Pfeiffer Vacuum

6.3.3 探测器

按照质荷比在杆系统中分离的离子可以使用各种类型的探测 器以电气方式进行检测:

  • 通过法拉第杯使用静电计放大器直接测量离子电流
  • 使用具有单独倍增器电极、离散设计的二次电子倍增器 (SEM)
  • 通过连续二次电子倍增器 (C-SEM)

探测器选择主要基于检测灵敏度、检测速度和信号噪音比有 关的要求。然而,它也将受到其他应用特定要求以及空间要 求的制约,这些特定要求涉及到稳定性、耐热性和耐化学性 等。

法拉第杯

在最简单的情况下,离子撞击法拉第收集器(法拉第杯), 它们在此失去了电荷。

法拉第杯的工作原理

图 6.15: 法拉第杯的工作原理

通过灵敏的电流电压变换器(静电计放大器),所产生的电 流被转换成与离子电流成正比的电压。带有法拉第杯的静电 计放大器的灵敏度通常是 $K$= 10-4 A/hPaA/hPa 数量级。电流放大 器的输入电阻 $R$ 必须非常高。凭借典型的接线电容 $C$ ,这导 致时间常数 $\pi=R \cdot C$ 在 范围 0.1 $s$ < $\theta$ < 100 s之内。根据时间常数、在 1 · 10-16 和 1 · 10-14 A之间的测量限制,数量级为 $p_{min}$ = 10-10 hPa 的最小分压可以被检测到。对于总压在 10-8 hPa 以下的 UHV 系统,通常是这样。

除其简单、坚固的设计之外,法拉第探测器的特点是其长期 的稳定性和耐高温的能力。为保持较小的时间常数及避免其 他干扰影响,静电计放大器直接连接至分析仪,且其输出信 号被直接提供给数据分析系统。这就是法拉第杯存在于所有 普发真空质谱仪中的原因。然而,它只适合于检测正离子。

如果要测量极其小的离子电流或需要极其高的测量速度,则 使用物理前置放大器,即所谓的二次电子倍增器。

Secondary electron multiplier (SEM)

图 6.16: 二次电子倍增器 (SEM)

二次电子倍增器 (SEM)

图 6.16 显示了此类倍增器(SEM = 二次电子倍增器)的 典型结构。圆柱形金属片(倍增器电极)具有能够提供低级 别电子功函数的涂层。根据其动能,离子或电子在撞击该层 后产生多个二次电子。串联的多个阶段从单离子处产生电子 雪崩。在倍增器电极之间施加大约 100 V 的正电压,以加速 电子。通过电阻链向倍增电极之间供应高电压(大约 1,000 – 3,000 V),两个电极分别连接至该电压分接头,按照这种方 式安排技术实施。高电压正极接地,以保持逸出电子处于接 近地电势的状态。这些类型的安排产生 107的电流放大因子。

二次电子倍增器通过法拉第杯提供以下优势:

  • 它极大地增加了仪器的灵敏度,提供灵敏度增加高达 $K$ = 10 A/hPa。
  • 这意味着,使用下游静电计放大器可以在更短的时间间隔 内扫描较低的分压。
  • 信噪比显然高于静电计放大器,这意味着,检测限制可下 降几个数量级。这仅在高度放大条件下在 SEM 中也能实 现较低暗电流(噪音水平)时适用。灵敏度的自我增加没 有什么价值。

然而,SEM 也有缺点:

  • 其放大率会因污染或活性层中的化学变化而发生改变。
  • 产生碰撞离子(大约 1 到 5 个电子)的电子数(转换因 子)取决于离子能量(质量甄别)。

放大率受到这些因素的影响而改变。因此,必须时常对 SEM 进行校准。通过改变高电压可以很容易地对放大率进行调 整。通过给第一个倍增器电极提供力求等于各个离子能量的 独立高电压可以保持转换因子恒定不变。

凭借二次电子倍增器的辅助,可快速的进行测量。从表 6.2 中可以看出,其测量速度明显高于使用法拉第杯的测量速 度。

除了作为电流放大器操作外,离散倍增器电极 SEM 也适合作 为离子计数器。使用该配置,可以获得每 10 秒 1 个离子的 极低计数率。高计数率也是可能的,与作为电流放大器相比 能够产生非常广泛的动态范围。

PrismaPlus 使用 SEM 217 的 HiQuad 使用 SEM 218 的 HiQuad
探测器 法拉第 / C-SEM 法拉第 / SEM 法拉第/具有转换倍增极的 SEM
法拉第杯最大压力 10-3 hPa 10-4 hPa 10-4 hPa
SEM、C-SEM 最大压力 10-5 hPa 10-5 hPa 10-5 hPa
最大测量速度/u 2 ms 125 µs 125 µs
烘烤温度(最大) 300 °C 400 °C 400 °C
计数操作 是(可选) 是(可选)
正离子检测
负离子检测

图 6.2: 探测器及其属性

在计数模式中,SEM 的速度限定了动态范围的上限。使用 20 ns 的脉冲宽度,非线性以每秒 106 的事件开始。鉴于其 脉冲宽度,SEM 一定 适合作为计算器。

所有二次电子倍增器的共同点是,它们被限制在低于 10-5 hPa 的压力下操作。在高于这些压力时,倍增器电极上的水 层可导致操作中的高温分解,从而导致过早老化。由于涉及 高电压,可能损坏 SEM 的气体放电可在压力 p > 10-5 hPa 时发生。

连续二次电子倍增器 (C-SEM)

C-SEM(图 6.17)由内部涂有导电层的玻璃管组成,该 导电层具有高电阻和低功函数。给该导电层施加高压,以使 整个管长度获得均匀电压梯度。四级杆系统的离子按确定路 径被发送到转换倍增器电极,并产生触发管内电子雪崩的二次电子。在放大电压为 2,500 V 时,获得 106 的电流放大因子。

连续二次电子倍增器 (C-SEM) 的工作原理

图 6.17: 连续二次电子倍增器 (C-SEM) 的工作原理

在此处也一样,放大率和暗电流控制信号噪音比,且 106 的 最大电流/暗电流之比是电流放大因子。得益于 C-SEM 相对 于四级杆轴稍微偏移的布置,法拉第杯以及 C-SEM 可以在 分析仪中彼此相邻使用,在必要时可以从一个探测器切换到 另一个探测器。