电子管振荡高压离子阱射频装置

本发明涉及离子阱射频装置，尤其涉及一种电子管振荡高压离子阱射频装置，适用于离子囚禁和激光冷却研究和应用领域。

背景技术

离子阱是利用在一定区域内建立一个梯度势场，将离子囚禁于势能最低点。射频离子阱是应用最广泛的一种离子阱之一，其原理是通过在离子阱帽端极杆(轴向)上加直流电场，对角极杆(径向)上加射频电场产生三维囚禁势场。对于特定电荷数的离子，相同的轴向直流电场对不同质量的离子囚禁能力是一样的，且对电压要求不高，而相同的径向射频电场对质量越大的离子囚禁能力越弱，因此当需要囚禁大质荷比离子时，需要加电压幅值(U

目前，常用的离子阱射频装置是通过三级及以上晶体管功率放大电路，将小信号射频电压放大为大信号射频电流，再通过变压器放大为峰峰值几百伏的射频电压。但是，当需要进一步提高离子阱的射频电压时，容易产生以下问题：1、需要更多级晶体管功率放大电路，波形有一定非线性失真；2、大的射频电流热效应更严重，功率损耗更大；3、大的射频电流容易造成电磁干扰；4、升压变压器需要更高的放大倍数。

为了弥补利用晶体管将小信号射频电压多级放大的离子阱射频装置产生的问题，基于电子管振荡产生射频电压是一种很好的解决方式。电子管与晶体管相比，有着独特的优势：1、功率大，负载能力强；2、线性性能好；3、输出电压大，电流小。电子管振荡电路的原理是：电感与电容构成并联谐振电路，利用电容与电感的储能特性，使电磁能量交替转化产生振荡，电子管将直流电能供给振荡电路补充损耗，以维持电路等幅振荡。通过电子管振荡电路可以直接产生峰峰值几百伏的射频电压，其不需要小信号射频电压多级放大，结构简单；输出电压大，电流小，热效应和电磁干扰小，安全性好，更适合用于囚禁大质荷比离子的射频装置，可以广泛应用于离子囚禁和激光冷却研究和应用领域。

综上所述，当需要进一步提高离子阱的射频电压时，常用的利用晶体管将小信号射频电压多级放大的离子阱射频装置，波形有一定非线性失真，大的射频电流热效应更严重，功率损耗更大，容易造成电磁干扰。相比而言，基于电子管振荡产生射频电压是一种更好的解决方式，其特点是不需要多级放大，结构简单；输出电压大，电流小，热效应和电磁干扰小，安全性好。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有的利用晶体管将小信号射频电压多级放大的离子阱射频装置存在的上述问题，提供一种电子管振荡高压离子阱射频装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括电子管、振荡电路、升压磁环、射频离子阱、散热风扇；采用本发明的装置，解决了现有的利用晶体管将小信号射频电压多级放大的离子阱射频装置需要进一步提高离子阱的射频电压时，波形有一定非线性失真，大的射频电流热效应更严重，功率损耗更大，容易造成电磁干扰的问题；同时，该装置可以在保证电路功能稳定安全的情况下，可以通过电子管振荡电路产生两路相位相反，幅值相同，幅值最大为250V，频率范围为1-10MHz的射频电压；该装置可扩展为将单路射频电压经升压磁环放大后可达幅值1000V，可以广泛用于离子囚禁和激光冷却研究和应用领域。

具体地说：

本置包括直流电压源0、电子管1、振荡电路2、升压磁环3、射频离子阱4和散热风扇5；

其位置和连接关系是：

电子管1、振荡电路2、升压磁环3和射频离子阱4依次连接；

直流电压源0分别给电子管1和振荡电路2供电；

散热风扇5设置在电子管1附近。

与现有离子阱射频装置相比，本发明具有以下优点和积极效果：

①此离子阱射频装置应用电子管，功率大，负载能力强，线性性能好；

②此离子阱射频装置基于振荡电路，不需要多级放大，结构简单，可扩展性强；输出电压大，电流小，热效应和电磁干扰小，安全性好；

③在保证电路功能稳定安全的情况下，此离子阱射频装置通过电子管振荡电路可以产生两路相位相反，幅值相同，幅值最大为250V，频率范围为1-10MHz的射频电压；

④该装置可扩展为将单路射频电压经升压磁环放大后可达幅值1000V，可以广泛用于离子囚禁和激光冷却研究和应用领域。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是振荡电路原理图；

图3是升压磁环连接方式图之一(在射频离子阱一对对角极杆上加射频电压磁环)；

图4是升压磁环连接方式图之二(在射频离子阱两对对角极杆上加相位相反射频电压磁环)。

图中：

0—直流电压源；

1—电子管；

2—振荡电路，

21—幅值调节模块，22—滤波模块，

23—选频模块，24—输出保护模块；

RF1、RF2—第1、2射频电压，

R1、R2...R11—第1、2...11电阻，

C1、C2...C13—第1、2...13电容，其中C6为可变电容，

L1、L2、L3—第1、2、3电感，其中L1、L3为自绕电感，

101、102—第1、2电子管灯丝，

103、104—第1、2电子管第一栅极，

105—电子管第二栅极，

106、107—第1、2电子管阳极；

3—升压磁环；

4—射频离子阱，

5—散热风扇。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明：

一、电子管振荡高压离子阱射频装置的结构

1、总体

如图1，电子管振荡高压离子阱射频装置包括直流电压源0、电子管1、振荡电路2、升压磁环3、射频离子阱4和散热风扇5；

其位置和连接关系是：

电子管1、振荡电路2、升压磁环3和射频离子阱4依次连接；

直流电压源0分别给电子管1和振荡电路2供电；

散热风扇5设置在电子管1附近。

工作机理：

电子管1安装在管座上，灯丝由直流电压源0供电；振荡电路2输入端由直流电压源0供电，通过调节第6电容C6和第1、3电感L1、L3，在输出端产生两路相位相反、幅值相同、幅值最大为250V、频率范围为1-10MHz的第1、2射频电压RF1和RF2；该装置可扩展为将单路射频电压经升压磁环3放大后可达幅值1000V；射频离子阱4作为此离子阱射频装置的负载；散热风扇5安装在电子管1附近。

2、功能部件

0)直流电压源0

为常用部件。

1)电子管1

选用两个型号相同的一定功率的五极管或束射四极管。

优选的，可采用一个FU系列双束射四极发射管，如FU-15、FU-17、FU-19、FU-29、FU-32等。

电子管1的功能是将直流电能供给振荡电路2补充损耗，以维持电路等幅振荡。

2)振荡电路2

如图2，振荡电路2包括依次交互的幅值调节模块21、滤波模块22、选频模块23和输出保护模块24。

A)幅值调节模块21

由直流电压源0、电子管1、第6电阻R6、第7电容C7和第8电容C8构成，其连接关系是：直流电压源0正极与第6电阻R6串联后接在电子管第二栅极105上，第7电容C7和第8电容C8分别并联在第6电阻R6两端。

用于向电子管第二栅极105、第1电子管阳极106和第2电子管阳极107供给直流电压，直流电压达到50V时，振荡电路2起振；通过调节直流电压50-250V，可控制输出射频电压RF1和RF2幅值，范围为50-250V。

B)滤波模块22

由第2电阻R2、第3电阻R3、第4电阻R4、第5电阻R5、第2电容C2、第3电容C3、第4电容C4、第5电容C5；第7电阻R7、第8电阻R8、第9电阻R9、第10电阻R10、第9电容C9、第10电容C10、第11电容C11、第12电容C12构成，其连接关系是：第2电容C2与第2电阻R2并联，第3电容C3与第3电阻R3并联，第4电阻R4、第5电阻R5、第4电容C4、第5电容C5并联，三部分串联在一起；第11电容C11与第9电阻R9并联，第12电容C12与第10电阻R10并联，第7电阻R7、第8电阻R8、第9电容C9、第10电容C10并联，三部分串联在一起。

将第1电子管阳极106和第2电子管阳极107的电流分别反馈到第2电子管第一栅极104和第1电子管第一栅极103上，使振荡电路2满足正反馈条件，以维持振荡。

阳极电流有不同频率信号，通过电阻和电容组成的滤波模块，只保留特定频率范围的电流信号。

C)选频模块23

由第6电容C6、第1电感L1和第3电感L3构成并联谐振电路，其连接关系是：第1电感L1与第3电感L3串联，再与第6电容C6并联。

谐振频率

通过调节第6电容C6和第1电感L1、第3电感L3，可改变射频装置谐振频率，以实现1-10MHz范围的频率调节。

D)输出保护模块24

由第1电容C1、第13电容C13、第2电感L2、第1电阻R1、第11电阻R11构成，其连接关系是：第2电感L2串联在直流电压源0输出端；第1电容C1串联在第1射频电压RF1输出端，第1电阻R1并联在第1射频电压RF1输出端；第13电容C13串联在第2射频电压RF2输出端，第11电阻R11并联在第2射频电压RF2输出端。

第1电容C1、第13电容C13隔直流通交流，过滤输出射频电压中直流成分，第2电感L2隔交流通直流，保护直流电压源0，将选频后的电流信号加在第1电阻R1、第11电阻R11上，输出第1射频电压RF1和第2射频电压RF2。

3)升压磁环3

选用高频铁氧体磁环，其工作频率为1-50MHz，采用漆包线或三层绝缘线缠绕，初级线圈1-5匝，次级线圈匝数与所需频率有关，一般为10-50匝。

升压磁环3连接到射频离子阱4上有两种方式：

(1)若要在射频离子阱4一对对角极杆上加相位相同、幅值相同和特定频率的射频电压，则可将初级线圈一端接振荡电路2单路输出端，次级线圈一端分两路接在射频离子阱4一对对角极杆上，初级线圈和次级线圈的另一端均接地，如图3所示。

(2)若要在射频离子阱4两对对角极杆上加相位相反、幅值相同和特定频率的射频电压，除了可直接通过振荡电路2两路输出端接在射频离子阱4两对对角极杆上，也可以将初级线圈一端接振荡电路2单路输出端，次级线圈引出一个中心抽头，与初级线圈另一端一起接地，这样在次级线圈的两端输出相位相反，幅值相同，特定频率的射频电压，接在射频离子阱4两对对角极杆上，如图4所示。

升压磁环3是一种高频变压器，其功能是满足初级线圈匝数N1与次级线圈匝数N2比值等于初级线圈电压U1与次级线圈电压U2比值，即N1/N2＝U1/U2。可将振荡电路2输出射频电压再次放大，幅值可达1000V。

4)射频离子阱4

射频离子阱4作为电子管振荡高压离子阱射频装置的负载，由两对对角极杆和一对帽端极杆组成，极杆材料为304不锈钢，典型电容为50-100pF。射频离子阱4有两种加射频电压的方式：

1、在一对对角极杆上加相位相同、幅值相同和特定频率的射频电压；

2、在两对对角极杆上分别加相位相反、幅值相同和特定频率的射频电压。

第1种方式可扩展性更强，另一对极杆可用于射频共振等其他用途；第2种方式射频离子阱4运行在平衡模式，囚禁势场更稳定。

5)散热风扇5

选用小型低压直流供电散热风扇。散热风扇5安装在电子管1附近，用于电子管1工作过程中散热。

本发明在保证电路功能稳定安全的情况下，通过振荡电路2产生两路相位相反，幅值相同，幅值最大为250V，频率范围为1-10MHz的射频电压；该装置可扩展为将单路射频电压经升压磁环放大后可达幅值1000V。本发明应用电子管1，功率大、负载能力强、线性性能好；基于振荡电路2，不需要多级放大，结构简单，可扩展性强；输出电压大、电流小、热效应和电磁干扰小，安全性好，可以广泛用于离子囚禁和激光冷却研究和应用领域。

二、具体实施例

具体实施时，射频离子阱4极杆为空心不锈钢圆柱，长度约70mm，直径约8mm，对角极杆内表面间距约7mm，电容约50pF。

电子管1选用一个FU-19电子管，其为旁热式氧化物阴极双束射四极发射管，可以避免两个型号相同电子管间参数的差异；灯丝电压12.6V，电流1.2A；阳极电压≤700V，第一栅极电压≤175V，第二栅极电压≤300V；最大输出功率约15W，功率合适，基本满足实验要求。

振荡电路2选用耐压值大于500V，功率较大的电路元件，具体参数如下：

第1电阻R1＝第2电阻R2＝第3电阻R3＝第9电阻R9＝第10电阻R10＝第11电阻R11＝10MΩ，

第4电阻R4＝第5电阻R5＝第7电阻R7＝第8电阻R8＝150kΩ，

第6电阻R6＝15kΩ；

第1电容C1＝第7电容C7＝第8电容C8＝第13电容C13＝10nF，

第6电容C6＝50-250pF，第2电容C2＝第3电容C3＝第11电容C11＝第12电容C12＝68pF，

第4电容C4＝第5电容C5＝第9电容C9＝第10电容C10＝33pF；

第2电感L2＝100μH，第1电感L1＝第3电感L3＝5-10μH。

升压磁环3选用镍锌铁氧体磁环，型号为NXO-100，初始磁导率为100±20，工作频率为1-50MHz，尺寸为外径60mm，内径38mm，厚度20mm；用直径1mm漆包线缠绕线圈，均匀紧密缠绕，初级线圈3匝，一端接在振荡电路2射频电压输出端上，次级线圈30匝，一端接在射频离子阱4一对对角极杆上，初级线圈和次级线圈另一端均接地。

当振荡电路2输入直流电压200V时，调节第6电容C6至射频电压输出幅值最大，在离子阱4一对对角极杆上的射频电压幅值为1.05kV，频率为2.3MHz；此时，直流电压源电流为0.05A，输出功率约10W，射频装置可长期稳定工作；继续升高直流电压至250V时，射频电压幅值为1.3kV；此时，直流电压源电流为0.06A，输出功率约15W，射频装置可短时间间断工作。

具体实施时，射频电压幅值受电子管输出功率限制，如需达到更高的射频电压，可采用输出功率更大的电子管，相应的振荡电路2电路元件参数需进行适当更换；电子管1灯丝和振荡电路2直流输入可采用直流电压源0供电，也可采用更经济的市电降压、整流、滤波电路模块。在离子囚禁一般需要的情况下，振荡电路2输出两路射频电压幅值最大为250V，可以基本满足实验要求；在离子囚禁特殊需要的情况下，振荡电路2输出可扩展为将单路射频电压经升压磁环3放大后可达幅值1000V；升压磁环3初级线圈一般为1-5匝，次级线圈匝数与所需频率有关，一般为10-50匝，匝数过多会导致频率降低；输出射频电压加在射频离子阱4上，可在一对对角极杆上加相位相同的射频电压，或在两对对角极杆上分别加相位相反的射频电压。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。