42. Статические газоанализаторы.

Рис. 3 .17. Схема статического магнитного газоанализатора: 1  схема регистрации; 2  коллектор ионов; 3  область действия магнитного поля; 4  пространство ионизации молекул; 5  откачной патрубок

Рис. 3 .18. Схема панорамного газоанализатора: 1  катод; 2  диафрагма; 3  анод; 4  ускоряющие электроды; 5  сигнальный электрод; 6  усилитель; 7  катодный осциллограф; 8  генератор развертки; 9  генератор высокочастотного напряжения

В статических газоанализаторах для разделения ионов используются постоянные электрические или магнитные поля. Схема статического магнитного газоанализатора (масс-спектрометра). Ионизация молекул анализируемого газа осуществляется в пространстве ионизации 4 пучком медленных электронов, эмиттируемых накаленным катодом. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры через узкую выходную щель, ускоряются разностью потенциалов U  1 кВ и дополнительно фокусируются системой электрических линз. Пучок моноэнергетических ионов, обладающих различными скоростями в зависимости от их массы и заряда, попадает в зону 3 действия поперечного магнитного поля индукцией B. Под действием силы Лоренца они будут двигаться по дугам окружности радиуса r, величина которого зависит от удельно­го заряда или массового числа иона (3,10) Выражение называют измерительным уравнением масс-спектрометра. В результате взаимодействия с магнитным полем на коллектор 2 попадают только те ионы, радиус r траектории которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллектором. Ионный ток коллектора регистрируется измерительной системой 1. Как следует из выражения (3.10), развертку масс-спектра можно осуществлять изменением магнитной индукции B или ускоряющего напряжения U. Изменяя радиус r траектории иона за счет изменения ускоряющего напряжения U или индукции магнитного поля B, можно создавать условия для попадания на коллектор ионов с различными массовыми числами. Разрешающая способность масс-спектрометра зависит от размеров прибора и расширения ионного пучка: (3.11) где s₁ и s₂  ширина щелей на выходе из ионного источника и перед коллектором ионов соответственно;  расширение ионного пучка в плоскости щели s₂. Чувствительность масс-спект­ро­метра возрастает при увеличении ширины щелей, составляющей обычно 0,11,0 мм. Значение чувствительности   10 мА/Па. Верхний предел рабочих давлений (~10^2 Па) масс-спектрометра определяется постоянством чувствительности; нижний предел (~10^8 Па)  фоновыми токами.

Панорамный газоанализатор, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.18, служит для качественной оценки состава остаточных газов. Молекулы анализируемого газа ионизируются электронами, эмиттируемыми накаленным катодом 1, проходящими через диафрагму-модулятор 2 и ускоряемыми полем сеточного анода 3, находящегося под потенциалом земли. Положительные ионы, образующиеся в результате электронной бомбардировки, ускоряются электростатическим полем с параболическим распределением потенциала, которое создается системой электродов 4. Примерные значения потенциала U, В (относительно земли) на ускоряющих электродах 4 показаны на рис. 3.18. Под воздействием этого поля ионы совершают колебания в пространстве между сеткой 3 и сигнальным электродом 5, находящимися под нулевыми потенциалами. Частота колебаний ионов не зависит от места их возникновения и определяется выражением (3.12) где К_а  коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией анализатора; U  модуль максимального отрицательного напряжения на центральном электроде анализатора; q  заряд иона; m  масса иона. Каждый вид ионов наводит на сигнальном электроде 5 в соответствии с (3.12) напряжение собственной частоты.

Анализ ионов по массам заключается в измерении частот сигнальных напряжений. Развертка масс-спектра в панорамном газоанализаторе осуществляется изменением частоты сигнала, подаваемого на модулятор 2 от высокочастотного генератора 9. При совпадении частоты генератора с частотой собственных колебаний ионов определенного вида на сигнальном электроде 5 наводится резонансное напряжение. Это напряжение усиливается высокочастотным усилителем 6 и через демодулятор поступает на вертикально отклоняющую систему катодного осциллографа 7. На горизонтально отклоняющую систему осциллографа подается напряжение от генератора развертки 8, синхронизированное с временной разверткой высокочастотного генератора 9. На экране осциллографа можно видеть одновременно весь спектр газов. Диапазон рабочих давлений панорамного газоанализатора составляет ~ (10^310^7) Па.