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Simulation of the atmospheric pressure interface of a mass spectrometry device

Bernier, Laurent

FG Numerische Fluiddynamik

This thesis presents the results of the simulation of two different parts from the typical atmospheric interface found in a mass spectrometer: the transfer capillary and the ion funnel. These are usually found in combination with electrospray ionization and allow the transition between atmospheric pressure and vacuum. The main goal of the study is to simulate the trajectory of the ions transported through such devices. We thus consider all significant effects involved: the underlying gas flow, the diffusion, and the electric forces, both intrinsic because of the charge of the ions (space charge effects) and caused by external settings, typically electrodes. In the case of the capillary, we could qualitatively reproduce typical effects observed in real devices, such as the transmission limit caused by space charge effects and the influence of the heating. We could also simulate the influence of the geometry of the capillary and reproduce the experimental behavior induced by the transport of a mix of ions from different species. These results are based on the assumption of a laminar gas flow. Further simulations are presented regarding the affinity of such flow towards turbulence. It results that, despite its strong pressure gradient, this system can sustain a fully turbulent flow without significantly affecting the properties of turbulence. Further results are presented involving an existing design of the ion funnel. Detailed simulations of the gas flow and the electric fields created by the electrodes are performed and used to describe the transport of the ions. We compare the influence of the amplitude of the external electric field and of the background pressure level on the transmission of the ions with experimental results to show that this first attempt delivers promising results. An evolution of the design of the ion funnel is also considered. While it does not deliver the expected improvement regarding the transmission, it offers an insight into the mechanisms involved and provides some information about how a desirable system could look like.
Diese Arbeit stellt die Ergebnisse der Simulationen von zwei verschiedenen Anteilen eines typischen atmosphärischen Druck-Interface vor, die in einem Massenspektrometer zu finden sind: die Transferkapillare und den Ionentrichter. Diese werden oft in Kombination mit einer Elektrosprayionenquelle verwendet und stellen die Schnittstelle zwischen atmosphärischem Druck und Vakuum dar. Das Hauptziel der Studie besteht darin, die Flugbahn der durch diese Anteile transportierten Ionen zu simulieren. Dafür werden alle relevante Einflüsse berücksichtigt: die Gasströmung, die Diffusionseffekte und die elektrischen Kräfte, die sowohl wegen der Ladung der Ionen (Raumlagundseffekte) als auch aus externen Quellen wie Elektroden entstehen. Im Fall der Kapillare konnten wir bestimmte Effekte qualitativ reproduzieren. Dazu zählen die Transmissionsgrenze, die aus der Raumladung entsteht, und die Auswirkung der Heizung. Wir konnten auch den Einfluss der Geometrieparameter simulieren und das experimentelle Verhalten des Transports einer Mischung von Ionen reproduzieren. Diese Ergebnisse basieren auf der Annahme einer laminaren Strömung.Weitere Simulationen werden auch gezeigt, die die Turbulenzaffinität einer solchen Strömung untersuchen. Es ergibt sich, dass Systeme mit starken Druckgradienten in der Lage sind, eine volle turbulente Strömung zu erhalten, ohne signifikant die Eigenschaften der Turbulenz zu beeinflussen. Weitere Ergebnisse über einen existierenden Ionentrichter werden vorgezeigt. Detaillierte Simulationen der Gasströmung und der von den Elektroden erzeugten elektrischen Felder wurden durchgeführt und weiterverwendet, um den Transport der Ionen zu beschreiben.Wir vergleichen den Einfluss der Amplitude der externen elektrischen Felder und des Drucks auf der Transmission der Ionen mit experimentellen Ergebnissen und zeigen, dass dieser erste Versuch vielversprechende Ergebnisse liefert. Eine mögliche Evolution des Designs des Ionentrichters wird auch untersucht. Obwohl dies keine positiven Ergebnisse bezüglich der Ionentransmission erbringt, ermöglichen diese Simulationen einen Einblick in die involvierten Mechanismen und liefern somit Informationen über die gewünschten Eigenschaften eines verbesserten Systems.