FAIMS的高場非對稱波電源研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

1 FAIMS技術(shù)
　　高場非對稱波形離子遷移譜（FAIMS）技術(shù)[1]是建立在Mason和McDaniel實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)離子的遷移率系數(shù)K受所施加的電場強(qiáng)度影響。在低電場條件下，離子的遷移率系數(shù)K與電場強(qiáng)度無關(guān)；當(dāng)電場強(qiáng)度高到一定值( 約11 000 V/㎝)以后，離子的遷移率系數(shù)K就會以一種非線性的方式隨電場強(qiáng)度而變化，這種變化對于每一離子種類是特定的，如圖1所示。

　　圖1中，A、B、C三種離子的遷移率在高電場強(qiáng)度下的變化是各不相同的。一般情況下，質(zhì)荷比m/z比較小的離子屬于A類型的離子，質(zhì)荷比m/z比較大的離子屬于C類型的離子，介于它們之間的為B類離子。在電場強(qiáng)度升高到11 000 V/㎝以上時(shí)，離子的遷移率呈現(xiàn)出各自不同的非線性變化趨勢，這就使得低電場強(qiáng)度條件下離子遷移率相同或相近的離子能夠在高電場強(qiáng)度條件下被分離開來。高場非對稱波形離子遷移譜技術(shù)具有微型化、靈敏度高、檢測時(shí)間短、檢測物質(zhì)廣和功耗低等特點(diǎn)，可用于大氣、有毒氣體、水有機(jī)污染物、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑等的快速檢測，在環(huán)境監(jiān)測、公共安全和戰(zhàn)場生化威脅等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[2]。
　　FAIMS器件的核心是遷移區(qū)，其上加有非對稱波形的、方向與載氣流動(dòng)方向垂直的射頻高電壓和一個(gè)直流電壓。在射頻電場和直流電場的共同作用下，特定的離子將通過遷移區(qū)，到達(dá)探測電極而被探測到，從而實(shí)現(xiàn)離子種類和濃度的檢測。
　　在FAIMS遷移區(qū)工作過程中，高場非對稱波形電源非常重要，是保證離子在遷移區(qū)內(nèi)按要求運(yùn)動(dòng)的必要條件[3]。高場非對稱波形電源的輸出分為兩部分：高頻高壓的非對稱波形輸出以及直流低壓的補(bǔ)償電壓輸出。采用高頻高壓非對稱方波對于遷移區(qū)的離子分離是最優(yōu)選擇，理想的波形如圖2所示，其中上下、陰影部分面積相等?！　　?/P>

2 高場非對稱波形電源的研究現(xiàn)狀及主要成果
　　目前，國外研究FAIMS技術(shù)的國家和機(jī)構(gòu)比較少。美國新墨西哥州立大學(xué)的Eiceman等人利用MEMS技術(shù)開發(fā)了一種基于FAIMS原理的微型離子過濾器，使用的電源是KRYLOV E V提出的后過沖發(fā)生器（Back-Overshoot Generator），采用軟開關(guān)半諧振式的方波來產(chǎn)生射頻非對稱波形，其特點(diǎn)是頻率高、功率消耗小、所能產(chǎn)生的非對稱波形電壓峰峰值可達(dá)1 700 V，頻率最高為2 MHz，占空比為30%，補(bǔ)償電壓范圍為-30 V～+30 V。圖3為基于后過沖效應(yīng)(Back-Overshoot Effect)的準(zhǔn)諧振脈沖電路原理,圖4為其得到的脈沖波形。

　　高壓脈沖也可以通過2個(gè)或更多的諧振波形疊加得到，加上適當(dāng)?shù)闹绷髌镁湍軡M足非對稱要求。如果將容性負(fù)載連接到有2個(gè)有不同諧振頻率的LC電路中，并且其中一個(gè)的頻率為另一個(gè)的倍數(shù)，則在容性負(fù)載上得到的脈沖為：

　　其中U1和U2為幅值，φ為相位差，n為頻率倍數(shù)。
　　最簡單的兩頻率合成諧振電路可以通過電感或電容耦合2個(gè)普通的LC電路得到，圖5為一種兩頻率合成諧振電路原理，圖6為其脈沖波形，其中C為離子檢測器等效電容。因?yàn)槊}沖由2個(gè)或更多的諧振波形疊加得到，所以每個(gè)波形能否準(zhǔn)確地在要求的某個(gè)相位點(diǎn)上疊加就顯得非常重要，如果不能滿足這一點(diǎn)，疊加出來的波形將不能滿足要求。也正因?yàn)檫@樣，采用這種方法得到的輸出脈沖波形受溫度和器件參數(shù)漂移的影響很大，一旦器件漂移過大，每個(gè)單獨(dú)的諧振波形的頻率、相位等參數(shù)就發(fā)生變化，前面的疊加條件得不到保證，脈沖波形就變得不可接受。當(dāng)采用電感耦合時(shí)這個(gè)缺點(diǎn)就更為明顯，采用電容耦合時(shí)要好一些。此外，這種方法獲得的脈沖波形需要調(diào)節(jié)幅值和頻率時(shí)也不是很方便。不過該方法比較容易實(shí)現(xiàn)脈沖高電壓和高頻率，同時(shí)該電源還可用于等離子檢測領(lǐng)域，應(yīng)用的范圍比較寬。同樣負(fù)載條件下，該方法比前面一種方法能量消耗多一些。

　　圖7為一種方波脈沖電路，A和B為控制信號輸入，C為離子檢測器等效電容。其缺點(diǎn)是對變壓器的要求太高，難于制作。圖8為加拿大國家研究委員會國家測量標(biāo)準(zhǔn)研究所實(shí)際采用的一種非對稱方波脈沖。在離子檢測領(lǐng)域限制方波使用的一個(gè)重要原因是功率消耗大，而前2種脈沖對功耗要求較低。方波脈沖頻率為f時(shí)，需要的能量可通過下式估算：
W=U2Cf/2

　　其中，U為脈沖電壓，C為離子檢測器等效電容。
3 主要問題及其可能的解決途徑
　　對于FAIMS離子檢測器來說，采用非對稱方波脈沖時(shí)離子的分離效果是最好的。理論上方波脈沖對于FAIMS離子檢測器來說是最理想的，定義Form factor為衡量各種脈沖波形對離子分離的效率，那么理想的方波則為100%，基于后過沖效應(yīng)的脈沖為50%，而采用諧振波形疊加的脈沖則為40%，這是方波脈沖優(yōu)于前2種脈沖的地方。
　　在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域常用的方法是由高壓電源提供高壓直流，并將能量儲存在儲能元件中，然后通過開關(guān)器件快速開通放電來得到脈沖，整個(gè)過程可以簡單地理解為：先充電-積累能量-迅速釋放-獲得脈沖。這種方法廣泛應(yīng)用于各種需要獲得高壓功率脈沖的地方，其波形質(zhì)量較好，可以獲得高重復(fù)頻率高功率的脈沖，所以在等離子體物理與受控核聚變、核爆炸模擬、閃光X光照相等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。另外，由于FAIMS對脈沖要求的特殊性，采用該方法可以在一定程度上減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，采用類似該原理的一些脈沖電路設(shè)計(jì)可以減小設(shè)計(jì)難度。
　　高場非對稱脈沖成型電路可以采用半橋結(jié)構(gòu)，如圖9所示。電路工作原理是利用半橋逆變電路產(chǎn)生方波[4-5]。

　　FAIMS遷移區(qū)在工作時(shí)，需要在高場非對稱方波上疊加一個(gè)直流電壓，稱為補(bǔ)償電壓。為了保證在不同幅值的非對稱方波下補(bǔ)償電壓可調(diào)節(jié)的范圍一致，應(yīng)使非對稱方波電源和補(bǔ)償電壓電源的電壓大小分別獨(dú)立可調(diào)、互不影響，因此采用了一個(gè)單獨(dú)控制的低壓直流電源來輸出補(bǔ)償電壓，并通過相應(yīng)的隔離和疊加電路，使補(bǔ)償電壓與非對稱方波疊加在一起，共同作用在FAIMS遷移區(qū)上。
　　本文介紹了目前國內(nèi)外FAIMS電源的研究現(xiàn)狀及主要研究成果，分析了其面臨的主要問題及可能的解決途徑，最后對FAIMS電源提出了一些新的實(shí)現(xiàn)方法。