JPWO2015177886A1 - 高周波電圧生成装置 - Google Patents

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Abstract

直流電圧から高周波電圧を生成して負荷に印加する高周波電圧生成装置であって、第１直流電圧を生成する第１直流電源（１１）と、第１直流電圧とは異なる値の第２直流電圧を生成する第２直流電源（１２）と、周期が高周波電圧の周期よりも短く、電圧値が第１直流電圧と第２直流電圧の間で振動する過渡交流電圧を生成する過渡交流電圧生成回路（１３）と、高周波電圧の１周期の間に電圧を、第１直流電圧、過渡交流電圧、第２直流電圧、過渡交流電圧の順に切り換え、直前に印加された直流電圧の値を初期値として1.5 以上の半整数回、過渡交流電圧を振動させるよう、負荷への印加電圧を切り換える印加電圧切替部（１４）とを備える。第１直流電圧と第２直流電圧の切換を行う間に過渡交流電圧を印加することにより、矩形波を用いる従来の高周波電圧生成装置よりも緩やかに電圧の切換を行うことができ、それによりノイズの発生及び電力のロスを抑えることができる。

Description

本発明は、直流電圧から高周波電圧を生成して負荷に印加する高周波電圧生成装置に関する。この高周波電圧生成装置は、質量分析装置でイオンに対して集束、搬送、フィルタリング等の制御を行うイオンガイドやイオントラップ等の荷電粒子制御装置に好適に用いることができるものである。
質量分析装置で用いられる荷電粒子制御装置では、イオンの動きを制御するために、空間的、時間的に変調した高周波電界を用いる（特許文献１参照）。
例えば、イオン光軸を取り囲むようにn本（nは偶数）のロッド電極が配置されたイオンガイドにおいて、振幅がV、周波数がΩである高周波電圧VRFを、隣接するロッド電極同士で逆極性になるように印加することにより、イオンガイド内には高周波電界による擬似ポテンシャルVp(R)が形成される。ここでRは、イオン光軸からの径方向の距離である。この擬似ポテンシャルVp(R)は、イオンガイドの内接円半径r、イオンの質量m、及びイオンの電荷qを用いて、
Vp(R)={qn2/(4mΩ2)}・(V/r)2・(R/r)2(n-1)
と表される。この式より、以下のことがいえる。
イオンガイドの内接円半径r、高周波電圧VRFの振幅V、高周波電圧VRFの周波数Ωのいずれか1つ又は複数を変化させると、擬似ポテンシャルVp(R)が変化する。従って、擬似ポテンシャルVp(R)をイオン光軸に沿って変化させると、擬似ポテンシャルVp(R)の勾配が形成され、勾配による力が生じ、イオンを搬送することができる。
但し、ロッド電極のようにイオンガイドがイオン光軸に沿って連続的に存在する場合には、高周波電圧VRFの振幅Vや周波数Ωを変化させるという電気的方法により擬似ポテンシャルを変化させることは困難であり、イオンガイドの内接円半径r等のイオンガイドの構造を変化させることが必要である。しかし、イオンガイドの構造は使用時に変化させることはできず、イオンを自由に制御することができない。
一方、振幅Vや周波数Ω等の電気的方法により擬似ポテンシャルを変化させるためには、1本のロッド電極の代わりに、イオン光軸の方向に分離した電極を並べたものを用い、それら電極毎に振幅Vや周波数Ωの異なる高周波電圧VRFを印加すればよい。しかし、アナログ（正弦波）の高周波において振幅Vや周波数Ω等を制御するためには、複雑な装置を用いなければならず、イオンガイドにおいて実用化することは困難である。
そこで、イオンガイドの電極に高周波電圧を印加し、また、印加する高周波電圧の振幅をイオン光軸方向に沿って変化させる制御を行うために、直流電圧のオン／オフあるいは正／負の切換を高速で行うことにより（擬似的な）高周波電圧を生成するという、矩形波を用いたデジタル式の高周波電圧生成装置が用いられている。典型的なデジタル式の高周波電圧生成装置では、直流電圧の正／負を交互に繰り返す（図９(a)）切換操作を行うが、特許文献２には、直流電圧を正から負、及び負から正に切り換える際に一定時間直流電圧を0にする、すなわち高周波の1周期の間に0→+V0→0→-V0→0の順で直流電圧を切り換える（図９(b)）ことが記載されている。ここで、直流電圧を+V0及び-V0で維持する時間t vと、直流電圧を0で維持する時間t0の比を変化させることにより、周期及び直流電圧の大きさを変化させることなく、高周波電圧の実効的な振幅Vを変化させることができる。
図９(b)に示した電圧の切換は、例えば図１０に示す電気回路９０で実現される。この電気回路９０におけるコンデンサＣは、イオンガイドにおける1つの電極対に対応している。コンデンサＣの一方の端子は接地されており、他方の端子は第１スイッチＳ１を介した電位+V0の第１電源Ｅ１及び第２スイッチＳ２を介した電位-V0の第２電源Ｅ２に並列に接続されている。コンデンサＣの両端には、直列に接続された電気抵抗Ｒ及び第０スイッチＳ０が、コンデンサＣに並列に接続されている。
電気回路９０における電圧の切換は以下のように行う。コンデンサＣ（電極対）に並列に接続された第０スイッチＳ０を開放した状態で、第２スイッチＳ２を開放し、第１スイッチＳ１を閉鎖することにより、コンデンサＣ（電極対）の間に電圧+V0が印加される（図１１(a)）。次に、第１スイッチＳ１を開放して第０スイッチＳ０を閉鎖することにより、コンデンサＣ（電極対）間の電圧は0になる（図１１(b)）。続いて、第０スイッチＳ ０を開放して第２スイッチＳ２を閉鎖することにより、コンデンサＣ（電極対）間に電圧-V0が印加される（図１１(c)）。さらに、第２スイッチＳ２を開放して第０スイッチＳ０を閉鎖することにより、コンデンサＣ（電極対）間の電圧は0になる（図１１(d)）。以上の操作により、高周波電圧の1周期である、0→+V0→0→-V0→0という電圧の切換が行われる。そして、第０スイッチＳ０を閉鎖する時間（直流電圧を0で維持する時間）t0と、第１スイッチＳ１又は第２スイッチＳ２を閉鎖する時間（直流電圧を+V0又は-V0で維持する時間）tvの比を変化させるだけで、高周波電圧の実効的な振幅Vを制御することができる。この回路は、アナログ（正弦波）の高周波を用いる場合よりも単純であり、容易に実用化することができる。
特開2011-175982号公報 国際公開WO2012/150351号
これら従来のデジタル式の高周波電圧生成装置では波形が矩形になっており、直流電圧の切り換えの際に急激に電圧を変化させるため、電気的なノイズが発生してしまう。また、上述の電気回路９０では、電圧を±V0から0に変化させる際に、コンデンサＣに蓄積された電荷が電気抵抗Rを通じて流れ、そこで電力を消費してしまう。
本発明が解決しようとする課題は、ノイズの発生及び電力の消費を抑えることができる高周波電圧生成装置を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明は、直流電圧から高周波電圧を生成して負荷に印加する高周波電圧生成装置であって、
a) 第１直流電圧を生成する第１直流電圧生成部と、
b) 前記第１直流電圧とは異なる値の第２直流電圧を生成する第２直流電圧生成部と、
c) 前記高周波電圧の周期よりも短い周期であって、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧の一方を最大値、他方を最小値とする過渡交流電圧を、該第１直流電圧又は該第２直流電圧を初期値として発振する過渡交流電圧生成部と、
d) 前記高周波電圧の1周期の間に電圧を、前記第１直流電圧、該第１直流電圧を前記初期値とする前記過渡交流電圧、前記第２直流電圧、該第２直流電圧を前記初期値とする前記過渡交流電圧、の順に切り換え、該過渡交流電圧の期間がそれぞれ該過渡交流電圧の周期の1.5以上の半整数倍であって該高周波電圧の半周期よりも短くなるよう、該負荷への印加電圧を切り換える印加電圧切替部と
を備えることを特徴とする。
本発明に係る高周波電圧生成装置では、基本的には第１直流電圧と第２直流電圧を交互に負荷に印加することによって（擬似的な）高周波電圧を生成するが、第１直流電圧と第２直流電圧の間で電圧の切換を行う際に、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧の一方を最大値、他方を最小値とする過渡交流電圧を負荷に印加する。この過渡交流電圧を、直前に負荷に印加されていた直流電圧を初期値として1.5以上の半整数回振動させる、すなわち1回以上振動させた後にさらに半分振動させることにより、過渡交流電圧の印加の前後では、第１直流電圧から第２直流電圧へ、又は第２直流電圧から第１直流電圧に切り換えられる。このように過渡交流電圧を介することにより、矩形波を用いる従来の高周波電圧生成装置よりも緩やかに直流電圧の切換を行うことができるため、ノイズの発生を抑えることができる。また、過渡交流電圧を介して第１直流電圧と第２直流電圧の間で切換が行われる間に、電力のロスの原因となる電気抵抗を使用する必要がない。
本発明に係る高周波電圧生成装置は、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧を印加する時間と前記過渡交流電圧を印加する時間の比を変更する実効振幅変更部を備えることができる。第１直流電圧及び第２直流電圧を印加する時間を長くすると高周波電圧の実効的な振幅は大きくなり、当該時間を短くすると当該振幅は小さくなる。このように、上記時間の比を変更するだけで容易に、高周波電圧の実効的な振幅を制御することができる。ここで過渡交流電圧の期間が該過渡交流電圧の周期の(n+0.5)倍（nは自然数）であることから、上記の比の変更は、このnの値を変更することにより行うことができる。
また、本発明に係る高周波電圧生成装置は、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧を印加する時間、並びに前記過渡交流電圧を印加する時間のいずれか一方又は両方を変更する高周波電圧周波数変更部を備えることができる。これにより、これらの時間を変更するだけで容易に、高周波電圧の周波数を変更することができる。
過渡交流電圧生成部には、インダクタとコンデンサを直列に接続したＬＣ回路であって、該ＬＣ回路を開閉するＬＣ回路開閉部と、該コンデンサに第１直流電圧及び第２直流電圧を選択的に印加する直流電圧選択印加部を備えるものを好適に用いることができる。このような構成を有する過渡交流電圧生成部では、印加電圧切替部が第１直流電圧及び第２直流電圧のうちの一方の直流電圧から過渡交流電圧に切り換える際に、ＬＣ回路開閉部がＬＣ回路を開放したうえで直流電圧選択印加部が該一方の直流電圧をコンデンサに印加した後、直流電圧選択印加部が該一方の直流電圧の印加を終了したうえでＬＣ回路開閉部がＬＣ回路を閉鎖する。これにより、該一方の直流電圧、すなわち直前に印加されていた直流電圧を初期値とする交流電圧が該コンデンサの両端に発生する。従って、該コンデンサの両端の電圧を、負荷に印加する過渡交流電圧として出力すればよい。ここで、負荷がコンデンサを構成するものであるならば、負荷自身を該ＬＣ回路のコンデンサとすればよい。
本発明に係る高周波電圧生成装置は、質量分析装置で用いられる荷電粒子制御装置に高周波電圧を供給するために好適に用いることができる。例えば、前述のイオンガイドでは、電極に印加する高周波電圧VRFを供給するためにこの高周波電圧生成装置を用いることができる。特に、前記実効振幅変更部を備える高周波電圧生成装置は、高周波電圧VRFの振幅を変更することによってイオンガイド内の擬似ポテンシャルVp(R)を容易に制御することができる点で、好適に用いることができる。上述のようにイオン光軸に沿って振幅Vを変化させる場合には、イオン光軸の方向に複数並んだ電極毎に異なる高周波電圧生成装置を用い、各高周波電圧生成装置から異なる振幅で高周波電圧を電極に印加すればよい。
なお、本発明に係る高周波電圧生成装置を用いて荷電粒子制御装置に高周波電圧を供給すると、目的とする高周波電圧の波形中に過渡交流電圧の波形が含まれることとなる。しかし、過渡交流電圧の周波数を十分に高くしておけば、荷電粒子が過渡交流電圧から受ける力の時間変化に追随しなくなるため、過渡交流電圧が荷電粒子の制御に影響を及ぼすことはない。また、カットオフ周波数が高周波電圧の周波数Ωよりも高く、且つ過渡交流電圧の周波数ωよりも低い高周波フィルタを用いることにより、過渡交流電圧の影響を排除することもできる。
本発明に係る高周波電圧生成装置は、荷電粒子制御装置以外の装置にも用いることができる。例えば、直流電圧の値を変換するDC-DCコンバータにおいて、第１直流電圧を変換前の直流電圧、第２直流電圧を0とし、本発明に係る高周波電圧生成装置によって変換前の直流電圧と0の間で電圧が振動する高周波電流を生成した後に、当該高周波電流を直流に整流することにより、変換前とは異なる電圧を有する直流電流が出力される。ここで、実効振幅変更部を備える高周波電圧生成装置を用いて高周波電圧の振幅を変更することにより、出力側の直流電圧を制御することができる。
本発明に係る高周波電圧生成装置によれば、第１直流電圧と第２直流電圧の切換を行う間に過渡交流電圧を印加することにより、矩形波を用いる従来の高周波電圧生成装置よりも緩やかに電圧の切換を行うことができ、それによりノイズの発生を抑えることができる。また、過渡交流電圧を介して第１直流電圧と第２直流電圧の間で切換が行われる間に、電力のロスの原因となる電気抵抗を使用する必要がない。
本発明に係る高周波電圧生成装置の一実施例における電気回路を示す図。 本実施例の高周波電圧生成装置において初期状態に設定するための動作を示す図。 本実施例の高周波電圧生成装置において負荷（コンデンサ）に高周波電圧を印加する動作を示す図。 本実施例の高周波電圧生成装置により生成される高周波電圧の波形を示すグラフ。 高周波電圧の波形の部分拡大図。 本実施例の高周波電圧生成装置においてコンデンサCに印加される高周波電圧の実効的な大きさを制御する方法を示すグラフ。 本実施例の高周波電圧生成装置においてコンデンサCに印加される高周波電圧の周波数を制御する方法を示すグラフ。 本実施例の高周波電圧生成装置を電源として用いたイオンガイドの一例であって、(a)イオン光軸に平行な１断面、及び(b)イオン光軸に垂直な１断面を示す図。 従来の高周波電圧生成装置により生成される電圧の波形を示すグラフ。 従来の高周波電圧生成装置における電気回路の一例。 従来の高周波電圧生成装置における電気回路の動作を示す説明図。
本発明に係る高周波電圧生成装置の実施例を、図１〜図８を用いて説明する。
本実施例の高周波電圧生成装置１０は、図１に示す電気回路を有している。この高周波電圧生成装置１０は、質量分析装置で用いられるイオンガイドに高周波電圧を供給するものであり、前記電気回路中のコンデンサＣがイオンガイドの1つの電極対に相当する。
高周波電圧生成装置１０は、第１直流電源１１、第２直流電源１２、過渡交流電圧生成回路１３、及び印加電圧切替部１４を有する。第１直流電源１１は前記第１直流電圧生成部に、第２直流電源１２は第２直流電圧生成部に、過渡交流電圧生成回路１３は前記過渡交流電圧生成部に、それぞれ対応している。
コンデンサＣ（電極対）の一方の端子は接地されており、他方の端子は第１スイッチＳ １を介した電位+V0の第１電源Ｅ１及び第２スイッチＳ２を介した電位-V0の第２電源Ｅ２に並列に接続されている。
コンデンサＣ（電極対）の両端には、直列に接続されたコイルＬ及び第０スイッチＳ０が、コンデンサＣ（電極対）に並列に接続されている。これによる、コイルＬ及びコンデンサＣ（電極対）を有するＬＣ回路が形成される。本実施例では、このＬＣ回路を過渡交流電圧生成回路１３と呼ぶ。以下、高周波電圧生成装置１０で生成される高周波電圧の周波数Ωと区別して、過渡交流電圧生成回路１３の共振周波数をωと表記する。コイルＬのインダクタンスは、過渡交流電圧生成回路１３の共振周波数ωが高周波電圧の周波数Ωよりも十分大きく（例えば10倍以上に）なるように設定する。印加電圧切替部１４は、第０スイッチＳ０、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２、並びにこれら3つのスイッチを開放／閉鎖する制御を行う制御部１４１を有する。
図２〜図５を用いて、本実施例の高周波電圧生成装置１０の動作を説明する。
まず、コンデンサＣ（電極対）に高周波電圧を印加する前に、以下のように正の直流電圧+V0を印加する。第０スイッチＳ０、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２がいずれも開放されている状態から、制御部１４１は所定の制御信号を第１スイッチＳ１に送信することにより、第１スイッチＳ１を閉鎖する（図２(1)）。この操作により、コンデンサＣ（電極対）の電圧が+V0まで立ち上がる（図４中に符号(1)を付して示した期間。以下、単に「図４(1)」等と表記する。）。なお、図２及び図３中の太破線は、制御部１４１からスイッチ（第０スイッチＳ０、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２）に開放又は閉鎖の制御信号が送信されたことを示す。以下では、制御部１４１による制御信号の送信については記載を省略し、各スイッチの開放又は閉鎖の動作のみを記載する。
その後、第１スイッチＳ１を開放する（図２(2)）ことにより、コンデンサＣ（電極対）に正の直流電圧+V0が印加された初期状態が維持される（図４(2)）。
この状態から、高周波電圧の印加を開始する。
まず、第０スイッチＳ０を閉鎖する（図３(a)）。これにより、ＬＣ回路内に共振電流が流れ、コンデンサＣ（電極対）には初期値及び最大値が+V0、最小値が-V0、周波数がωである過渡交流電圧が印加される（図４(a)）。この過渡交流電圧は、半整数回（但し1.5回以上）、すなわち1回以上振動した後にさらに半分振動する時間（以下、「過渡交流電圧印加時間」とする）だけ印加する。この時間は、周波数ωを予め求めておいたうえで、制御部１４１が有するCPUのクロック周波数に基づいて制御すればよい。あるいは、ＬＣ回路に電圧の振動を検出する周波数カウンタを設けておき、そのカウント数に基づいて過渡交流電圧の印加を終了するタイミングを定めてもよい。
過渡交流電圧が半整数回（但し1.5回以上）振動することにより、過渡交流電圧印加時間が経過したとき、コンデンサＣ（電極対）に印加される電圧は、理論上は過渡交流電圧の印加直前の電圧+V0が反転した電圧-V0となる。但し、ＬＣ回路には内部抵抗が存在するため、実際には、図５に示すように、コンデンサＣ（電極対）に印加される電圧は減衰し、-V0よりも絶対値がわずかに小さい-(V0-δ)となる。なお、図５では説明の都合上、実際よりも減衰を強調して示している。そこで、過渡交流電圧印加時間が経過したとき、第０スイッチＳ０を開放すると共に、第２スイッチＳ２を閉鎖する（図３(b)）。これにより、コンデンサＣ（電極対）に印加される直流電圧の絶対値を高め、該直流電圧を-V0とする（図４及び図５の(b)）。
次に、第２スイッチＳ２を開放し（図３(c)）、この状態を所定時間（以下、「直流電圧維持時間」とする）維持する（図４(c)）。ここで所定時間は、該所定時間、過渡交流電圧印加時間（図４(a)）、及び負の直流電圧-V0を印加する時間（図４(b)）の合計が、高周波電圧の半周期分になるように設定する。直流電圧維持時間は、制御部１４１のCPUのクロック周波数に基づいて制御する。
直流電圧維持時間の経過後、第０スイッチＳ０を閉鎖する（図３(d)）ことにより、ＬＣ回路内に再び共振電流が流れ、コンデンサＣ（電極対）には初期値及び最小値が-V0、最大値が+V0、周波数がωである過渡交流電圧が印加される（図４(d)）。そして、この過渡交流電圧を過渡交流電圧印加時間だけ印加することにより、コンデンサＣ（電極対）に印加される電圧を-V0から+V0（厳密には+(V0-δ)）に反転させる。
その後、第０スイッチＳ０を開放すると共に第１スイッチＳ１を閉鎖する（図３(e)）ことにより、コンデンサＣ（電極対）に印加される直流電圧を+V0に調整する（図４(e)）。そして、第１スイッチＳ１を開放し（図３(f)）、この状態を直流電圧維持時間だけ維持する（図４(f)）。
ここまでの操作により、コンデンサＣ（電極対）には高周波電圧が1周期分だけ印加されたこととなる。以後、上記操作を繰り返すことにより、継続的に高周波電圧がコンデンサＣ（電極対）に印加される。
本実施例の高周波電圧生成装置１０によれば、正の直流電圧+V0から負の直流電圧-V0に、及び負の直流電圧-V0から正の直流電圧に切り換える際にコンデンサＣ（電極対）に過渡交流電圧を印加することにより、矩形波を用いる従来の高周波電圧生成装置よりも緩やかに電圧の切換を行うことができ、それによりノイズの発生及び電力のロスを抑えることができる。
本実施例の高周波電圧生成装置１０において、図６に示すように、直流電圧維持時間と過渡交流電圧印加時間の比を変更することにより、コンデンサＣ（電極対）に印加される高周波電圧の実効的な大きさを制御することができる。図６の例では、直流電圧維持時間（(c), (f)）と過渡交流電圧印加時間（(a), (d)）の比が、図(1)、(2)、(3)の順に小さくなり、高周波電圧の実効的な大きさもこの順で小さくなる。
また、本実施例の高周波電圧生成装置１０において、図７に示すように、直流電圧維持時間及び／又は過渡交流電圧印加時間を変更することにより、コンデンサＣ（電極対）に印加される高周波電圧の周波数を制御することができる。図７(1)と図７(2)を比較すると、過渡交流電圧印加時間は同じであるが、前者よりも後者の方が、直流電圧維持時間が長く、それにより、高周波電圧の周波数は小さくなっている。また、図７(1)と図７(3)を比較すると、直流電圧維持時間は同じであるが、前者よりも後者の方が、過渡交流電圧印加時間が長く、それにより、高周波電圧の周波数は小さくなっている。また、図７(2)と図７(3)の関係のように、直流電圧維持時間及び過渡交流電圧印加時間の双方を変化させてもよい。
図８を用いて、本実施例の高周波電圧生成装置１０を用いたイオンガイドの一例を説明する。このイオンガイド２０は、ロッドをイオン光軸２９の方向に分離して等間隔に並べた形態の電極を1組として、それを8組、イオン光軸２９の周りに等間隔に配置したものである。イオン光軸２９の方向に並べた5本の電極には２ｘａ、２ｘｂ、２ｘｃ、２ｘｄ、２ｘｅとの符号を付す。ここでｘは、8組の電極にそれぞれ対応して、イオン光軸２９の周りに並ぶ順に付した１〜８の数字である。本実施例の高周波電圧生成装置１０は、イオン光軸２９の方向に関して同じ位置にある8個の電極に対して1つずつ設けられる。
イオン光軸２９の最も上流側の電極２ｘａには、ｘが奇数である電極と、ｘが偶数である電極の間に、高周波電圧生成装置１０ａを用いて高周波電圧VRF1を印加する。同様にイオン光軸２９の上流から２〜５番目の電極２ｘｂ、２ｘｃ、２ｘｄ、２ｘｅにはそれぞれ、ｘが奇数である電極と、ｘが偶数である電極の間に、高周波電圧VRF2、VRF3、VRF4、VR F5を印加する。また、これら高周波電圧の他に、直流のバイアス電圧VBiasを当該高周波電圧に重畳して印加する。
このイオンガイド２０において、各高周波電圧生成装置１０ａ〜１０ｅにおける直流電圧維持時間と過渡交流電圧印加時間の比を調整することで高周波電圧の振幅を|VRF1|>|VRF2|>|VRF3|>|VRF4|>|VRF5|とすることにより、イオン光軸の方向に向かって擬似ポテンシャルが小さくなる勾配がイオンガイド２０内に形成される。また、各高周波電圧生成装置１０ａ〜１０ｅにおける直流電圧維持時間及び／又は過渡交流電圧印加時間の値を調整することで高周波電圧の周波数Ωを大きくすることにより、同様の擬似ポテンシャルがイオンガイド２０内に形成される。このように擬似ポテンシャルが形成されることにより、イオンガイド２０は陽イオンをイオン光軸の方向に向かって移動させることができる。
ここまで、イオンガイドの電源に用いる場合を例として高周波電圧生成装置１０を説明したが、高周波電圧生成装置１０はイオントラップ、マスフィルタ等、質量分析装置におけるイオンガイド以外の荷電粒子制御装置にも用いることができる。また、この高周波電圧生成装置１０は、DC-DCコンバータにおいて電圧変換の過程で直流電圧から高周波電圧を生成する装置等、荷電粒子制御装置以外の装置にも用いることができる。
１０、１０ａ〜１０ｅ…高周波電圧生成装置
１１…第１直流電源
１２…第２直流電源
１３…過渡交流電圧生成回路
１４…印加電圧切替部
１４１…制御部
２０…イオンガイド
２１ａ〜２８ａ、２１ｂ〜２８ｂ、２１ｃ〜２８ｃ、２１ｄ〜２８ｄ、２１ｅ〜２８ｅ…イオンガイドの電極
２９…イオン光軸
９０…従来の高周波電圧生成装置における電気回路

Claims (5)

  1. 直流電圧から高周波電圧を生成して負荷に印加する高周波電圧生成装置であって、
    a) 第１直流電圧を生成する第１直流電圧生成部と、
    b) 前記第１直流電圧とは異なる値の第２直流電圧を生成する第２直流電圧生成部と、
    c) 前記高周波電圧の周期よりも短い周期であって、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧の一方を最大値、他方を最小値とする過渡交流電圧を、該第１直流電圧又は該第２直流電圧を初期値として発振する過渡交流電圧生成部と、
    d) 前記高周波電圧の1周期の間に電圧を、前記第１直流電圧、該第１直流電圧を前記初期値とする前記過渡交流電圧、前記第２直流電圧、該第２直流電圧を前記初期値とする前記過渡交流電圧、の順に切り換え、該過渡交流電圧の期間がそれぞれ該過渡交流電圧の周期の1.5以上の半整数倍であって該高周波電圧の半周期よりも短くなるよう、該負荷への印加電圧を切り換える印加電圧切替部と
    を備えることを特徴とする高周波電圧生成装置。
  2. 前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧を印加する時間と前記過渡交流電圧を印加する時間の比を変更する実効振幅変更部を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波電圧生成装置。
  3. 前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧を印加する時間、並びに前記過渡交流電圧を印加する時間のいずれか一方又は両方を変更する高周波電圧周波数変更部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波電圧生成装置。
  4. 前記過渡交流電圧生成部が、インダクタとコンデンサを直列に接続したＬＣ回路であって、該ＬＣ回路を開閉するＬＣ回路開閉部と、該コンデンサに第１直流電圧及び第２直流電圧を選択的に印加する直流電圧選択印加部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高周波電圧生成装置。
  5. 前記コンデンサがイオンガイド又はイオントラップの負荷であることを特徴とする請求項４に記載の高周波電圧生成装置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018211611A1 (ja) * 2017-05-17 2018-11-22 株式会社島津製作所 イオン検出装置及び質量分析装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002175774A (ja) * 2000-12-05 2002-06-21 Yokogawa Analytical Systems Inc 質量フィルタ駆動システム
WO2008129850A1 (ja) * 2007-04-12 2008-10-30 Shimadzu Corporation イオントラップ質量分析装置
WO2012108050A1 (ja) * 2011-02-10 2012-08-16 株式会社島津製作所 四重極型質量分析装置
WO2012150351A1 (en) * 2011-05-05 2012-11-08 Shimadzu Research Laboratory (Europe) Limited Device for manipulating charged particles

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4853821A (en) * 1988-11-29 1989-08-01 Lewis Dennis E Alternating current power sensing device for preventing start-up at power restoration
JP2000036702A (ja) * 1998-07-21 2000-02-02 Hitachi Ltd 無線端末
US6008549A (en) * 1999-03-19 1999-12-28 Eldec Corporation Solid-state high voltage switch and switching power supply
GB9924722D0 (en) * 1999-10-19 1999-12-22 Shimadzu Res Lab Europe Ltd Methods and apparatus for driving a quadrupole device
JP5341323B2 (ja) * 2007-07-17 2013-11-13 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置
TW200929880A (en) * 2007-12-21 2009-07-01 Tai 1 Microelectronics Corp A circuit to generate continuous pulse wave and the method
EP2372904A4 (en) * 2008-12-25 2012-07-04 Nec Corp POWER AMPLIFICATION DEVICE
US8232680B2 (en) * 2009-12-21 2012-07-31 International Business Machines Corporation Selecting a single AC source for a switching power supply
JP2011259083A (ja) * 2010-06-07 2011-12-22 Renesas Electronics Corp Ｒｆ電力増幅装置およびその動作方法
JP5440449B2 (ja) * 2010-08-30 2014-03-12 株式会社島津製作所 イオントラップ質量分析装置
TWI403058B (zh) * 2010-11-30 2013-07-21 Inventec Corp 直流電壓供應裝置
JP5299476B2 (ja) 2011-06-03 2013-09-25 株式会社島津製作所 質量分析装置及びイオンガイド

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002175774A (ja) * 2000-12-05 2002-06-21 Yokogawa Analytical Systems Inc 質量フィルタ駆動システム
WO2008129850A1 (ja) * 2007-04-12 2008-10-30 Shimadzu Corporation イオントラップ質量分析装置
WO2012108050A1 (ja) * 2011-02-10 2012-08-16 株式会社島津製作所 四重極型質量分析装置
WO2012150351A1 (en) * 2011-05-05 2012-11-08 Shimadzu Research Laboratory (Europe) Limited Device for manipulating charged particles

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