四极质谱仪新型工作方式研究

论文摘要

质谱仪是当今科学仪器中发展前景最好的科学仪器之一,其应用领域十分广泛。DART、DESI等新型的离子源,新型的质量分析器Orbitrap,串级质谱仪和小型便携质谱仪是质谱仪器的最新发展标志。由于种种原因,中国在质谱技术领域水平落后。研究具有自主知识产权的质谱仪器具有重大意义。目前商用的四极质谱仪均是采用固定频率的正弦射频电压供电,通过改变射频电压的幅值来实现离子的筛选。有学者从事了频率扫描工作方式的四极质谱仪研究和实验。还有学者提出矩形波电压驱动的四极质谱仪和四极离子阱,并做了相关模拟验证和实验研究。论文的研究重点是采用新型工作方式的四极质谱仪。研制频率扫描矩形波电源并用其替换传统四极质谱仪电源,使用矩形波频率扫描的工作方式替代了传统正弦波电压扫描的工作方式,首次获得了新型工作方式下的四极质谱图。使用DDS技术产生频率扫描信号,控制功率开关器件对直流高压高速开关,产生频率扫描的矩形波。频率扫描范围,频率步进和驻留时间等参数可由软件设置。给出了DDS参数的计算原则。分析了桥式电路中MOSFET的驱动要求,解决了高频桥式电路的栅极驱动问题和干扰抑制问题,给出了电路设计原则和设计过程。对频率扫描矩形波电源驱动的四极质谱仪进行了研究,分析了电源参数对分辨率的影响,得出了U,V的增加有利于提高四极质谱仪分辨率的结论。设计了新型接口的四极质谱数据采集系统,得到了质谱图和原始数据。使用EZ-USB接口芯片cy7c68013a和AD转换器Max115组建数据采集系统,编写了固件及应用程序,实现了质谱数据的实时采集。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 质谱仪发展现状
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 论文内容
• 第二章 四极质谱仪的原理
• 2.1 质谱仪基本原理
• 2.2 质谱仪的性能指标和分类
• 2.3 传统四极质谱仪的原理
• 2.4 四极质谱的研究动向
• 2.5 四极质谱仪的工作方式
• 2.5.1 四极质谱仪的电压扫描工作方式
• 2.5.2 四极质谱仪的频率扫描工作方式
• 2.6 频率扫描矩形波电压驱动四极质谱仪的优点
• 2.7 总结
• 第三章 DDS技术实现频率扫描
• 3.1 扫频概述
• 3.2 AD9854 的主要特点和功能分析
• 3.3 应用模式分析
• 3.3.1 Single-Tone
• 3.3.2 Unramped FSK
• 3.3.3 Ramped FSK
• 3.3.4 Chirp
• 3.3.5 BPSK
• 3.3.6 参数的计算
• 3.4 实现方式
• 3.5 总结
• 第四章 矩形波电源研制
• 4.1 功率MOSFET驱动以及在桥式电路应用中的问题
• 4.1.1 功率MOSFET驱动特性分析
• 4.1.2 桥式电路中的栅极阻抗的影响
• 4.2 矩形波电源的电路设计
• 4.2.1 驱动方式选择
• 4.2.2 电路设计分析
• 4.2.3 功率MOSFET的选取
• 4.2.4 电路的功耗计算
• 4.2.5 缓冲电路
• 4.2.6 电路测试
• 4.3 总结
• 第五章 频率扫描矩形波电源驱动的四极质谱仪研究
• 5.1 四极质谱仪分辨率影响因素分析
• 5.2 研究方法与实验设计
• 5.2.1 正弦波射频电源驱动四极质谱仪实验
• 5.2.2 频率扫描矩形波电源驱动四极质谱仪实验
• 5.3 总结与讨论
• 5.4 总结
• 第六章 USB接口的四极质谱数据采集系统
• 6.1 几种仪器接口的比较
• 6.2 数据采集系统的组成
• 6.2.1 EZ-USB FX2LP特性[51]
• 6.2.2 Max115 工作模式与AD转换过程[52]
• 6.2.3 cy7c68013a及固件程序[51]
• 6.3 数据采集及处理
• 6.4 总结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢