残留气体分析仪

残留气体分析仪（RGA）是一种小型且通常坚固的质谱仪，通常使用四极杆技术设计，用于真空系统中的过程控制和污染监测。四极杆由四个平行的金属棒组成。每个相对的杆对电连接在一起，并且在一对杆和另一对杆之间施加射频（RF）电压。然后将直流电压叠加在RF电压上。离子沿着杆之间的四极杆向下移动。对于给定的电压比，只有具有特定质荷比的离子才能到达检测器：其他离子的轨迹不稳定，并且会与棒碰撞。这允许离子的选择与特定的M / Z，从而可以研究许多生长动力学参数（表面化学计量，粘附，掺入，解吸，交换，分离）。  

残留气体分析仪（RGA）是测量存在的气体的化学组成的光谱仪在低压环境中。残留气体分析仪实际上将气体中的各个成分电离以产生离

子，然后检测并确定质荷比。此过程在真空中效果更好，由于低压，质量更易于监控，杂质和不一致性也更易于检测。设定诸如此类的离子可以在离子束加速器和电子/离子扫描显微镜中找到。

RGA的重要性：（1）它可以分析各种气相反应；（2）可以监视变化发生在任何气体环境中；（3）检查真空泄漏；（4）检查质量流量控制器等。这些类型的信息可能很难通过其他方法确定，但是可以使用附加到低端的RGA轻松找到压力环境或腔室。

RGA的操作：RGA有五个主要组成部分：（1）电离器；（2）静电透镜；（3）质量分析仪和过滤器；（4）离子检测器；（5）质谱。

1.电离器：

在电离器中，中性气体原子或分子被转换成正离子。电离器包括以下部分：

（a）两个产生电子的灯丝；（b）静电丝网设置恒定的静电势在电离区域内；（c）绝缘。

还有法拉第杯“篮子”围绕整个装配体，以保持外部静电势影响电离器。两条灯丝，通常为-70V的Thoria涂层铱金属通过的电流通过能量为70ev的“热电子发射”和几毫安的电流发射电子。这些然后，由于细丝之间施加的电压差，电子朝着丝网加速和金属丝网。被加速的电子然后与网格中的中性气体原子或分子碰撞并电离它。当电子与原子或分子M碰撞时，它可能不会被电离（弹性碰撞）或被电离（非弹性碰撞），例如：e- + M⇒2e- + M +。此电离反应需要大量能量（分子M）的“电离势”和能量必须由电子提供。

                                                                 表一

表一给出了能量将各种分子离子化为特定离子所必需。也可以发生其他类型的电离反应。对于例如，可能发生称为解离电离的过程。这种反应的化学方程式看起来类似于：e- + MX⇒2e- + M + + X（或）2e- + M + X +。显然，事情会很快变得复杂。确实，电子与氮分子（N2）碰撞可能产生十几种可能的结果！我们只测两个使用RGA：N2 +和N +的形成。称为“横截面”的概念用于描述电子与原子或原子碰撞或发生反应的概率。分子。

这个想法的最简单形式是相对简单的：电子必须与分子碰撞才能引发原子能。反应。由于电子的运动速度至少比分子快100倍，因此我们通常可以将这些分子视为站着不动 如果分子具有较大的半径（因此具有较大的横截面），则发生与之碰撞的电子也相对较大。这些横截面通常根据电离来测量电子的能量。

在下表中，给出了某些元素的电离势；所有横截面或电离势最大值通常接近70 eV至200 eV。这就是为什么我们使用约70eV的电子来使分子电离在RGA中。在该能量下，电离过程相对有效。另请注意，成形截面CF 3+ 比形成其他离子（如CF + 或C +）大得多。因此，我们期望离子发生器看到CF 4的信號比CF 3+ 跟CF + 或C + 以及CF 3+ 信号都來得大。

RGA具有类似的表格信息，说明各种气体产生的离子。RGA也经常出现带有“相对电离敏感性”表，该表描述了给定分子产生的离子数与相等数量的氮分子相比 例如：氩产生的离子是氮的1.2倍和氦只有0.14。因此，在给定压力下，人们应该期望氦发出的信号比来自氦的信号要小。

2.静电透镜组件：

静电透镜组件通过一系列静电“透镜”聚焦并加速正离子进入能量约为10-20eV的光束电离器丝网通常通过电离器电源设置为高于地面10到20V。将此设置为高于地面的电势可确保所有产生的离子具有10-20 eV的显着势能{PE = KE =qx（V ion_region – V mass_filter）}。质量过滤器区域通常保持在地电位。

因此，在离子区篮中产生的具有约10-20eV能量的正离子将加速进入离子阱。接地的质量过滤器区域，只需设置以下参数即可以合理定义的速度（和KE）穿过该区域电离器丝网上的电位。每个镜头都是一个简单的圆盘，中间有一个孔（甜甜圈结构）。当一个电势（相对于电离区域的负电势）施加在这样的环形结构上，电场形成的离子可以加速离子通过离子束并将离子推向甜甜圈孔的中心。负面的放置在连续透镜上的电势会产生电势梯度，从而决定效率以及离子被加速进入质量过滤器的束质量。最靠近离子发生器丝网的透镜通常称为“提取器”透镜。一些RGA仅具有提取器镜片。其他人有一个以上的透镜，用于聚焦离子束并将其引导到质量过滤器中。

3.质量过滤（四极杆）：

然后，通过采用质量分析器中的电场和/或磁场。该单元充当过滤器。它很好地通过了离子用户选择质荷比（M / e），所有其他离子都会偏转到一边，中和并变得不可检测。四极质量过滤器由4个（“四极”）受电偏压的杆（极）组成。不需要磁场过滤掉不同质量的离子。这些精心放置的杆，当同时偏置-直流和射频时电压会在中心产生双曲线构造的电场，从而将M / e的范围限制在很小的范围内（质荷比）到中心区域。所有其他M / e离子都被加速到它们所在的棒中被中和并变得不可检测。

4.离子检测系统。

离子检测器系统检测并计算过滤后的离子的质荷比作为离子电流，或者通过法拉第杯或扩展的二次电子倍增器（也称为“通道加速器”）。通过选择特定的质荷比并测量获得的信号，可以立即找出存在于RGA电离器区域中的那些分子的数量。遍及整个范围在M / e比率的基础上，人们可以找到存在的整个分子范围，并开始了解气体中的化学成分。

（a）法拉第杯是一个简单的金属片在适当的负偏压电位（〜-50 V），使正离子被吸引并获得中和。流过法拉第杯的电流使用快速测量静电计，该电流是RGA记录的相对信号。较大的电流越大，信号越大，因此离子数越多。由于电流只是单位时间内单位面积平面上的净电荷流，而且由于多重电离的分子比单电离的分子携带更多的电荷分子，应该期望多个离子化的分子产生更大的信号。对于给定数量的离子 例如：每个Ar ++离子携带的电荷是Ar +离子的两倍；因此，Ar ++如果存在完全相同数量的离子，则信号应为Ar +信号的两倍。这会导致信号多个带电离子的数量大于仅使用电离横截面所预测的数量。

（b）二次电子倍增器或通道加速器是带有特殊内部涂层的弯曲玻璃管（通常每次被撞击时都会发射出多个电子（“二次电子发射”）的氧化金属（如Pb或Bi）离子或电子。后端在管上安装了一个法拉第杯，用于收集产生的电子管内。宽的“喇叭型接頭”连接到低电流电源，并且有偏压最大负电压（约-2 kV）。后端保持非常接近地电位，并连接到快速静电计再次。在某些情况下，可以将后端连接到脉冲计数电路，以使电流计算每个单独离子的脉冲，而不是测量时间积分电流。最常见的是简单测量。通道加速器的优点在于，它以很大的倍数放大（M）每个离子的电流。放大系数M的值可以在10 4到10 9的数量级，具体取决于放大倍数的结构。乘数，使用的电压和设备的寿命。这样一来，就可以大大改善痕量气体的测量信号。这增强了RGA的灵敏度。

5. RGA频谱或质谱扫描频谱：

该光谱以amu单位的质荷比表示离子的峰。“ amu”是“原子质量单位”，大致相当于一个质子的质量 这些M / e比是所有元素的特征。例如，山峰光谱中14 amu是N +，20 amu是Ar 2 +，28 amu是N 2+ ，40 amu是Ar + 。28 amu处的峰对应于在这种情况下为分子氮，但是其他分子也可能对此信号有所贡献（或那个问题）。特别地，一氧化碳CO +具有与N 2相同的M / e比任何RGA，因此总是在28 amu下用氮气检测到N 2和CO出现在CO与N 2的谱中 之间的区别。N 2将在原始28和14 amu处产生信号峰，而CO将在在28（CO），16（O）和12（C）amu处产生峰，在29（C 13 O和COH）和13（C 13）amu 处产生较小的峰。