一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法技术

本申请涉及电磁场计算技术领域，具体而言，涉及一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，包括如下步骤：步骤1：建立电磁场中离子运动计算的几何模型；步骤2：在步骤1对电

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法


[0001]本申请涉及电磁场计算
，具体而言，涉及一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法。

技术介绍

[0002]随着空间探测任务的发展需要，磁偏转质谱计、飞行时间质谱计、离子阱和四极杆质谱计等真空测量仪器都得到了广泛的应用。这些质谱(MS)仪器的核心在于如何对离子透镜系统进行设计从而实现对能量近似但质荷比不同的离子束流的聚焦或分离。
[0003]在大部分空间质谱计中，离子通过电子轰击电离(EI)源中灯丝加热释放电子，然后传输到质量分析器进行检测，通常采用直流(DC)电压施加在EI源各极片上，由透镜系统将离子聚焦到质量分析器的入口，以改善离子的传输效果。
[0004]基于上述需求，目前已经开展了许多对电磁场作用下离子运动轨迹的模拟仿真计算工作，但是由于忽略了电磁边缘场对离子轨迹的影响，因此其计算结果会有较大的误差，不利于深入了解电磁场透镜系统中离子运动特性，从而也不利于提高仪器透镜系统的传输及聚焦效果。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，通过磁分析器边缘场的分析计算，能够用于模拟在电磁场透镜系统中能量近似但质荷比不同的离子束流的运动轨迹。
[0006]为了实现上述目的，本申请提供了一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，包括如下步骤：步骤1：建立电磁场中离子运动计算的几何模型，几何模型为三维模型，选取离子源、静电分析器和磁分析器作为分析对象；步骤2：对离子源、静电分析器模型添加电场，对磁分析器添加磁场，建立电
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磁场物理耦合环境，并设置边界参数，完成对几何模型电磁场分布的求解和模拟。步骤3：添加电场过程中，选择恒定电流场并建立恒定电流场电位的拉普拉斯方程，并给出场域边界条件，根据场域边界条件求解拉普拉斯方程获得离子源和静电分析器中的电场分布情况，为离子在电场中运动轨迹的数值模拟计算提供条件；步骤4：添加磁场过程中，从麦克斯韦方程组出发，引入标量磁位，导出用于计算磁分析器空间磁场分布的积分式，根据泛函理论建立与之对应的变分形式，然后应用变分原理建立计算磁场的有限元模型，进而求得磁分析器空间磁场的分布情况，为离子在磁场中运动轨迹的数值模拟计算提供条件；步骤5：采用自由三角形网格对整个几何区域进行网格划分，当静电场分析器和磁分析器参数设定完成后，通过计算软件计算是否收敛，如果不收敛，则缩小三角形网格的尺寸，直至所有变量在相对容差0.001时都能收敛，从而计算结束，得到离子运动的模拟轨迹。
[0007]进一步的，步骤1中，离子源采用对称磁场和双灯丝结构，包括电离室、推斥极、聚集极、主狭缝和α缝。
[0008]进一步的，步骤1中，静电分析器和磁分析器采用反向串接的组合方式，其中：电场分析器由两个同轴筒形电极组成；磁分析器由磁铁、轭铁和极靴组成，其磁场结构为直射非对称扇形磁场。
[0009]进一步的，步骤3中，添加电场的具体过程包括如下步骤：步骤3.1：在恒定电流场界面建立电位的拉普拉斯方程：其中，φ为电位函数，为拉普拉斯算子；步骤3.2：设置给出电场的场域边界条件，包括电势、接地以及电绝缘的条件，即给定场域边界面上各点的电位值：步骤3.3：将场域边界条件代入恒定电流场电位的拉普拉斯方程，求解第一类边值问题，能够解决几何模型的电场问题。
[0010]进一步的，步骤4中，添加磁场的具体过程包括如下步骤：步骤4.1：从麦克斯韦方程组出发，引入标量磁位；步骤4.2：导出用于计算磁分析器空间磁场分布的积分式；步骤4.3：根据泛函理论建立与之对应的变分形式；步骤4.4：应用变分原理建立计算磁场的有限元模型，能够解决集合模型的磁场分布情况。
[0011]进一步的，步骤5中，自由三角形网格最小单元的尺寸为0.004mm，最大单元的尺寸为0.28mm。
[0012]本专利技术提供的一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，具有以下有益效果：
[0013]本申请选取电
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磁场多物理耦合参数作用下离子运动轨迹的模拟仿真，通过静电分析器和磁分析器的分析计算，用于模拟在电磁场透镜系统中能量近似但质荷比不同的离子束流的运动轨迹，从而能够深入了解电磁场透镜系统中离子运动的特性，并提高仪器透镜系统的传输及聚焦效果，并且优化了电磁边缘场的影响，保证了计算结果的准确性。
附图说明
[0014]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0015]图1是根据本申请实施例提供的基于电磁场下离子运动轨迹的几何模型示意图；
[0016]图2是相同质量不同初始能量离子的模拟轨迹示意图；
[0017]图3是图2的局部放大图；
[0018]图4是不同质量相同初始能量离子的模拟轨迹示意图；
[0019]图5是图4的局部放大图；
[0020]图6是根据本申请实施例提供的基于电磁场下离子运动轨迹的磁场边缘对离子轨迹的影响；
[0021]图7是磁场屏蔽板开孔长度对离子轨迹和边缘场分布影响的示意图；
[0022]图8是磁场屏蔽板开孔宽度对离子轨迹和边缘场分布影响的示意图；
[0023]图9是磁场屏蔽板与磁场距离对离子轨迹和边缘场分布影响的示意图。
具体实施方式
[0024]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0025]需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0026]在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0027]并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立电磁场中离子运动计算的几何模型，所述几何模型为三维模型，选取离子源、静电分析器和磁分析器作为分析对象；步骤2：对离子源、静电分析器模型添加电场，对磁分析器添加磁场，建立电
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磁场物理耦合环境，并设置边界参数，完成对几何模型电磁场分布的求解和模拟；步骤3：添加电场过程中，选择恒定电流场并建立恒定电流场电位的拉普拉斯方程，并给出场域边界条件，根据场域边界条件求解拉普拉斯方程获得离子源和静电分析器中的电场分布情况，为离子在电场中运动轨迹的数值模拟计算提供条件；步骤4：添加磁场过程中，从麦克斯韦方程组出发，引入标量磁位，导出用于计算磁分析器空间磁场分布的积分式，根据泛函理论建立与之对应的变分形式，然后应用变分原理建立计算磁场的有限元模型，进而求得磁分析器空间磁场的分布情况，为离子在磁场中运动轨迹的数值模拟计算提供条件；步骤5：采用自由三角形网格对整个几何区域进行网格划分，当静电场分析器和磁分析器参数设定完成后，通过计算软件计算是否收敛，如果不收敛，则缩小三角形网格的尺寸，直至所有变量在相对容差0.001时都能收敛，从而计算结束，得到离子运动的模拟轨迹。2.根据权利要求1所述的基于电磁场下离子运动轨迹的模拟仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述离子源采用对称磁场和双灯丝结构，包括电离室、推斥极、聚集极、...

【专利技术属性】
技术研发人员：任正宜，郭美如，杨喆，李得天，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：