Системы ввода проб (пуска)

Масс-анализатору, как правило, требуется уровень вакуума ниже 10-5 мм рт. ст. (~10-3 Па). Область ионного источника может работать при давлении на один или два порядка выше этого давления при использовании специальных конструкций, но тем не менее в большинстве случаев необходимо средство уменьшения давления образца газа. Одним из способов классификации различных систем впуска является классификация в зависимости от диапазона давления образца согласно нижеследующему.

Если давление образца меньше 10-5 мм рт. ст. (~10-3 Па), в частности при анализе остаточных газов системы сверхвысокого вакуума или в процессах осаждения тонкой пленки в условиях сверхвысокого вакуума, анализатор может просто погружаться в вакуумную камеру или подсоединяться к фланцу большого диаметра, возможно, с изолирующим клапаном. Погружение в камеру обеспечивает контроль за атмосферой камеры, а не за изолированным карманом в трубке, где могут быть более выраженными эффекты, относящиеся к нити или стенке. В особенности это относится к ионным источникам открытого типа. Возможность отключения анализатора клапаном может обеспечить поддержание масс-анализатора в состоянии вакуума в случае временных операций при более высоких значениях давления, или чистота анализатора может быть сохранена при краткосрочном использовании неинертных газов.
Если давление находится в пределах от 10-5 до 10 мм рт. ст. (~10-3-103 Па) и отношение между минимальным и максимальным давлениями значением равняется 1:10, как в случае некоторых видов применения мониторинга процесса, может использоваться отверстие соответствующего размера, которое представляет собой отверстие фиксированных размеров с дополнительным изолирующим клапаном. Как правило, входящий через малое отверстие поток (отверстие диаметром 0,05 мм) будет молекулярным при давлении ниже 1 мм рт. ст. (-100 Па) [94], поэтому поток в анализатор будет такого же типа, что и в направлении вакуумного насоса. (Предполагается, что быстрота откачки для газов с различной молекулярной массой соответствует законам идеального молекулярного потока.) Фракционирование [96, 97] образца не будет изменять состав, если количество газа образца не будет слишком малым, и более легкие компоненты не улетучатся в резервуаре перед отверстием. (В режиме молекулярного потока пропускная способность обратно пропорциональна квадратному корню молекулярной массы.)

Если максимальное давление ниже 10 мм рт. ст. (~103 Па), но соотношение между минимумом и максимумом давления выше 1:10, тогда параллельное расположение нескольких отверстий различного размера с индивидуальными отсечными клапанами может охватывать достаточно широкий диапазон давлений за счет сложности системы впуска. Очень распространенной является схема, когда отсечной клапан большого диаметра высокого вакуума установлен параллельно отверстию для выполнения анализа остаточных газов, обнаружения утечек и управления процессом с помощью одного и того же прибора. Другой вариант заключается в использовании переменных напускных клапанов с охватом диапазона давлений в несколько порядков работой одного клапана. Несмотря на то, что это более простое решение, существуют случаи, когда преимущества высокой стабильности встроенного отверстия фиксированного размера, обеспечивающего воспроизводимое соотношение давления, перевешивают преимущество свободно регулируемого давления в масс-анализаторе. (Некоторые напускные клапана проявляют большой гистерезис и ползучесть; их скорость утечки зависит от направления регулировки (в направлении вверх или в направлении вниз), причем отмечается этап, когда изменяется направление (гистерезис) или когда скорость утечки медленно изменяется в зависимости от времени при данной настройке (ползучесть).)

Если давление образца превышает 10 мм рт. ст. (~103 мм рт. ст.), простейшим решением будет снова применить регулируемый напускной клапан или использовать отверстие фиксированного размера. Однако при таких высоких значениях давления образца поток в напускном клапане или отверстии, безусловно, будет находиться в вязкостном режиме, в то время как поток из ионизатора будет находиться в молекулярном режиме. Поскольку вязкостный поток будет нести каждый компонент равномерно, не изменяя состав газа, в то время как молекулярный поток преимущественно будет уносить более легкие компоненты, следовательно, будет происходить фракционирование газа. Это необходимо учитывать при расчете состава газа либо нужно выполнить калибровку с использованием смеси, состав которой близок к составу образца при аналогичных значениях давления образца и анализатора. В этом случае эффект фракционирования будет «скрыт» в коэффициенте калибровки вместе с различными вероятностями ионизации и обнаружения различных видов вещества.

Вместо простого отверстия или напускного клапана для уменьшения давления образца может использоваться фриттованный фильтр или капилляр. Конец капилляра можно вести непосредственно в источник, сводя до минимума загрязнение, но его медленная реакция (обычно более 10 секунд, возможно, минут) делает использование капилляра во многих случаях нецелесообразным. Проблемы, связанные с фракционированием, должны решаться так. как описывалось ранее (калибровка или расчеты), но капилляры не создают проблем с засорением в том размере, который характерен для отверстий. (Отверстие — это крайне «короткая трубка», поэтому ее диаметр должен быть значительно меньше диаметра длинного капилляра сравнимой проводимости.) В случае фриттованного фильтра, где существует множество параллельных утечек, засорение - это обычно медленный, но часто наблюдаемый процесс. Поэтому рекомендуется фильтровать мелкие частицы в любом случае.

Еще один способ уменьшения давления заключается в расширении небольшого количества образца под высоким давлением (например 1 см3, стандартные условия) в вакуумирован- ные камеры большего объема (несколько литров). Для того чтобы минимизировать поверхностные эффекты и потерю следовых веществ, можно повторить несколько циклов расширения и откачки. Такая система называется системой периодического впуска. Необходимость повторных циклов расширения и откачки приводит к тому, что метод теряет целесообразность в случае, когда речь идет об экологически опасных газах. Может потребоваться коррекция на фракционирование в зависимости от размера отверстия и давления камеры расширения [16].

Широко используемым методом для того, чтобы избежать фракционирования, является использование капилляра, когда образец перетекает со стороны высокого давления капилляра в направлении «тройника» и когда его давление уменьшается на два-три порядка. Другая сторона «тройника» подсоединена через отверстие к ионизатору, в то время как третий конец проходит через ограничение в направлении вакуумного насоса. Постоянное обновление образца газа наряду с отверстием, работающим в диапазоне молекулярного потока позволяет достичь гораздо большего потока образца, чем если бы капилляр вел непосредственно в ионизатор. Время реагирования составляет порядка нескольких секунд или меньше. Несколько капилляров могут подсоединяться к селекторному клапану, образуя многокапиллярную систему впуска, экономя время откачки и позволяя делать быстрые переключения между различными образцами. Альтернативным вариантом для нескольких образцов является использование роторных клапанов нулевого мертвого объема и непрерывного потока (как клапаны переключения колонны, используемые в хроматографии) в стандартной трубной системе перед элементом редукции давления. Элемент-«тройник» на впускном порте капиллярной передаточной линии может обеспечить непрерывное вентилирование, в то время как капилляр ведет напрямую в анализатор. Это обеспечивает самый высокий поток вентилирования, поскольку капилляр его не ограничивает, но происходит это за счет большего времени реакции. (Для достижения такого же уменьшения давления через один капилляр должен использоваться капилляр меньшей проводимости, чем в случае двухэтапного уменьшения давления, где используется более крупный капилляр и отверстие.) Опять-таки, поскольку капилляр работает в режиме переходного потока, будет происходить фракционирование, и необходима калибровка по газу с составом, аналогичным образцу. В случае быстро адсорбируемых или конденсируемых образцов рекомендуется использовать нагретую трубку и нагретый капилляр.

Мембранный впуск часто используется, когда отбираются жидкости или газы, в особенности в медицинских или биологических исследованиях [26-29]. Его динамическая природа требует тщательного тестирования для получения правильной интерпретации результатов. Поскольку вещества имеют различную проницаемость, для различных компонентов можно ожидать медленную реакцию изменяющихся временных констант, а истощение жидкостной пленки на мембране следует предотвращать посредством встряхивания. Другие проблемы заключаются в долгосрочной стабильности и взаимной интерференции проницаемости различных компонентов. Единственным решением является тестирование системы снова и снова.

Модулированный впуск, в частности такой, как импульсный отбор пробы газа [98], может в основном устранить нестабильность фоновых уровней, возникающих в результате взаимодействий с газом образца [ 19]. Модулированный молекулярный луч вместе с фазочувствительным обнаружением улучшает отношение сигнал - помеха, а также используется в изучении химических реакций.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.