四極質(zhì)譜計(jì)在高壓力下的測量實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過實(shí)驗(yàn)檢測，在高壓力下，四極質(zhì)譜計(jì)靈敏度偏離線性的主要原因除了離子與氣體分子和離子碰撞導(dǎo)致離子損失外，離子間電荷的作用力使離子發(fā)生散射也是一個重要的原因。數(shù)據(jù)表明，在高壓力下，通過式S=S0·еbp 計(jì)算所得壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值的一致性比較好，而通過離子流與線性靈敏度S0比值得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值存在很大差異，在10－1Pa，兩值之差達(dá)幾個數(shù)量級。
實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)設(shè)備是動態(tài)流量法分壓力質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置。該裝置由抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)室和進(jìn)樣系統(tǒng)四部分組成。裝置的工作原理如圖1所示，進(jìn)樣系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)有相同的三路，圖中只畫出了其中的一路。
1、26．機(jī)械泵；2、23、24．電磁隔斷閥；3．放氣閥；4、6．分子泵；5．中真空規(guī)；7．濺射離子泵；8．超高真空插板閥；9、13．超高真空冷規(guī)；10．抽氣室；11、16．超高真空角閥；12、17．限流小孔；14．校準(zhǔn)室；15、19．磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)；18．上游室；20．微調(diào)閥；21．穩(wěn)壓室；22．皮喇尼規(guī)；25．減壓閥；27．高壓氣瓶。
圖1 動態(tài)流量法分壓力質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置工作原理圖
校準(zhǔn)室采用Φ350的球形容器；磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)⒂和被校質(zhì)譜計(jì)接在校準(zhǔn)室的同一赤道平面上；限流小孔⑿的直徑為18 mm，以保證校準(zhǔn)室小孔的流導(dǎo)為分子流導(dǎo)。抽氣系統(tǒng)由2臺分子泵串連，并將抽速為4 L/s的直聯(lián)泵作為前級泵，這樣可以提高校準(zhǔn)室的極限真空度，烘烤后，校準(zhǔn)室的極限壓力可達(dá)10－7Pa量級。進(jìn)樣系統(tǒng)限流小孔⒄的直徑為1 mm，可將上游室的壓力在10-1～10-4Pa范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
校準(zhǔn)室中的壓力通過調(diào)節(jié)針閥改變，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)室壓力穩(wěn)定后獲得。實(shí)驗(yàn)裝置通過動態(tài)直接測量法和衰減壓力的分子流動態(tài)進(jìn)樣法對質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。
⑴動態(tài)直接測量法。校準(zhǔn)室中的壓力在10-1～10-4Pa范圍內(nèi)，用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)⒂的讀數(shù)作為參考壓力。該方法對單一氣體的測量不確定度為1.6％。⑵ 衰減壓力的分子流動態(tài)進(jìn)樣法。如果校準(zhǔn)室的壓力在10-6～10-4Pa范圍內(nèi)，用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)⒆的讀數(shù)與小孔17、12的流導(dǎo)比通過式⑾計(jì)算所得：
（11）
式中 P2為校準(zhǔn)室壓力；P1為磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)⒆所測壓力；R為小孔17和 小孔12的流導(dǎo)比，約為103左右，不確定度小于1％。衰減壓力的分子流動態(tài)進(jìn)樣法可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)室在10-6～10-4Pa范圍內(nèi)的校準(zhǔn)，該方法對單一氣體的測量不確定度為4.2％。
實(shí)驗(yàn)質(zhì)譜計(jì)是BALZERS公司生產(chǎn)的QMS422，該質(zhì)譜計(jì)的桿長為200 mm,燈絲為鎢絲，四極桿的直徑為8 mm，離子源為開式，離子收集方式為法拉第杯和電子倍增器2種方式。本實(shí)驗(yàn)用法拉第杯作為收集極，質(zhì)譜計(jì)離子源參數(shù)采用出廠默認(rèn)值[3]，所有數(shù)據(jù)是在峰寬△M＝1 u的條件下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到質(zhì)譜計(jì)燈絲保護(hù)為止。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
四極質(zhì)譜計(jì)在修正前測量分壓力的結(jié)果
在10-6～10-1Pa壓力范圍內(nèi)，用N2、Ar單一氣體作為實(shí)驗(yàn)氣體，校準(zhǔn)四極質(zhì)譜計(jì)在不同壓力下的靈敏度值。將10－4Pa壓力下靈敏度的平均值作為線性靈敏度S0的值，本實(shí)驗(yàn)中氮?dú)夂蜌鍤獾木�性靈敏度值分別為5.1×10-7A/Pa和7.7×10-7A/Pa。四極質(zhì)譜計(jì)在不同壓力下的靈敏度如圖2所示，從圖中可以看出靈敏度在低壓力下為一常數(shù)，當(dāng)壓力高于10－3Pa時(shí)，靈敏度隨壓力的增大急劇減小。因此，通過離子流與線性靈敏度S0的比值獲得的壓力不能反映校準(zhǔn)室的真實(shí)壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。用如下式表示測量結(jié)果之間的偏差
（12）
通過式⑿可以看出，D值越小，表明四極質(zhì)譜計(jì)所測壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值間的偏差越小。從表1可知，當(dāng)壓力高于10－3Pa時(shí)，用四極質(zhì)譜計(jì)離子流與線性靈敏度S0的比值得到的壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力相差非常大，當(dāng)壓力在10－1Pa時(shí)，質(zhì)譜計(jì)所測壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力存在幾個數(shù)量級的偏差。下面用理論分析得出的關(guān)系式重新進(jìn)行計(jì)算和比較。
表1 修正前的四極質(zhì)譜計(jì)所測壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較
|
氮?dú)鈮毫Ρ容^ |
氬氣壓力比較 |
||||
|
標(biāo)準(zhǔn)壓力/Pa |
質(zhì)譜計(jì)所測壓力/Pa |
D值 |
標(biāo)準(zhǔn)壓力/Pa |
質(zhì)譜計(jì)所測壓力/Pa |
D值 |
|
2.73E-06 |
2.31E-06 |
1.8E-01 |
3.49E-06 |
3.28E-06 |
6.0E-02 |
|
6.06E-06 |
6.60E-06 |
8.0E-02 |
7.24E-06 |
7.09E-06 |
2.0E-02 |
|
2.58E-05 |
2.92E-05 |
1.2E-01 |
2.04E-05 |
2.02E-05 |
1.0E-02 |
|
5.36E-05 |
5.65E-05 |
5.0E-02 |
4.16E-05 |
4.13E-05 |
1.0E-02 |
|
8.51E-05 |
8.58E-05 |
1.0E-02 |
6.58E-05 |
6.76E-05 |
3.0E-02 |
|
2.78E-04 |
2.65E-04 |
2.0E-02 |
2.62E-04 |
2.65E-04 |
1.0E-02 |
|
5.43E-04 |
5.36E-04 |
1.0E-02 |
5.45E-04 |
5.32E-04 |
2.4E-02 |
|
8.52E-04 |
8.28E-04 |
3.0E-02 |
7.02E-04 |
6.96E-04 |
1.0E-02 |
|
2.86E-03 |
2.71E-03 |
6.0E-02 |
2.70E-03 |
1.31E-03 |
1.1E+00 |
|
9.42E-03 |
6.63E-03 |
4.2E-01 |
4.80E-03 |
1.30E-03 |
2.7E+00 |
|
1.32E-02 |
7.80E-03 |
6.9E-01 |
6.83E-03 |
1.33E-03 |
4.1E+00 |
|
2.49E-02 |
7.99E-03 |
2.1E+00 |
1.06E-02 |
1.30E-03 |
7.2E+00 |
|
4.48E-02 |
5.26E-03 |
7.5E+00 |
1.81E-02 |
1.31E-03 |
1.3E+01 |
|
5.93E-02 |
3.51E-03 |
1.6E+01 |
5.06E-02 |
1.30E-03 |
3.8E+01 |
|
1.33E-01 |
5.75E-04 |
2.3E+02 |
4.65E-01 |
1.17E-06 |
4.0E+05 |
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