作者简介: 卢思贤, 2000年生, 北方工业大学电气与控制工程学院硕士研究生 e-mail: 1290299528@qq.com
电感耦合等离子体(ICP)光谱仪是一种应用范围很广的元素分析仪, 主要用于元素定性与定量的分析。ICP光源是光谱仪的核心部件, 它在光谱仪中扮演着至关重要的角色。目前主流的ICP光源有两种: 自激式和他激式, 各自具有优缺点。他激式光源电路复杂、 体积庞大、 阻抗匹配速度较慢、 最大输出功率有限。设计了一种基于镀金工艺的高功率MOSFET和变频实现阻抗匹配的自激式ICP光源, 该光源采用射频放大和阻抗匹配一体化的设计, 把从负载线圈采样的频率信号 f1以及功率放大电路放大后的频率相位 f0进行相位比较, 再根据两者相位差的变化, 进而控制频率的变化, 实现阻抗匹配; 设计上采用了镀金工艺的金属化硅N通道型高功率的MOSFET实现功率放大, 具有更大的功率密度、 更小的体积, 最大输出功率超过2 400 W。对研制的ICP光源进行了电学静态测试, 给出了鉴相器、 压控振荡器以及功率的输出特性, 验证了各电路在相应工作状态下的性能表现; 同时结合光谱仪进行了包含Ba、 Na和Li元素标准溶液的测试, 获得了目标元素的光谱信号; 另外, 对获得的光谱信号进行了处理, 使用了基于EEMD特征增强的方法对目标元素光谱信号进行有效增强, 信号的线性决定系数(R2)从0.97降至0.99, 相对标准偏差(RSD)从6.47%降至1.07%, 增强了信号的准确性和可用性。本文所研制的自激式ICP光源, 通过射频放大和阻抗匹配一体化设计缩小了体积, 变频技术使阻抗匹配速度从毫秒级提升到纳秒级, 镀金工艺的MOSFET技术使最大输出功率从原来的1 800 W增加到2 400 W, 为ICP光源的进一步优化和应用奠定了基础, 具有重要的科学研究和工程实践意义。
The inductively coupled plasma (ICP) spectrometer is a widely used elemental analyzer, mainly for qualitative and quantitative elements analysis. The ICP source is the core component of the spectrometer, playing a crucial role. By exciting the target elemental atoms in the sample, the ICP source generates corresponding characteristic spectra, which are then analyzed and measured by the spectrometer, achieving rapid and accurate detection of target elements in the sample. Currently, there are two mainstream types of ICP sources: self-excited and external-excited, each with its advantages and disadvantages. The external-excited ICP source generally consists of Radio Frequency (RF) amplification and impedance matching. The two are designed separately, with a complex circuit and a relatively large volume. The impedance matching uses a mechanical capacitance matching method, with response times in milliseconds or even seconds, resulting in slow matching speeds. At the same time, the design mostly employs Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET) with low power amplification, and the maximum output power is limited. This paper presents a self-excited ICP source based on a gold-metalized silicon n-channel RF power transistor and variable frequency impedance matching. The ICP source uses an integrated design of RF amplification and impedance matching, comparing the phase difference between the frequency signal f1 sampled from the load coil and the amplified frequency phase f0, and controlling the frequency change based on the phase difference to achieve impedance matching. The design uses gold plating technology to amplify power with high-power silicon n-channel RF power transistor, providing greater power density and smaller volume, with a maximum output power exceeding 2 400 W.The paper conducted electrical static tests on the developed ICP source, providing the characteristics of the Phase Detector(PD), Voltage-Controlled Oscillator(VCO), and power output, verifying the performance of each section under corresponding working conditions. Additionally, tests were carried out with standard solutions containing Ba, Na, and Li elements using the spectrometer, obtaining an ICP spectrogram of the target elements. Furthermore, the obtained ICP spectrograms were processed using the Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) method to enhance the spectral signals of the target elements effectively. The R2 coefficient of determination (R2) of the signal is increased from 0.97 to 0.99, and the relative RSD Standard Deviation (RSD) is increased from 6.47% to 1.07%, enhancing the signal’s accuracy and usability. The self-excited ICP source developed in this paper has been reduced in size through the integrated design of RF amplification and impedance matching. The frequency conversion technology has improved the impedance matching speed from the millisecond level to the nanosecond level, and the MOSFET technology of gold plating technology has increased the maximum output power from 1 800 to 2 400 W, which has laid a foundation for further optimization and application of ICP source and has important scientific research and engineering practice significance.
电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)光谱仪是一种灵敏度高、 稳定性好的光学分析仪器, 利用ICP产生高温等离子体将样品中的原子激发至高能级, 原子从高能级跃迁到低能级时会发射出特定波长的光[1], 从而产生原子发射特征光谱, 然后通过光谱仪进行了光谱采集, 从而实现对目标元素的定性和定量分析。
目前, 成熟商品化光源主要是以他激式为主, 他激式光源一般由两个部分组成: 射频放大和阻抗匹配, 二者采用分离式设计, 电路复杂, 体积较为庞大; 阻抗匹配采用的是机械式的电容匹配方式, 响应时间为毫秒甚至是秒级, 匹配速度较慢; 同时, 设计上大多采用放大功率较小的金属-氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET), 导致最大功率放大能力有限, 限制了其在不同应用场景下的适用性。
本文设计了一种基于镀金工艺的高功率MOSFET和变频实现阻抗匹配的自激式ICP光源, 该光源采用射频放大和阻抗匹配一体化的设计方式, 同时采用了镀金工艺的金属化硅N通道型高功率的MOSFET实现功率放大, 具有更大的功率密度、 更小的体积; 通过锁相环对相位差的跟踪来实现自激式的阻抗匹配, 此时等离子体负载成为了振荡回路中的一部分, 因此自激式光源具有纳秒级的阻抗响应时间; 功率放大方式采用了镀金工艺的金属化硅N通道型高功率的MOSFET实现了功率放大, 使光源具有更大的功率输出, 在面对复杂基质和难以激发的样品时, 有着更强的适用性。
自激式光源根据电路各个部分的功能可分为以下几部分: 锁相环信号发生器、 射频功率放大器、 阻抗匹配网络, 除此之外还有辅助数控电源、 控制模块、 相位探针、 点火装置等, 根据上面所作说明, 再结合实际电路的实现方式, 系统框图如图1所示。由压控振荡器产生频率信号, 通过射频功率放大器放大后, 再经阻抗匹配, 使负载线圈获得最大的功率传输, 最后形成等离子体。同时系统通过探针采样频率信号的相位和射频功率放大器放大后的频率相位, 通过鉴相器进行相位比较, 并不断调整压控振荡器输出频率, 响应时间大约在纳秒级, 即可实现系统的稳定。
他激式光源需要通过电机机械式调整电容大小来进行阻抗匹配, 导致阻抗匹配速度较慢, 匹配时间通常在毫秒到秒级。自激式光源通过锁相环对相位差的跟踪来实现阻抗匹配, 电路级的响应时间在纳秒级。
锁相环通常由鉴相器(phase detector, PD)、 低通滤波器(low-pass filter, LF)和压控振荡器(voltage controlled oscillator, VCO)三部分组成。鉴相器是用于比较两个信号的相位差值, 并产生相应的电压信号以表示这种差值; 环路滤波器用于抑制可能的振荡或干扰; 压控振荡器可以根据电压信号的变化来调节其输出频率, 其结构图如图2所示。
鉴相器把从等离子体采样的频率信号f1以及射频功率放大器放大后的频率相位f0进行相位比较, 鉴相器根据两者相位差的变化, 进而产生一个电压信号, 再经过低通滤波器把干扰信号滤除, 最后调整压控振荡器, 直到相位差恢复, 从而达到锁相实现阻抗匹配的目的。
射频功率对等离子体的温度及离子化的程度有直接的影响, 进而改变元素测定时的灵敏度和精确度, 增大功率, 提高等离子体温度, 使谱线强度增强, 如果射频功率过低则会影响待测元素原子蒸发[2]。
本文自激式光源采用的是E类推挽式功率放大电路, 并且使用了镀金工艺的金属化硅N通道型高功率的MOSFET进行功率放大, 使光源最高具有2 400 W的功率输出, 在面对复杂基质和难以激发的样品时, 有着更强的适用性, 其功率放大原理如图3所示。从VCO输出的频率信号首先经过EL7457进行电流放大, 以提高信号的带负载能力, 进而驱动上下两个MOSFET。当控制信号为正半周时, 上面的MOSFET导通, 负载得到一个放大了的正半周信号; 当控制信号为负半周时, 下面的MOSFET导通, 负载得到一个放大了的负半周信号, 最后经变压器耦合成完整放大的射频信号。
根据自激式负载线圈是振荡电路的一部分这一特点, 本文设计了全新的匹配网络, 其结构包括三组电容和负载线圈。示意图如图4所示, C1是回路中的并联电容, C2由继电器控制的可控并联电容, C3、 C4是大功率电容组, 能够向后端的负载线圈传输RF功率信号。在形成等离子体之前, 继电器闭合, 增大回路里的等效负载, 有助于等离子体的形成; 形成等离子体之后, 继电器断开, 减小回路里的等效负载, 使等离子体可以获得更高的功率。
自激式ICP光源是一种技术更为先进的射频电源, 相较于他激式光源, 其体积更小, 这一差异主要源于自激式ICP光源采用了更为紧凑和高效的设计方式。首先, 自激式ICP光源在设计上实现了功率放大和阻抗匹配的一体化, 不仅大幅减小了电路的尺寸, 还极大提高了阻抗匹配速度。其次, 自激式光源采用了高功率MOSFET等先进材料和工艺, 使得电源核心部件更小巧, 在同样的体积下能提供更大的功率。如图5所示, 左上边是他激式光源的阻抗匹配箱, 下面是他激式射频电源两部分共同组成了整个光源; 右上边是自激式控制板, 下面是自激式射频电源。
评价自激式ICP光源的性能通常可以从以下几个方面进行: 锁相环跟随负载变化的响应能力, 这是自激式阻抗匹配的关键; 输出功率的大小, 较高的输出功率意味着更强的等离子体激发能力以及在面对复杂基质和难以激发的样品时, 有着更强的适用性[3]; 多种样品进样时, 光源能够生成稳定的等离子体[4]。
自激式射频电源的性能在很大程度上取决于锁相环中的鉴相器与压控振荡器的性能。锁相环电路的性能直接决定光源能否快速跟随进样时的负载变化。鉴相器的输出是由信号的相位差决定的, 相差越大, 鉴相器输出的电压就越大, 从而控制后端的压控振荡器, 重新使整个电路达到平衡。本设计使用的是90° 鉴相器, 当相差为90° 时, 输出电压为0 V, 相差为0° 时, 输出电压为负0.4 V。鉴相器的静态输出测试特性如图6(a)所示, 横坐标是相位差值, 纵坐标是鉴相器的输出。
根据国际无线电频率划分规定以及分析性能考量[8], ICP电源的工作频率在27.12 MHz左右可满足需求。压控振荡器的静态测试结果如图6(b)所示, 横坐标是控制电压, 纵坐标是频率, 随着控制电压的增大, 频率也呈线性增大, 因此线性度和频率范围都足够满足光源需求。
输出功率的大小意味着更强的等离子体激发能力以及可以实现更高的等离子体密度。功率越大, 光源的温度越高, 样品的蒸发、 离解和激发就越彻底。对于溶液中含有机试剂或有机溶剂的样品, 为使有机物充分分解, 需要使用1 550 W以上的功率才能满足分析需求[5], 但对于其他难激发的样品来说, 就需要更高的功率。如图7所示, 横坐标是控制电压VGS, 纵坐标是输出功率, 形成等离子体后, 不断增加VGS电压, 功率不断增加, 最高可达2 400 W。
根据光源总体结构及其设计方案, 将光谱仪、 RF电源、 控制单元、 进样装置进行了平台搭建, 形成等离子体实物图如图8所示, 样品溶液经雾化器后送入载气通道, 由ICP光源激发后, 通过光谱仪进行光谱分析。光谱仪使用的是北京金泰光电的商品化仪器全元素ES-3800A中阶梯光谱仪, 具有分辨率高、 谱线范围宽、 动态范围广、 检出限低等特点; 使用的主要测试样品是Ba、 Na、 Li标准溶液(100 mg· mL-1), 购自钢研纳克检测技术有限公司, 产品编号GBW(E)082156; 氩气购置于北京氦普北分气体工业有限公司, 纯度为99.999 2%的高纯氩气。
图9是实验所获得的ICP光谱谱图, 横坐标是波长, 纵坐标是强度, 455.4 nm为Ba, 588.9 nm为Na, 670.7 nm为Li, 氩气是形成等离子体的惰性气体。结果显示, 所设计的光源能够有效的激发多个元素, 并获得相应的光谱信号。
在ICP光谱谱图中存在许多干扰, 这些干扰来源于背景噪声、 多次电离的元素波长以及光源本身对光谱仪的干扰。这些干扰对光谱分析的准确性和可靠性产生负面影响。因此, 信号处理是ICP光谱分析法中不可或缺的一步, 对于提高ICP光谱数据的质量和准确性具有重要意义。
EEMD的基本原理[6]是将信号分解为一系列本征模态函数IMF(intrinsic mode function), 其中每个IMF都是原始信号的局部振荡成分。EEMD不依赖于预先定义的基函数, 而是根据信号本身的特征进行分解。EEMD算法步骤如下:
(1) EEMD分解
① 生成扰动信号: 将原始信号x(t)与一组高斯白噪声n(t)相加, 得到扰动信号
② Hilbert-Huang变换: 对扰动信号y(t)进行Hilbert-Huang变换, 得到其本征模态函数IMFs。
③ 重复步骤: 重复以上步骤多次, 得到多组本征模态函数集合$c_{k}(t)_{k=1}^{N}$。
④ 求平均: 对每一组本征模态函数进行平均, 得到最终的本征模态函数集合$c_{k}(t)_{k=1}^{N}$。
(2) 筛选IMFs: 通过一定的筛选准则, 例如选取具有明显物理意义或能量集中的IMFs, 剔除无用的IMFs。
(3) 重构信号: 将选取的IMFs按照一定规则相加, 得到原始信号的近似重构
式(2)中, Ck(t)是选取的IMFs, r(t)是剩余的高频成分或噪声。
通过以上步骤, EEMD可以将复杂的信号分解为多个本征模态函数, 提取出信号中具有物理意义的频率成分。
实验中共处理了5组不同浓度梯度的Ba、 Na、 Li标准溶液和同一浓度的10组Ba、 Na、 Li标准溶液得到的光谱信号。5组不同浓度的Ba、 Na、 Li原始信号, 使用EEMD方法进行数据处理后, 获得了5组不同样品浓度对应特征谱线的信号, 同时使用多项式曲线拟合方法进一步分析, 获得了原始信号以及最终处理信号对应浓度的相应的线性决定系数(coefficient of determination, R2)。选取了10组Ba、 Na、 Li溶液浓度均为10 mg· mL-1, 采用EEMD方法进行特征增强。分别计算了Ba、 Na、 Li溶液原始信号和EEMD增强信号的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD), R2和RSD数据汇总表1所示。
![]() | 表1 Ba、 Na、 Li元素EEMD处理前后汇总 Table 1 Summary of Ba, Na and Li elements before and after EEMD treatment |
与原始信号相比, 经过EEMD特征增强后的光谱信号的R2和RSD具有较大程度的优化, 可用性大大提高。可见, EEMD方法可以有效地对光谱信号进行处理, 提高了数据的实用性和准确性。
本文所设计的自激式ICP光源采用的功率放大和阻抗匹配一体化设计缩小了体积, 体积的缩小使得光源有利于将其集成到更复杂的光谱仪系统中, 提升整体仪器的集成度; 基于变频技术实现的阻抗匹配大大提高了阻抗匹配的速度, 快速的阻抗匹配有利于提高光源的响应速度和对样品的适用能力; 采用的镀金工艺金属化硅N通道型高功率MOSFET技术, 提高了光源的最大输出功率, 高功率的光源可以提供更强的等离子体激发能力以及可以实现更高的等离子体密度; 与他激式光源相比具有更小的体积、 更快的阻抗匹配速度以及更大的功率输出优势。同时结合光谱仪对Ba、 Na、 Li三种目标元素的测试, 获得了相应的光谱信号, 验证了ICP光源良好的性能。同时采用了EEMD算法对采集到的光谱信号进行处理, 结果表明该方法能够有效增强ICP光谱信号的特征, 与原始信号相比, EEMD增强特征后信号的决定系数R2优于0.99, 相对标准偏差RSD优于1.5%, 大大扩展了ICP光谱仪的应用范围, 有利于仪器的小型化和便携式的实现。
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