43. Квадрупольный динамический масс-фильтр.

В квадрупольном (че­ты­рех­полюсном) масс-фильтре разделение ионов по массовым числам осуществляется в высокочастотном электрическом поле квадруполя, образованного четырьмя параллельными электродами гиперболического (рис. 3.19) или круг­лого сечения. Противоположные электроды соединены попарно. Между ними прикладывается высокочастотное напряжение с амплитудой V₀ совместно с постоянным смещением U: , где   циклическая частота переменной составляющей прикладываемого напряжения. Ионы анализируемого газа, ускоренные в направлении оси z, перемещаются в высокочастотном поле в пространстве между электродами. Если ввести два безразмерных параметра (3.15) и (3.16) то уравнения движения иона вдоль осей x и y могут быть сведены к дифференциальным уравнениям Матье: В соответствии с решением системы уравнений (3.17) траектория иона, движущегося в поле квадрупольного газоанализатора, имеет характер колебаний с возрастающей во времени амплитудой. Однако, когда значения параметров а и g лежат в определенных диапазонах, амплитуда колебаний ограничена по обеим осям х и y и, следовательно, ион будет совершать устойчивые колебания внутри системы электродов с амплитудой меньше r₀ и одновременно двигаться вдоль оси z. Ионы с устойчивой траекторией движения проходят через анализатор и попадают на коллектор. Амплитуда колебаний ионов, движущихся по неустойчивым траекториям, увеличивается, и они теряют свой заряд, попадая на электроды анализатора и не доходя до коллектора. Область значений параметров а и g, соответствующих устойчивым траекториям ионов, изображена на диаграмме, в координатной плоскости ga. Диаграмма устойчивости траекторий ионов представляет собой криволинейный треугольник; кривая 2 является границей устойчивости по оси у, а отрезок 3  по оси х. Выбирая параметры а и g из области устойчивости (т. е. подбирая величины U и V₀), можно определить массы ионов, достигающих коллектора. При постоянном отношении параметров а и g для ионов с различными массами получаются прямые линии, проходящие через начало координат плоскости ga. коллектор анализатора попадают ионы, характеристики которых соответствуют участку этой прямой, расположенному в области устойчивости. Поскольку каждая точка секущей линии сканирования 1 соответствует определенному массовому числу ионов, то сканирование по массам может быть осуществлено двумя способами: путем одновременного изменения значений U и V₀ при неизменном отношении (3.18) или же путем изменения частоты  электрического поля при неизменных значениях U и V₀. Таким образом осуществляется линейное сканирование вдоль секущей линии 1, которая называется линией сканирования, или рабочей линией. Обычно сканирование осуществляется первым способом. От того, как линия сканирования пересекает область устойчивости, зависят разрешающая способность и величина ионного тока (чувствительность) квадрупольного масс-фильтра. Если участок линии сканирования в области устойчивости мал, то малой является и сила ионного тока, но разрешающая способность анализатора в этом случае велика. Если же участок линии сканирования 1, расположенный внутри треугольника устойчивости, достаточно большой, то ему будут соответствовать значительное количество ионов различных масс, достигающих коллектора, высокий ионный ток, но низкая разрешающая способность.

Устройство квадрупольного масс-фильтра представлено на рис. 3.22. Молекулы анали­зиру­емого газа ионизируются в ионном источнике 1, ускоряются в направлении системы электродов анализатора и через входную диафрагму 4 впускаются в квадрупольную систему газоанализатора. Ионы, прошедшие через анализатор, попадают через выходную диафрагму на коллектор 6. Измеряемый в цепи коллектора ионный ток пропорционален числу ионов данной массы, попадающих на коллектор в единицу времени. Поскольку амплитуда колебаний ионов не зависит от их скорости в направлении оси z, начальная скорость ионов не играет существенной роли, что позволяет использовать для ионизации молекул анализируемого газа несложные ионные источники с большими ионными токами.

Рис.  3.22. Схема квадрупольного масс-фильтра: 1  ионный источник; 2  фланец; 3  корпус; 4  диафрагма; 5  стержневые электроды анализатора; 6  коллектор ионов

В квадрупольных газоанализаторах обычно используются цилиндрические электроды, которые проще изготовить с необходимой точностью. Распределение электрического поля в случае цилиндрических электродов приближается к соответствующему распределению поля в гиперболическом квадрупольном масс-фильтре при выполнении следующего условия: (3.19) где r  радиус цилиндрических электродов; r₀  половина расстояния между электродами. Разрешающая способность анализатора зависит от отношения напряжений : (3.20) где _max = 0,168. При отношении   _max ионы всех масс имеют неустойчивые траектории независимо от других параметров электрического поля в анализаторе. Из выражения (3.20) следует, что для получения высокой разрешающей способности необходимо в процессе измерений выдерживать соотношение /_max = 0,999. Массовое число ионов, соответствующих значениям , близким к _max, и имеющих устойчивую траекторию, связано с параметрами электрического поля следующим соотношением: (3.21) где  частота электрического поля, МГц; V₀  амплитуда высокочастотного напряжения, В; r₀  половина расстояния между электродами, м. Ускоряющее напряжение, обеспечивающее начальную скорость ионов в направлении оси z, не должно превышать значения , (3.22) где l  длина каждого из электродов анализатора, м. При превышении данного значения ионы, движущиеся по неустойчивым траекториям, не будут успевать осаждаться на электродах анализатора, попадут на коллектор, что приведет к нарушению режима работы анализатора.

44.Циклотронный,времяпролетный и радиочастотный газоанализатор. Циклотрон­ный (омегатрон) – раздел. ионов в вы­сокочастотном эл. и постоян­ном магн.м взаимно перпендикулярных по­лях; измер. парциаль­ных давл. (преиму­щественно легких га­зов); анализ физико-химических процессов в высоком вакууме. Электроны, эмиттируемые накаленным катодом 1, движутся через сквозные отвер­стия в улавливающих 8, отражающих 2 и анодной 3 пластинах в направлении коллектора электронов 7. Осевой электронный пучок 4 производит ионизацию молекул анализируемого газа. Высокочастотное пере­менное напряжение подается на параллельные горизонтальные электроды 5 и 6, а также на отражающие электроды 2, что по­зволяет создавать поле внутри камеры анализатора более одно­родным. К отра­жающим электродам 2, имеющим форму прямоугольных рамок, прикладывается также постоянный положительный потенциал, препятствующий попаданию на них ионов и уменьшению кон­центрации ионов. Развертка осущ-ся измен. частоты высокочаст. напряж.

Время­пролетный (хронотрон) – раздел. ионов по времени их пролета в пространстве дрейфа, свободном от эл. и магн.х полей; исследование газовой кинетики с контролем процессов, происхо­дящих в газах, дли­тельностью до не­скольких микросекунд. Ионизация мол. анализируемого газа осущ-ся пуч­ком электронов между термокатодом 6 и анодом 7. На сетку 5 через определенные интервалы времени подается импульс от­рицательного напряжения -U₅ ускоряющего ионы. Ускоренные ионы попадают в пространство дрейфа между заземленными сеточными электродами 3 и 4. При прохождении сетки 5 ионы получ. одинаковые прира­щения энергии и приобретают различные в зав-ти от масс скорости. Поэтому в про­странстве дрейфа ионы разде­л. на группы с одинаковы­ми массовыми числами. В слу­чае, когда сетка 2 заземлена, группы ионов поочередно дос­тигают приемника 1, в кач-ве кот. использ. вторич­ный электронный умножитель. Умножитель связан с широко­полосным усилителем, выход­ной сигнал кот. подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. По промежутку времени между вы­талкивающим импульсом -U₅ и моментом появл. ион. тока можно опр-ть масс. число ионов. Сила ион. тока пропорциональна парциальному давл. газа. Для непрерывной регистрации спектра только одного ком­понента газа на сетку 2 подается положительный потенциал, чередующийся с импульсами отрицательного напряжения -U₂. Во время подачи этого импульса на приемник 1 попадает группа ионов с опред. массовым числом. Остальные ионы: задерживаются положительным потенциалом сетки 2. Путем изменения промежутков времени t1 и t2 между импульсами на сетках 5 и 2 выдел. отдельные составляю­щие масс-спектра.

Радио­частотный (топатрон) – раздел. ионов в вы­сокочастотных про­дольных эл. полях, образованных последовательно распо­ложенными трехсеточными каскадами; газовый анализ в промыш.уста­новках; анализ моле­кулярных потоков па­ра в установках вак. нанесения тонких пленок. Ионизация мо­лекул анализируемого газа осуществляется пучком электронов в пространстве ионизации между термокатодом 3 и анодом 2. Ионы ускоряются сеточным электродом 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 С4 одина­ковы и равны δ.

Регистрация масс-спектра ионов осущ-ся осцилло­графом, подключаемым к выходу усилителя. Развертка по мас­сам производится изменением ускоряющего напряжения U либо частоты f.

Раб. диап. давл. от 10^-6 Па.