Устройство питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра Советский патент 1983 года по МПК H01J49/42 

вторым входом контурной системы, и функционёшьный првобразоватвль, выход которого соединен с вторым входом дополнительного дифференциаильного усилителя, а вход с выходом генератора управляющего напряжения.

1. УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ АНАЛИЗАТОРА КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА, содержащее генератор высокой частоты, выход которого соединен с первым входом контурной системы, ое аэованной индуктивностью повылающей обмотки трансформатора,,емкостыб квадрупольного анализатора и подстроечным конденсаторами, устройство , формирования постоянной составляющей напрязкения, выход которого соединен с выходом контурной системы, со стержнями квадрупольного анализатора и входами высокочастотного детектора, дифференциальный усидитель, первый вход которого соединен с основным выходом высокочастотного детектора а выход - с управляющим уходом геве-г ратора высокой частоты, Генератор управляющего напряжения, выход которого подключён к второму входу дифференциального усилителя и управляющему входу устройства формирования постоянней составляющей напряжения, и источник питания генератора высокой частоты, выход которого подключен через токосьемный резистор к второму входу контурной систеки, отличаю щеес я тем, что, с целью повьшёния симметрии выходных высокочастотных напряжений и уменьшения коэффициента1 нелинейных искажений в широком диапазоне изме нения выходных напряжений, в него дополнительно введены влок управления величиной индуктивности контурной схемы и два управляекедх конденсатора, подключенные между выходами контурной системы и общей шиной масс-спектрометра,. С5лок управления величиной их емкости., входы которого соединены с основным и дополнительным выходами высокочастотного детектора, выходы подключены к входам управляемых конденсаторов, один вход блока управления величиной индуктивности контурной системы подключен к выходу генератбра управляющего напряжения, второй - к второму входу контурной системы, а выход - к управляющему входу контурной системы. 2..Устройство по п. 1, отличающее с .я тей, что управляемые конденсаторы выполнены в виде последовательно соединенныхконденсатора постоянной- емкости и О. варикапа, а блок управления величиной их емкости содержит дифференциX альный усилитель с парафазными выхсг4 дами, которые соединены с аарикапаtm, а входы подключены к основному DO 4i Ю и дополнительному выходам высокочастотного детектора. 3. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что в контурную систему дополнительно введена обмотка подмагничивания, один из выводов которой служит управляющим входом контурной системы, а второй Соединен с общей шиной масс-спект рометра, блок управления величиной индуктивности контурной системы содержит дополн.ительный дифференциальный усилитель, выход которого соединен с первым выводом обмотки подмагничивания, первый вход подключен к выходу детектора, вход которого соединен с

Изобретение относится к электрон ным генераторам напряжения вида y()+Vco6Lut) и предназначено для использования в квадрупольной массспектрометрии. Известны устройства питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра с раздельным формированием составляющей и переменной составляю щей V выходного напряженияj содержащие генератор высокой частоты, вырабатывающий переменную составляю щую V с контурной системой, образованной индуктивностью повышающей обмотки трансформатора, емкостью квалрупольного анализатора и емкостями подстроечных конденсаторов. Амплитуда генератора высокой частоты стабилизируется при помощи обрат ной связи, в цепь которой включены высокочастотный детектор и дифференциальный усилитель. Использовани контурной системы обеспечивает небольшое потребление мощности и умен шает коэффициент нелинейных искажений. Устройство формирования постбя ной составляющей напряжения U выпол няется в виде стабильных высоковоль ных усилителей постоянного тока либ управляемых стабилизаторов постоянного напряжения. Они обладгиот высокой стабильностью выходных напряжений и, линейностью амплитудной хара теристики и, кроме того, в них используются устройства автосимметрир вания напряжений +и относительно об щей шины масс-спектрометра. Достоинствами устройств питания анализаторов квадрупольных массспектрометров являются высокая стабильность параметров и,V,, выс кая степень симметрии напряжений +U и малое времй установления выход ных напряжений, причем данные досто инства наиболее существенно проявля ются .при изменении выходных напряже ний и и V в широком диапазоне Г1Д. Однако в данных устройствах ручная подстройка дифференциальными конденсаторами не позволяет произво дить симметрирование напряжений +V относительно общей шины масс-спектfiOMeTpa с погрешностью менее (0,1+0,3)%. Кроме того, устройства характеризуются невозможностью авто матически подстраивать симметрию при изменении в широких пределах выходных напряжений, так как при этом изменяются параметры контурной системы, при изменении которых возрастает коэффициент нелинейных искажений, , рагстет потребляемая генератором высокой частоты мощность. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство питания анализатора квадруг . польного масс-спектрометра, содержащее генератор высокой частоты, выход которого соединен с первым входом контурной системы, образованной индуктивностью повышающей обмотки трансФорматора, емкостью квадрупольного анализатора и подстроечными конденсаторами, устройство формирования постоянной составляющей напряжения, выход которого соединен с выходом контурной системы со стержнями квадрупольного анализатора и вход.ми высокочастотного детектора, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с основным выходом высокочастотного детектора, а выход - с управляющим входом генератора высокой частотыj генератор управляющего Напряжения, выход которого подключен к второму входу дифференциального усилителя и управляющему входу устройства формирования постоянной составляющей напряжения, И источник питания генератора-высокой частоты, выход которого подключен через токосъемный резистор к второму вхОду контурной системы С2. Недостатками, известного устройства являются асимметрии выходных высокочастотных напряжений и значи-тельные нелинейные искажения в диапазоне изменения выходных напряжений. Цель изобретения - повьшение симметрии выходных высокочастотных напряжений устройства питания анали-ч затора квадрупольного масс-спектрометра и уменьшение коэффициента нелинейных искажений в широком диапазоне изменения выходных напряжений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра, содержащее генератор высокой частоты, выход которого подключен к первому входу контурной систе1иы, образованной индуктивностью повышающей обмотки трансформатора, емкостью квадрупольного анализатора и подстрречными конденсаторами, устройство формирования постоянной составляющей напряжения, выход которого соединен с выходом -контурной системы, со стержнями квадрупольного ансшизатора и входами высокочастотного детектора, дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к основному выходу высокочастотного детектора, а выход - к управляющего входу генератора высокой частоты, генератор управляющего напряжения, выход которого подключен к второму входу дифференцис1льного усилителя и управляющему входу устройства формирования постоянной сое тавляющей напряжения, и источник питания, соединенный с вторым входом, контурной системы через токосъемный резистор, дополнительно введены блок управления величиной индуктивности контурной схемы и два управляемых конденсатора, включенных между выходами контурной системы и общей шиной масс-спектрометра, блок управления величиной их емкости, выходы которого соединены с управлякнцими входами управляемых конденсаторов, а входы подключены к основному и дополнительному выходам высокочастотного детектора, и блок управления величиной индуктивности контурной системы, выход которого подключен к управля ощему входу контурной системы, один вход подключен к выходу гейератора управляющего напряжения, а второй вход - к второму входу контурной системы. . , .

Управляемые конденсаторы выполнены в виде последовательно соединенных конденсатора постоянной емкости и варикапа, а блок управления величиной их емкости содержит диф-. ференциальный усилитель с парафазными выходами, которые соединены с варикапами, а входы подключены к основному и дополнительному выходам высокочастотного детектора.

Блок управления величиной индуктивности контурной системы содержит дополнительный дифференциальный усилитель, выход которого соединен , с первым выводом обмотки подмагничивания, дополнительно введенной в контурную систему, второй выход которой соединен с общей шиной массспектрометра, а первый вход подклюг чен к выходу детектора, вход которого соединен с вторым входом контурной системы, и функциональный преобразователь, выход которого подключен к второму входу дополнительного дифференциального усилителя, а вход - к

выходу генератора управляющего напря жения.

Предлагаемое устройство обеспечи-. вает автоматическое симметрирование выходных высокочастотных напряжений относительно общей шины масс-спектрс 1етра с более высокой точностью и в ntopoKOM диапазоне изменений выходных напряжений, что достигается за счет использования следящей отрицательной обратной связи, в цепь которой включены высокочастотный детектор с двумя выходами - датчик асимметрии напряжений, дифференциальный усилитель с парафазными выходс(ми усилитель рассогласования и управляемые конденсаторы - исполнительные элементы. Кроме того, увеличение коэффициента нелинейных искажений, вызванное уходом контурной системы

из резонанса.§слёдствие изменения емкостей управляемых конденсаторов и изменения параметров контурной системы, в предлагаемом устройстве компенсируется за счет автоматической настройки резонанса контурной системы в широком диапазоне изменения выходных напряжений при помощи отрицат.ельной обратной связи/ следящей за величиной тока потребления генератора высокой частоты, в цепь которой включены токосъемный резистор с детектором - датчик величины реального тока потребления, дополнительный дифференциальный усилитель усилитель рассогласования, функциональный преобразователь с генератором управляющего напряжения, вырабатывающий сигнал, пропорциональный току потребления генератора высокой частоты при резонансе контурной системы и различных напряжениях на ней, опорный элемент и обмотка подмагничивания - исполнительный элемент.

На чертеже представлена структурная схема устройства питания анализатора квадрупольного масс-спе трометра.

Устройство питания амгшизатора квадрупольного масс-спектрометра содержит генератор 1 высокой частоты, выход которого подключен к контурной системе 2, выход которой вместе с выходом устройства 3 формирования постоянной составляющей напряжения подключены к стержням 4 квадрупольного анализатора, высокочастотный детектор 5 через дифференциальный усилитель 6 с парафазными выходами подключен к управляемым конденсаторам 7, входы дифференциального усилителя 8 подключены к

генератору 9 управляющего напряжения, а источник 10 питания генератора высокой частоты через токосъемный резистор 11 подключ н к детектору 12, выход которого соединен с

дополнительным дифференциальным уси лителем 13, шторой вход которого подключен к функциональному преобразователю 14. Устройство писания анализатора квадрупольного масс-спектрометра , работает следующим образом, , Генератор 1 высокой частоты, подключенный к первому входу контурной системы 2, ВЕфабатывает высо ковольтное высокочастотное напряжение Vcosuit, амплитуда V которого ста билизируется при помощи отрицательной Обратной связи, в цепь которой включены высокочастотный детектор 5 и дифференциальный усилитель 8. Вхо ды высокочастотного детектора 5 сое динены с выходами контурной снстемы 2, а основной выход высокочастот ного детектора 5 подключен к одному из входов дифференциального усилителя 8, выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 высокой частоты. Управление выходным напряжением генератора высокой частоты осуществляется напряжением генератора 9 управляющего напряжения, выход которого подключен к второму входу дифференциального усилителя 8 Формирование постиоянной составляющей. U осуществляется при помощи уст ройства 3 форгетрования постоянной составляющей напряжения, в котором приняты меры по стабилизации и авто симметрированию выходных напряжений Управление выходным напряжением уст ройства 3 формирования постоянной составляющей напряжения осуществляе ся выходным напряжением генератора управляющего напряжения, выход кото рого соединен с управляющим входом устройства 3 формирования постоянно составляющей напряжения. Выходы кон турной системы 2 и устройства 3 фор мирования постоянной составлякндей напряжения подключены к стержням квадрупольного анализатора 4, подав вая на них напряжение i(U+Vco5U)t) относительно общей шины масс-спектрометра. Автосимметрирование переменных составляющих выходного напря жения , снимаемых с выходов контурной системы 2, осуществляется при помощи управляемых конденсаторов 7, включенных между выходами контурной системы 2 и общей шиной масс-спектрометра. Выходные постоянные напряжения с основного и допол нительного выходов высокочастотного детектора 5, пропорциональные выходным высокочастотным напряжениям +V и -V2, подаются на входы дифференциального усилителя 11 с парафазными выходами, выходные си налы которого, пропорциональные асимметрии высокочастотных напряжений, изменяют величины емкостей управлемыЛ кондёнсатороп (одн.ого в сторону увеличения емкости, другого - ш сторону уменьшения) до тех пор, поха не будет скомпенсирован начальный разбаланс емкостей и не установится требуемая симметрия напряжений и Vj Емкость упраапяемых конденсаторов 7 (Су и С ) равна Co Cet/JC,,(V) где Cg - емкость высоковольтного конденсатора постоянной емкости; , GO - начальная емкость варикапа; , 4С„ ( изменение емкости варикапа CB,условие малого сигнала для , варикапа. Максимальный разбаланс емкостей, компенсируемый устройством, равен c-..c.,- «4C{VJ1.ДС, О СЮ да ЛС 2Св Изменение емкостей управляемых конденсаторов 7 и параметров контурной системы 2 при сканировании спектра масс приводит к тому, что контурная система 2 выходит из резонанса и, следовательно, растет коэффициент нелинейных искажений, который может увеличитьсяIдо недопустимого уровня, и также МОЩНОСТЬ, потребляемая генератором 1 высокой частоты. Уменьшение нелинейных искажений высокояас : тотногО напряжения осуществляется путем изменения индуктивности контурной системы 2 и поддержания самой контурной системы 2 в резонансе, Для этого сигнал, пропорциональный потребляемому генератором 1 высокой частоты току, с токосъемного резистора 11 подается на детектор 12, с выхода которого поступает на первый вход дополнительного дифференциального усилителя 13. Опорным сигналом, подаваемым на второй вход дополнительного дифференциального усилителя 13, служит напряжение, пропорциональное току потребления генератора 1 высокой частоты при резонансе контурной системы 2 и формируемое функциональным преобразователем 14, на вход которого подается напряжение с генератора 7 управляющего напряжения. Напряжение сшибки с выхода дополнительного дифференциального усилителя 13 подается на управляющий вkoд контурной системы 2, к которому подключен оДин из выводов дополнительной обмотки подмагничивания, а другой - к общей шине масс-спектрометра. Изменение величины постоянного тока в обмотке подмагничиваяия, вызванное выходным напряжением дополнительного диффере циального усилителя 13, приводит к изменению величины магнитной проницаемости сердечника, а следовательно, и индуктивности контурной систе мы 2. Функционсшьный преобразователь 14 формирует опорное напржкение, пропорциональное току потребления генератора 1 высокой частоты при резонансе контурной системы 2. Функциональная связь между током потребления генератора 1 высокой частоты и. напряжениемгенератора 9 управляющего напряжения находится экспериментгшьно и формируется при помощи диодных првс бразователей. Предлагаемое устройство по сравнению с известным позволяет за счет использования управляемых конденсаторов автоматически симметрировать выходные высокочастотные напряжения с высокой точностью {погрешность не более 0,01%) и в широком диaпaзoне изменения выходных напряжений. Увеличение нелинейных искажений, вызванное изменениями емкостей управляемых конденсаторов и параметров контурной системы, компенсируется путем а1Втоматической подстройки в резонанс контурной системы в широком диапазоне изменения выходных напряжений; Вследствие этого становится возможным получение более высвкой разрешающей способности квадрупольного масс-спектрометра без ухудшения его чувствительности в широком диапазоне анализируемых масс.