質(zhì)譜儀用離子泵供電和真空控制系統(tǒng)的研制

路曉川　趙加鵬　田亮亮　凌大鵬　李航濤

摘 要：基于質(zhì)譜儀小型化和集成化的需求，設(shè)計(jì)了一套離子泵供電和真空控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為高壓供電和真空控制兩部分。高壓供電部分主要通過集成到電路板上的高壓模塊來實(shí)現(xiàn)。真空控制部分主要通過以嵌入式處理器PIC32為主體的電路板實(shí)現(xiàn)真空度的采集以及減壓泵等部件的開關(guān)控制。該系統(tǒng)作為配套設(shè)備已經(jīng)在質(zhì)譜儀上經(jīng)過長期測試，性能可靠。

關(guān)鍵詞：離子泵高壓控制;真空采集;PIC微處理器

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Based on the miniaturization and integration of mass spectrometer，a set of ion pump power supply and vacuum control system is designed，which is divided into two parts：high voltage power supply and vacuum control.The high voltage power supply is mainly realized by the high voltage module integrated into the circuit board.In the vacuum control part，the circuit board with embedded processor PIC32 as the main body realizes the collection of vacuum degree and the switch control of components such as pressure relief pump.The system has been tested on the mass spectrometer for a long time and its performance is reliable.

Key words：high-pressure control of ion pump;vacuum acquisition;PIC MCU

質(zhì)譜儀作為高精密分析儀器，需要在高真空環(huán)境中工作，而高真空環(huán)境就是靠離子泵來提供的。離子泵工作需要高壓供電，真空腔體需要真空規(guī)來測量真空系統(tǒng)的真空度，以往我們的離子泵供電和真空控制部分是分離的、相互獨(dú)立的兩個(gè)部件。為了儀器的小型化，提高其集成度，將離子泵高壓供電部分和真空控制部分整合到一個(gè)系統(tǒng)是十分必要[1]。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)作為質(zhì)譜儀的配套設(shè)備，除了需要給離子泵供電和讀取真空度外，還要實(shí)現(xiàn)對減壓泵、采樣泵和真空進(jìn)樣閥的開關(guān)控制，這樣能大大提高系統(tǒng)的集成度，有利于質(zhì)譜儀的小型化。

該系統(tǒng)主要由兩塊電路板組成，一個(gè)是離子泵高壓控制板，一個(gè)是真空系統(tǒng)控制板。高壓板的功能主要是靠集成到電路板上的進(jìn)口高壓模塊UM6N30/M來實(shí)現(xiàn)，真空控制板作為下位機(jī)，通過串口實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)（PC104計(jì)算機(jī)）的相互通信。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

高壓板和真空控制板作為該系統(tǒng)的主要組成部分，他們之間通過雙排PC104插針進(jìn)行電路連接。高壓板通過高壓模塊UM6N30/M可提供0～6kV的高壓輸出，實(shí)現(xiàn)對離子泵的電壓設(shè)置、電流設(shè)置、電壓顯示和電流顯示功能[2]。通過真空控制板控制高壓模塊的使能端從而控制離子泵高壓的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對離子泵的高壓控制。真空控制板作為中央處理單元，核心是嵌入式高性能處理器PIC32MX575，上位機(jī)通過和單片機(jī)串口通信，實(shí)現(xiàn)對真空系統(tǒng)的信號傳輸和開關(guān)控制[3]。

高壓板的電路原理圖如圖1所示。

真空控制板的電路原理圖如圖2和圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PIC32MX微控制器作為該系統(tǒng)的硬件CPU，軟件設(shè)計(jì)就是單片機(jī)的軟件開發(fā)。開發(fā)工具使用MPLAB XIDE和XC32編譯器[4]。真空控制板的配置信息如下表1所示。

單片機(jī)的程序撰寫主要基于和上位機(jī)之間的通信協(xié)議，具體如下。

真空進(jìn)樣閥的開啟需要根據(jù)進(jìn)樣真空和腔室真空的值來判定，具體的流程圖如下圖4所示。

4 結(jié)論

針對質(zhì)譜儀小型化的趨勢，研制了一套新的真空腔體控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將離子泵高壓供電和真空控制合二為一，既能提供0-6kV的高壓給離子泵供電，還能讀取真空度，控制減壓泵、采樣泵和真空進(jìn)樣閥的開關(guān)，通過串口實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的相互通信，大大提高了質(zhì)譜儀的集成度。該系統(tǒng)作為質(zhì)譜儀的配套設(shè)備，已經(jīng)和整機(jī)一塊經(jīng)過了長期測試，性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]百科編委會.化工百科全書（第五卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993：128-130.

[2]嚴(yán)奉軒.基于Modbus的三氟甲磺酸電解槽陰極H2監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016，NO.1：67-69.

[3]SDW系列智能顯示終端.指令集V6.2[M].武漢：武漢中顯科技有限公司，2014.

[4]CRAVOTTA R，GRANVILLE F.USB-toUART bridge supports legacy upgrades[J].EDN，2004（11）.

作者簡介：路曉川（1990-），男，碩士，助理工程師，2016年7月畢業(yè)于中科院電子學(xué)研究所，現(xiàn)就職于中船718研究所第四研究室，從事質(zhì)譜儀及分析儀器等的研發(fā)工作。