一种应用于四极杆质谱仪的射频电源设计

吕嘉玮 牟 欢 刘亚宁 桑 鹏 李保权

摘  要： 射频电源是四极杆质谱分析仪的关键部件，用于产生仪器所需的射频高压信号并驱动四极杆结构。针对谐振频率为1.0 MHz的质谱分析仪的使用需求，设计一种基于丙类功率放大电路和空心变压器结构的射频电源。该电源主要由小信号放大模块、功率放大模块和耦合线圈构成，相较于传统的四极杆射频电源，具有更高的峰值电压和质量扫描范围。经过实际测试，该电源可以在谐振频率下输出峰峰值电压超过2 kV的射频调幅正弦信号，工作稳定，输出信号干扰小，满足了设计需求，体积小巧，功耗较低，有较高的实用价值。

关键词： 四极杆质谱仪; 射频电源; 电路设计; 信号放大; 耦合线圈; 测试分析

中图分类号： TN86?34; TH843                    文献标识码： A                      文章编号： 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

质谱仪是一种能够对不同荷质比离子进行分离、检测的精密仪器，利用质谱技术可以分析待探测样品的物质组成、分子量、荷质比等多方面的信息，而这些信息往往是难以通过其他途径获取的。四极杆质谱仪（Quadrupole Mass Spectrometer）仅依靠纯电场进行工作，不需要磁场进行外界辅助，不需要单独对入射离子进行聚焦，因此四极杆结构的质谱仪具有结构简单、扫描速度快等优点。

高分辨率宽范围的四极杆质谱分析仪对电源的频率和电压都有较高的要求。商用仪器虽然可以很好地满足使用需求，但是也存在成本高、体积大、功率要求高等不足，应用场合较少，难以满足多种操作环境。用于驱动四極杆结构的射频信号一般通过振荡电路或者DDS（数字频率合成）技术生成，但这种方法产生信号较小，无法直接驱动四极杆结构。本文针对小信号输入模型，利用分立元件和耦合线圈设计了一种小型射频电源，该电源可以工作在频率为1.0 MHz的正弦信号下，驱动等效电容约为33 pF的四极杆结构，输出峰峰值电压不低于2 kV。

1  四极杆工作原理

四极杆工作的基本原理由Paul等人提出，基本结构如图1所示[1?2]。为了驱动四极杆结构，需要在上面施加大小相同，方向相反的射频高压[3][φA=U+Vcos ωt]和[φB=- （U+Vcos ωt）]。其中，U为高压的直流成分;V为高压的交流成分的最大值;[ω]为谐振频率;t为时间。在这样的电场条件下，四极杆内部会形成一个分布为双曲线形状的电场结构[4]。由于带电离子所受电场力的大小和电场强度与电荷量相关，因此，进入到电场中的离子轨迹会根据φ和离子的荷质比而发生变化，只有特定荷质比的离子能够稳定通过电场并被筛选出来，Mathieu方程所描述的稳定区域说明了上述现象[5?6]。根据Mathieu方程，射频最大电压和电源频率决定了分析器的质量范围。对于荷质比较大的离子，在四极杆中主要受高频电场驱动;对于荷质比较小的离子，主要受直流电场驱动。四极杆在工作的时候，交直比是恒定的，因此，可以通过改变交直比来实现质谱分析的功能。产生射频电源所需的调幅信号主要有两种方式，分别是直接调制功率管电源和先得到调幅小信号再进行功率放大。后者相较于前者功率更小，易于实现模块化集成，故本文采用后者实现。

2  射频电源的基本电路

射频信号放大系统一般主要包括信号发生部分、小信号放大部分、功率放大部分、变压器以及选频网络等，基本结构如图2所示。小信号放大电路和功率放大电路如图3所示。

2.1  小信号放大电路设计

为了得到交流电压[Vcos ωt]，系统在信号生成的部分使用一款四象限的乘法器AD834，其传递函数[7]为[W=（X1-X2）（Y1-Y2）×4  mA]。取[X1]和[Y2]为0，在接入负载后，经过I/V转换，得到调制信号的峰峰值约为200 mV。为了实现对射频信号的第一级放大，本文采用分立元件搭建了共射极放大电路。

MJF15030是一款可用于音频放大的高频三极管，其电流增益带宽积fT可以达到30 MHz，直流电流增益在20～40之间。共射极放大电路的电压放大倍数约为：

[Au=UoUi=βR′Lrbe+（1+β）R′E] （1）

式中，[R′L]为电位器RC和功率放大电路并联所构成的等效负载电阻。调节RC和RB1，得到输出端峰峰值VPP（OUT1）=4 V。

2.2  功率放大电路设计

功率放大电路按照晶体管静态工作点设置的位置可以分为甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类等。在常见的设计中，通常采用驱动管加功率管构成类似达林顿管的功率放大方法[8]。采用这样的电路对于最后功率管散热要求极高，不可避免地增加了系统的不稳定性和体积。在本设计中，采用丙类功率放大电路，并以调谐回路作为负载，从而解决散热和由于晶体管静态工作点设置过低所导致的输出波形失真的问题[9]。

功率管采用MJL3281A，其电流增益带宽积fT可以达到30 MHz，直流电流增益可以达到75倍以上[10]。基极电感用于调节三极管的直流工作点，使Q点工作在0 V，避免三极管持续打开造成管子过热失效。基极电感在本例中选取为10 μH，在稳定直流工作点的同时使得导通角前移，尽快打开管子。VBB为集电极直流电源电压，用于提供三极管放大的功率。

当控制电路中其他参数不变时，将VBB从小逐渐加大，电路会由欠压状态逐步经由临界状态转入过压状态。同时流过线圈的电流有效值也会逐渐增加，在相同的变压器设计结构下，二次线圈得到的电压也就越大[11]。为了简化电路中的电源系统，令VBB和VCC相同，在本电路中取VBB为30 V。

当晶体管工作在丙类状态下的时候，其集电极电流波形是尖顶余弦脉冲，其主要参量为[iCmax]和导通角[θC]。参数计算公式如下：

[cos θC=UBE（on）Ubm]  （2）

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

根据尖顶余弦脉冲的分解系数[α0，α1，…，αn]与导通角[θC]的关系，兼顾输出功率与效率，最佳的导通角为70°左右。经过前一级三极管放大后，射频信号的峰峰值约为4 V，根据式（2）可以求出[θC]=69°，可以满足最佳输出要求。

2.3  耦合线圈设计

作为丙类放大电路的负载，耦合线圈能够将几十伏的电压放大到数千伏，其对交流信号的放大效果与多种因素有关。空心变压器相对于带有磁心的变压具有更好的频率特性，并且其线性度好，输出功率大。在实际的变压器设计中，电路采用一次线圈在中间，两个二次线圈同轴分置两侧的方法，这种接法可以使两个二次线圈的磁通几乎完全一样，具体的接法如图4所示。在靠近一次线圈的次级抽头接直流信号U，远离一次线圈的抽头接四极杆负载，最终在四极杆上得到浮动在直流电压U上的可调幅的高压高频信号。需要注意的是，两个次级线圈的绕向应该是一致的。

（不代表实际匝数、线径等参数）

由于变压器后端接入的四极杆可以等效为一个容性负载，所以二次线圈和四极杆在电路结构上构成一个LC谐振回路。为了能够更好地发挥耦合线圈的放大效果，除了表1给出的基本参数外，还对其余几个重要的指标进行讨论。

2.3.1  一次线圈部分的选取

在图3所示电路中，C1和L1两个支路的阻抗分别为[ZC1=RC1+1jωC1]和[ZL1=RL1+jωL1]。对于确定频率的信号，受限于耦合线圈的变压关系，一次线圈电感不能过大，所以[ZL1]较小。对于电容支路，为了增大其阻抗，C1应取一个较小值或不接。耦合线圈变压关系为：

[u2u1=n2n1=L2L1] （4）

根据变压器电壓变换公式可知，二次线圈和一次线圈电感的取值会影响到最后的输出电压，二次线圈和输出电压的关系将会在后文讨论。一次线圈缠绕匝数和输出电压的关系如表2所示。

从表2可以看出，一次线圈的匝数增加后，虽然集电极获取到的峰峰值电压VPP有所增加，但由于受到耦合线圈变压比的影响，最终的输出略有降低。同时，如果一次线圈电感量过小，那么其从前一级获取电压的能力就会下降。考虑到由于示波器高压探头的测量误差以及变压器耦合过程中漏感的存在，电压的放大倍数不会严格的等于匝数比。综合考虑，一次线圈选择缠绕3匝。

2.3.2  二次线圈部分的选取

LC谐振电路中，谐振频率为[f=12πLC]。对于图3所示的电路结构，L1和C1构成了中介回路，L2和CL构成了调谐回路，故谐振频率可以近似地看作[f=12πL2CL]，即当二次线圈电感量远大于一次线圈电感量的时候，整个电路的谐振频率主要受二次线圈电感量和负载等效电容的影响[12]。对于空心线圈，其电感量为[L=D2n2H+0.45D]。其中，D为线圈直径;n为线圈匝数;H为线圈绕组长度。固定集电极直流电压和一次线圈匝数的情况下，输出电压和二次线圈匝数的关系见图5。对于不同的离子，射频四极杆只有工作在特定的频率范围内，才能得到较强的信号强度[13]。限于谐振频率要求高于1 MHz的要求，综合确定二次线圈匝数为110匝。

2.3.3  线圈位置

一次线圈和二次线圈的相对位置会影响到线圈之间的耦合程度，进而影响谐振频率、输出电压等参数。根据电路定理可知，引入阻抗的大小和互感有关。因此，提升线圈的耦合能力对输出电压的大小会有关键的影响。对于空心线圈构成的变压器，线圈之间的距离是影响耦合能力的一个主要指标。为了讨论方便，以图4中耦合线圈A，B构成的变压器进行说明。定义二次线圈直流端口B1侧为0 mm，B2侧为正方向，二次线圈采用密绕的方式，实际长度为27.5 mm。根据一次线圈的位置得到图6所示的结果。

由图6可知，一次线圈接在二次线圈直流侧位置0 mm时，耦合效果最好，此时谐振频率较高，变压器的输出电压最大。

3  實验结果

本设计的输入为频率可调、峰峰值VPP=1 V的正弦信号和0～1 V的三角波信号。电路板实物图见图7。

变压器采用空心螺线管作为基本构型，一次线圈置于两个次级线圈中间以提供最佳耦合效果。变压器采用密绕的方式进行缠绕，从而在增加二次线圈电感量的同时尽可能减小体积，空心螺线管的尺寸为[Φ41×60 mm]。在给定耦合线圈以及电路其他参数后，通过改变输入信号的频率可以找到电路的最佳谐振点。输出电压利用能够衰减1 000倍的高压探头和示波器进行观测，电路的测试结果如图 8所示。

通过图 8可以看到，当变压器匝数增加时，输出信号的峰峰值电压增加而谐振频率则会下降。当输入信号的频率和谐振点匹配时，输出信号的峰峰值电压达到最大，此时流过集电极直流电源的电流最小。当输入信号频率和整体电路谐振点失谐的时候，输出电压峰峰值VPP会迅速下降，流过集电极直流电源会显著增大，严重情况下会烧毁器件。在二次线圈匝数为110匝的时候，谐振频率为1.011 MHz，输出电压为2.26 kV，满足设计需求，对应的输出波形如图 9所示。

4  结  论

针对射频四极杆质谱仪的研制需求和仪器小型化的需要，本文设计了一种应用于四极杆离子阱质谱仪的射频电源。该电源以晶体管放大电路和变压器为基本结构，通过对输入信号的调节实现离子测量范围的调整。经过实际测试，射频电源在1 MHz的频率下可以实现峰峰值电压为2 kV的调幅正弦信号输出，较常规的射频电源具有更高的峰值电压和更小的体积。通过理论计算和实验分析，验证了电路设计的正确性。该射频电源输出信号的电压和频率在工作时间内保持稳定，具有体积小巧、结构简单、性能可靠等优点，满足了设计目标，在四极杆离子阱质谱仪的应用方面具有一定价值。

注：本文通讯作者为李保权。

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