CN117059469A - 一种多极杆离子传输用自激式射频电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多极杆离子传输用自激式射频电源，包括幅值调制模块、自激振荡模块、反馈模块；幅值调制模块和自激振荡模块连接，自激振荡模块又与反馈模块连接，反馈模块将信号传输到幅值调制模块，形成系统闭环结构；能实现多极杆射频输出幅值动态可调，将负载融入自激振荡电路中，实现了谐振频率的快速匹配，尤其适用于在电感耦合等离子体质谱仪离子传输过程中控制多极杆负载进行离子传输，能自动补偿、灵敏性好和抗干扰能力强的自激式射频电源。可提高质谱仪的灵敏度和实用性，具有广泛的适用性和更高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频电源，尤其涉及一种多极杆离子传输用自激式射频电源。
背景技术
质谱检测技术已被证明是鉴定未知化合物和确定已知化合物精确质量的有效分析技术。可以以微量检测的方式在化学复杂混合物中识别化合物。毫不奇怪，质谱法在医学、药理学、食品科学、半导体制造、环境科学、安全以及许多其他领域都有实际应用。
四极杆质谱仪包括一个离子源用来激发离子，离子通过引导装置被传递到质量筛选区，在那里它们由于质荷比不同能够进行分离，质量筛选器选出的离子能在检测器上被检测到。检测器的检测信号被发送到计算机或类似设备，在那里质荷比与其相对丰度一起存储，以质谱图的形式展示出来。
多极杆离子传输装置在离子源和质量筛选区之间引导电离粒子传输，该传输装置的主要作用是将离子从高压的离子电离区输送到质谱仪中低压的质量筛选区。质谱仪在高压下产生电离粒子，并且需要在多个压力区域进行多级泵送，以经济有效的方式降低仪器分析区域的压力，多极杆离子传输装置通过这些不同的压力区输送离子。
常见的多极杆射频电源采用他激式射频电源(CN 106169881 A)，晶控系统的工作频率由振荡石英晶体决定，并用一个伺服控制匹配电路来确保该系统与负载的正确匹配。晶控他激式发生器是由晶体振荡、倍频、激励级和功放级等部分组成。高频功率是通过同轴电缆传输到负载线圈上，其优点是输出效率高，振荡频率稳定。但是由于采用匹配调谐，当负载发生变化时，需要重新调整谐振频率，寻找最佳。此外，线路复杂，制造成本较高。而自激式射频电源直接利用负载融入整个射频功率放大电路，根据负载上的电压变化来改变射频信号的频率以实现将最大功率输出至负载，由于其调节速度极快且无机械转动造成磨损，而且电路简单，调试容易，对功率输出影响较小。自激式发生器较晶控型发生器简单、价廉。
而对于多极杆离子传输装置，多数科研单位针对其传输特性的改善大多集中于外端部件和内部结构上，在绝缘筒内壁增加导电镀层，以避免外逸离子导致电荷累计在碰撞反应池(CN 217588844 U)；将多极杆进行分段式多极杆设计，提高对样品离子的径向约束能力(CN 114695068 A)；这些现有的多极杆离子传输装置确实进一步集中了离子束，但由于针对多极杆的几何形状的设计是固定的，并不能对离子传输发生变化的同时进行相应改变，所以几何形状的不同通常会导致电场的畸变，从而降低质谱仪的灵敏度。
因此，需要研制一种仪多极杆离子传输用自激式射频电源，该系统振荡电路参数变化引起频率迁移时，有自动补偿作用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种多极杆离子传输用自激式射频电源，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的多极杆离子传输用自激式射频电源，包括幅值调制模块、自激振荡模块、反馈模块；
所述幅值调制模块和自激振荡模块连接，自激振荡模块又与反馈模块连接，反馈模块将信号传输到幅值调制模块，形成系统闭环结构；
所述幅值调制模块将控制信号与反馈信号进行加法运算得到偏差信号，再将运算后的信号进行比例积分运算，从而得到自激振荡模块中所需的驱动电压，进而调节输出电压幅值。
与现有技术相比，本发明所提供的多极杆离子传输用自激式射频电源，可提高质谱仪的灵敏度和实用性，与现有的常规多极杆离子传输装置和方法相比，灵敏度高、动态输入可调、能进行自动补偿，具有广泛的适用性和更高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多极杆离子传输用自激式射频电源的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的幅值调制模块示意图。
图3为本发明实施例的自激振荡模块示意图。
图4为本发明实施例的反馈模块示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的多极杆离子传输用自激式射频电源，包括幅值调制模块、自激振荡模块、反馈模块；
所述幅值调制模块和自激振荡模块连接，自激振荡模块又与反馈模块连接，反馈模块将信号传输到幅值调制模块，形成系统闭环结构；
所述幅值调制模块将控制信号与反馈信号进行加法运算得到偏差信号，再将运算后的信号进行比例积分运算，从而得到自激振荡模块中所需的驱动电压，进而调节输出电压幅值。
所述幅值调制模块将DA输出信号、多极杆反馈信号、滑动变阻器调制信号进行反向求和运算，输入信号能进行补偿调节；
当有离子通过多极杆所在区域时，所述自激振荡模块快速响应由于介电常数改变导致多极杆电容变化，从而使输出信号保持稳定。
所述的自激振荡模块使用LC选频电路方案，采用变压器反馈的振荡方式，产生正弦射频信号；
所述的自激振荡模块包含一个N沟道场效应管，一个磁环变压器以及偶数个阻容元件。
所述的反馈模块采用衰减采样反馈电路，将多极杆上的射频电压经过两组耐高压的电容进行信号的衰减采样，采样后的信号经过全桥整流和滤波后，能够得到与输出电压具有一定线性关系的反馈信号；
所述的反馈模块电容选择耐压值不低于1KV的云母电容，高压衰减取决于云母电容的容值大小。
所述的反馈模块将四个二极管构成全桥整流电路，将衰减后的交流信号整流，再经滤波后反馈至输入端运算，实现闭环回路。
综上可见，本发明实施例的多极杆离子传输用自激式射频电源，该发明能实现多极杆射频输出幅值动态可调，将负载融入自激振荡电路中，实现了谐振频率的快速匹配，尤其适用于在电感耦合等离子体质谱仪离子传输过程中控制多极杆负载进行离子传输。最终成功研制了一种能自动补偿、灵敏性好和抗干扰能力强的自激式射频电源。
本发明中，所述的幅值调制模块，离子在通过多极杆区域时，不同质量数的离子对同一电场电压传输响应时间不同，不同的幅值电压可以极大的提升离子传输效率，降低离子传输响应时间。
所述的幅值调制模块将控制信号与反馈信号进行加法运算得到偏差信号，再将运算后的信号进行比例积分运算，从而得到自激振荡模块中所需的驱动电压，进而调节输出电压幅值。
所述的幅值调制模块将DA输出信号、多极杆反馈信号、滑动变阻器调制信号进行反向求和运算，输入信号可以进行补偿调节。
所述的幅值调制模块选用高精度运算放大器OPA4277，它具有超低失调电压和漂移、低偏置电流、高共模抑制和高电源抑制的特点，能够显著提高电路的稳定性，适用于误差放大的应用场景。
所述的自激振荡模块，当有离子通过多极杆所在区域时，由于介电常数改变导致多极杆电容受到影响，从而影响离子传输的响应时间。采用自激振荡的方式，能够使电路自行调整谐振频率，从而使输出信号保持稳定。
所述的自激振荡模块，使用了LC选频电路方案，采用变压器反馈的振荡方式，产生正弦射频信号。LC选频电路应用的频率范围更广，为1kHz～1.5GHz，一般应用于高频电路。
所述的自激振荡模块的稳定幅值依靠放大元件的非线性特点，常用的放大元件为三极管和MOS管，该射频电源的自激振荡电路包含一个N沟道场效应管，一个磁环变压器以及偶数个阻容元件。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。
实施例1
如图1所示：
一种多极杆离子传输用自激式射频电源，包括幅值调制模块、自激振荡模块、反馈模块。其中，所述幅值调制模块和自激振荡模块连接，自激振荡模块又与反馈模块连接，反馈模块将信号传输到幅值调制模块，形成系统闭环结构。
如图2所示，所述幅值调制模块负责将前级控制输入信号和输出反馈信号进行加法运算，前级控制输入信号可由电位计调节分压，加法运算后的电压信号经过比例积分运算之后输出幅值可调的驱动电压，驱动后级的自激振荡模块。
如图2所示，所述幅值调制模块的特征在于使用加法运算电路将前级控制输入信号与输出反馈信号进行加法运算，并且控制输入信号可由电位计调节分压，运算后得到偏差电压信号作为后级运算放大器的驱动电压。应用这种方案，通过调节电位计阻值实现调整输入信号的幅度或范围，以便在加法电路中执行精确的加法运算。在某些应用中，可能需要进行校准和调试以获得准确的加法运算。通过调节电位计，可以手动设置合适的偏置，以便在进行测试和调试时获得期望的结果。总之，通过电位计调节的电压作为加法电路的输入信号是为了提供更大的灵活性和控制性，以适应不同的输入信号和应用需求。
如图3所示，所述自激振荡模块负责将前级驱动电压传递到场效应管，场效应管作为放大元件能用来稳定自激振荡电路的幅值。电路的输出信号幅值由于受到场效应管自身元件特性的影响先进行放大，经过初级线圈和次级线圈的耦合连接，产生的频率信号经由正反馈电路与输入信号进行补偿，再由二次输入信号继续向后传递。如此往复，整个电路实现了自激振荡。
如图3所示，所述自激振荡模块的特征在于当有离子通过多极杆电场时，由于介电常数改变导致多极杆电容受到影响，从而影响离子传输的响应时间。采用自激振荡的方式，可以相对容易地调谐到所需的射频频率。在多极杆离子传输中，可能需要频率匹配以匹配离子选择或激发的需求。自激振荡电路的频率可调性使其适应不同的工作频率，能够快速匹配谐振频率，保证输出信号稳定。
如图4所示，所述反馈模块负责将负载输出采样后的信号传输到输入端，用来检测和调节输出电压大小。反馈模块采用衰减降压采样反馈电路，将多极杆上的射频电压经过两组耐高压的云母电容进行信号的衰减采样，采样后的信号经过全桥整流和滤波后，能够得到与输出电压具有一定线性关系的反馈信号。反馈信号传输到输入端后形成闭合回路，能够增强输出信号的稳定性。
如图4所示，所述反馈模块的特征在于电容选择耐压值不低于1KV的云母电容，高压衰减大小取决于云母电容的容值大小。衰减采样电路通常会对输入信号进行高频滤波以选择感兴趣的频率带宽，并将其降低到更低的采样率。这涉及到将信号输入电容上的电压逐渐降低，以便适应后续的信号处理电路。选择高耐压电容有助于确保在降低电压的过程中，电容本身不会发生击穿或失真，从而维持信号的保真度，这使得云母电容成为高压应用的合适选择。
如图4所示，所述反馈模块的特征在于将四个二极管构成全桥整流电路，将衰减后的交流信号整流，再经滤波后反馈至输入端运算，实现闭环回路。桥式整流器在每个交流周期中都可以利用输入信号的两个半周，因此相对于半波整流器，它的整流效率更高。这意味着更少的功率损耗，更高的能量转换效率。由于桥式整流器可以处理输入信号的每个半周期，因此输出的直流电压通常比半波整流器更平稳，纹波电压更低。
在以六极杆为负载的实验上，应用所述多极杆离子传输用自激式射频电源，示波器显示的正弦波形具有对称性好，可靠性高，幅值动态可调的特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种多极杆离子传输用自激式射频电源，其特征在于，包括幅值调制模块、自激振荡模块、反馈模块；
所述幅值调制模块和自激振荡模块连接，自激振荡模块又与反馈模块连接，反馈模块将信号传输到幅值调制模块，形成系统闭环结构；
所述幅值调制模块将控制信号与反馈信号进行加法运算得到偏差信号，再将运算后的信号进行比例积分运算，从而得到自激振荡模块中所需的驱动电压，进而调节输出电压幅值。
2.根据权利要求1所述的多极杆离子传输用自激式射频电源，其特征在于，所述幅值调制模块将DA输出信号、多极杆反馈信号、滑动变阻器调制信号进行反向求和运算，输入信号能进行补偿调节；
当有离子通过多极杆所在区域时，所述自激振荡模块快速响应由于介电常数改变导致多极杆电容变化，从而使输出信号保持稳定。
3.根据权利要求2所述的多极杆离子传输用自激式射频电源，其特征在于，所述的自激振荡模块使用LC选频电路方案，采用变压器反馈的振荡方式，产生正弦射频信号；
所述的自激振荡模块包含一个N沟道场效应管，一个磁环变压器以及偶数个阻容元件。
4.根据权利要求3所述的多极杆离子传输用自激式射频电源，其特征在于，所述的反馈模块采用衰减采样反馈电路，将多极杆上的射频电压经过两组耐高压的电容进行信号的衰减采样，采样后的信号经过全桥整流和滤波后，能够得到与输出电压具有一定线性关系的反馈信号；
所述的反馈模块电容选择耐压值不低于1KV的云母电容，高压衰减取决于云母电容的容值大小。
5.根据权利要求4所述的多极杆离子传输用自激式射频电源，其特征在于，所述的反馈模块将四个二极管构成全桥整流电路，将衰减后的交流信号整流，再经滤波后反馈至输入端运算，实现闭环回路。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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