CN1505250A - 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

本发明为精密科学测试分析仪器类，电感耦合等离子体发射光谱仪中的射频发生器。电子管FU－5S通过L₁L₂C₁R₁C₂形成的自激振荡器，经过L₁C₃C₄组成的阻抗匹配电路，使振荡功率通过50欧姆同轴电缆，传输到由C₅C₆C₇C₁₀组成的负载匹配调谐电路上。调节C₆C₇使输出功率最大的加到形成等离子体的工作线圈L₄上，在同轴电缆上装有功率耦合器，耦合出高频功率信号电压，经检波后加到控制电路上，形成闭环自动功率控制。解决了自激式射频发生器取功率反馈信号进行自动控制的难题。使自激式射频发生器的稳定性大大提高，满足了电感耦合等离子体发射光谱仪测量精度的要求。参看说明书摘要附图。

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  本发明为高性能智能化仪器仪表中的精密科学测试分析仪器类。

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，振荡槽路中的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  经过十多年的研制，我试制成功一种带有功率控制的自激式射频发生器。

具体研制如下：

将自激式射频发生器的振荡电路，经LC匹配到50欧姆阻抗。通过同轴电缆传输到负载调谐匹配电路上，经调谐后，使输出功率有效的通过感应工作线圈，传输到形成等离子体的石英炬管上，这样就使振荡电路与输出电路通过同轴电缆分为两体，实现了自激式射频发生器从传输线取出功率反馈信号，进行自动控制。另外，我设计的功率耦合器的电路结构和安装位置，也是能否定量取出功率信号的关键。

附图说明  附图1、电子管振荡匹配输出电路：

虚线方框1为振荡电路和匹配电路，虚线方框2为功率耦合器，虚线方框3为负载匹配调谐电路。振荡电子管FU-5S，通过L₁L₂C₁和R₁C₂形成电感反馈式自激式振荡器。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可改变电子管栅流的大小，C₂为旁路电容，L₅，C₈起到防止高频电流回串到电源上的作用。振荡功率经L₁C₃C₄匹配电路，通过50欧姆同轴电缆传输到由C₅C₆C₇C₁₀L₄组成的负载匹配调谐电路上。调节负载匹配调谐电容C₆或C₇，使输出功率最大通过工作线圈L₄加到形成等离子体的石英炬管上。在50欧姆同轴电缆传输线上装有功率耦合器，它耦合出高频功率信号，经二极管2AP30检波后，直流电压加到控制电路放大器LM308的输入端，通过调整电路，对电子管阳极电压进行自动控制。

附图1-2，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，两端用L₂₇-501KF插座连接，中心轴为∮6×3.5紫铜管。取功率信号的耦合片一头通过200欧姆无感电阻接地，另一头用聚四氟棒支撑与检波二极管2AP30连接，二极管另一头接滤波电容0.01μ，并通过1K电阻接到BNC-50KF插座上。功率耦合器安装在振荡输出电路的高频箱出口处。说明书附图1-2中，1为铝盒，2为无感电阻200欧2瓦，3为同轴紫铜管∮6×3.5，4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。

附图2、电子管阳极供电及自动控制调整电路：

在电源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的阳极电压为3400V到4200V可调，推算到高压变压器T₁初级电压为175V到215V可调。T₁初级串接了起电压调节作用的半饱和电抗器T₄T₅，改变T₄T₅直流线圈上的电压，就能改变它的交流线圈上的电压。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提供的基准电压，经调节电位器W₂加到运算放大器LM308的输入端。放大后的电压经晶体管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输出为为5V，给定电压W₂调到0.1V，C₄₁₁₁输出就达到了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。来自功率反馈信号电压经W₁(与给定基准电压极性相反)，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调整后，输出到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射器的输出功率达到稳定的目的。

在图中的T3为电子管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。一18V又经R₁₀R₁₁分压后供给TL431，使Tl431输出精度为-2.5V基准电压。

附图4、电路形式和控制方式可用下面方框表示。

具体实施方式  该带有功率控制的自激式射频发生器，经过5台FWS-1000电感耦合等离子体发射光谱仪器的实用，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。这种带有功率控制的自激式射频发生器，不但电路简单，调试方便，还能使整机造价大幅度地降低。

Claims (2)

1. 权利要求：

   1、在高频箱内，电子管FU-5S经L₁L₂C₁R₁C₂组成的振荡电路和L₁C₃C₄组成的阻抗匹配电路。在负载匹配箱内由L₄C₅C₆C₇C₁₀组成的负载匹配调谐电路，两者通过50欧姆同轴电缆连接。
2. 2、同轴电缆靠近高频箱处，装有功率耦合器，功率耦合器的规格为铝盒，两端用L₂₇-50KF插座连接，中心轴为∮6×3.5紫铜管耦合片一头通过200欧姆无感电阻接地，另一头用聚四氟棒支撑与检波二极管2AP30连接，二极管另一头接0.01μ电容滤波，并通过1K电阻接到BNC-50KF插座上。

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