Квадрупольный масс-спектрометр

В настоящее время наиболее широкое применение в вакуумном технологическом оборудовании находят квадрупольные масс-спектро­метры. Их широкое внедрение объясняется рядом их положительных характеристик. Квадрупольные масс-спектрометры имеют высокое зна­чение разрешающей способности и чувствительности при высокой ско­рости записи спектров и малых габаритных размерах, могут работать при давлениях вплоть до 10^-2 Па, не имеют магнитного поля, что особенно важно с точки зрения их встраивания в вакуумные системы.

Конструкция прибора схематически показана на рис.6.16. Атомы и молекулы газа ионизируются электронами эмиттируемыми катодом 12. Ионы, образованные в ионном источнике I, заключенном в корпус 2, ускоряются в электрическом поле между источником и диафрагмами 4; 5 и попадают в масс-анализатор 7.

Идеальный квадрупольный масс-анализатор состоит из четырех электропроводящих параллельных гиперболических поверхностей. Для удобства изготовления в большинстве фильтров вместо гиперболичес­ких электродов применяются стержни круглого сечения (8–11), как показано на рис.6.16. Наилучшее приближение к гиперболическому по­лю при использовании цилиндрических стержней достигается в случае, если стержни размещаются так, что r =1.16r_c, где r - радиус стержня, а r_c - радиус вписанной окружности, касающейся всех че­тырех стержней. Противоположные электроды фильтра электрически соединены между собой, и к одной паре прикладывается потенциал U₀+U₁cosωt (где U₀ постоянное натяжение, U₁–амплитуда ВЧ-напряжения с частотой f = ω/2π), а к другой паре – потенциал U₀+U₁(сosωt +π). Для оптимальной работы квадрупольного фильт­ра важно, чтобы значения U₀ и U₁ были строго постоянными во време­ни и не изменялись по длине прибора, что предъявляет высокие тре­бования к точности размеров и стабильности прикладываемых напря­жений. Требуемая относительная точность на размеры стержней дает­ся соотношением 1/4 (∆М/М ), а требуемая электрическая стабильность – соотношением 1/2 (∆М /М ), где М/∆М – заданное разре­шение прибора по массе. Локальные изменения радиальных размеров стержней сказываются на работе масс-анализатора слабее, чем изме­нения аксиальных размеров, поскольку влияние

Рисунок 6.16 – Схема квадрупольного масс-спектрометра

последних может на­капливаться. Ионы остаточного газа, вводимые из источника парал­лельно оси z, под действием перпендикулярных постоянного и ВЧ-полей, создаваемых приложенными к электродам напряжениям, испыты­вают поперечные колебания. Траектории ионов описываются уравнения­ми Матье, решение которых содержит либо экспоненциальный, либо ко­лебательный множитель в зависимости от величины m_i/е иона. При соответствующем выборе U₀ и U₁, ионы с данным значением m_i/е будут иметь стабильные траектории, т.е. они будут осциллировать относительно оси 2 и в конце концов выходить с противоположного конца масс-анализатора. Ионы с другими значениями m_i/е будут совершать нестабильные колебания возрастающей амплитуды, пока не попадут на стержни, в результате чего они нейтрализуются и выбы­вают из пучка ионов.

Поскольку математическое описание работы прибора невозможно без подробного рассмотрения уравнений Матье, описывающих движение ионов в поле масс-анализатора, то ограничимся утверждением, что через масс-анализатор на коллектор ионов 3, перед которым установ­лена диафрагма 6, ограничивающая пучок ионов, пройдут только ионы с массой, удовлетворяющей соотношению

. (6.18)

Из уравнения (6.18) видно, что развертку спектра масс можно осу­ществлять изменением U₁ или ω . Обычно используют первый вариант, так как по техническим причинам он более удобен. Разрешающая спо­собность прибора увеличивается с увеличением длины стержней и умень­шением энергии ионов.

Достоинством квадрупольного масс-спектрометра является то, что это безмагнитный прибор, не чувствительный к разбросу по ско­ростям ионов, входящих в масс-анализатор при ∆v_i/v_i ≤ 0,1. Это обстоятельство позволяет использовать его не только для анализа состава и измерения парциальных давлений газов и паров летучих веществ в вакуумных установках, но также для исследования массово­го состава компонентов плазмы и ионных пучков.

Наиболее распространенный серийный квадрупольный масс-спектро­метр КМ-2 имеет диапазон масс 3–300 и разрешающую способность по массам 300. Чувствительность по аргону 1∙10^-7 Па. Максимальное ра­бочее давление 1,3∙10^-2 Па. В настоящее время разработаны и изготовлены квадрупольные масс-спектрометры с разрешающей способностью 2000 при длине стержней 30 см.

Недостатком квадрупольного масс-спектрометра является то, что его чувствительность монотонно уменьшается с увеличением массы из­меряемых ионов, кроме того у него высокая геометрическая точность изготовления масс-анализатора.