提高四極質譜計線性上限的一些考慮

2013-05-14 工程科技網 http://www.engscitech.com/

　　給出了幾種不同條件下四極質譜計臨近上限時的特性。通過對實驗結果的分析研究,提出了在不影響四極質譜計其它性能的情況下提高四極質譜計線性上限的方法。

一、前言

　　四極質譜計以其小型輕便、分辨本領及靈敏度高、價格低等優勢幾乎占據了整個真空殘氣分析領域^[¹^]。隨著四極質譜計應用面的不斷擴展,它在高壓下(對真空質譜而言,這里的高壓力指的是真空度在10^-2 Pa以上的壓力范圍)的特性已引起人們的普遍注意^[²^,³^,⁴^]。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為提高四極質譜計的線性上限,使其能在較高壓下進行有效測量已成為擴大四極質譜計應用領域的一項很有意義的研究方向。

　　本文通過對四極質譜計臨近上限時的特性的分析,提出了在不影響四極質譜計其它性能的情況下提高四極質譜計線性上限的方法。

二、四極質譜計臨近上線的性能

　　圖1是四極質譜計性能測試系統意圖。質譜計離子源和全壓力規對稱安置于圓柱形真空室的兩側,全壓力規是經過校準了的。抽真空采用渦輪分子泵機組,氣體通過進樣針閥引入真空室。在沒有特別注明的情況下,本文中使用的壓力均指的等效氮壓力。

　　表1列出了所測試四極質譜計的基本情況。離子源均采用尼爾源,并使用約等于0.01mm的線狀錸鎢絲作為陰極。2、3號儀器離子進入四極濾質器時的入口膜孔孔徑分別為1.5mm和2.5mm,以考察離子的能量分散對儀器線性的影響。4、5、6號儀器的工作頻率分別為0.79MHz、2.07MHz、3.00MHz,其它條件都相同,以考察儀器不同工作頻率下的線性。1、2、4、7號儀器是在其它參數都相同的情況下,考察分析場幾何長度的大小對儀器線性的影響。對2號儀器,還研究了離子進入四極濾質器時的軸向能量的大小對儀器線性的影響。

表1　儀器的基本情況一覽表

儀器的基本情況一覽表

　　實驗時,將所要測試的四極質譜計安裝于圖1所的實驗系統上。首先將真空室抽至10^-4Pa數量級,然后通過進氣針閥給真空室充入高純氮氣,測試不同氮壓力下儀器的氮離子流輸出和分辨本領。

四極質譜計性能測試系統示意圖

圖1　四極質譜計性能測試系統示意圖

　　第一組實驗是在2、3號儀器間進行的,尼爾源的工作參數分別為:燈絲發射電流Ie=0.5mA,電離室電壓V1=7.5V,聚焦極電壓V2=-180V,燈絲對電離室電壓V3=75V,電子收集極電壓V4=120V。實驗發現:在其它條件都相同的情況下,離子進入四極濾質器時的入口膜孔孔徑較大時,可以獲得較高的靈敏度。但小膜孔(約等于1.5mm)時儀器的分辨本領比大膜孔(約等于2.5mm)可以提高30%。實驗得到的氮離子流輸出(質荷比為28的氮主峰I⁺₂₈)隨氮壓力的變化情況(即I⁺—P曲線)如圖2。

不同離子入膜孔的I+—P 曲線

圖2　不同離子入膜孔的I⁺—P 曲線

　　從中可以看出:儀器的壓力線性隨離子進入四極濾質器時的入口膜孔孔徑的減小稍有改善,但改善不明顯。

　　第二組實驗是在4、5、6號儀器間進行的,尼爾源的工作參數與第一組相同。以考察儀器在不同工作頻率下的線性。實驗結果如圖3。實驗發現:在其它條件都相同的情況下,儀器的靈敏度隨工作頻率的提高而下降。較小的工作頻率可以獲得較高線性上限。但儀器的分辨本領有明顯的下降。

不同工作頻率的I+—P 曲線

圖3　不同工作頻率的I⁺—P 曲線

　　第三組實驗是在1、2、4、7號儀器間進行的,尼爾源的工作參數與第一組相同。以考察不同分析場幾何長度下四極濾質器的線性。實驗結果如圖4。實驗發現:在其它條件都相同的情況下,儀器的靈敏度隨分析場幾何長度的增大而下降。較短的分析場幾何長度可以獲得較高線性上限。但儀器的分辨本領有所下降。

不同分析場幾何長度的I+—P 曲線

圖4　不同分析場幾何長度的I⁺—P 曲線

　　第四組實驗研究進入四極濾質器的離子的軸向能量對儀器線性的影響,選用2號儀器進行研究。尼爾源的工作參數與第一組相同,離子進入四極濾質器時的軸向能量分別為5eV、10eV、15eV,實驗結果如圖5。結果表明:較大的離子軸向入射能量可以獲得較高的靈敏度和較高線性上限,但降低了儀器的分辨本領。

不同離子軸向入射能量下的I+—P 曲線

圖5　不同離子軸向入射能量下的I⁺—P 曲線

三、提高四極質譜計線性上限的一些考慮

　　四極質譜計的線性主要受四極濾質器所限制。離子源如采用尼爾源其線性上限可達1Pa左右。而一般四極濾質器的線性上限僅為10^-2 Pa,也就決定了最終四極質譜計的線性上限為10^-2 Pa。因此,要提高四極質譜計的線性上限,首先必須從四極濾質器入手。

　　根據本文第二節的結果:縮短四極桿長l、降低高頻頻率f、并盡可能地提高離子的軸向能量Ez,可以改善儀器的線性上限,同時提高儀器的靈敏度,但降低了儀器的分辨本領;限制離子進入四極濾質器時的能量分散,可以提高儀器的分辨本領,但儀器的靈敏度有所下降,對儀器的線性改善不明顯。因此,可以通過縮短四極桿長、降低高頻頻率、提高離子的軸向能量能改善儀器的線性,同時提高儀器的靈敏度。再通過限制離子進入四極濾質器時的能量分散,補償分辨本領的下降。達到保證分辨本領和靈敏度基本不變的前提下,提高儀器的線性上限。

　　根據以上思路設計的四極質譜計的線性上限達1.2×10^-1 Pa,儀器的分辨本領和靈敏度等主要性能與未采用本文提出的方法時的情況相當^[⁵^]。

四、結論

　　本文通過對四極質譜計在臨近上限時性能的研究,得出:縮短四極桿長l、降低高頻頻率f、并盡可能地提高離子的軸向能量Ez,可以改善儀器的線性上限,同時提高儀器的靈敏度,但降低了儀器的分辨本領;限制離子進入四極濾質器時的能量分散,可以提高儀器的分辨本領,但儀器的靈敏度有所下降,對儀器的線性改善不明顯。

　　根據四極質譜計在臨近上限時的性能,提出在不影響四極質譜計其它性能的情況下提高四極質譜計線性上限的方法,即通過縮短四極桿長、降低高頻頻率、提高離子的軸向能量以改善儀器的線性,同時提高儀器的靈敏度。再通過限制離子進入四極濾質器時的能量分散,補償分辨本領的下降。達到保證分辨本領和靈敏度基本不變的前提下,提高儀器的線性上限。