Лекция №22 Приборы для измерения парциальных давлений - масс-спектрометры

Все приборы для измерения парциальных давлений основаны на принципе ионизации газа или паров в вакуумной системе и последующем разделении полученных ионов в электрическом и магнитном поле в зависимости от отношения массы иона к его заряду (массового числа ) М/q, измеряемого в атомных единицах массы (а.е.м.).

При разделении ионного тока на составляющие используют различие в скоростях движения ионов разных газов в электрическом поле, которые рассчитываются:

V= ,

где V - скорость ионов, м*с^-1

q - заряд иона, К (q= 1.59*10^-19K для иона⁺)

M - масса иона, кг; М = М (а.е.м.)/N_a = М (а.е.м.)/(6,023*10²³)

U - пройденная ионом разность потенциалов, В

В большинстве случаев при ионизации медленными электронами образуются ионы, имеющие один элементарный заряд⁺, т.е. q = e.

Основные характеристики масс-спектрометров: М/(ΔМ) – разрешающая способность, где М – полусумма массовых чисел двух соседних пиков (которые хотят разделить, или “разрешить” на осциллограмме); ΔМ – минимальное значение разности массовых чисел, которые еще могут быть разделены (разрешены) данным прибором. Разрешающая способность численно равна наибольшему массовому числу, при котором на осциллограмме различимы соседние пики, отличающиеся на 1 атомную единицу массы; минимальное измеряемое давление (чувствительность прибора); максимальное рабочее давление ( определяется долговечностью катода ионизатора).

В статистическом масс-спектрометре для анализа газов используют различие в искривлении траектории ионов, движущихся во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях.

Схема статического масс-спектрометра с отклонением ионов на 180 ^ОС показана на рис.46. Такой масс-спектрометр используется в гелиевом течеискателе.

Камера статического масс-спектрометра состоит из корпуса 4, выполненного из нержавеющей стали IXI8H10T, внутри которого помещены: катод 1, ионизатор 2, диафрагмы 7 и коллектор ионов 9, высокоомное сопротивление и магнитный электрозарядный манометр 5. Камера помещается между полюсами магнитов в зазоре магнитной цепи, создающей магнитное поле 1,0*10⁺⁴…1,1*10⁴ А*м^-1. Магнитная цепь состоит из двух магнитов, отлитых из сплава Магнико-627, и арматуры из железа Армко.

В камере у коробки ионизатора 2 укреплен катод 1, накаливаемый переменным током и эмитирующий поток электронов. Для того чтобы направить поток электронов к коробке ионизатора 2, на него подается более положительный потенциал (+200 В) относительно катода. Коробка ионизатора имеет два прямоугольных отверстия в виде щелей. Через отверстие со стороны катода в коробку попадают электроны, эмитируемые катодом, а через другое отверстие выходят ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с молекулами газа. Ионы ускоряются электрическим полем, образованным между ионизатором и входной диафрагмой. Разгоняющее напряжение составляет 300…400 В. Диафрагма приварена к корпусу камеры, а ускоряющее напряжение приложено так, что “минус” подан на корпус камеры, а “плюс” на коробку ионизатора. Ускоренные ионы, попадающие в камеру через щель входной диафрагмы, отклоняются магнитным полем за счет действия сил Лоренца и летят по круговым траекториям

,

где R – радиус, м ;

H – напряженность магнитного поля, А/м;

U – разгоняющее напряжение, В;

M/q – массовое число иона (отношение массы ионы М к заряду q), кг*К^-1

Рис. 46 Схема масс-спектрометрической камеры

1 – катод;2 – ионизатор;3 – траектории ионов;4 – корпус;5 – манометр магнитно-разрядный;6 – присоединительный патрубок;7 – диафрагма;8 – супрессорная сетка;

9 – коллектор ионов;10 – источник разгоняющего напряжения;11 – стабилизатор эмиссии;12 – выносной прибор;13 - усилитель

Тяжелые ионы имеют больший радиус траектории, чем легкие. В масс- спектрометре течеискателя напряженность постоянного магнитного поля и разгоняющее напряжение подбираются так, чтобы только ионы гелия (или водорода) попадали на коллектор ионов. Радиус траектории рабочих (фиксируемых коллектором 9) ионов гелия (водорода) в данном масс-спектрометре равен 4 см. Перед коллектором ионов установлена супрессорная сетка, служащая для подавления фона от посторонних ионов (например, вследствие вторичной ионизации), которые могут попасть на коллектор. На эту сетку, называемую супрессорной, подается постоянное напряжение +30…40 В.

Принцип работы динамических масс-спектрометров основан на использовании различий в динамических (инерционных) характеристиках ионов с различными массовыми числами. К таким приборам относятся омегатрон (радиочастотный м-с), импульсный времяпролетный м-с, фарвитрон, электрический фильтр масс и др. Разрешающая способность таких приборов невысока (20…100 вместо 500…1000 у статического м-с), но они более портативны, просты, удобны в эксплуатации.

Рис.47. Схема динамического масс-спектрометра

1,6 – постоянный магнит;2 – катод;3 – пластины переменной полярности;

4 – коробка;5 – анод;7 – коллектор ионного тока;8 – регистрирующий прибор;

9 – усилитель;10 – электронный луч

Омегатрон или радиочастотный масс-спектрометр (рис.47) по принципу работы напоминает циклотрон. В коробке 4 датчика, присоединенного к вакуумной системе, создаются перпендикулярные постоянное магнитное поле напряженностью Н ( с помощью внешних магнитов) и переменное электрическое поле с разностью потенциалов U, создаваемое пластинами 3. Электрическое поле меняет полярность с частотой f (f = 0.1-1.5 МГц, т.е. представляет полосу “радиочастот” обычно используемых в радиовещании). Катод 2 с прикатодным электродом и анод 5 предназначены для создания узкого электронного пучка, проходящего через середину коробки 4. Этот электронный пучок служит для ионизации анализируемого газа, находящегося в датчике вакуумной системе. Образовавшиеся ионы взаимодействуют с электрическим и магнитным полями. При этом собственная частота ионов:

где Н – напряженность магнитного поля.

Если эта частота совпадает с частотой колебаний электрического поля, то ионы будут описывать траектории, близкие к спирали Архимеда, в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля Н.

Как правило, магниты имеют Н = 2000…5000 Э. Ионный ток, характеризующий парциальное давление газа, соответствующее резонансному массовому числу М/q , регистрируется с помощью коллектора 7 и фиксируется прибором 8. Изменяя частоту переменного электрического поля, можно снять полную спектрограмму остаточных газов в пределах измерения прибора.

Промышленностью выпускается измерители парциальных давлений омегатронные ИПДО-1 и ИПДО –2 с датчиком РМО- 4С.

Импульсный времяпролетный масс-спектрометр (хронотрон) имеет схему работы, заключающуюся в одновременном запуске всех имеющихся в зоне ионизации ионов (различных масс) в “трубу дрейфа”. Ионы, образованные в ионной камере (образованной электродами ), выталкиваются из нее под действием импульса напряжения и попадают в ускоряющее электрическое поле. В дальнейшем ускоренный “пакет” ионов поступает в область дрейфа, представляющую собой эквипотенциальное пространство, при движении в котором происходит разделение ионов по массам. Время пролета t ионом расстоянии L зависит от его массы, так как при прохождении разности потенциалов U он набирает скорость

Тогда

т.е время пролета расстояния L зависит от массового числа иона. На выходе области дрейфа образуются “пакеты ” ионов одинаковых масс, которые через различные промежутки времени поступают на коллектор ионов и создают кратковременные импульсы напряжения. Значения напряжений импульсов пропорциональны парциальным давлениям анализируемых газов. Картину спектра получают на электронно-лучевой трубке, где вертикальное отклонение луча пропорционально парциальному давлению (длине пика), а запуск горизонтальной развертки осуществляется от генератора задержки, синхронизированного с задающим генератором.