四極質譜儀中的使用的質譜過濾器分析

四極質譜過濾器是四極質譜儀的關鍵組件，只有特定荷質比的離子才能通過其中，以此實現對離子的過濾功能。特定離子通過過濾器的高傳輸概率是想要的結果。然而四極質譜過濾器中的邊緣場會影響離子傳輸概率。借助多物理場仿真，我們可以詳盡分析四極質譜過濾器，并探索邊緣場對設備產生的影響。

質譜分析法簡介

質譜分析法是建立在荷質比的基礎上對離子進行分析和分類的過程。典型質譜儀的工作原理是對單個分子或原子進行電離，然后利用外電場來移動和操控這些離子。

質譜儀的靈敏度優勢使其在許多方面具有應用價值，包括確認未知的生物化合物、確定混合物的化學成分、檢測食物來源中的毒素，以及太空探索。工程師對此類設備的更新與改進從未中斷，新型質譜儀可以在氣相和液相中同時分析多達 30 種成分。

四極質譜儀在設定的電壓比下，僅允許具有特定荷質比的離子通過其中。這一過程是通過四極質譜過濾器來完成的，此組件由四個圓柱形金屬棒組成。

四極質譜過濾器。圖像由 Fulvio314 自行拍攝。已獲CC BY-SA 3.0許可，通過Wikimedia Commons共享。

今天，我們將利用 COMSOL Multiphysics 中的“粒子追蹤”和“AC/DC”模塊來模擬四極質譜過濾器，并評估其在四極質譜儀中的性能表現。

借助多物理場建模評估四極質譜儀組件

為了使四極質譜儀成功地對混合物進行分析，需要使特定離子維持較高的傳輸概率。這意味著過濾器必須確保只有具有特定荷質比的離子才能通過其中。

我們可以通過對四極質譜過濾器建模和分析其入口和出口處邊緣場的影響來評估四極質譜過濾器的這種能力。邊緣場是必須納入考慮的重要因素，因為它會影響通過質譜過濾器的特定離子傳輸概率。

仿真結果展示了通過四極質譜儀中的質譜過濾器追蹤的粒子軌跡。

我們可以通過兩個步驟來模擬四極質譜過濾器：

計算直流和交流電場

計算由相同電場控制驅動的離子軌跡

讓我們從深入探討模型的設計開始。首先，我們通過泊松方程（Poisson’s equation）計算出直流電場的電勢（U）。然后，通過電流守恒計算出交流電場的電勢（V）。在這兩種情況下，我們都向北側金屬桿和南側金屬桿施加正電勢，向東側金屬桿和西側金屬桿施加負電勢。此外，為了加快離子進入質譜過濾器的速度，我們可以向離子孔施加較小的直流和交流偏壓。

我們也可以使用疊加的交流和直流電場來創建一個總電場，供粒子進入建模域時通過。需要特別注意的是，因為求解交流和直流電場的方程為線性方程，所以這是一個有效假設。固定電場和隨時間變化的電場都會對總電場產生增益。

四極質譜過濾器中的粒子追蹤功能

在仿真的下一步驟中，我們可以計算出通過過濾器的離子的運動軌跡。離子運動遵循牛頓第二定律。在交流電場的第一個射頻周期中，本教程中的離子自仿真開始時就按照均勻的間隔被釋放。在仿真過程中，粒子在 0 秒到 0.25 微秒的時間間隔內被釋放了 11 次。由于交流電場的頻率為4 兆赫，所以在其釋放結束時正好為一個完整的射頻周期。

通過精確計算離子軌跡及邊緣場的影響，我們便可以求解出離子傳遞率。在這種情況下，如圖所示的離子傳遞率非常高，達到了百分之百。這種情況的發生是因為我們在 a-q 曲線上選擇了一個非常穩定的工作點。這里的“a”和“q”指代 Mathieu 方程中的系數，可用于計算四極質譜過濾器中的離子運動的近似解。在我們的研究中，離子會在四極質譜過濾器中停留約 140 個射頻周期。

四極質譜過濾器中的粒子軌跡。圖中彩色部分為總力的 z-分量。

深入研究質譜過濾器的設計元素

我們可以通過這些仿真結果來研究不同設計元素對四極質譜過濾器產生的影響。例如，在我們的模型中，離子孔周圍設置有一個偏置板。這導致了離子在通過四極質譜過濾器時會獲取能量。正如下圖所示，這些離子的平均能量為 5 eV，超過了 3 eV 的能量范圍。以如此大小的能量傳播可能是因為較小的直流和交流偏壓。由于交流偏壓既可以為正，也可以為負，所以導致離子在射頻周期內被釋放時，既可能加速，也可能減速。

到達收集器時離子的粒子動能分布。

在本篇文章中，我們使用多物理場建模精確分析了四極質譜儀中的使用的質譜過濾器。優化四極質譜過濾器設計有助于在未來進一步提高四極質譜儀的分析精度。