四極質(zhì)譜過(guò)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(guò)其中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的過(guò)濾功能。特定離子通過(guò)過(guò)濾器的高傳輸概率是想要的結(jié)果。然而四極質(zhì)譜過(guò)濾器中的邊緣場(chǎng)會(huì)影響離子傳輸概率。借助多物理場(chǎng)仿真，我們可以詳盡分析四極質(zhì)譜過(guò)濾器，并探索邊緣場(chǎng)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響。

質(zhì)譜分析法簡(jiǎn)介

質(zhì)譜分析法是建立在荷質(zhì)比的基礎(chǔ)上對(duì)離子進(jìn)行分析和分類的過(guò)程。典型質(zhì)譜儀的工作原理是對(duì)單個(gè)分子或原子進(jìn)行電離，然后利用外電場(chǎng)來(lái)移動(dòng)和操控這些離子。

質(zhì)譜儀的靈敏度優(yōu)勢(shì)使其在許多方面具有應(yīng)用價(jià)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(cè)食物來(lái)源中的毒素，以及太空探索。工程師對(duì)此類設(shè)備的更新與改進(jìn)從未中斷，新型質(zhì)譜儀可以在氣相和液相中同時(shí)分析多達(dá) 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(guò)其中。這一過(guò)程是通過(guò)四極質(zhì)譜過(guò)濾器來(lái)完成的，此組件由四個(gè)圓柱形金屬棒組成。

四極質(zhì)譜過(guò)濾器。圖像由 Fulvio314 自行拍攝。已獲CC BY-SA 3.0許可，通過(guò)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(lái)模擬四極質(zhì)譜過(guò)濾器，并評(píng)估其在四極質(zhì)譜儀中的性能表現(xiàn)。

借助多物理場(chǎng)建模評(píng)估四極質(zhì)譜儀組件

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

我們可以通過(guò)對(duì)四極質(zhì)譜過(guò)濾器建模和分析其入口和出口處邊緣場(chǎng)的影響來(lái)評(píng)估四極質(zhì)譜過(guò)濾器的這種能力。邊緣場(chǎng)是必須納入考慮的重要因素，因?yàn)樗鼤?huì)影響通過(guò)質(zhì)譜過(guò)濾器的特定離子傳輸概率。

仿真結(jié)果展示了通過(guò)四極質(zhì)譜儀中的質(zhì)譜過(guò)濾器追蹤的粒子軌跡。

我們可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)模擬四極質(zhì)譜過(guò)濾器：

計(jì)算直流和交流電場(chǎng)

計(jì)算由相同電場(chǎng)控制驅(qū)動(dòng)的離子軌跡

讓我們從深入探討模型的設(shè)計(jì)開(kāi)始。首先，我們通過(guò)泊松方程（Poisson’s equation）計(jì)算出直流電場(chǎng)的電勢(shì)（U）。然后，通過(guò)電流守恒計(jì)算出交流電場(chǎng)的電勢(shì)（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(shì)，向東側(cè)金屬桿和西側(cè)金屬桿施加負(fù)電勢(shì)。此外，為了加快離子進(jìn)入質(zhì)譜過(guò)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(chǎng)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)總電場(chǎng)，供粒子進(jìn)入建模域時(shí)通過(guò)。需要特別注意的是，因?yàn)榍蠼饨涣骱椭绷麟妶?chǎng)的方程為線性方程，所以這是一個(gè)有效假設(shè)。固定電場(chǎng)和隨時(shí)間變化的電場(chǎng)都會(huì)對(duì)總電場(chǎng)產(chǎn)生增益。

四極質(zhì)譜過(guò)濾器中的粒子追蹤功能

在仿真的下一步驟中，我們可以計(jì)算出通過(guò)過(guò)濾器的離子的運(yùn)動(dòng)軌跡。離子運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律。在交流電場(chǎng)的第一個(gè)射頻周期中，本教程中的離子自仿真開(kāi)始時(shí)就按照均勻的間隔被釋放。在仿真過(guò)程中，粒子在 0 秒到 0.25 微秒的時(shí)間間隔內(nèi)被釋放了 11 次。由于交流電場(chǎng)的頻率為4 兆赫，所以在其釋放結(jié)束時(shí)正好為一個(gè)完整的射頻周期。

通過(guò)精確計(jì)算離子軌跡及邊緣場(chǎng)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(dá)到了百分之百。這種情況的發(fā)生是因?yàn)槲覀冊(cè)?a-q 曲線上選擇了一個(gè)非常穩(wěn)定的工作點(diǎn)。這里的“a”和“q”指代 Mathieu 方程中的系數(shù)，可用于計(jì)算四極質(zhì)譜過(guò)濾器中的離子運(yùn)動(dòng)的近似解。在我們的研究中，離子會(huì)在四極質(zhì)譜過(guò)濾器中停留約 140 個(gè)射頻周期。

四極質(zhì)譜過(guò)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(guò)濾器的設(shè)計(jì)元素

我們可以通過(guò)這些仿真結(jié)果來(lái)研究不同設(shè)計(jì)元素對(duì)四極質(zhì)譜過(guò)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(gè)偏置板。這導(dǎo)致了離子在通過(guò)四極質(zhì)譜過(guò)濾器時(shí)會(huì)獲取能量。正如下圖所示，這些離子的平均能量為 5 eV，超過(guò)了 3 eV 的能量范圍。以如此大小的能量傳播可能是因?yàn)檩^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(shí)，既可能加速，也可能減速。

到達(dá)收集器時(shí)離子的粒子動(dòng)能分布。

在本篇文章中，我們使用多物理場(chǎng)建模精確分析了四極質(zhì)譜儀中的使用的質(zhì)譜過(guò)濾器。優(yōu)化四極質(zhì)譜過(guò)濾器設(shè)計(jì)有助于在未來(lái)進(jìn)一步提高四極質(zhì)譜儀的分析精度。