Розанов Л.Н. Вакуумная техника 1990 (1065500), страница 29
Текст из файла (страница 29)
е. обладающих одинаковой энергией: птот/2= Уд, откуда следует выражение для скорости иона Уа (7:1) Скорость иона определяется отношейием т/д, В большинстве случаев прн 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 М,=М/пч называют м а с совы м ч и сл о и иона. Здесь М вЂ” молекулярная масса, выраженная в атомных единицах массы (а.е.
м.); па — число элементарных зарядов; ! а.е.м. равна 1/1а массы основного изотопа кислорода "О. Для однозарядных ионов массовое число совпадает с молекулярной массой иона. Например, для однозарядного нона СОт+ М, =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 парцнального давления газа, выражается в А/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-'...10-' Па. При более высоких давлениях для аиали- 156 й1105 2 ОБ 12141а1а22 2а 32 М,па.м Рк с.
7.1, Масс-спектр остаточных газов в вакуумной ск- стеме за 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 по р о го м ч у в с т в и т е л ь н о с ти. 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 нонизационным статическим газоанализаторам относятся магнитный и панорамный, а к динамическим — омегатронный, времяпролетный, квадрупольный н 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, Хе н Нт.
Другой разновидностью сорбционного метода является Ожеспектрометрия — метода анализа веществ на поверхности твердого тела по характерным энергиям электронов, эмиттнруемым при внутриатомном переходе электронов между энергетическими уров- 157 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-электроиов в среднем около 1 нм, т. е.
получаемая этим методом информация относится к поверхности исследуемого образца. По составу веществ иа 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. й 7.2. Магнитный газоанализатор Рис. 7,2, Магнитный статический газо анализатор (масс-спектрометр) 158 Статические магнитные газоанализаторы (масс-спектрометры) (рис. ?.2) основаны иа пространственном разделении моноэнергетического 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.
Ооиообразозание осуществляется электронной бомбардировкой нейтральных газовых молекул в ионном источнике 4 за счет тока эмиссии 1,. 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 ю — )' д(т.
В пространстве дрейфа, где действует поперечное магнитное поле индукцией В под воздействием силы Лоренца Р1 — — с)оВ, положительные ионы движутся в направлении, определяемом правилом левой руки, по окружностям постоянных радиусов )с, При этом центростремительная си. , ссм ла Лоренца уравновешивается центробежной силой Ра = В = тон,(я. Из условия равенства сил г,=ге найдем выражениедля определения радиуса траекторин ионов са й =им((дВ), (7.2) которое с учетом (7.1) можно переписать в виде (т' = — )~ 2с(т(с).
(7.3) В Таким образом, радиус траектории иона прямо пропорционален корню квадратному из отношения массы иона к его заряду. Решая уравнение (7.3) относительно т/д, получим измерительное уравнение статического масс-спектрометра с магнитным отклонением: тЬ7 =: Ф(аЮа((2У). (7.4) В результате взаимодействия с магнитным полем на коллектор В попадают только те ионы, радус траектории которых соответствует положению щели в диафрагме перед коллектором. Изменяя радиус траектории иона )с за счет изменения ускоряющего напряжения (( нлн магнитной индукции В, можно создавать условия для попадания на коллектор ионов с различными массовыми числами. Ионный ток коллектора после усилителя 2 измеряется выходным прибором (.
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 н меньшимн размерами магнитной системы в промышленных приборах предпочтение отдается электростатической развертке по ускоряющему напряжению ((.
Разрешающая способность масс-спектрометра зависит от размеров прибора и расширения ионного пучка: '~~ с Рм=— аМ, а, +а,+о(В) где з, и за — ширина щелей на выходе нз источника ионов и перед коллектором ионов соответственно; о()с) — суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели з, 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 рм)50. Чувствительность масс-спектрометра возрастает при увеличении ширины щелей, которую обычно выбирают от 0,1 до 1 мм. для стандзртных приборов коэффициент чувствительности К„при откачке азота составляет 10 мА/Па. Относительная чувствительное ь магнитных анализаторов С, =К„,/К„ н, завнскт от рода газа (табл. 7,1). Верхний предел рабочих давлений 10-' Па определяется постоянством коэффициента чувствительности, нижний 10 ' Па — фоновыми токами.
Порог чувствительности равен 10 — ао/а и зависит от уровня шумов электрометрического усилителя или Умножителя и фонового масс-спектра прибора. 159 Таблица 71 Относительная чувствительность С, приборов для измерения пврцилльных дзвлсиий различных газов с,н, Приборы Но Ат н1 со, Магнитные анализаторы Омсгзтрон 0,83 0,7 1,1 1,37 0,46 0,45 1,17 0,21 1,3 1,2 1,4 Продолжение табл, 7.1 с,н, Приборы со с,н, сн, и,о Магнитные анализаторы Омегзтрон 1,!6 1,3 1,05 0,65 0,59 1,04 0,84 0,67 0,25 0,3 1,08 1,1 Простота н надежность магнитных анализаторов позволяет применять их в системах контроля и управления вакуумными технологическими процессами.
Технологические характеристики прибора МСД-1, специально разработанного для управления технологическими процессами от ЭВМ, даны в табл. П.12. й 7.3. Панорамный газоанализатор (7.5) где У вЂ” напряжение на центральном электроде электростатического поля с параболическим распределением потенциала; К— коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией анализатора; пт — масса иона; д — заряд иона. Структурная схема панорамного газоанализатора показана на рис. 7.3. Электронный ток между катодом 1 и сетчатым анодом 3 проходит через диафрагму-модулятор 2. Положительные ионы, образующиеся в результате электронной бомбардировки нейтральных молекул остаточных газов, ускоряются анодом в направлении электростатического поля с параболическим распределением потенциала, образованным электродами 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
