CN105591528A - 一种用于四极杆质谱仪的射频电源 - Google Patents

一种用于四极杆质谱仪的射频电源 Download PDF

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一种用于四极杆质谱仪的射频电源，属于电子仪器技术领域。可控直流电压输出模块101，调频模块102，可控直流电压输出模块103，MCU控制模块104，RF功率放大模块105，RF功率调制模块106，空心变压器107，RF电压采集模块108，四极杆109以及电容C1、C2。优点在于，与传统的用空气可调电容进行调谐的射频电源相比，本发明的射频电源采用频率调谐匹配，拥有更小的体积，更好的可靠性和稳定性，具有更高的自动化水平，带来更佳的仪器易用性和可维护性。

Description

一种用于四极杆质谱仪的射频电源
技术领域
本发明属于电子仪器技术领域，具体涉及一种用于四极杆质谱仪的射频电源。
背景技术
四极杆质谱仪是常用的分析仪器。四极杆及其射频电源是四极杆质谱仪的核心部件。四极杆通常由四个柱状电极按特定的空间分布组成，其中两个电极杆组成一对正极杆，另外两个电极杆组成一对负极杆。工作时，需在正极杆上施加电压V1＝U+Vcos(ωt)，同时在负极杆上施加电压V2＝-(U+Vcos(ωt))，其中U为DC直流电压，V为高频交流电压。通过调整U和V的大小及比例，可以使特定荷质比的离子通过四极杆的中心通道达到检测器，从而实现离子筛选得到质谱数据。为了能够扫描高质量数的离子，DC直流电压U需要达到几百伏特，而高频交流电压V需要达到几千伏特，频率在1MHz到4MHz之间。为了使交流电压V达到几千伏特，四极杆射频电源的输出极通常由空心变压器来驱动，空心变压器和四极杆的极间电容形成了电路上的LC串联谐振。利用谐振，四极杆的正、负极杆间可较容易的达到几千伏的高压。
传统的四极杆电源通常采用晶振作为射频的信号源，其频率固定不变。受限于制造工艺，空心变压器和四极杆形成的LC串联谐振电路的谐振频率不可能恰好在晶振的频率点上，故传统四极杆电源的输出极需要配一个空气可调电容。通过调节空气可调电容，可以使串联谐振电路的谐振频率和晶振的频率匹配上，从而RF功率可以有效地耦合到空心变压器的副边，才能在四极杆上获得高达数千伏的射频电压，实现质谱扫描功能。
由于需要操作带电数千伏的空气可调电容，四极杆电源的使用和维护变得比较复杂，并且空气可调电容内含机械运动部件，其稳定性和可靠性不够高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于四极杆质谱仪的射频电源，解决了使用和维护较复杂、稳定性和可靠性不够高等问题；能驱动四极杆产生用于质谱过滤的四极电场，使得四极杆电源不需要空气可调电容，并可实现自动匹配调谐。
如图1所示本发明包括：可控直流电压输出模块101，调频模块102，可控直流电压输出模块103，MCU控制模块104，RF功率放大模块105，RF功率调制模块106，空心变压器107，RF电压采集模块108，四极杆109以及电容C1、C2。
其中,可控直流电压输出模块101的入端与可控直流电压输出模块103的入端相连，用于接收直流电压设定信号Uset；可控直流电压输出模块101与可控直流电压输出模块103的出端分别与C1、C2以及空心变压器107的两个副边的一对异名端相连；
电容C1、C2，用于辅助直流电压耦合到空心变压器107；
调频模块102的入端与MCU控制模块104的第一出端相连，用于接收频率调节信号；调频模块102的出端与RF功率放大模块105的第一入端相连，输出RF源信号；
MCU控制模块104的通讯端与外部相连，第二出端与RF功率调制模块106的第二入端相连，入端与RF电压采集模块108的出端、RF功率调制模块106的第三入端相连；
MCU控制模块104用于控制调频模块102的输出频率，采集四极杆上的RF电压大小和进行自动匹配调谐；
RF功率放大模块105的第二入端与RF功率调制模块106的出端相连，出端与空心变压器107的初级线圈相连；
RF功率调制模块106的第一入端与外部相连，用于接收RF电压设定信号Vset；
RF功率放大模块105和RF功率调制模块106，用于控制和放大RF功率；
空心变压器107的两个副边的另一对异名端分别与四极杆109的正极杆和负极杆相连；用于耦合正负直流电压和RF功率并输出给四极杆109；
RF电压采集模块108的入端与四极杆109的某一极杆相连；
RF电压采集模块108用于采集RF电压。
其中，可控直流电压输出模块101用于产生四极杆所需的直流正电压；
调频模块102用于产生频率可变的RF源信号；
可控直流电压输出模块103用于产生四极杆所需的直流负电压；
MCU控制模块104用于控制调频模块102的输出频率，采集四极杆上的RF电压大小和进行自动匹配调谐；
RF功率放大模块105和RF功率调制模块106用于控制和放大RF功率；
空心变压器107用于耦合正负直流电压和RF功率并输出给四极杆109；
RF电压采集模块108用于采集RF电压；
电容C1、C2，用于辅助直流电压耦合到空心变压器107。
进一步作为优选的实施方式，可控直流电压输出模块101和可控直流电压输出模块103的放大系数大小相等，极性相反，电压U幅值最高达到550V。
进一步作为优选的实施方式，调频模块102采用直接数字频率合成(DDS)芯片、PWM芯片、定时器芯片、分频器芯片中的一种，输出信号的频率范围1～10MHz。
进一步作为优选的实施方式，空心变压器107是由1个原边和2个副边以对称结构缠绕在固定支架上的中空螺线管，输出的RF电压V最高可达3kV。
进一步作为优选的实施方式，所述RF电压采集模块108由电容和二极管构成，其能将0～3kV的射频电压信号V转换为0～10V的直流电压信号。
进一步作为优选的实施方式，不使用电容或者电感进行匹配调谐，而是使用频率进行自动匹配调谐。
本发明的优点在于，与传统的用空气可调电容进行调谐的射频电源相比，本发明的射频电源采用频率调谐匹配，不需要空气可调电容进行匹配调谐，拥有更小的体积，提高仪器的的可靠性和稳定性，并且这种射频电源可实现频率自动匹配调谐，拥有更高的自动化水平和更佳的仪器易用性和可维护性。
附图说明
图1示出本发明给出的用于四极杆质谱仪的射频电源的结构框图。
具体实施方式
参照图1所示，一种用于四极杆质谱仪的射频电源包括：可控直流电压输出模块101，调频模块102，可控直流电压输出模块103，MCU控制模块104，RF功率放大模块105，RF功率调制模块106，空心变压器107，RF电压采集模块108，四极杆109以及电容C1、C2。
四极杆109由四个柱状电极组成，其中两个极杆组成一对正极杆，另外两个极杆组成一对负极杆。正极杆与空心变压器107的一个副边的一端相连，这个副边的另一端与电容C1相连。负极杆与空心变压器107的另一副边的一端相连，此副边的另一端与电容C2相连。与C1，C2相连的端互为异名端。
可控直流电压输出模块101通常采用直流放大电路。其主要功能是将控制信号Uset放大成U，为四极杆109的正极杆提供正向直流电压U。可控直流电压输出模块101有两个端口，其中一个端口用于接收控制信号Uset，另一个端口输出电压信号U到空心变压器107的1个副边，并与电容C1相连接。电容C1将直流电压信号U耦合到空心变压器107的副边中，同时为副边的RF电流提供通路。
可控直流电压输出模块103通常采用直流放大电路。其主要功能是将控制信号Uset放大成-U，为四极杆109的负极杆提供负向直流电压-U。可控直流电压输出模块103有两个端口，其中一个端口用于接收控制信号Uset，另一个端口输出电压信号-U到空心变压器107的一个副边，并与电容C2相连接，与C1和C2连接的端互为异名端。电容C2将直流电压信号-U耦合到空心变压器107的副边中，同时为副边的RF电流提供通路。
调频模块102可以采用直接数字频率合成(DDS)芯片、PWM芯片、定时器芯片或分频器芯片。其输出信号的频率范围覆盖1MHz～10MHz。调频模块102有两个端口，其中一个端口用于接收来自MCU控制模块104的频率设置信号，另一端口输出一定频率的源信号给RF功率放大模块105。
RF功率放大模块105为由MOS管构成的增益可调的放大电路，其频带覆盖1MHz～10MHz范围。其主要功能是将来自调频模块102的源信号进行放大，然后输出给空心变压器107。RF功率放大模块105有三个端口，其中一个端口接收来自调频模块102的源信号，另一个端口接收RF功率调制模块106的调制信号，功率放大倍数会随着调制信号的变化而变化，第3个端口用于输出RF功率到空心变压器107的原边。
MCU控制模块104可采用单片机芯片、ARM芯片、可编程逻辑器件(CPLD)芯片或现场可编程门阵列(FPGA)芯片，并包含模数转换(ADC)功能。MCU控制模块104有三个端口，其中一个端口是通讯端口，第二个端口是AD采集端口，与RF电压采集模块108相连，第三个端口与RF功率调制模块106相连，输出匹配调谐信号Tune给RF功率调制模块106。
RF功率调制模块106有四个端口，第一个端口与MCU控制模块104相连，用于接收匹配调谐信号Tune；第二个端口与外部相连，用于接收外部RF电压设置信号Vset；第三个端口与RF电压采集模块108相连，用于接收RF电压信号；第四个端口与RF功率放大模块相连，用于输出调制信号。
空心变压器107是由一个原边和两个副边以对称结构缠绕在固定支架上的中空螺线管。其原边主要功能是接收RF射频功率。两个副边的一对异名端分别接电容C1、C2，另一对异名端分别接四极杆109的正极杆和负极杆。两个副边和四极杆109极间等效电容C共同组成了串联谐振电路。其中，等效电容C通常约几十pF，而C1、C2都是约几nF，远比C大，所以C1，C2对串联谐振的频率影响很小，只是起到提供交流回路和直流耦合的作用。
RF电压采集模块108由电容和二极管构成，电容可以采样出RF电流并配合二极管进行整流滤波。RF电压采集模块108能将0～3kV的射频电压信号V转换为0～10V的直流电压信号。
射频电源平时工作在普通工作模式之下，此时四极杆上的直流电压U和射频电压V可以分别通过外部Uset和Vset进行设定，从而可以进行质谱扫描。
为了使射频电源能在普通工作模式下正常工作，射频电源必须经过匹配调谐，从而射频功率可以有效地传输给四极杆。传统的射频电源通过调节调谐电容进行匹配调谐，本发明提供的射频电源通过调节射频频率进行匹配调谐。MCU控制模块104在接收到自动匹配调谐命令后，可以自动扫描频率并采集RF电压，得到RF电压和频率之间的关系，从而选择能使RF电压最大的频率作为平时的工作频率，最终实现自动匹配调谐。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种用于四极杆质谱仪的射频电源，能驱动四极杆产生用于质谱过滤的四极电场，其特征在于，包括：可控直流电压输出模块(101)、调频模块(102)、可控直流电压输出模块(103)、MCU控制模块(104)、RF功率放大模块(105)、RF功率调制模块(106)、空心变压器(107)、RF电压采集模块(108)、四极杆(109)以及电容C1、C2；
其中,可控直流电压输出模块(101)的入端与可控直流电压输出模块(103)的入端相连，用于接收直流电压设定信号Uset；可控直流电压输出模块(101)与可控直流电压输出模块(103)的出端分别与C1、C2以及空心变压器(107)的两个副边的一对异名端相连；
电容C1、C2，用于辅助直流电压耦合到空心变压器(107)；
所述调频模块(102)的入端与MCU控制模块(104)的第一出端相连，用于接收频率调节信号；调频模块(102)的出端与RF功率放大模块(105)的第一入端相连，输出RF源信号；
所述MCU控制模块(104)的通讯端与外部相连，第二出端与RF功率调制模块(106)的第二入端相连，入端与RF电压采集模块(108)的出端、RF功率调制模块(106)的第三入端相连；
MCU控制模块(104)用于控制调频模块(102)的输出频率，采集四极杆上的RF电压大小和进行自动匹配调谐；
所述RF功率放大模块(105)的第二入端与RF功率调制模块(106)的出端相连，出端与空心变压器(107)的初级线圈相连；
所述RF功率调制模块(106)的第一入端与外部相连，用于接收RF电压设定信号Vset；
RF功率放大模块(105)和RF功率调制模块(106)，用于控制和放大RF功率；
所述空心变压器(107)的两个副边的另一对异名端分别与四极杆(109)的正极杆和负极杆相连；用于耦合正负直流电压和RF功率并输出给四极杆(109)；
所述RF电压采集模块(108)的入端与四极杆(109)的某一极杆相连；
RF电压采集模块(108)用于采集RF电压。
2.如权利要求1所述的用于四极杆质谱仪的射频电源，其特征在于：可控直流电压输出模块(101)和可控直流电压输出模块(103)的放大系数大小相等，极性相反，电压U幅值最高达到550V。
3.如权利要求1所述的用于四极杆质谱仪的射频电源，其特征在于：所述调频模块(102)采用直接数字频率合成DDS芯片、PWM芯片、定时器芯片、分频器芯片中的一种，输出信号的频率范围1～10MHz。
4.如权利要求1所述的用于四极杆质谱仪的射频电源，其特征在于：所述空心变压器(107)是由1个原边和2个副边以对称结构缠绕在固定支架上的中空螺线管，能输出的RF电压V最高达3kV。
5.如权利要求1所述的用于四极杆质谱仪的射频电源，其特征在于：所述RF电压采集模块(108)由电容和二极管构成，其能将0～3kV的射频电压信号V转换为0～10V的直流电压信号。
6.如权利要求1所述的用于四极杆质谱仪的射频电源，其特征在于，使用MCU控制模块(104)和调频模块(102)进行频率自动匹配调谐。
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