當前質譜技術的發展顯示出四極質譜計越來越受到廣泛的重視,在質譜儀器的應用中,它已占絕大部分. 這是由于四極質譜計具有體積小、重量輕、不需要磁場、價格便宜、操作方便等一系列優點。四極質譜計給出的原始數據是所分析成分的質荷比(mPe) ,對于分析殘氣成分用的四極質譜計相對分辨率達到200～300 就能滿足一般實驗要求。根據四極質譜計給出的質譜數據分析解釋殘氣成分,首先應當進行定性分析,在定性分析的基礎上才能進行定量分析,而定量分析并非易事。本文僅就定性分析的有關問題進行分析和討論。

　　下面結合幾個實例進行殘氣變化的定性分析。

1、實驗裝置

　　以機械泵、渦輪分子泵作為前級泵,濺射離子泵作為主泵的超高真空系統,極限真空可達10-8Pa 量級,真空室接有玻璃制的場發射顯微鏡(FEM) ,其燈絲直徑為0.2mm的鎢絲,作為殘氣分析的ZP4001型四極質譜計,用TektronixTDS3052 型500M數字式貯示波器來采集質譜數據,然后輸入計算機進行各種數據處理。

2 、殘氣成分的定性分析

2. 1、本底譜圖的定性分析

圖1 　5. 7 ×10 - 7 Pa 時真空系統內殘氣質譜圖

　　圖1為濺射離子泵真空系統在5.7 ×10-7Pa 壓強時的殘氣質譜圖,圖中有峰值高度不同的各譜線,依峰高順序為2,28,18,16,44u,分析相應的殘氣應為H₂(2u),N₂(28u),H₂O(18u),CH₄(16u)和CO₂(44u)。這說明由不銹鋼和玻璃材料構成的無油真空系統經過徹底烘烤除氣之后,主要殘氣成分是H₂,其次是N₂。解釋如下,雖然可以認為28峰是N₂和CO的混合物,但大氣中N₂,CO的含量很少,因此沒有進行化學反應的真空系統殘氣中28峰主要是N₂形成的,18u為H₂O的分子離子峰,17u是H₂O的碎片峰。根據16u和15u的比例關系,它們應當是CH₄的分子離子峰及其碎片峰。真空技術網的一篇文章的作者曾做過實驗,關閉濺射離子泵,讓四極質譜計繼續工作,觀察到16u的峰隨時間線性增大;如果關掉四極質譜計燈絲,則16u的峰高不變,再接通四極質譜計的燈絲后,16u的峰高繼續線性增大,圖2為四極質譜計燈絲間歇工作時CH4的峰高與時間(t)變化曲線,實線代表接通燈絲,虛線代表關閉燈絲。圖2說明CH4是來源于四極質譜計的燈絲。CH₄的碎片峰CH₃(15u)在上述過程中也隨16u按同一比例變化。

圖2 　W燈絲間歇工作時CH4 的峰高隨時間的變化

　　這種現象可以解釋為四極質譜計的W燈絲中C 偏析到表面,與殘氣中H2產生化學反應,形成CH₄。對于新使用的W燈絲此種現象比較明顯,長期工作過的W燈絲可能觀察不到圖2所示的變化,大概是由于W燈絲中C的殘余量已很少。

2. 2、W燈絲熱處理時殘氣變化分析

　　圖3為直徑0.2mm W燈絲在電流2.2A加熱(約1100℃) 過程中放氣達到最大值,壓強為1.4×10-5Pa 時的殘氣質譜圖。對照圖1的本底質譜圖可以看出,W燈絲在熱處理時殘氣質譜發生了很大變化。質譜圖上依峰高順序已變為28,2,44,16,12,18u,主峰是28u,其增加量雖然有N2的成分,但主要成分應當是CO。應當用N2,CO和C2H4的碎片峰變化情況來判斷。表1給出N2,CO和C2H4的8峰標準譜圖[4]。圖3中27,26u基本上不變,可認為無C₂H₄。N₂的主要碎片峰是14u(N⁺和N⁺⁺²),CO的主要碎片峰是12u和16 u （C+和O+),由此可判斷是CO變化還是N2的變化。應當觀測12,14,16u隨壓強下降的變化趨勢。從圖1和圖3的對比中觀測到14u 隨壓強下降基本不變,因此可認為N2 的成分沒有變化,所以28 u 的變化基本是由CO 的變化造成的。但是從圖3 質譜圖中看出,12 u 和16 u的峰高遠大于CO 的碎片峰的峰高比,因此我們認為該系統在加熱時有原子C 和原子O 釋放出來,也就是12 u 和16 u 中CO 的碎片峰只占很小一部分,在制備樣品中又沒有充入CO ,因此可以認為CO 的產生應當是釋放的C 和O ,產生化學反應,形成CO和CO2 ,而不是材料中脫附出來的。對照圖1 和圖3可以看到,隨壓強下降H2 峰有增加,這是真空系統內表面放氣所致。18 u 的峰高沒有變化,說明H2O已完全脫附掉。

　圖3 　W燈絲加熱到1100 ℃,壓強為1. 4 ×10 - 5 Pa時質譜圖

　　從2.1 和2.2 節分析可以看出,為了定性確定殘氣成分的變化情況,應當在質荷比隨壓強(或時間) 的變化時進行多峰監測。對于小于60 u 的殘氣質譜峰,可能含有H2 ,H2O ,CO ,N2 ,CH4 ,CO2 等氣體的系統,至少應當進行9 峰監測,即監測2 ,12 ,14 ,15 ,16 ,17 ,18 ,28 ,44 u 的質譜峰,這樣才能更好地說明上述氣體的變化趨勢。目前國內外一些四極質譜計只監測8 個質譜峰,隨時間變化的監測就不夠用了。如果殘氣成分越多,則監測的質譜峰也應當越多才行。