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四極質譜儀如何運作？

透過以下方式分享：

從電子衝擊離子源抽取的離子束會轉入包含四根棒形電極的四極分離系統。四根棒的橫截面會形成雙曲線的曲率圓，使得周圍電場接近雙曲線。每兩根相對的棒都會展示等電位，此為 DC 電壓與疊加高頻 AC 電壓 (圖 4.2)。施加的電壓會在棒之間導致穿過中心的離子發生橫向振盪。幾乎所有振盪的振幅都會逐漸增加，使得離子最終與棒接觸；只有具有特定質量對電荷比例 m/e 的離子才會滿足允許通過系統的共振條件。從分離系統逸出之後，離子會移至離子阱 (偵測器，法拉第杯)，其也可能採用二次電子倍增器拾取 (SEMP) 的形式。

圖 4.2 四極質譜儀的示意圖。

屏蔽板
陰極
陽極
聚焦板 (extractor 隔膜)
離子源射出隔膜 (總壓力測量)
四極射出隔膜

傳感器與分離系統的長度約為 15 cm。為了確保離子可以不受阻礙地從離子源前往離子阱，傳感器內部的平均自由路徑長度必須遠大於 15 cm。針對空氣與氮氣，值約為 p · λ = 6 · 10^–3 mbar · cm。若 p = 1 · 10^-4 bar，則對應於 λ = 60 cm 的平均自由路徑長度。一般會採取此壓力作為質譜儀的最小真空壓力。陰極 (對應於超壓) 的緊急關閉功能幾乎一律設定為約 5 · 10^-4 mbar。為了在沒有特殊壓力轉換器的情況下，也能夠在較高壓力下使用四極質譜儀，而開發了 XPR 傳感器 (XPR 代表延伸的壓力範圍)。若要在約 2 · 10^-2mbar 的範圍內啟用直接測量，且這對濺鍍製程而言很重要，棒系統長度已從 12 cm 縮短到 2 cm。為了確保離子可以進行銳角質量分離所需數量的橫向振盪 (此數約為 100)，XPR 傳感器中的電流頻率必須從約 2 MHz 上升至約該值的 6 倍，也就是 13 MHz。儘管棒系統長度縮短了，離子產率仍會因此類高壓下的分散製程而降低。

若要實現對頻譜的完美描述，需要進行額外的電子校正。XPR 傳感器尺寸那麼小，可以完全「隱藏」在連接法蘭 (DN 40，CF) 管件內部，並因此不佔用真空腔室本身的空間。圖 4.1a 顯示含與不含甬道 SEMP 之正常高效能傳感器、含通道板 SEMP 之正常傳感器的大小比較。圖 4.1b 顯示 XPR 傳感器。傳感器需要的高真空通常使用 TURBOVAC 50 渦輪分子幫浦與 D 1.6 B 迴轉葉片幫浦產生。渦輪分子幫浦具有較高的壓縮能力，在處理高莫耳質量氣體時更進一步的優勢是，傳感器及其陰極受到良好保護，不會遭到前級幫浦方向的污染。

圖 4.1a TRANSPECTOR 傳感器。

圖 4.1b TRANSPECTOR XPR 傳感器

a：含甬道的高效能傳感器
b：含微通道板的小巧傳感器
c：含法拉第杯的高效能傳感器

傳感器的設計

您可以將傳感器視為衍生自 extractor 測量系統 (請參閱圖 4.3)，並藉此在離子源與離子阱之間插入分離系統。

圖 4.3 四極質譜儀 – Extractor 離子化真空計。

反射器
陰極
陽極
離子阱

正常 (開放式) 離子源

離子源包含一系列陰極、陽極與數個擋板。保持恆定的電子發射會導致離子源盡可能完全「浸入」之殘氣的部分離子化。傳感器附近的真空自然會受到烘烤壁或陰極的影響。離子會透過擋板，沿分離系統的方向抽取。其中一個擋板會連接至單獨的放大器，且在完全與離子分離無關的情況下，提供連續總壓力測量 (請參閱圖 4.4)。陰極由銥絲製成且有氧化釷鍍膜，可降低與電子放電相關的功。(一段時間以來，氧化釷已逐漸由氧化釔取代。) 這些鍍膜可降低電子放電功函數，使得即使是在較低的陰極溫度下也會達到需要的排放流量。鎢陰極 (對碳氫化合物不敏感，但對氧氣敏感) 或錸陰極 (對氧氣與碳氫化合物不敏感，但因較高的蒸汽壓力而在操作期間緩慢蒸鍍) 適用於特殊應用。