Методики определения параметров вакуумных систем. Лабораторный практикум

Таблица 5.1 Спектральные характеристики некоторых газов и паров

61

Продолжение табл. 5.1

* Массовые числа 25, 29, 14, 24, 13, 12 дают пики от 0,1 до 0,01

62

Органические соединения дают большое число осколочных пиков. Плохое удаление органических растворителей после мойки аппаратуры дает наибольший пик для этилового спирта и диэтилового эфира при M = 31, а для ацетона – при M = 43.

Минеральные масла диффузионных насосов дают серии пиков углеродосодержащих соединений, начиная с метановых производных до молекулярного веса самих масел. Наибольшие по амплитуде пики соответствуют, как правило, этан-пентановым производным (2-5-углеродных атомов).

Наличие кислорода в спектре остаточных газов герметичных вакуумных систем не характерно. Кислород со всегда имеющимися в природе углеродными загрязнениями образует преимущественно СО и СО2. Загрязнение воздухом через контролируемую течь дает параллельный рост пиков азота, кислорода и аргона.

Расчетные значения положения пиков масс на массспектрограмме обычно уточняются при напуске в анализатор проб известных газов. При нескольких значениях давления впущенного газа определяется одновременно и чувствительность анализатора – отношение приращения выходного сигнала к соответствующему приращению давления. Давление газа в диапазоне 10–1…10–10 Па наиболее удобно определять по ионизационному манометру. Зная местоположение и рабочие характеристики прибора для ионов с известными массовыми числами, можно определить место появления и характеристики пиков ионов с другими массовыми числами.

5.1.4. Оценка парциальных давлений компонентов остаточной газовой среды

Точное определение парциальных давлений компонентов с помощь масс-спектра чрезвычайно сложно и требует экспериментальной градуировки прибора по каждому газу, поскольку ионизирующая способность электронов по отношению к газам определенного сорта расчетным путем получена быть не может.

Ионизирующая способность электронов может быть охарак-

теризована эффективностью ионизации , под которой обычно понимают число положительных ионов, образуемых электроном на пути в

1 м при температуре газа 0 С и давлении 1 Па. Определение производят обычно при низких давлениях, а затем пересчитывают, при-

водя величину к p = 1 Па для удобства сравнения экспериментальных данных.

63

Эффективность ионизации электронов увеличивается при увеличении энергии электронов от потенциала ионизации до 150 эВ. При энергии электронов более 150 эВ эффективность ионизации уменьшается, так как электроны приобретают большие скорости и вероятность столкновения электрона с молекулой газа снижается.

Общее число ионов Ni, образованных ne электронами, может быть определено по формуле

где p – давление газа, Па;

l – длина траектории электрона, м.

Эффективность ионизации можно заменить величиной сечения ионизации , используя соотношение:

где n0 – молекулярная концентрация газа, равная 2,65 1020 p 1/м3, если p выражено в Па.

В таком случае

Если определять число ионов и электронов путем измерения создаваемых ими токов, то

где Ii – ионный ток;

Ie – электронный ток.

Если ионизируемый газ состоит из нескольких компонентов, то согласно закону Дальтона общее давление в системе pобщ будет равно сумме парциальных давлений компонентов:

где pk – парциальное давление k-го компонента;

Iik и k – соответствующие ему ионный ток анализатора и эффек-

64

тивность ионизации.

Если эффективность ионизации какого-либо компонента, на-

пример, азота, k принять за единицу и обозначить через k относительную эффективность ионизации k-го компонента, т.е.

K k , (5.9)

N 2

иучесть пропорциональность ионного тока k-го компонента высоте

его пика hik на масс-спектрограмме, то при неизменном ионном источнике и постоянном ионизирующем электронном токе для парциальных давлений компонентов можно записать

где hik – измеряется в мм шкалы спектрограммы, а постоянная C имеет размерность Па/мм.

В таком случае общее давление в системе

Зная высоты пиков масс-спектров и общее давление в системе (замеренное, например, с помощью ионизационного манометра), а также относительные эффективности ионизации компонентов из последнего выражения можно определить величину постоянной C, а значит и определить парциальные давления отдельных компонентов.

Экспериментально определенные относительные (по отношению к азоту) эффективности ионизации различных газов приведены в табл. 5.2.

65

5.2.Описание оборудования

Внастоящей работе используется времяпролетный массспектрометр типа МСХ-3А, предназначенный для анализа состава газов в высоком и сверхвысоком вакууме с регистрацией быстрых изменений состава. Прибор может применяться для контроля технологических процессов в микроэлектронике, в вакуумной технологии плазменных установок, в физико-химических исследованиях процессов взаимодействия различных газов и паров, для исследований физики электрического разряда в вакууме, сорбции и десорбции в электровакуумной технике и т.д.

5.2.1.Технические данные

1. Допустима работа прибора в следующих режимах:

а) непрерывной регистрации спектра масс с временным разрешением при киносъемке с экрана до 0,03 с. Момент съемки каждого кадра регистрируется, считая от начала изучаемого явления;

66

б) однократной регистрации спектра масс с длительностью интервала времени анализа 4, 6, 8, 12, 15, 20, 25, 30, 40, 60 мкс с задержкой относительно начала изучаемого явления до 250 мкс;

в) строчной развертки с раздельной регистрацией на одном кадре фотопленки шести разверток спектра масс, разделенных интервалами в 330 мкс с задержкой относительно начала изучаемого явления до 8 мкс.

2.В каждом из указанных выше режимов возможна работа прибора при нестабилизированном или стабилизированном токе эмиссии катода ионного источника. В первом случае ток накала катода ионного источника изменяется плавно от 0 до 15 А при ширине катода 1 мм. Во втором случае прибор имеет пять фиксированных стабилизированных значений тока эмиссии катода ионного источни-

ка: 0,3; 1; 3; 10 и 30 мА.

3.Основные газоаналитические параметры прибора:

а) диапазон рабочих давлений – 10–3…10–7 Па;

б) диапазон регистрируемых масс M = 1…250 е.м.; в) разрешающая способность по массам – не менее 30;

г) чувствительность по аргону – 2 10–6 Па/мм при начальном давлении в измерительной камере 4 10–5 Па.

4. Нелинейность амплитудной характеристики усилителя сигнала спектра – не более 5 %.

5.2.2. Принцип работы масс-спектрометра

Масс-спектрометр состоит из двух основных частей: измерительного блока и датчика. Датчик включает в себя источник ионов, приемник ионов (электронный умножитель) и предварительный усилитель.

Все временные соотношения в приборе в различных режимах вырабатываются в синхронизаторе. Из синхронизатора запускающий импульс поступает в импульсный блок и запускает генератор ионизирующего импульса ГИ-1. С выхода генератора мощный импульс ионизации поступает на управляющий электрод ионного источника, вытягивающийся электронный поток ионизирует анализируемый газ, ионы которого удерживаются в накопительной части ионного источника системой эквипотенциальных сеток. Спустя некоторое время (0,3…10 мкс) на первую сетку ионного источника из импульсного блока поступает выталкивающий импульс с генератора ГИ-2, и ионный пучок выталкивается в пространство дрейфа. В свободном от электрических и магнитных полей пространстве происходит форми-

67

рование ионных пакетов с различным отношением заряда к массе. Пакеты поступают в анализатор, в котором с помощью электростатической линзы фокусируются на собирающем электроде – первом диоде электронного умножителя.

Выход электронного умножителя через широкополосный усилитель, включающий в себя предварительный и основной усилители, связан с вертикальными отклоняющими пластинами электрон- но-лучевой трубки, расположенной в индикатором блоке. Из синхронизатора в индикаторный блок поступают импульсы напряжений горизонтальной и вертикальной разверток, и импульсы подсвета прямого хода разверток в результате чего на экране индикатора наблюдается изображение спектра масс исследуемой газовой смеси.

С помощью кинофотоприставки возможна одновременная съемка экрана индикатора, электронного секундомера и устройства регистрации номера опыта.

Питание анодных, экранных и сеточных цепей ламп всех блоков радиотехнической стойки осуществляется от блока питания катода ионного источника, а питание диодов электронного умножителя – от отдельного блока питания ионного источника.

Прибор дает возможность работать в режиме стабилизированного тока эмиссии катода ионного источника. В этом случае накал катода питается от отдельного блока, включающего в себя источник напряжения накала и стабилизатор тока эмиссии катода. Наличие режима работы прибора при стабилизированном токе эмиссии дает возможность сравнивать результаты анализа при определенном постоянном значении тока катода ионного источника. Подробное описание отдельных блоков прибора содержится в техническом описании и инструкции по эксплуатации МСХ-3А.

Сущность метода определения массы (а вернее – отношения массы иона к его заряду) сводится к тому, что время пролета ионов от источника до собирающего коллектора зависит от массы ионов и их заряда:

где L – длина дрейфового пространства; m – масса иона;

U – ускоряющее напряжение.

68

Зная длину пролета, ускоряющее напряжение и время пролета, можно определить отношением mq . Относительный отсчет вре-

мени на спектрограмме производится с помощью маркера времени горизонтальной развертки электронно-лучевой трубки анализатора. Абсолютный отсчет времени производится либо по пикам известных напускаемых проб газа, либо по первому пику, соответствующего

значению mq , равному единице.

5.3. Содержание работы

Перед проведением работы студент обязан:

1. Используя описание работы и список литературы, ознако-

миться:

а) с принципами работы и классификацией основных типов современных масс-спектрометрических анализаторов;

б) с методами расшифровки спектра масс; в) с принципами оценки парциальных давлений компонентов

остаточных газов в вакуумных камерах.

2.Изучить описание времяпролетного масс-спектрометра типа МСХ-3А и инструкцию по эксплуатации.

3.Ответить на контрольные вопросы.

При проведении работы студент обязан:

1.Провести откачку датчика масс-спектрометра до давления порядка 10–3 Па.

2.Снять спектр масс остаточных газов.

3.Провести расчетным путем по времени пролета и эмпирически с помощью соотношения высот пиков расшифровку спектра масс.

4.Расчетным путем оценить парциальные давления компонентов остаточных газов.

69

5.4. Порядок выполнения работы

5.4.1. Включение прибора

Перед включением прибора в сеть ручки управления прибором должны находиться в следующих положениях:

а) тумблер СЕТЬ на блоке – в положении ВЫКЛ; б) ручки управления индикаторным блоком с маркировкой

ВЛЕВО – ВПРАВО, ВВЕРХ – ВНИЗ и ФОКУС – в среднем положении, ручки «ЯРКОСТЬ» – в крайнем левом положении;

в) тумблер ВЫСОКО на панели блока – в положении ВЫКЛ. г) тумблеры НАКАЛ ИСТОЧНИКА, ПИТАНИЕ ИСТОЧНИКА и ВЫСОКОЕ ЭУ на панели блока – в положение

ВЫКЛ.

д) ручки автотрансформаторов на панели блока с маркировкой НАКАЛ. ИСТ. и ВЫСОКОЕ ЭУ – в крайнем левом положении; е) ручки управления на панели блока с маркировкой УПРАВЛЯЮЩЕЕ, ФОКУСИРУЮЩЕЕ, КАТОД-ИОНИЗАТОР,

ИОНИЗАТОР – в крайнем левом положении; ж) тумблеры ПРОГРЕВ ИСТОЧНИКА и ПРОГРЕВ

УМНОЖИТЕЛЯ на панели блока – в положении ВЫКЛ; з) ручки управления на панели блока с маркировкой

АМПЛИТУДА ГИ-1 и АМПЛИТУДА ГИ-2 – в крайнем левом положении.

и) переключатель ТОК ЭМИССИИ на панели блока – в положении 0,75 мА.

Остальные ручки управления могут находиться в произвольных положениях.

Порядок включения прибора должен быть следующим:

1.С помощью шланга питания подать на прибор сетевое напряжение 220 В. Тумблер включения сети, расположенный на панели блока, поставить в положение ВКЛ. При этом должна загореться сигнальная лампочка, расположенная на панели этого блока, и сигнальные лампочки контроля работы вентиляторов.

После прогрева ламп в течение 2-3 мин следует:

2.Включить тумблер ВЫСОКОЕ на панели блока. При этом должна загореться сигнальная лампочка, расположенная на панели этого блока.

70