用于过程监测和优化产品品质的分析设备

普发真空为真空处理过程中的气体测定提供了各种不同的分析仪。从质谱仪到复杂的分析系统，在我们这里您将会找到从超高真空范围一直到大气压力的气体分析解决方案。四极杆质谱仪 PrismaPlus是气体分析最基础的设备。PrismaPlus 是一个普遍适用的质谱仪，其磁场轴技术保证了高灵敏度。它还具有高效率以及测量速度快的特点。并且 PrismaPlus 不仅仅显示各自的分压，同样也可以检测总压力。它的界面接口使这款质谱仪可以很容易地与气体色谱仪连接。紧凑的设计，模块化结构和用户友好软件 Quadera® 使其成为泄漏检测、半导体制造、玻璃镀膜、冶金化工的理想设备。另外，在研发领域也有无数的应用。普发真空为其客户在所有这些领域中提供量身定制的解决方案。当然，普发真空还提供所需的质谱仪配件，例如各种离子源阴极。

什么是质谱仪

质谱测量是一种可以用来测量原子和分子质量的方法。通过这种方式测量化学混合物成分的分压来分析化合物。待分析的物质首先被转化为气态的聚合状态并且发生电离。电场使离子加速，使得它们在其各自的质荷比基础上被分类和分离。然后测定气体各种成分的分压。每个质谱仪包括一个离子源、一个质量过滤器和一个检测器。根据所采用的质量过滤器来区分不同类型的质谱仪 。由于其广泛的应用选项，四极杆质谱仪具有可靠的测量表现。这些分析设备也经常用于真空技术。

质谱仪及其应用

四极杆质谱仪具有平行排列的四根电极杆，构成了四极场。它们的交点与平面垂直于圆柱体轴线，形成一个场（因此命名为四极）。静态电场使离子加速以后，离子飞过四极场。杆之间的四极场每次只会允许给定质量的一个粒子通过，。四极杆质谱仪提供高分辨率版本以简易版两种型号供用户用作残余气体分析。由于其频率范围宽，这类质谱仪可应用于众多领域，包括从药理学到环境分析领域。
 

四级杆质量过滤器

四极杆质谱仪的过滤系统包括四个平行排列成正方形的 杆。图 6.5 中指定了 (+) 或 (-) 的每对相反杆彼此连接在 一起。在两对杆之间，施加由直流部分 U

和振幅为 V、频率为 f=ω/2π

的交流部分组成的电压：

在这一点上，将只提供工作原理的简单现象描述。如需更详 细的描述，请参考专题文献 [29, 30, 31]。

理想的四级场需要具有双曲剖面的杆。然而，在实际应用 中，使用圆柱形杆，杆半径等于场半径 r0

的 1.144 倍（场半 径的定义参考图 6.5）。四极电场在杆之间形成。不同质量的 离子以大约相等的能量被轴向注入杆系统，并以匀速移动通 过杆系统。所施加的四级场在 X 和 Y 轴方向偏转离子，导致 离子通过质量过滤器围绕 Z 轴勾勒出螺旋轨迹。如果轨迹振荡的振幅小于场半径 r0

，则离子到达探测器； 如果振幅超过 该值，则离子将在杆或周围表面上放电，并不会通过过滤器。

要解答运动方程，引入两个无因次变量 a

和 q、其结合了四级杆参数（直流电压 U、交流振幅V、场半径 r0、角频率ω=2πf）和离子参数（电荷 Q=z⋅e、 质量 m=M⋅mu

)。

and

凭借这种简化，获得马修微分方程；其算法在数学中是众所 周知的，它们可用于计算具有振荡幅度 rmax<r0

的稳定轨迹 的范围，该范围用于稳定参数 a 和 q 的配对，该参数位于 图 6.6 中两条限制曲线形成的三角形之下。在该范围之 外的所有解答导致振荡幅度增加，从而导致四级杆过滤器杆 上的离子中和。用这两个方程相除得出： a/q=2U/V

. 这是 质量过滤器所谓负载线的斜率。

在界限处，负载线与峰值相交，峰值： ap

= 0.237 和 qp

= 0.706。

四级杆过滤器显然仅适用于电压比 UV=ap2⋅qp

< 0.1678

即：负载线与稳定性范围相交。参数 a

和 q

在三角形之内、 在负载线之上的所有离子将到达探测器。

引入比率 mu/e

，其是原子质量单位 mu = 1.6605 · 10-27 kg 和基本电荷 e = 1.6022 · 10-19 A · s ein (mu/e =1.0365 · 10-8 kg A-1 s-1) a之比，并用该比率乘以相应离子的无因次质量数 M 求 出稳定性三角形（具有常数 ku = 1.2122 · 10-8 kg A-1 s-1 和 kv = 7.2226 · 10-8 kg A-1 s-1）顶点的电压 Up 和 Vp

满足以下条件：

稳定性条件显示，在固定频率下，四级杆过滤器处的电压与 质量成正比，而且使用不同的电压振幅获得线性质量比例。

切断直流电压， U

= 0，则所有离子轨迹，其中 q

< 0.905，将是稳定的；根据 公式 6-3，这些将是全部质量，其中

其中 kH

= 1.0801 · 107 A s kg-1是一个常数。因此，过滤器 在该操作模式中充当高通滤网。由于 RF 振幅 V

增加，不断 加重类型的离子变得不稳定，从轻质量开始，从而被分离开 来。该操作模式产生积分谱，并允许进行总压测量。

离子注入条件是通过过滤器传输离子的关键。离子必须在尽 可能靠近杆系统中心的区域进入四级杆，并理想地平行于杆 轴移动。

场直径（杆之间的距离）越大，四级杆越长（杆长度），则 越容易满足这些条件。此外，几何精度（制造公差）更容易 实现更大的杆尺寸。

第 6.1.4.1 中描述了普发真空离子源转化为高透明性，从而实 现高灵敏度。

在实际操作中，其比率 U/V

激活作为质量数的原因，激活方式是实际分辨率 M/ΔM 不保持恒定，而是线宽 ΔM 保持恒 定。这意味着，分辨率与质量数成正比增加。由于公式 6-9 (V 与 M

成正比），四级杆（与扇形场质谱仪相反）产生线 性质量比例。

QMS 的重要性之一在于其所需的 RF 功率。如果 C

用于指 定系统的整体电容，且 Q

用于指定电源电路的质量因数，则 所需的 RF 功率会增加

具有高功率 f

和 r0。场半径 r0 的放大将将减少所发生的相对机械公差，从而产生改善的行为。实质上，选择的 f0 和 r0

a尽 可能的大是有利的。然而，根据Fomula 6-11，由于 RF 功率 相应增加，这是有限制的。虽然延长杆系统允许较低的操作 频率，生产单位的尺寸应该不超过一定的实际尺寸。

所需质量范围和所需分辨率是由过滤器尺寸和所选操作频率 来约束的。具有 6、8 和 16 mm 杆直径的设备和适当匹配的 电子可用于满足大多数要求。

以下是有关分辨率和机械精度之间的关系的一部分简要介 绍。让我们考虑在稳定性图表顶点工作的四级杆质量过滤 器；即具有高分辨率。以下方程公式 6-8：

U

= 1.2122 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

适用于直流振幅，公式 6-9

V

= 7.2226 · 10-8kgA⋅s⋅M⋅r20⋅f2

 

适用于直流振幅。在这里， M

表示离子质量， r0 表示场半 径， f 表示过滤器工作的频率。我们理想化地假设电压 U 和 V 以及频率 f

可以设置并保持“如描述的那样精确”。

从这得出的结果是： M=ck⋅1r20

(ck

是常数）及以下区别、除以 M和测定值、r0

导致的过 滤器散射是：

让我们假设场半径 r0

在质量过滤器长度上改变 dr0 = 0.03 mm 。现在让我们考虑这种改变对不同尺寸两种质量过 滤器散射的影响。为获得最佳传输，质谱仪上设置的分辨率 （我们选择： ΔM/M= 1/100）必须大于 r0波动产生的散 射。对于场半径为 3 mm 的过滤器，这导致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.02，即：由于不完善的几何形状妨 碍所需分辨率导致的散射。对于较大场半径为 12 mm 的过滤 器，这导致 dM/M = 2 · 0.03 mm / 3 mm = 0.005，几何形 状没有妨碍所需的分辨率。换言之：如果两个过滤器均已将 分辨率设置为 ΔM/M

 = 0.01，则在第一种情况中，大多数离 子将不能够穿过过滤器。在第二种四级杆过滤器较大的情况 下，所有离子都能够穿过过滤器。

虽然这种简化的误差计算绝不会考虑对传输造成的所有影 响，但是它确实表明了几种基本关系：

• 场半径必须保持显著高于过滤器整体长度的1 %，这取决 于所选的质量范围。场半径的波动会导致传输损耗。
• 所选杆系统的尺寸越大，绝对机械公差的影响将越低。
• 在质量范围内应对邻近的质量进行区分，质量越高，对于 质量过滤器相对精度的要求就会越严格。

总结

四级杆质量过滤器是用于正负离子的动态质量过滤器。质量 比例与所施加的 RF 电压振幅呈线性关系。质量分辨率可以 借助直流电压 U

和高频电压振幅 V 之比方便地进行电设置。 由于其尺寸小、重量轻，四级杆质谱仪既适合于作为纯粹的 残余气体分析仪，在较高质量设计中，也适合作为气体分析 的传感器。