Розанов Л.Н. Вакуумная техника 1990 (1065500), страница 30
Текст из файла (страница 30)
160 Панорамный газоаналнзатор (фарвитрон) относится к статическим приборам для определения парциальных давлений. Разделение ионов по массовым числам осуществляется в нем по частоте колебаний ионов в электростатическом поле с параболическим распределением потенциала. Зависимость частоты колебаний ионов от массового числа в таком поле можно записать в следующем виде: Модулируя электронный ток с частотой колебаний ионов, имеющих заданные массовые числа согласно (7.5), в электростатическом анализаторе можно образовать пакет, -7И 407 ьЧРРР -7ГР~ б число ионов в котором У непрерывно увеличивается после каждого перно. ! 5'7 да ионизирующего элек- х тронного тока. 9 8 7 Пакет ионов, частота колебаний которого сов- Р и с. 7.3, Пзиорзмный гззознзлизлтор падает с частотой напря- (Фзрвитрон) жения модулирующего электрода, называется р е з о н а н с н ы м.
Он наводит напряжение на сигнальном электроде д, которое усиливается высокочастотным усилителем б и через демодулятор поступает на вертикально отклоняющую систему катодного осциллографа 7. Горизонтальное отклонение в осциллографе осуществляется генератором развертки 3 на частоте 50 Гц, синхронизирующим горизонтальную развертку осциллографа с временной разверткой высокочастотного напряжения генератора 9, подключенного к модулирующему электроду 2.
На экране электронно-лучевой трубки осциллографа можно видеть одновременно весь спектр газов. Для обеспечения постоянства числа периодов модуляции во время регистрации сигнала, создаваемого ионами любой массы, развертку частоты осуществляют по закону (=а!7ь (а и Ь вЂ” постоянные; 7 в время). Подбором показателя степени Ь можно обеспечить однозначность между выходным сигналом и парциальным давлением различных газов. Разрешающая способность панорамных анализаторов рм —— =15...20, диапазон массовых чисел 2...200, диапазон рабочих давлений 1О-з...10 " Па. Технические характеристики выпускаемого промышленностью панорамного газоанализатора АПДП-2 имеются в табл. П.11, $7.4.
Циклотронный газоаиа,чизатор (омегатрон) Цнклотронный газоанализатор (омегатрон) относится к динамическим анализаторам парциальных давлений. Принцип его действия основан на движении положительных ионов во взаимно перпендикулярных постоянном магнитном и высокочастотном электрических полях.
Ток эмиссии термокатода 5 (рис. 7.4) образует ~~ектронный луч по оси прибора г, направленный параллельно 6 — 1634 161 Рис 74 Циилотронный газо- анализатор (омегагрон) силовым линиям магнитного поля В к аноду 2. Положительные ионы, образовавшиеся в электронном луче, движутся по спирали в скрещенном постоянном магнитном поле и высокочастотном электрическом поле, приложенном к двум пластинам 1 и 3 Уравнения движения ионов в идеальном омегатроне можно записать в следующем виде: тх= — дуВ; ту=дЕ з)п ы/+в)хВ; те=О, где Е и оз — напряженность и угловая частота высокочастного электрическо- го поля; 1 — время.
Коллектор 4, расположенный в вырезе нижней пластины, регистрирует только те ионы, для которых период вращения совпадает с периодом изменения электрического поля. Такие ионы называются р е з о н а н с н ы м и. Траектория резонансных ионов представляет собой раскручивающуюся спираль, радиус которой )г= =Е1/(2В).
Резонансные ионы за каждый оборот получают приращение энергии от электрического поля. Остальные ионы двиигутся по ограниченным траекториям и не достигают коллектора. Используя выражение (7.2) для радиуса траектории иона, определим период и частоту вращения резонансного иона: Т = 2иК/и =2пт/(2Вг/) 7 = 1/Т = Я,'(2п) (Я=ВО/т — циклотронная частота). В постоянном магнитном поле йт/О=сапа(, поэтому шкала массовых чисел при развертке по частоте — гиперболическая. Измерение ионного тока, проходящего через коллектор, осуществляется электрометрическим усилителем.
Разрешающая способность омегатрона обратно пропорциональна массе иона: р„=аВЯ/Р„/(2Е.), где Я„ — расстояние от электронного луча до коллектора. С увеличением массы иона разрешающая способность уменьшается. Реально удается достигнуть при ЛМ,=1 а.е.м. значения рм=35 ...45. Коэффициент чувствительности по азоту при электронном токе 1О мкА лежит в пределах (4...10) 10 ' А/Па. При больших электронных токах чувствительность уменьшается из-за роста пространственного заряда нерезонансных ионов. Относительная чув- 162 ствительность С,=К ,/К „ зависит от рода газа (см.
табл. 7.1). Максимальное рабочее давление омегатрона (1...4) 10-з Па, минимальное — 10-' Па. Технические характеристики промышленных измерителей парциальных давлений омегатронных (ИПДО) приведены в табл. П.12. й 7.5. Времяпролетные газоаналнзатары Во времяпролетном динамическом газоанализаторе в одной из конструкций для разделения ионов по массам используют разницу во времени пролета промежчтка 1я ионами различных газов (рис. 7,5, а): 1=1о/тз=/ЯР т (2г/Й.
Ионообразование осуществляется электронным током, протекающим между термокатодом б и анодом 7. На сетку 5 падается отрицательный потенциал (/з, ускоряющий ионы в пространстве дрейфа между заземленными етками 4 и 3. Проходя сетку 5, ионы получают одинаковые приращения энергии и в соответствии со своими массовыми числами приобретают различную скорость. В промежутке между заземленными сетками 4 и 3 ионы разделяются на группы с одинаковыми массовыми числами. Пройдя пространство дрейфа, группы ионов, если сетка 2 заземлена, поочередно достигают приемника ИОНОВ 1, КОтОрЫМ СЛужИт ВтОрИЧНЫй ЭЛЕКт- 1 2 о 4 ронный умножнтель. Длительность импульса, образующего масс-спектр, очень мала ( 0,1 мкс), а частота импульсов может быть до 1О кГц.
Умножитель связан с широкополосным усилителем, выходной сиги) ) т Б нал которого подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. По ь' г промежутку времени между выталкиваю. щим импульсом и моментом появления пика ионного тока можно определить массавое число. Для непрерывной регистрации только -Рг одного компонента спектра на сетку 2 по- ! дается положительный потенциал, чередующийся с отрицательным импульсом (/я (рис. 7.5, б), во время которого группа но- ~а нов с определенным массовым числом достигает приемника 1. Остальные ионы за- 5) держиваются положительным потенциалам Р не. 76 Времянролет- сетки. Изменяя промежуток времени гь 1з ный газоанализатор и т.
д. между импульсами на сетках 5 и 2, (хронотрон): можно выделять отдельные составляющие в — м и — лввгрвыыа ваврвжвнйа нв основных Масс-спектра. вавхгрслах 6" 163 Разрешающая способность времяпролетного газоанализатора Рм =/)(л/АЛ4л =И2АГ) где б( — длительность прохождения группой ионов с одним маса совым числом пространства дрейл фа; / †длительнос ионизируюРи с 76 Радиочастотиыа тазоаиа- щего или вытягивающего импульса. Разброс начальных скоростей ионов приводит к необходимости уменьшения М. Рассмотренный газоанализатс р называется х р о н о т р о н о м.
Современные хронотроны имеют разрешающую способность (на половине высоты пика) ры=100; диапазон массовых чисел 1... 600 а.е. м.; минимальное измеряемое давление 10-' Па, Недостатком хронотрона является большая длина пространства дрейфа (о)~0,5 м. Другая конструкция времяпролетного газоанализатора, представленная на рис.
7.6, известна под названием р ад и оч астотного масс-сне кт р о метр а или топ а трона. Положительные ионы, образовавшиеся в области ионизации (катод 3 и анод 2), ускоряются сеткой Сз в направлении трехсеточного каскада Сз Сз. Между сеткой Сз и соединенными вместе сетками С, и Сз подается высокочастотное напряжение. Расстояния между сетками Сз, Сз и См Сз одинаковы и равны 6. Между сетками С, и С, на ионы действует сила высокочастотного электрического поля Е,=уЕ яп (ы/+В), где Š— максимальная напряженность электрического поля между сетками;  — начальная фаза высокочастотного поля, соответствующая моменту пересечения ионом плоскости сетки Сз(/=О). Между сетками Сз и Сз действует такая же сила, но с обратным знаком: Ез= — г/Е з(п(оз/+8).
Максимальное приращение энергии получают ионы, пересекающие сетку Сз в момент перемены знака поля при 8=0, для которых выполняется условие озб/о+Э=я. Для таких ионов время пролета трехсеточного каскада и периода высокочастотного напряжения совпадают. Такие ионы называются резонансными. Остальные ионы получают меньшее приращение энергии или замедляются.
Сетка С1 имеет отрицательный потенциал, который могут преодолеть на пути к коллектору 1 только резонансные ионы, получившие приращение энергии. Индикация масс-спектра осуществляется осциллографом, подключенным к выходу умножителя. Развертка по массам производится изменением высокочастотного напряжения. 164 В этом приборе часто измеряют ионный ток сетки Сз, пропорциональный общему давлению смеси газов, поэтому прибор удобен для измерения как общих, так и парциальных давлений. Так как разрешающая способность трехсеточного каскада мала, то последовательно устанавливают несколько каскадов.
При четырех каскадах рм=45. Диапазон регистрируемых массовых чисел 2...200 а.е.м., минимальное измеряемое давление 10 ' Па. й 7.6. Электрические фильтры масс ту — 2д ((7+ У соз ы1) нз =0; го тх+2у КГ+ У соз оз1) — з =О; (7.6) го тя =О. Из последнего уравнения системы (7.6) следует, что скорость ионов вдоль оси анализатора г остается неизменной. Первые два дифференциальных уравнения известны под названием у р а в пенийй Матье. При подстановке новых переменных и=от(/2; а=8д(//(тгозетз), у=4дУ/(тгозезз) систему уравнений (7.6) можно переписать в другом виде: у = — (а + 28 соз 2а) х; х=(а+2ясоз2а) у; в=О.
(7.7) а . Рзозоз о и/ Р и с. 7.7. Масс-фильтры: а ззаартпольныВ; и — нанополлрныа 166 В электрическом фильтре масс разделение ионов по массам осуществляется в высокочастотном электрическом поле квадруполя, образуемого четырьмя параллельными электродами круглого сечения (рис. 7.7, а). Противоположные электроды соединены попарно, и между ними прикладывается напряжение ~((/+ + Усов аз/).
Уравнения движения ионов в квадрупольном фильтре масс имеют следующий вид; Для значений а и д, лежащих внутри заштрихованной области на рис. 7.8, уравнения (7.7) имет„„ и г ют стабильные решения х(е) и у(е). При этом ионы, движущиеся в камере анализатора, совер- Ц! -Ь~ шают колебания с амплитудой, меньшей радиуса га, и достигают коллектора ионов.
Ионы, движущиеся по неус- Р и с, 7.6. диаграмма устойчивости тойчивым траекториям, неогра- ниченно увеличивают амплитуду колебаний и нейтрализуются на электродах анализатора. Разрешающая способность анализатора зависит от отношения напряжений у= (7/У1 р = ' = ' (у„,„=0,188). (7.8) Й'Ма ! у/уааа Прн отношении у)утаа ионы всех масс независимо от других параметров поля имеют неустойчивые траектории. Из уравнения (7.8) следует, что для получения большой разрешающей способности необходимо в процессе работы всегда выдерживать соотношение у=0,999у ., Таким образом, нцпряженне (7 и У при развертке масс-спектра изменяются совместно, а их соотношение должно поддерживаться с большой точностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
