氦質譜檢漏儀的結構(技術貼)

氦質譜檢漏儀的型號較多，但基本結構大同小異。它主要由質譜室、真空系統及電氣部分組成。

一、質譜室

不同類型的氦質譜檢漏儀的質譜室結構大同小異，都是由離子源、分析器和收集器三部分組成，它們放在一個抽成高真空的質譜室外殼中，如圖2所示。

圖2 質譜室

1、離子源

離子源的作用是使氣體分子電離，形成一束具有一定能量的離子。其結構如圖3所示。它由燈絲（陰級）、離化室及離子加速極組成。

 
圖3 離子源示意圖

燈絲在真空中通電加熱后發射電子，在離化室與燈絲之間的電場作用下，電子加速穿過離化室頂部狹縫進入離化室，在離化室中與氣體分子發生多次碰撞后損失能量，最后打到離化室上形成電子流，成為發射電流的一部分。電子在運動的過程中碰撞氣體分子而使氣體分子電離形成正離子，正離子在離化室與加速極之間的電壓U（即離子加速電原）作用下，相繼穿過離化室正面的矩形狹縫和加速極的矩形狹縫，由于加速電場對離子做的功轉變為離子的動能，便形成具有一定能量的離子束。由于離子是由中性氣體分子失去Z個帶負電荷e的電子而形成的，所以離子電荷為正的Ze。若離子的質量為m，到達加速板狹縫外的速度為v，加速電壓為U，按能量守恒定律則有：

因此

       （1）

由式（1）可以看出，由于各種氣體的離子均受用一電場的加速，當它們的電荷量相等時，它們的能量相等，但由于質荷比不同，故運動速度也就不同。

2、分析器

分析器作用是使不同質荷比的離子按不同軌跡運動從而將它們彼此分開，僅使氦離子通過其出口隙縫。分析器由一個外加均勻磁場及一個出口電極組成，如圖4所示。磁場方向與離子束入射方向垂直。

圖4 分析器

1-離化室；2-加速極；3-燈絲；4-小電流放大器； 
5-收集極；6-高阻；7-分析器出口電極

由離子源出來的離子束射入與它垂直的磁通密度為B的均勻磁場分析器中后，由于分析場中電場為零，所以離子僅受磁場的洛倫茲力作用而作半徑為R的圓周運動。在此圓周上離子所受的磁場為F₁應與離子圓周運行的離心力F₂相等，則

 （2） 

式中：R——離子偏轉半徑，單位為m；

B——分析器的磁通密度，單位為T；

M——離子的摩樂質量，單位為g/mol；

U——離子加速電壓，單位為V；

Z——電荷數，單位為個。

如果R以cm計，B以T計，U以V計，M以g/mol計，則上式變為：

     （3）

或R以cm計，B以Gs（Gs=10^-4T）計。U以V計，M以g/mol計，則 

           （4）

由此可知，偏轉半徑R與質荷比M/Ze（或M/Z）有關，當B及U一定時，相同質荷比的離子具有相同的運動半徑，不同質荷比的離子將以不同半徑偏轉而彼此分開。質荷比小的偏轉半徑小，質荷比大的偏轉半徑大。在偏轉到180°處，用一分析器出口電極將其他離子擋住，而使氦離子軌道對準出口電極上的狹縫，氦離子穿過狹縫到達離子收集極形成氦離子全部通過狹縫而得到最大的氦離子流（氦峰），一般是用改變加速電壓U來實現的，這一調節過程這是氦峰。

由圖4可見，離子從離化室到離子加速極的引出過程中就已發生了偏轉，因此離化室的狹縫S₁安裝時要向外偏離一些，也就是離化室狹縫S1中心到軌跡圓中心的距離比運動圓半徑略大一些，這樣才能保證全部離子通過狹縫S₂。

分析器的出口電極一般采用三柵結構，如圖5所示。在離子收集極前面有三個柵極G₁、G₂、G₃。G₁和G₃接地，中間柵極G₂與離化室相連。G₁柵的狹縫決定了氦離子的運動半徑，而使除氦以外的其他離子打不到收集極上去。中間柵極G₂的正電位對于正離子而言相當于一個拒斥電場，只有具有一定能量的氦離子才能通過G₂的狹縫，而由于碰撞失去能量的其他雜散離子即使進入G₁狹縫，也不能通過G₂狹縫到達收集極，使收集極的氦離子流不受這些雜散離子的干擾。柵極G3是抑制離子在收集極上打出的二次電子不跑向G₂，使它仍返回收集極，以防離子流的不穩定。由上可知，調置三個柵極的目的是為了減小噪聲。

 
圖5 分析器的出口電極結構

3、收集極

收集極是對準出口電極狹縫安裝的，其作用是收集穿過出口電極狹縫的氦離子并通過一個電阻輸入到小電流放大器進行離子流的放大和測量。由于氦離子流一般只有10^-13～10^-12A，要使小電流放大器第一極輸入信號電壓夠大，則輸入電阻必需很大（一般高于10