9-5 КФМ
.pdf4693
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ КВАДРУПОЛЬНОГО ФИЛЬТРА МАСС
Методические указания к лабораторной работе
Рязань 2013
УДК 537.226.4
Изучение принципа работы квадрупольного фильтра масс: методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; cост.: М.А. Буробин, А.В. Брыков, И.А. Харланов; под ред. М.В. Дубкова. Рязань,
2013. 12 с.
Содержат основные теоретические сведения, описание экспериментальной установки, порядок выполнения работы.
Предназначены для студентов специальности 210101 «Физическая электроника», изучающих дисциплину «Физические основы современных методов анализа вещества».
Табл. 1. Ил. 4. Библиогр.: 4 назв.
Гиперболоидные масс-спектрометры, квадрупольный фильтр масс, диапазон масс, разрешающая способность
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра общей и экспериментальной физики РГРТУ (зав. кафедрой доц. М.В. Дубков)
Изучение принципа работы квадрупольного фильтра масс
Составители: Б у р о б и н Михаил Анатольевич Б р ы к о в Александр Валериевич Х а р л а н о в Игорь Алексеевич
Редактор Р.К. Мангутова Корректор С.В. Макушина
Подписано в печать 20.05.13. Формат бумаги 60 × 84 1/16. Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 0,75.
Тираж 50 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет.
390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.
Цель работы: изучение принципа работы и определение аналитических параметров квадрупольного фильтра масс.
Приборы и принадлежности: квадрупольный масс-спектрометр УАВ.Э-100/2-006, двухкоординатный самописец H307/1, цифровой вольтметр В7-40.
1.Теоретическая часть
Воснове работы масс-спектрометра лежит принцип разделения ионов по удельным зарядам e/m при их движении в высокочастотных квадрупольных электрических полях.
Распределение потенциала в анализаторе квадрупольного фильтра масс описывается соотношением
x, y U
x |
2 |
y |
2 |
|
|
|
|
||
|
|
r |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
.
(1)
Такое поле создается системой из четырех электродов, симметрично расположенных относительно осей x и у. В плоскости XOY электроды
в поперечном сечении описываются уравнением |
x |
2 |
y |
2 |
2 |
, т. е. явля- |
|
|
r0 |
ются гиперболическими. Здесь r0 – минимальное расстояние от начала координат до каждого из электродов. Образующие гиперболических электродов параллельны оси z.
Для удобства изготовления в большинстве фильтров масс гиперболические электроды заменяются на цилиндрические (рис. 1). Для лучшего приближения распределения потенциала в таком анализаторе к распределению (1) радиус rа цилиндрических электродов должен удовлетворять соотношению ra / r0 1,16 .
В выражении (1)
U U U~ cos t
есть постоянное U с высокочастотной составляющей U~ cos t напряжение, прикладываемое между противоположными парами электродов; U~ – амплитуда ВЧ напряжения; – круговая частота.
Для фильтра масс, электродная система которого показана на рис. 1, уравнения движения ионов имеют вид
2
d |
2 |
x |
e |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
U |
|
U |
|
cos t |
|||||
dt |
2 |
|
mr |
2 |
|
|
|
~ |
|
||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||
d |
2 |
y |
|
e |
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
cos t |
|||||
dt |
2 |
mr |
2 |
|
~ |
||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||
d |
2 |
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0. |
|
|
|
|
|
|
||||
dt |
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
x 0,
y 0,
Из третьего уравнения этой системы следует, что вдоль оси z электрическое поле отсутствует и заряженные частицы вдоль нее движутся равномерно. Разделение заряженных частиц по удельным зарядам осуществляется за счет их движения по координатам x и y . Уравнения движения для x и y можно переписать в виде:
где
a |
8eU |
|
|
|
|||
|
|
||
|
m r |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
0 |
|
;
q
d |
2 |
x |
|
||
dT |
2 |
|
|
||
d |
2 |
y |
|
||
dT |
2 |
|
|
||
4eU |
~ |
; |
|
|
|||
2 |
|
2 |
|
|
|
||
m r |
|
|
|
|
0 |
|
|
a 2q cosa 2q cos 2T t , T –
2T x 0, 2T y 0,
нормированное время.
(2)
Первое уравнение системы (2) представляет собой уравнение Матьё, записанное в каноническом виде. Его решение при определенных значениях параметров a и q носит «стабильный» характер: при сколь угодно большом времени T координата x изменяется по периодическому закону со всегда конечной амплитудой колебаний.
На рис. 2 заштрихованными показаны области стабильных решений первого уравнения системы (2) в координатах (a, q), причем вся картина симметрична относительно оси a. За пределами заштрихованных областей решение уравнения Матьё носит «нестабильный» характер: при увеличении времени T амплитуда колебаний частицы
непрерывно увеличивается.
Рис. 2
3
Второе уравнение системы (2), описывающее движение иона по y- координате, отличается от первого уравнения (по x-координате) знаком перед скобкой. Поэтому диаграмма стабильности по y-координате получается зеркальным отображением относительно осей a и q диаграммы стабильности по x-координате, показанной на рис. 2. Для удержания ионов в фильтре масс они должны иметь стабильные траектории одновременно и по x-, и по у-координате. Это возможно тогда, когда совпадают области (a, q) стабильных решений по этим координатам.
На рис. 3 приведена |
|
|||
одна из таких совмещен- |
|
|||
ных |
зон |
стабильности |
|
|
вблизи |
начала координат, |
|
||
которая чаще всего ис- |
|
|||
пользуется |
на |
практике. |
|
|
Через |
начало |
координат |
|
|
проведена прямая с углом |
|
|||
наклона (правильнее, тан- |
|
|||
генсом |
угла |
наклона) |
|
|
a / q 2U / U~ , кото- |
|
|||
рая называется |
рабочей |
Рис. 3 |
||
прямой.
Поскольку положение рабочей прямой определяется только соотношением U и U~ , то при фиксированном значении рабочие точки (a, q) ионов с различными значениями e/m будут располагаться вдоль этой прямой. Если выбрать величину так, чтобы рабочая прямая пересекала зону стабильности, как это показано на рис. 3, то ионы, рабочие точки которых попадают в зону стабильности (т. е. принадлежат диапазону q1 q2 ), будут иметь стабильные траектории. Ионы тяжелых масс, рабочие точки которых располагаются от начала координат до q1, будут нестабильными по y-координате. Ионы с массами, меньшими, чем масса иона, соответствующая q2, будут нестабильными по x-координате. С увеличением времени амплитуды колебаний нестабильных ионов неограниченно нарастают и они уходят из квадрупольного поля, рассеиваясь на электродах анализатора. Выбирая величину a / q так, чтобы рабочая прямая проходила вблизи вершины зоны стабильности, когда диапазон q1 q2 достаточно мал, создают условия удержания ионов
4
только для одной определенной массы (точнее, достаточно малого диапазона масс m ). В этом случае, вводя в квадрупольное поле вдоль оси z ионы с различными удельными зарядами e/m, на выходе получают ионы, рабочие точки (a, q) которых будут находиться в зоне стабильности вблизи ее вершины с координатами aв=0,23699; qв=0,70600. Таким образом, устройство действует как фильтр масс, что и определило его назва-
ние – квадрупольный фильтр масс (КФМ).
Изменяя величины U и U~ , поддерживая неизменными их отношение (амплитудная развертка), рабочие точки ионов с различными e/m можно последовательно «провести» через зону стабильности и тем самым регистрировать эти ионы на выходе. Развертку спектра масс можно осуществлять и путем изменения частоты переменной составляющей
– это частотная развертка. В этом случае величины постоянной и амплитуды переменной составляющих поддерживаются неизменными.
Изменяя величину |
, можно |
подбирать величину диапазона |
q q2 q1 (и тем самым |
m ), т. е. |
изменить разрешающую способ- |
ность. Но увеличение разрешающей способности сопровождается уменьшением количества стабильных ионов, способных проходить через электродную систему. Учет влияния начальных координат и скоростей ввода ионов приводит к тому, что при увеличении и тем самым при приближении рабочей точки к границам диаграммы стабильности амплитуда колебаний стабильных ионов превышает реальные геометрические размеры электродной системы и ведет к потере ионов.
Величина разрешающей способности зависит и от времени нахождения ионов в квадрупольном поле, так как время ухода нестабильных ионов конечно. Чтобы они покинули квадрупольное поле, необходимо воздействие на них определенного числа периодов высокочастотной составляющей поля. Это число периодов n зависит от требуемой разрешающей способности и ограничивает величину входной максимальной скорости ионов (вдоль оси z). Установлено, что для разрешения ~100
n 3,5
M / M ,
где M – регистрируемая масса; M – диапазон «стабильных» масс в атомных единицах массы (а.е.м.).
Максимальная величина ускоряющего напряжения вдоль оси z
V 4,2 102 f 2 L2M ,
макс |
M / M |
|
5
где Vмакс – напряжение, В; f – частота напряжения, МГц; L – длина электродной системы, м.
Из выражения коэффициента q при известном радиусе поля можно определить номер анализируемой массы:
M
0,1385
U |
~ |
|
|
|
|
f |
2 |
r |
|
||
|
|
0 |
,
где M – номер анализируемой массы, а.е.м.; U~ |
– амплитудное значение |
ВЧ напряжения, В; f – частота ВЧ напряжения, МГц; r0 – радиус поля анализатора, см.
2. Экспериментальная часть
Изучение квадрупольного масс-спектрометра УАВ.Э-100/2-006
2.1. Назначение и основные характеристики Масс-спектрометр предназначен для контроля состава остаточной
атмосферы газовой среды при давлении менее 1·10-3 Па (7,5·10-6 мм рт. ст.), в том числе для контроля технологических процессов в напылительных установках, а также для комплектования массспектрометрических установок с автономной откачкой и устройствами отбора, предназначенных для контроля процессов плазмохимического травления, выращивания кристаллов.
Аналитические параметры масс-спектрометра приведены в табли-
це.
Разрешающая способность R0,1, измеренная |
Не менее 1 М |
|
на уровне 10 % высоты массового пика |
||
|
||
Диапазон массовых чисел |
2 100 а.е.м. |
|
|
|
|
Пороговая чувствительность по аргону |
Не более 1·10-9 Па |
|
(7,5·10-12 мм рт. ст.) |
||
|
||
Время регистрации масс-спектра |
Не более 300 с |
|
|
|
2.2. Структурная схема масс-спектрометра Структурная схема масс-спектрометра представлена на рис. 4 и
состоит из следующих функциональных частей:
–анализатора масс-спектрометра А;
–блока питания В;
–генератора высокой частоты ГВЧ;
–устройства регистрации УР;
–прибора Н307.
6
Рис. 4 Анализатор масс-спектрометра состоит:
–из электродной системы на основе квадрупольной конструкции цилиндрических стержней, попарно соединенных электрически и помещенных в экран Э;
–ионного источника И;
–детектора ионов У на базе вторично-электронного канального умножителя типа ВЭУ-6.
Ионы анализируемых газов образуются за счёт ионизации молекул
иатомов электронным ударом в объеме ионизатора. Энергия ионизации определяется разностью потенциалов, создаваемых за счет напряжений, приложенных между прямонакальным вольфрамовым катодом (К1 или К2) ионизатором. Образовавшиеся ионы фокусируются с помощью линзы Л и вводятся в электродную систему через отверстие в экране Э. Энергия ионов определяется разностью потенциалов между экраном и ионизатором. Для повышения эффективности ионизации в составе ионизатора есть отражательный электрод O.
Анализатор представляет собой систему 4-х симметрично расположенных вдоль оси круглых электродов, изолированных посредством керамических колец. Электроды изготовлены из молибденовых стержней диаметром 8,2 мм и длиной 150 мм. Электроды анализатора и изо-
7
лирующая керамика изготовлены с высокой точностью. Противоположно размещенные электроды анализатора электрически соединены. Для уменьшения емкости электродов относительно земли электроды помещены в несущий экран, изолированный от земли.
Блок питания анализатора обеспечивает подачу напряжения накала на катод ионного источника, соответствующих напряжений на электроды ионного источника (БП на рис. 4) и стабилизированного высоковольтного напряжения на вторично-электронный умножитель БB. Управление работой масс-спектрометра и обработка результатов измерений осуществляются блоком управления БУ, выполненным на базе микропроцессора.
Высокочастотное напряжение на стержни анализатора подается с генератора высокой частоты ГВЧ, управляемого БУ. Рабочая частота генератора 1,5 МГц, развертка амплитудная, диапазон изменения амплитуды ВЧ напряжения 0 200 В. Электронный ток ВЭУ-6 регистрируется устройством регистрации УР. В токовом режиме оно преобразует сигнал с выхода умножителя в последовательность импульсов с частотой, пропорциональной входному сигналу.
Результат измерений масс-спектра (величина тока текущей массы в а.е.м. и интенсивность в имп./с) отображается на пульте управления. Запись спектра производится на двухкоординатном самописце типа Н307/1.
2.3. Подготовка к работе и порядок работы 1. Установите органы управления в следующие исходные положе-
ния:
–на передней панели блока питания прибора: кнопки НАКАЛ ВКЛ, ЭВМ – отжаты; кнопки РЕЖИМ НЕПР, СЧЕТ МНОЖИТЕЛЬ 32, ВРЕМЯ РАЗВЕРТКИ [с/А.Е.М.] 2, ТОК ЭМИССИИ 50 мкА – нажаты. Переключатель НАЧАЛО – в положении «01», КОНЕЦ – в положении «00». ВЫСОКОЕ – в положении ВЫКЛ;
–на самопищущем приборе ручки масштаба – в положении «0,5 V/см»; скорости – «5 с/см».
2. Включите блок питания прибора нажатием кнопки СЕТЬ ВКЛ, при этом должен загореться индикатор СЕТЬ на передней панели блока.
3. Нажмите кнопку НАКАЛ ВКЛ, ток эмиссии 10 20 мкА контролируйте по прибору на передней панели блока.
4. Нажмите кнопку ВЫСОКОЕ ВКЛ.
8
5.Нажмите кнопку РАБОТА ПУСК и наблюдайте за регистрацией масс-спектра по индикатору ИНТЕНСИВНОСТЬ и по тону звукового сигнала. Звуковой сигнал включается кнопкой ЗВУК и регулируется осью рядом с кнопкой.
На самых интенсивных пиках масс-спектра индикатор ИНТЕНСИВНОСТЬ не должен переполняться при положении переключателя МНОЖИТЕЛЬ 64 и 256. Для этого (только под руководством преподавателя!) отрегулируйте ток эмиссии осью регулировки НАКАЛ.
6.Включите прибор самопишущий двухкоординатный типа H307/1 и получите удобную для наблюдения запись спектра масс, подбирая масштабы и смещения по осям x и y. При необходимости управления разверткой по оси с панели Н307 поменяйте блок постоянного напряжения на блок временной развертки из комплекта Н307.
7.Разрешающую способность масс-спектрометра регулируйте регулировкой РАЗРЕШЕНИЕ на генераторе ВЧ.
8.При записи масс-спектра в узком диапазоне начало и конец развертки устанавливайте переключателями РАЗВЕРТКА НАЧАЛО, КОНЕЦ. Переключатель НАЧАЛО можно устанавливать в положение от «01» до «99». Конец развертки должен быть равен (в случае развертки одной массы) или больше начала развертки. Наибольшее значение конца развертки равно 100 а.е.м., при этом переключатель КОНЕЦ находится в положении «00».
9.Чувствительность масс-спектрометра по отдельным газам регулируется переключателем МНОЖИТЕЛЬ.
10.Для однократной записи масс-спектра нажмите кнопки СТОП, ОДН, ПУСК.
11.Для ручной развертки масс-спектра нажмите кнопки СТОП РУЧН, ПУСК и небольшим (не до отказа) нажатием кнопок БОЛЬШЕ, МЕНЬШЕ установите развертку в нужной точке масс-спектра.
12.Скорость развертки масс-спектра регулируйте переключателем ВРЕМЯ РАЗВЕРТКИ.
13.Для выключения масс-спектрометра отключите сетевое питание самописца Н307, на передней панели блока питания прибора: регулировку НАКАЛ установите в крайнее левое положение (если она использовалась с процессе выполнения работы), кнопку НАКАЛ отожмите, нажмите кнопки РАБОТА СТОП, ВЫСОКОЕ ВЫКЛ и СЕТЬ ВЫКЛ.