بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک فیلتر جرمی چهار قطبی با سطح مقطع هذلولوي طراحی شده است. این فیلتر با استفاده از نرم افزار simion3D version07 شبیه سازي شده و براي عبور یونهاي گازي هلیوم در دو منطقه ي اول و سوم پایداري این فیلتر بهینه شده است. Iهمچنین تأثیر تغییرات شعاع پرتو یونی، انرژي و توزیع زاویه اي آنها بر میزان قدرت تفکیک و درصد انتقال یون این فیلتر جرمی در منطقه ي اول با پارامتر هاي ماتa=0/273 و q= 0/706 و منطقه ي پایداري سوم با پارامتر هاي ماتیوa= 3/16 وq= 3/23 بررسی شده است.
مقدمه
طیف سنج هاي جرمی استفاده هاي بسیار گسترده اي در شاخه هاي مختلف علوم دارند و به منظور جداسازي جرم هاي مختلف اتمی و مولکولی مورد استفاده قرار میگیرند. بهطور کلی هر طیف-سنج جرمی، از پنج بخش اساسی تشکیل شدهاست: سیستم ورودي، محفظهي یونیزاسیون، آنالیزور جرمی، آشکارساز و پمپ خلاء. محفظهي یونیزاسیون، فیلتر جرمی و آشکارساز باید در یک سیستم خلاء قرار بگیرند. زیرا خلاء بالا - فشار پایین - ، فاصلهي آزاد میانگین ذرات را به بیشترین مقدار خود رسانده و از واکنش-هاي متقابل یون-مولکول، پراکندگیها و خنثیشدن یونها جلوگیري میکند.[1]یکی از انواع این طیف سنج ها، طیف سنج جرمی چهار قطبی می باشد که اولین بار در سال1953، ولفگانگ پاول فیزیکدان آلمانی و همکارانش در دانشگاه Boon این سیستم را ساخته و یونها را با نسبت جرم به بار آنها جدا کردند.[2]
به خاطر خصوصیات برجسته اي که این فیلتر دارد نظیر کارایی، قیمت ارزان، وزن سبکتر، زمان روبش سریع و کارکردن در فشارهاي نسبتاً بالاتر؛ کاربردهاي فراوانی در بسیاري از جمله علوم شیمی،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 ستقیم و تناوبی به آنها، یک میدان هذلولی تقریبا ایدهآل در فضاي بین میلهها ایجاد میشود. به ط وریکه پتانسیل ایجاد شده در فضاي بین میله ها از رابطه ي زیر تبعیت می کند:
r. شعاع میدان، یعنی فاصلهي بین محور چهارقطبی و نزدیکترین نقطه روي الکترود ها، U ولتاژ مستقیم و V دامنه ي ولتاژ تناوب ی می باشد.هنگامیکه جریانی از یو نها وارد فیلتر چهارقطبی میشود، میدان چهارقطبی روي مس یر حرکت یونهایی که درو ن فیلتر حرکت می کنند، تأثیر گذاشته و نواحی پایداري را در فضاي بین میلهها ایجاد میکند. به طوري که معادلا ت حرکت آن ها 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 میباشد. و پارامترهاي ماتیوau وq u به صورت زیر می باشند :
ذراتی که درون ناحیه ي پایدار قرار میگیرند، با یک نسبت جرم به بار مشخص طول چهارقطبی را پیموده و آشکارسازي می شوند.
ولی ذرات بیرون از این نا حیه، به میلهها برخورد کرده و خنثی می شوند. به این ترتیب چهارقطبی الکتریکی نظیر یک فیلتر جرمی عمل کرده و بعضی از یونها را بسته به نسبت جرم به بار آنها عبور داده و از عبور بعضی ممانعت میکند.[4]
روش مطالعه
شخصی میباشد که با زبان برنامه نویسی C نو شته شده و قابلیت مدلسازي مسائ پیچیدهي اپتیک یونی در 3 بعد را دارد. نواحی پتانسیل در این نرم افزار با استفاده از حل معادلهيلاپلاس به روش عددي فراواهلش که یکی از روشهاي تفا لمتناهی میباشد، حاصل میشود. اما براي حل معادلات مربوط به مسیرحرکت یونها و شبیهسازي مسیر آنها از انتگرالگیري به روش رونگکوتاه مرتبه چهارم استفاده میکند[5] در این نرم افزار ف ار خلاء 10-12تور فرض شده اس ت.
شبیه سازي
فیلتر طراحی شده در این تح قیق داراي سط ح مقطع هذلولوي، شعاع میدان 2 سانتیمتر و طول 32 سانتیمتر بوده و در فرکانس 6.5مگاهرتز براي ع بور یونهاي گازي هلیوم به جرم 4.003amu بهینه شده است.در منطقه ي اول پایداري پارامترهاي ماتیو a= 3/16 وq= 3/23انتخاب گردیده اند. درصد انتقال یونهاي هلیوم بر حسب تغییرات شعاع پرتو یونی - شکل - 1، انرژي اولیه ي یونهاي ورودي - شکل - 2و همچنین توزیع زاویهاي پرتو یونی نسبت به محور چهارقطبی - شکل - 3، مورد محاسبه قرار گرفته است.
درصد انتقال یونها در منطقه ي اول پایداري
با توجه به شکل هاي - 1 - تا - 3 - درمییابیم که در این منطقه، یونهایی که از یک منبع یونی به شعاع 5 میلیمتر و با انرژي اولیه ي24 الکترون ولت به صورت موازي با محور به این فیلتر جرمی وارد می شوند می توانند به گونه اي جداسازي شوند که بهترین انتقال را براي این فیلتر ایجاد کنند. به طوریکه سیگنال حاصل از این پارامترها که قابل مشاهده در آشکارساز می باشد، در شکل - - 4نمایش داده شده است. این شکل همچنین شامل سیگنال حاصل از پارامترهاي متفاوت انرژي نیز می باشد .
از ایزوتوپهاي آن در منطقه ي اول پایداري
با استفاده از پهناي پیک در نصف عرض ماکزیمم - FWHM - ، قدرت تفکیک در این منطقه براي این فیلتر 106محاسبه شده است. در منطقه ي سوم پایداري، پارامترهاي ماتیوa= 3/16 وq= 3/23 انتخاب شده اند.[6] دراین منطقه نیز درصد انتقال یونهاي هلیوم بر حسب تغییرات شعاع پرتو یونی - شکل - 5، انرژي اولیه ي یونهاي ورودي - شکل - 6 و همچنین توزیع زاویهاي پرتو یونی نسبت به محور چهارقطبی - شکل - 7،مورد محاسبه قرار گرقته است. این تغییرات به صورت زیر می باشند:
