Квадрупольный масс-анализатор

Вакуумное оборудованиеМасс-анализаторыТечеискатели

By Leak Detector On Дек 5, 2020

Квадрупольный масс-анализатор, или электрический фильтр масс, представляет собой прибор, в котором разделение ионов по массам осуществляется в поле электрического квадруполя (четырехэлектродного конденсатора). Принципиальная схема устройства показана на рис. IV.11. Анализируемый газ ионизируется в камере /, и ионы через входную диафрагму 2 попадают в поле квадруполя, образованного четырьмя металлическими параллельными стержнями 3 круглого или гиперболического сечения.

Описанная система представляет собой квадрупольный конденсатор, электрическое поле которого имеет гиперболическую форму. Под влиянием высокочастотной составляющей электрического поля ионы совершают колебательные движения, причем амплитуда колебаний зависит от удельной массы иона пг/е и величины напряжений Vq и V_m на стержнях квадруполя. При определенном соотношении постоянной составляющей V_o и амплитудного значения высокочастотного напряжения V_m мож-

но реализовать условия, при которых однозарядные ионы одной массы будут совершать колебания с ограниченной амплитудой вокруг оси системы и, двигаясь поступательно, достигнут коллектора. Амплитуда колебаний ионов других масс при этом будет нарастать, и рано или поздно они попадут на стержни и выйдут из игры.

Расчет показывает, что массу ионов, проходящих через квадруполь-анализатор, можно определить по формуле

Из формулы (IV. 17) видно, что развертка спектра масс может быть осуществлена изменением частоты f или напряжения V_m, причем отношение постоянной составляющей к амплитуде высокочастотного напряжения Ут должно оставаться неизменным для всего диапазона масс.

Разрешающая способность квадрупольного масс-аиа-лизатора оценивается по формуле

Практическая величина разрешающей способности промышленных квадрупольных масс-анализаторов обыч-

но равна 80—100, а в некоторых лабораторных образцах достигает 1000.

В отличие от других приборов, квадрупольный масс-анализатор не критичен к начальной энергии анализируемых ионов. Это позволяет применить в нем источник ионов с холодным катодом и, таким образом, повысить верхний уровень давлений до 10~³ мм рт. ст.

К достоинствам квадрупольного масс-анализатора следует также отнести наличие линейной шкалы масс с равномерным разрешением пиков через ДМ = 1. Применение на выходе прибора вторичного электронного умножителя позволяет получить очень высокую чувствительность к парциальным давлениям, вплоть до 10^-16 мм рт. ст.

Разновидностью квадрупольного масс-анализатора является однополярный (монополярный) масс-анализа-тор, воспроизводящий одну четверть квадруполя. Его электродная система (рис. IV.12) состоит из одного стержня и углового электрода, имитирующего плоскость симметрии квадруполя. К стержню прикладываются постоянное Vo и высокочастотное напряжения с амплитудой V_m, а угловой электрод заземлен. Анализ решения уравнения движения ионов в такой системе приводит к следующим выводам:

1. В направлении оси z ионы проходят через анализатор, сохраняя ту скорость, которая была у них по выходе из источника.
2. Движение ионов имеет характер биений, длина волны и фаза которых не зависят от начальных условий для данного иона.
3. Внутри волны биений имеют место высокочастотные колебания, которые совершаются по одну сторону от оси z. Характер этих колебаний показан на рис. IV. 13.

Очевидно, что ион может пройти поле анализатора, если его максимальное отклонение вдоль оси у будет меньше расстояния г₀, а длина поля короче половины длины волны биений 2_В. При этом интервал изменения предельных фаз должен удовлетворять условие

Ионы, входящие в анализатор с другими начальными фазами, уже через очень малый промежуток времени, соответствующий одному или двум периодам высокочастотного напряжения, попадают на стержень или уголковый электрод.

Для осуществления развертки по массам можно изменять частоту переменного напряжения f или и (при постоянном соотношении Vo/Vm). При этом ионы, инжектируемые в пространство анализатора и имеющие стабильную траекторию, проходят на коллектор (рис. IV. 14), а ионы с нестабильными траекториями после нескольких колебаний попадают на электроды и выходят из игры.

Преимуществом однополярного масс-анализатора по сравнению с квадрупольным электрическим фильтром масс является простота конструкции, улучшенная разрешающая способность (обычно М/ДМ>>100) при меньших значениях Vo, Ут и ослабленных требованиях к стабильности питающих напряжений, причем высота пиков спектра масс практически нс зависит от отношения У₀/У_т. Это существенно упрощает электронную аппаратуру, но несколько снижает диапазон анализируемых тяжелых масс.

масс-анализатор (фарвитрон)

По принципу действия линейный резонансный масс-анализатор напоминает описанный выше омегатрон, поскольку в нем разделение по массам происходит также в результате резонансного процесса между положительными ионами и высокочастотным полем. Но если в омегатроне колебательные движения ионов происходят вслед

ствие применения магнитного поля, то в фарвитроне это достигается за счет электростатического поля специфической конфигурации.

На рис. IV. 15, а показана принципиальная схема датчика фарвитрона, а на рис. IV.15, б—распределение потенциала вдоль оси системы электродов прибора.

Электроны, эмиттируемые катодом К, проходят через модулирующий электрод 1 и, совершая колебания около электрода 2, производят ионизацию газа в камере А. Возникающие ионы ускоряются напряжением, приложенным к электродам 3 и 4, и в силу выбранного распределения потенциала совершают колебательные движения около центрального электрода 5. Расчет показывает, что частота колебаний ионов f в потенциальной яме параболической формы определяется по формуле

Линейный резонансный

где С — постоянная, а V — напряжение на центральном электроде 5. Отсюда видно, что каждый сорт ионов будет иметь характерную для него собственную частоту колебаний.

Если теперь импульсно вводить новые порции ионов синфазно с колебанием ионов определенной массы, то их количество будет увеличиваться (появится колеблющееся облако положительного пространственного заря-

да) и в цепи коллектора 6 начнет индуцироваться наведенный ток, зависящий от величины пространственного заряда. Для ионов других масс условия синфазности поступления новых порций ионов соблюдаться не будут, и они образуют постоянный (размазанный) по плотности пространственный заряд, создающий слабый фон в цепи коллектора.

Синфазное поступление ионов в пространство взаимодействия анализатора осуществляется путем подачи на электрод 1 небольшого по величине переменного напряжения, частота которого совпадает с частотой колебания ионов данной массы.

Развертку спектра по массам получают изменением частоты подаваемого на электрод 1 напряжения. При этом последовательно создаются условия для образования сгустков ионов с различными массами, и наведенный ток в цепи коллектора будет пропорционален количеству ионов данной массы. Спектр масс в фарвитроне обычно регистрируется с помощью осциллографической трубки, на вертикальную пару пластин которой подается усиленный импульс напряжения из сопротивления в цепи коллектора, а на горизонтальную — напряжение развертки, синхронизированное с изменением частоты на электроде 1. Так как обычно спектр масс регистрируется с частотой развертки 50 гц, то с помощью линейного резонансного анализатора можно вести наблюдение за быстро изменяющимися процессами сразу по всему спектру масс.

Разрешающая способность линейных анализаторов невелика (обычно 10—20) и в первом приближении пропорциональна отношению амплитуд постоянного (на электроде 5) и переменного (на электроде 1) напряжений.

Линейный резонансный анализатор нельзя называть измерителем парциальных давлений в строгом смысле этого слова, так как при сравнительно больших парциальных давлениях пространственный заряд сильно искажает ход градуировочных кривых. Им могут быть зарегистрированы компоненты остаточных газов, давление которых составляет не менее 3% общего давления в рабочем интервале от 10~⁵ до 10^-8 мм рт. ст.

В спектре масс линейного резонансного анализатора в процессе работы могут возникать ложные пики, соот

ветствующие массовым числам, которые в четыре раза больше или меньше измеряемой массы, но их величина обычно не превышает 20% основного пика.

Несмотря на невысокую разрешающую способность и отмеченные недостатки, линейный резонансный масс-анализатор является удобным индикатором парциальных давлений и находит широкое применение в связи с простотой конструкции и возможностью анализа быстро изменяющихся процессов, когда известен качественный состав остаточных газов.