ICP光源中射频功率测量装置的设计.pdf

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1、检测与仪表化工自动化及仪表，2010，37(5)：54-56ControlandInstrumentsinChemicalIndustryICP光源中射频功率测量装置的设计王超1”，金星1，石宝松1”，杜江3(1．中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，武汉430074；2．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033；3．北京海光仪器公司，北京100016)摘要：阐述ICP光源中射频功率测量的意义，提出了测量范围为100—1500W，频率为27．12MHz的功率测量装置的设计方案。详细分析了射频功率测量装置中的电路设计，包括采样互感器、功

2、率合成电路、幅度相位分析电路和移相电路，并给出了判断ICP光源负载状态和性质的方法。在实验中，利用BIRD43型功率计和BIRD4304A型功率计对射频功率测量装置进行了参数校准。关键词：ICP光源；功率测量；射频中图分类号：TM933文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)05-0054-031引言在现代分析测试仪器中，ICP—MS、ICP—AES(OES)都是一些精密的分析测试仪器，它不仅具有极低的检出限，而且能够对ppm量级的含量进行定量分析‘“，可以快速同时检测周期表上几乎所有元素，成为公认的最有力的元素分析手段。此类仪器利用射频

3、电源输出的电能在负载线圈上产生电磁场，将气溶胶电离，形成等离子体。由于在产生并维持电感耦合等离子体的过程中，负载阻抗会产生变化，为了实现射频能量高效率的传输，需对射频电源的能馈传输状态和负载阻抗状态进行检测。针对ICP光源的需要，本文提出了射频功率测量装置的设计方案，并进行了相关实验。2设计方案图l为ICP光源的结构图，ICP光源的驱动电源使用27．12MHz的射频电源，输出功率在100～1500W可调，输出阻抗为50Q，在输出功率为750—1500W的范围内可以形成电感耦合等离子体。由于等离子体的阻抗只有0．5～1．5Q口1，为了满足产生并维持等离子

4、体的条件，须使射频电源的输出阻抗与负载阻抗匹配，从而提高射频能量的传输效率。因此需要在射频电源和负载之间插入射频功率测鼍装置，检测出系统的入射功率和反射功率，分析判断出负载阻抗的状态，进而确定负载的控制策略。图lICP光源结构框图如图2所示，射频功率测量装置主要包括采样互感器、移相电路、功率合成器和幅度相位检测器等模块单元。首先，利用采样互感器按一定比例提取出射频电源输出信号的电流值i和电压值口。将提取出的两路信号口，和i，通过功率合成器进行合成得到输出值P。，其关系式如式(1)所示。另外，通过幅度相位检测器检测出电流信号i和电压信号勘的相位差0和幅度

5、比，并将相位差0、幅度比和功率合成器的输出值P．进行模数转换，将转换后的数字量送至控制单元。通过二元方程组的计算得到射频信号的电流值i和电压值秽，进而计算出入射功率、反射功率，并分析得到负载阻抗的性质和状态，如式(2)、式(3)所示。∥—i=P，P。=÷·‰·，-P。=÷·％．，H．sin一(1)(2)(3)式中：‰，IN——电压，电流的峰值；PRE，——反射功率；P阿。——入射功率。乜压H感器酬移丰¨l乜路I

6、拧制模块收稿日期：2010-12—14(修改稿)基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK03A01)第5期王超等．ICP光源中

7、射频功率测量装置的设计·55·3．1采样互感器如图3所示，分别采用电流互感器和电压互感器提取出射频信号的电流值和电压值，互感器的匝数均为26。互感器的磁环采用单孔镍锌铁氧体，初始磁导率为80，工作频率为30MHz，可以满足射频电源27．12MI-Iz的频率条件p1。JllJH}按射频功率为100一l500W计算，电流信号端的输出3．32一13．36V，电压信号端的输出为2．16～8．3V，计算出电阻网络最大耗散功率为0．9W，故电阻网络选用额定功率为2w的无感电阻。互感器提取的信号经电阻网络调理后送至功率合成器和幅度相位检测器。J2IlHl-RlR2R

8、5R630lR7R8RllR1230I30l图3采样互感器示意图3．2功率合成器为了计算射频信号的电流值和电压值，将采样互感器提取出的信号进行功率合成，图4为功率合成电路图。功率合成器采用Mini—Circuits公司的功率合成分配器ADP-2一IW，其频率范围为1—650Ml-Iz，阻1I．tF330∥册抗50Q‘4。。功率合成信号经过肖特基二极管整流，再使用峰值保持电路将其转化为直流信号，通过电阻分压后接至模数转换器，经计算得到模数转换器的输入电压范围为0．39—4．06V，可以满足模数转换的条件0—4．096V。TIr，116．34Kq≯1wF吕

9、：竺。!些Ii型型垒，，I融拥愿4--瑙-tIVOLTSAMPI．E掣!肇掣lA1)1)-2一