Фарвитрон

По принципу действия фарвитрон несколько напоминает омегатрон. И в том, и в другом приборе имеется высокочастотное поле, частота которого определяет резонансные массы регистрируемых ионов, но в омегатроне колебательные движения ионов достигаются благодаря применению магнитного поля, а в фарвитроне это происходит с помощью электростатического поля. В фарвитроне удалось устранить недостатки, присущие омегатрону, — неудобство применения громоздкого постоянного магнита и малую скорость записи масс-спектра. Однако фарвитрон применяется при газовом анализе пока лишь для качественного изучения быстро изменяющихся процессов, в то время как омегатрон пригоден и для количественных измерений.

Принцип действия фарвитрона основан на разделении ионов различных масс с помощью только электрических полей 132— 1341.

Аналогом принципа действия фарвитрона может быть известный пример из механики. Если заставить шарик свободно двигаться по желобу, имеющему форму параболы, то он будет совершать колебания с определенной частотой, не зависящей от амплитуды.

Действительно, полная энергия шарика U_a в точке х равна (рис. 8. 17)

Решая это уравнение относительно х, получим

датчика хронотрона. Длина трубы дрейфа у этого датчика 400 мм_; ионный пучок регистрируется электронным умножителем.

Работа хронотрона МСХ-ЗА может осуществляться в трех следующих режимах:

а) непрерывной регистрации спектра с временным разрешением при киносъемке с экрана до 0,03 сек и с регистрацией времени съемки каждого кадра кинопленки относительно начала изучаемого явления;

б) однократной регистрации спектра масс с длительностью интервала времени анализа 4—60 мксек при задержке относительно начала изучаемого явления 2,5-10^-4 сек;

в) строчной развертки с раздельной регистрацией на одном кадре фотопленки шести разверток спектра масс, разделенных интервалами 33-10⁵сек, при задержке относительно начала изучаемого явления до 8-10³ сек.

В камере б ионы теряют свою энергию, и с момента, когда кинетическая энергия ионов будет скомпенсирована электрическим полем, ионы начнут движение в обратном направлении. Таким образом, если в прибор ввести импульс ионов, то возникнут колебания

Следовательно, под действием силы тяжести в идеальном случае при отсутствии сил трения шарик будет колебаться сколь угодно долго с частотой, определяемой его собственной массой. Поэтому, если создать электрическое поле параболической формы и ввести в него ионы разных масс, то последние будут вынуждены совершать колебания с различной частотой. На этом принципе и основана работа фарвитрона.

Конструкция фарвитрона схематически изображена на рис. 8. 18. Электронный ток, эмиттируемый вольфрамовым катодом 1, ускоряется сеткой 3 и производит ионизацию газа в камере а. Значение электронного тока регулируется напряжением на электроде 2. Возникающие в камере а ионы ускоряются напряжением электрического поля, приложенным к электродам 4 и 5. Далее ионы попадают в пролетное пространство 6, где происходит их разделение по массам за счет различия скоростей. После прохождения пролетного пространства ионы попадают в тормозящее поле, создаваемое электродами 7 и 8. Электрическое поле между сетками 4—5 и 7—8 выбрано так, что распределение потенциала вдоль оси прибора в этих последних, причем каждая группа ионов одинаковой массы будет колебаться с частотой, определяемой массовым числом. Если теперь импульсно вводить новые порции ионов в фазе с колебаниями ионов определенной массы, то количество последних в образовавшемся колеблющемся сгустке будет увеличиваться, а в цепи электрода 9 возникает наведенный ток.

При данной частоте посылок импульсов ионов условия синфазности соблюдаются только для определенного массового числа. Поэтому ток, наведенный данным ионным сгустком в цепи электрода 9, усиливается. Так как для ионов с другими массами условия синфазности поступления новых порций ионов не соблюдаются, то ясно, что наведенный от их колебания ток уменьшится, создавая слабый фон.

Синфазное поступление ионов в данной конструкции фарви-трона осуществляется подачей импульса, отпирающего напряжения на диафрагме 2. Частота следования импульса напряжения должна соответствовать частоте колебаний ионов определяемой массы. Изменением частоты отпирания электронного луча, ионизирующего газы в камере а, создаются последовательно условия для усиления колеблющихся пакетов ионов с различными массами. При этом в цепи электрода 9 создается наведенный ток с частотой, соответствующей в данный момент времени условиям колебания усиленного пакета ионов, для массового числа которых соблюдены указанные выше условия.

Произведя развертку по частоте, можно наблюдать в цепи электрода 9 импульсы напряжения, возникающие на сопротивлении нагрузки, пропорциональные количеству ионов данной массы. После соответствующего усиления эти импульсы напряжения могут быть поданы на вертикальные пластины электроннолучевой трубки. На горизонтальные пластины в этом случае подается напряжение развертки, соответствующим образом синхронизированное с изменением частоты отпирания электронного луча в фарвитроне. Измерительная схема прибора упрощается ввиду возможности использования усилителя переменного тока.

Разрешающая способность фарвитрона в первом приближении пропорциональна отношению амплитуд постоянного и переменного напряжений. Она ограничивается опасностью пробоев между электродами с ростом постоянного напряжения и увеличением рассеивания ионов вследствие уменьшения переменного напряжения.

Существующие конструкции фарвитрона имеют разрешающую способность около 20. Фарвитрон может работать в диапазоне давлений 10^-8-н10⁵ мм рт. ст. В этом случае им могут быть зарегистрированы все компоненты остаточных газов, имеющие величину не менее 3% от общего давления при абсолютном давлении не ниже 1 • 10⁹ мм рт. ст. В области высоких давлений работоспособность фарвитрона ограничена возникновением пространственного заряда ионов и уменьшением их длины свободного пробега, а при низких давлениях — фоном других ионов и чувствительностью измерительной аппаратуры. Фарвитрон не пригоден для количественного измерения давления, так как величина наведенного сигнального напряжения определяется эффектом объемного заряда ионов и не имеет линейной зависимости от давления. Кроме того, в процессе работы прибора в его спектре возникают фиктивные линии, соответствующие массовым числам, которые в 4 раза больше или меньше измеряемой массы.

Величина пиков этих ложных масс не превышает 20% от основного пика. Например, для азота этими ложными пиками будут пики, соответствующие массовым числам 7 = 28 : 4 и 112 = 28-4.

Несмотря на невысокую разрешающую способность, фарвитрон находит широкое применение в вакуумной технике в связи с простотой конструкции и возможностью анализа быстро изменяющихся процессов. Особенно целесообразно его использование в системах, где известен качественный состав остаточных газов, например на откачных постах в электровакуумном производстве.

В 1953 г. Пауль и Штейнведель 133—134 дали описание масс-спектрометра, получившего название электрического фильтра масс. Прибор предназначался для разделения изотопов и был длиной около 3 м. В таком виде его нельзя было применять для определения состава газов в вакуумных системах. Позднее Гюнтер

135—137 изготовил прибор, пригодный для определения парциальных давлений газов с разрешающей способностью 100. Конструкция этого прибора показана на рис. 8. 19. Ионный пучок из источника ионов 1 через входную диафрагму 2 вытягивается ускоряющим напряжением в камеру анализатора 3. В камере анализатора расположены четыре металлических стержня гиперболического или круглого сечения. Расстояния между стержнями по осям х и у равны друг другу и составляют 2г₀. За камерой анализатора располагается выходная диафрагма 4 и коллектор ионов 5. К стержням анализатора прикладывают постоянное U и переменное V cos со/ напряжения при таком соединении стержней, как указано на рисунке. В результате разность потенциалов Е между соседними стержнями имеет вид: