專利名稱：一種產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種射頻電源，具體涉及一種用于產(chǎn)生四極場的可調式射頻電源。
背景技術：
四極質譜儀是一種化學分析儀器，由于它具有定性能力強、定量準確性高、靈敏度高、檢測限低等優(yōu)點，因此被廣泛地應用于食品安全、生命科學、醫(yī)學制藥、環(huán)境監(jiān)測和公共安全等領域。四極質譜儀可分為兩大類，分別為四級桿質譜儀和離子阱質譜儀。在上述兩類四極質譜儀中，離子阱質譜儀具備特有的多級質譜分析能力，從而具有更強的物質結構分析能力和定性能力，因此，離子阱質譜儀越來越廣泛地被應用于蛋白組學、基因組學等對物質結構定性要求較高的領域。常見的線性離子阱和三維離子阱都采用雙曲面結構，因此機械加工難度大，造價昂貴，增加了離子阱質譜儀的制造成本，不利于離子阱質譜儀的進一步推廣。近年來，簡化結構的離子阱質量分析器成為質譜領域的熱門研究方向。中國發(fā)明專利CN 1585081A中公開了一種新型的由平板離散電極構成的離子阱質量分析器，其結構如圖1所示。與由四個平板電極構成的矩形離子阱不同，該離散電極離子阱質量分析器由四組電極(10X, IIX, 12X, 13X)構成，每組電極包括多個離散的平板電極(如，第一組電極IOX由離散電極101，102, 103, 104和105構成)，在這些離散的平板電極上施加不同的電壓，可以在離子阱的內部得到近似于雙曲線性離子阱的四極場。該離散電極離子阱質量分析器的另一個特點是，通過改變施加在各個離散電極上的電壓，可以改變離子阱內部的電場分布，優(yōu)化離子阱的分析性能，進一步，這種優(yōu)化可以在離子阱質譜儀的工作過程中實時進行，以滿足不同的分析需求。離散電極離子阱質量分析器的工作方式如圖2所示，其離散電極被分為四組，分別施加四組不同的射頻電壓，包括V0+，VI+，VO-和V1-，它們所代表的射頻電壓波形分別如圖2中202，203，204和205所示。其中VO+和VO-的信號幅度相同，相位相差180° , Vl+和Vl-的信號幅度相同，相位相差180°。VO+( V0-)和Vl+( Vl-)的相位相同，幅度不同，Vl+( Vl-)的信號幅度一般為VO+( V0-)的信號幅度的30%-90%之間。然而，目前常用的射頻電源的共同特點是，即使存在多個高壓輸出端，其輸出的射頻電壓的幅度相同，因此，這些射頻電源都無法驅動上述離散電極離子阱質量分析器。目前用于驅動離散電極離子阱質量分析器的一種方法是采用電阻和電容組成的阻容分壓網(wǎng)絡對射頻電壓信號進行分壓，如圖3所示。該方法可得到離散電極離子阱所需要的射頻電壓信號，因此可以驅動離散電極離子阱進行正常的質量分析。但是，使用阻容分壓網(wǎng)絡的方法存在以下的缺點:
(1)阻容分壓網(wǎng)絡的阻抗較高，且該分壓網(wǎng)絡位于射頻電源的高壓輸出端，經(jīng)典的升壓線圈型射頻電源無法驅動高負載的分壓網(wǎng)絡，因此，該方法中只能使用高速開關構成的數(shù)字射頻電源302和303 ；
(2)數(shù)字射頻電源由于高速開關過程中能耗較大，因此其整體功耗高于升壓線圈型射頻電源，另外，數(shù)字射頻電源的控制電路設計控制較復雜，因此設計難度較大；
(3)阻容分壓網(wǎng)絡存在寄生電感和寄生電容，而且與射頻電源輸出端的阻抗匹配難度較大，因此經(jīng)過分壓網(wǎng)絡后的射頻電壓信號往往會產(chǎn)生不同程度的畸變，影響離子阱內部的電場，進而影響離子阱質譜儀的最終分析性能；
(4)經(jīng)過阻容分壓網(wǎng)絡后的射頻電壓信號測量難度較大，如果增加射頻檢測電路則會影響信號的阻抗匹配，因此，要想把精確控制輸出信號的幅度控制到最優(yōu)條件的難度很大，這使離散電極型離子阱質量分析器內部的電場無法達到最優(yōu)，進而無法實現(xiàn)最佳的分析性倉泛。

發(fā)明內容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種產(chǎn)生多極場的射頻電源，使其可用于驅動離散型離子阱質量分析器，并克服傳統(tǒng)射頻電源的缺陷以及阻容分壓網(wǎng)絡方法的不足，使離散型離子阱質量分析器達到最佳分析性能。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，所述射頻電源包括一個初級線圈和至少兩對與初級線圈相稱合的次級線圈，
每對次級線圈包括分列于初級線圈兩側的兩個獨立的線圈繞組，每對次級線圈有兩個高壓輸出端和兩個低壓輸出端；
至少一對次級線圈的輸出信號電壓幅度與其他次級線圈的輸出信號電壓幅度不相
同；
次級線圈之間相互獨立，至少一對次級線圈與初級線圈之間的相對位置可調節(jié)。上述技術方案中，可以通過調節(jié)次級線圈與初級線圈之間的相對位置改變次級線圈高壓輸出端的輸出信號電壓幅度
上述技術方案中，所述次級線圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個電極連接。優(yōu)選的技術方案，設有兩對所述次級線圈，分別為第一次級線圈對和第二次級線圈對。所述第一次級線圈對與所述初級線圈的相對位置固定，所述第二次級線圈對上安裝有位置調節(jié)裝置，用于調節(jié)第二次級線圈與初級線圈之間的相對距離。所述位置調節(jié)裝置可以是高精度的步進電機，也可以是精密手動調節(jié)裝置。上述技術方案中，次級線圈和初級線圈之間可采用不同的排列方式，包括但不僅限于平行、同軸和垂直。上述技術方案中，所述次級線圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個可調電容器連接?；蛘撸龃渭壘€圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個射頻信號幅度檢測電路連接。用于實時檢測次級線圈高壓端的輸出電壓，以達到精確調節(jié)射頻輸出電壓的目的。進一步的技術方案，設有三對或三對以上次級線圈。所述次級線圈中的至少一對次級線圈上安裝有位置調節(jié)裝置，用于調節(jié)該次級線圈與初級線圈之間的相對距離。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
1.本發(fā)明通過設置獨立的至少兩組次級線圈對，可以產(chǎn)生多極場射頻，以驅動離散型離子阱質量分析器。
2.本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中阻容分壓網(wǎng)絡式射頻電源的缺陷，電源輸出調節(jié)方便，可以使離散電極型離子阱質量分析器內部的電場達到最優(yōu)，進而實現(xiàn)最佳的分析性能。


圖1為離散電極型離子阱質量分析器的結構示意圖。圖2為離散電極型離子阱質量分析器的工作方式及其對射頻電壓信號的要求示意圖。圖3為現(xiàn)有技術中驅動離散電極型離子阱質量分析器的方法。圖4為本發(fā)明實施例1中可調式射頻電源的結構及其驅動離散電極型離子阱質量分析器的方法示意圖。圖5為本發(fā)明實施例2中可調式射頻電源的結構及其驅動離散電極型離子阱質量分析器的方法示意圖。圖6為本發(fā)明實施例3中可調式射頻電源的結構及其驅動離散電極型離子阱質量分析器的方法示意圖。圖7為本發(fā)明實施例4中可調式射頻電源的結構及其驅動離散電極型離子阱質量分析器的方法示意圖。圖8為實施例4中每一組電極中包含7個離散電極的離散電極型離子阱質量分析器的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步詳細說明。實施例1
一種可調式射頻電源，其結構如圖4所示。其中402為射頻電源的初級線圈，407為驅動該初級線圈的功率放大電路和相應的控制電路系統(tǒng)。該射頻電源中包含2對次級線圈，其中第一次級線圈由403和404兩個分列于初級線圈兩側的線圈繞組構成，第二次級線圈由405和406兩個分列于初級線圈兩側的線圈繞組構成，每一個線圈繞組都有一個低壓端和一個高壓端。408和409為兩個位置調節(jié)裝置，其中408固定在線圈繞組405上，用于調節(jié)線圈繞組405的位置，409固定在線圈繞組406上，用于調節(jié)線圈繞組406的位置。位置調節(jié)裝置408和409可以是精密步進電機，通過自動控制方式調節(jié)次級線圈的位置。位置調節(jié)裝置408和409也可以是手動調節(jié)裝置。初級線圈和次級線圈的排列方式如圖4所示，其中初級線圈402與第一次級線圈同軸排列，且第一次級線圈的兩個線圈繞組403和404對稱地排列在初級線圈402的兩側，第二次級線圈與第一次級線圈平行，且第二次級線圈的兩個線圈繞組405和406也對稱地排列在初級線圈兩側，但是線圈繞組405和406與初級線圈402不具有同軸關系。由于初級線圈402與次級線圈繞組403、404、405、406之間相耦合，即存在互感，且次級線圈繞組的線圈匝數(shù)遠大于初級線圈，因此在初級線圈出現(xiàn)的電壓較低的交流信號可被次級線圈放大至電壓較高的射頻信號，并且從線圈繞組的高壓端輸出。由于第一次級線圈和第二次級線圈與初級線圈之間的距離不同，它們之間的互感也不相同，因此，第一次級線圈和第二次級線圈的高壓端輸出的射頻信號電壓也不相同。第一次級線圈和第二次級線圈的其他參數(shù)可根據(jù)實際需要設置，如線圈繞組的直徑、線圈匝數(shù)、線圈的品質因數(shù)(Q值)、線圈長度等，適當設置這些參數(shù)可以為第一次級線圈和第二次級線圈的輸出射頻電壓提供一個理想的初始值。這些參數(shù)一旦確定，在工作過程中是固定的，無法進行實時調整，在實際工作過程中可以進行調整是次級線圈的位置，通過調整次級線圈的位置該表輸出射頻信號的幅度，使得第一次級線圈和第二次級線圈的輸出射頻信號的幅度不相同，而是呈一定的比例關系。若該射頻電源用于如圖4中所示的離散電極型離子阱質量分析器401中，第二次級線圈的輸出射頻信號幅度一般為第一次級線圈輸出射頻信號幅度的30%-90%之間。圖4中，離散電極型離子阱質量分析器401的離散電極按照電氣信號連接共分為5組，其中I組接地，另外4組分別與射頻電源的高壓端連接，即線圈繞組403-406的高壓端都分別與離散型離子阱質量分析器401的一組電極相連接。在離散電極和射頻信號的共同作用下，離散型離子阱質量分析器401中產(chǎn)生所質量分析所需要的電場成分，包括四極場、六極場、八極場和十二極場等。改變第一次級線圈和第二次級線圈輸出射頻信號電壓的比例可優(yōu)化離散型離子阱質量分析器內部的電場成分，使離散型離子阱質量分析器內部電場成分達到最優(yōu)，從而實現(xiàn)最佳的分析性能，這可以通過位置調節(jié)裝置408和409來實現(xiàn)。410、411、412、413為可調電容器，分別連接在次級線圈繞組的高壓輸出端，用于次級線圈的調諧，使次級線圈工作在諧振狀態(tài)，從而在最小的功耗下得到最大的輸出幅度。當?shù)诙渭壘€圈的位置調整后，第一次級線圈和第二次級線圈與初級線圈的互感都會發(fā)生改變，從而影響次級線圈回路的諧振狀態(tài)，因此，次級線圈位置調整，需要調節(jié)可調電容器410、411、412和413，使次級線圈重新達到諧振狀態(tài)。414、415、416和417為射頻信號幅度檢測電路，分別與次級線圈繞組的高壓端相連接，其功能是將射頻信號的幅度按照一定的比例轉化為低壓直流信號。通過射頻信號幅度檢測電路可實時地檢測射頻電源輸出射頻信號的幅度，可作為對射頻電源第二次級線圈的位置進行調節(jié)時的依據(jù)，因此，本發(fā)明中的射頻電源可實現(xiàn)精確調節(jié)第一次級線圈和第二次級線圈輸出射頻信號電壓的比例。實施例2
如圖5所示的可調式射頻電源，主要由一個初級線圈502和兩對次級線圈構成，其中第一次級線圈由兩個線圈繞組504和505構成，第二次級線圈有兩個線圈繞組506和507構成。508和509為兩個位置調節(jié)裝置，分別固定在第二次級線圈的兩個線圈繞組506和507上，用于調節(jié)第二次級線圈和初級線圈之間的距離，從而改變次級線圈高壓端的輸出信號幅度。503為驅動初級線圈502的功率放大電路和控制電路。510、511、512和513為可調電容器，分別連接在。514、515、516和517為射頻信號幅度檢測電路，用于將射頻電源輸出的高壓射頻信號轉化為低壓的直流信號。501為離散電極型離子阱質量分析器。本實施例中射頻電源的工作原理和方式、次級線圈的位置調節(jié)方式、次級線圈的調諧方法和離散電極型離子阱質量分析器的工作方式等都與實施例1類似，這里不再贅述。但是，本實施例與實施例1主要存在如下兩個方面的不同之處:
1.與實施例1中初級線圈和次級線圈的相對位置排列方式不同。實施I中，初級線圈402與第一次級線圈繞組403和404的相位位置為同軸關系，而初級線圈402與第二次級線圈繞組405和406的相對位置為平行但不同軸的關系。在本實施例中，初級線圈502與第一次級線圈和第二次級線圈的相對位子均為同軸關系，且第二次級線圈的線圈繞組直徑小于第一次級線圈，因此第二次級線圈可部分插入第一次級線圈中。2.與實施例1相比，本實施例中增加了共振激發(fā)信號發(fā)生器518和共振激發(fā)耦合線圈519。通過上述共振激發(fā)信號和耦合線圈，可將共振激發(fā)信號耦合至射頻信號上，經(jīng)過疊加后加載到離散型離子阱質量分析器的對應電極上。在質量分析過程中，共振激發(fā)信號在離子阱質量分析器內部形成偶極場，對存儲在離子阱質量分析器內部的離子按照質荷比順序進行共振激發(fā)，可大幅提高離子阱質量分析的質量分辨率和檢測靈敏度等分析性能。實施例3
如圖6所示的可調式射頻電源，主要由一個初級線圈602和兩對次級線圈構成，其中第一次級線圈由兩個線圈繞組604和605構成，第二次級線圈有兩個線圈繞組606和607構成。608和609為兩個位置調節(jié)裝置，分別固定在第二次級線圈的兩個線圈繞組606和607上，用于調節(jié)第二次級線圈和初級線圈之間的距離，從而改變次級線圈高壓端的輸出信號幅度。603為驅動初級線圈602的功率放大電路和控制電路。610、611、612和613為可調電容器，分別連接在。614、615、616和617為射頻信號幅度檢測電路，用于將射頻電源輸出的高壓射頻信號轉化為低壓的直流信號。601為離散電極型離子阱質量分析器。本實施例中射頻電源的工作原理和方式、次級線圈的位置調節(jié)方式、次級線圈的調諧方法和離散電極型離子阱質量分析器的工作方式等都與實施例2類似。但是，本實施例與實施例2主要存在如下的不同之處:
本實施例中初級線圈和次級線圈的相對位置排列方式與實施例2中不同。在實例2中，第一次級線圈(503和504)和第二次級線圈(505和506)與初級線圈502的相對位置為同軸關系，而在本實施例中，第一次級線圈(603和604)和第二次級線圈(605和606)與初級線圈602的相對位置為垂直關系。實施例4
如圖7所示的可調式射頻電源，主要由一個初級線圈701和三對次級線圈構成。其中第一次級線圈由兩個線圈繞組703和704構成，第二次級線圈由兩個線圈繞組705和706構成，第三次級線圈由兩個線圈繞組707和708構成。709、710、711和712為位置調節(jié)裝置，用于調節(jié)次級線圈繞組的位置，其中709和710分別固定在第二次級線圈的兩個線圈繞組705和706上，711和712分別固定在第三次級線圈707和708上。702為驅動初級線圈的功率放大電路和控制電路。初級線圈701和第一次級線圈的位置固定且兩者同軸，第二次級線圈和第三次級線圈平行地放置于第一次級線圈的旁側。721、722、723、724、725和726為可調電容器，分別與次級線圈繞組703、704、705、706,707和708連接，用于次級線圈回路的調諧。715、716、717、718、719和720為射頻信號
幅度檢測電路，其功能是把次級線圈輸出的高壓射頻信號按照一定的比例轉化為低壓的直流信號，以實現(xiàn)對射頻輸出信號幅度的實時檢測。三對次級線圈共有六個高壓端，分別為V0+、V0-、V1+、V1_、V2+和V2-。VO+和VO-為第一次級線圈的高壓端輸出的射頻信號，它們的信號幅度相同，相位相差180o ；V1+和Vl-為第二次級線圈的高壓端輸出的射頻信號，它們的信號幅度相同，相位相差ISOo ；V2+和V2-為第三次級線圈的高壓端輸出的射頻信號，它們的信號幅度相同，相位相差180o。由于上述三對次級線圈與初級線圈701之間距離不同，則它們之間互感也不相同，因此各對次級線圈輸出的射頻信號的幅度不同，而是相互呈一定的比例關系。通過適當設置次級線圈繞組的直徑、線圈匝數(shù)、線圈的品質因數(shù)(Q值)、線圈長度等參數(shù)，可使次級線圈輸出信號幅度的比例關系調節(jié)到合適的初始狀態(tài)。實際工作時，通過位置調節(jié)裝置709、710、711和712調節(jié)第二次級線圈和第三次級線圈的位置，從而改變它們輸出射頻信號的幅度，最終改變第一次級線圈、第二次級線圈和第三次級線圈輸出射頻信號幅度的比例關系。一般情況下，Vl+ (V1-)的信號幅度為VO+ (V0-)的信號幅度的30%-90%之間，V2+ (V2-)的信號幅度為Vl+ (V1-)的信號幅度的30%-90%之間。本射頻電源可用于驅動如圖8中所示的離散電極型離子阱質量分析器801，所述離散電極型離子阱質量分析器按照結構區(qū)分包括4組離散電極，每組離散電極共包括7個離散電極。這些離散電極按照電氣連接可分為7組，其中一組接地，另外6組分別與射頻電源的高壓端連接，驅動這6組電極的射頻信號分別為VO+、VO-、VI+、V1-、V2+和V2-。通過調節(jié)第二次級線圈和第三次級線圈的位置，從而改變三對次級線圈輸出射頻信號幅度的比例，最終達到優(yōu)化離散電極型離子阱質量分析器內部電場，提高其分析性能的目的。上述實施方式不應理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本專利的核心在于:一種可調式射頻電源，主要由一個初級線圈和至少兩對次級線圈構成，所述的次級線圈中的至少一對次級線圈與初級線圈之間的相對距離可調節(jié)，以改變次級線圈輸出射頻信號的幅度，進而改變不同對次級線圈之間輸出射頻信號幅度的比例關系。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，對本發(fā)明做出的任何形式的改變均應落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，所述射頻電源包括一個初級線圈和至少兩對與初級線圈相耦合的次級線圈，其特征在于: 每對次級線圈包括分列于初級線圈兩側的兩個獨立的線圈繞組，每對次級線圈有兩個高壓輸出端和兩個低壓輸出端； 至少一對次級線圈的輸出信號電壓幅度與其他次級線圈的輸出信號電壓幅度不相同； 次級線圈之間相互獨立，至少一對次級線圈與初級線圈之間的相對位置可調節(jié)。
2.根據(jù)權利要求1所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:所述次級線圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個電極連接。
3.根據(jù)權利要求1所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:設有兩對所述次級線圈，分別為第一次級線圈對和第二次級線圈對。
4.根據(jù)權利要求3所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:所述第一次級線圈對與所述初級線圈的相對位置固定，所述第二次級線圈對上安裝有位置調節(jié)裝置，用于調節(jié)第二次級線圈與初級線圈之間的相對距離。
5.根據(jù)權利要求1所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:所述次級線圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個可調電容器連接。
6.根據(jù)權利要求1所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:所述次級線圈的每個線圈繞組的高壓端至少與一個射頻信號幅度檢測電路連接。
7.根據(jù)權利要求1所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:設有三對或三對以上次級線圈。
8.根據(jù)權利要求7所述產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，其特征在于:所述次級線圈中的至少一對次級線圈上安裝有位置調節(jié)裝置，用于調節(jié)該次級線圈與初級線圈之間的相對距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生多極場的可調式射頻電源，所述射頻電源包括一個初級線圈和至少兩對與初級線圈相耦合的次級線圈，其特征在于每對次級線圈包括分列于初級線圈兩側的兩個獨立的線圈繞組，每對次級線圈有兩個高壓輸出端和兩個低壓輸出端；至少一對次級線圈的輸出信號電壓幅度與其他次級線圈的輸出信號電壓幅度不相同；次級線圈之間相互獨立，至少一對次級線圈與初級線圈之間的相對位置可調節(jié)。本發(fā)明通過設置獨立的至少兩組次級線圈對，可以產(chǎn)生多極場射頻，以驅動離散型離子阱質量分析器，可以使離散電極型離子阱質量分析器內部的電場達到最優(yōu)，進而實現(xiàn)最佳的分析性能。
文檔編號H01J49/02GK103166330SQ201310070998
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權日2013年3月6日
發(fā)明者李曉旭 申請人:蘇州大學