Способ питания анализатора гиперболоидного масс- спектрометра и гиперболоидный масс-спектрометр

 

Использование: в масс-спектрометрии, в частности в гиперболоидных масс-спектрометрах с высокой разрешающей способностью и малой потребляемой мощностью. Сущность изобретения: способ питания заключается в подаче на электроды анализатора импульсного высокочастотного напряжения. Новым в способе является изменение по гармоническому закону напряжения во время фронта импульса. Устройство питания анализатора, в котором, по крайней мере один из электродов анализатора подсоединен через управляемые электронные ключи 3 и 4 к источникам постоянного напряжения, имеющих общую шину, содержит генератор 2 импульсов, подключенный к электронным ключам 5, 6, этот электрод подключен к общей шине последовательной цепью, состоящей из индуктивности L и двух включенных параллельно друг другу дополнительных электронных ключей 5 и 6, при этом ключи подсоединены к общей шине, а индуктивность - к электроду. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к гиперболоидной масс-спектрометрии и может быть использовано при разработке приборов данного вида с высокой разрешающей способностью и малым потреблением мощности.

Известны гиперболоидные масс-спектрометры, в которых реализуется импульсный метод питания анализатора прибора [1] . Этот метод имеет ряд преимуществ, главным из которых является возможность практически мгновенно изменять режим питания, реализуя современне перспективные версии алгоритмов работы масс-спектрометров.

Одним из недостатков импульсного метода питания являются короткие фронты импульсов, а главное достаточно большая потребляемая мощность питающих анализатор генераторов. Основная энергия при этом расходуется на зарядку паразитных емкостей электродов анализатора. Малая длительность фронтов рабочих импульсов (до единиц и десятков наносекунд) резко расширяет спектр самого сигнала и возникают трудности с "линейной" передачей таких широкополосных сигналов к электродам анализатора. Последнее обуславливает искажения сигнала и уменьшение разрешеющей способности.

Известен способ питания гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки импульсным сигналом [2] . В прототипе для питания анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки используется импульсный сигнал амплитудой 250 В с длительностью фронтов 60-100 нс. При развертке спектра масс частоту следования импульсного сигнала изменяют по заданному временному закону. Мощность, потребляемая выходными каскадами генератора, в прототипе составляет (по коллекторной цепи) 15 Вт. Масс-спектрометр с этим генератором был установлен на МАС "Вега". Известное устройство гиперболоидного масс-спектрометра, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит источники питания с общей шиной, подсоединенные через управляемые электронные ключи к электродам анализатора, а также подключенный к электронным ключам генератор импульсов.

Основными недостатками известных способа и устройства являются пониженная разрешающая способность масс-спектрометра и высокое потребление мощности, что в условиях космического полета становится весьма важным. Снижение разрешающей способности в прототипе обуслов- лено невысокой стабильностью временной формы фронтов импульсного сигнала, так как последняя полностью определяется параметрами ключевых транзисторов, которые подвержены значительным непредска- зуемым изменениям. Высокая мощность, потребляемая выходными каскадами в прототипе, обусловлена тем, что в течение каждого периода ВЧ-поля паразитная емкость электродной системы потребляет от источника энергию, идущую на ее зарядку, и вся эта энергия расходуется при разрядке емкости.

Целью изобретения является создание способа и устройства питания анализатора гиперболоидного масс-спектрометра с импульсным питанием, которые бы позволяли увеличить стабильность временной формы фронта рабочего импульса, что увеличит разрешение прибора и существенно уменьшит потребляемую выходными каскадами мощность.

Цель достигается тем, что по способу питания анализатора гиперболоидного масс-спектрометра, заключающемуся в подаче на электроды анализатора импульсного ВЧ-напряжения, во время фронта импульсного напряжения его изменяют по гармоническому закону. Цель достигается также тем, что в устройстве гиперболоидного масс-спектрометра, в котором, по крайней мере один из электродов анализатора подсоединен через управляемые электронные ключи к источникам постоянного напряжения, имеющим общую шину, содержащем генератор импульсов, подключенный к электронным ключам, этот электрод подключен к общей шине последовательной цепью, состоящей из индуктивности и двух включенных параллельно друг другу дополнитель- ных электронных ключей, причем ключи подсоединены к общей шине, а индуктивность - к электроду. Особенностью устройства является то, что оно содержит дополни- тельный генератор импульсов, подключенный к дополнительным ключам.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены, потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Как следует из приведенного выше описания способа, предлагается электроды анализатора подключать к выходным каскадам ВЧ импульсного генератора не непосредственно, как это делается в аналогах и прототипе, а через индуктивность. При этом оказывается, что если правильно сфазировать работу ключей, то фронт импульсного рабочего сигнала происходит по гармоническому закону, а само временная форма определяется в основном параметрами последовательного колебательного контура, состоящего из индуктивности и емкости электрода анализатора. Поскольку параметры контура можно сделать значительно более стабильными, чем параметры мощных ключевых транзисторов, то становится очевидным, что должны существенно повыситься стабильность формы ВЧ-сигнала и соответственно разрешающая способность масс-спектрометра. Понижение потребляемой мощности при патентуемом способе питания обусловлено тем, что энергия, запасенная в паразитной емкости электродов анализатора после ее зарядки, преобразуется в энергию магнитного поля индуктивности и вновь идет на перезарядку емкости. Если бы контуp не обладал затуханием, то, зарядив один раз паразитную емкость, можно было бы даже отключать внешний источник энергии. Таким образом, по потребляемой мощности патентуемая схема близка к схеме, использующей высокодобротный колебательный контур. Два управляемых дополнительных электронных ключа служат для стабилизации уровней перезарядки паразитной емкости, а дополнительный генератор импульсов, подключен- ный к ним, используется для организации их рабочего цикла.

На фиг. 1 приведена структурная схема конкретной реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - эпюры напряжений в различных точках схемы.

Устройство содержит (фиг. 1) схему 1 управления, подключенную к основным электронным ключа 3 и 4 и дополнительному генератору импульсов 2, который подсоединен к дополнительным электронным ключам 5 и 6.

Работой всего генератора управляет схема 1, вырабатывающая под действием входных тактовых импульсов сигналы замыкания и размыкания основных ключей 3 и 4 и управляющая работой дополнительных ключей 5 и 6 через дополнительный генератор 2. По положительному перепаду тактовых импульсов (см. фиг. 2) схема 1 управления вырабатывает импульс заряда, который поступает на ключ 3. При этом емкость нагрузки С (емкость электродов анализатора на землю) перезаряжается через индуктивность L и ключ 3 до напряжения +Е_n1. После этого ключ 3 размыкается и под действием импульса фиксации, поступающего от дополнительного генератора 2, замыкается дополнительный ключ 5, который фиксирует напряжение на емкости С на уровне +Е_n1. При появлении отрицательного перепада тактовых импульсов управляющая схема 1 вырабатывает импульс разряда, поступающий на ключ 4. При этом емкость С через индуктивность L и ключ 4 перезаряжается до уровня -Е_n1. После этого ключ 4 размыкается и от дополнительного генератора 2 на ключ 6 поступает импульс фиксации уровня -Е_n1. Далее процесс повто- ряется.

Таким образом, использование предлагаемого способа питания анализатора гиперболоидного масс-спектрометра позво- ляет по сравнению с существующим значительно повысить стабильность формы ВЧ-сигнала и уменьшить потребляемую мощность. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1104602. кл. Н 01 J 49/42, 1983.

2. Шеретов Э. П. и др. Генератор ВЧ-напряжения для масс-спектрометра, ПТЭ, N 4, 1989, с. 171-174.

Формула изобретения

СПОСОБ ПИТАНИЯ АНАЛИЗАТОРА ГИПЕРБОЛОИДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА И ГИПЕРБОЛОИДНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР 1. Способ питания анализатоpа гипеpболоидного масс-спектpометpа, в котоpом на электpоды анализатоpа подают постоянные и импульсные высокочастотное напpяжение, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потpебляемой мощности и повышения стабильности фоpмы импульсного сигнала, во вpемя фpонта импульсного высокочастотного напpяжения последнее изменяют по гаpмоническому закону.

2. Гипеpболоидный масс-спектpометp, содеpжащий источники постоянного и пеpеменного напpяжения, в котоpом по кpайней меpе один из электpодов анализатоpа подсоединен чеpез упpавляемые электpонные ключи к источникам постоянного напpяжения, имеющим общую шину, пpи этом электpонные ключи подключены к генеpатоpу импульсов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потpебляемой мощности и повышения стабильности фоpмы импульсного сигнала, в него введена последовательная цепь, состоящая из индуктивности и двух включенных паpаллельно дpуг дpугу дополнительных электpонных ключей, с помощью котоpой указанный электpод анализатоpа подключен к общей шине, пpичем дополнительные ключи подсоединены к общей шине, а индуктивность к электpоду.

3. Масс-спектpометp по п. 2, отличающийся тем, что он содеpжит дополнительный генеpатоp импульсов, подключенный к дополнительным ключам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2