Способ масс-спектрометрического определения состава газовой смеси Советский патент 1993 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к аналитической химии и, в частности, к масс-спектро- метрическому анализу состава газов.

Изобретение может/быть использовано для контроля газовой среды активных элементов лазеров, для контроля газов в микроэлектронике и особенно там, где необходим чувствительный и точный контроль состава газа при его ограниченном количестве идущем на анализ.

Таким образом, целью изобретения является уменьшение количества исследуемо го газа и повышение чувствительности,

точности и информативности за счет более полного использования исследуемой смеси.

Изобретение будет понятно из следующего примера: анализируемый газ (смесь гелий-З+неон-20) в количестве 3,95 м3 Па из резервуара напуска объемом 1 м3 молекулярным потоком через диафрагму напуска, в виде золотой фольги толщиной 3 м с 48-ю отверстиями диаметром 6 10 м подавался в ионный источник масс-спектрометра MX 1321.

Многократно (6 раз) регистрировались масс-спектры с точной фиксацией времени появлений каждого из пиков (каждой компс00

ы о

СП

ел

а

ненты), прошедшего с момента пуска газа в ионный источник. Результаты приведены в табл.1.

Величины F/V, необходимые для экстраполяции, были найдены по спадам ионных токов компонент без применения развертки. Для гелия-3 ,8833 , а для неона-20 F/V-1.5040- . Как видно, величина (F/V и для гелия-3 и для неона-20 равна 6,7261 .

Результаты экстраполяции интенсивно- стей каждого из пиков (ионных токов, табл.1) и результаты статистической обработки приведены в табл. 2,

Таким образом, было получено отношение ионного тока гелия-3 к ионному току неона-20, равное 7,2716. Для нахождения отношения парциальных давлений компонент смеси необходимо это отношение умножить на коэффициент относительной чувствительности (КОЧ) масс-спектрометра для этих компонент,

Результаты этого анализа для наглядности представлены в виде графиков: для гелия-3 на фиг.1 и для неона-20 на фиг,2, где показано изменение интенсивности пиков (ионных токов) компонент в процессе напуска газа (при шести развертках масс-спектра) и кривые экстраполяции интенсивности каждого из пиков к моменту пуска газа в ионный источник. Масштабы по оси времени для обоих графиков одни и те же. В реальном представлении графики должны быть совмещены, но из-за большого различия в интенсивностях пиков гелия-3 и неона-20 они приведены раздельно, при этом масштабы по оси интенсивности ионного тока взяты различными.

Для контроля воспроизводимости и точности способа были проделаны в течение недели на масс-спектрометре МХ1321 анализы той же смеси гелий-З+неон-20. В каждом эксперименте было использовано одно и то же количество смеси газа равное 3,95 10м Па. Получение отношения ионного тока гелия-3 к ионному току нерна-20 и среднее значение приведены в табл.3.

Второй пример использования изобретения заключался в следующем. При том же объеме резервуара напуска, что ив первом примере, проводимость отверстий диафрагмы напуска (их число) была увеличена так, что для гелия-3 F/V было равно 6,798 и для неона-20 ,634- . Газ (смесь гелий-З+неон-20) в количестве 6,59 м3 Па (т.е. в 6 раз меньшем, чем в первом примере) подавался из резервуара напуска в ионный источник. Результаты анализа и

экстраполяции интенсивностей каждого из пиков (ионных токов) компонент и статистической обработки приведены в табл. 4.

В результате получено отношение ионного тока гелия-3 к ионному току неона-20, равное 8,8070. Газ был взят из другого баллона, чем в первом примере.

Результаты этого анализа также представлены в виде графика на фиг.З, где показано изменение интенсивности пиков (ионных токов) компонент в процессе напуска газа (при шести развертках масс-спектра) и кривые экстраполяции ионных токов гелия-3 и неона-20 к моменту пуска газа в

5 ионный источник.

Как видно из сравнения результатов первого и второго примеров анализа газов при одном и том же объеме резервуара напуска, но при увеличении проводимости от0 верстий диафрагмы в 17,51 раза позволило уменьшить количество газа для анализа в 6 раз при сохранении точности анализа.

Преимущество предложенного способа может быть также понято из следующего

5 сопоставления. В приведенных экспериментах при точности анализа примерно в 1 % (включающей погрешности за счет самого масс-спектрометра, системы регистрации ионных токов и т.п.) для получения

0 информации о составе газовой смеси полезно (информативно) использовано 42% и 87,4% гелия-3 и 14,5% и 56% неона-20, соответственно в первом и втором примерах, от взятого для анализа количества газа, в то

5 время как по прототипу при погрешности в 1 % только за счет спада давления {без погрешности самих измерений) используется только 1% газа, а основная его часть (99%) выбрасывается.

0 Использование изобретения позволяет проводить определения состава газовой смеси с высокой точностью при малых количествах газа идущего на анализ. Формула изобретения

5 Способ масс-спектрометрического определения состава газовой смеси, по которому осуществляют напуек исследуемой смеси в ионный источник в молекулярном режиме через диафрагму с отверстиями,

0 разделение ионов по отношению массы к заряду и регистрацию масс-спектра, о т л и- чающийся тем, что, с целью уменьшения количества исследуемого газа и повышения чувствительности, точности и информатив5 ности путем более полного использования исследуемой смеси, интенсифицируют поток газа в ионный источник в начальный период напуска путем увеличения количества отверстий в диафрагме, многократно производят развертку масс-спектров, при

регистрации масс-спектров дополнительно регистрируют время появления каждого пика, экстраполируют величины интенсивно- стей ионных токов каждого компонента к моменту напуска на основании зависимости величин потока каждого компонента при напуске от времени по закону:

lojHjtie vtj.

где j - индекс компонента смеси;

Г - номер масс-спектра;

loj - величина ионного тока j-ro компонента, соответствующего моменту пуска газа в ионный источник. А;

Ijti - величина ионного тока J-ro компонента в момент времени ti (момент регистрации), А;

е - основание натуральных логарифмов; FJ - проводимость отверстий диафрагмы для j-ro компонента, м3/с: при этом Fi v...Fj / const, где Mj - массовое число атома (молекулы) соответствующего j-ro компонента;

ti - время с момента пуска газа в ионный источник до момента регистрации ионного тока j-ro компонента 1-го масс- спектра, с;

V - обьем резервуара напуска, м3, и по величине средних ионных токов каждого компонента, соответствующих моменту напуска, судят о составе газовой смеси.

Использование: изобретение относится к аналитической химии и может быть при- менено для контроля газовой среды активных элементов лазеров, в микроэлектронике и там, где необходим чувствительный и точный контроль состава газа при его ограниченном количестве, идущем на анализ. Использование изобретения позволяет уменьшить количество исследуемого газа, идущего на анализ, повысить чувствительность и точность и Информативность за счет более полного использования смеси, подвергаемой анализу. Сущность изобретения: в начальный период напуска газа в ионный источник интенсифицируют его поток путем увеличения количества отверстий в диафрагме напуска, многократно производят развертку масс-спектров, при регистрации масс-спектров регистрируют время появления каждого пика, экстраполируют величины интенсивноетей ионных токов каждого компонента к моменту напуска, на основании зависимости величин потока каждого компонента при напуске от времени по экспоненциальному закону и по величине средних ионных токов каждого компонента, соответствующих моменту напуска, судят о составе газовой смеси. 3 ил. i $.

Таблица 1

3начения отброшены при стат. обработке по t-критерию при а 95%.

Таблица 2

Таблица 3

3начение отброшенное при стат. обработке по меритерию при .

Фиг.1

Таблица 4

935

;

I

«

3X7

да 1

J 290

280 О

45 225 405605 785 945

Время с момента начала напуска, (с)

Фиг 2.

ъ

fa/«Ц.

r

1000

. -И. И .J-L. . .

{00200300

Время с момента начала напуска (с)

.. .Фиг.З.

Составитель Г. Чёджемов,

Редактор С.КулаковаТехред М.МоргенталКорректор Л. Филь

Заказ 2524ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5