CN107579662A - 一种双等离子体离子源放电电源 - Google Patents

Abstract

本发明为一种双等离子体离子源放电电源。包括：移相PWM控制电路是电源的控制端，通过接收到输出电压与输出电流的反馈信号，通过移相的方式调节输出信号波形的占空比；通过整流滤波电路，将220V，50HZ交流电转换成300V直流电；全桥逆变电路，根据所述移相PWM控制电路的输出信号转换成300V交流电；升压变压器，将全桥逆变电路输出的300V交流电升高到5000V左右交流电；电源输出电流与电压，反馈至移相PWM控制电路。本发明解决恒压恒流电源,其输出电压、输出电流调节范围小，功率小，电源工作方式等原因,不能满足双等离子体离子源的需要。采用本电源应用于双等离子体离子源，使二次离子质谱的实验更高效。

Description

一种双等离子体离子源放电电源

技术领域

本发明涉及等离子体电源领域，具体地来讲为一种双等离子体离子源放电电源。

背景技术

二次离子质谱仪是一种检测样品成分及其含量的科学仪器，具有超高的灵敏度和质量分辨率，被广泛应用于分析化学、环境科学、生命科学、地质科学等领域。其原理是经过聚焦的一次离子束轰击样品表面溅射出二次离子，产生二次离子进入质量分析器，根据不同离子质荷比的不同实现质谱分离，从而可以得知样品表面一定深度的元素分布和组成。

双等离子体离子源是二次离子质谱最常用的一种离子源，能够提供O^- 、O₂ ⁺ 、Ar⁺和Xe⁺ 等气体离子，具有电离效率高、离子能量分散小、离子流稳定的特点。在离子源的阴极和阳极之间需要提供一种电源，能够让腔体内的气体放电，产生大量的气体离子，通过提取加速电极就得到所需要的一次离子束。

二次离子质谱分析中，被检测的离子是通过一次离子束轰击样品表面溅射产生的二次离子，所以一次离子束的性能影响二次离子质谱分析的结果。放电电源是气体放电产生一次离子束并保持持续稳定的能量来源，电源的稳定性和放电电流大小能够改变一次离子束的状态，所以放电电源的品质影响一次离子束的性能。

CN105515343A公开了“一种低温等离子体放电电源装置”，电源装置包括有电源壳体，所述电源壳体内设置控制单元、开关电源、逆变器、干式变压器和功率模块。该电源装置能够有效的对电源设备进行散热，减小温升对装置的影响，并且快速的与放电模块进行连接，易于安装、调试和维护。这种放电电源是用于介质阻挡放电，输出电压峰值5-20KV，输出频率10-30KHZ。但是双等离子体离子源需要放电电源输出的是直流高压，而“一种低温等离子体放电电源装置”中的电源装置输出的是交流电，不适合应用于双等离子体离子源。

CN201936841U公开了“一种辉光放电离子源装置用电源”，它包括高压变压器，该高压变压器的输出端依次经由桥式整流电路、滤波电路与调整电路的输入端连接，调整电路的正、负输出端分别与辉光放电离子源装置中的采样盘体、样品盘体连接，调整电路的正、负输出端与取样电路的输入端连接，取样电路的输出端、基准电压电路的输出端分别与比较放大电路的两个输入端连接，比较放大电路的输出端与调整电路的调整端连接，220伏交流电压源向高压变压器和比较放大电路提供220伏交流电压。这种电源提供的高压直流电的稳压效果好、输出电压可调节、输出电流大。但是双等离子体离子源需要放电电源不仅输出电压调节，而且电流也需要调节，而“一种辉恒光放电离子源装置用电源”中的电源输出电压能够调节，但是电流无法调节，不适合用于双等离子体离子源。

其他一些公开的放电电源，大部分都是恒压源，而一些恒压恒流电源,其输出电压、输出电流调节范围小，功率小等原因,不能满足双等离子体离子源的需要。

双等离子体离子源放电电源的工作方式、输出电压范围、输出电流范围、功率以及应用环境等特点，现有的电源都无法满足。因此需要设计一种放电电源来解决以下问题。

放电电源工作模式为恒压和恒流模式。在气体未放电时，电源处于一种恒压模式，能够持续不断的升高电压，升到气体击穿电压值。气体一旦击穿开始放电时，电源自动切换到恒流模式，通过调整放电电流的大小，改变一次离子束的状态。由于不同的气压、温度、工作气体，导致击穿电压值的不同，所以需要电压范围在0-3000V。放电电流大小反应气体放电的激烈程度，不同电流的大小，气体放电产生的离子比例不同，比如氧气，放电会产生O-、O2-、O+ 、O2+等离子，每种离子的比例会根据放电电流的大小改变。所以需要电流范围在0-250mA。电源所需要的功率在750W左右，因为气体放电瞬间功率会比较大。

问题2：一次离子束的提取加速电极（10KV）是质谱仪的接地电位，所以双等离子体离子源处于高电位，放电电源则是在10KV高压上工作。放电电源输入不能直接接入市电，如果直接接入市电，相当于将高压引入市电，非常危险。

问题3：二次离子质谱实验过程比较久，一次离子束在实验过程中可能会出现不稳定的状态，比如放电中断，放电过程断断续续等，我们不能够及时并且轻易的发现，一次离子束的不稳定会影响实验数据，所得出数据结果不具有准确性。一次离子束的稳定性主要受离子源气体放电状态的影响。

离子源气体放电状态影响的因素较多，比如放电电源的品质、离子源温度的变化、离子源腔体内工作气压的变化、磁场强度的变化以及离子源的阳极孔和空心阴极管的孔腐蚀程度影响等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种双等离子体离子源放电电源，解决其他一些公开的放电电源，其输出电压、输出电流调节范围小，功率小，电源的工作方式等原因,不能满足双等离子体离子源的需要。

本发明是这样实现的，一种双等离子体离子源放电电源，该电源包括：

移相PWM控制电路，移相PWM控制电路是电源的控制端，通过接收到输出电压与输出电流的反馈信号，通过移相的方式调节输出信号波形的占空比；

整流滤波电路，将220V，50HZ交流电转换成300V直流电；

全桥逆变电路，将所述整流滤波电路输出的300V直流电，根据所述移相PWM控制电路的输出信号转换成300V交流电；

升压变压器，将全桥逆变电路输出的300V交流电升高到5000V左右交流电；

高频整流滤波电路，将升压变压器输出5000V左右高频交流电经过整流滤波输出为直流电；

电压释放电路，连接在高频整流滤波的输出端，断电后将存留在电源高频整流滤波电路电容内高压快速释放掉；

电压采样电路，将电源输出电压经过分压电路得到采集电压值，反馈至移相PWM控制电路；

电流采样电路，将电源输出电流经过采样电阻之后得到电压值，反馈至移相PWM控制电路。

进一步地，在所述移相PWM控制电路与所述全桥逆变电路之间设置耦合隔离电路，通过耦合隔离电路的耦合变压器将移相PWM控制电路的输出信号传输至全桥逆变电路。

进一步地，所述全桥逆变电路的输出端设置有过流监测电路，所述过流监测电路将检测的电流的情况，传输给移相PWM控制电路，当电路发生短路或者过流时，移相PWM控制电路瞬间停止电源工作。

进一步地，所述电流采样电路将得到的得到电压值传输给一恒流控制电路，所述恒流控制电路通过运算放大器，将电流采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路。

进一步地，所述电压采样电路得到采集电压值传输给一恒压控制电路，所述恒压控制电路通过运算放大器，将电压采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路。

进一步地，包括恒压恒流钳位电路设置在恒压控制电路与恒流控制电路电源的输出端与移相PWM控制电路之间，通过反相二极管钳制恒流控制电路以及恒压控制电路的输出。

进一步地，所述电压释放电路并联到高频整流滤波电路的输出端，电源正常工作时，光电耦合器处于导通状态，场效应管处于截止状态，电压释放电路不工作；当电源断电后，光电耦合器处于截止状态，场效应管处于导通状态，能够快速释放掉滤波电容内的电压。

进一步地，所述电压采样电路与电流采样电路的采集的电压与电流信号经16位AD卡将模拟信号转换为数字信号，依次经过一组光纤转换器A与光纤转换器B将电信号转换成光信号再转换成电信号给PC机。

进一步地，在电源输出端加上一个放电管作为防护高压电路，放电管的工作电压在5000V。电源输出电压低于5000V时，放电管不导通，输出电压高于5000V，放电管导通，构成回路，保护前级电路不受损坏。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明通过移相全桥PWM控制方法，恒压闭环反馈，恒流闭环反馈方式实现电源电压在0 -3000V，电流0-250mA 宽范围内调节，并且稳定输出。恒压恒流钳位电路实现了电源工作从恒压状态自动切换到恒流状态。30KV隔离变压器、电压释放电路、防护高压电路是在电源工作环境方面考虑设计，解决现有电源无法满足双等离子体离子源的实际需求。同时离子源放电状态监测的设计，通过时时有效的监测气体放电状态的方式，解决了在实际实验过程中发现的问题，使二次离子质谱的实验更高效，更可靠，具有很重要的应用意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电源结构框图；

图2为本发明实施例提供的耦合隔离电路的原理图；

图3为本发明实施例提供的移相PWM控制电路、耦合隔离电路基本全桥逆变电路的原理图；

图4为本发明实施例提供的部分电路原理图；

图5为本发明实施例提供的放电电源输入端隔离保护电路的原理图；

图6为本发明实施例提供的放电状态监测电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，一种双等离子体离子源放电电源，该电源包括：移相PWM控制电路、整流滤波电路、耦合隔离电路、全桥逆变电路、升压变压器、高频整流滤波电路、过流监测电路、电压释放电路、电压采样电路、电流采样电路、恒压控制电路、恒流控制电路以及恒压恒流钳位电路。

参见图1结合图2，移相PWM控制电路是电源的控制端，通过接收到恒压控制或恒流控制电路的反馈信号，通过移相的方式调节输出信号波形的占空比，从而实现电压或电流的调节和稳定。移相PWM控制电路的设计选用UCC3895作为电源的控制芯片，UCC3895是专门为全桥移相电路而开发的，既可工作在电压模式，也可工作在电流模式，具有软起动功能。

图2中电阻R17和电容C13控制芯片UCC3895的振荡工作频率，电阻R20，电阻R23控制死区时间，A、B、C、D为输出驱动信号。

整流滤波电路将市电的220V，50HZ交流电转换成300V左右的直流电，连接在全桥逆变电路的输入端；

在移相PWM控制电路与全桥逆变电路之间设置耦合隔离电路耦合隔离电路，由于移相PWM控制电路是工作在一个12V低电压环境下，输出驱动信号A、B、C、D是不能直接驱动300V的电压，直接控制300V电压会烧毁UCC3895控制芯片。通过耦合隔离电路将控制电路与全桥逆变电路隔离起来，既保护了移相PWM控制电路，并且也提高了驱动能力。参见图2所示，图中移相PWM控制电路输出信号A和输出信号B驱动一组全桥电路（Q1、Q2、Q6、Q7 四个场效应管搭建一组全桥电路），输出信号C和输出信号D驱动一组全桥电路（Q9、Q10、Q14、Q15 四个场效应管搭建一组全桥电路），然后通过耦合变压器（T1，T5）传输给全桥逆变电路。电容C8，电容C21起到滤波作用，隔直流。

整流滤波电路输出端连接全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路将整流滤波电路输出的300V直流电，按照移相PWM控制电路调节的输出信号波形转换成300V交流电。

全桥逆变电路通过耦合隔离电路的输出信号驱动全桥逆变电路，将300V直流电转换成交流电。图2中电阻R6和电阻R7作用是为了防止场效应管Q3烧毁后，对耦合变压器损坏，保护前一级电路。同理电阻R11、电阻R13、电阻R21、电阻R25、电阻R28、电阻R30作用相同。

升压变压器将全桥逆变电路输出的300V交流电升高到5000V左右高频交流电；图3中，变压器T2、变压器T4为升压变压器，将两个变压器初级线圈串联输入，次级线圈串联输出。

高频整流滤波电路将升压变压器输出5000V左右高频交流电经过整流滤波输出为直流电；

电压释放电路并联在高频整流滤波的输出端，电压释放电路有两个作用，第一是提高电源的响应速度。第二是能够快速释放掉电源关闭后滤波电容内存留的电压，提高电源的安全性和寿命。参见图3所示，电源正常工作时，光电耦合器U2、光电耦合器U4、光电耦合器U6处于导通状态，场效应管Q4、场效应管Q8、场效应管Q13处于截止状态，电压释放电路不工作。当输出电压降低或者电源关闭后，光电耦合器U2、光电耦合器U4、光电耦合器U6处于截止状态，场效应管Q4、场效应管Q8、场效应管Q13处于导通状态，能够快速释放掉滤波电容内的电压。

电压采样电路将电源输出电压经过分压电路得到采集电压值，反馈至恒压控制电路；

电流采样电路将电源输出电流经过采样电阻之后得到电压值，反馈至恒流控制电路。

恒压控制电路与电压采样电路的输出端连接后通过运算放大器，将电压采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路，通过调节输出信号的占空比来实现电压的调节。图3中运算放大器选用的是LM358，基准电压通过TL431型号可控精密稳压源提供。

恒流控制电路与电流采样电路的输出端连接后通过运算放大器，将电流采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路，通过调节输出信号的占空比实现电压的调节，相应实现电流的调节。图3中运算放大器选用的是LM358，基准电压通过TL431型号可控精密稳压源提供。

电源是工作在恒压状态或者恒流状态是通过钳位电路决定的。在未放电之前，电路中没有电流，恒流控制电路输出电位比恒压控制电路输出电位高，通过反相二极管钳制恒流控制电路输出，只有恒压控制电路工作。当放电之后，输出电压下降，电路中有电流，恒压控制电路输出比恒流控制电路输出电位高，通过反相二极管钳制恒压控制电路输出，只有恒流控制电路工作。

参见图4，过流监测电路设置在全桥逆变电路的输出与移相PWM控制电路之间：在电源运行过程中，时时监测电路的电流的情况，传输给移相PWM控制电路，当电路发生短路或者过流时，移相PWM控制电路瞬间停止电源工作。包括两组方向相反的二极管（D40、D41）、二极管（D42、D43）和电流互感器T3。

该电源包括防护高压电路，放电电源是工作在10KV的高压上，为了防止高压意外连入并损坏电路，在电源输出端加上一个放电管GDT1，放电管的工作电压在5000V。电源输出电压低于5000V时，放电管不导通。输出电压高于5000V，放电管导通，构成回路，保护了前级电路不受损坏。

放电电源是处于10KV的高电位，所以输入端不能直接接入市电，参见图5，市电需要经过一个30KV的隔离变压器之后再接入电源的输入端。

对离子源放电状态监测其实是对内部放电气体阻抗的监测，通过对电源输出电压和电流的采集，计算出气体的阻抗。当正常工作时，气体的阻抗是稳定的，近似波动比较小直线。当放电异常时，气体阻抗会无穷大或者出现不间断很明显的跳变，预示气体放电可能中断或者不稳定，应当及时中断实验，检查问题所在。放电状态不稳定，一次离子束也就不稳定，所得到的实验数据不具有准确性。

参见图6，放电电源内通过电压采样、电流采样所采集的电压和电流信号经16位AD卡将模拟信号转换为数字信号，由于放电电源处于高电位，不能直接把数据传输给上位机，需要进行隔离，所以经过一组光纤转换器A、光纤转换器B将电信号转换成光信号再转换成电信号给PC机。一旦监测到的气体阻抗出现异常，PC机将发出警报信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双等离子体离子源放电电源，其特征在于，该电源包括：

移相PWM控制电路，为电源的控制端，通过接收到输出电压与输出电流的反馈信号，通过移相的方式调节输出信号波形的占空比；

整流滤波电路，将220V，50HZ交流电转换成300V直流电；

全桥逆变电路，将所述整流滤波电路输出的300V直流电，根据所述移相PWM控制电路的输出信号转换成300V交流电；

升压变压器，将全桥逆变电路输出的300V交流电升高到5000V左右交流电；

高频整流滤波电路，将升压变压器输出5000V左右高频交流电经过整流滤波输出为直流电；

电压释放电路，连接在高频整流滤波的输出端，断电后将存留在电源高频整流滤波电路电容内高压快速释放掉；

电压采样电路，电源输出电压经过分压电路得到的电压值，反馈至移相PWM控制电路；

电流采样电路，电源输出电流经过采样电阻之后得到电压值，反馈至移相PWM控制电路。

2.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，在所述移相PWM控制电路与所述全桥逆变电路之间设置耦合隔离电路，通过耦合隔离电路的耦合变压器将移相PWM控制电路的输出信号传输至全桥逆变电路。

3.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，所述全桥逆变电路的输出端设置有过流监测电路，所述过流监测电路将检测的电流的情况，传输给移相PWM控制电路，当电路发生短路或者过流时，移相PWM控制电路瞬间停止电源工作。

4.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电流采样电路将得到的得到电压值传输给一恒流控制电路，所述恒流控制电路通过运算放大器，将电流采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路。

5.按照权利要求4所述的电源，其特征在于，所述电压采样电路得到采集电压值传输给一恒压控制电路，所述恒压控制电路通过运算放大器，将电压采样电路的电压值与可调的基准电压值比较，结果反馈给移相PWM控制电路。

6.按照权利要求5所述的电源，其特征在于，包括恒压恒流钳位电路设置在恒压控制电路与恒流控制电路电源的输出端与移相PWM控制电路之间，通过反相二极管钳制恒流控制电路以及恒压控制电路的输出。

7.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电压释放电路并联到电路的输出端，电源正常工作时，光电耦合器处于导通状态，场效应管处于截止状态，电压释放电路不工作；当电源断电后，光电耦合器处于截止状态，场效应管处于导通状态，能够快速释放掉滤波电容内的电压。

8.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电压采样电路与电流采样电路的采集的电压与电流信号经16位AD卡将模拟信号转换为数字信号，依次经过一组光纤转换器A与光纤转换器B将电信号转换成光信号再转换成电信号给PC机。

9.按照权利要求1所述的电源，其特征在于，在电源输出端加上一个放电管作为防护高压电路，放电管的工作电压在5000V，电源输出电压低于5000V时，放电管不导通，输出电压高于5000V，放电管导通，构成回路，保护前级电路不受损坏。