2.8. Термодесорбционный масс-спектрометр

Анализ остаточных газов, присутствующих в вакуумных каме­рах, основанный на различиях в их теплотах адсорбции, называ­ется термодесорбционной масс-спектрометрией.

Для проведения анализа в камеру с исследуемым газом, имею­щую обычный манометрический преобразователь, необходимо по­местить прогреваемую прямым пропусканием электрического тока вольфрамовую нить, которая перед началом работы обезгаживается прогревом до 2500 К. После охлаждения на поверхности нити адсорбируются молекулы остаточных газов. Степень покрытия по­верхности молекулами остаточных газов, согласно (2.38), при θ₀ = 0 можно рассчитать по формуле

(2.14)

где p_i – парциальное давление i-газа; t_a – время установления адсорбционного равновесия;

где τ_i – среднее время нахождения молекулы в адсорбированном состоя­нии; Q_ai – теплота адсорбции i-газа.

Время t_a выбирают достаточным для того, чтобы экспонентой в выражении (2.14) можно было пренебречь.

Минимально необходимое время определяют экспериментально. При увеличении t_a выходной сигнал сначала линейно возрастает, а затем при t_a > 4,6/A_i принимает постоянное значение. В этом слу­чае формулу (2.14) можно упростить: θ_i = /(1 + ).

При нагревании нити происходит десорбция поглощенных га­зов. При этом в камере, внутри которой находятся нить и мано­метрический преобразователь, давление повысится на величину

Δp_i = a_miθ_iAkT/V, (2.15)

где А – поверхность нити; a_mi – число молекул, необходимых для образования мономолекулярного слоя i-газа; V – объем камеры.

Повышение давления Δp_i для газов с различной теплотой ад­сорбции происходит при различных температурах нити, что и ис­пользуется для определения состава и количества остаточных газов.

Если адсорбирующую поверхность предварительно охладить до температуры жидкого азота, то можно провести анализ газов, имеющих малое значение теплоты адсорбции. На рис. 2.10 пред­ставлен пример масс-спектра, полученного термодесорбционным масс-спектрометром, а также изменение температуры нити Т.

Рис. 2.10. Масс-спектр, получаемый методом термодесорбционной масс-спектрометрии

Существенное отличие этого масс-спектра от получае­мых на ионизационных газоана­лизаторах состоит в том, что пи­ки располагаются не в последо­вательности возрастания массо­вых чисел, а в порядке увеличе­ния теплоты адсорбции. Этим при­бором хорошо разрешаются пи­ки газов Н₂ и СО, имеющих оди­наковое массовое число.

При расшифровке масс-спект­ров смеси газов следует учиты­вать наличие на поверхности адсорбционных центров с различной теплотой десорбции. При этом каждый газ может иметь несколь­ко термосорбционных пиков. Для повышения чувствительности прибора следует увеличивать адсорбирующую поверхность, на­пример путем нанесения активных адсорбентов или травления.

2.9. Оже-спектрометр

Если на атом воздействует излучение, энергия которого доста­точна для ионизации одной из его внутренних электронных оболо­чек, то образовавшееся при этом вакантное место может быть за­полнено электроном с меньшей энергией связи из другой оболоч­ки. Энергия, освобождающаяся при указанном переходе, может превысить энергию связи электрона в одной из внешних оболочек атома, что сопровождается эмиссией электрона. Так, если обра­зовавшаяся в результате внешнего воздействия вакансия на K-уровне заполняется электронами с M-уровнями, а выделяющая­ся энергия передается электрону с N-уровня, то этот процесс на­зывают КMN-Оже-переходом. Кинетическая энергия элек­трона, эмиттированного в результате этого перехода, определяется выражением

Е_KMN = Е_К – Е_М – Е_N,

где Е_К, Е_М – энергия связи электронов на К- и M-оболочках атома; Е_N – энергия связи на уровне N в атоме с однократно ионизированным уровнем М.

Абсолютное значение энергии эмиттируемых электронов в за­висимости от атомного номера элемента и типа перехода может изменяться от 20 до 3000 эВ.

Структурная схема Оже-спектрометра типа «цилиндрическое зеркало» представлена на рис. 2.11. Первичный пучок электронов из блока 1 попадает на мишень 2. Вторичные электроны через щели во внутреннем цилиндре попадают на вход электронного умножителя 7. Энергия электронов, проходящих через щели ана­лизатора, зависит от напряжения U, подаваемого от источника 3 на внешний цилиндр 8. Это напряжение и используется для раз­вертки энер­гетического спектра электронов, записываемого на двухкоординатном самописце 5. Генератор синусоидальных напря­жений 4 и усилитель с синхронным детектором 6 позволяют дифференцировать и фильтровать от помех выходной сигнал.

Рис. 2.11. Электростатический анализатор типа «цилиндрическое зеркало»

На рис. 2.12 показан спектр образца из нержавеющей стали, полученный на таком анализаторе. По оси абсцисс отложена энергия эмиттированных электронов E, а по оси ординат – их относительная интенсивность I.

Рис. 2.12. Оже-спектр образца из нержавеющей стали