一種應用于四極桿質譜儀的射頻電源設計

呂嘉瑋 牟 歡 劉亞寧 桑 鵬 李保權

摘? 要： 射頻電源是四極桿質譜分析儀的關鍵部件，用于產生儀器所需的射頻高壓信號并驅動四極桿結構。針對諧振頻率為1.0 MHz的質譜分析儀的使用需求，設計一種基于丙類功率放大電路和空心變壓器結構的射頻電源。該電源主要由小信號放大模塊、功率放大模塊和耦合線圈構成，相較于傳統的四極桿射頻電源，具有更高的峰值電壓和質量掃描范圍。經過實際測試，該電源可以在諧振頻率下輸出峰峰值電壓超過2 kV的射頻調幅正弦信號，工作穩定，輸出信號干擾小，滿足了設計需求，體積小巧，功耗較低，有較高的實用價值。

關鍵詞： 四極桿質譜儀; 射頻電源; 電路設計; 信號放大; 耦合線圈; 測試分析

中圖分類號： TN86?34; TH843? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0104?05

Design of RF power supply for quadrupole mass spectrometer

L? Jiawei1，2， MOU Huan1， LIU Yaning1，2， SANG Peng1， LI Baoquan1，2

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China; 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The RF （radio?frequency） power supply is the key component of the quadrupole mass spectrometer and it is used to generate RF?high voltage signal and drive the quadrupole structure. In allusion to the usage requirement of the mass spectrometer with 1.0 MHz resonant frequency， a RF power supply based on the Class?C power amplifier circuit and the air?core transforer structure is designed. The power supply is composed of the small signal amplification module， power amplification module and the coupling coil， which has higher peak voltage and quality scan range than that of the traditional quadrupole RF power supply. The testing results show that the power supply can output the RF amplitude modulation sinusoidal signal with the peak?to?peak voltage exceeding 2 kV at the resonant frequency， working stability and output signal with little interference， which meet the design requirement， small volume， low power dissipation and has higher practical value.

Keywords： quadrupole mass spectrometer; RF power supply; circuit design; signal amplification; coupling coil; testing analysis

0? 引? 言

質譜儀是一種能夠對不同荷質比離子進行分離、檢測的精密儀器，利用質譜技術可以分析待探測樣品的物質組成、分子量、荷質比等多方面的信息，而這些信息往往是難以通過其他途徑獲取的。四極桿質譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer）僅依靠純電場進行工作，不需要磁場進行外界輔助，不需要單獨對入射離子進行聚焦，因此四極桿結構的質譜儀具有結構簡單、掃描速度快等優點。

高分辨率寬范圍的四極桿質譜分析儀對電源的頻率和電壓都有較高的要求。商用儀器雖然可以很好地滿足使用需求，但是也存在成本高、體積大、功率要求高等不足，應用場合較少，難以滿足多種操作環境。用于驅動四極桿結構的射頻信號一般通過振蕩電路或者DDS（數字頻率合成）技術生成，但這種方法產生信號較小，無法直接驅動四極桿結構。本文針對小信號輸入模型，利用分立元件和耦合線圈設計了一種小型射頻電源，該電源可以工作在頻率為1.0 MHz的正弦信號下，驅動等效電容約為33 pF的四極桿結構，輸出峰峰值電壓不低于2 kV。

1? 四極桿工作原理

四極桿工作的基本原理由Paul等人提出，基本結構如圖1所示[1?2]。為了驅動四極桿結構，需要在上面施加大小相同，方向相反的射頻高壓[3][φA=U+Vcos ωt]和[φB=- （U+Vcos ωt）]。其中，U為高壓的直流成分;V為高壓的交流成分的最大值;[ω]為諧振頻率;t為時間。在這樣的電場條件下，四極桿內部會形成一個分布為雙曲線形狀的電場結構[4]。由于帶電離子所受電場力的大小和電場強度與電荷量相關，因此，進入到電場中的離子軌跡會根據φ和離子的荷質比而發生變化，只有特定荷質比的離子能夠穩定通過電場并被篩選出來，Mathieu方程所描述的穩定區域說明了上述現象[5?6]。根據Mathieu方程，射頻最大電壓和電源頻率決定了分析器的質量范圍。對于荷質比較大的離子，在四極桿中主要受高頻電場驅動;對于荷質比較小的離子，主要受直流電場驅動。四極桿在工作的時候，交直比是恒定的，因此，可以通過改變交直比來實現質譜分析的功能。產生射頻電源所需的調幅信號主要有兩種方式，分別是直接調制功率管電源和先得到調幅小信號再進行功率放大。后者相較于前者功率更小，易于實現模塊化集成，故本文采用后者實現。

2? 射頻電源的基本電路

射頻信號放大系統一般主要包括信號發生部分、小信號放大部分、功率放大部分、變壓器以及選頻網絡等，基本結構如圖2所示。小信號放大電路和功率放大電路如圖3所示。

2.1? 小信號放大電路設計

為了得到交流電壓[Vcos ωt]，系統在信號生成的部分使用一款四象限的乘法器AD834，其傳遞函數[7]為[W=（X1-X2）（Y1-Y2）×4? mA]。取[X1]和[Y2]為0，在接入負載后，經過I/V轉換，得到調制信號的峰峰值約為200 mV。為了實現對射頻信號的第一級放大，本文采用分立元件搭建了共射極放大電路。

MJF15030是一款可用于音頻放大的高頻三極管，其電流增益帶寬積fT可以達到30 MHz，直流電流增益在20～40之間。共射極放大電路的電壓放大倍數約為：

[Au=UoUi=βR′Lrbe+（1+β）R′E] （1）

式中，[R′L]為電位器RC和功率放大電路并聯所構成的等效負載電阻。調節RC和RB1，得到輸出端峰峰值VPP（OUT1）=4 V。

2.2? 功率放大電路設計

功率放大電路按照晶體管靜態工作點設置的位置可以分為甲類、乙類、甲乙類、丙類、丁類等。在常見的設計中，通常采用驅動管加功率管構成類似達林頓管的功率放大方法[8]。采用這樣的電路對于最后功率管散熱要求極高，不可避免地增加了系統的不穩定性和體積。在本設計中，采用丙類功率放大電路，并以調諧回路作為負載，從而解決散熱和由于晶體管靜態工作點設置過低所導致的輸出波形失真的問題[9]。

功率管采用MJL3281A，其電流增益帶寬積fT可以達到30 MHz，直流電流增益可以達到75倍以上[10]。基極電感用于調節三極管的直流工作點，使Q點工作在0 V，避免三極管持續打開造成管子過熱失效。基極電感在本例中選取為10 μH，在穩定直流工作點的同時使得導通角前移，盡快打開管子。VBB為集電極直流電源電壓，用于提供三極管放大的功率。

當控制電路中其他參數不變時，將VBB從小逐漸加大，電路會由欠壓狀態逐步經由臨界狀態轉入過壓狀態。同時流過線圈的電流有效值也會逐漸增加，在相同的變壓器設計結構下，二次線圈得到的電壓也就越大[11]。為了簡化電路中的電源系統，令VBB和VCC相同，在本電路中取VBB為30 V。

當晶體管工作在丙類狀態下的時候，其集電極電流波形是尖頂余弦脈沖，其主要參量為[iCmax]和導通角[θC]。參數計算公式如下：

[cos θC=UBE（on）Ubm]? （2）

[iC=iCmaxα0（θC）+iCmaxα1（θC）+iCmaxα2（θC）]? ? （3）

根據尖頂余弦脈沖的分解系數[α0，α1，…，αn]與導通角[θC]的關系，兼顧輸出功率與效率，最佳的導通角為70°左右。經過前一級三極管放大后，射頻信號的峰峰值約為4 V，根據式（2）可以求出[θC]=69°，可以滿足最佳輸出要求。

2.3? 耦合線圈設計

作為丙類放大電路的負載，耦合線圈能夠將幾十伏的電壓放大到數千伏，其對交流信號的放大效果與多種因素有關。空心變壓器相對于帶有磁心的變壓具有更好的頻率特性，并且其線性度好，輸出功率大。在實際的變壓器設計中，電路采用一次線圈在中間，兩個二次線圈同軸分置兩側的方法，這種接法可以使兩個二次線圈的磁通幾乎完全一樣，具體的接法如圖4所示。在靠近一次線圈的次級抽頭接直流信號U，遠離一次線圈的抽頭接四極桿負載，最終在四極桿上得到浮動在直流電壓U上的可調幅的高壓高頻信號。需要注意的是，兩個次級線圈的繞向應該是一致的。

（不代表實際匝數、線徑等參數）

由于變壓器后端接入的四極桿可以等效為一個容性負載，所以二次線圈和四極桿在電路結構上構成一個LC諧振回路。為了能夠更好地發揮耦合線圈的放大效果，除了表1給出的基本參數外，還對其余幾個重要的指標進行討論。

2.3.1? 一次線圈部分的選取

在圖3所示電路中，C1和L1兩個支路的阻抗分別為[ZC1=RC1+1jωC1]和[ZL1=RL1+jωL1]。對于確定頻率的信號，受限于耦合線圈的變壓關系，一次線圈電感不能過大，所以[ZL1]較小。對于電容支路，為了增大其阻抗，C1應取一個較小值或不接。耦合線圈變壓關系為：

[u2u1=n2n1=L2L1] （4）

根據變壓器電壓變換公式可知，二次線圈和一次線圈電感的取值會影響到最后的輸出電壓，二次線圈和輸出電壓的關系將會在后文討論。一次線圈纏繞匝數和輸出電壓的關系如表2所示。

從表2可以看出，一次線圈的匝數增加后，雖然集電極獲取到的峰峰值電壓VPP有所增加，但由于受到耦合線圈變壓比的影響，最終的輸出略有降低。同時，如果一次線圈電感量過小，那么其從前一級獲取電壓的能力就會下降。考慮到由于示波器高壓探頭的測量誤差以及變壓器耦合過程中漏感的存在，電壓的放大倍數不會嚴格的等于匝數比。綜合考慮，一次線圈選擇纏繞3匝。

2.3.2? 二次線圈部分的選取

LC諧振電路中，諧振頻率為[f=12πLC]。對于圖3所示的電路結構，L1和C1構成了中介回路，L2和CL構成了調諧回路，故諧振頻率可以近似地看作[f=12πL2CL]，即當二次線圈電感量遠大于一次線圈電感量的時候，整個電路的諧振頻率主要受二次線圈電感量和負載等效電容的影響[12]。對于空心線圈，其電感量為[L=D2n2H+0.45D]。其中，D為線圈直徑;n為線圈匝數;H為線圈繞組長度。固定集電極直流電壓和一次線圈匝數的情況下，輸出電壓和二次線圈匝數的關系見圖5。對于不同的離子，射頻四極桿只有工作在特定的頻率范圍內，才能得到較強的信號強度[13]。限于諧振頻率要求高于1 MHz的要求，綜合確定二次線圈匝數為110匝。

2.3.3? 線圈位置

一次線圈和二次線圈的相對位置會影響到線圈之間的耦合程度，進而影響諧振頻率、輸出電壓等參數。根據電路定理可知，引入阻抗的大小和互感有關。因此，提升線圈的耦合能力對輸出電壓的大小會有關鍵的影響。對于空心線圈構成的變壓器，線圈之間的距離是影響耦合能力的一個主要指標。為了討論方便，以圖4中耦合線圈A，B構成的變壓器進行說明。定義二次線圈直流端口B1側為0 mm，B2側為正方向，二次線圈采用密繞的方式，實際長度為27.5 mm。根據一次線圈的位置得到圖6所示的結果。

由圖6可知，一次線圈接在二次線圈直流側位置0 mm時，耦合效果最好，此時諧振頻率較高，變壓器的輸出電壓最大。

3? 實驗結果

本設計的輸入為頻率可調、峰峰值VPP=1 V的正弦信號和0～1 V的三角波信號。電路板實物圖見圖7。

變壓器采用空心螺線管作為基本構型，一次線圈置于兩個次級線圈中間以提供最佳耦合效果。變壓器采用密繞的方式進行纏繞，從而在增加二次線圈電感量的同時盡可能減小體積，空心螺線管的尺寸為[Φ41×60 mm]。在給定耦合線圈以及電路其他參數后，通過改變輸入信號的頻率可以找到電路的最佳諧振點。輸出電壓利用能夠衰減1 000倍的高壓探頭和示波器進行觀測，電路的測試結果如圖 8所示。

通過圖 8可以看到，當變壓器匝數增加時，輸出信號的峰峰值電壓增加而諧振頻率則會下降。當輸入信號的頻率和諧振點匹配時，輸出信號的峰峰值電壓達到最大，此時流過集電極直流電源的電流最小。當輸入信號頻率和整體電路諧振點失諧的時候，輸出電壓峰峰值VPP會迅速下降，流過集電極直流電源會顯著增大，嚴重情況下會燒毀器件。在二次線圈匝數為110匝的時候，諧振頻率為1.011 MHz，輸出電壓為2.26 kV，滿足設計需求，對應的輸出波形如圖 9所示。

4? 結? 論

針對射頻四極桿質譜儀的研制需求和儀器小型化的需要，本文設計了一種應用于四極桿離子阱質譜儀的射頻電源。該電源以晶體管放大電路和變壓器為基本結構，通過對輸入信號的調節實現離子測量范圍的調整。經過實際測試，射頻電源在1 MHz的頻率下可以實現峰峰值電壓為2 kV的調幅正弦信號輸出，較常規的射頻電源具有更高的峰值電壓和更小的體積。通過理論計算和實驗分析，驗證了電路設計的正確性。該射頻電源輸出信號的電壓和頻率在工作時間內保持穩定，具有體積小巧、結構簡單、性能可靠等優點，滿足了設計目標，在四極桿離子阱質譜儀的應用方面具有一定價值。

注：本文通訊作者為李保權。

參考文獻

[1] PAUL W， REINHARD H， VON Z U. Das elektrische massenfilter als massenspektrometer und isotopentrenner [J]. Zeitschrift fur physik， 1958， 152（2）： 143?182.

[2] 程磊.四極質譜儀數據采集電路的設計[D].南京：東南大學，2015.

[3] WOODWARD C E. Development of a quadrupole mass spectrometer [D]. Massachusetts： Massachusetts Institute of Technology， 1964.

[4] 羅嬋.四極場質量分析器的理論研究[D].上海：復旦大學，2011.

[5] 李延錄，安衛東，承學東，等.一種小型四極桿射頻電源技術研究[J].分析儀器，2015（1）：11?17.

[6] J?RGEN H G， TODD P J. Mass spectrometry： a textbook [J]. Physics today， 2005， 58（6）： 59?60.

[7] LIU Y， WANG T， WU H Y， et al. Design and simulation of impedance measurement system for biosensors [C]// Design and Simulation of Impedance Measurement System for Biosensors. Zibo： IEEE， 2011： 107?110.

[8] 朱輝，郭長娟，張紹飛，等.飛行時間質譜儀四極桿射頻信號放大器的研制[J].分析測試學報，2011，30（8）：927?932.

[9] 侯春光.一種大功率多路可調射頻放大器電路的設計[D].西安：長安大學，2017.

[10] 李果.可編程線性電源控制電路與功率電路的設計[D].成都：電子科技大學，2018.

[11] MCLYMAN C W T. Transformer and inductor design handbook [M]. New York： Marcel Dekker Inc， 2016.

[12] O'CONNOR P B， COSTELLO C E， EARLE W E. A high voltage RF oscillator for driving multipole ion guides [J]. Journal of the American society for mass spectrometry， 2002， 13（12）： 1370?1375.

[13] 郭長娟，黃正旭，高偉，等.大氣壓離子源真空接口的研制及其在電噴霧電離飛行時間質譜儀上的應用[J].分析儀器，2007（2）：17?21.

[14] 于慧娟，汪洋，孔聰，等.超高效液相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜快速篩查魚和蝦樣品中200種藥物殘留[J].質譜學報，2019（2）：97?108.