用于质谱仪初级真空区域的离子运动轨迹仿真算法及系统的制作方法

【】本发明涉及离子运动轨迹分析，尤其涉及一种用于质谱仪初级真空区域的离子运动轨迹仿真算法及系统。

背景技术

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背景技术：

1、传统的api-ms采用了小孔径的einzel透镜和撇光器，其中einzel镜头和撇光镜之间的直流(dc)电势差提高了传输效率。此外，早期研究中报道了在称为碰撞聚焦的射频下使用离子与本体气体碰撞。8该研究描述了增加ms孔口，并在本体气体压力升高约10倍的情况下使用150mm长的射频四极(rfq)离子引导器，以良好的传输效率将离子输送到质量分析仪中。通过使用具有接受半径的rf离子引导来提高灵敏度，该离子引导可以携带空间分散的离子云。最典型的研究之一是“q-jet”装置，在该装置内释放桶形冲击，以避免边缘场，并捕获膨胀中的大部分离子。

2、由于在封闭狭窄空间中测量技术的局限性，很少有关于ms在e场和h场下离子输运的实验研究。数值研究了与动力学气体和离子传输耦合的四极界面，并开发了基于连续体的(流体)数值模拟方法来优化离子传输效率。使用直接模拟蒙特卡罗(dsmc)方法来演示在1至0.001托的压力下加热毛细管-撇油器界面的气体动力学。通过dsmc测量einzel透镜分离器和离子漏斗之间的离子转移效率。采用电流体动力学模拟(ehs)方法对大气压界面下的离子光学系统进行了表征。该方法也用于测量从离子源到skimmer或qjet的离子转移效率。一种新的离子导引被称为场梯度聚焦离子导引(fgf-ig)，以提高离子在低真空中的转移效率，它有12个电极，其表面逐渐变窄并向内倾斜，其电场沿离子转移路径逐渐从十二极到四极变化。与传统的离子漏斗(10ng/ml)相比，fgf-ig对小精氨酸离子的敏感性提高了约10倍。另一种提高第一真空区流动膨胀段离子输运的方法是用锥形界面代替平板界面。与平板界面相比，圆锥界面引入了相对较强的径向缓冲气体效应和径向电力产生的离子弥散效应。因此，低真空条件下离子的大量损失仍然限制了api-ms性能的提高。

3、粒子跟踪方法所获得的e场和h场的性质可以用于对离子轨迹跟踪进行建模。由于流场对粒子速度的修正模型不同，粒子跟踪方法通常分为两个方向：连续牵引和离子中性分子碰撞模型，hs碰撞模型一直是模拟低真空和高真空的主要选择。然而，根据之前对h场分布的模拟结果，离子运动不能忽略离子和大量气体在毛细管和rfq之间的超音速流动区域中的快速膨胀效应，这对于估计rfq的传输效率至关重要。在这项工作中，开发了一种新的ehs方法，该方法结合了两个传统的sds和hs碰撞模型，称为sdhs，以模拟和数值分析api-ms在低真空中的离子运动。sdhs模型较好地解决了低真空条件下sds模型的不精确性和hs碰撞模型计算量大的两个问题。

4、更高的离子转移效率有利于高灵敏度apims的进一步发展。虽然在基于加热毛细管的界面中，基于srig原理的离子转移器件占主导地位，如s透镜、离子隧道和离子漏斗，但对于基于加热毛细管的界面和其他离子转移器件的研究较少。

5、因此，有必要研究一种用于质谱仪初级真空区域的离子运动轨迹仿真算法及系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、有鉴于此，本发明提供了一种用于质谱仪初级真空区域的离子运动轨迹仿真算法及系统，本发明开发了api-ms结合加热毛细管界面和rfq技术，可以为了更好地理解离子在低真空流动膨胀段的输运机理，提出了一种新的ehs方法——统计扩散模拟-硬球碰撞(sdhs)来表征离子运动，与其他方法相比，本发明更关注e场和h场的离子轨迹，较好地反映了快速扩张射流下的碰撞聚焦效果，此外，还开发了具有微电流信号检测平台的法拉第杯，用于定量评价加热毛细管界面和rfq的离子转移效率。

2、一方面，本发明提供一种质谱的低真空区域内离子运动轨迹仿真算法，所述离子轨迹追踪方法包括以下步骤：

3、s1：获取n-1时刻离子速度和位置，获取n时刻离子的局部电场信息和局部动态气体场信息，其中n为自然数且n>1；

4、s2：通过局部电场信息获取本地电场信息；

5、s3：通过局部动态气体场信息获取平均自由程和局部气体环境参数；

6、s4：预设临界压力时的气体环境参数，并将其与局部气体环境参数比较；

7、s5：当局部气体环境参数不小于临界压力时的气体环境参数时，通过平均自由程获取统计扩散模拟sds模型；

8、当局部气体环境参数小于临界压力时的气体环境参数时，通过局部气体环境参数获取碰撞气体环境参数和硬球碰撞hs模型；

9、s6：通过硬球碰撞hs模型和统计扩散模拟sds模型获取实际离子速度和迁移率系数；

10、s7：通过n-1时刻离子速度和位置、实际离子速度和迁移率系数获取n时刻离子速度和位置；

11、s8：在某一时间段内重复s1-s7，获取该时间段内离子轨迹。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述局部电场信息为局部电场强度。

13、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2具体为：对离子运动轨迹追踪软件求解的局部电场强度等分进行采样，获取本地电场强度。

14、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中平均自由程和局部气体环境参数通过对动态气田等分获取。

15、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中局部气体环境参数包括但不限于环境压力、环境温度和实际气体速度。

16、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中碰撞气体环境参数包括碰撞概率和通过碰撞概率计算获取的碰撞气体速度。

17、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中硬球碰撞hs模型通过统计扩散模拟sds模型获取的实际离子速度和迁移率系数获取。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s8中重复过程中，离子速度通过计算流体动力学求解的流体动力学场进行修改。

19、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s8离子轨迹通过runge-kutta方法计算获取，其中时间步长选择为射频周期的1/20或实际碰撞时间之中的较小步长。

20、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种质谱的低真空区域内的离子轨迹追踪系统，所述离子轨迹追踪系统包括：

21、初始信息获取模块：获取n-1时刻离子速度和位置，获取n时刻离子的局部电场信息和局部动态气体场信息，其中n为自然数且n>1；

22、电场信息获取模块，用于通过局部电场信息获取本地电场信息；

23、气体场信息获取模块，用于通过局部动态气体场信息获取平均自由程和局部气体环境参数；

24、气体参数比较模块，用于预设临界压力时的气体环境参数，并将其与局部气体环境参数比较；

25、模型建立模块，用于当局部气体环境参数不小于临界压力时的气体环境参数时，通过平均自由程获取统计扩散模拟sds模型；

26、当局部气体环境参数小于临界压力时的气体环境参数时，通过局部气体环境参数获取碰撞气体环境参数和硬球碰撞hs模型；

27、轨迹参数获取模块，用于通过硬球碰撞hs模型和统计扩散模拟sds模型获取实际离子速度和迁移率系数；

28、位置获取模块，用于通过n-1时刻离子速度和位置、实际离子速度和迁移率系数获取n时刻离子速度和位置；

29、轨迹获取模块，用于在某一时间段内重复s1-s7，获取该时间段内离子轨迹。

30、与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

31、本发明更关注e场和h场的离子轨迹，较好地反映了快速扩张射流下的碰撞聚焦效果，较好地解决了低真空条件下sds模型的不精确性和hs碰撞模型计算量大的两个问题。

32、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。