Обычно с масс-спектрометром используют умножители: электростатический, с магнитной фокусировкой или канальные. Электростатические умножители различаются по форме и расположению динодов; основные три типа их конструкции представлены на рис. 5.27. Потенциал каждого динода с помощью» резистивного делителя напряжения устанавливается на 200— 300 В выше потенциала предыдущего динода. Поэтому, так как. выход умножителя по сути заземлен, на первом диноде должен быть потенциал около —3 кВ (т. е. к резистивному делителю приложено напряжение 3 кВ). Обычно диноды таких умножителей изготовляются из сплава Cu—Be, на поверхности которого после «активации»') образуется слой окиси бериллия. Коэффициент вторичной эмиссии такого сплава достигает ~3. Наряду с Cu—Be используется сплав серебра с магнием, имеющий несколько более высокое б.

В магнитном умножителе диноды расположены компланарно,, а электроны двигаются между ними по циклоидам в скрещивающихся электрическом и магнитном полях. За счет фокусирующего магнитного и повышенного электрического полей пролет

Рис. 5.28. Траектории электронов в канальном электронном умножителе.

электронов происходит за более короткое время, что делает этот тип умножителей наиболее эффективным для времяпролетных масс-спектрометров. Конструкцию магнитного умножителя усовершенствовали Гудрич и Уайли. Они заменили дискретный набор динодов распределенной динодной системой в виде двух стеклянных пластинок, покрытых проводящим слоем1'. Поскольку в такой системе ускоряющее электрическое поле создается падением напряжения вдоль пластинок, отпадает необходимость в использовании делителя напряжения.

Эта идея получила дальнейшее развитие в так называемых канальных умножителях. Распределенная динодная система этого устройства представляет собой небольшую трубку (отношение длины трубки к ее диаметру около 40) под напряжением 1—2 кВ, изготовленную из специального стекла с высоким удельным сопротивлением. Траектории движения вторичных электронов в трубке имеют вид, представленный на рис. 5.28. Используемое стекло должно обладать не только высоким удельным сопротивлением, но и высоким коэффициентом вторичной эмиссии (с внутренней поверхности).

Канальный электронный умножитель обычно имеет форму «улитки» для предотвращения образования вторичных ионов при столкновении вылетающих из анализатора ионов с молекулами остаточного газа внутри канала умножителя (так называемая ионная обратная связь). Для повышения эффективности собирания ионов умножители этого типа обычно снабжены входным раструбом. Типичный канальный электронный умножитель, используемый в масс-спектрометрии, показан на рис. 5.29, где также представлены два других типа электронных умножителей. Наряду с отсутствием делителя напряжения главным достоинством канального электронного умножителя является его компактность. Более подробно вопросы конструкции и работы канального умножителя рассмотрены в специальном выпуске журнала Acta Electronica. В идеальном случае электронным умножителем с коэффициентом умножения 106 можно было бы измерять парциальные давления ниже 10^-12Па. На практике, однако, это не так, и порог чувствительности определяется величиной флуктуационного ионного шума. При давлении 10^-12 Па и чувствительности 10000000 А*Па^-1 ток на входе может достигать 10^-18 А, т. е. около шести ионов в секунду.

Даже если постоянная времени измерительной схемы достаточно велика, флуктуации ионного тока создают значительный уровень шума. Канальный электронный умножитель может быть использован и для счета ионов, но схема счета довольно сложна и поэтому непригодна для использования в анализаторах остаточного газа. Кроме того, образование пространственного заряда и ограничение по току для последнего динода ограничивают полный ток, достигаемый в умножителе.

Вообще говоря, ток на выходе должен быть меньше половины тока, проходящего через цепочку резисторов делителя или через поверхностный слой распределенного динода. В связи с этими ограничениями удается повысить чувствительность регистрирующей системы, где в качестве детекторов используются вторично-электронные умножители, только в 1000 раз по сравнению с коллектором в виде цилиндра Фарадея. Тем не менее такое повышение чувствительности достаточно велико для того, чтобы измерять парциальные давления вплоть до 10^-12 Па.

Рис. 5.29. Вторично-электронные умножители.

а —с дискретным расположением динодов; б —канальный умножитель; в —с магнитной фокусировкой.

Снижение нх чувствительности будет приводить к улучшению разрешающей способности. Проведено исследование [49] характеристик небольшого 90°-ного магнитно-секторного масс-спектрометриче-ского анализатора остаточных газов, в котором регистрация лонных токов осуществлялась с помощью канального электрон-лого умножителя. В табл. 5.1 приведены данные по чувствительности и разрешающей способности в зависимости от величин потенциалов на умножителе и на сетке, установленной на входе умножителя и используемой для измерения входного ионного тока.

Однако вторично-электронные умножители, независимо от их типа, обладают общим существенным недостатком. Коэффициент умножения прибора существенно зависит от коэффициента вторичной эмиссии б материала динодов, на величину которого, в свою очередь, оказывают влияние различные поверхностные эффекты. Так, загрязнение поверхности динодов остаточными газами, в особенности при попадании в умножитель атмосферного воздуха и последующем обезгаживании нагревом и электронной бомбардировкой, вызывает длительное изменение коэффициента умножения, что, во-первых, требует регулярной переградуировки прибора и, во-вторых, приводит к уходу параметров в процессе его работы. Кроме того, вторичная ионно-электронная эмиссия на первом диноде зависит от массы ударяющегося иона, что является причиной дополнительного разделения ионов по массе. В масс-спектрометрах, в которых между ионным источником и коллектором существует «прямая видимость», умножитель должен быть смещен относительно оси для предотвращения попадания на него фотонов, излучаемых источником ионов.

Измерения проводились при —5- 10~е Па и токе эмиссии 100 мкА.) Величина, измеренная иа входе в электронный умножитель, более чем на порядок ниже чувствительности этого же спектрометра с цилиндром Фарадея.) При 10%-ной седловине.

В заключение обзора отметим, что наиболее простым и удобным для большинства случаев применения является коллектор в виде цилиндра Фарадея, обладающий хорошей воспроизводимостью, но относительно низкой чувствительностью (~ 10^-10 Па). Обычно такая система регистрации позволяет осуществлять развертку масс-спектра со скоростью около 1 а. е. м./с, что подразумевает использование ленточного самописца.

Электронные умножители позволяют измерять значительно более низкие давления при более высоком быстродействии. Так, при давлении 10^-10 Па достижима развертка спектра со скоростью 10^-3 а. е. м./с, и спектр можно записывать с помощью электроннолучевого осциллографа. Однако показания в этом случае недостаточно воспроизводимы, и в процессе измерения может наблюдаться дрейф нуля. Кроме того, электронные умножители значительно дороже простой коллекторной системы.