Для многих вакуумметрических исследований достаточно знать приблизительную величину давления остаточного газа, не интересуясь его составом. Для этого можно использовать не требующие регулярной градуировки вакуумметры, измеряющие полное давление газа. Если же необходимо определять давление с той точностью, которую обеспечивает ионизационный вакуумметр, то в этом случае нужно не только регулярно контролировать градуировку вакуумметра и знать относительные чувствительности прибора для различных газов, но также определять состав остаточного газа в системе.

При давлениях >10^-5 Па, особенно если откачка осуществляется с использованием комбинации диффузионного и ротационного насосов, состав остаточного газа, вероятно, будет аналогичен составу атмосферного воздуха, находившегося в системе до откачки. В этом случае давление может быть измерено с достаточной точностью. При давлениях ниже 10^-5 Па это не так.

Ранее отмечалось, что некоторые насосы, используемые в сверхвысоковакуумных системах, обладают селективной способностью откачивать различные газы, так что некоторые газы остаются практически неоткачанными. Кроме того, при давлениях ниже 10^-6 Па выделяющийся из деталей вакуумной системы газ становится основным в остаточном газе, вследствие чего остаточный газ может значительно отличаться по составу от атмосферного воздуха. Более того, во многих конкретных случаях знать состав остаточного газа важнее, чем его давление (например, присутствие активных газов затрудняет изучение свойств поверхности, а присутствие тяжелых молекул нежелательно в ускорителях элементарных частиц).

Измерение одного лишь полного давления в этих случаях недостаточно; необходимо, кроме того, знать род хотя бы основной составляющей остаточного газа, а еще лучше — полный состав газа и давления его составляющих (так называемые парциальные давления). Поэтому наряду с развитием средств измерения полного давления в условиях вакуума разрабатывались приборы для определения парциальных давлений остаточных газов.

Обычно для этих целей используются масс-спектрометры, приспособленные для изучения остаточных газов в вакуумной системе. Иногда приборы этого типа называют газоанализаторами, и они используются либо для непосредственного измерения парциальных давлений (после предварительной градуировки), либо для определения качественного состава остаточного газа. Газоанализаторы отличаются от обычных масс-спектрометров повышенной чувствительностью и компактностью за счет более низкой разрешающей способности и ограниченности диапазона анализируемых масс.

Образование ионов в газоанализаторе происходит, по существу, в источнике ионов, аналогично ионизационным вакуумметрам, путем ионизации газа потоком электронов. Ионы экстрагируются с помощью соответствующих электростатических полей, попадают в анализирующее устройство, где они сепарируются и затем регистрируются в измерительном блоке. Обычно используется одноколлекторная система регистрации ионов, поэтому сканирование масс-спектра по всему диапазону масс осуществляется путем варьирования одного из параметров анализатора, например интенсивности электрического или магнитного поля. Измеряемый ток коллектора, представленный графически, характеризует масс-спектр (рис. 5.1).

 Массовое число

Рис. 5.1  Типичный масс-спектр остаточных газов, полученный с помощью 180°-ного магнитного масс-спектрометра.

Этот метод позволяет, в принципе, выделять одинаковые ионы и, если ток коллектора откалиброван, измерять парциальное давление соответствующего газа (произведение высоты пика на чувствительность масс-спектрометра по каждому конкретному газу является мерой парциального давления).

В действительности все намного сложнее. В пространстве ионизации в результате ионной бомбардировки образуются не только однозарядные, но и двухзарядные ионы, а также происходит частичная диссоциация сложных молекул. Разделение ионов в анализаторе зависит от отношения массы иона к его заряду, поэтому в случае многоатомного газа анализатор будет давать несколько пиков (для каждого значения отношения массы иона к заряду). Этот эффект можно видеть на рис. 5.1, где приведен масс-спектр таких сложных газов, как СО2, H2O и N2.

Кроме того, для ионов различных газов иногда могут быть одинаковыми значения отношения массы к заряду, например N2 и CO+. Таким образом, качественный анализ с помощью масс-спектрометра не вызывает затруднений, тогда как определение относительного содержания каждого газа и соответственно их парциальных давлений с достаточной степенью точности является довольно сложной задачей. К счастью, в большинстве случаев не требуется измерение парциальных давлений с высокой точностью; достаточно получить масс-спектр остаточного газа и измерить его общее давление.