РЕЗОНАНСНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ДОСТАВКИ ТОЧНОГО RF-НАПРЯЖЕНИЯ
RESONANT TRANSMISSION LINE FOR DELIVERING PRECISE RF VOLTAGE

Родственная заявка
[0001] Эта заявка является продолжением заявки США № 16/192,223, поданной 15 ноября 2018 года. Все содержимое вышеупомянутой заявки(ок) включено в данный документ по ссылке.
Уровень техники
[0002] Квадрупольные анализаторы, когда используются в анализаторах остаточных газов (RGA) и других масс-спектрометрах, требуют точно управляемого двухфазного RF-сигнала питания. Амплитуда RF-сигнала питания имеет порядок сотен вольт на пике (Vpk), а его частота типично равна нескольким МГц. Фактическая амплитуда напряжения и частота могут зависеть от требуемого диапазона массы и различных свойств квадрупольного анализатора. Применение квадрупольного анализатора может, например, использовать RF-сигнал питания с амплитудой 187,6 В на пике при 1,8432 МГц, хотя другие напряжения и частоты могут быть выбраны, чтобы удовлетворять требованиям конкретного анализатора и диапазона масс.
[0003] Квадрупольный анализатор, как правило, содержит две первичные подсистемы - квадрупольную подсистему (также называется в данном документе "вакуумной системой"), которая вмещает в себя квадрупольное устройство и ассоциированные аппаратные средства, и подсистему формирования сигнала, управления и анализа, которая вмещает в себя генератор RF-сигнала, компоненты управления и анализа и другую поддерживающую электронную аппаратуру.
[0004] Квадрупольная подсистема может быть размещена в среде ионизирующего излучения, которая может ухудшать полупроводниковые и другие компоненты подсистемы управления/анализа. Чтобы защищать эти уязвимые компоненты, подсистема управления анализа может быть удаленно расположена относительно квадрупольной подсистемы. В такой конфигурации квадрупольная подсистема и подсистема управления/анализа может быть соединена кабелем или посредством другой среды передачи данных и отделена расстоянием, которое типично равно десяткам метров.
[0005] Генератор RF-сигнала типично имеет фиксированную частоту, компонент с кварцевой стабилизацией частоты с модулятором амплитуды, сконфигурированным, чтобы точно управлять амплитудой RF-сигнала посредством системы управления. Система управления содержит точный выпрямитель, чтобы измерять напряжение RF-сигнала в квадрупольной подсистеме, и использует измерение в качестве сигнала обратной связи системы управления, чтобы поддерживать амплитуду RF-сигнала в требуемом значении. Генератор RF-сигнала и ассоциированная система управления, в целом, являются проектным решением, которое хорошо известно в уровне техники.
[0006] Обычной практикой является совместное размещение выпрямителя с подсистемой квадрупольного анализатора, чтобы точно измерять амплитуду RF-сигнала, прикладываемого к квадруполю. Когда квадруполь используется в среде ионизирующего излучения, выпрямитель может иметь тип электровакуумного диода (например, вакуумной лампы), поскольку полупроводниковый диод будет деградировать и/или неправильно срабатывать в присутствии ионизирующего излучения. Выходной сигнал выпрямителя должен проходить обратно в подсистему управления/анализа, что является неудобным и создает риск привнесения шума. Также существует вопрос морального старения электровакуумного диода и сложности реализации требуемого для него питания нагревателя.
Сущность изобретения
[0007] Описываемые варианты осуществления направлены на способы и системы для доставки RF-сигнала на расстояния, значительно большие по сравнению с пересекаемыми в системах предшествующего уровня техники (например, 15 м), и удаленного измерения, в подсистеме управления/анализа, амплитуды напряжения RF-сигнала, когда он существует в квадрупольном анализаторе. Расширение расстояния, которое RF-сигнал проходит, сохраняет уязвимые компоненты подсистемы управления/анализа в безопасности от среды ионизирующего излучения. Удаленное измерение напряжения RF-сигнала квадруполя в подсистеме управления/анализа обеспечивает расположение выпрямителя на безопасном расстоянии от среды ионизирующего излучения квадрупольного анализатора, предоставляя возможность использования полупроводникового выпрямителя и, таким образом, устраняя необходимость в выпрямителе на электронной лампе с термокатодом.
[0008] Описываемые варианты осуществления могут содержать линию передачи с открытым концом, которая резонирует на частоте RF-сигнала, проходя между подсистемой квадрупольного анализатора и подсистемой формирования сигнала, управления и анализа. Резонансная линия передачи конфигурируется, чтобы иметь электрическую длину (т.е., эффективную длину линии), равную половине длины волны (λ/2) рабочей частоты или целому кратному для λ/2. Примерные варианты осуществления, описанные в данном документе, могут использовать линию передачи, которая, при рабочей частоте 1,8432 МГц, равна приблизительно 52 метра (λ/2 х 1) или 104 метра (λ/2 х 2), хотя другие целые кратные числа для 52 метров могут альтернативно быть использованы.
[0009] Когда работает на своей резонансной частоте (т.е., частоте, при которой линия передачи имеет электрическую длину n*(λ/2), n является целым числом), входное и выходное напряжения резонансной линии передачи являются по существу идентичными. С помощью половины длины волны, резонансной лини передачи, амплитуда напряжения RF-сигнала, присутствующая в подсистеме квадрупольного анализатора, может, следовательно, быть точно измерена удаленно, в подсистеме формирования сигнала, управления и анализа, использующей полупроводниковый диод в качестве выпрямителя. Когда находится в состоянии резонанса, импеданс линии передачи является исключительно резистивным, который избегает неэффективностей, ассоциированных со сложным импедансом, без необходимости соответствующего завершения на принимающем конце линии передачи.
[0010] Описываемые варианты осуществления могут дополнительно содержать пару повышающих трансформаторов на конце квадрупольного анализатора линии передачи с половиной длины волны. Повышающие трансформаторы обеспечивают использование более низкого напряжения на линии передачи по сравнению с требуемым на самом квадруполе. В примерном варианте осуществления повышающие трансформаторы имеют отношение витков 1:5, хотя альтернативные варианты осуществления могут использовать другие отношения витков. Для этого примерного варианта осуществления RF-сигнал с амплитудой 187 В пикового напряжения на квадруполе соответствует RF-сигналу с амплитудой приблизительно 37,4 В пикового напряжения на линии передачи. Более низкое напряжение на линии передачи обеспечивает меньшие потери на рассеяние, по сравнению с линией передачи, предоставляющей RF-сигналы квадруполю без трансформаторов.
[0011] Предоставляется система для передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения от первой подсистемы второй подсистеме и для мониторинга и адаптивного управления амплитуды изменяющегося во времени сигнала напряжения. Система содержит линию передачи, имеющую первый конец и второй конец, линия передачи проходит от первого конца в первой подсистеме до второго конца во второй подсистеме. Линия передачи конфигурируется, чтобы иметь физическую длину, которая соответствует электрической длине для линии передачи, по существу равную положительному целому кратному числу для одной половины длины волны изменяющегося во времени сигнала напряжения, линия передачи сконфигурирована быть резонансной. Средство адаптивного управления в первой подсистеме конфигурируется, чтобы (i) электрически соединять изменяющийся во времени сигнал напряжения с первым концом и (ii) регулировать генератор изменяющегося во времени сигнала напряжения на основе выборки изменяющегося во времени сигнала на первом конце, чтобы поддерживать амплитуду изменяющегося во времени сигнала напряжения на требуемом уровне. По меньшей мере один трансформатор во второй подсистеме электрически соединяется со вторым концом линии передачи и конфигурируется, чтобы увеличивать амплитуду изменяющегося во времени сигнала напряжения.
[0012] Первая подсистема может включать в себя электронную аппаратуру для формирования сигнала, управления и анализа, а вторая подсистема может включать в себя квадрупольный анализатор. Изменяющийся во времени сигнал напряжения может быть радиочастотным сигналом напряжения, сконфигурированным с возможностью приложения через упомянутый по меньшей мере один трансформатор к квадрупольным элементам квадрупольного анализатора.
[0013] Средство адаптивного управления может содержать выпрямитель, сконфигурированный, чтобы осуществлять выборку изменяющегося во времени сигнала напряжения на первом конце линии передачи и создавать из него сигнал обратной связи. Средство адаптивного управления может быть сконфигурировано, чтобы регулировать генератор изменяющегося во времени сигнала напряжения на основе выборки изменяющегося во времени сигнала напряжения на первом конце, чтобы поддерживать амплитуду изменяющегося во времени сигнала напряжения на требуемом уровне. Выпрямитель может быть полупроводниковым диодом. Компенсирующий диод может быть электрически соединен с выпрямителем. Компенсирующий диод может быть сконфигурирован так, что изменение в напряжении проводимости компенсирующего диода относительно температуры смягчает изменение в напряжении проводимости выпрямителя относительно температуры.
[0014] По меньшей мере один отрезок линии передачи, выбранный из набора отрезков линии, может быть добавлен к линии передачи. По меньшей мере один отрезок линии передачи конфигурируется, чтобы обеспечивать грубую регулировку электрической длины линии передачи посредством регулировки физической длины линии передачи, если линия передачи не находится в диапазоне регулировки для тонкой регулировки. Тонкая регулировка может происходить через регулируемый конденсатор, соединенный параллельно с первым концом линии передачи, регулируемый конденсатор сконфигурирован, чтобы обеспечивать компенсацию для помещения линии передачи в состояние резонанса.
[0015] Настраиваемый резонансный контур может быть сконфигурирован, чтобы принимать сигнал возбуждения от генератора сигнала и резонировать с частотой сигнала возбуждения, чтобы создавать изменяющийся во времени сигнал напряжения.
[0016] По меньшей мере один трансформатор может содержать два трансформатора, электрически соединенных с изменяющимся во времени сигналом напряжения, чтобы создавать две фазы изменяющегося во времени сигнала напряжения. Или по меньшей мере один трансформатор может содержать единственный трансформатор, имеющий первичную обмотку и две вторичные обмотки, две вторичные обмотки сконфигурированы, чтобы создавать две фазы изменяющегося во времени сигнала напряжения, прикладываемого к первичной обмотке.
[0017] Линия передачи может быть компонентом кабельного узла, кабельный узел объединяет один или более коммуникационных путей для передачи одного или более из информации, управляющих сигналов и мощности между первой подсистемой и второй подсистемой. Первая подсистема может быть расположена по меньшей мере в половине длины волны от второй подсистемы. Например, первая подсистема может быть расположена по меньшей мере в 30 метрах от второй подсистемы, или по меньшей мере в 50 метрах от второй подсистемы.
[0018] В способе передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения от первой подсистемы второй подсистеме, и для мониторинга и адаптивного управления амплитуды изменяющегося во времени сигнала напряжения, изменяющийся во времени сигнал напряжения электрически соединяется с первым концом линии передачи, линия передачи протягивается от первого конца в первой подсистеме до второго конца во второй подсистеме. Физическая длина линии передачи конфигурируется, чтобы она соответствовала электрической длине, по существу равной положительному целому кратному для одной половины длины волны изменяющегося во времени сигнала напряжения. В средстве адаптивного управления в первой подсистеме генератор изменяющегося во времени сигнала напряжения регулируется, на основе выборки изменяющегося во времени сигнала напряжения на первом конце, чтобы поддерживать амплитуду изменяющегося во времени сигнала напряжения на требуемом уровне. Амплитуда изменяющегося во времени сигнала напряжения увеличивается с помощью по меньшей мере одного трансформатора во второй подсистеме, при этом упомянутый по меньшей мере один трансформатор электрически соединен со вторым концом.
Краткое описание чертежей
[0019] Вышеупомянутое будет понятно из последующего более конкретного описания примерных вариантов осуществления, проиллюстрированных на сопровождающих чертежах, на которых аналогичные ссылочные обозначения относятся к одинаковым частям на различных изображениях. Чертежи не обязательно начерчены в масштабе, вместо этого упор делается на иллюстрацию вариантов осуществления.
[0020] Фиг. 1A изображает пример системы масс-спектрометра согласно изобретению.
[0021] Фиг. 1B иллюстрирует более подробный вид примерного масс-спектрометра, показанного на фиг. 1A.
[0022] Фиг. 2 показывает более подробный вид примерного варианта осуществления системы для передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения согласно изобретению.
[0023] Фиг. 3 иллюстрирует примерный способ передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения от первой подсистемы второй подсистеме, и для мониторинга и адаптивного управления амплитуды изменяющегося во времени сигнала напряжения, согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
[0024] Далее следует описание примерных вариантов осуществления.
[0025] Содержимое всех патентов, опубликованных заявок и ссылок, процитированных в данном документе, полностью включено в данный документ по ссылке.
[0026] Описываемые варианты осуществления направлены на доставку RF-сигнала на расстояния, в значительной степени большие по сравнению с пересекаемыми в системах предшествующего уровня техники, и удаленное измерение, в подсистеме управления/анализа, амплитуды напряжения RF-сигнала, когда он существует в квадрупольном анализаторе. В целом, описываемые варианты осуществления используют резонансную линию передачи, сконфигурированную так, что ее электрическая длина равна одной половине длины волны RF-сигнала, чтобы передавать RF-сигнал квадрупольному анализатору. Свойством резонансной линии передачи является то, что она показывает одинаковую амплитуду RF-напряжения на обоих концах линии передачи.
[0027] Фиг. 1A изображает пример системы 100 масс-спектрометра, в которой описываемые варианты осуществления могут быть применены. Система 100 может содержать квадрупольную подсистему 102, подсистему 104 формирования сигнала, управления и анализа и кабельный узел 106, который соединяет подсистемы 102, 104. Подсистема 102 квадруполя может постоянно находиться в неблагоприятной среде, например, "горячей" зоне излучения, в то время как подсистема 104 формирования сигнала, управления и анализа может постоянно находиться в нормальной, безопасной зоне, заданной далеко от неблагоприятной среды. Расстояние от неблагоприятной среды, необходимое, чтобы считаться безопасной средой, зависит от природы неблагоприятной среды. В то время как менее неблагоприятная среда может требовать расстояния (и, таким образом, длины кабеля) 5-15 метров, более суровые среды (например, приборы ядерной физики, такие как ускорители частиц и генераторы нейтронов высокой плотности) могут требовать отдаления на 50 метров или более.
[0028] Фиг. 1B иллюстрирует более подробный вид примерного масс-спектрометра 100, показанного на фиг. 1A. Элементы описываемых вариантов осуществления системы для передачи изменяющегося во времени сигнала 108 напряжения изображаются в штриховой рамке. Эти элементы будут описаны более подробно ниже, следом за описанием всей системы, в которой описанные варианты осуществления находятся.
[0029] Подсистема 102 квадруполя может содержать вакуумную систему 110, которая содержит источник ионов, и линзовый узел 112, квадрупольный анализатор 114, диск Фарадея и узел 116 электронного умножителя и пару повышающих трансформаторов 118. Подсистема 110 квадруполя может работать в среде ионизирующего излучения, т.е., "горячей" зоне 120 излучения.
[0030] Подсистема 104 формирования сигнала, управления и анализа является средством адаптивного управления, которое может содержать источник питания и узел 122 системы управления электронной аппаратурой и узел 124 возбуждения линии передачи и выпрямителя.
[0031] Кабельный узел 106, который предпочтительно включает в себя иллюстрированные кабели и сигнальные линии в единой оболочке кабеля, может содержать главный силовой кабель 126, который передает мощность от источников питания и узла 122 системы управления электронной аппаратурой к источнику ионов и линзовому узлу 112. Кабельный узел 106 может дополнительно содержать возвратный сигнальный кабель 128, который передает сигналы обнаружения от диска Фарадея и узла 116 электронного умножителя источнику питания и узлу 122 управления электронной аппаратурой. Кабельный узел 106 может дополнительно содержать коаксиальную линию 130 передачи и один или более двоично взвешенных отрезков 132 линии.
[0032] Фиг. 2 показывает более подробный вид примерного варианта осуществления системы 108 для передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения согласно изобретению. Примерный вариант осуществления содержит настроенный резонансный контур 202, схему 204 выпрямителя, схему 206 температурной компенсации, компонент 208 регулировки эффективной длины линии, линию 130 передачи с половиной длины волны и трансформаторы 212.
[0033] Настроенный контур 202 принимает RF-сигнал 214 от RF-генератора с кварцевой стабилизацией частоты в источнике питания и узле 122 управления электронной аппаратурой. Значения компонентов L1, L2 и C1 выбираются, чтобы формировать резонансный контур, который резонирует с частотой RF-сигнала 214, уменьшая гармоники от модулятора и максимизируя амплитуду при резонансной частоте. Переменный конденсатор C2 может быть использован для регулировки резонансной частоты, чтобы она соответствовала частоте RF-сигнала 214. Настроенный контур 202 возбуждает RF-сигнал для линии 130 передачи через конденсатор C3, который обеспечивает изоляцию постоянного тока (DC), и через полное сопротивление R2 возбуждения. Полное сопротивление R2 возбуждения обеспечивает буфер во время перехода после включения электропитания системы, когда резонансные компоненты могут еще не быть настроены. Во время такого перехода непредсказуемые отражения могут вспыхивать на пути передачи, которые могут повреждать составляющие компоненты. Полное сопротивление R2 возбуждения может смягчать такие отражения. В установившемся состоянии, когда резонансные компоненты настроены, R2 представляет согласованный импеданс для линии 130 передачи.
[0034] Схема 204 выпрямителя применяет полупроводниковый диод D1, чтобы выпрямлять показательную выборку RF-сигнала напряжения на входе линии 130 передачи. Выпрямленная выборка проходит через R4, чтобы создавать ток обратной связи, который передается источнику питания и узлу 120 управления электронной аппаратурой. Ток обратной связи используется системой управления в узле 122 источника питания и управления электронной аппаратурой, чтобы адаптивно поддерживать амплитуду RF-сигнала в требуемом значении.
[0035] Диод D1 подвергается воздействию температурного коэффициента, так что температура диода D1 увеличивается, напряжение прямой проводимости D1 уменьшается порядка нескольких милливольт на °C. Напряжение RF-сигнала требует точной регулировки для использования с квадрупольным анализатором. Поскольку напряжение RF-сигнала имеет относительно широкий динамический диапазон, ошибка, вызванная температурным коэффициентом в диапазоне рабочих температур системы, может неблагоприятно влиять на работу на нижнем конце динамического диапазона.
[0036] Схема 206 температурной компенсации работает, чтобы противодействовать влияниям температурного коэффициента D1. Схема 206 температурной компенсации содержит диод D2, который электрически соединяется встречно диоду D1 и располагается довольно близко к диоду D1, так что D1 и D2 испытываются по существу одинаковую окружающую температуру. Диод D2 электрически смещается через R18 посредством источника -15В. Диод D2 выбирается имеющим по существу тот же температурный коэффициент, что и диод D1, таким образом, когда общая окружающая температура изменяется, изменение в точке смещения для D2 сдвигает точку смещения для D1 на одинаковую величину.
[0037] Линия 130 передачи принимает RF-сигнал от настроенного контура 202 через конденсатор C3 и полное сопротивление R2 возбуждения. Линия 130 передачи конфигурируется, чтобы иметь физическую длину, которая приблизительно равна электрической длине (также называемой в данном документе эффективной длиной), которая равна одной половине длины волны (λ) RF-сигнала. Для этой электрической длины, или целого кратного этой длины, линия 130 передачи является резонансной на частоте RF-сигнала. Длина волны сигнала в линии передачи задается формулой:
где f является частотой RF-сигнала, а v является коэффициентом скорости среды распространения. В примерном варианте осуществления линия 130 передачи является коаксиальным кабелем RG58, который имеет точно определенный коэффициент скорости v, равный 0,66. При частоте RF-сигнала, равной 1,8432 МГц, и использовании точно определенного коэффициента скорости электрическая длина λ/2 для кабеля RG58 должна быть 53,71 м. На практике, однако, резонанс происходит при длине линии передачи, равной 51,79 м, подразумевающей, что фактический коэффициент скорости приблизительно равен 0,6364.
[0038] Линия 130 передачи может быть отрегулирована или "настроена", чтобы обеспечивать соответствующую электрическую длину для резонанса на частоте RF-сигнала, посредством одного или обоих из двух ресурсов регулировки. Грубая регулировка, требуемая, только если линия передачи не находится в диапазоне тонкой регулировки конденсатора C6, отмеченного ниже, может быть осуществлена посредством вставки одного или более отрезков 132 линии, как показано на фиг. 1B. Эти отрезки 132 линии могут регулировать электрическую длину линии 130 передачи посредством простого изменения своей физической длины. Хотя примерный вариант осуществления, показанный на фиг. 1B, изображает отрезки 132 линии с двоичным взвешиванием, равные 2 м, 1 м и 0,5 м, другие значения двоично или иначе взвешенных отрезков 132 линии могут быть использованы в дополнение к или вместо перечисленных значений.
[0039] Тонкая регулировка может быть осуществлена посредством манипулирования переменным конденсатором C6 на стороне возбуждения линии 130 передачи. Переменный конденсатор C6 работает как реактивная нагрузка на линии 130 передачи, и значение для C6 может быть отрегулировано таким образом, что сочетание переменного конденсатора C6 и линии передачи резонирует на частоте RF-сигнала.
[0040] Примерной процедурой для настройки линии 130 передачи может быть приложение RF-сигнала к линии 130 передачи и наблюдение напряжения RF-сигнала на входе линии передачи. Отрезки 132 линии передачи могут быть выборочно добавлены в линию 130 передачи до тех пор, пока максимум напряжения RF-сигнала не будет наблюдаться. Переменный конденсатор C6 может затем регулироваться до тех пор, пока максимум напряжения RF-сигнала не будет наблюдаться. Другие настроечные процедуры, известные в уровне техники, могут альтернативно быть использованы.
[0041] Трансформаторы 212 принимают RF-сигнал, распространяемый посредством линии 130 передачи, и повышают напряжение RF-сигнала для использования квадрупольным анализатором 114. Трансформаторы принимают противоположные полярности RF-сигнала, так что трансформаторы создают разные фазы повышенного напряжения RF-сигнала, при этом выходной сигнал одного трансформатора сдвинут на 180 градусов от другого.
[0042] В примерном варианте осуществления трансформаторы 212 могут содержать два отдельных, но сильно связанных трансформатора, каждый с отношением витков 1:5, так что напряжение RF-сигнала на выходе трансформатора в пять раз больше напряжения RF-сигнала на входе трансформатора. Следует понимать, однако, что другие отношения витков могут альтернативно быть использованы. Трансформаторы также являются регулируемыми для настройки емкости квадруполя. В другом примерном варианте осуществления трансформаторы 212 могут содержать единственный трансформатор с одной первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками. С повышающими трансформаторами пониженный сигнал напряжения может быть передан по линии передачи, чтобы сохранять потери, которые являются пропорциональными квадрату напряжения RF-сигнала, на приемлемом уровне. В варианте осуществления один или оба трансформатора могут иметь регулируемые выводы, чтобы обеспечивать регулировку выходного напряжения вторичной обмотки относительно входного напряжения первичной обмотки.
[0043] Фиг. 3 иллюстрирует примерный способ 300 передачи изменяющегося во времени сигнала напряжения от первой подсистемы второй подсистеме, и для мониторинга и адаптивного управления амплитуды изменяющегося во времени сигнала напряжения, согласно изобретению. Способ может содержать электрическое соединение 302 изменяющегося во времени сигнала напряжения с первым концом линии передачи, линия передачи протягивается от первого конца в первой подсистеме до второго конца во второй подсистеме. Способ может дополнительно содержать конфигурирование 304 линии передачи, чтобы (i) иметь электрическую длину, по существу равную положительному целому кратному для одной половины длины волны (λ/2) изменяющегося во времени сигнала напряжения, и (ii) быть ненагруженной (холостой). Способ может дополнительно содержать регулировку 306, с помощью средства адаптивного управления в первой подсистеме, генератора изменяющегося во времени сигнала напряжения на основе выборки изменяющегося во времени сигнала напряжения на первом конце. Способ может дополнительно содержать увеличение 308 амплитуды изменяющегося во времени сигнала напряжения с помощью по меньшей мере одного трансформатора во второй подсистеме, при этом упомянутый по меньшей мере один трансформатор электрически соединяется со вторым концом.
[0044] Хотя примерные варианты осуществления были, в частности, показаны и описаны, специалистам в области техники будет понятно, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отступления от объема вариантов осуществления, охватываемых прилагаемой формулой изобретения.