基于COMSOL的星载四极质谱仪仿真分析

摘要

四极杆质谱仪应用广泛，在航天空间探测任务中也应用较多，为适应航天器平台资源需研发轻质量、小体积、低功耗的小型质谱仪，并提升质谱仪性能，确保在工程约束下获得更优参数，因此需要预先对质谱仪进行建模仿真分析和预设计。基于离子运动理论与离子碰撞理论，使用多物理场仿真软件COMSOL对电场分布与离子运动状态进行建模仿真。仿真分析结果表明，马蒂厄方程系数α由0.231增大至0.236，灵敏度降低91.3%，分辨率提高73.3%；系数q取0.706时最佳，最大离子通过率97.7%；角频率增大，灵敏度降低61.9%、分辨率提高55.6%；仪器性能在压强小于10-2Pa的真空环境下影响很小；仪器性能在-40-60℃温度范围内变化很小；针对仪器小型化，杆内切圆半径取值范围为2-4 mm；杆半径与内切圆半径比例在1.12-1.13时灵敏度最好；杆长度取值60-150 mm时灵敏度与分辨率有很好的平衡。结果表明该仿真模型能较好模拟离子运动状态，分析四极杆质谱仪性能变化，为质谱仪工程设计实现提供新思路。