TOF-SIMS离子束偏转电源和真空测控系统的研制

发布时间：2017-12-30 09:16

本文关键词：TOF-SIMS离子束偏转电源和真空测控系统的研制　出处：《吉林大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)是质谱仪的一种,具有结构简单、灵敏度高和检测质量范围宽等优点,拥有良好的发展前景。论文依托于国家重大科学仪器设备开发专项:同位素地质年代学专用TOF-SIMS科学装置,该项目旨在将TOF-SIMS技术应用于高精度同位素比值分析领域,解决宇宙样品及地球化学珍贵样品稳定同位素、稀土元素微区原位分析的难题。TOF-SIMS需要设计离子束控制电路使离子束按照设计的路径飞行,离子束偏转电源和真空测控系统测控是同位素地质年代学专用TOF-SIMS科学装置离子束控制电路的组成部分。离子束偏转电源的作用是控制离子束飞行方向,校正离子束飞行路径,弥补机械部件加工误差。为此,离子束偏转电源需要具备如下功能:双通道对称输出、输出-250V~+250V连续可调直流电压。同时,TOF-SIMS仪器对离子束偏转电源的纹波与双通道输出对称性的参数要求极为严格。为了实现同位素地质年代学专用TOF-SIMS科学装置对离子束偏转电源的功能性需求和指标性需求,本文研制了一部以-10V~+10V电压信号控制-250V~+250V输出的双端对称输出电源。电源采用多级放大电路实现增大电源内阻、微调放大倍数的功能;采用积分电路并引入可调偏置电压实现对电源静态工作点的调节;采用一种比较新颖的闭环负反馈电路实现对输入电压信号的运算放大并抑制输出纹波;采用可调反相比例放大电路实现双通道对称输出功能。在离子束偏转电源设计完成后,使用Multisim软件对设计完成的电源进行软件仿真以确定其可行性。之后绘制印制电路板并进行手动焊接、调试。最后,使用Solidworks软件设计离子束偏转电源的机箱并将电路板装箱以完成离子束偏转电源的研制。在完成离子束偏转电源的研制之后,对电源的关键参数——纹波、双通道输出电压差和输出对称度进行测试,经过测试,电源的关键参数基本满足提出的参数指标:双通道对称输出,-250V~250V连续可调电压;输出纹波峰峰值不大于10m V,有效值不大于5m V;最大输出电压差值小于0.25V,输出对称度小于0.12%。目前,离子束偏转电源已应用在项目正在研发的4台同位素地质年代学专用TOF-SIMS科学装置中。超高真空是形成离子束的必要条件,因此,SIMS仪器均需要一套真空测控系统控制仪器的各真空部件使仪器获得超高真空,并实时监测仪器真空状态。由于仪器结构不同,国外先进仪器的真空测控系统设计方案无法直接套用于项目,需要参照同类仪器设计方案设计与项目配套的真空测控系统。文章首先进行需求分析,选定真空测控系统实现方案。然后,按照选定方案从芯片选型、原理图设计、软件设计三个方面完成了系统的设计。本文采用STM32F103作为主控芯片实现了对外围电路包括串口拓展电路、RS485电平转换电路、RS232电平转换电路、人机交互电路、真空部件电路的控制。使用GM8125串口拓展芯片将232总线拓展为8路实现对4部真空规控制器、4部机械泵的控制;使用RS485总线控制4部分子泵;使用远程继电器控制4部真空板阀。最后,本文提出了一种智能真空控制策略,为日后对真空测控系统进行改良提供了一个思路。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273

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