تله یون چهارقطبی

شماتیک یک تله یون چهارقطبی با چیدمان کلاسیک با ذره ای با بار مثبت (با قرمز تیره نشان داده شده) که توسط ابری از ذرات باردار مشابه (با قرمز روشن نشان داده شده) احاطه شده است. میدان الکتریکی E (آبی) توسط یک چهار قطبی از درپوش های انتهایی (a، مثبت) و یک الکترود حلقه (b) ایجاد می شود. تصویر 1 و 2 دو حالت را در طول یک چرخه AC نشان می دهد.

تله یون چهارقطبی یا پاول تله نوعی تله یونی است که با استفاده از میدان های الکتریکی پویا

ذرات باردار را به دام می اندازد. به افتخار ولفگانگ پل (مخترع این دستگاه)که در سال 1989 جایزه

نوبل فیزیک را دریافت کرد، آنها تله های فرکانس رادیویی (RF) یا تله های پل نیز نام گذاری می شوند.

 به عنوان بخشی از یک طیف سنج جرمی یا یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده استفاده می شود

بررسی اجمالی

نیرویی به یک ذره باردار، مانند یک یون اتمی یا مولکولی،از جانب میدان الکتریکی وارد میشود. به دام انداختن یک ذده ی باردار از سه جهت ممکن نیست (این محدودیت به عنوان قضیه ارنشاو شناخته می‌شود). با این حال، می توان با استفاده از میدان های الکتریکی متغیر بر حسب زمان، یک نیروی محدود کننده متوسط در هر سه جهت ایجاد کرد. برای انجام این کار،ذره را قبل ازآنکه بتواند فرار کند محصور میکنند. تله ها را تله های فرکانس رادیویی نیز می نامند زیرا نرخ سوئیچینگ اغلب در فرکانس رادیویی است .

چهار قطبی ساده‌ترین هندسه میدان الکتریکی است که در چنین تله‌هایی استفاده می‌شود، اگرچه هندسه‌های پیچیده‌تری برای دستگاه‌های تخصصی تر وجود دارند. میدان های الکتریکی از پتانسیل های الکتریکی بالای الکترودهای فلزی تولید می شوند. یک چهارقطبی خالص از الکترودهایی به شکل هذلولی ایجاد می شود، اگرچه الکترودهای استوانه ای اغلب استفاده میشوند چون راحت ساخته میشوند. تله‌های یونی ریز ساخت در جایی وجود دارند که الکت

دانه های آرد شارژ شده در یک تله یونی چهارقطبی گرفتار شده اند

رودها در صفحه‌ای قرار دارند که ناحیه ی دام انداختن بالای صفحه قرار دارد.  تله ها به دو گروه تقسیم میشوند، و تفاوت آنها در ایجاد محدودیت دو بعدی یا سه بعدی است. در حالت محدودیت دو بعدی (به اصطلاح "تله RF خطی")، محصور شدن در جهت سوم توسط میدان های الکتریکی ساکن فراهم می شود.

خود تله سه بعدی عموماً از دو الکترود فلزی که شکل هذلولی دارند تشکیل شده است که تمرکز آنها رو به روی هم قرار دارد و یک الکترود حلقه به شکل هذلولی در نیمه راه بین دو الکترود دیگرقرار دارد. یون ها در فضای بین این سه الکترود توسط میدان های الکتریکی AC (نوسانی) و DC (استاتیک) در تله می افتند. اگر تحریک یونی مورد نظر باشد، ولتاژ فرکانس رادیویی AC بین دو الکترود کلاهک انتهایی فلزی هیپربولیک در نوسان است. ولتاژ AC محرک به الکترود حلقه اعمال می شود. یون ها ابتدا به صورت محوری به سمت بالا و پایین کشیده می شوند در حالی که به صورت شعاعی نیرویی به سمت داخل به آنها وارد می شوند. سپس یون ها به صورت شعاعی بیرون کشیده شده و به صورت محوری (از بالا و پایین) به داخل هل داده می شوند. به این ترتیب یون‌ها در یک حرکت پیچیده حرکت می‌کنند که عموماً شامل ابر یون‌ها طولانی و باریک و سپس کوتاه و عریض، عقب و جلو، در نوسان بین دو حالت است. از اواسط دهه 1980، بیشتر تله‌های سه بعدی (تله‌های پل) از 1 mTorr هلیوم استفاده کرده‌اند. استفاده از گاز میرایی و حالت ناپایداری انتخابی جرم که توس

ط استافورد و همکاران توسعه داده شده است. منجر به اولین تله یون سه بعدی تجاری شد. تله یون خطی در دانشگاه کلگری تله یون چهارقطبی دارای دو پیکربندی اصلی است: شکل سه بعدی که در بالا توضیح داده شد و شکل خطی ساخته شده از 4 الکترود موازی. یک پیکربندی مستطیلی ساده شده نیز استفاده می شود.  مزیت طراحی خطی ظرفیت ذخیره سازی بیشتر آن (به ویژه یون های خنک شده با داپلر) و سادگی آن است، اما این محدودیت خاصی را در مدل سازی آن ایجاد می کند. تله پل برای ایجاد میدان زینی شکل برای به دام انداختن یون باردار طراحی شده است، اما با یک چهارقطبی، این میدان الکتریکی زین شکل را نمی توان حول یک یون در مرکز چرخاند. فقط می تواند زمین را بالا و پایین کند. به همین دلیل، حرکات یک یون منفرد در تله با معادلات ماتیو توصیف می‌شوند که تنها با روش های عددی و با استفاده از از شبیه سازی های کامپیوتری می توان آنها را حل کرد و به جواب رسید.

به عنوان توضیح شهودی و نزدیک ترین تقریب میتوان تمرکز قوی در فیزیک شتاب‌دهنده را مثال زد . از آنجایی که میدان نیرو وارد می کند و

تله یون خطی در دانشگاه کلگری

نیرو بر شتاب تاثیر میگذارد، موقعیت عقب می ماند (به کمترین مرتبه از نیم دوره تناوب). بنابراین زمانی که میدان در حال تمرکز است، ذرات در موقعیت‌های غیر متمرکز هستند و بالعکس. از آنجایی که از مرکز دورتر هستند، زمانی که میدان در حال تمرکز است، میدان قوی تری را نسبت به زمانی که متمرکز نیست، تجربه می کنند.

معادلات حرکت

یون‌ها در میدان چهارقطبی نیروهایی را بازیابی می‌کنند که آنها را به سمت مرکز تله هدایت میکند . حرکت یون ها در میدان با حل معادله ماتیو توصیف می شود.  هنگامی که این معادله برای حرکت یون در یک تله نوشته می شود، معادله به صورت نشان داده میشود:

جایی که  مختصات x، y و z را نشان می دهد،  یک متغیر بدون بعد است که از رابطه  بدست می آید، و  و  پارامترهای تله هستند که بعد(واحد) ندارند. پارامتر  فرکانس شعاعی پتانسیل اعمال شده به الکترود حلقه است. با استفاده از قاعده مشتق زنجیری می توان نشان داد که رابطه ی زیر برقرار است

با جایگزینی معادله شماره 2 به جای معادله شماره1 به دست می آید

با ضرب کردن در m و مرتب کردن مجدد عبارت ها این بدست می آید:

بااستفاده از قوانین حرکت نیوتن ، معادله فوق بدست می آید که میتوان از آن برای محاسبه ی نیروی وارد یون استفاده کرد. این معادله را می توان دقیقاً با استفاده از قضیه Floquet یا تکنیک های استاندارد تحلیل مقیاس چندگانه حل کرد.  دینامیک مربوط ذرات و چگالی میانگین ذرات باردار بر حسب زمان در تله پل را نیز می توان با مفهوم نیروی محرکه تأمل برانگیز به دست آورد. نیروها در هر بعد جفت نیستند، بنابراین نیروی وارد بر یک یون، به عنوان مثال، برای بعد x داریم:

بااستفاده از قوانین حرکت نیوتن ، معادله فوق بدست می آید که میتوان از آن برای محاسبه ی نیروی وارد یون استفاده کرد. این معادله را می توان دقیقاً با استفاده از قضیه Floquet یا تکنیک های استاندارد تحلیل مقیاس چندگانه حل کرد.  دینامیک مربوط ذرات و چگالی میانگین ذرات باردار بر حسب زمان در تله پل را نیز می توان با مفهوم نیروی محرکه تأمل برانگیز به دست آورد. نیروها در هر بعد جفت نیستند، بنابراین نیروی وارد بر یک یون، به عنوان مثال، برای بعد x داریم:

پتانسیل چهار قطبی است که توسط

جایی که  نشان دهنده ی پتانسیل الکتریکی اعمال شده است و  ،  ، و  نشان دهنده ی عوامل وزنی هستند و  یک پارامتر با اندازه ثابت است. برای حل کردن معادله لاپلاس ،  ، می توان نشان داد که:

برای پارامتر های تله یونی داریم  و  و برای فیلتر جرمی چهارقطبی مقادیر  و  را در نظر میگیریم.

با تبدیل پارامتر های معادله شماره 6 که بر خسب دستگاه کارتزین هستند به پارامتر های دستگاه مختصات استوانه ای با  ،  ، و  و استفاده از هویت مثلثاتی فیثاغورثی  داریم:

پتانسیل الکتریکی اعمال شده ترکیبی از RF و DC است که توسط رابطه زیر بدست می آید

جایگزینی معادله 9 به معادله 5 منجر به

مقایسه عبارات سمت راست معادله 1 و معادله 10 رابطه زیر را به ما می دهد:

به دام انداختن یون ها را می توان بر حسب مناطق پایدار در در فضایqu  و au درک کرد. مرزهای مناطق سایه دار در شکل، مرزهای پایدار در دو جهت است (که به عنوان مرز باندها نیز شناخته می شود). اشتراک دو ناحیه، دامنه تله گذاری است. برای محاسبه این مرزها و نمودارهای مشابه به مولر-کرستن مراجعه کنید.

تله یون خطی از مجموعه ای از میله های چهار قطبی برای محدود کردن یون ها به صورت شعاعی و یک پتانسیل الکتریکی ساکن الکترودهای انتهایی برای محدود کردن یون ها به صورت محوری استفاده می کند.  شکل خطی تله را می توان به عنوان یک فیلتر جرمی انتخابی یا به عنوان یک تله واقعی با ایجاد یک چاه پتانسیل برای یون ها در امتداد محور الکترودها استفاده کرد.  مزایای طراحی تله خطی افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی یون، زمان اسکن سریع‌تر و سادگی ساخت است (اگرچه هم‌ترازی میله‌های چهارقطبی حیاتی است و محدودیت کنترل کیفیت را به تولید آنها اضافه می‌کند. این محدودیت علاوه بر این در الزامات ماشینکاری تله سه بعدی وجود دارد.

تله یون استوانه ای

تله‌های یونی با یک الکترود حلقه‌ای استوانه‌ای به جای هذلولی و در آرایه‌هایی ریز ساخته شده‌اند تا طیف‌سنج‌های جرمی مینیاتوری برای تشخیص شیمیایی برای علائم پزشکی از آن استفاده کند.

حرکت کلاسیک یک یون به دام افتاده در یک تله چهار قطبی فرکانس رادیویی (rf) (پل). یک میدان الکتریکی چهار قطبی برای مرجع نمایش داده می شود. خط آبی نشان دهنده مسیر یونی در جهت عرضی (یا شعاعی) یک تله خطی است. خط نارنجی حرکت سکولار است. بسته به شرایط اولیه می توان یک حرکت سکولار خطی یا دایره ای ایجاد کرد. Micromotion نوسان سریع حول حرکت سکولار است که وقتی میدان الکتریکی dc سرگردان یون را از مرکز تله که در تقاطع محورها قرار دارد رانده می شود، افزایش می یابد. توجه داشته باشید که چگونه ریزحرکت همیشه در راستای میدان rf محلی است

تله یونی مسطح

تله های چهارقطبی همچنین می توانند برای ایجاد همان اثر با استفاده از مجموعه ای از الکترودهای مسطح "باز شوند".  این هندسه تله را می توان با استفاده از تکنیک های استاندارد میکروساخت، از جمله لایه فلزی بالایی در فرآیند میکروالکترونیک استاندارد CMOS،  ساخت و یک فناوری کلیدی برای مقیاس بندی کامپیوترهای کوانتومی یونی به دام افتاده به تعداد مفید کیوبیت می باشد.

تله فرکانس رادیویی ترکیبی

تله فرکانس رادیویی ترکیبی ترکیبی از تله یون پل و تله پنینگ است.  یکی از گلوگاه های اصلی تله یونی چهارقطبی این است که می تواند تنها گونه های تک باردار یا گونه های متعدد با جرم های مشابه را محدود کند. اما در کاربردهای خاصی مانند تولید آنتی هیدروژن ، محدود کردن دو گونه از ذرات باردار با جرم‌های بسیار متفاوت مهم است. برای دستیابی به این هدف، یک میدان مغناطیسی یکنواخت در جهت محوری تله یون چهارقطبی افزوده می شود.

تله دیجیتال یون

LTQ (چهار قطبی تله خطی)

تله یون دیجیتال (DIT) یک تله یون چهارقطبی (خطی یا سه بعدی) است که از نظر شکل موج محرک با تله های معمولی متفاوت است. یک DIT توسط سیگنال های دیجیتال هدایت می شود، معمولاً به شکل موج های مستطیلی  که با سوئیچینگ سریع بین سطوح ولتاژ گسسته تولید می شوند هستند. مزایای عمده DIT تطبیق پذیری  و دامنه جرمی نامحدود آن است. تله یون دیجیتال عمدتاً به عنوان یک تحلیلگر جرمی توسعه یافته است.

منابع

Reilly, P.T.A.; Whitten, W.B.; Ramsey, J.M. (1999).

"Micro ion trap mass spectrometry"

. Rapid Communications in Mass1- Spectrometry. 13 (1): 50–53.

2-Stafford, G. C.; P. E. Kelley; J. E. P. Syka; W. E. Reynolds; J. F. J. Todd (7 Septriodic Potentialsss Spectrometry"

. Journal of Mass Spectrometry. 32 (4): 351–369

3-Ouyang Z, Badman ER, Cooks RG (1999).

"Characterization of a serial array of miniature cylindrical ion trap mass analyzers".

Rapid Communications in Mass Spectrometry. 13

4-Kanawati B, Wanczek KP (2007)

. "Characterization of a new open cylindrical ion cyclotron resonance cell with unusual geometry

". Review of Scientific Instruments. 78 (7): 074102–074102–8.