FAIMS的高場非對稱波電源研究現(xiàn)狀與進展

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實驗觀察的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)離子的遷移率系數(shù)K受所施加的電場強度影響。在低電場條件下，離子的遷移率系數(shù)K與電場強度無關(guān)；當電場強度高到一定值( 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。在電場強度升高到11 000 V/㎝以上時，離子的遷移率呈現(xiàn)出各自不同的非線性變化趨勢，這就使得低電場強度條件下離子遷移率相同或相近的離子能夠在高電場強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、檢測時間短、檢測物質(zhì)廣和功耗低等特點，可用于大氣、有毒氣體、水有機污染物、爆炸物、化學戰(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、方向與載氣流動方向垂直的射頻高電壓和一個直流電壓。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)，到達探測電極而被探測到，從而實現(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)按要求運動的必要條件[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。　　　

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)的國家和機構(gòu)比較少。美國新墨西哥州立大學的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1 700 V，頻率最高為2 MHz，占空比為30%，補償電壓范圍為-30 V～+30 V。圖3為基于后過沖效應(Back-Overshoot Effect)的準諧振脈沖電路原理,圖4為其得到的脈沖波形。

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

　　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。因為脈沖由2個或更多的諧振波形疊加得到，所以每個波形能否準確地在要求的某個相位點上疊加就顯得非常重要，如果不能滿足這一點，疊加出來的波形將不能滿足要求。也正因為這樣，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，每個單獨的諧振波形的頻率、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。當采用電感耦合時這個缺點就更為明顯，采用電容耦合時要好一些。此外，這種方法獲得的脈沖波形需要調(diào)節(jié)幅值和頻率時也不是很方便。不過該方法比較容易實現(xiàn)脈沖高電壓和高頻率，同時該電源還可用于等離子檢測領(lǐng)域，應用的范圍比較寬。同樣負載條件下，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準研究所實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，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計風險，采用類似該原理的一些脈沖電路設計可以減小設計難度。
　　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，需要在高場非對稱方波上疊加一個直流電壓，稱為補償電壓。為了保證在不同幅值的非對稱方波下補償電壓可調(diào)節(jié)的范圍一致，應使非對稱方波電源和補償電壓電源的電壓大小分別獨立可調(diào)、互不影響，因此采用了一個單獨控制的低壓直流電源來輸出補償電壓，并通過相應的隔離和疊加電路，使補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現(xiàn)方法。