2.2. Магнитный газоанализатор

Статические магнитные газоанализаторы (масс-спектрометры) (рис. 2.2) основаны на пространственном разделении моноэнерге­тического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле. Процесс газового анализа состоит из ионообразования, ускорения ионов и формирования ионного пучка, разделения ионов по мас­совым числам и измерения интенсивности ионного тока.

Рис. 2.2. Магнитный статический газо­анализатор (масс-спектрометр)

Ионообразование осуществляется электронной бомбардировкой нейтральных газовых молекул в ионном источнике 4 за счет тока эмиссии i_э. Ионный источник находится под отрицательным по­тенциалом относительно земли (~ –1 кВ), выталкивающим ион­ный пучок i₊ в пространство дрейфа. Положительные ионы, прой­дя одинаковое ускоряющее напряжение, входят в пространство дрейфа в соответствии с (2.1) со скоростями

В пространстве дрейфа, где действует поперечное магнитное поле индукцией В под воздействием силы Лоренца F₁= qυB, поло­жительные ионы движутся в направлении, определяемом прави­лом левой руки, по окружностям постоянных радиусов. При этом центростремительная си­ла Лоренца уравновешивается центробежной силой F₂ = mυ²/R.

Из условия равенства сил F₁ = F₂ найдем выражение для определения радиуса траектории ионов

R = mυ/(qВ), (2.2)

которое с учетом (2.1) можно переписать в виде

_(2.3)

Таким образом, радиус траектории иона прямо пропорциона­лен корню квадратному из отношения массы иона к его заряду. Решая уравнение (2.3) относительно m/q, получим измерительное уравнение статического масс-спектрометра с магнитным отклоне­нием:

m/q =R²В²/(2U). (2.4)

В результате взаимодействия с магнитным полем на коллектор 3 попадают только те ионы, радиус траектории которых соответст­вует положению щели в диафрагме перед коллектором. Изменяя радиус траектории иона за счет изменения ускоряющего напря­жения U или магнитной индукции В, можно создавать условия для попадания на коллектор ионов с различными массовыми чис­лами. Ионный ток коллектора после усилителя 2 измеряется вы­ходным прибором 1.

В рассмотренной схеме анализатора ионы отклоняются на угол 180°. На практике значения углов отклонения могут быть как больше, так и меньше 180°.

Как следует из (2.4), наиболее эффективна магнитная разверт­ка масс-спектра по значению магнитной индукции В, но в связи с лучшим быстродействием, простотой схем питания и меньшими размерами магнитной системы в промышленных приборах пред­почтение отдается элетростатической развертке по ускоряющему напряжению U.

Разрешающая способность масс-спектрометра зависит от раз­меров прибора и расширения ионного пучка:

где S₁ и S₂ – ширина щелей на выходе из источника ионов и перед коллектором ионов соответственно; σ(R) – суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели S₂ в результате аберраций. Абер­рации являются следствием разброса ионов одинаковой массы по скоростям, неоднородности в распределении магнитного поля по высоте ионного пучка, влияния пространственного заряда и т. д. При диапазоне массовых чисел от 2 до 150 разрешающая способ­ность на половине высоты пика р_М ≥ 50.

_{Чувствительность масс-спектрометра возрастает при увеличе­нии ширины щелей, которую обычно выбирают от 0,1 до 1 мм. Для стандартных приборов коэффициент чувствительности КИ при откачке азота составляет 10 мА/Па. Относительная чувствитель­ность магнитных анализаторов зависит от рода газа (табл. 2.1). Верхний предел рабочих давлений 10–2 Па определя­ется постоянством коэффициента чувствительности, нижний 10–8 Па – фоновыми токами. Порог чувствительности равен 10–3 % и зависит от уровня шумов электрометрического усилителя или умножителя и фонового масс-спектра прибора.}

Простота и надежность магнитных анализаторов позволяет применять их в системах контроля и управления вакуумными тех­нологическими процессами. Технологические характеристики при­бора МСД-1, специально разработанного для управления техноло­гическими процессами от ЭВМ, даны в табл. 2.1.

Таблица 2.1