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Residual Gas Analyzer介绍

       残余气体分析仪(RGA)是一种质谱仪,可帮助确定残留在不完全真空室中的物质的组成。一个典型的现代残余气体分析仪用灯丝中的电子电离真空室中的一些气体。然后,离子被导入一个四极质量过滤器,该过滤器使用电场只通过特定质量的离子。最后,离子的流动电荷被检测为电流。通过改变质量滤波器中的电场并记录到检测器的合成电流,得到了一个质谱。由离子发生器、四极质量过滤器、探测器和电真空馈通组成的传感器探头安装在真空室中。电子封装与电源线的大气侧和计算机相连。例如,一个RGA安装在真空室上,并在2.2x10 -8 Torr产生以下频谱。

图1,典型的高真空残留气体

       水蒸汽通常是未烘烤的高真空室内的极限残留。大多数H2O分子由一个普通的氧同位素16O原子(8个中子和8个质子)与2个氢原子(每个氢原子1个质子)组成,因此其质量为18 amu(或18 Da)。当离子在RGA离子发生器中与母体H2O+一起生成时,部分分子碎片形成HO+、H+、O+等,并分别添加到各自的amu峰上。参考图1中的注释,1amu处的峰值来自H2O和H2。这些波峰可以定性地反馈真空腔室的成分,并且会说明,而且定量分析也很重要。

       残余气体分析仪和质谱仪不能测量分压。他们在探测器上测量每个原子质量数的离子流。RGA利用电子轰击来电离离子源电离室中的分子。每个分子都有其独特的电离概率(电离截面)。RGA对每种气体都有不同的灵敏度。例如,RGA在检测器上测量质量为28的电流,它可能是氮,一氧化碳或其他分子,质谱仪不能知道这一点。在不知道气体种类的情况下将离子电流转换为分压是不正确的,但由于大多数气体的灵敏度都在氮气的2倍以内,所以习惯上对所有质量数使用氮气校准,并以这种方式报告分压和总压,以获得近似的分压。

       了解如何使用残余气体分析仪最重要的概念是气体离子/分子的平均自由程。RGA用在真空室中,其中压力足够低,使得离子在被过滤和检测之前不太可能与其它气体分子碰撞。压力低于1 x 10 - 6托,当平均自由路径变得越来越小,一些离子在到达探测器之前,将与气体分子碰撞,导致峰值高度降低。一些化学反应也可能发生,使分析更加复杂。

       上图给出了离子-分子碰撞的近似平均自由路径。分子和离子的大小、速度、电荷等都会引起变化。看起来探测器的尺寸大约是12cm。但是四极使用高频振荡场对离子进行排序,从而将离子通过四极到达探测器的路径长度增加了许多倍。

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