基于Simion軟件的線型離子阱的仿真

邵輝麗 任莉

摘 ? 要：基于Simion軟件首先對線型離子阱電極進(jìn)行了建模、配置了電極電壓、設(shè)置了離子運動初始條件，然后模擬仿真了離子在阱內(nèi)的運動情況。仿真結(jié)果表明，離子能否在阱中心穩(wěn)定囚禁由電極間的相對位置、電極上加的射頻電壓幅值、離子發(fā)射的初始條件等因素決定，仿真結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的理論分析基本吻合。最后根據(jù)大量的仿真實驗結(jié)果對電極尺寸、電極電壓等工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真結(jié)果對后期離子阱實驗裝置的機(jī)械設(shè)計和囚禁實驗參數(shù)的選取具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：線型離子阱 ?模擬仿真 ?Simion軟件

中圖分類號：O562 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0083-03

Simion[1-4]軟件是一款靜電透鏡分析模擬軟件，可以模擬各種自定義電極下的離子運動軌跡，在幾何定義，用戶編程，數(shù)據(jù)記錄和可視化方面提供了廣泛的支持功能，適用于靜態(tài)低頻率射頻領(lǐng)域系統(tǒng)如離子阱，質(zhì)譜和其他類型的粒子光學(xué)系統(tǒng)。本文利用simion軟件對阱體電極進(jìn)行建模，配置了合適的電極電壓，設(shè)置了離子運動初始條件，模擬仿真了離子在射頻電場作用下在阱內(nèi)的運動情況，并根據(jù)大量仿真實驗結(jié)果對電極的幾何尺寸、電壓設(shè)置和初始條件等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合理論分析初步得到了線型離子阱穩(wěn)定囚禁離子的工作參數(shù)，對后期實驗裝置的機(jī)械設(shè)計、裝配和囚禁實驗參數(shù)的確定提供了重要依據(jù)。

1 ?線型離子阱幾何模型的建立

線型離子阱由均勻分布于同一圓周上的四根電極和兩個端帽電極組成，阱體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。四根拋光鉬桿上加射頻交流電壓，其中相對的兩根施加的電壓完全一樣，而相鄰的兩根電壓幅值相同，位相相反，該射頻電場實現(xiàn)離子在徑向（x-y）平面內(nèi)的囚禁，安置在兩端的帽極位置正對阱體中心軸，此電極上施加極性和囚禁離子電荷相同的靜電場，利用靜電排斥限制離子在軸向z方向的運動。這樣的電場構(gòu)型使得線型阱在與四根電極平行的中心對稱軸上形成了勢能最低點，最終離子被囚禁于中心軸線附近。

基于Simion軟件可以實現(xiàn)對線型離子阱系統(tǒng)的建模，利用界面中的Modify命令建立系統(tǒng)中的電極板，形成.gem的文件。建模后生成的系統(tǒng)如圖2所示。

2 ?電極電壓配置和離子初始參數(shù)設(shè)置

Simion軟件通過Fast-adjust命令可以快速設(shè)置各個極板上施加的直流電壓，但線型離子阱實驗要求四根電極桿上加射頻電場[5]，需要用戶根據(jù)實驗要求用Lua語言來編寫用戶擴(kuò)展程序，形成用戶程序文件，進(jìn)行各種時序信號的控制。離子飛行模擬時Simion軟件靈活的程序接口會調(diào)用該文件。本囚禁實驗中電極上設(shè)置的射頻電壓用戶擴(kuò)展程序如下所示：

V0是射頻電壓幅值，可以通過用戶編輯界面在仿真實驗中隨時修改。電極電壓設(shè)置之后，觀看worbench界面，PAS命令會顯示該射頻電壓在阱內(nèi)形成的勢阱，如圖3所示。離子發(fā)射后經(jīng)過聚焦進(jìn)入離子阱，最終離子是否能穩(wěn)定在阱中心軸線上與其發(fā)射的初始條件有關(guān)。離子初始參數(shù)設(shè)置包括離子的數(shù)目、離子質(zhì)量、帶電量、發(fā)射初始位置，初始動能，方向角，離子出生的時間以及離子飛行軌跡的顏色等。離子的飛行狀態(tài)分為單個離子和群組離子，線型離子阱中可以穩(wěn)定囚禁的離子數(shù)設(shè)置為106個，發(fā)射的初始動能為幾個電子伏特[6]。仿真實驗中需要根據(jù)相關(guān)理論反復(fù)設(shè)置電極電壓和離子運動初始條件，才能找到離子在阱中穩(wěn)定囚禁的實驗參數(shù)，參數(shù)設(shè)置不合理時離子運動一段時間后就會碰到電極上而湮滅。

3 ?仿真結(jié)果分析

在贗勢模型下，射頻電場在阱中心軸線附近任意點產(chǎn)生的電勢，r0為阱中心到電極表面的距離，V0為射頻電壓幅值，Ω為射頻電場頻率。離子的總勢能為，ω0為離子橫向簡諧振動的運動頻率，。D.Gerlich研究[12]表明離子運動時離阱中心軸線的最大距離，線型離子阱為四級阱，k

取4，V0越小，Rmax越大，即囚禁離子運動的橫截面積越大。Simion仿真實驗圖4顯示了射頻電壓頻率、電壓幅值對離子簡諧振動運動軌跡的橫截面積的影響，與上述文獻(xiàn)中的理論分析相吻合;而線型阱理論分析亦表明：離子離阱中心越遠(yuǎn)，高階場的影響越明顯，使得離子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，很快從阱內(nèi)逃逸。仿真實驗圖5可見，當(dāng)離子的初始發(fā)射位置越靠近線型離子阱中心時離子運動的橫截面積越小，越能穩(wěn)定囚禁于軸線附近，發(fā)射位置偏離阱中心越遠(yuǎn)，離子會越快逃逸，與理論分析符合，也對后期實驗中離子注入時要求從端帽極上中心小孔入射，端帽極中心正對阱中心具有重要的指導(dǎo)意義;仿真實驗還表明電極間的相對位置r0和電極的半徑r等參數(shù)均會影響離子的運動軌跡，比值越小，離子越容易束縛于阱中心，利于離子的穩(wěn)定囚禁。

4 ?結(jié)語

本文首先通過Simion軟件對線型離子阱裝置中各個部件進(jìn)行建模，并對電極進(jìn)行了電壓設(shè)置，然后對囚禁離子進(jìn)行了飛行時的參數(shù)設(shè)置，通過改變射頻電壓設(shè)置進(jìn)行大量仿真實驗，模擬得到離子在阱內(nèi)的運動，模擬結(jié)果顯示離子的運動和電極尺寸，電極幾何位置以及電極電壓有關(guān)。獲得了線型離子阱的基本特性參數(shù)，所有仿真實驗結(jié)果基本符合理論分析。該仿真實驗對后期實驗裝置的機(jī)械加工設(shè)計、囚禁實驗工作參數(shù)的選取具有重要意義。但由于離子阱實驗囚禁的是大量的同種電荷離子，空間電荷效應(yīng)和離子間碰撞不能忽略，而Simion軟件模擬離子的運動情況時并未考慮這些因素，所以仿真的結(jié)果并不代表離子的真實運動情況。后期需要把空間電荷效應(yīng)、離子間的碰撞等因素考慮進(jìn)仿真中，使模擬結(jié)果更接近于真實情況。

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