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

компонент с массой М,-; АР — приращение полного дав­

поненту n-компонентной калиброванной смеси газов; hi — объемная или молярная доля компонента с массой Mi в смеси газов с учетом естественной распространен­ ности компонента (изотопа) с массой М,-. В табл. 3 при­ ведены значения рассчитанных по формуле (11.2) коэф­ фициентов gi, когда в качестве эталонного вакуумметра используется прибор ВИТ-1.

По найденным в азотной шкале значениям масштаб­ ных коэффициентов, например, для четырех инертных га­

фик зависимости К\,% от ЛК, которым следует руковод­ ствоваться для отыскания в случае необходимости лю­ бого промежуточного .значения Кщ (с точностью до ве­ личины /.,). Этим графиком, нормализованным относи­ тельно любого значения К\,и можно пользоваться при работе КМ по молекулярному потоку. При необходимо­ сти точного измерения с помощью КМ парциального содержания высокомолекулярных газовых компонентов (с М>200 а. е. м.) градуировку прибора следует осу-

218

ществлять по калибровочным газовым смесям с варьи­ руемым в широких пределах заранее заданным соста­ вом. Калибровочные смеси должны включать в себя предполагаемое для анализа вещество и инертные ре­ перные газы.

Экспериментальное определение масштабного коэф­ фициента КМ при работе по потоку (К24 ) сопряжено с определенными трудностями, заключающимися в от­ сутствии эталонных источников молекулярных потоков, исходящих, например, из ячейки типа Кнудсена, а так­ же в отсутствии стандартных приборов, измеряющих интенсивность молекулярных потоков. Перечисленные обстоятельства мешают воспользоваться методикой рас­ чета интенсивности молекулярных потоков из испари­ теля [27] и вынуждают прибегнуть к осуществлению градуировки масс-спектрометра путем проведения сле­ дующего опыта.

В непосредственной близости от ионного источника датчика КМ устанавливают подложку, на которую на­ пыляют вещество анализируемого молекулярного пото­ ка. Во время конденсации на подложку испаряемого в вакууме вещества фиксируются все изменения интен­ сивности молекулярного потока, регистрируемого КМ. После завершения процесса конденсации подложку из­ влекают из вакуумной камеры и измеряют с помощью интерференционного микроскопа толщину сконденсиро­ ванного на подложку слоя d, А. Искомый масштабный коэффициент К.2Л, имеющий в этом случае размерность ej (к!сек), определяется по результатам сделанных из­ мерений по формуле:

сигнала Aij можно считать постоянной величиной. За­ мена интеграла в выражении (11.3) суммой, несколько ухудшая точность определения коэффициента Кг,г, су­ щественно упрощает методику расчета. Переход от размерности в/(к/сек) к размерности (в • см2 • сек)/моле­

219

кул осуществляется умножением /f2ii на 10-16 (aiMiCos Qlpi), где аг- — безразмерный коэффициент кон­

при работе с эталонированным вакуумметром опреде­ ляется погрешностью вакуумметра ( ^— 10%), погрешно­ стью измерения выходного напряжения масс-спектромет­

хуже, поскольку кроме тех же аппаратурных погрешно­

выражении (11.5), составляющей, например, 20%. Сум­ марная погрешность несколько больше 30%.

Для отработки методики градуировки КМ по моле­ кулярным потокам на стандартном вакуумном напыли­ тельном оборудовании (установки УВН-2У и УВН-2М2) проводились многочисленные эксперименты с молеку­ лярными потоками различных веществ, испаряемых в вакууме (медь, моноокись германия, цинк из латуни, хлористый натрий, различные керметы, гидрат бария и многие другие). Регистрация состава (молекулярного и изотопного) осуществлялась с помощью приборов КМ-1 и КМ-2. При этом определялась не только точ­ ность воспроизведения известного из справочников [40] изотопного состава анализировавшихся веществ, но и оценивалась чувствительность КМ при работе по моле­ кулярному потоку. На рис. 60, 61 и 62 для примера при­ ведены фотографии осциллограмм спектров масс меди, моноокиси германия и цинка, полученные с помощью прибора КМ-1. Там же отмечены данные о воспроизво­ димости изотопного состава этих веществ и полученной в этих экспериментах чувствительности.

220

сл

Слободенюк .

сокой (б) разрешающей способности прибора КМ-2.

создаваемой смеси. Эти сосуды, а также баллон для будущей смеси и некоторое компрессионное устройст­ во соединяются последовательно друг с другом, образуя замкнутый трубопровод для чего у каждого из сосудов имеются входной и выходной патрубки, снабженные вентилями. Образовавшийся из сосудов трубопровод от­ дельным патрубком подсоединяют к газораспредели­ тельной системе, содержащей баллоны с чистыми газа­ ми, манометры и вакуумное откачное устройство. После обезгаживания каждый из калиброванных по объему сосудов заполняют своим газовым компонентом, причем давление во всех вспомогательных сосудах создается строго одинаковое. После заполнения всех вспомогатель­ ных сосудов кольцевой трубопровод отсекается от газо­ распределительной системы с помощью вентиля, а все вентили в самом трубопроводе открываются и с помо­ щью компрессионного устройства образовавшаяся газо­ вая смесь прогоняется через кольцевой замкнутый тру­ бопровод для достижения достаточно хорошего переме­ шивания смеси. После завершения этой операции бал­ лон с приготовленной в нем смесью газов отсекается с помощью вентилей от остальной части трубопровода. Отношение парциальных давлений компонентов приго­ товленной смеси будет равно отношению объемов вспо­ могательных сосудов.

§ 37. Области применения и эксплуатации отечественных серийкоспособных КМ

Многочисленные сообщения в отечественной и зару­ бежной литературе о возможности и целесообразности применения КМ в самых различных областях научных исследований, при отработке технологических процессов в некоторых отраслях промышленности (см. введение) объясняются высокими масс-спектрометрическими и экс­ плуатационными характеристиками КМ. Однако, как и у любого типа масс-спектрометров, у КМ есть свое оп­ ределенное место в общем перечне масс-спектрометри- ческого контрольно-измерительного оборудования.

Можно с определенностью сказать, что из-за выяс­ ненных ограничений КМ с разрешением более (2-^3) X ХЮ4 не смогут конкурировать с аналогичными магнит­ ными приборами с двойной и тройной фокусировками, так как будут не менее уникальными и более дорогими,

226

чем известные уже освоенные серийными заводами при­ боры магнитного типа. Примером тому работа [11], где описан КМ с разрешением 20 000 на массе 131. При не­ обходимости вести работу в диапазоне масс, превышаю­ щем 10 000 а.е.м., применение КМ связано со значитель­ ным ухудшением других его параметров, в частности разрешающей способности, что в некоторых случаях мо­ жет быть неприемлемо. Достижение очень больших ско­

которыми приходится встречаться в некоторых специаль­ ных областях физико-химических исследований, попрежнему превалирующем будет использование времяпролетных масс-спектрометров.

Если ставится задача, решение которой связано с не­ обходимостью работы в умеренном диапазоне масс (от 1 до 1000 а. е. м.) разрешающих способностей (до 1000— 1500) и скоростей регистрации (от 0,1 а. е. м. и ниже до 1000—2000 а. е. м./сек), то при достижении достаточно высокой чувствительности (10~12—1СН4 мм рт. ст.) и обеспечении возможности анализировать состав газо­ вых смесей и молекулярных потоков при давлениях в датчике прибора, повышающихся иногда до 10_3 мм рт. ст. КМ способен оказать самую серьезную кон­ куренцию любому известному типу масс-спектрометров. Не последнюю роль в этом случае будут играть его сравнительно малые габариты и вес, простота в управ­ лении, отсутствие в датчике магнитов и в связи с этим несомненная легкость его встраивания практически в любую вакуумную установку.

' 11ривёдем~МесКбльтго~Щ5Тшеров успешного применения отечественных серийноспособных КМ при решении раз­ личных исследовательских и технологических задач, мно­ гие из которых перечислены в работах [51, 52] и связаны с отработкой технологии производства гибридных и по­ лупроводниковых интегральных схем.

Исследовано, например, влияние остаточной газо­ вой среды на процесс термического осаждения в ва­ кууме резистивных пленок из смеси дисилицида хрома и алюмосиликатного стекла. В результате были найдены зависимости «старения», т. е. ухода номинала, тонко­ пленочного сопротивления при термоотжиге и его влаго­ стойкости от продолжительности и характера протека­

15* 227