Gas analysis and mas spectrometers banner

การเกิดไอออนคืออะไร และจะวัดความดันบางส่วนได้อย่างไร?

แชร์ผ่าน

การเกิดไอออนและปัญหาพื้นฐานในการวิเคราะห์ก๊าซ

การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดในระบบการแยก ("การสแกน") ทําให้เกิดความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของไอออน I+ และ "จํานวนอะตอม" ซึ่งเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วน m/e และแสดงเป็น:

(4.2)

(M_r = มวลโมลาร์สัมพัทธ์, n_e = จํานวนประจุธาตุ e)

นี่คือสเปกตรัมมวลที่เรียกว่า i_⁺ = i ⁺ (M) ดังนั้นสเปกตรัมจึงแสดงค่ายอด i+ เป็นพิกัดที่พล็อตเทียบกับหมายเลขอะตอม M ตามแนวขวาง หนึ่งในความยากลําบากในการตีความสเปกตรัมมวลดังกล่าวเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่ามวลเดียวกันตามสมการ (4.2) อาจเกี่ยวข้องกับไอออนต่างๆ ตัวอย่างทั่วไป รวมถึงตัวอย่างอื่นๆ อีกมากมาย ได้แก่: จํานวนอะตอม M = 16 สอดคล้องกับ CH₄ ⁺ และ O₂ ⁺⁺; M = 28 สําหรับ CO ⁺, N₂ ⁺ และ C₂ H ⁺! ดังนั้นจึงต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับประเด็นต่อไปนี้เมื่อประเมินสเปกตรัม:

1) ในกรณีของไอโซโทป เรากําลังจัดการกับจํานวนโพซิตรอนที่แตกต่างกันในนิวเคลียส (มวล) ของไอออนที่หมายเลขประจุนิวเคลียสที่เหมือนกัน (ประเภทก๊าซ) ค่าบางค่าสําหรับความถี่ไอโซโทปสัมพัทธ์ถูกรวบรวมไว้ในตาราง 4.2

ตาราง 4.2 ความถี่สัมพัทธ์ของไอโซโทป

2) อิออนอาจเกิดการเกิดไอออนเพียงครั้งเดียวหรือหลายครั้ง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีผลกระทบ (เท่ากับความแตกต่างศักย์ไฟฟ้า แคโทด - อาโนด) ตัวอย่างเช่น หนึ่งจะพบ A_r ⁺ที่มวล 40, A_r ⁺⁺ที่มวล 20 และ A_r ⁺⁺⁺ที่มวล 13.3 อย่างไรก็ตาม ที่มวล 20 หนึ่งจะพบนีออน Ne ⁺ มีระดับพลังงานขีดจํากัดสําหรับอิเล็กตรอนที่ส่งผลกระทบสําหรับสถานะการเกิดไอออนสําหรับก๊าซทุกประเภท, กล่าวคือ ไอออนแต่ละประเภทสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะเหนือเกณฑ์พลังงานที่เกี่ยวข้องเท่านั้น ซึ่งแสดงไว้สําหรับ A_r ในรูปที่ 4.13.

รูปที่ 4.13 จํานวนของ Ar ไอออนต่างๆ ที่ผลิตขึ้นเป็นปัจจัยของระดับพลังงานอิเล็กตรอน

3) การเกิดไอออนแบบจําเพาะของก๊าซต่าง ๆ ก๊าซ S _{ซึ่งเป็นจํานวนไอออนที่เกิดขึ้นต่อซม. และ mbar จากการชนกับอิเล็กตรอน} ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามประเภทของก๊าซ สําหรับก๊าซส่วนใหญ่ ผลผลิตไอออนจะมากที่สุดที่ระดับพลังงานอิเล็กตรอนระหว่างประมาณ 80 และ 110 eV ดูรูปที่ 4.14.
ในทางปฏิบัติ อัตราการเกิดไอออนที่แตกต่างกันสําหรับก๊าซแต่ละชนิดจะถูกนํามาพิจารณาโดยการกําหนดมาตรฐานเทียบกับก๊าซไนโตรเจน ความน่าจะเป็นของการเกิดไอออนสัมพัทธ์ (RIP) ที่สัมพันธ์กับก๊าซไนโตรเจนจะถูกระบุ (ตาราง 4.3)

รูปที่ 4.14 การเกิดไอออนแบบจําเพาะ S สําหรับก๊าซต่างๆ โดยอิเล็กตรอนที่แสดงระดับพลังงาน E

ตาราง 4.3 ความน่าจะเป็นของการเกิดไอออนสัมพัทธ์ (RIP) เมื่อเทียบกับไนโตรเจน, พลังงานอิเล็กตรอน 102 eV

4) สุดท้าย โมเลกุลก๊าซมักจะแตกออกเป็นชิ้นเล็กๆ โดยการเกิดไอออน รูปแบบการกระจายของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นดังกล่าวคือสเปกตรัมที่เรียกว่าลักษณะเฉพาะ (ลายนิ้วมือ, รูปแบบการแตกร้าว) สิ่งสําคัญ: ในตาราง ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นที่ระบุจะถูกกําหนดมาตรฐานโดยเทียบกับค่าสูงสุด (เป็น % หรือ ‰ ของค่าสูงสุด) หรือเทียบกับค่าสูงสุดทั้งหมด (ดูตัวอย่างในตาราง 4.4)

ตาราง 4.4 การกระจายของชิ้นส่วนสําหรับก๊าซบางชนิดที่ 75 eV และ 102 eV

ทั้งลักษณะของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นและความเป็นไปได้ของการเกิดไอออนหลายครั้งจะขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิต (จํานวนไอออนที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นทางการเกิดไอออน) และพลังงานของอิเล็กตรอนที่ส่งผลกระทบ (พลังงานขีดจํากัดสําหรับไอออนบางประเภท) ค่าในตารางจะอ้างอิงถึงแหล่งไอออนที่เฉพาะเจาะจงที่มีระดับพลังงานอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงเสมอ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องยากที่จะเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้อุปกรณ์จากผู้ผลิตรายต่างๆ

บ่อยครั้งที่ความดันบางส่วนที่เป็นไปได้สําหรับมวลหนึ่งที่เกี่ยวข้องจะถูกประมาณโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมวิกฤต ดังนั้น การมีอยู่ของอากาศในภาชนะสุญญากาศ (ซึ่งอาจบ่งชี้ถึงการรั่วไหล) จะแสดงออกมาโดยการตรวจจับปริมาณของ O₂ ⁺ (ที่มีมวล 32) ซึ่งประมาณหนึ่งในสี่ของส่วนของ N₂ ⁺ ที่มีมวล 28 ในทางกลับกัน หากไม่พบออกซิเจนในสเปกตรัม ค่าสูงสุดที่เลขอะตอม 28 จะบ่งชี้ถึงคาร์บอนมอนอกไซด์ ในขอบเขตที่ค่าสูงสุดที่เลขอะตอม 28 สะท้อนถึง CO ⁺ ชิ้นส่วนของ CO₂ (เลขอะตอม 44) ส่วนแบ่งนี้คือ 11 % ของค่าที่วัดได้สําหรับเลขอะตอม 44 (ตาราง 4.5) ในทางกลับกัน ในทุกกรณีที่มีไนโตรเจน จะพบเลขอะตอม 14 (N₂ ⁺⁺ ) เสมอในสเปกตรัมนอกเหนือจากเลขอะตอม 28 (N₂ ⁺ ); ในกรณีของคาร์บอนมอนอกไซด์ ในทางกลับกัน จะปรากฏ - นอกเหนือจาก CO ⁺ - มวลชิ้นส่วนของ 12 (C ₊ ) และ 16 (O₂ ⁺⁺ )) เสมอ)
ภาพที่ 4.15 ใช้ตัวอย่างที่เรียบง่ายของ "สเปกตรัมแบบจําลอง" ที่มีการซ้อนทับของไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไอน้ํา คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ นีโอน และอาร์กอน เพื่อแสดงให้เห็นถึงความยากที่เกี่ยวข้องในการประเมินสเปกตรัม

ตาราง 4.5 คลังสเปกตรัมของค่าสูงสุด 6 ค่าสําหรับ TRANSPECTOR

รูปที่ 4.15 สเปกตรัมแบบจําลอง

ปัญหาในการประเมินผล: ค่าสูงสุดที่เลขอะตอม 16 อาจเป็นผลมาจากชิ้นส่วนออกซิเจนที่เกิดจาก O₂, H₂, O, CO₂ และ CO; ค่าสูงสุดที่เลขอะตอม 28 จากการมีส่วนร่วมของ N₂ รวมทั้งโดย CO และ CO เป็นชิ้นส่วนของ CO₂; ค่าสูงสุดที่เลขอะตอม 20 อาจเป็นผลมาจาก Ne ที่เกิดไอออนเดี่ยวและ Ar ที่เกิดไอออนสองครั้ง

การวัดความดันบางส่วน

จํานวนไอออน i ⁺ _{ก๊าซที่ผลิตจากก๊าซในแหล่งกําเนิดไอออนเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมา i -, ก๊าซไอออนไนซ์เฉพาะ S, ปัจจัยเรขาคณิต f ที่แสดงเส้นทางไอออนไนซ์ภายในแหล่งกําเนิดไอออนไนซ์,} ความน่าจะเป็นของการเกิดไอออนไนซ์สัมพัทธ์ของก๊าซ RIP และแรงดันบางส่วนของก๊าซ p โดยคําจํากัดความ จํานวนไอออนที่ผลิตนี้จะเท่ากับความไวของก๊าซ E _{คูณกับแรงดันบางส่วนของก๊าซ} p:

ก๊าซเกือบทั้งหมดจะก่อตัวเป็นชิ้นส่วนในระหว่างการสร้างไอออน เพื่อให้ได้การประเมินเชิงปริมาณ ต้องเพิ่มการไหลของไอออนที่ค่ายอดที่เหมาะสม หรือวัด (ด้วยปัจจัยชิ้นส่วนที่ทราบ [FF]) ค่ายอดหนึ่งค่า และคํานวณการไหลของไอออนโดยรวมบนพื้นฐานดังกล่าว:

เพื่อรักษาจํานวนไอออนที่มาถึงตัวดักไอออน จําเป็นต้องคูณจํานวนข้างต้นด้วยปัจจัยการส่งผ่าน TF(m) ซึ่งจะขึ้นอยู่กับมวล เพื่อพิจารณาการซึมผ่านของระบบการแยกสําหรับจํานวนอะตอม m (คล้ายกับนี้ มีปัจจัยการตรวจจับสําหรับ SEMP แต่มักจะมีอยู่ใน TF อยู่แล้ว) ดังนั้นปัจจัยการส่งผ่าน (หรือการส่งผ่านแสงของไอออน) จึงเป็นค่าคูณของไอออนที่วัดและไอออนที่ผลิต

ดังนั้น

(4.3)

ความดันบางส่วนจะคํานวณจากการไหลของไอออนที่วัดได้สําหรับชิ้นส่วนหนึ่งโดยการคูณด้วยปัจจัยสองประการ ปัจจัยแรกจะขึ้นอยู่กับความไวของเครื่องตรวจจับก๊าซไนโตรเจนเท่านั้น ดังนั้นจึงเป็นค่าคงที่สําหรับอุปกรณ์ ค่าที่สองจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของไอออนเท่านั้น
ปัจจัยเหล่านี้จะต้องป้อนแยกต่างหากสําหรับหน่วยที่มีการบ่งชี้แรงดันบางส่วนโดยตรง (อย่างน้อยสําหรับประเภทไอออนที่พบได้ทั่วไปน้อยกว่า)

Blog & Wiki Evaluating spectra Vacuum Fundamentals