程中良好的材料选择可以优化前两种特性，并且由于低操作速度，可以实际上忽略最后一个特性。然而，为了构建工作放大器，应非常仔细地对待自电容。

[0014] 例如在GB2393865B中描述了一种用于试图补偿与跨阻抗放大器中的超高阻抗电阻器相关联的缺点的已知技术，其中，低值电阻器与超高值电阻器串联放置。有待测量的电流被馈送至低得多的阻抗电阻器并且产生补偿电压降以提高电流放大器的性能。

[0015] 然而，这种解决方案假设仅带有杂散电容的几乎理想的电阻器模型。

[0016] 图2示出了示例超高值电阻器200的构造。通过对绝缘陶瓷圆柱体210绕上高阻抗电阻涂层220来构造电阻器200。电阻涂层220充当电阻器200的电阻元件，并且螺旋螺线制作得越多，该部件展现的电阻就越大。为了保护电阻元件220免受机械和/或化学干扰，用漆涂层230气密封电阻元件220，该漆涂层具有约0.75mm厚的厚度，例如0.5mm-1mm之间的厚度，如0.5mm、0.6mm、0.75mm、0.8mm或1mm。

[0017] 理论上，漆涂层230本身还充当电阻零件，因为每一层具有有限的电阻。此外，因为该层是良好的绝缘体，其还充当可以被极化并且遭受电介质吸收的固态电介质。因此，漆涂层230可以被看作是沿着理想电阻部件的长度的分布式电阻器和电容器网格。

[0018] 当测量小电流时，该分布式RC网络网格充当分路阻抗。超高值电阻器的分路阻抗的值可以很高，这引起叠加在有待测量的实际电流上的电流的长时间充电。此外，当物理上移除了有待测量的电流时，网格中所存储的电荷将展现出减弱的电流。除此之外，电阻器周围的电场将在电阻器涂层的RC网络网格中引入电荷。这些效应一起向跨阻抗放大器引入第一指数时间常数，从而损坏所测量的上升和下降时间的斜率并且通常使放大器响应畸变。

[0019] GB2424330A描述了一种用于通过控制电阻器的电场来试图克服这些问题的技术。提供了金属圆柱体来包围跨阻抗放大器的反馈电阻器并且充当具有空气隔离并且保持在等于放大器输出电压的一小部分的电压下的电容器。通过这种安排，敏感的反馈电阻器受到屏蔽，并且来自外部的电辐射源和场的噪声不会扰乱信号。该跨阻抗放大器包括多个运算放大器，这些运算放大器被配置成用于提高增益并且提供滤波网路以实现该放大器的最小上升时间。

[0020] 在替代性技术中，US7262655B2描述了一种带有约100KΩ的相对低值的反馈电阻器的跨阻抗放大器安排。该反馈电阻器由一系列更小值的片式电阻器组成。每个片式电阻器被设置成与并联电阻器梯中的低阻抗片式电阻器很近，该并联电阻器梯旨在补偿这些片式电阻器的分段变化电场的杂散电容。

[0021] 然而，GB2424330A和US7262655B2中建议的解决方案假设反馈电阻器是恒定的线性器件，实际上，针对超高值电阻器，不是这种情况。因此，当使用超高值电阻器时，会降低放大器性能的精度和可重复性。

[0022] 此外，参照图2中所示的超高值电阻器200，电阻器200的绝缘芯210还充当电介质，并且沿着电阻器本体的轴向电场会产生电介质电荷并且因此还在绝缘芯210中引起电介质吸收。同样地，包围着电阻元件220的绝缘元件230也可能遭受电介质吸收。这种电介质吸收引入第二时间常数，当测量非常小的电流(即，毫微微安)时，该第二时间常数引起进一步的不想要的衰减和/或畸变。在某些情况下，该第二时间常数会如此长以至于在输入变化后输出信号将实际上从不达到正确的电平(例如，0V)。

[0023] 图3示出了跨阻抗放大器的输出处对输入处的零电平信号的阶跃变化的示例响应。这种响应证明了第一时间常数τ1和第二时间常数τ2的影响。标记为τ1的曲线显示当假设反馈电阻器是恒定的线性器件时τ1的影响(即，忽略τ2的影响)。标记为τ2的曲线显示带有超高阻抗反馈传感器的放大器的实际响应。如可以看到的，引起该第二时间常数的电介质吸收已经使放大器响应延迟和畸变，这样使得放大器输出会实际上从不达到正确的电平。

[0024] 图4示出了对输入处的零电平信号的阶跃变化的进一步示例放大器响应，该阶跃变化可以是现有技术跨阻抗放大器特有的。如可以看到的，放大器输出最初快速减小，因为放大器被优化成使τ1最小化，并且因此具有快速的初始响应。然而，在该快速初始响应之后，可以观察到该输出朝着最终输出电平逐渐蠕变。这种蠕变是由τ2引起，并且引起放大器响应衰减和畸变，这样使得放大器输出会实际上从不达到正确的电平。

[0025] 这些影响对于超高值电阻器(即，1TΩ及以上)是非常显著的。因此，GB242433A和US762655B2中所描述的解决方案对于使用超高阻抗电阻器的非常小的电流的测量而言可能无效。

发明内容

[0026] 在本披露的第一方面，提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出和该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，电阻器包括：电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体。该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体。该跨阻抗放大器进一步包括：电压源，用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的输出电压Vout，该第一电压占Vout第一比例并且该第二电压占Vout第二比例，并且其中，该电压源包括：用于调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例的电压控制器。

[0027] 该跨阻抗放大器可以是同位素比值质谱法跨阻抗放大器，即，该放大器可以适合于在同位素比值质谱法中使用。该跨阻抗放大器可以对输入至该放大器的电流的变化具有相对快速的响应。例如，输出电压可以在输入电流变化后的相对短的时期内(例如，在输入电流变化的8秒、或6.5秒或6秒或5秒或4秒内)稳定到某一水平。该跨阻抗放大器还可以稳定到输出电平而没有任何下冲或过冲，从而使该跨阻抗放大器的输出的稳定时间最小化。当第一和第二输入电流有待测量时，这些特性在同位素比值质谱法中会是有用的，其中，在第一相对大的输入电流已经减弱之后，一段时间后或者在任何其他需要对输入电流的相对快速响应和/或测量小的输入电流的能力的应用中，第二相对小的输入电流(例如，大约微微安(pA)和更小量级，例如400pA(4E-10A)、或100pA(1E-10A)、或60pA(6E-11A)或2pA(2E-
12A)或20fA(2E-14A)或1fA(1E-15A)等)流过。

[0028] 该跨阻抗放大器可以具有是超高值电阻器的反馈电阻器(具体地，其是同位素比值质谱法放大器)，该电阻器可以具有大致1TΩ(即，1E12Ω)或更大的电阻。例如，该电阻器可以具有1TΩ或1-10TΩ(3TΩ)或1-100TΩ(如10TΩ、20TΩ、25TΩ、40TΩ、60TΩ、70TΩ、90TΩ或100TΩ)的电阻。

[0029] 对于更小值的电阻器而言许多可以忽略的不完善的电阻器特性对于超高值电阻器而言会变得重要。这些特性包括非线性轴向和径向电容和/或沿着电阻器的长度的电介质吸收，这会对使用超高值反馈电阻器的跨阻抗放大器的响应性和准确度具有显著影响。在某些应用中，例如，同位素比值质谱法，为执行同位素测量，跨阻抗放大器电压输出对电流输入的变化的响应的速度和准确度是重要的。

[0030] 此外，实际上，超高值电阻器不是恒定的线性器件。由于制造公差，包围着电阻元件的绝缘元件的厚度很可能存在例如大致+/-0.2mm的变化。这引起电阻器中的径向和轴向电场的不均匀分布，这影响了源自绝缘元件的分布式RC网络网格。

[0031] 该多个导电补偿元件(其可以具有任何合适的横截面大小和形状以及任何合适的纵向长度)能够向电阻器施加外部电场，以便补偿电阻器的轴向和径向电介质吸收特性。不同的电压可以施加于每个补偿元件，并且因此施加不同的外部电场。这能够实现沿着电阻器的纵向长度的差分非线性补偿，这能够补偿轴向和径向电容和/或电介质吸收沿着电阻器的纵向长度的非线性分布。

[0032] 施加于这些导电补偿元件的电压各自可以相互不同，因此沿着电阻器的长度向电阻器施加不同的外部电场。因此，施加于这些导电补偿元件的电压可以被选择成使得在需要对轴向和/或径向电容和/或在那儿经受电介质吸收的程度进行补偿的位置向电阻器施加较大的外部电场，并且在需要对轴向和/或径向电容和/或在那儿经受的电介质吸收的程度进行补偿的位置向电阻器施加较小的外部电场。因此，可以在电阻器上在逐电阻器基础上补偿每个单独的反馈电阻器的唯一非线性特性，从而产生对每个唯一电阻器的更准确的补偿。

[0033] 虽然该第一和第二电压很可能相互不同时，但例如在为了补偿反馈电阻器的非线性而期望该第一和第二导电补偿元件各自产生相同幅值的电场的情况下，这些电压可以替代性地相同。

[0034] 以此方式补偿轴向和径向电容和/或电介质吸收提高了跨阻抗放大器的输出对输入至该跨阻抗放大器的电流的变化的响应速度。此外，跨阻抗放大器的输出可以稳定到其输出电平而没有过冲或下冲，这可以提高使用跨阻抗放大器进行的测量的准确度。这会在许多期望响应于输入电流到零而快速返回至基线(零输出电平)而没有过冲或下冲的不同应用中是有用的。例如，在同位素比值质谱法中，令人期望的是，可以使用跨阻抗放大器准确测量第一较大电流不久之后流过的第二小电流。因此，这些导电补偿元件可以用于使输出电平的过冲和下冲最小化，这在如会期望使放大器的输出的稳定时间最小化的同位素比值质谱法应用中是特别有益的。

[0035] 施加于该第一和第二导电补偿元件的第一电压和第二电压源自该跨阻抗放大器的输出电压VOUT，这样使得该第一电压占VOUT第一比例(例如，0.2VOUT)并且该第二电压占VOUT第二比例(例如，0.6VOUT)。该电压源可以包括可以从VOUT得出该第一和第二电压并将它们施加于该第一和第二导电补偿元件的任何电气部件或部件集合。

[0036] 该第一和/或第二比例可以被设置成该跨阻抗放大器的输出的任何比例，例如，它们可以被设置成在(并且包含)0-1倍于放大器的输出(例如，0.3倍于放大器输出，或者0.7倍于放大器的输出)之间的任何值。可替代地，该第一和/或第二比例可以被设置成比放大器的输出更大的值(例如，1.5VOUT或4VOUT等)，例如，当该电压源具有有源部件(如放大器)时。可替代地，它们可以被设置成该输出的小于0的比例，例如-0.4VOUT或-1.6VOUT。

[0037] 该电压源可以在该跨阻抗放大器的输出包括至少一个分压器(或分压器(potential divider))，其中，该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压取自该至少一个分压器。该分压器可以包括任何数量的电阻器，这些电阻器中的每个电阻器可以具有任何适合于得出所期望的第一比例和/或第二比例的电阻器值。

[0038] 在这种情况下，该电压控制器可以包括安排在该至少一个分压器内的至少一个可变电阻器，这样使得通过该分压器设置的第一比例和/或第二比例中的至少一个比例可使用该至少一个可变电阻器来调节。

[0039] 此外或可替代地，该电压源可以包括数字电路，该数字电路被配置成用于使该跨阻抗放大器的输出数字化并且根据该跨阻抗放大器的数字化输出设置该第一电压和/或该第二电压中的至少一个电压。

[0040] 在这种情况下，该数字电路可以包括用于对该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例进行调节的调节输入，其中，该电压控制器包括该数字电路的该调节输入。该调节输入可以包括至该数字电路的偏置电压输入和/或至该数字电路的编程接口。

[0041] 该电压控制器可以包括调节端子，该调节端子被配置成使得通过向该调节端子施加调节电压(例如，Vx)可调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例。例如，该电压源可以包括用于设置该第一和/或第二比例的至少一个分压器。然后，该调节端子可以被安排成使得该调节电压施加于该分压器，其方式为使得施加于该调节端子的电压的变化改变该分压器的偏置并且因此改变该第一比例和/或该第二比例。

[0042] 此外，如果初始配置后该跨阻抗放大器被封装在真空室内，这对保护免受湿气和通过宇宙辐射可以从空气产生的带电粒子影响而言会是有用的，则不再可以使用该分压器中的至少一个可变电阻器和/或使用该数字电路的该调节输入来调节施加于这些导电补偿元件的电压。可以通过向该调节端子施加电压来对施加于这些导电补偿元件的电压从该初始配置(例如，贯穿跨阻抗的使用寿命，从部件老化或温度变化)的任何变化进行补偿。即使该跨阻抗放大器没有封装在真空室内，仍然可以提供该调节端子，这样使得施加于该至少一个导电补偿元件的电压可以通过向该调节端子施加电压来调节。

[0043] 该电压控制器可以被配置成用于相互独立地调节该第一比例和该第二比例。例如，该电压源可以包括两个分压器，第一分压器设置该第一比例并且第二分压器设置该第二比例。这些分压器中的每个分压器可以包括可变电阻器(和/或调节端子)，这样使得两个可变电阻器可以被独立地调节以便独立于该第二比例调节该第一比例并且反之亦然。

[0044] 可替代地，该电压源可以包括一个用于设置该第一比例的分压器和用于设置该第二比例的数字电路，其中，该电压控制器在该分压器中包括可变电阻器并且在该数字电路中包括调节输入。由此，可以相互独立地改变该第一和第二比例。

[0045] 该电阻元件的形状可以是管状的，其中，该电阻元件可以是空心管或实心管，并且横截面形状可以是任何合适的形状，优选地圆形的或近圆形的，或者其可以形成为螺旋形状，例如缠绕在绝缘芯上，或者任何其他合适的安排。

[0046] 该电阻器的纵向长度不是该电阻元件的电阻路径的长度(例如，沿着螺旋电阻元件的螺旋路径)，而是该电阻器的线性长度。例如，该电阻器的纵向长度可以是沿着该电阻器的纵向轴的长度，或者从该电阻器的输入到输出的长度。如果该电阻器非常短，但具有非常大的直径，则纵向长度将仍然是沿着该电阻元件的纵向轴的长度并且将不是该电阻元件的直径。

[0047] 该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件的长度可以基本上大于等于该电阻器的外径的一半。例如，它们可以是该电阻器的外径的40％、或者该电阻器的外径的50％、或者该电阻器的外径的60％、或者该电阻器的外径的80％等。以此方式，可以使用这些导电补偿元件来准确地补偿该电阻器的非线性而不使该电阻器组件过于复杂。

[0048] 该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件可以被安排成沿着该电阻器的纵向长度占据不同的位置，这样使得没有导电补偿元件沿着该电阻器的长度相互重叠。

[0049] 该多个导电补偿元件可以具有带有任何适用于向该电阻器施加补偿外部电场的横截面形状的空心管状形状。优选地，该多个导电补偿元件的横截面形状对于每个元件而言是相同的。优选地，该多个导电补偿元件的横截面形状与该电阻器的横截面形状匹配，该横截面形状以优选的形式可以是圆形的。每个导电补偿元件的长度也可以是相同或不同的。该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件可以或者可以不被完全安排成用于沿着该电阻元件的纵向长度的至少一部分包围着该电阻的绝缘体。

[0050] 该多个导电补偿元件中的每个导电补偿元件的内径可以是该电阻器的外径(例如，绝缘材料的外径)的基本上两倍。例如，它们可以比该电阻器的外径大1.8倍，或者比该电阻器的外径大2倍，或者比该电阻器的外径大2.1倍，或者比该电阻器的外径大2.4倍等。以此方式，这些导电补偿元件所需的电压施加可以保持在可管理的电平(例如，该电平可以源自跨阻抗放大器的输出)同时仍然能够准确地补偿电阻器的非线性。

[0051] 包围着该电阻器的电阻元件的绝缘层可以由任何绝缘材料形成，例如，其可以包括在该电阻元件上形成的漆涂层。该漆涂层可以具有任何合适的厚度并且因为由于制造公差该漆涂层的厚度可能沿着该电阻器的轴向长度变化，这会引起该电阻器沿着该电阻器的长度的电容非线性中的至少某些非线性和电介质吸收。可以使用导电补偿元件对这些进行补偿。

[0052] 优选地，该多个导电补偿元件包括三个导电补偿元件。这可以使得能够沿着该电阻器的长度以更大的准确度补偿该电阻器的非线性。该电阻器还可以包括多于三个导电补偿元件，甚至进一步提高可以对非线性进行补偿的准确度。

[0053] 该电阻器可以包括绝缘芯。由于制造公差，该绝缘芯在其厚度和/或材料特性上可能具有变化。这会引起该电阻器中径向和轴向电场和电介质吸收的非线性分布。这些导电补偿元件可以再次用于补偿这些非线性，以便如上解释的提高跨阻抗放大器的性能。

[0054] 该跨阻抗放大器的输出可以是电压输出，并且该跨阻抗放大器的输入可以是电流输入。

[0055] 该电阻器组件可以被封装在真空外壳内，这样使得至少该电阻器组件被该外壳包围。该跨阻抗放大器的一个或多个其他元件也可以被封装在该真空室(例如电压源等)内。可替代地，整个跨阻抗放大器可以被封装在该真空室内。该真空室对于保护免受湿气和通过宇宙辐射可以从空气产生的带电粒子的影响而言会是有用的。

[0056] 在本披露还提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出和该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体；多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；以及可变电压源，该可变电压源用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，该第二导电补偿元件优选地与该第一导电补偿元件相邻，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的该输出，并且其中，该第一电压大于该第二电压，并且该跨阻抗放大器的输出电压与该第一电压之间的差与该第一电压与该第二电压之间的差不同。

[0057] 在本披露还提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出和该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体；至少三个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；以及电压源，该电压源用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压以及向该多个导电补偿元件中的第三导电补偿元件施加第三电压，其中：沿着该电阻器的纵向长度，该第一导电补偿元件与该第二导电补偿元件相邻；该第二导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度与该第三导电补偿元件相邻；并且该第二导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度被定位在该第一导电补偿元件和该第三导电补偿元件之间；并且其中，该第一电压与该第二电压之间的差与该第二电压与该第三电压之间的差不同。

[0058] 本披露还提供了一种质谱仪，该质谱仪包括以上描述的跨阻抗放大器中的任何跨阻抗放大器。

[0059] 本披露还提供了一种对上述跨阻抗放大器进行配置的方法，该方法包括向该跨阻抗放大器的输入施加阶跃电流；以及对施加于第一导电补偿元件的第一电压和/或施加于该第二导电补偿元件的第二电压中的至少一个电压进行设置。

[0060] 设置该第一和/或第二电压可以通过迭代调节该第一比例和/或该第二比例来执行，例如，当可以调节该第一比例以及重复阶跃电流输入步骤以确定由该第一比例的调节引起的对该跨阻抗放大器的输出的影响。可以重复本过程多次直至该跨阻抗放大器的输出以期望的方式执行。同样，还可以当设置该第二电压时执行本迭代过程。此外，可以通过轮流重复地(即，设置该第二比例之后，返回至该第一比例的迭代调节，然后返回至该第二比例的迭代调节，然后返回至该第一比例的迭代调节等)或联合地(即，该第一和第二比例两者同时迭代调节)调节该第一和第二比例来实施放大器对阶跃电流的调节和重新测试响应的迭代过程。

[0061] 该第一电压和/或该第二电压可以被设置成响应于该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流而使该跨阻抗放大器的输出处的电压的过冲和下冲最小化的值。以此方式，可以最小化该放大器的输出的稳定时间，这在如同位素比值质谱法应用中会特别有益。有利地，可以使该跨阻抗放大器稳定至最终输出电压的时间对同位素比值测量是重要的，并且值得注意的是，这不等于为放大器衰减特性获得最快的时间常数。

[0062] 虽然施加于该第一导电补偿元件(其是离该跨阻抗放大器的输入最近的导电补偿元件)的第一电压可能对该放大器的输出处的电压的过冲和下冲有影响，但可以具体地调节该电压以便响应于电流的阶跃变化而为该跨阻抗放大器实现期望的时间常数。例如，可以期望大致0.5-1.5秒的时间常数(等于0.32-0.11Hz)，如0.4秒或0.7秒、或1秒、或1.5秒、或1.6秒等。

[0063] 施加于该第二导电补偿元件(其是离该跨阻抗放大器的输入第二近的导电补偿元件)的第二电压会对该放大器的过冲和下冲具有显著影响，并且因此可以在具体考虑下被设置成用于响应于该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流而使该跨阻抗放大器的输出处的电压的过冲和下冲最小化。

[0064] 可以使用电压控制器或者通过任何其他合适的手段(例如，通过改变电压源中的分压器中的电阻器的值等)来调节该第一和/或第二比例。

[0065] 当该电阻器组件具有第三导电补偿元件(该导电补偿元件是离该跨阻抗放大器的输出最近的导电补偿元件)时，将施加于该第三导电补偿元件的第三电压设置成用于响应于该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流而使该跨阻抗放大器的输出处的电压的过冲和下冲最小化以及增加该跨阻抗放大器的第一输入处的阶跃电流的上升时间。

[0066] 以此方式，或者通过任何其他合适的设置技术，该跨阻抗放大器可以被配置成具有令人期望的对输入电流的变化快速响应而在其输出中没有或有极小下冲或过冲的特性。

[0067] 相比现有技术方法，优选地，当该跨阻抗放大器用于在同位素比值质谱法中使用时，执行所选择的设置技术以便确保该放大器的输出朝着最终输出电平的任何蠕变的时间常数被最小化，甚至是当这种情况产生更长的初始信号衰减。

[0068] 该配置方法可以进一步包括对施加于该跨阻抗放大器的调节端子(该调节端子被安排成使得施加于该调节端子的电压对施加于这些导电补偿元件中的电压中的至少一个电压进行调节)的电压进行调节以便调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例。通过调节该第一和/或第二比例来对施加于这些导电补偿元件中的至少一个导电补偿元件的电压进行调节使得贯穿放大器的使用寿命中甚至当其他用于对施加于这些导电补偿元件(例如，该放大器的输出处的可变电阻器)的电压进行调节的技术不可用时能够调谐和调节该放大器的特性(例如，借助于封装在真空室内的放大器)。

[0069] 在本披露还提供了一种使用跨阻抗放大器将电流转换成电压的方法，该跨阻抗放大器包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出和该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体。该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体。该跨阻抗放大器进一步包括电压源，该电压源用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的该输出。该方法包括：将有待转换的电流施加于该跨阻抗放大器的该输入，这样使得在该跨阻抗放大器的该输出处输出相应的电压，以及向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压和向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中，该第一电压和/或该第二电压的幅值被设置成用于响应于输入电流的变化而使该跨阻抗放大器的该输出的过冲和下冲最小化。

[0070] 使输出的过冲和下冲最小化应使该放大器的稳定时间最小化，这甚至当最小化引起更长的初始信号衰减时会对如同位素比值质谱法用于而言特别有益。

[0071] 本披露还提供了一种用于执行质谱法的方法，该方法包括：在离子源中生成离子；根据这些离子的质荷比在质量分析仪中将这些离子分开；将这些离子接纳至收集器以生成电流；以及根据以上披露的方法将该电流转换成电压。

[0072] 在本披露的第一方面中，提供了一种电阻器组件，该电阻器组件用于在同位素比值质谱法跨阻抗放大器中使用，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体；该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该r的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；其中，该多个导电补偿元件相互电隔离，这样使得非零幅值的第一电压(例如，具有比接地更大电位或更小电位的电压)可以施加于该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件，并且第二非零电压(例如，具有比接地更大电位或更小电位的电压)可以施加于第二导电补偿元件。

[0073] 在本披露的进一步方面中，提供了一种电阻器组件，该电阻器组件包括具有超过12 13
10 Ω或超过10 Ω的阻抗的电阻器，该电阻器具有纵向长度并且包括：具有长度的电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体；该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；其中，该多个导电补偿元件相互电隔离，这样使得非零幅值的第一电压可以施加于该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件，并且第二电压可以施加于第二导电补偿元件。

[0074] 在本披露的进一步方面中，提供了一种电阻器组件，该电阻器组件包括超高值电阻器，该超高值电阻器具有纵向长度并且包括：具有纵向长度的电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体；该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；其中，该多个导电补偿元件相互电隔离，这样使得非零幅值的第一电压可以施加于该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件，并且第二电压可以施加于第二导电补偿元件。

[0075] 超高值电阻器是具有大于等于1TΩ(例如，1-10TΩ或1-100TΩ)的阻抗的电阻器。超高值电阻器可以具有至少1mm(例如，在1mm与10cm之间)的纵向长度。

[0076] 在本披露的进一步方面，提供了一种电阻器组件，该电阻器组件包括具有纵向长度的电阻器，其中，该电阻器包括管状的电阻元件(空心的或实心的)、或者盘绕式电阻元件，该电阻元件具有纵向长度；以及包围着该电阻元件的绝缘体；该电阻器组件进一步包括多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；其中，该多个导电补偿元件相互电隔离，这样使得非零幅值的第一电压可以施加于该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件，并且第二电压可以施加于第二导电补偿元件。

[0077] 本披露的进一步方面是在同位素比值质谱法跨阻抗放大器中使用超高值电阻器。

[0078] 本披露还提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括；包括本披露的超高值电阻器的该电阻器组件，其中，该电阻器组件耦合在该跨阻抗放大器的输出与该跨阻抗放大器的第一输入之间。

[0079] 本披露还提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括；电阻器组件，该电阻器组件包括根据本披露的具有超过1012Ω或超过1013Ω的阻抗的电阻器，其中，该电阻器组件耦合在该跨阻抗放大器的输出与该跨阻抗放大器的第一输入之间。

[0080] 本披露还提供了一种同位素比值质谱法跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括具有超高值电阻器的电阻组件。

附图说明

[0081] 参照以下附图，仅通过举例描述了根据本披露的方面的超高值电阻器和跨阻抗放大器，在附图中：

[0082] 图1示出了现有技术中已知的示例跨阻抗放大器；

[0083] 图2示出了现有技术中已知的超高值电阻器的示例构造；

[0084] 图3示出了示例现有技术跨阻抗放大器响应；

[0085] 图4示出了进一步的示例现有技术跨阻抗放大器响应；

[0086] 图5示出了根据本披露的带有超高值反馈电阻器组件的跨阻抗放大器；

[0087] 图6示出了用于超高值反馈电阻器的RC网格模型；

[0088] 图7示出了根据本披露的带有超高值反馈电阻器组件的进一步的跨阻抗放大器；

[0089] 图8示出了当用于跨阻抗放大器电路中时本披露的超高值反馈电阻器组件的RC网格模型；

[0090] 图9示出了当关闭施加于跨阻抗放大器的输入的1pA电流时包括本披露的超高值反馈电阻器组件的跨阻抗放大器的输出电压响应；

[0091] 图10示出了图9的输出电压响应的特写；

[0092] 图11示出了当1pA电流施加于跨阻抗放大器的输入并且然后被关闭时包括本披露的超高值反馈电阻器组件的跨阻抗放大器的输出电压响应；以及

[0093] 图12示出了当关闭施加于现有技术跨阻抗放大器的输入的1pA电流时该跨阻抗放大器的特写输出电压响应。

具体实施方式

[0094] ‘超高值电阻器’可以是具有大致1TΩ(即，1E12Ω)或更大电阻的电阻器。例如，该电阻器可以具有1-10TΩ(如1TΩ、3TΩ、8TΩ或10TΩ)的电阻或1-100TΩ(如10TΩ、20TΩ、25TΩ、40TΩ、60TΩ、70TΩ、90TΩ或100TΩ)的电阻、或10-100TΩ(如50TΩ或100TΩ)的电阻。超高值电阻器具体地用作跨阻抗放大器中的反馈电阻器，用于测量非常低的电流，例如，大约毫微微安(fA)，即，1E-15A。

[0095] 图5示出了跨阻抗放大器电路500，该跨阻抗放大器电路包括：运算放大器IC1；电阻器组件510，该电阻器组件包括耦合在运算放大器IC1的输出与运算放大器IC1的输入之间的超高值反馈电阻器RF；包括电阻器R1、R2、R3和R4的第一分压器和包括R5、R6、R7和R8的第二分压器。电阻器R1、R3和R6是可变电阻器。进一步的电阻器R9被提供成与调节电压Vx串联。

[0096] 以图2中所示的方式构造反馈电阻器RF并且在以上“背景”章节中对进行了描述。

[0097] 图6示出了分布式电阻器网格和与电阻器RF的理想电阻元件并联的电容器，展现了电阻元件与漆涂层之间的相互作用的性质。理论上，耦合的电阻器和电容器网络是无穷小的小网格网络。然而，实际上，令人期望的是以有限大小的RC网格网络对电阻器建模，理想地找出复杂度与建模准确度之间的平衡。实验显示，取决于电阻器RF的物理尺寸，可以仅使用少量元件来对反馈电阻器RF建模。例如，可以使用三到五个元件沿着该电阻器的长度对反馈电阻器RF建模，这样使得理想的电阻元件可以被分成三到五个以相应大小的RC网格网络串联的分开的理想电阻器，如图6中所示(其中有四个相应大小的RC网格网络形式的理想电阻元件)。对于相对小的电阻器(例如，纵向长度短的电阻器)，或许可以使用与相应大小的RC网格网络串联的两个分开的理想电阻器有效地对电阻器RF进行建模。

[0098] 图6中所示的表示反馈电阻器RF的模型中的每个相应元件的值可以彼此相等。

[0099] 然而，已经标识出超高值电阻器的制造不一致性意味着如果每个元件的大小不同则可以更准确地对反馈电阻器RF进行建模。

[0100] 具体地，电阻元件220可以不沿着电阻器200的纵向长度均匀地分布电阻。因此，如果图6中的理想电阻部件具有不同的大小，则这些理想电阻部件可以更准确地对电阻元件220进行建模。

[0101] 此外，漆涂层的厚度沿着反馈电阻器RF的长度的变化(其可以是大约大致+/-0.2mm)会引起径向和轴向电场的不均匀分布并且因此改变径向和轴向电介质吸收的程度。
同样，反馈电阻器RF的绝缘芯210的大小和材料特性的变化会引起径向和轴向电场的分布的非线性，并且因此改变径向和轴向电介质吸收的程度。RC网络的分布受漆的厚度和芯的非线性的影响，并且可以使用该RC网络中的每个部件的不同值对其进行建模。例如，该RC网络中的每个电容器和每个电阻器可以具有不同的值以便对漆和/或芯的变化进行建模。

[0102] 沿着反馈电阻器RF的长度的这些变化会降低使用跨阻抗放大器500进行的测量的精度和可重复性。因此，通过将每个反馈电阻器RF看作是唯一器件，可以使用图6的等效电路中的部件的不同值对每个反馈电阻器RF的制造公差的变化进行建模。因此，RC网络可以表示所有物理特性的组合处理，如(轴向)寄生电容和(轴向和径向)电介质吸收，然后这些可以用于建立对这些物理特性的补偿以便在时域中实现良好响应而不使输出畸变。

[0103] 这种实现已经引起开发出一种使用一系列包围反馈电阻器RF的漆层的导电(例如金属)补偿圆柱体C1、C2和C3补偿反馈电阻器RF的非线性的技术。每个导电圆柱体具有沿着反馈电阻器RF的纵向长度的长度，并且每个导电圆柱体C1、C2和C3的长度可以相同或不同。如图5中所示，每个圆柱体C1、C2和C3沿着反馈电阻器RF的长度包围着反馈电阻器RF的不同区段。还如图5中所示，电阻器RF的纵向长度是该电阻器的线性长度，例如，从输入端子到输出端子。其不是例如电阻器RF的电阻元件的电阻路径长度，该电阻路径长度可以是例如螺旋形的，从而使得该电阻器的电阻路径长度比该电阻器的纵向长度更长。

[0104] 这些圆柱体C1、C2和C3中的每个圆柱体在圆柱体C1、C2和C3与反馈电阻器RF的漆层之间形成有间隙。每个圆柱体C1、C2和C3与其他圆柱体电隔离，这样使得不同的电压可以施加于每个圆柱体C1、C2和C3。

[0105] 这种配置使得这些圆柱体C1、C2和C3能够提供沿着反馈电阻器RF的长度的非线性补偿。使用圆柱体C1、C2和C3的补偿使反馈电阻器RF的电阻元件与漆涂层的充电隔离，该充电引起加载内部电容及其相应的涂层电阻，这会引起降低跨阻抗放大器200可实现的精度。通过施加来自圆柱体C1、C2和C3的经适当调节和校准的外部电场，这样使得沿着反馈电阻器RF的纵向长度建立非线性电场，可以沿着反馈电阻器RF的长度实现对轴向和径向寄生电容以及轴向和径向电介质吸收的补偿，这些电容和电介质吸收全都是非线性的，其中位置沿着反馈电阻器RF的长度(由于以上解释的制造不一致性)。

[0106] 通过中和所有这些元件，针对跨阻抗放大器500，可以实现时域中改进的响应而不存在任何畸变折中。因此，实现了用于超高值电阻器的更准确的补偿方案，并且实现了用于测量非常低的电流的非常高的动态精度跨阻抗放大器500。

[0107] 具体地，可以优化轴向和电介质吸收的补偿以使以上“背景”章节中所描述的并且图3中所示的第二时间常数τ2的影响最小化，由此使该放大器的输出VOUT的稳定时间最小化。因此，通过设置沿着反馈电阻器RF的长度的非线性电场，跨阻抗放大器500可以在对输入电流IIN的阶跃增加的高VOUT测量上实现短的稳定时间和当关闭输入电流IIN时短时间回到精确的零输入。这种性能在许多不同应用中特别有益，例如，在同位素比值质谱法中，其中跨阻抗放大器500必须对高动态范围的信号做出准确响应并且处理第一信号的快速减弱和对相对弱的第二电流信号的精确测量两者。

[0108] 可以根据反馈电阻器RF的外周长确定圆柱体C1、C2和C3的长度。这些圆柱体主要意在补偿反馈电阻器RF的纵向变化，因此，可以实际上假设反馈电阻器RF的准确电容在反馈电阻器RF周围是不变的。鉴于这种假设，对将圆柱体C1、C2和C3中的每个圆柱体的长度设置成比反馈电阻器RF的周长的一半小得很多有很小益处。圆柱体长度比这显著更短将会引起补偿分辨率在纵向方向上比在反馈电阻器RF的周长上更高，这是不值得的。

[0109] 例如，反馈电阻器的周长可以是18mm并且这些圆柱体中的每个圆柱体可以在约8mm-13mm之间，例如11mm。该电阻器可以具有任何长度，例如，该长度可以在35-40mm之间，如37mm。如果电阻器非常长，可以使用多于三个圆柱体，而如果该电阻器非常短，则可以仅使用两个圆柱体(如以下建议的)。

[0110] 理论上，圆柱体的最佳直径应尽可能大，因为这样将在反馈电阻器RF的表面上产生更平滑的电场变化，并且应该使圆柱体C1、C2和C3安装时的安装误差的影响最小化。此外，小直径圆柱体C1、C2和C3会使得跨阻抗放大器500在配置过程中难于调节。然而，非常大的直径将需要对圆柱体C1、C2和C3中的每个圆柱体施加非常大的电压，当对来自跨阻抗放大器500的输出的电压进行分接时这会有问题。因此，可以根据预期跨阻抗放大器200生成的输出电压电平(这可能取决于跨阻抗放大器500的具体应用)来选择圆柱体的实际直径。典型地，已经发现是反馈电阻器RF的外径大致两倍的圆柱体内径会是有效的。例如，该反馈电阻器可以具有5.5mm的外径，并且圆柱体C1、C2和C3各自可以具有9-13mm(例如11mm)的直径。

[0111] 在跨阻抗放大器500用于执行电流测量之前可以对其进行配置。对于同位素比值质谱法应用，考虑到需要精确地测量相对弱的电流信号，配置过程中的主要品质因数是为了避免输入电流IIN阶跃增加或降低后输出电流VOUT的过冲和下冲，即使这会引起跨阻抗放大器500的信号VOUT的稍微较长的总体上升和下降时间常数。因此，为了使第二时间常数最小化τ2，跨阻抗放大器500的配置会主要集中于对轴向和径向电介质吸收的补偿。

[0112] 例如1pA的可切换测试电流可以作为输入电流IIN施加于跨阻抗放大器500，这样使得输入电流IIN可以从0pA切换至1pA，并且反之亦然。最初，可以使用可变电阻器R3对施加于圆柱体C1的电压进行调节，该圆柱体是离运算放大器IC1的反相端子最近的圆柱体。圆柱体C1支配着电容反馈并且决定整个电路的时间常数的一小部分。R3的范围可以例如被配置成在约0.05至0.15倍于输出电压VOUT的范围中占该输出电压VOUT某一比例并且产生约0.5至1.5秒的时间常数(等于0.32至0.11Hz的带宽)。

[0113] 最初施加于圆柱体C2(该圆柱体是离运算放大器IC1的反相端子第二近的圆柱体)的电压可以例如最初被设置成0.5倍于输出电压VOUT。然后，可以使用可变电阻器R6对施加于圆柱体C2的输出电压VOUT的比例进行调节，该可变电阻器可以被配置成用于施加某一电压，该电压占输出电压VOUT的在0.4至0.6倍于输出电压VOUT的范围内的某一比例。对施加于圆柱体C2的电压的调节对整个电路的时间常数有较小影响并且可以针对输出电压VOUT的零下冲和过冲的优化而被更改。因此，对于同位素比值质谱法应用，对施加于圆柱体C2的电压的调节会是在对跨阻抗放大器500进行配置时进行的最重要的调节。

[0114] 然后，可以通过调节可变电阻器R1对施加于圆柱体C3的输出电压VOUT的比例进行调节，该圆柱体是离运算放大器IC1的输出最近的圆柱体，该可变电阻器可以被配置成用于施加某一电压，该电压占输出电压VOUT的在例如0.6至1倍于输出电压VOUT的范围内的某一比例。输出电压VOUT的此比例可以变化以便对输出电压VOUT的任何残余过冲或下冲进行优化并且增加IIN的电流阶跃的上升时间。

[0115] 如果跨阻抗放大器500没有实现足够快速、没有畸变的稳定时间(例如，在同位素比值质谱法中，小于约六秒的稳定时间，例如，6.5秒、或6秒、或5秒、或4.5秒会是令人期望的)，则可以对施加于圆柱体C2的输出电压VOUT的比例进行进一步的实验调节。

[0116] 可以迭代地对施加于圆柱体C1、C2和C3的电压进行调节。例如，可以迭代地调节施加于圆柱体C1的电压，并且在每次调节后测量跨阻抗放大器500的性能。可以针对圆柱体C2和/或C3进行同一过程。在已经针对圆柱体C1、C2和C3中的至少两个圆柱体设置了电压后，可以对施加于这些圆柱体中的至少一个圆柱体进行进一步的调节，针对这些圆柱体之前已经设置了电压。例如，进行对圆柱体C1、C2和C3的电压调节的迭代重复直至实现所期望的跨阻抗放大器500性能。

[0117] 因为反馈电阻器RF的轴向和径向寄生电容以及轴向和径向电介质吸收都是非线性的，其中位置沿着反馈电阻器RF的长度，所以施加于每个相邻圆柱体的电压之间的差还将沿着反馈电阻器RF的长度变化。也就是说，VOUT和V3(施加于C3的电压)之间的差将不与V3和V2(施加于C2的电压)之间的差相同，和/或V3和V2(施加于C2的电压)之间的差将不与V2和V1(施加于C1的电压)之间的差相同，和/或V2和V1之间的差将不与V1和运算放大器IC1的输入端子处的电压之间的差相同。因此，所施加的电压沿着反馈电阻器RF的长度的分布是非线性的。电压分布的非线性与反馈电阻器RF的非线性相对应，因为电压的分布被安排成用于补偿反馈电阻器RF的非线性。

[0118] 在优化了施加于反馈电阻器RF的圆柱体C1、C2和C3的电压之后，由于超高值电阻器的个体性质及其大的空间非线性，可以不颠倒反馈电阻器RF的取向。

[0119] 在已经对跨阻抗放大器500进行配置后，在跨阻抗放大器500用于测量非常小的输入电流之前，其可以被封装在真空室内。将跨阻抗放大器500封装在真空室保护该跨阻抗放大器免受湿气和随后的α-衰减，该衰减会对跨阻抗放大器的测量准确度造成负面影响。

[0120] 在跨阻抗放大器500已经被封装在真空室内后，该跨阻抗放大器可能不再可以调节电阻器R1、R3和R6中的任何电阻器。然而，在将跨阻抗放大器500安装到真空室内过程中会出现与电阻器R1、R3和R6的最佳调节的偏差，和/或由于温度随时间的变化和/或部件老化。如果在将跨阻抗放大器500安装到真空室内后需要调节，则可以从该真空室外施加补偿电压Vx以便更改施加于第二圆柱体C2的电压。在Vx施加的电压可能是输出电压VOUT的一小部分，例如，该电压可以在0到0.2倍于VOUT之间。对施加于第二圆柱体C2的电压调节的能力在零下冲和过冲优化是重要的同位素比值质谱法应用中会是特别有用的。

[0121] 图7示出了进一步的跨阻抗放大器700，该跨阻抗放大器利用上述包括超高值反馈电阻器RF的电阻器组件510。应注意的是，图7中所示的部件值是仅示例值，并且可以使用其他部件值。跨阻抗放大器700与跨阻抗放大器500非常相似，但包括进一步的运算放大器IC2。进一步的运算放大器IC2可以在相对高的电压(例如，+/-15V)下操作，以便当运算放大器IC1在相对低的电压(例如，+/-1至2V)下操作时进一步放大运算放大器IC1的信号输出，以便使运算放大器IC1的偏置电流最小化。进一步的运算放大器IC2设置有电阻器R10和电容器C1，以便该运算放大器作为非反相积分器操作来抑制可能由于在相对高的电压下操作运算放大器IC2引起的振荡行为。积分器电路起到低通滤波器的作用并且降低高频率的增益，同时避免振荡并且保持直流增益。

[0122] 图8示出了进一步的跨阻抗放大器800，该跨阻抗放大器利用上述包括超高值反馈电阻器RF的电阻器组件510。跨阻抗放大器800是跨阻抗放大器200的简化版本并且包括反馈电阻器RF的简化RC网格网络模型。跨阻抗放大器800的输出处的分压器是简化分压器并且包括可变电阻器R810、R820和R830，这些可变电阻器被配置成用于对施加于反馈电阻器RF的圆柱体C1、C2和C3的电压进行调节。

[0123] 图9示出了使用上述反馈电阻器RF的跨阻抗放大器的输出电压VOUT随时间的衰减曲线图。以2秒/DIV(分压)的刻度在x轴上表示时间，并且以1fA/DIV的刻度在y轴上表示输出电压VOUT(尽管y轴被电子地压缩在从基线开始第5个分压以上，这样使得整个电流信号可以竖直地拟合在该曲线图上)。输入电流IIN最初是1pA，并且在时间t1，关闭该信号。在时间t2，输入信号被关闭后大致四秒，输出电压VOUT衰减至零(即，基线)而没有任何下冲或过冲。本时间段内的电压衰减并且没有任何下冲或过冲在许多不同应用中是令人期望的，例如在同位素比值质谱法中，其中快速跟着第一信号的第二信号必须被测量至高精度，并且可以通过正确地配置反馈电阻器RF来成为可能。

[0124] 应注意的是，图9示出了t1与t2之间两个衰减期。从t1开始的第一平缓衰减由用于测量该信号的电路引起。该第一衰减结束和该第二‘沿(edge)’衰减开始是在测量电子器件的‘限幅器(limiter)’的影响结束的地方。

[0125] 图10示出了图9中的曲线图的特写镜头，演示了输出电压VOUT衰减至基线而没有任何下冲或过冲。x轴和y轴的刻度与图9的相同。再次，在时间t1，在跨阻抗放大器的输入处的1pA信号被关闭，并且在时间t2，其是t1之后的大致四秒，输出电压VOUT已经衰减至基线而没有下冲或过冲。

[0126] 图11示出了使用电阻器组件510的跨阻抗放大器的输出电压VOUT随时间的曲线图，该电阻器组件包括上述反馈电阻器RF。以2秒/DIV的刻度在x轴上表示时间，并且以2pA/DIV的刻度在y轴上表示输出电压VOUT。最初，输入电流IIN从0A切换到1pA，引起VOUT上升。在时间t1，输入电流IIN被关闭，从而引起输出电压VOUT几乎衰减至零(即，基线)。输出电压VOUT在时间t2达到其基线，该时间是t1之后大致四秒，如以上解释的，没有任何下冲或过冲。

[0127] 图12示出了仅使用超高值反馈电阻器而不使用上述电阻器组件510的跨阻抗放大器的输出电压VOUT的示例曲线图。因此，提供了没有取消超高值反馈电阻器中的电介质吸收。以10秒/DIV的刻度在x轴上表示时间，并且以1fA/DIV的刻度在y轴上表示输出电压VOUT。最初，输入电流IIN等于1pA，并且在时间t3，关闭该输入电流。t3之后约四秒，仍然存在残余输出电压，并且甚至在t3之后的十秒，该输出电压仍然是约10mV。对于同位素比值质谱法应用，这是不可接受的，因为同位素引起的小信号将会被在需要测量第二小电流信号之前还没有衰减至零的VOUT掩盖。仅在时间t4，该输出电压已经衰减至基线值，该时间是t1之后超过
50秒。出于此原因，现有技术方法将可以实际用于同位素比值质谱法的反馈电阻器的值限制到1011欧姆。相比之下，本发明允许反馈电阻器的实际使用高达10TΩ或更高，从而提供检测系统的灵敏性急需的提高和信噪比的降低(其提高了测量精度)。

[0128] 因此，在跨阻抗放大器中使用电阻器组件510(具体地当用于同位素比值质谱法)的衰减时间和过冲/下冲优点是非常明显的。

[0129] 本领域的普通技术人员可以认识到上述本披露的方面的各种替代方案。

[0130] 例如，不是通过将高阻抗电阻涂层缠绕在陶瓷圆柱体(或者玻璃圆柱体或任何其他绝缘材料)上并且给那个圆柱体涂覆上密封漆涂层来构造反馈电阻器RF，而是可以使用任何适合于形成超高值电阻器的材料以任何大小和形状构造反馈电阻器RF。在一个示例中，反馈电阻器RF可以根本不设置有密封漆涂层。而是，可以用任何类型的绝缘材料(例如，空气或真空)来包围该电阻元件。圆柱体C1、C2和C3可以同样由任何导电材料制成和被制成任何适用于建立上述补偿电场的大小和形状。例如，它们可以是具有基本上正方形横截面、基本上矩形横截面、基本上三角形横截面、基本上椭圆形横截面等的补偿元件C1、C2和C3。此外，补偿元件C1、C2和C3可以不被安排成用于完全包围着反馈电阻器RF，而是部分地包围着反馈电阻器RF。例如，圆柱体C1、C2和C3可以具有将不完全围住反馈电阻器RF的形状，如‘C’形或‘U’形。

[0131] 此外，不是使用三个圆柱体C1、C2和C3，而是从两个以上的任何数量的导电圆柱体可以被安排成用于包围该电阻器以便校正沿着组成该电阻器的元件的长度的非线性变化。例如，电阻器组件510可以设置有两个、三个、四个或更多个导电圆柱体，每一个圆柱体与其他圆柱体电隔离，这样使得不同的电压可以施加于每个圆柱体，以便沿着反馈电阻器RF的长度建立不同的补偿外部电场。

[0132] 当反馈电阻器RF确实包括漆涂层时，该漆涂层可以被形成至任何适合于保护高阻抗电阻涂层免受机械和/或化学干扰的厚度。

[0133] 导电圆柱体C1、C2和C3可以全部具有相同的径向大小，或者这些导电圆柱体中的一个或多个导电圆柱体可以具有与其他导电圆柱体不同的径向大小。当这些导电圆柱体中的至少一个导电圆柱体具有与其他导电圆柱体的径向大小不同的径向大小时，该导电圆柱体可以或可以不被形成成在径向方向上与其他导电圆柱体中的至少一个导电圆柱体至少部分地重叠。例如，可以有两个导电圆柱体，其中第一较短的圆柱体位于反馈电阻器RF的中心附近，并且半径更大的第二较长的电阻圆柱体被安排成与该第一圆柱体重叠，这样使得该第一和第二圆柱体的纵向沿着中心占据反馈电阻器RF的纵向长度的同一位置或相似位置。第一电压可以施加于该第一圆柱体，“高”电压可以施加于该第二圆柱体的一端，并且“低”电压(例如，接地)可以施加于该第二圆柱体的另一端。

[0134] 导电圆柱体C1、C2和C3可以一起沿着电阻器的整个纵向长度或者仅沿着其长度的一部分包围该电阻器。

[0135] 导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体可以优选地暴露朝着反馈电阻器RF的导电表面。然而，导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体可以替代性地在该圆柱体的导电材料和反馈电阻器RF之间包括至少一个其他表面。例如，可以“掩埋”圆柱体C1、C2和C3中的一个或多个圆柱体的导电材料，其中，形成绝缘材料用于至少部分地覆盖导电材料。

[0136] 当反馈电阻器RF用于跨阻抗放大器中时，像本披露的图5、图7和图8中所示的那些跨阻抗放大器，电压可以源自放大器输出电压并且通过任何手段施加于导电圆柱体C1、C2和C3。从电压源施加被施加于这些导电圆柱体C1、C2和C3的电压。该电压源可以包括一个或多个分压器，这样使得施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的每个导电圆柱体的电压通过一个或多个分压器(如图5、图7和图8中所示)源自放大器输出电压VOUT。因此，该一个或多个分压器可以被认为是用于一个或多个导电圆柱体C1、C2和C3的电压源。

[0137] 此外或可替代地，该电压源可以包括用于得到电压并将电压施加于导电圆柱体C1、C2和C3的任何其他部件。例如，该电压源可以包括数字电路，该数字电路被配置成用于读取放大器的输出电压(例如，通过使输出电压数字化)和根据该读数设置施加于导电圆柱体C1、C2和C3的这些电压中的至少一个电压。在本实现方式中，该数字电路可以进一步包括被调节某一量的压敏电阻器，该量从输出电压的读数中确定，以便对施加于导电圆柱体C1、C2和C3的电压中的至少一个电压进行设置。除了压敏电阻器以外或者作为其替代方案，该数字电路可以包括至少一个放大器、晶体管和/或调压器，其中，至该放大器、晶体管和/或调压器的输入被调节某一量，该量从输出电压的读数中确定，以便对施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体的电压进行设置。除了使用压敏电阻器、放大器、晶体管和/或调压器以外或者作为其替代方案，该数字电路可以包括用于读取放大器的输出的模数转换器(ADC)和用于对通过电压源施加于导电圆柱体C1、C2和C3的中的至少一个导电圆柱体的电压进行控制的数模转换器(DAC)。

[0138] 该电压源可以可选地包括用于将电压施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体的至少一个分压器和上述用于将电压施加于其他导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体的数字电路安排中的至少一个。

[0139] 此外，当该电压源包括用于将电压施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体的至少一个分压器时，该电压源可以包括任何数量的在任何适用于向导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体施加所期望的电压的值下的电阻器。此外，不是使用两个分压器，如图7中所示，而是可以使用任何数量的分压器，例如，可以有单个分压器，从其中获得用于导电圆柱体C1、C2和C3中的至少一个导电圆柱体的电压，或者可以有三个分压器，一个分压器用于导电圆柱体C1、C2和C3中的每个导电圆柱体。还可以有多于三个分压器，例如，当RF具有多于三个导电圆柱体时。

[0140] 分压器(多个)可以被设计成不包括任何可变电阻器。在这种情况下，施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的每个导电圆柱体上的电压会通过外部电压(多个)施加于分压器(多个)上的点(如图5和图7中的电压Vx)而变化。当该电压源包括上述数字电路安排中的至少一个安排时，可以通过使用调节输入来调节该数字电路施加于至少一个导电圆柱体C1、C2和C3的VOUT的比例。该调节输入可以包括该数字电路的电压偏置，该电压偏置可以改变该ADC和/或DAC的操作点和/或施加于压敏电阻器的电压和/或施加于该晶体管的电压和/或施加于该放大器的电压和/或施加于该调压器的电压。此外或可替代地，该调节输入可以包括被配置成用于调节该数字电路的操作的编程接口。以此方式，施加于圆柱体C1、C2和C3中的至少一个圆柱体的电压可以占该放大器的输出电压某一可调节比例(例如，对于放大器的给定的输出电压，可以增加或减小施加于圆柱体C1、C2和C3中的至少一个圆柱体的电压，如将其从0.7VOUT变至0.8VOUT)。

[0141] 该跨阻抗放大器可以被配置成使得电压Vx影响施加于导电圆柱体C1、C2和C3中的一个或多个圆柱体的VOUT的比例。该跨阻抗放大器可以被配置成具有用于对分压器施加外部电压的不止一个端子(即，不止一个Vx)，这样使得施加于不止一个导电圆柱体C1、C2和C3的电压可以与施加于导电圆柱体C1、C2和C3的其他电压相互独立地变化。可替代地，该跨阻抗放大器可以被配置成不具有用于对分压器(多个)施加外部电压的端子(即，可以省略Vx)。

[0142] 使用反馈电阻器RF的跨阻抗放大器不仅仅局限于图5、图7和图8中所示的安排和部件，但可以包括任何适用于设立跨阻抗放大器的部件。例如，不是在跨阻抗放大器中使用一个或多个运算放大器，而是可以使用任何合适的放大器。此外，该跨阻抗放大器可以仅具有单个放大级或多个放大级。此外，该跨阻抗放大器还可以包括附加元件，例如滤波器(多个)和/或积分器(多个)等，这些滤波器和/或积分器可以或者形成为跨阻抗放大器的放大级或任何其他级的一部分或者形成为单独的功能级。

[0143] 可以按任何顺序并且使用任何适用于实现所期望的性能结果的方法实施对施加于导电圆柱体C1、C2和C3的电压的配置。

[0144] 施加于圆柱体C1、C2和C3的电压可以具有任何适用于实现所期望的跨阻抗放大器的性能的大小。例如，虽然上述方面披露了施加于圆柱体C1、C2和C3中的至少一个圆柱体的电压可以落入的输出电压的分数范围(例如，0.4至0.6倍于VOUT)，但这些范围仅仅是通过举例。VOUT的任何绝对电压值或分数可以施加于如技术人员看到安装的圆柱体C1、C2和C3中的任何一个或多个圆柱体以便实现所期望的跨阻抗放大器性能，其条件是电压的幅值沿着反馈电阻器RF的长度非线性地分布以便补偿如之前解释的反馈电阻器RF的非线性。

[0145] 此外，不是将跨阻抗放大器封装在真空室内，跨阻抗放大器可以在没有真空室的情况下操作。

[0146] 在一个替代性安排中，该电阻器组件可以包括两个或更多个耦合在一起(例如，串联)的电阻器来执行反馈电阻器RF的功能。将认识到的是，这两个或更多个电阻器中的每个电阻器将具有之前描述的非线性，并且如此，这些电阻器中的每个电阻器将设置有两个或更多个导电圆柱体C1、C2等，将按照上述将电压施加于这些导电圆柱体，以便补偿这些电阻器中的每个电阻器的非线性。因此，虽然这两个或更多个电阻器耦合在一起以便一起执行反馈电阻器的功能，但在这种安排中，这些电阻器中的每个电阻器本身应被看作是反馈电阻器RF，以便以上述方式补偿这些电阻器中的每个电阻器的非线性。