真空質譜計

真空質譜計

正文

利用質譜學原理測量真空系統或真空器件中殘餘氣體成分或分壓強的儀器，又稱分壓強計。真空質譜計一般由離子源、質量分析器和離子檢測器三個部分組成。被分析的樣品在離子源中被電離成離子，離子經離子光學系統後以一定初始條件進入質量分析器，按質荷比進行分離，最後由離子檢測器接收，並測量其強度，從而得到相應的質譜圖或數據。
主要參數　真空質譜計的主要參數有質量範圍、分辨能力、靈敏度、最小可檢分壓強、最高工作壓強。
①　質量範圍：在滿足一定分辨能力和靈敏度的要求下，所能分析的質量範圍，用原子質量單位或質量數表示。
②　分辨能力：表征質譜計可分辨兩個相鄰離子譜峰的能力。
③　靈敏度：在一定發射電流下，儀器檢測的氣體離子流與其在離子源中分壓強的比值。
④　最小可檢分壓強：這一參數反映質譜計靈敏度和儀器檢測離子流信號能力的綜合性能。
⑤　最高工作壓強：質譜計允許工作的最高總壓強。
真空質譜計的主要類型有：磁偏轉質譜計、迴旋質譜計、四極質譜計和飛行時間質譜計。
磁偏轉質譜計　根據離子在垂直於直流磁場的平面運動時，不同質荷比的離子具有不同的偏轉半徑的原理實現質量分離。改變加速電壓或磁場強度，便可依次檢出各種不同的離子。常見的磁偏轉質譜計有半圓形（偏轉180°,圖1）和扇形(偏轉90°或60°) 兩種。磁偏轉質譜計的特點是結構簡單、有較高分辨能力和較高靈敏度、質譜峰形好、對污染不敏感、質量歧視小、便於作定量分析；缺點是需用磁鐵、安裝調整不方便。

真空質譜計

迴旋質譜計　根據離子在正交的高頻電場和直流磁場中迴旋諧振運動的原理實現質量分離（圖2）。改變高頻電場頻率便可依次檢出各種不同的離子。迴旋質譜計的特點是體積小、零件少、電極可高溫除氣、靈敏度較高、質量歧視較小，適用於小型超高真空系統和電子器件內殘餘氣體定量分析。它的缺點是對高質量離子分辨能力低（一般只用於分析質量數小於100的離子），最高工作壓強較低，需要磁鐵等。

真空質譜計

四極質譜計　又稱四極濾質器，根據不同質荷比的離子，在直流和高頻雙曲面電場中運動的軌跡穩定與否來實現質量分離（圖3）。分析器由四根平行的雙曲面形或圓柱形的桿組成，相對的兩根桿相連，形成兩對電極，分別加上電壓±(U＋Vcoswt)，其中U為直流電壓，V為高頻電壓幅值，w為角頻率,t為時間。與電場參量相適應的離子運動軌跡是穩定的，其中橫向振幅不大於場半徑r0的離子能通過分析器並被離子收集極接收；質荷比偏大的離子對高頻電場有較大的運動慣性，它主要受直流電場驅動,最後與y向電極相碰，不能通過分析器；質荷比偏小的離子運動慣性小，主要受高頻電場激勵，產生振幅不斷增大的振盪運動，最終與x向電極相碰,因而也不能通過分析器。儀器通常保持ω一定，U與V的比值約為1:6,同時改變U、V值以實現質量掃描。與四極質譜計工作原理相似的儀器還有單相質譜計和三維四極質譜計。四極質譜計的特點是不需要磁鐵、結構簡單、有較高的靈敏度和分辨能力、工作壓強範圍寬、掃描速度快、質量標度呈線性，因而得到廣泛套用。缺點是對大質量數的離子質量歧視效應較大。

真空質譜計

飛行時間質譜計　利用能量相同而質量不同的離子具有不同的速度，飛越漂移區經歷時間不同的原理實現質量分離。飛行時間質譜計的特點是機械結構簡單、分析速度快（微秒級）、離子利用率高、靈敏度高、能在較高的工作壓強下工作，缺點是儀器體積大，測量與控制電路複雜。
其他類型真空質譜計還有射頻質譜計、諧振感應質譜計等。
質譜分析與分壓強測量　真空質譜計獲得的質譜圖能反映被分析氣體的成分，質譜圖中每一個峰對應一種質荷比的離子。但是一種氣體可能有不只一個峰，即除主峰外還包含一系列副峰（碎片峰和同位素峰），如果是混合氣體，則所有相同質荷比離子的譜峰將疊加在一起，因此，從質譜圖中不能直接讀出各種氣體的分壓強值。碎片峰強度與主峰強度的比值稱為碎片的圖像係數。圖像係數與質量歧視效應有關。各種質譜計都存在一定程度的質量歧視效應，即相同峰高的兩種氣體即使電離幾率相等，也不對應相同的分壓強。但是對於某一確定的質譜計來說，在恆定工作條件下對某種氣體碎片的圖像係數是一定的，因而分壓強值可根據氣體的圖像係數和氣體的相對靈敏度通過計算得出。氣體的圖像係數和相對靈敏度，須在恆定工作狀態下注入已知質量數的單純氣體加以校準。

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