CC BY
18Секция 5 ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Математическое моделирование динамики ионов в атмосферном ионном источнике с импульсной фотоионизацией излучением лазерной плазмы
11 2 Аблизен Р.С. , Пенто А.В. , Бухарина А.Б.
1 - ОК, лаборатория лазерной диагностики 2 - ОК, лаборатория «Фотоника: квантовые материалы и технологии»
E-mail: rombo91@,mail. ru Введение
Представлена модель вычисления движения пучка ионов в сложных газодинамических и электрических полях и с учетом объемного заряда. Принцип моделирования заключается в расчете движения ионов на основе данных о динамике газовых потоков и электростатики, полученных из программы ANSYS. Cмоделирована работа импульсного источника ионов при атмосферном давлении с ионизацией аналита УФ излучением лазерной плазмы. Показано, что для импульсного ионного источника при атмосферном давлении необходимо учитывать время существования иона. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанная модель может использоваться для разработки конструкции атмосферного источника ионов с ионизацией УФ изучением лазерной плазмой.
Экспериментальная часть и моделирование Методы масс спектрометрии с ионизацией при атмосферном давлении получили широкое применение в различных областях науки, медицины, фармакологии. Метод ионизации лазерной плазмой, как источник ионизации при атмосферном давлении, обладает рядом преимуществ. Лазерная плазма, созданная под воздействием лазерного излучения на поверхности металлической мишени, является источником мощного УФ излучения. Жесткое широкополосное излучение лазерной плазмы ионизует любые
соединения и элементы вплоть до благородных газов. Также конструкция источника является относительно простой.
Измерения были выполнены на Q-TOF масс-спектрометре с атмосферным вводом, разработанном в лаборатории лазерной диагностики ИОФ РАН. Ионизация органических соединений происходила в камере ионизации, соединенной через диафрагму диаметром 300 цт с вакуумной частью масс-спектрометра. Давление в камере было близко к атмосферному. На вход камеры подавалась смесь исследуемого вещества (в данной работе использовался анилин) и буферного газа (азот). Ионизованные под действием лазерной плазмы соединения под действием газового потока и электрического поля через диафрагму попадала в вакуумную часть масс-спектрометра. Для генерации лазерной плазмы использовался твердотельный ND:YAG лазер (^=1.06 цт) с длительностью импульса 0.37 ns и частотой повторений 10 Hz. Лазерный луч попадал в камеру через стеклянное окно и фокусировался на поверхности вращающейся мишени. Электрическое поле создавалось между мишенью и камерой, соединенной с входной диафрагмой масс-спектрометра.
Движение ионов внутри камеры ионизации является результатом воздействия на них газодинамического и электрического полей сложной формы. Так же необходимо учитывать кулоновское взаимодействие образовавшихся ионов. Моделирование движения ионов внутри камеры осуществлялось в два этапа: сначала вычислялось поле газодинамических скоростей и электрическое поле внутри камеры ионизации, затем моделировалось движение ионов с учетом полученных данных и пространственного заряда самого ионного пучка. Для вычисления газодинамического и электрического полей использовался модуль CFX программы ANSYS. Модель ионного источника в расчетах являлась точной копией ионизационной камеры, используемой в масс-спектрометре. Результатом расчетов являлась сложная трехмерная вычислительная сетка со значениями скоростей газового потока, давления, электрического поля и других переменных в узлах этой сетки. Эти данные экспортировались в бинарном формате в разработанную нами программу. Программа написана на языках C/C++ в среде Visual Studio 2015 Community. Данная программа позволяет моделировать движение ионов с учетом поля скоростей буферного газа, статических электрических полей и кулоновского взаимодействия
между ионами. Для одновременного учета влияния газодинамического и электрического полей использовалась формула ионной подвижности, связывающая скорость иона с электрическим полем, действующим на него. Для учета взаимодействия большого количества ионов использовался метод Барнса-Хата, позволяющий значительно сократить время счета. При движении иона в плотном газе неизбежны процессы рекомбинации и передачи заряда. Так как точный расчет рекомбинации молекулярных ионов в данном эксперименте невозможен, в качестве первого приближения было введено ограничение на размер области, из которой ионы достигают входа в масс-спектрометр. Таким образом, ионы, находящиеся далеко от диафрагмы, не давали вклад в суммарный ионный ток через диафрагму.
Результаты и обсуждения
Для оценки качества представленной модели экспериментально была снята зависимость ионного тока от разности потенциалов на электродах в камере ионизации. Аналогичная зависимость была получена в результате моделирования. То есть, для каждого значения разности потенциалов рассчитывалось движение ионов и считался суммарный ионный ток через диафрагму. Учитывая наличие сложных газодинамических и электрических полей, результат моделирования хорошо повторяет экспериментальные данные. Для дальнейшего улучшения работы модели планируется построение более точной модели рекомбинации молекулярных ионов. Разработанная математическая модель и ее программная реализация позволяет уже на этом этапе моделировать ионные источники масс-спектрометров при атмосферном давлении, что необходимо для повышения чувствительности современных приборов.
Благодарности
Выражаем благодарность д.ф.-м.н. Монастырскому Михаилу Анатольевичу, заведующему лабораторией лазерной диагностики, к.ф.-м.н. Никифорову Сергею Михайловичу, к.ф.-м.н. Скоблину Михаилу Григорьевичу за вклад в развитие предложенного метода моделирования и за разработку программы, реализующей данный подход.
