RGA組成及工作原理

RGA組成及工作原理

1. 工作原理

   封閉式離子源（CIS）分析儀通過采集代表性工藝氣體樣本，將其導(dǎo)入殘留氣體分析儀（RGA）的電離區(qū)域。該設(shè)備采用固定幾何結(jié)構(gòu)的泵入通道，通過持續(xù)降低工藝氣體壓力至渦輪分子泵，實(shí)現(xiàn)氣體采樣與流動(dòng)控制。檢測到的工藝氣體雜質(zhì)含量顯著低于開放式離子源RGA分析儀——對(duì)于多數(shù)成分而言，其檢測限可低至亞ppm級(jí)別。

2 傳感器

傳感器由三大核心組件構(gòu)成：離子源（電離器）、四極桿質(zhì)譜過濾器、探測器/電子倍增器。這些組件通過螺栓固定在真空歧管上的電氣穿通法蘭上。該傳感器必須在高真空環(huán)境中工作，因?yàn)橐坏┥傻碾x子在通過傳感器時(shí)，必須避免與其他氣體分子發(fā)生碰撞。

2.1 離子源

傳感器封閉式離子源需要減壓孔，因?yàn)楣に噳毫νǔ＿h(yuǎn)大于封閉式離子源可操作的最大壓力。

在封閉式離子源內(nèi)部，加熱的燈絲會(huì)釋放電子轟擊進(jìn)入的氣體分子，使其帶上電荷。雖然這些電荷可能呈現(xiàn)正負(fù)兩種狀態(tài)，但系統(tǒng)僅能檢測正離子。當(dāng)分子被電離帶電后，即可利用電場對(duì)其進(jìn)行操控。標(biāo)準(zhǔn)配置采用鎢制燈絲，這種材料對(duì)強(qiáng)腐蝕性氣體（尤其是含氟、氯等元素的氣體）具有最佳耐受性。若需在氧氣或水蒸氣濃密環(huán)境中使用（這類環(huán)境會(huì)快速氧化鎢燈絲），可改用釔涂層銥燈絲。

注意：鎢絲在高壓下運(yùn)行時(shí)會(huì)被破壞，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠ぷ鳒囟认屡c氧氣和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。

發(fā)射電流這一術(shù)語特指燈絲釋放的電子流。其強(qiáng)度由燈絲溫度調(diào)控，燈絲位于陽極圓柱體中心孔洞上方。陽極電勢（電壓）相對(duì)于燈絲呈正向。電子排斥板作為平板結(jié)構(gòu)，安裝在燈絲后方并與燈絲負(fù)極相連。燈絲與陽極之間的電位差決定了電子的動(dòng)能（即電子能量），而這種能量水平則直接影響氣體分子被電子轟擊時(shí)的電離程度。

電子能量范圍可從70電子伏特（eV）到10電子伏特。當(dāng)操作電壓低于70 eV時(shí)，發(fā)射電流不得超過200微安。當(dāng)電壓達(dá)到或超過70 eV時(shí)，2毫安的發(fā)射電流能最大程度提升背景監(jiān)測和泄漏檢測的靈敏度。陽極圓柱內(nèi)部形成的離子會(huì)被聚焦透鏡的電勢吸引并形成離子束（該透鏡也被稱為提取器，因其能將離子從生成區(qū)域提取出來）。聚焦透鏡將離子束聚焦至源出口透鏡的孔洞中。為吸引正離子，聚焦透鏡相對(duì)于陽極保持負(fù)偏壓狀態(tài)。

源極出口透鏡的電位相對(duì)于陽極和聚焦透鏡為負(fù)。離子束穿過出口透鏡上的孔并注入質(zhì)量過濾器。

封閉式離子源的抽氣速度約為0.7 L/s。這將在離子源與四極桿區(qū)域之間形成壓力差。該離子源在最大工藝壓力下可達(dá)到約2毫托（2.7×10?3毫巴）。通過使用節(jié)流孔，可將高壓降至約2×10??托（2.7×10??毫巴）。封閉式離子源內(nèi)的壓力約為四極桿區(qū)域壓力的23倍（例如：離子源內(nèi)2.3×10??托的壓力將轉(zhuǎn)化為四極桿區(qū)域1×10??托的壓力）。

2.2 質(zhì)量過濾器

離子源產(chǎn)生的離子被導(dǎo)入質(zhì)量過濾器，該裝置會(huì)篩選出所有特定質(zhì)荷比的離子。大多數(shù)離子僅攜帶一個(gè)電荷單位。質(zhì)量過濾器采用四極桿結(jié)構(gòu)，通過射頻與直流電位的組合進(jìn)行工作。射頻的頻率和振幅決定了離子的質(zhì)量，而射頻與直流電的比例則決定了過濾器的選擇性。

質(zhì)量濾波器的四根桿（因此得名四極桿）通過交替充電，將特定質(zhì)量的離子引導(dǎo)至中心區(qū)域，同時(shí)偏轉(zhuǎn)所有較大和較小質(zhì)量的離子（因此得名質(zhì)量濾波器）。該裝置由四個(gè)平行排列的桿體構(gòu)成方形陣列，桿體及其絕緣基座共同形成精密機(jī)械結(jié)構(gòu)。方形陣列中心與最近桿體表面之間的距離稱為四極桿半徑r?。理想情況下，桿體應(yīng)采用雙曲面設(shè)計(jì)（朝向陣列中心），而非圓形截面。當(dāng)圓形桿半徑與r?的比值為1.148時(shí)，產(chǎn)生的電場可較好地模擬預(yù)期的雙曲面形態(tài)。

兩根電極桿通過導(dǎo)線連接。離子沿大致平行于桿體長度的方向被導(dǎo)入兩極之間的空間。在此處，離子根據(jù)其質(zhì)量與電荷比值，在兩極施加的電勢產(chǎn)生的橫向力作用下實(shí)現(xiàn)分離。所施加的電勢由射頻分量和直流分量組成：其中一組電極桿上的射頻電勢與另一組電極桿上的射頻電勢相位差為180°，但兩者振幅相同。對(duì)于“X”對(duì)電極桿而言，直流電勢為正；而對(duì)于“Y”對(duì)電極桿，則具有相同振幅但為負(fù)值。直流電勢與射頻電勢均以中心電壓（即零點(diǎn)）為基準(zhǔn)進(jìn)行參考

以下方程式總結(jié)了施加在桿件上的力：

V=射頻振幅   f=射頻頻率   t=時(shí)間   U=直流電位   PZ=極點(diǎn)零點(diǎn)

射頻組件負(fù)責(zé)從電子束中分離低質(zhì)量離子。當(dāng)離子質(zhì)量足夠低時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)與施加的射頻保持同步。這些離子在電場作用下獲得能量后，振幅逐漸增大。隨著它們沿桿體長度方向移動(dòng)，最終會(huì)撞擊其中一根桿并發(fā)生中和。而高質(zhì)離子則會(huì)被射頻組件聚焦到靠近四極桿長軸（Z軸）的區(qū)域。

直流電場與射頻場疊加使用，可將束流中的高質(zhì)荷離子分離。該直流電場會(huì)將這些高質(zhì)荷離子偏轉(zhuǎn)至負(fù)極，從而抵消射頻場的聚焦效應(yīng)。最終這些離子撞擊負(fù)極桿后被中和。通過合理調(diào)節(jié)直流與射頻的比例，質(zhì)量過濾器就能同時(shí)對(duì)高質(zhì)荷和低質(zhì)荷離子進(jìn)行有效區(qū)分。

離子在質(zhì)量過濾器Z軸方向的動(dòng)能，取決于其形成時(shí)的電勢（陽極電壓）與磁極零點(diǎn)之間的差值。通常情況下，源出口孔徑與四極桿之間產(chǎn)生的邊緣電場對(duì)離子能量的影響微乎其微。此外，施加在桿對(duì)上的射頻信號(hào)兩相振幅失衡，以及直流電壓的共同作用，也會(huì)進(jìn)一步改變離子能量

通過過濾器的離子質(zhì)量由射頻振幅、射頻頻率和四極桿半徑?jīng)Q定。

V=以伏特為單位的射頻振幅峰峰值   M=每個(gè)電子電荷所含的離子質(zhì)量（以原子質(zhì)量單位AMU為單位）   f=射頻頻率，單位為兆赫   r0 =四極半徑（單位：厘米）

例如，一個(gè)200 AMU的單電荷離子將通過四極桿，其標(biāo)稱直徑為6.35 mm（1/4 in.）的桿（r0為0.277 cm)，在1.78 MHz下工作，峰值射頻振幅約為700 V。

傳輸離子的質(zhì)量(M)與射頻振幅成正比（前提是頻率f保持恒定）。隨著射頻振幅的增大，質(zhì)量更高的離子會(huì)逐步與射頻場同步振蕩，從而獲得足夠的能量撞擊磁極。為維持濾波器的高質(zhì)譜分離性能，必須持續(xù)提升直流電壓。通過同步調(diào)節(jié)射頻振幅和直流電壓，即可生成完整的質(zhì)譜圖。

2.2.1 掃描特性

四極桿作為混合離子束的質(zhì)量過濾器，既能阻擋高質(zhì)荷離子和低質(zhì)荷離子，又能讓中等質(zhì)量的離子通過。這種質(zhì)量選擇性的指標(biāo)用分辨率R表示，其數(shù)值定義為中心質(zhì)量M與通帶寬度DM（均以安培-米為單位）的比值。由于當(dāng)接近通帶邊緣時(shí)，通過濾波器的離子數(shù)量會(huì)逐漸減少，因此通帶寬度的確定依據(jù)是：當(dāng)離子電流降至最大值的特定比例（通常為1/2或1/10)時(shí)的點(diǎn)位。通帶寬度由直流與射頻的比值決定。

四極桿的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)R值隨質(zhì)量M任意變化。但若保持M恒定，就能確保質(zhì)量相差1個(gè)原子質(zhì)量單位（AMU）的離子獲得充分分離。這種掃描模式被稱為恒定M模式。因此，R值與質(zhì)量M成正比，導(dǎo)致質(zhì)量M的離子通過四極桿的傳輸效率會(huì)隨著質(zhì)量M的增大而降低。說白了，傳感器的靈敏度會(huì)隨著質(zhì)量M的增加而逐漸減弱。

2.2.2 零點(diǎn)爆破

當(dāng)RGA掃描至質(zhì)量譜的極低端時(shí)，施加在桿上的射頻和直流電壓接近于零。此時(shí)四極桿不再作為過濾器工作，并且檢測到未分離離子的大電流，稱為零爆。

當(dāng)存在大量高分子量離子時(shí)，零爆效應(yīng)會(huì)干擾RGA高壓區(qū)（即1E-6托至5E-4托）內(nèi)質(zhì)量1和2的觀測。零爆效應(yīng)對(duì)質(zhì)量2信號(hào)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可能在5 ppm到100 ppm之間，具體取決于RGA的質(zhì)量范圍。

2.3 離子檢測器

傳感器的離子探測器區(qū)域由四極桿出口透鏡、電子倍增器和探測器本身組成。四極桿出口孔徑相對(duì)于陽極呈負(fù)偏置，將穿過四極桿的離子聚焦到電子倍增器和探測器中。

2.3.1電子倍增器（EM）探測器

電子倍增器（EM）作為原位前置放大器，能顯著提升檢測靈敏度。當(dāng)入射離子被施加高負(fù)電壓（通常為-1.0千伏或更高）加速進(jìn)入EM時(shí)，若撞擊其表面，會(huì)釋放出一個(gè)或多個(gè)二次電子。這些電子隨后被加速至電勢更高的第二層表面，在此生成更多電子。該過程不斷循環(huán)，直至電子脈沖從EM輸出端產(chǎn)生并被法拉第杯收集。每個(gè)入射離子可產(chǎn)生多達(dá)百萬甚至更多的電子。由于這種電子脈沖的存在，EM探測器的輸出電流呈現(xiàn)負(fù)值。

電子輸出電流與入射離子電流的比值稱為電磁增益。該增益主要取決于電磁鐵類型、施加在電磁鐵輸入端的電壓、電磁鐵兩端的電壓、電磁鐵的工作狀態(tài)，以及較小程度上的入射離子質(zhì)量及其化學(xué)性質(zhì)。通常情況下，隨著離子質(zhì)量的增加，電磁增益會(huì)逐漸降低。電磁探測器傳感器的優(yōu)勢在于其高靈敏度（最高可達(dá)500安培/托），使得使用100安培/兆伏特傳感器時(shí)，能夠測量低至1×10?1?托的分壓。

2.3.2連續(xù)二極管電子倍增器/法拉第杯探測器

連續(xù)二極管電子倍增器/法拉第杯（CDEM/FC）探測器可放大電子脈沖，顯著提高分析儀的靈敏度

CDEM/FC探測器的連續(xù)型雙極管元件采用特殊玻璃材質(zhì)，而非傳統(tǒng)的銅鈹合金離散型雙極管電子倍增器。相較于傳統(tǒng)離散型雙極管EM探測器，CDEM/FC探測器具有兩大優(yōu)勢：其一，即使暴露在空氣中也不會(huì)性能衰減；其二，無需真空環(huán)境即可長期保存。該探測器最高工作溫度可達(dá)150°C，且可在斷電狀態(tài)下進(jìn)行300°C的烘烤處理。

CDEM/FC探測器在承受過大的輸入或輸出電流后，恢復(fù)速度會(huì)稍慢一些。當(dāng)電壓發(fā)生調(diào)整時(shí)，其增益穩(wěn)定所需時(shí)間可能會(huì)有所延長。該探測器的工作電壓范圍為-0.6至-2.0千伏。新型CDEM/FC探測器在-0.8千伏時(shí)通常具有10到1000的增益值，而在-3.0千伏時(shí)其增益值通常超過1×10?。探測器的默認(rèn)EM電壓設(shè)定為-0.8千伏。

注意：請(qǐng)勿在溫度超過150°C的情況下操作CDEM/FC探測器，否則可能導(dǎo)致永久性損壞。避免輸出電流超過1×10??安培。降低高壓或減小壓力。

使用獲得必要峰值振幅和/或信噪比所需的最低CDEM/FC檢測器電壓。在高于必要的電壓下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致EM過早老化。隨著CDEM/FC檢測器老化，獲得特定EM增益所需的電壓將增加。由于EM性能取決于其內(nèi)部表面的狀況，請(qǐng)防止碳?xì)浠衔锘蚱渌廴疚铮?/span>

確保擴(kuò)散泵抽真空系統(tǒng)被正確捕獲，以減少油回流。w

確保渦輪分子泵抽真空系統(tǒng)聯(lián)鎖，以消除機(jī)械泵油通過非旋轉(zhuǎn)渦輪泵的回流。

這類問題導(dǎo)致的EM增益降低幅度可達(dá)50%至90%以上。EM的初始增益通常足夠高，可以承受一定程度的退化，但仍可使用。如果反復(fù)出現(xiàn)污染，EM最終將需要更換。

注意：除了碳?xì)浠衔镂廴就猓?/span>EM還可能因暴露于高活性化學(xué)物質(zhì)而受到不利影響。避免任何會(huì)導(dǎo)致EM表面膜沉積或蝕刻其表面的物質(zhì)。避免使用高水平的反應(yīng)性氟化物，如六氟化鎢、氫氟酸和三氟化氮。