Магнитный газоанализатор
Магнитный газоанализатор
Статические магнитные газоанализаторы (масс-спектрометры) (рис. 7.2) основаны на пространственном разделении моноэнерге-тического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле. Процесс газового анализа состоит из ионообразования, ускорения ионов и формирования ионного пучка, разделения ионов по массовым числам и измерения интенсивности ионного тока.
Ионообразование осуществляется электронной бомбардировкой нейтральных газовых молекул в ионном источнике 4 за счет тока эмиссии 13. Ионный источник находится ‘под отрицательным потенциалом относительно земли (~—1 кВ), выталкивающим ионный пучок 1+ в пространство дрейфа. Положительные ионы, пройдя одинаковое ускоряющее напряжение, входят в пространство дрейфа в соответствии с (7.1) со скоростями ъ-—Vq/m.
В пространстве дрейфа, где действует поперечное магнитное поле индукцией В под воздействием силы Лоренца F~qvB, положительные ионы движутся в направлении, определяемом правилом левой руки, по окружностям постоянных радиусов R. При
этом центростремительная сила Лоренца уравновешивается центробежной силой F2 — = mv2/R.
Из условия равенства сил Fi — F2 найдем выражение для определения радиуса траектории ионов
которое с учетом (7.1) можно переписать в виде
где Si и S2 — ширина щелей на выходе из источника ионов и перед коллектором ионов соответственно; o(R)—суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели s2 в результате аберраций. Аберрации являются следствием разброса ионов одинаковой массы по скоростям, неоднородности в распределении магнитного поля по высоте ионного пучка, влияния пространственного заряда и т. д. При диапазоне массовых чисел от 2 до 150 разрешающая способность на половине высоты пика р«^50.
Чувствительность масс-спектрометра возрастает при увеличении ширины щелей, которую обычно выбирают от 0,1 до 1 мм. Для стандартных приборов коэффициент чувствительности /Си при откачке азота составляет 10 мА/Па. Относительная чувствительное’!, магнитных анализаторов С1=Кш1Кик2 зависит от рода газа (табл. 7.1). Верхний предел рабочих давлений 10~2 Па определяется постоянством коэффициента чувствительности, нижний
Па — фоновыми токами. Порог чувствительности равен 10-3% и зависит от уровня шумов электрометрического усилителя или Умножителя и фонового масс-спектра прибора.
Таким образом, радиус траектории иона прямо пропорционален корню квадратному из отношения массы иона к его заряду. Решая уравнение (7.3) относительно m/q, получим измерительное уравнение статического масс-спектрометра с магнитным отклонением:
В результате взаимодействия с магнитным полем на коллектор 3 попадают только те ионы, радус траектории которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллектором. Изменяя радиус траектории иона R за счет изменения ускоряющего напряжения U или магнитной индукции В, можно создавать условия для попадания на коллектор ионов с различными массовыми числами. Ионный ток коллектора после усилителя 2 измеряется выходным прибором 1.
В рассмотренной схеме анализатора ионы отклоняются на угол 180°. На практике значения углов отклонения могут быть как больше, так и меньше 180°.
Как следует из (7.4), наиболее эффективна магнитная развертка масс-спектра по значению магнитной индукции В, но в связи с лучшим быстродействием, простотой схем питания и меньшими размерами магнитной системы в промышленных приборах предпочтение отдается электростатической развертке по ускоряющему напряжению U.
Разрешающая способность масс-спектрометра зависит от размеров прибора и расширения ионного пучка:
Относительная чувствительность Ci приборов для измерения парциальных давлений различных газов