CN112241132A - 四级杆质谱仪扫描速率的控制装置和方法 - Google Patents

四级杆质谱仪扫描速率的控制装置和方法 Download PDF

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刘立鹏
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Abstract

本发明提供了四级杆质谱仪扫描速率的控制装置和方法，四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，所述四级杆质谱仪包括RF驱动电路、DC驱动电路和第一空心电感线圈；所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置包括：天线呈环状，设置在所述第一空心电感线圈轴向的侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；所述天线的中心到所述第一空心电感线圈的中心轴线的距离L与所述第一空心电感线圈的直径R关系为
Figure DDA0002691072630000011
分压电路连接所述第一空心电感线圈的输出端，用于输出对应射频电源的直流电压U的第二信号；计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure DDA0002691072630000012
或
Figure DDA0002691072630000013
控制模块用于判断
Figure DDA0002691072630000014
或
Figure DDA0002691072630000015
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。本发明具有实时自我调整等优点。

Description

四级杆质谱仪扫描速率的控制装置和方法
技术领域
本发明涉及质谱仪，特别涉及基于四级杆质谱仪扫描速率的控制装置和方法。
背景技术
在四极杆质谱仪中，当离子入射到四极杆质量分析器到从四极质量分析器出射期间的时间变短即扫描速度变大，此时质谱图的质量轴和分辨率都会发生改变。从四极杆质量分析器原理上来分析，导致这个现象由于施加在四极杆上的直流电压U与高频电压的振幅V的电压比U/V发生变化。由于离子通过条件改变，可能导致离子量减少、检测灵敏度下降，分辨率变差。但由于RF放大电路和DC放大电路的频率响应是不同的，不同的扫描速率会导致RF电压V和DC电压U的比值不同，如果此比值发生变化导致质量轴和分辨率都发生变化，这造成仪器分析误差，所以需要从软件或电路上解决该问题。目前的解决方法为：
1.通过增加离子动能的方法，即通过在四极杆质量分析器上再叠加一个偏置电压，增加离子动能，从而提高离子通过四极杆分析器的速度来解决，此方法并不能完全解决电路本身非线性，且由于结构装配等原因此方法不能彻底解决该问题。
2.通过软件补偿，在不同扫描速率下，分别校准分辨率和质量轴，通过在mcu内部制作一个补偿表格，在不同扫描速率下做软件的补偿算法，这种方法是离散的，不能连续调节。
由上可见，上述两种方法均不能很好解决技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种稳定性好、具有自适应功能的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，所述四级杆质谱仪包括RF驱动电路、DC驱动电路和第一空心电感线圈，所述RF驱动电路和DC驱动电路的输出端连接第一空心电感线圈，所述第一空心电感线圈的输出端连接四级杆；所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置包括：
天线，所述天线呈环状，设置在所述第一空心电感线圈轴向的侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；所述天线的中心到所述第一空心电感线圈的中心轴线的距离L与所述第一空心电感线圈的直径R关系为
Figure BDA0002691072610000021
分压电路，所述分压电路连接所述第一空心电感线圈的输出端，用于得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
计算模块，所述计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure BDA0002691072610000022
或
Figure BDA0002691072610000023
控制模块，所述控制模块用于判断
Figure BDA0002691072610000024
或
Figure BDA0002691072610000025
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
本发明的另一目的在于提供了应用四级杆质谱仪扫描速率的控制装置的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制方法为：
天线耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；
利用分压电路得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure BDA0002691072610000026
或
Figure BDA0002691072610000027
控制模块判断
Figure BDA0002691072610000028
或
Figure BDA0002691072610000029
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.稳定性好；
实时、精确地测量RF电压和DC电压，并判断二者比值是否变化，从而去调整RF驱动电路和/或DC驱动电路，在提高质谱仪扫描速率的同时保证了质量轴和分辨率的稳定；
天线形状和位置的特殊设计，提高了幅值检测精度，且响应速度高，提高了幅值检测的实时性，进一步提高了稳定性；
2.具有自适应功能；
实时、精确地测量RF电压和DC电压，并判断二者比值是否变化，从而去调整RF驱动电路和/或DC驱动电路，使得比值稳定，形成了闭环控制，实现了环境温度等条件改变时自动适应；
3.实现了实时、连续调节；
控制装置采用电路来实现，电路本身抗干扰能力强、调节速度快、精度高、实时性好，实现了连续调节，并避免了器件差异性导致RF放大电路和DC放大电路的频率响应差异性。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法的流程图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
本发明实施例的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，所述四级杆质谱仪包括RF驱动电路、DC驱动电路和第一空心电感线圈，所述RF驱动电路和DC驱动电路的输出端分别连接第一空心电感线圈和第二空心电感线圈，所述第一空心电感线圈的输出端连接四级杆的二个电极，第二空心电感线圈的输出端连接四级杆的另外二个电极；所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置包括：
天线，所述天线呈环状，设置在所述第一空心电感线圈轴向的侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；所述天线的中心(即天线围出区域的中心)到所述第一空心电感线圈的中心轴线的距离L与所述第一空心电感线圈的直径R关系为
Figure BDA0002691072610000041
分压电路，所述分压电路连接所述第一空心电感线圈的输出端，用于得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
计算模块，所述计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure BDA0002691072610000042
或
Figure BDA0002691072610000043
控制模块，所述控制模块用于判断
Figure BDA0002691072610000044
或
Figure BDA0002691072610000045
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路，从而实时维持
Figure BDA0002691072610000046
或
Figure BDA0002691072610000047
的稳定。
为了实时、精确地耦合出第一信号，进一步地，穿过所述天线的中心并垂直于天线所在平面的直线和所述第一空心电感线圈的中心轴线间的夹角
Figure BDA0002691072610000048
为了实时、精确地耦合出第一信号，进一步地，所述天线呈圆环形或三角形或椭圆或部分圆。
为了更精确地获得
Figure BDA0002691072610000049
或
Figure BDA00026910726100000410
进一步地，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置还包括：
处理模块，所述处理模块包括高通滤波器、低通滤波器和整流器；所述天线的输出端依次连接高通滤波器和整流器；所述分压电路的输出端连接所述低通滤波器。
为了更精确地获得
Figure BDA00026910726100000411
或
Figure BDA00026910726100000412
进一步地，所述处理模块还包括：
第一信号放大器，第一信号放大器的输入端连接所述整流器，输出端连接所述计算模块；
第二信号放大器，所述第二信号放大器的输入端连接所述低通滤波器，输出端连接所述计算模块；所述第一信号放大器和第二信号放大器中任一是反向信号放大器。
为了更快地控制，进一步地，所述处理模块、计算模块和控制模块分别采用电路。
为了更快和更精准地控制，进一步地，所述控制模块包括依次连接的模数转换器、FPGA和数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
图1给出了本发明实施例的利用上述控制装置的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，如图1所示，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制方法为：
天线在第一空心电感线圈的轴向侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；
利用电容或电阻在分压电路中得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure BDA0002691072610000051
或
Figure BDA0002691072610000052
控制模块判断
Figure BDA0002691072610000053
或
Figure BDA0002691072610000054
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路，从而实时维持
Figure BDA0002691072610000055
或
Figure BDA0002691072610000056
的固定。
实施例2：
根据本发明实施例1的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置及方法的应用例。
在该应用例中，质谱仪采用单杆四级杆或三重四级杆；
金属天线采用圆环状，设置在第一空心电感线圈的轴向侧部；天线的中心轴线和第一空心电感线圈的中心轴线共线，也即天线的中心和第一空心电感线圈间的距离为零，天线的中心轴线和第一空心电感线圈的中心轴线间夹角为零；利用天线耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号，第一信号依次送处理模块的高通滤波电路、整流电路和反向放大电路；
分压电路连接所述第一空心电感线圈的输出端，利用高压电容在分压电路中得到对应直流电压U的第二信号，第二信号依次送处理模块中的低通滤波电路和同向放大电路；
计算模块采用乘法电路，连接所述同向放大电路和反向放大电路，获得
Figure BDA0002691072610000061
控制模块包括依次连接的16位模数转换器、FPGA和16位数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述DC驱动电路：FPGA判断当前
Figure BDA0002691072610000062
是否改变，如果改变，则利用PID控制算法得到DC驱动电路的控制电压的变化量，并利用16位数模转换器输出到DC驱动电路，完成控制电压的变化。
本发明实施例的利用上述控制装置的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制方法为：
天线在第一空心电感线圈的轴向侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；
利用电容在分压电路中得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
第一信号依次送高通滤波电路、整流电路和反向放大电路；第二信号依次送低通滤波电路和同向放大电路；
计算器连接所述同向放大电路和反向放大电路，获得
Figure BDA0002691072610000063
16位模数转换器将模拟信号
Figure BDA0002691072610000064
转换成数字信号并送FPGA；
FPGA判断当前
Figure BDA0002691072610000065
是否改变，如果改变，则利用现有的PID控制算法实时得到直流驱动电路的控制电压的变化量；
16位数模转换器将变化量的数字信号转换为模拟信号，并输出到直流驱动电路，完成控制电压的变化，从而实时维持
Figure BDA0002691072610000066
的固定。
实施例3：
根据本发明实施例1的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置及方法的应用例，与实施例2不同的是：
1.金属天线是三角形环状，三角形中心和第一空心电感线圈中心轴线间的距离与所述第一空心电感线圈的直径R关系为
Figure BDA0002691072610000071
如
Figure BDA0002691072610000072
或
Figure BDA0002691072610000073
等；
天线的穿过三角形中心的中心轴线与第一空心电感线圈中心轴线间的夹角
Figure BDA0002691072610000074
如5度、10度、15度、20度、30度。
2.利用电阻在分压电路中得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
第一信号依次送处理模块的高通滤波电路、整流电路和同向放大电路；第二信号依次送处理模块中的低通滤波电路和反向放大电路；
计算模块获得
Figure BDA0002691072610000075
FPGA判断当前
Figure BDA0002691072610000076
是否改变，如果改变，则利用PID控制算法得到DC驱动电路的控制电压的变化量，并利用16位数模转换器输出到DC驱动电路，完成控制电压的变化。
上述实施例仅是示例性地给出了天线是圆环状、三角形状，当然还可以是其它规则或无规则形状，如椭圆环状，半圆环状、矩形环等形状。

Claims (10)

1.四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，所述四级杆质谱仪包括RF驱动电路、DC驱动电路和第一空心电感线圈，所述RF驱动电路和DC驱动电路的输出端连接第一空心电感线圈，所述第一空心电感线圈的输出端连接四级杆；其特征在于，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置包括：
天线，所述天线呈环状，设置在所述第一空心电感线圈轴向的侧部，耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；所述天线的中心到所述第一空心电感线圈的中心轴线的距离L与所述第一空心电感线圈的直径R关系为
Figure FDA0002691072600000011
分压电路，所述分压电路连接所述第一空心电感线圈的输出端，用于得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
计算模块，所述计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure FDA0002691072600000012
或
Figure FDA0002691072600000013
控制模块，所述控制模块用于判断
Figure FDA0002691072600000014
或
Figure FDA0002691072600000015
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
2.根据权利要求1所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，穿过所述天线的中心并垂直于天线所在平面的直线和所述第一空心电感线圈的中心轴线间的夹角
Figure FDA0002691072600000016
3.根据权利要求1所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述天线呈圆环形或三角形或椭圆或部分圆。
4.根据权利要求1所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制装置还包括：
处理模块，所述处理模块包括高通滤波器、低通滤波器和整流器；所述天线的输出端依次连接高通滤波器和整流器；所述分压电路的输出端连接所述低通滤波器。
5.根据权利要求4所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述处理模块还包括：
第一信号放大器，第一信号放大器的输入端连接所述整流器，输出端连接所述计算模块；
第二信号放大器，所述第二信号放大器的输入端连接所述低通滤波器，输出端连接所述计算模块；所述第一信号放大器和第二信号放大器中任一是反向信号放大器。
6.根据权利要求4所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述处理模块、计算模块和控制模块分别采用电路。
7.根据权利要求1或6所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述控制模块包括依次连接的模数转换器、FPGA和数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
8.根据权利要求1所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制装置，其特征在于，所述质谱仪采用单杆四级杆或三重四级杆。
9.根据权利要求1-8任一所述的控制装置的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，所述四级杆质谱仪扫描速率的控制方法为：
天线耦合出对应射频电压的幅值V的第一信号；
利用分压电路得到对应射频电源的直流电压U的第二信号；
计算模块连接所述天线和分压电路，获得
Figure FDA0002691072600000021
或
Figure FDA0002691072600000022
控制模块判断
Figure FDA0002691072600000023
或
Figure FDA0002691072600000024
是否变化，并在判断结果为是时调整所述RF驱动电路和/或DC驱动电路。
10.根据权利要求9所述的四级杆质谱仪扫描速率的控制方法，其特征在于，利用电容或电阻从分压电路获得对应射频电源的直流电压U的第二信号。
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