Элементный анализ в масс-спектрометрии тлеющего разряда
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Ноября 2015 в 17:00, реферат
Краткое описание
Тлеющий разряд был использован в масс-спектрометрии в первых же приборах
около 100 лет назад [1]. Однако впоследствии большее распространение получили
источники термоионизацией [2] и особенно источники с электронным ударом. Ионный
источник тлеющего разряда долгое время использовался для определения масс атомов и
дефектов масс [3].
Вложенные файлы: 1 файл
Элементный анализ в масс-спектрометрии тлеющего разряда.
Введение.
Тлеющий разряд был использован в масс-спектрометрии в первых же приборах
около 100 лет назад [1]. Однако впоследствии большее распространение получили
источники термоионизацией [2] и особенно источники с электронным ударом. Ионный
источник тлеющего разряда долгое время использовался для определения масс атомов и
дефектов масс [3].
Для элементного анализа с высокой чувствительностью на протяжении многих лет
почти исключительно использовалась искровая масс спектрометрия [4]. Высокочастотный
искровой ионный источник в комбинации с масс-анализатором высокого разрешения
позволял определять до 70 элементов в твердых матрицах, широко использовался в
полупроводниковой промышленности. Однако нестабильность разряда, низкая
воспроизводимость масс-спектров, невозможность использования электрорегистрации
масс-спектров привело к угасанию интереса к искровой масс-спектрометрии.
В то же время забытый в масс-спектрометрии тлеющий разряд широко
использовался в эмиссионном спектральном анализе. Большое распространение получил в
спектральном анализе тлеющий разряд в полом катоде.
Масс-спектрометрия тлеющего разряда возродилась в начале 1970 годов [5]. И ее
развитие протекало во многих направлениях. Высокочастотный тлеющий разряд, который
позволял анализировать изоляторы, импульсный разряд. Использовались различные масс-
анализаторы. В первых экспериментах использовались анализаторы низкого разрешения –
квадрупольные, времяпролетные, магнитные анализаторы с одинарной фокусировкой.
Однако было установлено, что масс-спектр тлеющего разряда достаточно сложен, почти
на каждой линии находятся мультиплеты и анализаторы низкого разрешения неспособны
продемонстрировать потенциальные возможности источника тлеющего разряда. В
результате состоялся переход на масс-анализаторы высокого разрешения с двойной
фокусировкой.
В 1985 году был выпущен первый коммерческий масс-спектрометр VG 9000, на
который был установлен простой диодный источник тлеющего разряда. Прибор показал
высокие
аналитические
характеристики:
стабильность
сигнала,
хорошая
воспроизводимость результатов, высокую чувствительность на уровне ppb. Охлаждение
источника жидким азотом позволяло проводить анализ легкоплавких металлов,
уменьшить уровень фона.
Стоимость масс-анализаторов с двойной фокусировкой в 3-4 раза выше, чем
анализаторов низкого разрешения. Очевидно, это является сдерживающим фактором для
приобретения и использования таких приборов.
С другой стороны в 80-90 годы возник и стал быстро развиваться новый метод
элементного анализа – ICP масс-спектрометрия. При использовании масс-спектральных
анализаторов низкого разрешения новый метод имеет более высокую чувствительность и
гораздо более высокую производительность.
Но метод ICP масс-спектрометрии может анализировать только жидкости. Это
означает, что для проведения элементного анализа любое твердое вещество должно быть
полностью растворено тем или иным способом.
Существует множество способов перевода твердого вещества в жидкость. В
некоторых случаях это легко осуществимо, в других случаях возникают определенные
трудности, которые необходимо преодолеть. И не всегда это возможно.
Перевод твердого вещества в жидкость означает введение в метод анализа
множества операций, каждая из которых вносит в анализ дополнительные погрешности,
которые суммируются. Проведению элементного анализа на анализаторах низкого
разрешения множество помех создают интерференции, особенно при повышении
чувствительности.
Предпринимались попытки решить проблему анализа твердых тел с помощью
лазерной абляции в ICP приборах. Но чувствительность анализа при этом заметно падала.
Решить все аналитические проблемы одним методом нереально. Тлеющий разряд
имеет хорошие потенциальные возможности для решения задачи элементного анализа
твердых тел. К сожалению, исследователи уделяли этому методу мало внимания (по
крайней мере, на порядок меньше, чем ICP масс-спектрометрии). Можно надеяться, что
этот пробел будет восполнен.
В настоящее в коммерческой продаже имеется три модели масс-спектрометров
тлеющего разряда высокого разрешения ( 10 000 – 100 000) c разными ионными
источниками:
ELEMENT GD from Thermo Scientific
The Astrum from Nu Instruments
AutoConcept GD90 from MSI (Mass Spectrometry Instruments Ltd)
В Element GD используется источник Гримма с разрядным током до 100 мА, в
других масс-спектрометрах обычный диодный источник с разрядным током 2-3 мА.
1.Тлеющий разряд. Основные принципы.
Тлеющий разряд – самостоятельный электрический разряд в газе с двумя
холодными электродами – катодом и анодом. Около катода располагается темное
катодное пространство. Ток разряда – 0.1ма-1 А, напряжение разряда 300-5000 В. Разряд
характеризуется термодинамической
неравновесностью
и
квазинейтральностью
образующейся плазмы. Температура электронов на 1-2 порядка превышает температуру
ионов и нейтральных атомов.
Наиболее важную роль в тлеющем разряде имеют только две его части: темное
катодное пространство-область катодного падения напряжения и тлеющее свечение. В
области тлеющего свечения происходит ударная ионизация молекул газа электронами.
Образующиеся положительные ионы устремляются к катоду, выбивают из него новые
электроны, которые снова ионизируют газ. Напряжение зажигания разряда зависит от
рода газа, его давления, материала электродов и расстояния между ними. При
возникновении разряда около катода появляется его свечение. Это значит, что в разряде
появляются возбужденные атомы и ионы. Концентрация заряженных частиц в разряде с
плоскопараллельными электродами 1
9
-10
10
см
3
, в полом катоде на 1-1.5 порядка выше.
С увеличением тока интенсивность свечения возрастает. В масс-спектрометрии тлеющего
разряда плазмообразующим газом обычно является аргон. В редких случаях используются
другие благородные газы.
Плазменные источники тлеющего разряда давно и успешно используются в
различных областях техники для преобразования в низкотемпературную плазму
различных газов, жидкостей и твердых тел [1-3]. При этом используются источники с
планарной и квазипланарной конфигурацией электродов [4]. При распылении проводящих
образцов тлеющий разряд возбуждается при постоянном токе и напряжении, при
распылении непроводящих образцов используется высокочастотное напряжение, иногда с
использованием магнитного поля (магнетронное распыление) [5]. Эти источники
используются также при элементном анализе твердых и жидких веществ в эмиссионном
спектральном и масс-спектральном анализе. Все источники тлеющего разряда,
использующие самостоятельный разряд без магнитного поля функционируют в вакууме 1-
100 Па.
Общая схема ионного источника тлеющего разряда, используемого в коммерческих
масс-спектрометрах, показана на рис. 1. Такой источник использовался в масс-
спектрометре VG 9000-первом коммерческом масс-спектрометре. В настоящее время этот
масс-спектрометр не выпускается. Такой же источник используется в масс-спектрометре
The Astrum from Nu Instruments. В металлической разрядной камере 1, которая является
анодом, через изолятор 2 размещается анализируемый образец 3. Он является катодом.
Между катодом и анодом прикладывается разность потенциалов около 1 кВ через
балластное сопротивление 30-100 кОм. В разрядную камеру напускается аргон (или
другой инертный газ) до давления 1-100 Па. В результате между электродами зажигается
тлеющий разряд. Непосредственно у катода располагается темное катодное пространство,
а почти все остальное пространство разрядной камеры заполняет отрицательное свечение,
которое наиболее интенсивно вблизи образца. Это свечение является низкотемпературной
плазмой.
Рис. 1. Схема стандартного источника тлеющего разряда с
квазипланарной конфигурацией электродов. 1- разрядная
камера, 2-изолятор, 3-образец, 4- ввод аргона, 5- отверстие
для вытягивания ионов и откачки разрядной камеры, 6-
отрицательное свечение вокруг образца.
Ионы, образованные в плазме, бомбардируют поверхность образца и распыляют
его. При уменьшении давления плазмообразующего газа напряжение на промежутке
может значительно возрасти. Электрическое поле вытягивает из плазмы ионы, которые
бомбардируют образец. Энергия иона, бомбардирующего анализируемый образец,
определяется главным образом разностью потенциалов, которую прошел ион на
последней длине свободного пробега перед образцом. Энергия, которую ион приобрел
раньше, практически полностью теряется в предыдущих столкновениях с атомами газа.
Ионы имеют разброс по энергиям из-за статистического характера процессов соударения
и разброса длин свободного пробега. Разрядный ток в стандартном ионном источнике в
процессе анализа не превышает 2-3 мА. Согласно [10] концентрация заряженных частиц в
плазме в этих условиях не превышает 10
8
-10
9
см
-3
. Заметное распыление образца
наблюдается, если энергия бомбардирующего иона превышает пороговую энергию. Для
увеличения энергии иона уменьшают давление газа в камере (увеличивается длина
свободного пробега) и поднимают напряжение на промежутке. Положительный столб
вытесняется из разрядной камеры. При этом большая часть напряжения падает на
прикатодной области, в результате напряженность поля у катода возрастает, что также
способствует росту энергии, приобретаемой ионом на длине свободного пробега вблизи
катода. При анализе твердых веществ давление газа выбирается таким образом, чтобы
напряжение на промежутке составляло 700-1000 В, при этом основная часть этого
напряжения падает в прикатодной области. Распыленные атомы диффундируют в плазму,
часть из них ионизируется. Образованные ионы направляются к стенкам разрядной
камеры за счет амбиполярной диффузии, вытягиваются через отверстие 5, из них
формируется ионный пучок, который поступает в масс-анализатор. Через то же отверстие
5 происходит откачка разрядной камеры. Диаметр отверстия менее 1 мм позволяет
получить перепад давлений газа в разрядной камере и ионном источнике 3-4 порядка, что
исключает пробои ускоряющего напряжения. Однако такой маленький диаметр отверстия
не позволяет эффективно откачивать газы, адсорбированные на внутренних стенках
разрядной камеры, которые десорбируются при ионной бомбардировке этих
поверхностей.
В ИПТМиОМ РАН был разработан ионный источник тлеющего разряда на базе
полого катода который и будет рассмотрен в настоящей работе.
2. Полый катод и его модернизация для использования в масс-спектрометрии
тлеющего разряда.
В то же время существует другой вид тлеющего разряда – полый катод (ПК) [6],
который позволяет получать плазму гораздо более высокой плотности, и, следовательно,
может генерировать более интенсивные электронные и ионные пучки. Общей теории
процессов распыления, возбуждения и ионизации в ПК в настоящее время не существует,
что свидетельствует о сложности процессов, протекающих в катодной полости. В то же
время использование ПК в различных областях техники непрерывно расширяется.
Полый катод, используемый в эмиссионном спектральном анализе, представляет
собой цилиндрический стакан диаметром 6м, высотой 1м, на дне которого
размещается анализируемый образец.
Для обычного источника с полым катодом образец может быть представлен в виде
кусочков, расположенных на дне полого катода. Или полый катод изготавливается
непосредственно из анализируемого образца [7]. Это условие также сильно ограничивает
выбор материала образца. Кроме того, полый катод не позволяет проводить элементный
анализ непроводящих образцов.
В лаборатории были проведены подробные исследования возможностей
использования полого катода в масс-спектрометрии тлеющего разряда для элементного
анализа различных материалов. Проведенные эксперименты показали, что максимальная
скорость катодного распыления проводящего твердого образца в полом катоде
достигается, когда образец имеет форму стержня диаметром 2-4 мм, длиной 10-15 мм и
устанавливается вдоль оси катодной полости. Плоские образцы также могут быть
установлены на дно полого катода (размеры полости это позволяют). Образцы
произвольной формы закрепляются в держателе и также устанавливаются на оси катодной
полости.
Такой катод является наиболее универсальным. Для нового ионного источника
тлеющего разряда, разработанного для его использования в масс-спектрометрии полый
катод был существенно модернизирован [8].
Рис. 2. Схема полого катода.
1-образец, 2-полость полого катода, 3-ввод аргона,
На рис. 2 приводится схематическое изображение полого катода, который был
использован в новом ионном источнике.
Анализируемый образец 1 в виде стержня диаметром 2-4 мм расположен вдоль оси
катодной полости и вставляется в отверстие в дне катода, через которое вводится аргон.
Внешний диаметр катода 1 – 20-25 мм, глубина внутренней полости 1-15 мм. Через
отверстие 3 в дне катода вводится плазмообразующий газ (обычно аргон).
На рис. 3 приведена структура полого катода (поперечное сечение).
Рис. 3. Структура тлеющего разряда в полом катоде с
образцом на оси внутренней полости (поперечное сечение).
1. Образец на оси полости.
2. Темное катодное пространство вокруг образца.
3. Темное катодное пространство у внутренних стенок
полого катода.
4. Отрицательное свечение в катодной полости.
Пространство в катодной полости состоит из двух полых цилиндрических
катодных слоев 2 и 3 и слоя отрицательного свечения 4. Темные катодные слои
примыкают к образцу и внутренней стенке полого катода. Толщина катодного слоя у
образца в несколько раз меньше, чем у стенки катода. Между катодными слоями
располагается слой отрицательного свечения. На темных катодных слоях сосредоточено
почти полное разрядное напряжение (до 90%) [15]. Это напряжение одинаково для обоих
катодных слоев. Однако напряженность поля, которая определяется толщиной темных
катодных слоев - различна. Напряженность поля в катодном слое у образца в несколько
раз выше, чем в слое у стенки катода.
Плазма отрицательного свечения образуется за счет преобразования энергии
электронов эмитируемых катодом и ускоренных в области катодного падения в энергию
возбуждения и ионизации атомов и хаотического движения электронов. Эти вопросы
достаточно подробно рассмотрены в [16]. Электрическое поле проникает в
неизотермическую плазму отрицательного свечения на глубину, приблизительно равную
дебаевскому радиусу [17]:
(1)
где k – постоянная, Т
е
и Т
р
– электронная и ионная температуры, n
e0
и n
p0
концентрации
электронов и ионов в плазме, Z –заряд ионов.
Из этого слоя электрическое поле вытягивает ионы, ускоряет их до нескольких десятков
вольт, и ионы бомбардируют поверхность катода. Плотность ионного тока на стенку
катода определить из выражения [18]:
(2)
M-масса масса, ε
о
-диэлектрическая постоянная, d-ширина темного катодного
пространства.
Т.е. плотность ионного тока на внутреннюю стенку полого катода обратно
пропорциональна квадрату ширины темного катодного пространства или прямо
пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в темном катодном
пространстве. Ширина темного катодного пространства обратно пропорциональна
давлению газа в полости катода. В результате в полом катоде одновременно происходит
бомбардировка и распыление анализируемого образца и внутренних стенок полого катода.
Однако скорость распыления образца на оси катода приблизительно на два порядка
больше, чем стенок полого катода. Скорость распыления стенок катода можно, по-
видимому, дополнительно уменьшить, используя в качестве материала катода
труднораспыляемые металлы (тантал, вольфрам, графит и т.д.).
Анод 1 окружает наружные поверхности полого катода для предотвращения
распространения разряда на эти поверхности. Зазор между анодом и катодом 1-1.5 мм.
Тлеющий разряд почти полностью сосредоточен в катодной полости.
Рис.4. Образец меди после травления в полом катоде в
течении 15 мин при разрядном токе 100 мА. Увеличение
х20.
На рис. 4 показано изображение медного образца в сканирующем электронном
микроскопе после его распыления ионами аргона в течении 45 мин при разрядном токе
2
/
1
2
0
0
2
0
)
(
4
e
p
p
e
p
e
D
kT
Z
n
kT
n
e
kT
kT
r
2
2
/3
0
2
/1
2
/1
16
2
/1
/
)
/
2(
)9
/4
(
)
/
(
10
8
)
/
2(
4.
0
d
U
M
e
T
n
M
kT
en
j
o
e
e
e
i
i
100 мА. Увеличение х20. Скорость распыления медного образца при таком разрядном
токе составляет около 20 мг/час. Образец в процессе распыления сохраняет свою
первоначальную форму – уменьшается лишь его длина.
Рис. 5. Участок поверхности образца меди после
травления в полом катоде в течении 15 мин при
разрядном токе 100 мА. Увеличение х700.
На рис. 6 показана поверхность того же медного
образца при увеличении х700. В результате
катодного распыления обнажается структура образца, на поверхности появляются острия
и выступы размерами до 10 мкм.
На рис. 7 приведена схема ионного источника тлеющего разряда с полым катодом.
Рис. 7. схема ионного источника с полым катодом: 1-
разрядная камера-анод, 2- полый катод с образцом, 3-
капилляр для ввода аргона в полый катод. 4- линза Пирса, 5-
отверстие для вытягивания ионов и откачки разрядной
камеры, 6- изолятор, 7- кварцевый цилиндр
Ионы, вытягиваемые из отверстия 5 в разрядной камере (рис. 2), формируются в
ионный пучок. В стандартном ионном источнике тлеющего разряда отсутствуют
фокусирующие линзы, поэтому ионный пучок, вытягиваемый из разрядной камеры,
является расходящимся. В анализаторах с двойной фокусировкой расстояние между
ионным источником и анализатором может превышать 200 мм, и расходимость ионного
пучка ведет к уменьшению амплитуды и плотности ионного тока на входе в масс-
анализатор. Потери ионного пучка на α-щели могут превышать два порядка. Для
уменьшения этих потерь необходимо формировать слаборасходящиеся ионные пучки.
Расходимость ионного пучка можно уменьшить, используя различные фокусирующие
линзы и объективы. В плазменных источниках широкое распространение получили
системы Пирса и Мюллера [19]. Они не требуют дополнительных источников питания и
позволяют увеличить светосилу масс-спектрометра более приблизительно на два порядка,
формируя квазипараллельные ионные пучки.
Линзы Пирса и Мюллера рассчитываются при заданных первеансе и начальном
радиусе ионного пучка. Однако они сложны в изготовлении, поэтому в данном источнике
использовалась линза Пирса с более простой геометрией. Конфигурация электрического
поля, создаваемого такой линзой, близка к пирсовской. Суммарное увеличение
чувствительности анализа при использовании полого катода и пирсовской линзы
составляло два порядка.
В настоящей работе проводились некоторые исследования характеристик
давление-напряжение (pV) ПК с целью последующего использования полученных
результатов для распыления твердых и жидких веществ. Общая схема экспериментов
приведена на рис. 8.
ПК 1 через изолятор 2 вводился в вакуумную камеру 3, в которой можно
обрабатывать различные материалы электронами и ионами, генерируемыми ПК. ПК
представлял собой полый цилиндр с внутренним диаметром 20 мм, и глубиной полости 30
мм. С одной стороны цилиндр имеет дно. Вакуумная камера имеет смотровое окно и
откачивается диффузионным насосом 4. Через трубку 5 в ПК с помощью
перистальтического насоса вводится плазмообразующий газ – аргон. Термопарная лампа 6
контролирует давление аргона на входе в ПК, термопарная лампа 7 и ионизационная
лампа 8 контролирует давление аргона в вакуумной камере. На катод от высоковольтного
источника питания через балластное сопротивление подается отрицательное напряжение
до 3 кВ. Ток разряда изменялся в диапазоне 5-150 мА.
Рис. 8. ПК в вакуумной камере.
1-ПК, 2-изолятор, 3-вакуумная
камера, 4-диффузионный насос, 5-
ввод аргона, 6,7-термопарные
лампы, 8-ионизационная лампа, 9-
вход в масс-анализатор, 10-
форвакуумная линия.
При низком давлении в вакуумной камере (0.001Па) напряжение на катоде
максимально. При увеличении давления до 1 Па (аргон вводился через дно ПК)
напряжение начинает уменьшаться, в полости катода возникает слабое свечение темного
катодного пространства, на оси катода возникает узкий электронный луч, а в вакуумной
камере наблюдается слабое отрицательное свечение - протекает высоковольтный разряд.
При дальнейшем увеличении давления напряжение на катоде резко падает до 0.4-
0.5 кВ (рис. 2, кривая 1), в катодной полости возникает отрицательное свечение,
отделенное от внутренних стенок катода тонким слоем темного катодного пространства,
разряд переходит в низковольтную стадию. Интенсивный разряд горит в катодной
полости, слабое свечение заполняет весь объем вакуумной камеры.
Ионная компонента плазменного свечения вытягивалась из вакуумной камеры и
анализировалась в масс-анализаторе с разрешающей способностью 1500. На рис. 9
представлен полученный масс-спектр.
0
20
40
60
80
100
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
И
н
т
е
н
с
и
в
н
о
с
т
ь
Массовое число
Рис. 9. Масс-спектр остаточного
газа в вакуумной камере.
Наиболее интенсивные линии масс-спектра – это линии аргона
40
Ar
+
, воды Н
2
О и ее
составляющих О, ОН, Н
3
О с м/е=40, 16, 17, 18, 19, углеводородов С
n
H
m
с м/е=27, 44, 45, и
составляющих воздуха с м/е=28, 29, 30, 32. Причем интенсивность линий воды и
углеводородов одного порядка, а в некоторых случаях бывает выше, чем интенсивность
линии аргона. При увеличении чувствительности регистрирующей системы масс-
спектрометра углеводородные линии большой или
малой интенсивности можно
обнаружить почти на каждом массовом числе вплоть до м/е 200. Это загрязнения
внутренних поверхностей вакуумной камеры. Пленки воды всегда покрывают
поверхности всех деталей после их очистки в различных растворах. Для их устранения
необходим длительный прогрев деталей до нескольких сотен градусов в сочетании со
сверхвысоковакуумной откачкой. Пары углеводородов также проникают в вакуумную
камеру из форвакуумных и высоковакуумных насосов, из атмосферы. При бомбардировке
электронами легкие углеводороды полимеризуются и их удаление даже при прогреве
камеры затруднительно. Плазма, которая находится в вакуумной камере, «лижет»
внутренние поверхности камеры, при этом ионы аргона распыляют слабо связанные с
поверхностью адсорбированные атомы и молекулы. Очевидно, молекулы воды и
углеводородов десорбируются с внутренней поверхности вакуумной камеры. Смешиваясь
с аргоном, они заполняют вакуумный объем.
Если на вершине обычного ПК укрепить колпачок с отверстием на вершине (рис.
10), то pV – характеристика ПК сдвигается по оси абсцисс в сторону меньших давлений.
Проведенные эксперименты показали, что при наличии колпачка на ПК давление газа в
катодной полости всегда выше, чем вне ее. На рис. 4, кривая 2 приведена pV-
характеристика ПК с колпачком, диаметр отверстия в котором составляет 15 мм (при
внутреннем диаметре ПК 20 мм).
Рис. 10. (pV) характеристики ПК. 1-
обычный ПК, 2-5 (pV)-характеристики для ПК с отверстием в колпачке. 2-диаметр
отверстия 15 мм, 3-диаметр отверстия 10 мм, 4-диаметр отверстия 6 мм, 5-диаметр
отверстия 3 мм.
Даже такое большое отверстие позволяет в 3-4 раза улучшить вакуум в камере.
Кривая 3 относится к ПК с колпачком с диаметром отверстия 10 мм, кривая 4 относится к
ПК с колпачком с диаметром отверстия 6 мм, кривая 5 к ПК с колпачком с диаметром
отверстия 4 мм. Т.е. при наличии колпачка на вершине ПК вакуум в вакуумной камере
может быть улучшен до 0.03-0.04 Па. В то же время давление газа в катодной полости,
которое контролируется термопарной лампой 6 (рис. 8) не зависит от диаметра отверстия
в колпачке и определяется скоростью натекания аргона в катодную полость. Дальнейшее
уменьшение диаметра отверстия на величину вакуума в вакуумной камере не оказывает
влияния. Тлеющий разряд сосредоточен в катодной полости. При низком давлении в
вакуумной камере из отверстия в колпачке выходит широко расходящийся плазменный
факел, при уменьшении давления его расходимость уменьшается, он трансформируется в
плазменную струю голубого цвета. Эта плазменная струя является источником электронов
и ионов.
Рис.11. ПК с колпачком. 1-катодная полость, 2-
колпачок, 3-плазменный «пузырь», 4-ввод
аргона.
Перепад давлений между катодной полостью и вакуумной камерой составляет
приблизительно три порядка. Причиной такого перепада давлений является плазменный
пузырь, который образуется в катодной полости непосредственно перед отверстием. Этот
пузырь является плазменной пробкой (рис. 12), которая препятствует проникновению
плазмообразующего газа из катодной полости в вакуумную камеру. Размеры плазменного
пузыря близки к размерам отверстия. Его можно наблюдать через смотровое окно в
вакуумной камере. Благодаря плазменной пробке можно на один-два порядка уменьшить
скорость ввода аргона в катодную полость. Форма отверстия в колпачке не играет роли.
Также несущественно, выпуклый колпачок, вогнутый или плоский.
Плазменная пробка разрушается, если ПК поместить в продольное магнитное поле.
Если в колпачке сделать несколько отверстий, то плазменная пробка образуется лишь в
одном из них. Выбор отверстия определяется, по-видимому, геометрией отверстия.
Улучшение вакуума в вакуумном объеме радикально сказалось и на структуре
масс-спектра. Интенсивность линий воды и углеводородов уменьшилась на два-три
порядка (рис. 12). Это позволяет проводить обработку материалов заряженными
частицами в гораздо более чистых условиях.
0
20
40
60
80
100
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
I
n
t
e
n
s
it
y
Mass number
Рис. 12. Уменьшение фона в масс-спектре при использовании ПК с плазменной пробкой
на его вершине.
Таким образом обнаружен эффект образования плазменной пробки в полом катоде,
на вершине которого установлен колпачок с отверстием. Плазменная пробка обеспечивает
перепад давлений до трех порядков величины между катодной полостью и вакуумной
камерой.
Литература.
1. F.W. Aston, Nobel Lectures, Chemistry 1922-1941, Elsevier Publishing Company,
Amsterdam, 1966, P. 7.
2.A.J. Dempster. A New Method of Positive Ray Analysis // Phys. Rev. 1918. -Vol. 11,
N4.-P. 316-325.
3. Кравцов В.А. Массы атомов и энергии связи ядер. М.: Атомиздат, 1974 г., с. 344.
4. H. E. Beske, A. Hurrle and K. P. Jochum (1981). "Part I. Principles of spark source
mass spectrometry (SSMS)". Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 309 (4): 258-261.
doi:10.1007/BF00488596.
5. J. W. Coburn
1
and Eric Kay Positive‐ion bombardment of substrates in rf diode glow
discharge sputtering. J. Appl. Phys. 43, 4965 (1972);
J. W. Coburn, W. W. Harrison, Appl. Spectrosc. Rev., 1981, 17, 95.
6. Физика и технология источников ионов. Под ред. Я. Брауна. Пер. с англ. – М.:
Мир, 1998, - 496.
7. Ганеев А.А., Кузьменков М.А., Потапов С.В., Дробышев А.И., Воронов М.В.
Анализ твердотельных образцов с ионизацией пробы в импульсном разряде в
комбинированном полом катоде и время-пролетным детектированием ионов // Масс-
спектрометрия. 2006. №3. С.185.
8. Г.Г.Сихарулидзе. Способ анализа твердых тел с помощью ионного источника
тлеющего разряда с полым катодом. Патент №2174676, 2000.
9. М.Д.Габович. Плазменные источники ионов. Киев: «Наукова думка», 1964, 224.
10. Г.Ф.Ивановский, В.И.Петров. Ионно-плазменная обработка материалов. – М.:
Радио и связь, 1986, - 232.
11. Б.И.Москалев. Разряд с полым катодом. М.: «Энергия», 1969, 184.
12. С.И.Молоковский, А.Д.Сухов. Интенсивные электронные и ионные пучки. М:
Энергоатомиздат, 1991.
Информация о работе Элементный анализ в масс-спектрометрии тлеющего разряда