CN110875122A - 应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置。具体地，本发明提供一种叠式高压包装置，所述的装置包括：多匝初级线圈、多匝次级线圈和磁芯；其中，所述的初级线圈和所述的次级线圈设置于PCB板的表面上，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；并且所述的各个初级线圈和各个次级线圈围绕所述磁芯通孔；所述初级线圈和所述次级线圈的匝数比为1:3‑30。本发明所述叠式高压包装置克服了传统磁元件的诸多不足，很好的解决了传统磁性器件的诸多弊端，在确保批量化参数一致性的同时，缩小了质谱仪离子源高压电源模块的体积。在此基础上，发明人完成了本发明。

Description

应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置

技术领域

本发明涉及电气设备领域，具体地，本发明涉及一种应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置。

背景技术

质谱分析是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场的动态筛选，将不同质核比的离子区分出来得到质谱图，从而确定其质量。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。

质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。其中离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的质谱仪不可缺少的部件。四级杆质谱仪采用的电离方式为大气压离子化技术，该项技术解决了液相色谱和质谱联用的接口问题，使液相色谱-质谱联用逐渐发展为成熟的技术。

大气压离子化技术主要包括电喷雾离子化(ESI)、大气压化学离子化 (APCI)两种模式。其中APCI源利用电晕放电，高温气化实现离子化。ESI源利用离子蒸发，库伦爆裂液相离子化。它们的共同点是样品离子化均在大气压下的离子化室完成。离子源产生高压电场及高温实现分子及原子的共价键断裂，达到分子离子化的目的。

离子源产高压电场通常由高压电源模块产生。该类高压电源模块安装在质谱仪后级控制单元中，与离子源通过高压线缆连接。此类高压电源模块通常体积较大，通过变压器将输入的低电压抬升为高电压输出，且与各检测控制单元之间连线较多，成本较高，前期调试安装以及后期的维护较繁琐复杂。

因此，本领域需要开发一种应用于质谱仪离子源的高压电源模块，替换传统的变压器，大幅度缩小高压电源模块的尺寸，减少了高压电源模块与其他检测控制单元的连线，使电路结构更加简单，性能更加可靠，同时降低硬件成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置，该装置能够能够缩小质谱仪离子源高压电源模块的体积，确保批量化参数一致性。

本发明第一方面，提供一种用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置，所述的装置包括：多匝初级线圈、多匝次级线圈和磁芯；

其中，所述的初级线圈和所述的次级线圈设置于PCB板的表面上，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；

并且所述的各个初级线圈和各个次级线圈围绕所述磁芯通孔；和

所述初级线圈和所述次级线圈的匝数比为1:3-30。

在另一优选例中，所述初级线圈和次级线圈分别通过印制方式与PCB板结合形成印制电路板。

在另一优选例中，所述的装置还包括绝缘体，所述的绝缘体位于磁芯与初级线圈之间或所述的绝缘体位于初级线圈与次级线圈之间。

在另一优选例中，所述的绝缘体为空白PCB板。

在另一优选例中，所述的磁芯为扁平磁芯。

在另一优选例中，所述的磁芯为E型磁芯。

在另一优选例中，所述的磁芯为对偶型磁芯。

在另一优选例中，所述PCB板上的初级线圈和次级线圈为螺旋形。

在另一优选例中，所述电气连接的方式为串联连接或并联连接。

在另一优选例中，所述初级线圈和次级线圈分别设有通孔，所述初级线圈和次级线圈通过通孔分别形成电气连接。

在另一优选例中，所述的导线为铜线。

在另一优选例中，PCB板之间通过过孔连接。

在另一优选例中，所述初级线圈和次级线圈的匝数比为1:4-20，较佳地 1:8-15。

在另一优选例中，所述的初级线圈的宽度与初级线圈的厚度比值为5-25。

在另一优选例中，所述的初级线圈的宽度与初级线圈的厚度比值为10-18。

在另一优选例中，所述的次级线圈的宽度与次级线圈的厚度比值为10-40。

在另一优选例中，所述的次级线圈的宽度与次级线圈的厚度比值为18-30。

在另一优选例中，所述的初级线圈和次级线圈的宽度比值为0.5-1.5。

在另一优选例中，所述的初级线圈和次级线圈的宽度比值为0.8-1.2。

在另一优选例中，所述的初级线圈和次级线圈的厚度比值为0.8-3，较佳地1-3，更佳地1.5-2.5。

在另一优选例中，每层PCB板布含有n匝线圈，其中n为1-6的正整数。

在另一优选例中，每层PCB板布含有1-5匝线圈。

在另一优选例中，每层PCB板布含有1-4匝线圈。

在另一优选例中，每层PCB板布含有1-3匝线圈。

在另一优选例中，所述的PCB板布选自下组：单面PCB板布、双面PCB板布，或其组合。

在另一优选例中，所述初级线圈的匝数为2-15个。

在另一优选例中，所述初级线圈的匝数为2-10个。

在另一优选例中，所述初级线圈的匝数为4-8个。

在另一优选例中，所述次级线圈的匝数为20-100个。

在另一优选例中，所述次级线圈的匝数为40-80个。

在另一优选例中，所述次级线圈的匝数为50-70个。

在另一优选例中，所述初级线圈的厚度为40-100μm。

在另一优选例中，所述初级线圈的厚度为60-90μm。

在另一优选例中，所述次级线圈的厚度为20-70μm。

在另一优选例中，所述次级线圈的厚度为30-60μm。

在另一优选例中，所述的初级线的宽度为0.5-1.5mm。

在另一优选例中，所述的初级线的宽度为0.8-1.2mm。

在另一优选例中，所述的次级线圈的宽度为0.5-1.5mm。

在另一优选例中，所述的次级线圈的宽度为0.8-1.2mm。

在另一优选例中，所述的初级线圈和和次级线圈分别为扁平状线圈。

在另一优选例中，所述的初级线圈和和次级线圈分别为铜箔。

在另一优选例中，所述PCB板的厚度为0.1-1mm。

在另一优选例中，所述PCB板的厚度为0.2-0.8mm。

在另一优选例中，所述PCB板的厚度为0.2-0.6mm。

在另一优选例中，所述的初级线圈之间的电气连接为并联连接或串联连接。

在另一优选例中，所述的次级线圈之间的电气连接为并联连接或串联连接。

在另一优选例中，所述初级线圈和次级线圈形成电气连接。

本发明第二方面，提供一种四级杆质谱仪，所述四级杆质谱仪包含本发明第一方面所述的叠式高压包装置。

本发明第三方面，提供一种控制系统，所述的控制系统包括：驱动控制模块、直流供电模块、限流采样模块、功率模块、叠式高压包模块、倍压整流模块、隔离反馈模块和高压输出模块。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本发明一个优选例中叠式高压包装置的结构示意图。

图2为本发明一个优选例中线圈位于PCB板表面的示意图，其中初级线圈 PCB板一个表面上设有一匝初级线圈，次级线圈PCB板一个表面上设有多匝次级线圈。

图3为本发明一个优选例中线圈的电气连接。

图4为本发明的一个优选实施例中E型磁芯的结构试图。

图5为本发明的一个优选实施例中控制系统的运行方式。

应当理解的是，附图为了便于描述本发明，附图并不限定本发明的范围。

具体实施方式

本发明人经过广泛而又深入的研究，意外开发了一种叠式高压包装置，所述的装置通过对初级线圈和次级线圈匝数、宽度、厚度以等参数的优化，克服了传统磁元件的诸多不足，很好的解决了传统磁性器件的诸多弊端，在确保批量化参数一致性的同时，缩小了质谱仪离子源高压电源模块的体积。在此基础上，发明人完成了本发明。

术语

除非另有定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域普通技术人员普遍理解的含义相同。

如本文所用，术语“包含”、“包括”和“含有”可相互替换，不仅指封闭式定义，还指开放式定义。

如本文所用，术语“初级线圈”又称为初级绕组和原边绕组，即电能输入端。

如本文所用，术语“次级线圈”又称为次级绕组和副边绕组，即电能输出端。

如本文所用，术语“装置”、“叠式高压包装置”和“用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置”可互换使用，所述的装置如上述本发明第一方面所述。

如本文所用，术语“初级线圈PCB板”指的是设有初级线圈的PCB板。

如本文所用，术语“次级线圈PCB板”指的是设有次级线圈的PCB板。

在本申请中，叠式高压包装置中“叠式”指的是位于位于PCB板上的初级线圈与次级线圈上下叠加。

由于涡流效应，在高工作频率和高压输出等条件下，磁性器件匝间线损显著增加，批量化生产参数一致性离散化严重，这不仅降低了电能传输效率，导致变压器匝间温升较高，增加了热设计难度，不得以只能通过增加变压器的体积来增大散热面积，从而进一步增大了高压电源模块的体积，同时也为后期的批量化生产调试带来了诸多不便。最终导致质谱仪离子源高压输出部分体积较大，生产调试维护较困难。

为此本发明提供了一种应用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置，该高压包装置克服了传统磁元件的诸多不足，很好的解决了传统磁性器件的诸多弊端，在确保批量化参数一致性的同时，缩小了质谱仪离子源高压电源模块的体积。

为了便于说明，以下结合附图进一步描述本发明，在本发明应当理解的是，附图并不限定本发明的范围。

典型地，本发明提供一种叠式高压包装置，所述的装置包括：多匝初级线圈、多匝次级线圈和磁芯；

其中，所述的初级线圈和所述的次级线圈设置于PCB板的表面上，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；

并且所述的各个初级线圈和各个次级线圈围绕所述磁芯通孔；和

所述初级线圈和所述次级线圈的匝数比为1:3-30。

本发明所述的装置还可以包括绝缘体，所述绝缘体的位置并没有特别的限制，优选地，所述的绝缘体位于磁芯与初级线圈之间或所述的绝缘体位于初级线圈与次级线圈之间。

在本发明中，一种优选地叠式高压包装置的结构示意图如图1所示。

初级线圈、次级线圈和PCB板

在本发明所述的叠式高压包装置中，初级线圈和次级线圈位于PCB板上。 PCB板每个表面上可以设有一匝或多匝线圈。典型地，线圈位于PCB板上表面和/或下表面上。典型地，线圈位于PCB板表面的示意图如图2所示。

所述PCB板上的初级线圈和次级线圈的形状优选为螺旋形。所述初级线圈和次级线圈可分别通过印制方式与PCB板结合形成印制电路板。初级线圈和次级线圈位于PCB板上，能够实现如同质谱仪离子源高压电源采用的传统变压器的电气隔离及升压功能。

与传统变压器的漆包线相比，线圈位于PCB板上的设计能够省去线圈的骨架，增大了线圈之间的散热面积，减小了高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，进一步提高了电流密度，且省略了传统变压器浸漆烘干的环节，大幅度降低了工艺难度。

在叠式高压包装置，初级线圈和次级线圈匝数、宽度、厚度及其相互关系为叠式高压包装置的重要工艺参数，这些工艺参数及其组合对叠式高压包装置的性能产生重要影响，为了实现本发明的目的，发明人叠式高压包装置的工艺参数进行筛选和优化。

在一个优选例中，所述的初级线圈和和次级线圈分别为扁平状线圈。

在另一优选例中，所述的初级线圈的宽度与初级线圈的厚度比值为5-25，较佳地10-18。

在另一优选例中，所述的次级线圈的宽度与次级线圈的厚度比值为10-40，较佳地18-30。

在另一优选例中，所述的初级线圈和次级线圈的宽度比值为0.5-1.5，较佳地0.8-1.2。

在另一优选例中，所述的初级线圈和次级线圈的厚度比值为0.8-3，较佳地1-3，更佳地1.5-2.5。

在另一优选例中，每层PCB板布含有n匝线圈，其中n为1-6的正整数。

在另一优选例中，在另一优选例中，所述的PCB板布选自下组：单面PCB 板布、双面PCB板布，或其组合。

典型地，所述初级线圈的匝数为2-15个，较佳地2-10个，更佳地4-8个；和/或

所述次级线圈的匝数为20-100个，较佳地40-80个，最佳地50-70个；和/ 或

所述初级线圈的厚度为40-100μm，最佳地60-90μm；和/或

所述次级线圈的厚度为20-70μm，更佳地30-60μm；和/或

所述的初级线的宽度为0.5-1.5mm，较佳地0.8-1.2mm；和/或

所述的次级线圈的宽度为0.5-1.5mm，较佳地0.8-1.2mm。

在另一优选例中，所述PCB板的厚度为0.1-1mm，较佳地0.2-0.8mm，更佳地0.2-0.6mm最佳地0.3-0.5mm。厚度主要取决于电流密度，如果电流密度较小，则可以适当薄一点，如果电流密度较高，则线圈厚度需增加。

在另一优选例中，每层PCB板布含有n匝线圈，其中n为1-6的正整数。

电气连接

本发明所述的叠式高压包装置，初级线圈和次级线圈的电气连接可以为串联连接或并联连接。串联连接或并联连接的示意图如图3所示，

串并联由实际的工程需求决定，典型地，在串联结构中，每层PCB板都设有一排连接孔且位置对齐，但是每层PCB板上的线圈只用其中的两个连接孔，通过这种连接方式实现线圈串联。在并联结构中，每层PCB板都设有两个连接孔且位置对齐，通过该方式实现线圈并联，以提高变压器的电流处理能力。

在另一优选例中，所述初级线圈和次级线上的连接孔通过导线(如铜线) 形成电气连接。

典型地，所述的初级线圈之间的电气连接为并联连接，所述的次级线圈之间的电气连接串联连接。

磁芯

在本发明所述的装置中，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔，并且所述的各个初级线圈和次级线圈围绕所述磁芯通孔，采用这种工艺设计的高压包，其高度得到了有效的降低，同时进一步节省了体积；位于多层 PCB板上的初级线圈和次级线圈围绕所述磁芯，降低了磁性器件的漏感及次级反射至初级的电压，也为后期批量化生产参数的一致性提供了保证。

在一个优选例中，E型磁芯作为叠式高压包装置的磁芯。典型地，E型磁芯的结构示意图如图4所示。磁芯优选为对偶型磁芯(即2个磁性相对)，这种对偶型磁芯结构紧凑，安装便利，为后期调试质谱仪离子源高压电源模块带来了便利，成本也大幅度降低。

仪器或设备

本发明还提供一种仪器或设备，所述的仪器或设备包括本发明所述的叠式高压包装置。

在另一优选例中，所述的仪器或设备为质谱仪。

控制系统

本发明还提供一种控制系统，所述的控制系统有多个模块组成，典型地，所述的控制系统包括：驱动控制模块、直流供电模块、限流采样模块、功率模块、叠式高压包模块、倍压整流模块、隔离反馈模块和高压输出模块。所述控制系统的一个优选运行方式如图5所示。

本发明的主要优点包括：

1、本发明所述的叠式高压包装置采用平面叠加技术，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔，并且所述的各个初级线圈和次级线圈围绕所述磁芯通孔，从而降低了磁性器件的漏感及次级反射至初级的电压，此工艺也为后期批量化生产参数的一致性提供了保证。

2、本发明所述的叠式高压包装置中，初级线圈、次级线圈和磁芯位于多层叠式PCB板上，采用这种设计的叠式高压包装置，其高度得到了有效的降低，同时进一步节省了体积。

3、本发明叠式高压包装置采用PCB布线工艺，有效控制了高压包的漏感降低了高频涡流损耗优点。

4、具有良好的散热特性，较高的绝缘等级。

5、批量化一致性高，初次级电能耦合系数较高。

6、与传统变压器相比，叠式高压包采用PCB布线工艺，省略了线绕骨架，显著提高了电气性能，有效缩小了质谱仪离子源高压电源模块的体积。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

实施例1

叠式高压包装置

本实施例提供一种叠式高压包装置，所述的叠式高压包装置包括：6匝初级线圈、60匝次级线圈和磁芯；

初级线圈和次级线圈通过印制方式与PCB板结合分别形成初级线圈PCB板和次级线圈PCB板，初级线圈PCB板和次级线圈PCB板为双面PCB板，厚度为 0.4mm，且设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；

每块初级线圈PCB板上下表面各设有1匝初级线圈(即每块初级线圈PCB 板设有2匝初级线圈)，需要3块初级线圈PCB板，每块次级线圈PCB板的上下表面各设有3匝线圈(即每块次级线圈PCB板设有6匝次级线圈)，需要10 块次级线圈PCB板；

位于PCB板上的初级线圈和次级线圈为扁平状，初级线圈和次级线圈的宽度为1mm，初级线圈的厚度为75μm，次级线圈的厚度为45μm；

初级线圈的电气连接方式为并联连接，初级线圈的电气连接方式为串联连接；

磁芯为对偶型E型磁芯，所述初级线圈PCB板和次级线圈PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；并且所述的各初级线圈和各次级线圈围绕所述磁芯通孔。

实施例2

实施例2提供的叠式高压包装置与实施例1相似，区别点在于：初级线圈的匝数为4匝，次级线圈的匝数为54匝，初级线圈需要2块初级线圈PCB板, 次级线圈需要9块次级线圈PCB板，初级线圈和次级线圈的宽度为0.8mm，初级线圈的厚度60μm，次级线圈的厚度30μm。

实施例3

实施例3提供的叠式高压包装置与实施例1相似，区别点在于：初级线圈的匝数为8匝，次级线圈的匝数为66匝，初级线圈需要4块初级线圈PCB板, 次级线圈需要11块次级线圈PCB板，初级线圈和次级线圈的宽度为1.2mm，初级线圈的厚度80μm，次级线圈的厚度50μm。

性能测定

对实施例1-3制备的叠式高压包装置的性能进行测定，同时与市售的高压包装置进行对比，具体如下：

性能测试方法：

轻载及重载效率测试：

分别将叠式高压包以及市售高压包装置装入图5所示电路中，后级接入高压电子负载，调节高压电子负载，使待测电路分别处于轻载和重载模式，每次测试时长为10分钟。根据电子负载记录其轻载及重载模式下的工作效率。同时使用红外温度扫描枪分别测试叠式高压包及市售高压包的表面温升。

漏感测试：

分别将叠式高压包及市售高压包装入变压器综合参数测试仪准中，通过测试仪测试其漏感数值。

结果

实施例1-3和市售高压包的性能测定结构如表1所示：

表1

从上述表1中可以看出，与市售高压包相比，实施例1-3具有优异的性能，具体地，与市售相比，实施例1-3制备的高压包的轻载效率和重载效率分别提高了84-103％和30-38％，轻载温升和重载温升分别降低10-12％和19-22％，漏感降低了55-67％，反射电压降低了44-56％，而且实施例1-3制备的高压包的体积明显小于市售高压包。因此，与市售高压包相比，实施例1-3制备的叠式高压包装置有效控制了高压包的漏感，降低了高频涡流损耗，缩小了质谱仪离子源高压电源模块的体积。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于四级杆质谱仪离子源的叠式高压包装置，其特征在于，所述的装置包括：多匝初级线圈、多匝次级线圈和磁芯；

其中，所述的初级线圈和所述的次级线圈设置于PCB板的表面上，所述的各PCB板上设有容许所述磁芯通过的磁芯通孔；

并且所述的各个初级线圈和各个次级线圈围绕所述磁芯通孔；和

所述初级线圈和所述次级线圈的匝数比为1:3-30。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的初级线圈的宽度与初级线圈的厚度比值为5-25，较佳地10-18。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的次级线圈的宽度与次级线圈的厚度比值为10-40，较佳地18-30。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的初级线圈和次级线圈的宽度比值为0.5-1.5，较佳地0.8-1.2。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每层PCB板布含有n匝线圈，其中n为1-6的正整数。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述初级线圈的匝数为2-15个；和/或

所述次级线圈的匝数为20-100个；和/或

所述初级线圈的厚度为40-100μm；和/或

所述次级线圈的厚度为20-70μm；和/或

所述的初级线的宽度为0.5-1.5mm；和/或

所述的次级线圈的宽度为0.5-1.5mm。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的初级线圈和和次级线圈分别为扁平状线圈。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的初级线圈之间的电气连接为并联连接或串联连接；和/或

所述的次级线圈之间的电气连接为并联连接或串联连接。

9.一种四级杆质谱仪，其特征在于，所述四级杆质谱仪包含如权利要求1所述的叠式高压包装置。

10.一种控制系统，其特征在于，所述的控制系统包括：驱动控制模块、直流供电模块、限流采样模块、功率模块、叠式高压包模块、倍压整流模块、隔离反馈模块和高压输出模块。

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