Суперкомпьютерное исследование движения ионов в ловушках Кингдона и Пеннинга с полным учетом кулоновского взаимодействия

• Автор: Рюмин, Павел Александрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 93 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Движение заряженных частиц в ионных ловушках Пеннинга и Кингдона. Влияние объемного заряда. Методы моделирования движения ионов в масс-спектрометрических устройствах
Глава 2. Моделирование движения ионов в масс-спектрометрических
устройствах с электродами произвольной формы. Учет взаимодействия ионного облака со стенками электродов
Глава 3. Симметрия задачи. Улучшенный алгоритм, позволяющий
уменьшить вычислительную сложность, используя симметрию задачи
Глава 4. Моделирование влияния объемного заряда на движение ионных облаков различных размеров в ловушке Кингдона
Глава 5. Аксиальное детектирование в ловушке Пеннинга с динамической гармонизацией
Выводы
Список литературы
Приложения

Введение
Современная масс-спектрометрия является одним из основных аналитических методов, применяемых в различных областях химии и биологии. Высокая чувствительность и информативность, а также большой динамический диапазон и возможность тандемного использования с различными методами разделения смесей анализируемых веществ делают этот метод предпочтительным для решения широкого круга задач.
Наилучшими аналитическими характеристиками среди всех видов масс-спектрометров, такими как разрешающая способность и точность определения масс, обладают масс-спектрометры с преобразованием Фурье. К таким масс-спектрометрам относятся приборы, основанные на принципе ионного циклотронного резонанса (ИЦР) и на принципе орбитальной ловушки Кингдона (Орбитрэп). В масс-спектрометрах такого типа ионы запираются в определенной области пространства электромагнитным или электрическим полем, в котором совершают периодические движения. Для измерения отношения массы к заряду регистрируется частота этих движений по наведенному на электродах ловушки заряду изображения. После регистрации сигнал подвергается частотному анализу, чаще всего для этого используют преобразование Фурье. Разрешающая способность при таком методе измерения зависит от длительности измеряемого сигнала. В общем случае лимитирующими факторами для получения, длительного сигнала являются недостаточный вакуум, а также неидеальности электрического и магнитного поля. В экспериментах с большим количеством частиц на движение ионов также начинает влиять кулоновское взаимодействие и взаимодействие с зарядом, наводимым ионами на стенках электродов. Получаемые в результате частотного анализа спектры частот преобразуются

в спектры масс по известному соотношению, связывающему частоту с отношением массы к заряду ионов. Большое количество ионов в ионных ловушках, например, типа Пеннинга (ИЦР ПФ) приводит к таким явлениям как коалесценция пиков в масс-спектрах и разрушение ионных облаков из-за их взаимодействия, что не позволяет достигать высокую разрешающую способность одновременно с достижением большого динамического диапазона. Показано, что при наличии в ловушке ионов с, разным отношением массы к заряду кулоновское взаимодействие между образуемыми ими облаками приводит к частотным сдвигам, которые ограничивают точность измерения масс. Даже в том случае, когда в ловушке изолируются только ионы с одним отношением массы к заряду, при значительном радиусе возбуждения взаимодействие со стенками электродов так же приводит к сдвигу циклотронной частоты [1-5]. Подобные эффекты наблюдаются также и в ловушке Кингдона [6].
При экспериментальном подходе к исследованию этих явлений возникают серьезные трудности, связанные с тем, что невозможно точно определить количество ионов, участвующих в эксперименте, так же невозможно узнать их пространственное распределение. Другим подходом к решению задачи определения влияния кулоновского взаимодействия ионов в ловушках является компьютерное моделирование их движения. Такой подход позволяет контролировать как количество заряженных частиц, так и их положения и скорости в каждый момент времени.
До недавнего времени моделирование одновременного движения большого числа ионов было невозможно из-за недостаточной производительности компьютеров. Первые работы по моделированию были посвящены движению отдельных ионов в различных электрических полях.
Рис. 2.4 Расчет величин ср в методе поверхностных зарядов.
Изложенные подходы были запрограммированы на языке Фортран и применялись для вычисления полей в различных масс-спектрометрических устройствах и моделировании движения ионов.
Сравнение метода поверхностных зарядов с другими методами
Для оценки эффективности предложенных подходов было проведено сравнение результатов вычисления поля с помощью изложенных алгоритмов и коммерческого программного обеспечения SIMION 7.0. Для сравнения использовались системы, в которых поле можно рассчитать аналитически -кубическая ИЦР ячейка (рис. 2.5) и ловушка Кингдона(рис. 2.1).