离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）技术已成为分析复杂化学成分强大的分离手段^[1]。为增加离子迁移路径以及传输效率，Smith团队^[2-3]于2014年提出了无损离子操纵结构（structures for lossless ion manipulations，SLIM）。行波（traveling wave，TW）驱动的行波无损离子操纵结构（TW-SLIM）^[4-6]由2组平面电极组成，射频（radio frequency，RF）电极与行波电极间隔分布，通过在电极上施加电压产生静电场、射频电场和驱动电场，在特定的背景气体压强下，将离子束缚在一定的区域内以实现离子无损传输。

上述电场中，射频电场由相邻射频电极上施加的相位差为180°的射频电压生成，射频电压的幅值及频率均会对离子传输效率产生影响。目前，基于SLIM平台的射频源研究较少，相关实验均使用成熟的工业射频源设备，大多数体积较大、电路设计复杂、成本高昂。射频源设计的主要难点在于：1）如何利用简单的电路设计进行半桥/全桥隔离驱动以实现双极性电压输出；2）高频高压会增加开关器件的功耗，导致严重的发热问题，需要更高水平的器件性能和散热设计。此外，在TW-SLIM中，由于其结构特性，相邻射频电极间存在寄生电容，相当于双极性电压间存在容性负载，且负载值随着SLIM长度的增长而增加，而TW-SLIM的优势之一是其长度在理论上可以无限增加。对于高频的射频源而言，容性负载越大，其带来的功耗越高，这进一步提高了对射频源的要求^[7]。

针对上述难点，本文设计了一种可应用于TW-SLIM实验平台的射频源。采用隔离芯片实现半桥电路驱动，并选用GaN材料金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）作为半桥电路的开关器件，降低了高频高压开关过程中的损耗^[8-9]，通过不同散热部件的相互配合达到更好的散热效果。针对SLIM的容性负载特性，利用电阻-电感-电容（RLC）电路的滤波功能^[10-12]，将方波脉冲电压转换为正弦波。经测试，频率为1 MHz时，该射频源最大可输出±210 V双极性正弦波脉冲电压。

目前，大多数SLIM的研究集中在与质谱联用，主要用于大分子物质的无损传输与操纵^[13-16]。本文将研究TW-SLIM结构中小分子物质的传输性能，使用COMSOL进行仿真分析，并使用上述射频源于实验室自制的TW-SLIM迁移谱平台上进行实验，探究射频电压幅值及频率对小分子离子传输性能的影响，并得出最优值范围。

1.   电路部分

1.1   TW-SLIM结构及工作原理

TW-SLIM是一种基于行波电场驱动离子运动的装置，示于图1a。射频电极与行波电极间隔平行分布，保证射频与行波隔离，具有更简单、更高效的离子束缚性。相邻的射频电极上分别施加相差180°的射频电压，生成的电场将离子限制在2个平行电极板之间。直流保护电极（Guard）上施加直流电压，用以限制离子在横向上的移动。每8个行波组成1个行波序列，在整个离子路径上周期性重复，示于图1b。电极上施加周期性的行波电压，形成行波电场驱动离子沿径向运动。

图  1  TW-SLIM电极结构示意图（a），TW电压配置（b）

Figure  1.  Electrode structure of TW-SLIM (a), configuration of TW voltage (b)

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1.2   双极性射频电源设计

双极性射频脉冲电源支持两路反相（相位相差180°）射频电压输出，由主控电路、隔离电路和半桥电路组成。其中，主控电路输出脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）控制信号，用以控制半桥电路开关，实现高频高压射频电压输出，输出电压由所供高压电源决定；隔离电路由隔离电源及隔离驱动芯片组成，实现高低压侧的电气隔离；半桥电路由驱动芯片、驱动电路和MOSFET电路组成。

1.2.1   隔离模块

本设计通过隔离电路实现完全的电气隔离和高压侧双极性电压输出，支持1 500 V直流电压隔离，同时降低高低压侧信号的相互干扰，提高了系统的安全与稳定性。传统隔离驱动电路多使用变压器实现，但在高频变频应用中可能出现变压器饱和、功率不足、驱动信号质量差等问题。此外，特定场景下变压器绕制困难、体积大，不利于电路及结构设计。因此，本文采用集成隔离半桥驱动芯片，实现低压侧主控电路控制信号与高压侧驱动信号的隔离；同时，使用隔离电源为高压侧驱动信号提供电源。VDDL、GNDL分别表示低压侧电源及参考地；VH+、VH−分别为输入双极性直流源的正负极，GNDH为其参考地；驱动芯片及隔离电源模块均以VH−为参考地，VDDH为电源模块产生的为驱动芯片高压侧供电的电源，示于图2a。半桥电路上下桥臂分别连接VH+、VH−，最终实现以GNDH为参考地，幅值为VH+/VH−的双极性脉冲电压输出，示于图2b。

图  2  隔离电路（a）和半桥电路（b）示意图

Figure  2.  Diagrams of isolation circuit (a) and half bridge circuit (b)

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1.2.2   半桥模块

半桥电路由驱动电路和2个MOSFET电路组成。MOSFET选用Thransphorm公司的GaN FET：TP65H150G4PS。GaN FET的开关速率比同类传统半导体材料的产品更快、效率更高、工作电压范围更宽，能最小化设备尺寸。TP65H150G4PS栅极驱动电压为10～20 V，需专门的驱动芯片。半桥驱动芯片选用SKYWORKS公司生产的SI824BB，只需一路PWM控制信号输入，即可输出上下桥臂MOSFET驱动信号。半桥电路示于图3a。

图  3  半桥电路（a）， MOSFET电路模型（b）

Figure  3.  Half bridge circuit (a), circuit model of MOSFET (b)

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SI824BB芯片内部实现输入/输出隔离，最大支持5 kV_RMS电压隔离。输出端集成两路推挽电路用于驱动MOSFET，最大支持24 V驱动电压和4 A驱动电流输出。通过自举电路产生悬浮电压，其中自举电容C_boot为驱动芯片内部高压侧开关提供悬浮电压和MOSFET栅极开启所需的电荷，从而使上桥臂导通。经计算，电容取18 nF，50 V。

由于开关延时的存在，半桥电路中的1个管子栅极信号变低时，并不会立刻关断。因此，为防止上下管同时导通造成电流穿通，1个管子必须在另1个管子关断一定时间后才能开启，这段时间称为死区时间（t_d）。SI824BB芯片可通过调整死区编程电阻${R}_{\text{d}}（\text{kΩ}）$的大小控制死区时间，计算公式如下：

本设计中，开关频率最大为1.5 MHz，据此${R_{\text{d}}}$取1 kΩ，则死区时间设定为10 ns。

MOSFET驱动电路等效模型示于图3b。Q为MOSFET标识；栅漏电容（C_gd）、栅源电容（C_gs）、漏源电容（C_ds）为MOSFET制造工艺中形成的寄生电容，其中C_gd、C_gs组成MOSFET栅极的输入电容C_iss；R_g为栅极驱动电阻。MOSFET开启时，驱动芯片经R_g向输入电容C_iss充电，直至电荷量达到栅极电荷（Q_g）时，MOSFET完全导通。驱动引脚输出低电平时，电容经R_g放电，实现MOSFET关断。Q_g的大小直接影响MOSFET的开关速度和功耗。GaN材料的MOSFET有着低Q_g、低导通电阻等优点，在高频应用中能够实现更快的开关速度和更小的驱动损耗。

驱动电阻R_g可限制栅极充电电流峰值，防止MOSFET被过度激励而损坏。通常情况下，驱动走线存在杂散寄生电感（L_p），包括驱动芯片引脚、印刷电路板（printed circuit board，PCB）走线和MOSFET引脚的感抗，可能导致在电压突变时与栅极电容形成电感-电容（LC）振荡。为减小振荡效应，R_g需满足：

由于L_p的数值难以精确测量，使用Ansys Q3D软件提取PCB驱动走线的寄生电感，近似取值10 nH，C_iss为598 pF，则R_g应大于8.17 Ω。考虑到R_g值过大会增加驱动电压上升与下降的时间，进而增加开关损耗，因此本设计中R_g取9.1 Ω。

1.2.3   SLIM结构的电路模型

在SLIM结构模型中，由于相邻RF电极间距相近，彼此间存在寄生电容，且该寄生电容值会随着SLIM长度的增加而增加。当在RF电极上施加相位相差180°的射频电压时，该电容成为RF源正负极输出间的负载。对于高频、高压射频源，容性负载将带来大量的功率损耗，电容越大，功耗和发热越严重。针对SLIM这一特性，本设计提出了以下改进。

利用SLIM容性负载特性，采用RLC串联滤波电路将半桥电路输出的方波转换为正弦波，从而实现电压幅值增益，有效降低了相同峰-峰值下的功率损耗。电路模型示于图4（以下所述电压均以系统地为参考地）。

图  4  SLIM电路模型

Figure  4.  Circuit model of SLIM

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图中，R为电阻，是用于限流和构成RLC振荡电路的参数之一；电容C为SLIM射频电极间的等效负载；L为电感，与电容C配合用于选频；U_i1、U_i2为上述半桥电路输出的反相脉冲方波，即：

根据电路模型，以RF+电极上电压U₊为例，计算到达SLIM射频电极两端的电压。U_i1、U_i2分别单独作用时：

U_i1、U_i2为方波，经傅里叶级数展开如下：

式中，f为方波频率，U_max为方波幅值。方波经RLC滤波电路后，高次谐波均被滤除，仅基波到达射频电极两端，即式（6）仅剩n=1时的量，方波转化为正弦波。当U_i1、U_i2共同作用时，综合式（3）～（6）得：

式中，电容C为pF级，电感L为μH级，f取0.7～1.5 MHz，R取5 $\Omega$。实部与虚部相比，其值对正弦波的相位与幅值影响均可忽略不计，则：

RF−电极上电压${U_ - }$与${U_ + }$反相，即：

此外，由于系统的连接线路之间也存在寄生电感、电容，调谐电感L取值需要根据实际测试效果进行调整。

1.2.4   散热设计

MOSFET工作过程中存在功率损耗，本设计以开关损耗为主，即在开关管断开与关闭瞬间产生的损耗。功率损耗会导致MOSFET发热，若散热不充分将导致MOSFET过热损坏，因此其散热设计非常重要。相较于常用的铝散热片，本设计选用了散热效果更好的铜材料，并搭配大功率风扇进行散热，示于图5。同时，采用导热系数更高的氧化铝材料作为绝缘垫片，在确保MOSFET绝缘的同时不影响散热效果。另外，在MOSFET上方使用压片以确保其与绝缘垫片、散热片紧密贴合，有效散热。通过电路与散热结构设计的相互配合，该电源系统能够实现体积小型化（长度90 mm、宽度120 mm、高度70 mm）。

图  5  电源系统结构图（a）和实物图（b）

Figure  5.  Structural (a) and physical (b) diagrams of the power supply system

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2.   实验部分

2.1   实验装置

2.1.1   仿真实验平台

本文采用COMSOL Multiphysics^[17]软件对TW-SLIM中的电场分布及带电粒子运动轨迹进行仿真。COMSOL是一个多物理场仿真软件，其利用有限元法^[18-19]，通过求解偏微分方程（组）实现真实物理现象的仿真。相比于其他的粒子轨迹仿真软件（如Axsim、SIMION、ISIS），COMSOL的操作界面更加简洁，对简单结构的计算精度较高^[20]。因此，本文选择COMSOL进行仿真。

2.1.2   实物实验平台

实验装置主要包括电晕针电离源、毛细管、连续进样装置、离子漏斗、TW-SLIM漂移管和法拉第盘。本系统采用的连续进样系统通过对待测样品加热蒸发后，并利用气泵抽出。进样产生装置主要包括样品气体的产生装置和电晕针电离源（实验室自制）2部分，其中，样品气体的产生装置包括气体存储腔体、气泵、分子筛和存储样品的铝管，示于图6。通过加热装有样品的铝管使样品挥发，在气泵的带动下，随着气流进入气体存储腔体；样品被电离后会通过不锈钢毛细管进入真空腔体；离子离开加热毛细管后，在自制的离子漏斗处聚焦，再进入漂移管区。

图  6  带电样品产生装置

Figure  6.  Generation device of charged sample

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离子漂移管采用印刷电路板制成，离子路径为长8 cm的直线型。漂移管射频信号由前述射频源提供，行波信号由实验室自制的行波脉冲电源提供。离子流信号通过自制的法拉第盘接收，对微弱电流信号进行放大，然后使用普源示波器（MSO5204）采集波形数据。

2.2   试剂

为了便于测试，样品选择实验室自制的易挥发甲基膦酸二甲酯溶液（DMMP），分子式为${{\text{C}}_3}{{\text{H}}_9}{{\text{O}}_{\text{3}}}{\text{P}}$，相对分子质量为124 u。

2.3   实验条件

电晕针电压3 100 V，毛细管电压75 V，毛细管内径0.3 mm，长度10 mm；样品加热炉温度60 ℃，进样系统流速1 363.6 mL/min；离子漏斗射频电压峰-峰值140 V，频率1 MHz；行波电压峰-峰值25 V，频率50 kHz；Guard电极电压7 V；法拉第盘隔离栅网电压5 V；工作气压240 Pa。

3.   结果与讨论\$

3.1   电源测试

SLIM射频电极两端的正弦波电压信号通过示波器和具有10倍衰减的探头（普源RP1010H）测量。实验室自制的8 cm直线型SLIM实物示于图7a，由6组RF电极和5组TW电极组成，等效电容值26 pF。当信号频率为1 MHz时，电压增益为2，支持峰-峰值0～420 V电压范围的正弦波输出，且不同幅值下的波形均能保持较好的一致性。核心开关器件MOSFET最高工作温度不超过70 ℃，能够支持电源系统长时间稳定输出，满足SLIM结构对射频电压的质量要求。射频源支持0.7～1.5 MHz频率范围的信号输出，降低信号频率，能够达到的电压峰-峰值上限将会升高，反之，则降低。

图  7  8 cm直线型SLIM（a）， 正弦波脉冲电压（b）

Figure  7.  Linear SLIM of 8 cm (a), RF voltage of sine wave (b)

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理论上，负载电路在谐振点的工作增益最大且无高次谐波分量影响，输出波形最理想。但由于实际电路接线复杂，存在寄生电感、电容，同时元器件在高频信号下存在寄生参数，如等效电感（equivalent series snductance，ESL）等，谐振点难以精确计算测量。射频源实测结果表明，信号频率在0.7～1.5 MHz范围时，RLC电路均能够较好地滤除高次谐波分量，在SLIM的射频电极上输出较为理想的正弦波信号，示于图7b。当信号频率为偏移谐振点较远的低频点时，由于其高次谐波也处于RLC电路的通带范围内，SLIM射频电极两端电压信号中会出现明显的高次谐波分量。

为了更好地验证该电源方案的实用性，设计了不同迁移路径和长度的SLIM漂移管，根据不同的等效电容值匹配调谐电感，并结合实测调整，各部件参数列于表1。实验结果表明，当SLIM等效电容增加时，通过调整调谐电感值可实现理想的正弦波电压输出。可以推断，当SLIM长度增加到常规的米级以上，该电源方案仍可满足实际的应用需求。

表  1  SLIM漂移管参数

Table  1.  Parameters of SLIM drift tube

迁移路径 Migration path	迁移长度 Migration length/cm	等效电容值 Equivalent capacitance/pF	调谐电感值 Tuning inductance/μH
直线型	8	26	47
直线型	20	50	32
一次转弯	17	78	22
多次转弯	95	510	12
注：电容值是测试频率为1 MHz时SLIM上下极板总等效电容值

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3.2   射频电压幅值和频率对离子传输效率的影响

3.2.1   仿真结果

利用COMSOL对TW-SLIM的电场分布和带电粒子的运动轨迹进行仿真，离子迁移路径长度为3.5 cm，结果示于图8。可见，yz平面上直流保护电压和射频电压等值线分布，中心位置的区域电压最低，表明在中心位置形成了离子阱，正离子被束缚在中心，从而实现无损传输，示于图8a；射频电压频率为1 MHz，峰-峰值为280 V时，xz平面的离子运动轨迹示于图8b，离子在运动过程中没有打到上下极板，几乎全部到达TW-SLIM末端，理论传输效率达100%；离子传输效率随射频电压峰-峰值增大而增大，随频率的增大先增大后减小，仿真结果分别示于图8c、8d。

图  8  仿真实验结果

注：a. yz平面电压分布图；b. xz平面正离子运动轨迹；c. 不同射频电压峰-峰值的离子传输效率；d. 不同射频电压频率的离子传输效率

Figure  8.  Results of simulation experiment

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3.2.2   实验结果

实验中，法拉第盘所接微流放大器放大倍数为10⁹倍，测量离子漏斗后，即SLIM漂移管前的总离子流为250 pA，传输效率为SLIM漂移管后的离子流与总离子流的比值。在240 Pa压强下，射频电压频率1 MHz时，TW-SLIM传输效率随射频电压峰-峰值的变化情况示于图9a。当电压峰-峰值超过320 V时，测得TW-SLIM后的离子流为249 pA，传输效率基本保持稳定，接近100%。在研究射频电压频率对离子传输效率的影响时，固定射频峰-峰值为280 V，改变电压频率，TW-SLIM传输效率随射频电压频率的增大呈现先增大后减小的趋势，示于图9b。当射频电压频率为1.2 MHz时，TW-SLIM后的离子流为248 pA，传输效率达到最高，接近100%，即对于TW-SLIM，1.2 MHz射频电压频率对离子的束缚效果最佳。与仿真结果相比，可以发现离子传输效率受射频电压频率及峰-峰值的影响趋势一致，但具体数值存在差异，其主要原因是仿真实验的离子传输路径较短（3.5 cm），环境条件理想，而实际实验中的离子传输路径更长（8 cm）且存在电磁干扰、气压波动等干扰因素。

图  9  射频电压峰-峰值（a）和射频电压频率（b）对TW-SLIM传输效率的影响

Figure  9.  Impact of RF voltage peak-to-peak value (a) and RF voltage frequency (b) on the transmission efficiency of TW-SLIM

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4.   结论

本文针对SLIM迁移管的电容负载特性，设计了一种小型双极性脉冲电源，信号频率为1 MHz时，最大支持峰-峰值420 V（±210 V）的双极性正弦波输出，将其应用于TW-SLIM实验平台，测试射频电源幅值及频率对小分子物质传输效率的影响。结果表明，射频电压频率为1.2 MHz时，离子束缚效果最佳；频率为1 MHz时，峰-峰值为320 V，可基本实现TW-SLIM无损传输，该实验结果为TW-SLIM结构中的小分子离子传输机制提供了重要参考。该射频电源为研发更长离子迁移路径的SLIM提供了必要的电源支持，对后续相关仪器的开发工作具有重要意义。同时，该电源方案可选用性能参数更优的MOSFET进行升级，实现了更高频率和电压的脉冲输出，有较强的实用价值。