主题：【分享】ICP发射光谱仪讲义-RF发生器

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JOE HUI

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发表于：2023/08/04 21:38:10 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

ICP发射光谱仪的RF发生器通过工作线圈给等离子体输送能量，维持ICP光源稳定放电，目前ICP的RF发生器主要有两种震荡类型，即自激式和它激式。

.1、自激式RF发生器

自激式RF发生器又称自由振式RF发生器，它有整流电源、振荡回路和电子管功率放大器三部分组成。

整流电源是由三相电源经升压、三相全波整流及L、C滤波提供电子管功率放大器所需的直流高压（3千伏）。

其振荡回路是由一个电容和一个电感组成的并联回路，当有外加电源时，回路内将产生振荡信号，回路能量交替地储存在电容和电感上。当回路中电阻很小时，即 R< 2（L/C）^1/2，其振荡频率为：f=1/{2p（L/C）^1/2 }。

由于回路电阻的存在，每次振荡总要消耗部分能量，使振荡受到阻尼，为了维持等辐振荡，并保持一定的输出功率，使用电子管功率放大器，把L-C振荡回路的信号正反馈一部分供给放大器的栅极，经功放后再输出给L-C回路，这样L-C回路不断地从放大器取得能量，除反馈一部分外，大部分能量用电感耦合方式供给等离子体，从而维持稳定的等辐振荡和功率输出。信号正反馈的形式国外多采用电容反馈型，而国内生产的则多采用电感反馈型。

自激式振荡器的主要特点是结构简单、价格低廉、制造调试比较容易，在技术指标上能基本满足光谱分析要求，但其主要的缺点是频率稳定性及功率稳定性较差，这主要是由于等离子体负载是作为振荡回路的一部分，负载的改变将影响L-C振荡器的频率及回路的工作状态。

2、它激式RF发生器

它激式RF发生器又称晶体控制型RF发生器，它与自激式不同，它是利用石英晶体的压电效应构成振荡器也取代L-C振荡回路的电容、电感元件。

将石英晶体按一定方位角切制成一块正方形（或长方形或圆形）簿片，在晶片的两个对应表面上喷涂金属板，就可构成石英晶体振荡器。当晶体片上加上一个电场，就会使晶片发生机械形变，相反，在晶体片上加一个机械力又会在相应的方向上产生电场，这种现象称石英晶体的压电效应。若在晶片上下的金属板上施加变电压，就会产生相应的机械形变，即机械振动，通常情况下，这种形变振幅很小，当外加交变电压为某一特定频率时，振幅会突然啬，这种现象为压电谐振，这一频率称为晶体的谐振频率，它和晶体的尺寸有关。

在它激式振荡器中，常应用一个频率为27.12MHz或40.68MHz的石英晶体振荡器作为振源，经过两级功率放大，就可得到27.12MHz或40.68MHz，2.0Kw的输出信号。通过匹配网络和同轴电缆传输到负载线圈上。这类发生器频率稳定度高，耦合效率好，功率输出易于自动控制，但放电回路的电学特性的任何微小变化，会导致阻抗失配，需调节至最佳匹配，仪器线路比较复杂，成本较高，但性能较好。

ThermoElemental公司的的ICP均采用晶体控制型RF发生器，其结构框图如下：

晶体控制型RF发生器的高功率输出采用多级放大后才获得，它包括：

1) RF源放大：由石英晶体振荡器（27.12MHz）和放大电路组成，受来自AGC（自动增益控制）的反馈电压和计算机给定的控制，其输出是稳定的、最大功率为3w的高频信号。

2) RF驱动放大：它介于源放大和功率放大之间，其作用是放大RF源放大级的高频信号，以驱动功率放大器，并隔绝源振荡器以改善稳定性，驱动放大级的最大输出功率为65w。

3) RF功率放大：它主要由大功率电子管（3cx1500A）来实现高频信号的进一步放大，并通过工作线圈把RF功率耦合到等离子体上。功率放大级的最大输出功率可达2Kw。

4) 匹配网络：在以上各级放大器之间均存在阻抗匹配网络，是为RF功率在各级间传输中获得最高的效率。其中功率放大级的输入、输出匹配网络十分重要，输入匹配采用Л型匹配电路，如右图调整匹配电容Cl和C₂，使输入功率放大级的反射功率几乎为零。输出匹配为自动匹配（Auto-Turning），自动跟踪等离子体负截的变化，使等离子体始终获得最高的功率传输效率。

5) 自动增益控制（AGC）：它的作用是自动调整整个RF发生器的放大倍数，不管等离子体的阻抗以及等离子体与负载线圈耦合有何变化，始终保证等离子体的功率恒定不变。AGC同时又受计算机控制，以实现RF功率的计算机控制。

6) 工作线圈：工作线圈的作用是把RF发生器的高频能量，耦合到等离子体。由于高频电流倾向于在导体表面流动（即趋肤效应），工作线圈是由2.5圈镀银外层的空心铜管制成，内通冷却水冷却。为了防止其表面腐蚀或匝间高压放电，工作线圈外套一层四氟乙烯。

7) 电源系统（POWER UNIT）：为RF发生器提供各种电源，包括：+5V、+12V、±15V、+48V、+3800V和120V AC。其中+48V提供给RF驱动放大， +3800V提供给RF功率放大。该电源系统具有各种保护，并通过其电源控制单元（Power Unit Control）实现与整个仪器的通讯和控制。

3、固态式RF发生器

固态式RF发生器是用一组固态场效应管（一般是十几只配对）来替代经典RF发生器中的大功率电子管，以获得大功率高频能量输出。固态式RF发生器具有更小的体积，有利于仪器的小型化。国产ICP发射光谱仪中北京华科天成科技公司的ICP光谱仪产品也采用了固态式RF发生器