CN101840836A - 一种用于质谱仪的射频电源 - Google Patents

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方向
熊行创
黄泽建
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Abstract

本发明涉及一种用于质谱仪的射频电源，包括：射频信号产生装置，用于产生占空比可调的射频信号；功率放大器，用于放大所述射频信号的功率；谐振电路，用于在射频信号与谐振电路发生谐振时为谐振电路的驱动对象提供射频电压。本发明提供的射频电源相对传统的射频电源，省去了模拟乘法器电路、模拟/数字转换电路甚至是复杂的线性放大电路，从而能减小射频电源的体积和功耗并降低成本。

Description

一种用于质谱仪的射频电源
技术领域
本发明涉及电子仪器领域，尤其涉及一种用于质谱仪的射频电源(RadioFrequency Power)。
背景技术
射频电源是四极杆质量分析器、四极离子阱质量分析器或射频离子导引的驱动电源。目前，使用较广泛的是幅度可调的单频率射频电源，频率一般在几百KHz到几MHz之间，幅度峰峰值可到15KV，其结构如图1所示，包括三部分：射频小信号11，功率放大器12，谐振电路13。14是射频电源驱动的对象，在谐振电路13中等效为一个电容，一般设置11的频率等于13的谐振频率，使得在相同驱动功率下，14上的射频高压获得最大的幅值。此射频高压的幅度大小影响质量范围、灵敏度指标，其幅度控制是一项重要功能，现有的幅度控制方式有两种：一是将幅度固定的单频率信号和直流调制电压通过模拟乘法器芯片相乘输出幅度调制好的模拟调制信号；或者用现场可编程门阵列(FPGA)芯片产生幅度调制好的数字调制信号，再通过高速模拟/数字转换器(DAC)输出模拟调制信号。模拟调制信号通过线性功率放大器放大功率，然后驱动谐振电路，输出射频高压。这些用于射频电源的幅度调制、功率放大的方法和电路已经成功应用在了商业的和实验室的质谱仪中，技术较成熟，但由于元器件较多，难以进一步减小功耗和体积。
发明内容
为了解决上述的技术问题，提供了一种用于质谱仪的射频电源，其目的在于，提供一种结构简单、低功耗、小体积和低成本的射频电源，用于驱动四极杆质量分析器、四极离子阱质量分析器或射频离子导引。
本发明提供了一种用于质谱仪的射频电源，包括：
射频信号产生装置，用于产生占空比可调的射频信号；
功率放大器，用于放大所述射频信号的功率；
谐振电路，用于在射频信号与谐振电路发生谐振时为谐振电路的驱动对象提供射频电压。
射频信号为方波信号。
射频信号产生装置为FPGA、专用芯片或信号发生器。
功率放大器为开关放大器。
开关放大器为MOS管、三极管或数字集成驱动器件。
驱动对象为四极杆、四极离子阱或射频离子导引。
谐振电路由变压器和驱动对象组成。
由于占空比可调的信号很容易产生，同时功率放大器可以工作在开关状态，本发明提供的射频电源相对传统的射频电源，省去了模拟乘法器电路、模拟/数字转换(DAC)电路甚至是复杂的线性放大电路，从而能减小射频电源的体积和功耗并降低成本。
附图说明
图1为现有技术中射频电源的一般结构；
图2为本发明给出的射频电源结构示意图；
图3为FPGA产生可变占空比的方波，通过数字集成电路驱动芯片EL7158驱动变压器、离子导引或质量分析器的示意图；
图4为信号发生器产生可变占空比的方波，通过单管驱动变压器、离子导引或质量分析器的电路图。
具体实施方式
本发明提供的射频电源由射频小信号(占空比可调)、功率放大器和谐振电路组成。质谱仪的质量分析器或离子导引位于谐振电路中，等效为谐振电路中的一部分电容；在射频小信号和功率放大器的作用下，谐振电路产生射频高压，施加在质量分析器或离子导引上。通过改变射频小信号的占空比，来改变射频高压的幅度，从而实现质量分析器的离子质荷比分析功能或离子导引的离子传输功能。
本发明提出的射频电源，组成结构原理如图2所示，其中21是占空比可调的射频信号，可由数字电路或可调占空比信号的专用芯片产生，22是功率放大器，23是谐振电路，24是射频电源驱动对象。基频不变而占空比可调的射频小信号，可以是方波或方波和其它波形的乘积，可以通过FPGA、专用芯片或信号发生器等产生。虽然射频小信号不是正弦波，但由于谐振的特性，所述射频高压仍是单频率的正弦波。功率放大器除了可以通过线性放大电路来实现，更特别的是，还可以用开关式的功率放大电器来实现，例如单个MOS管或三极管或输出功率足够的数字集成电路驱动器件来实现。占空比可调的射频小信号、开关式的功率放大器，必须和谐振电路配合使用，如果射频小信号频率不在谐振电路的谐振区，那么将损失大部分功率，而驱动对象上只能获得较小的幅度，甚至波形发生畸变，不能有效实现质量分析器和离子导引的功能。
实验结果表明，本发明提供的的射频电源，驱动和幅度控制电路结构简单，能驱动四极杆、四极离子阱或射频离子导引，也能用于其它仪器。
利用方波通过数字集成电路驱动芯片实现射频高压的实现方案如图3所示。FPGA芯片31产生占空比可变的方波，通过EL7158型数字集成电路驱动芯片32进行功率放大，EL7158的电源为5V，输出电流可达500mA；变压器线圈33和离子阱34组成谐振电路。用100MHz的高压探棒和示波器测量离子阱上的电压V1，当方波频率为1.412Mhz时，在相同的占空比情况下，V1的峰峰值最大，说明此谐振电路的谐振频率约1.412MHz。当方波的占空比小于50％时，V1的峰峰值随着占空比增大而增大；当占空比大于50％时，V1的峰峰值随着占空比增大而减小。因此，如果在FPGA中动态变化占空比，即可实现V1的幅度扫描，从而实现离子阱的射频电压扫描。
利用方波通过单片MOS管实现射频高压的方案如图4所示。信号发生器产生占空比可变的方波41，控制单片MOSFET器件42，42工作在开关模式，变压器44的初级线圈作为42的负载，电阻43可以用于限流和电流监测。用100MHz的高压探棒和示波器测量四极杆上的电压V2，当方波频率为965Khz时，在相同的占空比情况下，V1的峰峰值最大，说明此谐振电路的谐振频率约965KHz。方波41的占空比小于50％时，V2随着41的占空比的增大而增大。因此，如果扫描41的占空比，即可实现V2的幅度扫描，从而实现四极杆的射频电压扫描。还可以利用数字集成器件作为开关放大器。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (7)

1.一种用于质谱仪的射频电源，其特征在于，包括：
射频信号产生装置，用于产生占空比可调的射频信号；
功率放大器，用于放大所述射频信号的功率；
谐振电路，用于在射频信号与谐振电路发生谐振时为谐振电路的驱动对象提供射频电压。
2.如权利要求1所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，射频信号为方波信号。
3.如权利要求2所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，射频信号产生装置为FPGA、专用芯片或信号发生器。
4.如权利要求1所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，功率放大器为开关放大器。
5.如权利要求4所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，开关放大器为MOS管、三极管或数字集成驱动器件。
6.如权利要求1所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，驱动对象为四极杆、四极离子阱或射频离子导引。
7.如权利要求6所述的用于质谱仪的射频电源，其特征在于，谐振电路由变压器和驱动对象组成。
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