CN114237036B - 一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，涉及射频功率控制领域，一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其包括：射频信号源电路、功分电路、功率放大电路、螺旋谐振器、采样电容电路、离子阱、第一混频器、第二混频器、无源低通滤波电路、基准电压源电路、运算电路、PID控制器，本发明能够使得射频功率的控制更加稳定，有效降低螺旋谐振器输出功率和相位的漂移，为囚禁离子提供更加稳定的操纵环境。

Description

一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统

技术领域

本发明涉及射频功率控制领域，具体涉及一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统。

背景技术

离子阱系统广泛应用于国民经济和科学研究领域，特别是利用射频囚禁场实现离子囚禁的Paul离子阱是质谱分析仪、原子钟和量子计算的关键部件，囚禁离子的稳定性将直接影响质谱分析仪的分辨率和测量范围，也将决定原子钟的频率稳定度和量子计算中量子位的相干时间，因此提高囚禁离子的稳定性对离子阱的所有应用领域具有非常重要的意义。

射频囚禁场功率的抖动和漂移是导致囚禁离子不稳定的主要因素之一。目前，射频功率稳定系统一般由射频信号源，采样电路，控制系统，离子阱等组成，射频信号源用于输出稳定的射频信号，采样电路一般由采样电容和整流电路(半波整流或全波整流)组成，可稳定采样交变的射频信号并输出的直流信号；控制系统主要为PID控制系统，用于将直流信号的变化电压作为误差信号，经过内部计算后，输出相应的反馈信号，从而稳定射频囚禁场功率。

现有的射频囚禁场功率稳定系统中，由于采样电路采用整流电路(半波整流或全波整流)，导致整流后输出直流信号将会混杂着低频的脉冲信号，从而影响PID控制效果和整个系统的稳定性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，能够使得射频功率的控制更加稳定，有效降低螺旋谐振器输出功率和相位的漂移，为囚禁离子提供更加稳定的操纵环境。

为实现上述目的，本发明可以通过下述技术方案来实现：

一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其包括：射频信号源电路、功分电路、功率放大电路、螺旋谐振器、采样电容电路、离子阱、第一混频器、第二混频器、无源低通滤波电路、基准电压源电路、运算电路、PID控制器，其中，

所述射频信号源电路用于产生射频信号并传输到所述功分电路，所述功分电路用于将射频信号分为两路，一路输出到所述第一混频器，另一路输出到所述第二混频器；

所述功率放大电路将经过所述第一混频器的一路信号进行放大，并输入到所述螺旋谐振器，所述螺旋谐振器将给定频率的射频信号谐振放大后注入所述离子阱中，所述离子阱用于囚禁离子；

所述采样电容电路采集所述螺旋谐振器输出信号幅值并传输到所述第二混频器；

所述无源低通滤波电路将所述第二混频器输出的混频信号中的高频噪声滤除，并输出滤波信号到所述PID控制器；

所述基准电压源电路用于产生设定电压值的基准电压，并输入到所述运算电路，所述运算电路将PID控制系统输出的反馈信号和所述基准电压源电路输出的基准电压相减后，输出到所述第一混频器。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述射频信号为正弦交流信号。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述第一混频器用于将所述运算电路输出的信号和所述射频信号源电路输出的正弦交流信号进行幅度调制后输出到所述功率放大电路。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述第二混频器用于将所述射频信号源电路输出的正弦交流信号与所述采样电容电路的采样电压混频后输出到PID控制器。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述基准电压源电路包括电源芯片、电容C3、电容C4、电阻R1，同轴连接器P1，同轴连接器P2，其中，

电源芯片的引脚SHDN、引脚Vin均同时连接至同轴连接器P1，电容C3的一端同时连接至引脚SHDN、引脚Vin，电容C3的另一端对地连接，所述电源芯片的引脚Vout-f和引脚Vout-s均同时连接至同轴连接器P2，电容C4的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电容C4的另一端对地连接，电阻R1的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电阻R1的另一端对地连接，同轴连接器P1和同轴连接器P2的外壳分别对地连接，电源芯片的多个接地引脚均对地连接。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述无源低通滤波电路包括电感L1，电容C1、电容C2、同轴连接器P3，同轴连接器P4，其中，

电感L1的一端连接至同轴连接器P3，电感L1的另一端连接至同轴连接器P4；

电容C1的一端连接至同轴连接器P3，电容C1的另一端对地连接，

电容C2的一端连接至同轴连接器P4，电容C2的另一端对地连接；

同轴连接器P3和同轴连接器P4的外壳分别对地连接。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述运算电路包括运算放大器，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，同轴连接器P5，同轴连接器P6、同轴连接器P7、其中，

运算放大器的反向输入端通过电阻R5连接至运算放大器的输出端；

运算放大器的反向输入端还通过电阻R2连接至同轴连接器P5；

运算放大器的输出端连接至同轴连接器P7；

运算放大器的正向输入端的通过电阻R3连接至同轴连接器P6；

电阻R4的一端连接至运算放大器的正向输入端，电阻R4的另一端对地连接，

同轴连接器P5、同轴连接器P6、同轴连接器P7的外壳分别对地连接。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述采样电容电路与电感线圈相连接且所述采样电容电路和电感线圈共同放置在所述螺旋谐振器内。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述功分电路采用1:2的功率比例分配射频信号输出，所述功率放大电路采用0-500M宽频带，最大输出功率为2W，所述螺旋谐振器带载时品质因素值为200。

如上所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，进一步地，所述低通滤波电路采用π式滤波方法，所述基准电压源电路选用噪声系数0.225ppm，电压最大偏移量为±0.025％。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)采用交流信号作为参考源，能够大大降低直流信号中低频噪声的干扰，能更为有效的控制射频功率。

(2)采用正弦信号源电路输出信号作为参考信号，能够更为有效且精准的获得离子阱射频信号功率和相位的误差信号。

(3)采用混频器的幅度调制方法替代现有整流器方法，能够有效避免输出信号混杂低频噪声，有利于提高系统整体稳定性。

(4)通过PID控制系统，实现了误差信号的增益系数精确自动控制，从而在实现输出功率的精确控制，同时有效的保护了离子阱，延长其使用寿命。

(5)通过将采样电容放置在螺旋谐振器内，屏蔽环境电场噪声的影响，降低采样电压噪声，有助于PID控制系统输出合适的反馈信号。

(6)采用基准电压源电路，实现反馈信号稳定附加在稳定的电压上，避免其他干扰信号。

(7)功率控制电路与信号源电路采用分离式导线连接，可拆卸，使用更加方便，并可应用于不同频率要求的离子阱系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的离子阱射频信号功率主动稳定系统的框图；

图2为本发明实施例的基准电压源电路电路图；

图3为本发明实施例的无源低通滤波电路；

图4为本发明实施例的运算电路；

图5为本发明实施例的螺旋谐振器外壳；

图6为本发明实施例的螺旋谐振线圈与采样电容电路具体连接结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图6，图1为本发明实施例的离子阱射频信号功率主动稳定系统的框图；图2为本发明实施例的基准电压源电路电路图；图3为本发明实施例的无源低通滤波电路；图4为本发明实施例的减法运算电路；图5为本发明实施例的螺旋谐振器外壳；图6为本发明实施例的螺旋谐振线圈与采样电容电路具体连接结构图。本发明提供一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，能够使得射频功率的控制更加稳定，有效降低螺旋谐振器输出功率和相位的漂移，为囚禁离子提供更加稳定的操纵环境。

参见图1，一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其包括：射频信号源电路、功分电路、功率放大电路、螺旋谐振器、采样电容电路、离子阱、第一混频器、第二混频器、无源低通滤波电路、基准电压源电路、运算电路、PID控制器，其中，所述射频信号源电路用于产生射频信号并传输到所述功分电路，所述功分电路用于将射频信号分为两路，一路输出到所述第一混频器，另一路输出到所述第二混频器；所述功率放大电路将经过所述第一混频器的一路信号进行放大，并输入到所述螺旋谐振器，所述螺旋谐振器将给定频率的射频信号谐振放大后注入所述离子阱中，所述离子阱用于囚禁离子；所述采样电容电路采集所述螺旋谐振器输出信号幅值并传输到所述第二混频器；所述无源低通滤波电路将所述第二混频器输出的混频信号中的高频噪声滤除，并输出滤波信号到所述PID控制器；所述基准电压源电路用于产生设定电压值的基准电压，并输入到所述运算电路，所述运算电路将PID控制系统输出的反馈信号和所述基准电压源电路输出的基准电压相减后，输出到所述第一混频器。进一步地，所述射频信号为正弦交流信号。进一步地，所述第一混频器用于将所述运算电路输出的信号和所述射频信号源电路输出的正弦交流信号进行幅度调制后输出到所述功率放大电路。进一步地，所述第二混频器用于将所述射频信号源电路输出的正弦交流信号与所述采样电容电路的采样电压混频后输出到PID控制器。

本实施例中，射频信号源电路产生正弦交流信号作为初始信号，初始信号通过功分电路分为两路信号，一路信号作为参考信号，与采样电容从螺旋谐振器输出端提取的采样电压在混频器2中混频，其中两个采样电容容值分别为0.1pF和10pF，采用串联连接方式，0.1pF采样电容一端与螺旋谐振器的输出端相连，另一端连接10pF采样电容和采样电容电路的输出端，10pF采样电容的另一端连接螺旋谐振器的外壳，并且与大地相连。随后采样电容电路的输出信号和功分电路的一路输出信号同时输入到混频器2中，混频器2的混频信号输出到无源低通滤波电路中，滤除无用的高频噪声，混频信号可视为误差信号和初始信号的乘积，混频信号可以表示为

其中u1为初始信号幅值，u2为误差信号幅值，ω为初始信号的频率。

混频信号进入无源低通滤波电路中进行滤波输出滤波信号，可表示为：

滤波信号输入PID控制器，并与其电路内部的参考电压作差，得到相应的误差电压，经过PID算法计算，输出反馈信号，随后将反馈信号与基准电压源电路输出的基准电压通过减法运算电路相减后，输出到混频器1中，对射频信号源电路输出的正弦信号通过混频器1进行幅度调制，调制后的正弦信号输出到功率放大电路中进行信号放大，放大后的正弦信号通过螺旋谐振器谐振放大注入离子阱的射频电极上，构成闭环反馈电路，从而实现离子阱射频囚禁场的稳定。

参见图2，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述基准电压源电路包括电源芯片、电容C3、电容C4、电阻R1，同轴连接器P1，同轴连接器P2，其中，电源芯片的引脚SHDN、引脚Vin均同时连接至同轴连接器P1，电容C3的一端同时连接至引脚SHDN、引脚Vin，电容C3的另一端对地连接，所述电源芯片的引脚Vout-f和引脚Vout-s均同时连接至同轴连接器P2，电容C4的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电容C4的另一端对地连接，电阻R1的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电阻R1的另一端对地连接，同轴连接器P1和同轴连接器P2的外壳的外壳分别对地连接，电源芯片的多个接地引脚均对地连接。

参见图3，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述无源低通滤波电路包括电感L1，电容C1、电容C2、同轴连接器P3，同轴连接器P4，其中，电感L1的一端连接至同轴连接器P3，电感L1的另一端连接至同轴连接器P4；电容C1的一端连接至同轴连接器P3，电容C1的另一端对地连接，电容C2的一端连接至同轴连接器P4，电容C2的另一端对地连接；同轴连接器P3和同轴连接器P4的外壳分别对地连接。

参见图4，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述运算电路包括运算放大器，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，同轴连接器P5，同轴连接器P6、同轴连接器P7、其中，运算放大器的反向输入端通过电阻R5连接至运算放大器的输出端；运算放大器的反向输入端还通过电阻R2连接至同轴连接器P5；运算放大器的输出端连接至同轴连接器P7；运算放大器的正向输入端的通过电阻R3连接至同轴连接器P6；电阻R4的一端连接至运算放大器的正向输入端，电阻R4的另一端对地连接，同轴连接器P5、同轴连接器P6、同轴连接器P7的外壳分别对地连接。

参见图5、图6，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述采样电容电路与电感线圈相连接且所述采样电容电路和电感线圈共同放置在所述螺旋谐振器内，以屏蔽环境电场噪声的影响，降低采样电压噪声，有助于PID控制器输出合适的反馈信号。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述功分电路采用1:2的功率比例分配射频信号输出。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述功率放大电路采用0-500M宽频带，最大输出功率为2W,拥有较高的转换效率同时能够满足囚禁离子所需功率。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述螺旋谐振器拥有较高的品质因素，带载时品质因素Q约200。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述混频器均有无源器件构成，有效减少外部噪声的引入。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述低通滤波电路采用π式滤波方法，能够有效滤除高频噪声，为PID控制系统提供稳定输入。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述基准电压源电路选用噪声系数0.225ppm，电压最大偏移量为±0.025％，有效减少基准电压对反馈信号的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，包括：射频信号源电路、功分电路、功率放大电路、螺旋谐振器、采样电容电路、离子阱、第一混频器、第二混频器、无源低通滤波电路、基准电压源电路、运算电路、PID控制器，其中，

所述射频信号源电路用于产生射频信号并传输到所述功分电路，所述射频信号为正弦交流信号，所述功分电路用于将射频信号分为两路，一路输出到所述第一混频器，另一路输出到所述第二混频器；所述第一混频器用于将所述运算电路输出的信号和所述射频信号源电路输出的正弦交流信号进行幅度调制后输出到所述功率放大电路；所述第二混频器用于将所述射频信号源电路输出的正弦交流信号与所述采样电容电路的采样电压混频后输出到PID控制器；

所述功率放大电路将经过所述第一混频器的一路信号进行放大，并输入到所述螺旋谐振器，所述螺旋谐振器将给定频率的射频信号谐振放大后注入所述离子阱中，所述离子阱用于囚禁离子；

所述采样电容电路采集所述螺旋谐振器输出信号幅值并传输到所述第二混频器；

所述无源低通滤波电路将所述第二混频器输出的混频信号中的高频噪声滤除，并输出滤波信号到所述PID控制器；

所述基准电压源电路用于产生设定电压值的基准电压，并输入到所述运算电路，所述运算电路将PID控制系统输出的反馈信号和所述基准电压源电路输出的基准电压相减后，输出到所述第一混频器；所述基准电压源电路包括电源芯片、电容C3、电容C4、电阻R1，同轴连接器P1，同轴连接器P2，其中，电源芯片的引脚SHDN、引脚Vin均同时连接至同轴连接器P1，电容C3的一端同时连接至引脚SHDN、引脚Vin，电容C3的另一端对地连接，所述电源芯片的引脚Vout-f和引脚Vout-s均同时连接至同轴连接器P2，电容C4的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电容C4的另一端对地连接，电阻R1的一端同时连接至引脚Vout-f和引脚Vout-s，电阻R1的另一端对地连接，同轴连接器P1和同轴连接器P2的外壳分别对地连接，电源芯片的多个接地引脚均对地连接。

2.根据权利要求1所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，所述无源低通滤波电路包括电感L1，电容C1、电容C2、同轴连接器P3，同轴连接器P4，其中，

电感L1的一端连接至同轴连接器P3，电感L1的另一端连接至同轴连接器P4；

电容C1的一端连接至同轴连接器P3，电容C1的另一端对地连接，

电容C2的一端连接至同轴连接器P4，电容C2的另一端对地连接；

同轴连接器P3和同轴连接器P4的外壳分别对地连接。

3.根据权利要求1所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，所述运算电路包括运算放大器，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，同轴连接器P5，同轴连接器P6、同轴连接器P7、其中，

运算放大器的反向输入端通过电阻R5连接至运算放大器的输出端；

运算放大器的反向输入端还通过电阻R2连接至同轴连接器P5；

运算放大器的输出端连接至同轴连接器P7；

运算放大器的正向输入端的通过电阻R3连接至同轴连接器P6；

电阻R4的一端连接至运算放大器的正向输入端，电阻R4的另一端对地连接，

同轴连接器P5、同轴连接器P6、同轴连接器P7的外壳分别对地连接。

4.根据权利要求1所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，所述采样电容电路与电感线圈相连接且所述采样电容电路和电感线圈共同放置在所述螺旋谐振器内。

5.根据权利要求1所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，所述功分电路采用1:2的功率比例分配射频信号输出，所述功率放大电路采用0-500M宽频带，最大输出功率为2W，所述螺旋谐振器带载时品质因素值为200。

6.根据权利要求1所述的主动稳定离子阱射频囚禁场功率的控制系统，其特征在于，所述低通滤波电路采用π式滤波方法，所述基准电压源电路选用噪声系数0.225ppm，电压最大偏移量为±0.025%。