Элементы расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «Фильтр масс»: Учебное пособие к курсовому проектированию, страница 13

9.3. Краевые искажения поля анализатора

Краевые искажения электрического поля анализатора проявляются в искривлении хода потенциальных поверхностей поля вдоль оси z на концах анализатора, появлении в связи с этим z-составляющей напряженности электрического поля и возникновении зависимости x- и y-составляющих напряженности поля от координаты z. Упомянутое искривление наблюдается только вблизи концов анализатора и уже на расстоянии одного-двух радиусов поля (r₀) вглубь анализатора становится исчезающе малым. Его можно описать полуэмпирической формулой для потенциала:

                                                                     (115) где  - безразмерный коэффициент, меньший единицы; z₀ –  такое приведенное расстояние от соответствующего торца анализатора до плоскости входной (или выходной) диафрагмы, в которой ВЧ-электрическим полем вдоль оси z можно пренебречь.

При размерах входной апертуры анализатора, значительно меньших расстояния между поверхностями диагонально расположенных в нем электродов, можно считать, что  При этом получим систему уравнений, описывающих движение иона при его влете в анализатор:

                                    (116)

                                     (117)

                     .                           (118)

Анализ показывает, что при влете в анализатор (когда ) благодаря действию краевого поля ион получает дополнительные смещения в трех направлениях (x, y, z). Эти смещения зависят от расстояния торцов полеобразующих электродов до входной диафрагмы (z₀), ускоряющего ионы напряжения и номера массы иона, а также от отношения z₀ к радиусу поля r₀. Расчеты показали, что расстояние от диафрагмы z₀ целесообразно выбирать близким к r₀ и определяемым  следующим соотношением:

                                                                                           (119)

10. Генератор высокой частоты и усилитель постоянного тока

10.1. Требования к ГВЧ

В разделе 8 настоящей работы рассмотрена проблема диапазона анализируемых масс, показано, что заданный диапазон анализируемых масс определяет значения частоты  и амплитуды высокочастотного напряжения  (см. соотношение 92).

Для расчёта генератора высокой частоты необходимо помимо частоты  и максимальной амплитуды  знать его выходную мощность  и параметры колебательного контура (резонансное сопротивление  и добротность ). Имея в виду, что на выходе ГВЧ стоит параллельный колебательный контур, ёмкость которого состоит из ёмкости анализатора , ёмкости высокочастотных кабелей , пересчитанной к выходу выходной ёмкости активного элемента в выходном каскаде ГВЧ () и подстроечных ёмкостей , включенных параллельно друг другу, найдём

                                                                    (120)

и

      .            (121)

Для определения величины  нужно рассчитать ёмкость четырёхпроводной линии, имеющей длину , и прибавить к ней ёмкость одного из электродов на окружающий анализатор цилиндрический корпус. Ёмкость четырёхпроводной линии рассчитывается по формуле [1]:

                             ,                            (122)

где  Ф/см – диэлектрическая проницаемость вакуума;  – расстояние между осевыми линиями двух смежных цилиндрических электродов ();  – диаметр электрода (). При удалении стержней анализатора от заземлённого корпуса на расстояние порядка удвоенного диаметра стержня вкладом ёмкости стержней на корпус можно пренебречь, считая, что , где  определено выражением (122). ёмкость кабелей  определяется типом и длиной кабелей, связывающих датчик с корпусом ГВЧ; подстроечного конденсатора  – разбросом ёмкостей  и  у разных датчиков, а также выходной ёмкости  активного элемента (лампы или транзистора) в выходном каскаде ГВЧ.

Для того, чтобы иметь представление о порядках искомых величин приведём численный пример. Пусть  см,  пФ. При погонной ёмкости 1 пФ/см и длине кабелей 200 см суммарная ёмкость кабелей  равна 100 пФ. Величины  пФ, откуда  пФ. При  МГц и обычной при такой частоте добротности нагруженного выходного контура ГВЧ , равной 100, из выражения (120) находим  кОм и при  В из (121) определим  Вт.

Блок ГВЧ является важнейшим в радиоаппаратурной части прибора, так как от качества его работы зависит возможность реализации предельных характеристик прибора, потенциально заложенных в датчике КМ. К числу обязательных требований, предъявляемых к выходным параметрам ГВЧ при известных величинах максимальной амплитуды ВЧ-напряжения () и частоты колебаний () относятся:

1)  стабильность напряжений  и  и частоты ;

2)  стабильность выбранного отношения напряжённости  к  ();

3)  предельно допустимая величина пульсаций, создающих дополнительную паразитную модуляцию выходных напряжений.

4)  электрическая симметрия обоих выходов ГВЧ;

5)  содержание гармоник в выходном напряжении;

6)  линейность изменения выходного напряжения во времени при работе в режиме автоматического сканирования по спектру масс;

7)  возможность достаточно точной фиксации модулирующего напряжения для определения номера анализируемой массы;

8)  возможность сканирования по всему спектру масс и по любой его части;

9)  реализация широкого диапазона скоростей сканирования по спектру, соответствующих, например, скоростям регистрации спектра масс с помощью самопишущего потенциометра или электроннолучевого осциллографа при возможности настройки КМ и непрерывного слежения за каким-либо одним компонентом анализируемой среды;

10)  обеспечение в случае необходимости возможности одновременного (или почти одновременного) слежения за интенсивностью нескольких произвольно выбранных компонентов спектра масс.

Рассмотрим в отдельности каждое из перечисленных выше требований.