四极质谱计的原理及其计量特性研究

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

      四极质谱计一般由离子源、四极虑质器、离子收集极三部分组成。在离子源中由阴极发射出的电子经加速后将气体分子电离成不同质荷比的离子, 离子经聚焦后注入四极虑质器; 四极虑质器是由四根平行的四极杆组成, 通过改变加在四极虑质器上的交流、直流电压比来分离离子; 收集极是用来收集从虑质器中飞出的离子, 通过离子流的大小来指示某种气体分压力的大小。

分压力质谱计校准装置原理图

 

图:分压力质谱计校准装置原理图

     四极质谱计所测气体的分压力通过离子流与对某种气体的灵敏度的比值来计算。为了描述四极质谱计的计量特性, 用灵敏度的变化来表示仪器的测量性能。

通过对四极质谱计的计量特性进行研究, 得出的主要结论有:

( 1) A、B、C 3 台质谱计对Ar、N2 的线性基本近似, 但对He 在比Ar 高10 倍的压力点灵敏度开始偏离线性, 主要原因是He 的电离截面大约是Ar 的1/10, He 要在比Ar 高一个数量级的压力下才能形成同样大小的空间电荷, 而且在相同的温度下, He 分子的自由程是其他2 种气体的3 倍以上。

( 2) 通过改变离子源参量的取值, 能够提高仪器的稳定性和短期稳定性, 但仪器间性能的差异远大于离子源参量的影响。

( 3) 离子源参量对灵敏度有很大影响, 发射电流取值2.0 mA 时的灵敏度是0.1 mA 时的10 倍, 对于Ar气, 电子能量取90 eV 时的灵敏度是30 eV 时的3 倍左右; 离子能量为6 eV 时的灵敏度是2 eV 的51 倍。因此, 能够通过调节离子源参量来提高灵敏度。一般情况下, 发射电流取1 mA, 电子能量取70 eV 或100 eV, 离子能量取值在5~10 eV 范围内。

( 4) 使用历史对仪器灵敏度的影响存在很大差异, 质谱计A、B、C 在同一压力点的灵敏度最大偏差分别小于25%、35%、27%, 而D 的灵敏度在2 种情况下的最小偏差为80%。因此, 四极质谱计要进行定期校准。使用时要深入掌握仪器的测量性能, 并能够正确预测灵敏度随使用历史的变化。这些结论对四极质谱计的使用具有一定的参考意义。

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