输送精确RF电压的谐振传输线路的制作方法

相关申请

本申请是2018年11月15日提交的美国申请no.16/192,223的继续申请。上述申请的全部教导通过引用并入本文中。

背景技术：

如在残留气体分析仪(rga)和其它质谱仪中使用的四极分析仪需要精确控制的两相rf电源信号。该rf电源信号幅度约为数百伏特峰值(vpk)，并且其频率通常为几mhz。实际电压幅度和频率可能取决于所需的质量范围以及四极分析仪的各种特性。四极分析仪应用例如可以利用在1.8432mhz时幅度为187.6vpk的rf电源信号，但是可以选择其它的电压和频率以适合特定的分析仪和质量范围。

四极分析仪通常包括两个主要的子系统：托管四极装置和关联的硬件的四极子系统(在本文中也称为“真空系统”)；以及信号生成、控制和分析子系统，该信号生成、控制和分析子系统托管rf信号发生器、控制和分析部件以及其它支持电子装置。

可以将四极子系统置于电离辐射环境中，这可能会使控制/分析子系统的半导体和其它部件退化。为了保护这些易损坏的部件，可以将控制/分析子系统相对于四极子系统远程地设置。在这样的配置中，四极子系统和控制/分析子系统可以通过线缆或其它通信介质连接，并且间隔开通常为数十米的距离。

rf信号发生器通常为具有幅度调制器的、固定频率的晶控部件，该幅度调制器被配置成通过控制系统精确地控制rf信号幅度。控制系统包括准确的整流器，该整流器对四极子系统处的rf信号电压进行测量，并且将测量结果用作控制系统的反馈信号，以将rf信号幅度维持在所需的值。rf信号发生器和关联的控制系统通常是本领域公知的设计。

通常的做法是使整流器与四极分析仪子系统并置，以准确测量正被施加至四极的rf信号的幅度。当在电离辐射环境中使用四极时，整流器可以是热离子二极管类型(例如，真空管)，这是因为半导体二极管在存在电离辐射的情况下会退化和/或发生故障。整流器输出信号必须被传递回至控制/分析子系统，这是很不方便的且有引入噪声的风险。还存在对于热离子二极管的报废以及实现热离子二极管所需的热丝电源(heatersupply)的复杂性的问题。

技术实现要素：

所描述的实施方式致力于以下方法和系统：该方法和系统在远大于在现有技术系统中所穿越的距离(例如，15m)上传送rf信号，并且在控制/分析子系统处对四极分析仪处存在的rf信号电压幅度进行远程测量。延长rf信号传播的距离使控制/分析子系统的易损坏的部件安全地远离电离辐射环境。在控制/分析子系统处远程测量四极rf信号电压有助于将整流器定位于距四极分析仪的电离辐射环境的安全距离处，使得能够使用半导体整流器，并由此消除对热离子整流器的需求。

所描述的实施方式可以包括在四极分析仪子系统与信号生成、控制和分析子系统之间延伸的开端型传输线路，该开端型传输线路可以在rf信号的频率进行谐振。该谐振传输线路被配置成使电气长度(即，有效线路长度)为工作频率的一半波长(λ/2)或者λ/2的整数倍。本文所描述的示例实施方式可以利用以下传输线路：该传输线路在1.8432mhz的工作频率时约为52米(λ/2×1)或104米(λ/2×2)，但是可以另选地使用52米的其它整数倍。

当在其谐振频率(即，传输线路的电气长度为n×(λ/2)的频率，n为整数)被驱动时，谐振传输线路的输入和输出电压大致相同。因此，使用半个波长的谐振传输线路，可以远程地使用半导体二极管作为整流器，在信号生成、控制和分析子系统处对四极分析仪子系统处存在的rf信号电压幅度进行准确测量。在发生谐振时，传输线路阻抗是纯电阻性的，这避免了与复数阻抗相关联的低效率，且无需在传输线路的接收端进行匹配端接。

所描述的实施方式还可以包括处于半波长传输线路的四极分析仪端处的一对升压变压器。所述升压变压器有助于在传输线路上使用比四极本身所需的电压低的电压。在示例实施方式中，升压变压器的匝数比为1:5，但是另选实施方式可以使用其它的匝数比。对于该示例实施方式，四极处的幅度为187vpk的rf信号对应于传输线路上的幅度为约37.4vpk的rf信号。与在没有变压器的情况下向四极提供rf信号的传输线路相比，传输线路上的较低的电压有助于降低耗散损耗。

提供了一种从第一子系统向第二子系统传送时变电压信号并且对时变电压信号的幅度进行监测和自适应的控制的系统。该系统包括传输线路，该传输线路具有第一端和第二端，该传输线路从处于第一子系统处的第一端延伸至处于第二子系统处的第二端。该传输线路被配置成使物理长度对应于传输线路的电气长度，传输线路的电气长度大致等于时变电压信号的一半波长的正整数倍，传输线路被配置为是谐振的。第一子系统处的自适应控制设施配置成(i)将时变电压信号电联接至所述第一端，以及(ii)基于对所述第一端处的时变信号的采样，来调节该时变电压信号的发生器，以按所需水平保持时变电压信号的幅度。第二子系统处的至少一个变压器被电联接至传输线路的第二端，并且被配置为增加时变电压信号的幅度。

第一子系统可以包括信号生成、控制和分析电子装置，并且第二子系统可以包括四极分析仪。时变电压信号可以是射频电压信号，该射频电压信号被配置为通过所述至少一个变压器施加至四极分析仪的四极部件。

自适应控制设施可以包括整流器，该整流器被配置成对传输线路的第一端处的时变电压信号进行采样并且根据所述采样来生成反馈信号。自适应控制设施可以被配置成基于对所述第一端处的时变电压信号的采样来调节时变电压信号的发生器，以按所需水平保持该时变电压信号的幅度。整流器可以是半导体二极管。补偿二极管可以电联接至整流器。补偿二极管可以被配置成使得补偿二极管的传导电压相对于温度的变化减轻整流器的传导电压相对于温度的变化。

从各式各样的线路长度中选择出的至少一个传输线路长度被添加至所述传输线路。所述至少一个传输线路长度配置成如果传输线路不在微调的调节范围内，则通过调节传输线路的物理长度来提供对传输线路的电气长度的粗略调节。微调可以通过与传输线路的第一端并联联接的可调节电容器，该可调节电容器被配置成提供补偿以使该传输线路谐振。

可调谐振荡电路(tankcircuit)可以被配置成从信号发生器接收激励信号并且以该激励信号的频率进行谐振以生成时变电压信号。

所述至少一个变压器可以包括两个变压器，这两个变压器被电联接至所述时变电压信号以生成该时变电压信号的两个相。或者，所述至少一个变压器可以包括单个变压器，该单个变压器具有初级绕组和两个次级绕组，这两个次级绕组被配置成生成被施加至初级绕组的时变电压信号的两个相。

该传输线路可以是线缆组件的部件，该线缆组件包含用于在第一子系统与第二子系统之间输送信息、控制信号以及电力中的一项或更多项的一个或更多个通信路径。第一子系统可以距第二子系统至少半个波长。例如，第一子系统可以相距第二子系统至少30米，或者相距第二子系统至少50米。

在从第一子系统向第二子系统传送时变电压信号并且对该时变电压信号的幅度进行监测和自适应的控制的方法中，将时变电压信号电联接至传输线路的第一端，该传输线路从处于第一子系统处的所述第一端延伸至处于第二子系统处的第二端。传输线路的物理长度被配置成对应于大致等于时变电压信号的一半波长的正整数倍的电气长度。在处于第一子系统处的自适应控制设施处，基于对所述第一端处的时变电压信号的采样来调节时变电压信号的发生器，以按所需水平保持时变电压信号的幅度。利用处于第二子系统处的至少一个变压器来增加时变电压信号的幅度，所述至少一个变压器被电联接至所述第二端。

附图说明

前述内容根据下面对如附图中例示的示例实施方式的更具体描述将变得显而易见，在附图中，贯穿不同视图，相同标号指代相同部分。附图不必按比例绘制，而是将重点放在例示实施方式上。

图1a描绘了根据本发明的质谱仪系统的示例。

图1b例示了图1a所示的示例质谱仪的更详细视图。

图2示出了根据本发明的用于传送时变电压信号的系统的示例实施方式的更详细视图。

图3例示了根据本发明的从第一子系统向第二子系统传送时变电压信号并且对时变电压信号的幅度进行监测和自适应控制的示例方法。

具体实施方式

以下是对示例实施方式的描述。

本文所引用的所有专利、公布的申请以及参考文献的教导通过引用它们的全部内容而并入。

所描述的实施方式致力于在远大于在现有技术系统中所穿越的距离上传送rf信号，并且在控制/分析子系统处对四极分析仪处存在的rf信号电压幅度进行远程测量。通常，所描述的实施方式利用谐振传输线路，该谐振传输线路被配置成使得其电气长度是rf信号的一半波长，以将rf信号传送至四极分析仪。谐振传输线路的特性是它在传输线路的两端出都显现相同的rf电压幅度。

图1a描绘了可以采用所描述的实施方式的质谱仪系统100的示例。系统100可以包括四极子系统102、信号生成、控制和分析子系统104、以及连接子系统102、104的线缆组件106。四极子系统102可以驻留于不利的环境中(例如，“热”辐射区域)，而信号生成、控制和分析子系统104可以驻留于远离不利环境的正常的安全区域中。被视为安全环境所必需的远离不利环境的距离取决于该不利环境的性质。虽然不利程度较低的环境可能需要5到15米的距离(并因此需要线缆106的长度为5到15米)，但是更恶劣的环境(举例来说，诸如粒子加速器和高密度中子发生器的核物理应用)可能需要50米或更大的间隔距离。

图1b例示了图1a所示的示例质谱仪100的更详细视图。在虚线框内描绘了用于传输时变电压信号108的系统的所描述的实施方式的部件。下面在对所描述的实施方式所驻留于的总体系统的描述之后，将对这些部件进行更详细描述。

四极子系统102可以包括：真空系统110，该真空系统包括离子源和透镜组件112、四极分析仪114以及法拉第板和电子倍增器组件116；以及一对升压变压器118。四极子系统110可以工作于电离辐射环境中，即，“热”辐射区域120。

信号生成、控制以及分析子系统104是自适应控制设施，该自适应控制设施可以包括电源和电子控制系统组件122，以及传输线路驱动器和整流器组件124。

线缆组件106(其优选地包括处于单个线缆护套中的所例示的线缆和信号线路)可以包括主电缆126，该主电缆126将电力从电源和电子控制系统组件122输送至离子源和透镜组件112。线缆组件106还可以包括返回信号线缆128，该返回信号线缆将检测信号从法拉第板和电子倍增器组件116传送至电源和电子控制组件122。线缆组件106还可以包括：同轴传输线路130，以及一个或更多个经二进制加权的线路长度132。

图2示出了根据本发明的用于传送时变电压信号的系统108的示例实施方式的更详细视图。该示例实施方式包括：调谐振荡电路202、整流器电路204、温度补偿电路206、有效线路长度调节部件208、半波长传输线路130以及变压器212。

调谐电路202从电源和电子控制组件122内的晶控rf发生器接收rf信号214。部件l1、l2以及c1的值被选择成形成以rf信号214的频率进行谐振的振荡电路，从而减少来自调制器的谐波并且使谐振频率下的幅度最大化。可变电容器c2可以用于调节谐振频率以匹配rf信号214的频率。调谐电路202通过提供dc隔离的电容器c3并且通过驱动阻抗r2将rf信号驱动至传输线路130。当谐振部件可能尚未协调(intune)时，驱动阻抗r2在系统上电过渡期间提供缓冲。在这样的过渡期间，不可预测的反射可能会沿着传输路径闪现，这可能会损坏组成部件。驱动阻抗r2可以减轻这种反射。在稳态下，当谐振部件协调一致时，r2向传输线路130呈现匹配的阻抗。

整流器电路204采用半导体二极管d1来对传输线路130的输入处的rf电压信号的代表性样本进行整流。经整流的样本穿过r4以生成反馈电流，反馈电流被输送至电源和电子控制组件122。反馈电流被电源和电子装置控制组件122中的控制系统使用，以自适应地将rf信号幅度维持在所需的值。

二极管d1受温度系数的影响，使得随着二极管d1的温度升高，d1的正向传导电压每摄氏度降低约几毫伏特。rf信号电压需要精确控制以供与四极分析仪一起使用。由于rf信号电压具有相对较宽的动态范围，因此，由超过系统工作温度范围的温度系数造成的误差可能会对处于动态范围下端的运行产生不利影响。

温度补偿电路206运行以抵消d1温度系数的影响。温度补偿电路206包括二极管d2，二极管d2与二极管d1相对电联接并且被定位得足够靠近二极管d1，使得d1和d2经历大致相同的环境温度。二极管d2被-15v电源通过r18进行偏压。二极管d2被选择成具有与二极管d1大致相同的温度系数，因此随着共同的环境温度的变化，d2的偏压点的变化使d1的偏压点被移动相等的量。

传输线路130通过电容器c3和驱动阻抗r2从调谐电路202接收rf信号。传输线路130被配置成具有这样的物理长度，即，其物理长度近似为作为rf信号的波长(λ)的一半的电气长度(在本文中也称为有效长度)。针对该电气长度或该长度的整数倍，传输线路130以rf信号的频率谐振。传输线路中的信号的波长由下式给出：

其中，f是rf信号的频率，并且v是传播介质的速度因子。在示例实施方式中，传输线路130是rg58同轴线缆，其具有0.66的指定速度因子v。在1.8432mhz的rf信号频率下并且使用指定的速度因子，rg58线缆的λ/2电气长度应为53.71m。然而，实际上，谐振发生于51.79m的传输线路长度处，这意味着实际速度因子约为0.6364。

可以对传输线路130进行调节或“调谐”以提供适当的电气长度，从而通过两个调节资源中的一个或两个调节资源来以rf信号的频率进行谐振。(仅当传输线路不在下面提到的电容器c6的微调范围内时才需要的)粗略调节可以通过插入一个或更多个线路长度132来完成，如图1b所示。这些线路长度132可以通过简单地改变传输线路132的物理长度来调节该传输线路的电气长度。尽管图1b示出的示例性实施方式描绘了2m、1m以及0.5m的经二进制加权的线路长度132，但是除了所列出的值之外或代替所列出的值，还可以使用经二进制或其它方式加权的线路长度132的其它值。

可以通过在传输线路130的驱动侧操纵可变电容器c6来完成微调。可变电容器c6在传输线路130上作为无功负载工作，并且可以调节c6的值，使得可变电容器c6与传输线路的组合以rf信号的频率进行谐振。

用于调谐传输线路130的示例过程可以是将rf信号施加至传输线路130并且观察传输线路输入处的rf信号电压。可以将传输线路长度132选择性地添加至传输线路130，直到观察到rf信号电压的最大值。然后，可以调节可变电容器c6，直到观察到rf信号电压的最大值。另选地，可以使用本领域已知的其它调谐过程。

变压器212接收由传输线路130传播的rf信号，并且增加rf信号电压以供四极分析仪114使用。变压器接收到相反极性的rf信号，以使变压器生成不同相的升压的射频信号电压，其中一个变压器的输出相对于另一个变压器的输出移位180度。

在示例实施方式中，变压器212可以包括两个分隔开但紧密联接的变压器，各个变压器皆具有1:5的匝数比，使得变压器的输出端处的rf信号电压是变压器的输入端处的rf信号电压的五倍。然而，应理解，可以另选地使用其它的匝数比。变压器也是可调节的，以对四极电容进行调谐。在另一示例实施方式中，变压器212可以包括单个变压器，该单个变压器具有一个初级绕组和两个次级绕组。利用升压变压器，可以在传输线路上传输降低的电压信号以将损耗(该损耗与rf信号电压的平方成正比)保持至可接受的水平。在实施方式中，所述变压器中的一个或两个变压器可以具有可调节的抽头，以便于相对于初级绕组输入电压来调节次级绕组输出电压。

图3例示了根据本发明的从第一子系统向第二子系统传送时变电压信号并且对该时变电压信号的幅度进行监测和自适应的控制的示例方法300。该方法可以包括以下步骤：将时变电压信号电联接302至传输线路的第一端，该传输线路从处于第一子系统处的第一端延伸至处于第二子系统处的第二端。该方法还可以包括以下步骤：对传输线路进行配置304，以使(i)传输线路具有大致等于时变电压信号的一半波长(λ/2)的正整数倍的电气长度；以及(ii)传输线路是无端接的。该方法还可以包括以下步骤：利用处于第一子系统处的自适应控制设施，基于对所述第一端处的时变电压信号的采样来调节306该时变电压信号的发生器。该方法还可以包括以下步骤：利用处于第二子系统处的至少一个变压器来增加308时变电压信号的幅度，所述至少一个变压器被电联接至所述第二端。

虽然具体示出并描述了多个示例实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上对这些实施方式进行各种改变。