Транспорт частиц в интерфейсах масс-спектрометрических источников ионов атмосферного давления

• Автор: Андреева, Алина Данжеевна
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 175 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2. ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
РАСЧЕТА ИОННОГО ТРАНСПОРТА
2.1. Постановка задачи оптимизации работы камер интерфейса в
зависимости от степени разрежения газа (от числа Кп)
2.2. Оценки физических условий движения ионов
2.2.1. Объёмный заряд
2.2.2. Коэффициенты переноса ионов в газе и внешнем электрическом поле
2.2.3. Некоторые наиболее простые выражения для подвижности и диффузии для практического применения
2.2.4. Влияние диффузии на ионный транспорт. Число Пекле
2.3. Метод сглаженных траекторий
2.3.1. Общее описание, вывод основного уравнения, расчёт пропускания
2.3.2. Пример использования метода сглаженных траекторий для интерфейса типа Канторовица-Грея. Сравнение с эталонной задачей
2.4. Статистический метод расчёта - метод Монте-Карло
пробной частицы в среде
2.4.1. Описание модели
2.4.2. Тестовые задачи
2.5 Результаты и выводы по главе
3. ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ИОННОГО ТРАНСПОРТА ДЛЯ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ИНТЕРФЕЙСОВ
С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКОЙ
3.1. Постановка задачи определения и сравнения эффективности работы
интерфейсов различного типа
3.2. 3.2. Ионный транспорт интерфейса типа «сопло-скиммер»
3.2.1. Расчёт ионного транспорта методом Монте-Карло
3.2.2. Расчёт трансмиссии методом сглаженный траекторий.
Приближение одиночной диафрагмы
3.2.3. Пропускание интерфейса типа сопло-скиммер при
3.2.4. Область за скиммером. Эмиттанс ионного пучка
3.2.5. Результаты и выводы по разделу
3.3. Аксиальный интерфейс с фокусирующей диафрагмой
3.3.1. Расчёт пропускания методом сглаженных траекторий и методом Монте-Карло пробной частицы в среде
3.3.2. Результаты и выводы по системе с фокусирующей диафрагмой

3.4. Интерфейс с ортогональным сбором
3.4.1. Расчёт ионного транспорта методом Монте-Карло
3.4.2. Выводы по интерфейсу с ортогональным вводом
3.5. Результаты и выводы по главе
4. ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОПУСКАНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ ТРЕХ ТИПОВ
4.1. Описание установки и схемы экспериментов
по исследованию ионного транспорта
4.2. Аксиальный интерфейс с фокусирующей диафрагмой
4.3. Интерфейс типа «сопло-скиммер»
4.4. Результаты и выводы по аксиальным системам
4.5. Интерфейс с ортогональным сбором
4.6. Результаты и выводы по Главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Масс-спектрометрия - один из мощнейших аналитических методов, широко используемый как в научных исследованиях в физике, химии, биологии, экологии, медицине и других научных направлениях, так и в различных прикладных исследованиях и в промышленности, особенно - в процессах технологического контроля и при аттестации готовой продукции. Масс-спектрометрические приборы и установки являются непременным атрибутом современных исследовательских лабораторий в науке и на производстве. В методике масс-спектрометрии используется пространственное или временное разделение молекулярных и атомарных ионов вещества по массовым числам, т.е. по отношениям масс частиц к их зарядам, в электрических и магнитных полях. Разнообразные методы ионизации, реализованные сегодня масс-спектрометрией, позволяют исследовать вещества в любом агрегатном состоянии, обладающие любыми физико-химическими свойствами. Таким образом, в современной масс-спектрометрии активно применяются достижения физической электроники, как на стадии ионизации образца, так и на стадиях фокусировки и транспортировки образовавшихся ионов, их разделения в ионно-оптической системе масс-анализатора, и далее -при их детектировании.
Основными элементами аналитической части масс-спектрометра являются источник ионов, масс-анализатор и детектор. В источнике происходит ионизация анализируемого образца, формирование и транспортировка ионного пучка к входу в масс-анализатор, а в анализаторе - разделение смеси ионов в электрических и/или магнитных полях по отношению их масс к заряду. Детектор предназначен для регистрации очень малых, менее 1СГ9А, ионных токов. Движение ионов в масс-анализаторе происходит в условиях вакуума, т.е. при значительном разрежении газа, при давлении менее 10'4 Па. В то же время давление в области ионизации источника ионов может варьироваться в широких пределах в зависимости от метода ионизации.
числовой плотности заряженных частиц Ис, при которой можно пренебречь взаимным кулоновским влиянием заряженных частиц.
среднее расстояние между ионами, м. Когда тепловая энергия молекул газа больше энергии, набираемой ионом от внешнего электрического поля Е0 (случай малого внешнего поля), то энергия кулоновского расталкивания, набираемая ионом на длине свободного пробега Я должна быть много меньше тепловой:
е2дгК
с—Я«кТ, (2.11)
4яг„
где к = 1,38 10'23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т- температура газа, К.
Так, для слабойонизованного воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре Ыс« 1021 м'3, а при давлении, в 103 меньше
атмосферного - Жс<<1018 м'3. Заметим, что концентрация частиц в единице объёма идеального газа при нормальных условиях равна 2,687-1025 м"3.
В случае сильного поля выполняется критерий
Пусть масса иона 100 а.е.м., а масса молекулы воздуха - 29 а.е.м. При давлении 100 Па, согласно формуле (2.5), Я-6,6-10'5 м. Для Е0 ~ 103 В/м
| М- + ЕЕ )еЕ0л ~ 0,25 эВ, что на порядок больше тепловой энергии газа при ( т М )
комнатной температуре. Тогда оценка допустимой концентрации ионов должна проводиться с помощью соотношения (2.13). Однако удовлетворение как
Кулоновская сила по порядку величины составляет
Але0(1
(2.12)
где Мит- массы молекулы и иона соответственно.
Тогда оценку делаем с помощью соотношения:
(2.13)