УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ КАТОДА МАСС-СПЕКТРОМЕТРА Российский патент 2017 года по МПК H01J49/02 

Изобретение относится к устройству для питания напряжением ионного источника масс-спектрометра и, прежде всего, для питания напряжением катода масс-спектрометра.

Масс-спектрометры служат для анализа газов и, в том числе, в течеискателях. Под действием электрического поля выходящие из горячего катода электроны ускоряются. При этом создается электронный поток, который ионизирует электронами подлежащее исследованию вещество в газовой фазе и подводит его к анализатору. Это электрическое поле образуется между катодом и анодом. Для питания напряжением катода масс-спектрометра должен надежно и с как можно меньшей долей помех вырабатываться заранее заданный ток эмиссии, в то время как напряжение накала катода изменяется как исполнительный элемент.

Из публикации US 6064580 А известно устройство для питания напряжением, содержащее трансформатор с двумя выходами и средним контактным выводом на выходной стороне.

В основе изобретения лежит задача разработки устройства для питания напряжением катода масс-спектрометра с небольшим числом деталей и малой мощностью потерь.

Для решения поставленной задачи устройство для питания напряжением катода масс-спектрометра, содержащее питаемый входным напряжением трансформатор по меньшей мере с первым выходом, вторым выходом и средним контактным выводом на выходной стороне, содержит по меньшей мере один умножитель напряжения для выработки постоянного напряжения из выходного напряжения, имеющегося на первом выходе и/или на втором выходе трансформатора, и по меньшей мере два диода, соответствующие друг другу контактные выводы которых, то есть катоды или аноды, соединены с различными выходами трансформатора, причем контактный вывод первого диода соединен с первым выходом, контактный вывод второго диода соединен со вторым выходом, и параллельно каждому диоду подключен соответственно первый транзистор и второй транзистор, причем контактный вывод истока каждого транзистора соединен с противолежащим трансформатору контактным выводом соответствующего диода, затвор первого транзистора соединен со вторым выходом, а затвор второго транзистора соединен с первым выходом трансформатора.

Преимуществом применения диодов, включенных параллельно паразитным диодам внутри транзисторов, является меньшее, чем в случае внутренних диодов, прямое напряжение. Благодаря дополнительным диодам повышается эффективность переключения.

В импульсном источнике питания к трансформатору приложено входное напряжение первичной стороны. На вторичной стороне трансформатор оснащен двумя выходными контактными выводами и средним контактным выводом вторичной стороны. На обоих выходных контактных выводах трансформатора имеются направленные противоточно, то есть сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180°, напряжения. Когда на первом контактном выводе имеется положительное выходное напряжение, такое же выходное напряжение с обратным знаком имеется на втором выходном контактном выводе. Оба выходных контактных вывода трансформатора соединены напрямую соответственно с одним диодом. Для повышения коэффициента полезного действия параллельно диодам соответственно управляемому выпрямителю подключены транзисторы, причем в случае двух транзисторов с n-каналом катод одного диода напрямую соединен с первым выходом трансформатора, а катод второго диода напрямую соединен со вторым выходом трансформатора. В случае транзисторов с р-каналом анод одного диода соответственно соединен с

первым выходом трансформатора, а анод другого диода соединен со вторым выходом трансформатора. Другими словами, это означает, что соответствующие друг другу контактные выводы обоих диодов напрямую соединены соответственно с различными выходами трансформатора.

К обоим диодам подключен параллельно соответственно ровно один транзистор, причем согласно изобретению затвор одного транзистора напрямую соединен с первым выходным контактным выводом, а затвор второго транзистора напрямую соединен с другим выходным контактным выводом трансформатора.

Диоды служат для выпрямления выходных напряжений трансформатора, причем подключенные параллельно диодам транзисторы повышают коэффициент полезного действия схемы.

При этом контактный вывод стока первого транзистора, предпочтительно, соединен напрямую с первым выходом трансформатора, а контактный вывод стока другого транзистора - напрямую со вторым выходом трансформатора. Контактные выводы истока обоих транзисторов могут быть соединены друг с другом и находиться в контакте с расположенными напротив трансформатора и не соединенными напрямую с трансформатором выводами. Таким образом, тогда контактные выводы истока в случае транзисторов с р-каналом находятся в контакте с обоими катодами диодов и с обоими анодами диодов в случае транзисторов с n-каналом. Предпочтительно, в случае транзисторов речь идет о полевых транзисторах с каналами р-типа или n-типа.

Предпочтительно, сглаживающий конденсатор и дроссельная катушка образуют фильтр нижних частот между средним выходом трансформатора и контактными выводами истока транзисторов. В отличие от описанного варианта как двухтактного преобразователя, схема может быть выполнена как однотактный прямоходовой преобразователь, причем используются соответственно только один транзистор и один диод.

Согласно одному варианту осуществления, устройство питания напряжением служит для управления двумя катодами и содержит два транзистора, попеременно управляющих ровно одним из обоих контактных выводов катода. Тогда становится ненужным обычно используемое реле для попеременного управления контактными выводами катода. К тому же управление с помощью транзисторов происходит надежнее и быстрее, чем с помощью обычных коммутационных реле.

Каждому из обоих выходов трансформатора может быть придан ровно один умножитель напряжения, который через разделительный конденсатор может быть соединен с соответствующим выходом. Постоянное напряжение может служить:

а) как источник питания для генерирования энергии электронов (анодное напряжение) для масс-спектрометра,

б) для выработки напряжения питания для обоих управляющих катодными контактными выводами транзисторов и/или

в) для питания измерительной схемы для измерения и/или регулирования тока эмиссии.

Ток эмиссии является текущим внутри ионного источника от анода к соответственно включенному катоду током, причем энергия электронов задается разностью напряжений между анодом и катодом. Предпочтительно, ток эмиссии передается с помощью широтно-импульсной модуляции.

В дальнейшем с помощью фигур будет более подробно описан пример осуществления изобретения. Показано на:

Фиг. 1 – принципиальная схема устройства питания напряжением в виде двухтактного преобразователя, и

Фиг. 2 – фрагмент из фиг. 1.

Трансформатор 1 с первичной стороны и вторичной стороны оснащен соответственно тремя контактными выводами. К одному из первичных контактных выводов приложено входное напряжение U₁ для трансформатора. На первом выходном контактном выводе 32 и втором выходном контактном выводе 30 имеются сдвинутые относительно друг друга по фазе, то есть противоточные выходные напряжения трансформатора. Третий вторичный контактный вывод выполнен как средний контактный вывод 31 на выходной стороне. В дальнейшем первый выходной контактный вывод 32 будет обозначаться как отрицательный выход, и второй выходной контактный вывод 30 - как положительный выход, то есть в каждом случае будет рассматриваться лишь одна фаза установившихся напряжений.

Отрицательный выход 32 соединен с катодом диода 7. Положительный выход 30 соединен с катодом диода 9. Аноды обоих диодов 7, 9 соединены друг с другом.

К каждому из обоих диодов 7, 9 параллельно подключен транзистор 8, 10 в виде n-канального полевого транзистора. При этом контактные выводы истока обоих транзисторов 8, 10 соединены соответственно с анодами обоих диодов. Контактный вывод стока первого транзистора 8 соединен с отрицательный выходом 32, а контактный вывод стока второго транзистора 10 соединен с положительным выходом 30. Контактный вывод затвора первого транзистора 8 соединен с контактным выводом стока второго транзистора 10 и с положительным выходом 30. Контактный вывод затвора второго транзистора 10 соединен с контактным выводом стока первого транзистора 8 и с отрицательным выходом 32. Таким образом, в этот момент времени транзистор 8 является проводящим, в то время как транзистор 10 заперт.

В случае р-канальных транзисторов 8, 10 были бы изменены только направления диодов, так что катоды обоих диодов 7, 9 соединены друг с другом, а катоды диодов соединены соответственно с различными выходами 30, 32 трансформатора 1.

Между средним контактным выводом 31 на выходной стороне трансформатора 1 и контактными выводами истоков транзисторов 8, 10 предусмотрен фильтр нижних частот, состоящий из сглаживающего конденсатора 12 и дроссельной катушки 11.

Согласно изобретению от одной и той же обмотки трансформатора 1 вырабатывается напряжение питания для регистрации, регулирования и генерирования энергии электронов для анодно-катодной эмиссии. При больших токах подогрева катода выпрямление поддерживается посредством управляемого выпрямителя 8, 10, который у двухтактного преобразователя управляется напрямую выходным напряжением трансформатора соответственно другой цепи. Управляемый выпрямитель 8, который выпрямляет напряжение выхода 32, управляется напрямую выходом 30 трансформатора. В моменты времени, в которые выходное напряжение трансформатора почти равно нулю вольт, ток течет через соединенную с контактными выводами истока обоих транзисторов 8, 10 дроссельную катушку 11 и через диоды 7, 9.

Поскольку напряжения на выходе трансформатора, которые являются подходящими для катода, часто являются низкими, то рекомендуется приводить напряжения с помощью умножителя 16, 17 напряжения к желаемой величине U3. Для этого согласно изобретению умножитель 16, 17 напряжения через разделительный конденсатор 13, 14 соединен соответственно с положительным выходом 30 и с отрицательным выходом 32 трансформатора 1. На фиг. 2 можно увидеть простой умножитель напряжения, который образован из диодов 33 и 34. С выходов умножителя 16, 17 напряжения снимается постоянное напряжение, которое, например, может быть использовано, чтобы питать устройство 18 выработки напряжения для генерирования анодного напряжения U_A.

Альтернативно или дополнительно, с помощью постоянного напряжения U3 может питаться устройство 21 выработки напряжения, которое через оптопару 22 поставляет информацию для напряжений затвора двух транзисторов 19, 20, которые поочередно управляют двумя отдельными катодными контактными выводами Kat₁, Kat₂.

При этом контактные выводы стоков обоих транзисторов 19, 20 соединены со средним контактным выводом 31 трансформатора, который в случае n-канальных транзисторов представляет собой положительный полюс питания катода напряжением. Контактные выводы затворов транзисторов 19, 20 соединены соответственно с устройством 21 выработки напряжения. Контактный вывод истока транзистора 19 соединен со вторым катодным контактным выводом Kat₂, а контактный вывод истока транзистора 20 соединен с первым катодным контактным выводом Kat₁. К катодным контактным выводам Kat₁, Kat₂ может быть подключен катод, противоположный полюс которого соединен с общим катодным контактным выводом Kat. Переключение катодов может происходить простым образом с помощью транзистора 19, 20. Прежде всего, также и в случае нескольких катодных контактных выводов, то есть более чем двух катодных контактных выводов, управление катодными контактными выводами может происходить с помощью соответственно одного транзистора.

Ток эмиссии течет внутри ионного источника от контактного вывода анодного напряжения U_A к контактным выводам Kat₁ или Kat₂ включенного катода и общему контактному выводу катода. Средний потенциал катода образуется посредством сопротивлений 27, 28, включая возникающее вследствие тока эмиссии падение напряжения на сопротивлениях 26 и 29. В области тока эмиссии на потенциале массы, на котором обычно находится устройство 25 оценки сигнала, которое, предпочтительно, является процессорным блоком, ток эмиссии, вызывающий падение напряжения на сопротивлениях 26, 29, посредством преобразования в широтно-импульсном модуляторе 23 преобразуется в широтно-импульсный модулированный сигнал (ШИМ-сигнал). ШИМ-сигнал через оптопару 24 передается к устройству 25 оценки сигнала относительно массы. Там с помощью микропроцессора ШИМ-сигнал преобразуется в цифровые значения, которые тогда пропорциональны току эмиссии. Благодаря этому с помощью полученных цифровых значений и программного обеспечения может регулироваться ток эмиссии.

Управляющим параметром является скважность импульсов импульсного источника 4 питания и может генерироваться напрямую из процессора. В показанном примере осуществления управляющий параметр генерируется на аналоговом выходе, который образован с помощью цифроаналогового преобразователя 6 и интегральной схемы импульсного источника 4 питания. При этом может быть использовано реализованное в интегральной схеме импульсного источника питания ограничение тока. Для этого в качестве ограничивающего ток сопротивления используется сопротивление 5. Для выработки энергии электронов требуется лишь повышающий преобразователь, который в качестве устройства 18 питания напряжением обычно генерирует напряжение от примерно 70 до 100 В из изолированного напряжения питания U₃.

Умножители 16, 17 напряжения, которые состоят по меньшей мере из двух выпрямителей, питаются через емкостную связь с трансформатором, состоящую из конденсаторов 13, 14, 15, и делают возможной изолированную по постоянному току связь, как показано на фиг. 2. Изоляция по постоянному току питания напряжением заботится о том, чтобы ток эмиссии, который на выходе выпрямителя, состоящем из деталей 7, 8, 9 и 10, течет в активный катод, мог оцениваться без погрешностей. Предпочтительно, к обоим выходам 30, 32 трансформатора подключен соответственно один умножитель напряжения, благодаря чему улучшается нагрузочная способность по току, и пульсация уменьшается. К тому же устраняются импульсы напряжения в трансформаторе, которые могут разрушить активный выпрямитель.

Устройство для питания напряжением катода масс-спектрометра имеет двухтактный измерительный преобразователь, причем, помимо обычных выпрямительных диодов (7, 9), имеется управляемый выпрямитель (8, 10). Затвор первого транзистора (8) соединен со вторым выходом (30), а затвор второго транзистора (10) соединен с первым выходом (32) трансформатора. Устройство для питания напряжением, состоящее по меньшей мере из одного умножителя напряжения, через конденсаторы (13, 14, 15) соединено с выходом трансформатора и, среди прочего, запутывает измерительное устройство эмиссионного тока. Технический результат - повышение эффективности переключения. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для питания напряжением катода масс-спектрометра, содержащее питаемый входным напряжением (U₁) трансформатор (1) по меньшей мере с первым выходом (32), вторым выходом (30) и средним контактным выводом (31) на выходной стороне, отличающееся тем, что оно содержит:

- по меньшей мере один умножитель (16, 17) напряжения для выработки постоянного напряжения (U₃) из выходного напряжения, имеющегося на первом выходе (32) и/или на втором выходе (30) трансформатора; и

- по меньшей мере два диода (7, 9), соответствующие друг другу контактные выводы которых, то есть катоды или аноды, соединены с различными выходами (30, 32) трансформатора (1), причем контактный вывод первого диода (7) соединен с первым выходом (32), контактный вывод второго диода (9) соединен со вторым выходом (30), и параллельно каждому диоду (7, 9) подключен соответственно первый транзистор (8) и второй транзистор (10), причем контактный вывод истока каждого транзистора (8, 10) соединен с противолежащим трансформатору (1) контактным выводом соответствующего диода (7, 9), затвор первого транзистора (8) соединен со вторым выходом (30), а затвор второго транзистора (10) соединен с первым выходом (32) трансформатора (1).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контактный вывод стока первого транзистора (8) соединен с первым выходом (32), а контактный вывод стока второго транзистора (10) соединен со вторым выходом (30) трансформатора (1).

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что между средним контактным выводом (31) на выходной стороне трансформатора (1) и контактными выводами истоков транзисторов (8, 10) предусмотрен фильтр нижних частот, состоящий из сглаживающего конденсатора (12) и дроссельной катушки (11).

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что устройство питания обоих катодов оснащено соответственно одним контактным выводом (Kat₁, Kat₂) для каждого из обоих катодов, причем с трансформатором (1) соединены два транзистора (19, 20) для поочередного управления обоими катодными контактными выводами (Kat₁, Kat₂).

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что каждый катодный контактный вывод (Kat₁, Kat₂) соединен с контактным выводом истока ровно одного из обоих транзисторов (19, 20), причем транзистор (19, 20) управляет соответствующим катодным контактным выводом (Kat₁, Kat₂) именно тогда, когда имеющееся на соответствующем контактном выводе затвора напряжение транзистора превышает имеющееся на контактном выводе истока напряжение катода.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один умножитель напряжения состоит из по меньшей мере двух выпрямителей (16, 17) и через разделительный конденсатор (13, 14) соединен с одним из обоих выходных контактных выводов (30, 32) трансформатора (1) как активной цепью и через конденсатор (15) с противолежащими трансформатору (1) контактными выводами диодов (7, 9) как опорной цепью.

7. Устройство по п. 1 или 6, отличающееся тем, что постоянное напряжение (U₃) служит для:

- питания вырабатывающего напряжение затвора обоих транзисторов (19, 20) устройства (21) питания напряжением и/или

- питания вырабатывающего анодное напряжение (U_A) масс-спектрометра устройства (18) питания напряжением и/или

- питания измерительной схемы для измерения тока эмиссии соответственно активного катода (Kat₁, Kat₂).

8. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрена измерительная схема для измерения тока эмиссии соответственно активного катода (Kat₁, Kat₂) в форме широтно-импульсного модулятора (23).

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что ток эмиссии стекает через два включенных последовательно между средним контактным выводом (31) и противолежащими трансформатору (1) контактными выводами обоих диодов (7, 9) первых сопротивления (26, 29) и усредняется посредством двух сопротивлений (27, 28), включенных последовательно друг другу и параллельно первым сопротивлениям (26, 29).