книги из ГПНТБ / Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры

времени и наличие в связи с этим устройства электрон­ ного визира; 3) отсутствие промежуточных каскадов уси­ ления между задающим генератором и мощным выход­ ным каскадом и принятый в связи с этим способ моду­ ляции выходного ВЧ-напряжения по цепи управляющих сеток выходных ламп.

Несимметричный автотрансформаторный способ включения выходного контура, снимая проблему иден­ тичности анодно-сеточных характеристик выходных ламп (которая возникает в пушпульной схеме в связи с необходимостью обеспечения электрической симметрии обоих ВЧ-выходов ГВЧ), создает определенные не­ удобства, так как выходной контур оказывается заве­ домо связанным по высокой частоте с потенциалом кор­

пуса	в точке	подсоединения	анодного	напряжения
+ 800	в. Это	обстоятельство	вынуждает	заботиться о

правильном выборе места подключения к контуру ано­ дов ламп, длины намотки катушки индуктивности вы­ ходного контура и значений постоянных и подстроеч­ ных емкостей в контуре, устраняющих электрическую несимметричность выходов ГВЧ, возникающую из-за не­ симметричного относительно корпуса прибора шунти­ рования контура выходными лампами.

Разработка электронного визира для определения номера анализируемой массы в развернутом на экране спектре масс облегчает и убыстряет расшифровку спект­ ров даже при заметно нелинейной из-за нелинейности анодно-сеточных характеристик выходных ламп раз­ вертке спектра масс во времени.

Необходимость питания анодных цепей ламп выход­ ного каскада высоковольтным напряжением при сравни­ тельно высокой мощности, потребляемой от источника, создает трудности в достижении высокой стабильности этого напряжения и малых по величине пульсаций. Кроме того, применение ламповых схем практически лишает возможности разработчика использовать в схе­ ме печатный монтаж и унифицировать на этой основе отдельные узлы схемы ГВЧ.

В ВЧ-генераторе, построенном почти исключительно на одних транзисторах, можно избежать многих неприят­ ностей, характерных для рассмотренной выше схемы

ГВЧ на лампах.

На рис. 27 и 28 представлены структурная схема и принципиальная схема выходных цепей ГВЧ прибора

171

КМ-2. Структурная схема ГВЧ во многом напоминает структурную схему ГВЧ на лампах. В ней есть задаю­ щий генератор, стабилизированный с помощью кварце­ вых резонаторов; мощный выходной каскад; генератор

Рис. 27. Структурная схема ГВЧ в приборе КМ-2.

пилообразных напряжений и генератор метки — элек­ тронный визир. Отличия же этой схемы от прежней в следующем. 1. Связь выходного контура ГВЧ с выход­ ным транзисторным каскадом трансформаторная. Это полностью исключает влияние выходных транзисторов на электрическую симметрию выходных цепей ГВЧ и облегчает более точную настройку и балансировку выходного каскада. 2. Между каскадом задающего гене­ ратора и выходным каскадом имеется промежуточный

Рис. 28. Принципиальная схема выходного каскада ГВЧ при­ бора КМ-2.

172

каскад, выполняющий роль модулятора и исполнитель­ ного элемента в схеме линеаризации развертки спектра масс во времени. Такой способ модуляции более наде­ жен и экономичен, чем в предыдущем случае. 3. Выпол­ нение схемы ГВЧ на полупроводниках позволило приме­ нить эффективные схемы электронной стабилизации всех питающих (в том числе и мощный выходной каскад) на­ пряжений, а также запитать накальные цепи двух двой­ ных кенотронов, стоящих в ВЧ-детекторах, от стабилизи­ рованного источника выпрямленного напряжения. 4. В схеме ГВЧ осуществлена линеаризация развертки спектра масс, действующая по принципу сравнения в диапазоне видеочастот некоторого эталонного пилооб­ разного напряжения с напряжением, полученным на выходе ГВЧ, и отработки разности упомянутых напря­ жений в промежуточном каскаде. 5. Генератор эталон­ ных пилообразных напряжений содержит набор не только быстрых, как в КМ-1, но и медленных элект­ ронных разверток спектра масс, позволяющих осу­ ществлять регистрацию спектра масс как на экране осциллографа, так и с помощью самопишущих потен­ циометров типа ЭПП-09, КСП-4 или других им подоб­ ных. Для создания медленных разверток в генераторе пилообразных напряжений использован принцип заря­ да емкости через сопротивление от источника постоян­ ного напряжения, причем, для увеличения постоянной времени зарядной цепи применен известный способ уси­ ленной отрицательной обратной связи, которой охвачен электрометрический усилитель (ЭУ), на входе которого включена зарядная /?С-цепь. Постоянная времени за­ рядной цепи в такой схеме в К раз ЭУ больше постоян­ ной времени самой /?С-цепи. 6. В генераторе предусмот­ рена возможность его перестройки с одной рабочей ча­

стоты на другую, отличающуюся от первой в 2 раз. Такая возможность позволяет при перестройке с боль­ шей частоты на меньшую увеличить диапазон анализи­ руемых масс вдвое. 7. Широко используемый в ГВЧ (и приборе КМ-2 в целом) печатный монтаж позволяет предельно сократить размеры прибора, унифицировать отдельные его узлы и блоки.

ВИП. Принципиальная схема ВИГ1 представлена на рис. 29. Идея построения такой схемы была высказана еще в работе [60]. Блок ВИП состоит из радиочастот­ ного генератора на транзисторах Т8 и T9, режим кото­

173

рого определяется продетектированным (диод Д10) и усиленным в УПТ (транзисторы ТЗ— Т7) постоянным сигналом отрицательной обратной связи, величина кото­ рого прямо пропорциональна выходному напряжению. Первые каскады УПТ питаются от стабилизированного

источника, построенного на стабилитронах ДЗ—Д6 и

транзисторах	77, Т2. Амплитуда колебаний	генератора
на выходной	обмотке трансформатора Тр2	(выводы 9

и 10) по конструктивным соображениям не может быть поднята выше 2—2,2 кв. Вместе с тем требующееся на выходе ВИП напряжение должно составлять по прове­ денному ранее расчету величину, регулируемую от 2 до 4 кв. Поэтому детектор радиочастотного напряжения выполнен по схеме удвоения (диоды Д8, Д9) с защитой от пробоев в нагрузке, осуществляемой с помощью вклю­ ченного последовательно с нагрузкой сопротивления.

Рассматриваемый вариант схемы ВИП хорош тем, что в нем повышена частота переменного выпрямляе­

174

мого выходного напряжения. Это позволяет существен­ но снизить уровень пульсаций на выходе ВИП при обес­ печении достаточно широкого диапазона плавной регу­ лировки выходного напряжения с помощью единствен­ ного в схеме точного многооборотного потенциометра.

Рассмотренная схема блока ВИП применена в приборах КМ-1, КМ-2, КМ-3 и КМ-4. Стабильность выходного напряжения ВИП составляет десятые и даже сотые доли процента, а пульсации не превышают нескольких

десятков	милливольт при Uвэу — 4 кв и пропорцио­
нально уменьшаются с уменьшением Uв э у •
БПИИ.	В блок питания ионного источника прибора

КМ-2 входят: набор стабилизированных с помощью ста­ билитронов источников питания на ±200 в; прибор для индикации режима работы ионного источника (т. е. на­ пряжений, подаваемых на его электроды, с выхода БПИИ) и стабилизатор тока эмиссии, выполненный по хорошо известной стандартной схеме [56]. В этом же блоке размещены: ступенчатый делитель усиленного в УПТ сигнала и кнопочное управление реле, которые коммутируют входное сопротивление в УПТ для обеспе­ чения работоспособности КМ-2 в нужном динамическом диапазоне.

УПТ. На рис. 30 и 31 представлены принципиальные схемы УПТ в приборах КМ-1 и КМ-2 соответственно. Эти схемы имеют много общего. 1. Они построены по

175

схеме усилителей с непосредственной связью, охвачен­ ной 100%-ной отрицательной обратной связью, позво­ ляющей уменьшить величину паразитной входной емко­ сти УПТ и увеличить его входное сопротивление. 2. Оба их усилителя оснащены входными электрометрическими каскадами, дающими возможность реализовать высокое

Рис. 31. Принципиальная схема УПТ в приборе КМ-2.

входное сопротивление, и снабжены регулировками, обеспечивающими сохранение постоянного нулевого по­

тенциала на выходе в отсутствие сигнала на	входе.
3. В обоих усилителях осуществлена коммутация	вход­
ного сопротивления.

Различаются эти УПТ своими габаритами; конструк­ тивным оформлением; способом коммутации; величина­ ми коммутируемых на входе УПТ сопротивлений и, сле­ довательно, достигнутыми значениями их динамического диапазона. Ламповая схема УПТ в приборе КМ-1 раз­ делена на две части — выносной электрометрический каскад с механическим переключателем входных сопро­ тивлений и собственно усилитель, входящий в состав БПИИ в приборе КМ-1. В приборе КМ-2 весь усилитель (благодаря его малым габаритам), собранный на электрометрической лампе ЭМ-7 и полупроводниковом транзисторном усилителе в интегральном микросхемном исполнении (микросхема 1УТ401Б), размещен в метал­ лическом корпусе, служащем усилителю экраном от на-

176

водок, и вынесен из аппаратурной части прибора КМ-2 для максимального приближения его к датчику. Эта мера необходима для уменьшения шунтирующей вход УГ1Т емкости, определяющей полосу пропускания усили­ теля и, в конечном итоге, влияющей на реализацию зало­ женной в приборе совокупности потенциальных значе­ ний основных характеристик масс-спектрометра.

Дополнительные элементы специального назначения.

В тех нередких случаях, когда от масс-спектрометра нужна информация о парциальном содержании лишь не­

которых отдельных компонентов анализируемой							разре­
женной среды, возникает необходимость					в	оснащении
масс-спектрометра			дополнительными			элементами.
В частности,		перед	разработчиками		прибора		КМ-3
стояла	задача	создать КМ		в диапазоне масс			от 2 до
50 а. е.	м. с пятиканальным			выходом для		автоматиче­

ского контроля и управления парциальным составом анализируемой разреженной среды в части, касающей­ ся пяти наиболее важных компонентов, выбираемых оператором в пределах рабочего диапазона масс. Были возможны два варианта построения схемы такого при­ бора. Первый основывался на автоматической, проис­ ходящей через определенный интервал времени, пере­

стройке масс-спектрометра на работу по	каждой из
пяти выбранных масс, повторяющейся	периодически

с периодом заданного рабочего цикла. При реализации этого варианта возможность панорамного слежения за спектром масс в процессе работы отсутствовала бы. Это

требовало бы	при первичной настройке	и	периодиче­
ских проверках и градуировках прибора		дополнитель­
ного масс-спектрометра.		в	приборе
Во втором	варианте, реализованном

КМ-3, масс-спектрометр работает в режиме панорамного сканирования по спектру масс аналогично приборам КМ-1 и КМ-2.

Сигналы, пропорциональные парциальным давлениям нужных пяти компонентов, выделяются непосредст­ венно из полученного спектра масс и сравниваются с заданными по программе пороговыми значениями в пя­ тиканальном блоке сравнения.

В случае превышения сигнала в каком-либо канале заданного порогового значения в приборе должны были вырабатываться и срабатывать система световой сигна­ лизации и приводиться в действие устройство, комму-

12 Г. И . С лобсденю к

177

тирующее сигналы, подаваемые на исполнительные ме­ ханизмы системы автоматического регулирования.

Не повторяя описания общей для всех КМ части структурной схемы КМ-3, остановимся на работе схе­ мы блока сравнения, состоящего из пяти работающих параллельно и независимо друг от друга сравниваю­ щих устройств и предназначенного для выделения из общего спектра масс пяти интересующих оператора ком­ понентов, сравнения интенсивности каждого из них с за­ данными оператором или автоматическим программато­ ром пороговыми значениями и выработки при этом не­ обходимых электрических сигналов на коммутирующее и светосигнализирующее устройство.

Структурная схема сравнивающего устройства при­ ведена на рис. 32. Продетектированное выходное напря­ жение с генератора высокой частоты, имеющее пилооб­ разную форму, суммируется с напряжением, плавно регулируемым с помощью резистора «номер массы», суммарное напряжение поступает на вход триггера Шмидта, который срабатывает в момент достижения входным напряжением потенциала срабатывания. Вы­ ходной импульс триггера Шмидта после дифферен­ цирования и ограничения запускает схему ждущего мультивибратора, вырабатывающего отрицательный ста­ билизирующий импульс с длительностью, равной дли­ тельности отдельного импульса спектра масс (в нашем случае 2 мсек). Стробирующий импульс и сигнал спект­ ра масс с эмиттерного повторителя поступают на им­ пульсный усилитель с общим эмиттером. Напряжение па нагрузке эмиттерного повторителя служит одновре­ менно напряжением коллекторного питания транзистора

импульсного усилителя (ключа). Пока	ключ	открыт,
т. е. на его вход не приходит стробирующий		импульс,
напряжение спектра масса отсутствует.	Стробирующий

импульс закрывает ключ, и на его выход проходит им­ пульс спектра масс, номер которого задан резистором «номер массы». Выделенный сигнал спектра масс уси­ ливается эмиттерным повторителем и поступает на де­ литель регулировки порога в канале данного сравниваю­ щего устройства. Далее импульс усиливается и посту­ пает на запуск ждущего мультивибратора, нагруженного на управляющую обмотку реле, которое включается при срабатывании мультивибратора. Контакты реле замы­ кают цепь сигнальной лампочки данного канала и пере-

178

			Рис. 32. Струк­
			турная	схема
	гти		сравнивающего
5		Время —*-	устройства при­
			бора КМ-3 (а)
.If			пряжений в от­
			и форма	на­
			дельных	токах
			схемы (б).

Напряжение

12*