四極質(zhì)譜過濾器是四極質(zhì)譜儀的關(guān)鍵組件，只有特定荷質(zhì)比的離子才能通過其中，以此實現(xiàn)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(jié)果。然而四極質(zhì)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(zhì)譜過濾器，并探索邊緣場對設(shè)備產(chǎn)生的影響。

質(zhì)譜分析法簡介

質(zhì)譜分析法是建立在荷質(zhì)比的基礎(chǔ)上對離子進行分析和分類的過程。典型質(zhì)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(zhì)譜儀的靈敏度優(yōu)勢使其在許多方面具有應(yīng)用價值，包括確認(rèn)未知的生物化合物、確定混合物的化學(xué)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(shè)備的更新與改進從未中斷，新型質(zhì)譜儀可以在氣相和液相中同時分析多達 30 種成分。

四極質(zhì)譜儀在設(shè)定的電壓比下，僅允許具有特定荷質(zhì)比的離子通過其中。這一過程是通過四極質(zhì)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(zhì)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(zhì)譜過濾器，并評估其在四極質(zhì)譜儀中的性能表現(xiàn)。

借助多物理場建模評估四極質(zhì)譜儀組件

為了使四極質(zhì)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(zhì)比的離子才能通過其中。

我們可以通過對四極質(zhì)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(zhì)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(zhì)譜過濾器的特定離子傳輸概率。

仿真結(jié)果展示了通過四極質(zhì)譜儀中的質(zhì)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(zhì)譜過濾器：

計算直流和交流電場

計算由相同電場控制驅(qū)動的離子軌跡

讓我們從深入探討模型的設(shè)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(cè)金屬桿和南側(cè)金屬桿施加正電勢，向東側(cè)金屬桿和西側(cè)金屬桿施加負(fù)電勢。此外，為了加快離子進入質(zhì)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(chuàng)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(shè)。固定電場和隨時間變化的電場都會對總電場產(chǎn)生增益。

四極質(zhì)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(nèi)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(jié)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(fā)生是因為我們在 a-q 曲線上選擇了一個非常穩(wěn)定的工作點。這里的“a”和“q”指代 Mathieu 方程中的系數(shù)，可用于計算四極質(zhì)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(zhì)譜過濾器中停留約 140 個射頻周期。

四極質(zhì)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(zhì)譜過濾器的設(shè)計元素

我們可以通過這些仿真結(jié)果來研究不同設(shè)計元素對四極質(zhì)譜過濾器產(chǎn)生的影響。例如，在我們的模型中，離子孔周圍設(shè)置有一個偏置板。這導(dǎo)致了離子在通過四極質(zhì)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(fù)，所以導(dǎo)致離子在射頻周期內(nèi)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(zhì)譜儀中的使用的質(zhì)譜過濾器。優(yōu)化四極質(zhì)譜過濾器設(shè)計有助于在未來進一步提高四極質(zhì)譜儀的分析精度。