ICP光源中负载匹配箱的设计

　　0　引言

　　在现代分析测试仪器中, ICP-MS、ICP-AES(OES)都是一些精密的分析测试仪,它可以快速同时检测周期表上几乎所有元素,成为公认的最有力的元素分析手段。由于在产生并维持电感耦合等离子体的过程中,负载阻抗会产生变化,为了实现射频能量高效率的传输,这类仪器都使用了射频阻抗匹配系统。针对ICP光源点火和维持过程的特性,本文提出ICP光源负载匹配箱的设计方案,对等离子体产生过程中负载的变化进行深入的分析,并通过软件仿真,提出等离子体产生过程中阻抗匹配网络的控制策略,确定阻抗匹配网络的参数范围。

　　1　负载匹配系统设计方案

　　ICP光源的驱动电源使用27.12MHz射频电源,输出功率在100~1600W可调,输出阻抗为50Ω。而等离子体的阻抗只有0.5~1.5Ω[1],为了满足产生并维持等离子体的要求,需使射频电源的输出阻抗与负载阻抗匹配,从而提高射频能量的传输效率,因此需要在射频电源和负载线圈之间插入阻抗匹配系统。如图1所示,负载阻抗匹配系统主要包括射频电源、控制模块、功率相位检测模块、阻抗匹配网络、负载线圈、驱动电动机和匹配电容位置监测模块。首先,射频电源的输出信号经过功率相位检测模块,利用互感器提取出射频信号的电流值和电压值,通过幅度相位检测器输出电流信号和电压信号的相位差和幅度比,并将其进行模/数转换,传送至控制模块。通过分析计算得到射频信号的入射功率、反射功率,从而计算得到负载阻抗的性质和状态[2]。根据负载阻抗的状态确定控制策略,通过控制驱动电动机来改变阻抗匹配网络中可变电容的容值,并利用位置监测模块记录阻抗匹配网络电容值的变化,输出信号接至控制模块,实现阻抗匹配网络的自动闭环控制。并且,控制模块与计算机进行实时通讯,将ICP光源中的各种参数和负载状态显示出来。

　　2　阻抗匹配网络设计

　　2.1　阻抗匹配网络的结构

　　ICP光源采用L型结构的阻抗匹配网络,由于L型结构具有阻抗调整范围大的特点,所以这种结构的阻抗匹配网络广泛用于固定频点的电感耦合等离子体发生装置[3]。图2所示为L型阻抗匹配网络的结构示意图,此匹配网络由串联电容和并联电容组成。其中,串联电容作为调谐电容,由陶瓷真空可调电容和高压陶瓷电容并联组成,并联电容作为阻抗调节电容,由空气可调电容和圆片型陶瓷电容组成[4, 5]。两个可调电容与驱动电动机和位置检测器件相连,控制模块通过控制电动机的运行改变可调电容的容值,从而改变负载阻抗的状态,实现负载阻抗与射频电源输出阻抗的匹配。

　　2.2　产生等离子体前阻抗匹配网络的分析