DE102012203141A1

DE102012203141A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung der Kathode eines Massenspektrometers

Info

Publication number: DE102012203141A1
Application number: DE102012203141A
Authority: DE
Inventors: Norbert Rolff
Original assignee: Inficon GmbH Deutschland
Current assignee: Inficon GmbH Deutschland
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29
Also published as: EP2820668B1; IN2014DN07154A; RU2014138553A; TW201342421A; TWI590295B; JP2015513765A; WO2013127701A3; WO2013127701A2; US9530634B2; CN104094378B; RU2638303C2; JP6291424B2; US20150028743A1; CN104094378A; EP2820668A2

Abstract

Eine vereinfachte Vorrichtung zur Spannungsversorgung der Kathode eines Massenspektrometers weist einen Gegentaktwandler auf, wobei außer den normalen Gleichrichterdioden (7, 9) ein gesteuerter Gleichrichter (8, 10) vorhanden ist. Das Gate des ersten Transistors (8) ist mit dem zweiten Ausgang (30) und das Gate des zweiten Transistors (10) mit dem ersten Ausgang (32) des Transformators verbunden. Eine Spannungsversorgungseinrichtung, bestehend aus mindestens einem Spannungsvervielfacher, ist über Kondensatoren (13, 14, 15) mit dem Ausgang des Transformators verbunden und speist unter anderem die Emissionsstrommesseinrichtung

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung einer Ionenquelle eines Massenspektrometers und insbesondere zur Spannungsversorgung der Massenspektrometer-Kathode.
Massenspektrometer dienen zur Analyse von Gasen und finden unter anderem in Lecksuchgeräten Anwendung. Durch ein elektrisches Feld werden die aus der heißen Kathode austretenden Elektronen beschleunigt. Hierbei wird ein Elektronenstrom erzeugt, der die zu untersuchende Substanz in der Gasphase durch die Elektronen ionisiert und einem Analysator zugeführt. Dieses elektrische Feld wird zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt. Zur Spannungsversorgung der Kathode eines Massenspektrometers muss ein vorgegebener Emissionsstrom zuverlässig und mit möglichst geringem Störanteil erzeugt werden, indem die Heizspannung der Kathode als Stellglied variiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung der Kathode eines Massenspektrometers mit wenig Bauteilen und geringer Verlustleistung bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird definiert durch die Merkmale von Anspruch 1.
Hierzu liegt in einem Schaltnetzteil an einem Transformator eine primärseitige Eingangsspannung an. Sekundärseitig ist der Transformator mit zwei Ausgangsanschlüssen und einem ausgangsseitigen Mittenanschluss versehen. An den beiden Ausgangsanschlüssen des Transformators liegen gegenläufige, d. h. zueinander um 180° phasenverschobene Ausgangsspannungen an. Wenn an dem ersten Anschluss eine positive Ausgangsspannung anliegt, liegt dieselbe Ausgangsspannung mit umgekehrtem Vorzeichen an dem zweiten Ausgangsanschluss an. Die beiden Ausgangsanschlüsse des Transformators sind jeweils direkt mit einer Diode verbunden. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden parallel zu den Dioden entsprechend einem gesteuerten Gleichrichter, Transistoren eingesetzt, wobei im Falle von zwei n-Kanal-Transistoren die Kathode der einen Diode direkt mit dem ersten Transformatorausgang und die Kathode der zweiten Diode direkt mit dem zweiten Transformatorausgang verbunden ist. Im Falle von p-Kanal-Transistoren sind entsprechend die Anode der einen Diode mit dem ersten Transformatorausgang und die Anode der anderen Diode mit dem zweiten Ausgang des Transformators verbunden. Das heißt mit anderen Worten, dass einander entsprechende Anschlüsse der beiden Dioden jeweils mit verschiedenen Ausgängen des Transformators direkt verbunden sind.
Bei den beiden Dioden ist jeweils genau ein Transistor parallel geschaltet, wobei erfindungsgemäß das Gate des einen Transistors direkt mit dem ersten Ausgangsanschluss und das Gate des zweiten Transistors direkt mit dem anderen Ausgangsanschluss des Transformators verbunden ist.
Die Dioden dienen zur Gleichrichtung der Transformator-Ausgangsspannungen, wobei die parallel zu den Dioden geschalteten Transistoren den Wirkungsgrad der Schaltung verbessern.
Hierbei ist vorzugsweise der Drain-Anschluss des einen Transistors direkt mit dem ersten Transformatorausgang und der Drain-Anschluss des anderen Transistors direkt mit dem zweiten Transformatorausgang verbunden. Die Source-Anschlüsse der beiden Transistoren können miteinander verbunden sein und direkt an den dem Transformator gegenüberliegenden und nicht direkt mit dem Transformator verbundenen Anschlüssen anliegen. Die Source-Anschlüsse liegen dann also an den beiden Kathoden der Dioden im Falle von p-Kanal-Transistoren und an den beiden Anoden der Dioden im Falle von n-Kanal-Transistoren an. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transistoren um Feldeffekt-Transistoren nach dem p-Kanal- oder nach dem n-Kanal-Typ.
Vorzugsweise bilden ein Glättungskondensator und eine Drosselspule einen Tiefpass zwischen dem Mittenanschluss des Transformators und den Source-Anschlüssen der Transistoren. Im Gegensatz zu der beschriebenen Variante als Gegentakt-Wandler kann die Schaltung auch als Eintaktflusswandler ausgeführt werden, wobei jeweils nur ein Transistor und eine Diode benötigt wird.
Gemäß einer Ausführungsform dient die Spannungsversorgungsvorrichtung zur Ansteuerung zweier Kathoden, in dem zwei Transistoren abwechselnd genau einen der beiden Kathodenausgangsanschlüsse ansteuern. Ein herkömmlicherweise verwendetes Relais zur wechselnden Ansteuerung der Kathodenanschlüsse entfällt dann. Die Ansteuerung durch die Transistoren erfolgt zudem zuverlässiger und schneller als durch herkömmliche Schaltrelais.
Vorzugsweise wird aus mindestens einer der an den beiden Transformatorausgängen anliegenden Ausgangsspannungen eine weitere Gleichspannung mit Hilfe mindestens eines Spannungsvervielfachers erzeugt. Hierbei kann jedem der beiden Transformator-Ausgänge genau ein Spannungsvervielfacher zugeordnet sein, der über einen Trennungskondensator mit dem jeweiligen Ausgang verbunden sein kann. Die Gleichspannung kann

a) als Versorgung zur Erzeugung der Elektronenenergie (Anodenspannung) für das Massenspektrometer,
b) zur Erzeugung einer Versorgungsspannung für die die beiden Kathodenanschlüsse ansteuernden Transistoren und/oder
c) zur Versorgung einer Messschaltung zur Messung und/oder Regelung des Emissionsstroms dienen.

Der Emissionsstrom ist der innerhalb der Ionenquelle von der Anode zur jeweils eingeschalteten Kathode fließende Strom, wobei die Elektronenenergie durch die Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode gegeben ist. Vorzugsweise wird der Emissionsstrom mit Hilfe der Pulsweitenmodulation übertragen.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Prinzipschaltbild der Spannungsversorgungsvorrichtung als Gegentaktwandler und
2 ein Detail aus 1.
Ein Transformator 1 ist primärseitig und sekundärseitig mit jeweils drei Anschlüssen versehen. An einer der Primäranschlüsse liegt die Eingangsspannung U₁ für den Transformator an. An dem ersten Ausgangsanschluss 32 und dem zweiten Ausgangsanschluss 30 liegen zueinander phasenverschobene, d. h. gegenläufige, Transformatorausgangsspannungen an. Der dritte Sekundäranschluss ist als ausgangsseitiger Mittenanschluss 31 ausgebildet. Im Folgenden wird der erste Ausgangsanschluss 32 als negativer Ausgang und der zweite Ausgangsanschluss 30 als positiver Ausgang bezeichnet, d. h. es wird jeweils nur eine Phase der sich einstellenden Ausgangsspannungen betrachtet.
Der negative Ausgang 32 ist mit der Kathode einer Diode 7 verbunden. Der positive Ausgang 30 ist mit der Kathode einer Diode 9 verbunden. Die Anoden der beiden Dioden 7, 9 sind miteinander verbunden.
Zu jeder der beiden Dioden 7, 9 ist ein Transistor 8, 10 in Form eines n-Kanal-Feldeffekttransistors parallel geschaltet. Hierbei sind die Source-Anschlüsse der beiden Transistoren 8, 10 jeweils mit den Anoden der beiden Dioden verbunden. Der Drain-Anschluss des ersten Transistors 8 ist mit dem negativen Ausgang 32 verbunden und der Drain-Anschluss des zweiten Transistors 10 ist mit dem positiven Ausgang 30 verbunden. Der Gate-Anschluss des ersten Transistors 8 ist mit dem Drain-Anschluss des zweiten Transistors 10 und mit dem positiven Ausgang 30 verbunden. Der Gate-Anschluss des zweiten Transistors 10 ist mit dem Drain-Anschluss des ersten Transistors 8 und mit dem negativen Ausgang 32 verbunden. Zu diesem Zeitpunkt ist also der Transistor 8 leitend, während der Transistor 10 gesperrt ist.
Im Falle von p-Kanal-Transistoren 8, 10 wären lediglich die Dioden in ihrer Richtung umzukehren, so dass die Kathoden der beiden Dioden 7, 9 miteinander verbunden und die Anoden der Dioden mit jeweils verschiedenen Ausgängen 30, 32 des Transformators 1 verbunden sind.
Erfindungsgemäß wird aus derselben Trafo-Wicklung des Transformators 1 die Versorgungsspannung für die Erfassung, Regelung und Generierung der Elektronenenergie für die Anoden-Kathoden-Emission erzeugt. Bei größeren Kathoden-Heizströmen wird die Gleichrichtung durch einen gesteuerten Gleichrichter 8, 10 unterstützt, der bei dem Gegentaktwandler direkt aus der Trafo-Ausgangsspannung des jeweils anderen Pfades gesteuert wird. Der gesteuerte Gleichrichter 8, der den Ausgang 32 gleichrichtet, wird über den Transformatorausgang 30 direkt angesteuert. In den Zeiten, in denen die Transformatorausgangsspannung nahe null Volt ist, fließt der Strom durch die mit den Source-Anschlüssen der beiden Transistoren 8, 10 verbundene Drosselspule 11 und durch die Dioden 7, 9.
Da die Spannungen an dem Transformatorausgang, die für die Kathode passend sind, oft niedrig sind, empfiehlt es sich, die Spannung mit einem Spannungsvervielfacher 16, 17 auf den gewünschten Wert U₃ zu bringen. Erfindungsgemäß ist hierzu jeweils ein Spannungsvervielfacher 16, 17 über jeweils einen Trennungskondensator 13, 14 mit dem positiven Ausgang 30 und mit dem negativen Ausgang 32 des Transformators 1 verbunden. In 2 erkennt man einen einfachen Spannungsvervielfacher, der aus den Dioden 33 und 34 gebildet wird. An den Ausgängen der Spannungsvervielfacher 16, 17 wird die Gleichspannung U₃ abgegriffen, die beispielsweise genutzt werden kann, um eine Spannungserzeugungseinrichtung 18 zur Generierung der Anodenspannung U_A zu versorgen. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe der Gleichspannung U₃ eine Spannungsversorgungseinrichtung 21 gespeist werden, die über den Optokoppler 22 die Information für die Gate-Spannungen für zwei Transistoren 19, 20 liefert, die wechselnd zwei separate Kathoden-Anschlüsse Kat₁, Kat₂ ansteuern.
Hierbei sind die Drain-Anschlüsse der beiden Transistoren 19, 20 jeweils mit dem Mittenanschluss 31 des Transformators verbunden, welches im Falle von n-Kanal-Transistoren der positive Pol der Kathodenspannungsversorgung darstellt. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 19, 20 sind jeweils mit der Spannungsversorgungeinrichtung 21 verbunden. Der Source-Anschluss des einen Transistors 19 ist mit dem zweiten Kathodenanschluss Kat₂ und der Source-Anschluss des Transistors 20 mit dem ersten Kathodenanschluss Kat₁ verbunden. An den Kathodenanschlüssen Kat₁, Kat₂ können jeweils eine Kathode angeschlossen sein, deren gegenüberliegender Pol mit dem gemeinsamen Kathodenanschluss Kat verbunden ist. Eine Umschaltung der Kathoden kann durch die Gleichspannungsheizung auf einfache Weise jeweils mit einem Transistor 19, 20 erfolgen. Insbesondere kann auch im Falle mehrerer Kathodenanschlüsse, d. h. bei mehr als zwei Kathodenanschlüssen, mit jeweils einem Transistor die Ansteuerung der Kathodenanschlüsse erfolgen.
Der Emissionsstrom fließt innerhalb der Ionenquelle von dem Anschluss für die Anodenspannung U_A zu den Anschlüssen der jeweils eingeschalteten Kathode Kat₁ bzw. Kat₂ und der gemeinsame Kathodenanschluss. Das mittlere Kathodenpotential wird mittels der Widerstände 27, 28 einschließlich des durch den Emissionsstrom entstehenden Spannungsabfalls an den Widerständen 26 und 29 abgebildet. Um den Emissionsstrom auf Massepotential, auf dem sich die Signalauswertung 25, welches vorzugsweise ein Prozessorbaustein ist, normalerweise befindet, wird der Emissionsstrom, der an den Widerständen 26, 29 einen Spannungsabfall hervorruft, mittels Wandlung in dem Pulsweitenmodulations-Wandler 23 in ein PWM-Signal geformt. Das PWM-Signal wird über einen Optokoppler 24 zur massebezogenen Signalauswertung 25 übertragen. Dort wird mit einem Mikroprozessor das PWM-Signal in Zahlenwerte umgeformt, die dann proportional zu dem Emissionsstrom sind. Dadurch kann mit Hilfe der erhaltenen Zahlenwerte und einer Software der Emissionsstrom geregelt werden.
Die Stellgröße ist das Tastverhältnis des Schaltnetzteils 4 und kann direkt aus dem Prozessor generiert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Stellgröße über einen Analogausgang, der mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters 6 und einem Schaltnetzteil-IC (”Integrated Circuit”) 4 gebildet, generiert. Hierbei kann die in dem Schaltnetzteil-IC realisierte Strombegrenzung genutzt werden. Hierfür wird als Strombegrenzungswiderstand der Widerstand 5 genutzt. Die Erzeugung der Elektronenenergie benötigt nur einen Aufwärtswandler 18, der normalerweise eine Spannung von ca. 70 bis 100 V aus der isolierten Versorgungsspannung U₃ generiert.
Die Spannungsvervielfacher 16, 17, die mindestens aus je zwei Gleichrichtern bestehen, werden durch eine kapazitive Anbindung an den Transformator bestehend aus den Kondensatoren 13, 14, 15 gespeist und ermöglichen eine für Gleichströme isolierte Anbindung, wie in 2 dargestellt. Die gleichspannungsmäßige Isolierung der Spannungsversorgung sorgt dafür, dass der Emissionsstrom, der am Leistungsausgang des Gleichrichters bestehend aus den Teilen 7, 8, 9 und 10 in die aktive Kathode fließt, fehlerfrei ausgewertet werden kann. Jeweils ein Spannungsvervielfacher wird vorzugsweise an beiden Transformatorausgängen 30, 32 angeschlossen, wodurch die Strombelastbarkeit größer und der Ripple kleiner wird. Zudem werden Spitzen im Transformator abgebaut, die den aktiven Gleichrichter zerstören könnten.

Claims

Vorrichtung zur Spannungsversorgung der Kathode eines Massenspektrometers, mit einem mit einer Eingangsspannung (U₁) versorgten Transformator (1) mit mindestens einem ersten Ausgang (30) und/oder einem zweiten Ausgang (32) und einem ausgangsseitigen Mittenanschluss (31), mindestens eine der beiden Dioden (7, 9), deren einander entsprechende Anschlüsse, also die Kathoden oder die Anoden, mit verschiedenen der Ausgänge (30, 32) des Transformators (1) verbunden sind, wobei der Anschluss der ersten Diode (7) mit dem ersten Ausgang (32) und der Anschluss der zweiten Diode (9) mit dem zweiten Ausgang (30) verbunden ist, dass für jede Diode (7, 9) ein zu der jeweiligen Diode parallel geschalteter erster (8) bzw. zweiter Transistor (10) vorgesehen ist, wobei der Source-Anschluss jedes Transistors (8, 10) mit dem dem Transformator (1) gegenüberliegenden Anschluss der zugehörigen Diode (7, 9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gate des ersten Transistors (8) mit dem zweiten Ausgang (30) und das Gate des zweiten Transistors (10) mit dem ersten Ausgang (32) des Transformators (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drain-Anschluss des ersten Transistors (8) mit dem ersten Ausgang (32) und der Drain-Anschluss des zweiten Transistors (10) mit dem zweiten Ausgang (30) des Transformators (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ausgangsseitigen Mittenanschluss (31) des Transformators (1) und den Source-Anschlüssen der Transistoren (8, 10) ein Tiefpass aus einem Glättungskondensator (12) und einer Drosselspule (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Versorgung zweier Kathoden mit jeweils einem Ausgang (Kat₁, Kat₂) für jede der beiden Kathoden versehen ist, wobei zwei Transistoren (19, 20) zum wechselnden Ansteuern der beiden Kathodenanschlüsse (Kat₁, Kat₂) mit dem Transformator (1) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kathodenanschluss (Kat₁, Kat₂) mit dem Source-Anschluss genau eines der beiden Transistoren (19, 20) verbunden ist, wobei ein Transistor (19, 20) den zugehörigen Kathodenanschluss (Kat₁, Kat₂) genau dann ansteuert, wenn die an dem jeweiligen Gate-Anschluss anliegende Transistor-Spannung, die an dem Source-Anschluss anliegende Kathodenspannung übersteigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der an dem ersten Ausgang (32) und/oder an dem zweiten Ausgang (30) des Transformators anliegenden Ausgangsspannung eine Gleichspannung (U₃) mit mindestens einem Spannungsvervielfacher (16, 17) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spannungsvervielfacher, bestehend aus mindestens zwei Gleichrichtern (16, 17) über einen Trennungskondensator (13, 14) mit einem der beiden Ausgangsanschlüsse (30, 32) des Transformators (1) als aktiver Pfad verbunden ist und über einen Kondensator (15) mit den dem Transformator (1) gegenüberliegenden Anschlüssen der Dioden (7, 9) als Bezugspfad verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (U₃) zur Versorgung einer die Gate-Spannung der beiden Transistoren (19, 20) erzeugenden Spannungsversorgungseinrichtung (21), und/oder zur Versorgung einer die Anodenspannung (U_A) des Massenspektrometers erzeugenden Spannungsversorgungseinrichtung (18) und/oder zur Versorgung einer Messschaltung (23) zur Messung des Emissionsstroms der jeweils aktivierten Kathode (Kat₁, Kat₂) dient.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messschaltung (23) zur Messung des Emissionsstroms der jeweils aktivierten Kathode (Kat₁, Kat₂) in Form eines Pulsweitenmodulators (PWM) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsstrom über zwei zwischen dem Mittenanschluss (31) und den dem Transformator (1) gegenüberliegenden Anschlüssen der beiden Dioden (7, 9) in Reihe geschalteten ersten Widerständen (26, 29) abfällt und über zwei zueinander in Reihe und zu den ersten Widerständen (26, 29) parallel geschaltete Widerstände (27, 28) gemittelt wird.