CN114999887A - 一种多级高压脉冲发生器及飞行时间质谱仪多级聚焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级高压脉冲发生器及飞行时间质谱仪多级聚焦装置，该多级高压脉冲发生器的第二高压输入端与第一开关件的输入端连接，第一开关件的输出端经第一脉冲耦合电容与第一输出端连接，第三高压输入端与第二开关件的输入端连接，第二开关件的输出端经第二脉冲耦合电容与第二输出端连接，第一高压输入端接在第一脉冲耦合电容与第一输出端的连接处，第一高压输入端接在第二脉冲耦合电容与第二输出端的连接处。本发明将单次脉冲发生器拓展为多级脉冲发生器，通过调整每一路脉冲发生器的电压和持续时间，实现对离子的多次聚焦，提升了分辨率，解决了质谱仪宽范围测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高压脉冲发生技术领域，特别涉及一种多级高压脉冲发生器及飞行时间质谱仪多级聚焦装置。
背景技术
飞行时间质谱仪(Time of Flight Mass Spectrometer，TOF)是一种很常用的质谱仪。这种质谱仪的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离。
在飞行时间质谱仪离子源中，通常采用高压脉冲发生器对电离的离子进行推斥或引出，然后进入飞行时间质量分析器进行检测，因此高压脉冲发生器在飞行时间质谱仪中具有重要作用。
由于激光激发的离子具有动能分散和位置分散两种特性，极大影响了飞行时间质谱仪的分辨率，目前可以通过单级脉冲发生器实现对离子的聚焦，但是聚焦作用仅有一次，并且不同质量数的离子所需要的脉冲电压和持续时间都是不一样的，单次的聚焦无法满足宽范围测量并且分辨率也会受限。如：申请号为CN201721206264.8，发明名称为一种高压耦合脉冲发生器及飞行时间质谱仪的中国专利，将三级管作为高压脉冲发生装置的核心部件，仅可进行单次脉冲输出，应用于质谱仪中，仅可使飞行时间质谱仪的离子进行单次聚焦，无法在同时兼顾不同质量段的离子达到质谱仪性能最优。
申请号为CN201610430851.9，发明名称为一种用于高压下拉脉冲发生装置的脉冲驱动电路的中国专利，将HTS150快速开关管作为高压脉冲发生装置的核心部件，价格昂贵，且仅与单个高压直流电源配合，实现了单极性输出。在主电路中，其输出端仅有恒定高压HVOUT1与脉冲高压HVOUT2，由于脉冲输出单元仅能做到单极性输出，则HVOUT1和HVOUT2仅能存在一种离子聚焦状态，仅能做到单次聚焦。
发明内容
为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种多级高压脉冲发生器，包括：第一高压输入端、第二高压输入端、第三高压输入端、第一输出端、第二输出端、第一开关件、第二开关件、第一脉冲耦合电容、第二脉冲耦合电容，所述第二高压输入端与所述第一开关件的输入端连接，所述第一开关件的输出端经所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端连接，所述第三高压输入端与所述第二开关件的输入端连接，所述第二开关件的输出端经所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端连接，所述第一高压输入端接在所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端的连接处，所述第一高压输入端接在所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端的连接处。
进一步地，所述第一开关件、所述第二开关件均为三极管，所述第一开关件对应第一三极管，所述第二开关件对应第二三极管。
进一步地，还包括第一电阻和第二电阻，所述第一三极管的基极与所述第二高压输入端连接，所述第一三极管的发射极经所述第一电阻接地，所述第一三极管的集电极经所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端连接，所述第二三极管的基极与所述第三高压输入端连接，所述第二三极管的发射极经所述第二电阻接地，所述第二三极管的集电极经所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端连接。
进一步地，还包括第一保护电阻、第二保护电阻，所述第一高压输入端经所述第一保护电阻接在所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端的连接处，所述第一高压输入端经所述第二保护电阻接在所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端的连接处。
进一步地，还包括第一输入保护电阻、第二输入保护电阻、第三输入保护电阻，所述第一高压输入端经所述第一输入保护电阻接地，所述第二高压输入端经所述第二输入保护电阻接地，所述第三高压输入端经所述第三输入保护电阻接地。
进一步地，所述第一高压输入端、所述第二高压输入端、所述第三高压输入端的输入信号均为直流高压输入信号。
本发明的第二目的是提供一种飞行时间质谱仪多级聚焦装置，包括：所述的多级高压脉冲发生器、靶板、离子提取极，所述多级高压脉冲发生器的第一输出端接入所述离子提取极，所述多级高压脉冲发生器的第二输出端接入所述靶板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将单次脉冲发生器拓展为多级脉冲发生器，通过调整每一路脉冲发生器的电压和持续时间，实现对离子的多次聚焦，提升了分辨率，解决了质谱仪宽范围测量的问题。
本发明的电路结构简单，易于实现，核心部件仅增加了一路高压输入和一个高压三极管，便可实现对质谱仪性能的极大提升，并且无需改变机械结构，在原有的机械结构基础上就能实现质谱仪高分辨和宽范围测量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的一种多级高压脉冲发生器示意图；
图2为实施例2的飞行时间质谱仪的离子提取装置示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种多级高压脉冲发生器，如图1所示，包括：第一高压输入端、第二高压输入端、第三高压输入端、第一输出端、第二输出端、第一开关件、第二开关件、第一脉冲耦合电容C1、第二脉冲耦合电容C2，第一高压输入端的输入信号为直流高压输入信号HV-IN-1，第二高压输入端的输入信号为直流高压输入信号HV-IN-2，第三高压输入端的输入信号为直流高压输入信号HV-IN-3，第一输出端的输出信号为HV-PULSE-1，第二输出端的的输出信号为HV-PULSE-2，第二高压输入端与第一开关件的输入端连接，第一开关件的输出端经第一脉冲耦合电容与第一输出端连接，第三高压输入端与第二开关件的输入端连接，第二开关件的输出端经第二脉冲耦合电容与第二输出端连接，通过第一脉冲耦合电容C1、第二脉冲耦合电容C2充放电，维持HV-PULSE-1、HV-PULSE-2的电压变化。第一高压输入端接在第一脉冲耦合电容与第一输出端的连接处，第一高压输入端接在第二脉冲耦合电容与第二输出端的连接处。
第一开关件、第二开关件均为三极管，第一开关件对应第一三极管Q1，第二开关件对应第二三极管Q2。
多级高压脉冲发生器还包括第一电阻R4和第二电阻R5，第一三极管Q1的基极与第二高压输入端连接，第一三极管Q1的发射极经第一电阻R4接地，第一三极管Q1的集电极经第一脉冲耦合电容C1与第一输出端连接，第二三极管Q2的基极与第三高压输入端连接，第二三极管Q2的发射极经第二电阻R5接地，第二三极管Q2的集电极经第二脉冲耦合电容C2与第二输出端连接。
多级高压脉冲发生器还包括第一保护电阻R6、第二保护电阻R7，第一高压输入端经第一保护电阻R6接在第一脉冲耦合电容C1与第一输出端的连接处，第一高压输入端经第二保护电阻R7接在第二脉冲耦合电容C2与第二输出端的连接处。
为了保证在脉冲切换的过程中，其各路高压的输出值均为对地的高压，维持高压输入稳定。多级高压脉冲发生器还包括第一输入保护电阻R1、第二输入保护电阻R2、第三输入保护电阻R3，第一高压输入端经第一输入保护电阻R1接地，第二高压输入端经第二输入保护电阻R2接地，第三高压输入端经第三输入保护电阻R3接地。
对于图1所示的多级高压脉冲发生器的上半部分电路，其工作原理为：工作状态有两个，第一三极管Q1触发和不触发。当Q1不触发时，电阻R4相当于未接入电路，C1的左端直接连接HV-IN-2，C1右端通过电阻R6连接到到HV-IN-1，这个状态是恒定状态，HV-IN-1、HV-IN-2均向C1充电，由于电容的隔直作用，HV-PULSE-1＝HV-IN-1。在高压三极管Q1触发的瞬间，C1的左端接通至R4的左端，相当于接地，电容通过R4对地放电，将C1左端的电势降为0，则C1右端的电势也相应减小为HV-IN-2。即在高压三极管Q1触发的瞬间HV-PULSE-1＝HV-IN-1-HV-IN-2。通过此部分电路，实现高压三极管Q1的通断对于HV-PULSE-1输出高压脉冲的控制。图1所示的下半部分同理，通过对高压三极管Q2的通断控制，实现对高压脉冲信号HV-PULSE-2的控制。
实施例2
一种飞行时间质谱仪多级聚焦装置，如图2所示，包括：多级高压脉冲发生器、靶板14、离子提取极12，多级高压脉冲发生器的第一输出端接入离子提取极12，多级高压脉冲发生器的第二输出端接入靶板14。
图2中，11为待测物质，13为已经激发的物质。通过改变靶板14和离子提取极12的电压形成电场，实现对离子的飞行控制与聚焦。飞行时间质谱仪的离子提取装置工作模式仅有两部分，即脉冲的触发和不触发。对于本发明提出的多级高压脉冲发生器应用的飞行时间质谱仪，工作模式可以是多样的。本实施例中仅介绍其一种应用方式。
将HV-PULSE-1接入飞行时间质谱仪离子提取装置的离子提取极12，HV-PULSE-2接入靶板14。HV-IN-1为正高压、HV-IN-2为正高压、HV-IN-3为负高压。高压三极管的触发包括四个阶段：第一阶段Q1不触发，Q2不触发；第二阶段Q1触发，Q2不触发；第三阶段Q1不触发，Q2触发；第四阶段Q1不触发，Q2不触发。此种应用下，HV-PULSE-1要接到飞行时间质谱仪的离子提取极12，HV-PULSE-2要接到飞行时间质谱仪的靶板14上。针对此种应用对离子的聚焦模式进行详细介绍：
第一阶段，Q1不触发，Q2不触发。此阶段HV-PULSE-1＝HV-IN-1，HV-PULSE-2＝HV-IN-1，由于靶板14和离子提取极12的电势相等，离子处于无场飞行状态。
第二阶段，Q1触发，Q2不触发。此阶段HV-PULSE-1＝HV-IN-1-HV-IN-1，HV-PULSE-2＝HV-IN-1，由于离子提取极的电压较小，离子收到电场的力向离子提取极飞行，结合第一阶段实现对离子的第一次聚焦。
第三阶段，Q1不触发，Q2触发。此阶段HV-PULSE-1＝HV-IN-1，HV-PULSE-2＝HV-IN-1-HV-IN-3，由于离子提取极的电压较小，离子收到电场的力向离子提取极飞行，结合第一阶段和第二阶段，实现对离子的第二次聚焦。
第四阶段，Q1不触发，Q2不触发。此阶段HV-PULSE-1＝HV-IN-1，HV-PULSE-2＝HV-IN-1，此状态为开关恢复状态，目的是在每次测量时，开关状态均保持一致。
上述实施例仅为多级高压脉冲发生器在质谱仪的应用中的一种方式。应当理解的是，三路输入高压HV-IN-1、HV-IN-2、HV-IN-3为正高压或者负高压以及三极管的触发状态都可以根据实际情况进行相应改进。
本发明将单次脉冲发生器拓展为多级脉冲发生器，通过调整每一路脉冲发生器的电压和持续时间，可以实现对离子的多次聚焦，提升了分辨率，并且解决了质谱仪宽范围测量的问题。电路结构简单，易于实现，核心部件仅增加了一路高压输入和一个高压三极管，便可实现对质谱仪性能的极大提升并且无需改变机械结构，在原有的机械结构基础上便可以实现质谱仪高分辨和宽范围测量。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。
Claims (7)
1.一种多级高压脉冲发生器，其特征在于，包括：第一高压输入端、第二高压输入端、第三高压输入端、第一输出端、第二输出端、第一开关件、第二开关件、第一脉冲耦合电容、第二脉冲耦合电容，所述第二高压输入端与所述第一开关件的输入端连接，所述第一开关件的输出端经所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端连接，所述第三高压输入端与所述第二开关件的输入端连接，所述第二开关件的输出端经所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端连接，所述第一高压输入端接在所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端的连接处，所述第一高压输入端接在所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端的连接处。
2.根据权利要求1所述的一种多级高压脉冲发生器，其特征在于：所述第一开关件、所述第二开关件均为三极管，所述第一开关件对应第一三极管，所述第二开关件对应第二三极管。
3.根据权利要求2所述的一种多级高压脉冲发生器，其特征在于：还包括第一电阻和第二电阻，所述第一三极管的基极与所述第二高压输入端连接，所述第一三极管的发射极经所述第一电阻接地，所述第一三极管的集电极经所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端连接，所述第二三极管的基极与所述第三高压输入端连接，所述第二三极管的发射极经所述第二电阻接地，所述第二三极管的集电极经所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种多级高压脉冲发生器，其特征在于：还包括第一保护电阻、第二保护电阻，所述第一高压输入端经所述第一保护电阻接在所述第一脉冲耦合电容与所述第一输出端的连接处，所述第一高压输入端经所述第二保护电阻接在所述第二脉冲耦合电容与所述第二输出端的连接处。
5.根据权利要求1所述的一种多级高压脉冲发生器，其特征在于：还包括第一输入保护电阻、第二输入保护电阻、第三输入保护电阻，所述第一高压输入端经所述第一输入保护电阻接地，所述第二高压输入端经所述第二输入保护电阻接地，所述第三高压输入端经所述第三输入保护电阻接地。
6.根据权利要求1所述的一种多级高压脉冲发生器，其特征在于：所述第一高压输入端、所述第二高压输入端、所述第三高压输入端的输入信号均为直流高压输入信号。
7.一种飞行时间质谱仪多级聚焦装置，其特征在于，包括：如权利要求1至6任一项所述的多级高压脉冲发生器、靶板、离子提取极，所述多级高压脉冲发生器的第一输出端接入所述离子提取极，所述多级高压脉冲发生器的第二输出端接入所述靶板。
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