Классификация газоанализаторов (масс- спектрометров)

При работе на высоковакуумных установках часто необходимо знать не только общее давление разреженного газа, но и его парциальный состав. Для выявления парциального состава газа служат газоанализаторы. Основные требования, которым удовлетворяют высоковакуумные газоанализаторы, - это малое собственное газоотделение и высокая чувствительность. Требуемая разрешающая способность таких приборов обычно невелика (от 20 до 50), так как в состав остаточных газов входят в основном легкие газы. В данной главе рассматриваются газоанализаторы, используемые для определения парциального состава газов при давлениях ниже 10^-3 мм рт. ст.

По принципу действия почти все применяемые высоковакуумные газоанализаторы - масс-спектрометрические. В приборах этого типа анализируемый газ ионизируется. Образовавшиеся положительные ионы разделяются по характерному для каждого из них массовому числу — отношению массы иона к его заряду М/е. Для однозарядных ионов массовые числа совпадают с их молекулярными весами (в целых числах). После разделения ионы поступают на коллектор и дают в его цепи ток, пропорциональный давлению. Датчик масс-спектрометрического газоанализатора состоит из трех узлов: источника ионов, анализатора и приемника ионов.

По способу разделения ионов в анализаторе высоковакуумные газоанализаторы могут быть разделены на три большие группы с подгруппами внутри каждой из них:

I. Статические масс-спектрометры, в которых разделение ионов осуществляется с помощью постоянных или медленно изменяющихся магнитного и электрического полей:

а) статический масс-спектрометр с разделением и фокусировкой ионов с помощью магнитного поля;
б) циклоидальный масс-спектрометр (трохотрон).

II. Времяпролетные масс-спектрометры, у которых разделение ионов в анализаторе происходит во время пролета. Масс-спектрометры этого типа носят название также импульсных масс-спектрометров (хронотронов).

III. Радиочастотные масс-спектрометры, в которых характер движения ионов, частота колебаний например, находится в определенном соответствии с приложенным высокочастотным напряжением:

а) резонансный радиочастотный масс-спектрометр с магнитным полем (омегатрон);
б) квадрупольный (электрический фильтр масс) и моно- полярный масс-спектрометры;
в) радиочастотный масс-спектрометр (фарвитрон);
г) радиочастотный масс-спектрометр (топатрон).

Кроме масс-спектрометрических газоанализаторов, известен десорбционный спектрометр, в котором измеряется давление газов, десорбирующихся с нити при повышении ее температуры.

Основным параметром газоанализатора является его чувствительность, которая выражает минимально определяемое парциальное давление газа. Чувствительность зависит от характеристик датчика и возможностей измерительной схемы. Чувствительность, как и для вакуумметрических датчиков, может быть выражена в 1/мм рт. ст. или а/мм рт. ст. Для статических масс-спектрометрических приборов чувствительность часто выражается в долях процента и показывает, какую долю отдельного компонента в общем составе газа способен обнаружить данный прибор. Принципиально чувствительность масс-спектрометрических газоанализаторов различна для разных газов. Чтобы избежать дополнительных ошибок, связанных с переводом отсчета в парциальные давления, запись компонентов нередко производится непосредственно в единицах тока или напряжения, а их соотношение характеризует относительный состав анализируемого газа.

Следующим параметром высоковакуумных газоанализаторов является их разрешающая способность р, которая для масс-спектрометрических приборов представляет собой отношение массового числа М к наименьшему различаемому изменению массового числа М:

$$\rho =\frac{M}{ \Delta M}$$

Наибольшую разрешающую способность имеют стационарные статические масс-спектрометры с магнитным разделением ионного луча. Для обычных вакуумных измерений достаточна разрешающая способность до 50.

Не менее важным параметром прибора является диапазон анализируемых газов, для масс-спектрометрических газоанализаторов - диапазон анализируемых масс. Для вакуумных измерений достаточен диапазон масс от 2 (водород) до 200 (ртуть).

Ниже приводится описание наиболее характерных приборов, а в табл. 4.3 даны их основные характеристики.

Таблица 4.3. Основные характеристики высоковакуумных газоанализаторов