分压力测量的历史发展历程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:李得天
  真空测量技术在众多研究和生产领域已成为一种必不可少的技术,为真空系统提供大量的有效信息。在有些情况下,提供真空系统的全压力信息可能就足够了,但如果要了解真空系统中发生的现象的详尽信息,就必须借助分压力质谱计才能完成。在各种分压力质谱计中,四极质谱计发展很快。作者就中国研制的一些质谱计进行简要回顾。

  早在1959 年,复旦大学就制作了射频质谱计。根据资料的介绍,20 世纪60 年代初研制的射频质谱计,其质量范围为1090 amu(原子质量单位) ,分辨本领520 ,工作压力范围为10 - 2~10 - 4 Pa 。

  回旋质谱计是在1960 年首先由成都电讯工程学院研制成功。1965 年,兰州物理研究所研制出定量精度为20 %的简单型回旋质谱计成套设备,特点是质谱计管体积小,易于去气,定量性能好,因而对被测环境的影响小,特别适合于高真空和超高真空的气体分析和超纯气体分析。当时被用于空间材料分析、电真空器件残余气体分析、原子能工业氘氚气体纯度分析以及地质年龄测定等。其质量范围为160 amu ,分辨本领570/ M ,工作压力范围为10 - 4~10 - 8 Pa 。

  1965 年,兰州物理研究所研制的线振静电质谱计是一种不用磁场的静电场质谱计。它以TCC6 作为高频电源,用高频微伏表检测信号,可以获得约为10 的分辨本领,在160 原子质量单位的质量范围,可检测出油扩散泵系统中H2O、N2 + CO 谱峰等。

  1975 年,兰州物理研究所研制出TK274 探空单极质谱计。它的质量范围为448 amu ,其分辨本领为( M/ΔM) 50 % = 20 (对N +2 峰) ,测量范围为100300 km ,空间分辨率为2 km。

  四极质谱计不用磁场,质量数为线性刻度,结构简单,质量轻,扫描速度较快,特别是它不要求离子源单色,可使用结构简单的高效离子源,因而自20 世纪50 年代提出后,很快取代了其他类型的质谱计。中国从20 世纪60 年代初开始研制四极质谱计,第一台检漏用四极质谱计由东南大学研制成功,1963 年达到的检漏灵敏度为1 ×10 - 10 Pa·m3/ s。清华大学从1961 年开始研制分析型四极质谱计,在此基础上,1964 年中国第一种四极质谱计产品,即ZHL201 型四极质谱计,由北京分析仪器厂与清华大学联合生产,其质量范围为12100 amu ,分辨本领(ΔM) 10 % ≤1 amu。

  1976 年,北京分析仪器厂与兰州物理研究所研制的ZP24001 型四极分压力计的性能达到较好水平,最小可检分压力小于10 - 10 Pa ,分辨本领为(50 %峰高) ≥450 。1977 年,上海电动工具研究所、南京工学院和南京电子管厂研制成SZN21 型四极质谱计;北京真空仪表厂、北京电子管厂和旭光电子管厂也研制成QSF 型四极质谱计。这些仪器均达到较好水平。

  1978 年,兰州物理研究所与虹光电子管厂合作研制成功的SJ X21 型四极分析器[88 ] ,是我国第一台小型四极仪器。它不但探头体积小,而且电源部分也结构小巧、操作方便。仪器的分辨本领指标与国外相比,达到先进水平,其余指标也达到较好水平。后来经过改进的SJ X22 型四极分析器,采用倍增器作为离子流检测器,提高了四极质谱计的灵敏度,最小可检分压力为10 - 11Pa 。此外,国产四极质谱计还有南京分析仪器厂生产的SZ2001 、SZ2002 、SZ2003 型和北京分析仪器厂生产的LZL2203 及LZL2204 等型号。1988 年,王阳等人又开发成功一种具有完整四极场的封闭边界四极质谱计 ,但这种四极质谱计仅在国外生产。

  1984 年,兰州物理研究所首次研制成功MYZ2A 型医用四极质谱计 ,用于人体呼吸气的动态测量。它主要由取样系统、质谱计分析系统和记录系统组成。质量数范围150 amu ;分辨本领( M/ΔM) 10 % = 80 (质量数43 处) ;浓度灵敏度小于1. 7 ×10 - 5 ;响应时间0. 26 s。

  在一些特殊应用中,如探测一些迅速变化中的过程现象,要采用飞行时间质谱计。1998 年,清华大学刘宇清等研制的小飞行时间质谱计 ,质谱计管的长度仅为25 cm ,质量范围可达1~1 800 原子质量单位,对28N +2 和129Xe + 的实测质量分辨本领( M/ΔM) 50 %分别优于200 和300 。1998 年,叶为全等人研制成功的小型反射式飞行时间质谱计,成功地克服了因离子初始速度的不同而导致的质量分辨率下降的问题,所以它的质量分辨率比直管飞行时间质谱计高得多,该质谱计的质量分辨本领在800 amu 处可达3 000 左右。

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