авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Движение ионов в высокочастотном гармоническом и импульсном электрических полях с амплитудной модуляцией

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАХМУДОВ Марат Наильевич

ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ГАРМОНИЧЕСКОМ И ИМПУЛЬСНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСких ПОЛЯХ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

01.04.04 физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

РЯЗАНЬ-2006

Работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики и методики преподавания физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанском государственном университете имени С.А. Есенина»

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук, профессор КОНЕНКОВ Николай Витальевич

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук, профессор

ВОЛКОВ Степан Степанович

кандидат физико-математических наук,

СЫСОЕВ Алексей Александрович

Ведущая организация: ОАО НПО «ПЛАЗМА»

Защита состоится_______________ 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета К 212.212.02 при Рязанском государственном университете имени С.А. Есенина (390000, г. Рязань, ул. Свободы, д. 46).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина.

Автореферат разослан «_____»_______________2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.Б. Ястребков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время квадрупольные масс-спектрометры (КМС) находят широкое применение для решения многих задач в различных областях науки и техники: фармакологии, биохимии, экологии, нефтехимии, аналитической и физической химии, химии сверхчистых материалов, криминалистики, медицины, биотехнологии, микро- и наноэлектроники.

Исследование характеристик движения ионов в высокочастотных электрических полях с заданным пространственным распределением потенциала является основой развития квадрупольной масс-спектрометрии. Так, например, применение дополнительной пространственной четвертой (октупольной) гармоники поля резко увеличило разрешающую способность (до 100000) трехмерной ионной ловушки Пауля.

Представляется, что путь совершенствования КМС лежит в применении дополнительных пространственных и временных гармоник ВЧ поля. Так использование дополнительного ВЧ напряжения малой амплитуды позволяет осуществить резонансное параметрическое возбуждение колебаний ионов, что приводит к разделению первой области стабильности на острова. Режим разделения в верхнем острове увеличивает изотопическую чувствительность с 105 (обычный режим работы в первой области стабильности) до 1010.

Модуляционные параметрические резонансы и их влияние на структуру диаграммы стабильности были теоретически и экспериментально проанализированы в 1999 году [1]. Структура диаграммы стабильности рассмотрена только для гиперболоидной трехмерной ловушки. [1,2].

Остаются открытыми вопросы: как меняются ионно-оптические свойства фильтра масс с цилиндрическими электродами, при параметрическом резонансном возбуждении колебаний ионов путем амплитудной модуляции питающих напряжений? Какие свойства в КМС проявляются при амплитудной модуляции импульсного питающего напряжения? Как на форму массового пика влияет форма цилиндрических электродов?



Поэтому изучение закономерностей движения ионов в мультипольных полях при наличии малых временных гармоник представляется актуальным.

Цель работы:

        1. Целью настоящей работы является изучение коллективного движения ионов в квадрупольных радиочастотных электрических полях с заданным составом пространственных и временных гармоник.
        2. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- программная реализация матричного метода для расчета положения верхнего острова стабильности в зависимости от параметров модуляции: глубины m и соотношения частот =/ при гармоническом питании;

- исследование ионно-оптических характеристик КФМ при амплитудной модуляции ВЧ напряжения;

- исследование ионно-оптических характеристик КФМ при амплитудной модуляции ВЧ и постоянного питающих напряжений;

- определение допустимых пульсаций питающих напряжений КФМ;

- программная реализация матричного метода для расчета положения верхнего острова стабильности в зависимости от параметров модуляции: глубины m и соотношения частот =/ при импульсном питании;

- расчет границ первой и второй областей стабильности при импульсном питании КФМ;

- исследование характеристик (пропускания и разрешающей способности) КФМ в режиме работы первой и второй областей стабильности при импульсном питании и сравнение со случаем гармонического питания;

- исследование характеристик КФМ при амплитудной модуляции импульсного питающего напряжения;

- исследование эффекта модуляции постоянного напряжения при импульсном питании КФМ;

- исследование условий получения время пролетного режима детектирования ионов на основе фокусирующих и отображающих свойств квадрупольного поля.

Научная новизна результатов работы:

  1. Определены положения верхнего рабочего острова стабильности на a, q плоскости в зависимости от параметров модуляции ВЧ напряжения.
  2. Установлены параметры амплитудной модуляции, при которых достигается высокая разрешающая R0.1=1200 при относительно малом числе n=100 ВЧ периодов сортировки ионов.
  3. Показано, что при использовании цилиндрических электродов эффективным методом подавления «хвостов» массовых пиков является амплитудная модуляция питающих напряжений.
  4. Получены условия на допустимые пульсации питающих напряжений для достижения заданной разрешающей способности и относительном уровне 5% флуктуаций интенсивности пика, вызванных сетевыми наводками промышленной частоты.
  5. Исследованы характеристики первой и второй областей стабильности при импульсном питании КФМ.
  6. Определены положения верхнего острова стабильности при амплитудной модуляции прямоугольными импульсами напряжения в зависимости от параметров модуляции на основе матричного метода.
  7. Установлено, что при прямоугольном импульсном напряжении и использовании цилиндрических электродов подавление «хвостов» массовых пиков может быть достигнуто путем амплитудной модуляции постоянного питающего напряжения.
  8. Определены условия время-пролетной фокусировки ионов заданной массы иона на основе фокусирующих и отображающих свойств квадрупольного поля.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Требуемое время сортировки для достижения заданной разрешающей способности диапазоне R=4702080 сокращается в 2 раза, когда на противоположные электроды КФМ подается напряжение вида: ±[U-Vcost·(1+mcost)], при этом отношение частот =/ и параметр модуляции m, должны принимать значения =1/8-1/14 и m=0.02-0.10.

2. При уровне пульсаций постоянного U/U= 4*10-5 и переменногоV/V= =6.5*10-5 напряжений, обеспечивается уровень стабильности коэффициента пропускания для высокой разрешающей способности

3. Подавление низкомассового хвоста пика при импульсном питании и использовании электродов с круглым сечением и соотношением r/r0=1.130 достигается путем гармонической амплитудной модуляцией постоянного напряжения с параметрами m=0.04-0.16 и отношении частот =1/8 - 1/14.

Достоверность выводов диссертационной работы подтверждается адекватностью предложенных численных методов решения системы нелинейных уравнений и модели КФМ, использованием современных методов исследовании, реальных физических моделей движения ионов в электрических квадрупольных полях, результатами эксперимента по амплитудной модуляции КМС, проведены на фирме «Шибболет» (г. Рязань).

Практическая значимость работы:

  1. Установлены режим работы квадрупольного фильтра масс при амплитудной модуляции питающих напряжений, когда требуемое время сортировки ионов мало и разрешающая способность максимальна.
  2. Рассчитан допустимый уровень пульсаций, вызванных сетевыми наводками, для заданной величины разрешающей способности.
  3. Для КФМ с цилиндрическими электродами определены режимы сепарации ионов при питании импульсами прямоугольной формы для первой и второй области стабильности и условия модуляции постоянным напряжением
  4. На основе фокусирующих и изображающих свойств квадрупольного поля установлен режим время пролетного детектирования ионов заданной массы.

По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы из 119 наименований. Она изложена на 131 страницах машинописного текста шрифтом “Times New Roman”, содержит 68 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, выделенные нерешенные научные проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Приведены основные научные результаты и научные положения, выносимые на защиту, отмечена практическая значимость выполненных исследований.

Первая глава диссертации представляет обзор литературы, в котором проанализированы:

- параметрическое резонансное возбуждение колебаний ионов дополнительным сигналом;

- описание пространственных гармоник электрического поля, создаваемых цилиндрическими электродами КФМ;

- матричный метод расчета островов стабильности, вызываемых параметрическим возбуждением колебаний ионов [3];

- тенденции развития квадрупольной масс-спектрометрии, в частности двухмерных ионных ловушек на основе КФМ с использованием четвертой пространственной гармоники и параметрического возбуждения ионов для масс-селективного детектирования ионов.

Вторая глава посвящена исследованию ионно-оптических свойств квадрупольного поля при модуляции питающих напряжений для параметрического возбуждения колебаний ионов. Для этого получены уравнения движения ионов в мультипольных электрических полях, имеющие следующий вид:

(1)

(2)

где , AN – безразмерная амплитуда пространственной гармоники порядка N, A2 – амплитуда основной квадрупольной гармоники поля, величина которой близка 1.00, когда искажения поля малы. – реальная часть комплексной функции , , x и y –поперечные координаты анализатора. Временная функция g() определяется формой питающего напряжения и для случая амплитудной модуляции имеет вид:

(а). Модуляции ВЧ напряжения (Vcost) с угловой частотой :

, (3)

(б). Модуляция как переменного, так и постоянного напряжений

(U- Vcost):

, (4)

(в). Модуляция постоянного напряжения U :

(5)

где

, (6)

0-начальная фаза (фаза влета иона в ВЧ поле) и m – параметр (глубина) модуляции. Когда отношение =/=M/P представляет простую несократимую дробь, М и Р – целые числа, причем P>M, полосы нестабильности следуют вдоль изо- линий: =k/P, k = 1,2,3, …, P-1 и решения уравнений (1) и (2) в идеальном поле (A2=1 и AN=0 при ) периодично с периодом P. Здесь Рассиатриваются ионно-оптические свойства верхнего острова стабильности, формируемого линиями x =(P-1)/P и y = 1/P. Исследования проводились при изменению параметра модуляции m=00.2 и отношение =/=1/51/15

Влияние глубины модуляции m и отношения =/ на положение верхнего острова стабильности на плоскости a, q параметров при амплитудной модуляции ВЧ напряжения иллюстрируется на рис. 1. и рис.2.

Рис. 1. Положение рабочего острова Рис. 2. Влияние отношения частот





стабильности при модуляции ВЧ на положение и форму острова

напряжения для различных значений стабильности при амплитудной

параметра модуляции m и отношении модуляции ВЧ напряжения

частот =1/8. m=0.06.

Увеличение параметра модуляции m приводит к уменьшению площади острова, при этом он смещается в область более высоких значений a и q. Уменьшение величины приводит к уменьшению площади острова и его смещению в область больших значений масс. При соотношении =1/12 остров отделяется от основной диаграммы вдоль изолиний x=11/12 и y=1/12. Сплошной линией обозначена линия сканирования a=2q.

Контур пропускания (или форма пика) T(q) рассчитывался на основе прямого расчета траекторий ионов в квадрупольном поле. Для численного интегрирования уравнений движения (1) и (2) использовался метод Рунге-Кутта – Нюстрема – Дорманда-Принса (Runge-Kutta – Nystrom – Dormand-Prince (RK-N-DP) 6 порядка с переменным шагом интегрирования. Пропускание T = Ntr/N определяет долю прошедших ионов через квадрупольное поле, Ntr – число ионов, прошедших через анализатор (имеющих амплитуду колебаний менее r0), N – число ионов, попадающих на круглую входную апертуру радиуса ra=0.1r0. Для целей сравнения пропускания и влияния времени сортировки ионов в моделировании использовался параллельный пучок ионов, то есть начальные поперечные скорости полагались равными нулю. Начальные условия влета ионов в электрическое поле следующие: 20 начальных ВЧ фаз 0 = 0, /20, 2/20, 3/20, …, 19/20 для 100 случайных точек на входной апертуре с равномерным распределением. В результате каждой точке на кривой T(q) соответствует 20x100=2000траекторий ионов. Влияние краевых полей на пропускание во внимание не принималось.

На рис. 3 и рис. 4 приведены контуры пропускания T(q) для случая идеального поля, формируемого электродами с гиперболическим профилем, и случая стержней с круглым сечением, когда присутствуют шестая и десятая пространственные гармоники поля.

 Влияние времени сортировки Рис.-15

 Влияние времени сортировки -16

Рис. 3. Влияние времени сортировки Рис. 4. Цилиндрические электроды

ионов, выраженного в числе n периодов (r/r0=1.13). Влияние числа периодов

ВЧ поля, на форму массового пика сепарации ионов n на форму пика при

для случая идеального поля. модуляции ВЧ напряжения

Сравнение данных рис. 3 и рис. 4 показывает, что требуемое время сортировки n=75 для достижения разрешающей способности R=550 при наличии модуляции и мультипольных полей (стержни круглого сечения) меньше, чем в случае идеального поля, когда необходимое время сортировки n должно быть не менее 150 для получения разрешающей способности R=390, при этом «хвосты» пиков незначительны. Анализируя вышесказанное, делается вывод, что с целью снижения требуемого времени сортировки необходимо использовать амплитудную модуляцию ВЧ напряжения, когда на противоположные электроды КФМ подают напряжение вида: ±[U-Vcost·(1+mcost)], при этом отношение частот =/ должно принимать значения =1/8-1/14 и параметр модуляции m=0.02-0.10.

Для более детального сравнения формы массовых пиков был увеличен динамический диапазон величины пропускания за счет увеличения числа траекторий до 12000 на точку кривой T(q). Результаты расчета показаны на рис. 5. Кривая 1 есть пик при идеальном поле и n=100. При низком уровне пропускания пик уширяется вследствие малости времени сортировки. Использование цилиндрических стержней приводит к появлению интенсивного низкомассового хвоста при том же значении n=100 (кривая 2). Кривые пропускания 3 и 4 получены для случая мультипольных полей, создаваемых цилиндрическими электродами (r/r0=1.130) в режиме работы в островах стабильности с параметрами m=0.06, =1/12, =0.1769 (модуляция постоянного и переменного напряжений) и m=0.06, =1/11, =0.17213 (модуляция только ВЧ напряжения). На рис. 5 представлены данные, показывающие, что применение модуляции питающих напряжений даёт существенное повышение характеристик КМФ с круглыми электродами по сравнению фильтра масс с электродами с гиперболическим профилем, когда реализуется идеальное квадрупольное поле.

 Сравнение формы пи­ков при-17

Рис. 5. Сравнение формы пи­ков при различных режимах сепарации ионов. Кривая 1 – случай идеального поля без модуляции, =0.1677. Пик 2 – цилиндрические электроды (r/r0=1/130) без модуляции. Пик 3 - цилиндрические элек­троды (r/r0=1/130) с модуля­цией ВЧ напряжения (m=0.06, =1/12, =0.1769). Пик 4 - цилиндрические элек­троды (r/r0=1/130) с модуля­цией постоянного и перемен­ного напряжений (m=0.06, =1/11, =0.17213).

Установлен механизм искажения формы массового пика при паразитной модуляции сетевым сигналом питающих напряжений КФМ, которая приводит к случайному смещению массового пика по шкале масс и изменению интенсивности при флуктуации фазы модулирующего сигнала. Для достижения разрешающей способности R=q/q=3200 уровень пульсаций питающих напряжений КФМ не должен превышать значений V/V=6.5*10-5 и U/U=4*10-5. С уменьшением R требования по стабильности постоянных источников питания ВЧ генератора снижаются. Результаты исследований представлены на рис. 6.

 Зависимость допустимого значения-18

Рис. 6. Зависимость допустимого значения параметра m низко-частотной амплитудной модуляции ВЧ (RF) и постоянного (DC) от разрешающей способности R для Т/T=5%

В главе III исследуется движение ионов в импульсном ВЧ поле с постоянной составляющей. На рис. 7а представлена форма импульсного напряжения, подаваемого в противофазе на противоположные пары стержней КФМ. Периодическое симметричное напряжение с d=1/2 представляет последовательность l импульсов с амплитудой V и периодом Т и последовательность k импульсов с амплитудой (1-m)V c тем же периодом Т. Форма импульсного напряжения выбрана таким образом, чтобы соотношение периодов высокочастотного и модулирующего сигнала было таким же, как и в случае амплитудной модуляции гармонического ВЧ напряжения. На противоположные электроды КФМ подают также постоянные напряжения ±U наряду с импульсным.

 Форма импульсов напряжения,-19

Рис. 7. Форма импульсов напряжения, подаваемых на электроды КФМ. а– зависимость напряжения u от времени t; б – временная функция f() в безразмерных переменных q и , входящая в уравнение движения.

Уравнения движения ионов в импульсном квадрупольном поле имеет вид:

(7) , (8)

где (9)

Здесь х и y – прямоугольные координаты; ось х проходит через пару вершин электродов, на которые подается положительное напряжение +U при анализе положительных ионов, а ось у проходит через пару электродов, на которые подают потенциал – U. В выражении (9) - - круговая частота основной гармоники, - временная переменная, 0 – фаза влета иона в переменное электрическое поле, е и m – заряд и масса иона, r0 – радиус поля (конструктивный параметр – радиус вписанной окружности между вершинами электродов КФМ), f() – временная функция периода (l+k), представленная графически на рис. 7б.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.