1.9.4. Типы вакуумных систем масс-спектрометров

В масс-спектрометрии применяются разнообразные по схемам вакуумные системы, что определяется их назначением: задачи анализа проб, особенности подготовки проб и их напуска, периодичность работы. По функциональным признакам вакуумные системы масс-спектрометров подразделяются на две группы:

- Системы откачки физической (аналитической) части прибора.

• Системы подготовки и напуска исследуемых проб в источник ионов.

1.9.4.1. Вакуумные системы аналитической части приборов

В зависимости от решаемых задач анализа в масс-спектрометрах используют два варианта систем откачки аналитической части:

• Единая система откачки.

• Дифференциальная система откачки.

При единой системе откачки вся аналитическая часть прибора откачивается единым вакуумным постом (форвакуумный насос, форбаллон, высоковакуумный насос, высоковакуумная вымораживающая ловушка), рисунок 40.

1-баллон напуска. 2-натекатель. 3-источник ионов. 4-камера анализатора. 5-приемник ионов. 6-запорный вентиль. 7-высоковакуумная ловушка. 8-высоковакуумный насос. 9-форвакуумный баллон. 10-форвакуумный насос.

Поток газа, Q_o, проходящий через вакуумную систему аналитической части складывается из двух составляющих: из газа, поступающего из баллона напуска через натекатель или потока напуска, Q_H, и потока газовыделения внутренних стенок аналитической части прибора, Q_Г. При этом необходимо, чтобы выполнялось условие

Q_o ≥ Q_H + Q_Г (95)

Если вакуумная система работает нормально и газовыделение стенок мало, то можно считать, что

. (96)

Величину газового потока через вакуумную систему аналитической части можно выразить следующим образом

мм. рт.ст.∙см³/с

где T- температура газа в ионном источнике, M-молярная масса иона, P_И.К. -давление газа в ионизационной камере, f-коэффициент, учитывающий вакуумную проводимость ионной щели, A-площадь ионной щели.

Для нормального режима работы вакуумной системы в данном случае должно выполняться условие

(97)

где S_В.Н., S_Ф.Н., P_В.Н. и P_Ф.Н.-быстрота действия и рабочие давления на входе высоковакуумного и форвакуумного насосов, соответственно.

Единая система откачки применяется обычно в приборах, где практически трудно создать необходимое вакуумное сопротивление между источником и камерой анализатора, например в динамических безмагнитных масс-спектрометрах или там, где не требуется высокая точность измерений и повышенные требования к вакууму (индикаторы, течеискатели).

В том случае, когда необходима высокая точность измерений, требования к вакууму повышаются и здесь уже используется дифференциальная система откачки. Она заключается в том, что источник ионов и камера анализатора с приемником ионов откачиваются разными вакуумными агрегатами (рисунок 41).

1-баллон напуска.2-натекатель. 3-ионизацианная камера источника ионов. 4-источник ионов. 5-камера анализатора. 6-приемник ионов. 7-запорный вентиль. 8, 8а-высоковакуумная ловушка, 9. 9а-высоковакуумные насосы. 10-форвакуумный баллон. 11-форвакуумный насос.

В этом случае газовый поток через вакуумную систему

Q_o = Q₁ + Q₂ (98)

где Q₁ и Q₂ -газовые потоки через отдельные вакуумные агрегаты.

Условие нормального режима работы вакуумной системы

(99)

В современных магнитных масс-спектрометрах, предназначенных для прецизионного изотопного и химического анализа проб используется только дифференциальная система откачки.