质谱小型化射频系统的研究

摘要

质谱仪是利用电场、磁场将运动的离子按质荷比进行分离和检测的设备，它可以准确地测定离子的质荷比（m/z），得到离子的精确质量，从而分析被测物质的成分和结构性质。离子阱质谱仪是质谱小型化的代表，射频（RF）系统是离子阱质谱仪核心驱动部件。通过射频控制在离子阱质量分析器中构建变化的电场，阱中离子受电场力的驱动而运动。在离子阱质谱分析中采用射频幅度扫描技术，将阱中捕捉到的离子依次推出物理稳定区域。
　　质谱仪器的体积和射频系统的大小密切相关。本文从对整机性能影响较大的关键部件射频系统出发，突破尺寸变小带来的性能下降等难题。开发宽范围电压扫描、低功耗、高稳定的射频系统，以延长质谱仪器野外续航时间，提高质谱仪器的现场应用能力。
　　本文基于离子阱质谱的工作原理和阱中离子的运动规律，从系统结构层面分析了射频系统在质谱中的作用。在射频系统的电路设计中，从射频信号的产生、放大、功率放大、结合射频负载的谐振特性最终放大，通过检幅、滤波、闭环电路控制形成闭环。在功放设计中创新性地采用开关单管功放驱动，经分析比较选择能量转化效率较高的E类放大器，设计匹配网络，通过仿真验证和优化分立器件参数，使得输出效率最佳；设计了以空气为介质耐高压的平行板电容和半波检流方式实现射频电压的检幅；设计四阶低通滤波器，减少其他高频信号干扰；设计闭环调整网络，使得射频系统线性有序可控，避免了外加磁场变化、控制器件的变化导致射频扫描控制稳定差等问题。在射频系统的机械设计中，根据调谐需要设计可靠性高的线圈，设计的线圈体积小、高Q值的线圈，降低了线圈中的功率损耗；通过对丝杆、支撑杆、铜芯等结构设计，实现机械调谐模式；对射频机械部分的外腔、底座、法兰盘结构设计，解决射频信号屏蔽、线圈散热、安装、固定等问题。
　　最后，搭建离子阱质谱仪实验平台，测试了在失谐的情况下机械调谐的效果，外腔体的感应电压来检验外腔体的屏蔽信号的效果以及射频幅度扫描电压。实验表明，本文所设计的射频系统输出电压高、稳定性好，可适应在现场等应用中的宽质量范围的检测，基本满足了设计需要。

目录

引言

1绪论

1.1课题的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3发展趋势

1.4论文主要研究内容

2离子阱质谱系统

2.1离子阱工作原理

2.2系统结构

2.3射频系统指标

2.4关键技术难点

2.5本章小结

3射频系统电路设计

3.1射频系统方案设计

3.2谐振特性

3.3调制电路

3.4射频驱动电路

3.5功放电路设计

3.7检幅电路

3.8滤波电路

3.9闭环控制电路

3.10本章小结

4射频系统机械结构设计

4.1线圈结构设计

4.2内部机械结构设计

4.3外部机械结构设计

4.4选材选择

4.5外腔体整体结构分析

4.6总体装配结构设计

4.7本章小结

5离子阱质谱幅度扫描实验

5.1实验介绍

5.2离子阱质谱实验平台搭建

5.3实验准备

5.4实验步骤

5.5实验结果与分析

5.6 4本章小结

6总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢