وبلاگ

چرا به دام اندازی؟

یک ذره ی معلق منفرد به دام افتاده که در یک فضای مجاز در حال استراحت باشد، یک شی ایده آل است برای یک اندازه گیری دقیق که به دام اندازی یون تقریبا نزدیک ترین پیشنهاد برای این هدف دلخواه است که پیشگامان به دام اندازی یونی ” ولفگانگ پاول ” و “هنز دهملت”  نام دارند که در سال 1989 جایزه ی نوبل را دریافت کرده اند. به همین علت دام یون چهار قطبی را اغلب دام یون پاول نیز می نامند. [1]

به طور کلی  دام سه بعدی شامل دو الکترود جانبی  فلزی به شکل هذلولی است که رودرروی یکدیگر قرار گرفته اند و یک حلقه الکترود در نیمه ی راه بین دو الکترود دیگر است . یون  در فضای بین این سه الکترود با   ACمتناوب و یا DC ثابت به دام افتاده است. ولتاژ رادیویی AC به الکترود  حلقه اعمال شده است. در این روش یون ها در یک حرکت پیچیده ای که به طور کلی شامل ابری دراز و باریک از یون ها  وپس از آن کوتاه و پهن نوسان می کند.

دام یون چهار قطبی « QIT » دارای دو شکل است : 1- به صورت سه بعدی که توضیح آن در بالا داده شد و به صورت خطی که از 4 الکترود موازی ساخته شده است . پیکربندی ساده دارای خط راست است. استفاده از طراحی خطی در سادگی آن است اما برگ محدودیت خاصی در مدل سازی آن است.[2] برای درک چگونگی آن بهتر است که آن را به صورت خطی تجسم کنیم. هرچند که دام های  با اشکال هندسی دیگر مانند استوانه ای نیز ساخته شده است.

دام پاول، برای ایجاد یک میدان الکتریکی زینی شکل و برای به دام انداختن یک یون، البته  با یک چهار قطبی  طراحی شده است . این میدان الکتریکی زینی شکل نمی تواند یک یون را که در مرکز تنظیم شده است، بچرخاند و فقط می تواند آن را بالا و پایین ببرد، به همین دلیل حرکت یون منفرد در این دام توسط معادلات “متی یو” داده می شود. این معادلات فقط می تواند حل عددی یا معادل شبیه سازی های رایانه ای را ارائه دهد.

نواحی پایداری می تواند شامل ناحیه های اول، دوم، سوم، و همچنین بالاتر نیز باشد. گیراندازی یون در نواحی پایداری بالا برای آن دسته از یون هایی صورت می گیرد که دارای انرژی  جنبشی بالاتری هستند.چون برای گیراندازی این یون ها نیاز به نیروی الکترومغناطیسی قویتری است لذا نواحی پایداری بالاتر مناسب تر است اما از آن جایی که برای گیراندازی یون در این نواحی دقت دستگاه باید بسیار بالا باشد و حتی نوسانات بسیار کم در ولتاژ متناوب می تواند باعث خارج شدن یون از ناحیه ی پایداری شود لذا محققان بیش تر تمایل دارند که در ناحیه ی پایداری اول که به علت وسیع بودن آن تغییرات ولتاژ باعث خارج شدن یون از ناحیه ی پایداری نمی شود عمل به دام اندازی صورت گیرد.

برای جداسازی یون ها از روش های متفاوتی استفاده می شود اما یکی از جدیدترین روش های جدا سازی یون با بهره گرفتن از دام چهار

 قطبی(QIT) است .ما بر آن شدیم تا روشی را برای جدا سازی یون های He+ 4 که به دلیل سبک بودن آن ها مشکل تر از سایر یون ها از یکدیگر جدا می شوند ارائه نماییم.

میدان الکتریکی متناوب ایجاد شده در دام باعث حرکت نوسانی یون در ناحیه ی مرکزی آن می شود. دام پاول بخش اساسی از یک طیف سنج جرمی را تشکیل می دهد و قابلیت بسیار خوبی در  جدا سازی یون ها دارد. حساسیت بالا ، عملکرد ساده و قیمت پایین دام چهار قطبی باعث استفاده روز افزون آن در صنعت، پژوهش،  علوم کاربردی و مهندسی شده است. ولتاژهای مختلفی که به الکترودها اعمال می شوند ( مستقیم یا متناوب ) یک میدان الکتریکی در فضای درون دام ایجاد می کنند و این ولتاژها در شکل دادن به یون هایی که به دام می افتند مفید است. حرکت کامل یون ها در دام پاول وابسته به این ولتاژها و نسبت های جرم به بار آن ها است ، یک طیف جرمی توسط مشاهده ی یون های عبوری از میان فیلتر جرم چهار قطبی به دست می آید که دو حالت داریم:

1) تغییر Ω به ازای ثابت نگه داشتنu وv

2) تغییر و  ( با    ثابت ) به ازای ثابت نگه داشتن Ω

یک فیلتر جرم چهار قطبی شامل چهار میله ی فلزی موازی و همگن است که دو میله ی مقابل هم دارای پتانسیل t Ωv cos  +u و دو میله ی دیگر دارای پتانسیل( tΩu+v cos (- خواهند بود. در این جاu   یک ولتاژ dc و   tΩv cos  یک ولتاژac است .به ازای ولتاژهای dc وac فقط یون های با نسبت   حتماً از میان فیلتر عبور می کنند و دیگر یون ها از مسیر اصلی خارج می شوند. ( منحرف می شوند). یون به دام افتاده در دام چهار قطبی، حرکت نوسانی شبیه به حرکت فنر مرتعش را دارد. دام پاول سطح هذلولی دارد. از این جهت معادلات  حرکت منجر به “ معادله ی حرکت متی یو ”  خواهد شد که دارای راه حل مشخصی است . طبق این معادله،  حرکت یون در دام چهار قطبی در بعضی مسیرها پایدار و در بعضی مسیرهای دیگر ناپایدار است.

حرکت یون در دستگاه های چهار قطبی با حرکت مستقیم در نواحی بدون میدان یا باحرکت منحنی در قطاع های مغناطیسی و الکتریکی دستگاه های طیف جرمی قطاعی کاملا متفاوت است. دام یون چهار قطبی و تفکیک کننده ی جرمی چهار قطبی دستگاه های دینامیک شناخته می شوند . چون مسیرهای یون در این دستگاه ها توسط یک مجموعه از نیروهای وابسته به زمان توصیف می شوند در دستگاه های چهار قطبی، میدان  چهار قطبی در صورتی تشکیل می شود که به الکترودهایی که ساختار هندسی هذلولی دارند پتانسیل اعمال شود.

شکل  زیر یک تعداد مفاهیم اولیه برای یک ساختار پیچیده ی چهار  قطبی را به تصویر کشیده است که بعضی از اجزای واقعی و مطرح آن عبارتند از :

(a ) فیلتر جرم ؛ ( b ) فیلتر جرم با شیب به سمت عقب؛ (C) فیلتر جرم به شکل مستطیلی؛ (d) فیلتر جرم با یک ضمیمه با دقت بالا؛ (e )یک تک قطبی؛ (f )یک تک قطبی متمرکز شده ؛ (g )یک تک قطبی چهارقطبی؛ (h ) یک تک قطبی 4 برابر شده ؛(i)یک دام یون چهار قطبی  سه بعدی با  رزونانس تشخیص یون؛ (j)دام یون با آشکار ساز خارجی تشخیص یون ؛(K)دام یونی که یک منبع فیلتر جرم دارد؛ (I)یک چهار قطبی الکتریکی سه بعدی ساکن که در یک تجزیه کننده ی انرژی ستفاده میشود؛ (m)یک طیف سنج زمان پرواز ؛ ( n ) یک دو قطبی متمرکز شده؛ ( O) یک طیف سنج جرمی به شکل سیم پیچ ( سولونویید)؛ (P ) یک چهار قطبی الکتریکی ساکن پیچ خورده برای حمل پرتو.

علاوه بر یون های محصور شده توابع تله یونی مانند یک طیف جرمی به واسطه ی نسبت بار به جرم  برای انواع یون های محصور شده قابل انداز ه گیری است. روش اصلی برای اندازه گیری نسبت بار به جرم یون ها ی محصور شده بر اساس چاه پتانسیل یا بیضی تله های یونی با یک راستای خاص است به طوریکه یون ها به طور ناگهانی در چاه پتانسیل می افتند و این تله یونی را متناسب با افزایش نسبت بار به جرم ترک می کنند .  متناوبا  این انتظار میرود که یونها ساخته شده اند برای ترک بیضی وقتی که یک طرف بیضی به طور تصاعدی نزول می یابد. در این چرخه وقتی که همه یونها تله یونی را ترک کردند ، یونهایی به بالاتر از آشکار ساز خارجی تجاوز می کنند که بدین وسیله یک سری از سیگنال های پراکنده شده در زمان را ایجاد می کنند که تشکیل یک طیف جرمی را میدهند. پس زنی یونها از چاه پتانسیل با نزول خطی دامنه ی پتانسیل با فرکانس رادیویی برای یکی از الکترودهای تله یونی به کار میرود. هر نوعی از یون در یک دامنه f .r خاصی از چاه پتانسیل پس زده میشودکه دامنه اصلی و سرعت نزولی مشخص دارند، نسبت جرم به بار برای هر نوع یون به محض پس زنی میتواند مشخص شود. این روش برای اندازه گیری نسبت های جرم به بار توسط استافوردو… توسعه داده شد و  بعنوان مد ناپایدار محوری جرم انتخابی که تجارتی شدن تله های یونی چهار قطبی را حدود 14 سال پیش ممکن ساخت ، شناخته شد. شرط لازم این روش پس زنی یون با جرم انتخابی ، این است که یون ها در ابتدا در مرکز تله یونی تحت عمل نوسان تکانه گسسته جمع شوند اتم های هلیوم برای این هدف مفید، هستند. این روش ساده ی نسبی از عمل جرم انتخابی تله یونی به یک گردش  درطیف جرمی منجر خواهد شد. تخمین زده شده است که بیش از 4000 ابزار تله یونی با یک قیمت کلی حدود یک ربع بیلیون دلار امریکا فروخته شده است. انحراف از یک کسر کاملی از این مبلغ طبق بخش خرید ممکن و دیگر ابزارها به سازماندهی قابل توجهی در صنعت طیف جرمی منجر شد.