Mˇ eˇren´ı parci´ aln´ıch tlak˚ u
V mˇeˇren´em prostoru se zpravidla nach´az´ı: • zbytkov´ e plyny (ve velmi vysok´em vakuu:
H2 , CO, Ar , N2 , O2 , CO2 , uhlovod´ıky, He) • vodn´ı p´ ara • p´ ary organick´ych materi´al˚ u, nach´azej´ıc´ıch se ve vakuov´em syst´emu • plyny vznikl´ e rozkladem tˇechto l´atek, nebo jejich synt´ezou
Nutn´a anal´yza tˇechto plyn˚ u - urˇcit parci´aln´ı tlaky.
Vakuov´ a fyzika 1
1 / 43
Absolutn´ı metody Spoˇc´ıv´a ve spojen´ı nˇekter´eho absolutn´ıho manometru se zvl´aˇstn´ı souˇc´ast´ı syst´emu, kter´a propouˇst´ı jen jeden, nebo nˇekolik sloˇzek smˇesi plynu, napˇr. pˇrep´aˇzka, oddˇeluj´ıc´ı manometr od syst´emu. • paladiov´ a pˇrep´aˇzka zahˇr´at´a na nˇekolik set stupˇ n˚ u propouˇst´ı pouze H2 • pˇrep´ aˇzka z Ag propouˇst´ı O2 • pˇrep´ aˇzka ze kˇremene propouˇst´ı He
Pˇrep´aˇzky jsou k dispozici jen pro urˇcit´e plyny. Mˇeˇren´ı je zdlouhav´e (mal´a vodivost pˇrep´aˇzky). Nelze mˇeˇrit rychl´e zmˇeny tlaku. Kromˇe pˇrep´aˇzky lze pouˇz´ıt vymrazovaˇcku. Podle teploty kondenzaˇcn´ı stˇeny(r˚ uzn´e teploty) v n´ı kondenzuj´ı jen nˇekter´e sloˇzky zbytkov´ych plyn˚ umanometr mˇeˇr´ı tlak nekondenzuj´ıc´ıch sloˇzek.
Vakuov´ a fyzika 1
2 / 43
1 1
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
3 / 43
Nepˇr´ım´ e metody
• nepˇr´ım´ a mˇeˇren´ı s manometry s filtruj´ıc´ı pˇrep´aˇzkou • spektrometrick´ a mˇeˇren´ı • mˇ eˇren´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı desorpce plynu
Spektrometrick´ a mˇ eˇren´ı • optick´ a spektr´aln´ı anal´yza - srovn´av´a optick´e spektrum smˇesi se
srovn´avac´ımi spektry. Moˇzno pouˇz´ıt jen pˇri vyˇsˇs´ıch tlac´ıch (100-1000 Pa). • hmotnostn´ı spektrometry - jsou v´ yhodnˇejˇs´ı
Vakuov´ a fyzika 1
4 / 43
Hmotnostn´ı spektrometry
• Thomson (1913) - prvn´ı separace iont˚ u • 1942 - prvn´ı komerˇ cn´ı pˇr´ıstroj - USA • 1948 - iontov´ a cyklotronov´a rezonance • 1955 - pr˚ uletov´e spektrometry • 1958 - kvadrup´ olov´e spektrometry
Vakuov´ a fyzika 1
5 / 43
2
Zdroj iont˚ u - separ´ator - kolektor(detekce iontov´eho proudu)
2
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
6 / 43
• rozliˇsovac´ı schopnost • vysok´ a citlivost • u ´daj u ´mˇern´y tot´aln´ımu a parci´aln´ım tlak˚ um
Ionty jsou vytv´aˇreny ionizac´ı n´arazem elektron˚ u. Svazek elektron˚ u i iont˚ u je tvarov´an pomoc´ı elektronov´e a iontov´e optiky. V´ysledn´y iontov´y svazek vstupuje do separ´atoru. Rozliˇsovac´ı schopnost - rozliˇsit plyny s m´alo se liˇs´ıc´ı molekulovou hmotnost´ı. Je definov´ana jako pomˇer molekulov´e hmotnosti M0 k ˇs´ıˇrce kˇrivky ∆M0 v urˇcit´e v´yˇsce (zpravidla pro 0,5 Imax )
Vakuov´ a fyzika 1
7 / 43
Rozliˇsovac´ı schopnost
3 3
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
8 / 43
Zp˚ usob ionizace
• ionizace pomoc´ı elektron˚ u • ionizace elektrick´ ym polem • chemick´ a ionizace • desorpce a ionizace laserem • desorpce a ionizace plazmatem
Vakuov´ a fyzika 1
9 / 43
Ionizace pomoc´ı elektron˚ u
4
4
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
10 / 43
Separ´ ator
-dˇelen´ı r˚ uzn´ych typ˚ u hmotnostn´ıch spektrometr˚ u • Statick´ e - efekt rozdˇelen´ı iont˚ u nez´avis´ı na ˇcase • Dynamick´ e - faktor ˇcasu m´a principi´aln´ı v´yznam
Podle tvaru dr´ahy iont˚ u - kruhov´a, cykloid´aln´ı, spir´alov´a, pˇr´ımkov´a. Dˇelen´ı podle veliˇcin, pouˇzit´ych k separaci: • Magnetick´ u z´avis´ı na hmotnosti ˇc´astice e - dr´aha iont˚ • Rezonanˇ cn´ı - vyuˇz´ıv´a z´avislost rezonanˇcn´ı frekvence na hmotnosti
ˇc´astice • Pr˚ uletov´e - rozd´ıln´e ˇcasy nutn´e pro pr˚ ulet stejn´e dr´ahy ˇc´asticemi s
r˚ uznou hmotnost´ı
Vakuov´ a fyzika 1
11 / 43
Kolektor iont˚ u
5
5
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
12 / 43
Statick´ e hmotnostn´ı spektrometry pouˇz´ıvaj´ı magnetick´e pole, dr´ahy iont˚ u jsou kruhov´e, nebo cykloid´aln´ı, mˇeˇr´ı i mal´e parci´aln´ı tlaky. Statick´ e hmotnostn´ı spektrometry s kruhov´ ymi drahami Ionty se pohybuj´ı v magnetick´em poli kolm´em ke smˇeru pohybu. S´ıla magnetick´eho pole, kter´a na nˇe p˚ usob´ı je u ´mˇern´a rychlosti ˇc´astic. T´ım se proud iont˚ u rozdˇeluje na svazky, odpov´ıdaj´ıc´ı r˚ uzn´ym hmotnostem. r 2e 1 2 m0 vi = eU ⇒ vi = U 2 mo m0 vi2 = evi B r r - polomˇer dr´ahy iont˚ u
Vakuov´ a fyzika 1
13 / 43
1p M0 U B B = konst , U = konst , M0 ∼ r r = konst.
1 U Nerovnomˇernost magnetick´eho pole, rozptyl rychlost´ı iont˚ u dan´eho plynu. B = konst , r = konst , M0 U = konst , M0 ∼
Vakuov´ a fyzika 1
14 / 43
6
6
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
15 / 43
7
7
L. P´ at´y: Fyzika n´ızk´ych tlak˚ u, Academia, Praha 1968 Vakuov´ a fyzika 1
16 / 43
Statick´ e hmotnostn´ı spektrometry s cykloidn´ı drahou (TROCHOTRON)
~ ⊥ B) ~ Ionty se pohybuj´ı souˇcasnˇe v elektrick´em i magnetick´em poli. (E Ionty se pohybuj´ı po cykloid´ach. na kolektor se dost´avaj´ı ionty t´eˇze hmotnosti i s r˚ uzn´ymi rychlostmi a r˚ uzn´ych smˇer˚ u - vˇetˇs´ı iontov´y proud ~ , nebo B. ~ vˇetˇs´ı citlivost. Hmotov´e spektrum se mˇen´ı zmˇenou velikosti E
Vakuov´ a fyzika 1
17 / 43
8 8
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
18 / 43
Dynamick´ e hmotnostn´ı spektrometry
pouˇz´ıvaj´ı ˇcasovˇe promˇenn´ych elektrick´ych pol´ı, obecnˇe maj´ı menˇs´ı rozliˇsovac´ı schopnost neˇz statick´e hmotnostn´ı spektrometry. Spektrometr se spir´ alovou drahou - OMEGATRON Pouˇz´ıv´a magnetick´e pole a k nˇemu kolm´e vysokofrekvenˇcn´ı elektrick´e pole. Ionty dan´e hmotnosti se pohybuj´ı po rozˇsiˇruj´ıc´ıch se spir´al´ach a dopadaj´ı na kolektor. Iont˚ um s jinou hmotnost´ı se energie elektrick´ym polem nepˇred´av´a.
Vakuov´ a fyzika 1
19 / 43
9
9
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuov´ a fyzika 1
20 / 43
• Horn´ı a spodn´ı stˇ ena krychle tvoˇr´ı desky kondenz´atoru - mezi nimi je
vf elektrick´e pole • Svazek elektron˚ u z katody dopad´a na anodu • Tento svazek ionizuje plyny pod´ el sv´e dr´ahy • Elektrick´ e pole p˚ usob´ı na ionty vznikaj´ıc´ı pod´el dr´ahy elektron˚ u • Ve smˇ eru dr´ahy elektron˚ u je magnetick´e pole • Vlivem p˚ usoben´ı obou pol´ı se ionty pohybuj´ı v rovin´ach, kolm´ych na
smˇer svazk˚ u elektron˚ u
Vakuov´ a fyzika 1
21 / 43
Rovnice dr´ahy iont˚ u r=
1 E0 sin( (ω − ωc )τ ) B(ω − ωc ) 2
ωc - cyklotronov´a frekvence ωc =
2π 2πr m0 v , τc = , r= τc v Be
pro ω → ωc r=
1 E0 τ 2B
Pˇri kaˇzd´em obˇehu iontu se zvˇetˇs´ı polomˇer jeho dr´ahy. Ionty pohybuj´ıc´ı se s cyklotronovou frekvenc´ı dopadaj´ı na kolektor, ionty kter´e nemaj´ı rezonanˇcn´ı frekvenci mohou m´ıt maxim´aln´ı polomˇer dr´ahy: rmax =
Vakuov´ a fyzika 1
E0 B(ω − ωc ) 22 / 43
kolektor mus´ı b´yt ve vˇetˇs´ı vzd´alenosti neˇz rmax Zmˇenou frekvence elektrick´eho pole m˚ uˇzeme z´ıskat rezonanˇcn´ı podm´ınku pro r˚ uzn´e molekulov´e hmotnosti iont˚ u. V´yhody - mal´e rozmˇery (nˇekolik cm). Nev´yhody: • rozliˇsovac´ı schopnost kles´ a s rostouc´ı hmotnost´ı iont˚ u, nepouˇziteln´y
pro Mo > 50 • citlivost - pˇri zvˇ etˇsen´ı proudu elektron˚ u - naruˇsen´ı elektrick´eho pole • nehomogenn´ı el. pole ionty dopadaj´ı na kolektor i pˇri n´ asobku
z´akladn´ı frekvence ve spektru vrcholy odpov´ıdaj´ıc´ı 12 M0 , 13 M0
Vakuov´ a fyzika 1
23 / 43
Pr˚ uletov´ e hmotnostn´ı spektrometry CHRONOTRON
Vznikl´e ionty jsou kr´atkodob´ymi napˇet’ov´ymi pulzy pˇriv´adˇeny do urychluj´ıc´ıho elektrick´eho pole s rozd´ılem potenci´al˚ u U, a z´ısk´avaj´ı rychlost r 2e v= U m0 Rychlost z´avis´ı na hmotnosti. Ve vzd´alenosti L od urychluj´ıc´ı elektrody je kolektor, na kter´y ionty dopadaj´ı. Z ˇcasov´e z´avislosti zmˇeny kolektorov´eho proudu lze vyj´adˇrit z´avislost proudu na hmotnosti molekul Lze sledovat rychl´e zmˇeny sloˇzen´ı plynu
Vakuov´ a fyzika 1
24 / 43
TOF
10 10
http://www.ima.umn.edu/2007-2008/MM8.6-15.08/abstracts.html Vakuov´ a fyzika 1
25 / 43
Pr˚ uletov´ y hmotnostn´ı spektrometr - Bennett˚ uv
11 11 A.T´ alsk´y, J.Janˇca: Speci´ aln´ı praktikum z vysokofrekvenˇcn´ı elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 Vakuov´ a fyzika 1
26 / 43
g1, g2, g3 tvoˇr´ı vlastn´ı analyz´ator. Vˇsechny tyto mˇr´ıˇzky maj´ı urˇcit´y stejnosmˇern´y potenci´al v˚ uˇci katodˇe. Na mˇr´ıˇzku g2 se pˇriv´ad´ı vysokofrekvenˇcn´ı napˇet´ı. Amplituda vf pole je asi 10 menˇs´ı neˇz urychlovac´ı napˇet´ı mezi A-K. Maxim´aln´ı energii z´ıskaj´ı ty ionty, kter´e proch´azej´ı mˇr´ıˇzkou g2 v okamˇziku, kdy se mˇen´ı smˇer vf pole(z´ısk´avaj´ı energii v obou p˚ ulperiod´ach). Rovnice Bennettova spektrometru: M=
0.266 × 1012 U s 2f 2
kde U [V] je urychluj´ıc´ı napˇet´ı A-K, s[cm] - vzd´alenost g1-g2 (g2-g3), f[Hz] - frekvence vf pole Pˇr´ır˚ ustek energie iontu v z´avislosti na poˇctu cykl˚ u vf pole, pˇri pohybu mezi g1-g3, maximum pro N=0.74 cyklu. Mezi g3 a C vloˇz´ıme brzd´ıc´ı potenci´al Z, projdou ionty pouze s urˇcitou hmotnost´ı.
Vakuov´ a fyzika 1
27 / 43
12 12 A.T´ alsk´y, J.Janˇca: Speci´ aln´ı praktikum z vysokofrekvenˇcn´ı elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 Vakuov´ a fyzika 1
28 / 43
Kvadrup´ olov´ y hmotnostn´ı spektrometr
13
13 A.T´ alsk´y, J.Janˇca: Speci´ aln´ı praktikum z vysokofrekvenˇcn´ı elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 Vakuov´ a fyzika 1
29 / 43
14 14 A.T´ alsk´y, J.Janˇca: Speci´ aln´ı praktikum z vysokofrekvenˇcn´ı elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 Vakuov´ a fyzika 1
30 / 43
Potenci´al φ(t, x, y , z) m˚ uˇzeme obecnˇe popsat rovnic´ı φ(t, x, y , z) = Vo (t)(αx 2 + βy 2 + γz 2 ) Mus´ı b´yt splnˇena Laplaceova rovnice α + β + γ = 0 ⇒ α = −β , γ = 0 Na elektrody vloˇz´ıme napˇet´ı 2(U + Vcos(ωt)) φ(t, x, y ) = (U + Vcosωt)
x2 − y2 ro2
x ro2 y Ey = 2(U + Vcosωt) 2 ro
Ex = −2(U + Vcosωt)
Vakuov´ a fyzika 1
31 / 43
Pohybov´e rovnice pro ionty m
d 2x x = −2e(U + Vcosωt) 2 2 dt ro
m
d 2y y = 2e(U + Vcosωt) 2 dt 2 ro m
d 2z =0 dt 2
zavedeme substituci ωt = 2ε , a =
Vakuov´ a fyzika 1
8eU 4eV , q= mro2 ω 2 mro2 ω 2
32 / 43
d 2x + (a + 2qcos2ε)x = 0 dε2 d 2y − (a + 2qcos2ε)y = 0 dε2 To jsou Mathieuovy diferenci´aln´ı rovnice s periodick´ymi koeficienty, ˇreˇsen´ı se hled´a ve tvaru nekoneˇcn´ych ˇrad. Dvˇe ˇreˇsen´ı - stabiln´ı a nestabiln´ı - dvˇe moˇzn´e trajektorie iont˚ u - stabiln´ı a nestabiln´ı dr´aha. Nestabiln´ı dr´aha - amplituda v rovinˇe x-y nar˚ ust´a exponenci´alnˇe. Stabiln´ı dr´aha - amplituda oscilac´ı menˇs´ı neˇz ro , iont dopadne na kolektor.
Vakuov´ a fyzika 1
33 / 43
15 15 A.T´ alsk´y, J.Janˇca: Speci´ aln´ı praktikum z vysokofrekvenˇcn´ı elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 Vakuov´ a fyzika 1
34 / 43
Pˇri pevn´ych hodnot´ach ro , U , V , bude vˇsem iont˚ um se stejnou hmotnost´ı odpov´ıdat jeden pracovn´ı bod (a,q). Pomˇer qa je a U =2 q V je nez´avisl´ı na hmotnosti iont˚ u. To znamen´a, ˇze pracovn´ı body iont˚ u r˚ uzn´ych hmotnost´ı budou leˇzet na spoleˇcn´e pracovn´ı pˇr´ımce P, kter´a proch´az´ı poˇc´atkem souˇradnicov´e soustavy a jej´ıˇz smˇernice je z´avisl´a na VU . Ionty, jejichˇz pracovn´ı body leˇz´ı na tom u ´seku pˇr´ımky, kter´y je uvnitˇr stabiln´ı oblasti se budou pohybovat po omezen´ych drah´ach a dopadnou na kolektor. Sklonem pracovn´ı pˇr´ımky m˚ uˇzeme tento u ´sek zvˇetˇsovat nebo zmenˇsovat.
Vakuov´ a fyzika 1
35 / 43
Pro
U = 0.168, ao = 0.237 ; qo = 0.706 V pracovn´ı pˇr´ımka proch´az´ı vrcholem stabiln´ı oblasti, to znamen´a, ˇze na kolektor dopadnou ionty pouze s jednou hmotnost´ı. a=
4eV 8eU , q= 2 2 mro ω mro2 ω 2
Rovnice kvakrup´olov´eho spektrometru: m 4V = e qo ω 2 ro2 Pˇredchoz´ı odvozen´ı plat´ı pˇresnˇe pouze pro hyperbolick´e pole, s dostateˇcnou pˇresnost´ı plat´ı i pro kruhov´y pr˚ uˇrez elektrod. V´yhody: velk´a rozliˇsovac´ı schopnost, nevyˇzaduje magnetick´e pole
Vakuov´ a fyzika 1
36 / 43
16
16
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
37 / 43
17 17
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
38 / 43
18
18
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
39 / 43
19
19
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
40 / 43
PRISMA-QME80, tlak 1.0 × 10−4 Pa
Vakuov´ a fyzika 1
41 / 43
PRISMA-QME80, tlak 5.9 × 10−4 Pa
Vakuov´ a fyzika 1
42 / 43
20
20
firemn´ı materi´ aly firmy Pfeiffer Vakuov´ a fyzika 1
43 / 43
