离子迁移(IMS)漂移管的多物理场模拟方法研究(20200728网信办通知违禁作品)

　　离子迁移谱仪技术(IMS)是基于气相中不同的离子在电场中迁移速率的差异来对化学离子物质进行分离表征的一项分析技术，具有分析灵敏度高、响 应时间短、成本低等突出优点，是目前最为广泛使用的痕量化学物质探测技术之一[1,2]。IMS 分析检测技术在许多领域都有广泛的应用，特别在化学毒剂(CWAS)、爆炸物和毒品等检测方面的应用已经达到了相当高的水平。此外，IMS 技术在司法鉴定、环境监测、肉类食品新鲜度的测定、临床医疗诊断、细菌和生物大分子的分析方面也都显示了很好的应用前景[3]。

　　漂移管是 IMS 仪器最核心的部件，对整机性能起着决定性的作用，设计上的缺陷或材料选用不当均会造成灵敏度低、分辨率差和严重的记忆效应。目前，漂移管结构通常是在一定 的理论指导下，借鉴前人的工作经验，并通过实验性能测试进行设计和优化。这种研究方法不容易快速的确定影响漂移管性能的因素，研究成本高、周期长。建立漂 移管的模拟方法，包括漂移管中电场、气路和离子迁移过程的模拟，用来指导漂移管的结构设计与优化，能够极大的缩短设计周期、降低研究成本，便于更深入的科 学研究。

　　本文建立了一种针对 IMS 漂移管的模拟方法，模拟常压条件下离子在漂移管中的运动，重点考察了载气和漂移气流速及电场对离子运动的影响，能够较真实的模拟漂移管的工作情况。根据模 拟得到的离子迁移谱图，对漂移管的性能进行了分析。结果表明，该方法能够有效地模拟离子在漂移管中的迁移运动，对漂移管的优化设计有着重要的指导意义。

　　1　模拟软件及方法

　　研究中采用 SIMION 软件进行离子迁移过程的仿真。SIMION 软件[4-5]主要用于模拟离子在电场或磁场中的飞行轨迹，在二维或三维坐标下研究不同的结构设计及离子的参数对离子飞行特性的影响。在模拟中记录离子飞 行的相关参数，如离子的坐标、速度、加速度、当前离子位置处的电场强度、到达极板时间等信息，为深入研究提供了方便。SI-MION 软件最早是在 1977 年由 McGilvery 设计出来的，后来被美国爱达荷州国家工程实验室的 DavidA. Dahl 发展和推广[1]，在结构定义、用户程序扩展、数据记录和可视化方面，它都具有强大的功能。用户程序扩展功能使得SIMION软件更加具有灵活性，不仅能 模拟离子在电场或磁场中的飞行这种简单的系统，而且在模拟飞行时间质谱、电离源、离子阱、光学探测器等更加复杂的系统方面也有很多的应用。

　　较早的离子迁移过程的模拟是在 SIMION 软件平台上，采用刚球碰撞模型[6-10]，根据气体的分子运动论，计算出离子的平均自由程，估算离子与气体分子的碰撞频率。每一次离子与气体分子之间的 碰撞都认为是弹性的，碰撞后离子的飞行方向发生随机方向的偏转。这种模型比较适合低气压条件下的模拟计算，而在大气压条件下，离子与气体分子碰撞频率很 高，应用这种模型会造成很大的计算量，花费时间很长，在实际的模拟研究中意义不大。