Статические масс-анализаторы
СТАТИЧЕСКИЕ МАСС-АНАЛИЗАТОРЫ
Приборы двух последних групп получили название динамических масс-спектрометров (масс-анализаторов).
Требуемая разрешающая способность масс-анализаторов, используемых для измерения парциальных давлений, обычно невысока — от 20 до 50, так как в состав остаточных газов входят в основном легкие газы. Чувствительность же приборов должна быть как можно выше, поскольку измерения проводятся в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. Поэтому измерители парциальных давлений не могут заменить прецизионные масс-спектрометры, предназначенные для аналитических целей.
Рассмотрим принцип действия и устройство некоторых типов масс-спектрометров, применяемых для измерения парциальных давлений и массового анализа остаточных газов.
Соотношения (IVJ) — (IV.3) позволяют получить выражение для радиуса траектории R из которого видно, что радиус траектории иона при постоянных V и Н прямо пропорционален корню квадратному из массы иона. Следовательно, в масс-спектрометре происходит разделение моноэнергетического пучка ионов по массам, и в приемник попадают только те ионы, радиус кривизны траектории которых R = R0 (рис. IV.1). Изменяя радиус траектории иона, например регулируя напряженность магнитного поля, можно создать условия для попадания в приемник ионов с различными массами и получить спектр масс..
Спектр масс обычно расшифровывают по массовым числам, которые являются мерой массы атома и представляют собой ближайшие к массе ядра целые числа. По физической шкале масс за атомную единицу массы
(а. е. м.) принята 1/16 часть массы атома основного изотопа кислорода О16.
На рис. IV.2 показано устройство масс-аиализатора с секторным магнитным полем. В приборах этого типа используется принцип фокусировки, согласно которому выходная щель источника ионов 7, вершина секторного по
ля й входная щель коллектора 3 лежат на одной прямой, а основной ионный луч падает нормально к границе сектора раздела.
Обычно угол ф секторного магнитного поля выбирается равным 60 или 90°.
Такая система эквивалентна оптической собирающей линзе в сочетании с призмой, имеющей преломляющий угол Ф, и позволяет осуществлять более совершенную фокусировку ионов.
Одним из основных параметров масс-анализаторов как измерителей парциальных давлений является разрешающая способность, которая характеризует возможность раздельной регистрации ионов, близких по массовым числам. Так как пики на спектре масс обычно не имеют совершенной формы из-за конечной ширины выходной щели источника ионов и входной щели коллектора, то разрешающая способность оценивается отношением М/ДМ, где М — массовое число, а ДМ — ширина пика в единицах массовых чисел у основания пика с массой М.
Нетрудно показать, что для приведенных на рис. IV. 1 и IV.2 масс-анализаторов теоретическое значение разрешающей способности выражается зависимостью
где Sj и s2~ ширины выходной щели источника ионов и входной щели коллектора. Однако теоретическая разрешающая способность представляет собой тот предел, к которому можно стремиться, но которого никогда нельзя достичь при настройке прибора. Это связано с неизбежными неточностями при юстировке ионно-оптической системы, наличием начального разброса анализируемых ионов по энергиям, нестабильностью питающего напряжения и т. д. Поэтому на реальных спектрограммах пики отдельных масс спадают до нулевой лилии нс резко, а с некоторым уширением, что затрудняет точное определение величины ДМ. На практике обычно принято измерять ширину пика на половине его высоты.
Другим важным параметром масс-анализатора как измерителя парциальных давлений является порог чувствительности. Он характеризуется минимальным парциальным давлением, при котором показания прибора превосходят уровень собственного шума в два раза. Численное значение порога чувствительности современных масс-спектрометрических измерителей парциальных давлений с магнитным разделением ионов достигает 10~10 мм рт. ст.
с циклоидальной фокусировкой (трохотрон)
Принцип работы трохотрона показан на рис. 1V.3. Ионы, образованные в источнике /, под действием скрещенных электрического и магнитного полей фокусируются по направлению и энергии (двойная фокусировка) и устремляются к коллектору 2. Если магнитное поле направлено вдоль оси z, а электрическое — вдоль оси у, то, записывая проекции уравнения движения иона
на оси координат х и у, получаем
Масс-апалнзатор
При выполнении начальных условий /=0, х—у=0, u=uQ интегрирование дифференциальных уравнений (IV.7) приводит к параметрическому уравнению удлиненной циклоиды (трохоиды)
которую будет описывать конец радиуса-вектора р при качении окружности радиуса г без скольжения вдоль оси Ох, причем
Из приведенной на рис. IV.3 траектории видно, что период трохоиды d, т. е. расстояние от источника ионов до щели коллектора, для разрешаемого иона равен
Следовательно, развертку по массам в анализаторе с циклоидальной фокусировкой можно осуществлять изменением напряженности электрического или магнитного полей. Хотя величина радиуса-вектора р, как видно из выражения (IV.9), и зависит от начальной скорости иона, она не влияет на период трохоиды. Поэтому начальный разброс энергий анализируемых ионов в трохотроне не будет влиять на величину теоретической разрешающей способности Л4/ДЛ4, которая в данном случае оценивается из соотношения
Одним из недостатков магнитных статических масс-анализаторов, используемых для измерения парциальных давлений остаточных газов, является сложность присоединения их к вакуумной системе. Датчик такого прибора должен не только не изменять состава газа в откачиваемом объеме, но и правильно измерять его. Для этого масс-анализатор нужно присоединять к вакуумной системе непосредственно, избегая соединительных коммуникаций (вакуумпроводов), на которых всегда существуют перепады давлений. Это основное требование в ряде случаев не удается выполнить, поэтому в последние десятилетия были созданы более простые и удобные устройства, которые из-за наличия высокочастотного электрического поля получили название динамических масс-анализаторов. К ним относятся омегатрон, радиочастотный масс-спектрометр, электрический фильтр масс (квадрупольный масс-анализатор), времяпролетный, линейный резонансный масс-спектрометры и др.
Основные преимущества динамических масс-анализаторов — портативность, простота конструкции и надежность в работе.