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ICP發射光譜儀講義-RF發生器
點擊次數:0 發布時間:2016-01-05
 

ICP發射光譜儀的RF發生器通過工作線圈給等離子體輸送能量,維持ICP光源穩定放電,目前ICPRF發生器主要有兩種震蕩類型,即自激式和它激式。

 

.1、自激式RF發生器

自激式RF發生器又稱自由振式RF發生器,它有整流電源、振蕩回路和電子管功率放大器三部分組成。

整流電源是由三相電源經升壓、三相全波整流及L、C濾波提供電子管功率放大器所需的直流高壓(3千伏)。

其振蕩回路是由一個電容和一個電感組成的并聯回路,當有外加電源時,回路內將產生振蕩信號,回路能量交替地儲存在電容和電感上。當回路中電阻很小時,即        R< 2L/C1/2,其振蕩頻率為:f=1/{2pL/C1/2 }。

由于回路電阻的存在,每次振蕩總要消耗部分能量,使振蕩受到阻尼,為了維持等輻振蕩,并保持一定的輸出功率,使用電子管功率放大器,把L-C振蕩回路的信號正反饋一部分供給放大器的柵極,經功放后再輸出給L-C回路,這樣L-C回路不斷地從放大器取得能量,除反饋一部分外,大部分能量用電感耦合方式供給等離子體,從而維持穩定的等輻振蕩和功率輸出。信號正反饋的形式國外多采用電容反饋型,而國內生產的則多采用電感反饋型。

自激式振蕩器的主要特點是結構簡單、價格低廉、制造調試比較容易,在技術指標上能基本滿足光譜分析要求,但其主要的缺點是頻率穩定性及功率穩定性較差,這主要是由于等離子體負載是作為振蕩回路的一部分,負載的改變將影響L-C振蕩器的頻率及回路的工作狀態。

 

2、它激式RF發生器

它激式RF發生器又稱晶體控制型RF發生器,它與自激式不同,它是利用石英晶體的壓電效應構成振蕩器也取代L-C振蕩回路的電容、電感元件。

將石英晶體按一定方位角切制成一塊正方形(或長方形或圓形)簿片,在晶片的兩個對應表面上噴涂金屬板,就可構成石英晶體振蕩器。當晶體片上加上一個電場,就會使晶片發生機械形變,相反,在晶體片上加一個機械力又會在相應的方向上產生電場,這種現象稱石英晶體的壓電效應。若在晶片上下的金屬板上施加變電壓,就會產生相應的機械形變,即機械振動,通常情況下,這種形變振幅很小,當外加交變電壓為某一特定頻率時,振幅會突然嗇,這種現象為壓電諧振,這一頻率稱為晶體的諧振頻率,它和晶體的尺寸有關。

在它激式振蕩器中,常應用一個頻率為27.12MHz40.68MHz的石英晶體振蕩器作為振源,經過兩級功率放大,就可得到27.12MHz40.68MHz,2.0Kw的輸出信號。通過匹配網絡和同軸電纜傳輸到負載線圈上。這類發生器頻率穩定度高,耦合效率好,功率輸出易于自動控制,但放電回路的電學特性的任何微小變化,會導致阻抗失配,需調節至最佳匹配,儀器線路比較復雜,成本較高,但性能較好。

ThermoElemental公司的的ICP均采用晶體控制型RF發生器,其結構框圖如下:

晶體控制型RF發生器的高功率輸出采用多級放大后才獲得,它包括:

1)       RF源放大:由石英晶體振蕩器(27.12MHz)和放大電路組成,受來自AGC(自動增益控制)的反饋電壓和計算機給定的控制,其輸出是穩定的、最大功率為3w的高頻信號。

2)       RF驅動放大:它介于源放大和功率放大之間,其作用是放大RF源放大級的高頻信號,以驅動功率放大器,并隔絕源振蕩器以改善穩定性,驅動放大級的最大輸出功率為65w。

3)       RF功率放大:它主要由大功率電子管(3cx1500A)來實現高頻信號的進一步放大,并通過工作線圈把RF功率耦合到等離子體上。功率放大級的最大輸出功率可達2Kw。

4)       匹配網絡:在以上各級放大器之間均存在阻抗匹配網絡,是為RF功率在各級間傳輸中獲得最高的效率。其中功率放大級的輸入、輸出匹配網絡十分重要,輸入匹配采用Л型匹配電路,如右圖調整匹配電容ClC2,使輸入功率放大級的反射功率幾乎為零。輸出匹配為自動匹配(Auto-Turning),自動跟蹤等離子體負截的變化,使等離子體始終獲得最高的功率傳輸效率。

5)       自動增益控制(AGC):它的作用是自動調整整個RF發生器的放大倍數,不管等離子體的阻抗以及等離子體與負載線圈耦合有何變化,始終保證等離子體的功率恒定不變。AGC同時又受計算機控制,以實現RF功率的計算機控制。

6)       工作線圈:工作線圈的作用是把RF發生器的高頻能量,耦合到等離子體。由于高頻電流傾向于在導體表面流動(即趨膚效應),工作線圈是由2.5圈鍍銀外層的空心銅管制成,內通冷卻水冷卻。為了防止其表面腐蝕或匝間高壓放電,工作線圈外套一層四氟乙烯。

7)       電源系統(POWER UNIT):為RF發生器提供各種電源,包括:+5V、+12V±15V+48V、+3800V120V AC其中+48V提供給RF驅動放大, +3800V提供給RF功率放大。該電源系統具有各種保護,并通過其電源控制單元(Power Unit Control)實現與整個儀器的通訊和控制。

3、固態式RF發生器

       固態式RF發生器是用一組固態場效應管(一般是十幾只配對)來替代經典RF發生器中的大功率電子管,以獲得大功率高頻能量輸出。固態式RF發生器具有更小的體積,有利于儀器的小型化。國產ICP發射光譜儀中北京華科天成科技公司的ICP光譜儀產品也采用了固態式RF發生器

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