月球資源探測小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TB773學校代碼：10213國際圖書分類號：621.38密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文月球資源探測小型質(zhì)譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究博士研究生：趙占鋒導(dǎo)師：喬曉林教授申請學位：工學博士學科：信息與通信工程所在單位：電子與信息工程學院答辯日期：2010年5月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要質(zhì)譜技術(shù)是一種靠獲得未知物的分子量信息和分子結(jié)構(gòu)信息對物質(zhì)進行鑒別的方法，是和分析化學領(lǐng)域中的光譜技術(shù)、核磁共振并列的一種重要譜

2、學方法。大型質(zhì)譜儀目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全、生命科學、藥物、化工、軍事和國防等各種微量或痕量物質(zhì)檢測領(lǐng)域。隨著人類航天技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)又被小型化后裝備到地外星球探測器上，目前小型質(zhì)譜儀是國外航天探測的標配儀器。隨著我國綜合國力的提高，載人航天、探月工程等項目的逐步實施，對質(zhì)譜儀的小型化技術(shù)提出了迫切的需求。論文以“月球資源探測小型質(zhì)譜儀”項目為背景，對質(zhì)譜儀的小型化關(guān)鍵技術(shù)進行研究。首先，對離子阱質(zhì)譜儀進行了理論研究，從離子能量角度

3、、贗勢兩個角度解釋了怎樣才能提高儀器靈敏度的問題。在此基礎(chǔ)上針對離子阱分析小質(zhì)量分子很困難的問題進行研究，發(fā)現(xiàn)離子阱內(nèi)的非諧振勢對二十以下小質(zhì)量離子的影響是導(dǎo)致該問題的根本原因，而離子阱尺寸偏小是導(dǎo)致非諧振勢很大的重要原因，從而提出了離子阱的設(shè)計思路：適當增大離子阱尺寸、提高射頻頻率。其次，討論了離子阱優(yōu)化設(shè)計的基本原則。在保證信號靈敏度的前提下保證體積小、低功耗、低質(zhì)量。并利用該準則結(jié)合前期的實驗結(jié)果，對CIT離子阱進行優(yōu)化設(shè)計。針對

4、離子阱尺寸參數(shù)較多，而仿真又非常耗時的特點，結(jié)合cooks教授優(yōu)化理論和實際工程需要，得出僅對參數(shù)z0進行優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論，從而大大減少優(yōu)化參數(shù)，節(jié)省了計算時間。在優(yōu)化準則上，眾多文獻根據(jù)由經(jīng)驗得到的“高極場占四極場10%”作為離子阱設(shè)計的優(yōu)化準則，理由是可以提高系統(tǒng)分辨力。針對具體實驗結(jié)果，和分析物質(zhì)分子量偏小的特點，本文提出了高極場最小的優(yōu)化準則。最后，結(jié)合目前實際工藝水平，給出了實用的優(yōu)化方法。之后，針對傳統(tǒng)商業(yè)質(zhì)譜儀的電路體積、功

5、耗比較大，重量較高的問題，結(jié)合小型質(zhì)譜儀的性能指標，采用各種替代技術(shù)方案，在電路設(shè)計上，降低其體積、功耗和質(zhì)量并保證其高可靠性，主要包括：利用磁環(huán)變壓器損耗小的特點，對商業(yè)質(zhì)譜儀的空心變壓器進行替代，在功耗和體積上達到令人滿意的效果；采用頻率合成技術(shù)產(chǎn)生任意參數(shù)可調(diào)的射頻調(diào)幅小信號，取帶功耗較大的NI卡生成信號的方案；同時針對頻率合成的壓縮技術(shù)進行研究，在理論上提出了新的壓縮方法，并在FPGA中實現(xiàn)，解決了目前沒有航天級頻率合成芯片的問