МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ БЕССЕТОЧНОГО ИОННОГО ЗАТВОРА ДЛЯ ИОН-ДРЕЙФОВОГО СПЕКТРОМЕТРА

Ионный затвор, располагаемый между источником непрерывного потока заряженных частиц и входом в дрейфовую трубку, является важным элементом в спектрометре ионной подвижности, поскольку формирует ионный пакет в области дрейфа. Характеристики ионного импульса, такие как форма ионного пакета и его амплитуда, определяют разрешающую способность и чувствительность спектрометра подвижности. В настоящее время для формирования и инжекции ионного пакета применяются сеточные ионные затворы, например, такие как затворы Бредбери–Нильсена, Тиндаля–Пауэлла [1]. Одним из существенных недостатков сеточных ионных затворов является их малая геометрическая прозрачность для ионного пучка, порядка 60%, что вносит свой вклад в падение чувствительности. Также к недостаткам сеточных ионных затворов можно отнести технологическую сложность их изготовления, обрыв нитей и замыкание соседних нитей с противоположными потенциалами, что приводит к его неработоспособности. При диаметре апертуры применяемых ионных затворов, который, как правило, составляет 2–2.5 см, параллельные проводящие нити малого диаметра (~50 мкм) располагаются на расстоянии 0.2–1 мм друг от друга, что позволяет формировать выходной ионный пакет с минимальными искажениями (резкими фронтами).

В [2] в качестве ионного затвора для формирования короткого ионного импульса в ион-дрей-фовом спектрометре была предложена бессеточная двухдиафрагменная конструкция. Бессеточный ионный затвор предназначен для преобразо- вания непрерывного ионного пучка в последовательность пакетов заряженных частиц, поступающих в анализатор с заданной частотой и длительностью, и представляет собой пару изолированных проводящих параллельных диафрагм с соосными отверстиями. Одна из диафрагм находится под регулируемыми напряжениями от независимого источника питания, а другая диафрагма электрически соединена с независимым импульсным источником питания с регулируемой длительностью, частотой и амплитудой напряжения. В случае закрытого затвора ионы теряются на первой диафрагме, т.к. потенциал второй диафрагмы выше потенциала на первой. При понижении потенциала второй диафрагмы относительно первой ионы проходят в дрейфовую область ион-дрей-фового спектрометра. Импульсное понижение этого потенциала формирует выходной ионный импульс. Такой бессеточный ионный затвор отличается простотой конструкции и легко может быть использован в нашем ион-дрейфовом спектрометре [3] (рис. 1). Предварительные экспериментальные характеристики бессеточного двухэлектродного ионного затвора приведены в работах [4, 5]. Бессеточный электрический затвор, формирующий ионный импульс, представлял собой сборку из двух тонкостенных диафрагм толщиной 0.2 мм с центральными отверстиями диаметром 2 мм, и находящимися на расстоянии 2 мм друг от друга. Расстояние между диафрагмами является одним из решающих факторов, который определяет характеристики формируемого выходного ионного импульса, поскольку от этого зависит время прохождения ионами данного промежутка при открытии затвора, что, в свою очередь, накладывает

Рис. 1. Общий вид ион-дрейфового спектрометра с двумя затворами

средством коэффициента подвижности его движение в электрическом поле. Расчет большого числа реальных столкновений заменяется данными статистических распределений, связывающими перемещение иона за единицу времени с числом столкновений. Значение коэффициента подвижности при нормальных условиях K0 в SDS-модели определяется задаваемой массой иона согласно полуэмпирической формуле. Для произвольных температуры T и давления газа P значение коэффициента подвижности пересчитывается по формуле условия на длительность открывающего импульса. Большой пространственный промежуток между диафрагмами приводит к значительному уширению сформированных ионных импульсов относительно длительности открытия затвора.

В данной работе исследуется оптимальное соотношение пространственных параметров бессеточного затвора и режимов его работы для формирования коротких выходных ионных импульсов максимальной амплитуды. Определяется разрешающая способность ион-дрейфового спектрометра в этом случае. С применением бессеточных двухдиафрагменных затворов рассмотрен режим двойного последовательного разделения ионов, когда установка второго затвора в камере дрейфа при правильно подобранном времени открытия его относительно первого затвора улучшает разделение частично налагающихся пиков в спектре. Двойное последовательное разделение ионов в ион-дрейфовом сперктрометре улучшает разрешение и чувствительность анализа, что позволяет детектировать даже малые концентрации вещества и тем самым делает его особенно актуальным в области аналитической химии, биомедицинских исследований и криминалистике.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ИМПУЛЬСОВ ФОРМИРУЕМЫХ ДВУХДИАФРАГМЕННЫМ БЕССЕТОЧНЫМ ЗАТВОРОМ

Моделирование бессеточного двухэлектродного затвора с целью определения его характеристик и режимов работы, обеспечивающих на выходе короткий ионный импульс (пакет) с максимально возможной амплитудой, проводилось в пакете SI-MION [6]. В данном случае для моделирования дрейфа ионов в газе при атмосферном давлении использовалась так называемая статистическая диффузионная модель (Statistical Diffusion Simulation (SDS) [7]), в отличие от случая моделирования работы сеточного затвора Бредбери– Нильсена, с помощью программы, которая также позволяет моделировать динамику ионов в газе при атмосферном давлении [8–10]. SDS-модель учитывает диффузию иона в плотном газе и по-

K = K f T V 760 \ ⁰ ^ 273.15 Д P )

Моделирование проводилось при атмосферном давлении 760 Торр и температуре 298 K. Был рассмотрен затвор с диафрагменными пластинами толщиной 0.2 мм и расстоянием между ними 0.2 мм, диаметр отверстий обеих диафрагм составлял 0.8 мм. С целью определения параметров выходного ионного импульса при моделировании варьировалась длительность открытия затвора dt . На этот промежуток времени потенциал второй диафрагменной пластины затвора понижался на 50 В относительно первой. Величина напряженности электростатического поля дрейфа с обеих сторон затвора задавалась близкой к экспериментальной [11] и составляла 80 В/см. На рис. 2, a, приведены временные профили ионных импульсов, регистрируемые на расстоянии, равном двум диаметрам диафрагм затвора, при длительностях открытия затвора dt = 40, 50 и 60 мкс, коэффициент подвижности ионов K = 1.99 см²/(В·с). Видно, что для моделируемых условий оптимальная длительность открытия затвора, которой отвечает узкий выходной ионный пик достаточной амплитуды, составляет 50 мкс. Временные профили ионных импульсов в зависимости от значения коэффициента подвижности ионов, K =1.99 и 1.95 см²/(В·с), показаны на рис. 2, b. С уменьшением величины коэффициента подвижности уменьшается скорость прохождения такими ионами области затвора за время его открытия и, соответственно, меньшее число ионов попадет в дрейфовую область. Поэтому, как видно на рис. 2, b, высота пика второго (коэффициент подвижности ионов K = = 1.95 см²/(В·с)) ионного импульса ниже, и он немного запаздывает относительно первого ( K = = 1.99 см²/(В·с)). При увеличении промежутка между электродами затвора ионам приходится преодолевать большее расстояние внутри области затвора, и при фиксированном временнóм интервале открытия затвора к моменту его закрытия лишь небольшая доля ионов проходит дальше. В результате, высота пика выходного ионного импульса

Рис. 2. Временные профили ионных импульсов, формируемых бессеточным двухэлектродным затвором.

а — профили в зависимости от длительности открытия затвора dt = 40, 50 и 60 мкс, ионы с коэффициентом подвижности K = 1.99 см²/(В·с) для m = 100 а.е.м.;

b — профили импульсов ионов с коэффициентами подвижности K = 1.99 см²/(В·с) для m = 100 а.е.м. и K = = 1.95 см²/(В·с) для m = 105 а.е.м., формируемых бессеточным двухэлектродным затвором при длительности его открытия dt = 50 мкс;

c — профили импульсов ионов с коэффициентами подвижности K = 1.99 см²/(В·с) для m = 100 а.е.м., формируемых бессеточными двухэлектродными затворами с расстоянием между электродами dL = 0.2 и 0.4 мм, длительность открытия затвора dt = 50 мкс

мала: на рис. 2, c, приведено сравнение профилей выходных ионных импульсов при расстояниях между электродами dL = 0.2 и 0.4 мм. Поэтому для эффективной работы электроды затвора должны располагаться как можно ближе.

РАЗРЕШЕНИЕ ИОН-ДРЕЙФОВОГО СПЕКТРОМЕТРА С ОДНИМ ДВУХДИАФРАГМЕННЫМ БЕССЕТОЧНЫМ ЗАТВОРОМ

Разрешающая способность ион-дрейфового спектрометра определяется отношением времени дрейфа tD одиночного ионного импульса, сформированного затвором, к его ширине на полувысоте dtD на этот момент времени:

R p = -^. (2) dt D

Ширина ионного импульса определяется длительностью открытия затвора t g , диффузией, объемным зарядом и в общем виде может быть записана, как [12]:

T dtd = Y + et g + avtd, (3) где γ, β, α — аппромакционные коэффициенты, отвечающие наилучшему соответствию экспериментальным данным, T — температура газа, V — разность потенциалов на дрейфовом промежутке.

На рис. 3 представлены регистрируемые в плоскости коллектора пики ионов с коэффициентами подвижности K = 1.99, 1.97, 1.95, 1.91 см²/(В·с) (что, согласно полуэмпирической формуле, используемой в SDS модели, соответствует массам 100, 102, 105 и 110 а.е.м.) при открытом втором затворе. Длительность открытия первого затвора составляла 50 мкс. Расстояние по 30 мм задается между первым и вторым затворами, а также между вторым затвором и коллектором. В этом случае ионные импульсы, сформированные первым затвором, проходят всю дрейфовую область длиной 60.6 мм без какого-либо воздействия на них со стороны второго затвора. Из рис. 3 следует, что разрешение первого ионного пика отвечающего ионам с коэффициентом подвижности K = = 1.99 см²/(В·с) равно 69, а последующих соответ-

t, MKC

Рис. 3. Временные профили ионных импульсов, регистрируемые на коллекторе при открытом втором затворе.

Ионы с K = 1.99, 1.97, 1.95, 1.91 см²/(В·с)

ственно — 70 ( K = 1.97 см²/(В·с)), 68 ( K = = 1.95 см²/(В·с)), 70 ( K = 1.91 см²/(В·с)). Сравнивая эти значения с характерными экспериментальными [11], полученными в примерно таких же условиях по длине дрейфа 30 мм, напряженности электрического поля дрейфа 80 В/мм и длительности открытия затвора Бредбери–Нильсена 10–100 мкс, можно видеть, что расчетные разрешения ионных импульсов, сформированных двухэлектродным затвором, превосходят примерно в 1.5–2 раза. Результаты экспериментов, проведенных с данным типом затвора при неоптимальных параметрах [4, 5], показывают, что они согласуются с результатами расчетов при масштабировании относительно условий их проведения.

Наряду с разрешением одиночного пика, также эффективность разделения на практике определяется разрешением пары близлежащих гауссовых пиков. Разрешение R pp пары пиков в результате дрейфа дается следующим выражением [13]:

R pp

1.18 • ( t D2 ~ t D1 ) dt g + dt i

где t D1 и t D2 — время дрейфа первого и второго импульсов, dt ₁ и dt ₂ — их ширины на полувысоте. Расчетный спектр, приведенный на рис. 3, показывает, что разрешение пар ионных пиков соответственно будут равны R 12 = 0.36, R 23 = 0.55, R 13 = 0.9, R 34 = 0.77. Согласно приведенным в [13] данным, характерные экспериментальные значения разрешения пары ионных пиков имеют значения 0.7– 1.7. Таким образом, расчетные значения величин разрешения показывают, что, несмотря на простоту устройства двухэлектродного бессеточного ионного затвора, теоретически с его помощью можно построить ион-дрейфовый спектрометр с характеристиками, близкими спектрометрам, использующим другие, сеточные, типы затворов.

ИОН-ДРЕЙФОВЫЙ СПЕКТРОМЕТР С ДВУМЯ ДВУХЭЛЕКТРОДНЫМИ БЕССЕТОЧНЫМИ ЗАТВОРАМИ В РЕЖИМЕ ДВОЙНОГО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

Представляется, что наиболее эффективно бессеточный двухэлектродный ионный затвор может быть использован в режиме двойного последовательного разделения ионов [11]. Режим двойного последовательного разделения ионов подразумевает установку в камере дрейфа между входным затвором и коллектором второго затвора. В результате дрейфа ионных импульсов, сформированных первым затвором, в пространстве между затворами происходит их предварительное разделение по подвижности. При подходе ионных импульсов ко второму затвору правильно подобран- ный момент времени его открытия улучшает разделение частично налагающихся пиков в спектре. Например, на рис. 4, а, представлены временные профили ионных импульсов с K = 1.99 и 1.95 см2/(В·с) (m = 100 и 105 а.е.м.), регистрируемые на коллекторе при открытии второго затвора на 40 мкс в моменты времени 1960 либо 2000 мкс — ионные дрейфовые спектры рассчита- ны при условиях описанных выше. Видно, что варьируя время открытия второго затвора от 1960 до 2000 мкс относительно первого, можно менять соотношение высоты пиков прошедших импульсов и их ширин. Оценка по формуле (4) величины разрешения данной пары регистрируемых пиков дает Rpp = 0.65 для времени открытия 1960 мкс и Rpp = 0.33 для времени открытия 2000 мкс.

Рис. 4. Временные профили ионных импульсов, регистрируемые на коллекторе при открытии второго затвора.

a — импульсы с K = 1.99 и 1.95 см²/(В·с) ( m = 100 и 105 а.е.м.), открытие второго затвора на 40 мкс в моменты времени t = 1960 либо 2000 мкс;

b — импульсы с K = 1.99 и 1.95 см²/(В·с) ( m = 100 и 105 а.е.м.) при открытом втором затворе, начальная плотность ионного импульса с K = 1.99 см²/(В·с) в 5 раз превышает плотность ионов с K =1.95 см²/(В·с);

с — импульсы с K = 1.99 и 1.95 см²/(В·с) ( m = 100 и 105 а.е.м.), открытие второго затвора на 40 мкс в момент времени t = 2000 мкс, начальная плотность ионного импульса с K = 1.99 см²/(В·с) в 5 раз превышает плотность ионов с K =1.95 см²/(В·с)

Рассмотрим случай, когда один из импульсов превосходит по интенсивности второй, располагающийся рядом. На рис. 4, b, представлены временные профили ионных импульсов с K = 1.99 и 1.95 см²/(В·с) ( m = 100 и 105 а.е.м.), регистрируемые на коллекторе при открытом втором затворе. Начальная плотность ионного импульса с K = 1.99 см²/(В·с) в 5 раз превышает плотность ионов с K = 1.95 см²/(В·с). Оценка по формуле (4) величины разрешения данной пары регистрируемых пиков дает R pp = 0.52. Если второй затвор изначально закрыт и открывается на временнóй промежуток 40 мкс в момент времени 2000 мкс, отсчитываемый от момента открытия первого затвора, который формирует ионные импульсы, то в этом случае первый пришедший ионный импульс будет подавляться так, что в результате разрешение прошедшей второй затвор пары импульсов увеличится. На рис. 4, с, представлены временные профили ионных импульсов с K = 1.99 и 1.95 см²/(В·с) ( m = 100 и 105 а.е.м.), регистрируемые на коллекторе при открытии второго затвора на 40 мкс в момент времени 2000 мкс. Начальная плотность ионного импульса с K = = 1.99 см²/(В·с) в 5 раз превышает плотность ионов с K = 1.95 см²/(В·с). В этом случае оценка по формуле (4) величины разрешения данной пары регистрируемых пиков дает R pp = 0.65, а разрешение при открытом втором затворе составляло 0.52. Таким образом, варьируя момент и длительность открытия бессеточного двухэлектродного затвора, можно добиться эффективного выделения нужного ионного импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты моделирования формирования ионного пакета при атмосферном давлении c помощью бессеточного двухэлектродного ионного затвора, который отличается простотой изготовления и легко может быть использован в ион-дрейфовом спектрометре. Показано, что наиболее эффективно бессеточный двухэлектродный ионный затвор может быть использован в режиме двойного последовательного разделения ионов, когда установка второго затвора в камере дрейфа при правильно подобранном времени открытия его относительно первого затвора улучшает разделение частично налагающихся пиков в спектре.

Исследование выполнено в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-00444-25-00 (от 26.12.2024), тема НИР FFZM-2025-0006.