TWI590295B - 用於質譜儀之陰極之電壓供應的裝置 - Google Patents

用於質譜儀之陰極之電壓供應的裝置 Download PDF

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Description

用於質譜儀之陰極之電壓供應的裝置
本發明係有關於一種用於質譜儀(mass spectrometer)之離子源的電壓供應之裝置，以及特別地，一種用於質譜儀陰極之電壓供應的裝置。
質譜儀係用於氣體之分析及發現尤其是在洩漏偵測裝置中之應用。藉由電場使從熱陰極所發出之電子加速。在該過程中，產生一電極電流，其藉由電極使處於氣相之待測物質離子化及被供應至一分析儀(analyzer)。在陰極與陽極間產生電場。對於質譜儀之陰極的電壓供應，必須可靠地產生一具有最少干擾成分之預定發射電流，此係藉由改變做為致動器(actuator)之陰極的加熱電壓來實施。
本發明之一目的提供一種用於質譜儀之陰極的電壓供應之裝置，該裝置應該具有少量組成零件及低功率消耗。
依據本發明，以一具有申請專利範圍第1項所界定之特徵的裝置來達成上述目的。
因此，提供在一切換電源中，一變壓器被施加有一次側輸入電壓。在二次側上，該變壓器具有兩個輸出接頭及一輸出側中間接頭。施加互相相反輸出電壓(亦即，彼此具有180°相位差的輸出電壓)至該變壓器之兩個輸出接頭。如果施加一正輸出電壓至該第一輸出接頭，則施加相同但具相反符號之輸出電壓至該第二輸出接頭。該變壓器之兩個輸出接頭的每一者直接連接至一二極體。為了增加效率，以相當於一受控整流器之方式配置數個電晶體與該等二極體並聯，其中如果是兩個n-通道電晶體，一二極體之陰極直接連接至該第一變壓器之輸出，以及該第二二極體之陰極直接連接至該第二變壓器之輸出。如果是p-通道電晶體，以一相當方式，一二極體之陽極連接至該第一變壓器之輸出，以及另一二極體之陽極連接至該第二變壓器之輸出。換句話說，亦即，該兩個二極體之互相對應接頭分別直接連接至該變壓器之不同輸出。
在該兩個二極體之每一者中，以並聯方式正好連接一電晶體，其中依據本發明，一電晶體之閘極直接連接至該第一輸出接頭，以及該第二電晶體之閘極直接連接至該變壓器之另一輸出接頭。
該等二極體係用以整流該等變壓器輸出電壓，其中以並聯方式連接至該等二極體之該等電晶體可有效地改善電路之效率。
較佳地，基於此目的，一電晶體之汲極接頭直接連接至該第一變壓器之輸出，以及另一電晶體之汲 極接頭直接連接至該第二變壓器之輸出。該兩個電晶體之源極接頭可彼此連接及直接耦接至配置成相反於該變壓器且沒有直接連接至該變壓器之接頭。因此，如果是p-通道電晶體，該等源極接頭耦接至該等二極體之兩個陰極，以及如果是n-通道電晶體，它們耦接至該等二極體之兩個陽極。較佳地，該等電晶體係p-通道型或n-通道型之場效電晶體。
較佳地，一濾波電容器(smoothing capacitor)及一抗流線圈(choke coil)在該變壓器之中間接頭與該等電晶體之源極接頭間構成一低通濾波器。相較於上述做為一推挽式變壓器(push-pull transformer)之變型，電路亦可設計成為一單端流動變壓器(single-ended flow transformer)，其只需要一電晶體及一二極體。
依據一實施例，該電壓供應裝置係用以驅動兩個陰極，其作用在於使兩個電晶體將交替地正好驅動該兩個陰極輸出接頭中之一。因而，可省略一用於該等陰極接頭之交替控制的習用繼電器。再者，相較於傳統切換繼電器之使用，藉由該等電晶體之使用可更可靠地且快速地實施驅動。
較佳地，在至少一電壓倍增器之協助下，從對該兩個變壓器輸出所施加之輸出電壓中之至少一者產生另一直流(DC)電壓。在此正好分配一電壓倍增器至該兩個變壓器輸出之每一者，其中該電壓倍增器可經由一隔離電容器(separation capacitor)連接至該個別輸出。該直流(DC)電壓可用以 a)做為產生用於該質譜儀之電子能量(陽極電壓)的供應；b)產生用於驅動該兩個陰極接頭之該等電晶體的供應電壓；及/或c)做為一用以測量及/或控制該發射電流之測量電路的電源。
該發射電流係在離子源內從該陽極流至該個別接通陰極之電流，其中藉由陽極與陰極間之電壓差提供電子能量。較佳地，在脈衝寬度調變之協助下傳送該發射電流。
以下，將參考圖示來更詳細說明本發明之一示範性實施例。
1‧‧‧變壓器
4‧‧‧切換電源
5‧‧‧電阻器
6‧‧‧數位/類比轉換器
7‧‧‧二極體
8‧‧‧電晶體
9‧‧‧二極體
10‧‧‧電晶體
11‧‧‧抗流線圈
12‧‧‧濾波電容器
13‧‧‧隔離電容器
14‧‧‧隔離電容器
15‧‧‧電容器
16‧‧‧電壓倍增器
17‧‧‧電壓倍增器
18‧‧‧電壓產生裝置
19‧‧‧電晶體
20‧‧‧電晶體
21‧‧‧電壓供應裝置
22‧‧‧光耦合器
23‧‧‧脈衝寬度調變轉換器
24‧‧‧光耦合器
25‧‧‧信號評估單元
26‧‧‧電阻器
27‧‧‧電阻器
28‧‧‧電阻器
29‧‧‧電阻器
30‧‧‧第二輸出接頭
31‧‧‧輸出側中間接頭
32‧‧‧第一輸出接頭
33‧‧‧二極體
34‧‧‧二極體
Kat‧‧‧共同陰極接頭
Kat1‧‧‧陰極接頭
Kat2‧‧‧陰極接頭
U1‧‧‧輸入電壓
U3‧‧‧直流電壓
UA‧‧‧陽極電壓
第1圖顯示設計成推挽式變壓器之電壓供應裝置的示意圖；以及第2圖係第1圖之細部的視圖。
一變壓器1，於其一次側及二次側上分別具有3個接頭。施加用於該變壓器之輸入電壓U1至該等一次接頭中之一。施加互相相位移(亦即，互相相反)變壓器輸出電壓至該第一輸出接頭32及該第二輸出接頭30。該第三二次接頭係設計成為一輸出側中間接頭31。以下，該第一輸出接頭32將稱為一負輸出及該第二輸出接頭30將稱為一正輸出，亦即，將觀察到該等獲得輸出電壓只有一個相位。
該負輸出32連接至一二極體7之陰極。該正輸出30連接至一二極體9之陰極。該兩個二極體7、9之陽極彼此連接。
一為n-通道場效電晶體之形式的電晶體8、10以並聯方式連接至該兩個二極體7、9之每一者。在此配置中，該兩個電晶體8、10之源極接頭分別連接至該兩個二極體之陽極。該第一電晶體8之汲極接頭連接至該負輸出32，以及該第二電晶體10之汲極接頭連接至該正輸出30。該第一電晶體8之閘極接頭連接至該第二電晶體10之汲極接頭及該正輸出30。該第二電晶體10之閘極接頭連接至該第一電晶體8之汲極接頭及該負輸出32。因此，在此時，電晶體8處於導通狀態，而電晶體10係截止的。
如果是p-通道電晶體8、10，僅需要使該等二極體之方向反向，以致於該兩個二極體7、9之陰極彼此連接及該等二極體之陽極連接至變壓器1之個別不同輸出30、32。
依據本發明，將從變壓器1之相同變壓器線圈產生用於偵測、控制及電子能量之產生的供應電壓。如果較高陰極加熱電流存在，以一在該推挽式變壓器中由個別其它路徑之變壓輸出電壓直接控制之受控整流器8、10來支援整流。經由該變壓器輸出30直接控制用以整流該輸出32之該受控整流器8。在那些時間期間，當該變壓器輸出電壓接近零伏特時，電流將流經被連接至該兩個電晶體8、10之源極接頭的抗流線圈11及流經該 等二極體7、9。
因為適合於該陰極之在該變壓器輸出上的電壓常常是低的，所以在一電壓倍增器16、17之協助下使該電壓成為期望值U3係可取的。基於此目的，本發明提供，一電壓倍增器16、17分別經由一個別隔離電容器13、14連接至該變壓器1之正輸出30及負輸出32。圖2係一由二極體33及34所形成之簡單電壓倍增器的示意圖。在該等電壓倍增器16、17之輸出上，拾取可用以例如供應給一電壓產生裝置18之直流(DC)電壓U3，該電壓產生裝置18係提供用以產生陽極電壓UA。以替代方式，或此外，直流(DC)電壓U3可用以供應給一電壓供應裝置21，該電壓供應裝置21憑藉光耦合器(optocoupler)22傳送用於兩個電晶體19、20之閘極電壓的資訊，該資訊將交替驅動兩個個別陰極接頭Kat1、Kat2。
在上述配置中，該兩個電晶體19、20之汲極接頭係分別連接至該變壓器之中間接頭31；如果是n-通道電晶體，該中間接頭31係該陰極供應電壓之正極。該等電晶體19、20之閘極接頭係連接至該電壓供應裝置21。電晶體19之源極接頭連接至該第二陰極接頭Kat2，以及電晶體20之源極接頭連接至該第一陰極接頭Kat1。該等陰極接頭Kat1、Kat2可分別連接具有一陰極，該陰極之相反極連接至共同陰極接頭Kat。可藉由一個別電晶體19、20之使用經由直流(DC)電壓加熱以簡單方式來實施該等陰極之切換。特別地，如果是複數個陰極接頭，亦即兩個以上之陰極接頭，同樣可個別藉由一電晶體來 實施該等陰極接頭之驅動。
該發射電流將在該離子源內從該陽極電壓UA之接頭流至目前接通陰極Kat1及Kat2之接頭及至該共同陰極接頭。藉由電阻器27、28來映射平均陰極電位，其包括該發射電流所造成之在電阻器26及29上之電壓降。在該質量電位(mass potential)上之發射電流附近(通常使信號評估單元25-較佳地，其為一處理器組件，保持在該質量電位)，形成在該等電阻器26、29上造成電壓降之發射電流，在脈衝寬度調變轉換器23內轉換成一PWM信號。該PWM信號將經由一光耦合器24被傳送至該質量相關信號評估單元25。在其中，藉由使用一微處理器，該PWM信號被轉換成數值，其將因而與該發射電流成比例。在此方式中，在該等獲得數值及軟體之協助下，可控制該發射電流。
控制變數係切換電源4之工作比(duty ratio)及可直接從該處理器產生。在上述實施例中，經由一在數位/類比轉換器6及切換電源IC(“積體電路”)4之協助下所形成之類比輸出來產生該控制變數。在這方面，可使用在該切換電源IC中所實現之電流限制(current limitation)。基於此目的，使用電阻器5做為一限流電阻器。產生該電子能量，只需要一升壓式轉換器18，其通常根據該隔離供應電壓U3產生約70至100V之電壓。
藉由電容耦合至由電容器13、14、15所構成之該變壓器來供給該等電壓倍增器16、17(至少分別由兩個整流器所構成)，以及如第2圖所示，它們容許直流之 絶緣的連接。電壓供應之直流電壓絶緣可無誤差地評估該發射電流，該發射電流在由該等組成零件7、8、9及10所構成之整流器的功率輸出上流入該主動陰極。電壓倍增器較佳地分別連接至兩個變壓器輸出30、32，藉此實現載流量之增加及波漣之減少。再者，減少可能損壞該主動整流器之在該等變壓器中的峰值(peaks)。
1‧‧‧變壓器
4‧‧‧切換電源
5‧‧‧電阻器
6‧‧‧數位/類比轉換器
7‧‧‧二極體
8‧‧‧電晶體
9‧‧‧二極體
10‧‧‧電晶體
11‧‧‧抗流線圈
12‧‧‧濾波電容器
13‧‧‧隔離電容器
14‧‧‧隔離電容器
15‧‧‧電容器
16‧‧‧電壓倍增器
17‧‧‧電壓倍增器
18‧‧‧電壓產生裝置
19‧‧‧電晶體
20‧‧‧電晶體
21‧‧‧電壓供應裝置
22‧‧‧光耦合器
23‧‧‧脈衝寬度調變轉換器
24‧‧‧光耦合器
25‧‧‧信號評估單元
26‧‧‧電阻器
27‧‧‧電阻器
28‧‧‧電阻器
29‧‧‧電阻器
30‧‧‧第二輸出接頭
31‧‧‧輸出側中間接頭
32‧‧‧第一輸出接頭
Kat‧‧‧共同陰極接頭
Kat1‧‧‧陰極接頭
Kat2‧‧‧陰極接頭
U1‧‧‧輸入電壓
U3‧‧‧直流電壓
UA‧‧‧陽極電壓

Claims (9)

  1. 一種用於質譜儀之陰極的電壓供應之裝置，該裝置包括：一變壓器，其被供應有一輸入電壓，該變壓器具有至少一第一輸出及/或一第二輸出及一輸出側中間接頭，至少兩個二極體，其經由它們的互相對應接頭(亦即，陰極或陽極)連接至該變壓器之不同輸出，該第一二極體之該接頭連接至該第一輸出及該第二二極體之該接頭連接至該第二輸出，分別提供每一二極體有第一及第二電晶體，該第一及第二電晶體分別並聯於該個別二極體，以及每一電晶體之源極接頭連接至配置成相對於該變壓器之該對應二極體的那個接頭，其中，該第一電晶體之閘極連接至該變壓器之第二輸出及該第二電晶體之閘極連接至該變壓器之第一輸出；其中，藉由施加至少一個電壓倍增器至該變壓器之該第一輸出及該第二輸出中至少一者的輸出電壓來產生一直流(DC)電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一電晶體之汲極接頭連接至該變壓器之該第一輸出及該第二電晶體之汲極接頭連接至該變壓器之該第二輸出。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中在該變壓器之該輸出側中間接頭與該等電晶體之源極接頭間提供一由一濾波電容器及一抗流線圈所構成之低通濾波器。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中為了供給兩個陰極，該裝置具有一用於該兩個陰極之每一者的個別輸出，其中用以交替地驅動該兩個陰極接頭之第三及第四電晶體連接至該變壓器。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中每一陰極接頭連接至該第三或第四電晶體中之至少一者的該源極接頭，其中正好當被施加至該個別閘極接頭之電晶體電壓超過被施加至該源極接頭之陰極電壓時，該第三或第四電晶體之其中一者驅動該相關陰極接頭。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中由至少兩個整流器所構成之該至少一個電壓倍增器經由一隔離電容器連接至該變壓器之該兩個輸出接頭中之一，因而提供一主動路徑，以及經由一電容器連接至配置成相對於該變壓器之該等二極體的該等接頭，因而提供一參考路徑。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該直流電壓係用以下列其中一者或多者：供給一產生第三及第四電晶體之閘極電壓的電壓供應裝置及/或供給一產生該質譜儀之陽極電壓的電壓供應裝置及/或供給一測量該個別激活陰極之該發射電流的測量電路；其中用於交替地驅動該兩個陰極接頭之該第三及第四電晶體係連接至該變壓器。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中以脈衝寬度調變之形式提供一用以測量該個別激活陰極之發射電流的測量電路。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中穿過在該中間接頭與配置成相對於該變壓器之該兩個二極體的那些接頭間串聯之兩個第一電阻器的該發射電流逐漸減少，以及該發射電流係經由彼此串聯且與該等第一電阻器並聯之兩個電阻器來提供予該量測電路。
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