Радиочастотный резонансный трансформатор для питания электродов ловушек Пауля

Полезная модель относится к высокочастотной радиотехнике и может быть использована в качестве радиочастотного резонансного трансформатора для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки Пауля что позволяет увеличить амплитуду радиочастотного сигнала на электродах ловушки на рабочей частоте (1-100 МГц) до требуемой величины.
Ловушка Пауля представляет собой квадрупольную ионную ловушку, в которой для захвата ионов используются статическое постоянное поле и радиочастотное осциллирующее электрическое поле. На основе ловушек Пауля реализуются реперы частоты и квантовые гейты, в которых захваченные ионы выступают в роли основы. Чтобы эффективно захватывать ионы, к ловушке Пауля должно быть приложено достаточно высокое радиочастотное напряжение (50-1500 В). При этом необходимая амплитуда напряжения зависит от конфигурации ловушки и требуемого режима работы.
Генерирование радиочастотного напряжения на электродах ловушки непосредственно с помощью генератора сигналов или радиочастотного усилителя является нецелесообразным, так как ионная ловушка представляет собой нагрузку с высоким импедансом (в основном емкостным), который не согласован с импедансом источника сигнала (обычно 50 Ом). Это означает, что большая часть мощности радиочастотного сигнала отразится обратно и рассеется в импедансе источника. Для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки необходимо использовать радиочастотные резонансные трансформаторы, позволяющие увеличить амплитуду радиочастотного сигнала на электродах ловушки на рабочей частоте (1-100 МГц) до требуемой величины.
Известно устройство [RU 96286, U1, H01F 27/08, 20.07.2010], выполненное на тороидальном магнитопроводе с теплоотводом, обмотка которой размещена на сердечнике, имеющем один или несколько тороидальных магнитопроводов, выполненных из феррита или карбонильного железа, на торцевых поверхностях которого соосно с его центром, а также между магнитопроводами закреплены прокладки в виде шайб, причем, внешний диаметр шайб больше внешнего диаметра магнитопровода, а внутренний диаметр шайб меньше внутреннего диаметра магнитопровода, при этом, прокладки выполнены из теплопроводного высокочастотного диэлектрика и имеют, по крайней мере, два выступа с монтажными отверстиями, соосно с которыми между выступами прокладок установлены крепежные втулки из теплопроводного диамагнитного материала, с помощью которых посредством винта из диамагнитного материала производят сборку сердечника и установку катушки индуктивности на основание, используемое в качестве дополнительного теплоотвода, при этом боковые поверхности прокладок, расположенных на торцевых поверхностях сердечника, выполняют закругленными для предотвращения повреждения изоляции провода при намотке его на сердечник.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 144846, U1, H01F 27/08, 10.09.2014], содержащее обмотку из коаксиального радиочастотного кабеля, размещенную на сердечнике, имеющем один или несколько тороидальных ферритовых магнитопроводов, на торцевых поверхностях которого соосно с его центром, а также между магнитопроводами закреплены прокладки из теплопроводного материала в виде шайб, имеющие выступы с монтажными отверстиями, соосно с которыми между выступами прокладок установлены крепежные втулки с центральным отверстием того же диаметра, что и диаметр монтажных отверстий выступов прокладок, и предназначенные для сборки и установки трансформатора на теплопроводное основание, накладки, выполненные из диэлектрического материала и закрепленные на верхней и нижней прокладках соосно с центрами магнитопроводов, при этом, боковые поверхности накладок, расположенных на торцевых поверхностях сердечника, выполняют закругленными для предотвращения повреждения изоляции провода при намотке его на сердечник, а прокладки имеют внешний и внутренний диаметры, равные внешнему и внутреннему диаметрам магнитопровода.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно применяется в качестве широкополосного трансформатора, что не позволяет эффективно использовать его для выполнения функций радиочастотного резонансного трансформатора для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки Пауля. Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для выполнения этих функций.
Задачей полезной модели является создание устройства, которое может быть использовано в качестве радиочастотного резонансного трансформатора для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки Пауля и которое позволяет увеличить амплитуду радиочастотного сигнала на электродах ловушки на рабочей частоте (1-100 МГц) до требуемой величины.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и расширении на этой основе арсенала технических средств, которые могут быть использованы для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки Пауля и позволяющие увеличить амплитуду радиочастотного сигнала на электродах ловушки на рабочей частоте (1-100 МГц) до требуемой величины.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее основную обмотку, размещенную на ферритовом сердечнике, согласно полезной модели, введены антенная обмотка, размещенная на входном конце ферритового сердечника, индуктивно связанная с основной обмоткой и входной конец которой выполнен с возможностью соединения с входным разъемом, и заземленный цилиндрический экран, охватывающий ферритовый сердечник с основной и антенной обмотками и содержащий входной и выходной торцевые участки с регулируемым между собой соединением, при этом, во входном торцевом участке заземленного цилиндрического экрана установлен входной разъем и закреплен выходной конец антенной обмотки, а в выходном торцевом участке заземленного цилиндрического экрана закреплен входной конец основной обмотки, выходной конец которой выполнен с возможностью соединения с электродами ионной ловушки через выходной разъем, выполненный в выходном торцевом участке заземленного цилиндрического экрана.
На чертеже представлена конструкция радиочастотного резонансного трансформатора для питания электродов ловушек Пауля.
На чертеже обозначены:
1 - выходной торцевой участок заземленного цилиндрического экрана;
2 - антенная обмотка;
3 - основная обмотка;
4 - ферритовый сердечник;
5 - выходной разъем;
6 - входной разъем;
7 - входной торцевой участок заземленного цилиндрического экрана. Радиочастотный резонансный трансформатор для питания электродов ловушек Пауля содержит основную обмотку 3, размещенную на ферритовом сердечнике 4 и антенную обмотку 2, размещенную на входном конце ферритового сердечника 4, индуктивно связанную с основной обмоткой 3 и входной конец которой выполнен с возможностью соединения с входным разъемом 6.
Радиочастотный резонансный трансформатор для питания электродов ловушек Пауля содержит также заземленный цилиндрический экран, охватывающий ферритовый сердечник 4 с основной 3 и антенной 2 обмотками и содержащий входной 7 и выходной 1 торцевые участки с регулируемым между собой соединением.
В радиочастотном резонансном трансформаторе для питания электродов ловушек Пауля во входном торцевом участке 7 заземленного цилиндрического экрана установлен входной разъем 6 и закреплен выходной конец антенной обмотки 2, а в выходном торцевом участке 7 заземленного цилиндрического экрана закреплен входной конец основной обмотки 3, выходной конец которой выполнен с возможностью соединения с электродами ионной ловушки через выходной разъем 5, выполненный в выходном торцевом участке 1 заземленного цилиндрического экрана.
Радиочастотный резонансный трансформатор для питания электродов ловушек Пауля работает следующим образом.
Радиочастотный резонансный трансформатор для питания электродов ловушек Пауля состоит из цилиндрического заземленного внешнего экрана и внутреннего проводника, который намотан в виде связанных индуктивно антенной 2 и основной 3 обмоток на ферритовом сердечнике. Обмотки изготовлены из посеребренного многожильного медного провода с малым сопротивлением. Электроды ионной ловушки соединяются с концом основной обмотки 3 при помощи выходного MHV разъема 5. Основная обмотка 3 и электроды ловушки формируют эффективный LCR резонансный контур, где основная обмотка обеспечивает индуктивность. Емкость обеспечивается емкостью между электродами ловушки и между основной обмоткой 3 и заземленным цилиндрическим экраном, а сопротивление обусловлено омическими потерями в проводниках. Питание резонатора происходит через входной SMA разъем 6, который вмонтирован в медный входной торцевой участок 7 заземленного цилиндрического экрана. Регулируя положение торцевого участка 7 заземленного цилиндрического экрана вдоль оси обмоток, можно подстраивать резонансную рабочую частоту т.
В качестве примера конструктивного выполнения укажем, что резонансный трансформатор с рабочей частотой ω=20 МГц имел длину B=60 мм, диаметр D=25 мм.
Помимо компактности предложенный резонансный трансформатор исключает просачивание радиочастотного поля, которое может влиять на работу внешнего оборудования.
Таким образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении функциональных возможностей и расширении на этой основе арсенала технических средств, которые могут быть использованы для согласования импеданса источника сигнала с импедансом ионной ловушки Пауля и позволяющие увеличить амплитуду радиочастотного сигнала на электродах ловушки на рабочей частоте (1-100 МГц) до требуемой величины.