RGA组成及工作原理

2025-07-22 16:07

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RGA组成及工作原理

1. 工作原理

封闭式离子源（CIS）分析仪通过采集代表性工艺气体样本，将其导入残留气体分析仪（RGA）的电离区域。该设备采用固定几何结构的泵入通道，通过持续降低工艺气体压力至涡轮分子泵，实现气体采样与流动控制。检测到的工艺气体杂质含量显著低于开放式离子源RGA分析仪——对于多数成分而言，其检测限可低至亚ppm级别。

2 传感器

传感器由三大核心组件构成：离子源（电离器）、四极杆质谱过滤器、探测器/电子倍增器。这些组件通过螺栓固定在真空歧管上的电气穿通法兰上。该传感器必须在高真空环境中工作，因为一旦生成的离子在通过传感器时，必须避免与其他气体分子发生碰撞。

2.1 离子源

传感器封闭式离子源需要减压孔，因为工艺压力通常远大于封闭式离子源可操作的最大压力。

在封闭式离子源内部，加热的灯丝会释放电子轰击进入的气体分子，使其带上电荷。虽然这些电荷可能呈现正负两种状态，但系统仅能检测正离子。当分子被电离带电后，即可利用电场对其进行操控。标准配置采用钨制灯丝，这种材料对强腐蚀性气体（尤其是含氟、氯等元素的气体）具有最佳耐受性。若需在氧气或水蒸气浓密环境中使用（这类环境会快速氧化钨灯丝），可改用钇涂层铱灯丝。

注意：钨丝在高压下运行时会被破坏，因为它们在工作温度下与氧气和水蒸气发生反应。

发射电流这一术语特指灯丝释放的电子流。其强度由灯丝温度调控，灯丝位于阳极圆柱体中心孔洞上方。阳极电势（电压）相对于灯丝呈正向。电子排斥板作为平板结构，安装在灯丝后方并与灯丝负极相连。灯丝与阳极之间的电位差决定了电子的动能（即电子能量），而这种能量水平则直接影响气体分子被电子轰击时的电离程度。

电子能量范围可从70电子伏特（eV）到10电子伏特。当操作电压低于70 eV时，发射电流不得超过200微安。当电压达到或超过70 eV时，2毫安的发射电流能最大程度提升背景监测和泄漏检测的灵敏度。阳极圆柱内部形成的离子会被聚焦透镜的电势吸引并形成离子束（该透镜也被称为提取器，因其能将离子从生成区域提取出来）。聚焦透镜将离子束聚焦至源出口透镜的孔洞中。为吸引正离子，聚焦透镜相对于阳极保持负偏压状态。

源极出口透镜的电位相对于阳极和聚焦透镜为负。离子束穿过出口透镜上的孔并注入质量过滤器。

封闭式离子源的抽气速度约为0.7 L/s。这将在离子源与四极杆区域之间形成压力差。该离子源在最大工艺压力下可达到约2毫托（2.7×10⁻³毫巴）。通过使用节流孔，可将高压降至约2×10⁻⁴托（2.7×10⁻⁴毫巴）。封闭式离子源内的压力约为四极杆区域压力的23倍（例如：离子源内2.3×10⁻⁴托的压力将转化为四极杆区域1×10⁻⁵托的压力）。

2.2 质量过滤器

离子源产生的离子被导入质量过滤器，该装置会筛选出所有特定质荷比的离子。大多数离子仅携带一个电荷单位。质量过滤器采用四极杆结构，通过射频与直流电位的组合进行工作。射频的频率和振幅决定了离子的质量，而射频与直流电的比例则决定了过滤器的选择性。

质量滤波器的四根杆（因此得名四极杆）通过交替充电，将特定质量的离子引导至中心区域，同时偏转所有较大和较小质量的离子（因此得名质量滤波器）。该装置由四个平行排列的杆体构成方形阵列，杆体及其绝缘基座共同形成精密机械结构。方形阵列中心与最近杆体表面之间的距离称为四极杆半径r₀。理想情况下，杆体应采用双曲面设计（朝向阵列中心），而非圆形截面。当圆形杆半径与r₀的比值为1.148时，产生的电场可较好地模拟预期的双曲面形态。

两根电极杆通过导线连接。离子沿大致平行于杆体长度的方向被导入两极之间的空间。在此处，离子根据其质量与电荷比值，在两极施加的电势产生的横向力作用下实现分离。所施加的电势由射频分量和直流分量组成：其中一组电极杆上的射频电势与另一组电极杆上的射频电势相位差为180°，但两者振幅相同。对于“X”对电极杆而言，直流电势为正；而对于“Y”对电极杆，则具有相同振幅但为负值。直流电势与射频电势均以中心电压（即零点）为基准进行参考

以下方程式总结了施加在杆件上的力：

V=射频振幅 f=射频频率 t=时间 U=直流电位 PZ=极点零点

射频组件负责从电子束中分离低质量离子。当离子质量足够低时，其运动轨迹会与施加的射频保持同步。这些离子在电场作用下获得能量后，振幅逐渐增大。随着它们沿杆体长度方向移动，最终会撞击其中一根杆并发生中和。而高质离子则会被射频组件聚焦到靠近四极杆长轴（Z轴）的区域。

直流电场与射频场叠加使用，可将束流中的高质荷离子分离。该直流电场会将这些高质荷离子偏转至负极，从而抵消射频场的聚焦效应。最终这些离子撞击负极杆后被中和。通过合理调节直流与射频的比例，质量过滤器就能同时对高质荷和低质荷离子进行有效区分。

离子在质量过滤器Z轴方向的动能，取决于其形成时的电势（阳极电压）与磁极零点之间的差值。通常情况下，源出口孔径与四极杆之间产生的边缘电场对离子能量的影响微乎其微。此外，施加在杆对上的射频信号两相振幅失衡，以及直流电压的共同作用，也会进一步改变离子能量

通过过滤器的离子质量由射频振幅、射频频率和四极杆半径决定。

V=以伏特为单位的射频振幅峰峰值 M=每个电子电荷所含的离子质量（以原子质量单位AMU为单位） f=射频频率，单位为兆赫 r0 =四极半径（单位：厘米）

例如，一个200 AMU的单电荷离子将通过四极杆，其标称直径为6.35 mm（1/4 in.）的杆（r0为0.277 cm)，在1.78 MHz下工作，峰值射频振幅约为700 V。

传输离子的质量(M)与射频振幅成正比（前提是频率f保持恒定）。随着射频振幅的增大，质量更高的离子会逐步与射频场同步振荡，从而获得足够的能量撞击磁极。为维持滤波器的高质谱分离性能，必须持续提升直流电压。通过同步调节射频振幅和直流电压，即可生成完整的质谱图。

2.2.1 扫描特性

四极杆作为混合离子束的质量过滤器，既能阻挡高质荷离子和低质荷离子，又能让中等质量的离子通过。这种质量选择性的指标用分辨率R表示，其数值定义为中心质量M与通带宽度DM（均以安培-米为单位）的比值。由于当接近通带边缘时，通过滤波器的离子数量会逐渐减少，因此通带宽度的确定依据是：当离子电流降至最大值的特定比例（通常为1/2或1/10)时的点位。通带宽度由直流与射频的比值决定。

四极杆的设计可以实现R值随质量M任意变化。但若保持M恒定，就能确保质量相差1个原子质量单位（AMU）的离子获得充分分离。这种扫描模式被称为恒定M模式。因此，R值与质量M成正比，导致质量M的离子通过四极杆的传输效率会随着质量M的增大而降低。说白了，传感器的灵敏度会随着质量M的增加而逐渐减弱。

2.2.2 零点爆破

当RGA扫描至质量谱的极低端时，施加在杆上的射频和直流电压接近于零。此时四极杆不再作为过滤器工作，并且检测到未分离离子的大电流，称为零爆。

当存在大量高分子量离子时，零爆效应会干扰RGA高压区（即1E-6托至5E-4托）内质量1和2的观测。零爆效应对质量2信号强度的贡献可能在5 ppm到100 ppm之间，具体取决于RGA的质量范围。

2.3 离子检测器

传感器的离子探测器区域由四极杆出口透镜、电子倍增器和探测器本身组成。四极杆出口孔径相对于阳极呈负偏置，将穿过四极杆的离子聚焦到电子倍增器和探测器中。

2.3.1电子倍增器（EM）探测器

电子倍增器（EM）作为原位前置放大器，能显著提升检测灵敏度。当入射离子被施加高负电压（通常为-1.0千伏或更高）加速进入EM时，若撞击其表面，会释放出一个或多个二次电子。这些电子随后被加速至电势更高的第二层表面，在此生成更多电子。该过程不断循环，直至电子脉冲从EM输出端产生并被法拉第杯收集。每个入射离子可产生多达百万甚至更多的电子。由于这种电子脉冲的存在，EM探测器的输出电流呈现负值。

电子输出电流与入射离子电流的比值称为电磁增益。该增益主要取决于电磁铁类型、施加在电磁铁输入端的电压、电磁铁两端的电压、电磁铁的工作状态，以及较小程度上的入射离子质量及其化学性质。通常情况下，随着离子质量的增加，电磁增益会逐渐降低。电磁探测器传感器的优势在于其高灵敏度（最高可达500安培/托），使得使用100安培/兆伏特传感器时，能够测量低至1×10⁻¹⁵托的分压。

2.3.2连续二极管电子倍增器/法拉第杯探测器

连续二极管电子倍增器/法拉第杯（CDEM/FC）探测器可放大电子脉冲，显著提高分析仪的灵敏度

CDEM/FC探测器的连续型双极管元件采用特殊玻璃材质，而非传统的铜铍合金离散型双极管电子倍增器。相较于传统离散型双极管EM探测器，CDEM/FC探测器具有两大优势：其一，即使暴露在空气中也不会性能衰减；其二，无需真空环境即可长期保存。该探测器最高工作温度可达150°C，且可在断电状态下进行300°C的烘烤处理。

CDEM/FC探测器在承受过大的输入或输出电流后，恢复速度会稍慢一些。当电压发生调整时，其增益稳定所需时间可能会有所延长。该探测器的工作电压范围为-0.6至-2.0千伏。新型CDEM/FC探测器在-0.8千伏时通常具有10到1000的增益值，而在-3.0千伏时其增益值通常超过1×10⁶。探测器的默认EM电压设定为-0.8千伏。