CN106463333B - 高频电压发生装置 - Google Patents

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Abstract

一种高频电压发生装置，其从直流电压生成高频电压并施加到负载，具备：第1直流电源(11)，其生成第1直流电压；第2直流电源(12)，其生成与第1直流电压不同的值的第2直流电压；过渡交流电压发生电路(13)，其生成周期比高频电压的周期短、并且电压值在第1直流电压与第2直流电压之间振动的过渡交流电压；施加电压切换部(14)，其以如下方式切换对负载的施加电压：在高频电压的一个周期期间，按第1直流电压、过渡交流电压、第2直流电压、过渡交流电压的顺序切换电压，并将刚刚施加的直流电压的值作为初始值而使过渡交流电压振动1.5以上的半整数次。通过在进行第1直流电压与第2直流电压的切换的期间施加过渡交流电压，与利用矩形波的以往的高频电压发生装置相比，能够更加缓和地进行电压的切换，由此，能够抑制噪声的产生和电力的损失。

Description

高频电压发生装置
技术领域
本发明涉及从直流电压生成高频电压并施加到负载的高频电压发生装置。该高频电压发生装置能够适当地用于在质谱分析装置中对离子进行聚焦、传输、过滤等控制的离子导向器、离子阱等带电粒子控制装置。
背景技术
在质谱分析装置中使用的带电粒子控制装置中，为了控制离子的运动，使用在空间上、时间上进行了调制的高频电场(参照专利文献1)。
例如，在以环绕离子光轴的方式配置有n根(n为偶数)杆电极的离子导向器中，以在相邻的杆电极彼此之间极性相反的方式施加振幅为V、频率为Ω的高频电压VRF，从而在离子导向器内形成由高频电场产生的虚拟电势Vp(R)。此处，R是从离子光轴起的径向的距离。利用离子导向器的内切圆半径r、离子的质量m以及离子的电荷q，将该虚拟电势Vp(R)表示为：
Vp(R)＝{qn2/(4mΩ2)}·(V/r)2·(R/r)2(n-1)。
根据该式，能够进行如下说明。
当使离子导向器的内切圆半径r、高频电压VRF的振幅V、高频电压VRF的频率Ω中的某一个或者多个变化时，虚拟电势Vp(R)变化。因此，当使虚拟电势Vp(R)沿着离子光轴变化时，能够形成虚拟电势Vp(R)的梯度，通过梯度而产生力，从而传输离子。
但是，在如杆电极那样沿着离子光轴连续存在离子导向器的情况下，难以通过使高频电压VRF的振幅V、频率Ω变化这样的电气方法来使虚拟电势变化，需要使离子导向器的内切圆半径r等离子导向器的构造变化。但是，在使用时无法使离子导向器的构造变化，无法自由地控制离子。
另一方面，为了通过振幅V、频率Ω等的电气方法来使虚拟电势变化，代替使用1根杆电极而使用在离子光轴的方向上排列有分离的电极的部件，对这些电极中的每个电极施加振幅V、频率Ω不同的高频电压VRF即可。但是，为了在模拟(正弦波)的高频中控制振幅V、频率Ω等，必须使用复杂的装置，在离子导向器中难以实用化。
因此，为了对离子导向器的电极施加高频电压、并且进行控制使所施加的高频电压的振幅沿着离子光轴方向变化，使用通过高速进行直流电压的接通/断开或者正/负的切换而生成(虚拟的)高频电压这样的、利用矩形波的数字式的高频电压发生装置。在典型的数字式的高频电压发生装置中，进行使直流电压的正/负交替地重复(图9的(a))的切换操作，但在专利文献2中，记载了在将直流电压从正到负以及从负到正地进行切换时，在一定时间内将直流电压设为0、即在高频的一个周期期间中按0→+V0→0→-V0→0的顺序切换直流电压(图9的(b))。此处，通过使将直流电压维持于+V0和-V0的时间tv以及将直流电压维持于0的时间t0之比变化，无需使周期和直流电压的大小变化，就能够使高频电压的有效振幅V变化。
图9的(b)所示的电压的切换通过例如图10所示的电路90来实现。该电路90中的电容器C对应于离子导向器中的一个电极对。电容器C的一个端子接地，另一个端子与经由第1开关S1的电位+V0的第1电源E1以及经由第2开关S2的电位-V0的第2电源E2并联连接。在电容器C的两端，将串联连接了的电阻R以及第0开关S0并联连接到电容器C。
以如下方式进行电路90中的电压的切换。在使并联连接于电容器C(电极对)的第0开关S0断开的状态下，使第2开关S2断开并将第1开关S1导通，从而在电容器C(电极对)之间施加电压+V0(图11的(a))。接下来，通过使第1开关S1断开并将第0开关S0导通，电容器C(电极对)之间的电压变为0(图11的(b))。接下来，通过使第0开关S0断开并将第2开关S2导通，在电容器C(电极对)之间施加电压-V0(图11的(c))。进而，通过使第2开关S2断开并将第0开关S0导通，电容器C(电极对)之间的电压变为0(图11的(d))。通过以上操作，进行作为高频电压的一个周期的、0→+V0→0→-V0→0这样的电压切换。并且，仅通过使将第0开关S0导通的时间(将直流电压维持于0的时间)t0与将第1开关S1或者第2开关S2导通的时间(将直流电压维持于+V0或者-V0的时间)tv之比变化，能够控制高频电压的有效振幅V。该电路与使用模拟(正弦波)的高频的情况相比较简单，能够容易地进行实用化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-175982号公报
专利文献2：国际公开WO2012/150351号
发明内容
发明要解决的技术问题
在这些以往的数字式的高频电压发生装置中，波形为矩形，在切换直流电压时使电压急剧地变化，所以产生电噪声。另外，在上述电路90中，在使电压从±V0变化到0时，在电容器C中蓄积的电荷流过电阻R，因此消耗电力。
本发明想要解决的课题在于，提供一种能够抑制噪声的产生以及电力的消耗的高频电压发生装置。
解决技术问题的技术手段
为了解决上述课题而完成的本发明涉及一种高频电压发生装置，其从直流电压生成高频电压并施加到负载，上述高频电压发生装置的特征在于，具备：
a)第1直流电压发生部，其生成第1直流电压；
b)第2直流电压发生部，其生成与上述第1直流电压不同的值的第2直流电压；
c)过渡交流电压发生部，其以上述第1直流电压或者上述第2直流电压作为初始值而激发过渡交流电压，该过渡交流电压的周期比上述高频电压的周期短，并且将该第1直流电压和该第2直流电压中的一方设为最大值，将另一方设为最小值；以及
d)施加电压切换部，其以如下方式切换对该负载的施加电压，即：在上述高频电压的一个周期期间，按上述第1直流电压、将该第1直流电压作为上述初始值的上述过渡交流电压、上述第2直流电压、将该第2直流电压作为上述初始值的上述过渡交流电压的顺序切换电压，使得该过渡交流电压的期间分别是该过渡交流电压的周期的1.5以上的半整数倍、并且比该高频电压的半周期短。
在本发明的高频电压发生装置中，基本上通过将第1直流电压和第2直流电压交替地施加到负载来生成(虚拟的)高频电压，但当在第1直流电压与第2直流电压之间进行电压的切换时，对负载施加将上述第1直流电压和上述第2直流电压中的一方设为最大值、将另一方设为最小值的过渡交流电压。使该过渡交流电压以刚刚施加到负载的直流电压作为初始值而振动1.5以上的半整数次、即在振动1次以上之后再进行半次振动，从而在施加过渡交流电压的前后，从第1直流电压切换向第2直流电压，或者从第2直流电压切换到第1直流电压。通过这样经过过渡交流电压，与利用矩形波的以往的高频电压发生装置相比，能够更缓和地进行直流电压的切换，所以能够抑制噪声的产生。另外，在通过过渡交流电压而在第1直流电压和第2直流电压之间进行切换的期间，不需要使用引起电力损失的电阻。
本发明的高频电压发生装置能够具备有效振幅变更部，该有效振幅变更部变更施加上述第1直流电压和上述第2直流电压的时间与施加上述过渡交流电压的时间之比。如果使施加第1直流电压和第2直流电压的时间变长，则高频电压的有效振幅变大，如果使该时间变短，则该振幅变小。仅通过这样变更上述时间之比，能够容易地控制高频电压的有效振幅。此处，由于过渡交流电压的期间是该过渡交流电压的周期的(n+0.5)倍(n为自然数)，所以能够通过变更该n的值来进行上述比的变更。
另外，本发明的高频电压发生装置能够具备高频电压频率变更部，该高频电压频率变更部变更施加上述第1直流电压和上述第2直流电压的时间以及施加上述过渡交流电压的时间中的某一方或者双方。由此，仅通过变更这些时间，能够容易地变更高频电压的频率。
关于过渡交流电压发生部，能够适当地使用如下部件，该部件是将电感器与电容器串联连接而成的LC电路，具备对该LC电路进行开闭的LC电路开闭部以及对该电容器选择性地施加第1直流电压和第2直流电压的直流电压选择施加部。在具有这样的构成的过渡交流电压发生部中，在施加电压切换部从第1直流电压和第2直流电压中的一方的直流电压切换成过渡交流电压时，在LC电路开闭部使LC电路断开的基础上，直流电压选择施加部将该一方的直流电压施加到电容器，之后，在直流电压选择施加部结束该一方的直流电压的施加的基础上，LC电路开闭部将LC电路导通。由此，在该电容器的两端产生将该一方的直流电压、即刚刚施加的直流电压作为初始值的交流电压。因此，将该电容器的两端的电压作为施加到负载的过渡交流电压来输出即可。此处，如果负载是构成电容器的负载，则将负载自身设为该LC电路的电容器即可。
本发明的高频电压发生装置能够适当地用于对在质谱分析装置中使用的带电粒子控制装置供给高频电压。例如，在上述离子导向器中，为了供给对电极施加的高频电压VRF，能够使用该高频电压发生装置。特别是，具备上述有效振幅变更部的高频电压发生装置通过变更高频电压VRF的振幅，能够容易地控制离子导向器内的虚拟电势Vp(R)，在这一点上能够适当地使用。如上所述，在沿着离子光轴使振幅V变化的情况下，针对在离子光轴的方向上排列有多个的电极中的每个电极，使用不同的高频电压发生装置，从各高频电压发生装置以不同的振幅对电极施加高频电压即可。
此外，如果使用本发明的高频电压发生装置来对带电粒子控制装置供给高频电压，则在设为目标的高频电压的波形中包括过渡交流电压的波形。但是，如果使过渡交流电压的频率充分提高，则带电粒子不再追随从过渡交流电压受到的力的时间变化，所以，过渡交流电压不会对带电粒子的控制造成影响。另外，通过使用截止频率比高频电压的频率Ω高并且比过渡交流电压的频率ω低的高频滤波器，也能够排除过渡交流电压的影响。
本发明的高频电压发生装置还能够用于带电粒子控制装置以外的装置。例如，在对直流电压的值进行变换的DC-DC转换器中，将第1直流电压设为变换前的直流电压、将第2直流电压设为0，在通过本发明的高频电压发生装置生成电压在变换前的直流电压和0之间振动的高频电流之后，将该高频电流整流成直流，从而输出具有与变换前不同的电压的直流电流。此处，通过使用具备有效振幅变更部的高频电压发生装置来变更高频电压的振幅，能够控制输出侧的直流电压。
发明效果
根据本发明的高频电压发生装置，通过在进行第1直流电压与第2直流电压的切换的期间施加过渡交流电压，与利用矩形波的以往的高频电压发生装置相比，能够更加缓和地进行电压的切换，由此，能够抑制噪声的产生。另外，在通过过渡交流电压而在第1直流电压与第2直流电压之间进行切换的期间，不需要使用引起电力损失的电阻。
附图说明
图1是示出本发明的高频电压发生装置的一个实施例中的电路的图。
图2是示出用于在本实施例的高频电压发生装置中设定为初始状态的操作的图。
图3是示出在本实施例的高频电压发生装置中对负载(电容器)施加高频电压的操作的图。
图4是示出通过本实施例的高频电压发生装置生成的高频电压的波形的图表。
图5是示出高频电压的波形的局部放大图。
图6是示出在本实施例的高频电压发生装置中控制对电容器C施加的高频电压的有效大小的方法的图表。
图7是示出在本实施例的高频电压发生装置中控制对电容器C施加的高频电压的频率的方法的图表。
图8是将本实施例的高频电压发生装置用作电源的离子导向器的一个例子，(a)是示出与离子光轴平行的一个剖面的图，(b)是示出与离子光轴垂直的一个剖面的图。
图9是示出通过以往的高频电压发生装置生成的电压的波形的图表。
图10是以往的高频电压发生装置中的电路的一个例子。
图11是示出以往的高频电压发生装置中的电路的工作的说明图。
具体实施方式
使用图1～图8来说明本发明的高频电压发生装置的实施例。
实施例
本实施例的高频电压发生装置10具有图1所示的电路。该高频电压发生装置10对在质谱分析装置中使用的离子导向器供给高频电压，上述电路中的电容器C相当于离子导向器的一个电极对。
高频电压发生装置10具有第1直流电源11、第2直流电源12、过渡交流电压发生电路13以及施加电压切换部14。第1直流电源11对应于上述第1直流电压发生部，第2直流电源12对应于第2直流电压发生部，过渡交流电压发生电路13对应于上述过渡交流电压发生部。
电容器C(电极对)的一个端子接地，另一个端子与经由第1开关S1的电位+V0的第1直流电源11以及经由第2开关S2的、电位-V0的第2直流电源12并联连接。
在电容器C(电极对)的两端，将串联连接了的线圈L和第0开关S0并联连接到电容器C(电极对)。由此，形成具有线圈L以及电容器C(电极对)的LC电路。在本实施例中，将该LC电路称为过渡交流电压发生电路13。以下，与由高频电压发生装置10生成的高频电压的频率Ω相区分，将过渡交流电压发生电路13的共振频率记为ω。将线圈L的电感设定为使得过渡交流电压发生电路13的共振频率ω充分大于高频电压的频率Ω(例如10倍以上)。施加电压切换部14具有第0开关S0、第1开关S1和第2开关S2以及控制这3个开关的断开/导通的控制部141。
使用图2～图5，说明本实施例的高频电压发生装置10的工作。
首先，在对电容器C(电极对)施加高频电压之前，以如下方式施加正的直流电压+V0。从第0开关S0、第1开关S1、第2开关S2均断开的状态起，控制部141将规定的控制信号发送到第1开关S1，从而将第1开关S1导通(图2的(1))。通过该操作，电容器C(电极对)的电压上升至+V0(在图4中附加符号(1)而示出的期间。以下，简记为“图4的(1)”等。)。此外，图2和图3中的粗虚线表示从控制部141对开关(第0开关S0、第1开关S1、第2开关S2)发送了断开或者导通的控制信号。以下，关于由控制部141进行的控制信号的发送，省略记载，仅记载各开关的断开或者导通的操作。
其后，通过使第1开关S1断开(图2的(2))，维持对电容器C(电极对)施加正的直流电压+V0的初始状态(图4的(2))。
从该状态起，开始高频电压的施加。
首先，将第0开关S0导通(图3的(a))。由此，在LC电路内流过共振电流，对电容器C(电极对)施加初始值和最大值为+V0、最小值为-V0、频率为ω的过渡交流电压(图4的(a))。按照半整数次(其中，1.5次以上)、即在振动1次以上之后再进行半次振动的时间(以下，设为“过渡交流电压施加时间”)来施加该过渡交流电压。在预先求出频率ω的基础上，根据控制部141具有的CPU的时钟频率来控制该时间即可。或者，也可以在LC电路中设置检测电压的振动的频率计数器，根据其计数数来确定结束过渡交流电压的施加的时机。
通过过渡交流电压振动半整数次(其中，1.5次以上)，在经过了过渡交流电压施加时间时，对电容器C(电极对)施加的电压在理论上为即将施加过渡交流电压之前的电压+V0反转而成的电压-V0。但是，在LC电路中存在内部电阻，所以实际上如图5所示，对电容器C(电极对)施加的电压衰减，变成绝对值稍微小于-V0的-(V0-δ)。此外，在图5中，为了方便说明，显示的衰减度比实际情形大。因此，在经过了过渡交流电压施加时间时，使第0开关S0断开，并且将第2开关S2导通(图3的(b))。由此，提高对电容器C(电极对)施加的直流电压的绝对值，将该直流电压设为-V0(图4和图5的(b))。
接下来，使第2开关S2断开(图3的(c))，将该状态维持规定时间(以下，设为“直流电压维持时间”)内(图4的(c))。此处，将规定时间设定为使得该规定时间、过渡交流电压施加时间(图4的(a))和施加负的直流电压-V0的时间(图4的(b))的合计为高频电压的半周期量。直流电压维持时间根据控制部141的CPU的时钟频率来控制。
在经过直流电压维持时间后，将第0开关S0导通(图3的(d))，从而在LC电路内再次流过共振电流，对电容器C(电极对)施加初始值和最小值为-V0、最大值为+V0、频率为ω的过渡交流电压(图4的(d))。然后，通过按过渡交流电压施加时间施加该过渡交流电压，使对电容器C(电极对)施加的电压从-V0反转成+V0(严格来说，+(V0-δ))。
其后，通过使第0开关S0断开并且将第1开关S1导通(图3的(e))，将对电容器C(电极对)施加的直流电压调整成+V0(图4的(e))。然后，使第1开关S1断开(图3的(f))，按直流电压维持时间维持该状态(图4的(f))。
通过至此为止的操作，对电容器C(电极对)施加了一个周期量的高频电压。以后，通过重复进行上述操作，持续地对电容器C(电极对)施加高频电压。
根据本实施例的高频电压发生装置10，在从正的直流电压+V0切换到负的直流电压-V0以及从负的直流电压-V0切换到正的直流电压+V0时，对电容器C(电极对)施加过渡交流电压，从而与利用矩形波的以往的高频电压发生装置相比，能够更加缓和地进行电压的切换，由此，能够抑制噪声的产生和电力的损失。
在本实施例的高频电压发生装置10中，如图6所示，通过变更直流电压维持时间与过渡交流电压施加时间之比，能够控制对电容器C(电极对)施加的高频电压的有效大小。在图6的例子中，直流电压维持时间((c)、(f))与过渡交流电压施加时间((a)、(d))之比按图(1)、(2)、(3)的顺序变小，高频电压的有效大小也按该顺序变小。
另外，在本实施例的高频电压发生装置10中，如图7所示，通过变更直流电压维持时间和/或过渡交流电压施加时间，能够控制对电容器C(电极对)施加的高频电压的频率。如果比较图7的(1)与图7的(2)，则过渡交流电压施加时间相同，但相比前者，后者的直流电压维持时间较长，由此，高频电压的频率变小。另外，如果比较图7的(1)与图7的(3)，则直流电压维持时间相同，但相比前者，后者的过渡交流电压施加时间较长，由此，高频电压的频率变小。另外，根据图7的(2)与图7的(3)的关系，也可以使直流电压维持时间和过渡交流电压施加时间这两者变化。
使用图8，说明使用本实施例的高频电压发生装置10的离子导向器的一个例子。在该离子导向器20中，对杆部件进行如下配置：将在离子光轴29的方向上分离且等间隔地排列的形态的电极作为1组，绕离子光轴29等间隔地配置有8组这样的电极。针对在离子光轴29的方向上排列的5根电极，附加2xa、2xb、2xc、2xd、2xe这样的符号。此处，x是与8组电极分别对应地按照绕离子光轴29排列的顺序附加的1～8的数字。针对在离子光轴29的方向上处于相同位置的8个电极，各设置一个本实施例的高频电压发生装置10。
针对离子光轴29的最上游侧的电极2xa，在x为奇数的电极与x为偶数的电极之间，使用高频电压发生装置10a来施加高频电压VRF1。同样地，针对从离子光轴29的上游起的第2～5号电极2xb、2xc、2xd、2xe，分别在x为奇数的电极与x为偶数的电极之间，施加高频电压VRF2、VRF3、VRF4、VRF5。另外，除这些高频电压之外，还将直流的偏置电压VBias重叠于该高频电压而施加。
在该离子导向器20中，通过调整各高频电压发生装置10a～10e中的直流电压维持时间与过渡交流电压施加时间之比，将高频电压的振幅设为|VRF1|>|VRF2|>|VRF3|>|VRF4|>|VRF5|，从而在离子导向器20内形成向着离子光轴的方向而虚拟电势变小的梯度。另外，通过调整各高频电压发生装置10a～10e中的直流电压维持时间和/或过渡交流电压施加时间的值来使高频电压的频率Ω增大，从而在离子导向器20内形成相同的虚拟电势。通过这样形成虚拟电势，离子导向器20能够使阳离子向离子光轴的方向移动。
至此为止，以用于离子导向器的电源的情况为例来说明了高频电压发生装置10，但高频电压发生装置10也能够用于离子阱、质量过滤器等、质谱分析装置中的离子导向器以外的带电粒子控制装置。另外，该高频电压发生装置10也能够用于在DC-DC转换器中在电压变换的过程中从直流电压生成高频电压的装置等、带电粒子控制装置以外的装置。
符号说明
10、10a～10e…高频电压发生装置
11…第1直流电源
12…第2直流电源
13…过渡交流电压发生电路
14…施加电压切换部
141…控制部
20…离子导向器
21a～28a、21b～28b、21c～28c、21d～28d、21e～28e…离子导向器的电极
29…离子光轴
90…以往的高频电压发生装置中的电路。

Claims (6)

1.一种高频电压发生装置，其从直流电压生成高频电压并施加到负载，所述高频电压发生装置的特征在于，具备：
a)第1直流电压发生部，其生成第1直流电压；
b)第2直流电压发生部，其生成与所述第1直流电压不同的值的第2直流电压；
c)过渡交流电压发生部，其是将电感器与电容器串联连接而成的LC电路，以该第1直流电压或者该第2直流电压作为初始值而激发过渡交流电压，该过渡交流电压的周期比所述高频电压的周期短，并且将所述第1直流电压和所述第2直流电压中的一方设为最大值，将另一方设为最小值；以及
d)施加电压切换部，其以如下方式切换对该负载的施加电压，即：在所述高频电压的一个周期期间，按所述第1直流电压、将该第1直流电压作为所述初始值的所述过渡交流电压、所述第2直流电压、将该第2直流电压作为所述初始值的所述过渡交流电压的顺序切换电压，使得该过渡交流电压的施加时间分别是该过渡交流电压的周期的1.5以上的半整数倍、并且比该高频电压的半周期短。
2.根据权利要求1所述的高频电压发生装置，其特征在于，
具备有效振幅变更部，该有效振幅变更部对施加所述第1直流电压的时间与施加所述过渡交流电压的时间之比、以及施加所述第2直流电压的时间与施加所述过渡交流电压的时间之比进行变更。
3.根据权利要求1所述的高频电压发生装置，其特征在于，
具备高频电压频率变更部，该高频电压频率变更部对施加所述第1直流电压和施加所述过渡交流电压的时间中的某一方或者双方、以及施加所述第2直流电压的时间和施加所述过渡交流电压的时间中的某一方或者双方进行变更。
4.根据权利要求2所述的高频电压发生装置，其特征在于，
具备高频电压频率变更部，该高频电压频率变更部对施加所述第1直流电压和施加所述过渡交流电压的时间中的某一方或者双方、以及施加所述第2直流电压的时间和施加所述过渡交流电压的时间中的某一方或者双方进行变更。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的高频电压发生装置，其特征在于，
所述过渡交流电压发生部具备对该LC电路进行开闭的LC电路开闭部以及对该电容器选择性地施加第1直流电压和第2直流电压的直流电压选择施加部。
6.根据权利要求5所述的高频电压发生装置，其特征在于，
所述电容器是离子导向器或者离子阱的负载。
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