CN114424436A - 用于质谱仪离子检测器的超低噪声浮置高压电源 - Google Patents

Abstract

一种用于质谱仪的高压电源系统包括：地参考电源，其具有含初级绕组和次级绕组的第一变压器，该初级绕组与第一AC电源电耦合；以及浮置偏压电源，其具有含初级绕组和次级绕组的第二变压器，第二变压器的初级绕组与第二AC电源电耦合。浮置偏压电源的返回电路径与地参考电源电耦合，以偏置地参考电源的输出电压。浮置屏蔽件围绕浮置偏压电源设置，并且至少一个电阻元件位于浮置偏压电源的返回电路径中，以减少从浮置偏压电源耦合到地参考电源的噪声。

Description

用于质谱仪离子检测器的超低噪声浮置高压电源

相关申请

本申请要求于2019年9月24日提交的标题为“Ultra Low Noise Floated HighVoltage Supply for Mass Spectrometer Ion Detector”的美国临时专利申请No.62/905,029的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及用于降低两个高压电源之间的噪声耦合的系统和方法，并且更具体地，涉及用于降低质谱系统中采用的浮置偏压电源和地参考电压电源之间的噪声耦合的系统和方法。

背景技术

在质谱系统中采用高压电源向系统的各种部件施加电压。举例来说，在质谱分析系统中采用用于向这种系统的离子检测器施加偏置电压的高压电源。在一些配置中，浮置高压电源与地参考电源电耦合，使得浮置高压电源偏置地参考电源的输出电压。在这种配置的常规设计中，电流纹波可以从浮置高压电源的次级绕组流到地参考电源的输出电容器，从而在输出处产生纹波电压。这种纹波电压可以增加离子检测器中的噪声，因此对离子检测的信噪比产生不利影响。

因此，需要用于降低高压电源中的噪声的方法和系统，并且具体地，需要可以用于在具有质谱应用的电浮置配置中降低两个高压电源之间的噪声的这样的方法和系统。

发明内容

在一方面，公开了一种用于质谱仪中的高压电源系统，该高压电源系统包括：地参考电源，其具有包括初级绕组和次级绕组的第一变压器，该初级绕组与第一AC电源电耦合；浮置偏压电源，其具有包括初级绕组和次级绕组的第二变压器，第二变压器的初级绕组与第二AC电源电耦合。浮置偏压电源的返回电路径与地参考电源电耦合，以便偏置地参考电源的输出电压。另外，浮置屏蔽件围绕浮置偏压电源设置，并且至少一个电阻元件设置在浮置偏压电源的返回电路径中，以减少从浮置偏压电源耦合到所述地参考电压电源的噪声。

浮置屏蔽件可以提供从浮置偏压电源的返回电路径到地的低AC阻抗路径。

设置在返回电路径中的电阻元件可以与电容串联耦合以便增强返回电路径的阻抗，该电容与浮置屏蔽件相关联。在一些实施例中，电阻元件的电阻可以在约10kΩ至约1MΩ的范围内，例如，在约100kΩ至约500kΩ的范围内。在一些实施例中，与浮置屏蔽件相关联的电容可以在约6pF至约100nF的范围内，例如，在约100pF至约50nF的范围内。

在一些实施例中，法拉第屏蔽件设置在浮置电压电源的变压器中，以便减少变压器的次级绕组与初级绕组之间的寄生的耦合。在一些实施例中，法拉第屏蔽件可以将该耦合减小约2倍至约100倍。

在一些实施例中，返回电路径经由至少一个电容器与地电容耦合。在一些实施例中，这样的电容器的电容可以在约6pF至约100nF的范围内。

在一些实施例中，地参考电源可以提供约0至约20kV的范围内(例如，在约0至10kV的范围内)的输出电压。

在一些实施例中，浮置偏压电源可以耦合到质谱仪的离子检测器，以向其施加高电压。

在相关方面，公开了一种质谱仪，该质谱仪包括:质量分析仪；离子检测器，其设置在质量分析仪的下游；以及高压电源系统，其被配置为向离子检测器施加高电压。高压电源系统可以包括地参考电压电源，其具有包括初级绕组和次级绕组的第一变压器，该初级绕组与第一AC电源电耦合。高压电源系统还可以包括浮置偏压电源，其具有包括初级绕组和次级绕组的第二变压器，该第二变压器的初级绕组与第二AC电源电耦合。浮置偏压电源的返回电路径与地参考电压电源电耦合，以便偏置地参考电源的输出电压。浮置屏蔽件围绕浮置偏压电源设置，并且至少一个电阻元件设置在浮置偏压电源的返回电路径中，以减少从浮置偏压电源耦合到地参考电压电源的噪声。

可以通过结合以下简要描述的相关图参考以下详细描述，获得本公开的各个方面的进一步理解。

附图说明

图1示意性描绘了根据本教导的实施例的高压电源系统，

图2示意性描绘了图1中描绘的高压电源系统的选定部分，

图3示意性地描绘了可以用于将由向浮置偏压电源的变压器的初级绕组施加AC电压的AC电压源产生的AC电压的相位与地参考电压电源同步的控制器的示例，以及

图4示意性描绘了其中可以采用根据本公开的高压电源系统的质谱仪。

具体实施方式

本公开提供了用于在具有质谱应用的电浮置配置中降低两个高压电源之间的噪声耦合的方法和系统。在这种配置中，一个电源返回参考电接地，并且第二电源使用其他电源的输出作为返回参考。众所周知，以这种方式连接两个电源可以产生诸如从浮置电源到接地参考电源的纹波或噪声耦合之类的不期望影响。这种波纹或噪声可以导致质谱系统的性能劣化。如下面详细讨论的，本公开的方法和系统可以显著降低这种纹波或噪声耦合，并因此提高了例如当用于质谱分析系统时的高压电源系统的性能。

图1和图2示意性描绘了根据本公开的实施例的电源系统10，其包括地参考电压电源100(在本文中也称为地参考电源或衬垫电源)和浮置偏压电源200(在本文中也称为偏置电源)，浮置偏压电源200与地参考电源100电耦合，以便以下面更详细讨论的方式向其施加偏压。浮置偏压电源200可以向质谱仪400的离子检测器406施加偏压，并且衬垫电源100可以向质谱仪的衬垫元件408施加电压，如下面更详细讨论的。

浮置偏压电源200包括变压器202，变压器202包括初级绕组202a和次级绕组202b。初级绕组202a经由电容器C1从AC电源204接收AC(交流)电压。在该实施例中，变压器的初级绕组202a与AC电压源204耦合。变压器的次级绕组可以将由AC源施加到初级绕组的AC电压升压，并将升压后的电压施加到浮置偏压电源的下游部件，如以下讨论的。

在该实施例中，法拉第屏蔽件210设置在其初级绕组和次级绕组之间的浮置偏压电源的变压器中，以抑制初级绕组与次级绕组之间的寄生的耦合。

另外，浮置金属屏蔽件220围绕偏压源200设置。如下面更详细讨论的，浮置金属屏蔽件220在浮置偏压电源的变压器的次级绕组的一个端子到其另一个端子之间提供低阻抗路径，这可以有助于抑制噪声电流经由通过衬垫电压源的路径返回到第二端子。

衬垫电压电源100还包括变压器102，变压器102包括从AC电压源104接收AC电压的初级绕组102a以及将初级绕组的电压升压并将升压后的电压施加到衬垫电压电源的下游部件的次级绕组102b。在该实施例中，初级绕组102a经由电容器C16与AC电压源104耦合。

继续参考图1和图2，电连接路径110将偏压电源200电连接到地参考电压电源100，以使通过浮置偏压电源能够将偏压施加到地参考电压电源。在该实施例中，电连接路径110包括浮置偏压电源的返回电路径222，返回电路径222在本文中称为“返回电路径”。

电连接路径110从浮置偏压电源200的变压器的次级绕组202b的端子A经由寄生电容器C9延伸到电接地，并通过电接地延伸到与衬垫电源相关联的电容器C21的端子D。连接路径110还从电容器C21的端子C经由浮置偏压电源的返回电路径222延伸到浮置偏压电源的变压器的次级绕组的端子B。

在该实施例中，两个电阻元件R5和R7设置在浮置偏压电源的返回电路径中，以减轻从浮置偏压电源注入衬垫电源中的噪声。尽管在该实施例中描绘了两个电阻元件，但在其它实施例中，可以采用一个或两个以上的电阻元件。在一些实施例中，电阻元件R5和R7的组合的电阻可以例如在约10kΩ至约1MΩ的范围内，例如，在约100kΩ至约500kΩ的范围内，或者在约200kΩ至约400kΩ的范围内。

在一些实施例中，设置在浮置偏压电源的返回路径中的电阻元件R5和R7可以将由浮置偏压电源注入到衬垫电源的噪声降低约20倍至约100倍的范围内(例如，在约30倍至约90倍的范围内或在约40倍至约80倍的范围内或在约50倍至约70倍的范围内)。举例来说，电阻元件R5和R7有助于将从浮置偏压电源注入到衬垫电源的噪声降低到小于约60mVpp(毫伏峰到峰)的水平。

通过考虑电压互感器的固有特性是其初级绕组和次级绕组之间的寄生的耦合，可以进一步理解根据本公开的各种元件用于减少浮置偏压电源和衬垫电源之间的噪声耦合的作用。浮置偏压电源的变压器的初级绕组与次级绕组之间的这种寄生的耦合在本文中被描绘为电容器C9，并且衬垫电源的变压器的初级绕组与次级绕组之间的相应寄生耦合在本文中由电容器C24表示。此外，将浮置偏压电源放置在连接到偏置变压器TX1端子的返回端的金属浮置屏蔽件220内的固有副作用是在浮置偏压电源的变压器的次级绕组的端子A与外封壳之间存在寄生电容。这种寄生电容在本文中由电容器C40表示，并与变压器202的次级绕组并联。

衬垫变压器的次级绕组与地之间的电容耦合在本文中由电容器C41表示。

在衬垫电源中，电容器C24和C41与绕组间电容器C17并联电连接，绕组间电容器C17明显大于C24和C41。这些电容器略微增加了变压器TX2上的容性负载，但没有对电路的功能产生任何不良影响。

相比之下，在浮置偏压电源中，电容器C9提供了在偏压电源的变压器202的次级绕组202b的端子A处存在的电压信号通向地的路径。这样的路径使得AC电流能够通过C9流到地。如果不存在电阻器R7和R5，则电流将经由C9经由并联连接的电容器C10和C21返回到变压器202的次级绕组的端子B(参见图2)。更具体地，由于C21与C10相比具有大得多的电容，因此大多数这种AC电流将经由衬垫电压电源的电容器C21返回到偏压变压器202的次级绕组的端子B。因此，这种AC电流可以在电容器C21两端产生AC电压纹波。通常，电容器C21的阻抗远低于电容器C9和C10的阻抗。例如，C21、C10和C9的典型阻抗如下:C21为约1400欧，C10为约10千欧并且C9大于约1千欧。尽管如此，由于在浮置偏压电源的变压器的次级绕组的端子A处存在典型的高幅值信号以及C9/C21分压器配置，沿着该路径循环的电流可以在跨C21产生幅值将不期望地在衬垫电源的输出处出现的AC电压纹波。

为了减少在跨C21循环的AC电流，在C10和C21之间的返回路径222中添加表现出高电阻的电阻器R5和R7。通过增加这些电阻器，经由C9的大部分电流被迫使经由C10返回到变压器202的端子B通向地，C10是浮置屏蔽盒的电容。变压器202的端子A上的AC电压可以在C10两端形成纹波电压，该纹波电压按比率C10/C9衰减并通过网络R7+R5和C21的滤波作用进一步衰减。

变压器法拉第屏蔽件210、浮置金属屏蔽件220以及电流减小电阻器R5和R7的使用可以减小经由偏压源注入到衬垫电源中的不期望的电流的幅值。特别地，在一些实施例中，变压器法拉第屏蔽件可以将电容器C9的电容减小例如在约5倍至10倍的范围内，这进而可以增加C9的阻抗并降低通过该电容器返回的电流的幅值。从而减小了衬垫电源输出处不期望的纹波的大小。

浮置金属屏蔽件将220的接地电容(C10)进而可以为流过电容器C9的电流提供来自浮置偏压电源的次级绕组的端子B的交替的低阻抗路径。电阻器R7和R4将有利地减小并且优选地抑制流过电容器C21的电流，因此减小了衬垫上的电压纹波。

如以上讨论的，浮置金属屏蔽件220将向地添加寄生电容器C10。该电容器将创建电流流过电容器C9以经由表现出比从C9延伸到C21的路径表现出的阻抗高得多(例如，大了大约10倍到大约20倍的范围)的阻抗的路径返回到浮置偏压电源的变压器的次级绕组的端子B的新路径。因此，电容器C10不会相当大地增加C21两端的电压纹波的幅值。另外，电阻元件R5和R7增加了返回路径222的阻抗(例如，从几千欧至约几百千欧)，因此导致电容器跨C21的电压纹波的幅值减小例如10至100倍，在某些情况下，更多倍。换句话说，在许多实施例中，流过电容器C9的电流将使用电容器C10作为返回路径，因此任何电压纹波中的大部分将出现在电容器C10两端，其不存在于衬垫电压源的输出处。

另外，在一些实施例中，由AC电压源104和204分别施加到偏压源和地参考电压源的变压器102和202的AC信号的相位可以同步，使得由浮置偏压源200产生的电压纹波将从由衬垫电源产生的电压纹波中减去，从而导致衬垫电源的输出处的整体纹波减小。

作为示例并参考图1，与AC电压源104和204通信的控制器12可以使由那些电压源产生的AC电压的相位同步，以便确保由浮置偏压电源200产生的电压纹波将从由衬垫电压源100产生的电压纹波中减去。可以使用本公开所告知的本领域中已知的技术在硬件、固件和/或软件中实现控制器12。举例来说，图3示意性描绘了包括处理器14、随机存取存储器(RAM)16、只读存储器(ROM)18和通信总线20的这样的控制器12的实现方式的示例，通信总线20使处理器与其他部件之间能够通信。控制器12还可以包括使得控制器12与AC电压源104和204之间能够通信的通信模块22。用于使AC电压的相位同步的指令可以被存储在ROM18中，并在运行时由处理器传递到RAM 16，以便执行。

再次参照图1，在浮置偏压电源中，电容器C2和C6与二极管D1和D2一起形成常规的两倍电压倍增器，这可以减少对用于将施加到其初级绕组的AC电压倍乘的浮置偏压电源的变压器210的需求。浮置偏压电源200还包括由电阻器R1和R2以及电容器C7和C8形成的滤波器。该滤波器是用于减小偏置电源的输出处的差分电压的差分滤波器。

继续参照图1，衬垫电源100包括由统一提供常规倍增器配置的二极管D3、D4、D5和D6和电容器C39、C30、C11和C12形成的四倍电压倍增器。四倍电压倍增器减少了对用于放大由AC电压源104施加到衬垫电源的变压器的初级绕组的电压的衬垫电源的变压器100的需求。

如上所述，可以在诸如具有飞行时间质量分析仪、四极质量分析仪还有其它之类的质谱仪的各种质谱仪中采用根据本公开的高压电源系统。举例来说，这样的高压电源系统可以用于提供离子加速和/或向质谱仪的离子检测器施加必备的电压。

通过图示，参考图4以及图1，根据本公开的实施例的质谱仪400包括用于产生离子的离子源402、用于分析离子的质量分析仪404和用于检测离子的离子检测器406，还有其他元件。在该实施例中，高压电源系统100可以向质谱仪的离子检测器施加偏压，并向质谱仪的衬垫元件施加偏压。更具体地，如图1中描绘的，在该实施例中，采用浮置偏压电源的输出电压来偏置离子检测器，并且采用地参考电压电源的输出电压来偏置质谱仪的衬垫元件。

质量分析仪404可以是本领域中已知的质谱系统中采用的任何合适的质量分析仪。举例来说，质量分析仪404可以是飞行时间质量分析仪、四极质量分析仪、串联四极-四极质量分析仪，以及其它。

本领域的普通技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对以上实施例进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于质谱仪的高压电源系统，包括：

地参考电源，所述地参考电源具有包括初级绕组和次级绕组的第一变压器，所述初级绕组与第一AC电源电耦合，

浮置偏压电源，所述浮置偏压电源具有包括初级绕组和次级绕组的第二变压器，所述第二变压器的所述初级绕组与第二AC电源电耦合，

其中，所述浮置偏压电源的返回电路径与所述地参考电源电耦合，以便偏置所述地参考电源的输出电压，

浮置屏蔽件，所述浮置屏蔽件围绕所述浮置偏压电源设置，以及

至少一个电阻元件，所述至少一个电阻元件设置在所述浮置偏压电源的所述返回电路径中，以减少从所述浮置偏压电源耦合到所述地参考电源的噪声。

2.根据权利要求1所述的高压电源系统，其中，所述浮置屏蔽件提供从所述浮置偏压电源的所述返回电路径到地的低AC阻抗路径。

3.根据权利要求2所述的高压电源系统，其中，所述至少一个电阻元件与电容串联耦合以便增强所述返回电路径的阻抗，所述电容与所述浮置屏蔽件相关联。

4.根据权利要求3所述的高压电源系统，其中，所述至少一个电阻元件的电阻在约10kΩ至约1MΩ的范围内。

5.根据权利要求4所述的高压电源系统，其中，所述至少一个电阻元件的电阻在约100kΩ至约1MΩ的范围内。

6.根据权利要求3所述的高压电源系统，其中，与所述浮置屏蔽件相关联的所述电容在约6pF至约100nF的范围内。

7.根据权利要求6所述的高压电源系统，其中，与所述浮置屏蔽件相关联的所述电容在约100pF至约50nF的范围内。

8.根据权利要求1所述的高压电源系统，还包括法拉第屏蔽件，所述法拉第屏蔽件设置在所述第二变压器中以便减少所述第二变压器的初级绕组与次级绕组之间的寄生的耦合。

9.根据权利要求8所述的高压电源系统，其中，所述法拉第屏蔽件将所述耦合减小至少约2pF。

10.根据权利要求8所述的高压电源系统，其中，所述法拉第屏蔽件将所述耦合减小约2倍至约100倍。

11.根据权利要求1所述的高压电源系统，其中，所述返回电路径经由至少一个电容器与地电容耦合。

12.根据权利要求1所述的高压电源系统，其中，所述地参考电源提供约0至约20kV的范围内的输出电压。

13.根据权利要求10所述的高压电源系统，其中，所述浮置偏压电源提供约0至约10kV的范围内的偏压。

14.根据权利要求1所述的高压电源系统，其中，所述浮置偏压电源耦合到所述质谱仪的离子检测器，以向所述离子检测器施加偏压。

15.一种质谱仪，包括：

质量分析仪，

离子检测器，所述离子检测器设置在所述质量分析仪的下游，以及

高压电源系统，所述高压电源系统被配置为向所述离子检测器施加高电压，

其中，所述高压供电系统包括：

地参考电源，所述地参考电源具有包括初级绕组和次级绕组的第一变压器，所述初级绕组与第一AC电源电耦合，

浮置偏压电源，所述浮置偏压电源具有包括初级绕组和次级绕组的第二变压器，所述第二变压器的所述初级绕组与第二AC电源电耦合，

其中，所述浮置偏压电源的返回电路径与所述地参考电源电耦合，以便偏置所述地参考电源的输出电压，

浮置屏蔽件，所述浮置屏蔽件围绕所述浮置偏压电源设置，以及

至少一个电阻元件，所述至少一个电阻元件设置在所述浮置偏压电源的所述返回电路径中，以减少从所述浮置偏压电源耦合到所述地参考电源的噪声。

16.根据权利要求15所述的质谱仪，其中，所述浮置屏蔽件提供从所述浮置偏压电源的所述返回电路径到地的低AC阻抗路径。

17.根据权利要求15所述的质谱仪，其中，所述至少一个电阻元件与电容串联耦合以便增强所述返回电路径的阻抗，所述电容与所述浮置屏蔽件相关联。

18.根据权利要求17所述的质谱仪，其中，所述至少一个电阻元件的电阻在约10kΩ至约1MΩ的范围内。

19.根据权利要求18所述的质谱仪，其中，与所述浮置屏蔽件相关联的所述电容在约6pF至约100nF的范围内。

20.根据权利要求15所述的质谱仪，其中，所述返回电路径经由至少一个电容器与地电容耦合。

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