Pfeiffer Vacuum

6.3.3 감지기

질량 대 전하 비 를 기초로 하여 봉 시스템에서 분리된 이온 은 다양한 유형의 감지기를 사용하여 다음과 같이 전기적으 로 감지될 수 있습니다.

  • 전기계 증폭기를 사용하여 이온 전류의 직접 측정을 위한 Faraday 컵에 의하여
  • 독립 다이노드가 있는 개별 설계의 2차 전자 증배기(SEM) 를 사용하여
  • 연속 2차 전자 증배기(C-SEM)에 의하여

감지기 선택은 기본적으로 감지 감도, 감지 속도, 신호 대 잡 음 비와 관련된 요구조건에 기초합니다. 그러나 감지기 선택 은 안정성, 열 및 화학적 저항, 공간 요구조건과 관련된 다른 어플리케이션 지정 요구조건에 좌우되기도 합니다.

Faraday 컵

가장 단순한 경우, 이온은 Faraday 수집기(Faraday 컵)에 부 딪치며, 전기 전하를 잃습니다.

Faraday 컵의 작동 원리

그림 6.15: Faraday 컵의 작동 원리

그 결과로 만들어진 전류는 민감한 전류-전압 변환기(전기계 증포기)에 의하여 이온 전류에 비례하여 전압으로 변환됩니 다. Faraday 컵과 전기계 증폭기의 감도는 일반적으로 $K$= 10-4 A/hPa의 순서입니다. 전류 증폭기의 입력 저항 $R$은 극 단적으로 높아질 필요가 있습니다. 일반 배선 용량 $C$를 사용 하면 0.1 $s$ < $\theta$ < 100 s의 범위에서는 시간 상수 $\pi=R \cdot C$가 됩니다. 시간 상수에 따라 측정 한계는 1 · 10-16 과 1 · 10 -14 A 사이이며, 따라서 $p_{min}$ = 10-10 hPa 순서의 최소 분압이 감지 될 수 있습니다. 전체 압력이 10-8 hPa 이하인 UHV 시스템에 서는 이런 일이 보통입니다.

자체의 단순하고 튼튼한 설계 이외에도 Faraday 감지기는 장기 안정성과 고온을 견디는 능력이 특징입니다. 시간 상수 를 작게 유지하고 다른 간섭 효과를 피하기 위하여 전기계 증 폭기가 분석기에 직접 연결되고 자체 출력 신호가 데이터 분 석 시스템에 직접 공급됩니다. 이것이 Faraday 컵이 파이퍼 베큠 진공 질량 분석기에 존재하는 이유이기도 합니다. 그러 나 이것은 양이온 탐지에만 적합합니다.

극단적으로 작은 이온 전류가 측정될 경우 또는 극단적으로 높은 측정 속도가 요구될 경우, 물리적 전치 증폭기가 소위 이차 전자 증배기가 사용됩니다.

2차 전자 증배기(SEM)

그림 6.16: 2차 전자 증배기(SEM)

2차 전자 증배기(SEM)

그림 6.16은 이 증배기(SEM = 2차 전자 증배기)의 일반적 인 구조를 보여줍니다. 실린더형 모양의 판금 조각들(다이노 드)은 낮은 수준의 전자 작업 기능이 가능한 층으로 코팅되어 있습니다. 이온 또는 전자는 자체 운동 에너지에 따라 이 층 에 부딪칠 때 다수의 2차 전지를 생성합니다. 다중 단계의 직 렬 연결은 단일 이온으로부터 무수한 전자를 생산하게 합니 다. 약 100V의 양전압은 전자를 가속하기 위하여 다이노드 사이에 적용됩니다. 이런 배열의 기술적 실행은 개별 다이노 드가 이 전압의 탭에 연결된 상태에서 저항 체인에 의하여 고 전압(약 1,000 – 3,000V)을 공급함으로써 이루어집니다. 높 은 양전압 막대는 빠져나가는 전자들을 대략적인 대지 전위 에서 유지하기 위하여 접지됩니다. 이런 유형의 배열은 10 7 의 전류 증폭 인자를 생산합니다.

2차 전자 증배기는 Faraday 컵에 다음 이점을 제공합니다.

  • 계기의 감도를 극도로 증가시켜 최대 $K$ = 10 A/hPa의 감 도 증가를 허용합니다.
  • 이것은 다운스트림 전기계 증폭기를 사용하여 더 짧은 간 격으로 더 낮은 분압이 스캔될 수 있음을 의미합니다
  • 신호 대 잡음 비는 전기계 증폭기의 비보다 훨씬 더 높은 데, 이는 감지 한계가 몇 단계 더 낮을 수 있음을 의미합니 다. 이것은 더 낮은 암전류(잡음 수준)가 높은 증폭에서 도 달될 수 있을 경우에만 적용됩니다. 자체의 감도 증가는 작은 값입니다.

그러나 SEM에도 다음과 같은 단점이 있습니다.

  • 자체 증폭은 활성 층에서의 오염 또는 화학적 변화로 인해 바뀔 수 있습니다.
  • 충돌을 일으키는 전자(전환 인자)의 수(약 1~5개의 전자) 는 이온 에너지(질량 판별)에 따라 다릅니다.

이런 효과의 결과로 증폭이 변화합니다. 결과적으로 SEM은 때때로 보정되어야 합니다. 증폭의 변화는 고전압을 수정함 으로써 쉽게 조정될 수 있습니다. 전환 인자는 첫 번째 다이 노드에 다양한 이온들의 에너지를 동일하게 만드는 개별 고 전압을 공급함으로써 일정하게 유지될 수 있습니다.

2차 전자 증배기를 사용하면 매우 빠른 측정이 가능합니다. 표 6.2에서 볼 수 있듯이 측정 속도는 Faraday 컵을 사용할 때보다 훨씬 더 높습니다.

전류 증폭기로 작동하는 것 이외에도 개별 다이노드 SEM 역 시 이온 계수기로 적합합니다. 이런 설정에서는 10개 당 1 이 온이라는 매우 낮은 계수율에 도달할 수 있습니다. 높은 계수 율도 가능하며, 전류 증폭기로써의 작동과 비교하면 매우 폭 넓은 동적 범위를 만들어냅니다.

PrismaPlus SEM 217이 있는 HiQuad SEM 218이 있는 HiQuad
감지기 Faraday / C-SEM Faraday / SEM Faraday / 전환 다이노드가 있는 SEM
Faraday 컵의 최대 압력 10-3 hPa 10-4 hPa 10-4 hPa
SEM, C-SEM의 최대 압력 10-5 hPa 10-5 hPa 10-5 hPa
최대 측정 속도 / u 2 ms 125 µs 125 µs
베이크 아웃 온도(최대) 300 °C 400 °C 400 °C
계수 작업 아니오 예(옵션) 예(옵션)
양이온의 탐지
음이온의 탐지 아니오 아니오

표 6.2: 감지기와 속성

계수 모드에서 SEM의 속도는 동적 범위의 상한을 제한합니 다. 펄스 폭이 20ns일 경우, 비선형성은 초 당 106 이벤트의 계수율에서 시작합니다. 자체 펄스 폭이 주어지면 SEM은 계 수기로 적합합니다.

모든 2차 전자 증배기가 공통적으로 갖고 있는 것은 10-5 hPa 이하의 압력에서 작동되도록 제한되어 있다는 것입니 다. 이보다 더 높은 압력에서는 다이노드의 물 층이 작동 시 열분해로 이어질 수 있고 따라서 때 이른 에이징을 촉진할 수 있습니다. 고전압이 관련됨으로써 SEM을 파괴할 수 있는 기 체 방전이 p > 10-5 hPa의 높은 압력에서 일어날 수 있습니 다.

연속 2차 전자 증배기(C-SEM)

C-SEM(그림 6.17)은 내부가 높은 저항 및 낮은 작동 기능 을 가진 전도 층으로 코팅된 유리 튜브로 구성되어 있습니다. 튜브의 길이를 통과하여 균일한 전압 경도를 얻기 위하여 층 에 고전압이 적용됩니다. 4중극자 시스템에서 발생한 이온은 전환 다이노드로 이동하여 튜브에서 전자 더미를 촉발하는 2 차 전자를 생성합니다. 2,500V의 증폭 전압에서 106 의 전류 증폭 인자에 도달합니다.

연속 2차 전자 증배기(C-SEM)의 작동 원리

그림 6.17: 연속 2차 전자 증배기(C-SEM)의 작동 원리

여기서는 증폭과 암전류 역시 신호 대 잡음 비를 통제하고, 106 의 최대 전류/암전류 비가 전류 증폭 인자입니다. 4중극자 의 축과 비교해 가벼운 오프셋을 보이는 C-SEM 배열로 인해 Faraday 컵 뿐만 아니라 C-SEM도 다음에 서로 분석기에서 사용될 수 있습니다. 필요하면 감지기의 전환도 가능합니다.