Параметры масс-спектрометров зависят главным образом от таких факторов, как эффективность ионизации и экстрагирования ионов, степень разделения ионного пучка по массам и эффективность улавливания и регистрации ионов. Особое значение имеют такие рабочие параметры масс-спектрометров, как диапазон анализируемых масс, диапазон рабочих давлений, разрешающая способность, чувствительность, порог чувствительности и относительная чувствительность; они обычно указываются изготовителями приборов.

Диапазоны анализируемых масс и рабочих давлений достаточно очевидны и обычно приводятся в виде абсолютных величин безотносительно к разрешающей способности или чувствительности. Разрешающая способность представляет собой способность разделять ионы с молекулярными массами, мало разнящимися между собой, и определяется как отношение массового числа M = m/e к наименьшему разрешаемому изменению массового числа ΔM =Δm/e, т. е. равна M/ΔM. Таким образом, на разрешающую способность могут влиять массовое число и, до некоторой степени, относительные высоты пиков ионов масс-спектра. На практике определение разрешающей способности упрощается, если принять ΔM=1 а. е. м. (атомная единица массы). В этом случае говорят о разрешении пиков с целочисленными массами (например, пиков, соответствующих массам M и М+).

Понятие разрешения двух соседних пиков не имеет универсального определения, и, как правило, используются два следующих подхода. Рассматриваются два перекрывающихся пика массой M и M +1 одинаковой высоты и измеряется высота «седловины» между ними относительно высоты пика (в %, рис. 5.2,а). Если требуется высокая точность измерений, особенно в случае пиков разной высоты, то для разрешения считается достаточной 1—2%-ная седловина, а при качественном анализе допустима и 50%-ная седловина.

Рис. 5.2 Два метода определения разрешающей способности. Пояснения в тексте.

 Наиболее часто в качестве условия разрешения принимается 10%-ная седловина между двумя перекрывающимися пиками. Таким образом, разрешающая способность масс-спектрометрического анализатора остаточного газа определяется как способноть разделения двух соседних пиков с целочисленными массами при 10%-ной седловине в диапазоне масс 2—200 а. е. м. Поскольку для разрешения наибольших масс требуется самое высокое разрешение, в этом случае говорят, что разрешение прибора составляет (при 10%-ной седловине) 200 ед.

Другой подход к определению разрешающей способности связан с измерением (в %) вклада пика, соответствующего массе М, в соседние массы M—1 и М +1 (см. рис. 5.2,б). Разрешающая способность масс-спектрометра по обоим определениям может быть оценена путем анализа формы пика единичного иона массы M и измерения ширины пика на некоторой ее высоте.

Чувствительность масс-спектрометра обычно определяется как отношение ионного тока, создаваемого ионами данной массы газа, к парциальному давлению этого газа в ионном источнике. Это определение отличается от определения чувствительности, принятого для ионизационных вакуумметров, поскольку чувствительность масс-спектрометра зависит от ионизирующего электронного тока.

Однако для большинства спектрометров рабочие режимы источников электронов оптимизированы и выбраны таким образом, чтобы приведенное определение чувствительности было достаточно справедливым. Следует отметить, что чувствительность масс-спектрометра в различных диапазонах спектра неодинакова ввиду разной эффективности ионизации и других факторов. Поэтому чувствительность соотносят с определенным газом (как правило, азотом). Чувствительность большинства спектрометров ниже, чем ионизационных вакуумметров. Это объясняется малыми размерами источника электронов, необходимого для создания практически моноэнергетического пучка ионов.

Однако благодаря хорошей экранировке коллектора в масс-спектрометрах отсутствует фоновый ток, вызываемый рентгеновским излучением, поэтому, используя электронный умножитель, можно повысить чувствительность прибора.Минимальный регистрируемый ток определяет минимальное парциальное давление газа р_мин, которое может быть измерено прибором (порог чувствительности). В этом случае относительная чувствительность определяется как отношение р_мин парциального давления данного газа к общему давлению смеси остаточных газов.

После этой по необходимости краткой характеристики основных параметров масс-спектрометров остановимся на требованиях к анализу остаточных газов в условиях сверхвысокого вакуума. Как и в случае ионизационного вакуумметра, сорбция и десорбция у спектрометра должны быть минимальными, поэтому он должен допускать прогрев, по крайней мере, до 200 ⁰C без изменения характеристик. Если перед прогревом электронные и магнитные блоки необходимо демонтировать, то такая операция не должна вызывать необходимости повторной градуировки спектрометра.

Кроме того, детали масс-спектрометров должны иметь небольшую поверхность и минимальную скорость газовыделения. Таким образом, материалы деталей масс-спектрометра должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в условиях сверхвысокого вакуума. Корпус масс-спектрометра должен изготовляться из материала с незначительной газовой проницаемостью. Для уменьшения до минимума откачивающего эффекта, а также для предотвращения нагревания прибора в процессе работы следует использовать малые токи эмиссии.

Весьма часто масс-спектрометр используется для исследования переходных процессов, например для анализа газа в процессе откачки. Поэтому спектрометр должен обеспечивать достаточно высокую скорость сканирования масс-спектра. Однако используемые методы сканирования и измерения ионного тока, а также проводимость вакуумного тракта не позволяют обеспечить высокую скорость сканирования.

Кроме того, источник ионов должен иметь минимальные размеры, а газовая проводимость основных конструктивных элементов масс-спектрометра должна быть достаточной. Поскольку необходимо измерять давление в условиях сверхвысокого вакуума, необходима также высокая чувствительность прибора. С другой стороны, обычно масс-спектры регистрируют в диапазоне масс, не превышающем 14-50 а. е. м., при 10%-ном разрешении, а в тех случаях, когда необходим масс-спектр газов с М>50 а. е. м., достаточно 50%-ного разрешения. Спектрометр должен быть достаточно простым в эксплуатации и не требовать сложны х электронных схем управления. Желательно, чтобы масс-спектро-метрические датчики были взаимозаменяемыми, что позволяло бы использовать с одним контрольно-измерительным блоком несколько датчиков. В заключение следует отметить, что стоимость масс-спектрометров должна быть доступной, позволяющей широко применять их в системах сверхвысокого вакуума в качестве устройств, дополняющих вакуумметры полного давления.

Применение масс-спектрометров для целей химического анализа и разделения изотопов началось с работ Томсона и Астона. Однако вплоть до 1950-х гг. масс-спектрометры не использовались для исследования остаточного газа в вакуумных системах. В то время промышленностью/выпускались довольно громоздкие масс-спектрометры магнитного типа, требующие непрерывной откачки и рабочего давления порядка 10^-5 Па. Они, конечно, не отвечали приведенным выше требованиям. В связи с обширными исследованиями/глубокого вакуума, проводившимися в 1950-х гг., возникла задача изучения состава газа, которая дала толчок миниатюризации традиционных масс-спектрометров, обеспечивающих необходимые чувствительность, рабочее давление и скорость сканирования за счет, естественно, ухудшения разрешающей способности.

В результате многочисленных разработок создан ряд масс-спектрометров магнитного типа, как дешевых, рассчитанных на определение состава остаточного газа, так и более высококлассных с высоким разрешением, предназначенных для количестве нного анализа. Параллельно проводились исследования альтернативных методов разделения масс; претворение в жизнь некоторых из них стало возможным благодаря прогрессу электроники. Например, времяпролетные масс-спектрометры приобрели популярность после того, как были разработаны электронные методы контроля времени. Кроме того, в результате проведенных исследований были также разработаны несколько анализаторов нового типа, эксплуатируемых в настоящее время.