四极质谱仪扫描电源的研究与设计

中国科学技术大学

硕士学位论文

四极质谱仪扫描电源的研究与设计

姓名：谌茂

申请学位级别：硕士

专业：物理电子学

指导教师：梁昊

20080601

摘要

摘要

本文简单介绍了质谱仪分析方法，以及常用的四极质谱仪的原理和结构，设计了用于四极质谱仪的扫描电源系统。

扫描电源系统由幅度调制电路、功率放大和变压电路、反馈电路以及偏置电压产生电路组成。其中幅度调制电路采用三极管调制方法；功率放大电路采用了由浮动电源放大器构成的复合电路：反馈电路出分压、整流和滤波电路组成；偏置电压产生电路主要由运算放大器以及晶体管放大电路组成。

由于采用了浮动电源放大器，获得了较高且基本无失真的电压来驱动变压器，从而降低了变压器的变比，使电路的稳定性得以提高，并使电路更易于构建。

ＡｂｓｔｒａＣｔ

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中国科学技术人学颀ｌ：学位论文

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保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

作者签名：说教砂ｇ年多月，日

第一章－ｊＩ高

第一章引言

｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜

１．１质谱分析方法简介

质谱分析方法是当代物质研究的非常有效的手段之一【ＩＪ。它是根据电磁学原理，使样品离子（原子离子、分子离子和碎片离子等）按荷质比“ｅ（即离子质量与电荷的比值）分离，从而对有机无机样品进行成份和结构分析的一种方法。

按离子质荷比大小排列成的谱图称为质谱（ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｕｍ）。图１—１为用电检测法检测的烷烃的质谱图。图中每个峰（称作为质谱峰）所标明的数字为该峰所对应的离子质量数。各峰的相对高度（严格地说是峰面积）代表各种离子地相对强度。

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与其他分析方法相比，质谱分析方法具有高灵敏度（只需微克甚至毫微克的样品量；可检测杂质最低含量为ｐｐｂ数量级）、高速度（飞行时间质谱计在１秒钟内能给出数力．张乃至数十万张质谱全图）、多功能（可作化学成份定性定量分析、结构鉴定、质量精测等）、适用性强、（适用于气态、液态、固态的有机、无机样品以及能分析非挥发性、热不稳定、强极性、高分子量的生物、药物、环境样品，并能监测连续过程，如化学反应过程、呼吸过程等）等优点，因而目前广泛用于复什组份有机混合物的定性定量组份分析、有机化合物的分子量测定和结构分析、各种元素的同位素组成及丰度（给原子百分比含量）的测定、原子质量的精测、高纯材料中痕量杂质元素的定性定量分析、固体材料表面微区分析和薄层剖析等。就应用范围而言，它已深入到化学、生物学、药物学、地质、原子

Ｉ

第一章ｔＪｌ寿

能、地球化学、环境科学、材料科学、农业科学、空间科学、海洋科学以及工业生产等国民经济的许多部门。随着科学技术的不断发展，质谱分析方法的应用还在不断扩大。

１．２质谱仪器的类别

质谱仪器种类繁多，结构和性能各异，因而有多种归类方法。按照仪器的质量分离原理的不同，质谱仪器大致可归结为图ｌ一２所示：

图１—２质谱仪器的类别

所谓静态仪器是利用稳定的电磁场使不同质量的离子在空间位置上分离。动态仪器则多数是利用交变的电磁场使不同质量的离子在空间位置或时间上分离。

按仪器应用领域的不同，质谱仪器可分为有机分析质谱仪器、无机分析质谱仪器、同位素分析质谱仪器和专用质谱仪器等。

按仪器分辨本领的不同，质谱仪器又可以分为高分辨仪器（分辨本领在３００００以上）、中分辨仪器（分辨本领在ｌｏ０００—３００００之间）和低分辨仪器（分辨本领在１００００一下）。’

第一章・ｊＩ苫

１．３质谱仪器的主要部件

质谱仪器一般包含质量分析系统、电气系统和真空系统。。其中质量分析是仪器的核心部分。

现代质谱仪器的质量分析系统通常由进样系统、离子源、质量分析器、检测器以及计算机系统五个部件组成。

图ｌ一３为现代质谱仪器的方框图。其工作流程为：首先通过进样系统将待分析样品导入离子源，由离子源将中性样品原子或分子转化成离子，并将离子加速、会聚成具有一定能量和形状的离子束。然后离子束进入质量分析器按质荷比耐ｅ分离。分离后的离子再由接收器接收放大，最后信号进入计算机系统进行数据处理。计算机系统同时还能监控进样系统、离子源、质量分析器和检测器的工作状态，并可自动操作样品分析过程，实现质谱分析的全自动化。

图１—３质谱仪器方框图

１．４质谱仪器的主要技术指标

质谱仪器的主要技术指标有质量范围、分辨本领、灵敏度、精密度和准确度等。

一、质量范围

质谱仪器的质量范围表示仪器能够分析的样品的最小、最大原子（分子）质量。二、分辨本领

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ｍ质量精度一般以ｐｐｍ为单位。也有ｌＭ—Ｍ０ｌ计算的，以毫质量单位计数，记

第一章・ｊＩ亩

离子束的方向聚焦作用，并给出了球面象差与质量色散公式，奠定了离子光学的理论基础。同期，Ｍａｎａｕｃｈ和Ｈｅｒｚｏｇ发表了一级双聚焦质谱仪器的理论，并于１９３５年制成了第一台马一赫（Ｍａｔｔａｕｃｈ—Ｈｅｒｚｏｇ）型仪器，成为近代多数全质量双聚焦质谱仪器的蓝本。但从第一台质谱仪器问世到三十年代术的三十年间，质谱技术的进展比较缓慢。这是由于受当时科学技术和工业水平的限制，质谱技术未能与社会生产相结合，而处于少数人在实验室研究的状态。

１９４０年，Ｎｉｅｒ制成了一台具有电子轰击离子源和双接收器的扇形磁偏转质谱仪，并成功的分离了微量Ｕ２３３，大大提高了质谱分析的灵敏度和精确度，为工业质谱仪奠定了基础。在以后的两年旱，Ｎｉｅｒ等人又进一步改进了仪器，把离子流强度提高到原来的３０００倍，使Ｕ２３８这一重要核燃料的大规模制备成为可能，为当时发展原子能武器提供了条件。同时他们还研究了大量元素的同位素丰度。现在所用同位素表中大约又５０％的稳定同位素数据来自他们当时的分析结果。此外，质谱法当时还用于工业生产流程气体组份的连续分析和真空检漏等。１９４２年，世界上第一台商品质谱仪问世，质谱法开始用于汽油成份分析、钢中杂志成份的测定和石油精炼过程的监控等。在第二次世界大战期间，质谱法成为原子能工业中测定核原料成份的有效手段。这是，质谱法的应用已经从物理扩展到化学、原子能、冶会、真空等领域。

到了五十年代，由于现代电子技术、真空技术、材料科学、精密机械等方面的进展以及在离子光学、电离技术和离子探针技术等方面的成就，质谱技术开始以较快的速度发展。各种动态质谱仪器相继问世，并丌始发展有机质谱仪器。到五十年代术期，已出现了一些高性能、多功能的大型质谱仪器。

自六十年代以来，发展了气相色谱一质谱（ＧＣ／ＭＳ）、液相色谱一质谱（ＬＣ／ＭＳ）和质谱一质谱（ＭＳ／ＭＳ）联用技术。同时，发展了化学电离（ＣＩ），场解吸电离（ＦＤ），快原子轰击（ＦＡＢ），激光解吸电离（ＬＤ），２５２Ｃ，等离子体解吸电离（ＰＤ）等软电离技术，使质谱方法的应用特别是在有机领域的应用迅速扩大。它己广泛用于生物、医学、药物、环境、食品等方面的不易挥发、热不稳定、强极性、大分子量化合物的分析。出于电离技术和高分辨色谱等的显著进展，对质谱仪器的设计提出了更高的要求。近年来，对离子光学系统进行了一系列改进。例如：设计制造了薄层结构磁铁的磁分析器，大大提高了质谱仪器的质量范围，扫描速度和分辨本领等性能指标。同时，出现了像激光探针质谱仪（ＬＰＭＳ）这样的高灵敏度仪器和像傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（ＦＴＩＣ蹦Ｓ）这样的超高分辨仪器。另一方面，近年来采用了选择离子检测、亚稳离子检测和负离子检测等技术，使质谱仪器发挥出更大的效能。加上近代计算机的成就，出现了～些高分辨、高灵敏度、全自动、可连续分析几十个样品的质谱仪器。

第二章ｐｑ极质ｉ：｝｝仪

第二章四极质谱仪

２．１四极质谱仪简介

四极质谱仪是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱仪之一【２Ｊ。在气相色谱一质谱（ＧＣ／ＭＳ）和液相色谱一质谱（ＬＣ／ＭＳ）联用仪中，四极杆是最常用的质量分析器之一。四极质谱仪属于动态质谱，由于仅利用纯电场工作，无需涉及磁场，其结构简单，重量较轻；仅要求离子射入能量小于某一上限，不要求入射离子实现能量聚焦，从而可引入结构简单、高灵敏度的离子源，并且适用于具有一定能量分散的离子，如二次离子；扫描速度快，可通过调节电参量实现仪器灵敏度和分辨本领的调整，同一台仪器可满足不同的分析要求。这些优点使得四极杆从诞生开始就备受关注，并得到了迅速发展。目前四极质谱技术已相当成熟，作为～种结构紧凑、功能齐全、价格低廉的质谱仪器，在物理学、分析化学、医学、环境科学、生命科学等领域中获得了广泛应用。

四极质谱仪的历史可以追溯到２０世纪５０年代。１９５２年木，加速器物理研究领域中，Ｂｒｏｏｋｈａｗｅｎ国立实验室的Ｃｏｕｒａｎｔ等人发现利用２各四极磁场交替压缩质子束可实现质子束的强聚焦，于是德国Ｂｏｒｕｌ大学物理系教授Ｗｄｌ龟ａｎｇＰａｕｌ等人据此提出了利用射频四极电场过滤离子的原理，并用实验加以验证，从而诞生了四极质量分析器。１９５３年，Ｐａｕｌ等人申请了德国的专利，并在五十年代完成了四极杆质量分析器的大部分奠基工作【３ｌ。

２０世纪六七十年代是四极质谱仪发展的鼎盛时期，其中最引人注目的是Ｂｒｕｂａｋｅｒ所进行的一系列创新研究和设计，因此Ｂｍｂａｋｅｒ成为这一时代四极质谱仪研究领域的领军人物。６０年代木，四极质谱仪由基础研究阶段逐渐过渡到商业生产阶段，在产业化模式运作下，四极质谱技术获得了迅速的发展与推广。１９６５年，前联邦德国的ＶａｒｉａｎＭＡＴ公司生产了第一台商业四极质谱仪ＡＭＰ一３，１２年后，该公司生产了世界上第一台采用微处理机实现键盘操作的色谱一质谱联用仪器ＶａｒｉａｎＭＡＴ一４４，同本的ＵＬ、，ＡＣ等都是最早丌始四极质谱仪商业化的公司。

我国曾是世界上较早研制四极质谱仪的国家之一。早在２０世纪６０年代初，南京工学院曾研制了四极质谱探漏仪，清华大学于１９６２年丌始研究气体分析四极质谱仪，并于１９６５年与北京分析仪器厂合作研制出ＺＨＬ—０１型四极质谱仪。近２０年来，我国的质谱研究人员也一直致力于该仪器的研究，但是，由于已有研究基础薄弱，而且错过了四极质谱仪发展的繁荣时期，目自订，我国在四极质谱仪的｜丌发与生产上仍处于发展阶段。

第一二常蹦极质谱仪

压，则在四极杆中间的区域内形成交变电场。这一电场在平行于四极杆的方向（轴向）是同电位的，而在垂直于四极杆的方向（横向）存在交变的电位梯度。当离子从离子源沿轴向进入四极场后，由于轴向不存在电位梯度，因而在轴向仍保持匀速运动。但在横向交变电场的作用下，离子将同时在横向作来回摆动式的运动。可以证明，在特定的电场参数下，只有某种质量数的离子（称为共振离子）的摆动振幅是稳定的，它们可以通过四极场到检测器。对于其它质量数的离子（非共振离子），摆动振幅将越来越大，直至最后击中电极而被电极吸收。于是，在一定电场参数下，检测器只检测到某一质量数的离子。其他离子则被“过滤”掉。因此，四极质谱仪也称为四极滤质器。通过电场扫描（连续地改变电场参数）就可以使各种质量数的离子依次通过四极场质量分析器到达检测器被检测。这样就达到了质量分离的目的。根据电场参数，可以确定共振离子的质量数。

设在ｘ方向的电极上加有：Ｕ＋材ｃｏｓ研：在ｙ方向的电极上加有：一（【，＋“ｃｏｓ纠），其中国＝２矿为射频电压角频率，Ｕ电压直流分量，ｕ是射频电压分量。离子沿ｚ轴从离子源射入，经四极透镜作质量分离后到达离子检测器。由于这种仪器采用了一种交变的电场，所以四极质谱仪器属于动态质谱仪器ｂ‘。

质量为ｍ，电荷为（ｚｅ）的离子在四极场中的运动方程可以写成

臌＋掣（ｕ＋“ｃ。ｓ纠ｈ：ｏ

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将式（２—２）代入式（２—１），则离子运动方程变换成马绍（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程：

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箬巾＋２９ｃｏｓ２丁加。

式（２—３）的一般解为（２吲

ｚ（丁）＝么∥∑ｅ，∥７。＋＆１７’∑ｅＰ叫”７。（２—４）式中，Ａ、Ｂ为取决于初始条件（瓦、ｘ。和ｘｏ）的积分常数：Ｃ。和∥是取决于ａ

第－二章Ｖｑ极质辫仪

和ｑ而与仞始条件无关的常数。

式（２—４）表示离子在ｘ方向上的运动是无穷个振动的叠加。这种解在不同的情况下，可以是稳定的，也可以是不稳定的。在稳定解的情况下，当丁一ｏ。时，ｘ（Ｔ）或趋于零或耿有限值，其物理意义是离子在ｘ向作周期性的或非周期性的有界振荡，此时离子可通过四极场。在不稳定解的情况下，当丁专∞时，ｘ（Ｔ）也无限增大，其物理意义是振荡的振幅随时间而增大，最终离子碰到ｘ电极而消失。解的特性取决于∥（口，ｇ），下列情况均为不稳定解：ｌ、ｕ为不等于零的实数时：２、∥＝口＋膨且口和∥均不为零时；３、∥＝∥而∥＝整数时。只有当∥＝，腼∥≠整数时才能得到稳定解。

同样，离子在ｙ向运动也有类似的稳定解和不稳定解。

离子在向ｚ方向前进时，其运动是ｘ和ｙ向振动的复杂组合。只有二者都有稳定解时，合运动彳’是稳定的。此时离子将围绕ｚ轴作有限振幅的运动，通过四极场到达检测器。不稳定解表示离子运动时振幅不断增大，不能通过四极场。

由于解的特性仅仅与ａ和ｑ有关，所以可用ａ、ｑ为坐标给出表征解稳定与否的所谓稳定性图，如图２—３所示。ｘ向和ｙ向只在坐标原点附近才存在较大的稳定区，分别如图２—３ａ和ｂ中的阴影部分所示，而且对ａ轴都是对称的，对ｑ轴ｘ向和ｙ向则互为镜像对称。根据ｘ向和ｙ向的稳定区，利用作图方法，很容易求出ｘ和ｙ向都稳定的区域，称之为二维稳定区。图２—３ｃ为在第一象限内的二维稳定区，它是一个以ｑ轴为底，以近似于抛物线和近似于直线的曲线为两腰的三角形。三角形顶点Ａ的坐标为口。＝０．２３６９９，ｑ。＝Ｏ．７０６００。

一‘’・‘ｏｊ．一¨。图２—３四极质谱仪稳定图

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。示所３—３图如路电体具的器制调度幅

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图３—２幅度调制器的一般模型

其中聊（，）为调制信号，ｃｏｓ缈。．ｆ为载波信号，５，，，（，）为已调信号，向（，）为滤波器的冲激响应，已调信号的时域和频域～般表达式分别为

％０）＝［脚（￡）ｃｏｓ眈纠水办０）

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瓯（脚）＝瓤Ｍ（国＋脚，）＋Ｍ０一脚，）】胃∞）二，，．、～ｊ一‘，

式中，Ｍ（∞）为调制信号历（，）的频谱，厅（甜）§力（ｆ＞∞，为载波角频率。

由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化：在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。

常见的模拟调幅电路有很多，如乘法器调幅电路、开关型调幅电路和晶体管调幅电路等。通常，多采用晶体管调幅电路中的三极管调幅电路。ü艿鞣缏贰

幅度调制器的具体电路如图３—３所示。１９

第－二章ｐｑ辛及质ｉ｛｛ｆ仪

图２—５ｘ方向接收椭圆

Ｏ．

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一ｏ．

图２—６ｙ方向接收椭圆

根据上面的分析，显然应要求离子源提供一定初始位置和初始速度的离子，也就是说，离子的初始位置和初始速度在ｘ和ｙ方向上应该有一定的分布。但是，要实现离子源和四极场的精确匹配是很困难的。目自订一般采用两种匹配方式：一种是利用离子透镜和漂移空间的适当组合将离子源提供的离子与ｘ和ｙ方向接收椭圆相匹配；一种是在离子源与滤质器之ｌ’自Ｊ插入某些随时间变化的器件使离子聚束，实现离子入口处特殊相位的纵向匹配。

４、场畸变场畸变在很大程度上限制了仪器的性能。引起场畸变的因素有很多，其中包括：ａ、一个或多个极杆偏离其『Ｆ确位置的位移；ｂ、一个或多个极杆的旋转；ｃ、极杆的扭曲：ｄ、极杆的弯曲：ｅ、因极杆污染和表面荷电而引起

箱＿二章ｐｑ极质晰仪

的误差；ｆ、极杆的激励电压不平衡；ｇ、射频中的谐波和次谐波等。显然，这些因素是很难克服的，只能在设计中尽量减小它们对场畸变产生的影响。为此，必须对极杆的机械加工和装配精度以及射频供电系统提出严格的要求。

加工圆形截面的极杆容易获得高精度，因此圆形极杆获得广泛的应用，但是装配的高精度却不容易保证。随着加工设备的改进，用改变仿形机床的程序加工双曲线性极杆也可获得高精度，而装配的高精度也容易实现，因此目前双曲线形极杆的应用更加广泛。

２．３四极质谱仪的特点

～、

二、

三、由于是纯电场，无笨重的磁铁，结构简单，体积小，重量轻，成本低。对入射离子的初始能量要求不严，可采用有一定能量分散的离子源。采用改变Ｕ／ｕ的方法，就可方便地调整仪器地分辨率和灵敏度。

四、扫描高频电压分量ｕ，就可实现扫描质谱，且质量地扫描与ｕ有线性关系，谱峰易识别。

五、由于是电扫描，所以扫描速度快。可以在毫秒级时间内实现质谱扫描，进行快速监测或分析。

六、

七、离子加速电压不高，无高压放电的危险。离子在四极场内受连续的聚焦作用力，不易受中性分子散射的影响，对真

与双聚焦磁式质谱仪器相比，其缺点是分辨率比较低。

四极质谱仪体积的小型化，分析对象不断扩大，仪器性能上实现高分辨、空度要求不高（允许至１０。２ｐａ）。大质量范围、快速分析以及成本的有效降低等将是四极质谱仪相关研究的主要趋势。

第三章ｐｑ极质潜仪中的扣描ｌ【ｌ源系统

第三章四极质谱仪中的扫描电源系统

３．１扫描电源系统结构

在第二章中我们提到，加在四极质谱仪ｘ方向电极上的电压为：Ｕ＋“ｃｏｓ耐，加在ｙ方向电极上的电压为一（Ｕ＋“ｃｏｓ耐），其中国＝２矿为射频电压角频率，Ｕ电压直流分量，ｕ是射频电压分量。

在本设计中，要求电压直流分量Ｕ的变化范围为０～２００Ｖ，射频电压分量ｕ的变化范围为Ｏ～１０００Ｖ，误差要求小于０．１％，周期２’＝２万／缈＝ｌ砌ｚ。要求电压变化范围大，误差小，频率高，Ｕ和ｕ通过计算机可以自由调节。这对整个系统电路提出了较高的要求。

现有的四极质谱仪扫描电源系统结构如图３—１所示。．

由ＰＣ给出的Ｕ和ｕ的数掘通过接口传送给数字模拟转换器（ＤＡＣ），转换成模拟信号。这旱的ＤＡＣ都是电流型的，输出的都是电流信号。电流信号经过运算放大器Ｕｌ以后，转换成电压信号传送到调制器（ＭＯＤＵＬＡＴＯＲ），与振荡器（ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ）给出的ｌＭＨＺ的讵弦信号进行调制，调制后的信号送入功率放大器，对功率进行放大，以驱动变压器，将信号放大，得到最高“。。＝１０００矿的扫描电压，最终加在四极探针上。

为了使电路稳定，扫描电压经过整流电路（Ｉ心ＲＥＣＴＩＦＩＥＲ）后，反馈到运算放大器Ｕ４输入端，以提高电路的稳定性，减小失真。

偏置电压Ｕ由ＭＡＳＳＤＡｌ’Ａ、ＡＭＵＯＦＦＳＥＴＤＡＴ＇Ａ以及ＡＭＵＧＡＩＮＤＡＩ’Ａ共同决定范围为Ｏ～２００Ｖ。其中运算放大器Ｕ５与后面的放大电路组成放大倍数为

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第三帝口ｑ檄质黹仪中的手＝Ｉ描ＩＵ源系统

下面再来详细说明系统中各个部分的具体电路。

３．２调制器电路（ＭｏｏＵＬＡＴＯＲ）

调制电路的功能是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，把振荡器（ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ）产生的１ＭＨＺ的高频『Ｆ弦载波信号与运算放大器的输出信号进行调制，得到幅度随放大器输出变化的１ＭＨＺ的调制信号。幅度调制器的一般模型如图３—２所示。

图３—２幅度调制器的一般模型

其中聊（，）为调制信号，ｃｏｓ缈。．ｆ为载波信号，５，，，（，）为已调信号，向（，）为滤波器的冲激响应，已调信号的时域和频域～般表达式分别为

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式中，Ｍ（∞）为调制信号历（，）的频谱，厅（甜）§力（ｆ＞∞，为载波角频率。

由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化：在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。

常见的模拟调幅电路有很多，如乘法器调幅电路、开关型调幅电路和晶体管调幅电路等。通常，多采用晶体管调幅电路中的三极管调幅电路。

幅度调制器的具体电路如图３—３所示。１９

图３—３四极质谱仪幅度调制电路

图中利用脉冲发生器Ｖｌ产生三角波，来模拟运算放大器Ｕ４的输出。Ｖ２模拟振荡器产生１ＭＨＺ的『Ｆ弦信号。当Ｖｌ输出电压低于一１．４Ｖ时，三极管Ｑｌ、Ｑ２、Ｑ３均处于『Ｆ常工作状态。

其中Ｑ１、Ｑ２均作为射随器工作，而Ｑ３则工作于放大状态。调制信号Ｖｌ的改变引起Ｑ３集电极和发射极电压圪。的改变，并使集电极电流Ｌ．改变，引起输出电压幅度的变化，从而实现调幅。

调制电路的仿真结果如图３—４所示。图中（ａ）为输入信号Ｖ１一个周期内的波形，（ｂ）为输出调制信号的波形，（ｃ）为输出波形的频谱图。

从仿真结果可以看到，调制电路实现了ｌＭＨＺ信号与放大器输出信号的调制，

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（ａ）输入信号波形

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（ｂ）调制后输出信号波形

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（ｃ）调制信号的频谱

图３—４四极质谱仪调制电路仿真波形

３．３功率放大与变压电路从调制器我

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图３—５功率放大与变压电路２２

第三章ｐｑ极质谱仪中的手Ｉ描ｌＵ源系统

的反馈情况下，反相输入端与同相输入端相等。除此之外唯一的电压限制是输出和输入引脚的电压大于Ｖ一引脚的电压，小于Ｖ＋引脚的电压。没有“地”引脚。把＋６８Ｖ接到Ｖ＋，＋３２Ｖ接到Ｖ一是完全可以的。这意味着输出引脚可能是５０Ｖ。或者电源引脚可以是一３２Ｖ接Ｖ＋，一６８Ｖ接Ｖ一。这意味着输出引脚可以是一５０Ｖ。为了使电源浮动，只要去掉它们跟电路公共端的连接，并且把它们的公共节点连接到运算放大器的输出。当输出达到＋５０Ｖ时，运算放大器把它的电源拉升到＋６８Ｖ和＋３２Ｖ。如果输出降低到一５０Ｖ，电源也跟着下降，给运算放大器提供一３２Ｖ和一６８Ｖ。

图３—６中用一个稳压二极管和一个双极性型晶体管缓冲器，搭建了浮动电源调节器。外部的参考电源地还是需要的，它必须比想从运算放大器获得的最大输出电压高大约ｌＯＶ。这旱使用了８Ｖ的稳压二极管ｌＮ４７３８。这设定了输出和Ｖ＋之间的直流差值。这个值要选得足够大，从而使运算放大器有充分的偏置空间。然而，稳压二极管也限制了输出与＋５６Ｖ电源电压的接近程度。所以，１２Ｖ或者１５Ｖ的稳压二极管又过大。

用ｌＯＫ的电阻来限制通过稳压二极管的电流，使稳压二极管的偏置保持在击穿区域内典型值为（１００ｕＡ），又把电流限制在确保稳压二极管不消耗很大的功率。当运算放大器的输出上摆到４６Ｖ（接近峰值）时，１０Ｋ电阻底部的电压为

Ｖ＝４６Ｖ＋８Ｖ＝５４Ｖ（３—３）

这样１０Ｋ电阻上还有２Ｖ电压

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这个电流足够把稳压二极管的偏置保持在它的击穿电压，即使是在输出电压＝一＝，ｌ儿，，ｆ月ｌＯ艘…尸‘（３—４）Ｌ’一珥Ｊ～“达到峰值时。

对于对称操作，相应的负浮动电源会驱动运算放大器的Ｖ一。在负的极值处，运算放大器输出负压的绝对值与『Ｆ浮动电源时一样大小是可能的。这使得电阻两端的电压非常大。

Ｖ＝５６Ｖ一（一４６Ｖ）＝１０２Ｖ（３—５）

那么通过电阻的最大电流为

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该电阻消耗功率为

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稳压二极管消耗

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第三章ｐｑ极质谱仪中的手‘ｌ描Ｉ乜源系统

稳压二极管设定了晶体管基极的直流电压。但是稳压二极管属于电源部分，不容易通过高频，而且浮动电源的关键在于它使得Ｖ＋比输出高８Ｖ。运算放大器的电源引脚必须随着它的输出的改变而改变，但时刻都比它高８Ｖ。所以，电容看起来像对高频短路，确保这些信号很容易从运算放大器的输出传到Ｖ＋，并被稳压二极管提高了８Ｖ。

很多运算放大器不能直接驱动电容。电容引入的相移跟运算放大器内部电容的相移结合起来，会引起运算放大器振荡。所以，添加了１００Ｑ的电阻Ｒ５束减少这种相移并且防止振荡。

晶体管Ｑｌ、Ｑ２对稳压二极管的电压进行缓冲，选取比通过运算放大器的最高频率信号更快的晶体管。晶体管的集电极到发射极的允许最大电压要高于运算放大器输出信号为最大负峰值一４６Ｖ时的Ｋｗ。、＝５６Ｖ一（～４６Ｖ＋８Ｖ）＝９４Ｖ。

驱动浮动电源的同相运算放大器需作一点改动，在两个电源引脚之间连接０．１ｕＦ的去耦电容，取代了公共端。浮动电源的目的是在每一个电源引脚接入一个对地信号，如果这些信号通过去耦电容与公共端短路，则同我们所要的恰恰相反。两个电源引脚之间的差必须是相同的。所以去耦电容在这些引脚之间给出了交流短路，保证噪声完全旁路运算放大器。

另一个改变是Ｒｌ、Ｒ２引起『Ｆ反馈。必须确保同相输入引脚的电压在Ｖ＋和Ｖ一之间。这就是这两个电阻的用途。最坏的情况是在使用的数值达到输出的峰值４５Ｖ时，如果不考虑输入信号，同相端的电压为

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所选择的电阻必须在施量级，过小的话，在电压峰值时需要从运算放大器ｙ。，，＝一×ｑ）／＝ｊ西∥获得太多的电流。过大的电阻与电路中的寄生电容结合会形成低通滤波器，从而限制了放大器的高频特性。

可控制、可预见的特性要求有负反馈。Ｒ３、ＩⅥ提供了这样的负反馈。而Ｒ１、Ｒ２产生的正反馈从根本上改变了增益方程。计算得到的增益方程为

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代入Ｒｌ＝ｌＯＫ，Ｒ２＝１．８Ｋ，Ｒ３＝ｌＫ，Ｒ３＝６．８Ｋ，计算得到彳．．＝６．２７

对图３—６所示浮动电源放大器做仿真，得到仿真波形如图３—７所示。２５

第三章ｐｑ极质ｉ｝鲁仪中的ｆＩ描Ｉ也源系统

图３—８浮动电源的复合放大器

复合放大器中总的增益由反馈电阻Ｒ２和Ｒ３决定，等于Ｕ１的增益和Ｕ２的增益之积，这就可以进一步提高放大倍数。如果浮动电源放大器的增益增大，负反馈会使得Ｕｌ能按比例降低输出从而反映出这个变化。外层放大器使得总增益大小合适，浮动电源放大器产生输出所需要得高电压。

为了在输出得到较大的电流，在浮动电源复合放大器后加上乙类双电源互补对称电路，构成三级推挽式复合放大器，如图３—９所示。

图中Ｒ１０、Ｒ１１和Ｒ１２、Ｒ１３分别形成２个分压器，分别给两个晶体管Ｑ３和Ｑ４提供偏置，使Ｑ３和Ｑ４在导通的边缘，但是没有一个是导通的，

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三级推挽式复合放大器的输出电压可以达到５０Ｖ的幅度，输出电流可以达到６００ｍＡ，输出功率在３０Ｗ以上，可以直接驱动变压器进行放大。加上变压器以及后端的整流滤波电路后，完整的功率放大及变压电路如图３一１０所示。

对图３一ｌＯ中的电路进行仿真，得到波形如图３一ｌｌ所示。

输入电压模拟调制电路的输出，为幅度５００ｍＶ，频率ｌＭＨＺ的一个『Ｆ弦信号，如图（ａ）所示；复合浮动电源放大器的总放大倍数为１００倍，输出信号幅度为５０Ｖ，经推挽式功率放大电路进行功率放大，然后驱动变比为ｌ：２０的变压器，最终得到所需要的幅度为ｌｏｏＯＶ的扫描电压。从图３一ｌＯ（ｂ）的波形可以看出，扫描电压基本无失真。

为了得到整个放大电路的～个反馈信号，对扫描电压进行分压、整流和滤波。２０Ｋ的电阻Ｒ２４、Ｒ２５起分压的作用，以减小电流，控制输出功率。３ｐＦ的电容Ｃ２１以及Ｃ２２除了分压以外，还能隔离加在扫描电压上的偏置电压Ｕ＋以及Ｕ一。四个三极管Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６组成了桥式整流电路，将分压后的电压信号进行整流，得到直流信号，再经过电容Ｃ２３、Ｃ２４和电感Ｌ６组成的滤波电路，最终得到所需要的反馈电压信号。对应幅度为ｌ０００Ｖ的扫描电压，反馈信号为，＋４Ｖ，如图（ｃ）。整流滤波后的信号仍有一些纹波，可以通过调节电容Ｃ２３、Ｃ２４和Ｌ６的值来改善。反馈信号的好坏，直接影响整个电路的稳定性，必须保证反馈信号的平稳。几十毫伏的纹波就有可能引起整个电路的振荡。

三级推挽式复合放大器的输出电压可达到５０Ｖ，输出电流可达到６００ｍＡ，输出功率可达到３０Ｗ。变压器次级的输出电流最高为小于２０ｍＡ，最高电压１０００Ｖ，则其最大负载功率为２０Ｗ。放大器的输出功率足够带动后端的变压电路。２９

图３—１０改进后的功率放大及变压电路３０

第三章ｐＵ檄质满仪中的手Ｉ描ｌ乜源系统

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（ａ）输入波形

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（ｂ）变压器输出波形

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（ｃ）经整流滤波后输出的反馈信号波形

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第三章ｐＵ掀质阱仪中的手Ｉ描ＩＵ源系统

３．４改进后的扫描电源电路

利用上面介绍的由浮动电源放大器搭建成的功率放大器，就对图３—５中的功率放大与变压电路进行改进，以降低变压器的放大倍数，从而增强整个电路的稳定性。改进后的完整电路如图３一１２所示。

改进后的电路中用图３一１０所示的功率放大与变压电路取代了图３—５中完全由晶体管构成的功率放大电路。为了整个电路的稳定性，引入了一个大的闭环负反馈。引入大的闭坏反馈后，对图３—１０所示的功率放大电路作了几处改动。用ＬＦ４１１取代了原来的ＡＤ８２３，进一步扩大了内外层放大器的倍数差，以提高电路的稳定性。减小了反馈电阻，将原来９９Ｑ的电阻换成了４５Ｑ的电阻，并调高了内层浮动电源放大器的放大倍数。这些改动都增强了电路在小幅度信号时的稳定性，补偿了延迟引起的相位差，从而有效的避免了振荡的产生。用输出电流更大的晶体管２Ｎ３６３６取代了２Ｎ５４０１，增大了输出功率。

由于反馈回路经过的元器件较多，产生的延迟较大，而且有电容和电感负载，很容易产生相位延迟所造成的不稳定状念，引起过冲、共鸣、甚至振荡。这就需要从外部电路进行补偿，以消除振荡。电路中采用了减震网络来实现这一目的。图３—１２中运算放大器Ｕ６的输出端Ｒ１７和Ｃ１２串联构成了减震电路。这里所采用的法则是当邻近频率的峰值产生时，以电阻负载将放大器的输出降低，从而抑制并减少放大器的增益，然后使用串联电容来将较低频率的负载降低。所以，在确定Ｒ和Ｃ的取值时，程序是先检查放大器的频率响应以决定峰值频率，接着试验性的套用电阻负载值，以便将峰值降低至令人满意的数值，然后以大约ｌ／３的峰值频率计算出用来做为中断频率的Ｃ值。因此ｃ：土２矾尺

其中ｆ代表的是当峰值发生时的频率。这些数值也可以在留意仿真波形上之瞬时响应的同时，通过试误法来加以决定。Ｒ与Ｃ的理想值可以使过冲的情况最小化。

对图３—１２所示电路进行仿真，得到的仿真波形如图３一１３所示。３２

第三章ｐｑ极质潞仪中的｝ｌ描ｌ乜源系统

３．５偏置电压产生电路

在本系统中，四极质谱仪电极电压Ｃ厂＋“ｃｏｓ纠及一（ｕ＋“ｃｏｓ刎）中的偏置电压Ｕ变化范围为Ｏ～２００Ｖ。

从图３一ｌ中可以看出，Ｕ一是将扫描电源电路中的反馈电压进行反相直流放大而得到。反馈电压的变化范围为０～＋４Ｖ，反相放大器的放大倍数为一５０，得到变化范围在Ｏ～一２００Ｖ之间的偏置电压。

将Ｕ一送入放大倍数为一１的反相放大器，就可以得到变化范围在Ｏ～＋２００之间的偏置电压Ｕ＋了。

Ｕ＋和Ｕ一具体的产生电路如图３一１４所示。

先分析Ｕ一的产生电路。由于运算放大器的电源电压为±１５Ｖ，限制了运算放大器的输出电压范围也只能在±１５Ｖ之间。为了得到２００Ｖ的高电压，必须对运算放大器的电压再进行放大。运算放大器Ｕ２后面所接的由晶体管Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６所组成的电路功能就是将运算放大器的输出放大到最高２００Ｖ。其中，Ｑ５使用的是高压晶体管２Ｎ３４３９。它的集电极一发射极电压最高可以达到３５０Ｖ，集电极电流可以达到１Ａ。在Ｑ５射极所加电压为一２５０Ｖ，其输出范围可达到一２００Ｖ以上。由于输入电压是Ｏ～＋４Ｖ的范围，因此反馈电阻Ｒ４７取值为４００ｋＱ，与反相输入端电阻Ｒ５ｌ８ｋＱ的比值为５０，即整个电路放大倍数为一５０倍。输出端的电容、电阻以及电感所组成的电路起到滤波的作用，使输出的直流偏置电压稳定。

Ｕ＋的产生电路与Ｕ一基本相似，只是输入信号换成了Ｕ一，放大倍数变成了一ｌ。

Ｕ一的同相端所加的ＯＦＦＳＥＴ信号由图３一ｌ中ＡＭＵＯＦＦＳＥＴＤＡｒＡ和ＡＭＵＧＡＩＮＤＡｌＡ共同决定。这两个数字信号经过ＤＡＣ变换成电流信号以后再相加，就得到了ＯＦＦＳＥＴ电流信号。ＯＦＦＳＥＴ信号经过电阻Ｒ５３以后转变成电压信号，输入到运算放大器Ｕ２的同相端。对图３一１４所示电路进行仿真，得到波形图如图３一１５所示。

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图３一１４Ｕ＋和Ｕ一产尘电路３６

第三章叫极质潜仪中的扫描电源系统

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（ａ）Ⅵｎ＝４Ｖ，ＯＦＦＳＥＴ＝２ｍＡ时Ｕ＋波形图

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（ｂ）Ⅵｎ＝４Ｖ，ＯＦＦＳＥＴ＝２ｍＡ时Ｕ一波形图３７

第三帝ｐｑ极质讲仪中的扫描ｆ也源系统

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（ｃ）Ｖｉｎ＝２Ｖ，ＯＦＦＳＥＴ＝１．５ｍＡ时Ｕ＋波形图

（ｄ）Ⅵｎ＝２Ｖ，０ＦＦＳＥＴ＝１．５ｍＡ时Ｕ一波形图

图３一１５Ｕ＋、Ｕ一仿真波形图

从仿真结果看，在输入ＶｉｎＯ～４Ｖ和ＯＦＦＳＥＴ＝Ｏ～２ｍＡ的变化范围内，Ｕ＋和Ｕ一均达到了０～２００Ｖ的变化范围，满足四极质谱仪电极偏置电压的要求。通过计算机输入数值，就能够方便的调节偏置电压的大小。

第三章ｐｑ极质黹仪中的手ｌ描ｌ【ｌ源系统

至此，四极质谱仪探针电极电压Ｕ＋“ｃｏｓ纠以及一（Ｕ＋甜ｃｏｓ纠）中的全部电压变量都已经通过扫描电源电路获得。从仿真结果来看，基本符合指标。

对于系统的精度，需要用实际电路来进行验证。３９

第五帝总结‘ｊ腱掣

第四章总结与展望

在前面几章中，介绍了质谱仪分析方法的原理和质谱仪器的一些知识，并详细讲解了常用的四极质谱仪的原理和构造，完成了其扫描电源电路的设计和改进，并且在ＰＳｐｉｃｅ上对扫描电源电路的各部分进行了仿真，为实际电路的设计提供了参考和依据。

由于质谱仪扫描频率快，扫描电压高的特点，使得扫描电源电路对于电压放大及工作频率的要求较高。现有的进口质谱仪中采用的是高变比的变压器进行放大的方法来实现，这对变压器的工艺精度要求较高，制作起来比较困难。

改进后的扫描电源电路，通过集成运算放大器搭建的放大电路，得到了四极质谱仪电极所需要的电压信号，各项指标基本符合要求。用基于运算放大器的放大电路取代晶体管放大电路，可以提高电路的稳定性，改善电路的性能，同时也降低了变压器的变比，可以通过变比较低的变压器获得所需要的高压。这就使四极质谱仪扫描电路更易于搭建和调节，降低了制造成本。

随着集成电路的飞速发展，完全由晶体管搭建的电路逐渐被集成电路所取代，电路的设计得到简化，稳定性也越来越高。各种新型电路不断出现，如本设计中所采用的浮动电源放大器。在以前运算放大器速度较慢时，其输出电压范围受电源电压限制，幅度不大。随着更高变化率和更大带宽放大器的出现，使得高频下的大幅度电压放大成为可能。在本设计中采用的是１３０ＭＨＺ带宽和５００Ｖ／ｕｓ变化率的运算放大器ＡＤ８１８，这在现在的运算放大器中也不算很快的了。如果采用更快速的运算放大器，就能构建放大倍数更大，输出电压范围更广的电路。

参考文献

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在学期间发表文章情况

【Ｉ】谌茂、梁昊，一个用于正电子谱议的恒比定时器，核电子学与探测技术（已

接收）：４３

四极质谱仪扫描电源的研究与设计

作者：

学位授予单位：谌茂中国科学技术大学

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