Система импульсного высокочастотного питания для

УДК 621.384.83 СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ГИПЕРБОЛОИДНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ © 2008 г. , , , , , Рязанский государственный радиотехнический университет Россия, 391000, Рязань, ГСП, ул. Гагарина, 59/1 Поступила в редакцию 27.06.2007 г. Описан генератор импульсов для питания масс-спектрометров динамического типа с частотной разверткой спектров масс. Использование резонансного способа формирования фронтов импульсов позволило в 4-6 раз снизить потребляемую мощность по сравнению с простым перезарядом емкости нагрузки. Разработаны экономичные генераторы с максимальной частотой повторения импульсов 4 МГц, размахом выходного напряжения 100 В и потребляемой мощностью 1 Вт. PACS: 82.80.ms Одним из инструментов анализа состава атмосферы и грунта в космических исследованиях являются масс-спектрометры. Условиям космических экспериментов в наибольшей мере соответствуют динамические масс-спектрометры, имеющие малые габариты, массу и энергопотребление. Приборы этого класса — ионные ловушки, фильтры масс использовались при изучении атмосферы планет Солнечной системы . Реализация новых космических проектов требует существенного улучшения массогабаритных показателей, снижения энергопотребления и повышения надежности масс-спектрометрических приборов. Перспективным с этой точки зрения является масс-анализатор на основе двумерного гиперболического конденсатора . Масс-анализатор содержит два гиперболических электрода с минимальными расстояниями r 01 и r 02 от оси Z (рис. 1). Достоинства двумерного гиперболического конденсатора заключаются в простоте его конструк Y ГВЧ r 01 r 02 0- x 0 x 0 X ции, малых габаритах и массе, необходимости для работы анализатора лишь одного в.ч. питающего напряжения. Развертка масс может осуществляться изменением амплитуды или частоты в.ч.-напряжения. Для космических исследований была разработана малогабаритная электродная система анализатора масс-спектрометра типа двумерного гиперболического конденсатора с параметрами r 01 = 6 мм, r 02 = 0.6 мм, L = 200 мм. Другая задача при создании масс-спектрометра заключалась в разработке системы в.ч.-питания анализатора, обеспечивающей развертку масс в диапазоне 2-400 а.е.м., время развертки ?1 с и потребление мощности ?1 Вт. Экспериментальное исследование масс-анализатора с электродной системой в виде гиперболического конденсатора показало, что требуемая чувствительность и разрешающая способность прибора достигается при амплитудах в.ч. U m ? 35 В. При этом оказалось целесообразным для питания анализатора исполь Y ZL0 Рис. 1. Электродная система масс-анализатора. ГВЧ — генератор высокой частоты. УФР СЧ УУ ВК Пуск Рис. 2. Структурная схема ГВЧ. УФР — устройство формирования развертки спектров масс; СЧ — синтезатор частоты; УУ — устройство управления; ВК — выходной каскад. зовать импульсное напряжение с постоянной амплитудой, а развертку масс осуществлять изменением частоты повторения импульсов. При амплитуде импульсов U m = 50 В, размере электродной системы r 01 = 6 мм и диапазоне анализируемых масс 2-400 а.е.м. частота импульсного генератора (ГВЧ) должна изменяться от 4 МГц до 280 кГц по экспоненциальному закону. При разработке ГВЧ учитывались также требования к стабильности амплитуды и частоты в.ч. питающего напряжения, которые являются одним из факторов, определяющих разрешающую способность прибора. Для элементного анализа в диапазоне 2-400 а.е.м. достаточной является разрешающая способность R ? 400, которая достигается при нестабильности амплитуды ? v ? 2 · 10 -3 и частоты ? f ? 5 · 10 -4 . Структурная схема ГВЧ для импульсного в.ч.-питания гиперболического масс-анализатора приведена на рис. 2. По команде Пуск устройство формирования развертки спектров УФР формирует последовательность из 2 · 10 3 15-разрядных кодовых комбинаций, управляющих работой синтезатора частоты. Закон развертки масс, близкий к экспоненциальному, запрограммирован в УФР. Синтезатор частоты СЧ вырабатывает импульсы, частота которых соответствует входным кодовым комбинациям. В устройстве управления УУ из импульсов формируются сигналы, управляющие работой выходного каскада ВК. Наиболее ответственными элементами структурной схемы являются СЧ и ВК, определяющие стабильность параметров формируемого в.ч.-напряжения и экономичность генератора. Рассмотрим подробнее принцип построения и схемную реализацию этих устройств. В основе работы СЧ (рис. 3) лежит периодический перезаряд времязадающего конденсатора C постоянным током I до знакопеременного напряжения ±U . Знакопеременные токи и напряжения формируются с помощью переключателей тока ПТ и напряжения ПН из постоянных токов I 1 , I 2 , задаваемых цифроаналоговыми преобразователями ЦАП 1 и ЦАП 2 в соответствии со значением кода частоты. Линейно изменяющееся напряжение на конденсаторе U C и выходное напряжение U ключа ПН сравниваются компаратором К. При U = U C под действием выходного сигнала компаратора на ключи ПТ и ПН подается импульс, изменяющий направление тока I через (a) K + ДЧ k д U C U ПТ ПН I C I 1 I 2 ЦАП 2 ЦАП 1 Код частоты (б) U U C U 0 t Рис. 3. Синтезатор частоты: а — структурная схема (К — компаратор, ПТ — переключатель тока, ПН — переключатель напряжения, ЦАП — цифроаналоговый преобразователь, ДЧ — делитель частоты); б — временная диаграмма. конденсатор и полярность напряжения U. Начинается перезаряд конденсатора C в противоположном направлении. При этом возникают периодические колебания с частотой f I 1 2CR 0 I 2 —————— ,= (1) где R 0 — масштабный коэффициент преобразования тока I 2 в напряжение U. Если величины токов I 1 и I 2 изменять в зависимости от значения A входного кода в соответствии с выражениями (2) где I 0 — максимальный выходной ток, k — разрядность цифроаналогового преобразователя, то зависимость частоты синтезатора от значения выходного кода в диапазоне f 0 /4 ? f ? f 0 оказывается близкой к экспоненциальной: I 1 I 0 2 A/2k–() , I 2 I 0 1 A/2k+() ,== f 1 A/2k+ 2 R 0 C 2 A/2k–() —————————————- f 0 2 A/2k–[] ,exp?= (3) где f 0 = 1/4R 0 C — наибольшая частота генератора импульсов. Зависимости токов (2) реализуются с помощью ЦАП 1 , ЦАП 2 и генераторов стабильного тока в переключателях ПТ и ПН. Для расширения диапазона частот синтезатора используется делитель частоты ДЧ с коэффициентом деле M 1-1 & & M 1-2 УУ & M 2-1 M 2-2 & Д 1 Д 2 0.1 +E п 0.1 20 Тр1 Тр3 Т 1 R 1 68 Т 3 56 3.3 н 0.1 Др1 +2.2 М R 2 68 Т 4 56 2 н Тр2 Тр4 0.1 0.1 20 Т 2 Д 3 Д 4 0.1 -E п Рис. 4. Принципиальная схема выходных каскадов генератора развертки для динамического масс-спектрометра. М 1 , М 2 — 530ЛА16; T 1 , T 4 — 2Т904, T 2 , T 3 — 2Т914; Д 1 -Д 4 — 2Д510А; Тр1, Тр2 — феррит М2000НМ1 (К5 ? 3 ? 1.5), провод ПЭВ-2, ?0.1 мм, w 1 = w 2 = 5 витков, Тр3, Тр4 — феррит М2000НМ1 (К16 ? 10 ? 4.5), ПЭВ-2, ?0.1 мм, w 1 = w 2 = 8 витков; Др1 — феррит М60НН2 (К32 ? 20 ? 6), ПЭВ-2, ?1 мм, w = 12 витков. ния k д = 4, 16, … . Число точек развертки масс в пределах одного диапазона определяется разрядностью ЦАП N = 2 k . Синтезатор частоты выполнен на компараторе 597СА1, переключателях тока и напряжения на транзисторных сборках 159НТ1, цифроаналоговый преобразователь — 594ПА1. Задающий генератор имеет параметры: f 0 = 10 МГц, нестабильность частоты ? f = 10 -4 , время переключения частоты 0.1 мкс, число точек экспоненциальной развертки в пределах одного диапазона N = 4096. Синтезатор формирует импульсную последовательность с э.с.л.-уровнями. Для увеличения выходного напряжения ГВЧ до уровня ±50 В используется выходной каскад. Основное требование к ВК: стабильность уровней выходного напряжения и экономичность. Нагрузкой ВК является емкость электродной системы C н = 50-100 пФ. При простом перезаряде емкости через ключевые транзисторы потребляемая мощность на максимальной частоте диапазона f макс = 4 МГц превышает 4 Вт. Поэтому для снижения потребления целесообразно использовать схемы выходных каскадов с резонансным перезарядом емкости нагрузки C н через в.ч.-дроссель, который вместе с C н образует последовательный резонансный контур . При этом на ключевых транзисторах во время перезаряда падает минимальное напряжение U < 1 B, что позволяет в 4-5 раз снизить потребляемую мощность и использовать в качестве ключевых с.в.ч.-транзисторы с максимальным коллекторным напряжением, вдвое меньшим, чем в случае простого перезаряда емкости C н . Схема ВК со схемой управления представлена на рис. 4. Роль ключевых выполняют комплементарные транзисторы КТ904А и КТ914А, имеющие малую емкость коллектора (?12 пФ). Транзисторы T 3 и T 4 - фиксирующие, поддерживают постоянными вершины импульсов в паузах между перезарядами емкости нагрузки. Диоды Д 2 , Д 3 устраняют обратные напряжения на ключевых транзисторах, Д 1 , Д 4 - паразитные колебания на вершинах импульсов. Переключение транзисторов T 1 -T 4 осуществляется импульсами, формируемыми схемой управления на микросхемах серии 530. Микросхемы М 1 , М 2 используются как быстродействующие формирователи с повышенной нагрузочной способностью. На формирователи М 1-1 , М 2-2 с выходов ждущих мультивибраторов поочередно поступают импульсы длительностью 40 нс, равной длительности фронтов выходных импульсов ГВЧ. Выходными импульсами формирователей через в.ч.-трансформаторы Тр1, Тр2 управляются ключевые транзисторы T 3 и T 4 , коллекторные токи которых через в.ч.-дроссель Дp1 перезаряжают емкость нагрузки. При этом фронт и спад выходных импульсов имеют косинусоидальную форму. На интервалах между фронтом и спадом формирователи М 1-2 , М 2-1 вырабатывают импульсы, попеременно открывающие фиксирующие транзисторы T 3 , T 4 . С помощью переменных резисторов R 1 , R 2 устанавливается степень насыщения транзисторов, соответствующая максимальному диапазону частот генератора. 26 a / q = 0.144 a / q = 0.173 27 28 28 30 32 34 36 38 40 42 44 a. .м. Рис. 5. Масс-спектр остаточной атмосферы при давлении 10 -4 Па, полученный с помощью гиперболического конденсатора при импульсном питании с амплитудой U m = 50 В (a и q - безразмерные параметры диаграммы стабильности масс-анализатора). На врезке выделен фрагмент масс-спектра для 28 а.е.м. при увеличении разрешающей способности. Разработанный ГВЧ позволяет формировать импульсное напряжение на емкостной нагрузке C н < 100 пФ с размахом до 100 В и с частотой f макс = = 4 МГц, потребляемая мощность на максимальной частоте не превышает 1 Вт. Испытания генератора в составе масс-спектрометра на гиперболоидном конденсаторе подтвердили его экономичность и надежность, что делает возможным его использование в составе аппаратуры для космических исследований. На рис. 5 представлен масс-спектр остаточной атмосферы при давлении 10 -4 Па, полученный на экспериментальном приборе с импульсным в.ч.-питанием и частотной разверткой спектра масс при амплитуде U m = 50 B. Динамический диапазон прибора составил 10 3 при разрешающей способности по уровню 0.1, равной R = 250. Результаты эксперимента подтвердили возможность использования разработанного ГВЧ в составе масс-спектрометрической аппаратуры для космических исследований. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. , , , Корнеева О.В. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып. 1. С. 42. 2. , , и др. // ПТЭ. 1989. № 4. С. 166. 3. // Научное приборостроение. Рязань: Рязан. радиотехн. ин-т, 1997. С. 68. 4. , Патент 2010392 РФ. Кл. 5Н01J49/42 // БИ. 1994. № 6. С. 161. 5. // ПТЭ. 1999. № 4. С. 117.