научная статья по теме ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 5, с. 56-61

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 543.551

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА © 2013 г. В. Т. Черепин, В. И. Василенко, Т. А. Красовский*

Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАНУкраины Украина, 03142, Киев, просп. Вернадского, 36 *Физико-технический учебно-научный центр НАН Украины Украина, 03142, Киев, просп. Вернадского, 36 Поступила в редакцию 26.09.2012 г.

Разработан малогабаритный высокочастотный генератор прямоугольных знакопеременных импульсов напряжения для питания цилиндрического электрода в камере монопольного масс-спектрометра. Положительная и отрицательная амплитуды импульсов линейно возрастают от нуля до + 150/—180 В за время ~10 мин, а частота линейно убывает от 2 до 1.4 МГц. Постоянная составляющая отрицательной полярности, необходимая для работы масс-спектрометра, создается за счет неравенства положительной и отрицательной амплитуд относительно общего провода. Получены спектры газов с атомными массами от 1 до 130.

БО1: 10.7868/80032816213050029

В большинстве систем питания масс-спектрометров традиционно используются высокочастотные генераторы синусоидальных колебаний частотой 1.5—3 МГц с очень жесткими требованиями к стабильности частоты, амплитуды и формы напряжения в широком диапазоне амплитуд — от 0 до 1—2 кВ. Важным элементом таких генераторов является высокодобротный колебательный контур, габариты и параметры которого определяют габариты и параметры всего прибора. Высокая добротность контура — параметр, сильно зависящий от температурных и механических воздействий окружающей среды, поэтому трудно обеспечить стабильную работу генератора.

В то же время известны [1, 2] попытки применить для питания цилиндрического электрода в камере масс-спектрометра генератор прямоугольных или трапецеидальных колебаний. Экспериментальная проверка показала принципиальную возможность реализации этой идеи, однако старая элементная база, в частности быстродействие и допустимое рабочее напряжение применявшихся биполярных транзисторов, не позволили создать систему, конкурентоспособную по сравнению с традиционными высокочастотными генераторами. Известны также методы развертки спектра масс путем вариации частоты высокочастотного напряжения [3], однако реализация этого метода также наталкивалась на технические ограничения.

Современная элементная база электроники позволила разработать малогабаритный высокочастотный генератор прямоугольных знакопере-

менных импульсов напряжения, положительная и отрицательная амплитуда которых плавно изменяется по линейному закону от нуля до + 150/—180 В со скоростью ~15 В/мин. Постоянная составляющая отрицательной полярности, необходимая для работы масс-спектрометра, в данном генераторе создается за счет неравенства положительной и отрицательной амплитуд относительно общего провода. Начальная частота этого напряжения 2 МГц.

На рис. 1 приведена блок-схема генератора высокой частоты, а на рис. 2 — его принципиальная схема. Задающий генератор ЗГ (рис. 1) на микросхеме Б1 вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения с начальной частотой 4 МГц и скважностью ~3. Эти импульсы с ее вывода 7 поступают на вход 1п1 электронного переключателя Б3 (РИна рис. 1), а также через задерживающую ЛС-цепочку на вход 1п1 инвертора Б2 и далее на счетный вход С1 триггера Б4Л, который делит частоту этих импульсов на 2.

На выходе 01 триггера образуются прямоугольные импульсы частотой 2 МГц и скважностью 2 (меандр). Они поступают на управляющий вход 1п2 переключателя Б3, который поочередно распределяет импульсы на его входе 1п1 на два канала — ОШ1, ОШ2, в каждом из которых последовательности импульсов частотой 2 МГц и скважностью 6 сдвинуты друг относительно друга на 180°. Переключение микросхемы Б3 происходит через интервал ~100 нс после окончания импульса на входе 1п1. Импульсы с выходов ОШ1, ОШ2,

Рис. 1. Блок-схема генератора импульсов. +Е1? —Е2 — источники положительного и отрицательного напряжений; В — вычитатель; ЗГ — задающий генератор; И — инвертор импульсов; ДЧ — делитель частоты на 2; ПЧН — преобразователь частота—напряжение; ДУ — дифференциальный усилитель; ИТ — источник тока; РИ — распределитель импульсов; УМ — усилители мощности; ЭП — электронный переключатель.

усиленные по мощности микросхемой D5, поочередно отпирают мощные полевые м.о.п.-транзи-сторы T3, T4. Поскольку потенциал истока транзистора T3 скачкообразно изменяется от +150 до —180 В, для управления этим транзистором необходим гальванически изолированный источник управляющих импульсов. Поэтому использован дополнительный усилитель мощности на транзисторе T2 с понижающим трансформатором Тр.

Транзисторы T3, T4 открываются поочередно в течение всего лишь 1/6 периода, т.е. на 83—120 нс. Этого времени достаточно для полного перезаряда емкости нагрузки (емкости цилиндрического электрода в масс-фильтре — 35 пФ), а также проходных емкостей транзисторов T3, T4. В паузах, когда оба транзистора закрыты, емкость нагрузки удерживает заряд, поэтому выходное напряжение имеет вид прямоугольных знакопеременных импульсов. Резисторы R9, R10 включены для ограничения амплитуды перезарядного тока.

Известное из [1] соотношение

M = а V/rlf2

(1)

связывает массовое число М выделенного в масс-анализаторе иона с амплитудой V переменного напряжения на цилиндрическом электроде. Коэффициент а « 0.16 — отношение величины постоянной составляющей напряжения на центральном электроде к амплитудному значению этого напряжения; г0, см — радиус электрического поля масс-анализатора; /, МГц — частота переменного напряжения. Это соотношение справедливо при условии питания электрода масс-анали-затора гармоническим напряжением постоянной частоты. В нашем случае, как выявилось в процессе пробных записей спектров, при линейном возрастании амплитуды импульсного напряжения и неизменной частоте интервалы между пиками масс постепенно уменьшались, что приво-

дило к неравномерной плотности спектра. К тому же линейно возрастал ток перезаряда емкости нагрузки и паразитных емкостей выходных транзисторов. При этом квадратично возрастала мощность рассеяния на транзисторах.

Поэтому был выбран метод анализа с линейным возрастанием амплитуды напряжения от нуля до +150, —180 В и с одновременным линейным снижением частоты этого напряжения от 2 до «1.4 МГц. С учетом того, что в формуле (1) частота Т2 — в знаменателе, скорость снижения частоты экспериментально подобрана такой, чтобы полностью скомпенсировать вышеуказанные уменьшения интервалов между пиками масс и обеспечить линейность развертки. При этом максимальная мощность рассеяния на выходных транзисторах с понижением частоты уменьшилась на «35%.

Такое снижение частоты реализуется следующим образом. Внешний сигнал развертки ир = 0— 4.096 В поступает через резисторы Я3, Я4 на инвертирующий вход усилителя А1Л (вычитатель В на рис. 1). На этот же вход через резистор подано смещение от источника —12.5 В. При изменении напряжения ир от нуля до 4.096 В напряжение на выходе Ои?1 усилителя А1Л изменяется от 5 до 3.5 В. Это напряжение является опорным для пропорционально-интегрального регулятора частоты, в состав которого входят дифференциальный усилитель А12 и источник тока на транзисторе Т1. Напряжение с выхода Ои?2 усилителя А12 управляет током коллектора транзистора Т1. Этот ток через перемычку /2 заряжает частотозадаю-щий конденсатор С1 задающего генератора В1.

Отрицательную обратную связь по частоте осуществляет преобразователь частота-напряжение (ПЧН на рис. 1), который содержит одновиб-ратор В4 2 и фильтр Я7, С2. Одновибратор запускается по фронту импульсов на выходе 01 триггера. Длительность импульсов на выходе 02 одновиб-

100

1

2 1п1 Out1

3 Gnd Vdd

4 1п2 Ош2

£4.1 £4.2

01 Vdd

-1 S2

С1 С2

Я1 £2

£1 Я2

S1 02

УББ 02

=р51 п

ья

2 к

С3 51 п 3.9 к

2/ 1/ 3/ 4/1/ 5/ 8/ 10/

1 2 3 4 5 6 1 8 9 10 14 15 16

и о о DGND DGND AGND 5 + ь1 +12.5 -12.5 2 + и + о

£

Рис. 2. Принципиальная схема генератора импульсов.А1 - LM358; Вх - UCC35105S, В2 - TPS2813, £3 - ADG419, Щ -CD4013, £5 - TPS2812; Т1 - ВС801, Т2 - 2Ш000, Т3, Т4 - ^110; Дь Д2 - LL4148, Д3 - В2У55-В15.

ратора постоянна и равна 0.66(^8С3) » 100 нс. Постоянное напряжение на конденсаторе С2 равно напряжению на инвертирующем входе усилителя А12 и пропорционально частоте выходного напряжения генератора импульсов. Начальная частота 4 МГц устанавливается потенциометром Я2. Скорость снижения частоты можно изменять потенциометром Я3.

В данной схеме предусмотрена возможность ручной установки фиксированной частоты ЗГ потенциометром Я6 (в другом положении перемычки /2), а также ручной установки сигнала развертки потенциометром Я1. Такие действия полезны при наладке и проверке прибора.

Для питания выходного электронного переключателя необходимы два напряжения (+Е1 и -Е2) относительно общего провода ("земли"). Они должны плавно изменяться по линейному закону:

+Е1 от нуля до +150 В, -Е2 - от нуля до -180 В со скоростью ~15 В/мин. Уровень пульсаций и шумов в обоих напряжениях должен быть не более 0.05%, поскольку пульсации уменьшают разрешающую способность масс-спектрометра.

Эти напряжения вырабатывает двухканальный блок питания, принципиальная схема которого приведена на рис. 3. Каждый канал содержит 2 каскада. Первые каскады - широтно-импульс-ные преобразователи постоянного напряжения +24 В в регулируемые постоянные напряжения, изменяющиеся в пределах +(15-159) В для +Е1 и -(15-188) В для -Е2. Преобразователи имеют высокий к.п.д. (86-92%), но ограниченный диапазон изменения выходного напряжения. Кроме того, выходные напряжения содержат импульсные помехи »1 В на частоте преобразования 33 кГц.

и о £ £ 180 В)

+ 1.

§ э + +

- т чо оо о чо

I

Й

I

и рр

I

рц

I

о ^

чо Р4

I

^ I

I

сч

гя ю т

О

сл

I

сч

асю

£ «

й 1

¥ > ^ рр

« I

а 1

м ЧО

4 £ ю

03 I 2 >00 о ^

йТ с рр

К |

д 1 м 2

5 ^

а

С £

т <

. сл ё ^

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

U

Ar

CO2

Xe+

Xe++

20 40 60 80

100

120 M, а.е.м.

Рис. 4. Пример спектра остаточного газа

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком