Для некоторых экспериментов недостатьшо знать общее давление в вакуумной системе, а требуются данные о составе газа, т е о том, какие именно молекулы образуют остаточное дав пение и каково их соотношение В принципе компонентный анализ газа можно про извести статическим масс-спектрометром, наподобие применяемого в гелиевом течеисьателе Однако проще
и портативнее динамические масс спектрометры, в ко торых применяется ВЧ-поле, специально предназначенные для компонентного анализа остаточного газа и для измерения парциальных давлений Обычно результат измерений представляет собой спектрограмму, по тори зонтальной оси которой отложены массовые числа М в единицах 1/16 массы атома изотопа кислорода-16 Рас положение пиков ионного тока х определенных значений М свидетельствует о присутствии этих молекул в <статочном газе, а относительная высота пиков служит мерой соответствующего парциального давления. Результаты идентифицируются с точностью до е/т[ 100— 104].
Для описания измерителей парциальных давлении применяют следующие общие характеристики: 1) диапазон массовых чисел: обычно М. = 14- (1004-200); 2) чувствительность, или минимальное регистрируемое парциальное давление; 3) разрешающая способность Л4/ДЛ4, где ДМ — минимальная разность масс, которую может зарегистрировать прибор; 4) рабочий диапазон давлений.
Наиболее часто применяется для измерения парциальных давлений омегатрон, использующий резонансное движение ионов по спирали и сходный по принципу (но не по масштабам) с циклотроном. В омегатроне (рис. 54) есть статическое магнитное поле В и перпендикулярное к нему электрическое ВЧ-поле Е. Тонкий электронный луч служит для ионизации газа. Решение уравнений движения дает расстояние от оси для иона с массой т;
Здесь иг — частота генератора, присоединенного к ВЧ-электродам; иц = еб/т — собственная (циклотронная) частота иона. Отсюда видно, что если сот#=(оц, то траектория представляет собой сложную пульсирующую кривую. Для резонансных ионов с определенной массой При Иг = Иц
В этом случае траектория есть раскручивающаяся спираль. Регулируя частоту генератора, можно настроить прибор на резонанс для любых ионов, присутствующих в вакуумной системе. Коллектор ионов расположен на периферии прибора, и на него попадают только резонансные ионы. Величина ионного тока определяет парциальное давление. На рис. 55 показана спектрограмма, полученная на омегатроне.
Важно обеспечить высокую разрешающую способность омегатрона. На коллектор с радиальным положением Го выходят только резонансные ионы с сог = со1(. Если же Юц#=(1)г, то ионы совершают колебания с ра-
диусом-амплитудой га = Е/ВАы. Если же Аи окажется малым, то может быть га>г0, и на коллектор попадает часть нерезонансных ионов. Следовательно, существует малая критическая разность частот Асокр = г0В/Е, такая, что ионы с Асо>А(окр не попадают на коллектор, а ионы с АыСАыкр регистрируются омегатроном. Важно сделать Асокр поменьше. Поскольку ыц=еВ/ш, получим
Разрешающая способность возрастает с увеличением расстояния от оси до коллектора и с ростом магнитного поля. Омегатрон — это высоковакуумный прибор, он устойчиво работает только при давлении ниже 10-5 тор, так как при более высоком давлении рассеяние ионов на длинной спиральной траектории искажает показания.
Наша промышленность выпускает омегатрон РМО-4С с измерителем парциальных давлений ИПДО-1. В этом приборе имеется ВЧ-ге-нератор с регулируемой частотой, усилитель для измерения ионного тока и система автоматической развертки частоты в диапазоне 30 кгц — 2,5 Мгц. В комплект прибора входит постоянный магнит с рамой и юстировочным устройством, а также самопишущий потенциометр ЭПП-09 для записи спектра масс. Диапазон масс этого
Отсюда разрешающая способность омегатрона:
Это время зависит от массы иона. Диапазон давлений хронотрона от 10-5 до 10 9 тор, массовых чисел 1—250, разрешающая способность не менее 30. Прибор допускает работу в трех режимах: 1) непрерывная регистрация спектра масс с временным разрешением до 0,03 сек; 2) однократная регистрация с длительностью времени анализа 4—60 мксек-, 3) строчная развертка при регистрации па одном кадре шести спектров, разделенных интервалами 33-10 7 сек.
Электрический фильтр масс ЭФМ-1 имеет высокий верхний предел по давлению (до 10 ~3 тор), линейную шкалу по массам и простой датчик, перспективный для работы в промышленных условиях [106]. Датчик представляет собой квадрупольный конденсатор из четырех параллельных стержней. В продольном направлении ионы движутся равномерно, в поперечном — совершают колебания с нарастающей амплитудой. При заданной частоте ограниченной амплитудой обладают только ионы с определенной массой, и только резонансные ионы проходят на коллектор. Развертка спектра масс осуществляется одновременным изменением постоянной и ВЧ-составляющих напряжения. Фильтр масс ЭФМ-1 имеет диапазон массовых чисел 1—50 и 12—100, разрешающая способность прибора 50.
Существуют другие измерители парциальных давлений. Для быстрого качественного анализа состава осга-точных газов предназначен фарвитрон. В этом приборе статическое электрическое поле имеет форму параболической потенциальной ямы, вдоль которой ионы колеблются с частотой, зависящей от их массы. Ионизирующий электронный луч модулирован некоторой частотой от внешнего источника. В приборе происходит накопление ионов, частота колебаний которых синхронна с частотой модуляции. Эти ионы индуцируют на сигнальном электроде переменное напряжение.
омегатрона от 2 до 100, разрешающая способность 20, диапазон давлений от 10-5 до 10-10 юр. Иногда омегатрон регистрирует ложные пики на массах +1/2, например пары воды Н2О+ кроме пика 18 дают пик 9 [105] Трудно разделить также Н2 и ложный пик Не. Для отделения ложных пиков используют их монотонную зависимость от амплитуды ВЧ-напряжения, в то время как истинные пики зависят от нее резонансно.
Разработан импульсный времяпролетный масс-спектрометр МСХ-ЗА (рис. 56) для анализа состава газов при быстропротекающих процессах с регистрацией спектра на кинопленку. Датчиком прибора служит хронотрон, в котором ионы вбрасываются в пространство дрейфа импульсным напряжением /7ИМП Время движе пия ионов вдоль пространства L до индикатора, которым служит электронный умножитель, равно:
Фарвитрон обладает следующими преимуществами: датчик и измерительный блок имеют малые размеры, прибор быстродействующий и имеет широкий диапазон массовых чисел (до 250).
Применение частотно-избирательного анализа ионов по массам позволяет значительно усовершенствовать этот метод по чувствительности и разрешающей способности [102, 103].