CC BY
19
УДК 621.384.83
Система регистрации гиперболоидного масс-анализатора на основе микроконтроллера
Кожин А.Е., Борисовский А.П.
aleksandr.kozhin.00@mail.ru, apb213@yandex.ru
Рязанский государственный радиотехнический университет,
Рязань, Россия
Аннотация: Предложенная система регистрации позволяет преобразовать информацию поступающей с выхода датчика масс-анализатора в виде ионного тока амплитудой Im = 10-15 А в цифровой код. Эффективное усиление и обработка слабых сигналов с помощью электронных схем возможна при величинах токов ~ 10-9 А. Предварительное усиление Ki=106 и преобразование ионного тока в электронный производится с помощью вторично-электронных умножителей (ВЭУ).
Ключевые слова: трёхмерная ионная ловушка, фильтр масс, вторично-электронный умножитель, микроконтроллер, операционный усилитель.
Registration system of mass analyzer based on microcontroller
Kozhin A.E., Borisov A.P.
Ryazan State radio Engineering University, Ryazan, Russia
Abstract: The proposed registration system allows you to convert the information received from the output of the sensor mass Analyzer in the form of ion current amplitude Im = 10-15 and in digital code. Effective amplification of weak signals and processed using electronic circuits is possible when values of currents 10 ~-9 a. Pre-amplification Ki = 106 and ion current in electronic conversion is done using the secondary electron multiplier (SEM).
Keywords: three-dimensional ion trap mass filter, secondary-electron multiplier, microcontroller, operational amplifier.
Введение. Одной из тенденций развития аналитической аппаратуры для определения химического состава вещества в настоящее время является расширение использования спектральных методов. В основном это относится к масс-спектрометрии (МС), которая совместно с газовой хроматографией (ГХ) обычно используется как эталонный (тестовый)
метод. Диапазон веществ, исследуемых методом хромато-масс-спекро-метрии, представляют собой соединения с массовыми числами до 600700 а.е.м. [1]. При этом чувствительность и избирательность метода позволяют идентифицировать вещества на уровне 10-12 г.
Необходимость идентификации сложных и разнообразных органических соединений требует фиксации молекулярных пиков и пиков ионов с большими массовыми числами, так как именно эти пики несут максимальную информационную нагрузку. К основным проблемам при этом можно отнести наличие дискриминации по массам при ионизации и, особенно при детектировании сигналов от различных ионов.
Целью работы является разработка нового способа детектирования заряженных частиц в гиперболоидных масс-анализаторах, которые работают в режиме накопления и осуществляют развертку спектра масс с высокой скоростью.
Задача. Главной задачей исследования является разработка системы регистрации спектров масс для гиперболоидного масс-анализа-тора, который работает совместно с газовым хроматографом. Существующие в сейчас регистрирующие системы обладают рядом недостатков. Аналоговая система регистрации, описанная в [1] не позволяет осуществлять скоростную развёртку спектров масс. Причиной этого ограничения является аналоговый интегратор, построенный на основе операционного усилителя (ОУ). Погрешность выполнения операции интегрирования зависит от постоянной интегрирования т=RC, где С- ёмкость в цепи обратной связи интегратора, R - резистор на входе интегратора. Таким образом, снижая величину постоянной времени интегратора (увеличивая скорость развёртки спектров масс), мы увеличиваем погрешность преобразования ионного тока в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код.
Система регистрации, построенная по принципу «счёта ионов» [2] предполагает использование широкополосного усилителя с полосой пропускания ~ 200 МГц. Это необходимо для усиления импульсов длительностью ~ 5 нс, которые соответствуют детектированию отдельных ионов, поступающих на вход системы. Уровень помех этой системы пропорционален ширине полосы пропускания широкополосного усилителя. Наличие в масс-спектре значительного уровня шумовой составляющей приводит к снижению пороговой чувствительности устройства в целом. Другой недостаток системы регистрации, работающей по принципу «счёта ионов», заключается в способности пропуска ионов, одновременно попадающих на вход вторично-электронного умножителя (ВЭУ). Это эквивалентно пропуску ионов и дополнительной зашумленности масс-спектра.
Новая система регистрации осуществляет преобразование информации, поступающей с выхода детектора масс-анализатора в виде ионного тока амплитудой 1т = 10-15 А в двоичный код. Эффективное усиление и аналоговая обработка слабых сигналов с помощью электронных схем возможна при величинах токов ~ 10-9 А. Поэтому предварительное усиление К=106 в системах регистрации и преобразование ионного тока в электронный осуществляется в масс-спектрометрических приборах с помощью ВЭУ.
Для обнаружения ионов в гиперболоидных масс-спектрометрах (ГМС) используют вторично-электронные умножители, которые позволяют на 4 - 5 порядков увеличить чувствительность по сравнению с масс-спектрометрами, использующих для детектирования выходящего ионного тока коллекторы типа цилиндров Фарадея[3]. Широкое распространение получили канальные умножители спирального типа в ГМС типа трехмерной ловушки благодаря возможности практически безынерционного управления их коэффициентом усиления. В Рязанском государственном радиотехническом университете была разработана схема импульсного управления коэффициентом усиления канального ВЭУ спирального типа магнитным полем с глубиной модуляции до 104 [4]. Эффективное управление коэффициентом усиления позволяет использовать существенное преимущество ГМС типа трехмерной ловушки с внутренней ионизацией перед другими ГМС, заключающееся в возможности осуществления режима накопления. В этом режиме можно увеличить отношение времени накопления к времени вывода частиц из измерительного устройства до 103-104 и, соответственно, во столько же раз увеличивать отношение сигнал/шум на выходе умножителя, «открывать» последний только на время вывода накопленных частиц из анализатора. В качестве активных элементов системы регистрации используются усилители постоянного тока (УПТ) либо широкополосные усилители.
Основные элементы регистрирующей части масс-спектрометра проиллюстрированы на рис.1.
Электронная часть прибора содержит блоки в которых вырабатываются напряжения, питающие отдельные части анализатора и регистрирующую часть прибора. Усиленный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код, который записывается в память компьютера. Отображение масс-спектра осуществляется на экране ПЭВМ.
Рис. 1. Основные элементы регистрирующей части хроматомасс-анали-затора на основе трёхмерной ионной ловушки.
В её состав входят: трёхмерная ионная ловушка с ВЭУ, электронная часть прибора, источники вторичного электропитания. Анализатор масс представляет собой устройство, содержащее ионный источник, систему электродов для создания гиперболоидного электрического поля и приемник ионов. Для регистрации ионов в современных масс-спектрометрах применяют вторично-электронный умножитель. Сигналом с выхода ВЭУ является импульс тока отрицательной полярности. Поэтому в схему включён преобразователь ток-напряжение, построенный на основе ОУ. Фильтр верхних частот (ФВЧ) осуществляет подавление низкочастотных составляющих частотного спектра сигнала (сетевой фон, помехи от преобразователя напряжения, входящего в состав низковольтного и высоковольтного (ВИП) источников питания). Электропитание ВЭУ осуществляется с помощью высоковольтного источника напряжения с постоянным током. На выходе масс-анализатора ионные токи очень малы, даже после их преобразования и усиления в ВЭУ в электронные токи. Поэтому для уверенной регистрации необходимы специальные высокочувствительные усилители постоянного тока, которые присутствуют в составе системы регистрации.
Разработанная схема. Схема электронной части системы регистрации приведена на рис.2. Она состоит из следующих элементов: операционных усилителей ОУ1, ОУ2, фильтра нижних частот (ФНЧ), микроконтроллера, генератора тактовых импульсов (Ген). Частота среза
фильтра нижних частот (ФНЧ) выбирается исходя из экспериментально измеренной длительности импульса электронного тока твых= 0,5 мкс, равной Fc=2 МГц. При помощи АЦП, который входит в конструкцию отладочной платы с микроконтроллером, осуществляет преобразование полезного аналогового сигнала в 10-битный параллельный код. Суммирование цифровых отсчётов производит ядро микроконтроллера. Полученные 16-битные коды поступают в память компьютера. Полученные спектры хранятся в цифровом виде на жестком диске компьютера. При необходимости осуществляется их отображение на экране монитора, либо цифровая обработка с целью уверенной регистрации спектральных составляющих с малой интенсивностью.
Микроконтроллером является STM32F103. На его основе построена отладочная плата STM32 Development Board Port103V с (фирма-изготовитель STM Microelectronics). Операционные усилители ОУ1 (AD8041) и ОУ2 (AD817) необходимы для предварительного усиления сигнала на входе до величины ~2 В. ОУ1 включен по схеме преобразователя ток-напряжение (транс-импедансный усилитель). Такой ОУ
имеет незначительный уровень шумов (плотность шумов - 1,7 )
и может работать на нагрузку в несколько Ом (Кн=150 Ом). Конструктивно усилитель (ОУ1) помещен камеру анализатора масс-детектора, где создано низкое давление. ОУ2 предназначен дли усиления сигнала по напряжению (#u=20). ФНЧ предназначен для снижения уровня входных шумов и устранения составляющих входного сигнала с частотами выше 2 МГц.
Рис. 2. Функциональная схема электронной части системы регистрации
Микроконтроллер производит операцию цифрового интегрирования входящего аналогового сигнала в пределах длительности импульса регистрации. Он обладает следующими характеристиками:
1) рабочая частота 72 МГц;
2) 32-разрядное ядро ARM Cortex-M3;
3) 512 кбайт Flash памяти;
4) три 12-битных АЦП и два 12-битных ЦАП;
5) JTAG/SWD интерфейс.
Выводы. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что описанная система регистрации для масс-спектрометров, разработанная на основе согласованного ФНЧ, микроконтроллера, имеет перспективы. Это имеет огромное значение в модернизации и упрощения конструкции масс-анализаторов и увеличение применения хромато-масс-спектрометрии в различных сферах жизни человека, где необходим анализ быстропротекающих химических реакций.
Библиографический указатель:
1. Беркутов А.М., Колотилин Б.И., Морозов В.Н., Овчинников С.П. Устройство отображения масс-спектрометрической информации // Тез. докл. IV Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии// г. Сумы. 1986. C. 46-47.
2. Толстогузов А.Б., Мамонтов Е.В. Система регистрации для ионно-зондового микро-анализатора // ПТЭ. 1996. № 5. С. 106 - 109.
3. Рожков О.В., Борисовский А.П., Малютин А.Е. Система регистрации для газохроматического масс-детектора // Научное приборостроение: межвуз. сборник науч. тр. Рязань, 1998. С. 18-22.
4. Борисовский А.П., Трубицин А.А. Повышение разрешающей способности квадрупольных масс-анализаторов путём оптимизации формы импульсного высоко-частотного напряжения питания// Вестник РГРТУ, № 2, (выпуск 40) // Рязань, 2012, С. 72-75.
Об авторах:
Кожин Александр Евгеньевич (aleksandr.kozhin.00@mail.ru) -Рязанский государственный радиотехнический университет, магистрант, Рязань, Россия.
Борисовский Андрей Петрович (apb213@yandex.ru) - Кандидат технических наук. Рязанский государственный радиотехнический университет, доцент кафедры промышленной электроники, Рязань, Россия.
About the authors:
Kozhin Aleksandr Evgenevich - Ryazan State radio Engineering University, Magee-strant, Ryazan, Russia.
Borisovskii Andrei Petrovich - Candidate of technical sciences. Ryazan State radio Engineering University, Associate Professor, Department of industrial electronics, Ryazan, Russia.
