用于過程監(jiān)測(cè)和優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)的分析設(shè)備

普發(fā)真空為真空處理過程中的氣體測(cè)定提供了各種不同的分析儀。從質(zhì)譜儀到復(fù)雜的分析系統(tǒng)，在我們這里您將會(huì)找到從超高真空范圍一直到大氣壓力的氣體分析解決方案。四極桿質(zhì)譜儀 PrismaPlus是氣體分析最基礎(chǔ)的設(shè)備。PrismaPlus 是一個(gè)普遍適用的質(zhì)譜儀，其磁場(chǎng)軸技術(shù)保證了高靈敏度。它還具有高效率以及測(cè)量速度快的特點(diǎn)。并且 PrismaPlus 不僅僅顯示各自的分壓，同樣也可以檢測(cè)總壓力。它的界面接口使這款質(zhì)譜儀可以很容易地與氣體色譜儀連接。緊湊的設(shè)計(jì)，模塊化結(jié)構(gòu)和用戶友好軟件 Quadera® 使其成為泄漏檢測(cè)、半導(dǎo)體制造、玻璃鍍膜、冶金化工的理想設(shè)備。另外，在研發(fā)領(lǐng)域也有無數(shù)的應(yīng)用。普發(fā)真空為其客戶在所有這些領(lǐng)域中提供量身定制的解決方案。當(dāng)然，普發(fā)真空還提供所需的質(zhì)譜儀配件，例如各種離子源陰極。

什么是質(zhì)譜儀

質(zhì)譜測(cè)量是一種可以用來測(cè)量原子和分子質(zhì)量的方法。通過這種方式測(cè)量化學(xué)混合物成分的分壓來分析化合物。待分析的物質(zhì)首先被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的聚合狀態(tài)并且發(fā)生電離。電場(chǎng)使離子加速，使得它們?cè)谄涓髯缘馁|(zhì)荷比基礎(chǔ)上被分類和分離。然后測(cè)定氣體各種成分的分壓。每個(gè)質(zhì)譜儀包括一個(gè)離子源、一個(gè)質(zhì)量過濾器和一個(gè)檢測(cè)器。根據(jù)所采用的質(zhì)量過濾器來區(qū)分不同類型的質(zhì)譜儀 。由于其廣泛的應(yīng)用選項(xiàng)，四極桿質(zhì)譜儀具有可靠的測(cè)量表現(xiàn)。這些分析設(shè)備也經(jīng)常用于真空技術(shù)。

質(zhì)譜儀及其應(yīng)用

四極桿質(zhì)譜儀具有平行排列的四根電極桿，構(gòu)成了四極場(chǎng)。它們的交點(diǎn)與平面垂直于圓柱體軸線，形成一個(gè)場(chǎng)（因此命名為四極）。靜態(tài)電場(chǎng)使離子加速以后，離子飛過四極場(chǎng)。桿之間的四極場(chǎng)每次只會(huì)允許給定質(zhì)量的一個(gè)粒子通過，。四極桿質(zhì)譜儀提供高分辨率版本以簡易版兩種型號(hào)供用戶用作殘余氣體分析。由于其頻率范圍寬，這類質(zhì)譜儀可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括從藥理學(xué)到環(huán)境分析領(lǐng)域。
 

四級(jí)桿質(zhì)量過濾器

四極桿質(zhì)譜儀的過濾系統(tǒng)包括四個(gè)平行排列成正方形的 桿。圖 6.5 中指定了 (+) 或 (-) 的每對(duì)相反桿彼此連接在 一起。在兩對(duì)桿之間，施加由直流部分 U

和振幅為 V、頻率為 f=ω/2π

的交流部分組成的電壓：

在這一點(diǎn)上，將只提供工作原理的簡單現(xiàn)象描述。如需更詳 細(xì)的描述，請(qǐng)參考專題文獻(xiàn) [29, 30, 31]。

理想的四級(jí)場(chǎng)需要具有雙曲剖面的桿。然而，在實(shí)際應(yīng)用 中，使用圓柱形桿，桿半徑等于場(chǎng)半徑 r0

的 1.144 倍（場(chǎng)半 徑的定義參考圖 6.5）。四極電場(chǎng)在桿之間形成。不同質(zhì)量的 離子以大約相等的能量被軸向注入桿系統(tǒng)，并以勻速移動(dòng)通 過桿系統(tǒng)。所施加的四級(jí)場(chǎng)在 X 和 Y 軸方向偏轉(zhuǎn)離子，導(dǎo)致 離子通過質(zhì)量過濾器圍繞 Z 軸勾勒出螺旋軌跡。如果軌跡振蕩的振幅小于場(chǎng)半徑 r0

，則離子到達(dá)探測(cè)器； 如果振幅超過 該值，則離子將在桿或周圍表面上放電，并不會(huì)通過過濾器。

要解答運(yùn)動(dòng)方程，引入兩個(gè)無因次變量 a

和 q、其結(jié)合了四級(jí)桿參數(shù)（直流電壓 U、交流振幅V、場(chǎng)半徑 r0、角頻率ω=2πf）和離子參數(shù)（電荷 Q=z⋅e、 質(zhì)量 m=M⋅mu

)。

and

憑借這種簡化，獲得馬修微分方程；其算法在數(shù)學(xué)中是眾所 周知的，它們可用于計(jì)算具有振蕩幅度 rmax<r0

的穩(wěn)定軌跡 的范圍，該范圍用于穩(wěn)定參數(shù) a 和 q 的配對(duì)，該參數(shù)位于 圖 6.6 中兩條限制曲線形成的三角形之下。在該范圍之 外的所有解答導(dǎo)致振蕩幅度增加，從而導(dǎo)致四級(jí)桿過濾器桿 上的離子中和。用這兩個(gè)方程相除得出： a/q=2U/V

. 這是 質(zhì)量過濾器所謂負(fù)載線的斜率。

在界限處，負(fù)載線與峰值相交，峰值： ap

= 0.237 和 qp

= 0.706。

四級(jí)桿過濾器顯然僅適用于電壓比 UV=ap2⋅qp

< 0.1678

即：負(fù)載線與穩(wěn)定性范圍相交。參數(shù) a

和 q

在三角形之內(nèi)、 在負(fù)載線之上的所有離子將到達(dá)探測(cè)器。

引入比率 mu/e

，其是原子質(zhì)量單位 mu = 1.6605 · 10-27 kg 和基本電荷 e = 1.6022 · 10-19 A · s ein (mu/e =1.0365 · 10-8 kg A-1 s-1) a之比，并用該比率乘以相應(yīng)離子的無因次質(zhì)量數(shù) M 求 出穩(wěn)定性三角形（具有常數(shù) ku = 1.2122 · 10-8 kg A-1 s-1 和 kv = 7.2226 · 10-8 kg A-1 s-1）頂點(diǎn)的電壓 Up 和 Vp

滿足以下條件：

穩(wěn)定性條件顯示，在固定頻率下，四級(jí)桿過濾器處的電壓與 質(zhì)量成正比，而且使用不同的電壓振幅獲得線性質(zhì)量比例。

切斷直流電壓， U

= 0，則所有離子軌跡，其中 q

< 0.905，將是穩(wěn)定的；根據(jù) 公式 6-3，這些將是全部質(zhì)量，其中

其中 kH

= 1.0801 · 107 A s kg-1是一個(gè)常數(shù)。因此，過濾器 在該操作模式中充當(dāng)高通濾網(wǎng)。由于 RF 振幅 V

增加，不斷 加重類型的離子變得不穩(wěn)定，從輕質(zhì)量開始，從而被分離開 來。該操作模式產(chǎn)生積分譜，并允許進(jìn)行總壓測(cè)量。

離子注入條件是通過過濾器傳輸離子的關(guān)鍵。離子必須在盡 可能靠近桿系統(tǒng)中心的區(qū)域進(jìn)入四級(jí)桿，并理想地平行于桿 軸移動(dòng)。

場(chǎng)直徑（桿之間的距離）越大，四級(jí)桿越長（桿長度），則 越容易滿足這些條件。此外，幾何精度（制造公差）更容易 實(shí)現(xiàn)更大的桿尺寸。

第 6.1.4.1 中描述了普發(fā)真空離子源轉(zhuǎn)化為高透明性，從而實(shí) 現(xiàn)高靈敏度。

在實(shí)際操作中，其比率 U/V

激活作為質(zhì)量數(shù)的原因，激活方式是實(shí)際分辨率 M/ΔM 不保持恒定，而是線寬 ΔM 保持恒 定。這意味著，分辨率與質(zhì)量數(shù)成正比增加。由于公式 6-9 (V 與 M

成正比），四級(jí)桿（與扇形場(chǎng)質(zhì)譜儀相反）產(chǎn)生線 性質(zhì)量比例。

QMS 的重要性之一在于其所需的 RF 功率。如果 C

用于指 定系統(tǒng)的整體電容，且 Q

用于指定電源電路的質(zhì)量因數(shù)，則 所需的 RF 功率會(huì)增加

具有高功率 f

和 r0。場(chǎng)半徑 r0 的放大將將減少所發(fā)生的相對(duì)機(jī)械公差，從而產(chǎn)生改善的行為。實(shí)質(zhì)上，選擇的 f0 和 r0

a盡 可能的大是有利的。然而，根據(jù)Fomula 6-11，由于 RF 功率 相應(yīng)增加，這是有限制的。雖然延長桿系統(tǒng)允許較低的操作 頻率，生產(chǎn)單位的尺寸應(yīng)該不超過一定的實(shí)際尺寸。

所需質(zhì)量范圍和所需分辨率是由過濾器尺寸和所選操作頻率 來約束的。具有 6、8 和 16 mm 桿直徑的設(shè)備和適當(dāng)匹配的 電子可用于滿足大多數(shù)要求。

以下是有關(guān)分辨率和機(jī)械精度之間的關(guān)系的一部分簡要介 紹。讓我們考慮在穩(wěn)定性圖表頂點(diǎn)工作的四級(jí)桿質(zhì)量過濾 器；即具有高分辨率。以下方程公式 6-8：

U

= 1.2122 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

適用于直流振幅，公式 6-9

V

= 7.2226 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

適用于直流振幅。在這里， M

表示離子質(zhì)量， r0 表示場(chǎng)半 徑， f 表示過濾器工作的頻率。我們理想化地假設(shè)電壓 U 和 V 以及頻率 f

可以設(shè)置并保持“如描述的那樣精確”。

從這得出的結(jié)果是： M=ck⋅1r20

(ck

是常數(shù)）及以下區(qū)別、除以 M和測(cè)定值、r0

導(dǎo)致的過 濾器散射是：

讓我們假設(shè)場(chǎng)半徑 r0

在質(zhì)量過濾器長度上改變 dr0 = 0.03 mm 。現(xiàn)在讓我們考慮這種改變對(duì)不同尺寸兩種質(zhì)量過 濾器散射的影響。為獲得最佳傳輸，質(zhì)譜儀上設(shè)置的分辨率 （我們選擇： ΔM/M= 1/100）必須大于 r0波動(dòng)產(chǎn)生的散 射。對(duì)于場(chǎng)半徑為 3 mm 的過濾器，這導(dǎo)致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.02，即：由于不完善的幾何形狀妨 礙所需分辨率導(dǎo)致的散射。對(duì)于較大場(chǎng)半徑為 12 mm 的過濾 器，這導(dǎo)致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.005，幾何形 狀沒有妨礙所需的分辨率。換言之：如果兩個(gè)過濾器均已將 分辨率設(shè)置為 ΔM/M

 = 0.01，則在第一種情況中，大多數(shù)離 子將不能夠穿過過濾器。在第二種四級(jí)桿過濾器較大的情況 下，所有離子都能夠穿過過濾器。

雖然這種簡化的誤差計(jì)算絕不會(huì)考慮對(duì)傳輸造成的所有影 響，但是它確實(shí)表明了幾種基本關(guān)系：

• 場(chǎng)半徑必須保持顯著高于過濾器整體長度的1 %，這取決 于所選的質(zhì)量范圍。場(chǎng)半徑的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳輸損耗。
• 所選桿系統(tǒng)的尺寸越大，絕對(duì)機(jī)械公差的影響將越低。
• 在質(zhì)量范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)鄰近的質(zhì)量進(jìn)行區(qū)分，質(zhì)量越高，對(duì)于 質(zhì)量過濾器相對(duì)精度的要求就會(huì)越嚴(yán)格。

總結(jié)

四級(jí)桿質(zhì)量過濾器是用于正負(fù)離子的動(dòng)態(tài)質(zhì)量過濾器。質(zhì)量 比例與所施加的 RF 電壓振幅呈線性關(guān)系。質(zhì)量分辨率可以 借助直流電壓 U

和高頻電壓振幅 V 之比方便地進(jìn)行電設(shè)置。 由于其尺寸小、重量輕，四級(jí)桿質(zhì)譜儀既適合于作為純粹的 殘余氣體分析儀，在較高質(zhì)量設(shè)計(jì)中，也適合作為氣體分析 的傳感器。