殘留氣體分析儀
殘留氣體分析儀（RGA）是一種小型且通常堅(jiān)固的質(zhì)譜儀，通常使用四極桿技術(shù)設(shè)計(jì)，用于真空系統(tǒng)中的過(guò)程控制和污染監(jiān)測(cè)。四極桿由四個(gè)平行的金屬棒組成。每個(gè)相對(duì)的桿對(duì)電連接在一起，并且在一對(duì)桿和另一對(duì)桿之間施加射頻（RF）電壓。然后將直流電壓疊加在RF電壓上。離子沿著桿之間的四極桿向下移動(dòng)。對(duì)于給定的電壓比，只有具有特定質(zhì)荷比的離子才能到達(dá)檢測(cè)器：其他離子的軌跡不穩(wěn)定，并且會(huì)與棒碰撞。這允許離子的選擇與特定的M / Z，從而可以研究許多生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表面化學(xué)計(jì)量，粘附，摻入，解吸，交換，分離）。
殘留氣體分析儀（RGA）是測(cè)量存在的氣體的化學(xué)組成的光譜儀在低壓環(huán)境中。殘留氣體分析儀實(shí)際上將氣體中的各個(gè)成分電離以產(chǎn)生離
子，然后檢測(cè)并確定質(zhì)荷比。此過(guò)程在真空中效果更好，由于低壓，質(zhì)量更易于監(jiān)控，雜質(zhì)和不一致性也更易于檢測(cè)。設(shè)定諸如此類(lèi)的離子可以在離子束加速器和電子/離子掃描顯微鏡中找到。
RGA的重要性：（1）它可以分析各種氣相反應(yīng)；（2）可以監(jiān)視變化發(fā)生在任何氣體環(huán)境中；（3）檢查真空泄漏；（4）檢查質(zhì)量流量控制器等。這些類(lèi)型的信息可能很難通過(guò)其他方法確定，但是可以使用附加到低端的RGA輕松找到壓力環(huán)境或腔室。
RGA的操作：RGA有五個(gè)主要組成部分：（1）電離器；（2）靜電透鏡；（3）質(zhì)量分析儀和過(guò)濾器；（4）離子檢測(cè)器；（5）質(zhì)譜。
1.電離器：
在電離器中，中性氣體原子或分子被轉(zhuǎn)換成正離子。電離器包括以下部分：
（a）兩個(gè)產(chǎn)生電子的燈絲；（b）靜電絲網(wǎng)設(shè)置恒定的靜電勢(shì)在電離區(qū)域內(nèi)；（c）絕緣。
還有法拉第杯“籃子”圍繞整個(gè)裝配體，以保持外部靜電勢(shì)影響電離器。兩條燈絲，通常為-70V的Thoria涂層銥金屬通過(guò)的電流通過(guò)能量為70ev的“熱電子發(fā)射”和幾毫安的電流發(fā)射電子。這些然后，由于細(xì)絲之間施加的電壓差，電子朝著絲網(wǎng)加速和金屬絲網(wǎng)。被加速的電子然后與網(wǎng)格中的中性氣體原子或分子碰撞并電離它。當(dāng)電子與原子或分子M碰撞時(shí)，它可能不會(huì)被電離（彈性碰撞）或被電離（非彈性碰撞），例如：e- + M?2e- + M +。此電離反應(yīng)需要大量能量（分子M）的“電離勢(shì)”和能量必須由電子提供。
表一
表一給出了能量將各種分子離子化為特定離子所必需。也可以發(fā)生其他類(lèi)型的電離反應(yīng)。對(duì)于例如，可能發(fā)生稱為解離電離的過(guò)程。這種反應(yīng)的化學(xué)方程式看起來(lái)類(lèi)似于：e- + MX?2e- + M + + X（或）2e- + M + X +。顯然，事情會(huì)很快變得復(fù)雜。確實(shí)，電子與氮分子（N2）碰撞可能產(chǎn)生十幾種可能的結(jié)果！我們只測(cè)兩個(gè)使用RGA：N2 +和N +的形成。稱為“橫截面”的概念用于描述電子與原子或原子碰撞或發(fā)生反應(yīng)的概率。分子。
這個(gè)想法的最簡(jiǎn)單形式是相對(duì)簡(jiǎn)單的：電子必須與分子碰撞才能引發(fā)原子能。反應(yīng)。由于電子的運(yùn)動(dòng)速度至少比分子快100倍，因此我們通?？梢詫⑦@些分子視為站著不動(dòng) 如果分子具有較大的半徑（因此具有較大的橫截面），則發(fā)生與之碰撞的電子也相對(duì)較大。這些橫截面通常根據(jù)電離來(lái)測(cè)量電子的能量。
在下表中，給出了某些元素的電離勢(shì)；所有橫截面或電離勢(shì)最大值通常接近70 eV至200 eV。這就是為什么我們使用約70eV的電子來(lái)使分子電離在RGA中。在該能量下，電離過(guò)程相對(duì)有效。另請(qǐng)注意，成形截面CF 3+ 比形成其他離子（如CF + 或C +）大得多。因此，我們期望離子發(fā)生器看到CF 4的信號(hào)比CF 3+ 跟CF + 或C + 以及CF 3+ 信號(hào)都來(lái)得大。
RGA具有類(lèi)似的表格信息，說(shuō)明各種氣體產(chǎn)生的離子。RGA也經(jīng)常出現(xiàn)帶有“相對(duì)電離敏感性”表，該表描述了給定分子產(chǎn)生的離子數(shù)與相等數(shù)量的氮分子相比 例如：氬產(chǎn)生的離子是氮的1.2倍和氦只有0.14。因此，在給定壓力下，人們應(yīng)該期望氦發(fā)出的信號(hào)比來(lái)自氦的信號(hào)要小。
2.靜電透鏡組件：
靜電透鏡組件通過(guò)一系列靜電“透鏡”聚焦并加速正離子進(jìn)入能量約為10-20eV的光束電離器絲網(wǎng)通常通過(guò)電離器電源設(shè)置為高于地面10到20V。將此設(shè)置為高于地面的電勢(shì)可確保所有產(chǎn)生的離子具有10-20 eV的顯著勢(shì)能{PE = KE =qx（V ion_region – V mass_filter）}。質(zhì)量過(guò)濾器區(qū)域通常保持在地電位。
因此，在離子區(qū)籃中產(chǎn)生的具有約10-20eV能量的正離子將加速進(jìn)入離子阱。接地的質(zhì)量過(guò)濾器區(qū)域，只需設(shè)置以下參數(shù)即可以合理定義的速度（和KE）穿過(guò)該區(qū)域電離器絲網(wǎng)上的電位。每個(gè)鏡頭都是一個(gè)簡(jiǎn)單的圓盤(pán)，中間有一個(gè)孔（甜甜圈結(jié)構(gòu)）。當(dāng)一個(gè)電勢(shì)（相對(duì)于電離區(qū)域的負(fù)電勢(shì)）施加在這樣的環(huán)形結(jié)構(gòu)上，電場(chǎng)形成的離子可以加速離子通過(guò)離子束并將離子推向甜甜圈孔的中心。負(fù)面的放置在連續(xù)透鏡上的電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)梯度，從而決定效率以及離子被加速進(jìn)入質(zhì)量過(guò)濾器的束質(zhì)量。最靠近離子發(fā)生器絲網(wǎng)的透鏡通常稱為“提取器”透鏡。一些RGA僅具有提取器鏡片。其他人有一個(gè)以上的透鏡，用于聚焦離子束并將其引導(dǎo)到質(zhì)量過(guò)濾器中。
3.質(zhì)量過(guò)濾（四極桿）：
然后，通過(guò)采用質(zhì)量分析器中的電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)。該單元充當(dāng)過(guò)濾器。它很好地通過(guò)了離子用戶選擇質(zhì)荷比（M / e），所有其他離子都會(huì)偏轉(zhuǎn)到一邊，中和并變得不可檢測(cè)。四極質(zhì)量過(guò)濾器由4個(gè)（“四極”）受電偏壓的桿（極）組成。不需要磁場(chǎng)過(guò)濾掉不同質(zhì)量的離子。這些精心放置的桿，當(dāng)同時(shí)偏置-直流和射頻時(shí)電壓會(huì)在中心產(chǎn)生雙曲線構(gòu)造的電場(chǎng)，從而將M / e的范圍限制在很小的范圍內(nèi)（質(zhì)荷比）到中心區(qū)域。所有其他M / e離子都被加速到它們所在的棒中被中和并變得不可檢測(cè)。
4.離子檢測(cè)系統(tǒng)。
離子檢測(cè)器系統(tǒng)檢測(cè)并計(jì)算過(guò)濾后的離子的質(zhì)荷比作為離子電流，或者通過(guò)法拉第杯或擴(kuò)展的二次電子倍增器（也稱為“通道加速器”）。通過(guò)選擇特定的質(zhì)荷比并測(cè)量獲得的信號(hào)，可以立即找出存在于RGA電離器區(qū)域中的那些分子的數(shù)量。遍及整個(gè)范圍在M / e比率的基礎(chǔ)上，人們可以找到存在的整個(gè)分子范圍，并開(kāi)始了解氣體中的化學(xué)成分。
（a）法拉第杯是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬片在適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓電位（?-50 V），使正離子被吸引并獲得中和。流過(guò)法拉第杯的電流使用快速測(cè)量靜電計(jì)，該電流是RGA記錄的相對(duì)信號(hào)。較大的電流越大，信號(hào)越大，因此離子數(shù)越多。由于電流只是單位時(shí)間內(nèi)單位面積平面上的凈電荷流，而且由于多重電離的分子比單電離的分子攜帶更多的電荷分子，應(yīng)該期望多個(gè)離子化的分子產(chǎn)生更大的信號(hào)。對(duì)于給定數(shù)量的離子 例如：每個(gè)Ar ++離子攜帶的電荷是Ar +離子的兩倍；因此，Ar ++如果存在完全相同數(shù)量的離子，則信號(hào)應(yīng)為Ar +信號(hào)的兩倍。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)多個(gè)帶電離子的數(shù)量大于僅使用電離橫截面所預(yù)測(cè)的數(shù)量。
（b）二次電子倍增器或通道加速器是帶有特殊內(nèi)部涂層的彎曲玻璃管（通常每次被撞擊時(shí)都會(huì)發(fā)射出多個(gè)電子（“二次電子發(fā)射”）的氧化金屬（如Pb或Bi）離子或電子。后端在管上安裝了一個(gè)法拉第杯，用于收集產(chǎn)生的電子管內(nèi)。寬的“喇叭型接頭”連接到低電流電源，并且有偏壓最大負(fù)電壓（約-2 kV）。后端保持非常接近地電位，并連接到快速靜電計(jì)再次。在某些情況下，可以將后端連接到脈沖計(jì)數(shù)電路，以使電流計(jì)算每個(gè)單獨(dú)離子的脈沖，而不是測(cè)量時(shí)間積分電流。最常見(jiàn)的是簡(jiǎn)單測(cè)量。通道加速器的優(yōu)點(diǎn)在于，它以很大的倍數(shù)放大（M）每個(gè)離子的電流。放大系數(shù)M的值可以在10 4到10 9的數(shù)量級(jí)，具體取決于放大倍數(shù)的結(jié)構(gòu)。乘數(shù)，使用的電壓和設(shè)備的壽命。這樣一來(lái)，就可以大大改善痕量氣體的測(cè)量信號(hào)。這增強(qiáng)了RGA的靈敏度。
5. RGA頻譜或質(zhì)譜掃描頻譜：
該光譜以amu單位的質(zhì)荷比表示離子的峰?！?amu”是“原子質(zhì)量單位”，大致相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量 這些M / e比是所有元素的特征。例如，山峰光譜中14 amu是N +，20 amu是Ar 2 +，28 amu是N 2+ ，40 amu是Ar + 。28 amu處的峰對(duì)應(yīng)于在這種情況下為分子氮，但是其他分子也可能對(duì)此信號(hào)有所貢獻(xiàn)（或那個(gè)問(wèn)題）。特別地，一氧化碳CO +具有與N 2相同的M / e比任何RGA，因此總是在28 amu下用氮?dú)鈾z測(cè)到N 2和CO出現(xiàn)在CO與N 2的譜中 之間的區(qū)別。N 2將在原始28和14 amu處產(chǎn)生信號(hào)峰，而CO將在在28（CO），16（O）和12（C）amu處產(chǎn)生峰，在29（C 13 O和COH）和13（C 13）amu 處產(chǎn)生較小的峰。