真空質譜計及其應用與發展

（作者：錢永生）

（一）

質譜學是研究如何使中性樣品形成離子，并使這些具有不同質荷比的離子在特定的電磁場中運動，從而將它們分離的科學。它是一門應用性很強的技術科學。質譜儀器是建立在分子（原子）電離技術和離子光學理論基礎上的。處在今天發展水平上的質譜儀器，不只是一種分析譜儀，而且已成為有力的研究手段。它被廣泛應用于真空科學、表面物理、反應動力學和固體研究，以及同位素分析、原子質量精測、化學分析、有機分析等領域。

    質譜學的建立可以追溯到本世紀初，早在1918年，Dempster首先描述了180°磁偏轉質譜儀，而*臺動態質譜計－射頻速度過濾器是Smythe于1926年提出的。其他的動態質譜計（如：射頻質譜計、回旋質譜計、飛行時間質譜計和四極質譜計等）都是四十年代末到五十年代出現的。早期，這些儀器并不是用作為真空分析器的，主要用于同位素豐度比測量、帶電粒子的質荷比測量等，但當時正值真空技術處于向超高真空發展的重要階段，因此，這些質譜計出現不久，就被作成的真空質譜計了。

真空技術中使用的質譜儀器通常稱為真空質譜計，它主要用作氣體分析和分壓強測量。同一般質譜計相比，有很多共同之處，也有一些特殊要求。

質譜計都是由離子源、質量分析器和離子檢測器三部分組成的。

1.   離子源：其功能是利用低能電子轟擊被分析氣體的分子或原子使之電離成正離子，由離子光學系統將所產生的正離子加速和會聚成具有一定能量和幾何形狀的離子束，再引入分析器。離子源的形式有多種，但用得zui多的還是電子碰撞式離子源。離子源對質譜計性能有較大影響，其主要指標是離子產額和能量分散

2.   質量分析器：其功能是利用電、磁場的作用將注入的離子束分離成不同質荷比的組分。分析器的主要特性是傳輸率和分辨本領。分析器是質譜計的主體。按其工作原理的不同，可將質譜計分成四類：

（1）     磁偏轉質譜計：它是按離子在垂直于直流磁場的平面中運動時，不同質荷比的離子有不同的偏轉半徑的原理來進行質量分離的。屬于此類儀器的有單聚焦的180°、90°、60°磁偏轉質譜計和擺線質譜計。

           （2）飛行時間質譜計：在這種儀器中，給定能量（或動量）的不同質荷比的離子按其通過漂移管的時間的不同而進行質量分離。

（3）能量平衡質譜計：這類儀器是根據離子在振蕩電場中運動時按其動能變化的不同而進行質量分離的。屬于這類儀器的有射頻質譜計和回旋質譜計。

（4）穩定性質譜計：是根據不同質荷比的離子在分析場內作振蕩運動時，按其相位或軌跡的穩定與否而進行質量分離的儀器。屬于這類儀器的有線振質譜計、四極質譜計、單極質譜計和三維四極離子阱。

      3.離子檢測器：通常用直接電測法（法拉第筒）或二次效應電測法（二次電子倍增器）檢測已按質荷比分類的離子流并用電學方法記錄下來。當用改變分析場參數的方法進行“質量掃描”時，就可以得到與被分析氣體成分相對應的質譜圖。

對真空質譜計的基本要求是：（1）探頭具有小的容積和內表面，能烘烤除氣，對待測的真空狀態影響小。（2）質譜的峰強和圖形系數與待測氣體之間應有一定的定量關系。（3）質譜計要有合適的技術指標：質量范圍（通常大于50原子質量單位）大于待測氣體分子質量數；分辨本領足以區分各個離子譜峰；靈敏度盡可能高（能帶電子倍增器）；工作壓強范圍寬；zui小可檢分壓強盡量低；掃描速度要快。另外，還希望探頭輕便、易于安裝和使用，成本低。

    早期出現的多種不同形式的質譜計中，有些因缺點較多，已逐漸被淘汰。目前，發展zui快應用zui廣的質譜計是四極質譜計。這種質譜計的優點是不需要磁場，結構簡單，分辨本領和靈敏度較高，并且可通過改變電參數方便地調整，工作壓強范圍寬；質量標度線形，探頭可作成“裸規”形式，安裝使用方便，分析器對離子束的軸向能量分散和角度分散不很敏感。1953年Paul開創性的理論研究，使得四極質譜計研制成功。60年代四極質譜計商品化程度還很低，目前，已發展成為占所有質譜計的產量的90％以上。其它性能指標較好且獲得廣泛應用的小型真空質譜計還有磁偏轉質譜計（價格低、穩定可靠、易于定量分析）；回旋質譜計（特別適合于小型超高真空系統和密封器件的定量分析）；飛行時間質譜計（特別適合于快速變化過程的分析）。