Устройство питания анализатора квадрупольного масс- спектрометра

 

Использование: в масс-спектрометрии, а именно квадрупольной масс-спектрометрии, и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью в широком диапазоне масс. Сущность изобретения: устройство содержит генератор высокой частоты, первый амплитудный детектор 3, усилитель 8. Введение второго амплитудного детектора 9, усилителя-сумматора 12, источников регулируемого 13 и корректирующего 14 напряжений, выполнение усилителя 8 операционным и образованием новых функциональных связей между элементами устройства позволяет расширить диапазон анализируемых масс и обеспечивает дистанционное регулирование разрешающей способности. 1 ил.

Изобретение относится к масс-спектрометрии, а именно к квадрупольной масс-спектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой чувствительностью в широком диапазоне масс.

Как известно (1), на попарно соединенные стержни анализатора квадрупольного масс-спектрометра от источника питания должны подаваться строго симметричные и противофазные напряжения вида U + V cos ω t и U-V cos ω t, где отношение напряжения постоянных составляющих U к амплитуде переменных составляющих V (λ = ) определяет относительную разрешающую способность масс-спектрометра ρ согласно выражению ρ= = , (1) где М - масса измеряемого иона, а.е.м.

Δ M- полоса пропускания анализатора (абсолютная разрешающая способность), а.е.м.

λ_мах = 0,16784.

Так как чувствительность масс-спектрометра обратно пропорциональна Δ М (1), то для масс-спектрометрического анализа с постоянной чувствительностью в широком диапазоне масс необходимо обеспечить постоянство абсолютной разрешающей способности ΔM в данном диапазоне, для чего согласно (1) необходимо уменьшать λ вплоть до 0,05-0,1 на малых массах и приближать λ к значению 0,16784 на больших массах.

Известно устройство (2), в котором к постоянным составляющим, формируемым из высокочастотных напряжений V двумя амплитудными детекторами, добавляется небольшое регулируемое вручную постоянное напряжение U_рег с отдельного изолированного источника.

В известном устройстве постоянная составляющая U формируется в виде U = λ_мах V-U_рег (2) Изменяя U_рег, можно регулировать разрешающую способность.

Наиболее близким к предлагаемому устройство по технической сущности является устройство питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра, содержащее генератор напряжения высокой частоты, выход которого подключен к электродам анализатора и к амплитудному детектору, выход которого через элемент сложения постоянной и переменной составляющих напряжения подключен непосредственно к первой паре электродов анализатора, инвертирующий усилитель, вход которого подключен к детектору, а выход - ко второй паре электродов анализатора, и генератор пилообразного напряжения, подключенный к входу усилителя, выход которого подключен к управляющему входу генератора (3).

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

С расширением диапазона анализируемых масс и необходимостью обеспечения требуемой разрешающей способности все в большей мере на разрешающую способность сказывается погрешностью ΔU, с которой формируется в (2) слагаемое λ_мах V. Вследствие этого в процессе развертки спектра масс посредством изменения амплитуды высокочастотного напряжения параметр λ отклоняется от требуемого и разрешающая способность изменяется.

Для компенсации изменения постоянной составляющей U необходимо вводить напряжение коррекции U_корр, равное по величине и противоположное по знаку погрешности ΔU. Выражение (2) при этом перепишется в виде U = λ˙V-U_рег + U_корр, (3) где λ_р - практический реализованный в устройстве питания коэффициент λ_мах.

Приравнивая U_корр и ΔU, получим U_корр = Δ U = (λ_р - λ_мах)˙ V ; (4) Таким образом, для обеспечения масс-анализа ионов с требуемой разрешающей способностью в широком диапазоне масс в устройстве питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра необходимо наличие устройства коррекции.

Другим фактором, ограничивающим в известном устройстве расширение диапазона анализируемых масс, является следующее. Постоянная составляющая напряжения, подаваемая на одну из пар, полеобразующих электродов анализатора, формируется амплитудным детектором и практически не имеет ограничений по величине. Однако постоянная составляющая напряжения, подаваемая на другую пару электродов анализатора, формируется путем инвертирования первой с помощью инвертирующего усилителя, что ограничивает реально достижимый диапазон напряжений поcтоянной cоcтавляющей и, cоответcтвенно, диапазон анализируемых масс.

Следует отметить, что известное устройство не позволяет осуществить дистанционную регулировку разрешающей способности низковольтным управляющим сигналом, что снижает удобство работы с масс-спектрометром, особенно когда он входит в комплекс оборудования с общим пультом управления.

Недостатками известного устройства является ограниченный диапазон анализируемых масс и отсутствие возможности дистанционного регулирования разрешающей способности.

Цель изобретения - расширение диапазона анализируемых масс и обеспечение дистанционного регулирования разрешающей способности.

Указанная цель достигается тем, что устройство питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра, содержащее генератор напряжения высокой частоты, один выход которого подключен к первой паре электродов анализатора, а другой выход - ко второй паре электродов анализатора и к входу первого амплитудного детектора, выход которого через цепь сложения постоянной и переменной составляющих напряжения подключен ко второй паре электродов анализатора, инвертирующий усилитель, входом соединенный с выходом первого детектора и источник управляющего напряжения, подключенный к управляющему входу генератора, снабжено вторым амплитудным детектором, усилителем-сумматором и источниками регулирующего и корректирующего напряжений, причем вход второго детектора непосредственно, а выход через вновь введенную цепь сложения постоянной и переменной составляющих напряжения подключены к первой паре электродов анализатора, вход инвертирующего усилителя через резистор обратной связи подключен к выходу второго детектора, а выход - к общему выводу второго детектора; выход усилителя-сумматора подключен к общему выводу первого детектора, один вход - к источнику регулируемого напряжения, другой вход - к источнику корректирующего напряжения, а общие выводы обоих детекторов соединены через конденсаторы с общей шиной.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается введением второго амплитудного детектора, усилителя-сумматора, источников регулируемого и корректирующих напряжений и наличием новых связей между новыми и известными элементами устройства. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критерию изобретения "Новизна".

Сравнение предлагаемого устройства не только с прототипом, но и с другими решениями в данной и смежных областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое устройство от прототипа, следовательно, предлагаемое решение удовлетворяет критерию изобретения "Существенные отличия".

На чертеже показано устройство питания анализатора квадрупольного масс-спектрометра.

Источник управляющего напряжения 1 подключен к генератору 2 высокой частоты, выходы которого подключены к первому амплитудному детектору 3 и к первой 4 и второй 5 парам полезадающих электродов анализатора квадрупольного масс-спектрометра. Выход детектора 3 через узел 6 сложения постоянной и переменной составляющих напряжения подключен ко второй паре 5 электродов анализатора и, через резистор 7, - к инвертирующему входу усилителя 8. Выход усилителя 8 подключен к общему выводу второго амплитудного детектора 9, вход которого непосредственно, а выход через узел 10 сложения постоянной и переменной составляющих подключены к первой паре 4 электродов анализатора, а через резистор обратной связи 11 - ко входу усилителя 8. Общий вывод детектора 3 подключен к выходу усилителя-сумматора 12, один из входов которого подключен к выходу источника регулируемого напряжения 13, а другой вход - к выходу источника корректирующего напряжения 14. Общие выводы детекторов 3 и 9 через, соответственно, блокировочные конденсаторы 15 и 16 подключены к общей шине.

На выходе генератора 2 размещены разделительные конденсаторы (не показаны). Цепи сложения 6 и 10 могут быть выполнены, например, в виде дросселей высокой частоты, высокоомных резисторов и т.д.

Величины резисторов 7 и 11 для обеспечения симметричности постоянных составляющих выбираются равными друг другу. В качестве усилителя 8 используется операционный усилитель.

Устройство работает следующим образом.

На вход генератора 2 с выхода источника управляющего напряжения подается управляющее напряжение (как правило, пилообразной формы). Высокочастотное напряжение с выхода генератора 2 подается на вход первого амплитудного диодного детектора 3. Напряжение постоянного тока с выхода детектора 3, пропорциональное амплитуде высокочастотного напряжения, подается через резистор 7 на инвертирующий вход усилителя 8 и через узел 6 сложения постоянной и переменной составляющих - на одну пару 5 электродов анализатора масс-спектрометра.

С выхода усилителя 8 напряжение положительной полярности подается на общий вывод второго амплитудного детектора 9, на вход которого подается высокочастотное напряжение с выхода генератора 2. Вторая постоянная составляющая постоянного напряжения, являющаяся суммой выходного напряжения детектора 9 и усилителя 8, через узел 10 сложения постоянной и переменной составляющих подается на другую пару 4 электродов анализатора масс-спектрометра.

Высокая степень симметрии составляющих постоянного напряжения обеспечивается за счет использования глубокой отрицательной обратной связи через резистор 11 и равенства сопротивлений резисторов 7 и 11.

Напряжение на выходе детектора 3 равно сумме напряжений детектора и усилителя-сумматора 12.

Дистанционное регулирование напряжения постоянной составляющей, и, соответственно, разрешающей способности, осуществляется изменением напряжения источника 13. Коррекция напряжения постоянной составляющей, обусловленная, например, нелинейностью характеристики амплитудного детектора, осуществляется посредством подачи на один из входов усилителя-сумматора 12 корректирующего на- пряжения от источника 14. При этомнапряжение постоянной составляющей изменяется по закону (3) и происходит компенсация разрешающей способности от заданной величины.

Коэффициенты передачи детекторов 3 и 9 выбираются равными по величине, но противоположными по знаку, при этом выходные напряжения U_вых = U_рег - U_корр, вырабатываемые усилителями 12 и 8 равны по величине, но имеют противоположную полярность.

Величина U_вых составляет доли и единицы вольт. С учетом разброса коэффициентов передачи детекторов друг от друга и от требуемой величины λ_мах, диапазон выходных напряжений усилителей 8 и 12, несколько возрастает - порядка до 10-20 В. Таким образом, требования к усилителям и их источникам питания по сравнению с усилителем в устройстве (3) резко снижаются, они могут быть реализованы гораздо проще. Так как основная часть постоянных составляющих формируется амплитудными детекторами, выходные напряжения которых при использовании ламповых диодов практически неограничены, то ограничения ширины диапазона масс, связанные с ограниченным диапазоном и большой сложностью усилителей постоянных составляющих в устройствах (2, 3), исчезают. Отпадает необходимость и в высоковольтных источниках питания этих усилителей.

Предлагаемое устройство было испытано в составе масс-спектрометра с диапазоном масс 2-600 а.е.м. и позволило получить постоянную разрешающую способность, регулируемую от 1 до 0,3 а.е.м., во всем диапазоне масс.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ АНАЛИЗАТОРА КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА, содержащее генератор напряжения высокой частоты, первый выход которого подключен к первой паре электродов анализатора, а второй выход - к второй паре электродов анализатора и к входу первого амплитудного диодного детектора, выход которого через первый узел сложения постоянной и переменной составляющих напряжения подключен к второй паре электродов анализатора, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с выходом первого амплитудного диодного детектора, и источник управляющего напряжения, подключенный к управляющему входу генератора, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона масс и обеспечения дистанционного регулирования разрешающей способности, в него введены второй амплитудный диодный детектор с коэффициентом передачи, противоположным по знаку коэффициенту передачи первого амплитудного диодного детектора, усилитель-сумматор, источники регулируемого и корректирующего напряжения, при этом вход второго амплитудного диодного детектора непосредственно, а выход - через введенный второй узел сложения постоянной и переменной составляющих напряжения - подключены к первой паре электродов анализатора, вход инвертирующего операционного усилителя через резистор обратной связи подключен к выходу второго амплитудного диодного детектора, а выход - к общему выводу второго амплитудного диодного детектора, первый и второй входы усилителя сумматора подключены соответственно к источникам регулируемого и корректирующего напряжений, а выход - к общему выводу первого амплитудного диодного детектора, общие выводы обоих амплитудных диодных детекторов соединены через соответствующие блокировочные конденсаторы с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1