質譜儀用離子泵供電和真空控制系統的研制

路曉川　趙加鵬　田亮亮　凌大鵬　李航濤

摘 要：基于質譜儀小型化和集成化的需求，設計了一套離子泵供電和真空控制系統，該系統分為高壓供電和真空控制兩部分。高壓供電部分主要通過集成到電路板上的高壓模塊來實現。真空控制部分主要通過以嵌入式處理器PIC32為主體的電路板實現真空度的采集以及減壓泵等部件的開關控制。該系統作為配套設備已經在質譜儀上經過長期測試，性能可靠。

關鍵詞：離子泵高壓控制;真空采集;PIC微處理器

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A

Abstract：Based on the miniaturization and integration of mass spectrometer，a set of ion pump power supply and vacuum control system is designed，which is divided into two parts：high voltage power supply and vacuum control.The high voltage power supply is mainly realized by the high voltage module integrated into the circuit board.In the vacuum control part，the circuit board with embedded processor PIC32 as the main body realizes the collection of vacuum degree and the switch control of components such as pressure relief pump.The system has been tested on the mass spectrometer for a long time and its performance is reliable.

Key words：high-pressure control of ion pump;vacuum acquisition;PIC MCU

質譜儀作為高精密分析儀器，需要在高真空環境中工作，而高真空環境就是靠離子泵來提供的。離子泵工作需要高壓供電，真空腔體需要真空規來測量真空系統的真空度，以往我們的離子泵供電和真空控制部分是分離的、相互獨立的兩個部件。為了儀器的小型化，提高其集成度，將離子泵高壓供電部分和真空控制部分整合到一個系統是十分必要[1]。

1 系統概述

該系統作為質譜儀的配套設備，除了需要給離子泵供電和讀取真空度外，還要實現對減壓泵、采樣泵和真空進樣閥的開關控制，這樣能大大提高系統的集成度，有利于質譜儀的小型化。

該系統主要由兩塊電路板組成，一個是離子泵高壓控制板，一個是真空系統控制板。高壓板的功能主要是靠集成到電路板上的進口高壓模塊UM6N30/M來實現，真空控制板作為下位機，通過串口實現和上位機（PC104計算機）的相互通信。

2 系統電路設計

高壓板和真空控制板作為該系統的主要組成部分，他們之間通過雙排PC104插針進行電路連接。高壓板通過高壓模塊UM6N30/M可提供0～6kV的高壓輸出，實現對離子泵的電壓設置、電流設置、電壓顯示和電流顯示功能[2]。通過真空控制板控制高壓模塊的使能端從而控制離子泵高壓的開啟和關閉，實現對離子泵的高壓控制。真空控制板作為中央處理單元，核心是嵌入式高性能處理器PIC32MX575，上位機通過和單片機串口通信，實現對真空系統的信號傳輸和開關控制[3]。

高壓板的電路原理圖如圖1所示。

真空控制板的電路原理圖如圖2和圖3所示。

3 系統軟件設計

PIC32MX微控制器作為該系統的硬件CPU，軟件設計就是單片機的軟件開發。開發工具使用MPLAB XIDE和XC32編譯器[4]。真空控制板的配置信息如下表1所示。

單片機的程序撰寫主要基于和上位機之間的通信協議，具體如下。

真空進樣閥的開啟需要根據進樣真空和腔室真空的值來判定，具體的流程圖如下圖4所示。

4 結論

針對質譜儀小型化的趨勢，研制了一套新的真空腔體控制系統，該系統將離子泵高壓供電和真空控制合二為一，既能提供0-6kV的高壓給離子泵供電，還能讀取真空度，控制減壓泵、采樣泵和真空進樣閥的開關，通過串口實現和上位機的相互通信，大大提高了質譜儀的集成度。該系統作為質譜儀的配套設備，已經和整機一塊經過了長期測試，性能穩定可靠。

參考文獻：

[1]百科編委會.化工百科全書（第五卷）[M].北京：化學工業出版社，1993：128-130.

[2]嚴奉軒.基于Modbus的三氟甲磺酸電解槽陰極H2監測系統[J].儀表技術與傳感器，2016，NO.1：67-69.

[3]SDW系列智能顯示終端.指令集V6.2[M].武漢：武漢中顯科技有限公司，2014.

[4]CRAVOTTA R，GRANVILLE F.USB-toUART bridge supports legacy upgrades[J].EDN，2004（11）.

作者簡介：路曉川（1990-），男，碩士，助理工程師，2016年7月畢業于中科院電子學研究所，現就職于中船718研究所第四研究室，從事質譜儀及分析儀器等的研發工作。