Устройство питания квадрупольного масс-анализатора Советский патент 1982 года по МПК H01J49/42 

(5) УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-АНАЛИЗАТОРА

Изобретение относится к массспектрометрии, а именно к квадрупольным масс-спектрометрам. В современных квадрупольных массспектрометрах на электроды масс-анализаторов прикладывается напряжение, высокочастотная составляющая которого обычно имеет частоту, равную нескольким меглгерцам и максимальную амплитуду 3-5 кВ при максимальной величине постоянной составляющей ±(500-850)8. К этим напряжениям предъявляются крайне жесткие требования: нестабильность частоты не более 10-10, нестабильность амплитуды высокочастотной составляющей не более 10 10, синхронность изменения постоянной и переменной составляющих напряжения не хуже 10-10 равенство по модулю напряжений положительной и отрицательной полярности не хуже 10. Известно устройство для стабилизации напряжений на электродах квадрупольного масс-анализатора, содержащее источники управляющих напряжений, операционный усилитель, высокочастотный генератор с симметричным выходом, нагруженный на электроды квадрупольного масс-анализатора,операционные сопротивления, сопротивление регулировки разрешающей способности масс-спектрометра, развязывающие дроссели, детектор обратной связи и детекторы формирования напряжений постоянного тока положительной и отрицательной полярности, являющихся постоянными составляющими напря- , жения, прикладываемого к электродам масс-анализатора tl. Недостатком этого устройства является низкая стабильность получаемых таким образом постоянных составляющих напряжения, так как указанные детекторы не охвачены отрицательной обратной связью, вследствие чего на стабильность постоянных составляющих напряжения сильно влияет 39 расстройка контура, дрейф детекторов и т.п. Известно также устройство для стабилизации напряжений на электродах квадрупольного масс-анализатора содержащее источник управляющего напряжения, операционный усилитель, двухтактный высокочастотный генератор с симметричным выходом, нагруженный на электроды квадрупольного масс анализатора, операционные сопротивления, сопротивления для регулировки отношения постоянных составляющих к переменной, развязывающие высокочастотные дроссели и детектор . Недостатком этого устройства явля ется недостаточная стабильность отно шений постоянных напряжений к переменному, вызванная тем, что положительная составляющая напряжения подается на электроды масс-анализатора непосредственно от источника управляющего напряжения, а отрицательная составляющая - с выхода детектора. Дрейф детектора вызывает изменения отношений постоянных напряжений к переменному на электродах квадрупольного масс-анализатора. Кроме того, схема устройства не позволяет сканировать напряжения в любом участ ке их рабочего интервала (т.е. не поз воляет сканировать масс-спектр в любом заданном участке массовых чисел) а также затрудняет ее стыковку с ЭВМ, так как при управлении работой этого устройства от ЭВМ требуется большое напряжение (до 500-800 В), равное постоянной составляющей напряжения на электродах масс-анализато ра, в то время как ЭВМ не обеспечивает таких уровней управляющего напряжения, вследствие чего в цепи управления требуется применение дополнительных усилительных устройств. Наиболее близко , к предлагаемому устройство для стабилизации напряжений на Электродах квадрупольного масс-анализатора, содержащее источни ки постоянного и пилообразного напряжений , операционные.у.силители.двух тактный высокочастотный генератор с симметричным выходом, нагрузкой которого являются электроды квадруполь ного масс-анализатора, операционные сопротивления и сопротивление регулировки ртношеиия постоянных составляющих к переменной (т.е. регулировки разрешающей способности масс-спек 74 рометра), развязывающие дроссели и детектор 3. Недостатками устройства являются недостаточные симметрия и стабильность отношения постоянных напряжений к переменным масс-анализатора вследствие применения в схеме этого устройства операционного усилителя, создающего напряжение постоянного тока отрицательной полярности. Причина заключается в том, что усилитель является неинвертирующим, это значит, что диапазон синфазных входных напряжений не может превышать 10В, т.е. на его вход может быть подана лишь крайне малая часть напряжения с выхода детектора. На вход усилителя может быть подано любое по величине напряжение. В связи с тем, что динамический диапазон усилителей должен составлять 1000 с целью перекрытия полного диапазона регистрируемых масс, входной сигнал должен изменяться от 10 В до 10 мВ, А это означает,что уровень дрейфа и шумов усилителей не должен превышать 1-0,1 мкВ, так как требуемая нестабильность напряжений должна составлять 10 во всем интервале рабочих напряжений, т.е. и при рабочих напряжениях, равных 10 мВ. В рассматриваемом устройстве сигнал, снимаемый с сопротивления, является опорным для усилителей, поэтому допустимое максимальное значение этого сигнала лимитируется возможностями усилителя. При столь малых значениях входного напряжения велика роль реально существующих дрейфа и шумов этих усилителей, а также других помех на стабильность получаемых постоянных составляющих напряжения, а следовательно, на симметрию и стабильность отношения постоянных напряжений к переменным. Следует добавить, что к усилителям предъявляются жесткие требования по быстродействию, они должны обеспечивать нарастание напряжений от минимального до максимального значений, т.е. в 10 раз за «Т мс. Это требование еще более затрудняет получение низкого уровня шумов этих усилителей. Цель изобретения - повышение стаильности и симметричности питающих напряжений. Поставленная цель достигается тем, то в устройстве питания квадрупольогв масс-анализатора, содержащем ге5нератор напряжения высокой частоты, выход которого подключен к электрода масс-анализатора и к детектору с заземленным катодом, усилитель, подключенный к управляющему входу генератора, инвертирующий усилитель вход которого подключен к детектору, а выход - к одной паре электродов анализатора, источник опорного напряжения и генератор пилообразного напряжения, подключе 1ные через операционные сопротивления ко входу усилителя, выход детектора подключен непосредственно к второй паре электродов масс-анализатора. На чертеже приведена предлагаемая схема устройства. Устройство содержит источники 1 и 2 регулируемого постоянного и пилообразного напряжений, операционный усилитель 3, высокочастотный генератор k с симметричным выходом, руженный на электродь 5 квадрупольного масс-анализатора, операционные сопротивления 6-8, сопротивление 9 регулировки постоянных напряжений к переменному, развязывающие дроссели 10 и 11, детектор 12, операционное сопротивление 13 и инвертирующий операционный усилитель Н. Устройство работает следующим образом. На вход усилителя 3 в зависимости от рода работы (ручная развертка,автоматическая циклическая, программная от ЭеМ) через соответствующие операционные сопротивления подается управляющее напряжение. Усилитель 3 представляет собой суммирующий усилитель, обеспечивающий работу как от одного , так и от нескольких источников управляющих напряжений.Усилитель 3, генератор k и детектор 12 представляют собой систему стабилизации амплитуды высокочастотного напряжения, охваченную отрицательной обратной связью. Высокочастотное напряжение с выхода генератора через емкостный делитель подается на вход детектора 12. Напряжение постоянного тока отрицательной полярности с Выхода детектора 12, пропорциональное амплитуде высокочастотного напряжения, подается на вход усилителя 3 через операционное сопротив ление 8 и сравнивается с опорным напряжением, подаваемым от источников управляющих напряжений. Разность между опорным напряжением и напряже76нием обратной связи, усиленная усилителем 3, воздействует на вход генератора Ц таким образом, чтобы свести разность этих напряжений к минимуму с требуемой точностью. Постоянная составляющая отрицательной полярности, снимаемая с большей части сопротивления 9 цепи детектора 12 системы стабилизации амплитуды высокочастотного напряжения,подается через развязывающий дроссель 11 на одну пару электродов 5 массанализатора, а постоянная составляющая положительной полярности, формируемая инвертирующим усилителем , - через развязывающий дроссель 10 на другую пару электродов 5 массанализатора. Отношение постоянных, составляющих напряжений к амплитуде переменного напряжения регулируется переменным сопротивлением 9. Положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом устройстве на вход усилителя 1 подается практически все напряжение, подаваемое на электроды 5 анализатора (при максимальной амплитуде высокочастотного напряжения 5 кВ это составляет 850 В). При требуемом перекрытии 1о минимальное напряжение на входе этого усилителя составляет 0,85 В, т.е. примерно в 100 раз больше, чем в известном устройстве где оно составляет 10 мВ. Таким образом, резко улучшается отношение сигнал/шум в канале формирования постоянного напряжения положительной полярности. Постоянная составляющая отрицательной полярности снимается практически с полного сопротивления 9, так как диапазон регулировки отнойюния постоянной составляющей к амплитуде переменной составляющей составляет всего 0,160-0,168.0 Так как токовой нагрузкой цепей каналов формирования постоянного положительного и отрицательного напряжений являются ионные крайне малые токи (10 ), возникающие из-за попадания разделяемых ионов на электроды 5 анализатора, а коэффициент передачи усилителя 1Л выбирается равным 1 с наперед заданной точностью, то в каналах формирования постоянного положительного и отрицательного напряжений симметрия этих напряжений может быть получена с требуемой наперед заданной точностью. Влияние дрейфа детектора 12 однаково сказывается на величину напряжений постоянного тока как положительной, так и отрицательной полярности, вследствие чего исключается-нарушение симметри отношения постоянных составляющих напряжения к амплитуде высокочастот ной составляющей. Таким образом, за счет существен ного повышения рабочих напряжений на выходе усилителя Ц достигается повышение симметрии м стабильности прецизионного отношения постоянных составляющих напряжения к амплитуде переменной составляющей. Формула изобретения Устройство питания квадрупольног масс-анализатора, содержащее генератор напряжения высокой частоты, выход которого подключен к электродам масс-анализатора и к детектору с заземленным катодом усилитель. подключенный к управляющему входу генератора, инвертирующий усилитель, вход которого подключен к детектору, а выход - к одной паре электродов анализатора, источник опорного напряжения и генератор пилообразного напряжения, подключенные через операционные сопротивления к входу усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности и симметричности питающих напряжений, выход детектора подключен непосредственно к второй паре электродов масс-анализатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Описание масс-спектрометра, QSi-156-600 фирмы Riber, Франция, 977. 2.Авторское свидетельство СССР Н 363029, кл. Н 01 J . 3.Описание масс-спектрометра Quad 250В фирмы Varian, США, 1972.

-D

fn

- Ч