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ICP发射光谱仪讲义-RF发生器
www2138com官网:0 发布时间:2016-01-05
 

ICP发射光谱仪的RF发生器通过工作线圈给等离子体输送能量,维持ICP光源稳定放电,目前ICPRF发生器主要有两种震荡类型,即自激式和它激式。

 

.1、自激式RF发生器

自激式RF发生器又称自由振式RF发生器,它有整流电源、振荡回路和电子管功率放大器三部分组成。

整流电源是由三相电源经升压、三相全波整流及LC滤波提供电子管功率放大器所需的直流高压(3千伏)。

其振荡回路是由一个电容和一个电感组成的并联回路,当有外加电源时,回路内将产生振荡信号,回路能量交替地储存在电容和电感上。当回路中电阻很小时,即        R< 2L/C1/2,其振荡频率为:f=1/{2pL/C1/2 }

由于回路电阻的存在,每次振荡总要消耗部分能量,使振荡受到阻尼,为了维持等辐振荡,并保持一定的输出功率,使用电子管功率放大器,把L-C振荡回路的信号正反馈一部分供给放大器的栅极,经功放后再输出给L-C回路,这样L-C回路不断地从放大器取得能量,除反馈一部分外,大部分能量用电感耦合方式供给等离子体,从而维持稳定的等辐振荡和功率输出。信号正反馈的形式国外多采用电容反馈型,而国内生产的则多采用电感反馈型。

自激式振荡器的主要特点是结构简单、价格低廉、制造调试比较容易,在技术指标上能基本满足光谱分析要求,但其主要的缺点是频率稳定性及功率稳定性较差,这主要是由于等离子体负载是作为振荡回路的一部分,负载的改变将影响L-C振荡器的频率及回路的工作状态。

 

2、它激式RF发生器

它激式RF发生器又称晶体控制型RF发生器,它与自激式不同,它是利用石英晶体的压电效应构成振荡器也取代L-C振荡回路的电容、电感元件。

将石英晶体按一定方位角切制成一块正方形(或长方形或圆形)簿片,在晶片的两个对应表面上喷涂金属板,就可构成石英晶体振荡器。当晶体片上加上一个电场,就会使晶片发生机械形变,相反,在晶体片上加一个机械力又会在相应的方向上产生电场,这种现象称石英晶体的压电效应。若在晶片上下的金属板上施加变电压,就会产生相应的机械形变,即机械振动,通常情况下,这种形变振幅很小,当外加交变电压为某一特定频率时,振幅会突然啬,这种现象为压电谐振,这一频率称为晶体的谐振频率,它和晶体的尺寸有关。

在它激式振荡器中,常应用一个频率为27.12MHz40.68MHz的石英晶体振荡器作为振源,经过两级功率放大,就可得到27.12MHz40.68MHz2.0Kw的输出信号。通过匹配网络和同轴电缆传输到负载线圈上。这类发生器频率稳定度高,耦合效率好,功率输出易于自动控制,但放电回路的电学特性的任何微小变化,会导致阻抗失配,需调节至最佳匹配,仪器线路比较复杂,成本较高,但性能较好。

ThermoElemental企业的的ICP均采用晶体控制型RF发生器,其结构框图如下:

晶体控制型RF发生器的高功率输出采用多级放大后才获得,它包括:

1)       RF源放大:由石英晶体振荡器(27.12MHz)和放大电路组成,受来自AGC(自动增益控制)的反馈电压和计算机给定的控制,其输出是稳定的、最大功率为3w的高频信号。

2)       RF驱动放大:它介于源放大和功率放大之间,其作用是放大RF源放大级的高频信号,以驱动功率放大器,并隔绝源振荡器以改善稳定性,驱动放大级的最大输出功率为65w

3)       RF功率放大:它主要由大功率电子管(3cx1500A)来实现高频信号的进一步放大,并通过工作线圈把RF功率耦合到等离子体上。功率放大级的最大输出功率可达2Kw

4)       匹配网络:在以上各级放大器之间均存在阻抗匹配网络,是为RF功率在各级间传输中获得最高的效率。其中功率放大级的输入、输出匹配网络十分重要,输入匹配采用Л型匹配电路,如右图调整匹配电容ClC2,使输入功率放大级的反射功率几乎为零。输出匹配为自动匹配(Auto-Turning),自动跟踪等离子体负截的变化,使等离子体始终获得最高的功率传输效率。

5)       自动增益控制(AGC):它的作用是自动调整整个RF发生器的放大倍数,不管等离子体的阻抗以及等离子体与负载线圈耦合有何变化,始终保证等离子体的功率恒定不变。AGC同时又受计算机控制,以实现RF功率的计算机控制。

6)       工作线圈:工作线圈的作用是把RF发生器的高频能量,耦合到等离子体。由于高频电流倾向于在导体表面流动(即趋肤效应),工作线圈是由2.5圈镀银外层的空心铜管制成,内通冷却水冷却。为了防止其表面腐蚀或匝间高压放电,工作线圈外套一层四氟乙烯。

7)       电源系统(POWER UNIT):为RF发生器提供各种电源,包括:+5V+12V±15V+48V+3800V120V AC其中+48V提供给RF驱动放大, +3800V提供给RF功率放大。该电源系统具有各种保护,并通过其电源控制单元(Power Unit Control)实现与整个仪器的通讯和控制。

3、固态式RF发生器

       固态式RF发生器是用一组固态场效应管(一般是十几只配对)来替代经典RF发生器中的大功率电子管,以获得大功率高频能量输出。固态式RF发生器具有更小的体积,有利于仪器的小型化。国产ICP发射光谱仪中北京华科天成科技企业的ICP光谱仪产品也采用了固态式RF发生器

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