JP2002033073A - 四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来問題の多い振幅変調用乗算器を不要に
し、変調後の高周波電圧の広い電圧範囲にわたって良好
な直線性を持ち、変調された電圧の温度変動が実質的に
なく、従来の乗算器に要していた複雑な調整を省き、か
つ回路の簡素化が可能で大幅なコストダウンを可能にす
る。 【解決手段】 ＰＩＤ制御器１０６からの基準ノコギリ
波１２０と同様の波形を有する訂正信号は、アナログス
イッチ１０において水晶発振器１２の高周波信号でチョ
ッピングされ、次いでその高周波信号の周波数帯を通す
バンドパスフィルタ１４に通されることにより、基準ノ
コギリ波波形の包絡線を有する振幅変調された高周波電
圧が実質的に生成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧以下の真空
圧力を計測する圧力測定器における分圧測定のための四
極子質量分析計用の四極子電極印加電圧発生回路に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】圧力測定器における分圧測定用四極子質
量分析計では、四極子電極の対向電極同士を接続し、こ
れに高周波電圧と直流電圧の、ある一定の比率で加えた
ものを四極子電極に印加することで、特定の質量−電荷
数比（Ｍ／ｅ）に対応するイオンのみを選択的にふるい
分ける、いわゆる質量分離作用を行わせる。四極子質量
分析計では通常、Ｍ／ｅ＝１から連続的な質量スペクト
ルを得るために、高周波電圧と直流電圧を基準スイープ
電圧波形である基準ノコギリ波で変調させた電圧を四極
子電極に印加する。

【０００３】四極子質量分析計の四極子に印加される制
御された電圧を発生する従来の回路を図２に示す。図２
のように水晶発振器１０１で発振させた正弦波の高周波
電圧（周波数はほぼ１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの範囲内であ
る。）をある程度の大きさに高周波増幅器１（ＲＦＡＭ
Ｐ１）１０２で増幅し、コントロール回路（図示せず）
から入力される基準ノコギリ波１２０と乗算器１０３で
乗算して、その高周波の振幅を振幅変調する。変調出力
は、高周波トランス１０９を駆動する高周波増幅器２
（ＲＦＡＭＰ２）１０４に送られ、高周波トランス１０
９の一次側コイル１０９ａ１を駆動する。高周波トラン
ス１０９で１００Ｖ程度の高周波電圧は一気に１０００
Ｖ以上にまで昇圧され、別に送られてくる直流電圧と重
畳されて四極子電極１１６に印加される。高周波トラン
ス１０９の二次側を形成する２つのコイル１０９ｂ１、
１０９ｂ２のそれぞれには並列に可変コンデンサ１１
０、１１１が接続され、水晶発振器１０１の発振周波数
に同調するようにその静電容量が調整される。そして、
同調を取ることにより回路は並列共振状態となり、高周
波電圧の最大電圧が得られると共に、駆動するＲＦＡＭ
Ｐ２ １０４の電力も最小になる。高周波トランス１０
９では、四極子電極印加電圧を監視するため、高周波ト
ランス１０９の一次側に別巻線のコイル１０９ａ２が設
けられ、四極子電極印加電圧に比例した高周波電圧が直
接検出される（なお、二次側に分圧回路などを挿入して
検出してもよい）。検出された高周波電圧は、検波回路
１０８で包絡線検波され、ローパスフィルタ１０７で脈
動成分が除去され、更にコントロール回路からの基準ノ
コギリ波１２０の電圧と比較器１０５により比較され、
次いで誤差を訂正するためＰＩＤ制御器１０６に送られ
る。高周波電圧に重畳される直流電圧は、高周波電圧と
ある一定の比を保たねばならないので、先の高周波電圧
の検波電圧を取り出して、それをもとにして＋ＤＣ増幅
器（＋ＤＣＡＭＰ）１１２及び−ＤＣ増幅器（−ＤＣＡ
ＭＰ）１１３で増幅して大きさが同じで正負の１対の直
流電圧を生成して高周波トランス１０９の二次側のそれ
ぞれのコイル１０９ｂ１、１０９ｂ２を介して四極子電
極に印加する。なお、二次側コイル１０９ｂ１と１０９
ｂ２との間に挿入されているコンデンサ１１４は、高周
波電圧を通し、直流電圧の通過を阻止するためのもので
あり、＋ＤＣＡＭＰ１１２及び−ＤＣＡＭＰ１１３と高
周波トランス１０９の二次側コイル１０９ｂ１及び１０
９ｂ２とのそれぞれの間に挿入されているチョーク１１
７、１１８は、高周波電圧が二次側コイル１０９ｂ１及
び１０９ｂ２から＋ＤＣＡＭＰ１１２及び−ＤＣＡＭＰ
１１３に回り込むのを阻止するためのものである。

【０００４】高周波電圧を基準ノコギリ波で振幅変調す
る乗算器１０３には、トランジスタの直流バイアス電流
をコントロールして乗算係数を変化させるコレクタ変調
方式、トランジスタを複数個組み合わせて４象限乗算が
可能なギルバート乗算方式、高周波トランスとダイオー
ド・ブリッジを組み合わせたダブルバランスドミクサ方
式、ＦＥＴの相互コンダクタンスを変化させる方式等種
々の方式が用いられてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コレク
タ変調方式の場合安価にできるものの、広い電圧範囲に
わたっての直線性が得られない、周囲温度の変化に対し
て変調後の電圧変動が大きい、調整が難しい等の欠点が
あった。また、ギルバート乗算方式やダブルバランスド
・ミクサ方式の場合、上記コレクタ変調方式よりも直線
性や温度特性が良いものの、部品が高価である等の欠点
を持っていた。更に、ＦＥＴの相互コンダクタンスを変
化させる方式の場合、乗算の範囲が狭く、また乗算が良
好に行えるようにするためのオフセット調整が難しい。

【０００６】本発明は、従来の上記回路に用いられてい
るような乗算器を不要にし、変調後の高周波電圧の広い
電圧範囲にわたって良好な直線性を持ち、変調電圧の温
度変動が実質的になく、従来の乗算器に要していた複雑
な調整を省き、かつ回路の簡素化が可能で大幅なコスト
ダウンを実現し得る四極子質量分析計用四極子電極印加
電圧発生回路を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、四極子電極
に直流と高周波の重畳電圧を印加して質量分離作用を行
わせる四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路
であって、高周波電圧発生部、当該高周波電圧発生部で
発生され前記四極子に印加された高周波電圧に基づいて
直流電圧を生成する直流電圧生成部、及び前記高周波電
圧発生部で発生された高周波電圧を昇圧しかつ前記の生
成された直流電圧を昇圧された高周波電圧に重畳して前
記四極子電極に印加する昇圧・重畳部とを備える四極子
質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路において、前
記高周波電圧部が、前記高周波電圧の周波数を有する高
周波信号を発生する高周波発振手段と、前記高周波電圧
の包絡線を規定するための基準スイープ電圧、及び前記
高周波発振手段からの高周波信号を受け取り、前記基準
スイープ電圧を前記高周波信号でチョッピングして前記
基準スイープ電圧波形の包絡線を有する高周波電圧を生
成するチョッピング手段とを備えることを特徴とする本
発明の四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路
により解決される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の四
極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路の一好適
実施形態を説明する。図１は、本発明の四極子質量分析
計用四極子電極印加電圧発生回路の一好適実施形態を示
したブロック図である。図１において、図２における参
照番号と同一の参照番号を付した構成要素は同じ又は類
似の構成要素を示し、その説明を繰り返さない。図１に
おいて、参照番号１０は、スイッチング速度が速くかつ
オン抵抗が低いＭＯＳ−ＦＥＴ等より構成される半導体
アナログスイッチを、１２はアナログスイッチ１０のス
イッチング信号入力に接続されている水晶発振器を、１
４はその入力がアナログスイッチ１０の出力に接続され
その出力がＲＦＡＭＰ １０４に接続されているバンド
パスフィルタをそれぞれ示す。アナログスイッチ１０
は、ＰＩＤ制御器１０６からの信号を受け取る第１の入
力端子、回路接地に接続された第２の入力端子、及びバ
ンドパスフィルタ１４に接続された出力端子を有する半
導体スイッチ部２０、水晶発振器１２の出力に接続され
半導体スイッチ部２０をスイッチングするための信号を
出力するバッファ増幅器２２を含む。

【０００９】前述したような図１の四極子電極印加電圧
発生回路の動作を以下に説明する。従来技術において述
べたように、比較器１０５は、コントロール回路（図示
せず）からの基準スイープ電圧波形である基準ノコギリ
波１２０の電圧と、ローパスフィルタ１０７からの四極
子電極印加電圧に比例した高周波電圧の包絡線を表す信
号とを受け取って比較し、比較結果の誤差をＰＩＤ制御
器１０６に与える。ＰＩＤ制御器１０６は、比較器１０
５からの誤差に基づいてその誤差を訂正するための訂正
信号を生成し、アナログスイッチ１０のスイッチ部２０
の第１の入力端子に出力する。なお、この訂正信号は、
誤差がゼロにフィードバック制御されたとき基準ノコギ
リ波１２０と同様の波形を有する。一方、水晶発振器１
２は、被測定質量に応じて１ＭＨｚから５ＭＨｚの範囲
のうちのある固定の周波数を有する高周波信号を発生す
る。説明及び理解を容易にするため、以下一例として水
晶発振器１２は１ＭＨｚの高周波信号を発生するとす
る。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、高
周波発振器は、質量測定に用いられるいずれの固定の周
波数を有する高周波信号を発生してもよい。水晶発振器
１２からの１ＭＨｚの高周波数を有する高周波信号は、
アナログスイッチ１０のバッファ増幅器２２を介してス
イッチ部２０を第１の入力端子と第２の入力端子との間
でスイッチングするようにさせる。従って、スイッチ部
２０の出力には、基準ノコギリ波１２０と同様の波形を
した訂正信号と回路接地レベルとが１ＭＨｚの周期の半
分の周期で交互に出力され、即ち、訂正信号は１ＭＨｚ
の周期でチョッピングされ、図１のスイッチ部２０の出
力に示されるような高周波電圧波形が生成される。この
高周波電圧の出力波形は１ＭＨｚ帯（出力波形は、一種
の振幅変調された波形のため１ＭＨｚの近傍に側帯波を
有する。）の高調波成分を含むため、１ＭＨｚ帯を通
し、その高調波成分を除去するためのバンドパスフィル
タ１４に通され、それにより図１のバンドパスフィルタ
１４の出力側に示される波形のように１ＭＨｚの高周波
電圧の包絡線が基準ノコギリ波１２０の波形を有する振
幅変調された高周波電圧が得られる。次いで、バンドパ
スフィルタ１４の高周波出力電圧は、従来技術に示す図
１の回路と同様にＲＦＡＭＰ １０４で増幅され、高周
波トランス１０９で昇圧されて四極子電極１１６に印加
される。

【００１０】なお、用途によっては高調波成分を除去し
ないでもよい場合があり、この場合はバンドパスフィル
タ１４を省くことが可能である。また、アナログスイッ
チ１０のスイッチ部２０においてチョッピングされて生
成された高周波電圧に含まれる直流成分は、バンドパス
フィルタ１４で除去しなくても後段のＲＦＡＭＰ １０
４あるいは高周波トランス１０９で除去されるので、バ
ンドパスフィルタ１４はローパスフィルタタイプであっ
てもよい。更に、本実施形態においては、比較器１０５
に入力される基準スイープ電圧波形としてノコギリ波を
用いているが、本発明は、用途に応じて、例えばスロー
プの部分が階段状になった階段波形、あるいはノコギリ
波のように単純に増加する波形ではなく任意に変化する
ステップ波形等のいずれの波形であってもよい。

【００１１】本実施形態は、変調作用を行う構成要素と
して半導体のアナログスイッチ１０を用いることによ
り、従来問題の多い乗算器を不要にし、変調後の高周波
電圧の広い電圧範囲にわたって良好な直線性を持ち、変
調された電圧の温度変動が実質的になく、従来の乗算器
に要していた複雑な調整を省き、かつ回路の簡素化が可
能で大幅なコストダウンが可能となる。

【００１２】

【発明の効果】本発明は、高周波電圧の周波数を有する
高周波信号を発生する高周波発振手段と、高周波電圧の
包絡線を規定するための基準スイープ電圧、及び高周波
発振手段からの高周波信号を受け取り、基準スイープ電
圧を前記高周波信号でチョッピングして基準スイープ電
圧波形の包絡線を有する高周波電圧を生成するチョッピ
ング手段とを採用することにより、従来問題の多い乗算
器を不要にし、変調後の高周波電圧の広い電圧範囲にわ
たって良好な直線性を持ち、変調された電圧の温度変動
が実質的になく、従来の乗算器に要していた複雑な調整
を省き、かつ回路の簡素化が可能で大幅なコストダウン
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の四極子質量分析計用四極子電
極印加電圧発生回路の一好適実施形態を示したブロック
図である。

【図２】図２は、四極子質量分析計の四極子に印加され
る制御された電圧を発生する従来の回路を示す。

【符号の説明】

１０ アナログスイッチ １２ 水晶発振器 １４ バンドパスフィルタ ２０ スイッチ部 ２２ バッファ増幅器 １０４ 高周波増幅器（ＲＦＡＭＰ） １０５ 比較器 １０６ ＰＩＤ制御器 １０７ ローパスフィルタ １０８ 検波回路 １０９ 高周波トランス １１６ 四極子電極 １１２ ＋直流増幅器（＋ＤＣＡＭＰ） １１３ −直流増幅器（−ＤＣＡＭＰ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣木 成治 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 浜田 智 神奈川県藤沢市亀井野473−１ 有限会社 レムフクラフト内 Ｆターム(参考） 5C038 JJ06 JJ07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四極子電極に直流と高周波の重畳電圧を
   印加して質量分離作用を行わせる四極子質量分析計用四
   極子電極印加電圧発生回路であって、高周波電圧発生
   部、当該高周波電圧発生部で発生され前記四極子に印加
   された高周波電圧に基づいて直流電圧を生成する直流電
   圧生成部、及び前記高周波電圧発生部で発生された高周
   波電圧を昇圧しかつ前記の生成された直流電圧を昇圧さ
   れた高周波電圧に重畳して前記四極子電極に印加する昇
   圧・重畳部とを備える四極子質量分析計用四極子電極印
   加電圧発生回路において、 前記高周波電圧部が、 前記高周波電圧の周波数を有する高周波信号を発生する
   高周波発振手段と、 前記高周波電圧の包絡線を規定するための基準スイープ
   電圧、及び前記高周波発振手段からの高周波信号を受け
   取り、前記基準スイープ電圧を前記高周波信号でチョッ
   ピングして前記基準スイープ電圧波形の包絡線を有する
   高周波電圧を生成するチョッピング手段とを備えること
   を特徴とする四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発
   生回路。
2. 【請求項２】 前記チョッピング手段により生成された
   高周波電圧を受け取り当該高周波電圧に含まれる基本波
   成分のみを通すフィルタリング手段を更に備える請求項
   １記載の四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回
   路。