CN1314191C - 带有功率控制的电感耦合等离子体自激式射频发生器 - Google Patents

Abstract

带有功率控制的电感耦合等离子体自激式射频发生器。本发明涉及发射光谱仪器中的一种射频发生器。在自激式射频发生器振荡电路中，加入了输出匹配电路，用同轴电缆将振荡功率传输到负载匹配电路上，在高频箱出口处装有功率耦合器，取出功率信号通过自动控制调整电路，对输出功率进行自动控制。解决了自激式射频发生器，不能取功率反馈信号进行自动功率控制难题。达到了自激式射频发生器输出功率稳定的目的。

Description

带有功率控制的电感耦合等离子体自激式射频发生器

技术领域    本发明涉及一种自激式射频发生器。

电感耦合等离子体射频发生器是发射光谱分析仪器的重要组成部分。它产生的高频功率，通过感应工作线圈加到形成等离子体的石英炬管上，使分析试样在此受到激发后放出特征谱线，谱线的强度代表了分析试样的含量。因此，射频发生器的稳定性直接影响等离子体发射光谱仪的精度。

背景技术    目前，电感耦合等离子体发射光谱仪的应用范围逐渐扩大，对仪器的稳定性要求越来越严格，因为射频发生器输出功率的稳定性，直接影响待测元素的分析结果，所以射频发生器的稳定程度是衡量电感耦合等离子体发射光谱仪性能的重要条件。就射频发生器的电路形式而言有两种类型。

1、自由振荡型，一般称自激式射频发生器。

2、晶体控制型，一般称他激式射频发生器。

自激式射频发生器，电路简单，调试方便，造价低廉，是理想的电路。然而这种电路，振荡槽中的L就是形成等离子体的工作线圈，振荡电路与输出电路不能分开，无法取功率反馈信号对电路进行控制。只能采用电压反馈或电流反馈控制自激振荡电路的输出，达不到输出功率稳定效果。

他激式射频发生器能够达到输出功率稳定的效果，但电路复杂，调试难度大，造价昂贵。即便是这样，为了高稳定性的要求，生产厂家也只好采用他激式射频发生器。

发明内容    本发明是一种带有功率控制的自激式射频发生器，目的是解决自激式射频发生器输出功率不稳定的技术难关。采取的技术方案为，在一个铝制的高频箱内，电子管FU-5S阳极通过隔直电容C₁，与第一谐振电感L₁串联，电子管FU-5S栅极通过第一线圈L₂与电阻R₁和旁路电容G₂的并联电路连接，此电阻R₁和旁路电容G₂的并联电路另一头接地，由电子管FU-5S、第一线圈L₂、电阻R₁、旁路电容C₂组成了振荡电路；

第一谐振电感L₁另一头分别与输出匹配电容C₃、C₄和第二电感L₃连接，输出匹配电容C₃、C₄和第二电感L₃的另一头接地，由第一谐振电感L₁，输出匹配电容C₃、C₄和第二电感L₃组成了输出匹配电路，第一谐振电感L₁另一头通过同轴电缆接到高频箱出口处的电缆插头上；

负载匹配箱内的第一可调电容C₇与第六电容C₁₀并联；第二可调电容C₆与第五电容C₅并联，此两组并联电路分别接到同轴电缆上，其中第二可调电容C₆和第五电容C₅并联电路的另一头接地，而第一可调电容C₇和第六电容C₁₀的并联电路另一头与第二线圈L₄串联后接地，由第一可调电容C₇第六电容C₁₀第二可调电容C₆第五电容C₅及第二线圈L₄组成了负载匹配电路；

高频箱出口处，装有功率耦合器，功率耦合器的中心轴为一个∮6×3.5毫米的紫铜管，两端用L₂₇-50KF插座连接，由振荡电路产生的高频功率，经输出匹配电路通过功率耦合器的中心轴，再经同轴电缆传输到负载匹配箱内，功率耦合器内装有取所述高频功率信号的耦合片，此耦合片与功率耦合器的中心轴平行，并且一头通过200欧姆电阻接地，另一头与检波二极管正极相连，检波二极管的负极接一个电容滤波后与1千欧姆电阻串联接到BNC插头上，耦合片耦合出来的功率信号，经检波和滤波后得到直流信号，再通过BNC插头，接到自动控制电路上，此自动控制电路是控制电子管FU-5S的阳极输入电压。

附图说明    图1、电子管振荡匹配输出电路。

            图2、功率耦合器的结构。

            图3、电子管阳极供电及自动控制调整电路

            图4、电路形式和控制方式。

具体实施方式    图1中的虚线方框I为振荡电路和匹配电路，在一个铝制的高频箱内，电子管FU-5S阳极通过隔直电容C₁，与第一谐振电感L₁串联，电子管FU-5S栅极通过第一线圈L₂与电阻R₁和旁路电容C₂串联后接地，组成了振荡电路；调节L₁，使振荡频率为40兆赫。调节L₂可改变振荡强度，调节R₁可改电子管栅流的大小，G₂为栅极旁路电容，L₅、G₈起到防止高频电流回串到电源上的作用。

第一谐振电感L₁又与输出匹配电容C₃、C₄和第二电感L₃连接，通过电缆插头接到高频箱出口处，输出匹配电容C₃、C₄和第二电感L₃的另一头接地，组成了输出匹配电路。

虚线方框II为负载匹配电路，负载匹配箱内的第一可调电容C₇与第六电容C₁₀并联；第二可调电容C₆与第五电容C₅并联，共同接到输入同轴电缆上，其中第二可调电容C₆和第五电容C₅的另一头接地，而第一可调电容C₇和第六电容C₁₀的另一头与第二线圈L₄串联后接地，调节第一可调电容C₇或第二可调电容C₈使输出功率最大。

虚线方框III为功率耦合器，在高频箱出口处装有功率耦合器，功率耦合器的中心轴为一个∮6×3.5毫米的紫铜管，两端用L₂₇-50KF插座连接，高频功率从中心轴通过，取功率信号的耦合片与中心轴平行，一头通过200欧姆电阻接地，另一头与检波二极管正极相连，检波二极管的负极接一个电容滤波后与1K电阻串联接到BNC插头上，耦合出来的功率信号，经检波和滤波后直流信号通过BNC插头，接到自动控制电路上，进行自动功率控制。

图2功率耦合器的结构，耦合器外壳为铝盒，长84毫米，宽56毫米，高40毫米，图中1为铝盒，2为无感电阻200欧2瓦，3为同轴紫铜管∮6×3.5毫米，4为50欧姆插座L₂₇-50KF，5为电缆插座BNC-50KF，6为聚四氟绝缘端子，7为耦合铜片。

图3在电源的控制箱内装有电子管阳极供电电路和自动控制调整电路。电子管阳极供电采用单相220V电压，经高压变压器T₁升到4500V，然后经整流桥D₁变成脉动直流电压，再经过扼流圈L₆，电容C₉滤波，变成平滑的直流电压，加到电子管FU-5S的阳极上。根据形成等离子体激发温度要求，振荡电子管的输出功率为800瓦到1200瓦可调，为此要求振荡电子管阳极电压为3400V到4200V可调，推算到高压变压器T₁初级电压为175V至215V可调。T₁初级串接了起电压调节作用的半饱和电抗器T₄T₅，该半饱和电抗器有两组线圈，改变T₄T₅直流线圈上的电压，就能改变它交流线圈上电压，T₄T₅直流线圈的电压。是由调整晶体管C₄₁₁₁提供的。它的调节过程是由稳压管TL431提供基准电压，经调节电位器W₂加到运算放大器LM308的输入端。放大后电压经晶体管C₅₂₄₉推动C₄₁₁₁，C₄₁₁₁最大输出电压为30V，调整后的电压，加到T₄T₅直流线圈上。当给定电压W₂调到零时，C₄₁₁₁输出为5V，给定电压W₂调到0.1V，C₄₁₁₁输出达到24V，并加到T₄T₅直流线圈上，C₄₁₁₁的输出从5V到24V的变化，就能使T₄T₅交流线圈输出电压从175V到215V的变化。经过T₁升压和D₁L₆C₉整流滤波后，加到振荡电子管阳极电压就能从3400V到4200V的改变。使输出功率从800瓦到1200瓦可调，从BNC插头取出的功率反馈信号，经电位器W₁与来自TL431的基准电压进行比较，差值进入运算放大器LM308，放大后的电压，推动调整管C₅₂₄₉ C₄₁₁₁使C₄₁₁₁输出电压随之改变。如果来自反馈信号电压增高，运算放大器的输出就减少，经C₄₁₁₁调整T₄T₅直流线圈上电压减小，反之就增高。当振荡电子管漂移或电网电压不稳，造成输出功率不稳定，功率耦合器就定量的取出反馈信号电压，与给定基准电压进行比较，经放大后对T₄T₅直流线圈上的电压进行调整，使T₄T₅交流输出改变，随之使T₁初级电压改变，也就调节了振荡电子管的阳极电压，维持了振荡电子管的输出功率不变。从而使自激式射频发生器的输出功率达到稳定的目的。

在图中的T₃为电子FU-5S灯丝变压器，输出电压为12.6V，T₂变压器输出分三组：一组为30V经D₂整流后加到LM317可调稳压模块上，和C₅₂₄₉、C₄₁₁₁的集电极上，另两组为22V经D₃，D₄整流后加到LM7818和LM7918稳压模块上，经稳压后输出±18V作为运算放大器LM308和基准电压TL431的电源。-18V又经R₁₀R₁₁分压后供给出TL431，使TL431输出精度为-2.5V基准电压。

该带有功率控制的自激式射频发生器，做为发射光谱仪的激发光源，在电感耦合等离子体光谱仪器实用，稳定性完全达到了要求，待测试样分析结果也令人满意。电感耦合等离子体发射光谱仪器的稳定性技术指标，相对标准偏差RSD≤2％。配一般自激式射频发生器的等离子体发射光谱仪，是很难达到这个指标。而采用带有功率控制的自激式射频发生器的等离子体发射光谱仪分析结果，RSD绝大部分在1％左右，有的还能达到1％以下。实践证明，此电路达到了等离子体发射光谱仪分析稳定性的要求。

Claims (1)

1.一种自激式射频发生器，其特征为：在一个铝制的高频箱内，电子管FU-5S阳极通过隔直电容(C₁)，与第一谐振电感(L₁)串联，电子管FU-5S栅极通过第一线圈(L₂)与电阻(R₁)和旁路电容(C₂)的并联电路连接，此电阻(R₁)和旁路电容(C₂)的并联电路另一头接地，由电子管FU-5S、第一线圈(L₂)、电阻(R₁)、旁路电容(C₂)组成了振荡电路；

第一谐振电感(L₁)另一头分别与输出匹配电容(C₃、C₄)和第二电感(L₃)连接，输出匹配电容(C₃、C₄)和第二电感(L₃)的另一头接地，由第一谐振电感(L₁)，输出匹配电容(C₃、C₄)和第二电感(L₃)组成了输出匹配电路，第一谐振电感(L₁)另一头通过同轴电缆接到高频箱出口处的电缆插头上；

负载匹配箱内的第一可调电容(C₇)与第六电容(C₁₀)并联；第二可调电容(C₆)与第五电容(C₅)并联，此两组并联电路分别接到同轴电缆上，其中第二可调电容(C₆)和第五电容(C₅)并联电路的另一头接地，而第一可调电容(C₇)和第六电容(C₁₀)的并联电路另一头与第二线圈(L₄)串联后接地，由第一可调电容(C₇)、第六电容(C₁₀)、第二可调电容(C₆)、第五电容(C₅)及第二线圈(L₄)组成了负载匹配电路；

高频箱出口处，装有功率耦合器，功率耦合器的中心轴为一个∮6×3.5毫米的紫铜管，两端用L₂₇-50KF插座连接，由振荡电路产生的高频功率，经输出匹配电路通过功率耦合器的中心轴，再经同轴电缆传输到负载匹配箱内，功率耦合器内装有取所述高频功率信号的耦合片，此耦合片与功率耦合器的中心轴平行，并且一头通过200欧姆电阻接地，另一头与检波二极管正极相连，检波二极管的负极接一个电容滤波后与1千欧姆电阻串联接到BNC插头上，耦合片耦合出来的功率信号，经检波和滤波后得到直流信号，再通过BNC插头，接到自动控制电路上，此自动控制电路是控制电子管FU-5S的阳极输入电压。