Wat is ionisatie en hoe wordt de partiële druk gemeten?
Ionisatie en fundamentele problemen bij gasanalyse
De continue verandering van de spanningen die op de elektroden in het scheidingssysteem worden toegepast ('scanning') geeft aanleiding tot een relatie tussen de ionenstroom I+ en het 'atomisch getal' dat evenredig is met de m/e-verhouding en wordt uitgedrukt als:
(4,2)
(Mr = relatieve molaire massa, ne = aantal elementaire ladingen e)
Dit is het zogenaamde massaspectrum, i+ = i + (M). Het spectrum toont dus de pieken i+ als coördinaten, uitgetekend tegen het atoomnummer M langs de abscissa. Een van de moeilijkheden bij de interpretatie van een dergelijk massaspectrum is dat één en dezelfde massa volgens vergelijking (4,2) aan verschillende ionen kan worden gekoppeld. Typische voorbeelden zijn onder andere: het atoomgetal M = 16 komt overeen met CH4 + en O2 ++; M = 28 voor CO +, N2 + en C2 H +! Bij de evaluatie van spectra moet daarom bijzondere aandacht worden besteed aan de volgende punten:
1) Bij isotopen hebben we het over verschillende positronentellingen in de nucleus (massa) van het ion bij identieke nucleaire ladingsnummers (gastype). Enkele waarden voor de relatieve isotopenfrequentie zijn samengevat in tabel 4,2.
2) Afhankelijk van de energie van de invallende elektronen (gelijk aan het potentiaalverschil, kathode – anode), kunnen ionen afzonderlijk of vermenigvuldigd worden geïoniseerd. Bijvoorbeeld, men vindt Ar + met een massa van 40, Ar ++ met een massa van 20 en Ar +++ met een massa van 13,3. Bij een massa van 20 vindt men echter ook neon, Ne +. Er zijn drempelenergieniveaus voor de inwerkende elektronen voor alle ionisatietoestanden voor elk type gas, d.w.z. elk type ion kan alleen worden gevormd boven de bijbehorende energiedrempel. Dit is te zien voor Ar in Fig. 4,13.
Afb. 4,13 Aantal van de verschillende geproduceerde Ar-ionen als factor van het elektronenenergieniveau
3) Specifieke ionisatie van de verschillende gassen S gas, dit is het aantal ionen gevormd, per cm en mbar, door botsingen met elektronen; dit zal variëren van het ene type gas tot het andere. Voor de meeste gassen is de ionenopbrengst het grootst bij een elektronenenergieniveau tussen ongeveer 80 en 110 eV; zie Afb. 4,14.
In de praktijk zal rekening worden gehouden met de verschillende ionisatiesnelheden voor de afzonderlijke gassen door middel van standaardisatie tegen stikstof; relatieve ionisatiewaarschijnlijkheden (RIP's) ten opzichte van stikstof zullen worden aangegeven (tabel 4,3).
Afb. 4,14 Specifieke ionisatie S voor verschillende gassen door elektronen met energieniveau E
Tabel 4,3 Relatieve ionisatiewaarschijnlijkheid (RIP) ten opzichte van stikstof, elektronenenergie 102 eV
4) Tot slot worden gasmoleculen vaak door ionisatie in fragmenten afgebroken. De zo gecreëerde fragmentverdelingspatronen zijn de zogenaamde karakteristieke spectra ( vingerafdruk, scheurpatroon ). Belangrijk: in de tabellen worden de afzonderlijke gespecificeerde fragmenten gestandaardiseerd tegen de maximale piek (in % of ‰ van de hoogste piek) of tegen de som van alle pieken (zie de voorbeelden in tabel 4,4).
Zowel de aard van de gevormde fragmenten als de mogelijkheid van meervoudige ionisatie zal afhangen van de geometrie (verschillend ionengetal, afhankelijk van de lengte van het ionisatiepad) en van de energie van de inwerkende elektronen (drempelenergie voor bepaalde soorten ionen). Tabelwaarden verwijzen altijd naar een bepaalde ionenbron met een bepaald elektronenenergieniveau. Daarom is het moeilijk om de resultaten te vergelijken die zijn verkregen met apparaten van verschillende fabrikanten.
Vaak wordt de waarschijnlijke deeldruk voor een van de betrokken massa's geschat door een kritische analyse van het spectrum. De aanwezigheid van lucht in het vacuümvat (wat kan wijzen op een lek) wordt dus gemanifesteerd door de detectie van een hoeveelheid O2 + (met een massa van 32) die ongeveer een kwart van het aandeel van N2 + met zijn massa van 28 bedraagt. Als er daarentegen geen zuurstof wordt gedetecteerd in het spectrum, dan duidt de piek bij atoomnummer 28 op koolmonoxide. Voor zover de piek bij atoomnummer 28 het CO + fragment van CO2 weerspiegelt (atoomnummer 44), is dit aandeel 11 % van de gemeten waarde voor atoomnummer 44 (tabel 4,5). Anderzijds zal in alle gevallen waarin stikstof aanwezig is, naast atoomnummer 28 (N2 + ) altijd atoomnummer 14 (N2 ++ ) in het spectrum voorkomen; in het geval van koolmonoxide daarentegen zullen naast CO + altijd de fragmentaire massa's van 12 (C + ) en 16 (O2 ++ ) voorkomen.
Figuur 4,15 gebruikt een vereenvoudigd voorbeeld van een 'modelspectrum' met overlappingen van waterstof, stikstof, zuurstof, waterdamp, koolstofmonoxide, koolstofdioxide, neon en argon om de moeilijkheden bij de evaluatie van spectra aan te tonen.
Evaluatieproblemen: de piek bij atoomnummer 16 kan bijvoorbeeld te wijten zijn aan zuurstoffragmenten die voortvloeien uit O2, H2, O, CO2 en CO; de piek bij atoomnummer 28 kan voortvloeien uit bijdragen van zowel N2 als van CO en CO als een fragment van CO2; de piek bij atoomnummer 20 kan voortvloeien uit enkelvoudig geïoniseerd Ne en dubbel geïoniseerd Ar.
Deeldrukmeting
Het aantal ionen i + gas dat uit een gas in de ionenbron wordt geproduceerd, is evenredig met de emissiestroom i -, met het specifieke ionisatiegas S, met een geometrische factor f die het ionisatiepad in de ionisatiebron vertegenwoordigt, met de relatieve ionisatiewaarschijnlijkheid RIP-gasen met de partiële druk p-gas. Dit aantal geproduceerde ionen wordt per definitie gelijkgesteld aan de gevoeligheid E-gas maal de partiële druk p-gas:
Bijna alle gassen vormen fragmenten tijdens de ionisatie. Om een kwantitatieve evaluatie te verkrijgen, moet men de ionenstromen bij de passende pieken optellen of (met een bekende fragmentfactor [FF]) één piek meten en de totale ionenstroom op basis daarvan berekenen:
Om het aantal ionen dat bij de ionenvanger aankomt te behouden, is het noodzakelijk om bovenstaand getal te vermenigvuldigen met de transmissiefactor TF(m), die afhankelijk zal zijn van de massa, om rekening te houden met de permeabiliteit van het scheidingssysteem voor atoomnummer m (analoog hieraan is er de detectiefactor voor de SEMP; deze is echter vaak al in TF opgenomen). De transmissiefactor (ook: ion-optische transmissie) is dus het quotiënt van de gemeten ionen en de geproduceerde ionen.
Dus
(4,3)
De partiële druk wordt berekend uit de ionenstroom die voor een bepaald fragment wordt gemeten door deze te vermenigvuldigen met twee factoren. De eerste factor hangt alleen af van de stikstofgevoeligheid van de detector en is dus een constante voor het apparaat. De tweede hangt alleen af van de specifieke ioneneigenschappen.
Deze factoren moeten afzonderlijk worden ingevoerd voor eenheden met directe indicatie van de gedeeltelijke druk (ten minste voor minder gebruikelijke ionentypen).
Grondbeginselen van vacuümtechnologie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van vacuümtechnologie' om de basisprincipes en processen van vacuümpompen te ontdekken.
Referenties
- Vacuümsymbolen
- Verklarende woordenlijst
- Referenties en bronnen
Vacuümsymbolen
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie