用于過程監(jiān)測和優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)的分析設(shè)備

普發(fā)真空為真空處理過程中的氣體測定提供了各種不同的分析儀。從質(zhì)譜儀到復(fù)雜的分析系統(tǒng)，在我們這里您將會找到從超高真空范圍一直到大氣壓力的氣體分析解決方案。四極桿質(zhì)譜儀 PrismaPlus是氣體分析最基礎(chǔ)的設(shè)備。PrismaPlus 是一個(gè)普遍適用的質(zhì)譜儀，其磁場軸技術(shù)保證了高靈敏度。它還具有高效率以及測量速度快的特點(diǎn)。并且 PrismaPlus 不僅僅顯示各自的分壓，同樣也可以檢測總壓力。它的界面接口使這款質(zhì)譜儀可以很容易地與氣體色譜儀連接。緊湊的設(shè)計(jì)，模塊化結(jié)構(gòu)和用戶友好軟件 Quadera® 使其成為泄漏檢測、半導(dǎo)體制造、玻璃鍍膜、冶金化工的理想設(shè)備。另外，在研發(fā)領(lǐng)域也有無數(shù)的應(yīng)用。普發(fā)真空為其客戶在所有這些領(lǐng)域中提供量身定制的解決方案。當(dāng)然，普發(fā)真空還提供所需的質(zhì)譜儀配件，例如各種離子源陰極。

什么是質(zhì)譜儀

質(zhì)譜測量是一種可以用來測量原子和分子質(zhì)量的方法。通過這種方式測量化學(xué)混合物成分的分壓來分析化合物。待分析的物質(zhì)首先被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的聚合狀態(tài)并且發(fā)生電離。電場使離子加速，使得它們在其各自的質(zhì)荷比基礎(chǔ)上被分類和分離。然后測定氣體各種成分的分壓。每個(gè)質(zhì)譜儀包括一個(gè)離子源、一個(gè)質(zhì)量過濾器和一個(gè)檢測器。根據(jù)所采用的質(zhì)量過濾器來區(qū)分不同類型的質(zhì)譜儀 。由于其廣泛的應(yīng)用選項(xiàng)，四極桿質(zhì)譜儀具有可靠的測量表現(xiàn)。這些分析設(shè)備也經(jīng)常用于真空技術(shù)。

質(zhì)譜儀及其應(yīng)用

四極桿質(zhì)譜儀具有平行排列的四根電極桿，構(gòu)成了四極場。它們的交點(diǎn)與平面垂直于圓柱體軸線，形成一個(gè)場（因此命名為四極）。靜態(tài)電場使離子加速以后，離子飛過四極場。桿之間的四極場每次只會允許給定質(zhì)量的一個(gè)粒子通過，。四極桿質(zhì)譜儀提供高分辨率版本以簡易版兩種型號供用戶用作殘余氣體分析。由于其頻率范圍寬，這類質(zhì)譜儀可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括從藥理學(xué)到環(huán)境分析領(lǐng)域。
 

四級桿質(zhì)量過濾器

四極桿質(zhì)譜儀的過濾系統(tǒng)包括四個(gè)平行排列成正方形的 桿。圖 6.5 中指定了 (+) 或 (-) 的每對相反桿彼此連接在 一起。在兩對桿之間，施加由直流部分 U

和振幅為 V、頻率為 f=ω/2π

的交流部分組成的電壓：

在這一點(diǎn)上，將只提供工作原理的簡單現(xiàn)象描述。如需更詳 細(xì)的描述，請參考專題文獻(xiàn) [29, 30, 31]。

理想的四級場需要具有雙曲剖面的桿。然而，在實(shí)際應(yīng)用 中，使用圓柱形桿，桿半徑等于場半徑 r0

的 1.144 倍（場半 徑的定義參考圖 6.5）。四極電場在桿之間形成。不同質(zhì)量的 離子以大約相等的能量被軸向注入桿系統(tǒng)，并以勻速移動通 過桿系統(tǒng)。所施加的四級場在 X 和 Y 軸方向偏轉(zhuǎn)離子，導(dǎo)致 離子通過質(zhì)量過濾器圍繞 Z 軸勾勒出螺旋軌跡。如果軌跡振蕩的振幅小于場半徑 r0

，則離子到達(dá)探測器； 如果振幅超過 該值，則離子將在桿或周圍表面上放電，并不會通過過濾器。

要解答運(yùn)動方程，引入兩個(gè)無因次變量 a

和 q、其結(jié)合了四級桿參數(shù)（直流電壓 U、交流振幅V、場半徑 r0、角頻率ω=2πf）和離子參數(shù)（電荷 Q=z⋅e、 質(zhì)量 m=M⋅mu

)。

and

憑借這種簡化，獲得馬修微分方程；其算法在數(shù)學(xué)中是眾所 周知的，它們可用于計(jì)算具有振蕩幅度 rmax<r0

的穩(wěn)定軌跡 的范圍，該范圍用于穩(wěn)定參數(shù) a 和 q 的配對，該參數(shù)位于 圖 6.6 中兩條限制曲線形成的三角形之下。在該范圍之 外的所有解答導(dǎo)致振蕩幅度增加，從而導(dǎo)致四級桿過濾器桿 上的離子中和。用這兩個(gè)方程相除得出： a/q=2U/V

. 這是 質(zhì)量過濾器所謂負(fù)載線的斜率。

在界限處，負(fù)載線與峰值相交，峰值： ap

= 0.237 和 qp

= 0.706。

四級桿過濾器顯然僅適用于電壓比 UV=ap2⋅qp

< 0.1678

即：負(fù)載線與穩(wěn)定性范圍相交。參數(shù) a

和 q

在三角形之內(nèi)、 在負(fù)載線之上的所有離子將到達(dá)探測器。

引入比率 mu/e

，其是原子質(zhì)量單位 mu = 1.6605 · 10-27 kg 和基本電荷 e = 1.6022 · 10-19 A · s ein (mu/e =1.0365 · 10-8 kg A-1 s-1) a之比，并用該比率乘以相應(yīng)離子的無因次質(zhì)量數(shù) M 求 出穩(wěn)定性三角形（具有常數(shù) ku = 1.2122 · 10-8 kg A-1 s-1 和 kv = 7.2226 · 10-8 kg A-1 s-1）頂點(diǎn)的電壓 Up 和 Vp

滿足以下條件：

穩(wěn)定性條件顯示，在固定頻率下，四級桿過濾器處的電壓與 質(zhì)量成正比，而且使用不同的電壓振幅獲得線性質(zhì)量比例。

切斷直流電壓， U

= 0，則所有離子軌跡，其中 q

< 0.905，將是穩(wěn)定的；根據(jù) 公式 6-3，這些將是全部質(zhì)量，其中

其中 kH

= 1.0801 · 107 A s kg-1是一個(gè)常數(shù)。因此，過濾器 在該操作模式中充當(dāng)高通濾網(wǎng)。由于 RF 振幅 V

增加，不斷 加重類型的離子變得不穩(wěn)定，從輕質(zhì)量開始，從而被分離開 來。該操作模式產(chǎn)生積分譜，并允許進(jìn)行總壓測量。

離子注入條件是通過過濾器傳輸離子的關(guān)鍵。離子必須在盡 可能靠近桿系統(tǒng)中心的區(qū)域進(jìn)入四級桿，并理想地平行于桿 軸移動。

場直徑（桿之間的距離）越大，四級桿越長（桿長度），則 越容易滿足這些條件。此外，幾何精度（制造公差）更容易 實(shí)現(xiàn)更大的桿尺寸。

第 6.1.4.1 中描述了普發(fā)真空離子源轉(zhuǎn)化為高透明性，從而實(shí) 現(xiàn)高靈敏度。

在實(shí)際操作中，其比率 U/V

激活作為質(zhì)量數(shù)的原因，激活方式是實(shí)際分辨率 M/ΔM 不保持恒定，而是線寬 ΔM 保持恒 定。這意味著，分辨率與質(zhì)量數(shù)成正比增加。由于公式 6-9 (V 與 M

成正比），四級桿（與扇形場質(zhì)譜儀相反）產(chǎn)生線 性質(zhì)量比例。

QMS 的重要性之一在于其所需的 RF 功率。如果 C

用于指 定系統(tǒng)的整體電容，且 Q

用于指定電源電路的質(zhì)量因數(shù)，則 所需的 RF 功率會增加

具有高功率 f

和 r0。場半徑 r0 的放大將將減少所發(fā)生的相對機(jī)械公差，從而產(chǎn)生改善的行為。實(shí)質(zhì)上，選擇的 f0 和 r0

a盡 可能的大是有利的。然而，根據(jù)Fomula 6-11，由于 RF 功率 相應(yīng)增加，這是有限制的。雖然延長桿系統(tǒng)允許較低的操作 頻率，生產(chǎn)單位的尺寸應(yīng)該不超過一定的實(shí)際尺寸。

所需質(zhì)量范圍和所需分辨率是由過濾器尺寸和所選操作頻率 來約束的。具有 6、8 和 16 mm 桿直徑的設(shè)備和適當(dāng)匹配的 電子可用于滿足大多數(shù)要求。

以下是有關(guān)分辨率和機(jī)械精度之間的關(guān)系的一部分簡要介 紹。讓我們考慮在穩(wěn)定性圖表頂點(diǎn)工作的四級桿質(zhì)量過濾 器；即具有高分辨率。以下方程公式 6-8：

U

= 1.2122 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

適用于直流振幅，公式 6-9

V

= 7.2226 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

適用于直流振幅。在這里， M

表示離子質(zhì)量， r0 表示場半 徑， f 表示過濾器工作的頻率。我們理想化地假設(shè)電壓 U 和 V 以及頻率 f

可以設(shè)置并保持“如描述的那樣精確”。

從這得出的結(jié)果是： M=ck⋅1r20

(ck

是常數(shù)）及以下區(qū)別、除以 M和測定值、r0

導(dǎo)致的過 濾器散射是：

讓我們假設(shè)場半徑 r0

在質(zhì)量過濾器長度上改變 dr0 = 0.03 mm ?，F(xiàn)在讓我們考慮這種改變對不同尺寸兩種質(zhì)量過 濾器散射的影響。為獲得最佳傳輸，質(zhì)譜儀上設(shè)置的分辨率 （我們選擇： ΔM/M= 1/100）必須大于 r0波動產(chǎn)生的散 射。對于場半徑為 3 mm 的過濾器，這導(dǎo)致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.02，即：由于不完善的幾何形狀妨 礙所需分辨率導(dǎo)致的散射。對于較大場半徑為 12 mm 的過濾 器，這導(dǎo)致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.005，幾何形 狀沒有妨礙所需的分辨率。換言之：如果兩個(gè)過濾器均已將 分辨率設(shè)置為 ΔM/M

 = 0.01，則在第一種情況中，大多數(shù)離 子將不能夠穿過過濾器。在第二種四級桿過濾器較大的情況 下，所有離子都能夠穿過過濾器。

雖然這種簡化的誤差計(jì)算絕不會考慮對傳輸造成的所有影 響，但是它確實(shí)表明了幾種基本關(guān)系：

• 場半徑必須保持顯著高于過濾器整體長度的1 %，這取決 于所選的質(zhì)量范圍。場半徑的波動會導(dǎo)致傳輸損耗。
• 所選桿系統(tǒng)的尺寸越大，絕對機(jī)械公差的影響將越低。
• 在質(zhì)量范圍內(nèi)應(yīng)對鄰近的質(zhì)量進(jìn)行區(qū)分，質(zhì)量越高，對于 質(zhì)量過濾器相對精度的要求就會越嚴(yán)格。

總結(jié)

四級桿質(zhì)量過濾器是用于正負(fù)離子的動態(tài)質(zhì)量過濾器。質(zhì)量 比例與所施加的 RF 電壓振幅呈線性關(guān)系。質(zhì)量分辨率可以 借助直流電壓 U

和高頻電壓振幅 V 之比方便地進(jìn)行電設(shè)置。 由于其尺寸小、重量輕，四級桿質(zhì)譜儀既適合于作為純粹的 殘余氣體分析儀，在較高質(zhì)量設(shè)計(jì)中，也適合作為氣體分析 的傳感器。