Элементы расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «Фильтр масс»: Учебное пособие к курсовому проектированию, страница 10

Из выражения (84) следует, что в принципе параметры любого масс-спектрометра, в том числе и КМ, с последовательным во времени анализом спектра масс можно оценить некоторой обобщенной характеристикой (назовем ее фактором потенциальных возможностей ). Она зависит (при использовании в масс-спектрометре достаточно качественного умножителя) только от  эффективности ионного источника, трансмиссии анализатора и принятого в приборе допустимого значения отношения сигнала к шуму, вытекающего из определения чувствительности, скорости регистрации и абсолютной разрешающей способности. В рассматриваемом случае

                      .                              (85)

Величина, стоящая в правой части равенства, определяет потенциальные возможности прибора и свидетельствует о том, что при заданных  и  и оптимально выбранной полосе пропускания УПТ в соответствии с выражением (76) чувствительность не может быть выше величины, определяемой из (85). Если же необходимо повысить чувствительность, то добиться этого при заданной конструкции датчика можно уменьшением скорости регистрации или ухудшением абсолютной разрешающей способности, корректируя при этом величину полосы пропускания УПТ в соответствии с (78).

Аналогичное соотношение получается и в случае использования в качестве приемника ионов коллектора ионов. Тогда в третьем слагаемом в квадратной скобке выражения (82) необходимо положить , а второе слагаемое тождественным нулю, так как  и выражение (82) благодаря значительному превышению третьего слагаемого по сравнению с первым после преобразований примет вид:

                 .                      (86)

Сравнительный расчет, проведенный по формулам (85) и (86) при  ; Т₀=300 К; Т_у=2000 К и пФ, дал такие результаты: F₁=1,44·10^-13 (мм рт. ст.) с и F₂=4,310^-10(мм рт. ст.) с. Из определения F ясно, что чем меньше F, тем потенциальные возможности прибора больше. Результаты численного расчета F₁ и F₂ свидетельствуют о том, что применение вторичноэлектронного умножителя позволяет  поднять потенциальные возможности масс-спектрометра более, чем на три порядка (F₂/F₁=3000), что достаточно хорошо согласуется с результатами многочисленных экспериментов с динамическими, и, в частности, с квадрупольными масс-спектрометрами [7, 8, 19-22]. Чтобы иметь представление о порядках величин, например в КМ с ВЭУ, т.е. когда F₁=1,44·10^-13 (мм рт.ст.) с при а.е.м. и а.е.м./с, получим   мм рт.ст., а в КМ без умножителя и тех же  и  чувствительность будет 4,3·10^-8 мм рт.ст.

Нередко в масс-спектрометрах вынужденно применяют ВЭУ со значительным фоновым током или работают в режиме, допускающем присутствие на входе заметной хаотической составляющей ионного тока. В этом случае при достаточно большом [см. выражение (83)] и при

                                                                                      (87)

первым и третьим слагаемыми в квадратных скобках выражения (82) можно пренебречь, что приведет к следующему упрощению формулы (82):

                                    ;                                (88)

                                 .                             (89)

В отличие от выражений (85) и (86) в формуле (89) отношение  стоит по корнем. Это означает, что добавочные значительные шумы на входе ВЭУ трансформируют взаимосвязь между Р_iмин,   и  . В данном случае для получения выигрыша в чувствительности в п раз за счет изменения    или  указанные величины (  или ) должны быть улучшены в п² раз в отличие от п-кратного ухудшения  ( т.е. увеличения ) или  ( т.е. уменьшения ) в ситуациях, характеризующихся факторами F₁ (85) или F₂ (86). Другими словами, за применение сильношумящего ВЭУ или присутствие на входе ВЭУ дополнительной шумовой составляющей при малых и средних скоростях регистрации приходится платить чувствительностью или разрешением.

На рис. 7 в двойном логарифмическом масштабе представлены зависимости чувствительности от скорости регистрации при постоянной разрешающей способности  и заданных значениях         а/мм рт.ст.; а; С=10 пф; Т₀=300 K; Т_у=2000 К. На рис. 8, а и б изображены зависимости чувствительности от абсолютной разрешающей способности при малой (0,2 а.е.м./сек) и большой (1000 а.е.м./сек) скоростях регистрации, рассчитанных по формуле (82). На рис. 7 и 8, а пунктиром отложены зависимости, рассчитанные по упрощенным формулам (85) и (86). По совпадению кривых на рис. 7 и 8 можно сделать вывод о полном совпадении формул (82) и (86) в случае работы масс-спектрометра без умножителя и совпадении в широком диапазоне значений  и  кривых, рассчитанных по формулам (82) и (85). Таким образом, характеристика F, названная фактором потенциальных возможностей, действительно может служить средством для объективной оценки качества динамического масс-спектрометра, а также для сравнения возможностей масс-спектрометров разных типов, относящихся по своим характеристикам, назначению и роду работы к приборам одного класса.

 

Рис. 7. Зависимость чувствительности от скорости регистрации

при постоянной разрешающей способности , равной 1 а.е.м.

                                        а                                        б

Рис. 8. Зависимость чувствительности от абсолютной разрешающей способности при разных скоростях регистрации:

а – 0,2 а.е.м./с;  б – 1000 а.е.м./с.

Из выражений (82), (85), (86) и (89) видно, насколько важной, определяющей основные параметры масс-спектрометра характеристикой является обобщенная эффективность преобразования датчика масс-спектрометра . Она равна величине изменения тока однозарядных ионов с массой М_i, отнесенной к изменению парциального давления компонента газовой смеси (мм рт. ст.) или удельной парциальной интенсивности компонента молекулярного потока (молекул/(см²·с)) с молекулярным весом М_i. Из данного определения  следует, что