傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的離子入射條件優(yōu)化研究
在推導傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱離子運動(dòng)規律的基礎上，得出了離子的最佳入射條件。研究了離子在不同初始條件下進(jìn)入離子阱后的運動(dòng)狀態(tài)，計算出了離子能夠被離子阱束縛的入射動(dòng)能范圍。分析了入射動(dòng)能范圍與離子入射角度及入射位置之間的關(guān)系，給出了實(shí)現傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱離子接口的離子初始條件。
早在1923年，Kindon就提出了利用靜電場(chǎng)實(shí)現離子的束縛。它的結構類(lèi)似于帶有端電極的圓柱型電容器，這種模型也被稱(chēng)為Kingdon trap。1981年，Knight對Kingdon trap的電極形狀進(jìn)行了改進(jìn)，使其不再需要兩端的端電極就能實(shí)現離子的束縛。這種利用靜電實(shí)現離子束縛的阱很快就在質(zhì)譜分析上得到了應用。它利用離子繞內電極旋轉的頻率與質(zhì)荷比相關(guān)來(lái)實(shí)現樣品離子的質(zhì)量分析。但是，由于離子的這種繞內電極旋轉運動(dòng)的頻率在很大程度上受到離子的速度和初始位置影響，因此該質(zhì)量分析方法的分辨率很低。2000年，Alexander Makarov等提出了靜電傅里葉離子回旋共振質(zhì)譜，將其命名為Orbi trap。它也是利用靜電場(chǎng)使離子在質(zhì)量分析器內做周期性運動(dòng)，從而實(shí)現對離子的束縛。與其他類(lèi)型的質(zhì)譜儀及磁式傅里葉變換離子阱相比較，Orbi trap既能提供高分辨率和質(zhì)量精度的質(zhì)量分析，同時(shí)又能夠降低制造成本，減輕重量，可使Orbi trap得以廣泛的應用。
與利用射頻電場(chǎng)實(shí)現離子束縛的質(zhì)量分析器，例如3D離子阱以及四極桿濾質(zhì)器不同的是，傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱是利用靜電場(chǎng)實(shí)現離子的束縛，使得它作為質(zhì)量分析器時(shí)的結構變得簡(jiǎn)單。同時(shí)，如果利用離子在離子阱內的軸向振動(dòng)頻率作為檢測對象，就可以獲得足夠高質(zhì)量分辨率。傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的這些優(yōu)點(diǎn)為它實(shí)現小型化，便攜化創(chuàng )造了條件。但是，傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱也存在著(zhù)應用上的困難。由于離子阱是一種封閉型的質(zhì)量分析器，存在著(zhù)離子源接口問(wèn)題。如何才能使得離子阱獲得足夠的分析靈敏度是傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱應用設計的關(guān)鍵所在。
本文基于離子在傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱內的運動(dòng)方程，給出離子的最佳入射條件。通過(guò)對離子在不同初始條件下進(jìn)入離子阱后的運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，得出了離子能夠被離子阱束縛的入射動(dòng)能范圍。分析了離子不同入射角度和不同入射位置對入射動(dòng)能范圍的影響，給出了實(shí)現傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱離子源接口的離子初始條件范圍。
1、傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的工作原理
傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱由一個(gè)紡錘狀的內部電極和一個(gè)的桶狀外部電極組成。兩電極同軸，且均為軸對稱(chēng)，圖1示意了它們的形狀。它們的電極形狀，尺寸由式(1)決定。
圖1 傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的電極形狀
5、結論
在傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱內外電極半徑和內外電極電勢確定以后，離子進(jìn)入離子阱后的運動(dòng)狀態(tài)由它的入射條件決定。這里所說(shuō)的離子入射條件包括：初始動(dòng)能，入射角度以及入射位置。為實(shí)現離子阱離子接口的高效率，應從以下方面來(lái)優(yōu)化離子的入射條件：
首先，盡可能的使得離子的初始動(dòng)能滿(mǎn)足傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的最佳入射條件，也即離子的入射動(dòng)能滿(mǎn)足式子
同時(shí)還滿(mǎn)足離子的徑向初速度為零和離子的徑向加速度大小為零。
其次，由于最佳入射條件是一種理想狀態(tài)，而離子在絕大多數情況下是以非最佳條件入射，所以須保證離子的入射動(dòng)能在可接受離子初始動(dòng)能范圍之內;要使離子的入射角接近π2，保證離子入射條件的接受范圍最大;要使離子靠近傅里葉變換靜電場(chǎng)離子阱的內電極進(jìn)入離子阱，這樣使得離子阱接受離子初始動(dòng)能范圍達到最大。
