Konische und zylindirale Spiralen
Nov 25 2020
Ich möchte in Ti k Z so etwas wie das Folgende zeichnen , bin mir aber leider nicht sicher, wie ich zum gewünschten Ergebnis kommen soll. Die Abbildung zeigt den Ionenweg in einem Quadrupol-Massenspektrometer. Außerhalb des Quadrupols (diese 4 Stäbe) wird kein elektromagnetisches Feld an die Ionen angelegt und sie fliegen daher in einer geraden Linie. Wenn sie in den Quadrupol eintreten, können sie entweder mit dem elektromagnetischen Feld in Resonanz geraten und sich somit auf einer zylindrischen Spiralbahn befinden oder nicht in Resonanz sein und sich somit auf einer konischen Spiralbahn befinden und früher oder später den Quadrupol an einer Seite verlassen.
Mein Ansatz für dieses Problem war es pgfplots, die Spiralen mithilfe eines 3D-Diagramms mit der Funktion {x*cos(deg(x))},{x*sin(deg(x)},{x}für das konische und {cos(deg(x))},{sin(deg(x)},{x}das zylindrische Diagramm zu zeichnen . Leider kann ich die folgenden Probleme nicht lösen:
- Positionieren Sie die Spiralen richtig
- Zeichnen Sie eine gerade Linie, die sich in eine Spirale verwandelt, und kehren Sie nach dem Verlassen des Quadrupols zu einer geraden Linie zurück (nur für den zylindrischen).
- Stoppen Sie die konische Helix kurz nachdem der Pfad den Quadrupol verlassen hat
Mir ist klar, dass dies eine Menge Probleme sind, und daher freue ich mich über Hinweise.
Mein aktueller (miserabler) Versuch
\documentclass{standalone}
\usepackage{xparse}
\usepackage{ifthen}
\usepackage{tikz}
\usepackage{pgfplots}
\pgfplotsset{compat=1.8}
\usetikzlibrary{calc}
\usetikzlibrary{decorations.markings}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
% General constants
% %%%%%%%%%%%%%%%%%
\coordinate (msOrigin) at (0,0);
\pgfmathsetmacro{\msY}{3}
\pgfmathsetmacro{\offsetX}{0.3}
\pgfmathsetmacro{\offsetY}{0.2}
\pgfmathsetmacro{\spacer}{0.75}
\pgfmathsetmacro{\arrowLength}{1}
\pgfmathsetmacro{\centerOffset}{0.3}
% Quadrupole constants
% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleRadiusHorizontal}{0.08}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleRadiusVertical}{0.2}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleLength}{3}
\pgfmathsetmacro{\quadrupolePathLength}{\quadrupoleLength - (2 * \quadrupoleRadiusHorizontal)}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleTopFrontY}{0.5 * \msY + \centerOffset + 2 * \quadrupoleRadiusVertical}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleTopBackY}{\quadrupoleTopFrontY + \offsetY}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleBottomBackY}{0.5 * \msY - \centerOffset}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleBottomFrontY}{\quadrupoleBottomBackY - \offsetY}
\NewDocumentCommand{\cylinder}{m m m m m m m m}{% coordX, coordY, length, radiusX, radiusY, colorCylinder, colorEllipse, opacity
\fill [#6, fill opacity = #8]
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) $)
--
++({#3},0)
arc
(90:270:-{#4} and {#5})
--
++(-{#3},0)
arc
(270:90:-{#4} and {#5});
\draw [fill = #7, fill opacity = #8]
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) + (0,{-#5}) $)
ellipse
({#4} and {#5});
\draw
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) $)
--
++({#3},0)
arc
(90:270:-{#4} and {#5})
--
++(-{#3},0);
}
\NewDocumentCommand{\quadrupoleRod}{m m m}{% segment, top/bottom, front/back
\ifthenelse{\equal{#2}{top} \AND \equal{#3}{front}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal + \offsetX}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleTopFrontY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{top} \AND \equal{#3}{back}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleTopBackY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{bottom} \AND \equal{#3}{front}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal + \offsetX}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleBottomFrontY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{bottom} \AND \equal{#3}{back}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleBottomBackY}
}{}
\cylinder
{\coordX}
{\coordY}
{\quadrupolePathLength}
{\quadrupoleRadiusHorizontal}
{\quadrupoleRadiusVertical}
{gray}
{white}
{1}
}
\NewDocumentCommand{\quadrupolePair}{m m}{% segment, front/back
\ifthenelse{\equal{#2}{front} \OR \equal{#2}{back}}{%
\quadrupoleRod{#1}{top}{#2}
\quadrupoleRod{#1}{bottom}{#2}
}{}
}
\quadrupolePair{1}{back}
\begin{axis}[
rotate around={-90:(current axis.origin)},
view = {30}{20},
axis line style = {draw = none},
tick style = {draw = none},
zmax = 60,
xtick=\empty,
ytick=\empty,
ztick=\empty
]
\addplot3+[
mark = none,
thick,
red,
domain = 0:50*pi,
samples = 1000,
samples y = 0,
]
% ({x*cos(deg(x))},{x*sin(deg(x)},{x});
({cos(deg(x))},{sin(deg(x)},{x});
\end{axis}
\quadrupolePair{1}{front}
\end{tikzpicture}
\end{document}
Update 2020-11-26
Ich habe diese Antwort auf TeX.SX gefunden, um die zylindrische Spule zu zeichnen. Durch einige Modifikationen konnte ich dabei relativ weit kommen. Ein verbleibendes Problem ist die Linie, die den horizontalen Pfad mit der Spirale verbindet, da der Code mark=at position #1 with \coordinate (#2);einen Dimension too large.Fehler auslöst, auch wenn ich nicht verstehe, warum. Die Spulen sind klein und definitiv unter 19 Fuß ...
Ein weiteres Problem ist die konische Spirale. Ich habe einen Ausgangspunkt, aber leider sieht es eklig aus.
\documentclass{standalone}
\usepackage{xparse}
\usepackage{ifthen}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{calc}
\usetikzlibrary{decorations.markings}
\tikzset{
mark position/.style args={#1(#2)}{
postaction={
decorate,
decoration={
markings,
mark=at position #1 with \coordinate (#2);
}
}
}
}
\NewDocumentCommand{\cylinder}{m m m m m m m m}{% coordX, coordY, length, radiusX, radiusY, colorCylinder, colorEllipse, opacity
\fill [#6, fill opacity = #8]
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) $)
--
++({#3},0)
arc
(90:270:-{#4} and {#5})
--
++(-{#3},0)
arc
(270:90:-{#4} and {#5});
\draw [fill = #7, fill opacity = #8]
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) + (0,{-#5}) $)
ellipse
({#4} and {#5});
\draw
($ (msOrigin) + ({#1},{#2}) $)
--
++({#3},0)
arc
(90:270:-{#4} and {#5})
--
++(-{#3},0);
}
\NewDocumentCommand{\quadrupoleRod}{m m m}{% segment, top/bottom, front/back
\ifthenelse{\equal{#2}{top} \AND \equal{#3}{front}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal + \offsetX}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleTopFrontY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{top} \AND \equal{#3}{back}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleTopBackY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{bottom} \AND \equal{#3}{front}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal + \offsetX}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleBottomFrontY}
}{}
\ifthenelse{\equal{#2}{bottom} \AND \equal{#3}{back}}{%
\pgfmathsetmacro{\coordX}{\quadrupoleRadiusHorizontal}
\pgfmathsetmacro{\coordY}{\quadrupoleBottomBackY}
}{}
\cylinder
{\coordX}
{\coordY}
{\quadrupolePathLength}
{\quadrupoleRadiusHorizontal}
{\quadrupoleRadiusVertical}
{gray}
{white}
{1}
}
\NewDocumentCommand{\quadrupolePair}{m m}{% segment, front/back
\ifthenelse{\equal{#2}{front} \OR \equal{#2}{back}}{%
\quadrupoleRod{#1}{top}{#2}
\quadrupoleRod{#1}{bottom}{#2}
}{}
}
\begin{document}
% General constants
% %%%%%%%%%%%%%%%%%
\pgfmathsetmacro{\offsetX}{0.5}
\pgfmathsetmacro{\offsetY}{0.6}
\pgfmathsetmacro{\spacer}{0.75}
\pgfmathsetmacro{\centerOffset}{0.3}
% Quadrupole constants
% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleRadiusHorizontal}{0.08}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleRadiusVertical}{0.2}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleLength}{4}
\pgfmathsetmacro{\quadrupolePathLength}{\quadrupoleLength - (2 * \quadrupoleRadiusHorizontal)}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleTopFrontY}{\centerOffset + 2 * \quadrupoleRadiusVertical}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleTopBackY}{\quadrupoleTopFrontY + \offsetY}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleBottomBackY}{-\centerOffset}
\pgfmathsetmacro{\quadrupoleBottomFrontY}{\quadrupoleBottomBackY - \offsetY}
\begin{tikzpicture}
\coordinate (msOrigin) at (0,0);
% Define a formula for the coil.
% This is what the numbers mean:
% 0.25: the x offset
% 0.13: how far the rings are apart
% 0.30: how much from the side the rings are seen
% 0.75: radius of the rings
\def\coil#1{
{0.25 + 0.13 * (2 * #1 + \t) + 0.30 * sin(- \t * pi r))},
{0.75 * cos(-\t * pi r)}
}
% Draw the background-rods
\quadrupolePair{1}{back}
% Draw the part of the coil behind
\foreach \n in {1,...,14} {
\draw[domain={0:1},smooth,variable=\t,samples=15]
plot (\coil{\n});
}
% Draw the part of the coil in front
\foreach \n in {0,1,...,13} {
\ifthenelse{\equal{\n}{0} \OR \equal{\n}{13}}
{%
\ifthenelse{\equal{\n}{0}}{%
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15,
% mark position = 0(start)
]
plot (\coil{\n});
}{%
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15,
% mark position = 1(end)
]
plot (\coil{\n});
}
}{
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15
]
plot (\coil{\n});
}
}
% Draw the foreground-rods
\quadrupolePair{1}{front}
\draw
% (start) % to join the mark position "start"
(0.25, -0.75)
to [out = 180, in = 0]
++(-1, 0.75);
\draw
% (end) % to join the mark position "end"
(4, -0.75)
to [out = 0, in = 180]
++(1, 0.75);
\end{tikzpicture}
\hspace{1em}
\begin{tikzpicture}
\coordinate (msOrigin) at (0,0);
% Define a formula for the coil.
% This is what the numbers mean:
% 0.25: the x offset
% 0.13: how far the rings are apart
% 0.30: how much from the side the rings are seen
% 0.75: radius of the rings
\def\coil#1{
{0.25 + 0.13 * (2 * #1 + \t) + 0.30 * sin(- \t * pi r)},
{0.75 * #1/10 * \t * cos(-\t * pi r)}
}
% Draw the background-rods
\quadrupolePair{1}{back}
% Draw the part of the coil behind
\foreach \n in {1,...,14} {
\draw[domain={0:1},smooth,variable=\t,samples=15]
plot (\coil{\n});
}
% Draw the part of the coil in front
\foreach \n in {0,1,...,13} {
\ifthenelse{\equal{\n}{0} \OR \equal{\n}{13}}
{%
\ifthenelse{\equal{\n}{0}}{%
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15,
% mark position = 0(start)
]
plot (\coil{\n});
}{%
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15,
% mark position = 1(end)
]
plot (\coil{\n});
}
}{
\draw[
domain = {1:2},
smooth,
variable = \t,
samples = 15
]
plot (\coil{\n});
}
}
% Draw the foreground-rods
\quadrupolePair{1}{front}
\end{tikzpicture}
\end{document}
Antworten
3 hpekristiansen Nov 26 2020 at 23:08
Ich sehe keinen Grund, PGF-Code zu verwenden - Sie sind fast da, nur indem Sie bemerken, dass die Spirale von gezeichnet werden kann {cos(deg(x))},{sin(deg(x)},{x}. Normalerweise liebe ich PGFPlots, aber dies ist kein Plot (Achse, Maßstab, Häkchen, Beschriftungen, ...). Ich glaube, dass die plotFunktion in TikZ der richtige Weg ist.
Um die Enden der Spirale zu begradigen, lasse ich die Amplitude gleichzeitig mit der Tonhöhe der Schleifen abfallen. Ich bin mir nicht sicher, wie der Kegel enden soll - ein einfacher Weg besteht darin, die Amplitude der Spule schnell ansteigen zu lassen und die Domäne anzupassen.
\documentclass[tikz, border=1cm]{standalone}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[ultra thick]
\newcommand{\domA}{-pi}
\newcommand{\domB}{0}
\newcommand{\domC}{2*pi}
\newcommand{\domD}{4*pi}
\newcommand{\domE}{\domC+0.5}
\newcommand{\pitch}{10}
\newcommand{\ampA}{(1/(1+\domB-\x))}
\newcommand{\ampB}{(1/(1-\domC+\x))}
\newcommand{\ampC}{(0.1*(\x-\domB)+1)}
\draw[red, domain={\domA:\domB}, smooth, samples=100] plot (\x, {\ampA*cos((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)}, {\ampA*sin((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)} );
\draw[green, domain={\domB:\domC}, smooth, samples=200] plot (\x, {cos(\pitch*\x r)} , {sin(\pitch*\x r)} );
\draw[blue, domain={\domC:\domD}, smooth, samples=100] plot (\x, {\ampB*cos((\ampB*\pitch*\x+(1-\ampB)*\pitch*\domC) r)}, {\ampB*sin((\ampB*\pitch*\x+(1-\ampB)*\pitch*\domC) r)} );
\begin{scope}[yshift=-4cm]
\draw[teal, domain={\domA:\domB}, smooth, samples=100] plot (\x, {cos((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)}, {sin((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)} );
\draw[orange, domain={\domB:\domC}, smooth, samples=200] plot (\x, {\ampC*cos(\pitch*\x r)} , {\ampC*sin(\pitch*\x r)} );
\draw[violet, domain={\domC:\domE}, smooth, samples=100] plot (\x, {\ampC*1/\ampB*cos(\pitch*\x r)} , {\ampC*1/\ampB*sin(\pitch*\x r)} );
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\end{document}
Bearbeiten:
Der Standard-Z-Vektor in TikZ zeigt auf (–3,85 mm, –3,85 mm). Um die Perspektive zu ändern, können Sie zB z={(-3.85mm, 3.85mm)}Folgendes verwenden:
\documentclass[tikz, border=1cm]{standalone}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[z={(-3.85mm, 3.85mm)}]
\newcommand{\domA}{-pi}
\newcommand{\domB}{0}
\newcommand{\domC}{2*pi}
\newcommand{\domD}{4*pi}
\newcommand{\domE}{\domC+0.5}
\newcommand{\pitch}{10}
\newcommand{\ampA}{(1/(1+\domB-\x))}
\newcommand{\ampB}{(1/(1-\domC+\x))}
\newcommand{\ampC}{(0.1*(\x-\domB)+1)}
\draw[fill=gray] (-1,1.2,1) -- (7,1.2,1) arc[start angle=90, end angle=-90, x radius=0.1cm, y radius=0.2cm] -- (-1,0.8,1);
\draw[fill=white](-1,1,1) circle[x radius=0.1cm, y radius=0.2cm];
\draw[fill=gray] (-1,-1.2,1) -- (7,-1.2,1) arc[start angle=-90, end angle=90, x radius=0.1cm, y radius=0.2cm] -- (-1,-0.8,1);
\draw[fill=white](-1,-1,1) circle[x radius=0.1cm, y radius=0.2cm];
\draw[red, thick, domain={\domA:\domB}, smooth, samples=100] plot (\x, {\ampA*cos((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)}, {\ampA*sin((\ampA*\pitch*\x+(1-\ampA)*\pitch*\domB) r)} );
\draw[red, thick, domain={\domB:\domC}, smooth, samples=200] plot (\x, {cos(\pitch*\x r)} , {sin(\pitch*\x r)} );
\draw[red, thick, domain={\domC:\domD}, smooth, samples=100] plot (\x, {\ampB*cos((\ampB*\pitch*\x+(1-\ampB)*\pitch*\domC) r)}, {\ampB*sin((\ampB*\pitch*\x+(1-\ampB)*\pitch*\domC) r)} );
\draw[fill=gray] (-1,1.2,-1) -- (7,1.2,-1) arc[start angle=90, end angle=-90, x radius=0.1cm, y radius=0.2cm] -- (-1,0.8,-1);
\draw[fill=white](-1,1,-1) circle[x radius=0.1cm, y radius=0.2cm];
\draw[fill=gray] (-1,-1.2,-1) -- (7,-1.2,-1) arc[start angle=-90, end angle=90, x radius=0.1cm, y radius=0.2cm] -- (-1,-0.8,-1);
\draw[fill=white](-1,-1,-1) circle[x radius=0.1cm, y radius=0.2cm];
\end{tikzpicture}
\end{document}
Der Knick in der roten Spirale ist, weil das smoothnicht über verschiedene Diagramme funktioniert. Ich kann zwei Möglichkeiten sehen, um dies zu korrigieren: Entweder entfernen Sie die smoothOption und erhöhen Sie die Stichproben erheblich. -oder besser: Verwenden Sie TikZ declare function, um eine stückweise Funktion zu deklarieren und nur einen Plot zu erstellen.