飞行时间质谱仪射频四极杆驱动器的研制(2)

2.2、幅度控制模块

　　DDS输出的信号经滤波放大后,给数字模拟转换芯片TLC7524 ,通过单片机对数字-模拟转换器(digital-analog converter , DAC) 进行控制,从而实现幅度可控。

　　TLC7524 采用直通方式,8 位数字量一旦达到D7～D输入端,便立即进行D/A转换。TLC7524是CMOS的8位DAC,所以,可以对幅度进行256 级调节控制。

2.3、信号放大模块

　　DAC输出的信号,最大不超过5V。为了得到更大的输出幅度,需加有一级电压放大级,该任务由视频运放AD829 承担。AD829是一款低噪、高速运算放大器集成电路,性能十分优越,压摆率230V·us^-1,带宽为750MHz。在±15 V 供电下,输出电压的幅度最大可达到28Vp-p左右。

2.4、功率输出模块

　　功率输出级由分立元件搭建而成,放大电路原理图示于图5 。三极管采用2SD669 高压中功率三极管,其带宽增益积140MHz , Pc为1W ,Vcbo为180V。对三极管加散热片,采用0. 5 W功率电阻,变压器可以用漆包线在磁环上绕制获得,要注意电容的耐压特性。

图5 　射频四极杆驱动器功率放大模块

3、实验结果

3.1、射频驱动电源输出

　　用漆包线在直径48 mm 的铁氧体磁环上绕制变压器,主线圈绕4匝,次级线圈116匝,测量线圈4 匝,得到的磁环变压器输出信号示于图6 。在372kHz 下,幅度达到1200Vp2p ,系统总功耗约为7.2W。射频驱动电源输出频率特性示于图7,在365～387kHz 区间,输出信号大于500Vp-p 。

图6 　射频驱动电源输出电压波形   图7 　射频驱动电源输出频率特性

3.2、应用谱图结果

　　在一台自制的ESI-O-TOF 上,利用本工作设计的驱动电源,替代使用中的信号函数发生器(EE1641B,南京新联电子设备有限公司) ,对本设计进行可行性验证。

　　实验中,ESI 电离源所加高压为4 kV ,毛细管加热温度为125℃,进样针与毛细管之间的距离为2 mm。实验分别采用了1×10^-7 , 1×10^-6,1 ×10^-5mol·L^-1 的Gramicidin S(MW =1140.704u) 的甲醇溶液, 样品流速约为1μL ·min ^-1 。1 ×10 ^{- 6}mol·L ^-1 浓度下累积1s采集到的一幅谱图示于图8,主峰(m/z 571.36) 的峰面积为900, 信噪比S/N≥30, 半峰宽处分辨率为2000 。

图8 　10-6mol ·L^-1的GramicidinS样品的ESI-TOFMS谱图

　　实验结果表明,本设计的驱动能源能够替代使用商品信号函数发生器的旧方案,能够用于射频四极杆驱动,性能稳定可靠。

4、结论

　　将DDS技术应用于质谱仪研制, 为自制TOF MS研制了一种四极杆驱动器。通过按键,可以任意设定频率,可以对幅度进行大小控制。基于本研究的射频驱动装置结构简洁、性能可靠,比现有的系统成本低、体积小、操作方便。它可以用来驱动射频多极杆,包括四极杆、六极杆、八极杆,也可以应用于射频-直流多极杆。该四极杆驱动器的各主要参数还需继续优化,进一步提高其性能,开展深入研究,这将在后续的文章中报道。