飞行时间质谱仪离子透镜的数值模拟

题目：飞行时间质谱仪离子透镜的数值模拟页第1章绪论1.1选题背景飞行时间质谱仪是一种很常用的质谱仪，质谱仪有称质谱计。是一种分离和检测不同同位素的仪器。质谱仪是通过测量离子的飞行时间，来推算离子的质荷比。因此，质谱仪是先将物质电离，然后通过电场或磁场的作用将不同质量电荷比的带电离子分离，而后，由得到的质谱图确定物质成分和结构信息的分析仪器[1]。随着当代科学理论的不断提升与发展和技术水平的提高，质谱仪通过与多态电离源、化学解吸电离方法、中性粒子激光后电离方法、基质辅助激光解析离子化技术、离子脉冲化技术、数字图像处理技术等的结合[2-5]。在分辨能力和灵敏度上有显著的提高，使其与其他表面分析仪器相比有了显著的优势。除此之外，离子透镜在离子分析的过程中也扮演着重要的角色。由于离子的产生存在初始速度分散、初始角度分散、初始能量分散和初始位置分散的不同，这些初始条件分散的不同会导致离子飞行时间上的不同，因此需要对离子进行聚焦。旋转对称的电场或磁场对带电粒子具备聚焦成像的离子光学性能，与光线光学中的光学透镜有着相似的作用[6]。因此，人们把所有能够形成旋转对称电场、静磁场或者复合电磁场的离子光学系统中的电极系统或磁场系统称为离子光学透镜[7]。仅由静电场组成的离子光学透镜称为静电透镜。静电透镜通常由加有一定电压并且具有旋转对称几何形状的电极组合而成[6]。飞行时间质谱仪作为目前前沿用于便面成分分析的科学装置之一，它具有分析速度快、测量范围宽、样品消耗少、灵敏度高等特点。无论是环境科学、分析化学还是生物学等领域，都有很广泛的应用。并且这一技术也是将离子质谱技术与飞行时间质量分析技术相结合的前沿科学技术之一。该质谱仪是根据能量相同、质量电荷比（质荷比）不同的离子的飞行速度不同，因而到达特定轨道的时间不同来实现分离。本课题便主要针对飞行时间质谱仪离子透镜电离离子运动轨迹的模拟，以及建立其电离离子的物理模型，分析离子光学透镜部分电参数对离子透镜性能的影响。同时，离子透镜作为飞行时间质谱仪的重要组成部分，本课题对离子透镜的研究，为飞行时间质谱仪离子透镜提供理论支撑，也可推动离子透镜在应用等方面的发展。1.2选题意义飞行时间离子质谱仪通常由进样系统、离子源、离子光学系统、飞行时间质量分析器、离子检测器等组成。质谱仪是根据带电粒子在电磁场中能够分离或偏转的原理,按物质原子、分子的质量差异进行分离和检测物质组成的一种仪器,一般包括上位机软件控制、离子源、离子透镜模块、电控模块、真空模块等。离子透镜系统一般由透镜电源及透镜的机械部件组成,机械结构相对固定且难以动态调节,离子在从离子源产生到达质量分析器的过程中,会有大量损失在传输途中,因此离子透镜尤其是离子透镜电源对提高质谱仪检测的灵敏度起着关键的作用[8],同时为了保证质谱仪对离子传输过程的动态调节需求,需要输出稳定及可动态调节的电源来满足上述需求[9]。虽然质谱仪和离子透镜都有很多的优点，却也存在着许多的不足，现有的技术能够满足实际器件的需求，但从长远来看就显得捉襟见肘了。同时，离子透镜的性能受很多电参数的影响，不同的电参数不仅对离子透镜的工作性能会产生影响，也会对离子运动轨迹产生影响，若要保证得到最好的工作性能，则需要对这些电参数进行理论与实践的双重分析，以便更好地分析离子在离子透镜中的运动情况。除此之外，通过查阅一些文献以及在网络上对不同的质谱仪发展的了解后，对近几年来不同的厂家上市的一些不同类型的质谱仪做出的一些了解分析之后，我们可以通过明确的结果感知到质谱仪的未来正在向小型化结构、系统化结构、集成化结构和智能化结构的方向去发展质谱仪。换而言之，小型化主要是质谱仪的电路部分和分析部分的小型化。由于集成电路技术在电路中的广泛应用，元器件的数目和自身的体积逐渐减小,这使得元器件的排布密度紧密了，并且电路部分自身的功耗，变得更小了，这使的质谱仪的小型化成为可能。一般我们需要分析的质谱范围比较大，而一个质谱仪的测量范围是一定的。并且在真空系统中还将会需要测量不同类型的物质，因此一个质谱系统，将会需要多种不同精度的分析器。质谱仪的系统化就是将质量分析器测量与控制等相结合形成一个测控系统，这使得质谱仪不再是一台单独的测量仪器，系统化一方面体现在质谱仪自身成为具有测量和控制功能的测控系统;另一方面体现在质谱仪成为工业自动化测试系统中的一个环节。本课题飞行时间质谱仪离子透镜的数值模拟，主要针对飞行时间质谱仪离子透镜电离离子运动轨迹的模拟，以及建立其电离离子的物理模型，分析离子光学透镜部分电参数对离子透镜性能的影响。应当前质谱仪发展趋势，本课题对飞行时间质谱仪离子透镜的数值模拟的研究，对质谱仪新的发展方向也具有参考价值。1.3主要研究内容本课题通过对离子的产生及离子的运动情况的分析，根据飞行时间质谱仪器的结构与工作原理以及主要性能指标，对离子透镜部分进行数值模拟，通过SIMION8.0光学模拟软件，对离子进行仿真和建模研究。具体研究内容如下：对飞行时间质谱仪的工作原理与物理结构，以及主要性能指标进行介绍。对离子的产生、初始状态（位置、能量、速度、角度）进行分析。对离子透镜的分类与工作原理进行介绍。在SIMION8.0软件中，针对离子透镜部分对离子的运动轨迹进行仿真。在SIMION8.0软件中，通过建模，分析部分电参数对离子透镜性能的影响。对本课题的主要研究内容和仿真结果进行总结。

第2章飞行时间质谱仪2.1飞行时间质谱仪的结构飞行时间质谱仪是一种很常用的质谱仪。是一种分离和检测不同同位素的仪器。通常由进样系统、离子源、离子光学系统、飞行时间质量分析器、离子检测器等组成。图2-1：飞行时间质谱仪实物图图2-2：飞行时间质谱仪结构框图2.2飞行时间质谱仪的原理作为常用的表面化学成分分析仪器，飞行时间质谱仪的特点明显、运用广泛。它遵循从样品导入到离子源，而后到质量分析器，最后到检测器的流程。其主要工作原理，由离子源产生的离子首先被收集，在收集器中所有离子速度变为0，使用一个脉冲电场加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器，记录各离子的到达时间和丰度，根据离子质荷比的不同达到分离离子的目的。如图2-3所示。图2-3：飞行时间质谱仪工作原理图图2-4：质谱仪工作原理图由基础公式12mv2=neV；其中m（离子质量）、v（离子速度）、n（例子个数）、L（飞行距离）、V（离子所在电势）、T（飞行时间）。由上述两个公式可推出公式：T=Lm2neV。可以得出，当离子飞行距离L与所在电势V一定时，T与m2.3飞行时间质谱仪的主要性能指标（1）灵敏度灵敏度是指，质谱仪对样品的检测能力，它与离子的传输效率、检测效率、电离效率和本底噪声等因素有关，灵敏度是决定质谱仪检测极限的关键性能指标，它意味着质谱仪最少能发现多少离子。通常，飞行时间质谱仪产品的检测灵敏度在ppm或ppb量级。（2）质量分辨率质量分辨率是指，质谱仪分离相邻质量离子的能力，是质谱仪的分析能力的重要指标之一。不同种类的质谱仪对质量分辨率的定义不完全一样。对于飞行时间质谱仪而言，它质量分辨率的定义是：R=m∆m其中R（质量分辨率）、m（离子质量数）。对于质谱仪而言，质量分辨率越大越好。（3）质量检测范围质量检测范围通常用原子质量单位或者是分子质量单位来衡量。它指质谱仪器能够分析的样品的相对原子质量或者是相对分子质量的范围。对于飞行时间质谱仪，理论上任何质量电荷比的离子都可以在飞行轨道中飞行并由检测器检测到。但是实际情况下，质量范围还与离子电荷量的大小、仪器的真空度、检测器的性能等有关[1]。（4）质量精度质量精度是衡量质谱仪器测量物质成分的准确度，指质谱仪的实测分子量和理论分子量的接近程度。2.4本章小结本章内容，主要对飞行时间质谱仪的结构进行了描述，包括离子源、质量检测器和离子接受器等。对飞行时间质谱仪的工作原理与理论知识进行了介绍，主要以公式的形式结合理论理解飞行时间质谱仪的工作原理，并且对飞行时间质谱仪的主要性能指标进行了简要的概括，包括灵敏度、质量分辨率、质量检测范围和质量精度。从飞行时间质谱仪的性能指标可以看出，它具有分析速度快、测量范围宽、样品消耗少、灵敏度高等特点，同时，随着人们对质谱仪使用的范围越来越广泛，也很具有研究价值。第3章离子光学系统的研究3.1离子初始运动情况的分析3.1.1离子的产生离子由离子源产生，离子源是一种使中性原子或分子电离，并从其中引出离子束流的装置。它是质谱仪中不可缺少的部件。图3-1：离子源实物图3.1.2离子初始位置与初始角度的分散离子源产生的离子束，由于在产生的时间上存在先后之分，故离子与离子间存在着一些差异性。通过查阅资料，这些差异性主要有离子初始位置与初始角度的分散、初始能量分散与初始速度分散。我们先介绍离子初始位置与初始角度分散，如图3-2。图3-2：离子初始位置分布与初始角度示意图从分布图可以看出，离子源产生离子后，这些离子的初始位置分布和初始角度均不尽相同，这对离子飞行时间的准确测量带来了很大的影响，除此之外，也会导致飞行时间质谱仪的质量分辨能力下降和测量结果的不准确。3.1.3离子初始能量与初始速度的分散离子的初始能量分散是指离子未进入离子传输系统时，相同质荷比的离子在初始能量上的差异。前人的研究已经得出过这样的结论。离子的初始能量通常都是满足高斯分布的随机序列[10]。在离子束能量为1KeV、入射角度为30°时，在不同的出射角度下测量得到的离子（银离子为例）的初速度能量分布如图所示[11]。图3-4：银离子初始能量分布图由于离子的初始速度分散与离子的初始能量分散有关。由上述可知，若离子的初始能量存在差异，那么离子的初始速度也会存在差异。离子初始速度的分散是指离子未进入传输系统时，相同质荷比的离子在初始速度上存在的差异性。3.2离子光学透镜的分类由3.1可知，离子源产生离子束后，这些离子在初始位置分散、初始能量分散、初始速度分散和初始角度分散，均会存在差异，这些差异会导致离子飞行时间上的差异，因而需要对离子进行聚焦，就需要用到透镜。旋转对称的电场或磁场对带电粒子具备聚焦成像的离子光学性能，与光线光学中的光学透镜有着相似的作用[12]。因而，将所有能够形成旋转对称电场静磁场或者复合电磁场的离子光学系统中的电极系统或磁场系统称作离子光学透镜[7]。仅由静电场组成的离子光学透镜称为静电透镜。静电透镜通常由加有一定电压并且具有旋转对称几何形状的电极组合而成[12]。静电透镜按电位分布，可以分为膜孔透镜、单透镜等。3.2.1膜孔透镜静电透镜是透镜的一种，一般由两个或两个以上的旋转对称开有小孔的金属片电极构成。这些金属片，沿对称轴通过旋转便具有聚焦的作用。膜孔透镜的结构很简单，在一个具有小孔的薄片(一般称之为膜孔电极)的两侧设置不同的电位(或不同的电场强度，如图中的E1和E2)，这就是膜孔透镜。如图3-5所示，虚线表示电位线，箭头表示方向。图3-5：膜孔透镜结构示意图当E2>E1时，如图3-5（a），左右电场方向可视为E2的方向，此时焦距的值为负，因此膜孔透镜具有发散的作用。当E2<E1时，如图3-5（b），左右电场方向可视为E1的方向，此时焦距的值为正，因此膜孔透镜具有会聚的作用。3.2.2单透镜单透镜一般由三个电极组成，通常三个电极的组合形状时对称的，单透镜两侧具有相同且恒定的电位，如图3-6所示。这种透镜具有和常规光学中的凸透镜那种能把入射光会聚的功能。所以可以说单透镜就是凸透镜，它也是一个会聚透镜，其结构与膜孔透镜相比稍复杂。单透镜的三个电极，由于其两侧具有相同且恒定电位（V1=V3），所以中间电极电位可为0或两侧电极电位为0，中间电极电位不为0的情况下(V2≠0)，单透镜均具有聚焦的功能。因此，单透镜只要有一个电位就可以工作，单透镜也称为单电位透镜。图3-6：单透镜结构示意图在3.1：离子初始运动情况的分析中，我们已经知道，离子束由离子源产生，此时离子速度均为0。而后，使用电场（偏转板）对离子束进行加速，通过质量分析器对离子束进行质量的分析与分离，最后通过无场漂移管，并以恒定的速度飞向离子接收器。在离子通过偏转板之前，单透镜已经对离子束进行过聚焦操作。如图3-7所示。图3-7：离子运动轨迹示意图3.3本章小结本章首先介绍了离子的产生，是由离子源使中性原子或分子电离，并从其中引出离子束流的装置。然后对离子的初始运动情况进行了介绍，包括离子初始位置分散、初始能量分散、初始角度分散和初始速度分散的分析，这些差异会导致离子飞行时间上的差异，因而需要对离子进行聚焦，就需要用到透镜。本文为解决这些情况，引入了离子透镜。最后介绍了离子光学透镜的相关知识和离子透镜一些分类。仅由静电场组成的离子光学透镜称为静电透镜。静电透镜通常由加有一定电压并且具有旋转对称几何形状的电极组合而成[12]。静电透镜按电位分布，可以分为膜孔透镜、单透镜等。本章也说明了离子透镜的作用和列举膜孔透镜、单透镜两种透镜的工作原理。

第4章光学模拟软件SIMION8.0的介绍4.1软件介绍SIMION8.0是爱达荷国家工程与环境实验室研究开发的一款基于PC机的电子光学、离子光学建模和仿真的经典软件[13]。SIMION8.0主要用于计算电场或磁场并模拟带电离子在电场或磁场中的运动轨迹，可以通过SIMION8.0软件模拟直观地观察带电粒子在二维或三维坐标下的运动轨迹。SIMION的图形用户界面提供了高度交互的高级用户环境。所有的势阵，均被视为三维物体，用户可以通过它来检测离子轨迹和势能表面。各种用户编程和几何定义功能趋向于SIMION的多功能性和强大功能。SIMION8.0是SIMION7.0的增强版，具有新的Windows用户界面和批处理模式、用户编程、新的粒子定义格式、更高的性能、更高的限制和CAD模型导入。同时，SIMION可以模拟二维或三维坐标下不同形状的电极或不同结构的电极组合，也可以对粒子的初始条件进行设置（例如粒子种类、粒子个数、起始位置、起始角度等），然后可以分析不同参数的设置给粒子运动轨迹带来的影响。由于其功能上的强大和特性上的优势，SIMION3D8.0可以对不同初始条件下的一组或多组离子进行离子运动状态的仿真模拟，对用户所定义的系统中各个电极的电压进行配置，观察离子在系统中的运动轨迹并记录相关数据进行仿真研究。SIMION旨在提供直接且高度用于模拟各种通用离子光学问题的交互式方法。易用性，速度和准确性之间的程序平衡，使其能够支持许多现实世界应用程序。除此之外，SIMION8.0还可以让离子单个或成组飞行，显示为线条或飞行状态点，并在需要时自动重新飞行以提供电影效果。其它功能包括数据记录，电荷排斥，用户程序和几何文件。结果是可以对各种问题进行建模的程序，包括：离子源和检测器光学器件，飞行时间仪器，离子阱，四极杆，ICR池或您所拥有的。任何程序对所有人都是万能的。SIMION旨在提供直接且高度用于模拟各种通用离子光学问题的交互式方法，易用性，速度和准确性之间的程序平衡，使其能够支持许多现实世界应用程序。SIMION8.0是一个通用的建模仿真平台，已经被广泛地应用于静电透镜模拟、质谱学研究以及其他类型的粒子光学系统[14]。4.2子目录在软件SIMION8.0中的作用SIMION要求与项目相关的所有文件（例如*.PA，*.IOB，*.FLY2和等）包含在硬盘的同一子目录中。子目录中可以有多个项目。如果SIMION要求与项目有关的所有文件都没有包含在同一文件夹下，这样很容易造成混乱。SIMION随附的每个演示都在其自己的目录下，c之下：\ProgramFiles\SIMION8.0\examples。这些演示有助于展示如何进行各种项目。4.3SIMION8.0主菜单图4-1：SIMION8.0主菜单各个选项的功能如下：（1）View/LoadWorkbench：查看或者加载一个已经建立的仿真平台；（2）New：新建一个阵列空间，并对阵列空间位置、尺寸和形状等进行定义；（3）Load：加载已建立的阵列；（4）Save：对新建的阵列或者阵列空间进行保存；（5）RemoveAllPAsfromRAM：删除已经加载到仿真平台中所有的阵列；（6）Modify：对阵列进行创建、编辑或修改，在此选项下既可以通过直接设置阵列尺寸的方式进行阵列的创建又可以通过使用几何文件的方式创建阵列；（7）Refine：重新定义阵列空间，生成工程文件之前的必要步骤；（8）FastAdjust：对阵列以及阵列中电极电压等的快速调整；（9）SLTools：可以将CAD文件或者STL文件转换成阵列文件；（10）MaxPASize：最大阵列尺寸设置；（11）MaxIons：可以模拟的离子数量的最大值设置；（12）AdjustPreferences：界面特性调整，包括对界面的字体、颜色、声音等的调节；（13）BrowseFiles：几何文件浏览；（14）RunLuaProgram：运行Lua程序，即用户扩展程序的运行；（15）CheckforUpdates：检查软件是否有更新；（16）Docs：软件说明文档。4.4使用软件构建第一个仿真新建一个仿真模型时，首先要新建一个PA文件，可以通过直接设置阵列尺寸和使用几何文件两种方式，直接设置阵列尺寸的方式适合简单的几何模型的建立，具体的操作是通过点击Modify设置平台空间的尺寸、对称性质、场的类型等。创建平台空间后可以在平台空间里定义电极的位置、形状和尺寸等，而使用几何文件即GEM文件适合对复杂的几何模型的建立，要先对GEM文件进行编写，通过程序定义平台空间的尺寸和电极的位置、形状和尺寸等，编写好GEM文件后，具体的操作是点击Modify后出现的界面然后点击UseGeometryFile添加已编写的GEM文件即可。这里我们重点介绍第一种创建平台空间的方式，直接设置阵列尺寸。首先，接下来的定义平台空间和阵列并建立PA文件后将其保存为PA#文件，并通过Refine对阵列进行整合与编译，生成一个PA0文件，在没有错误的情况下，通过View观察平台空间，在Workbench选项下可以设置平台空间三维坐标的范围。然后，进行势能阵列设置，通过PAs选项中的FastAdjustVoltages对平台空间中的电极电压进行配置，并对粒子的初始状态参数进行设置，在Particles选项下，粒子的初始状态参数设置界面，通过Define定义粒子的质量、所带电荷量、初始位置、初始角度和初始能量等。最后，完成平台空间创建、势能阵列配置、粒子初始状态设置和数据记录设置后，便可以返回到Workbench菜单中，点击Fly’m运行，使离子开始运动，可以通过Display菜单在三维坐标系的各个平面中观察离子的运动轨迹。以上便是SIMION8.0的操作步骤，现在使用软件构建第一个仿真，具体操作如下。（1）启动SIMION（2）点击查看按钮访问其功能（或按V键）（3）文件选择器将显示以选择一个。IOB（离子光学工作台）文件。打开TOF子目录，然后选择文件TOF。图4-2：XY-2D下视图（4）设置离子运行时的条件（以组运行、以点运行、重复运行）离子运行条件的设置主要有，离子以组（Grouped）的形式运行、以点（Dots）的形式运行和重复运行（Rerun）这几种方式,其最终目的均是为了方便观察离子运动轨迹。设置离子运行条件如图4-3所示，运行结果如图4-4所示。图4-3：设置离子运行条件（5）切换2D或3D视图，点击“Fly”，观察离子运动轨迹图4-4：XY视图下离子的运动轨迹图图4-5：3DIso下离子的运动轨迹图（6）在XY2D视图下，点击“PE”选择框，选中“PEView”，可启用势能图，以便更直观观察离子运动过程中，其势能变化情况。图4-6：离子在势能图下的运动轨迹图4.5本章小结本章首先介绍了SIMION8.0光学模拟软件的主要功能、优势等。主要功能指它是一个通用的建模仿真平台，已经被广泛地应用于静电透镜模拟、质谱学研究以及其他类型的粒子光学系统[14]。其它功能包括数据记录，电荷排斥，用户程序和几何文件。其可以对各种问题进行建模的程序，包括离子源和检测器光学器件等。其优势在于方便视图与离子飞行轨迹的观察，既可以在2D,也可以在3D下。除此之外，SIMION8.0还能提供直接且高度用于模拟各种通用离子光学问题的交互式方法。易用性，速度和准确性之间的程序平衡，使其能够支持许多现实世界应用程序。然后，介绍了子目录在SIMION中的主要作用，子目录中可以有多个项目。如果SIMION要求与项目有关的所有文件都没有包含在同一文件夹下，这样很容易造成混乱。总之，通过新建的PA文件，后经一系列的操作后所有生成的文件必须保存在同一文件夹下，否则容易在仿真时发生错误。最后，对SIMION操作界面按钮的功能进行了介绍，并通过构建一个仿真，在SIMION中，通过更改离子运动条件（以组运行、以点运行、重新运行和PE势能图等）来观察离子在2DXY视图下和3D视图下的运动状态。

第5章离子透镜的建模及离子运动轨迹的仿真51离子透镜的建模首先，我们先点击new按钮，此时的new则为新建按钮。新建按钮之后，我们就可以设置我们所需要画的画板的长度大小，对称轴等画板参数。这里我们并没有运用过多的画板，只是选取了x轴方向为100，然后y轴方向为50，关于y轴对称。点击OK按钮就进行了画板的设置。之后我们再点击调整按钮，就可以进入到画板的模型的建立当中。在模型的建立当中，有盒子状的，也有圆形的，还有它的各种线型的可以对其进行填充以及边缘填充等操作（画绘制极板等）。画完我们所需要的模型之后，点击OK按钮就可以回到主菜单页面。此时最重要的一步还是对其进行保存，因为方便之后模型的选择以及模型选择好之后的电极电压的参数的快速调整。然后，在模型构建好的基础上，我们进入他的工作台之中。点击particles。再点击define。我们就可以进入到离子的设置当中，在离子的设置当中，我们可以看到有许多的内容，其中包括离子的数量以及它的质量，还有它的电荷，包括它的颜色等。（注:此处仅涉及到后面第五章节仿真试验中所需要的相关离子参数设置。）设置好之后，点击OK按钮就可以了。此时，我们点击pas按钮。可以看到fastAdjustvoltages,这里也可以运用快速调整按钮对所相应的极板电压等电压参数进行调整。点击PE按钮就可以进入到peview，然后再点击peview就可以见到其电势的分布图（便于观察各处的电势）。最后，再点击左下方的fly就可以进行离子的发射飞行，观察离子运动轨迹了。离子透镜建模过程具体如下5.1.1新建PA文件（1）打开SIMION8.0，点击New新建一个PA文件。可以设置阵列尺寸，包括对称轴、X、Y和Z轴的尺寸以及场的类型等。如图5-1所示。图5-1：阵列尺寸（2）新建一个PA文件后，点击Modify，开始绘制模型图。在模型的建立当中，有盒子状的，也有圆形的，还有它的各种线型的可以对其进行填充以及边缘填充等操作（画绘制极板等）。如图5-2是画板的设置界面和绘图界面，在这个画板的设置当中需要根据自己的模型进行相应的选择，模型需要进行曲面设置，类似于锥形，圆柱，球形，所以这选择的是cylindrical(圆柱的)，当然平面的选择也可以被用到。画图的时候也可能用到了planar(二维的)，类似于画一个长方体的模型。接下来就是关于x轴，y轴，z轴的长度设置，一般情况选择一个适中的长度，不能太大，也不能太小，太大的话模型就会看起来比较小，如果画板设置的太小的话，模型就可能会在画板中装不下，设置完后点击OK按钮。在构建的过程当中需要选择electrode，根据相应的图形画出来所需要的模型形状，这个球形当中一共运用了盒子状圆形edge（边缘）选择。在左边的选择框里选择好相应的形状，通过点击鼠标左键。再点击在画板上就可以画出相应的图形，再通过移动鼠标设置图形的大小。图5-2：Modify操作界面（3）根据论文第三章中，第3.2.2节选择的离子聚焦透镜为等轴对称三圆筒式的单透镜，然后在SIMION8.0中建立其离子透镜的模型。如图5-3所示。图5-3：在SIMION8.0中建立的离子透镜的模型5.1.2保存为PA#文件并生成PA0文件在5.1.1中已经建立了离子透镜的模型，现在点击Save保存，文件名后缀修改为可识别的PA#即可，并通过点击Refine对刚建好的阵列进行整合与编译，生成一个PA0文件。图5-4：阵列的整合与编译5.1.3View新建成的PA0文件点击View观察平台空间，查看已经生成的PA0文件，可观察离子聚焦透镜（单透镜）在SIMION8.0中的2D和3D模型，分别如图5-5、5-6所示。图5-5：XY视图下的单透镜模型图图5-6：3D视图下单透镜的模型图5.1.4配置电极电压现在我们对模型进行势能阵列设置。点击PAs选项中的FastAdjustVoltages，对当前平台空间中的电极电压参数进行配置。如图5-7所示。图5-7：电极电压配置图5.1.5设置离子初始状态参数离子的初始条件包括离子的质量数、初始位置、初始角度、初始能量和离子数量等，均可以在SIMION8.0中对离子的初始条件和状态进行设置。操作如下：点击Particles选项中的Define即可设置。如图5-8所示。图5-8：离子初始条件和状态的设置52离子运动轨迹的仿真在5.1中，我们已经完成了平台空间的创建、势能阵列的配置、电极电压的配置和离子初始条件的设置。现在返回到Workbench菜单中，点击Fly’m运行，让离子开始运动，此时我们可以通过Display菜单，在三维坐标系的各个平面观察离子的运动轨迹。2D视图如图5-9所示，3D视图如图5-10所示，PE势能图5-11。图5-9：2D视图下离子运动轨迹图5-10:3D视图下离子运动轨迹图5-11：PE势能图53本章小结本章我们对离子透镜（单透镜）的建模过程进行了介绍，包括新建PA文件（打开SIMION8.0，点击New新建一个PA文件）、点击Modify，开始绘制模型图、点击Save保存，文件名后缀修改为可识别的PA#即可，并通过点击Refine对刚建好的阵列进行整合与编译，生成一个PA0文件。整个建模过程包括新建平台空间、对势能阵列空间的配置、电极电压的配置和对离子初始状态的设置等。完成离子透镜的建模后，接下来可以首先设置离子的初始运动条件，例如离子数量、离子以组（Grouped）的形式运行、以点（Dots）的形式运行和重复运行（Rerun）这几种方式。然后开始配置电极电压值，点击PAs选项中的FastAdjustVoltages，对当前平台空间中的电极电压参数进行配置。最后，点击Fly，开始仿真，通过仿真我们得到了离子在2D和3D下的运动轨迹图。

第6章电参数对离子透镜性能的影响61离子透镜部分电参数汇总由于二次离子存在着初始位置分散、初始角度分散、初始能量分散和初始速度分散，这些初始条件分散，会导致二次离子飞行时间上的差异，因而需要对二次离子进行聚焦。离子光学透镜与光学透镜有着相似的作用，均通过旋转对称的电场或磁场对带电粒子具备聚焦成像的离子光学性能。聚焦后，离子的初始位置、角度、能量和速度都会一样，这样便可以解决问题。离子透镜的电参数包括，平台空间的尺寸、对称性质、场的类型，电极的位置、形状和尺寸，离子的动能、飞行区距离、初始位置、初始速度、电极电压值等。参数设置的不同，仿真时，均会影响离子的运动轨迹。62部分电参数对离子透镜性能的影响6.2.1平台空间尺寸在第5章第5.1.1节中，在建立一个仿真模型时，新建PA文件，便是平台空间尺寸的设置过程。如图6-1所示。图6-1：平台空间尺寸的设置打开SIMION8.0，点击New新建一个PA文件。图中可以设置阵列尺寸，包括对称轴、X、Y和Z轴的尺寸以及场的类型等。用控制变量法，这里只对平台尺寸做改变。以X=100、Y=20和Z=1为例建立模型（模型中空），单透镜极板长度为10，如图6-2所示。这里的电极电压配置：V1=V3=0V，V2=-1V。依据单透镜工作原理，这里以对称三圆筒式单透镜为例，通常情况下，三电极的组合形状是对称的，单透镜的两侧具有相同而恒定的电位，由于外侧两个电极电位相同，中间电极电位可以为零或外侧两个电极电位为零、中间电极电位不为零（此时中间电位可为负值）的这两种情况。换而言之，该透镜中只要有一个电位及可工作。其电极电压配置应当满足上述两种情况中的任何一种。图6-2：X=100、Y=20和Z=1，极板长度为10图6-3：X=100、Y=20和Z=1离子运行轨迹图以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型（模型中空），单透镜极板长度为10，如图6-4所示。图6-4：X=200、Y=40和Z=1，极板长度为10图6-5：X=200、Y=40和Z=1离子运行轨迹图结论：用控制变量法，除了平台空间尺寸的设置不同，其他电极电压值、对称轴和场的类型均一样。以X=100、Y=20和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V，得到的离子运动轨迹图在单透镜的第一个极板运动。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个和第二个极板之间运动。6.2.2对称性质以第5章第5.1节，建立离子透镜的物理模型为例，根据论文第三章中，第3.2.2节选择的离子聚焦透镜为等轴对称三圆筒式的单透镜，然后在SIMION8.0中建立其离子透镜的模型（此处模型未中空），如图6-6所示。图6-6：离子透镜（单透镜）模型的绘制从图6-6中左上角可以看出，平台空间尺寸的设置、对称轴和场的类型均已设置好。如图6-2所示。平台空间尺寸为，X=100、Y=20、Z=1；对称轴为X轴；场的类型为电场。图6-7：模型绘制的基本参数通过上述流程，实际得到的离子透镜（单透镜）模型，如图6-8所示，是以X轴为对称轴绘制的模型图。图6-8：离子透镜（单透镜）模型图6.2.3场的类型场的类型在SIMION8.0中通常选择电场或磁场中的一种，在第6章第6.1.1节，新建PA文件时便可以设置电场或磁场。6.2.4电极电压值在电极电压不同的情况下，离子光学系统的电场便会不同，因此离子在系统中的运动状态也会不同。电极电压值的配置方法：点击PAs选项中的FastAdjustVoltages，对当前平台空间中的电极电压参数进行配置，其他参数不变，如图6-9所示。图6-9：电极电压的配置通过修改图6-9中的“1”、“2”和“3”，便可完成电极电压的配置。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型（模型中空），单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V，如图6-10所示。图6-10：V1=V3=0V，V2=-1V离子运动轨迹图以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型（模型中空），单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-10V，如图6-11所示。图6-11：V1=V3=0V，V2=-10V离子运动轨迹图结论：用控制变量法，除了电极电压值的设置不同，其他均一样。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V，得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个和第二个极板之间运动，但未超过第二个极板。。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-10V，得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个极板间运动。63本章小结本章结合第4章SIMION8.0的使用和第5章离子透镜的建模与离子运动轨迹的仿真，首先，我们对离子透镜的部分电参数进行了汇总，包括平台空间尺寸、对称性质、场的类型和电极电压值等。并对平台空间尺寸和电极电压值做出了重点分析。用控制变量法分别改变平台空间尺寸、电极电压值，得到了不一样的结果。修改平台空间尺寸，电极电压配置不变时。以X=100、Y=20和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V，得到的离子运动轨迹图在单透镜的第一个极板运动。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-1V，得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个和第二个极板之间运动。平台空间尺寸不变，修改电极电压的配置时。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-10V，得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个和第二个极板之间运动，但未超过第二个极板。。以X=200、Y=40和Z=1为例建立模型，单透镜极板长度为10，单透镜电压调整，三个极板V1=V3=0V，V2=-10V，得到的离子运动轨迹图在单透镜第一个极板间运动。

第7章结论本文通过查阅和阅读质谱仪的相关资料，了解到质谱仪的发展现状，对飞行时间质谱仪的结构和工作原理、离子透镜等进行了简要介绍。并对飞行时间质谱仪的结构和仪器的主要性能指标进行了概括，然后通过对离子运动情况的分析，提出了离子透镜并对离子透镜的作用和分类进行了介绍。最后对SIMION8.0光学模拟软件进行了介绍和应用，包括离子运动轨迹的模拟仿真和离子透镜的建模。主要研究成果如下。首先，熟悉飞行时间质谱仪的原理与结构。主要对飞行时间质谱仪的结构进行了描述，包括离子源、质量检测器和离子接受器等。对飞行时间质谱仪的工作原理与理论知识进行了介绍，主要以公式的形式结合理论理解飞行时间质谱仪的工作原理，并且对飞行时间质谱仪的主要性能指标进行了简要的概括，包括灵敏度、质量分辨率、质量检测范围和质量精度。然后，学习了离子的初始运动情况以及离子光学系统的相关理论。包括离子初始位置分散、初始能量分散、初始角度分散和初始速度分散的分析，这些差异会导致离子飞行时间上的差异，因而需要对离子进行聚焦，就需要用到透镜。本文为解决这些情况，引入了离子透镜。最后介绍了离子光学透镜的相关知识和离子透镜一些分类。仅由静电场组成的离子光学透镜称为静电透镜。静电透镜通常由加有一定电压并且具有旋转对称几何形状的电极组合而成。静电透镜按电位分布，可以分为膜孔透镜、单透镜等。最后，结合SIMION8.0光学模拟软件，通过建模，针对离子透镜部分完成对离子的运动轨迹的仿真模拟。对离子透镜（单透镜）的建模过程进行了介绍，包括新建PA文件（打开SIMION8.0，点击New新建一个PA文件）、点击Modify，开始绘制模型图、点击Save保存，文件名后缀修改为可识别的PA#即可，并通过点击Refine对刚建好的阵列进行整合与编译，生成一个PA0文件。整个建模过程包括新建平台空间、对势能阵列空间的配置、电极电压的配置和对离子初始状态的设置等。完成离子透镜的建模后，接下来可以首先设置离子的初始运动条件，例如离子数量、离子以组（Grouped）的形式运行、以点（Dots）的形式运行和重复运行（Rerun）这几种方式。然后开始配置电极电压值，点击PAs选项中的FastAdjustVoltages，对当前平台空间中的电极电压参数进行配置。最后，点击Fly，开始仿真，通过仿真我们得到了离子在2D和3D下的运动轨迹图。

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