超高真空下小型四极质谱计的性能研究

　　文章编号: 1006-7086(2011)02-0080-05

　　1　引　言

　　质谱计是一种气体分析仪器,常用于混合气体不同组分分压力的在线监测、残余气体分析和真空系统检漏^[1-5],被广泛应用于空间科学、表面科学、材料、医疗、环境检测等领域^{[6, 7]。}在空间技术中,质谱计在行星大气、载人航天、空间材料污染物监测以及行星土壤析出气体分析中发挥着重要作用^{[8, 9]。}而实际测量时,质谱计所处的环境复杂。特别是深空探测中,环境多为超高/极高真空状态。而在超高真空环境下进行分压力测量时,采用倍增器的小型四极质谱计的离子流已接近其测量极限。

　　目前,质谱计进行定量测量的常见方法为灵敏度常数法(又称矩阵法)^[10]。它是通过事先校准四极质谱计对各种常见气体的绝对灵敏度S,并用其参与质谱数据处理,通过解矩阵来得到定量测量的数据。而要得到可靠的定量测量结果,对质谱计的灵敏度、线性以及图样系数要求较高。

　　作者从质谱定量测量的角度出发,结合质谱计空间应用的需求,选择在超高真空度下对瑞士BALZERS公司生产的QMS200小型四极质谱计的性能进行实验研究。实验通过调节质谱计离子源发射电流、聚焦电压与场轴电压,测量质谱计灵敏度、线性及图样系数的相应变化。该质谱计是商业化中较为成熟的一款质谱计,具有一定代表性,实验结果具有一定参考价值。

　　2　实验测量原理与装置

　　2. 1　实验测量原理

　　(1)灵敏度

　　质谱计的灵敏度S定义为输出的离子流变化与相应的某特定气体的分压力变化之比,即式(1)所示。

　　式中　S为灵敏度,单位为A/Pa;I为到达收集极的离子流,单位为A;p为相应气体的分压力,单位为Pa;I0为本底离子流;p0为本底气体压力。

　　通常对质谱计灵敏度的测量是在真空室达到一定的极限压力下,记录被测离子流的本底。通过针阀调节真空室中气体的压力。当真空室中压力稳定后,记录被测离子流大小,然后计算出灵敏度。

　　(2)图样系数

　　由于质谱计采用电子碰撞电离型离子源,同一种气体分子电离后会产生单电荷和多荷离子、分子离子和碎片离子,因此一种气体在质谱图上会出现几个不同质荷比的峰。分子结构越复杂,碎片峰也越多。为了表征各种质荷比离子的丰度,用图样系数来表示

　　式中　H为峰高;b表示基准峰(丰度最大的峰);i表示碎片峰。

　　在一定压力下,图样系数由扣除本底后的碎片峰离子流与主峰离子流的比值获得。

　　2. 2　实验装置

　　实验所采用的装置为超高/极高真空校准装置,其原理图见图1所示,该装置的详细介绍见文献[11]。该装置可获得10^-10Pa的真空度,可保证质谱计稳定后真空度达到10^-9Pa。实验时,气体通过小孔15的衰减,进样到校准室10中。利用压力衰减法通过计算可获得校准室中的标准压力值。