دانلود مقاله تله یون

مقدمه: تله یون وسیله ای است که یون را در ناحیه خاصی از فضا جایگزیده کند عمل تله گذاری از طریق بر هم کنش الکتریکی و یا مغناطیسی بین اتم یونیده و میدان اعمال شده انجام می گیرد.

دام یونی در سال 1953 اختراع شد.

دو دانشمند بنام های stein wedel , paul در دانشگاه بن آنرا ساختند.

کارکرد ابتدایی آن نیز در اسپکنزوسکوپی جری بود.

چند سال بعد Heinrich , Post یک طیف نگار جرمی را با استفاده از اصول Strong focusing Principles ساختند.

سال ها قبل از این موضوع، تئوری تمرکز دادن قوی ذرات باردار با استفاده از گرادیان متناوب میدان های مغناطیسی چار قطبی توسط یک دانشمند یونانی بنام Chiristofilos در آتن بنیان نهاده شده بود.

علی رغم این پیروزی ها خیلی به این موضوع بها داده نشد تا آنکه Wolfgang و همکارانش در دانشگاه بن این اثر را بدنیای علم شناساندند.

QIT یا Quadru pole همان دام یوم با هندسه هذلولوی می باشند.

مورد استفاده اولیه QIT ها در طیف سنجی جرمی بود.

در این سیستم ها از هندسه استاندارد هذلولوی پیروی می شد.

تا سال 1962 که لانگور دام یوم با هندسه استوانه ای را اختراع و ثبت نمود معادلات حرکت یون در دام استوانه ای CIT با نوع هایپربولیک متفاوت بدست آمد.

دام یون استوانه ای بدلیل کوچک سازی و سهولت ساخت، مورد توجه برخی محققین قرار گرفته است.

اگر چه CIT هندسه ساده ای دارد ولی معادلات حرکت آن پیچیده است.

زیرا غیر خطی و جفت شده است.

اخیرا نوع جدیدی از دام بنام دام ترکیبی معرفی شده است.

تنها در یک مقاله از دانشگاه تگزاس آزمایشاتی در این باره انجام داده اند.

Arkim و Laude در تحقیق خود طیف سنجی جرمی با این دستگاه را دنبال کرده اند.

در این سیستم ترکیبی(HIT) هندسه هذلولوی با استوانه ای نوع جدیدی از عملیات تله گذاری را انجام می دهند.

معهذا معادلات حرکتی یون پیچیده تر از دو نوع QIT و CIT می باشد.

برای آنکه عملکرد دام HIT را درک کنیم بایستی ابتدا اصول QIT و CIT را بدانیم در این پژوهش معادلات حرکت یون در HIT را یافته و پتانسیل و میدان داخل دام بدست می آید.

و بهبود می یابد همچنین نشان می دهیم که چگونه تنظیم پارامترهای هندسی سلول دام می تواند در کاهش حضور مراتب بالاتر میدان موثر باشد.

حتی چگونه می توان دیگر پارامترها را بهینه سازی نمود.

همچنین منحنی پایداری نیز بطور تئوری ترسیم خواهد گردید.

فصل اول سیستم های دام یون با هندسه هذلولوی(QIT) Quadrupole Ion Trap مقدمه: دام یون چارقطبی و تفکیک کننده جرمی چار قطبی(Mass filter) دستگاههایی هستند که به الکترودهایی با ساختار هذلولی پتانسیل اعمال شود.

و حرکت یون در دام تحت تاثیر یک سری از نیروهای وابسته به زمان باشد.

در اینجا عمل تله گذاری از طریق بر هم کنش میدان اعمال شده با بار یون صورت می گیرد.(قسمت تک قطبی بر هم کنش).

خود یون ها نیز از طریق بر هم کنش کولمبی بلند بود قویا با یکدیگر بر همکنش دارند دو نوع از طرح های معروف دام یون عبارتند از تله پاول و تله پنینگ.

آزمایش با این تله ها در کار ولفگانگ پاول و هانس دهملت و نورمن دمزی که برندگان جایزه نوبل فیزیک اند نقش کلیدی داشت.

تله پاول شامل یک الکترود رینگ حلقوی هذلولوی و دو الکترود صفحه ای هذلولوی است این سه بطور هم محور در امتداد محور تقارن چرخشی مشترکشان قرار می گیرند.

یک ولتاژDC و یک ولتاژ AC بین حلقه و صفحه ها اعمال می شود.

دو صفحه الکترود پایانی(End cap) در پتانسیل یکسانی نسبت به حلقه(ring) نگاه داشته می شوند.

و یون در ناحیه مرکزی حلقه و یا نزدیک آن بدام می افتد اساسا به تله یون یک پتانسیل وابسته به زمان اعمال می شود تا پایداری سه بعدی بدست آید.

اگر فقط یک میدان DC اعمال شود تله را می توان در امتداد محور Z پایدار کرد اما در جهت عرضی پایداری نخواهد داشت.

در تله پنینگ فقط از میدان های ایستا استفاده می شود با وجود این به عنوان تله های دینامیکی تلقی می شود زیرا پایداری از طریق حرکت اتم بدست می آید.

نخست یک میدان چارقطبی الکتریکی را در نظر گیرید که با استفاده از چار الکترود که بطور متقارن گرفته اند بوجود آمده است و الکترود در پتانسیل یکسانی نگاه داشته شده اند.

این پتانسیل چنان انتخاب می شود که یون ها را به الکترود جذب کند.

اگر میدان دیگری اعمال نشود یونی که با فاصله(در نقطه ای با فاصله یکسان) از چار الکترود قرار گرفته است درحالت تعادل خواهد بود ولی در مقابل جابجایی(عرضی) بطرف یک از چار الکترود ناپایداری خواهد داشت.

اما حرکت یون در راستای محور(طولی) تقارن چار قطبی پایدار خواهد بود.

زیرا در اثر پتانسیل هماهنگ در امتداد این محور محصور خواهد ماند.

برای ایجاد پایداری در حرکت عرضی میدان مغناطیسی در امتداد محور طولی اعمال می شود.

بطوریکه یون در صفحه عرضی حرکت سیکلوترونی را ایجاد کند.

مولفه مغناطیسی نیروی لورنتس که حرکت سیکلوترونی را ایجاد می کند برای جبران نیروی الکتریکی شعاعی ناشی از الکترودهاست.

و بدین ترتیب پایداری حاصل می شود.

1-1 معادلات حرکت ذرات باردار در QIT دام یون یا QUISTOR دستگاهی است مطابق شکل متشکل از سه الکترود هایپربولیک.

دو الکترود End cap را معمولا زمین می کنند و پتانسیل V0 را به ring اعمال می نمایند.

در این جا فرض می شود که دستگاه عاری از هر گاز یونی زمینه ای می باشد.

در تئوریک فرض می شود که الکترودها تا بی نهایت امتداد دارند و شکل ایده آل هندسی دارند.

حال آنکه در عمل سر الکترودها را قطع می کنند.

همچنین در عمل ورودی دستگاه از سوراخ هایی بسیار ریز متشکل است.

که در واقع ورودی دستگاه می باشد.

عیوب و ناکاملی های حاصل از فرآیند مهندسی ساخت نیز مزید بر علت شده و باعث می شوند دام های یونی واقعی بعضا خواص غیر خطی از خود بروز دهند.

ولی در بحث تئوری که ارائه می شود از ناکاملی های مهندسی و ماشین کاری نیز صرف نظر می گردد.

میدان چار قطبی در مختصات دکارتی بصورت زیر است که در آن ضرایب ثابت اند.

E0 نیز مستقل از مکان است ولی ممکن است به زمان وابسته باشد.

این میدان در سه جهت مختصات ناجفت شده است و استقلال حرکت یون در هر مختصه راستا را نتیجه می دهد.

نیروی اعمالی بر یون با جابجایی یون از مرکز افزایش می یابد.

چون دستگاه عاری از هر گاز یونی زمینه ای است (1-1) و برای برقراری(1-1) لازم است یکی از دو رابطه زیر برقرار باشد.

(1-2) (1-3) چون(1-1) بی نهایت جواب دارد.

از آنجا که می باشد بدست می آید: (1-4) که این پتانسیل درجه دوم از جنس می باشد.

که ناشی از یک نیروی بازگرداننده خطی است.

رابطه(1-2) در دستگاههای تفکیک کننده جرمی و(1-3) در مورد(QIT) مصداق دارد.

با ملاحظات رابطه(1-2) داریم: (1-5) خطوط هم پتانسیل در شکل زیر رسم شده است.

این پتانسیل با چهار میله استوانه ای هذلولی شکل با الکترودهای مجاور هم و با بار مخالف مطابق شکل تشکیل می شود.

اگر کمینه فاصله الکترودهای End cap برابر 2r0 باشد.

و پتانسیل ها بین آن ها باشد: (1-6) که þ þ حال به رابطه(1-3) توجه می کنیم خواهیم داشت: (1-7) با این اعمال تبدیلات از دستگاه کارتزین به استوانه ای: (1-8) خطوط هم پتانسیل در صفحه(x-y) و (r-z) ترسیم شده اند همچنین ساختار شماتیک لازم برای تولید این پتانسل در طرح زیر آمده است.

شماتیک پتانسیل اعمال شده بدست خواهد آمد: (1-9) عبارت است از پتانسیل اعمال شده و r0 پارامتر دام است.

طیف سنج جرمی چار قطبی یا Quadrupole Ion trap با نام اختصاری QMF یک فیلتر جرمی است.

این روی یکی از انواع روش هایی است که برای آنالیز ترکیب شیمیایی مواد بکار می رود.

این تکنیک بر مبنای اندازه گیری استوار است.

و حساسیت تقریبی آن برای monolayers تقریبا است و حداقل تقریبی ها ده مورد نیاز برای آزمایش است.

و به عنوان یک آزمون مخرب مطرح است.

چار میله موازی با ترکیب نشان داده شده به یکدیگر متصل اند.

یون ها در موقعیت S توسط فیلامان تولید می شوند و از روزنه های A عبور می کنند.

و از میان ناحیه ای شامل این چار الکترود موازی R داخل محفظه می شوند.

یک میدان الکتریکی E بین میله ها اعمال می گردد که E=E0+E1coswt و E0 مولفه پایا و E1coswt و w تنها یون هایی با ویژه مقدار می توانند در مدار نوسانی پایدار داشته باشند و به سطح آشکار ساز D برسند.

که اولین داینود از یک تقویت کننده الکترون است.(فوتو مولتی پلایر).

الکترون های تولید شده حاصل از رسیدن یون ها بطرف پایین شتاب می گیرند.

و سیگنال متناظر با ویژه مقدار نهایتا پدیدار می شود.

و بصورت یک پالسی از الکترون ها در o دریافت می شود.

و این پروسه برای هر تک یون که آشکار ساز می رسد اتفاق می افتد.

حال اگر آهنگ یون های رسیده به دتکتور به اندازه مناسبی بزرگ باشد آنگاه سیگنال در o یک جریان یکنواخت می دهد و می تواند با یک تقویت کننده حساس اندازه گیری شود.

طیف جرمی را می توان بررسی نمود.

که با جاروب کردن یک رنجی از میان فرکانس های w رخ می دهد.

اما اگر مسیر یون ناپایدار باشد.

آنگاه به جابجایی بی نهایت منجر می شود تا آنکه یون ها از بین بروند فی المثل در اثر برخورد با یکی الکترود.

در تفکیک گر جرم یا Mass filter معادلات حرکت یون بصورت زیر است.

(1-10) برای راستاهای y و z نیز به همین روابط مشابه می رسیم.

این نیروی وارد شده بر یک یون در داخل QMF می باشد.

با توجه به رابطه(1-6) خواهم داشت.

برای راستاهای y و z نیز به همین روابط مشابه می رسیم.

این معادلات برای تزریق یون بداخل QMF با سرعت معین در جهت Z معتبراند.

برای یک یون مثبت که به داخل فضای QMF وارد می شود به طرف الکترود منفی شتاب می گیرد اگر علامت پتانسیل قبل از اینکه یون به الکترود برخورد کند عوض شود یون مسیرش را عوض خواهد کرد.

حال دو حالت برای بررسی می کنیم.

اگر ثابت می بود برای یک ذره باردار در صفحه xz یک حرکت هارمونیک رخ خواهد داد و همه یون ها پایدار خواهند بود.

و دامنه حرکت آن ها محدود باقی می ماند.

ولی اگر تابعی تناوبی برحسب زمان باشد.

مسیر یون ها در هر دو صفحه نسبت به هم و دور از صفر به طور پریودیک منحرف خواهد شد.

یون های با جرم کمتر قادر خواهند بود مولفه های متناوب را دنبال کنند.

در جهت x یون ها تمایل دارند مسیرهای ناپایدار داشته باشند و در نتیجه جهت x معادل یک فیلتر جرمی بالا گذر است.

و فقط جرم های بزرگتر می توانند بدون برخورد به الکترود x به انتهای دیگر QMF برسند.

هم زمان یون های سنگین تر در جهت y ناپایدار خواهند بود و جهت y یک فیلتر جرمی پایین گذر است.

و x و y همزمان یک گزینشگر جرمی با باند عبور معین را ایجاد می کنند.

نتیجه آنکه پتانسیل اعمالی که قبلا معرفی کردیم بصورت (1-12) خواهد بود.

که در آن فرکانس RF است.

با جایگذاری روابط اخر در(1-11) خواهم دانست.

حال تغییر متغیرهای زیر را انجام می دهیم (1-14) (1-15) این معادله را نخستین بار داشمندی بنام ماتیو برای بررسی انتشار موج در پوسته ها بکار برد.

همانگونه که دیده شد معادلات حرکت یون در(1-13) بشکل معادلات ماتیو هستند.

در دام یون چار قطبی نیز(QIT) می توانیم بحث را ادامه دهیم.

معادلات حرکت بفرم زیر است: (1-16) جانشینی های زیر را انجام می دهیم (1-17) و معادلات حرکت یون در QIT بفرم زیر بدست می آید: (1-18) معادله 1-18 با تغییر متغیرهای بفرم(1-17) بصورت زیر نوشته می شود: (1-19) بفرم کانونیک می شود نوشت: عبارت است از فاز میدان تناوبی زمانی که تک یون اولیه آنرا تجربه می کند و فاز اولیه نام دارد.

رابطه ماتیو حالت خاصی از معادلات HILL است که: (1-20) برای آنکه یک مسیر پایدار داشته باشیم باید حرکت یون به گونه ای باشد که با گذشت زمان مختصات از r0 و z0(برای z,r پایدار) تجاوز ننماید.

1-1-1 گزینمگر جرم(QMF) پتانسیل در داخل QMF بفرم زیر بدست آمد (1-21) همانگونه که اشاره شد پتانسیل اعمالی به ring می باشد پس: (1-22) در عمل و در انواع تجاری، میله های QMF با مقاطع دایروی هستند.

معهذا(1-22) تقریبا صحیح است.

معادلات حرکت QMF در روابط(15-14-13) بدست آمدند.

جواب های معادله ماتیو برحسب پارامترهای au و qu نیز بدست می آیند و این جواب ها را می توان برحسب پایداری و یا ناپایداری میسر در هر یک از جهات y,x بیان کرد.

شکل نشان داده شده نواحی پایداری را برای Mass filter نشان می دهد.

از بر هم نهی دو نمودار پایداری مجزا می توان فهمید که در چه ناحیه ای یون بطور همزمان در جهات y,x پایداری دارد.

آنچه اهمیت دارد اولین ناحیه پایداری است.

u می تواند مثبت یا منفی باشد.

ولی غالبا ناحیه پایداری با u مثبت را بکار می بریم حال آنکه آنچه برای u مثبت