Методы измерения
Методы измерения
Измерители парциальных давлений, как и измерители общих Давлений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых парциальных давлений, чувствительностью, а также свойственным только им параметром — разрешающей способностью.
Скорость иона определяется отношением mfq. В большинстве случаев при ионизации газов медленными электронами образуются ионы, имеющие один элементарный положительный заряд, вследствие чего (с приемлемой для большинства измерений точностью) можно считать, что скорости ионов в электрическом поле обратно пропорциональны корню из молекулярной массы газа.
Отношение Me=M/nq называют массовым числом иона. Здесь М — молекулярная масса, выраженная в атомных единицах массы (а.е. м.); пд— число элементарных зарядов; I а.е. м. равна Vie массы основного изотопа кислорода 16О. Для однозарядных ионов массовое число совпадает с молекулярной массой иона. Например, для однозарядного иона СОг+ ЛД = 44 а.е. м. В результате измерений ионных токов, соответствующих различным массовым числам, получается масс-спектр (рис. 7.1).
Чувствительность ионизационных газоанализаторов определяется как отношение изменения ионного тока в цепи коллектора к вызывающему его изменению парциального давления газа, выражается в A/Па и зависит от рода газа.
Верхний предел измеряемых давлений определяется отклонением от линейной зависимости между ионным током и соответствующим ему парциальным давлением вследствие рассеивания ионов в анализаторе. Предельно допустимое значение такого отклонения—10%. Максимальные рабочие давления обычно не превышают 10“3… 10~2 Па. При более высоких давлениях для анали-
Под разрешающей способностью подразумевается отношение Ме к наименьшему различаемому изменению массового числа ДМе: рм=Ме/АМе—
В зависимости от типа прибора во всем диапазоне изменения массовых чисел могут оставаться постоянными значения рль Ме!рм или Мерм. Экспериментально разрешающую способность определяют по масс-спектру. Ширина пика АМе измеряется на уровне 10 или 50% высоты пика.
Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоящее время проводят двумя методами: ионизационным и сорбционным.
Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду. Можно одновременно или поочередно измерять составляющие ионного тока, соответствующие парциальным давлениям различных газов, присутствующих в вакуумной системе.
Для разделения ионного тока на составляющие используется различие скоростей движения ионов различных газов, прошедших одинаковую разность потенциалов, т. е. обладающих одинаковой энергией: mv2l‘2=Uq, откуда следует выражение для скорости иона
газов требуются расширительные устройства или вспомогательная вакуумная система, обеспечивающие снижение плотности анализируемой газовой смеси без изменения процентного состава ее компонентов.
Нижним пределом измеряемых парциальных давлений считается минимальное абсолютное давление, измеряемое прибором. Относительное парциальное давление газов, которое может быть определено при данном отношении сигнал/шум, называют порогом чувствительности. За начало регистрации можно принимать сигнал, вдвое превышающий шум.
В зависимости от характера используемых электрических и магнитных полей ионизационные методы измерения парциальных давлений можно классифицировать на статические и динамические. В статических методах используются постоянные, а в динамических— переменные электромагнитные поля.
К ионизационным статическим газоанализаторам относятся магнитный и панорамный, а к динамическим — омегатронный, вре-мяпролетный, квадрупольный и монополярный фильтры масс. Разрешающая способность промышленных приборов находится в пределах 40… 200 а. е. м.
Сорбционный метод измерения парциальных давлений использует анализ адсорбированных газов. В одной из его разновидностей— термодесорбционном методе — из-за различных теплот адсорбции остаточных газов нагревание поверхности по определенному временному закону сопровождается последовательной десорбцией компонентов газовой смеси.
Недостатком метода является невозможность регистрации плохо адсорбируемых газов Не, Ne и Н2.
Другой разновидностью сорбционного метода является Оже-спектрометрия—метода анализа веществ на поверхности твердого тела по характерным энергиям электронов, эмиттируемым при внутриатомном переходе электронов между энергетическими уров
нями. Исследуемая поверхность облучается потоком ионизирующего излучения, чаще всего первичным потоком электронов с энергией, в 3… 5 раз большей потенциала ионизации соответствующего уровня. Глубина выхода Оже-электронов в среднем около 1 нм, т. е. получаемая этим методом информация относится к поверхности исследуемого образца. По составу веществ на поверхности можно определить состав хорошо адсорбирующихся веществ в газовой фазе.
Этот метод нашел широкое применение для контроля элементного состава поверхности, оценки эффективности различных методов очистки подложек, процессов диффузии и миграции, эпитаксии, адсорбции и десорбции.