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月球资源探测小型质谱仪关键技术研究

赵占锋  
【摘要】: 质谱技术是一种靠获得未知物的分子量信息和分子结构信息对物质进行鉴别的方法,是和分析化学领域中的光谱技术、核磁共振并列的一种重要谱学方法。大型质谱仪目前已经广泛应用于食品安全、生命科学、药物、化工、军事和国防等各种微量或痕量物质检测领域。随着人类航天技术的发展,该技术又被小型化后装备到地外星球探测器上,目前小型质谱仪是国外航天探测的标配仪器。随着我国综合国力的提高,载人航天、探月工程等项目的逐步实施,对质谱仪的小型化技术提出了迫切的需求。论文以“月球资源探测小型质谱仪”项目为背景,对质谱仪的小型化关键技术进行研究。 首先,对离子阱质谱仪进行了理论研究,从离子能量角度、赝势两个角度解释了怎样才能提高仪器灵敏度的问题。在此基础上针对离子阱分析小质量分子很困难的问题进行研究,发现离子阱内的非谐振势对二十以下小质量离子的影响是导致该问题的根本原因,而离子阱尺寸偏小是导致非谐振势很大的重要原因,从而提出了离子阱的设计思路:适当增大离子阱尺寸、提高射频频率。 其次,讨论了离子阱优化设计的基本原则。在保证信号灵敏度的前提下保证体积小、低功耗、低质量。并利用该准则结合前期的实验结果,对CIT离子阱进行优化设计。针对离子阱尺寸参数较多,而仿真又非常耗时的特点,结合cooks教授优化理论和实际工程需要,得出仅对参数z0进行优化设计的结论,从而大大减少优化参数,节省了计算时间。在优化准则上,众多文献根据由经验得到的“高极场占四极场-10%”作为离子阱设计的优化准则,理由是可以提高系统分辨力。针对具体实验结果,和分析物质分子量偏小的特点,本文提出了高极场最小的优化准则。最后,结合目前实际工艺水平,给出了实用的优化方法。 之后,针对传统商业质谱仪的电路体积、功耗比较大,重量较高的问题,结合小型质谱仪的性能指标,采用各种替代技术方案,在电路设计上,降低其体积、功耗和质量并保证其高可靠性,主要包括:利用磁环变压器损耗小的特点,对商业质谱仪的空心变压器进行替代,在功耗和体积上达到令人满意的效果;采用频率合成技术产生任意参数可调的射频调幅小信号,取带功耗较大的NI卡生成信号的方案;同时针对频率合成的压缩技术进行研究,在理论上提出了新的压缩方法,并在FPGA中实现,解决了目前没有航天级频率合成芯片的问题;在实验的基础上,对微弱电流放大电路进行优化设计,将其体积和功耗减小;通过合理的优化设计,将质谱仪的整个控制系统综合到一块电路板上,实现了数据采集、数据传输、信号产生、功率放大等功能,使得系统控制电路的体积、功耗和重量大大减小。 最后,对实验平台进行了构建。利用本文设计的离子阱和电路结合相关设备,在该平台上进行水杨酸甲酯、甲烷、氢气、氦气以及氢气和氦气的混合气进行测量,并解释了相关实验现象。针对前面相关理论中讨论的赝势大小和qz对仪器灵敏度影响问题,用氦气进行了验证,为工程应用提供了较好的实验参数。


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