CN104409311A - 一种用于质谱仪的透镜电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析仪器中的直流可调电源，特别是一种用于电感耦合等离子体质谱分析仪中透镜系统的直流可调电源。所述电源包括：控制电路、电压输出电路、采样电路、供电模块和保护电路；其中，所述控制电路的输入端用于接收上位机的控制指令和与供电模块和保护电路连接；输出端输出控制信号到电压输出电路；电压输出电路的输入端与控制电路的输出端连接，还与供电模块和保护电路连接；输出端连接透镜极片和采样电路；采样电路的输入端还与供电模块和保护电路连接，采样电路的输出端与控制电路的输入端连接。本发明电源稳定性更好，精密度更高，简单方便，可实现计算机自动控制，可方便实现各种类型质谱仪中直流电压的供给和扩展。

Description

一种用于质谱仪的透镜电源

技术领域

本发明涉及一种分析仪器中的直流可调电源，特别是一种用于电感耦合等离子体质谱分析仪中透镜系统的直流可调电源。

背景技术

在质谱分析领域，需要对样品中微量元素的种类的含量进行检测。元素变为离子状态后在质谱仪透镜中的运行轨迹，需要“场”的作用来进行约束和控制，电场是一种易于实现、成本较低、可靠性较高的约束方式。稳定的直流可调电源能够提供稳定的电场，合适的电压值能够控制离子束在真空中的加速与减速、聚焦与发散，从而约束离子飞行的速度和方向。提高离子通过率能够有效提高元素灵敏度，精确控制电场强度也能得到较好的离子分辨率，这都离不开直流可调电源的作用。直流可调电源不但提供低压与高压电场，而且作为负载吸收打在各个电极上的电子与离子。

现有的直流可调电源吸收电子与离子的能力不够强，导致电源稳定性不够好，从而引起电场在透镜空间中的分布不稳定。电源精度不够高，不能精确控制离子在空间中的运动轨迹，因而离子分辨率无法进一步提高。电源的兼容性和可扩展性也较差，设计的电源无法简单地在其它分析仪器上实现移植，仪器改版也很可能需要重新设计电路原理图，这束缚了质谱仪的发展与更新换代。因此，设计一种稳定性好、精密度高、兼容性和扩展性也好，并且带载能力较强的电源非常有利于质谱仪的开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好、精密度高、兼容性和扩展性好，并且带载能力较强的用于质谱仪的透镜电源。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于质谱仪的透镜电源，该电源包括控制电路、至少一个电压输出电路、采样电路、供电模块和保护电路，其中：

所述控制电路有多个输入端和至少一个输出端，第1个输入端用于接收上位机的控制指令，第2个输入端与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，第3个输入端与采样电路的输出端相连；输出端输出控制信号到电压输出电路；

每个电压输出电路有多个输入端和多个输出端，其中，第1个输入端与控制电路的输出端连接，第2个输入端与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护；第1个输出端连接透镜极片，为透镜空间提供电场以控制离子的运行轨迹，第2个输出端连接到采样电路；

采样电路有多个输入端和一个输出端，每个电压输出电路的第2个输出端分别对应连接到采样电路的输入端，采样电路的输入端还与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，采样电路的输出端与控制电路的一个输入端连接，将采集到的小电压信号处理后输出到控制电路；

供电模块提供直流电源，包括低压直流电压和高压直流电源。

所述控制电路包括微处理器、数模转换器、运放跟随器和电容、电阻，其中，微处理器接收控制指令后，经数模转换器将微处理器的数字信号转化为模拟信号，经由运放跟随器连接到电压输出电路的输入端。

所述数模转换器的输出范围是-5～+5V，数模转换精度为1mV。

所述控制电路进一步接收外部触发信号，并且输出同步信号。

所述采样电路包括微处理器、运放隔离器、模数转换器和电容、电阻，其中，电压输出电路输出的电压经电阻分压后，连接到所述运放隔离器，运放隔离器的运放输出连接到所述模数转换器，将模拟信号转化为数字信号输出，再输入到所述微处理器分析。

所述电压输出电路采用高精度的高压运算放大器实现高压输出，或采用高精度的低压运算放大器实现低压输出。

参与运算的电阻为高精密直插电阻或高精密贴片电阻。

控制电路和采样电路使用的微处理器是同一块芯片、或同一类型的不同的芯片、或不同类型的芯片。

当该电源有两个或更多电压输出电路时，各电压输出电路的第1个输出端分别连接不同透镜极片。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提高了直流可调透镜电源的稳定性、精密度、兼容性和扩展性，从而精确控制离子束在电感耦合等离子体质谱分析仪的透镜系统中的运行轨迹，提高离子通过透镜系统的几率，控制离子进入后级结构的参数，进而提高仪器的灵敏度和分辨率等性能参数。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明的第一实施例的用于质谱仪的透镜电源的结构框图；

图2示出根据本发明的第二实施例的用于质谱仪的透镜电源的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的第一实施例中，提供了一种用于质谱仪透镜系统的直流可调电源，其结构框图如图1所示。该电源包括：控制电路101、电压输出电路102、采样电路103、供电模块和保护电路104。所述供电模块和保护电路104提供直流电源。

其中，控制电路101有3个输入端和1个输出端，第1个输入端用于接收上位机的控制指令，第2个输入端与供电模块和保护电路104连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护；输出端输出控制信号到电压输出电路102。

电压输出电路102有2个输入端和2个输出端，第1个输入端与控制电路101的输出端连接，接收控制电路101输出的控制信号，第2个输入端与供电模块和保护电路104连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护；第1个输出端连接透镜极片，为透镜空间提供电场以控制离子的运行轨迹，第2个输出端连接到采样电路103。

采样电路103有2个输入端和1个输出端，第1个输入端连接电路输出电路102的第2个输出端，第2个输入端与供电模块和保护电路104连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，输出端与控制电路101的第3个输入端连接，将采集到的小电压信号处理后输出到控制电路101。

其中，所述控制电路101包括微处理器、数模转换器、运放跟随器和电容、电阻等。微处理器接收控制指令后，经数模转换器将数字信号转化为模拟信号，经由运放跟随器连接到电压输出电路102的输入端。电压输出电路102的高精度的高压运算放大器根据“虚短”、“虚断”的原理，放大输入电压，实现电压放大输出。由于运放工作在深度负反馈状态，输出电压非常稳定。参与运算的电阻使用高精密的直插电阻，也保证了输出与输入之比满足设计的比例关系。电压输出电路102经电阻分压后连接到采样电路103，分压电阻使用阻值较大的高精密电阻串联，保证汲取的电流很小又不会产生较大的误差。控制电路101的运放跟随器接收采样电路103采集的小电压模拟信号。微处理器根据采样电路103的输出值判断电压输出电路102的输出电压是否正确和稳定。根据离子透镜的电压大小对离子轨迹的影响程度，可决定透镜电压的输出范围，由此选择合适的高压运算放大器，以及选择合适的高精密电阻。供电模块和保护电路104是给自身和其它电路模块提供电源和保护的部分，因此与各个电路模块都相连。

采用本发明的第一实施例的用于质谱仪透镜系统的直流可调电源可实现质谱分析仪器中某一路电极的高压供电控制以及分压采集。采用本发明的第二实施例的用于质谱仪透镜系统的直流可调电源可实现质谱分析仪器中一路电极的高压供电控制和分压采集，以及接收外部同步信号实现低压供电控制和分压采集。图2是示出根据本发明的第二实施例的用于质谱仪透镜系统的直流可调电源的结构框图。

如图2所示，根据本发明的第二实施例的用于质谱仪透镜系统的直流可调电源包括：控制电路201、电压输出电路202a、电压输出电路202b、采样电路203、供电模块和保护电路204，所述供电模块和保护电路204提供直流电源。

其中，控制电路201有4个输入端和2个输出端，第1个输入端用于接收上位机的控制指令，第2个输入端用于接收其它仪器电源的同步信号，第3个输入端与供电模块和保护电路204连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，第1个输出端输出第1路控制信号到电压输出电路202a，第2个输出端输出第2路控制信号到电压输出电路202b。

电压输出电路202a有2个输入端和2个输出端，第1个输入端与控制电路201的第1个输出端连接，用于接收控制电路201输出的第1路控制信号，第2个输入端与供电模块和保护电路204连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，第1个输出端连接透镜极片a，为透镜空间提供电场以控制离子的运行轨迹，第2个输出端连接到采样电路203。

电压输出电路202b有2个输入端和2个输出端，第1个输入端与控制电路201的第2个输出端连接，接收控制电路201输出的第2路控制信号，第2个输入端与供电模块和保护电路204连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，第1个输出端连接透镜极片b，为透镜空间提供电场以控制离子的运行轨迹，第2个输出端连接到采样电路203。

采样电路203有3个输入端和1个输出端，第1个输入端连接电路输出电路202a的第2个输出端，第1个输入端连接电路输出电路202b的第2个输出端，第3个输入端与供电模块和保护电路204连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，输出端与控制电路201的第4个输入端连接，将采集到的小电压信号处理后输出到控制电路201。

其中，控制电路201包括微处理器2个、数模转换器、运放跟随器和电容、电阻等。第1个微处理器接收控制指令，经数模转换器将第1路数字信号转化为第1路模拟信号，再连接到电压输出电路202a的输入端。电压输出电路202a使用高精度的高压运算放大器，根据“虚短”、“虚断”的原理，放大输入电压，实现一路高压输出到透镜极片a。由于运放工作在深度负反馈状态，输出电压非常稳定。参与运算的电阻使用高精密的贴片电阻，既减小了电路板面积也保证了输出与输入之比满足设计的比例关系。电压输出电路202a经电阻分压后连接到采样电路203，分压电阻使用阻值较大的高精密电阻串联，保证汲取的电流很小又不会产生较大的误差。控制电路201的运放跟随器接收采样电路203采集的小电压模拟信号。第1个微处理器根据采样电路203的输出值判断电压输出电路202a的输出电压是否正确和稳定。

控制电路201的第2个微处理器接收外部同步信号，保护电路对外部同步信号进行转化和限制，防止其损坏微处理器。第2个微处理器输出经数模转换器将第2路数字信号转化为第2路模拟信号，再连接到电压输出电路202b的输入端。电压输出电路202b使用高精度的低压运算放大器，根据“虚短”、“虚断”的原理，放大输入电压，实现一路低压输出到透镜极片b。由于运放工作在深度负反馈状态，输出电压非常稳定。参与运算的电阻使用高精密的贴片电阻，既减小了电路板面积也保证了输出与输入之比满足设计的比例关系。电压输出电路202b经较少的贴片电阻分压后连接到采样电路203，分压电阻使用阻值合适的高精密电阻串联，保证汲取的电流很小又不会产生较大的误差。控制电路201的运放跟随器接收采样电路203采集的小电压模拟信号。第2个微处理器根据采样电路203的输出值判断电压输出电路202b的输出电压是否正确和稳定。

根据离子透镜的电压大小对离子轨迹的影响程度，可决定透镜电压的输出范围，由此选择合适的低压以及高压运算放大器，以及选择合适的高精密贴片电阻。

供电模块和保护电路204是给自身和其它电路模块提供电源和保护的部分，因此与各个电路模块都相连。

根据本发明的第二实施例的用于质谱仪透镜系统的直流可调电源，不但实现了依据上位机控制指令调节高压输出，而且能够响应外部触发信号，实现与其它仪器或组件电源的同步，输出满足要求的稳定精确的低压。

在本发明的透镜电源中，控制电路通过微处理器能够编程实现输出电压的幅值设置，数模转换器将微处理器的数字信号转化为模拟信号，经由一级运放跟随器后连接到电压输出电路的输入端。数模转换器的输出范围可以但不限于是-5～+5V，数模转换精度可以但不限于1mV。所述控制电路可以接收外部的触发信号，也可以输出同步信号，实现电压输出电路与外部电路的同步。通过微处理器编程，能够与外部触发信号同步控制电压输出电路输出电压的有和无。这可以用于不同类型的质谱仪器的电源的移植和扩展，以满足实验或客户需求。

电压输出电路能稳定输出电压，且能够提高较大的电流。电压输出电路的输出端通过高温耐压导线连接到透镜组件的各个极片上。当离子或电子打到极片上，离子和电子就作为电压输出电路的负载被吸收。由于电压输出电路能够提供较大的电流，而打到极片上的离子和电子相对很少，这样输出的电压值相当稳定，从而保持透镜空间中的电场相对不发生变化，因此离子束的轨迹不会产生很大的变化。电压输出电路可实现多路电压输出，输出路数可以根据透镜的类型和数量进行选择，电压值可以依据离子在透镜系统中的运行轨迹进行调节。

电压输出电路可采用高精度的高压运算放大器实现高压输出，也可采用高精度的低压运算放大器实现低压输出。根据离子透镜的电压大小对离子轨迹的影响程度，可决定透镜电压的输出范围，由此可选择合适的运算放大器。

采样电路包括微处理器、运放隔离器、模数转换器和电容、电阻等，电压输出电路输出的电压经电阻分压采样后，连接到一级运放隔离器，实现电压输出电路和控制电路隔离。运放输出连接到模数转换器，将模拟信号转化为数字信号输出，再进入微处理器进行分析，由此监测输出电压是否正确和满足要求。

供电模块给电压输出电路、控制电路、采样电路和保护电路提供较大电流的直流电源，包括低压直流电压和高压直流电源。保护电路实现各个电路状态的过压、过流、短路保护。它防止电压输出电路的输入端电压过大，也滤去从输出端窜进来的干扰信号。它同样保护供电模块、控制电路、采样电路输入端口和输出端口，滤去干扰以及防止烧毁或高压击穿元器件。

其中，控制电路和采样电路使用的微处理器可以是同一块芯片，也可以使用同一类型不同的芯片或不同类型的芯片。可根据电路板布局、编程控制难易度灵活设计。

参与运算放大器的电阻可以使用高精密的直插电阻，也可以使用高精密度的贴片电阻。可以根据电阻的耐压值与功率、电路板的空间位置和散热情况灵活设计。

Claims (9)

1.一种用于质谱仪的透镜电源，该电源包括控制电路、至少一个电压输出电路、采样电路、供电模块和保护电路，其特征在于：

所述控制电路有多个输入端和至少一个输出端，第1个输入端用于接收上位机的控制指令，第2个输入端与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，第3个输入端与采样电路的输出端相连；输出端输出控制信号到电压输出电路；

每个电压输出电路有多个输入端和多个输出端，其中，第1个输入端与控制电路的输出端连接，第2个输入端与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护；第1个输出端连接透镜极片，为透镜空间提供电场以控制离子的运行轨迹，第2个输出端连接到采样电路；

采样电路有多个输入端和一个输出端，每个电压输出电路的第2个输出端分别对应连接到采样电路的输入端，采样电路的输入端还与供电模块和保护电路连接，用于接收供电模块供电和受保护电路保护，采样电路的输出端与控制电路的一个输入端连接，将采集到的小电压信号处理后输出到控制电路；

供电模块提供直流电源，包括低压直流电压和高压直流电源。

2.根据权利要求1所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

所述控制电路包括微处理器、数模转换器、运放跟随器和电容、电阻，其中，微处理器接收控制指令后，经数模转换器将微处理器的数字信号转化为模拟信号，经由运放跟随器连接到电压输出电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

所述数模转换器的输出范围是-5～+5V，数模转换精度为1mV。

4.根据权利要求2所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

所述控制电路进一步接收外部触发信号，并且输出同步信号。

5.根据权利要求1所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

所述采样电路包括微处理器、运放隔离器、模数转换器和电容、电阻，其中，电压输出电路输出的电压经电阻分压后，连接到所述运放隔离器，运放隔离器的运放输出连接到所述模数转换器，将模拟信号转化为数字信号输出，再输入到所述微处理器分析。

6.根据权利要求1-5之一所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

所述电压输出电路采用高精度的高压运算放大器实现高压输出，或采用高精度的低压运算放大器实现低压输出。

7.根据权利要求6所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

参与运算的电阻为高精密直插电阻或高精密贴片电阻。

8.根据权利要求1-5之一所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

控制电路和采样电路使用的微处理器是同一块芯片、或同一类型的不同的芯片、或不同类型的芯片。

9.根据权利要求1所述的用于质谱仪的透镜电源，其特征在于：

当该电源有两个或更多电压输出电路时，各电压输出电路的第1个输出端分别连接不同透镜极片。