分压力质谱计校准装置的性能测试及校准实验(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:李得天

3.2、典型压力下气体质谱图

  精确测量分压力,必须保证引入校准室中各种气体成分的纯度。这不仅取决于气体本身,还取决于校准装置的供气系统和进样系统。为了检验校准室中气体的纯度,在10-4Pa量级的典型压力下,对N2、Ar、He 3种实验气体进行了谱图扫描, 其结果分别见图3、 图4和图5。

  从谱图中可以看出, N2气主要含N2+和N2++峰;Ar气主要含Ar+和Ar++峰He气只有He+峰。 每种气体均不含其它杂质峰,因此实验气体、供气系统和进样系统均可满足精确测量分压力的要求。

3.3、灵敏度、图样系数及线性测试

  灵敏度和图样系数是分压力质谱计进行定量分析的基础。为了能清楚地表现出质谱计的非线性特性, 现选择灵敏度来表示线性测试结果。质谱计的灵敏度S定义为被检测的离子流变化与相应的某特定气体的分压力变化之比,即S=(i-i0)/(p-p0)。对于某种气体分子,电子碰撞电离后将产生不同的离子种类,灵敏度可以以基峰离子流来定义,也可以以碎片离子峰离子流之和来定义, 我们是以基峰离子流来定义灵敏度。因此i代表分压力为p时基峰的离子流,i0代表在某一参考压力p0(通常为系统的本底压力)下基峰的离子流。

  由于质谱计采用电子碰撞电离型离子源,被分析的气体分子电离后会产生单荷和多荷离子、分子离子和碎片离子。因此一种气体在质谱图上会出现几个不同荷质比的峰,分子结构越复杂,碎片峰也越多。相关峰与基峰离子流的比值称为图样系数。图样系数在混合气体的测试中有重要作用。例如:当分析N2和CO2混合气体时,由于在质荷比28处谱峰的离子流包含N2+离子流和CO2的CO+碎片离子流, 要分析N2和CO2所占的份额,就必须借助N2或CO2的图样系数才能完成。

  灵敏度保持恒定的压力范围称为线性工作压力范围,它对质谱计的正确使用非常重要。其下限除受仪器本身的本底噪声影响外, 还取决于实验系统的本底, 其上限主要取决于仪器本身的性能。随着压力增大,不同类型的仪器、不同工作条件下, 灵敏度以不同的速率衰减, 因此测量范围的上限受到限制。

  分别用Ar、N2、He 3种气体对QMS422型四极质谱计的灵敏度、图样系数和线性进行了测试。

  (1)Ar的校准结果。 Ar对QMS422型四极质谱计灵敏度和图样系数的校准结果及线性压力范围见表1 和图6。可以看出,当压力小于6×10-4Pa时,Ar灵敏度基本保持不变, 随着压力的升高, 灵敏度逐渐下降, 因此,对于Ar,QMS422的线性范围上限为6×10-4Pa。在线性范围内, 图样系数基本保持不变。在10-6Pa量级, 图样系数的差异主要是由于压力接近本底压力,I20太小,因而测量误差较大所引起的。当压力超出线性范围后,随压力增大,图样系数也增大,主要是由于I40趋于饱和, 而I20趋于饱和的趋势比I40慢, 使图样系数I20/I40的数值增大。

 

  2)N2的校准结果。 N2对QMS422型四极质谱计灵敏度和图样系数的校准结果及线性压力范围见表2和图7。可以看出,N2的校准结果与Ar的校准结果完全类似, 除灵敏度数值有差异, 其它现象完全一样。

 

  (3)He的校准结果。 由于He没有主要的碎片离子,所在只给出He灵敏度校准结果及线性曲线。结果见表3和图8。可以看出,He的校准结果与N2和Ar的校准结果类似, 但He的线性范围更宽,QMS422的线性范围上限约为3×10-3Pa。He的线性范围上限比N2和Ar的高,主要原因是He的质量数小,QMS422对He的质量歧视效应小所造成的。

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