分壓力質(zhì)譜計的校準

　　20世紀80年代以來，隨著質(zhì)譜分析技術(shù)在科學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域中與日俱增的應(yīng)用，許多方面都提出了定量數(shù)據(jù)的要求。隨之而來的是國際上對分壓力質(zhì)譜計校準技術(shù)研究的高度重視。從1985年召開的首屆國際分壓力質(zhì)譜計校準專題討論會來看，美國、加拿大、英國、奧地利、德國、意大利和日本等在進行這方面的研究，尤其是美國真空學(xué)會還在1993年發(fā)布了新的質(zhì)譜計校準推薦方法。從20世紀90年代，我國清華大學(xué)和蘭州物理研究所也相繼開展了分壓力質(zhì)譜計校準技術(shù)研究。

　　分壓力質(zhì)譜計校準技術(shù)是目前真空計量學(xué)沒有完全解決的一個難題，仍處于發(fā)展之中。一般來說，質(zhì)譜計測量結(jié)果的精度依賴于兩個因素：第一是校準過程中使用的參考標準的精度和校準系統(tǒng)的適用性；第二是質(zhì)譜計本身的性能。由此看來，分壓力質(zhì)譜計校準技術(shù)研究應(yīng)包括校準系統(tǒng)的研制、校準技術(shù)研究和質(zhì)譜計的計量學(xué)特性研究。

1、分壓力質(zhì)譜計的調(diào)整

　　分壓力質(zhì)譜計的離子源要浸入被測氣體中，因此通常要對靈敏度、質(zhì)量范圍和分辨本領(lǐng)進行優(yōu)化設(shè)計。

　　質(zhì)譜計的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要作大量調(diào)整工作，一般允許操作者進行調(diào)整的參數(shù)范圍比較寬。在許多日常應(yīng)用或半定量分析中，采用生產(chǎn)廠家調(diào)整的參數(shù)就足夠了，但在一些嚴格的應(yīng)用場合，必須進行現(xiàn)場調(diào)整。在高精度分析中，操作者要調(diào)整掃描速度。靜電計阻尼、質(zhì)量刻度、分辨本領(lǐng)、離子源電壓和發(fā)射電流等參數(shù)。經(jīng)驗豐富的操作者通過調(diào)整優(yōu)化質(zhì)譜計的性能，但調(diào)整參數(shù)會影響質(zhì)譜計的定量輸出，因此，參數(shù)的調(diào)整必須在下一次校準前，質(zhì)譜計有足夠長的時間保持熱穩(wěn)定和電子線路穩(wěn)定。在良好的工作狀態(tài)下，質(zhì)譜計的輸出信號與掃描模式無關(guān)，即在所有顯示模式下，輸出信號的大小不變。在實際使用過程中，只要質(zhì)譜計的工作條件與校準時一致，即可保證數(shù)據(jù)的一致性和重復(fù)性。

　　許多質(zhì)譜計的電子線路單元由計算機控制，并且具有多種掃描模式和數(shù)據(jù)顯示方式。一些質(zhì)譜計還應(yīng)用了許多修正因子，有些甚至利用矩陣技術(shù)進行質(zhì)譜分析。操作者應(yīng)該注意，如果不及時更新有關(guān)數(shù)據(jù)，質(zhì)譜計可能會給出錯誤結(jié)果，例如質(zhì)譜庫中的靈敏度和圖樣系數(shù)應(yīng)通過最新的校準數(shù)據(jù)加以更新。

2、校準前檢查

　　質(zhì)譜計的傳感器必須清潔且狀態(tài)完好。雖然燈絲變色和變形是正常的，但必須檢查離子源是否有嚴重地黑色物質(zhì)積累。輕微的污染可通過真空烘烤清除，如果傳感器嚴重污染，則不能進行校準，必須首先拆開離子源進行清洗。當(dāng)通常的烘烤不能清除污染物時，用輝光放電清洗方法可有效清除碳氫化合物和水蒸氣。

　　質(zhì)譜計要正確安裝和接地，以避免錯誤連接、電子干擾和機械振動引起的噪聲。將真空系統(tǒng)和電子線路共地連接，往往會降低地線松動由電源引起的噪聲。

　　檢查峰形是否良好，如果峰的頂部出現(xiàn)不規(guī)則畸變，應(yīng)對質(zhì)譜計進行調(diào)整。離子能量和聚焦電壓對峰形的影響最大，傳感器的污染通常也是峰形畸變的原因之一。

　　檢查離子流信號是否穩(wěn)定，在一定掃描速度下，離子流信號的重復(fù)性應(yīng)在1%~5%以內(nèi)。如果連續(xù)監(jiān)測某個單峰，其峰高比掃描時檢測到的該峰的峰高大，則掃描速度太快或靜電計時間常數(shù)太長。掃描速度越快，由于靜電計時間常數(shù)的影響，峰的幅度越小。用法拉第筒時，掃描速度應(yīng)比用二次電子倍增器(SEM)時慢。SEM增益的不穩(wěn)定性有時在掃描和監(jiān)測模式下給出不同的峰高。將靈敏度校準時和實際應(yīng)用時峰高的測量結(jié)果進行比較非常重要。傳感器的污染和電子線路的缺陷通常是引起法拉第筒或SEM 信號不穩(wěn)定的原因，有時在真空下對傳感器進行烘烤可消除污染影響。

　　為了達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，傳感器必須預(yù)熱(燈絲和電子線路)對傳感器的穩(wěn)定性的要求取決于所需的測量精度和傳感器固有的穩(wěn)定性。然而，對于一個質(zhì)譜計， 從打開電源到進入正常工作溫度，傳感器至少需要幾個小時的預(yù)熱時間，如果長期使用，質(zhì)譜計應(yīng)該連續(xù)工作。此外，傳感器從350℃或400℃的烘烤溫度降至正常工作溫度也需要6個小時。

　　質(zhì)譜計不可能在整個參數(shù)范圍內(nèi)都處于良好的工作狀態(tài)，因此，要進行必要的調(diào)節(jié)，對質(zhì)譜計的任何調(diào)節(jié)要按生產(chǎn)廠家的推薦程序進行。

3、校準裝置

　　校準分壓力質(zhì)譜計采用下列四種校準方法：

　�、僦苯颖葘Ψǎ嘿|(zhì)譜計讀數(shù)與參考標準規(guī)讀數(shù)直接比對。

　�、� 壓力衰減法：通過限流孔進行壓力衰減后，質(zhì)譜計讀數(shù)與參考標準規(guī)讀數(shù)間接比對。

　�、坌】琢鲗�(dǎo)法：質(zhì)譜計輸出與小孔流導(dǎo)法校準裝置產(chǎn)生的校準壓力比對。

　�、茉�位置校準法：質(zhì)譜計對已知氣體流量的響應(yīng)。

　　前三種校準方法可以設(shè)計相應(yīng)的校準裝置來完成。第四種方法要求校準時的抽速與使用時的抽速相同，一般指質(zhì)譜計的原位置校準。

　　校準裝置必須在校準室中產(chǎn)生已知的氣體壓力，為此目的，校準室的幾何結(jié)構(gòu)、 氣體注入口和抽氣口必須按對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便在測量區(qū)域內(nèi)壓力相等，由出氣和其它氣源造成的本底氣體應(yīng)僅可能小。為了滿足這些要求，推薦采用下列設(shè)計原則。

　　校準室應(yīng)為正圓柱形，長度與直徑之比在0.5~2.01之間，校準室也可以采用球形結(jié)構(gòu)。校準室通過一個小孔連續(xù)抽氣，小孔位于校準室一端的中心部位，小孔的直徑不應(yīng)大于校準室直徑或長度的10%。對于氮氣，小孔的流導(dǎo)在室溫下不應(yīng)小于10L/s。如果用單個小孔不方便，也可以用多個小孔代替，多個小孔的面積之和應(yīng)與用單個小孔時面積相同， 這些小孔在一半徑內(nèi)軸對稱分布，而且半徑不大于校準室直徑的10%。質(zhì)譜計的傳感器和參考標準規(guī)(如果使用)的接口位于圓柱的壁上，與抽氣小孔之間的距離至少是小孔直徑的5倍。如果有多個接口，要避免測量儀器之間的相互干擾，接口之間成直角狀態(tài)比較理想。讓所有接口的軸線都處在與圓柱軸線相垂直的同一平面內(nèi)是最佳的，但如果抽氣小孔很小，則沒有必要這樣排列。

　　制作壓力分布比較均勻的校準室的一個經(jīng)濟途徑是采用標準UHV四通或六通接頭。質(zhì)譜計和參考標準規(guī)對稱安裝在接頭的壁上。氣體入口位于頂部，抽氣口位于底部。抽氣口可以是校準室下部與泵連接處密封墊圈的一部分。

　　校準室用金屬材料制作，最好用不銹鋼制作�？刹鹦睹芊獠牧弦灿媒饘�，以便降低出氣量。不是所有應(yīng)用都要求烘烤以獲得較低的本底壓力，但烘烤經(jīng)常很有用。如果進行烘烤，校準室和所用儀器要均勻加熱，以免形成局部氣源。烘烤溫度和時間取決于所需的本底壓力，無論如何，在校準前，校準裝置和測量儀器必須達到一個穩(wěn)定的平衡溫度，這一點非常重要。

　　校準氣體要沿軸線方向直接進入校準室。由于一個長管發(fā)射出來的氣體分子會形成束流，因此，在氣體入口處， 要采取一些散流措施，如在氣體入口的前面放置一擋板可使氣體分子散射而變成隨機運動。

　　對所有校準氣體，泵的抽速至少應(yīng)是抽氣小孔流導(dǎo)的10倍。小孔的流導(dǎo)與氣體分子量的平方根成反比，因此，當(dāng)用氫和氦等相對較輕的氣體校準時，校準裝置的抽氣能力應(yīng)相對較大。除抽氣能力外，抽氣系統(tǒng)還應(yīng)該保證在校準室中獲得足夠低的本底壓力，本底壓力至少比最小校準壓力低一個數(shù)量級。抽氣系統(tǒng)還不能引入有害的污染物，選用抽速適當(dāng)?shù)臏u輪分子泵作為主泵通常可滿足要求，但其它種類的泵也可選用。