矩形离子阱在第三稳定区内的捕获效率模拟研究*

张滕宇, 詹宇星, 张俊良, 俞建成, 张 谛, 方 向

(1.宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211; 2.浙江省高级质谱与分子分析重点实验室 宁波大学质谱技术与应用研究院,浙江 宁波 315211； 3.中国计量科学研究院,北京 100029)

0 引 言

在实际分析应用中,有时会对微量和痕量物质进行质量分析,因此质谱仪的灵敏度显得格外重要,而仪器灵敏度与离子阱的捕获效率密切相关[17,18]。本文将通过对传统结构RIT在第三稳定区进行离子运动研究,模拟分析其捕获效率,并在原有基础上改进RIT端盖结构以改善阱内的电场结构,最终达到提高离子阱捕获效率的目的。

1 理论模拟部分

1.1 传统RIT几何模型

RIT相较于其他离子阱结构简单,仅由6块平板电极组成,通过SIMION 8.1软件构建几何模型,其截面图如图1所示,其中a=4 mm,rx=ry=5 mm,d=0.6 mm,左右电极狭缝长为36 mm,阱内轴向长度为42 mm,端盖电极上通孔半径为0.5 mm。

图1 RIT截面图及模型参数

1.2 新型RIT几何模型

本实验使用的新型RIT结构是在传统RIT的基础上,将两个平板端盖电极替换为平板加半球形的复合电极(如图2(b)所示),其中半球结构半径为5 mm。采用这种复合电极结构能够有效减小端盖电极与x,y电极之间不均匀边缘场对入射离子的影响。

图2 传统RIT yz视图和新型RIT yz视图

1.3 电场模拟

RIT电压配置如图3所示。上下极板与左右极板加入相位相反的复合电压φ和-φ,其中，φ=U-VcosΩt,U为直流(direct current,DC)电压,VcosΩt为射频(radio frequency,RF)电压,端盖电极接入相同的电压EC。

图3 RIT电压配置

加在电极上的复合电压在xy平面形成射频俘获场,其近似为四极场(电势分布如图4所示),端盖电极上的直流电压在轴向形成直流俘获势阱。离子阱中心电势为零,从离子传输装置进来的离子通过离子阱端盖中心通孔,在x,y和z三个方向电压的作用下最终捕获在离子阱中心区域。

图4 RIT xy平面等势线

在高稳定区运行离子阱能使进入阱内的离子更快被捕获在阱中心,离子运动由Mathieu方程中参数a和q来确定

(1)

式中e为元电荷,m为离子质量,r为离子阱内径,Ω为射频电压角频率。

1.4 模拟方法

要进行离子仿真首先要确定离子运动的工作点,将射频电压RF设置为频率为1.2 MHz的正弦信号,在通过Mathieu方程得到的第三稳定区图中(如图5),选取其中工作点所对应的a,q值,通过计算得到射频电压和直流电压的大小。离子初始位置设置在端盖电极入口处,此时不接入入口端盖电极电压,待离子在初始动能的作用下完全进入阱内时再加入入口端盖电极电压,记录下最终稳定在离子阱中心的离子数除以加入的离子总数即为离子阱的捕获效率。利用SIMION8.1软件编写程序来进行各电极电压控制并对离子阱及离子参数进行初始化,以便对信号进行修改以及记录仿真后的离子参数信息。

图5 第三稳定区

2 结果与讨论

离子阱中的电场分布由电极结构以及施加的电压决定。图6为传统RIT中不同端盖电极电压下离子初始动能对离子阱捕获效率的影响。从图中可以看出离子在初始动能5～8 eV时达到7 %～16 %的捕获效率。这是由于传统的RIT电极结构均为平面,其极板边缘以及极板之间电场复杂,尤其是当离子穿过入口极板通孔后,进入端盖电极与内部极板狭缝时,由于第三稳定区射频电压RF和直流电压DC相对较大,飞入的离子团中距离离子阱中轴线较远的离子在复合电场的作用下撞击在阱内壁上造成较大的离子损失。图中还显示出,在端盖电压为30 V时,不同离子动能下离子阱捕获范围很小,而在端盖电压大于30 V时,离子阱捕获范围较宽。

图6 传统RIT在不同端盖电压下离子初始动能对捕获效率的影响

图7为新型RIT在不同端盖电压下离子初始动能对捕获效率的影响,可以看出新型RIT的捕获效率较传统RIT有了较大提升,并且在端盖电压EC为60 V,离子初始动能E=6 eV时,捕获效率达到了89 %。

图7 新型RIT在不同端盖电压下离子初始动能对捕获效率的影响

两个离子阱在离子初始动能E<4 eV时都表现出了较低的捕获效率,这是由于离子动能太小,因此经过不均匀场的时间相对较长,大部分离子来不及进入阱内均匀电场区就撞击在离子阱内壁上造成离子损失。而在离子初始动能E>9 eV时,两个离子阱同样表现出了较低的捕获效率。这是由于离子在较大的初始动能下末端端盖电压不足以将离子阻挡在离子阱中部的均匀电场区域,因此离子穿过均匀电场区到达离子阱末端的不均匀电场区,大部分离子损失在离子阱末端内壁以及末端端盖电极上。在新型RIT中,端盖电压为30 V时仍表现出较低的捕获效率,且捕获离子动能范围较小,但随着端盖电压的升高,离子阱对于离子初始动能在7～9 eV的离子捕获效率逐渐增大。

3 结 论

本文研究了RIT在第三稳定区内的捕获效率,并探究了离子初始动能以及RIT端盖电压对捕获效率的影响 ,优化了传统RIT的端盖电极几何结构,降低了不同电极之间复合电场对飞行离子的影响,大幅度提高了RIT在第三稳定区内的捕获效率。仿真结果表明：在新型结构RIT中,当端盖电压为60 V且离子初始动能为6 eV时,捕获效率达到了89 %。在不改变RIT中x,y电极平板结构的情况下,只对其端盖电极进行优化,仍能得到较高的捕获效率,既保留了RIT简单的电极结构，又不损失捕获能力,这对RIT在高稳定区的研究具有重要意义。