Панорамний мас-спектрометр

(фарвітрон, лінійний резонансний мас-спектрометр)

Панорамний мас-спектрометр (фарвітрон) відноситься до статичних мас-спектрометрів для визначення парціальних тисків. Розділення іонів за масовими числами в ньому здійснюється по частоті коливань іонів в електростатичному полі з параболічним розподілом потенціалу. Залежність частоти коливань іонів від масового числа в такому полі може бути записана в такому вигляді

, (2.13)

де k – коефіцієнт пропорційності, який визначається геометрією мас-спектрометра; U – напруга на центральному електроді електростатичного поля з параболічним розподілом потенціалу; M – масове число іона.

Структурна схема панорамного мас-спектрометра показана на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурна схема панорамного мас-спектрометра (фарвітрона)

Електронний струм між катодом 1 та сітчастим анодом 3 проходить через діафрагму – модулятор 2. Позитивні іони, які утворилися в результаті бомбардування електронами нейтральних молекул залишкових газів, прискорюються в напрямку електростатичного поля, утвореного електродами 4.

Модулюючи електронний струм з частотою коливань іонів, які мають задані масові числа згідно з (2.13), можна створити в електростатичному аналізаторі пакет, кількість іонів в якому безперервно збільшується після кожного періоду іонізуючого електронного струму. Отриманий пакет іонів, що коливається, індукує в колі колектора 5 наведений струм, який є мірою об′ємного заряду іонів, які аналізуються.

Пакет іонів, частота коливань якого співпадає з частотою напруги модулюючого електрода, називається резонансним. Тому іноді фарвітрон називають лінійним резонансним мас-спектрометром. Сигнал підсилюється високочастотним підсилювачем 6 та через демодулятор надходить на вертикальну відхиляючу систему осцилографа 7. Горизонтальне відхилення в осцилографі здійснюється генератором розгортки 8 на частоті 50 Гц, який синхронізує горизонтальну розгортку осцилографа з часовою розгорткою високочастотної напруги генератора 9, підключеного до модулюючого електрода 2. На екрані електронно-променевої трубки осцилографа можна одночасно спостерігати весь спектр газів.

Для забезпечення сталості кількості періодів модуляції під час реєстрації сигналу, створюваного іонами довільної маси, розгортку частоти здійснюють за законом ; a та b – сталі; t – час.

Підбиранням показника степені b можна забезпечити однозначність між вихідним сигналом та парціальним тиском різних газів.

Роздільна здатність панорамного мас-спектрометра невелика (10 - 20) і в першому наближенні пропорційна відношенню амплітуд постійної напруги на центральному електроді та змінної напруги на електроді 2. Діапазон масових чисел 2 – 200, діапазон робочих тисків – 10^-5 – 10^-9 мм рт. ст.

Панорамний мас-спектрометр не можна називати вимірювачем парціальних тисків в повному розумінні цього слова, тому що при порівняно великих парціальних тисках просторовий заряд іонів сильно викривляє хід градуювальних кривих. Ним можуть бути зареєстровані компоненти залишкових газів, тиск яких складає на менш ніж 3% від загального тиску в робочому інтервалі від 10^-5 до 10^-8 мм рт. ст.

В спектрі мас панорамного мас-спектрометра в процесі роботи можуть виникати фальшиві піки, які відповідають масовим числам, що в чотири рази більші або менші вимірюваної маси, але їх величина не перевищує 20% основного піка.

Не дивлячись на невисоку роздільну здатність та зазначені недоліки, панорамний мас-спектрометр є зручним індикатором парціальних тисків і знаходить широке застосування в зв′язку з простотою конструкції та можливістю аналізу швидкоплинних процесів, коли відомо якісний склад залишкових газів.

2.3. Динамічні мас-спектрометри

2.3.1. Загальні зауваження

Одним з недоліків статичних мас-спектрометрів є складність під′єднання їх до вакуумної системи. Датчик такого приладу повинен не тільки не змінювати склад газу у відкачуваному об′ємі, але й правильно вимірювати його. Для цього мас-спектрометр потрібно під′єднувати до вакуумної системи безпосередньо, уникаючи з′єднувальних комунікацій, де можуть існувати перепади тисків. При використанні статичних мас-спектрометрів цю основну вимогу не завжди вдається виконати. Тому були створені більш прості та зручні пристрої, які за наявності високочастотного електричного поля отримали назву динамічних. До них відносяться омегатрон, топатрон, хронотрон, електричний фільтр мас та інші.

Основною перевагою мас-спектрометрів динамічного типу є портативність, простота конструкції та надійність в роботі.