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如何将差分用于质谱分析

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计量阀的作用是什么？

要让经典质谱仪适应超过 1 · 10-4 mbar 的压力，最简单的方法是使用计量阀。但这种方法存在固有的缺点 - 由于流动特性没有明确界定，可能会导致结果偏离原始气体成分。

差分系统是如何工作的？

要检测总压力超过 1 · 10^-4 mbar 的气体混合物，需要使用不会造成气体分离的差分系统。图 4.7 用于帮助讲解这种差分系统的工作原理：

a. 过程压力 < 1 mbar 时：单级压力差分。允许气体以分子流动的方式从真空容器中流出，然后流经具有流导值 L₂ 的膜片，进入“传感器室”（其具有自已的高真空系统）。分子流动会导致气体分离，但这与压力水平无关。位于传感器室和涡轮分子泵之间的第二个膜片和分子流动会补偿 L₂ 处发生的分离。

b. 过程压力 > 1 mbar 时：两级压力差分。使用小型泵（旋片泵），将层流气体从粗真空区通过毛细管或膜片（流导值 L₃）引出。进入泵之前，在大约 1 mbar 的压力下，再次允许此流量中的一小部分气流通过流导值为 L₂ 的膜片同样以分子流动的形式进入传感器室。

图 4.7 压力差分的原理（单级版本仅限 B 级，两级装置为 A 级和 B 级）

通过加热压力差分系统和毛细管，可以避免因吸附和冷凝导致的气体成分伪像。
要评估测量装置本身对气体成分的影响，需要如下相关信息：加热温度；金属、玻璃和陶瓷部件的材料和表面积；还有阴极的材料和尺寸规格（以及最终关于离子源的电子冲击能的信息）。

封闭式离子源 (CIS)

为了抑制或完全避免传感器室或阴极产生的影响（例如阴极受热后扰动 CO-CO₂ 平衡），在很多情况下会使用封闭式离子源 (CIS)。

CIS 分为两个部分：发射电子的阴极室，和发生气体颗粒碰撞电离的冲击室。二者被抽真空至不同的压力：阴极室被抽真空至大约 10^-5 mbar 的压力，冲击室则为大约 10^-3 mbar 的压力。真空室中的气体可通过金属密封的可加热除气阀（差分系统，超高真空技术）进入冲击室。高产电离发生在大约 10^-3 mbar 的压力条件下。产生冲击作用的电子在压力大约为 10^-5 mbar 的阴极室中发射，并通过小尺寸开口从阴极室进入冲击室。与开放式离子源相比，信噪比（残余气体）可总体增加 10⁺³ 倍或更多。图 4.8 显示了在溅射技术的典型应用中，开放式离子源和封闭式离子源在配置上的基本差异。与开放式离子源相比，封闭式离子源的设计在几何形状和电子能方面均有改良（开放式离子源为 102 eV，封闭式离子源为 75 或 35 eV）；在选择了较低的电子能水平时，二者还会表现出不同的碎片分布模式。例如，在小于 43.5 eV 的电子能时，无法检测到质量为 18 的氩 36⁺⁺ 同位素，因此，在使用氩气作为工作气体的溅射工艺中（这是工业中非常重要的一种生产工艺），不会错误地检测质量同样为 18 的 H₂O⁺。

图 4.8 开放式离子源（左）和封闭式离子源（右）

腐蚀性气体监测器 (AGM) 的工作原理

在许多情况下，待检测的工艺气体的腐蚀性很强，使得阴极的寿命非常短。AGM 运用了层流不会产生任何“反向”流量的特性。在单独的 AGM 阀的控制下，向工艺过程输送的一部分工作气体会作为“净化气体”引入到压力转换器前面的 TRANSPECTOR；这会形成一股流向真空室的气流。因此，只有当 AGM 阀关闭时，工艺气体才能到达 TRANSPECTOR。当该阀门打开时，TRANSPECTOR 只会接触到纯工作气体。图 4.9 显示了 AGM 的工作原理。