CN112671352A - 一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，包括射频电路、跟随/反相电路、放大电路、谐振电路以及限幅电路，所述射频电路用于生成射频信号；所述跟随/反相电路依据所述射频信号同步生成相位相反的射频跟随信号和射频反相信号；所述放大电路连接所述跟随/反相电路，用于同步放大射频跟随信号和射频反相信号；所述谐振电路用于依据放大后的射频跟随信号和射频反相信号生成RF电场；所述限幅电路连接所述放大电路，用于将放大电路的最大输出电压值限制在预设电压值内。通过采用限幅电路和放大电路的配合方式，可以在提供驱动电源足够的电压幅值输出情况下降低离子漏斗驱动电源占用空间。

Description

一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源

技术领域

本申请涉及测试分析仪器射频电源技术领域，尤其是涉及一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源。

背景技术

质谱仪是一种广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的高端科学仪器。它在环境检测、国土安全、临床分析、有机合成、药物研发、蛋白质和代谢组学等领域具有极其广泛的应用。

质谱仪通常包括电离源、离子传输装置、质量分析器和检测器。离子从产生在到达质量分析器前需要经过复杂的传输路径，在此期间气压条件会从大气压环境逐渐变化到高真空环境，而此过程中大量离子会由于与中性气体发生碰撞等原因而损失掉，最终到达质量分析器的离子量就很少，从而影响仪器的灵敏度。为了提高仪器的灵敏度，在一些大型的质谱仪上都是通过添加离子漏斗的方式辅助离子传输。

但是，由于离子漏斗工作需要有RF电场，所以提供RF电场的射频驱动电源需要满足高电压变化，从而使得射频驱动电源的设置方式受到限制。

相关领域的技术人员亟需突破质谱仪中射频驱动电源的限制而制作小型的便携式质谱仪，以扩大质谱仪的应用范围。

发明内容

本申请目的是提供一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，该射频驱动电源能够以相对小的体积提供高电压变化的RF电场。

本申请的上述申请目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，包括射频电路、跟随/反相电路、放大电路、谐振电路以及限幅电路，

所述射频电路用于生成射频信号；

所述跟随/反相电路依据所述射频信号同步生成相位相反的射频跟随信号和射频反相信号；

所述放大电路连接所述跟随/反相电路，用于同步放大射频跟随信号和射频反相信号；

所述谐振电路用于依据放大后的射频跟随信号和射频反相信号生成RF电场；

所述限幅电路连接所述放大电路，用于将放大电路的最大输出电压值限制在预设电压值内。

通过采用上述技术方案，通过限幅电路与放大电路的配合方式满足了射频驱动电路输出电压的需求。一般的，离子漏斗驱动电源电压幅值要求较高，需要采用变压器或线圈的方式放大射频跟随信号和射频反相信号的电压。但是无论是变压器还是线圈，其不但需要占用很大的设备空间，同时其工作过程还会产生大量热能。而便携式质谱仪体积本身相对较小，采用变压器或线圈放大射频跟随信号和射频反相信号会导致质谱仪内部器件结构紧凑且质谱仪体积过大而不便携带，同时变压器或线圈产生的热能也会影响质谱仪内部紧凑的用电线路和器件，导致用电线路和器件的加速老化，降低质谱仪的使用寿命。通过采用限幅电路和放大电路的配合方式，可以在提供驱动电源足够的电压幅值输出情况下降低离子漏斗驱动电源占用空间。

在一个优选的示例中，所述放大电路为基于运算放大器的比例放大电路。

通过采用上述技术方案，基于运算放大器的比例放大电路本身属于数字放大电路，其构成器件体积小，降低了驱动电源所占空间。

在一个优选的示例中，所述运算放大器的型号为PA88。

通过采用上述技术方案，PA88本身属于一种高压运算放大器，能够输出200V以上的电压。

在一个优选的示例中，所述限幅电路为直流高压电源，所述直流高压电源的两个输出端连接所述运算放大器的电源端。

通过采用上述技术方案，通过调节加载在运算放大器电源端的电压扩大运算放大器的输出范围。

在一个优选的示例中，所述限幅电路连接所述便携式质谱仪的系统供电电源，并将系统供电电源输出的低压直流电升压至±200V直流电后输出。

通过采用上述技术方案，±200V直流电输出提供了运算放大器的输出范围，同时，由于限幅电路直接通过便携式质谱仪的系统供电电源供电，简化了便携式质谱仪内的供电线路设计。

在一个优选的示例中，所述谐振电路包括电感和电容，所述电感和电容串联后并联在所述离子漏斗电场极板两端。

通过采用上述技术方案，第一电感和第一电容串联组成了LC谐振电路，实现了电路的等幅震荡，从而提供了对离子漏斗电场极板稳定的震荡输出。

在一个优选的示例中，所述射频电路为DDS射频电路。

在一个优选的示例中，所述射频电路与所述跟随/反相电路之间还串联有低通滤波电路。

通过采用上述技术方案，低通滤波电路实现了对射频信号的低通滤波，其配合LC震荡电路实现了稳定变化的RF电场输出。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.将高压运算放大器与离子漏斗射频电源技术相结合，降低了离子漏斗射频电源的电源占用空间。

2.整体电源电路工作产生热量低，提高了射频电源的效率，便于质谱仪的集成化设计。

附图说明

图1是本申请实施例便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源的系统框图。

图2是本申请实施例放大电路与谐振电路的连接结构示意图。

图3是本申请实施例功率放大电路的电路图。

图中，1、系统供电电源；2、直流低压电源；3、直流高压电源；4、射频电路；5、低通滤波器；6、跟随/反相电路；7、放大电路；71、正相功率放大电路；72、反相功率放大电路；8、谐振电路；9、电场极板。

具体实施方式

本发明涉及离子漏斗射频驱动电源的改进。提供具体实施例说明是为了使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下说明是在专利申请及其权利要求的范围内提出的。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的设计。因此，本发明不限于所要具体说明的实施例，而是与在此所描述的原理和特征的最宽范围相一致。

本发明的离子漏斗射频电源适用于驱动各种质谱仪的离子漏斗部件。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图以及本发明的一个实施例—一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源对本申请实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本申请实施例提供一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，包括射频电路4、低通滤波器5、跟随/反相电路6、放大电路7、谐振电路8以及限幅电路。射频电路4用于生成射频信号，跟随/反相电路6用于依据射频信号生成相位相反的射频跟随信号和射频反相信号，放大电路7用于分别对射频跟随信号和射频反相信号进行信号放大，放大后的信号经过谐振电路8输出到离子漏斗的电场极板9，从而实现离子漏斗RF电场的输出。

其中，射频电路4包括ARM控制器以及与ARM控制器连接的DDS射频电路4，DDS射频电路4是依据DDS芯片设置的射频电路4。DDS射频电路4在ARM控制器的控制作用下输出500KHz～1MHz的射频信号，射频信号的频率可通过ARM控制器进行控制调节，而通过ARM控制器控制射频电路4输出特定频率信号的方式为成熟技术方案，在此不再赘述。需要说明的是，本实施例中并不对控制器以及射频电路4进行唯一的限定，在替代示例中，可以根据输出射频信号的需求选择不同内核的控制器和DDS芯片之外的组件和配置来实现。

低通滤波器5连接DDS射频电路4，用于接收DDS射频电路4输出的射频信号，并对射频信号进行低通滤波，使得射频信号中频率高的部分被滤去，仅留有低于预设频率的信号部分。预设频率的大小依据谐振电路8的参数预先设定，以保证离子漏斗电场极板9之间的RF电场稳定变化。

跟随/反相电路6包括跟随模块和反相模块，跟随模块和反相模块的输入端均连接低通滤波器5的输出端，射频信号分别经过跟随模块和反相模块生成相位相反的射频跟随信号和射频反相信号，即射频跟随信号和射频反相信号的相位差为180°。在一个示例中，跟随模块和反相模块分别设置为跟随电路和反相器。本实施例中对跟随模块和反相模块的设置方式不做限定，只要能够在不改变射频信号频率情况下将射频信号改变为两个相位差为180°的高输入内阻信号即可。

参照图2，放大电路7包括两个组成相同的功率放大电路7，两个功率放大电路7分别为正相功率放大电路71和反相功率放大电路72，正相功率放大电路71连接跟随模块的输出端，用于对射频跟随信号进行功率放大，反相功率放大电路72连接反相模块的输出端，用于对射频反相信号进行功率放大。

正相功率放大电路71和反相功率放大电路72的输出端均连接有谐振电路8，分别为第一谐振电路8和第二谐振电路8，谐振电路8为LC谐振电路8。其中正相功率放大电路71的第一谐振电路8包括电感L1和电容C1，电感L1和电容C1串联后并联在离子漏斗一对电场极板9两端，且连接电容C1的电场极板9接地，电感L1和电容C1连接的节点连接正相高压功率放大电路7的输出端；连接反相功率放大电路72的第二谐振电路8包括电感L2和电容C2，电感L2和电容C2串联后并联在离子漏斗另一对电场极板9两端，且连接电容C2的电场极板9接地，电感L2和电容C2连接的节点连接反相高压功率放大电路7的输出端。两对电场极板9之间形成RF电场。

参照图2和图3，以其中一个功率放大电路7为例对功率放大电路7结构进行说明。功率放大电路7为基于型号为PA88的运算放大器U1设置的比例放大电路7，运算放大器U1的正相输入端接地，反相输入端通过一固定电阻R1连接跟随模块或反相模块的输出端，固定电阻R1和运算放大器U1连接的节点通过固定电阻R2连接运算放大器U1的输出端。在制作质谱仪时，依据质谱仪的参数设定固定电阻R1和固定电阻R2的比值，从而确定功率放大电路7的放大比例。在另一示例中，固定电阻R1或固定电阻R2也可替换为电位器，从而实现功率放大电路7放大倍数的小范围调节。

参照图1和图3，限幅电路设置为直流高压电源3，直流高压电源3的两个输出端分别连接运算放大器U1的电源端Vs+和电源端Vs-，直流高压电源3的输入端连接便携式质谱仪的系统供电电源1，将系统供电电源1输出的24V直流电转变成±200V直流电。直流高压电源3不但提供了运算放大器U1的工作电源，同时也实现了将运算放大器最大输出电压值限定在预设的±200V内。

参照图1，系统供电电源1还连接有直流低压电源2，直流抵押电源用于将系统供电电源1输出的24V直流电转变成±15V直流电，以提供射频电路4、低通滤波器5和跟随/反相电路6的工作用电。直流低压电源2和直流高压电源3均为成型的DC-DC电源模块，在此不做详细阐述。

由以上内容可知，当需要为离子漏斗施加RF电场时，首先通过ARM控制器驱动DDS射频电路4输出特定频率的射频信号，射频信号分别经过低通滤波器5的低通滤波作用和跟随/反相电路6作用后生成射频跟随信号和射频反相信号，射频跟随信号和射频反相信号经过放大电路7的放大作用后，通过谐振电路8作用于离子漏斗，从而生成RF电场。由于采用了直流高压电路配合运算放大器U1的方式实现了对射频跟随信号和射频反相信号的功率放大，不但消耗功率小，同时也简化了离子漏斗射频驱动电源的电路结构，更有利于质谱仪器的集成化设计。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，包括射频电路(4)、跟随/反相电路(6)、放大电路(7)、谐振电路(8)以及限幅电路，

所述射频电路(4)用于生成射频信号；

所述跟随/反相电路(6)依据所述射频信号同步生成相位相反的射频跟随信号和射频反相信号；

所述放大电路(7)连接所述跟随/反相电路(6)，用于同步放大射频跟随信号和射频反相信号；

所述谐振电路(8)用于依据放大后的射频跟随信号和射频反相信号生成RF电场；

所述限幅电路连接所述放大电路(7)，用于将放大电路(7)的最大输出电压值限制在预设电压值内。

2.根据权利要求1所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述放大电路(7)为基于运算放大器的比例放大电路(7)。

3.根据权利要求2所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述运算放大器的型号为PA88。

4.根据权利要求3所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述限幅电路为直流高压电源(3)，所述直流高压电源(3)的两个输出端连接所述运算放大器的电源端。

5.根据权利要求4所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述限幅电路连接所述便携式质谱仪的系统供电电源(1)，并将系统供电电源(1)输出的低压直流电升压至±200V直流电后输出。

6.根据权利要求1所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述谐振电路(8)包括电感和电容，所述电感和电容串联后并联在所述离子漏斗电场极板(9)两端。

7.根据权利要求6所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述射频电路(4)为DDS射频电路(4)。

8.根据权利要求7所述的一种便携式质谱仪的离子漏斗射频驱动电源，其特征在于，所述所述射频电路(4)与所述跟随/反相电路(6)之间还串联有低通滤波电路。

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