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什么是气体分析？为什么需要进行气体分析？

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使用质谱分析来分析低压气体

低压气体分析的用途不仅仅包括对真空泵中的残余气体进行分析，对法兰连接处进行漏气检测，或者对真空中的供应管路（压缩空气、水）进行分析，它在真空技术应用和工艺过程的更广泛领域也有着重要意义。举例来说，在对基材施涂薄涂层时，对所使用的工艺气体进行分析。气体定性和/或定量分析所使用的设备包括专门开发的尺寸极小的质谱仪；就像其他的各种真空计一样，这些质谱仪也可以直接连接到真空系统。这些测量仪器的尺寸显然不同于用于气体化学分析的质谱仪等其他质谱仪。后一种质谱仪不适合用于测量分压等，因为它们尺寸太大，需要很长的连接管路接到真空室，无法通过真空室本身进行加热除气。投资购买分析级质谱仪完全没有必要，因为分压测量等对分辨率的要求远远没有那么严格。分压是指混合气体中的某种气体所施加的压力。所有类型气体的分压总和就是总压力。各种气体之间的区别主要在于摩尔质量。因此，分析的主要目的是定性地记录系统内各种摩尔质量的气体所占比例，并定量测定与各种原子序数相关的各种气体的量。

常用的分压测量装置包括测量系统本身（传感器）及其操作所需的控制装置。传感器包含离子源、分离系统和离子阱。质量和电荷数不同的离子通常可通过离子在电场和磁场中的共振现象进行分离。

质谱仪的发展历史概述

1897 年，Thomson 首次尝试确定电子的电荷与质量之比 e/m。此后，经过较长一段时间之后（进入 20 世纪 50 年代之后），大量的各种分析系统才被用于真空技术。此类仪器包括回旋质谱仪、Topatron 以及最终由 Paul 和 Steinwedel 在 1958 年提出的四极杆质谱仪（参见图 4.1）。质谱分析在真空辅助加工技术应用领域中的首次使用或许可以追溯到 Backus 在 1943/1944 年开展研究工作时。他在加州大学的放射学实验室从事研究工作。为了分离铀同位素，他借鉴了 Dempster（1918 年）的方法，使用了 180°扇形场质谱仪，并称之为“真空分析仪”。即使在今天，美国和英国仍在经常使用类似的术语，比如所谓的“残余气体分析仪”(RGA)，而不是称之为“质谱仪”。如今，质谱仪在过程监测方面的应用主要见于半导体器件的生产。

Fig 4.1a TRANSPECTOR 传感器。

a：带通道倍增器的高性能传感器
b：带微通道板的紧凑型传感器
c：带法拉第杯的高性能传感器

图 4.1b TRANSPECTOR XPR 传感器

最早的控制装置非常笨拙，并且提供了大量的操作选项。通常只有物理学家才能够处理和使用它们。随着计算机的引入，对控制装置的要求变得越来越高。首先，它们配备了用于连接至计算机的接口。后来，人们尝试在计算机上额外配备专门用于操作传感器的测量电路板。如今的传感器实际上是一个变送器，它配有一个直接在大气侧连接的电源装置；并能够就地通过标准计算机端口与计算机通信。计算机上运行的软件则让操作变得更加方便。

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