基于Simion軟件的線型離子阱的仿真

邵輝麗 任莉

摘 ? 要：基于Simion軟件首先對(duì)線型離子阱電極進(jìn)行了建模、配置了電極電壓、設(shè)置了離子運(yùn)動(dòng)初始條件，然后模擬仿真了離子在阱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。仿真結(jié)果表明，離子能否在阱中心穩(wěn)定囚禁由電極間的相對(duì)位置、電極上加的射頻電壓幅值、離子發(fā)射的初始條件等因素決定，仿真結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的理論分析基本吻合。最后根據(jù)大量的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電極尺寸、電極電壓等工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真結(jié)果對(duì)后期離子阱實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)和囚禁實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：線型離子阱 ?模擬仿真 ?Simion軟件

中圖分類號(hào)：O562 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0083-03

Simion[1-4]軟件是一款靜電透鏡分析模擬軟件，可以模擬各種自定義電極下的離子運(yùn)動(dòng)軌跡，在幾何定義，用戶編程，數(shù)據(jù)記錄和可視化方面提供了廣泛的支持功能，適用于靜態(tài)低頻率射頻領(lǐng)域系統(tǒng)如離子阱，質(zhì)譜和其他類型的粒子光學(xué)系統(tǒng)。本文利用simion軟件對(duì)阱體電極進(jìn)行建模，配置了合適的電極電壓，設(shè)置了離子運(yùn)動(dòng)初始條件，模擬仿真了離子在射頻電場(chǎng)作用下在阱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，并根據(jù)大量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電極的幾何尺寸、電壓設(shè)置和初始條件等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合理論分析初步得到了線型離子阱穩(wěn)定囚禁離子的工作參數(shù)，對(duì)后期實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)、裝配和囚禁實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定提供了重要依據(jù)。

1 ?線型離子阱幾何模型的建立

線型離子阱由均勻分布于同一圓周上的四根電極和兩個(gè)端帽電極組成，阱體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。四根拋光鉬桿上加射頻交流電壓，其中相對(duì)的兩根施加的電壓完全一樣，而相鄰的兩根電壓幅值相同，位相相反，該射頻電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)離子在徑向（x-y）平面內(nèi)的囚禁，安置在兩端的帽極位置正對(duì)阱體中心軸，此電極上施加極性和囚禁離子電荷相同的靜電場(chǎng)，利用靜電排斥限制離子在軸向z方向的運(yùn)動(dòng)。這樣的電場(chǎng)構(gòu)型使得線型阱在與四根電極平行的中心對(duì)稱軸上形成了勢(shì)能最低點(diǎn)，最終離子被囚禁于中心軸線附近。

基于Simion軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線型離子阱系統(tǒng)的建模，利用界面中的Modify命令建立系統(tǒng)中的電極板，形成.gem的文件。建模后生成的系統(tǒng)如圖2所示。

2 ?電極電壓配置和離子初始參數(shù)設(shè)置

Simion軟件通過Fast-adjust命令可以快速設(shè)置各個(gè)極板上施加的直流電壓，但線型離子阱實(shí)驗(yàn)要求四根電極桿上加射頻電場(chǎng)[5]，需要用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求用Lua語(yǔ)言來(lái)編寫用戶擴(kuò)展程序，形成用戶程序文件，進(jìn)行各種時(shí)序信號(hào)的控制。離子飛行模擬時(shí)Simion軟件靈活的程序接口會(huì)調(diào)用該文件。本囚禁實(shí)驗(yàn)中電極上設(shè)置的射頻電壓用戶擴(kuò)展程序如下所示：

V0是射頻電壓幅值，可以通過用戶編輯界面在仿真實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)修改。電極電壓設(shè)置之后，觀看worbench界面，PAS命令會(huì)顯示該射頻電壓在阱內(nèi)形成的勢(shì)阱，如圖3所示。離子發(fā)射后經(jīng)過聚焦進(jìn)入離子阱，最終離子是否能穩(wěn)定在阱中心軸線上與其發(fā)射的初始條件有關(guān)。離子初始參數(shù)設(shè)置包括離子的數(shù)目、離子質(zhì)量、帶電量、發(fā)射初始位置，初始動(dòng)能，方向角，離子出生的時(shí)間以及離子飛行軌跡的顏色等。離子的飛行狀態(tài)分為單個(gè)離子和群組離子，線型離子阱中可以穩(wěn)定囚禁的離子數(shù)設(shè)置為106個(gè)，發(fā)射的初始動(dòng)能為幾個(gè)電子伏特[6]。仿真實(shí)驗(yàn)中需要根據(jù)相關(guān)理論反復(fù)設(shè)置電極電壓和離子運(yùn)動(dòng)初始條件，才能找到離子在阱中穩(wěn)定囚禁的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)離子運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后就會(huì)碰到電極上而湮滅。

3 ?仿真結(jié)果分析

在贗勢(shì)模型下，射頻電場(chǎng)在阱中心軸線附近任意點(diǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)，r0為阱中心到電極表面的距離，V0為射頻電壓幅值，Ω為射頻電場(chǎng)頻率。離子的總勢(shì)能為，ω0為離子橫向簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)頻率，。D.Gerlich研究[12]表明離子運(yùn)動(dòng)時(shí)離阱中心軸線的最大距離，線型離子阱為四級(jí)阱，k

取4，V0越小，Rmax越大，即囚禁離子運(yùn)動(dòng)的橫截面積越大。Simion仿真實(shí)驗(yàn)圖4顯示了射頻電壓頻率、電壓幅值對(duì)離子簡(jiǎn)諧振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡的橫截面積的影響，與上述文獻(xiàn)中的理論分析相吻合;而線型阱理論分析亦表明：離子離阱中心越遠(yuǎn)，高階場(chǎng)的影響越明顯，使得離子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，很快從阱內(nèi)逃逸。仿真實(shí)驗(yàn)圖5可見，當(dāng)離子的初始發(fā)射位置越靠近線型離子阱中心時(shí)離子運(yùn)動(dòng)的橫截面積越小，越能穩(wěn)定囚禁于軸線附近，發(fā)射位置偏離阱中心越遠(yuǎn)，離子會(huì)越快逃逸，與理論分析符合，也對(duì)后期實(shí)驗(yàn)中離子注入時(shí)要求從端帽極上中心小孔入射，端帽極中心正對(duì)阱中心具有重要的指導(dǎo)意義;仿真實(shí)驗(yàn)還表明電極間的相對(duì)位置r0和電極的半徑r等參數(shù)均會(huì)影響離子的運(yùn)動(dòng)軌跡，比值越小，離子越容易束縛于阱中心，利于離子的穩(wěn)定囚禁。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文首先通過Simion軟件對(duì)線型離子阱裝置中各個(gè)部件進(jìn)行建模，并對(duì)電極進(jìn)行了電壓設(shè)置，然后對(duì)囚禁離子進(jìn)行了飛行時(shí)的參數(shù)設(shè)置，通過改變射頻電壓設(shè)置進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)，模擬得到離子在阱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果顯示離子的運(yùn)動(dòng)和電極尺寸，電極幾何位置以及電極電壓有關(guān)。獲得了線型離子阱的基本特性參數(shù)，所有仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合理論分析。該仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)后期實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械加工設(shè)計(jì)、囚禁實(shí)驗(yàn)工作參數(shù)的選取具有重要意義。但由于離子阱實(shí)驗(yàn)囚禁的是大量的同種電荷離子，空間電荷效應(yīng)和離子間碰撞不能忽略，而Simion軟件模擬離子的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)并未考慮這些因素，所以仿真的結(jié)果并不代表離子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。后期需要把空間電荷效應(yīng)、離子間的碰撞等因素考慮進(jìn)仿真中，使模擬結(jié)果更接近于真實(shí)情況。

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