一种小型四极杆射频电源技术研究

一种小型四极杆射频电源技术研究

李延录1安卫东1承学东2白岗3李季3

(1.吉林省计量科学研究院 吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130103；2.吉林市分析技术有限责任公司，吉林 132001； 3.长春华普科学仪器有限责任公司，长春 130013)

摘要：根据四极杆质量分析器的基本原理，设计使用一种小型的射频电源，该电源的频率、电压控制信号均由数字控制板提供，产生交流峰峰值2568Vpp，直流DC±215V附加于四极杆，并与之谐振于2.7648MHz。由于使用了带环形磁芯的变压器，体积小、效率高,电路有取样和反馈，可以长期稳定工作。

关键词：四级杆质谱；射频电源

作者简介：李延录，男，1962年出生，高级工程师，主要从事分析仪器检验方法研究。

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

四极杆质量分析器的原理于1953年首次由德国Bonn大学物理系教授Wolfgang Paul等人提出[1]。四极滤质器仅利用纯电场工作，无需磁场，也不要求入射离子实现能量聚焦，可引入结构简单、高灵敏度的离子源，因而四极杆质谱仪具有结构简单、紧凑，重量很轻，扫描速度快，价格低廉的特点，在许多领域，都已获得广泛应用[2]。

四极杆质量分析器相连接的电源就是四极杆射频电源(RF)，是四极杆质谱仪的核心部件。通常实验室台式仪器使用体积较大的空心线圈，用以产生较高的扫描电压，可以扫到1000质量数。这里介绍一种小型的RF电源，由于使用了特殊的磁芯，大大缩小了线圈的体积，虽然扫描范围上有所限制，但在残余气体分析仪等小型四极质谱中可以很好的工作，同时效率高，稳定性好。

2理论依据

四极杆质谱仪的核心部件就是四极杆质量分析器，它是由四根精密加工的电极杆以及分别施加于x、y方向两组高压高频射频组成的电场分析器。四根电极可以是双曲面也可以是圆柱型的电极；射频电压伴随着时间的改变，四极杆电场的强度和相位在发生着变化，只有稳定通过四极场的离子才能到达离子检测系统,这些离子信号的收集、放大即可获得相应的质谱图。

离子在四极杆中的运动可用Mathieu 方程的解来描述，通过方程解的特性，可以知道离子在四极场中的运动性质取决于a、b值，而与初始条件无关。由此可以得到离子的稳定性区域图，如图1所示。

图1　四极杆质量分析器Mathieu方程的稳定性区域图 [3]

图中相交的区域有多个，都是稳定区，在四极杆质量分析器中,最常用的是原点附近的第I稳定区[4],放大后如图2所示。

图2　第I稳定区图 [3]

第一稳定区的稳定性图大致像一个三角形，称为稳定性三角形。只要a、q的绝对值在该三角形中，则离子的运动就具有稳定的轨迹。此时，符合初始入射条件的离子将稳定通过四极场，到达离子检测系统。

根据定义

改变U(同时改变V，保持斜率k不变)，即可获得相应的质谱图[3]。

为了使四极杆产生四极电场，四根杆需两两相连成两对杆，并与一个交直流发生器的输出连接，这个交直流发生器就是射频电源(RF电源)。射频电源与四极杆的连接如图3所示。射频电源中的震荡线圈(RF变压器)原理与变压器一样，有一个原边，两个副边，原边通入频率为ω大小可变的电流，副边可感应出的交流电压为Vcosωt。副边线圈一端接地，两线圈另一端分别与两个大小随V变化的直流DC相连，然后再接入两对四极杆。于是两对杆得到大小相同，相位相反的电压：

φ=±(U+Vcosωt)[3]

图3　射频电源与四极杆的连接 [3]

本研究设计了一种应用于残余气体分析仪的小型射频电源，配套四极杆组件单杆直径6.35mm，长度114.86mm，场半径为2.769mm。为了提高质量分辨M/△M，工作频率固定设置为f=2.7648MHz，RF振幅8.56Vpp/amu，当扫到最高扫描质量300amu时，V0=1284V(2568Vpp)，一对杆的直流电压U为+215V，另一对为-215V。

3结果与分析

3.1　射频电源交流产生

射频电源交流产生的电路如图4所示。

图4　射频电源交流驱动电路 [5]

3.1.1RF控制信号

数字控制板CPU发出一对方波频率信号±RF_DRV，互为反向，占空比为50%，由SN75372调整驱动后，加载于一对IRF510MOS管(Q402、Q403)的gate端，一个周期内两个三极管互为导通截止，工作于频率为2.7648MHz时，每个MOSFET导通大约180ns。

方波的振幅驱动受控于Q401提供的直流，这是一只D44VH10高速NPN型电源三极管。运放U400整合了来自运放U306的控制RF振幅的信号，由于运放输出电流较小，因此经Q400电流放大后再驱动Q401，由它调节流入RF变压器原边的电流。

RF频率信号与RF幅度信号调制成频率固定，幅度可变的驱动方波信号。

3.1.2RF变压器

本射频电源使用带环形磁芯的RF变压器，升压比为39∶1，工作于它激式谐振状态。由于使用了磁芯，电磁转换效率高，变压器体积很小[6]。

变压器次级线圈为39匝，大约16μH的自感应电感。次级线圈与四级杆质量分析器串联，因此四级杆上的二次寄生电容，与线圈产生的电感谐振工作。驱动信号虽然是方波，但经过次级线圈与四级杆质量分析器的谐振，可以在四极杆上测得一个频率固定的调幅正弦波电压，该电压中心不为零，而是浮在一个直流电压上。

变压器的原边只有一匝，两个次级绕组分别放置于原边的两边，因此磁通对两个绕组几乎完全一样。两个副边不同的自感偏差小于0.1%。这是非常重要的。副边使用镀银的特弗龙线以减少集肤效应，并且最小化线间电容，这样能提高振荡的Q值，得到很高的效率[6]。

由于RF变压器磁芯材料及线圈的不同，不同的电感参数会影响谐振，因此需在原边并联一些电容参与调节RF变压器原边的电抗，达到最佳谐振状态。选用耐压为50V的聚丙烯电容，这种电容高频性能好，能减小电源功率损失。

3.1.3工作流程

当Q402导通、Q403截止时，受控于Q401的电流，经T401流入RF变压器的原边，再经C409流入MOSFET源极的0.25W电阻，然后到地；当Q403导通、Q402截止时，电流是经C408流入RF变压器的原边，再经T401流入Q403源极的0.25W电阻，然后到地，RF变压器、T401的电流与之前方向相反。

变压器接入四级杆与电容后，从变压器原边看去输入呈现为容性电抗，因此与0.5uH电感T401也工作于谐振状态。这样可实现MOSFET的过零开关，以减少功率管的开关损耗，并且减少RF的输出失真(驱动电流非常接近正弦波)。

由于米勒效应，Q402/Q403的G-S和G-D的电容不可忽视，它们会导致本应互为反向的驱动信号，相位有偏差。作为补偿，加入R413、R414和C406，通过原边的驱动电感T401，释放功率MOSFET的G极的电荷，使之产生正确的振幅和相位的驱动信号。

3.2　射频电源直流输出

附加于交流RF电压，两对杆需要直流DC电压大约±1/12于交流的峰-峰值。射频电源直流部分如图5所示。

图5　射频电源直流部分电路

直流部分需外部连接±250V的直流电源。RF_SET信号经运放U304A放大4倍后成为直流DC控制信号DC_SET。

运放U403A用于控制负的直流DC电压输出，当控制信号DC_SET变高，则运放输出变为高，Q406、Q407的电流增加，拉低Q407的收集极，负的直流DC输出。

运放U403B是用于控制正DC电压输出。正电位和负电位通过R431和R432相比较，当负电位增长，U403B的正向输入端将变低，拉低运放输出，Q405和Q404电流增长，拉高Q404的收集极，因此正的直流DC输出。

实际控制信号除了DC_SET，还有一个RES_CTL，用来微调直流DC输出，可以影响质谱峰的分辨。过高的分辨率会影响质谱信号的强度。

3.3　反馈及电压控制

RF电源稳定工作，必须有反馈部分，因环境、温度等原因造成工作点漂移，电路必须跟踪调整，保证交直流电压稳定不变，电路如图6所示。

图6　射频电源反馈及电压电路 [5]

3.3.1RF振幅检测

RF振幅检测是通过了一个全波整流。为了驱动一个对称的负载，两对杆振幅都要检测并相加。以单边为例，当一对杆电压到达一个峰值，0.5pF的取样电容C750被充电至最大电压，同时有电流通过肖特基二极管D303流到地，因此电压为：Vp+Vdc-Vdiode。在下一个半周期，由于有电流从U305反相输入端虚地流过D302，C750被充电到-Vp+Vdc+Vdiode。对运放全部的电荷转换就是c×dV=c×(Vpp-2Vdiode)。每个周期从两边注入电荷，因此电流就是I=2fC×(Vpp-2Vdiode)，当C=0.5pF并且f=2.7648MHz，如果忽略Vdiode，电流为2.76μA/Vpp。由C303-305和L300组成的三阶椭圆滤波器，具有200Ω的阻抗和5.6MHz陷波功能。刚才的电流经U305运放进行I/V转换，再通过此滤波器得到检测的RF_DET电压。检测电压由电位器P300调整后提供一个Vpp/1000的电压，这个检测电压与原边电流检测信号、数字控制板给定的对应某质量数的RF_SET信号，经加法器U306运算后，同反馈信号一起调整为AMPL_ERR信号以控制RF振幅。

为了维持恒定的分辨率和灵敏度，RF振幅检测增益电位器P300，是非常重要的。仔细调节它使从低质量到高质量具有相同的分辨率。

3.3.2RF振幅控制

数字控制板的18bitDAC输出RF控制电平 (RF_SET)，从1 amu ～300amu扫描时，数字控制板输出8.56mV～2.56mv。U306是增益为5的比较放大器，检测到的RF振幅电压信号，与来自数字控制板的RF_SET控制电压相比较。如果振幅检测电平低于设置电平，则U306向上偏，以增加原边驱动电流，升高RF交流电压，直至RF交流电压达到设置。

为减少各个PCB板之间的噪声和地漂移的影响，这里使用了不同的参考地电平。

3.3.3驱动电流限制

RF变压器原边驱动电流通过了FET的源0.25W的电阻，电阻上产生的压降经运放U402B放大，送至数控板进行AD信号采集。扫描质量数越高，驱动电流也越大，在300amu时交流峰峰值为2568Vpp，驱动电流大约1.5A。

RF变压器原边驱动电流检测信号RF_PRI与实际驱动电流呈比例关系(RF_PRI=1.5V/A)，全扫描时，原边驱动电流的输出也近似线性。如果系统工作正常，应该是RF_SET始终比RF_PRI大。如果出现故障导致出现过大的原边驱动电流，则运算放大器U304的输出增大，使RF_PRI大于RF_SET。当电流通过D304增长，U306的输出减小以限制RF变压器原边驱动电流。同时，数控板的CPU检测到RF_PRI>RF_SET，也会让RF_SET减小，以期减小RF变压器原边驱动电流。这些措施保护了功率管IRF250，不至于因工作电流过大而损坏。

4应用实例

本射频电源被应用于一种小型的残余气体分析仪，与四极杆谐振于2.7648MHz，可产生交流峰峰值2568Vpp，直流DC±215V。用于分析容器300质量数以下各个气体组份的压强，进而换算出各气体的浓度百分比。图7是扫描某容器内的气体成份，可以清晰的看到水(m/e=18)、氮(m/e=28)等特征峰的强度比。

图7　残气分析仪扫描谱图

5结论与讨论

本射频电源能产生交直流电压，电压可以受控于CPU进行扫描，交直比恒定，能使四极杆分析器产生四极场。由于该电路结构简单，又有反馈电路，工作稳定可靠，适合残气分析仪等小型单四极质谱长期稳定工作。也正是由于简单，无法对交直比进行精确设置，而且质量扫描电压与设定值有非线性误差，扫描电压需通过软件随时校正，因此扫描速度很低，无法应用于较高要求的场合。

参考文献

[1]方向, 覃莉莉, 白岗. 四极杆质量分析器研究现状及进展[J].质谱学报, 2005, 26(4):234-242.

[2]陈耀祖,涂亚平. 有机质谱原理及应用[M] . 北京:科学出版社,2004：79-85.

[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.功率电子学-原理与应用[M] . 北京：清华大学出版社,2005：26-36.