3574 ИЗУЧЕНИЕ КВАДРУПОЛЬНОГО ФИЛЬТРА МАСС

Цель работы: изучение принципа работы и определение аналитических параметров квадрупольного фильтра масс.

1.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В основе работы масс-спектрометра лежит принцип разделения ионов по удельным зарядам  при их движении в высокочастотных квадрупольных электрических полях.

Распределение потенциала в анализаторе квадрупольного фильтра масс описывается соотношением

.                                            (1)

Такое поле создается системой из четырех электродов, симметрично расположенных относительно осей x и y. В плоскости  электроды в поперечном сечении описываются уравнением , т.е. являются гиперболическими. Здесь r0 - минимальное расстояние от начала координат до каждого из электродов (r0 - радиус поля). Образующие гиперболических электродов параллельны оси z.

Для удобства изготовления в большинстве фильтров масс гиперболические электроды заменяются на цилиндрические (рис. 1). Для лучшего приближения распределения потенциала в таком анализаторе к распределению (1) радиус ra цилиндрических электродов должен удовлетворять соотношению .

В соотношении (1)  есть постоянное  с высокочастотной составляющей  напряжение, прикладываемое между противоположными парами электродов; - амплитуда ВЧ напряжения; w - круговая частота.

Для фильтра масс, электродная система которого показана на рис. 1, уравнения движения имеют вид:

 

Из третьего уравнения этой системы следует, что вдоль оси z электрическое поле отсутствует и заряженные частицы вдоль неё движутся равномерно. Разделение заряженных частиц по удельным зарядам осуществляется за счет их движения по координатам x и y. Уравнения движения для x и y можно переписать в виде:

(2)

где  ; ; ; T - нормированное время.

Первое уравнение системы (2) представляет собой уравнение Матье, записанное в каноническом виде. Его решение при определенных значениях параметров a и q носит «стабильный» характер: при сколь угодно большом времени T координата x изменяется по периодическому закону со всегда конечной амплитудой колебаний. На рис. 2 заштрихованными показаны области стабильных решений в координатах (aq) для координаты x, причем вся картина симметрична относительно оси a. За пределами заштрихованных областей решение уравнения Матье носит «нестабильный» характер: при увеличении времени T амплитуда колебаний непрерывно увеличивается.

Уравнение по y-координате в (2) отличается от уравнения по x-координате знаком перед скобкой. Диаграмма стабильности по y-координате получается поэтому зеркальным отображением относительно осей a и q диаграммы стабильности по x-координате. Для удержания ионов в фильтре масс они должны иметь стабильные траектории одновременно и по x-, и по y-координатам. Это возможно тогда, когда совпадают области (aq) стабильных решений по этим координатам. На рис. 3 приведена одна из таких совмещенных зон стабильности вблизи начала координат, которая чаще всего используется на практике. Через начало координат проведена прямая с углом наклона (правильнее – тангенсом угла наклона) , которая называется рабочей прямой.

Поскольку положение рабочей прямой определяется только соотношением  и , то при фиксированном значении l рабочие точки (aq) ионов с различными значениями  будут располагаться вдоль этой прямой. Если выбрать величину l так, чтобы рабочая прямая пересекала зону стабильности, как это показано на рис. 3, то ионы, рабочие точки которых попадают в зону стабильности (т.е. принадлежат диапазону q1 ¸ q2), будут иметь стабильные траектории. Ионы тяжелых масс, рабочие точки которых располагаются от q1 до начала координат, будут нестабильными по y-координате. Ионы с массами, меньшими, чем масса иона, соответствующая q2, будут нестабильными по x-координате. С увеличением времени амплитуда колебаний нестабильных ионов неограниченно нарастает, и они уходят из квадрупольного поля, рассеиваясь на электродах анализатора. Выбирая величину  так, чтобы рабочая прямая проходила вблизи вершины зоны стабильности, когда диапазон q1 ¸ q2 достаточно мал, создают условия удержания ионов только для одной определенной массы (точнее, достаточно малого диапазона масс ). В этом случае, вводя в квадрупольное поле вдоль оси z ионы с различными удельными зарядами , на выходе получают ионы, рабочие точки (aq) которых будут находиться в зоне стабильности вблизи её вершины с координатами ; . Таким образом, устройство действует как фильтр масс, что и определило его название – квадрупольный фильтр масс.

Изменяя величины  и , поддерживая неизменными их отношение (амплитудная развертка), рабочие точки ионов с различными  можно последовательно «проводить» через зону стабильности и тем самым регистрировать эти ионы на выходе. Развертку спектра масс можно осуществлять и путем изменения частоты w переменной составляющей – это частотная развертка. В этом случае величины постоянной и амплитуды переменной составляющих поддерживаются неизменными.

Изменяя величину l, можно подбирать величину диапазона  (и тем самым ), т.е. изменять разрешающую способность. Но увеличение разрешающей способности сопровождается уменьшением количества стабильных ионов, способных проходить через электродную систему.

Величина разрешающей способности зависит и от времени нахождения ионов в квадрупольном поле. Чтобы они покинули квадрупольное поле, необходимо воздействие на них определенного числа периодов высокочастотной составляющей поля. Это число периодов n зависит от требуемой разрешающей способности и ограничивает величину входной максимальной скорости ионов (вдоль оси z). Установлено, что для разрешения около 100

,

где M - регистрируемая масса; - диапазон «стабильных» масс в а. е. м. Максимальная величина ускоряющего напряжения вдоль оси z

,

где - напряжение, В ; - частота напряжения, МГц ; - длина электродной системы, м.

Из выражения коэффициента для q при известном радиусе поля можно определить номер анализируемой массы:

,

где - номер анализируемой массы, а. е. м. ; - амплитудное значение высокочастотного напряжения, В ; - частота ВЧ напряжения, МГц ; - радиус поля анализатора, см.

2.  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучение квадрупольного масс-спектрометра УАВ.Э-100/2-006

2.1. Назначение и основные характеристики

Масс-спектрометр предназначен для контроля состава остаточной атмосферы газовой среды при давлении менее  Па ( мм рт. ст.), в том числе для контроля технологических процессов в напылительных установках, а также для комплектования масс-спектрометрических установок с автономной откачкой и устройствами отбора, предназначенных для контроля процессов плазмохимического травления, выращивания кристаллов.

Масс-спектрометр обеспечивает разрешающую способность , измеренную на уровне 10 % высоты массового пика, не менее номера регистрируемой массы (M).

Диапазон массовых чисел: верхний предел – не менее 100 а. е. м., нижний предел – не более 2 а. е. м.

Пороговая чувствительность по аргону – не более  Па ( мм рт. ст.).

Время регистрации масс-спектра – не более 300 с.

2.2. Структурная схема масс-спектрометра

Структурная схема масс-спектрометра представлена на рис. 4 и состоит из следующих функциональных частей: анализатора масс-спектрометра А; блока питания анализатора В; генератора ГВЧ; устройства регистрации УР;  прибора Н307.

Анализатор масс-спектрометра состоит:

- из электродной системы на основе квадрупольной конструкции цилиндрических стержней, попарно соединенных электрически и помещенных в экран Э;

- ионного источника И;

- детектора ионов У на базе вторично-электронного канального умножителя типа ВЭУ-6.

Ионы анализируемых газов образуются за счет ионизации молекул и атомов электронным ударом в объеме ионизатора. Энергия ионизации определяется разностью потенциалов, создаваемых за счет напряжений, приложенных между прямонакальным вольфрамовым катодом (К1 или К2) и ионизатором. Образовавшиеся ионы фокусируются с помощью линзы Л и вводятся в электродную систему через отверстие в экране Э. Энергия ионов определяется разностью потенциалов между экраном и ионизатором. Для повышения эффективности ионизации в составе ионизатора есть отражательный электрод О.

Анализатор представляет собой систему 4-х симметрично расположенных вдоль оси круглых электродов, изолированных посредством керамических колец. Электроды изготовлены из молибденовых стержней диаметром 8,2 мм и длиной 150 мм. Электроды анализатора и изолирующая керамика изготовлены с высокой точностью. Противоположно расположенные электроды анализатора электрически соединены.

Блок питания анализатора обеспечивает подачу напряжения накала на катод ионного источника, соответствующих напряжений на электроды ионного источника (БП на рис. 4) и стабилизированного высоковольтного напряжения на вторично-электронный умножитель БВ.

Управление работой масс-спектрометра и обработка результатов измерений осуществляются блоком управления БУ, выполненным на базе микропроцессора.

Высокочастотное напряжение на стержни анализатора подается с генератора высокой частоты ГВЧ, управляемого БУ. Рабочая частота генератора 1,5 МГц, развертка амплитудная, диапазон изменения амплитуды ВЧ напряжения 0 - 200 В. Электронный ток ВЭУ-6 регистрируется устройством регистрации УР. В токовом режиме оно преобразует сигнал с выхода умножителя в последовательность импульсов с частотой, пропорциональной входному сигналу.

Результат измерений масс-спектра (величина тока текущей массы в а. е. м. и интенсивность в имп./с) отображается на пульте управления.

Запись спектра производится на двухкоординатном самописце типа Н307/1.