四极杆质谱仪中启用二次电子倍增器 (SEM)优缺点

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  使用四极杆质谱仪测量真空腔体内的残余气体成份时,如果要测量极其小的离子电流或需要极其高的测量速度,则使用物理前置放大器,即所谓的二次电子倍增器

四极杆质谱仪中启用二次电子倍增器

二次电子倍增器 (SEM)

  上图显示了此类倍增器(SEM = 二次电子倍增器)的典型结构。圆柱形金属片(倍增器电极)具有能够提供低级别电子功函数的涂层。根据其动能,离子或电子在撞击该层后产生多个二次电子。串联的多个阶段从单离子处产生电子雪崩。在倍增器电极之间施加大约 100 V 的正电压,以加速电子。通过电阻链向倍增电极之间供应高电压(大约 1,000 ~ 3,000 V),两个电极分别连接至该电压分接头,按照这种方式安排技术实施。高电压正极接地,以保持逸出电子处于接近地电势的状态。这些类型的安排产生107 的电流放大因子。

  二次电子倍增器通过法拉第杯提供以下优势:

  ■ 它极大地增加了仪器的灵敏度,提供灵敏度增加高达K = 10 A/hPa。

  ■ 这意味着,使用下游静电计放大器可以在更短的时间间隔内扫描较低的分压。

  ■ 信噪比显然高于静电计放大器,这意味着,检测限制可下降几个数量级。这仅在高度放大条件下在 SEM 中也能实现较低暗电流(噪音水平)时适用。灵敏度的自我增加没有什么价值。

  然而,SEM 也有缺点:

  ■ 其放大率会因污染或活性层中的化学变化而发生改变。

  ■ 产生碰撞离子(大约 1 到 5 个电子)的电子数(转换因子)取决于离子能量(质量甄别)。

  放大率受到这些因素的影响而改变。因此,必须时常对 SEM进行校准。通过改变高电压可以很容易地对放大率进行调整。通过给第一个倍增器电极提供力求等于各个离子能量的独立高电压可以保持转换因子恒定不变。

  凭借二次电子倍增器的辅助,可快速的进行测量。从表2中可以看出,其测量速度明显高于使用法拉第杯的测量速度。

四极杆质谱仪中启用二次电子倍增器

  除了作为电流放大器操作外,离散倍增器电极 SEM 也适合作为离子计数器。使用该配置,可以获得每10 秒1 个离子的极低计数率。高计数率也是可能的,与作为电流放大器相比能够产生非常广泛的动态范围。

  在计数模式中,SEM 的速度限定了动态范围的上限。使用20 ns 的脉冲宽度,非线性以每秒106 的事件开始。鉴于其脉冲宽度,SEM 一定 适合作为计算器。

  所有二次电子倍增器的共同点是,它们被限制在低于10-5 hPa 的压力下操作。在高于这些压力时,倍增器电极上的水层可导致操作中的高温分解,从而导致过早老化。由于涉及高电压,可能损坏 SEM 的气体放电可在压力 p > 10-5 hPa时发生。

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