CN106571285A - 一种质谱仪及其射频电源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种质谱仪及其射频电源，其中，所述质谱仪射频电源包括起振单元、驱动单元和放大单元。其中，所述起振单元用于将电路中的电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；所述驱动电路用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元传输；所述放大单元用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并进行输出。由于所述放大单元由LC共振电路构成，而无需采用体积较大的变压器及线性放大器，从而降低了所述质谱仪射频电源的体积。

Description

一种质谱仪及其射频电源

技术领域

本申请涉及电子仪器设计技术领域，更具体地说，涉及一种质谱仪及其射频电源。

背景技术

质谱仪是指根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器，因其能够灵敏地提供被分析样品的大量组成信息和结构信息而被广泛应用。现在国际公认的许多质量分析标准都必须要有质谱测量数据，质谱仪已成为许多行业的必备仪器。而射频电源的稳定性是保证质谱仪正常工作的重要器件，在实际的工作过程中，射频电源为质谱仪的四极杆、离子阱或者离子引导部分提供射频电压信号。如图1所示，以射频电源为四极杆提供射频电压信号为例，附图1中的标号1、2、3和4分别表示四极杆的四根电极杆。电极杆1和3连接到射频电源输出端5，电极杆2和4连接到射频电源输出端6。射频电源的输出端5和6输出两路幅值、频率一致但相位相反的射频电压信号。这两路射频电压信号在四极杆质量分析器中形成四极场，质谱仪通过电场控制离子并监视产物运动来获得离子的质荷比。

作为定量定性分析的仪器，质谱仪对其灵敏度、质量分辨能力和工作稳定性的要求极高，因此对为其提供射频交流信号的射频电源有着较高的要求。现有技术中为所述质谱仪提供射频交流信号的射频电源通常采用变压器、线性放大器、触发器、电容和电感来产生射频交流信号，这种结构的射频电源的结构较为复杂，且由于变压器和线性放大器的存在使得射频电源的体积较大，难以满足有便携需求的质谱仪的要求。

因此，亟需一种体积较小的射频电源，以满足有便携需求的质谱仪的要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种质谱仪及其射频电源，以实现提供一种小型化质谱仪射频电源，从而满足有便携需求的质谱仪的要求的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种质谱仪射频电源，包括：起振单元、驱动单元和放大单元，其中，

所述起振单元的输入端与所述放大单元的第一输出端连接，所述起振单元的输出端与所述驱动单元的输入端连接，所述驱动单元的输出端与所述放大单元的输入端连接，所述放大单元的第一输出端和第二输出端用于输出射频电压信号；

所述起振单元包括第一电阻、第一电容和奇数个反相器，其中，所述奇数个反相器依次串联后与所述第一电阻并联，所述奇数个反相器输出端朝向一侧为所述起振单元的输出端，所述第一电阻靠近所述奇数个反相器输入端一端与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端作为所述起振单元的输入端，所述起振单元用于利用电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；

所述驱动单元包括多个并联的反相器，所述多个并联的反相器的输入端一侧作为所述驱动单元的输入端，用于接收所述电压源信号，所述多个并联的反相器的输出端一侧作为所述驱动单元的输出端；所述驱动单元用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元传输；

所述放大单元包括串接的第一电感和第二电容，其中，所述第一电感远离所述第二电容一侧作为所述放大单元的输入端，用于接收所述驱动电流信号，所述第二电容与所述第一电感的连接端作为所述放大单元的第一输出端，所述第二电容远离所述第一电感一端作为所述放大单元的第二输出端，所述放大单元用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并通过所述第一输出端及第二输出端输出。

可选的，所述起振单元包括的反相器数量为3个或5个或7个。

可选的，所述第一电感的电感值的取值范围为10μH-1mH，包括端点值。

可选的，所述第一电容的电容值的取值范围为0.5pF-2pF，包括端点值。

可选的，所述第一电阻的取值范围为0.5KΩ-10KΩ，包括端点值。

可选的，所述反相器由NC7NZ04反相器芯片实现。

可选的，所述NC7NZ04反相器芯片的驱动电源由可调直流电源提供。

可选的，所述驱动单元包括的反相器数量大于或等于九个。

可选的，还包括：双层电路板；

所述双层电路板用于设置所述起振单元、驱动单元和放大单元。

一种质谱仪，包括至少一个上述任一项所述的质谱仪射频电源。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种质谱仪及其射频电源，其中，所述质谱仪射频电源包括起振单元、驱动单元和放大单元。其中，所述起振单元用于将电路中的电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；所述驱动电路用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元传输；所述放大单元用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并进行输出。由于所述放大单元由LC共振电路构成，而无需采用体积较大的变压器及线性放大器，从而降低了所述质谱仪射频电源的体积。另外，LC共振电路所需的驱动电流信号的大小也远小于变压器所需的驱动电流信号，因此多个并联的反相器构成的所述驱动单元即可实现为所述放大单元提供所需的驱动电流信号的功能。

另外，所述起振单元由第一电阻、第一电容和奇数个反相器构成，所述第一电阻将所述奇数个反相器偏置在线性高增益区，从而使得所述奇数个反相器可以对振荡形成的电压信号进行线性放大，并且所述反相器所需的驱动电源的幅值较小，从而降低了所述起振单元所需输入的驱动电源电压以及所消耗的功率，进而降低了所述质谱仪射频电源消耗的功率。

进一步的，所述质谱仪射频电源输出的所述射频电压信号的幅值可以通过调节所述放大单元的Q值和所述反相器的驱动电源的电压值进行调节，所述射频电压信号的频率可以通过调节所述第一电感的电感值和所述第二电容的电容值进行调节，实现输出不同幅值和频率的射频电压信号的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为质谱仪射频电源与质谱仪中的四极杆的连接方式示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种质谱仪射频电源的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种质谱仪射频电源，如图2所示，所述质谱仪射频电源包括：起振单元100、驱动单元200和放大单元300，其中，

所述起振单元100的输入端与所述放大单元300的第一输出端连接，所述起振单元100的输出端与所述驱动单元200的输入端连接，所述驱动单元200的输出端与所述放大单元300的输入端连接，所述放大单元300的第一输出端和第二输出端用于输出射频电压信号；

所述起振单元100包括第一电阻R1、第一电容C1和奇数个反相器，其中，所述奇数个反相器依次串联后与所述第一电阻R1并联，所述奇数个反相器输出端朝向一侧为所述起振单元100的输出端，所述第一电阻R1靠近所述奇数个反相器输入端一端与所述第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端作为所述起振单元100的输入端，所述起振单元100用于利用电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；

所述驱动单元200包括多个并联的反相器，所述多个并联的反相器的输入端一侧作为所述驱动单元200的输入端，用于接收所述电压源信号，所述多个并联的反相器的输出端一侧作为所述驱动单元200的输出端；所述驱动单元200用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元300传输；

所述放大单元300包括串接的第一电感L和第二电容C0，其中，所述第一电感L远离所述第二电容C0一侧作为所述放大单元300的输入端，用于接收所述驱动电流信号，所述第二电容C0与所述第一电感L的连接端作为所述放大单元300的第一输出端，所述第二电容C0远离所述第一电感L一端作为所述放大单元300的第二输出端，所述放大单元300用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并通过所述第一输出端及第二输出端输出。

在附图2中，所述起振单元100中以3个反相器串联为例，所述驱动单元200中以9个反相器并联为例进行说明，本申请对所述起振单元100和所述驱动单元200中包括的反相器数量并不做限定，附图2仅起示例说明的作用，在附图2中，标号U1-U12表示构成所述起振单元100和驱动单元200的反相器，U0表示所述质谱仪射频电源输出的射频电压信号。

需要说明的是，所述质谱仪射频电源输出的所述射频电压信号的幅值可以通过调节所述放大单元300的Q值和所述反相器的驱动电源的电压值进行调节，所述射频电压信号的频率可以通过调节所述第一电感L的电感值和所述第二电容C0的电容值进行调节，实现输出不同幅值和频率的射频电压信号的目的。当需要为所述质谱仪的四极杆提供两路幅值、频率一致但相位相反的射频电压信号时，可以通过提供两个所述质谱仪射频电源实现为所述质谱仪的四极杆提供两路幅值、频率一致但相位相反的射频电压信号。

在本申请中，为了最大程度降低功耗，我们避免采用通过消耗大量功率来保持输出电压精度的线性放大器，而是选择具有开关特性的有源器件。这种有源器件可以以电动方式快速控制开关。高速反相器响应时间短，具有极快的控制开关能力，因此可以作为这种有源器件。

在实际的应用过程中，反相器的输出阻抗会降低整个LC共振电路的Q值，同时改变共振频率。对于具有极小切换时间、无传输延迟和无输入电容的理想反相器，如果满足R₁C₁ω₀≤(Ag+1)，即可获得正确的相位状态，其中，R₁表示所述第一电阻R1的电阻值，C₁表示所述第一电容C1的电容值，ω₀表示整个LC共振电路的共振频率，Ag表示构成所述起振单元100的奇数个反相器的总的电压增益。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述起振单元100包括的反相器数量为3个或5个或7个。但在本申请的其他实施例中，所述起振单元100包括的反相器数量还可以为9个或11个，一般情况下，考虑到所述起振单元100输出的电压源信号的幅值不能太小，因此，所述起振单元100包括的反相器数量大于3个即可。本申请对所述起振单元100包括的反相器的数量的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述反相器由NC7NZ04反相器芯片实现。

需要说明的是，在实际使用的过程中，我们对两种不同型号的反相器芯片进行了测试，分别是74AC04反相器芯片和NC7NZ04反相器芯片。通过改变电路中第一电感L和第二电容C0的参数值，使所述射频电压信号的频率达到10MHz。此时，NC7NZ04反相器芯片可以传输更高的射频电压，这是因为NC7NZ04反相器芯片更短的延迟时间产生了更高的电路增益。另外，通过两种不同的反相器芯片，来比较所述质谱仪射频电源的效率。经测试，使用NC7NZ04反相器芯片的质谱仪射频电源表现出在效率方面的优势，在某些情况下，电路效率高达80％以上。

还需要说明的是，在本申请中，LC作为所述放大单元300的放大电路，其品质因数即为质谱仪射频电源的品质因数，决定了质谱仪射频电源的放大倍数以及最终输出高压幅值。在本申请中，选用bourns的高品质电感，根据输出射频频率要求，第一电感L的电感值范围为10uH-1mH，其品质因数可以达到100以上。该电感具有品质因数高，价格低廉，稳定高等特点，可以广泛应用于相关领域中。采用该放大单元300的方式，避免采用结构繁琐、体积较大、功耗较高的变压器、线性放大器等器件，可以实现小尺寸、低功耗的设计目的。

实际上，在不损失闭环增益的前提下，可以降低第一电容C1的电容值，同时尽可能提高第一电阻R1的电阻值来减少第一电阻R1上的功耗。在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述第一电感L的电感值的取值范围为10μH-1mH，包括端点值。所述第一电容C1的电容值的取值范围为0.5pF-2pF，包括端点值。所述第一电阻R1的取值范围为0.5KΩ-10KΩ，包括端点值。所述第一电阻R1的额定功率为1/8W，第二电容C0和第一电容C1应具有较高的额定电压(≥500V)。本申请对所述第一电感L的电感值的具体取值、第一电容C1的电容值的具体取值和第一电阻R1的电阻值的具体取值并不做限定，具体视所述质谱仪射频电源所需输出的射频电压信号而定。

在本申请的另一个优选实施例中，还包括双层电路板，所述双层电路板用于设置所述起振单元100、驱动单元200和放大单元300。

需要说明的是，采取双层电路板的目的是为了使电路板尺寸达到最小化，另外，所述起振单元100、驱动单元200和放大单元300的构成器件尽量使用表面贴装元件。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，所述NC7NZ04反相器芯片的驱动电源由可调直流电源提供。在本实施例中，所述可调直流电源输出的驱动电源的幅值的变化用于配合所述放大单元300的Q值的调节来使所述质谱仪射频电源输出的所述射频电压信号的幅值达到使用要求。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，所述驱动单元200包括的反相器数量大于或等于九个。本申请对所述驱动单元200包括的反相器的具体数量并不做限定，具体视实际情况而定。

经过测试，本申请实施例提供的质谱仪射频电源用于产生四极电场时，射频振荡电路效率较高(66％-85％)，电路紧凑，简单和便宜。不考虑电路板时，电路部件总价约50元。振荡电路频率高达10MHz，电压高达700V，使用NC7NZ04芯片可以达到几十MHz的射频输出频率。综上，该射频电源具有小尺寸(约5cm²)、低供电电压(0-7V)、低功耗(极限功耗)、高频(10MHz以上)高压(700V)输出的特性，因此可以广泛应用于对尺寸、功耗要求较高的便携式质谱仪中。

相应的，本申请实施例还提供了一种质谱仪，包括至少一个如上述任一实施例所述的质谱仪射频电源。

综上所述，本申请实施例提供了一种质谱仪及其射频电源，其中，所述质谱仪射频电源包括起振单元100、驱动单元200和放大单元300。其中，所述起振单元100用于将电路中的电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；所述驱动电路用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元300传输；所述放大单元300用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并进行输出。由于所述放大单元300由LC共振电路构成，而无需采用体积较大的变压器及线性放大器，从而降低了所述质谱仪射频电源的体积。另外，LC共振电路所需的驱动电流信号的大小也远小于变压器所需的驱动电流信号，因此多个并联的反相器构成的所述驱动单元200即可实现为所述放大单元300提供所需的驱动电流信号的功能。

另外，所述起振单元100由第一电阻R1、第一电容C1和奇数个反相器构成，所述第一电阻R1将所述奇数个反相器偏置在线性高增益区，从而使得所述奇数个反相器可以对振荡形成的电压信号进行线性放大，并且所述反相器所需的驱动电源的幅值较小，从而降低了所述起振单元100所需输入的驱动电源电压以及所消耗的功率，进而降低了所述质谱仪射频电源消耗的功率。

进一步的，所述质谱仪射频电源输出的所述射频电压信号的幅值可以通过调节所述放大单元300的Q值和所述反相器的驱动电源的电压值进行调节，所述射频电压信号的频率可以通过调节所述第一电感L的电感值和所述第二电容C0的电容值进行调节，实现输出不同幅值和频率的射频电压信号的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种质谱仪射频电源，其特征在于，包括：起振单元、驱动单元和放大单元，其中，

所述起振单元的输入端与所述放大单元的第一输出端连接，所述起振单元的输出端与所述驱动单元的输入端连接，所述驱动单元的输出端与所述放大单元的输入端连接，所述放大单元的第一输出端和第二输出端用于输出射频电压信号；

所述起振单元包括第一电阻、第一电容和奇数个反相器，其中，所述奇数个反相器依次串联后与所述第一电阻并联，所述奇数个反相器输出端朝向一侧为所述起振单元的输出端，所述第一电阻靠近所述奇数个反相器输入端一端与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端作为所述起振单元的输入端，所述起振单元用于利用电压扰动进行振荡，并将振荡形成的电压信号进行线性放大，形成电压源信号并向所述驱动电路传输；

所述驱动单元包括多个并联的反相器，所述多个并联的反相器的输入端一侧作为所述驱动单元的输入端，用于接收所述电压源信号，所述多个并联的反相器的输出端一侧作为所述驱动单元的输出端；所述驱动单元用于对所述电压源信号进行电流放大，获得驱动电流信号并向所述放大单元传输；

所述放大单元包括串接的第一电感和第二电容，其中，所述第一电感远离所述第二电容一侧作为所述放大单元的输入端，用于接收所述驱动电流信号，所述第二电容与所述第一电感的连接端作为所述放大单元的第一输出端，所述第二电容远离所述第一电感一端作为所述放大单元的第二输出端，所述放大单元用于对所述驱动电流信号进行放大，获得射频电压信号并通过所述第一输出端及第二输出端输出。

2.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述起振单元包括的反相器数量为3个或5个或7个。

3.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述第一电感的电感值的取值范围为10μH-1mH，包括端点值。

4.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述第一电容的电容值的取值范围为0.5pF-2pF，包括端点值。

5.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述第一电阻的取值范围为0.5KΩ-10KΩ，包括端点值。

6.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述反相器由NC7NZ04反相器芯片实现。

7.根据权利要求6所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述NC7NZ04反相器芯片的驱动电源由可调直流电源提供。

8.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，所述驱动单元包括的反相器数量大于或等于九个。

9.根据权利要求1所述的质谱仪射频电源，其特征在于，还包括：双层电路板；

所述双层电路板用于设置所述起振单元、驱动单元和放大单元。

10.一种质谱仪，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-9任一项所述的质谱仪射频电源。