矩形離子阱在第三穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的捕獲效率模擬研究*

張滕宇, 詹宇星, 張俊良, 俞建成, 張 諦, 方 向

(1.寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211; 2.浙江省高級質(zhì)譜與分子分析重點實驗室 寧波大學質(zhì)譜技術(shù)與應用研究院,浙江 寧波 315211； 3.中國計量科學研究院,北京 100029)

0 引 言

在實際分析應用中,有時會對微量和痕量物質(zhì)進行質(zhì)量分析,因此質(zhì)譜儀的靈敏度顯得格外重要,而儀器靈敏度與離子阱的捕獲效率密切相關(guān)[17,18]。本文將通過對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)RIT在第三穩(wěn)定區(qū)進行離子運動研究,模擬分析其捕獲效率,并在原有基礎上改進RIT端蓋結(jié)構(gòu)以改善阱內(nèi)的電場結(jié)構(gòu),最終達到提高離子阱捕獲效率的目的。

1 理論模擬部分

1.1 傳統(tǒng)RIT幾何模型

RIT相較于其他離子阱結(jié)構(gòu)簡單,僅由6塊平板電極組成,通過SIMION 8.1軟件構(gòu)建幾何模型,其截面圖如圖1所示,其中a=4 mm,rx=ry=5 mm,d=0.6 mm,左右電極狹縫長為36 mm,阱內(nèi)軸向長度為42 mm,端蓋電極上通孔半徑為0.5 mm。

圖1 RIT截面圖及模型參數(shù)

1.2 新型RIT幾何模型

本實驗使用的新型RIT結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)RIT的基礎上,將兩個平板端蓋電極替換為平板加半球形的復合電極(如圖2(b)所示),其中半球結(jié)構(gòu)半徑為5 mm。采用這種復合電極結(jié)構(gòu)能夠有效減小端蓋電極與x,y電極之間不均勻邊緣場對入射離子的影響。

圖2 傳統(tǒng)RIT yz視圖和新型RIT yz視圖

1.3 電場模擬

RIT電壓配置如圖3所示。上下極板與左右極板加入相位相反的復合電壓φ和-φ,其中，φ=U-VcosΩt,U為直流(direct current,DC)電壓,VcosΩt為射頻(radio frequency,RF)電壓,端蓋電極接入相同的電壓EC。

圖3 RIT電壓配置

加在電極上的復合電壓在xy平面形成射頻俘獲場,其近似為四極場(電勢分布如圖4所示),端蓋電極上的直流電壓在軸向形成直流俘獲勢阱。離子阱中心電勢為零,從離子傳輸裝置進來的離子通過離子阱端蓋中心通孔,在x,y和z三個方向電壓的作用下最終捕獲在離子阱中心區(qū)域。

圖4 RIT xy平面等勢線

在高穩(wěn)定區(qū)運行離子阱能使進入阱內(nèi)的離子更快被捕獲在阱中心,離子運動由Mathieu方程中參數(shù)a和q來確定

(1)

式中e為元電荷,m為離子質(zhì)量,r為離子阱內(nèi)徑,Ω為射頻電壓角頻率。

1.4 模擬方法

要進行離子仿真首先要確定離子運動的工作點,將射頻電壓RF設置為頻率為1.2 MHz的正弦信號,在通過Mathieu方程得到的第三穩(wěn)定區(qū)圖中(如圖5),選取其中工作點所對應的a,q值,通過計算得到射頻電壓和直流電壓的大小。離子初始位置設置在端蓋電極入口處,此時不接入入口端蓋電極電壓,待離子在初始動能的作用下完全進入阱內(nèi)時再加入入口端蓋電極電壓,記錄下最終穩(wěn)定在離子阱中心的離子數(shù)除以加入的離子總數(shù)即為離子阱的捕獲效率。利用SIMION8.1軟件編寫程序來進行各電極電壓控制并對離子阱及離子參數(shù)進行初始化,以便對信號進行修改以及記錄仿真后的離子參數(shù)信息。

圖5 第三穩(wěn)定區(qū)

2 結(jié)果與討論

離子阱中的電場分布由電極結(jié)構(gòu)以及施加的電壓決定。圖6為傳統(tǒng)RIT中不同端蓋電極電壓下離子初始動能對離子阱捕獲效率的影響。從圖中可以看出離子在初始動能5～8 eV時達到7 %～16 %的捕獲效率。這是由于傳統(tǒng)的RIT電極結(jié)構(gòu)均為平面,其極板邊緣以及極板之間電場復雜,尤其是當離子穿過入口極板通孔后,進入端蓋電極與內(nèi)部極板狹縫時,由于第三穩(wěn)定區(qū)射頻電壓RF和直流電壓DC相對較大,飛入的離子團中距離離子阱中軸線較遠的離子在復合電場的作用下撞擊在阱內(nèi)壁上造成較大的離子損失。圖中還顯示出,在端蓋電壓為30 V時,不同離子動能下離子阱捕獲范圍很小,而在端蓋電壓大于30 V時,離子阱捕獲范圍較寬。

圖6 傳統(tǒng)RIT在不同端蓋電壓下離子初始動能對捕獲效率的影響

圖7為新型RIT在不同端蓋電壓下離子初始動能對捕獲效率的影響,可以看出新型RIT的捕獲效率較傳統(tǒng)RIT有了較大提升,并且在端蓋電壓EC為60 V,離子初始動能E=6 eV時,捕獲效率達到了89 %。

圖7 新型RIT在不同端蓋電壓下離子初始動能對捕獲效率的影響

兩個離子阱在離子初始動能E<4 eV時都表現(xiàn)出了較低的捕獲效率,這是由于離子動能太小,因此經(jīng)過不均勻場的時間相對較長,大部分離子來不及進入阱內(nèi)均勻電場區(qū)就撞擊在離子阱內(nèi)壁上造成離子損失。而在離子初始動能E>9 eV時,兩個離子阱同樣表現(xiàn)出了較低的捕獲效率。這是由于離子在較大的初始動能下末端端蓋電壓不足以將離子阻擋在離子阱中部的均勻電場區(qū)域,因此離子穿過均勻電場區(qū)到達離子阱末端的不均勻電場區(qū),大部分離子損失在離子阱末端內(nèi)壁以及末端端蓋電極上。在新型RIT中,端蓋電壓為30 V時仍表現(xiàn)出較低的捕獲效率,且捕獲離子動能范圍較小,但隨著端蓋電壓的升高,離子阱對于離子初始動能在7～9 eV的離子捕獲效率逐漸增大。

3 結(jié) 論

本文研究了RIT在第三穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的捕獲效率,并探究了離子初始動能以及RIT端蓋電壓對捕獲效率的影響 ,優(yōu)化了傳統(tǒng)RIT的端蓋電極幾何結(jié)構(gòu),降低了不同電極之間復合電場對飛行離子的影響,大幅度提高了RIT在第三穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的捕獲效率。仿真結(jié)果表明：在新型結(jié)構(gòu)RIT中,當端蓋電壓為60 V且離子初始動能為6 eV時,捕獲效率達到了89 %。在不改變RIT中x,y電極平板結(jié)構(gòu)的情況下,只對其端蓋電極進行優(yōu)化,仍能得到較高的捕獲效率,既保留了RIT簡單的電極結(jié)構(gòu)，又不損失捕獲能力,這對RIT在高穩(wěn)定區(qū)的研究具有重要意義。