四極質(zhì)譜計(jì)是一種分壓力測(cè)量?jī)x器，其線性上限一般為10^-3Pa。本文通過對(duì)影響四極質(zhì)譜計(jì)測(cè)量上限的因素進(jìn)行分析，得到高壓力下的分壓力計(jì)算方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，得出的結(jié)論對(duì)高壓力下四極質(zhì)譜計(jì)的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1、引言

　　四極質(zhì)譜計(jì)是一種分壓力測(cè)量?jī)x器，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的分壓力測(cè)量。通常用離子流與靈敏度的比值計(jì)算氣體分壓力的大小，靈敏度在低壓力下校準(zhǔn)獲得，其值為常數(shù)。但在高壓力下靈敏度不再為常數(shù)，用以上方法計(jì)算得到分壓力值與實(shí)際分壓力值偏差很大，而真空鍍膜、半導(dǎo)體加工等行業(yè)恰恰需要用四極質(zhì)譜計(jì)在較高壓力下測(cè)量氣體的分壓力值，來確保各種氣體成分的比例。為此，作者對(duì)四極質(zhì)譜計(jì)的靈敏度進(jìn)行研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究得出了高壓力下靈敏度與低壓力下靈敏度的關(guān)系，從而達(dá)到用四極質(zhì)譜計(jì)在高壓力下準(zhǔn)確測(cè)量分壓力的目的。

2、理論分析

　　四極質(zhì)譜計(jì)的原理與電離規(guī)相似，都是將氣體分子電離，并通過離子流的大小指示氣體壓力值。不同的是四極質(zhì)譜計(jì)具有分離離子的功能，通過四極桿將不同質(zhì)荷比的離子分離，只有特定質(zhì)荷比的離子才能到達(dá)收集極，一般通過某種氣體的離子流與靈敏度的比值計(jì)算氣體分壓力的大小，靈敏度通過離子流與標(biāo)準(zhǔn)壓力的比值校準(zhǔn)獲得。作者將四極質(zhì)譜計(jì)檢測(cè)到的特定氣體主峰離子流值與特定氣體的分壓力值之比作為靈敏度。在實(shí)際計(jì)算中離子流和分壓力都是扣除本底之后的數(shù)值，如式⑴所示

　　式中S 為靈敏度，單位為A/Pa； I_R為到達(dá)收集極離子流，單位為A； 為氣體分壓力，P_P單位為Pa；I₀為本底離子流；P₀為本底氣體壓力。

　　對(duì)上式進(jìn)行變換，可得分壓力的計(jì)算公式

　　由上式可知，如果靈敏度為常數(shù)，可以方便地獲得氣體分壓力的大小。在低壓力下四極質(zhì)譜計(jì)的離子流與氣體壓力呈線性關(guān)系；當(dāng)壓力高于10^-3 Pa時(shí)，離子流與氣體壓力為非線性關(guān)系，不能用式⑵準(zhǔn)確計(jì)算氣體分壓力的大小。作者用線性靈敏度S0表示低壓力下的靈敏度，用S表示整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的靈敏度。

　　質(zhì)譜計(jì)在高壓力下出現(xiàn)非線性的主要原因，是離子與氣體分子或離子間的碰撞及離子間電荷的斥力使部分離子偏離既定軌道，不能到達(dá)收集極，造成離子損失，使離子流與氣體分壓力偏離線性。下面將從理論上進(jìn)行推導(dǎo)，得出高壓力下分壓力與離子流的關(guān)系，從而提高質(zhì)譜計(jì)高壓力下測(cè)量的準(zhǔn)確性。

　　四極質(zhì)譜計(jì)離子源中離子流的大小與氣體分壓力呈正比關(guān)系，如下式所示

I_F=K_F·P_P   

　　式中 I_F為離子源產(chǎn)生的離子流；K_F為比例系數(shù)；P_P為氣體的分壓力大小。

　　由于離子的損失與氣體壓力和離子流有關(guān)，則從離子源飛行到收集極的過程中，離子流的損失用下式來表示

dl=K_L·P·I·dl

　　式中dl為離子所經(jīng)過的微小距離；dI為dl距離內(nèi)損失的離子流；K_L為損失常數(shù)；I 為運(yùn)動(dòng)距離為L(zhǎng)時(shí)的離子流大小； P為質(zhì)譜計(jì)中氣體全壓力的大小。

　　對(duì)進(jìn)行變換得如下積分公式

　　式中I_R為到達(dá)收集極的離子流；I_F為離子源中形成的離子流；L為離子源到收集極的距離。

　　對(duì)式⑸求解得

　　聯(lián)立式⑵、⑹得靈敏度與全壓力的線性關(guān)系

In(S)=K_L·P·L+In(K_F)   

　　令K_L•L為常數(shù)b,當(dāng) 趨向于0時(shí)，K_F的值等于線性靈敏度S₀的值，這樣可以在低壓力下校準(zhǔn)獲得KF的值。變換式⑺可得靈敏度S與線性靈敏度S₀的關(guān)系

S=S₀·е^bp 

　　通過式⑻，如果已知S₀和b值，可以得到高壓力下四極質(zhì)譜計(jì)靈敏度S的值；在低壓力下，е^bp 的值約等于1，說明該公式也適用與低壓力下氣體分壓力的測(cè)量。聯(lián)合式⑵、式⑻，得到高壓力下計(jì)算氣體分壓力的關(guān)系式

　　現(xiàn)在討論確定b的方法。將式⑻變換可得以下公式

　b的校準(zhǔn)一般用單一氣體，因此，上式中P與P_P同值，只要在低壓力下通過校準(zhǔn)獲得線性靈敏度S0，用一支全壓力規(guī)測(cè)量P值，將四極質(zhì)譜計(jì)所測(cè)氣體的離子流IR代入式⑽，就可以得出b值。

3、實(shí)驗(yàn)裝置

　實(shí)驗(yàn)設(shè)備是動(dòng)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．皮拉尼規(guī)；25．減壓閥；27．高壓氣瓶。

圖1 動(dòng)態(tài)流量法分壓力質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置工作原理圖