В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Измерители парциальных давлении
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура
Для некоторых экспериментов недостаточно знать общее давление в вакуумной системе, а требуются данные о составе газа, т е о том, какие именно молекулы образуют остаточное давление и каково их соотношение В принципе компонентный анализ газа можно про извести статическим масс-спектрометром, наподобие применяемого в гелиевом течеискателе. Однако проще и портативнее динамические масс спектрометры, в которых применяется ВЧ-поле, специально предназначенные для компонентного анализа остаточного газа и для измерения парциальных давлений.
 
Обычно результат измерений представляет собой спектрограмму, по юри зонтальной оси которой отложены массовые числа М в единицах 1/16 массы атома изотопа кислорода-16. Расположение пиков ионного тока у определенных значений М свидетельствует о присутствии этих молекул в остаточном газе, а относительная высота пиков служит мерой соответствующего парциального давления. Результаты идентифицируются с точностью до е/m.
 

Для описания измерителей парциальных давлений применяют следующие общие характеристики: 1) диапазон массовых чисел: обычно М = 1-f- (100-4-200); 2) чувствительность, или минимальное регистрируемое парциальное давление; 3) разрешающая способность М/АМ, где AM — минимальная разность масс, которую может зарегистрировать прибор; 4) рабочий диапазон давлений.

Наиболее часто применяется для измерения парциальных давлений омегатрон, использующий резонансное движение ионов по спирали и сходный по принципу (но не по масштабам) с циклотроном. В омегатроне (рис. 54) есть статическое магнитное поле В и перпендикулярное к нему электрическое ВЧ-поле Е, Тонкий электронный луч служит для ионизации газа. Решение уравнений движения дает расстояние от оси для иона с массой m:

(119)

Здесь — частота генератора, присоединенного к ВЧ-электродам;

—собственная (циклотронная) частота иона.

Отсюда видно, что если то траектория представляет собой сложную пульсирующую кривую. Для резонансных ионов с определенной массой при

(120)

В этом случае траектория есть раскручивающаяся спираль. Регулируя частоту генератора, можно настроить прибор на резонанс для любых ионов, присутствующих в вакуумной системе. Коллектор ионов расположен на периферии прибора, и на него попадают только резонансные ионы. Величина ионного тока определяет парциальное давление. На рис. 55 показана спектрограмма, полученная на омегатроне.

Важно обеспечить высокую разрешающую способность омегатрона. На коллектор с радиальным положением Го выходят только резонансные ионы с ωг = ωц . Если же ωг ≠ ωц , то ионы совершают колебания с радиусом-амплитудой rа = Е/ВΔω. Если же Δω окажется малым, то может быть  rа>r0, и на коллектор попадает часть нерезонансных ионов. Следовательно, существует малая критическая разность частот Δωкр =r0B/Е, такая, что ионы с Δω>Δωкр не попадают на коллектор, а ионы с Δω<Δωкр регистрируются омегатроном. Важно сделать AojKp поменьше. Поскольку ωц = еВ/m, получим

(121)

Отсюда разрешающая способность омегатрона:

(122)

Разрешающая способность возрастает с увеличением расстояния от оси до коллектора и с ростом магнитного поля. Омегатрон — это высоковакуумный прибор, он устойчиво работает только при давлении ниже 10-5 тор, так как при более высоком давлении рассеяние ионов на длинной спиральной траектории искажает показания.

Наша промышленность выпускает омегатрон РМО-4С с измерителем парциальных давлений ИПДО-1. В этом приборе имеется ВЧ-генератор с регулируемой частотой, усилитель для измерения ионного тока и система автоматической развертки частоты в диапазоне 30 кгц — 2,5 Мгц. В комплект прибора входит постоянный магнит с рамой и юстировочным устройством, а также самопишущий потенциометр ЭПП-09 для записи спектра масс. Диапазон масс этого омегатрона от 2 до 100, разрешающая способность 20, диапазон давлений от 10-5 до 10-10 тор.

 
 

Иногда омега-трон регистрирует ложные пики на массах М/2, например пары воды Н2O+ кроме пика 18 дают пик 9. Трудно разделить также Н2 и ложный пик Не. Для отделения ложных пиков используют и монотонную зависимость от амплитуды ВЧ-напряжения, в то время как истинные пики зависят от нее резонансно.

Разработан импульсный времяпролетный масс-спектрометр МСХ-ЗА (рис. 56) для анализа состава газов при быстропротекающих процессах с регистрацией спектра на кинопленку. Датчиком прибора служит хронотрон, в котором ионы вбрасываются в пространство дрейфа импульсным напряжением Uипм. Время движения ионов вдоль пространства L до индикатора, которым служит электронный умножитель, равно:

(123)

Это время зависит от массы иона. Диапазон давлений хронотрона от 10-5 до 10-9 тор, массовых чисел 1—250, разрешающая способность не менее 30. Прибор допускает работу в трех режимах: 1) непрерывная регистрация спектра масс с временным разрешением до 0,03 сек; 2) однократная регистрация с длительностью времени анализа 4—60 мксек; 3) строчная развертка при регистрации на одном кадре шести спектров, разделенных интервалами 33*10-5 сек.

Электрический фильтр масс ЭФМ-1 имеет высокий верхний предел по давлению (до 10-3 тор), линейную шкалу по массам и простой датчик, перспективный для работы в промышленных условиях. Датчик представляет собой квадрупольный конденсатор из четырех параллельных стержней.

продольном направлении ионы движутся равномерно, в поперечном — совершают колебания с нарастающей амплитудой. При заданной частоте ограниченной амплитудой обладают только ионы с определенной массой, и только резонансные ионы проходят на коллектор. Развертка спектра масс осуществляется одновременным изменением постоянной и ВЧ-составляющих напряжения. Фильтр масс ЭФМ-1 имеет диапазон массовых чисел 1—50 и 12—100, разрешающая способность прибора 50.

Существуют другие измерители парциальных давлений. Для быстрого качественного анализа состава остаточных газов предназначен фарвитрон. В этом приборе статическое электрическое поле имеет форму параболической потенциальной ямы, вдоль которой ионы колеблются с частотой, зависящей от их массы. Ионизирующий электронный луч модулирован некоторой частотой от внешнего источника. В приборе происходит накопление ионов, частота колебаний которых синхронна с частотой модуляции. Эти ионы индуцируют на сигнальном электроде переменное напряжение.

Фарвитрон обладает следующими преимуществами; датчик и измерительный блок имеют малые размеры, прибор быстродействующий и имеет широкий диапазон массовых чисел (до 250).

Применение частотно-избирательного анализа ионов по массам позволяет значительно усовершенствовать этот метод по чувствительности и разрешающей способности.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 236 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru