真空技术书籍,第二版

6.4.1 普发真空 质谱仪的优势

普发真空离子源的电势曲线如图 6.20 所示。加热电子发射阴 极具有大约 20 V 的电势。维纳尔电极通常被连接至阴极的正 极,并防止电子在离子源附近散射。阳极电势 V2 为 80 V 的 有效金属丝使电子减速进入形成区域 (100 V),它们在其中电 离进入的中性气体分子。离子通过孔在电势 V5 为 -150 V 时 加速,并再次由聚焦电极减速至 V3 = 80 V。喷射孔在离子 进入质量过滤器之前再次使其加速,并由场轴电势 V4 = 85 V 在能量大约为 15 eV 时使其减速(形成区域和场轴之间的 差值)。

电偏压离子源中的电势曲线

图 6.20: 电偏压离子源中的电势曲线

普发真空 PrismaPlus 和 HiQuad 质谱仪的特点是其如上所述 的电偏压离子源和其场轴技术。

电偏压离子源
在许多四极杆质谱仪中,阴极接地,甚至有负电势。阴极( 金属丝)使发射的电子加速到形成区域(阳极),它们在这 里电离中性气体粒子,这些电离了的粒子之后被抽出到质量 过滤器之中。在这样的磁场条件下,电子也可以撞击真空中 的其他表面,它们在这里触发 EID(电子碰撞解吸)离子。 这会导致不理想的背景噪音,如果腔室中有高密集表面,在 金属丝通电时,也会导致相当大的气体解吸。

普发真空离子源具有正电势(大约 100-150 V)。从该离子 源发射的电子被所有具有较低电势(如接地)的表面排斥, 从而使电子远离这些表面,避免触发可造成干扰的 EID 离 子。

场轴技术
在离子源中形成的离子以高动能向质量过滤器加速。因此, 离子不会受到周边或 RF 边缘场的影响,并以最初高能量向 质量过滤器移动。即使没有前置过滤器,离子射入四级场的 理想条件可以由该方式获得,这与其它需要使用前置过滤器 的质谱仪不一样。质量过滤器本身适当地偏向场轴电压,这 使离子在进入过滤器后再次减速至约 15 eV 的动能。为场轴 电压两倍的该能量和离子质量确定离子的速度,从而确定其 在质量过滤器中的飞行时间。由此产生的有利射入条件导致 离子在宽广的质量范围内通过质量过滤器的高穿透率,从而 保证系统的高灵敏度。

二次电子倍增器的直角排列
普发真空质谱仪的另一个优势是二次电子倍增器 (SEM) 的排列,其相对于过滤器轴偏移 90°(90 度离轴 SEM, 图 6.21)。

如果 SEM 被布置在轴方向,在质量过滤器后,所有碰撞粒子 (中性粒子、离子、电子、光子)将产生二次电子,从而增 大了背景信号。为防止这种情况,从过滤器排出的离子被偏 转 90 度,然后向 SEM 第一倍增极加速。中性粒子和光子通 过电偏转单元时没有发生任何偏转,且电子偏转的程度比离 子大得多。这意味着,允许通过过滤器的所有离子几乎都会 撞击 SEM ,这显著提高了信号噪音比。

除了极少数特殊型号,所有 HiQuad 分析仪都配备了这种技 术。

在 PrismaPlus 中, 提供一个 C-SEM 作为电流放大器。同 样,在这种情况下,离开质量过滤器的离子稍稍偏向 C-SEM,并与不需要的粒子分离。

90° 离轴 SEM

图 6.21: 90° 离轴 SEM

质量甄别
撞击转换倍增极每个离子产生的二次电子数量取决于离子质 量、能量与类型(原子或分子离子)。转换率与质量有关。 这种影响被称为质量歧视,使用离散设计的 SEM 没有使用 C-SEM 的效果明显。在离子撞击转换倍增极之前将其加速到 高能量可以减少质量歧视。

总结
稳定的 RF 电源和精密机械过滤器都是必要的,以使用预选 的质量分辨率实现宽广质量范围内的最大可能传输。适当选 择了场轴技术的偏压离子源以及SEM 的 90 度离轴排列大大 提高了信号噪音比。凭借被施加了高压的借转换倍增极,可 以减少 SEM 或 C-SEM 中的质量歧视。

以下属性使四级杆质谱仪有别于其他设计::

  • 尺寸紧凑、重量轻
  • 质量与 RF 电压振幅之间的线性关系系
  • 高灵敏度
  • 信号噪音比大
  • 测量速度与重复率高
  • 宽广的动态范围(可达 10 个数量级)
  • 安装方向无限制
  • 无磁场干扰

凭借这些优势,四级杆质谱仪已经成为最广泛使用的质谱 仪。