книги из ГПНТБ / Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры

Рис. 52. Серия импульсов 16О2~, снятых прибором КМ-2 в камере КМ-4, в которую напущен воздух до дав­ ления 4,6-10~6 мм рт. ст, при разных t/7Cк и Х=6,76 делений; а — характерное искажение формы.

11,00

1:0.0004

14 4

пик N2

Рис. 53. Серия импульсов 160г, снятых при тех же условиях, что и на рис. 54, при разных Я и Uycк —9,87 деле­ ний; а — характерное искажение формы.

по уровню 50%, полученные соответственно при измене­ нии величины t/уск и постоянном к и при изменении к и постоянном t/yCK; б) форма импульса трансформируется от куполообразной (повторяя форму, определенную в гл. 2) при малых к к колоколообразной с ростом X и уменьшением AM, но с развитыми хвостами; в) длитель-

ветствующая серии импульсов, изображенных	на	рис. 52 (а),
и серии импульсов, изображенных на рис.	53	(б).

ность правых фронтов импульсов обеих серий, обращен­ ных в сторону уменьшения номера массы, несколько больше длительности левых фронтов в согласии с фор­ мулами, определяющими форму хвостов (см. гл. 2); г) уменьшение АМ50»/, с уменьшением UYCK и увеличе­ нием к происходит неравномерно, в частности благодаря обнаруживаемому при этом характерному искажению импульса, отмеченному на рис. 52 и 53. Это искажение, вызванное пространственными и временными искаже­ ниями поля в анализаторе КМ, способствует паразитно­ му расширению его спектральной характеристики; д) в обеих сериях импульсов на уровне 0,05% ампли­ туды импульса заметен пьедестал, простирающийся в основном в левую от импульса сторону на (0,5— 1,0) а. е. м., интенсивность и длительность которого ра­ стет с уменьшением к и увеличением £/уск.

Замеченные особенности в вариациях формы им­ пульсов 16Ог+ качественно соответствуют теоретическим

206

Рис. 55. Серия импульсов 134Хе+, снятых прибором КМ-2	в камере КМ-4, в которую напущен ксенон до давления
9,1 • 10~6	мм рт. ст.

представлениям, развитым в гл. 2, и во многих своих чертах повторяются в серии импульсов 134Хе+, изобра­ женной на рис. 55. По виду характерных искажений в импульсе, вызванных несовершенствами в геометрии ноля анализатора или временными нестабильностями этого поля, можно оценивать характер, а иногда и ве­ личину этих возмущений. Минимальная величина Uycк, при которой еще может быть получен сигнал спектра масс, является объективной мерой упомянутых выше несовершенств анализатора, а также ионнооптических характеристик ионного источника и, следовательно, мо­ жет служить критерием оценки качества изготовления датчика или степени загрязнения его полеобразующих электродов.

При анализе представленных записей и графиков необходимо отметить, что интенсивность хвостов в им­ пульсе выше рассчитанной по крайней мере в не­ сколько раз, если считать началом хвостов точки пере­ гиба на склонах импульсов. Причем разница между расчетом и результатами измерений увеличивается в де­

сятки и сотни раз с удалением от	указанных	границ
к периферии импульса. Объяснить	это можно	некото­

рыми постоянно действующими причинами, способствую­ щими вылету из анализатора ионов, которые должны были осесть на электроды анализатора и не попасть в приемник ионов. Возможны следующие причины, из­

меняющие траектории этих		ионов:		1)	вытягивающее
действие электрического поля			первого		динода	ВЭУ,
стоящего в датчике	КМ-2	на	выходе		анализатора и
2) рассеяние ионов	на молекулах			остаточных		газов,

часть из которых в результате столкновений с нейтраль­ ными молекулами изменяет направление своего движе­ ния в сторону выхода анализатора. Проверке этих гипо­ тез посвящен следующий раздел данного параграфа.

Вторым важным в практике работы с КМ обстоя­ тельством является вопрос о том, как в случае необхо­ димости с наибольшей эффективностью и минимальными потерями в чувствительности регулировать разрешаю­ щую способность прибора. Из рис. 54 следует, что изменять с этой целью только X или Пуск нецелесооб­ разно ввиду неизбежных непропорционально больших потерь в чувствительности. Объяснить эти потери, по­ мимо уже упоминавшихся причин, можно рассогласова­ нием в величинах X и С/уСК, определяющих абсолютную

208

разрешающую способность ДМ в соответствии с форму­ лами (2.9) и (2.69).

При согласованном изменении величин	А	и UycK
должно соблюдаться равенство, получающееся		исклю­
чением из двух предыдущих соотношений	величины
ДМ
Я		( 11. 1)
0 ,1 6 7 8 4

и преобразующееся в случае КМ-2, т. е. при /=1,97 Мгц;

L = 25 см; А2н= 20, к	виду £/уск= 29,4	М (1—А/0,16784).
Подтверждается этот	вывод тем, что	для достижения

требующейся ДМ, например, на массе изотопа ксенона, равной 134 а. е. м., при согласованном изменении ве­ личин Я и ПуСК значения их оказываются в пределах пологой части графиков рис. 54, что обеспечивает мини­ мальные изменения в чувствительности прибора. На рис. 55 первый импульс справа из серии импульсов изо­ топов ксенона 134Хе имеет ту же абсолютную разрешаю­ щую способность ДМ, равную 0,32 а. е. м., что и третий

импульс справа. А по амплитуде	он	приблизительно
в 15 раз больше, так как получен	при	согласованном

изменении Я и £/уск (Я = 8,5 делений, Нуск=14 делений), тогда как третий импульс справа получен при слишком малом значении Я (7,0 делений) и слишком малом Пуск (7,0 делений).

Только при оптимальном выборе величин Я и [/уск, имеющем, например, место в записях спектров масс на рис. 42 и 43 или на рис. 55 (первый импульс справа), может быть реализовано близкое к предельному в дан­ ном приборе значение фактора потенциальных возмож­ ностей (см. гл. 4). Так, в приборе КМ-2 при ДМ, рав­ ном 0,5 а. е. м. на массе 219 а. е. м.; скорости регистра­

ции v,	равной	0,4 а. е.	м./сек, и чувствительности
2-10-12	мм рт. ст.	величина	фактора потенциальных

возможностей [см. формулу (4.25)1, отнесенная к но­

меру.	массы,	составит	F — Pi m h h A M / v M	= 1,1 X
Х10-14 (мм рт.		ст.) сек, что приблизительно на		три по­
рядка	меньше	(т. е. лучше),	чем у таких динамических

приборов, выпускаемых серийно, как ИПДО-1, МСХ-ЗА [5, 64], АПДП-1, и несколько лучше того, чем обладает прибор КМ-1.

Исследование влияния давления в датчике и вели­ чины электрического потенциала первого динода ВЭУ на

14 Г. И. Слободенюк

209

амплитуду и форму выходного сигнала спектра масс.

Обычно, за редким исключением, одно из которых опи­ сано в работе [35], анализатор и приемник ионов в дат­ чике КМ не изолируют от источника ионов, а помещают вместе с ним в общий вакуумный объем. Давление

вэтом объеме при проведении технологических операций или каких-либо научных исследований может изменяться

ввесьма широких пределах. Примером тому могут слу­ жить обычные вакуумные напылительные установки, используемые для получения тонких пленок методом тер­ мического испарения веществ в вакууме [65]. В процессе

экспериментов с изменением давления в рабочей камере с датчиком КМ необходимо было найти зависимость смещения постоянного уровня сигнала спектра масс; флуктуационного шумового сигнала, определяющего чувствительность и динамический диапазон КМ; вели­ чины группового пьедестала; амплитуды сигнала и абсолютной разрешающей способности КМ от дав­

ления.	закономерности	следовало искать,
Перечисленные
анализируя такую	группу рядом	стоящих	импульсов
в спектре масс, к которой не относились бы			компоненты

газовой среды, напускаемой в вакуумную камеру с дат­ чиком. В качестве анализируемой группы импульсов была выбрана группа в диапазоне от 51 до 58 а. е. м., всегда присутствующая в остаточной газовой среде ва­ куумных установок, откачиваемых паромасляными насо­ сами. Такой выбор представлялся удачным еще и пото­

му, что он давал возможность	вести	эти	исследования
в максимально возможном диапазоне		рабочих давле­
ний начиная от предельного	вакуума,		достигаемого
в камере.

На рис. 56 представлена серия записей упомянутой группы импульсов при напуске воздуха в вакуумную ка­

меру с помощью		плавно регулируемого			вентиля-нате-
кателя. Давление в камере			изменялось от		предельного
(в данном	эксперименте		оно	составляло 6,9 X
X Ю~7 мм рт. ст.)		до 1,5 • 10-4 мм рт.		ст. На рис. 57 пока­

зано, как изменялись при этом амплитуда пиков анализи­ руемой группы на примере пика с массой 55 а. е. м. и групповой пьедестал, оцениваемый по величине сигна­ ла в провале между импульсами масс, равными 55 и 56 а. е. м., измеренный относительно уровня постоянного сигнала, присутствующего в спектре масс. На рис. 58

210

рассмотрена зависимость смещения уровня постоянного сигнала в спектре масс от давления в камере.

Полученные результаты дают ответ на вопрос, по­ ставленный в предыдущем разделе данного параграфа, о зависимости пьедестала импульсов от давления в ка­

мере.	Пьедестал увеличивается с ростом давления, при­
чем	особенно	заметно при		давлениях выше			(3—5) X
X Ю“5 мм рт.		ст. Результат		этот	подтверждает		сделан­
ное предположение			о возможности такой			зависимости,
свидетельствующей			о заметном		влиянии	давления в
датчике на интенсивность хвостов					импульсов		спектра

масс, вносящих совокупный вклад в групповой пьеде­ стал. Разрешающая способность прибора на уровне 50% осталась практически неизменной.

Увеличение амплитуды группы импульсов более чем в два раза с увеличением давления вплоть до бХ ХЮ"5 мм рт. ст. можно объяснить десорбцией молекул диффузионного масла со стенок камеры под действием бомбардирующих эти поверхности молекул азота и кис­ лорода воздуха, напускаемых в камеру. Процесс умень­ шения сигнала с дальнейшим ростом давления в камере объясняется рассеянием ионов в пролетном простран­ стве анализатора на молекулах газовой среды в камере, заметно влияющим на величину сигналов в спектре масс КМ-2 при давлении > 3 - 10'5 мм рт. ст., а также умень­ шением общего числа молекул диффузионного масла, сорбированных на внутренней поверхности стенок ка­ меры.

Еще один важный результат, полученный в этом экс­ перименте, состоит в установлении жесткой связи между давлением в датчике КМ и смещением уровня постоян­ ного сигнала, присутствующего в спектре масс. Для того чтобы выяснить, зависит ли это смещение от режи­ ма работы анализатора, т. е. не является ли оно неко1юрым добавлением к групповому пьедесталу импуль­ сов, была снята зависимость смещения от давления при отношении X—17,00 делений, исключающем прохожде­ ние через анализатор на его выход каких-либо ионов. Все ионы при таком X заведомо становились нестабиль­ ными и должны были осесть на полеобразующие элек­ троды анализатора. Результат этого опыта зафиксирован на рис. 59. Фактические данные полученной зависимо­ сти перенесены с рис. 59 на рис. 58 и отмечены кружоч­ ками. Сплошная линия на поле графика рис. 58 (резуль-

14* 211

—	г —	— —	----- 1 —	— —	-----Г
/ •1 0 ч	-Р= 9-10 5	Р=6- 10~5	р=е■ 10'5	Р=4- 10'5	=5-19 5

(дели тель 10)			1U	дели цельо9		Т
57 55 55 51			/ W л Л		/ i	l и'	1д АД
			77 55 5	Г 51
					5/	55	' 55 51
				L
				w	L
				Г/ 55 5J 51
___/	-	^	51
57	55	55

Рис. 56. Серия записей группы импульсов от 51 до 58 а. е. м. спектра	масс газовой	среды в камере	КМ-4 при
различных давлениях в камере, создаваемых путем напуска в камеру	воздуха через	контрольный	натекатель.

Лмплитуда сигнала tfa цассе $5а.е.м.

уровня сигнала, произв.ед.

Рис. 57. Зависимость ампли­ туды пика 55 а. е. м. и группо­

вого	пьедестала		в диапазоне
масс	от 51	до 58 а.		е.	м.	от
давления в		рабочей			камере
1 — десорбция		КМ-4:
		молекул		со	стенок
камеры	при	напуске	воздуха;			2 —

групповой пьедестал.

Рис. 58. Зависимость смещения уровня постоянного сигнала, присутствующего в спектре масс, от давления в камере КМ-4 при разных отношениях X.

Смещение