ICP的高頻發(fā)生器性能要求及常用類型

高頻發(fā)生器

1.對(duì)高頻發(fā)生器性能的基本要求

高頻發(fā)生器在工業(yè)上稱射頻發(fā)生器。在IP光譜分析上又稱高頻電源（簡(jiǎn)稱RF）它是ICP火焰的能源。對(duì)高頻發(fā)生器性能的基本要求如下：

（1）輸出功率設(shè)計(jì)應(yīng)不小于1.6kW。這里所說的輸出功率是指輸出在等離子體火焰負(fù)載線圈上得到的功率，又稱正向功率。而反射功率愈小愈好，一般不能超過10W。當(dāng)高頻電源頻率為27.12MHz或40.68MHz時(shí)，功率在300～500W時(shí)就能維持ICP火焰，但不穩(wěn)定，無法用于樣品分析，必須使輸出功率在800以上，火焰保持穩(wěn)定后才能進(jìn)行樣品分析。一般在上述兩種頻率工作時(shí)，其點(diǎn)燃ICP火焰所需功率為600W。點(diǎn)燃炬焰后，需等待不小于5s時(shí)間使其穩(wěn)定后才能進(jìn)樣分析。

（2）頻率設(shè)計(jì)為27.12MHz或40.68MHz，這是由分析性能和電波管理制度所決定的。分析性能要求頻率不能過低，頻率過低維持穩(wěn)定的ICP放電必須增大輸出功率，這不僅要消耗更多的電能，使發(fā)生器體積龐大，同時(shí)還要耗用更多的冷卻氬氣。此外，頻率過低趨膚效應(yīng)明顯減弱，不易形成火焰中心通道，造成樣品難以通過ICP火焰。

頻率為27.12MHz或40.68MHz，是電波管理制度所規(guī)定的工業(yè)頻率區(qū)域，為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率振蕩器6.78MHz的4倍或6倍值，完全符合電波管理制度的規(guī)定要求。

（3）輸出功率波動(dòng)要求≤0.1％。在ICP發(fā)射光譜分析中，高頻發(fā)生器功率輸出的穩(wěn)定性直接影響分析的檢出限與分析精度。這是發(fā)生器的重要指標(biāo)，它的波動(dòng)將增大測(cè)量的誤差。

（4）頻率穩(wěn)定性一般要求≤0.1％。頻率穩(wěn)定性在ICP發(fā)射光譜分析中，對(duì)測(cè)試影響比功率影響要小得多，頻率穩(wěn)定性是比較容易做到的。但也有一定要求，不能提供過高頻率，以免干擾無線電通信。

（5）電磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度，應(yīng)符合工業(yè)衛(wèi)生防護(hù)的要求。根據(jù)國(guó)家環(huán)境電磁波衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，頻率為3～30MHz時(shí)，一級(jí)安全區(qū)的電磁波允許強(qiáng)度應(yīng)≤10Vm。30～300MHz頻率范圍內(nèi)允許強(qiáng)度≤5V/m。目前商品儀器的ICP電源的電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

（6）高頻發(fā)生器盡量采用獨(dú)立接地。以免影響附近電器設(shè)備，尤其是同一電源的計(jì)算機(jī)工作。

2. 高頻發(fā)生器的類型

目前使用的高頻發(fā)生器有兩種類型：自激式高頻發(fā)生器和它激式高頻發(fā)生器。它們都能滿足提供ICP火焰的能源及ICP光譜分析的要求。高頻發(fā)生器是由振蕩、倍頻、激勵(lì)、功放、匹配等單元組成。自激式的高頻發(fā)生器是由一個(gè)電子管同時(shí)完成振蕩、激勵(lì)、功放、匹配輸出的功能。它激式高頻發(fā)生器是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化頻率為6.78MHz的石英晶體振蕩器經(jīng)兩次或三次倍頻，得到27.12MHz或40.68MHz頻率后，使之激勵(lì)，再經(jīng)過功率放大到2.5kW以上輸出，并經(jīng)過定向耦合器、匹配箱與負(fù)載線圈相連。

（1）自激振蕩式和它激振蕩式電路區(qū)別自激式高頻發(fā)生器電路簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，負(fù)載（ICP火焰）發(fā)生變化，振蕩參數(shù)變化而引起頻率遷移時(shí)，它有自動(dòng)補(bǔ)償、自身調(diào)諧作用。但它功率轉(zhuǎn)換效率低，功率轉(zhuǎn)換時(shí)損失較大。往往需要制成大功率高頻發(fā)生器才可滿足使用。同時(shí)，它的振蕩頻率無法控制，如果自激式高頻發(fā)生器不帶功率自動(dòng)控制電路裝置，ICP火焰進(jìn)入不同性質(zhì)物質(zhì)、樣品溶液濃度相差很大、負(fù)載產(chǎn)生較大變化時(shí)，輸出功率穩(wěn)定性差，其分析的精度受到很大影響。

它激式高頻發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)化效率高，振蕩頻率穩(wěn)定。易采用閉環(huán)控制激勵(lì)級(jí)，使其實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)控制。當(dāng)ICP火焰進(jìn)入不同性質(zhì)物質(zhì)、樣品溶液濃度相差較大、負(fù)載產(chǎn)生較大變化時(shí)，由于功率輸出端自動(dòng)反饋信號(hào)而進(jìn)行調(diào)節(jié)，使功率自動(dòng)控制。其分析精度不受影響。

（2）自激式高頻發(fā)生器原理自激式高頻發(fā)生器是由整流電源、功率放大電子管、電感-電容組成LC振蕩回路三部分組成（見圖1）。

圖1 自激式高頻發(fā)生器振蕩回路

G—三極管；R—漏電阻；C1—振蕩電容器；C2—隔直電容器；C3—柵極路電容器；

Lp—負(fù)載線圈；L1—極反饋線圈；ZUL1—扼流圈

當(dāng)接通電源時(shí)，高頻電流通過隔直電容器C2，對(duì)可調(diào)的振蕩電容器C1充電，C1與電感Lp（為ICP負(fù)載線圈）并聯(lián)產(chǎn)生高頻振蕩。其振蕩的頻率為：

通過反饋線圈電感L1耦合作用，產(chǎn)生反饋電壓（稱為激勵(lì)電壓，其頻率也為f0），加在電子管的柵極上，保持對(duì)ICP放電的穩(wěn)定，維持等幅振蕩，不間斷地給振蕩回路補(bǔ)充能量。圖1所示為采用正反饋激勵(lì)方式。當(dāng)電路工作條件有變動(dòng)而使振幅減小時(shí)，則加在柵極上的反饋電壓亦減小，使柵流減小，柵壓降低，則陽(yáng)流增大，振蕩重新增大到原來的數(shù)值；如果由于某種原因使振幅加大，則反饋增強(qiáng)，使柵流增大，柵極降低到更負(fù)，放大倍數(shù)降低，從而限制振幅的增大。這樣振蕩回路的能量便可由電子管得到合拍的補(bǔ)充，使等幅振蕩得以維持，并可自動(dòng)補(bǔ)償振蕩能量的微小變化。

自激式高頻發(fā)生器通過從高頻輸出端到負(fù)載線圈之間，增加定向耦合器，從定向耦合器上，取其高頻信號(hào)，經(jīng)減頻、減波與提供的基準(zhǔn)電壓比較，其差值經(jīng)放大反饋到輸入的振蕩管陽(yáng)極電壓，達(dá)到輸出功率穩(wěn)定，使之能滿足ICP光譜分析的要求。

（3）它激式高頻發(fā)生器原理 它激式高頻發(fā)生器線路框圖見圖2。

圖2 它激式高頻發(fā)生器框圖

由石英晶體振蕩器、倍頻、激勵(lì)、功放、匹配五部分組成，采用標(biāo)準(zhǔn)化頻率為6.87MHz的石英晶體振蕩器工作，經(jīng)過倍頻電路處理，使之產(chǎn)生27.12MHz或40.68MHz工作頻率，將這種電流激勵(lì)和放大，其輸出功率通過匹配箱和同軸電纜傳輸?shù)絀CP負(fù)載線圈上。

這種類型的高頻發(fā)生器，頻率穩(wěn)定性高、耦合效果好、功率轉(zhuǎn)換效率高、功率輸出易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、輸出功率的穩(wěn)定性可達(dá)≤0.1％。完全可以滿足ICP光譜分析的要求。當(dāng)負(fù)載阻抗發(fā)生變化時(shí)，可借助置于同軸電纜與負(fù)載線圈之間的阻抗匹配網(wǎng)路（匹配箱）自動(dòng)調(diào)諧。同時(shí)，從安裝在主高頻傳輸線上的定向耦合器上，取出高頻信號(hào)作為反饋信號(hào)，與標(biāo)準(zhǔn)的電源參比，然后對(duì)整機(jī)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到穩(wěn)定的功率輸出。

（4）晶體管型高頻發(fā)生器高頻電流的傳輸與普通的交流電路和直流電路不同，一段幾厘米長(zhǎng)的導(dǎo)線，不僅有不可忽略的電阻，而且隨線路走線的路徑不同，有很大的感抗和容抗，因此在整機(jī)中不能忽視它的存在。過去很多ICP光譜儀裝置中，將高頻發(fā)生器與主機(jī)分離，從高頻電源到負(fù)載線圈之間必須采用同軸電纜相連接。隨著高頻技術(shù)進(jìn)步，目前很多光譜儀均采用一體化結(jié)構(gòu)，把高頻電源與等離子體負(fù)載線圈裝在一起，其距離愈近愈好，以降低高頻電流傳輸引起的高頻損耗。同時(shí)，為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，減小儀器體積，采用高頻晶體管取代電子管或一般晶體管作為放大的器件。它只需采用兩支高頻的晶體管（Q1和Q2）完成功率放大。這種新型高頻發(fā)生器，頻率穩(wěn)定性高、耦合效果好、功率轉(zhuǎn)換效率高、功率穩(wěn)定好。同時(shí)，儀器體積大大縮小，特別適合于與整機(jī)體積小、中階梯光柵分光-CCD光電轉(zhuǎn)換的所謂“全譜型”ICP光譜儀相匹配高頻晶體管型發(fā)生器放大電路部分見圖3。

圖3 高頻晶體管型發(fā)生器放大電路

 目前商品化的ICP儀器，其高頻發(fā)生器多數(shù)采用這種晶體管型高頻發(fā)生器，稱為全固態(tài)發(fā)生器。