提高四極質(zhì)譜計(jì)線性上限的一些考慮
給出了幾種不同條件下四極質(zhì)譜計(jì)臨近上限時(shí)的特性。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析研究,提出了在不影響四極質(zhì)譜計(jì)其它性能的情況下提高四極質(zhì)譜計(jì)線性上限的方法。
一、前言
四極質(zhì)譜計(jì)以其小型輕便、分辨本領(lǐng)及靈敏度高、價(jià)格低等優(yōu)勢幾乎占據(jù)了整個(gè)真空殘氣分析領(lǐng)域[1]。隨著四極質(zhì)譜計(jì)應(yīng)用面的不斷擴(kuò)展,它在高壓下(對真空質(zhì)譜而言,這里的高壓力指的是真空度在10-2 Pa以上的壓力范圍)的特性已引起人們的普遍注意[2,3,4]。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為提高四極質(zhì)譜計(jì)的線性上限,使其能在較高壓下進(jìn)行有效測量已成為擴(kuò)大四極質(zhì)譜計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)很有意義的研究方向。
本文通過對四極質(zhì)譜計(jì)臨近上限時(shí)的特性的分析,提出了在不影響四極質(zhì)譜計(jì)其它性能的情況下提高四極質(zhì)譜計(jì)線性上限的方法。
二、四極質(zhì)譜計(jì)臨近上線的性能
圖1是四極質(zhì)譜計(jì)性能測試系統(tǒng)意圖。質(zhì)譜計(jì)離子源和全壓力規(guī)對稱安置于圓柱形真空室的兩側(cè),全壓力規(guī)是經(jīng)過校準(zhǔn)了的。抽真空采用渦輪分子泵機(jī)組,氣體通過進(jìn)樣針閥引入真空室。在沒有特別注明的情況下,本文中使用的壓力均指的等效氮壓力。
表1列出了所測試四極質(zhì)譜計(jì)的基本情況。離子源均采用尼爾源,并使用約等于0.01mm的線狀錸鎢絲作為陰極。2、3號儀器離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的入口膜孔孔徑分別為1.5mm和2.5mm,以考察離子的能量分散對儀器線性的影響。4、5、6號儀器的工作頻率分別為0.79MHz、2.07MHz、3.00MHz,其它條件都相同,以考察儀器不同工作頻率下的線性。1、2、4、7號儀器是在其它參數(shù)都相同的情況下,考察分析場幾何長度的大小對儀器線性的影響。對2號儀器,還研究了離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的軸向能量的大小對儀器線性的影響。
表1 儀器的基本情況一覽表
實(shí)驗(yàn)時(shí),將所要測試的四極質(zhì)譜計(jì)安裝于圖1所的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上。首先將真空室抽至10-4Pa數(shù)量級,然后通過進(jìn)氣針閥給真空室充入高純氮?dú)?測試不同氮壓力下儀器的氮離子流輸出和分辨本領(lǐng)。
圖1 四極質(zhì)譜計(jì)性能測試系統(tǒng)示意圖
第一組實(shí)驗(yàn)是在2、3號儀器間進(jìn)行的,尼爾源的工作參數(shù)分別為:燈絲發(fā)射電流Ie=0.5mA,電離室電壓V1=7.5V,聚焦極電壓V2=-180V,燈絲對電離室電壓V3=75V,電子收集極電壓V4=120V。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在其它條件都相同的情況下,離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的入口膜孔孔徑較大時(shí),可以獲得較高的靈敏度。但小膜孔(約等于1.5mm)時(shí)儀器的分辨本領(lǐng)比大膜孔(約等于2.5mm)可以提高30%。實(shí)驗(yàn)得到的氮離子流輸出(質(zhì)荷比為28的氮主峰I+28)隨氮壓力的變化情況(即I+—P曲線)如圖2。
圖2 不同離子入膜孔的I+—P 曲線
從中可以看出:儀器的壓力線性隨離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的入口膜孔孔徑的減小稍有改善,但改善不明顯。
第二組實(shí)驗(yàn)是在4、5、6號儀器間進(jìn)行的,尼爾源的工作參數(shù)與第一組相同。以考察儀器在不同工作頻率下的線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在其它條件都相同的情況下,儀器的靈敏度隨工作頻率的提高而下降。較小的工作頻率可以獲得較高線性上限。但儀器的分辨本領(lǐng)有明顯的下降。
圖3 不同工作頻率的I+—P 曲線
第三組實(shí)驗(yàn)是在1、2、4、7號儀器間進(jìn)行的,尼爾源的工作參數(shù)與第一組相同。以考察不同分析場幾何長度下四極濾質(zhì)器的線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在其它條件都相同的情況下,儀器的靈敏度隨分析場幾何長度的增大而下降。較短的分析場幾何長度可以獲得較高線性上限。但儀器的分辨本領(lǐng)有所下降。
圖4 不同分析場幾何長度的I+—P 曲線
第四組實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入四極濾質(zhì)器的離子的軸向能量對儀器線性的影響,選用2號儀器進(jìn)行研究。尼爾源的工作參數(shù)與第一組相同,離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的軸向能量分別為5eV、10eV、15eV,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。結(jié)果表明:較大的離子軸向入射能量可以獲得較高的靈敏度和較高線性上限,但降低了儀器的分辨本領(lǐng)。
圖5 不同離子軸向入射能量下的I+—P 曲線
三、提高四極質(zhì)譜計(jì)線性上限的一些考慮
四極質(zhì)譜計(jì)的線性主要受四極濾質(zhì)器所限制。離子源如采用尼爾源其線性上限可達(dá)1Pa左右。而一般四極濾質(zhì)器的線性上限僅為10-2 Pa,也就決定了最終四極質(zhì)譜計(jì)的線性上限為10-2 Pa。因此,要提高四極質(zhì)譜計(jì)的線性上限,首先必須從四極濾質(zhì)器入手。
根據(jù)本文第二節(jié)的結(jié)果:縮短四極桿長l、降低高頻頻率f、并盡可能地提高離子的軸向能量Ez,可以改善儀器的線性上限,同時(shí)提高儀器的靈敏度,但降低了儀器的分辨本領(lǐng);限制離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的能量分散,可以提高儀器的分辨本領(lǐng),但儀器的靈敏度有所下降,對儀器的線性改善不明顯。因此,可以通過縮短四極桿長、降低高頻頻率、提高離子的軸向能量能改善儀器的線性,同時(shí)提高儀器的靈敏度。再通過限制離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的能量分散,補(bǔ)償分辨本領(lǐng)的下降。達(dá)到保證分辨本領(lǐng)和靈敏度基本不變的前提下,提高儀器的線性上限。
根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)的四極質(zhì)譜計(jì)的線性上限達(dá)1.2×10-1 Pa,儀器的分辨本領(lǐng)和靈敏度等主要性能與未采用本文提出的方法時(shí)的情況相當(dāng)[5]。
四、結(jié)論
本文通過對四極質(zhì)譜計(jì)在臨近上限時(shí)性能的研究,得出:縮短四極桿長l、降低高頻頻率f、并盡可能地提高離子的軸向能量Ez,可以改善儀器的線性上限,同時(shí)提高儀器的靈敏度,但降低了儀器的分辨本領(lǐng);限制離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的能量分散,可以提高儀器的分辨本領(lǐng),但儀器的靈敏度有所下降,對儀器的線性改善不明顯。
根據(jù)四極質(zhì)譜計(jì)在臨近上限時(shí)的性能,提出在不影響四極質(zhì)譜計(jì)其它性能的情況下提高四極質(zhì)譜計(jì)線性上限的方法,即通過縮短四極桿長、降低高頻頻率、提高離子的軸向能量以改善儀器的線性,同時(shí)提高儀器的靈敏度。再通過限制離子進(jìn)入四極濾質(zhì)器時(shí)的能量分散,補(bǔ)償分辨本領(lǐng)的下降。達(dá)到保證分辨本領(lǐng)和靈敏度基本不變的前提下,提高儀器的線性上限。
參考文獻(xiàn)
1、Dawson P H, Quadrupole mass analyzers: Performance,design and some recent applications. Mass Spectrometry Reviews, 1986,5(1):1
2、Dawson P H. The effect of collisions on ion motion in quadrupole fields. International Journal of Mass Spectromerty and Ion Physics,1977,24:447
3、Dawson P H. Lambert C. J. Vac. Sci. Technol. 1975,12(4):941
