Pfeiffer Vacuum

6.2.1 工作原理

扇形体质谱仪的工作原理如图 6.3 所示。

180° 扇形体质谱仪的工作原理

图 6.3: 180° 扇形体质谱仪的工作原理

中性气体粒子在离子源中通过电子碰撞(图 6.4 a)进行电 离。由此产生的电子具有质量 $m$ 与载荷 $q$,电子通过电势梯 度$U$ 移向扇形磁场,同时产生动能,

\[E_{kin} = q \cdot U =\frac{m \cdot v^2}{2}\]

公式 6-1: 动能

即它们以

速度 $v=\sqrt{\frac{2qU}{m}}$通过扇形场。在这里,电荷是相同的,

电子的速度以及通过一定距离所需的时间取决于其质量的大 小。这由飞行时间质谱仪直接利用达到分离质量的目的。在 扇形场质谱仪中,离子在洛伦兹力产生的均匀磁场中勾勒出 圆形路径,洛伦兹力与速度和磁场垂直,作用在移动离子 上。

\[F=q \cdot v \cdot B \]

公式 6-2: 洛伦兹力

在半径为 $r$ 的圆形路径上,洛伦兹力等于向心力。

\[q \cdot v \cdot B = m \cdot v^2 / r\]

公式 6-3: 力的平衡

这用于计算路径的半径

\[r=\frac{m \cdot v}{q \cdot B} \mbox{并使用公式 6.1} r=\sqrt{\frac{2mU}{qB^2}}\]

公式 6-4: 路径半径

用于泄漏探测器的扇形场质谱仪配备了永磁体,该永磁体提 供恒定磁场,在图 6.3 中,其位置与图像平面垂直。质谱仪 以这样的方式调节:单电荷氦离子首先通过孔口,然后通过 出口狭缝,最后撞击探测器。 所有其他分子无法通过狭缝并 重新进行中和。测量的氦离子电流与氦分压成正比。从公式 6-4 中可以看出,通过加速电压 $U$可以改变路径的半径。实 际上,使用不仅仅限于偏转 4氦,而且还限于将 $m/e$ 之比为 2:3 的离子向出口狭缝偏转,以便检测气体氢和 3氦。

在泄漏检测中,为获得氦测试气体的高检测灵敏度,扇形场 质谱仪装有灵敏探测器。直接的金属收集器(法拉第杯)不 再符合现在的要求,所以现代的泄漏测试仪结合了微通道 板,其结构非常紧凑,具有高增益和低噪声。这些在两侧均 具有金属涂层的玻璃微通道板具有大量的细微通道,这些通 道以很微小的角度一直通向端面(图 6.4 b),且其内表面也 有涂层。如果离子撞击该表面,则触发二次电子雪崩,且通 过施加在板上的电压向探测器加速。

扇形场质谱仪:(a) 离子源,(b) 探测器

图 6.4: 扇形场质谱仪:(a) 离子源,(b) 探测器

根据公式 6-4,轨迹半径与磁场成反比。永磁体的可用材料对 磁场强度有限制。这导致氦质谱仪典型的半径为 10 cm 的量 级。为确保离子轨迹不受到碰撞的妨碍,平均路径长度必须 大约是相同的数量级。因此,氦扇形场质谱仪的最大连续工 作压力大约为 10-5hPa。

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