CH661390A5

CH661390A5 - Hochfrequenzgenerator fuer die versorgung eines massenspektrometers mit einer hochfrequenzspannung.

Info

Publication number: CH661390A5
Application number: CH3097/82A
Authority: CH
Inventors: Raymond Dr Heinen; Horst Stelling
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1982-05-18
Publication date: 1987-07-15
Also published as: DE3120196A1; DE3120196C2; FR2506542A1; GB2100078B; US4506227A; JPS57196468A; GB2100078A

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzgenerator gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Massenspektrometer, insbesondere Quadrupolmassenspek-trometer, benötigen zum Betrieb je nach Aufbau und Massenbereich Spannungen von einigen hundert bis tausend Volt mit Frequenzen im Bereich von einigen Mega-Hertz. Diese Spannungen werden überwiegend mit Resonanzkreisen erzeugt, da zur Deckung des Betriebsleistungsbedarfs nur eine geringe Wirkleistung, jedoch eine hohe Blindleistung erforderlich sind. Das Trennsystem bildet dabei mit den Quadrupol-Elektroden, Steckern, Leitungen usw. die Kreiskapazität. Da die Frequenz der Trennspannung ein wesentlicher Parameter für die Trennung der das Massenfilter durchsetzenden Ionen ist, wird deren Einhaltung meist durch Ansteuerung des Resonanzkreises mit einem Quarzoszillator garantiert.

Darüber hinaus wählt man zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades die Kreisgüte des Leistungsschwingkreises möglichst hoch. Dadurch wächst jedoch die Gefahr, dass bereits kleine Verstimmungen des Kreises grosse Veränderungen hervorrufen. Solche Verstimmungen treten auf, wenn z.B. Kabel oder Messköpfe ausgetauscht werden. Auch Alterung und Temperatureinflüsse rufen derartige Verstimmungen hervor. Selbst die Massnahme, die Amplitude der hochfrequenten Wechselspannung durch einen Regelkreis stabil zu halten, führt nicht zu einer nennenswerten Verbesserung, da die Verstimmungen die Empfindlichkeit eines Quadrupolmassenspektrometers störend beeinflussen.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt (US-PS 3 410 998), den Hochfrequenzgenerator für die Speisung eines Quadrupolmassenspektrometers mit einer von Hand zu betätigenden Abgleichmöglichkeit auszurüsten, damit ein solches Gerät stets auf Einhaltung der Resonanz justiert werden kann. Nachteilig daran ist, dass ein derartiges Justieren nur von hochqualifizierten Personen vorgenommen werden kann. Mit der

Bedienung des Gerätes durch Personen ohne qualifizierte Ausbildung und Kenntnisse von den physikalischen Vorgängen in einem Massenspektrometer war deshalb bisher immer die Gefahr ungenauer oder gar falscher Messergebnisse verbunden, zumal der Abgleich von Verstimmungen, die während des Betriebs des Massenspektrometers auftreten, nicht möglich ist.

Schliesslich sind aus de GB-A-676 238 und auch aus de DE-B-l 016 822 Regelanordnungen für Hochfrequenzgeneratoren bekannt, bei denen die Nachstimmung des Leistungsschwingkreises mit Elektromotoren vorgenommen wird. Dabei wird die Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom als Mass des Verstimmungszustands verwendet. Diese vorbekannten Anordnungen sind für die Verwendung bei Massenspektrometern dennoch nicht geeignet, da sie zum einen mechanische, dem Ver-schleiss unterworfene Teile umfassen und zum andern für den Abgleich von Verstimmungen, die während des Betriebs des Massenspektrometers auftreten, viel zu träge sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenzgenerator zu schaffen, bei dem die Notwendigkeit einer von Hand durchzuführenden Justierung des Leistungsschwingkreises nicht mehr besteht.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die auf die Reaktanz(en) einwirkende Steuerspannung kann z.B. durch Summierung des vom Phasendetektor gelieferten Spannungswertes mit einer zusätzlichen Abgleichspannung gebildet werden. Diese Abgleichspannung wird einmalig vom Hersteller eingestellt und bildet bei jeder Inbetriebnahme des Gerätes den notwendigen Sollwert.

Der wesentliche Vorteil eines in dieser Weise arbeitenden Massenspektrometers besteht darin, dass eine Abstimmung des Resonanzkreises von Hand vor der Durchführung von Messungen nicht mehr erforderlich ist. Auch während des Betriebs gleicht sich die Resonanz ständig ab. Die Handhabung des Gerätes wird dadurch besonders einfach. Die Gefahr von Fehlmessungen ist weitgehend reduziert.

Als Phasendetektoren eignen sich sowohl Analogschaltkreise vom Typ Mischer, Modulator, Produktdetektor oder Koinzidenzdetektor als auch Digitalschaltkreise, welche mit mehreren Flipflops, Vor-Rückwärtszählern oder Antivalenz bzw. Äquivalenz-Verknüpfungen die Phasenverschiebung zweier Signale in eine Steuerspannung oder Pulsfolge umsetzen.

Als steuerbare Reaktanzen kommen die Induktivität des Leistungsschwingkreises infrage, die zweckmässigerweise ein Transduktor ist, bei dem die Grösse der Induktivität durch einen Steuerstrom einstellbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele für einen Hochfrequenzgenerator nach der Erfindung in Blockdarstellung. Mit 1 ist jeweils ein Quarzoszillator, mit 2 ein Leistungsverstärker, mit 3 ein Leistungsschwingkreis und mit 4 eine steuerbare Reaktanz bezeichnet, die entweder ein einstellbarer Kondensator, eine einstellbare Induktivität oder beides sein kann. Mit 5 und 6 sind Ausgangsbuchsen bezeichnet, an die — nur in Fig. 1 dargestellt — ein Quadrupol-Massenspektrometer 7 mit seinen Polen 8 über die abgeschirmten Kabel 9 angeschlossen ist.

Bei Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist zur Überwachung der erzeugten Hochfrequenz ein Phasendetektor 11 vorgesehen, dem sowohl die an den Ausgangsklemmen 5 und 6 anliegende Spannung Ur über die Leitung 12 sowie eine dem Ausgangsstrom Ir proportionale Spannung über die Leitungen 13 und 14 zugeführt werden. Zur Erzeugung des dem Strom proportionalen Spannungswertes ist der in einer Ausgangsleitung eingeschaltete Widerstand 15 vorgesehen. Der Phasendetektor 11 liefert ausgangsseitig einen Spannungswert Ua, der der Phasen-

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Verschiebung zwischen dem Spannungs- und Stromwert entspricht und somit ein Mass für die Verstimmung des Leistungsschwingkreises darstellt.

Aus diesem Spannungswert Ua und einer zusätzlichen Ab-gleichsspannung UAb, die am einstellbaren Widerstand 16 abgegriffen wird, wird durch Summierung die Steuerspannung Ust für die steuerbare Reaktanz gebildet, und zwar nach folgender Gleichung:

U„

UAb - Ua

Der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Leistungsschwingkreis lässt sich in Abhängigkeit von der Verstimmung durch eine steuerbare Reaktanz und anderen Verstimmungseinflüssen vereinfacht und linearisiert etwa folgendermas-sen darstellen:

<p = (Po (1 + V + K2 • Ust)

(Po ist der Phasenwinkel, welcher sich ohne Verstimmung einstellt. V ist die Verstimmung durch äussere Einflüsse und K2 Ust ist der Anteil, welcher durch Reaktanzsteuerung hervorgerufen wird.

Unter der Bedingung K2 > 1 + V ergibt sich

(p = <p0 •

UAb K,

Ki ist eine Konstante, so dass (p unabhängige von V ist. Der Phasenwinkel, welcher sich einstellt, wird daher nur noch durch die Abgleichspannung UAb bestimmt, die vom Hersteller einmalig eingestellt wird und bei jeder Inbetriebnahme des Massenspektrometers den notwendigen Sollwert bildet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Phasendetektor 11 vorgesehen, der als Analog- oder Digitalschaltkreis ausgebildet ist. Da das Ausgangssignal einer solchen Schaltung ein Mischprodukt mit einer grossen Anzahl von Oberschwingungen darstellt, von dem nur der Gleichspannungsanteil interessiert, ist dem Phasendetektor 11 ein Tiefpassfilter 17 nachgeschaltet, dessen Ausgang zusammen mit dem am Widerstand 16 abgenommenen Spannungswert die Steuerspannung für die einstell-5 bare Reaktanz bildet. Darüber hinaus ist im Falle eines Produktdetektors ein 90°-Phasenschieber 18 erforderlich, der seine Signale unmittelbar vom Quarzoszillator erhält. Dieser Phasenschieber ist erforderlich, da das Ausgangssignal eines Produktdetektors nur im Winkelbereich zwischen 0° und 180° eindeutig 10 ist, zur Resonanzerkennung jedoch ein Bereich von ± 90° benötigt wird.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine steuerbare Induktivität 35 dargestellt. Derartige Induktivitäten verwenden als Magnetkern ein ferromagnetisches Material (bestimmte Fer-15 rite). Dadurch erhält man eine Induktivität, deren Grösse durch einen zusätzlichen magnetischen Fluss steuerbar ist. Eine steuerbare Induktivität nach diesem Prinzip ist als Transduktor bekannt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Magnetkerne 36 und 37 vorgesehen. Die einander anliegenden Teile 20 bilden mit der Wicklung 38 die Induktivität L des Hauptkreises. Zur Steuerung dieser Induktivität L sind die freien Abschnitte der Magnetkerne 36 und 37 mit gegensinnigen Wicklungen 39 und 40 ausgerüstet, durch die der Steuerstrom fliesst. Dazu wird der Steuerstrom bei 41 der Wicklung 39 und über die 25 Leitung 42 der Wicklung 40 zugeführt. Die Ausgangsbuchse ist mit 43 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform wird erreicht, dass der steuernde Strom in zwei gegensinnige, die zu beeinflussende Spule durchflutende Flüsse <fh und <j>2 aufgeteilt ist, wodurch Verzerrungen vermieden werden. Darüber hinaus ist 30 es auch bei steuerbaren Induktivitäten zweckmässig, den Hochfrequenz-Fluss klein gegenüber dem steuernden Gleich-fluss zu wählen, um einen verzerrenden Einfluss der Nichtlinea-rität auf die HF-Amplitude zu vermeiden.

Typische Induktivitätswerte der Ausführungsform nach Fi-35 gur 4 liegen für eine Hochfrequenz von 2,3 MHz und 20 |xH bzw. 240 pF im Hauptkreis bei 0,5 - 5 p,H.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Hochfrequenzgenerator für die Versorgung eines Mas-senspektrometers mit einer Hochfrequenzspannung, welcher einen von einem Oszillator über einen Leistungsverstärker angesteuerten Leistungsschwingkreis enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasendetektor (11) für die Überwachung der vom Leistungsschwingkreis (3) erzeugten Hochfrequenz-Wechselspannung vorhanden ist, welcher einen dem Winkel zwischen der Spannung und dem Strom der Hochfrequenzschwingung proportionalen Spannungswert liefert, und dass der Leistungsschwingkreis (3) eine mit Hilfe dieses Spannungswertes gesteuerte, als Transduktor (35) ausgebildete Reaktanz zur Resonanzabstimmung umfasst.

2. Hochfrequenzgenerator nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transduktor (35) zwei einander anliegende Magnetkerne (36, 37) umfasst, deren einander anliegende Abschnitte mit einer Wicklung (38) zur Bildung der Induktivität des Hauptkreises und deren freie Abschnitte mit Wicklungen (39, 40) zur Bildung der Steuerflüsse ausgerüstet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Hochfrequenzgenerator nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gegensinnig gewickelte Spulen (39, 40) auf den freien Abschnitten der Magnetkerne (36, 37) angeordnet sind.

4. Hochfrequenzgenerator nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasendetektor (11) ein Analog- oder Digitalschaltkreis vorhanden ist, dem ein Tiefpassfilter (17) nachgeschaltet ist.

5. Hochfrequenzgenerator nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasendetektor (11) ein Produktdetektor mit einem 90°-Phasenschieber (18) vorhanden ist.