一種應(yīng)用于四極桿質(zhì)譜儀的射頻電源設(shè)計(jì)

呂嘉瑋 牟 歡 劉亞寧 桑 鵬 李保權(quán)

摘? 要： 射頻電源是四極桿質(zhì)譜分析儀的關(guān)鍵部件，用于產(chǎn)生儀器所需的射頻高壓信號并驅(qū)動(dòng)四極桿結(jié)構(gòu)。針對諧振頻率為1.0 MHz的質(zhì)譜分析儀的使用需求，設(shè)計(jì)一種基于丙類功率放大電路和空心變壓器結(jié)構(gòu)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(gòu)成，相較于傳統(tǒng)的四極桿射頻電源，具有更高的峰值電壓和質(zhì)量掃描范圍。經(jīng)過實(shí)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(diào)幅正弦信號，工作穩(wěn)定，輸出信號干擾小，滿足了設(shè)計(jì)需求，體積小巧，功耗較低，有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 四極桿質(zhì)譜儀; 射頻電源; 電路設(shè)計(jì); 信號放大; 耦合線圈; 測試分析

中圖分類號： TN86?34; TH843? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)譜儀是一種能夠?qū)Σ煌少|(zhì)比離子進(jìn)行分離、檢測的精密儀器，利用質(zhì)譜技術(shù)可以分析待探測樣品的物質(zhì)組成、分子量、荷質(zhì)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(zhì)譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer）僅依靠純電場進(jìn)行工作，不需要磁場進(jìn)行外界輔助，不需要單獨(dú)對入射離子進(jìn)行聚焦，因此四極桿結(jié)構(gòu)的質(zhì)譜儀具有結(jié)構(gòu)簡單、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。

高分辨率寬范圍的四極桿質(zhì)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(yīng)用場合較少，難以滿足多種操作環(huán)境。用于驅(qū)動(dòng)四極桿結(jié)構(gòu)的射頻信號一般通過振蕩電路或者DDS（數(shù)字頻率合成）技術(shù)生成，但這種方法產(chǎn)生信號較小，無法直接驅(qū)動(dòng)四極桿結(jié)構(gòu)。本文針對小信號輸入模型，利用分立元件和耦合線圈設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)等效電容約為33 pF的四極桿結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如圖1所示[1?2]。為了驅(qū)動(dòng)四極桿結(jié)構(gòu)，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(shí)間。在這樣的電場條件下，四極桿內(nèi)部會形成一個(gè)分布為雙曲線形狀的電場結(jié)構(gòu)[4]。由于帶電離子所受電場力的大小和電場強(qiáng)度與電荷量相關(guān)，因此，進(jìn)入到電場中的離子軌跡會根據(jù)φ和離子的荷質(zhì)比而發(fā)生變化，只有特定荷質(zhì)比的離子能夠穩(wěn)定通過電場并被篩選出來，Mathieu方程所描述的穩(wěn)定區(qū)域說明了上述現(xiàn)象[5?6]。根據(jù)Mathieu方程，射頻最大電壓和電源頻率決定了分析器的質(zhì)量范圍。對于荷質(zhì)比較大的離子，在四極桿中主要受高頻電場驅(qū)動(dòng);對于荷質(zhì)比較小的離子，主要受直流電場驅(qū)動(dòng)。四極桿在工作的時(shí)候，交直比是恒定的，因此，可以通過改變交直比來實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分析的功能。產(chǎn)生射頻電源所需的調(diào)幅信號主要有兩種方式，分別是直接調(diào)制功率管電源和先得到調(diào)幅小信號再進(jìn)行功率放大。后者相較于前者功率更小，易于實(shí)現(xiàn)模塊化集成，故本文采用后者實(shí)現(xiàn)。

2? 射頻電源的基本電路

射頻信號放大系統(tǒng)一般主要包括信號發(fā)生部分、小信號放大部分、功率放大部分、變壓器以及選頻網(wǎng)絡(luò)等，基本結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

為了得到交流電壓[Vcos ωt]，系統(tǒng)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(shù)[7]為[W=（X1-X2）（Y1-Y2）×4? mA]。取[X1]和[Y2]為0，在接入負(fù)載后，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換，得到調(diào)制信號的峰峰值約為200 mV。為了實(shí)現(xiàn)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(dá)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(shù)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(lián)所構(gòu)成的等效負(fù)載電阻。調(diào)節(jié)RC和RB1，得到輸出端峰峰值VPP（OUT1）=4 V。

2.2? 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路按照晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)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(shè)計(jì)中，通常采用驅(qū)動(dòng)管加功率管構(gòu)成類似達(dá)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(tǒng)的不穩(wěn)定性和體積。在本設(shè)計(jì)中，采用丙類功率放大電路，并以調(diào)諧回路作為負(fù)載，從而解決散熱和由于晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置過低所導(dǎo)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(dá)到30 MHz，直流電流增益可以達(dá)到75倍以上[10]?；鶚O電感用于調(diào)節(jié)三極管的直流工作點(diǎn)，使Q點(diǎn)工作在0 V，避免三極管持續(xù)打開造成管子過熱失效?；鶚O電感在本例中選取為10 μH，在穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的同時(shí)使得導(dǎo)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(dāng)控制電路中其他參數(shù)不變時(shí)，將VBB從小逐漸加大，電路會由欠壓狀態(tài)逐步經(jīng)由臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。同時(shí)流過線圈的電流有效值也會逐漸增加，在相同的變壓器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(tǒng)，令VBB和VCC相同，在本電路中取VBB為30 V。

當(dāng)晶體管工作在丙類狀態(tài)下的時(shí)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(dǎo)通角[θC]。參數(shù)計(jì)算公式如下：

[cos θC=UBE（on）Ubm]? （2）

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

根據(jù)尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)[α0，α1，…，αn]與導(dǎo)通角[θC]的關(guān)系，兼顧輸出功率與效率，最佳的導(dǎo)通角為70°左右。經(jīng)過前一級三極管放大后，射頻信號的峰峰值約為4 V，根據(jù)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(shè)計(jì)

作為丙類放大電路的負(fù)載，耦合線圈能夠?qū)资碾妷悍糯蟮綌?shù)千伏，其對交流信號的放大效果與多種因素有關(guān)?？招淖儔浩飨鄬τ趲в写判牡淖儔壕哂懈玫念l率特性，并且其線性度好，輸出功率大。在實(shí)際的變壓器設(shè)計(jì)中，電路采用一次線圈在中間，兩個(gè)二次線圈同軸分置兩側(cè)的方法，這種接法可以使兩個(gè)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(yuǎn)離一次線圈的抽頭接四極桿負(fù)載，最終在四極桿上得到浮動(dòng)在直流電壓U上的可調(diào)幅的高壓高頻信號。需要注意的是，兩個(gè)次級線圈的繞向應(yīng)該是一致的。

（不代表實(shí)際匝數(shù)、線徑等參數(shù)）

由于變壓器后端接入的四極桿可以等效為一個(gè)容性負(fù)載，所以二次線圈和四極桿在電路結(jié)構(gòu)上構(gòu)成一個(gè)LC諧振回路。為了能夠更好地發(fā)揮耦合線圈的放大效果，除了表1給出的基本參數(shù)外，還對其余幾個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)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(gè)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(guān)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(yīng)取一個(gè)較小值或不接。耦合線圈變壓關(guān)系為：

[u2u1=n2n1=L2L1] （4）

根據(jù)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(guān)系將會在后文討論。一次線圈纏繞匝數(shù)和輸出電壓的關(guān)系如表2所示。

從表2可以看出，一次線圈的匝數(shù)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(shí)，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?？紤]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(shù)不會嚴(yán)格的等于匝數(shù)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(jié)構(gòu)，L1和C1構(gòu)成了中介回路，L2和CL構(gòu)成了調(diào)諧回路，故諧振頻率可以近似地看作[f=12πL2CL]，即當(dāng)二次線圈電感量遠(yuǎn)大于一次線圈電感量的時(shí)候，整個(gè)電路的諧振頻率主要受二次線圈電感量和負(fù)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(shù);H為線圈繞組長度。固定集電極直流電壓和一次線圈匝數(shù)的情況下，輸出電壓和二次線圈匝數(shù)的關(guān)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(nèi)，才能得到較強(qiáng)的信號強(qiáng)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(shù)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(jìn)而影響諧振頻率、輸出電壓等參數(shù)。根據(jù)電路定理可知，引入阻抗的大小和互感有關(guān)。因此，提升線圈的耦合能力對輸出電壓的大小會有關(guān)鍵的影響。對于空心線圈構(gòu)成的變壓器，線圈之間的距離是影響耦合能力的一個(gè)主要指標(biāo)。為了討論方便，以圖4中耦合線圈A，B構(gòu)成的變壓器進(jìn)行說明。定義二次線圈直流端口B1側(cè)為0 mm，B2側(cè)為正方向，二次線圈采用密繞的方式，實(shí)際長度為27.5 mm。根據(jù)一次線圈的位置得到圖6所示的結(jié)果。

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

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)的輸入為頻率可調(diào)、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(shí)物圖見圖7。

變壓器采用空心螺線管作為基本構(gòu)型，一次線圈置于兩個(gè)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(jìn)行纏繞，從而在增加二次線圈電感量的同時(shí)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(shù)后，通過改變輸入信號的頻率可以找到電路的最佳諧振點(diǎn)。輸出電壓利用能夠衰減1 000倍的高壓探頭和示波器進(jìn)行觀測，電路的測試結(jié)果如圖 8所示。

通過圖 8可以看到，當(dāng)變壓器匝數(shù)增加時(shí)，輸出信號的峰峰值電壓增加而諧振頻率則會下降。當(dāng)輸入信號的頻率和諧振點(diǎn)匹配時(shí)，輸出信號的峰峰值電壓達(dá)到最大，此時(shí)流過集電極直流電源的電流最小。當(dāng)輸入信號頻率和整體電路諧振點(diǎn)失諧的時(shí)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(yán)重情況下會燒毀器件。在二次線圈匝數(shù)為110匝的時(shí)候，諧振頻率為1.011 MHz，輸出電壓為2.26 kV，滿足設(shè)計(jì)需求，對應(yīng)的輸出波形如圖 9所示。

4? 結(jié)? 論

針對射頻四極桿質(zhì)譜儀的研制需求和儀器小型化的需要，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于四極桿離子阱質(zhì)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(jié)構(gòu)，通過對輸入信號的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)離子測量范圍的調(diào)整。經(jīng)過實(shí)際測試，射頻電源在1 MHz的頻率下可以實(shí)現(xiàn)峰峰值電壓為2 kV的調(diào)幅正弦信號輸出，較常規(guī)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。該射頻電源輸出信號的電壓和頻率在工作時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)，在四極桿離子阱質(zhì)譜儀的應(yīng)用方面具有一定價(jià)值。

注：本文通訊作者為李保權(quán)。

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