一種小型四極桿射頻電源技術研究

一種小型四極桿射頻電源技術研究

李延錄1安衛東1承學東2白崗3李季3

(1.吉林省計量科學研究院 吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室，長春 130103；2.吉林市分析技術有限責任公司，吉林 132001； 3.長春華普科學儀器有限責任公司，長春 130013)

摘要：根據四極桿質量分析器的基本原理，設計使用一種小型的射頻電源，該電源的頻率、電壓控制信號均由數字控制板提供，產生交流峰峰值2568Vpp，直流DC±215V附加于四極桿，并與之諧振于2.7648MHz。由于使用了帶環形磁芯的變壓器，體積小、效率高,電路有取樣和反饋，可以長期穩定工作。

關鍵詞：四級桿質譜；射頻電源

作者簡介：李延錄，男，1962年出生，高級工程師，主要從事分析儀器檢驗方法研究。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.003

收稿日期：2014-11-27

Design of a miniature quadrupole RF power supply.LiYanlu,AnWeidong,ChengXuedong,BaiGang,LiJi(1.JilinInstituteofMetrology(KeyLaboratoryofMeasurementtestequipmentandTechnologyofJilinprovince),Changchun130103,China; 2.JilinGuangdaAnalysisTechnicsCo.,Ltd.,Jilin132000,China; 3.ChangchunHuapuScientificInstrumentsEquipmentCo.,Ltd.,Changchun130022,China)

Abstract:The design approach is dominated by the iron-powder toroid which provides for the RF transformer. It has the advantages of small volume and high efficiency. The primary of the transformer is driven by a square wave voltage from CPU boads, and the secondaries have a self-inductance to resonate at 2.7648 MHz with the capacitive load presented by the rods in the mass filter, to generate 2568Vpp. In addition to the RF, DC potential of about ±215V is required for the two rod pairs.

Key words：quadrupole mass spectrometer; quadrupole RF power

1前言

四極桿質量分析器的原理于1953年首次由德國Bonn大學物理系教授Wolfgang Paul等人提出[1]。四極濾質器僅利用純電場工作，無需磁場，也不要求入射離子實現能量聚焦，可引入結構簡單、高靈敏度的離子源，因而四極桿質譜儀具有結構簡單、緊湊，重量很輕，掃描速度快，價格低廉的特點，在許多領域，都已獲得廣泛應用[2]。

四極桿質量分析器相連接的電源就是四極桿射頻電源(RF)，是四極桿質譜儀的核心部件。通常實驗室臺式儀器使用體積較大的空心線圈，用以產生較高的掃描電壓，可以掃到1000質量數。這里介紹一種小型的RF電源，由于使用了特殊的磁芯，大大縮小了線圈的體積，雖然掃描范圍上有所限制，但在殘余氣體分析儀等小型四極質譜中可以很好的工作，同時效率高，穩定性好。

2理論依據

四極桿質譜儀的核心部件就是四極桿質量分析器，它是由四根精密加工的電極桿以及分別施加于x、y方向兩組高壓高頻射頻組成的電場分析器。四根電極可以是雙曲面也可以是圓柱型的電極；射頻電壓伴隨著時間的改變，四極桿電場的強度和相位在發生著變化，只有穩定通過四極場的離子才能到達離子檢測系統,這些離子信號的收集、放大即可獲得相應的質譜圖。

離子在四極桿中的運動可用Mathieu 方程的解來描述，通過方程解的特性，可以知道離子在四極場中的運動性質取決于a、b值，而與初始條件無關。由此可以得到離子的穩定性區域圖，如圖1所示。

圖1　四極桿質量分析器Mathieu方程的穩定性區域圖 [3]

圖中相交的區域有多個，都是穩定區，在四極桿質量分析器中,最常用的是原點附近的第I穩定區[4],放大后如圖2所示。

圖2　第I穩定區圖 [3]

第一穩定區的穩定性圖大致像一個三角形，稱為穩定性三角形。只要a、q的絕對值在該三角形中，則離子的運動就具有穩定的軌跡。此時，符合初始入射條件的離子將穩定通過四極場，到達離子檢測系統。

根據定義

改變U(同時改變V，保持斜率k不變)，即可獲得相應的質譜圖[3]。

為了使四極桿產生四極電場，四根桿需兩兩相連成兩對桿，并與一個交直流發生器的輸出連接，這個交直流發生器就是射頻電源(RF電源)。射頻電源與四極桿的連接如圖3所示。射頻電源中的震蕩線圈(RF變壓器)原理與變壓器一樣，有一個原邊，兩個副邊，原邊通入頻率為ω大小可變的電流，副邊可感應出的交流電壓為Vcosωt。副邊線圈一端接地，兩線圈另一端分別與兩個大小隨V變化的直流DC相連，然后再接入兩對四極桿。于是兩對桿得到大小相同，相位相反的電壓：

φ=±(U+Vcosωt)[3]

圖3　射頻電源與四極桿的連接 [3]

本研究設計了一種應用于殘余氣體分析儀的小型射頻電源，配套四極桿組件單桿直徑6.35mm，長度114.86mm，場半徑為2.769mm。為了提高質量分辨M/△M，工作頻率固定設置為f=2.7648MHz，RF振幅8.56Vpp/amu，當掃到最高掃描質量300amu時，V0=1284V(2568Vpp)，一對桿的直流電壓U為+215V，另一對為-215V。

3結果與分析

3.1　射頻電源交流產生

射頻電源交流產生的電路如圖4所示。

圖4　射頻電源交流驅動電路 [5]

3.1.1RF控制信號

數字控制板CPU發出一對方波頻率信號±RF_DRV，互為反向，占空比為50%，由SN75372調整驅動后，加載于一對IRF510MOS管(Q402、Q403)的gate端，一個周期內兩個三極管互為導通截止，工作于頻率為2.7648MHz時，每個MOSFET導通大約180ns。

方波的振幅驅動受控于Q401提供的直流，這是一只D44VH10高速NPN型電源三極管。運放U400整合了來自運放U306的控制RF振幅的信號，由于運放輸出電流較小，因此經Q400電流放大后再驅動Q401，由它調節流入RF變壓器原邊的電流。

RF頻率信號與RF幅度信號調制成頻率固定，幅度可變的驅動方波信號。

3.1.2RF變壓器

本射頻電源使用帶環形磁芯的RF變壓器，升壓比為39∶1，工作于它激式諧振狀態。由于使用了磁芯，電磁轉換效率高，變壓器體積很小[6]。

變壓器次級線圈為39匝，大約16μH的自感應電感。次級線圈與四級桿質量分析器串聯，因此四級桿上的二次寄生電容，與線圈產生的電感諧振工作。驅動信號雖然是方波，但經過次級線圈與四級桿質量分析器的諧振，可以在四極桿上測得一個頻率固定的調幅正弦波電壓，該電壓中心不為零，而是浮在一個直流電壓上。

變壓器的原邊只有一匝，兩個次級繞組分別放置于原邊的兩邊，因此磁通對兩個繞組幾乎完全一樣。兩個副邊不同的自感偏差小于0.1%。這是非常重要的。副邊使用鍍銀的特弗龍線以減少集膚效應，并且最小化線間電容，這樣能提高振蕩的Q值，得到很高的效率[6]。

由于RF變壓器磁芯材料及線圈的不同，不同的電感參數會影響諧振，因此需在原邊并聯一些電容參與調節RF變壓器原邊的電抗，達到最佳諧振狀態。選用耐壓為50V的聚丙烯電容，這種電容高頻性能好，能減小電源功率損失。

3.1.3工作流程

當Q402導通、Q403截止時，受控于Q401的電流，經T401流入RF變壓器的原邊，再經C409流入MOSFET源極的0.25W電阻，然后到地；當Q403導通、Q402截止時，電流是經C408流入RF變壓器的原邊，再經T401流入Q403源極的0.25W電阻，然后到地，RF變壓器、T401的電流與之前方向相反。

變壓器接入四級桿與電容后，從變壓器原邊看去輸入呈現為容性電抗，因此與0.5uH電感T401也工作于諧振狀態。這樣可實現MOSFET的過零開關，以減少功率管的開關損耗，并且減少RF的輸出失真(驅動電流非常接近正弦波)。

由于米勒效應，Q402/Q403的G-S和G-D的電容不可忽視，它們會導致本應互為反向的驅動信號，相位有偏差。作為補償，加入R413、R414和C406，通過原邊的驅動電感T401，釋放功率MOSFET的G極的電荷，使之產生正確的振幅和相位的驅動信號。

3.2　射頻電源直流輸出

附加于交流RF電壓，兩對桿需要直流DC電壓大約±1/12于交流的峰-峰值。射頻電源直流部分如圖5所示。

圖5　射頻電源直流部分電路

直流部分需外部連接±250V的直流電源。RF_SET信號經運放U304A放大4倍后成為直流DC控制信號DC_SET。

運放U403A用于控制負的直流DC電壓輸出，當控制信號DC_SET變高，則運放輸出變為高，Q406、Q407的電流增加，拉低Q407的收集極，負的直流DC輸出。

運放U403B是用于控制正DC電壓輸出。正電位和負電位通過R431和R432相比較，當負電位增長，U403B的正向輸入端將變低，拉低運放輸出，Q405和Q404電流增長，拉高Q404的收集極，因此正的直流DC輸出。

實際控制信號除了DC_SET，還有一個RES_CTL，用來微調直流DC輸出，可以影響質譜峰的分辨。過高的分辨率會影響質譜信號的強度。

3.3　反饋及電壓控制

RF電源穩定工作，必須有反饋部分，因環境、溫度等原因造成工作點漂移，電路必須跟蹤調整，保證交直流電壓穩定不變，電路如圖6所示。

圖6　射頻電源反饋及電壓電路 [5]

3.3.1RF振幅檢測

RF振幅檢測是通過了一個全波整流。為了驅動一個對稱的負載，兩對桿振幅都要檢測并相加。以單邊為例，當一對桿電壓到達一個峰值，0.5pF的取樣電容C750被充電至最大電壓，同時有電流通過肖特基二極管D303流到地，因此電壓為：Vp+Vdc-Vdiode。在下一個半周期，由于有電流從U305反相輸入端虛地流過D302，C750被充電到-Vp+Vdc+Vdiode。對運放全部的電荷轉換就是c×dV=c×(Vpp-2Vdiode)。每個周期從兩邊注入電荷，因此電流就是I=2fC×(Vpp-2Vdiode)，當C=0.5pF并且f=2.7648MHz，如果忽略Vdiode，電流為2.76μA/Vpp。由C303-305和L300組成的三階橢圓濾波器，具有200Ω的阻抗和5.6MHz陷波功能。剛才的電流經U305運放進行I/V轉換，再通過此濾波器得到檢測的RF_DET電壓。檢測電壓由電位器P300調整后提供一個Vpp/1000的電壓，這個檢測電壓與原邊電流檢測信號、數字控制板給定的對應某質量數的RF_SET信號，經加法器U306運算后，同反饋信號一起調整為AMPL_ERR信號以控制RF振幅。

為了維持恒定的分辨率和靈敏度，RF振幅檢測增益電位器P300，是非常重要的。仔細調節它使從低質量到高質量具有相同的分辨率。

3.3.2RF振幅控制

數字控制板的18bitDAC輸出RF控制電平 (RF_SET)，從1 amu ～300amu掃描時，數字控制板輸出8.56mV～2.56mv。U306是增益為5的比較放大器，檢測到的RF振幅電壓信號，與來自數字控制板的RF_SET控制電壓相比較。如果振幅檢測電平低于設置電平，則U306向上偏，以增加原邊驅動電流，升高RF交流電壓，直至RF交流電壓達到設置。

為減少各個PCB板之間的噪聲和地漂移的影響，這里使用了不同的參考地電平。

3.3.3驅動電流限制

RF變壓器原邊驅動電流通過了FET的源0.25W的電阻，電阻上產生的壓降經運放U402B放大，送至數控板進行AD信號采集。掃描質量數越高，驅動電流也越大，在300amu時交流峰峰值為2568Vpp，驅動電流大約1.5A。

RF變壓器原邊驅動電流檢測信號RF_PRI與實際驅動電流呈比例關系(RF_PRI=1.5V/A)，全掃描時，原邊驅動電流的輸出也近似線性。如果系統工作正常，應該是RF_SET始終比RF_PRI大。如果出現故障導致出現過大的原邊驅動電流，則運算放大器U304的輸出增大，使RF_PRI大于RF_SET。當電流通過D304增長，U306的輸出減小以限制RF變壓器原邊驅動電流。同時，數控板的CPU檢測到RF_PRI>RF_SET，也會讓RF_SET減小，以期減小RF變壓器原邊驅動電流。這些措施保護了功率管IRF250，不至于因工作電流過大而損壞。

4應用實例

本射頻電源被應用于一種小型的殘余氣體分析儀，與四極桿諧振于2.7648MHz，可產生交流峰峰值2568Vpp，直流DC±215V。用于分析容器300質量數以下各個氣體組份的壓強，進而換算出各氣體的濃度百分比。圖7是掃描某容器內的氣體成份，可以清晰的看到水(m/e=18)、氮(m/e=28)等特征峰的強度比。

圖7　殘氣分析儀掃描譜圖

5結論與討論

本射頻電源能產生交直流電壓，電壓可以受控于CPU進行掃描，交直比恒定，能使四極桿分析器產生四極場。由于該電路結構簡單，又有反饋電路，工作穩定可靠，適合殘氣分析儀等小型單四極質譜長期穩定工作。也正是由于簡單，無法對交直比進行精確設置，而且質量掃描電壓與設定值有非線性誤差，掃描電壓需通過軟件隨時校正，因此掃描速度很低，無法應用于較高要求的場合。

參考文獻

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[3]Peter H Dawson. Quadrupole Mass Spectrometry and Its Applications [M] . Amsterdam: Elsivier Scientific Publishing Company ,1976:1-151.

[4]Du ZH , Douglas DJ , Konenkov Nikolai. Peak Splitting with a Quadrupole Mass Filter Operated in the Second Stability Region[J ] . J Am Soc Mass Spectrom , 1999 , 10 :1 2632-1 270.

[5]Stanford Research Systems. Models CIS100, CIS200,and CIS300 Closed Ion Source Quadrupole Gas Analyzer[M]. Sunnyvale：Stanford Research Systems, Inc.,2000:202-214.

[6]J MichaeI Jacob.功率電子學-原理與應用[M] . 北京：清華大學出版社,2005：26-36.