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《中国地质大学》 2010年
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ICP光源中阻抗匹配的研究

王超  
【摘要】: 电感耦合等离子体光源已经广泛应用于电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES/OES)和质谱(ICP-MS)分析领域,这种分析方法能够同时测定元素周期表中的绝大多数元素。由于其检出限低、灵敏度高、干扰小等特点,现在已在环境监测、食品安全、地质资源及高分子材料等领域得到了广泛的应用。在ICP光源中,射频电源输出的能量经过负载线圈产生高频交变的电磁场,将氩原子电离,从而形成等离子体。在27.12MHz的频率条件下,由于负载线圈和等离子体的阻抗很小,必须利用阻抗匹配技术才能使射频电源输出的能量全部传输到负载上。在激发等离子体的过程中,负载阻抗会发生突变,必须设计一套负载阻抗调节控制的方法,快速平稳地调节负载阻抗状态,保证电感耦合等离子体的快速产生和稳定维持。另外,由于全固态射频电源对反射功率的承受能力较差,需对全固态ICP光源中所涉及到的所有阻抗匹配问题进行研究,以保证系统的安全运行。 本论文的研究内容是电感耦合等离子体光源中的阻抗匹配,全文共分为5个部分: 第一部分,介绍了本文的课题来源、研究目的和研究内容,给出了全固态ICP光源的特点,并介绍了ICP光源的组成结构和发展历史,阐述了国内外针对ICP光源中阻抗匹配问题的研究现状以及发展趋势,最后列出了本文的主要研究内容。 第二部分,介绍了传输线理论的核心概念和阻抗匹配的基本原理。首先,从电磁波与电磁场的角度分析了传输线理论的本质。然后,从电子线路的角度分析了射频阻抗匹配的基本原理,介绍了射频微波领域中用于阻抗匹配设计的常用工具Smith圆图,并根据实验结果表明了阻抗失配状态对射频系统的影响。最后介绍了ICP光源中使用的三种射频传输线,并分析了它们的使用条件和特点。 第三部分,在介绍了ICP光源的核心组成部分的基础上,第三章详细分析了射频电源内各电路模块的阻抗匹配问题。首先介绍了高频信号源的设计方案,信号源主要包括信号产生电路、信号变换电路和板级传输电路。然后对高频功率放大器的设计方案进行了分析,介绍了传输线变压器的原理和设计方案,并分别对所有的功率放大器进行了功率输出实验。随后介绍了功率合成技术的原理和功率合成器的设计方案,给出了射频电源功率输出实验的结果。 第四部分,论述了负载匹配箱的设计方案,给出了ICP光源在激发等离子体过程中负载阻抗的控制策略,并提出了ICP光源自动阻抗匹配的方法。本章首先介绍了负载匹配箱的结构,分析了等离子体产生的过程以及出现阻抗失配状态的原因。然后分析了ICP光源中负载线圈和等离子体的电路模型,介绍了阻抗匹配网络的工作原理,并且对等离子体激发过程中的负载阻抗变化进行了仿真,得到了阻抗控制方法及相关参数。随后介绍了相位检测的原理和相位检测装置的设计方案,主要模块有采样及信号调理电路、相位检测器和移相电路。利用相位检测装置和阻抗匹配网络,实现了自动阻抗匹配功能,并分析了自动阻抗匹配的工作流程。最后对全固态ICP光源进行了长期稳定性测试,并分析了测试结果。 第五部分,对全固态ICP光源的研制过程进行了总结,指出了研制过程中存在的不足,并提出了对未来研究方向的展望。 本论文针对全固态ICP光源中阻抗匹配问题的研究,通过理论分析和实验研究,最终使全固态ICP光源的各项指标达到了预期值。本文的创新点在于:第一,分析了射频电源中各模块的阻抗匹配问题,包括信号源、功率放大器和功率合成器,并利用实验结果证明设计方案的可行性。第二,提出了负载匹配箱的设计方案,分析了阻抗匹配网络、负载线圈及等离子体的电路模型,利用软件仿真了等离子体产生过程中的阻抗变化,并确定了阻抗匹配网络的控制策略及参数。第三,利用相位检测装置和阻抗匹配网络实现了自动阻抗匹配功能,分析了自动阻抗匹配的工作流程,并利用长期稳定性实验验证了自动阻抗匹配设计方案的可行性。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM923.01

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