ICP的高频发生器性能要求及常用类型

高频发生器

1.对高频发生器性能的基本要求

高频发生器在工业上称射频发生器。在IP光谱分析上又称高频电源（简称RF）它是ICP火焰的能源。对高频发生器性能的基本要求如下：

（1）输出功率设计应不小于1.6kW。这里所说的输出功率是指输出在等离子体火焰负载线圈上得到的功率，又称正向功率。而反射功率愈小愈好，一般不能超过10W。当高频电源频率为27.12MHz或40.68MHz时，功率在300～500W时就能维持ICP火焰，但不稳定，无法用于样品分析，必须使输出功率在800以上，火焰保持稳定后才能进行样品分析。一般在上述两种频率工作时，其点燃ICP火焰所需功率为600W。点燃炬焰后，需等待不小于5s时间使其稳定后才能进样分析。

（2）频率设计为27.12MHz或40.68MHz，这是由分析性能和电波管理制度所决定的。分析性能要求频率不能过低，频率过低维持稳定的ICP放电必须增大输出功率，这不仅要消耗更多的电能，使发生器体积庞大，同时还要耗用更多的冷却氩气。此外，频率过低趋肤效应明显减弱，不易形成火焰中心通道，造成样品难以通过ICP火焰。

频率为27.12MHz或40.68MHz，是电波管理制度所规定的工业频率区域，为标准工业频率振荡器6.78MHz的4倍或6倍值，完全符合电波管理制度的规定要求。

（3）输出功率波动要求≤0.1％。在ICP发射光谱分析中，高频发生器功率输出的稳定性直接影响分析的检出限与分析精度。这是发生器的重要指标，它的波动将增大测量的误差。

（4）频率稳定性一般要求≤0.1％。频率稳定性在ICP发射光谱分析中，对测试影响比功率影响要小得多，频率稳定性是比较容易做到的。但也有一定要求，不能提供过高频率，以免干扰无线电通信。

（5）电磁场辐射强度，应符合工业卫生防护的要求。根据国家环境电磁波卫生防护标准，频率为3～30MHz时，一级安全区的电磁波允许强度应≤10Vm。30～300MHz频率范围内允许强度≤5V/m。目前商品仪器的ICP电源的电磁辐射场强度远低于标准值。

（6）高频发生器尽量采用独立接地。以免影响附近电器设备，尤其是同一电源的计算机工作。

2. 高频发生器的类型

目前使用的高频发生器有两种类型：自激式高频发生器和它激式高频发生器。它们都能满足提供ICP火焰的能源及ICP光谱分析的要求。高频发生器是由振荡、倍频、激励、功放、匹配等单元组成。自激式的高频发生器是由一个电子管同时完成振荡、激励、功放、匹配输出的功能。它激式高频发生器是由一个标准化频率为6.78MHz的石英晶体振荡器经两次或三次倍频，得到27.12MHz或40.68MHz频率后，使之激励，再经过功率放大到2.5kW以上输出，并经过定向耦合器、匹配箱与负载线圈相连。

（1）自激振荡式和它激振荡式电路区别自激式高频发生器电路简单，调试容易，负载（ICP火焰）发生变化，振荡参数变化而引起频率迁移时，它有自动补偿、自身调谐作用。但它功率转换效率低，功率转换时损失较大。往往需要制成大功率高频发生器才可满足使用。同时，它的振荡频率无法控制，如果自激式高频发生器不带功率自动控制电路装置，ICP火焰进入不同性质物质、样品溶液浓度相差很大、负载产生较大变化时，输出功率稳定性差，其分析的精度受到很大影响。

它激式高频发生器的优点是输出转化效率高，振荡频率稳定。易采用闭环控制激励级，使其实现功率自动控制。当ICP火焰进入不同性质物质、样品溶液浓度相差较大、负载产生较大变化时，由于功率输出端自动反馈信号而进行调节，使功率自动控制。其分析精度不受影响。

（2）自激式高频发生器原理自激式高频发生器是由整流电源、功率放大电子管、电感-电容组成LC振荡回路三部分组成（见图1）。

图1 自激式高频发生器振荡回路

G—三极管；R—漏电阻；C1—振荡电容器；C2—隔直电容器；C3—栅极路电容器；

Lp—负载线圈；L1—极反馈线圈；ZUL1—扼流圈

当接通电源时，高频电流通过隔直电容器C2，对可调的振荡电容器C1充电，C1与电感Lp（为ICP负载线圈）并联产生高频振荡。其振荡的频率为：

通过反馈线圈电感L1耦合作用，产生反馈电压（称为激励电压，其频率也为f0），加在电子管的栅极上，保持对ICP放电的稳定，维持等幅振荡，不间断地给振荡回路补充能量。图1所示为采用正反馈激励方式。当电路工作条件有变动而使振幅减小时，则加在栅极上的反馈电压亦减小，使栅流减小，栅压降低，则阳流增大，振荡重新增大到原来的数值；如果由于某种原因使振幅加大，则反馈增强，使栅流增大，栅极降低到更负，放大倍数降低，从而限制振幅的增大。这样振荡回路的能量便可由电子管得到合拍的补充，使等幅振荡得以维持，并可自动补偿振荡能量的微小变化。

自激式高频发生器通过从高频输出端到负载线圈之间，增加定向耦合器，从定向耦合器上，取其高频信号，经减频、减波与提供的基准电压比较，其差值经放大反馈到输入的振荡管阳极电压，达到输出功率稳定，使之能滿足ICP光谱分析的要求。

（3）它激式高频发生器原理 它激式高频发生器线路框图见图2。

图2 它激式高频发生器框图

由石英晶体振荡器、倍频、激励、功放、匹配五部分组成，采用标准化频率为6.87MHz的石英晶体振荡器工作，经过倍频电路处理，使之产生27.12MHz或40.68MHz工作频率，将这种电流激励和放大，其输出功率通过匹配箱和同轴电缆传输到ICP负载线圈上。

这种类型的高频发生器，频率稳定性高、耦合效果好、功率转换效率高、功率输出易实现自动控制、输出功率的稳定性可达≤0.1％。完全可以满足ICP光谱分析的要求。当负载阻抗发生变化时，可借助置于同轴电缆与负载线圈之间的阻抗匹配网路（匹配箱）自动调谐。同时，从安装在主高频传输线上的定向耦合器上，取出高频信号作为反馈信号，与标准的电源参比，然后对整机的输出功率进行调节，从而得到稳定的功率输出。

（4）晶体管型高频发生器高频电流的传输与普通的交流电路和直流电路不同，一段几厘米长的导线，不仅有不可忽略的电阻，而且随线路走线的路径不同，有很大的感抗和容抗，因此在整机中不能忽视它的存在。过去很多ICP光谱仪装置中，将高频发生器与主机分离，从高频电源到负载线圈之间必须采用同轴电缆相连接。随着高频技术进步，目前很多光谱仪均采用一体化结构，把高频电源与等离子体负载线圈装在一起，其距离愈近愈好，以降低高频电流传输引起的高频损耗。同时，为了提高功率转换效率，减小仪器体积，采用高频晶体管取代电子管或一般晶体管作为放大的器件。它只需采用两支高频的晶体管（Q1和Q2）完成功率放大。这种新型高频发生器，频率稳定性高、耦合效果好、功率转换效率高、功率稳定好。同时，仪器体积大大缩小，特别适合于与整机体积小、中阶梯光栅分光-CCD光电转换的所谓“全谱型”ICP光谱仪相匹配高频晶体管型发生器放大电路部分见图3。

图3 高频晶体管型发生器放大电路

 目前商品化的ICP仪器，其高频发生器多数采用这种晶体管型高频发生器，称为全固态发生器。