Устройство питания квадрупольного масс-анализатора

(61) Дополнительное к авт. свид-ву(51)м. Кл,(22) Заявлено 100879 (2) 2807867/18-21с прнсоелинением заявки М Н 01 Л 49/42 3 Ьеударотееииый комитет СССР ив делан изобретений и открытий/Специальное конструкторское бюро аналитическогоприборостроения научно-технического объедиФВииа .АН СССР(54) УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-АНАЛИЗАТОРАИзобретение относится к массспектрометрии, а именно к квадрупольным масс-спектрометрам.В современных квадрупольных масс" спектрометрах на электроды масс-анализаторов прикладывается напряжение, высокочастотная составляющая которого обычно имеет частоту, равную нескольким мегагерцам и максимальную амплитуду 3"5 кВ при максимальной величине постоянной составляющей +500-850)В. К этим напряжениям предъявляются крайне жесткие требования: нестабильность частоты не более 10 - 1 О , нестабильность амплитуды высокочастотной составляющей не более 10 (. 10 , синхронность изменения постоянной и переменной составляющих напряжения не хуже 10 -10 ф, равенство по модулю напряжений положительной и отрицательной полярности не хуже 10 - 10 5.Известно устройство для стабилизации напряжений на электродах квадрупольного масс-анализатора, содержащее источники управляющих напряжений, операционный усилитель, высокочастотный генератор с симметричнымвыходом, нагруженный на электроды ф квадрупольного масс-анализатора,операционные сопротивления, сопротивле.ние регулировки разрешающей способности масс-спектрометра, развязывающие дроссели, детектор обратной связи и детекторы формирования напряжений постоянного тока положительнойи отрицательной полярности, являющихся постоянными составляющими напря- .жения, прикладываемого к электродам Имасс-анализатора 113.Недостатком этого устройства является низкая стабильность получаемых таким образом постоянных составляющих напряжения, так как указанные детекторы не охвачены отрицательной обратной связью, вследствиечего на стабильность постоянных составляющих напряжения сильно влияет1 о 35 2 О 25 ЗО 3 9172 расстройка контура, дрейф детекторов и т,п,Известно также устройство длястабилизации 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 С 23.Недостатком этого устройства является недостаточная стабильность отношений 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 участке их рабочего интервала(т.е. не позволяет сканировать масс-спектр в любом заданном участке массовых чисел),а также затрудняет ее стыковку с ЭВИ, так как при управлении работой35 этого устройства от ЭВИ требуется большое напряжение (до 500-800 В), равное постоянной составляющей напряжения на электродах масс-анализато 4 о 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 предлагаемому45 устройство для стабилизации напряжений на электродах квадрупольного масс-анализатора, содержащее источники постоянного и пилообразного напОряжений, операционные усилители, двух О тактный высокочастотный генератор с симметричным выходом, нагрузкой которого являются электроды квадрупольного масс-анализатора, операционные сопротивления и сопротивление регулировки отношения постоянных составляющих к переменной (т,е. регулировки разрешающей способности масс-спект 37 4рометра), развязывающие дроссели идетектор 31Недостатками устройства являютсянедостаточные симметрия и стабильностьотношения постоянных напряжений к переменным масс-анализатора вследствиеприменения в схеме этого устройстваоперационного усилителя, создающегонапряжение постоянного тока отрицательной полярности. Причина заключается в том, что усилитель являетсянеинвертирующим, это значит, что диапазон синфазных входных напряжений не может превышать 10 В, т.е. наего 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 изменятьсяот 10 В до 10 мВ. А это означает,чтоуровень дрейфа и шумов усилителей недолжен превышать 1-0,1 мкВ, так кактребуемая нестабильность напряженийдолжна составлять 10 - 10во всеминтервале рабочих напряжений, т.е.и при рабочих напряжениях, равных10 мВ; В рассматриваемом устройствесигнал, снимаемый с сопротивления,является опорным для усилителей, поэтому допустимое максимальное значение этого сигнала лимитируется возможностями усилителя. При столь малых значениях входного напряжениявелика роль реально существующихдрейфа и шумов этих усилителей, атакже других помех на стабильностьполучаемых постоянных составляющихйапряжения, а следовательно, на симметрию и стабильность отношения постоянных напряжений к переменным.Следует добавить, что к усилителямпредьявляются жесткйе требованияпо быстродействию, они должны обеспечивать нарастание напряжений отминимального до максимального значений, т,е. в 10 раз за время1 мс. Это требование еще более затрудняет получейие низкого уровняшумов этих усилителей.Цель изобретения - повышение стабильности и симметричности питающихснапряжений.Поставленная цель достигается тем,что в устройстве питания квадрупольноге масс-анализатора, содержащем ге40 5 9172 нератор 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 1 О напряжения, подключенные через операционные сопротивления ко входу усилителя, выход детектора подключен непосредственно к второй паре электродов масс-анализатора. 15На чертеже приведена предлагаемая схема устройства.Устройство содержит источникии 2 регулируемого постоянного и пилообразного напряжений, операционный 20 усилитель 3, высокочастотный генератор 4 с симметричным выходом, нагруженный на электроды 5 квадрупольного масс-анализатора, операционные сопротивления 6-8, сопротивЛение 9 25 регулировки постоянных напряжений к переменному, развязывающие дроссели 10 и 11, детектор 12, операционное сопротивление 13 и инвертирующий операционный усилитель 30Устройство работает следующим образом.На вход усилителя 3 в зависимости от рода работы (ручная развертка,автоматическая циклическая, программная от ЭВМ) церез соответствующие операционные сопротивления подается управляющее напряжение. Усилитель 3 представляет собой суммирующий уси" литель, обеспецивающий работу как от одного, так и от нескольких ис" точников управляющих напряжений.Усилитель 3, генератор 4 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 пос 50 тоянного тока отрицательной полярности свыхода детектора 12, пропорциональное амплитуде высокочастотного напряжения, подается на вход усилителя 3 через операционное сопротив-, ление 8 и сравнивается с опорным55 напряжением, подаваемым от источни" ков управляющих напряжений. РазносТь между опорным напряжением и напряже 37 6нием обратной связи, усиленная усилителем 3, воздействует на вход генератора 4 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 дроссель11 на одну пару электродов 5 массанализатора, а постоянная составляющая положительной полярности, формируемая инвертирующим .усилителем14, - через развязывающий дроссель10 на другую пару электродов 5 массанализатора, Отношение постоянных.составляющих напряжений к амплитудепеременного напряжения регулируетсяпеременным сопротивлением 9,Положительный эффект достигаетсятем, что в предлагаемом устройстве навход усилителя 14 подается практически все напряжение, подаваемое наэлектроды 5 анализатора (при максимальной амплитуде высокочастотногонапряжения 5 кВ это составляет 850 В).При требуемом перекрытии 1 О минимальное напряжение на входе этого усилителя составляет 0,85 В, т.е. примерно в 100 раз больше, цем в известномустройстве где оно составляет 1 О 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 отноЬения постоянной составляющей камплитуде переменной составляющей составляет всего О, 160-0, 168.ф Так кактоковой нагрузкой цепей каналов формирования постоянного положительного и отрицательного напряжений являются ионные крайне малые токи 100 А), возникающие из"за попаданияразделяемых ионов на электроды 5анализатора, а коэффициент передачиусилителя 14 фвыбирается равным - 1с наперед заданной точностью, то вканалах формирования постоянного .положительного и отрицательного напряжений.симметрия этих напряжений может быть получена с требуемой наперед заданной точностью. Влияние дрейфа детектора 12 однаково сказывается917237 формула изобретения на величину напряжений постоянного тока как положительной, так и отрицательной полярности, вследствие чего исключается. нарушение симметрии отношения постоянных составляющих напряжения к амплитуде высокочастотной составляющей.Таким образом, эа счет существенного повышения рабочих напряжений на выходе усилителя 14 достигается повышение симметрии и стабильности : прецизионного отношения постоянных составляющих напряжения к амплитуде переменной составляющей. Устройство питания квадрупольного масс-анализатора, содержащее генератор напряжения высокой частоты, выход которого подключен к электродам масс-анализатора и к детектору с заземленным катодом, усилитель,подключенный к управляющему входугенератора, инвертирующий усилитель,вход которого подключен к детектору,а выход - к одной паре электродованализатора, источник опорного напряжения и генератор пилообразногонапряжения, подключенные через операционные сопротивления к входу усилителя,. о т л и ч а ю щ е е с я о тем, что, с целью повышения стабильности и симметричности питающих напряжений, выход детектора подключеннепосредственно к второй паре электродов масс-анализатора. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Описание масс-спектрометра,ЯЯМ"600 фирмы йдЬег, Франция,зо 1977. 2. Авторское свидетельство СССР И 363029, кл. Н 01 Л 49/42. 3. Описание масс-спектрометра фий 250 В Фирмы Уагдап, США, 1972.