Файл: Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры.pdf

дения в ионные источники фокусирующей ионнооптиче­ ской системы с точки зрения достижения их предельной эффективности. Обобщим выражение (2.36) из работы [41], связывающее первеанс потока электронов с опти­ мальной величиной начального угла его сходимости /опт,

zKp — расстояние от выходной диафрагмы ионного источ­ ника до плоскости кроссовера сходящегося аксиально симметричного ионного пучка; /*— полный ионный ток источника. Как следует из выражения (4.53), максималь­ ная плотность ионного тока, которую можно создать на максимально возможном расстоянии L, равном 2 ZKP, от источника при сохранении плотности ионного тока у приемника не меньшей, чем в выходной апертуре источ­ ника, равна

что приблизительно лишь в 1,3 раза больше плотности, обеспечиваемой ионным источником при параллельном выходе ионов из выходной апертуры [см. выражение (4.49)]. При этом следует учесть, что плотность тока в выходной апертуре с параллельным ионным пучком должна составлять величину 2,35 • 10_6 U3J^K/L2M lJ2n, сле­

довательно, потери ионов от рассеяния за пределами источника составляют не менее 63%, тогда как при схо­ дящемся пучке ионов потери ионов за пределами источ­ ника отсутствуют. Таким образом, общий выигрыш, обеспечиваемый с помощью фокусировки ионов в ак­ сиально симметричном пучке по сравнению с отсутст­ вием таковой, составляет 3,5 раза при прочих равных условиях.

В случае источника, создающего ленточный сходя­ щийся пучок ионов (см. рис. 15,6), имеет место следую­ щее соотношение, полученное при условии создания вбли­ зи приемника ионов, расположенного на максимально возможном расстоянии от источника, плотности ионного тока не меньшей, чем в выходной апертуре источника

(т. е. когда L = 2 Z„p) :

90

где b — ширина ленточного пучка ионов. Выигрыш в эффективности источника в этом случае больше, чем в случае аксиально симметричного пучка,{сравнить с вы­ ражением (4.50) при ji0= j i макс] в 10 раз.

Поскольку условие реализуемости теоретически пре­ дельной [см. (4.34)] эффективности источника по пото­ ку, состоящее в соблюдении неравенства /,-т. п=£^/г макс, выполнимо [как показывает расчет по формулам (4.34),

перечной ионизацией и поперечным расположением ка­ тода (см. рис. 15, в), так как у обоих этих источников при прочих равных условиях величину выходной аперту­ ры сти можно сделать больше, чем у двух других рас­ смотренных выше источников. Для реализации указан­ ной эффективности необходимо, чтобы плотность элект­

ляется значение Si цред из выражений (4.56) или (4.57), если вторые слагаемые в числителе и знаменателе фор­ мулы (4.30) пренебрежимо малы по сравнению с пер­ выми слагаемыми, т. е. когда концентрация молекул в потоке в а. о. и. много больше концентрации молекул остаточного газа. В другом крайнем случае, когда кон­ центрация молекул остаточного газа значительно выше концентрации молекул в потоке, оптимальный режим ра­ боты источника определяется по формулам (4.48) —

91

(4.52) и не зависит от параметров молекулярного потока. Расчет по формуле (4.57) для указанных выше зна­ чений входящих в нее величин, а также для плотности молекулярного потока меди, равной 1016 молекул/{см2Х

здесь в чисто иллюстративных целях, указывают на по­ рядки величин, характеризующих реальные ионные источники (см. гл. 11).

Для вычисления предельного значения фактора по­ тенциальных возможностей масс-спектрометра в форму­ лы (4.24) и (4.25) [с учетом (4.29)] следует вместо ве­ личины Si подставлять при газоанализе выражение (4.52) , а при анализе молекулярных потоков — выраже­ ние (4.56) или (4.57). После выполнения указанных под­ становок выясняется, что во всех случаях фактор по­ тенциальных возможностей [см. выражения (4.24) и (4.25)] оказывается зависимым от величины Пуск, опре­ деляющей по формуле (2.69) абсолютную разрешающую способность. Исключая из правой части выражения для

где К — постоянный коэффициент пропорциональности, величина и размерность которого зависят от вида анали­ за и типа ионного источника.

В левой части выражения (4.58) собраны величины, характеризующие основные параметры КМ — чувстви­ тельность, динамический диапазон, скорость регистра­ ции спектров масс, разрешающую способность и диапа­ зон анализируемых масс. Каждый из этих параметров в данном КМ можно улучшить только за счет соответ­ ствующего ухудшения других перечисленных параметров.

92

В правой же части формулы (4.58) стоят те величины, которые определяют потенциальные возможности КМ. Из выражения видно, например, что величина F тем меньше (и, следовательно, потенциальные возможности прибора тем выше), чем выше частота ВЧ-электрическо- го поля в анализаторе, чем больше радиус поля и длина анализатора; при заданной величине F изменения, на­

биться уменьшением во столько же раз скорости реги­ страции спектров масс или ухудшением абсолютной раз­ решающей способности прибора на массе АД (т. е. уве­ личением AM) в а 2/7раз.

§ 15. Коэффициент передачи датчика КМ

Для определения величины сигнала на входе УПТ ре­ гистрирующего устройства КМ необходимо знать коэф­ фициент передачи датчика КМ.

Имея в виду, что датчик состоит из ионного источни­ ка, анализатора и ВЭУ, найдем общее выражение для коэффициента передачи г-го компонента анализируемой среды или, как его иногда называют, масштабного коэф­ фициента датчика, следующее выражение:

(4.59)

где Iвэуг — электронный ток на выходе ВЭУ при облу­ чении первого динода ВЭУ ионами с массой АД; 5 г- — эффективность ионного источника (см. § 14 данной главы); т]j — трансмиссия квадрупольного анализатора, определяемая при средней и достаточно высокой разре­ шающей способности выражением (2.35); К вэ у — коэф­ фициент передачи ВЭУ по току, равный отношению /вэу; к ионному току Д, попадающему с выхода анализа­ тора на первый динод ВЭУ. Размерность КДг будет совпа­ дать с размерностью Si, так как тр и /Свэуг безразмер­ ны.

Для того чтобы масс-спектрометром можно было пользоваться для измерений Pi или jia, величина Кщ должна быть постоянной и не зависимой от измеряемой величины. Это означает, что в приборе должна реализо­ вываться не предельная эффективность, зависящая от

93

давления или интенсивности потока, а величина в не­ сколько раз меньшая ее, т. е.

ХЮ~4 a/мм рт. ст., который хотя и высок, но практиче­ ски вполне достижим, о чем свидетельствуют параметры разработанных приборов.

Коэффициент передачи ВЭУ есть произведение коэф­ фициента преобразования Ки. эг тока ионов с массой Mi в ток вторичных электронов, выбитых ионами, ускорен­ ными электрическим полем Двэу, из первого динода умножителя, на коэффициент усиления электронного то­

На основании известных экспериментальных данных [17, 18, 28, 29, 38, 39] можно следующим образом ап­ проксимировать зависимость величины Ки. ы от массы иона и потенциала электрического поля Н Вэ у , ускорив­ шего ион перед соударением его с поверхностью первого

94

где Uвэу — напряжение на ВЭУ, кв; К э . т численно ра­ вен числу вторичных электронов, выбитых одним ионом. Выражение (4.63), являющееся приближенным, описы­ вающим так называемый изотопический эффект [18], с достаточной для практики точностью справедливо при

0,3siC Uвэу sSs4 кв.

Зависимость Кэ от напряжения между соседними ди­ полями на основе обширных экспериментальных данных

Формула (4.65) справедлива при М>Д4гр, где Мгр опре­ делено выражением (2.33). При М ^Д4гр в (4.59) сле­

Из (4.65) и (4.66) можно сделать вывод о делении диа­ пазона анализируемых КМ масс на две области: для Д 4^ м гр и для Мгр< М ^ М Макс, в которых дискриминация по массам существенно различна (с точностью до коэф­ фициента ионизации ai), т. е.

95