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Numerische FluiddynamikGasströmungen mit Ionentransport

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Gasströmungen mit Ionentransport

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Hintergrund

Gasströmungen mit geladenen Teilchen haben vielerlei Anwendungen in Forschung und Industrie. Unser Fokus liegt auf Vakuumanlagen, in denen Moleküle ionisiert werden, um diese analysieren und manipulieren zu können. Eine wichtige Anwendung ist die Massenspektrometrie, die in all ihren Variationen eines der wichtigsten Werkzeuge für chemische und biochemische Untersuchungen ist.


Oft werden in der Massenspektrometrie Moleküle unter atmosphärischen Bedingungen ionisiert. Um die ionisierten Moleküle vom umgebenden Gas zu trennen, werden diese in ein Vakuum überführt, in dem  akkurate und detaillierte Untersuchungen der zugrundeliegenden Substanz erst möglich sind. Dabei führt der Druckunterschied zu Strömungsgeschwindigkeiten bis hin zu Überschallströmungen. Diese Überschallströmungen werden von den komplexen Geometrien der Ionenoptiken beeinflusst, welche elektrische Felder für das Führen der Ionen erzeugen.

Forschung

Unsere Forschung befasst sich mit der Verbesserung der Ionentransmissionsrate von Atmosphären-Vakuum-Interfaces im Übergang zwischen Atmosphären und Vakuums-Bereich. Da hier typisch hohe Verluste auftreten, sind diese entscheidend für die Sensitivität der gesamten Apparatur.

Für die Untersuchung werden numerische Strömungssimulationen mit geladenen Teilchen mit sub- und supersonischen Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Dabei berücksichtigen wir sowohl die zeitdynamischen, elektrischen Felder und komplexen Geometrien der Ionenoptiken als auch die Coulombwechselwirkung der Teilchen untereinander. Die Simulationen ermöglichen uns die Hauptmechanismen innerhalb der Vakuums-Apparaturen zu verstehen, welche anschließend experimentell überprüft werden. Bisher haben wir uns hauptsächlich mit den ersten beiden Hauptbestandteilen der Atmosphären-Druck-Apparaturen beschäftigt:

1.) Die Transferkapillare

Die Transferkapillare verbindet den atmosphärischen Teil mit der ersten Pumpstufe der Vakuums-Apparatur. Sie besteht aus einem geraden Rohr mit bis zu  1 mm Durchmesser und einer Länge von mehreren Zentimetern. Bereits in der Kapillare können hohe Teilchenverluste beobachtet werden. Diese Verluste konnten  mithilfe von numerischen und experimentellen Studien verstanden werden [1]. Dabei bestätigte eine eindimensionale Beschreibung die experimentellen Daten. Um die Transfereigenschaften extern zu beeinflussen, wird dazu das Rohr von außen erhitzt, was zu einer speziellen thermischen Grenzschichtströmung  führt [2]. Mit der genauen Beschreibung der Strömung mittels numerischer Simulation und einem einfachen Modell der Raumladung der Ionenwolke konnten viele experimentell beobachtete Effekte verstanden werden. Dabei stellte sich heraus, dass der Gasfluss größtenteils unabhängig von der Länge der Kapillare ist, jedoch der Ionentransfer mit zunehmender Länge abnimmt.

2.) Der elektrodynamische Ionentrichter (Ion Funnel)

Die Kapillare endet in der ersten Pumpstufe, im sogenannten Ionentrichter. Aufgrund der hohen Druckdifferenz zwischen einströmendem Gas und dem niedrigen Druck im Ionentrichter kommt es zu einer Überschallexpansion. Dabei wird das von der Kapillare einströmende Gas auf das Vielfache der Schallgeschwindigkeit beschleunigt und erzeugt einen supersonischen, unterexpandierten Strahl, welcher oft in einer Machscheibe endet. Um die mitbewegten Ionen von den Gasteilchen zu trennen, werden im Ionentrichter elektrische Wechselfelder mithilfe von ringförmigen Leiterplatten erzeugt. Durch die trichterförmige Anordnung dieser Platten können die Ionen so in die nächste Pumpstufe überführt werden. Unsere bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Strömung im Inneren des Trichters maßgeblich verantwortlich für den Transferverlust der Ionen ist. Hierbei wird die Strömung nicht nur durch die Druckdifferenz im Trichter und den Durchmesser der Kapillare beeinflusst, sondern auch durch die Wechselwirkung mit der Geometrie der Ionenoptiken. Im dargestellten Video sind eine Vielzahl von möglichen Strömungszuständen zu erkennen, welche sich je nach Druckdifferenz im Gleichgewichtszustand einstellen. So ist es möglich, dass für verschiedene Konfigurationen Machscheiben oder reflektierte Schockwellen an den Ionenoptiken entstehen. Um die umfassenden Effekte im Hinblick auf die Transfereigenschaften des elektrodynamischen Ionentrichters zu untersuchen, werden hierfür numerische Simulationen der Strömung zusammen mit elektrischen Feldern der Ionenoptiken und Teilchen durchgeführt. Eine umfassende Publikation zu den Ergebnissen unserer Untersuchungen ist in Arbeit.

Video der Ion Funnel Simulation in 2D

Publikationen

[1] Bernier, L.; Pinfold, H.; Pauly, M.; Rauschenbach, S. & Reiss, J.; Gas Flow and Ion Transfer in Heated ESI Capillary Interfaces; Journal of The American Society for Mass Spectrometry, 2018, 29, 761-773

[2] Bernier, L.; Taesch, M.; Rauschenbach, S. & Reiss, J.; Transfer conditions and transmission bias in capillaries of vacuum interfaces; International Journal of Mass Spectrometry, 2020, 447, 116239

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