什么是真空质谱计?

什么是真空质谱计?

[拼音]：zhenkong zhipuji

[外文]：vacuum mass spectrometer

利用质谱学原理测量真空系统或真空器件中残余气体成分或分压强的仪器，又称分压强计。真空质谱计一般由离子源、质量分析器和离子检测器三个部分组成。被分析的样品在离子源中被电离成离子，离子经离子光学系统后以一定初始条件进入质量分析器，按质荷比进行分离，最后由离子检测器接收，并测量其强度，从而得到相应的质谱图或数据。

主要参数

真空质谱计的主要参数有质量范围、分辨能力、灵敏度、最小可检分压强、最高工作压强。

（1）质量范围：在满足一定分辨能力和灵敏度的要求下，所能分析的质量范围，用原子质量单位或质量数表示。

（2）分辨能力：表征质谱计可分辨两个相邻离子谱峰的能力。

（3）灵敏度：在一定发射电流下，仪器检测的气体离子流与其在离子源中分压强的比值。

（4）最小可检分压强：这一参数反映质谱计灵敏度和仪器检测离子流信号能力的综合性能。

（5）最高工作压强：质谱计允许工作的最高总压强。

真空质谱计的主要类型有：磁偏转质谱计、回旋质谱计、四极质谱计和飞行时间质谱计。

磁偏转质谱计

根据离子在垂直于直流磁场的平面运动时，不同质荷比的离子具有不同的偏转半径的原理实现质量分离。改变加速电压或磁场强度，便可依次检出各种不同的离子。常见的磁偏转质谱计有半圆形（偏转180°，图1）和扇形(偏转90°或60°) 两种。磁偏转质谱计的特点是结构简单、有较高分辨能力和较高灵敏度、质谱峰形好、对污染不敏感、质量歧视小、便于作定量分析；缺点是需用磁铁、安装调整不方便。

回旋质谱计

根据离子在正交的高频电场和直流磁场中回旋谐振运动的原理实现质量分离（图2）。改变高频电场频率便可依次检出各种不同的离子。回旋质谱计的特点是体积小、零件少、电极可高温除气、灵敏度较高、质量歧视较小，适用于小型超高真空系统和电子器件内残余气体定量分析。它的缺点是对高质量离子分辨能力低（一般只用于分析质量数小于100的离子），最高工作压强较低，需要磁铁等。

四极质谱计

又称四极滤质器，根据不同质荷比的离子，在直流和高频双曲面电场中运动的轨迹稳定与否来实现质量分离（图3）。分析器由四根平行的双曲面形或圆柱形的杆组成，相对的两根杆相连，形成两对电极，分别加上电压±(U＋Vcoswt)，其中U为直流电压，V为高频电压幅值，w为角频率，t为时间。与电场参量相适应的离子运动轨迹是稳定的，其中横向振幅不大于场半径r0的离子能通过分析器并被离子收集极接收；质荷比偏大的离子对高频电场有较大的运动惯性，它主要受直流电场驱动，最后与y向电极相碰，不能通过分析器；质荷比偏小的离子运动惯性小，主要受高频电场激励，产生振幅不断增大的振荡运动，最终与x向电极相碰，因而也不能通过分析器。仪器通常保持ω一定，U与V的比值约为1:6，同时改变U、V值以实现质量扫描。与四极质谱计工作原理相似的仪器还有单相质谱计和三维四极质谱计。四极质谱计的特点是不需要磁铁、结构简单、有较高的灵敏度和分辨能力、工作压强范围宽、扫描速度快、质量标度呈线性，因而得到广泛应用。缺点是对大质量数的离子质量歧视效应较大。

飞行时间质谱计

利用能量相同而质量不同的离子具有不同的速度，飞越漂移区经历时间不同的原理实现质量分离。飞行时间质谱计的特点是机械结构简单、分析速度快（微秒级）、离子利用率高、灵敏度高、能在较高的工作压强下工作，缺点是仪器体积大，测量与控制电路复杂。

其他类型真空质谱计还有射频质谱计、谐振感应质谱计等。

质谱分析与分压强测量

真空质谱计获得的质谱图能反映被分析气体的成分，质谱图中每一个峰对应一种质荷比的离子。但是一种气体可能有不只一个峰，即除主峰外还包含一系列副峰（碎片峰和同位素峰），如果是混合气体，则所有相同质荷比离子的谱峰将叠加在一起，因此，从质谱图中不能直接读出各种气体的分压强值。碎片峰强度与主峰强度的比值称为碎片的图像系数。图像系数与质量歧视效应有关。各种质谱计都存在一定程度的质量歧视效应，即相同峰高的两种气体即使电离几率相等，也不对应相同的分压强。但是对于某一确定的质谱计来说，在恒定工作条件下对某种气体碎片的图像系数是一定的，因而分压强值可根据气体的图像系数和气体的相对灵敏度通过计算得出。气体的图像系数和相对灵敏度，须在恒定工作状态下注入已知质量数的单纯气体加以校准。