Управление транспортировкой заряженных частиц высокочастотными электрическими полями с квазидискретным спектром

• Автор: Бердников, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 294 с. : ил.

Аннотация
В работе рассматриваются новые эффективные методы транспортировки заряженных частиц с помощью высокочастотных электрических полей специального вида. Показано, что с их помощью можно осуществлять такое управление заряженными частицами, которое не удается осуществить с помощью чисто синусоидальных или, в более общей форме, строго периодических высокочастотных электрических полей.
Выделены и проанализированы классы почти-периодических электрических полей и электрических полей с квазидискретным спектром, обобщающие классические синусоидальные и строго периодические электрические поля. Доказана теорема об универсальности представления электрических полей с квазидискретным спектром в форме аддитивной суперпозиции счётного набора синусоидальных полей с «быстрыми» частотами, амплитудно-модулированных по «медленному» временному закону. Для высокочастотных электрических полей указанного типа получена уточнённая теория псевдопотенциала, описывающая динамику усредненного движения заряженных частиц.
Исследуются алгоритмы высокой точности для численного расчёта электрических полей, требуемых для компьютерного моделирования транспортирующих устройств, использующих высокочастотные электрические поля. Рассматриваются вспомогательные алгоритмы интерполирования электрических полей внутри ячеек дискретной сетки и численного дифференцирования в узлах сетки.
Рассмотрен специальный класс электрических полей, характеризуемый набором чередующихся максимумов и минимумов, которые двигаются по заданному временному закону вдоль заданного пути. Показано, что такие высокочастотные поля будут эффективно разбивать исходный ансамбль заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и транспортировать их с единой групповой скоростью в нужную точку. С помощью разработанной теории исследуются масс-спектрометрические устройства, использующие высокочастотные электрические поля нового типа и обладающие дополнительными полезными свойствами по сравнению со своими классическими аналогами.

Содержание
Введение
Глава 1. Современное состояние и способы решения задачи о транспортировке заряженных частиц в высокочастотных электрических полях
1.1. Используемые обозначения и сокращения
1.2. Псевдопотенциальная модель усреднённого движения заряженных частиц в высокочастотных электрических полях
1.3. История создания псевдопотенциального подхода
1.4. Транспортирующие масс-спектрометрические устройства .
1.5. Транспортировка ионов во фрагментирующих ячейках
1.6. Масс-спектрометрические устройства с переменным во времени псевдопотенциалом
Глава 2. Почти-периодические высокочастотные электрические поля с квазидискретным спектром
2.1. Принцип квазистатичности
2.2. Почти-периодические электрические поля и напряжения .
2.3. Высокочастотные электрические поля и напряжения с квазидискретным спектром
2.4. Способы создания высокочастотных напряжений с квазидискретным спектром
2.5. Выводы ко второй главе и приложению А
Глава 3. Численный расчёт электрических полей при моделировании транспортирующих устройств с высокочастотными электрическими полями .
3.1. Задачи и методы численного расчёта электрических полей
3.2. Основы метода граничных элементов
3.3. Условие в бесконечно удалённой точке
3.4. Модифицированная поверхностная плотность зарядов
3.5. Алгоритм ВЕМ с выделением особенностей вблизи границ
3.6. Интерполяция электрических полей между узлами сетки .
3.7. Дифференцирование электрических полей, заданных сеточными значениями потенциала
3.8. Численные примеры
3.9. Выводы к третьей главе
Глава 4. Движение заряженных частиц в высокочастотных электрических полях с квазидискретным спектром

4.1. Описание движения заряженных частиц в быстро осциллирующих полях с помощью псевдопотенциалов
4.2. Метод усреднения Крылова-Боголюбова как способ получения формул для псевдопотенциала
4.3. Некорректное использование формулы для псевдопотенциала
4.4. Определение единого набора базовых частот при наличии нескольких независимых высокочастотных сигналов
4.5. Псевдопотенциал и пондеромоторные силы при движении заряженных частиц в газе
4.6. Выводы к четвёртой главе и приложению Б
Глава 5. Транспортируйте устройства, использующие бегущую волну псевдопотенциала
5.1. Пример высокочастотного электрического поля с архимедовыми свойствами
5.2. Технология Т-Wave: управления движением заряженных частиц с помощью волны квазистатического потенциала
5.3. Технология Л-Wave: управление движением заряженных частиц с помощью волны эффективного потенциала
5.4. Псевдопотенциальная модель и истинное движение в архимедовых высокочастотных полях
5.5. Выводы к пятой главе
Глава 6. Устройства для фрагментации ионов
6.1. Принцип работы фрагментирующей ячейки с изоляцией и принудительной транспортировкой заряженных частиц
6.2. Пример фрагментирующей ячейки с транспортировкой заряженных частиц по технологии Л-Wave
6.3. Дополнительные требования, необходимые для эффективной работы фрагментирующей ячейки
6.4. Обратные задачи синтеза высокочастотных электрических полей для фрагментирующих ячеек
6.5. Численные примеры
6.6. Выводы к шестой главе
Заключение
Список литературы
Приложение А. Временные зависимости, обладающие двумя масштабами
времени

следует отнести, что: а) в рамках одной группы транспортировке вдоль оси подлежат первичные и/или вторичные ионы одного знака, поскольку при таком типе транспортировки ионы с зарядами противоположного знака либо двигаются в противоположном направлении (градиент напряжения), либо положительные и отрицательные ионы транспортируются в виде разных групп (бегущая волна квазистатического электрического потенциала), б) необходимо ждать, пока все продукты фрагментации, порожденные выбранными первичными ионами, выгрузятся из фрагментирующей области, чтобы не смешивать вторичные ионы, относящиеся к разным первичным ионам.
Известно устройство [219], в котором осуществляется фрагментация ионов с помощью переноса электрона или с помощью переноса протона между реагирующими ионами. Все реагирующие ионы, равно как и продукты реакции, удерживаются в пределах каналов транспортировки и реагирующей зоны с помощью псевдопотенциальных барьеров, создаваемых неоднородными ВЧ полями. Реагенты, разбитые на индивидуальные пакеты, доставляются в область реакции с помощью бегущей вдоль оси устройства квазистатической волны электрического потенциала (с одной стороны зоны для проведения ион-молекулярной реакции или с двух противоположных концов, в зависимости от конструктивного решения устройства). После проведения ион-молекулярной реакции и фрагментирования первичных ионов, продукты реакции (смесь первичных и вторичных ионов) с помощью аналогичной бегущей волны электрического потенциала доставляются к анализатору. К достоинствам устройства следует отнести возможность создавать компактные пакеты, состоящие из продуктов ион-молекулярных реакций, и транспортировать их к входу анализирующего устройства в соответствии с временным циклом работы последнего, охлаждая (выравнивая кинетические энергии) продукты реакции в процессе транспортировки за счёт столкновений ионов с молекулами нейтрального газа. К недостаткам устройства следует отнести невозможность организовать с помощью такой технологии общий пакет, транспортируемый бегущей волной псевдопотенциала, который бы содержал одновременно и положительные, и отрицательные ионы. В результате частицы реагируют между собой только в специально организованной области, где волна сходит на нет и барьеры между положительными и отрицательными частицами исчезают. Тем самым теряется время на транспортировку ионов в область реакции, поскольку в процессе транспортировки ионы не реагируют и не фрагментируются, а также медленно происходит освобождение области реакции от всех ранее прореагировавших частиц, поскольку транспортирующая волна в этой области является неизбежно слабой и плохо захватывает ионы для их принудительной