Влияние пространственного заряда на спектр колебаний ионов
в линейной ловушке
D. J. Douglas1, 2
1University of British Columbia, 2036 Main Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z1, Canada
2Рязанский госуниверситет им. , , Рязань, Россия
В линейной ионной ловушке используется дипольное резонансное возбуждение колебаний ионов с целью масс-селективного детектирования ионов в выходной краевой области [1]. Частота возбуждения должна совпадать с частотой колебаний ионов в ВЧ квадрупольном поле. Наличие объёмного заряда ионов при больших концентрациях приводит к изменению частотного спектра колебаний ионов и, тем самым, к влиянию на характеристики ионной ловушки [2]. Целью настоящей работы являлось создание модели описания движения ионов в ловушке при высоких плотностях.
Эта задача довольно сложна, так как требует решения нестационарной задачи Дирихле, то есть расчета самосогласованного переменного поля. В качестве первого приближения мы сводим задачу к анализу движения пробной частицы во внешнем ВЧ поле ловушки и в поле пространственного заряда. Для описания распределения концентрации ионов по сечению ловушки используются три модели. Распределение плотности ионов в первой модели основано на теории фазово-пространственной динамики движения ионов в ВЧ квадрупольном поле, развитой Тоддом и сотрудниками [3]. Поскольку частицы движутся в потенциальной яме, описываемой эффективном потенциалом, то вторая модель представлена распределением Больцмана с некоторой энергетической температурой Ti. И, наконец, третья модель включает кулоновское парное взаимодействие между движущимися ионами во внешнем ВЧ квадрупольном поле.
Первая и вторая модели дают сходные результаты. С увеличением линейной плотности ионов наблюдается частотный сдвиг гармоники с частотой βΩ/2, как это показано на рис. 1. Величина Ntot – число ионов на единицу r0 длины ловушки. Третья модель предполагает численное решение системы из 3N нелинейных дифференциальных уравнений. Поэтому из-за ограничения времени интегрирования (1 час) на интервале 0-200 π возможен расчет только 70 траекторий ионов. Это позволяет проследить эволюцию ионного облака во времени и оценить предельную плотность ионов. В докладе обсуждаются модели ионного облака, уравнения движения ионов и влияние линейной плотности ионов на частотный спектр колебаний ионов.
1. J. W. Hager, “A New Linear Ion Trap Spectrometer”, Rapid Commun. Mass Spectrom., vol. 16, 2002, pp. 512-526.
2. J. C. Schwartz, M. W. Senko. John E. P. Syka // J. Am. Soc. Mass Spectrom., vol. 13, 2002, pp. 659-669.
3. J. F.J. Todd, R. M. Waldren, D. A. Freer, R. B. Turner // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Phys., vol. 35, 1980, pp. 107-150.
