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双等离子体离子源放电电源的研制

李腾飞  
【摘要】:二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy,SIMS)是分析化学中非常重要的一种测试方法,具有高质量分辨率、高检测灵敏度和可微区微量分析等特点,被广泛应用于分析化学、生命科学、环境科学及地球科学等领域。二次离子质谱仪由离子源、质量分析器和检测器系统三部分构成,当二次离子质谱应用于稀土元素分析和地质年代学分析时,常采用的是能够提供O~-离子束的双等离子体离子源。放电电源是双等离子体离子源重要部件之一,是产生一次离子束并保持束流持续稳定的能量来源。一次离子束是直接从放电电流中所提取,放电电源的稳定和放电电流的大小能够影响着一次离子束的稳定与强度。论文依托于国家重大科学仪器设备开发专项“同位素地质年代学专用TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy)科学装置”项目,研制出适用于该仪器的放电电源具有重要意义。根据放电电源的实际需求、工作方式等特点对放电电源进行总体方案的设计,其中包括电源主电路拓扑结构的选择和电源控制方案的选择。通过分析不同种类拓扑结构的特点,选用全桥变换器拓扑作为电源主电路拓扑结构;电源控制方案包括电源调制方式、变换器开关控制方式和电源反馈控制方式。选择移相PWM控制电路作为电源的控制方式,能够有效的降低电路的开关损耗和开关噪音。根据电源的总体设计方案分别对电源主电路和电源控制及保护电路进行研制。对主电路中各个单元模块进行设计并测试,其中包括整流滤波电路、耦合隔离驱动电路、全桥逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路和电压释放电路;对控制及保护电路中各个单元模块进行设计并测试,其中包括移相PWM控制电路、恒压控制电路、恒流控制电路、恒压恒流钳位电路和保护电路。通过电路的集成对电源进行整机测试,其中包括电源指标参数和性能参数,输出电压0~-2000V可调、输出电流0~200mA可调、最大功率400W,电流负载调整率0.08%、输出电压调整率0.06%,达到了TOF-SIMS-REE仪器对放电电源的技术要求。将放电电源与仪器进行了应用测试,通过4个小时的测试,一次离子流强度波动范围在220 pA以内,表明电源应用到仪器上的稳定性好;放电电流在100mA左右时,一次离子束最强;锆石标准样品的应用测试结果表明电源已经能够应用到仪器进行相关实验。


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