بخشی از مقاله
مقدمه
طیف سنج هاي جرمی استفاده هاي بسیار گسترده اي در شاخه هاي مختلف علوم دارند و به منظور جداسازي جرم هاي مختلـف اتمی و مولکولی مورد استفاده قرار میگیرند. بهطور کلی هر طیف-
سنج جرمی، از پـنج بخـش اساسـی تشـکیل شـدهاسـت: سیسـتم ورودي، محفظهي یونیزاسیون، آنالیزور جرمی، آشکارسـاز و پمـپ خلاء. محفظهي یونیزاسیون، فیلتر جرمی و آشکارساز باید در یـک سیستم خلاء قرار بگیرند. زیرا خلاء بالا (فشـار پـایین)، فاصـلهي آزاد میانگین ذرات را به بیشترین مقدار خود رسانده و از واکـنش-
هاي متقابل یـون-مولکـول، پراکنـدگیهـا و خنثـیشـدن یـونهـا جلوگیري میکند.[1]
یکی از انواع این طیف سنج ها، طیف سنج جرمی چهار قطبـی می باشد که اولین بـار در سـال1953، ولفگانـگ پـاول فیزیکـدان آلمانی و همکارانش در دانشـگاه Boon ایـن سیسـتم را سـاخته و یونها را بـا نسـبت جـرم بـه بـار آنهـا جـدا کردنـد.[2] بـه خـاطر خصوصیات برجسته اي که ایـن فیلتـر دارد نظیـر کـارایی، قیمـت ارزان، وزن سبکتر، زمان روبـش سـریع و کـارکردن در فشـارهاي نسبتاً بالاتر؛ کاربردهاي فراوانی در بسیاري از جمله علـوم شـیمی،
168
صنعت نف ت، فیزیک اتمی و هستهاي به منظور جداسازي ایزوتوپ ها پیدا کرده است و در بسیاري از پژوهشگاه هاي علمی و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.[3]
هر فیلتر جرمی چهارقطبی از چهار میله ي موازي با سط ح مقطع هذلولوي تشکیل شده است . با اعمال همزمان ولتاژهاي م سـتقیم و تناوبی به آنها، یک میـدان هـذلولی تقریبـا ایـدهآل در فضـاي بـین میلهها ایجاد میشود. به ط وریکه پتانسیل ایجاد شده در فضاي بـین میله ها از رابطه ي زیر تبعیت می کند:
r. شــعاع میــدان، یعنـی فاصــلهي بــین محــور چهــارقطبی و نزدیکترین نقطه روي الکترود ها، U ولتـاژ مسـتقیم و V دامنـه ي ولتاژ تناوب ی می باشد.
هنگامیکه جریانی از یو نهـا وارد فیلتـر چهـارقطبی مـیشـود، میدان چهارقطبی روي مسـ یر حرکـت یـونهـایی کـه درو ن فیلتـر حرکت می کنند، تأثیر گذاشته و نواحی پایداري را در فضـاي بـین میلهها ایجاد میکند. به طوري که معـادلا ت حرکـت آن هـا در دو جهت x و y از معادله ماتیو زیر پیروي می کند:
در این رابط ه u میتواند x یا y وξ = ωt/2 میباشـد. و پارامترهـاي ماتیوau وq u به صورت زیر می باشند :
ذراتی که درون ناحیه ي پایدار قرار میگیرند، با یک نسبت جـرم به بار مشخص طول چهارقطبی را پیموده و آشکارسازي می شوند.
ولی ذرات بیرون از این نا حیه، به میلهها برخورد کرده و خنثی مـی شوند. به این ترتیب چهارقطبی الکتریکی نظیر یـک فیلتـر جرمـی عمل کرده و بعضی از یونها را بسته به نسـبت جـرم بـه بـار آنهـا عبور داده و از عبور بعضی ممانعت میکند.[4]
روش مطالعه
شخصی میباشد که با زبان برنامه نویسی C نو شته شده و قابلیـت
مدلسازي مسائ پیچیدهي اپتیک یونی در 3 بعد را دارد.
نواحی پتانسیل در این نرم افزار با استفاده از حـل معادلـهي
لاپلاس به روش عددي فراواهلش کـه یکـی از روشـهاي تفا ـل
متناهی میباشد، حاصل میشود. اما براي حل معادلات مربـوط بـه مسیرحرکت یونها و شبیهسازي مسیر آنها از انتگرالگیري به روش رونگکوتاه مرتبه چهارم استفاده میکند[5] در این نرم افـزار ف ـار خلاء 10-12تور فرض شده اس ت.
شبیه سازي
فیلتر طراحی شده در این تح قیق داراي سط ح مقطـع هـذلولوي، شعاع میدان 2 سانتیمتر و طول 32 سانتیمتر بوده و در فرکانس 6.5
مگاهرتز براي ع بور یونهاي گازي هلیوم به جرم 4.003amu بهینـه شده است.
در منطقه ي اول پایداري پارامترهاي مـاتیو a= 3/16 وq= 3/23
انتخاب گردیده اند. درصد انتقال یونهاي هلیوم بر حسب تغییـرات شعاع پرتو یونی (شکل(1، انرژي اولیه ي یونهاي ورودي (شکل(2
و همچنین توزیع زاویهاي پرتو یونی نسبت بـه محـور چهـارقطبی
(شکل(3، مورد محاسبه قرار گرفته است.
انرژی اوليه ی يونھای ورودی ب ر حسب 1 50
الکترون ولت
درصد انتق ال يونھا 1 00
35 30 28 26 24 قدرت تفکيک 50
22 20 15
8 7 6 5 4 3 2 0
1
شکل:1 منحنی تغییرات انرژي اولیه ي یونهاي ورودي بر حسب در صد
انتقال و قدرت تفکیک یونها در منطقه ي اول پایداري
در این مطالعه بهمنظـ ور طراحـی فیلتـر جرمـی چهـارقطبی و شـبیهسـازي مسـیر حرکـ ت ذرات در آن از نـرم افـزار simion3 D version07 استفاده گردیده است. این نرم افزار براي کامپیوترهـاي
169
24 ev 100
22 ev 80 درصد
27 ev 40 یونهاعبور
60
20
0
20 15 10 5 0
شعاع پرتو یونی (mm)
شکل:2 منحنی تغییرات شعاعپرتو یونی بر حسب درصد انتقال یونها در منطقهي
اول پایداري
24 ev 120
100
22ev
80 درصد
27 ev
60 انتقال
40
یونها
20
0
20 10 0 ‐10 ‐20
زاویه ي یونهاي ورودي نسبت به محور چهار قطبی
شکل:3 منحنی تغییرات زاویه ورود یونها نسبت به محور چهارقطبی بر حسب
درصد انتقال یونها در منطقه ي اول پایداري
با توجه به شکل هاي (1) تا (3) درمییابیم که در ایـن منطقـه، یونهایی که از یک منبع یونی به شعاع 5 میلیمتر و با انرژي اولیه ي
