2.4. Циклотронный газоанализатор (омегатрон)

Циклотронный газоанализатор (омегатрон) относится к дина­мическим анализаторам парциальных давлений. Принцип его дей­ствия основан на движении положительных ионов во взаимно пер­пендикулярных постоянном магнитном и высокочастотном элек­трических полях. Ток эмиссии термокатода 5 (рис. 2.4) образует электронный луч по оси прибора z, направленный параллельно силовым линиям магнитного поля В к аноду 2. Положительные ионы, об­разовавшиеся в электронном луче, движутся по спирали в скрещенном постоянном магнитном поле и высоко­частотном электрическом поле, прило­женном к двум пластинам 1 и 3.

Рис. 2.4. Циклотронный газоанализатор (омегатрон)

Уравнения движения ионов в идеальном омегатроне можно записать в следующем виде:

m = –qB; m = qE sin ωt + qB; m = 0,

где Е и ω – напряжённость и угловая частота высокочастного электрического поля; t – время.

Коллектор 4, расположенный в вырезе нижней пластины, реги­стрирует только те ионы, для которых период вращения совпадает с периодом изменения электрического поля. Такие ионы называ­ются резонансными. Траектория резонансных ионов представ­ляет собой раскручивающуюся спираль, радиус которой R = Et/(2B).

Резонансные ионы за каждый оборот получают приращение энергии от электрического поля. Остальные ионы движутся по ограниченным траекториям и не достигают коллектора.

Используя выражение (2.2) для радиуса траектории иона, оп­ределим период и частоту вращения резонансного иона:

T = 2πR/ν = 2рm/(2Вq); f = 1/T = Ω/(2π),

где Ω = Вq/m – циклотронная частота.

В постоянном магнитном поле Ωm/q = const, поэтому шкала массовых чисел при развертке по частоте – гиперболическая.

Измерение ионного тока, проходящего через коллектор, осуще­ствляется электрометрическим усилителем.

Разрешающая способность омегатрона обратно пропорциональ­на массе иона:

где R_k – расстояние от электронного луча до коллектора.

С увеличением массы иона разрешающая способность умень­шается. Реально удается достигнуть при ∆M_e = 1 а.е. м. значения р_М = 35...45.

_{Коэффициент чувствительности по азоту при электронном токе 10 мкА лежит в пределах (4...10)·10–7А/Па. При больших элек­тронных токах чувствительность уменьшается из-за роста про­странственного заряда нерезонанс- ных ионов. Относительная чувствительность зависит от рода газа (см. табл. 2.1).}

Максимальное рабочее давление омегатрона (1...4)·10^–3 Па, минимальное – 10^–8 Па.

2.5. Времяпролетные газоанализаторы

Во времяпролетном динамическом газоанализаторе в одной из конструкций для разделения ионов по массам используют разницу во времени пролета промежутка l₀ ионами различных газов (рис. 2.5, а):

Ионообразование осуществляется электронным током, проте­кающим между термокатодом 6 и анодом 7. На сетку 5 подается отрицательный потен-циал U₅, ускоряющий ионы в пространстве дрейфа между заземленными сетками 4 и 3. Проходя сетку 5, ионы получают одинаковые приращения энергии и в соответствии со своими массовыми числами приобретают различную скорость. В промежутке между заземленными сетками 4 и 3 ионы разделя­ются на группы с одинаковыми массовыми числами.

а)

б)

Рис. 2.5. Времяпролетный газоанализатор (хронотрон):

a – схема; б – диаграмма напряжений на основных электродах

Пройдя пространство дрейфа, группы ионов, если сетка 2 за­землена, поочередно достигают приемника ионов 1, которым служит вторичный элект­ронный умножитель. Длительность импуль­са, образующего масс-спектр, очень мала (~0,1 мкс), а частота импульсов может быть до 10 кГц. Умножитель связан с ши­рокополосным усилителем, выходной сиг­нал которого подается на вертикально от­клоняющие пластины осциллографа. По промежутку времени между выталкиваю­щим импульсом и моментом появления пи­ка ионного тока можно определить массо­вое число.

Для непрерывной регистрации только одного компонента спектра на сетку 2 по­дается положительный потенциал, череду­ющийся с отрицательным импульсом U₂ (рис. 2.5, б), во время которого группа ио­нов с определенным массовым числом до­стигает приемника 1. Остальные ионы за­держиваются положительным потенциалом сетки. Изменяя промежуток времени t₁, t₂ и т. д. между импульсами на сетках 5 и 2, можно выделять отдельные составляющие масс-спектра.

Разрешающая способность времяпролетного газоанализатора:

p_М = М_е/∆M_е = t/(2∆t),

где ∆t – длительность прохожде­ния группой ионов с одним мас­совым числом пространства дрей­фа; t – длительность ионизирую­щего или вытягивающего импуль­са. Разброс начальных скоростей ионов приводит к необходимости уменьшения М.

Рассмотренный газоанализатор называется хронотроном. Современные хронотроны имеют разрешающую способность (на половине высоты пика) р_M = 100; диапазон массовых чисел 1...600 а. е. м.; минимальное измеряемое давление 10^–8 Па. Недо­статком хронотрона является большая длина пространства дрейфа ≥ 0,5 м.

Другая конструкция времяпролетного газоанализатора, пред­ставленная на рис. 2.6, известна под названием радиочастот­ного масс-спектрометра, или топатрона. Положитель­ные ионы, образовавшиеся в области ионизации (катод 3 и анод 2), ускоряются сеткой С₅ в направлении трехсеточного каскада С₂–С₄. Между сеткой С₃ и соединенными вместе сетками С₂ и С₄ подается высокочастотное напряжение. Расстояния между сетками С₂, С₃ и С₃, С₄ одинаковы и равны δ.

Рис. 2.6. Радиочастотный газоана­лизатор (топатрон)

Между сетками С₄ и С₃ на ионы действует сила высокочастот­ного электрического поля:

F₁ = qЕ sin(ωt + Θ),

где Е – максимальная напряженность электрического поля между сетками; Θ – начальная фаза высокочастотного поля, соответст­вующая моменту пересечения ионом плоскости сетки С₄(t = 0).

Между сетками С₃ и С₂ действует такая же сила, но с обрат­ным знаком: F₁ = –qЕ sin(ωt + Θ).

Максимальное приращение энергии получают ионы, пересекаю­щие сетку С₃ в момент перемены знака поля при Θ = 0, для кото­рых выполняется условие ωδ/υ+Θ = π.

Для таких ионов время пролета трехсеточного каскада и пе­риод высокочастотного напряжения совпадают. Такие ионы назы­ваются резонансными. Остальные ионы получают меньшее прира­щение энергии или замедляются. Сетка С₁ имеет отрицательный потенциал, который могут преодолеть на пути к коллектору 1 только резонансные ионы, получившие приращение энергии. Инди­кация масс-спектра осуществляется осциллографом, подключенным к выходу умножителя. Развертка по массам производится измене­нием высокочастотного напряжения.

В этом приборе часто измеряют ионный ток сетки С₅, пропор­циональный общему давлению смеси газов, поэтому прибор удо­бен для измерения как общих, так и парциальных давлений.

Так как разрешающая способность трехсеточного каскада ма­ла, то последовательно устанавливают несколько каскадов. При четырех каскадах р_М = 45. Диапазон регистрируемых массовых чисел 2...200 а.е.м„ минимальное измеряемое давление 10^–6 Па.