В наиболее широко применяемом источнике катод излучает пучок электронов, бомбардирующий молекулы остаточных газов с образованием ионов, которые вытягиваются и фокусируются соответствующими устройствами.

Поскольку многие приборы обеспечивают фокусировку только по одному параметру (например, по направлению движения ионов или по скоростям), для хорошего разрешения масс необходимо, чтобы разброс по энергиям в ионном пучке был минимальным. Отсюда следует, что ионизация должна происходить в ограниченной области пространства, где изменение потенциала незначительно (практически на эквипотенциальной поверхности), и что вытягивание ионов не должно сопровождаться ухудшением их распределения по энергиям.

В литературе описан ряд конструкций различных источников ионов, но интересно отметить, что в большинстве магнитных, а также и некоторых других типах масс-спектрометров используются ионные источники, в основу которых заложена концепция Нира, предложенная еще в 1940-х гг. Принципиальная схема этого устройства представлена на рис. Электроны эмиттируются катодом, установленным перед коллимирующими щелями в ускоряющих плоских электродах А и В.

Щели расположены перпендикулярно направлению распространения ионного пучка. Электроды обладают положительным потенциалом относительно катода и служат для регулирования тока эмиссии и энергии электронов. Плоский пучок электронов фокусируется магнитным полем, параллельным направлению пучка. В некоторых приборах для этого используется магнитное поле анализатора, в других поле создается с помощью небольших вспомогательных магнитов, установленных в ионном источнике. Пучок электронов проходит через ионизационнуку камеру, затем через входную щель в электроде С и собирается на электроде D, называемом анодной ловушкой.

Важно, чтобы источник ионов допускал тщательное обезгаживание, так как состав остаточного газа может искажаться не только электронной бомбардировкой электродов, но и десорбцией газов в виде ионов. Эти ионы обладают более высокой энергией по сравнению с ионами, возникшими вследствие электронной ионизации в газовой фазе  и дают на масс-спектре дополнительную полосу.

Кроме того, конструкция источника должна обеспечивать возможность замены катода после его выхода из строя. Обычно катодную нить выполняют из вольфрама, но при необходимости ограничить протекание химических реакций на горячем катоде, а также нагрев окружающих электродов используют нить из рения или рения, покрытого гексаборидом лантана. Устройство и характеристики таких источников ионов подробно описаны в литературе, например в работе Барнарда, которую можно рекомендовать для более углубленного изучения вопроса.

Несмотря на то что под действием магнитного поля электроны перемещаются по спирали, чувствительность Ks ионного источника значительно ниже, чем у ионизационного вакуумметра, и обычно составляет 10^-6 А*Па^-1 (так как электронный ток не превышает ~200 мкА, чувствительность источника в ~4 раза ниже чувствительности ВБА). Это объясняется более низкой эффективностью ионизации и экстрагирования.

Эффективность экстрагирования возрастает с увеличением размеров отверстия, через которое происходит экстрагирование ионов, однако при этом происходит ухудшение разрешающей способности прибора вследствие увеличения разброса ионов по энергии.

В работе Питтауэем был предложен способ повышения чувствительности ионного иосточника, основанный на принципах, заложенных в экстракторном вакуумметре. Автор усовершенствовал собственную конструкцию (рис. 4.11), заменив экстрактор двумя сеточными электродами, установленными перпендикулярно направлению распространения ионного пучка и служащими для вытягивания и ускорения ионов.

Чувствительность такого устройства составляла ~ 10^-4 А*Па^-1 при электронном токе 10 мА, но часть тока собиралась на сетке, поскольку прозрачность сеточных электродов составляла только 40%. Указывается, что дальнейшее совершенствование источника может быть достигнуто путем использования вместо сеточных электродов системы трех электростатических линз для экстрагирования и фокусировки ионов (рис. 5.4).

Для газоанализаторов некоторых типов требование моно-энергетичности пучка ионов не так важно, что позволяет использовать ионные источники более простой конструкции; в частности, можно отказаться от фокусировки электронов с помощью магнитного поля. Однако, вне зависимости от типа используемого источника ионов, необходимо с высокой степенью точности стабилизировать ток эмиссии, а также использовать управляющие схемы, аналогичные схемам в ионизационных вакуумметрах.

Рассмотрев принцип устройства источников моноэнергетических ионов, можно приступить к обсуждению разделения ионов по массам. Существует несколько различных способов разделения ионов, которые будут рассмотрены в следующих разделах.

Секторные магнитные анализаторы

Статический масс-спектрометр с секторным магнитным полем был разработан Демпстером в 1918 г.; в настоящее время он является одним из наиболее широко распространенных масс-спектрометров.

Если ион пересекает однородное магнитное поле напряженностью H перпендикулярно направлению поля, то на него действует сила Лоренца, равная Hev, которая перпендикулярна как магнитному полю, так и направлению движения иона. Эта сила вынуждает ион двигаться по круговой орбите, радиус которой г может быть определен из уравнения

(5.1)

Таким образом, получаем

(5.2)

Откуда видно, что радиус траектории иона зависит от отношения массы иона к его заряду (m/е), напряженности H и ускоряющего потенциала V. Выражая г в м, H — в Т, V — в В и заменяя m величиной M (а. е. м.), получим для однозарядного иона

(5.3)

В масс-спектрометре Демпстера перед попаданием ионов в коллектор они разворачиваются магнитным полем на 18O ⁰C (см. рис. 5.5). Магнитное поле, занимающее все пространство анализатора, может быть одновременно использовано и для фокусировки электронного пучка в ионном источнике. Сканирование спектра осуществляется путем изменения ускоряющего потенциала V или напряженности магнитного поля H при использовании электромагнита.

Магнитное поле также фокусирует по направлению ионы, имеющие одинаковую массу и энергию. На рис. 5.6 показаны траектории ионов с различными начальными направлениями движения. Фокусировка не является идеальной, и ширина пучка ионов на выходе анализатора в случае моноэнергетического источника составляет га2, где а — угол рассеивания. Это выражение справедливо только для малых а.

К увеличению ширины выходящего пучка приводит и разброс энергии ионов. Если входная щель имеет ширину Si, то на выходе ширина пучка может увеличиться до S₁+?S₁ где ?S₁ — расширение ионного пучка в результате аббераций. Поэтому для того, чтобы все ионы данного массового числа mje попали в выходную щель, ширина последней S₂ должна быть не меньше  S₁+?S₁. Увеличение ширины щели S₁ приводит к повышению чувствительности прибора, однако это увеличение требует эквивалентного увеличения S₂, что вызывает ухудшение разрешающей способности. Разрешающая способность может быть выражена формулой

(5.4)

где S₂ = S₁+?S₁. Таким образом видно, что разрешающая способность прямо пропорциональна радиусу траектории иона и обратно пропорциональна ширине щели. Поэтому при выборе указанных параметров прибора приходится принимать компромиссное решение.

Рис. 5.6 Фокусирующее Действие 180°-ного магнитного поля. rа² — аберрация пучка ионов в фокусе первого порядка.

Для того чтобы получить хорошее разрешение при широких щелях, в первых масс-спектрометрах пользовались большие радиусы отклонения пучка ионов, Однако при эксплуатации масс-спектрометра в качестве газоанализатора, естественно, необходим значительно меньший радиус траектории ионов. Это не только ограничивает ширину щелей, но и требует более сильных магнитных полей или более низких ускоряющих потенциалов [см. уравнение (5.3)]. Ускоряющий потенциал, необходимый для фокусировки ионов определенной массы на выходную щель, уменьшается с увеличением массы иона. Однако ввиду того, что тепловые скорости ионов должны быть малы по сравнению с приобретенной скоростью, возникает ограничение диапазона анализируемых масс.

Тем не менее серийно выпускаются 180° ные магнитные газоанализаторы с радиусом отклонения ионов лишь 10 мм и диапазоном анализируемых масс от 200 а. е. м. при 10%-й разрешающей способности вплоть до 44 а.е. м. Чувствительность таких приборов  6-17 А*Па^-1) позволяет измерять парциальные давления в области сверхвысокого вакуума вплоть до 10^-9 Па. Эти приборы допускают прогрев вплоть до 400 ⁰C и относительно недороги. Скорость сканирования (~ 1 а. е. м./с) достигается путем изменения ускоряющей разности потенциалов на два порядка величины. Типичный спектр, представленный на рис. 5.1, получен с помощью компактного 180°-го магнитного масс-спектрометра.

Формула (5.3) справедлива для любого магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов, но фокусирующий эффект проявляется только для секторного угла, равного 180°. При изучении угловой фокусировки для секторных углов, отличных от 180°, было показано [5, 6], что теоретическая фокусирующая характеристика прибора не зависит от угла сектора. Причем наилучшая фокусировка достигается при выполнении условия симметрии: падающий и выходящий пучки ионов перпендикулярны границам поля, а входная и выходная щели расположены на равных расстояниях от точки пересечения двух границ поля (точка 0) и на одной линии с ней, как показано на рис.5.7

На этом рисунке представлена идеализированная модель анализатора с незначительным расхождением пучка ионов и магнитным полем, ограниченным размерами магнита. Тем не менее работы Барбера, Стивенса и других исследователей, наиболее полно описанные в книге Барнарда, положили начало в 1930-х гг. разработке секторных магнитных масс-спектрометров с углами отклоне ния ионного пучка 30, 60 и 90°. Преимущество секторных масс-спектрометров с углами отклонения ионного пучка меньше 180° заключается в том, что коллектор и источник ионов могут находиться вне магнитного поля, что упрощает использование электронного умножителя с целью повышения чувствительности.

Рис. 5.7 Анализатор с секторным магнитным полем. Положение источника и коллектора соответствует фокусированию первого порядка.

Секторное магнитное поле можно создать, придав полюсным наконечникам магнита форму, соответствующую желаемому сектору. На практике идеальная ситуация, когда магнитное поле жестко ограничено требуемым сектором, недостижима — необходимо учитывать рассеяние магнитного поля за пределы сектора. Однако, придав правильную форму полюсным наконечникам, можно обеспечить фокусировку второго порядка, что было исследовано как теоретически, так и экспериментально. В результате такой фокусировки разрешение и чувствительность, например 90°-ного секторного масс-спектрометра, могут оказаться не хуже (а иногда и лучше), чем для 180°-ного спектрометра таких же габаритов. С другой стороны, сохранить юстировку магнитного поля здесь значительно труднее, поскольку удаление магнита, например на время прогрева спектрометра, может сбить градуировку.

Как и в случае 180°-ного масс-спектрометра, разрешение любого секторного прибора зависит от ширины щелей и радиуса траекторий ионов. Для достижения высокой разрешающей способности в 60°-ном секторном масс-спектрометре необходим большой радиус траекторий движения ионов. Поэтому в качестве анализатора остаточного газа обычно используется 90°-ный спектрометр. Описан прибор, предназначенный для условий сверхвысокого вакуума, с радиусом траектории движения ионов 5 см. Прибор снабжен встроенным электронным умножителем и способен измерять парциальные давления вплоть до 10^-11 Па. Корпус анализатора, за исключением металлической центральной части, расположенной между полюсами магнита, изготовлен из стекла. Полностью металлические (нержавеющая сталь) 90°-ные секторные масс-спектрометры с радиусом траектории ионов 6,2 см в настоящее время выпускаются промышленностью.

Эти спектрометры благодаря использованию электромагнитов охватывают диапазон масс до 500 а. е. м. при общем разрешении до 400 и имеют чувствительность 10^-6 А-Па-1 по азоту. Спектрометры этого типа более универсальны и имеют лучшие характеристики по сравнению с более дешевыми компактными 180°-ными магнитными масс-спектрометрами, упомянутыми выше, и особенно подходят для вакуумных систем, в которых возможно присутствие паров органических соединений. На рис. 5.8 показаны два магнитных масс-спектрометра секторного типа, выпускаемых промышленностью.

В некоторых практических случаях недопустимо присутствие поля, создаваемого магнитом, используемым в анализаторе. Оказалось, что можно построить анализатор, основанный на электростатическом отклонении ионов, который мог бы дать альтернативное решение проблемы. В таком устройстве (рис. 5.9) отклонение иона обеспечивается электростатическим полем напряженностью Е, локализованным между двумя параллельными электродами. Как и в случае секторного магнита, радиус круговой траектории иона может быть определен из уравнения

(5.5)

где еЕ — кулоновская сила, действующая на ион.

Ионы из источников, описанных в разд. 5.3, обладают приблизительно одинаковой кинетической энергией, равной eV, где V — ускоряющий потенциал, приложенный к последнему вытягивающему электроду (рис. 5.3). Из уравнения (5.3) следует, что ионы из такого источника не могут быть разделены электростатическим полем и будут двигаться в поле по одной круговой орбите. Однако если устройство ионного источника позволяет получать ионы с одинаковым количеством движения (m? = — const), то разделение ионов по радиусу возможно, поскольку из уравнения (5.5)

(5.6)

Откуда следует вывод о возможности разделения ионов с различными массами.

Поэтому для работы электростатического секторного анализатора необходимо наличие ионного источника, обеспечивающего получение ионов с одинаковым количеством движения.

Схема такого источника представлена на рис. 5.9 Образование ионов в нем происходит в результате бомбардировки электронами молекул газа, находящихся в пространстве между электродами R и L, расположенными на расстоянии d друг от друга. Импульсы отрицательного относительно электрода R напряжения V прямоугольной формы длительностью т прикладываются к электроду L. Длительность импульса т выбирается малой по сравнению со временем пролета ионами пространства между электродами R и L, тогда как время между импульсами должно превосходить время пролета ионов.

На образующиеся однозарядные ионы действует сила, равная eV/d, в результате чего ионы приобретают одинаковое количество движения, равное

(5.7)

Из выражений (5.5) и (5.7) можно определить радиус траектории иона:

(5.8)

Положения щелей Si и Si, а также значения параметров V, E н х выбираются таким образом, чтобы через щель S2 могли проходить только ионы определенной массы. Сканирование масс осуществляется изменением одного из параметров V, т или Е.

Спектрометры этого типа имеют ряд преимуществ. Не имея магнитов и соответственно рассеянного магнитного поля, они легче и компактнее магнитных анализаторов; кроме того, устраняется проблема демонтажа и установки магнитов в связи с операцией прогревания системы. К. тому же получение ионов с одинаковым количеством движения является более простой задачей, чем получение ионов с одинаковой энергией.

Кроме того, если импульсное напряжение, прикладываемое к ускоряющему электроду L ионного источника, заменить постоянным, то анализатор можно использовать в качестве вакуумметра полного давления. Этот эффект объясняется тем, что постоянное напряжение создает ионы с одинаковой энергией, которые будут перемещаться в поле по одной и той же траектории. Естественно, справедливо и обратное положение: используя импульсное напряжение в спектрометре магнитно-секторного типа, можно получить ионы с одинаковыми траекториями [см. уравнение (5.2)]. Однако, насколько известно автору, идея секторного электростатического анализатора пока не реализована в виде серийного изделия.

Циклоидный масс-спектрометр можно получить, если в 180°-ном магнитном спектрометре создать дополнительное электрическое поле, направленное под прямым углом к магнитному.

Идея использования в спектрометре скрещенных магнитного и электрического полей впервые была предложена Блэкни и Хипплом в 1938 г. и получила дальнейшее развитие в приборах для исследования остаточных газов в 1950-х гг. Движение ионов в скрещенных полях описывается следующими параметрическими уравнениями:

Если при t = 0, х=0 и y = 0, то, проинтегрировав уравнения (5.9), можно получить следующее решение:

(5.10)

где А и 6 — постоянные интегрирования, зависящие от начальной скорости и направления движения иона относительно электрического поля. Выражения (5.10) представляют собой параметрическое уравнение циклоиды — кривой, которую описывает точка, связанная с окружностью, катящейся без скольжения по прямой линии.

Разработано несколько конструкций масс-спектрометров со скрещенными полями, в которых ионы перемещаются по удлиненным циклоидным траекториям [10—12]. Типичный пример спектрометра для анализа состава остаточных газов при низких давлениях представлен на рис. 5.11. Однородное электрическое поле необходимой протяженности создается набором нескольких параллельных пластин, расположенных на строго определенных расстояниях и изолированных друг от друга специальными керамическими прокладками (на рисунке не показаны). Пучок ионов проходит через прямоугольные щели в этих пластинах. Напряжение подается на каждую пластину в отдельности. К недостаткам прибора этой конструкции следует отнести наличие значительного числа электрических вводов, а также деталей с большой общей поверхностью, что затрудняет обезгаживание.

Рис. 5.11. Схема циклоидного масс-спектрометра Перкинса и Шарпантье: 1 — катод; 2 — отражатель ионов; 3 — щелевая диафрагма; 4 — пучок ионизирующих электронов  5 — пучок ионов- 6 — коллектор ионов; 7 — положительный электрод: 5 — отрицательный электрод; 6 — пучок ионов; 6 — коллектор ионов; 9 — анод.

Устройство, в котором отсутствуют эти недостатки, предложено в работе [13]. В этом приборе между центральной пластиной и двумя обкладками конденсатора устанавливается потенциометр, который изготовляется из тонкой проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанной на «каркас» из четырёх штыревых изоляторов, расположенных в вершинах прямоугольника (рис. 5.12). Основным недостатком этой конструкции является сравнительно невысокое напряжение, которое можно приложить к проволочному потенциометру, и, следовательно, ограниченный диапазон измеряемых масс.

Благодаря двойной фокусировке циклоидный масс-спектрометр в принципе должен обладать по сравнению с 180°-ным магнитным масс-спектрометром намного более высокими разрешающей способностью и чувствительностью. Однако для достижения улучшенных характеристик требуется высокая степень однородности электрического и магнитного полей.

Рис. 5.12. Циклоидный масс-спектрометр Эндрю: 1 — источник ионов; 2 — коллектор ионов.