Точность измерения массы

Как следует из вышесказанного, разрешение тесно связано с другой важной характеристикой - точностью измерения массы. Проиллюстрировать значение этой характеристики можно на простом примере. Массы молекулярных ионов азота (N₂+)и монооксида углерода (СО+) составляют 28.00615 а.е.м. и 27.99491 а.е.м., соответственно (оба характеризуются одним массовым числом 28). Эти ионы будут регистрироваться масс-спектрометром порознь при разрешении 2500, а точное значение массы даст ответ – какой из газов регистрируется. Наиболее точное измерение массы возможно на приборах с двойной фокусировкой и на масс-спектрометрах ионно-циклотронного резонанса.

Динамический диапазон

Если мы анализируем смесь, содержащую 99.99 % одного соединения или какого-либо элемента и 0.01% какой-либо примеси, мы должны быть уверены, что правильно определяем количество этих элементов. Для того, чтобы быть уверенным в результатах анализа, нужно иметь диапазон линейности в 4 порядка. Современные масс-спектрометры для органического анализа характеризуются динамическим диапазоном в 5-6 порядков, а масс-спектрометры для элементного анализа 9-10 порядков. Динамический диапазон в 10 порядков означает, что примесь в пробе будет видна даже тогда, когда она составляет 10 миллиграмм на 10 тонн.

Чувствительность

Чувствительность - величина, показывающая какое количество вещества нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы его можно было детектировать. Чувствительность является одной из важнейших характеристик масс-спектрометров. Для простоты обычно рассматривают связанный с чувствительностью параметр – минимальное определяемое количество вещества, или порог обнаружения. Типичная величина порога обнаружения хорошего хромато-масс-спектрометра, используемого для анализа органических соединений, составляет 1х10-12 грамм при вводе 1 микролитра раствора.

Пределы обнаружения неорганических веществ, например, методом ICP/MS (ИСП/МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой) составляет 1х10^-15 (одна доля на квадриллион).

Детекторы ионов

Простейшим электрическим детектором ионов является плоский электрод, устанавливаемый на выходе из анализатора, который соединен с землей через высокоомное сопротивление. Мерой ионного тока является падение напряжения на этом сопротивлении, измеряемое чувствительным электрометром.

Для достижения оптимальной чувствительности и снижения паразитных эффектов, которые могут приводить к возникновению ошибок при определении ионного тока, должны быть предприняты определенные меры предосторожности. Искажение показаний может происходить из-за вторичных электронов, эмитированных электродом при бомбардировке его ионами. Эффект образования вторичных электронов должен быть либо учтен в процессе измерения, либо полностью устранен.

Для этого электрод-коллектор обычно изготавливают в виде цилиндра, закрытого с одного конца (цилиндр Фарадея), а перед коллектором устанавливают супрессорную диафрагму под отрицательным потенциалом относительно коллектора. Эта диафрагма не позволяет выходить вторичным электронам из цилиндра катода. Схема такого устройства представлена на рис. 1.13.

Существует также вероятность попадания на коллектор ионов большей массы, чем заданная, потерявших по пути часть своей энергии в результате столкновения с молекулами остаточного газа, или ионов, образовавшихся в результате распада метастабильных ионов. Для предотвращения этого эффекта между коллектором и супрессорным электродом помещают задерживающий электрод с потенциалом, равным или несколько выше потенциала области ионизации в ионном источнике.

Рис. 1.13 Коллектор ионов в форме цилиндра Фарадея.

Этот электрод создает поле, препятствующее попаданию на коллектор «паразитных» ионов, что позволяет улучшить разрешающую способность прибора. С этой целью предусматривают возможность варьирования потенциала задерживающего электрода.

Чувствительность спектрометра определяется минимальным током, который можно измерить этим прибором, и с тех пор, как масс-спектрометры вошли в употребление, постоянно совершенствуются приборы для измерения ионного тока — сначала появились квадрантные электрометры, затем усилители с высокоимпедансной электрометрической лампой и язычковым вибратором на входе и, наконец, современные полупроводниковые усилители с полевыми или МОП-транзисторами на входе схемы.

Наименьший ток, измеряемый таким усилителем, составляет около 10^-15 А при минимальном уровне шумов. Чтобы уменьшить уровень паразитных наводок, которые являются главной составляющей шума усилителя, необходимо применять провода с хорошей экранировкой и по возможности меньшей длины. В идеальном случае входной каскад усилителя должен быть смонтирован непосредственно на корпусе анализатора для того, чтобы провод к коллектору был не более нескольких сантиметров длиной. Следует избегать воздействия вибраций и перепадов температур на усилитель. Напряжение питания должно быть высокостабилизированным.

Для низких токов (10^-15 А) постоянная времени усилителя обычно составляет несколько секунд. Это значит, что скорость сканирования должна быть не более 1 а.е.м. в секунду. Более быстрое сканирование может быть достигнуто только путем снижения чувствительности. В первом приближении скорость сканирования обратно пропорциональна пороговой чувствительности усилителя. При чувствительности 1000000 А*Па^-1, типичной для компактных анализаторов остаточного газа, ток 10^-15А соответствует парциальному давлению 10^-9 Па.

Для повышения пороговой чувствительности, а также снижения постоянной времени необходимо заменить коллектор вторично-электронным умножителем. Ионы, ударяющиеся о поверхность первого электрода (первого динода) этого устройства, вызывают испускание вторичных электронов, которые затем последовательно попадают на несколько динодов. Так как поверхность динодов покрыта материалом с высоким коэффициентом вторичной электронной эмисси(δ>1), то каждый динод эмитирует все увеличивающееся количество электронов, т.е. происходит лавинное умножение электронов. Движение электронов от одного динода к другому происходит под действием электрического поля между ними (на каждый динод через делитель подается соответствующее напряжение). Электрическое поле и расположение динодов таковы, что обеспечивается фокусировка пучка вторичных электронов на каждом последующем диоде.

Умножитель может содержать до 15 динодов (их число определяется допустимым током последнего динода), т. е. его коэффициент умножения достигает 10⁵—10⁶. Поскольку такой процесс лавинного умножения определяется только характером движения электронов в вакууме, постоянная времени умножения может составлять всего несколько микросекунд.

Обычно с масс-спектрометром используют умножители: электростатический, с магнитной фокусировкой или канальные. Электростатические умножители различаются по форме и расположению динодов; основные три типа их конструкции представлены на рис. 1.14. Потенциал каждого динода с помощью резистивного делителя напряжения устанавливается на 200— 300 В выше потенциала предыдущего динода. Поэтому, так как выход умножителя по сути заземлен, на первом диноде должен быть потенциал около —3 кВ (т. е. к резистивному делителю приложено напряжение 3 кВ). Обычно диноды таких умножителей изготовляются из сплава Cu—Be, на поверхности которого после «активации») образуется слой окиси бериллия. Коэффициент вторичной эмиссии такого сплава достигает ~3. Наряду с Cu—Be используется сплав серебра с магнием, имеющий несколько более высокое δ.

В магнитном умножителе диноды расположены компланарно, а электроны двигаются между ними по циклоидам в скрещивающихся электрическом и магнитном полях. За счет фокусирующего магнитного и повышенного электрического полей пролет электронов происходит за более короткое время, что делает этот тип умножителей наиболее эффективным для времяпролетных масс-спектрометров. Конструкцию магнитного умножителя усовершенствовали Гудрич и Уайли. Они заменили дискретный набор динодов распределенной динодной системой в виде двух стеклянных пластинок, покрытых проводящим слоем. Поскольку в такой системе ускоряющее электрическое поле создается падением напряжения вдоль пластинок, отпадает необходимость в использовании делителя напряжения.

Рис. 1.14 Динодные системы в электроннных умножителях: а) – коробчатая (четверть цилиндра, закрытая с торцов); б) – ковшеобразная; в) – жалюзная; 1- анод; 2 – диноды.

Эта идея получила дальнейшее развитие в так называемых канальных умножителях. Распределенная динодная система этого устройства представляет собой небольшую трубку (отношение длины трубки к ее диаметру около 40) под напряжением 1—2 кВ, изготовленную из специального стекла с высоким удельным сопротивлением. Траектории движения вторичных электронов в трубке имеют вид, представленный на рис. 1.15. Используемое стекло должно обладать не только высоким удельным сопротивлением, но и высоким коэффициентом вторичной эмиссии (с внутренней поверхности).

Рис. 1.15. Траектории электронов в канальном электронном умножителе.

Канальный электронный умножитель обычно имеет форму «улитки» для предотвращения образования вторичных ионов при столкновении вылетающих из анализатора ионов с молекулами остаточного газа внутри канала умножителя (так называемая ионная обратная связь). Для повышения эффективности собирания ионов умножители этого типа обычно снабжены входным раструбом. Типичный канальный электронный умножитель, используемый в масс-спектрометрии, показан на рис. 1.16, где также представлены два других типа электронных умножителей. Наряду с отсутствием делителя напряжения главным достоинством канального электронного умножителя является его компактность. В идеальном случае электронным умножителем с коэффициентом умножения 10⁶ можно было бы измерять парциальные давления ниже 10^-12Па. На практике, однако, это не так, и порог чувствительности определяется величиной флуктуационного ионного шума. При давлении 10^-12 Па и чувствительности 10000000 А*Па^-1 ток на входе может достигать 10^-18 А, т. е. около шести ионов в секунду.

Рис. 1.16.. Вторично-электронные умножители:

а —с дискретным расположением динодов; б —канальный умножитель; в —с магнитной фокусировкой.

Даже если постоянная времени измерительной схемы достаточно велика, флуктуации ионного тока создают значительный уровень шума. Канальный электронный умножитель может быть использован и для счета ионов, но схема счета довольно сложна и поэтому непригодна для использования в анализаторах остаточного газа. Кроме того, образование пространственного заряда и ограничение по току для последнего динода ограничивают полный ток, достигаемый в умножителе.

Вообще говоря, ток на выходе должен быть меньше половины тока, проходящего через цепочку резисторов делителя или через поверхностный слой распределенного динода. В связи с этими ограничениями удается повысить чувствительность регистрирующей системы, где в качестве детекторов используются вторично-электронные умножители, только в 1000 раз по сравнению с коллектором в виде цилиндра Фарадея. Тем не менее, такое повышение чувствительности достаточно велико для того, чтобы измерять парциальные давления вплоть до 10^-12 Па.

Снижение их чувствительности будет приводить к улучшению разрешающей способности. Однако вторично-электронные умножители, независимо от их типа, обладают общим существенным недостатком. Коэффициент умножения прибора существенно зависит от коэффициента вторичной эмиссии δ материала динодов, на величину которого, в свою очередь, оказывают влияние различные поверхностные эффекты. Так, загрязнение поверхности динодов остаточными газами, в особенности при попадании в умножитель атмосферного воздуха и последующим обезгаживании нагревом и электронной бомбардировкой, вызывает длительное изменение коэффициента умножения, что, во-первых, требует регулярной переградуировки прибора и, во-вторых, приводит к уходу параметров в процессе его работы. Кроме того, вторичная ионно-электронная эмиссия на первом диноде зависит от массы ударяющегося иона, что является причиной дополнительного разделения ионов по массе. В масс-спектрометрах, в которых между ионным источником и коллектором существует «прямая видимость», умножитель должен быть смещен относительно оси для предотвращения попадания на него фотонов, излучаемых источником ионов.

В заключение отметим, что наиболее простым и удобным для большинства случаев применения является коллектор в виде цилиндра Фарадея, обладающий хорошей воспроизводимостью, но относительно низкой чувствительностью (~ 10^-10Па). Обычно такая система регистрации позволяет осуществлять развертку масс-спектра со скоростью около 1 а.е.м./с.

Электронные умножители позволяют измерять значительно более низкие давления при более высоком быстродействии. Так, при давлении 10^-10 Па достижима развертка спектра со скоростью 10^-3 а.е.м./с, и спектр можно записывать с помощью электроннолучевого осциллографа. Однако показания в этом случае недостаточно воспроизводимы, и в процессе измерения может наблюдаться дрейф нуля. Кроме того, электронные умножители значительно дороже простой коллекторной системы.

Таблица 1.1.

Таблица масс изотопов