книги из ГПНТБ / Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры
.pdfвремени и наличие в связи с этим устройства электрон ного визира; 3) отсутствие промежуточных каскадов уси ления между задающим генератором и мощным выход ным каскадом и принятый в связи с этим способ моду ляции выходного ВЧ-напряжения по цепи управляющих сеток выходных ламп.
Несимметричный автотрансформаторный способ включения выходного контура, снимая проблему иден тичности анодно-сеточных характеристик выходных ламп (которая возникает в пушпульной схеме в связи с необходимостью обеспечения электрической симметрии обоих ВЧ-выходов ГВЧ), создает определенные не удобства, так как выходной контур оказывается заве домо связанным по высокой частоте с потенциалом кор
пуса |
в точке |
подсоединения |
анодного |
напряжения |
+ 800 |
в. Это |
обстоятельство |
вынуждает |
заботиться о |
правильном выборе места подключения к контуру ано дов ламп, длины намотки катушки индуктивности вы ходного контура и значений постоянных и подстроеч ных емкостей в контуре, устраняющих электрическую несимметричность выходов ГВЧ, возникающую из-за не симметричного относительно корпуса прибора шунти рования контура выходными лампами.
Разработка электронного визира для определения номера анализируемой массы в развернутом на экране спектре масс облегчает и убыстряет расшифровку спект ров даже при заметно нелинейной из-за нелинейности анодно-сеточных характеристик выходных ламп раз вертке спектра масс во времени.
Необходимость питания анодных цепей ламп выход ного каскада высоковольтным напряжением при сравни тельно высокой мощности, потребляемой от источника, создает трудности в достижении высокой стабильности этого напряжения и малых по величине пульсаций. Кроме того, применение ламповых схем практически лишает возможности разработчика использовать в схе ме печатный монтаж и унифицировать на этой основе отдельные узлы схемы ГВЧ.
В ВЧ-генераторе, построенном почти исключительно на одних транзисторах, можно избежать многих неприят ностей, характерных для рассмотренной выше схемы
ГВЧ на лампах.
На рис. 27 и 28 представлены структурная схема и принципиальная схема выходных цепей ГВЧ прибора
171
КМ-2. Структурная схема ГВЧ во многом напоминает структурную схему ГВЧ на лампах. В ней есть задаю щий генератор, стабилизированный с помощью кварце вых резонаторов; мощный выходной каскад; генератор
Рис. 27. Структурная схема ГВЧ в приборе КМ-2.
пилообразных напряжений и генератор метки — элек тронный визир. Отличия же этой схемы от прежней в следующем. 1. Связь выходного контура ГВЧ с выход ным транзисторным каскадом трансформаторная. Это полностью исключает влияние выходных транзисторов на электрическую симметрию выходных цепей ГВЧ и облегчает более точную настройку и балансировку выходного каскада. 2. Между каскадом задающего гене ратора и выходным каскадом имеется промежуточный
Рис. 28. Принципиальная схема выходного каскада ГВЧ при бора КМ-2.
172
каскад, выполняющий роль модулятора и исполнитель ного элемента в схеме линеаризации развертки спектра масс во времени. Такой способ модуляции более наде жен и экономичен, чем в предыдущем случае. 3. Выпол нение схемы ГВЧ на полупроводниках позволило приме нить эффективные схемы электронной стабилизации всех питающих (в том числе и мощный выходной каскад) на пряжений, а также запитать накальные цепи двух двой ных кенотронов, стоящих в ВЧ-детекторах, от стабилизи рованного источника выпрямленного напряжения. 4. В схеме ГВЧ осуществлена линеаризация развертки спектра масс, действующая по принципу сравнения в диапазоне видеочастот некоторого эталонного пилооб разного напряжения с напряжением, полученным на выходе ГВЧ, и отработки разности упомянутых напря жений в промежуточном каскаде. 5. Генератор эталон ных пилообразных напряжений содержит набор не только быстрых, как в КМ-1, но и медленных элект ронных разверток спектра масс, позволяющих осу ществлять регистрацию спектра масс как на экране осциллографа, так и с помощью самопишущих потен циометров типа ЭПП-09, КСП-4 или других им подоб ных. Для создания медленных разверток в генераторе пилообразных напряжений использован принцип заря да емкости через сопротивление от источника постоян ного напряжения, причем, для увеличения постоянной времени зарядной цепи применен известный способ уси ленной отрицательной обратной связи, которой охвачен электрометрический усилитель (ЭУ), на входе которого включена зарядная /?С-цепь. Постоянная времени за рядной цепи в такой схеме в К раз ЭУ больше постоян ной времени самой /?С-цепи. 6. В генераторе предусмот рена возможность его перестройки с одной рабочей ча
стоты на другую, отличающуюся от первой в 2 раз. Такая возможность позволяет при перестройке с боль шей частоты на меньшую увеличить диапазон анализи руемых масс вдвое. 7. Широко используемый в ГВЧ (и приборе КМ-2 в целом) печатный монтаж позволяет предельно сократить размеры прибора, унифицировать отдельные его узлы и блоки.
ВИП. Принципиальная схема ВИГ1 представлена на рис. 29. Идея построения такой схемы была высказана еще в работе [60]. Блок ВИП состоит из радиочастот ного генератора на транзисторах Т8 и T9, режим кото
173
рого определяется продетектированным (диод Д10) и усиленным в УПТ (транзисторы ТЗ— Т7) постоянным сигналом отрицательной обратной связи, величина кото рого прямо пропорциональна выходному напряжению. Первые каскады УПТ питаются от стабилизированного
источника, построенного на стабилитронах ДЗ—Д6 и
транзисторах |
77, Т2. Амплитуда колебаний |
генератора |
на выходной |
обмотке трансформатора Тр2 |
(выводы 9 |
и 10) по конструктивным соображениям не может быть поднята выше 2—2,2 кв. Вместе с тем требующееся на выходе ВИП напряжение должно составлять по прове денному ранее расчету величину, регулируемую от 2 до 4 кв. Поэтому детектор радиочастотного напряжения выполнен по схеме удвоения (диоды Д8, Д9) с защитой от пробоев в нагрузке, осуществляемой с помощью вклю ченного последовательно с нагрузкой сопротивления.
Рассматриваемый вариант схемы ВИП хорош тем, что в нем повышена частота переменного выпрямляе
174
мого выходного напряжения. Это позволяет существен но снизить уровень пульсаций на выходе ВИП при обес печении достаточно широкого диапазона плавной регу лировки выходного напряжения с помощью единствен ного в схеме точного многооборотного потенциометра.
Рассмотренная схема блока ВИП применена в приборах КМ-1, КМ-2, КМ-3 и КМ-4. Стабильность выходного напряжения ВИП составляет десятые и даже сотые доли процента, а пульсации не превышают нескольких
десятков |
милливольт при Uвэу — 4 кв и пропорцио |
нально уменьшаются с уменьшением Uв э у • |
|
БПИИ. |
В блок питания ионного источника прибора |
КМ-2 входят: набор стабилизированных с помощью ста билитронов источников питания на ±200 в; прибор для индикации режима работы ионного источника (т. е. на пряжений, подаваемых на его электроды, с выхода БПИИ) и стабилизатор тока эмиссии, выполненный по хорошо известной стандартной схеме [56]. В этом же блоке размещены: ступенчатый делитель усиленного в УПТ сигнала и кнопочное управление реле, которые коммутируют входное сопротивление в УПТ для обеспе чения работоспособности КМ-2 в нужном динамическом диапазоне.
УПТ. На рис. 30 и 31 представлены принципиальные схемы УПТ в приборах КМ-1 и КМ-2 соответственно. Эти схемы имеют много общего. 1. Они построены по
175
схеме усилителей с непосредственной связью, охвачен ной 100%-ной отрицательной обратной связью, позво ляющей уменьшить величину паразитной входной емко сти УПТ и увеличить его входное сопротивление. 2. Оба их усилителя оснащены входными электрометрическими каскадами, дающими возможность реализовать высокое
Рис. 31. Принципиальная схема УПТ в приборе КМ-2.
входное сопротивление, и снабжены регулировками, обеспечивающими сохранение постоянного нулевого по
тенциала на выходе в отсутствие сигнала на |
входе. |
3. В обоих усилителях осуществлена коммутация |
вход |
ного сопротивления. |
|
Различаются эти УПТ своими габаритами; конструк тивным оформлением; способом коммутации; величина ми коммутируемых на входе УПТ сопротивлений и, сле довательно, достигнутыми значениями их динамического диапазона. Ламповая схема УПТ в приборе КМ-1 раз делена на две части — выносной электрометрический каскад с механическим переключателем входных сопро тивлений и собственно усилитель, входящий в состав БПИИ в приборе КМ-1. В приборе КМ-2 весь усилитель (благодаря его малым габаритам), собранный на электрометрической лампе ЭМ-7 и полупроводниковом транзисторном усилителе в интегральном микросхемном исполнении (микросхема 1УТ401Б), размещен в метал лическом корпусе, служащем усилителю экраном от на-
176
водок, и вынесен из аппаратурной части прибора КМ-2 для максимального приближения его к датчику. Эта мера необходима для уменьшения шунтирующей вход УГ1Т емкости, определяющей полосу пропускания усили теля и, в конечном итоге, влияющей на реализацию зало женной в приборе совокупности потенциальных значе ний основных характеристик масс-спектрометра.
Дополнительные элементы специального назначения.
В тех нередких случаях, когда от масс-спектрометра нужна информация о парциальном содержании лишь не
которых отдельных компонентов анализируемой |
разре |
||||||
женной среды, возникает необходимость |
в |
оснащении |
|||||
масс-спектрометра |
дополнительными |
|
элементами. |
||||
В частности, |
перед |
разработчиками |
прибора |
КМ-3 |
|||
стояла |
задача |
создать КМ |
в диапазоне масс |
от 2 до |
|||
50 а. е. |
м. с пятиканальным |
выходом для |
автоматиче |
ского контроля и управления парциальным составом анализируемой разреженной среды в части, касающей ся пяти наиболее важных компонентов, выбираемых оператором в пределах рабочего диапазона масс. Были возможны два варианта построения схемы такого при бора. Первый основывался на автоматической, проис ходящей через определенный интервал времени, пере
стройке масс-спектрометра на работу по |
каждой из |
пяти выбранных масс, повторяющейся |
периодически |
с периодом заданного рабочего цикла. При реализации этого варианта возможность панорамного слежения за спектром масс в процессе работы отсутствовала бы. Это
требовало бы |
при первичной настройке |
и |
периодиче |
ских проверках и градуировках прибора |
дополнитель |
||
ного масс-спектрометра. |
в |
приборе |
|
Во втором |
варианте, реализованном |
КМ-3, масс-спектрометр работает в режиме панорамного сканирования по спектру масс аналогично приборам КМ-1 и КМ-2.
Сигналы, пропорциональные парциальным давлениям нужных пяти компонентов, выделяются непосредст венно из полученного спектра масс и сравниваются с заданными по программе пороговыми значениями в пя тиканальном блоке сравнения.
В случае превышения сигнала в каком-либо канале заданного порогового значения в приборе должны были вырабатываться и срабатывать система световой сигна лизации и приводиться в действие устройство, комму-
12 Г. И . С лобсденю к |
177 |
тирующее сигналы, подаваемые на исполнительные ме ханизмы системы автоматического регулирования.
Не повторяя описания общей для всех КМ части структурной схемы КМ-3, остановимся на работе схе мы блока сравнения, состоящего из пяти работающих параллельно и независимо друг от друга сравниваю щих устройств и предназначенного для выделения из общего спектра масс пяти интересующих оператора ком понентов, сравнения интенсивности каждого из них с за данными оператором или автоматическим программато ром пороговыми значениями и выработки при этом не обходимых электрических сигналов на коммутирующее и светосигнализирующее устройство.
Структурная схема сравнивающего устройства при ведена на рис. 32. Продетектированное выходное напря жение с генератора высокой частоты, имеющее пилооб разную форму, суммируется с напряжением, плавно регулируемым с помощью резистора «номер массы», суммарное напряжение поступает на вход триггера Шмидта, который срабатывает в момент достижения входным напряжением потенциала срабатывания. Вы ходной импульс триггера Шмидта после дифферен цирования и ограничения запускает схему ждущего мультивибратора, вырабатывающего отрицательный ста билизирующий импульс с длительностью, равной дли тельности отдельного импульса спектра масс (в нашем случае 2 мсек). Стробирующий импульс и сигнал спект ра масс с эмиттерного повторителя поступают на им пульсный усилитель с общим эмиттером. Напряжение па нагрузке эмиттерного повторителя служит одновре менно напряжением коллекторного питания транзистора
импульсного усилителя (ключа). Пока |
ключ |
открыт, |
т. е. на его вход не приходит стробирующий |
импульс, |
|
напряжение спектра масса отсутствует. |
Стробирующий |
импульс закрывает ключ, и на его выход проходит им пульс спектра масс, номер которого задан резистором «номер массы». Выделенный сигнал спектра масс уси ливается эмиттерным повторителем и поступает на де литель регулировки порога в канале данного сравниваю щего устройства. Далее импульс усиливается и посту пает на запуск ждущего мультивибратора, нагруженного на управляющую обмотку реле, которое включается при срабатывании мультивибратора. Контакты реле замы кают цепь сигнальной лампочки данного канала и пере-
178
|
|
|
Рис. 32. Струк |
|
|
|
|
турная |
схема |
|
гти |
|
сравнивающего |
|
5 |
Время —*- |
устройства при |
||
|
бора КМ-3 (а) |
|||
.If |
|
пряжений в от |
||
|
|
|
и форма |
на |
|
|
|
дельных |
токах |
|
|
|
схемы (б). |
Напряжение
12*