JP2015513765A - 質量分析計のカソードの電圧供給のための装置 - Google Patents

Abstract

質量分析計のカソードに電圧供給するための簡単な装置は、プッシュプル変圧器を備える。通常の整流ダイオード（７，９）とは別に、制御された整流器（８，１０）が設けられている。第１トランジスタ（８）のゲートは第２の出力（３０）に接続され、また、第２のトランジスタ（１０）のゲートは変圧器（１）の第１の出力（３２）に接続されている。電圧供給装置は、少なくとも１つの電圧増倍器からなり、コンデンサ（１３，１４，１５）を介して上記変圧器の出力に接続され、とりわけ、放射電流測定装置に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、質量分析計のイオン源に電圧を供給するための装置、特に、質量分析計のカソードに電力を供給するための装置に関する。

質量分析計は、ガスの分析のために使用され、とりわけ漏洩検知装置に用途が見出されている。電界によって、熱カソードから出てくる電子が加速される。そのプロセスでは、電極電流が生成され、電極によって、被分析物質が気相にイオン化され、分析器へ供給される。この電界は、カソードとアノードとの間に生成される。質量分析計のカソードへの電圧供給のために、予め定められた放射電流が、確実に、最小の干渉成分で生成されなければならない。それは、アクチュエータとして使用されるカソードの加熱電圧を変化させることによって行われる。

本発明は、質量分析計のカソードに電圧を供給するための装置であって、少数の構成部品を有し、低電力損失であるものを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって達成される。

詳しくは、スイッチング電源において、変圧器は、その変圧器に印加される一次側の入力電圧を有する。二次側では、上記変圧器は、２つの出力端子および出力側中間端子を備えている。上記変圧器の上記２つの出力端子に対して、相互に反対の出力電圧、すなわち、互いに対して１８０°だけ位相シフトされている出力電圧が印加される。正の出力電圧が第１の出力端子に印加されれば、同じ出力電圧であるが逆符号をもつ出力電圧が第２の出力端子に印加される。上記変圧器の上記２つの出力端子は、ダイオードに直接接続されている。効率を高めるために、制御された整流器に対応する態様で、上記ダイオードに並列に配置されたトランジスタが使用される。その場合において、２つのｎチャネルトランジスタのときには、１つのダイオードのカソードが第１の変圧器出力に直接接続され、また、第２のダイオードのカソードが第２の変圧器出力に直接接続される。ｐチャネルトランジスタのときには、対応する仕方で、１つのダイオードのアノードが第１の変圧器出力に接続され、また、他方のダイオードのアノードが第２の変圧器出力に接続される。言い換えれば、２つのダイオードの相互に対応する端子は、上記変圧器の異なる出力にそれぞれ直接接続される。

上記２つのダイオードの各々に、正確に１つのトランジスタが並列に接続されている。ここで、本発明によれば、一方のトランジスタのゲートは第１の出力端子に直接接続され、また、第２のトランジスタのゲートは上記変圧器の他方の出力端子に直接接続されている。

上記ダイオードは、上記変圧器の出力電圧を整流するために使用される。その場合において、上記ダイオードに並列に接続されたトランジスタは、回路の効率を向上させるために有効である。

この目的のために、好ましくは、一方のトランジスタのドレイン端子は、第１の変圧器出力に直接接続され、また、他方のトランジスタのドレイン端子は第２の変圧器出力に直接接続されている。上記２つのトランジスタのソース端子は、互いに接続され得、また、上記変圧器と反対に配置され且つ上記変圧器に直接接続されていない端子に直接結合され得る。したがって、ｐチャネルトランジスタの場合には、上記ソース端子が上記ダイオードの２つのカソードに結合され、また、ｎチャネルトランジスタの場合には、それらが上記ダイオードの２つのアノードに結合される。好ましくは、上記トランジスタは、ｐチャネル型またはｎチャネル型の電界効果トランジスタである。

好ましくは、平滑コンデンサとチョークコイルが、上記変圧器の中間端子と上記トランジスタのソース端子（複数）との間のローパス部を形成する。プッシュプル変圧器として記述された変形例とは対照的に、上記回路はまた、１つのトランジスタと１つのダイオードのみをそれぞれ必要とするシングルエンドのフロー変圧器として設計され得る。

一実施形態では、上記電圧供給装置は、２つのカソードを駆動するために働く。それは、２つのトランジスタが、上記２つのカソードの出力端子の正確に一方を交互に駆動することで行われる。カソード端子の切り替え制御のために従来使用されているリレーは、省略され得る。さらに、上記トランジスタの使用による駆動は、従来のスイッチングリレーの使用による駆動よりも、より信頼性が高く、より高速に実行される。

好ましくは、少なくとも１つの電圧増倍器の助けを借りて、上記２つの変圧器出力に印加される上記出力電圧の少なくとも１つから、さらなる直流電圧が生成される。ここで、上記２つの変圧器出力の各々に対して、正確に１つの電圧増倍器が割り当てられ得る。その電圧増倍器は、分離コンデンサを介して、それぞれの出力に接続され得る。上記直流電圧は、
ａ） 上記質量分析計用の電子エネルギ（アノード電圧）を発生させるための供給として、
ｂ） 上記２つのカソード端子を駆動する上記トランジスタのための供給電圧を生成するため、および／または
ｃ） 放射電流を測定および／または調節するための測定回路への電力供給のため
に働き得る。

上記放射電流は、イオン源内で、上記アノードからそれぞれのスイッチオンされたカソードへ流れる電流である。ここで、上記電子エネルギは、アノードとカソード間の電圧差によって与えられる。好ましくは、上記放射電流は、パルス幅変調の助けを借りて伝えられる。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、プッシュプル変圧器として設計された電圧供給装置のブロック図である。 図２は、図１の詳細を示す図である。

変圧器１は、その一次側とその二次側に、それぞれ３つの端子を備えている。一次側端子の１つに、変圧器のための入力電圧Ｕ_１が印加される。第１の出力端子３２と第２の出力端子３０に、相互に位相シフトされた、すなわち、相互に反対の変圧器出力電圧が印加される。第３の二次側端子は、出力側中間端子３１として設計されている。以下、第１の出力端子３２を負出力と呼び、第２の出力端子３０を正出力と呼ぶ。すなわち、得られた出力電圧の一方のみの相が観測されるであろう。

負出力３２は、ダイオード７のカソードに接続されている。正出力３０は、ダイオード９のカソードに接続されている。２つのダイオード７，９のアノードは互いに接続されている。

２つのダイオード７，９の各々に対して並列に、ｎチャネル型電界効果トランジスタの形態にあるトランジスタ８，１０が接続されている。この配置では、両方のトランジスタ８および１０のソース端子は、それぞれ、２つのダイオードのアノードに接続されている。第１のトランジスタ８のドレイン端子は負出力３２に接続され、第２のトランジスタ１０のドレイン端子は正出力３０に接続されている。第１のトランジスタ８のゲート端子は、第２トランジスタ１０のドレイン端子と正出力３０とに接続されている。第２のトランジスタ１０のゲート端子は、第１トランジスタ８のドレイン端子と負出力３２とに接続されている。そして、この時点では、トランジスタ８が導通状態にある一方、トランジスタ１０が遮断されている。

ｐチャネルトランジスタ８，１０の場合には、ダイオードの方向を逆にすることのみが要求されるだろう。それにより、２つのダイオード７，９のカソードが互いに接続され、それらのダイオードのアノードがそれぞれ変圧器１の異なる出力３０，３２に接続される。

本発明によれば、アノード−カソード放射のための電子エネルギの検出、制御および生成のための供給電圧は、変圧器１の同じ変圧器巻線から生成される。仮により高いカソード加熱電流が存在すれば、整流は、制御された整流器８，１０によってサポートされる。このプッシュプル変圧器では、それらの整流器は、それぞれ他のパスの変圧器出力電圧から直接制御される。出力３２を整流する制御された整流器８は、変圧器出力３０を介して直接駆動される。変圧器出力電圧がゼロボルトに近い期間中に、電流は、両トランジスタ８、１０のソース端子に接続されたチョークコイル１１を通して、および、ダイオード７，９を通して流れるだろう。

カソードに適する変圧器出力での電圧は低い場合が多いので、電圧増倍器１６，１７の助けを借りて、電圧を所望の値Ｕ_３へ持ち上げることが望ましい。この目的のために、本発明は、それぞれ１つの電圧増倍器１６，１７が、それぞれ分離コンデンサ１３，１４を介して、変圧器１の正出力３０へ、および、負出力３２へ接続される、ということを提供する。図２は、ダイオード３３，３４によって形成された単純な電圧増倍器の概略図である。電圧増倍器１６，１７の出力にて、直流電圧Ｕ_３はピックアップされる。それは、例えばアノード電圧Ｕ_Ａを発生するために設けられた電圧発生装置１８に供給するために使用され得る。その代わりにまたはそれに加えて、直流電圧Ｕ_３は、電圧供給装置２１に供給するために使用され得る。それは、フォトカプラ２２を介して、２つのトランジスタ１９，２０のためのゲート電圧のための情報を伝える。それらのトランジスタは、２つの別個のカソード端子Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２を交互に駆動する。

上記構成において、２つのトランジスタ１９，２０のドレイン端子は、それぞれ、上記変圧器の中間端子３１に接続されている。その中間端子は、ｎチャネルトランジスタの場合には、カソード供給電圧の正極である。トランジスタ１９，２０のゲート端子は、それぞれ電圧供給装置２１に接続されている。１つのトランジスタ１９のソース端子は第２のカソード端子Ｋａｔ_２に接続され、また、トランジスタ２０のソース端子は第１のカソード端子Ｋａｔ_１に接続されている。カソード端子Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２は、それぞれ、それらに接続された１つのカソードを有することができる。上記カソードの反対の極は、共通のカソード端子Ｋａｔに接続される。カソード（複数）の切り換えは、それぞれのトランジスタ１９，２０を使用することによって、直流電圧加熱を通して簡単な態様で行われ得る。特に、複数のカソード端子、すなわち２つを超えるカソード端子の場合にも、カソード端子の駆動は、それぞれ１つのトランジスタによって実行され得る。

放射電流は、イオン源内で、アノード電圧Ｕ_Ａのための端子から、現在スイッチオンされたカソードＫａｔ_１とＫａｔ_２へそれぞれ流れ、そして共通のカソード端子へ流れる。平均カソード電位は、放射電流によって引き起こされる抵抗器２６および２９での電圧降下を含む抵抗器２７，２８によってマッピングされる。物質電位（その上に、信号評価ユニット２５（プロセッサ部品であるのが好ましい。）が、通常、保持される。）上の放射電流のあたりに、抵抗器２６，２９に電圧降下を引き起こす放射電流が、パルス幅変調コンバータ２３内のＰＷＭ信号への変換によって形成される。ＰＷＭ信号は、フォトカプラ２４を介して、質量に関連した信号評価ユニット２５へ送信される。その中で、ＰＷＭ信号は、マイクロプロセッサを用いて、上記放射電流に比例するであろう数値に変換される。このようにして、得られた数値とソフトウェアの助けを借りて、放射電流が制御され得る。

制御変数は、スイッチング電源４のデューティ比であり、上記プロセッサから直接生成され得る。図示の実施形態では、制御変数は、デジタル／アナログ変圧器６とスイッチング電圧供給ＩＣ（「集積回路」）４との助けを借りて形成されるアナログ出力を介して、生成される。この場合に、スイッチング電圧供給ＩＣ内で実現された電流制限が使用され得る。このために、抵抗器５が電流制限抵抗として使用される。電子エネルギの発生は、通常、分離された電源電圧Ｕ_３から約７０〜１００Ｖの電圧を生成するステップアップコンバータ１８を必要とするのみである。

図２に示すように、それぞれ少なくとも２つの整流器からなる電圧増倍器１６，１７は、コンデンサ１３，１４，１５からなる変圧器への容量性結合によって供給される。それらのコンデンサは、直流電流のための絶縁された接続を可能にしている。電圧源の直流電圧の絶縁は、構成部品７，８，９，１０からなる整流器の電力出力にて、活性なカソードに流れている電流が、エラーなしで評価され得ることを可能にする。それぞれ１つの電圧増倍器が変圧器出力３０，３２の両方に接続されるのが好ましい。それにより、電流容量の増大とリップルの減少がもたらされる。さらに、変圧器内のピークが減少される。さもなければ、活性な整流器が破壊される可能性がある。

Claims (10)

1. 質量分析計のカソードに電圧供給するための装置であって、
   入力電圧（Ｕ_１）によって供給される変圧器（１）を備え、上記変圧器は、少なくとも第１の出力（３０）および／または第２の出力（３２）および出力側中間端子（３１）を有し、
   少なくとも２つのダイオード（７，９）を備え、それらのダイオードは、それらのダイオードの相互に対応する端子、すなわちカソードまたはアノードを介して、上記変圧器（１）の上記出力（３０，３２）の異なる端子に接続され、第１のダイオード（７）の上記端子は上記第１の出力（３２）に接続され、第２のダイオード（９）の上記端子は上記第２の出力（３０）に接続され、上記各ダイオード（７，９）について、それぞれのダイオードに並列に接続された第１のトランジスタ（８）および第２のトランジスタ（１０）が設けられ、また、上記各トランジスタ（８，１０）のソース端子は、対応する上記ダイオード（７，９）の上記変圧器（１）と反対側に配置されている端子に接続されている装置において、
   上記第１のトランジスタ（８）のゲートは上記第２の出力（３０）に接続され、また、上記第２のトランジスタ（１０）のゲートは上記変圧器（１）の上記第１の出力（３２）に接続されていることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   上記第１のトランジスタ（８）のドレイン端子は上記第１の出力（３２）に接続され、また、上記第２のトランジスタ（１０）のドレイン端子は上記変圧器（１）の上記第２の出力（３０）に接続されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、
   平滑コンデンサ（１２）およびチョークコイル（１１）からなるローパス部が、上記変圧器（１）の出力側中間端子（３１）と上記トランジスタ（８，１０）のソース端子との間に設けられていることを特徴とする装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の装置において、
   上記装置は、２つのカソードに供給するために、上記２つのカソードの各々のためのそれぞれの出力（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）を備え、
   上記２つのカソードの端子（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）を交互に駆動するための２つのトランジスタ（１９，２０）が上記変圧器（１）に接続されていることを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、
   上記各カソードの端子（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）は，少なくとも上記２つのトランジスタ（１９，２０）の少なくとも一方のソース端子に接続され、
   上記トランジスタのそれぞれのゲート端子に印加された電圧が上記ソース端子に印加されたカソード電圧を超えたときのみ正確に、１つのトランジスタ（１９，２０）が、関連づけられた上記カソードの端子（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）を駆動することを特徴とする装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の装置において、
   上記変圧器の上記第１の出力（３０）および／または上記第２の出力（３２）から、少なくとも１つの電圧増倍器（１６，１７）によって、直流電圧（Ｕ_３）が生成されることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置において、
   上記少なくとも１つの電圧増倍器は、少なくとも２つの整流器（１６，１７）からなり、上記変圧器（１）の上記２つの出力端子（３０，３２）の一方に分離コンデンサ（１３，１４）を介して接続され、これにより、活性なパスを提供し、また、上記ダイオード（９，７）の上記変圧器（１）と反対側に配置されている上記端子にコンデンサ（１５）を介して接続され、これにより基準パスを提供することを特徴とする装置。
8. 請求項６または７に記載の装置において、
   上記直流電圧（Ｕ_３）は、
   上記２つのトランジスタ（１９，２０）のゲート電圧を生成する電圧供給装置（２１）に供給するために、および／または、
   上記質量分析計のアノード電圧（Ｕ_Ａ）を生成する電圧供給装置（１８）に供給するために、および／または、
   それぞれの活性化されたカソード（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）の放射電流を測定するための測定回路（２３）に供給するために
   働くことを特徴とする装置。
9. 請求項１から８までのいずれか一つに記載の装置において、
   上記それぞれの活性化されたカソード（Ｋａｔ_１，Ｋａｔ_２）の放射電流を測定するための測定回路（２３）は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）の形態で設けられていることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置において、
    上記放射電流は、
    上記中間端子（３１）と、上記２つのダイオード（７，９）の上記変圧器（１）と反対側に配置されている上記端子との間に直列に接続された２つの第１の抵抗器（２６，２９）を横切って減少し、
    互いに直列に接続され、かつ上記第１の抵抗器（２６，２９）に並列に接続された２つの抵抗器（２８，２７）を介して平均化されることを特徴とする装置。

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