使用 COMSOL Multiphysics® 分析电动离子漏斗

2017年 12月 8日

在质谱仪中,等离子体通常用于电离样品和惰性背景气体。在等离子体中产生的离子进入质量过滤器(决定样品的化学成分)之前,必须将它们聚焦成半径适当小的光束。一种聚焦离子的方法是使用离子漏斗。离子聚焦是整个设计的关键阶段,所以对漏斗的工作原理有一个基本的了解是很重要的。

使用离子漏斗改进质谱和离子迁移谱

离子漏斗由一组内径逐渐减小的环形电极组成。由于RF 和 DC电势的结合以及背景气体的存在,这些设备可以通过径向限制离子并将它们移动到漏斗的窄端来聚焦离子束。在此过程中,漏斗可以在离子源和质量过滤器之间传输离子,同时将离子损失降至最小。

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟的离子漏斗图像
离子漏斗的模拟。

离子漏斗可用于将离子注入四极滤质器和离子迁移谱仪,使它们能够分离和分析电离气体的混合物。这些设备有广泛的应用,如:

当然,在离子漏斗投入使用之前,我们需要深入了解它们的设计和功能。

使用 AC/DC和粒子追踪模块研究离子漏斗

在这个例子中,我们分析了结合 RF 和 DC 电势的离子漏斗的聚焦效应。该模型包含一组暴露在射频电位下的绝缘环形电极,其相邻电极相位不一致。此外,漏斗内还有中性氩气缓冲气体。为了模拟离子与中性背景气体的相互作用,我们使用了带有弹性 子节点的碰撞节点和蒙特卡罗碰撞设置。

RF 电位沿径向限制离子,DC偏压将它们导向越来越窄的电极。这两个场的叠加使得漏斗能够聚焦离子,使它们通过漏斗并抵消热分散和库仑斥力效应。

为了创建这个模型,我们在 COMSOL Multiphysics® 软件中使用了三个不同的接口:

  1. 静电 接口计算 DC 场
  2. 电流 接口计算 AC 场
  3. 带电粒子跟踪 接口模拟离子通过漏斗的运动。该接口考虑了DC、AC场和气体中中性粒子的相互作用,但由于离子密度较低,不考虑离子本身的相互作用。

检验仿真结果

离子漏斗的仿真结果表明,正离子通过逐渐增大的直流偏置成功地从漏斗较宽的一端移动到较窄的一端。为了将离子保持在漏斗内,相邻电极之间的交流电压保持异相。如下图所示,这会导致在电极附近存在一个非常大的电势梯度。

电动离子漏斗的组合电位图
时间等于 0时,电动离子漏斗的组合电势。

利用这个模型,我们还研究了离子在漏斗中的轨迹。这些轨迹表明离子被限制在越来越小的区域内。由于这种限制,离子可以被有效地传输到另一个设备,例如质量过滤器。

绘制漏斗中正离子轨迹的图表
电动离子漏斗中的正离子轨迹。

让我们继续仔细看看位于漏斗狭窄末端的离子。当离子沿着x轴正方向释放,当它们到达漏斗的末端时,它们就会沿z轴均匀分布。

模拟结果显示了离子漏斗窄端的离子坐标
漏斗窄端离子的 xy 坐标。在这幅图中,蓝色表示仍在漏斗中的粒子,红色表示已离开漏斗的粒子。请注意,这些结果可能与前两个图不同,因为 碰撞节点使用了随机数来决定是否在每个时间步都发生碰撞。

想自己尝试模拟这个离子漏斗的例子吗?点击下面的按钮进入 COMSOL 案例库,访问模型文档和相关的 mph 文件。


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