四极场分析器原理图解

1.四极场分析器原理图解

2009-10-25 19:31amelican_beauty
[size=3][/size] [size=3]  最不应该忘记的事情[/size] [size=3]  简单的历史回顾[/size] [size=3]  五花八门的四极杆工作原理解释[/size] [size=3]  一种简单的解释[/size] [size=3]  数学公式化解释[/size] [size=3]  微扰法解释四极杆稳定性[/size] [size=3]  图解法解释[/size] [size=3]  从动力学出发的解释[/size] [size=3]  圆柱四极杆与双曲面四极杆的比较[/size] [size=3]  百闻不如一见[/size] [size=3]  最不应该忘记的事情The Most forgotten Thing[/size] [attach]1500[/attach] [size=3][/size][size=3] 如同杂技一样,四极杆是一门技术加艺术的学问[/size] [size=3][b] 四极场的最初目的是囚禁离子[/b][/size] [size=3]  当时仅有磁场能够使离子旋转而达到囚禁离子的目的;但是磁场的体积大、能耗高,所以科学家们开始另寻出路。其中一种方法便是利用电场。带电粒子对静电场有确切已知的效应,即库仑定律,但无论吸引或是排斥离子都不能囚禁在特定区域内;能够建立自囚禁的最简单模型便是典型的弹簧恢复力,f = - k x,静电场的库仑力由于无法改变方向显然无法做到;而且通过将弹簧力的模型按照库仑力积分,我们可以得到电场的分布: U = k2 x2,这种电场显然在一维直线上也是达不到的,因为它不符合电场的Laplace分布(有源场)。但是为了能够实现上述弹簧恢复力的模型,我们可以在二维平面上部分达到f = -k x的模型并且符合静电场的性质——这样二维积分的结果便是静电四极场:U = k3 (y2-x2)——它至少在x方向满足了我们的模型。[/size] [size=3]  但是y方向怎么办?离子在这个方向是f = k y—— 它会发散掉的。简单的想法是我们在离子还没有发散出去或撞到电极时改变k的符号,这样x方向会变为发散而y方向就满足弹簧的模型了。只要我们能搞像杂耍一样及时改变电场的方向,离子就会在x方向时而发散时而聚拢,而同时离子在y方向刚好相反,时而聚拢时而发散。请记住我们的目的——囚禁离子,只要我们能够把离子束缚在一定的区域内就可以了;而上述方法似乎已经看起来满足了我们的要求。[/size] [size=3]  当我们有了好的想法之后,我们会通过建立严密的数学模型来精确计算我们的想法是否正确。通过建模我们发现不同质荷比的离子所需的变换频率、电压强度等参数是不一样的,这便是四极场后来用于分离、过滤不同质荷比离子的理论基础。后面我们会详细讲述这个理论,总体恶言,高频大强度的交变电压能够更好的囚禁离子,除非离子在一个周期之内已经跑到不知哪里去了(这便是 Lower mass cut-off,LCMO,离子肼的缺点就在这个参数上)[/size] [attach]1499[/attach] [size=3]  岛津的四极杆分析器,它的前端链接了预杆[/size] [[i] 本帖最后由 amelican_beauty 于 2009-10-25 19:34 编辑 [/i]]

2.回复:四极场分析器原理图解

2015-04-07 19:32yangleinsist
谢谢分享!好!

3.回复:四极场分析器原理图解

2015-04-07 17:20yangleinsist
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4.回复:四极场分析器原理图解

2015-04-07 17:19yangleinsist
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2015-04-07 17:17yangleinsist
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2015-04-07 17:08yangleinsist
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11.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-26 09:55santa
资料很好,感谢共享。。

12.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-26 09:28owoo
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13.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 23:01maicaixiaogu
这篇文章整理得非常全面而规范。看看!!

14.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 22:17eedc-dcnge
大概看了看,了解了解,呵呵!!

15.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 21:29sacred
总结得很好,受益良多,谢谢了

16.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 20:41amelican_beauty
终于上传完了,上传图片可真是个累活,呵呵! 好资料大家一起分享! 另外两篇相关资料放到下载中心,欢迎大家下载。 下载地址: 离子阱质谱计的研究现状及其进展 四极杆质量分析器的研究现状及进展 [[i] 本帖最后由 amelican_beauty 于 2009-10-25 22:49 编辑 [/i]]

17.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 20:13amelican_beauty
[attach]1512[/attach] [size=3]圆柱四极杆与双曲面四极杆的比较Comparision of Rod Quadrupole and Hyperbolic Quadrupole [attach]1513[/attach] [/size][size=3]圆柱四极杆和双曲面四极杆的区别集中在电极狭缝中[/size] [size=3]  图中红色线条代表双曲面等势线,绿色部分代表圆柱四极杆的等势线。[/size] [size=3]  没有证据能够证明双曲面四极场和圆柱体四极场存在谱图上可见的差异。两种分析器在灵敏度、分辨力等方面也不存在极限的差异,采用两种分析器所制造的顶级质谱仪在性能和谱图特性上是相当的,无法从谱图的强度、质谱峰的形状等特性将两者区分开。事实上通过上述图片展示的电场分布,两种分析器在离子可以运动的范围内差异不会超过千分之一;两者的差异主要存在于杆与杆之间的夹缝处,而这里是离子无法运动达到的地方。双曲面四极杆难加工一些,成本较高;但是对于分辨能力仅仅达到 0.1u的高性能四极杆来说,0.1%的电场差异是看不见的。[/size] [size=3]  另一方面,Cooks等研究的矩形线性离子肼质谱仪甚至采用了更加不同的平面电极,同样能够完成大部分四极场分析器的功能,但是由于电场在离子运动的范围内存在扭曲,图谱的质量与上述两种存在差异;在另一种环形线性离子肼中,由于对称性的缺失,即使采用了双曲面也不能达到普通质谱的性能要求,突出特点在质谱峰出现了分叉和共振峰。[/size] [size=3]  微扰后的四极场分析器,通过加入部分高阶场效应(8级场和12级场),理论上能够在局部产生好的效应,但它的优点和缺点还在理论探索之中,这也是我们研究的方向之一。[/size] [attach]1514[/attach] [size=3]  安捷伦的四极杆是最著名的双曲面分析器它由石英制成,在表面镀以黄金作为电极[/size] [size=3]  百闻不如一见实际操作总是对四极场分析器的理解有帮助,[color=#0000ff]TrapSim[/color]是[color=#800000]Douglas Cameron[/color]用C++编写离子肼中离子的模拟程序。[/size]

18.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 19:48amelican_beauty
[size=3]微扰法解释四极杆稳定性[/size] [size=3] 图解法解释A Graphical Theory [attach]1507[/attach] [/size][size=3]  从动力学出发的解释1[/size] [[i] 本帖最后由 amelican_beauty 于 2009-10-25 20:09 编辑 [/i]]

19.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 19:46amelican_beauty
[size=3]  数学公式化解释[/size] [size=3]  离子进入四极杆后受到电极杆所形成的四极电场的作用做复杂的周期性运动,其运动轨迹与离子的质荷比有关系。离子的受力可表示为:令 ,其中 ,则变为: 3 从上可以看到,若 为正值时,离子在 方向上所受到的力就是回复力,即离子在 方向上的运动就可以看做是简谐振动,而在方向上所受到的力却是随着位移的增加而增加,所以是振幅逐渐增加的振动。 为负值时,离子在 方向上的运动就是振幅逐渐增加的振动,而此时方向上离子的运动则是简谐振动。由于 是交流电势,因此 值交替正负,这样就将离子的轨迹束缚在“稳定”状态。[/size] [size=3]  从上面的分析可知,通过不断的改变 值,而使得离子在 方向和 方向上不断的交替进行简谐振动,使得离子能够在平面内具有稳定的轨迹。常规正弦或余弦波周期电压信号驱动的四极式质谱仪是通过正弦或者余弦信号来改变 值。其对应的运动方程可由公式4表示: 4 其中, 和 分别是: 5[/size] [size=3]  公式4被称为马绍方程(Mathieu)的余弦形式。它的通解形式如公式6所示: 6 式中, 和式积分常数,它们决定于离子的初始条件,即初始位置 、初始速度 和初始相位 。 和 则决定于 和而不是决定于初始条件。所以离子运动的特性,尤其是离子运动的稳定性将取决于 值和值而非初始条件。根据离子运动的稳定条件,可画出常规四极式质谱仪的稳定曲线,如图3所示。常规四极式质谱仪的质量扫描方式是电压扫描,在保证直流分量U 和交流分量V的比例不变的前提下,同时改变直流分量U和交流分量V,实现质量扫描。理想情况下,对应于每组U和V值,都有唯一质量数的离子具有稳定的轨迹通过四极场,然后被检测器所检测,其他质量数的离子在四极场内由于轨迹不稳定而被损失掉。现有常规四极式质谱仪的驱动电路由变压器/LC振荡回路构成,工作频率固定。电容C由四极杆杆间电容和导线寄生电容决定,L由变压器电感决定,工作点范围600kHz~10MHz。由以下公式7可以看出, 7 在常规正弦或余弦波周期性电压信号驱动四极式质谱仪中,离子的质量数与直流分量和交流分量的电压值成正比,所以要使得具有更高质量数的离子能够被选择就必须增加扫描电压。[/size]

20.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 19:45amelican_beauty
[size=3]  五花八门的四极杆工作原理解释一种简单的解释The Easy to See Theory[/size] [size=3]  四极场由直流U和交流V组成:直流U大约数百伏特;交流V随时间变化,频率通常在500kHz~15MHz之间。[/size] [attach]1501[/attach] [size=3]  1.我们分别看xz和yz平面上电场对离子的影响,我们这里假设我们考虑的是一种正离子。[/size] [size=3]  xz平面上,在U排斥下正离子不会撞死在电极上,将通过四极场分析器;但yz平面上是在U的吸引下,正离子会跑弯了,无法通过。[/size] [attach]1502[/attach] [size=3]  2.叠加交流V后,离子产生震动,低质量离子震动振幅大而容易撞死在电极上;这边相反,由于震动,离子被从撞死的边缘挽回,低质量离子更容易通过分析器。[/size] [size=3][attach]1503[/attach][/size] [size=3]  3.在这种情况下,xz平面上就表现为交流V越强,通过率越低,检测器接受到的电流越小;yz平面上表现为交流V越强,通过率越高。[/size] [attach]1504[/attach] [size=3]  4.在来考察不同质量数的离子:xz平面上质量越大,离子由于交流V而引起的振幅越小,越容易通过;而在yz平面上,质量越大,离子震动越小,通过率越低。[/size] [size=3][attach]1505[/attach][/size] [size=3]  5.将xz与yz平面叠加起来就是能通过四极杆的离子就是重叠的部分。[/size] [attach]1506[/attach] [size=3]  根据德国Pfeiffer的手册改编。[/size]

21.回复:四极场分析器原理图解

2009-10-25 19:35amelican_beauty
[size=3]  简单的历史回顾A Brief History of Quadrupole[/size] [size=3]  四极式质谱仪的历史可追溯到20世纪50年代。[/size] [size=3]  1952 年末,加速器物理研究领域中,Brookhawen国立实验室的Courant等人发现利用2个四极磁场交替压缩质子束的强聚焦,德国Bonn大学物理系教授Wolfgang Paul等人据此提出了利用射频四极电场过滤离子的原理,并用实验加以验证,从而诞生了四极式质谱仪。[/size] [size=3]  1953年,Paul等人申请了德国专利,并在五十年代完成了四极式质谱仪的大部分奠基工作。[/size] [size=3]  20世纪六七十年代是四极式质谱仪发展的鼎盛时期,其中最引人注目的是Brubaker所进行的一系列创新研究和设计。[/size] [size=3]  60年代末,四极式质谱仪由基础研究阶段逐渐过渡到商业生产阶段,在产业化模式运作下,四极式质谱仪技术获得了迅速的发展和推广。[/size] [size=3]  1965年,联邦德国的Varian MAT公司生产了第一台商业四极式质谱仪AMP-3。[/size] [size=3]  美国的惠普公司,联邦德国的Varian MAT,日本的ULVAC等都是最早开始四极式质谱仪商业化生产的公司。[/size] [size=3]  四极式质谱仪的原理是利用随时间变化的电场对不同质荷比的离子进行选择。常规四极式质谱仪所采用的驱动电压波形如图1所示,即x方向和y方向的电压相位相差 180度,通常在相对的一组电极杆上施加同样的电压,而相邻的电极杆上的电压极性相反,如图2所示,x方向电极杆2和3的电压与y方向电极杆1和4的电压极性相反。[/size] [size=3]  理想情况下,电极杆的形状是双曲面,请参见图3,但由于圆杆电极的加工较之双曲面来说要简单很多,因此在实际应用中更多的是用圆杆电极代替双曲面电极。当圆杆电极半径 与场半径 满足式公式1关系时,圆杆电极间的电场与理想四极电场最为近似。请参见图4,其为圆杆电极半径 与场半径满足式r=1.1487rο关系时,圆杆电极间电场与双曲面电极间电场吻合程度。从图中可以看出,在四根极杆间的空间内,两种电极所形成的电场等势线非常吻合,仅仅是在相邻极杆之间空间内的等势线相差很大。幸运的是,离子的运动仅仅是在四根极杆杆间的空间内。如此看来,圆杆电极间的电场完全可以替代双曲面电极所形成的理想四极场。[/size] [size=3]  离子在进入四极杆后,由于受到射频( RF) 电场和直流 (DC)电场的作用会开始复杂的振荡运动。假设某一时刻,DC 和 RF保持恒定,如果离子的质量太低,这个离子被推离轴向,到达正极杆,而不会到达四极杆的出口。如果离子质量太高,趋于负极杆的振荡增加,直到离子撞击到负极杆或从四极杆的边缘被弹出去。只有特定质量的离子在四极杆内的振荡才会稳定,才能从四极杆的末端出射并被电子倍增器检测。[/size]

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