Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 127-129

Мобильный лабораторный масс-спектрометр (л.м.с.) предназначен для анализа газов в химико-физических экспериментах, исследованиях наноразмерных и субмикронных материалов методом термостимулированной программируемой десорбции (т.п.д.) с масс-спектральным анализом десорбируемых газов, а также для изучения кинетики гетерогенных реакций методом температурно-программируемой реакции (т.п.р.) [1, 2].

В составе комплекса имеется реактор для проведения т.п.д. при давлении <1 Па и т.п.р. в диапазоне давлений 10–10⁵ Па.

Лабораторный масс-спектрометр смонтирован на раме с колесами и имеет габариты 120 × 60 × × 100 см (Д × Ш × В) при массе ~180 кг, включая форвакуумные насосы (2 штуки), что позволяет свободно перемещать его в пределах этажа силами двух сотрудников. Комплекс подключается к трехфазной электрической сети (потребляемая мощность ~1.5 кВт, включая системы прогрева), к охлаждающей воде (расход ~0.2 м³/ч), точке подключения к газовой схеме обслуживаемой установки и магистрали выброса откачиваемых газов.

Газовая схема л.м.с. представлена на рис. 1, а его внешний вид – на рис. 2. В качестве анализатора газов служит квадрупольный масс-спектрометр с источником ионов закрытого типа с электронным ударом, квадрупольным фильтром масс, детекторами ионов двух типов (вторично-электронным умножителем и цилиндром Фарадея) CIS300 фирмы Stanford Research Systems (https://www.thinksrs.com). Масс-спектрометр имеет размеры 45 × 11 × 10 см и следующие аналитические характеристики: диапазон масс 1–300 а.е.м., разрешающая способность 0.5 а.е.м. на 10% от высоты пика во всем диапазоне масс, чувствительность 1 ppm для вторично-электронного умножителя и 10 ppm для цилиндра Фарадея, максимальное рабочее давление на входе в масс-спектрометр (вентиль К₁) 1.3 Па для цилиндра Фарадея и 0.2 Па при использовании вторично-электронного умножителя.

Рис. 1.

Газовая схема лабораторного масс-спектрометра. МС – масс-спектрометр CIS300; ИИ – источник ионов; АЛ – азотная ловушка; ФАЛ – форвакуумная азотная ловушка; ДН – диффузионный насос Н50Р; ФБ – форвакуумный баллон; ФН – форвакуумный насос 2НВР5Д; ЭМК – электромагнитный клапан; ЭМКН – электромагнитный клапан напуска; Ам – ампула т.п.д.; ПМТ₁–ПМТ₃ – датчики низкого вакуума ПМТ-4; МИД₁–МИД₂ – магнитно-ионизационные датчики высокого вакуума; М – манометр; В₁–В₃ – фланцы для внешних линий; DV₀–DV₂ – дозирующие вентили; К, V, FVK, HV – вакуумные ручные вентили.

Рис. 2.

Внешний вид лабораторного масс-спектрометра.

Высоковакуумная часть прибора собрана с использованием элементов вакуумной системы масс-спектрометра МИ-1201 (высоковакуумный диффузионный ртутный насос Н50Р с азотной ловушкой и высоковакуумным вентилем, магнитоионизационные датчики давления, форвакуумный бачок, сорбционные ловушки, дозирующие и запорные вентили) со стандартными соединениями на медных прокладках.

Газ из высоковакуумной камеры л.м.с. поступает в масс-анализатор через вентиль К₁. Через вентиль К₄ и капиллярный натекатель в первую камеру может поступать фиксированный поток эталонного газа (аргона или смеси аргона с ксеноном), который используется для компенсации возможных изменений чувствительности л.м.с. в ходе измерений и контроля абсолютной чувствительности. Ко второй части высоковакуумной камеры через вентиль К₇ подключается ячейка для проведения т.п.д./т.п.р. Высоковакуумная часть прибора и масс-анализатор прогреваются до температуры 100–150°С. Для предварительной форвакуумной откачки второй камеры, например после смены ампулы т.п.д./т.п.р.-ячейки, используется вентиль К₅.

Для анализа газов в каком-либо объеме к высоковакуумной камере подсоединяются два натекателя DV₁ и DV₂ через вентиль К₆. При необходимости к DV₁ или DV₂ через вильсоновское уплотнение подключается фторопластовый капилляр длиной до 2 м c внешним диаметром 2 мм и диаметром канала 0.9 мм. Время отклика на изменение состава газа на входе капилляра не превышает 40 с.

Ячейка т.п.д./т.п.р. представляет собой кварцевую ампулу, на дно которой помещен исследуемый образец. Через охлаждаемое вильсоновское уплотнение с витоновыми прокладками ампула подсоединяется к высоковакуумному вентилю К₇. Для нагрева ампулы используется съемная трубчатая печь, управляемая программатором температуры ТМР-251 (Овен, Россия). Максимальная температура прогрева ампулы 1100°С, скорость нагрева образца устанавливается в диапазоне 1–10°С /мин.

При исследовании термостимулированной реакции газа с пробой, размещенной внутри ампулы, реакционный газ подается в камеру через натекатель DV₁, вентили К₁ и К₄ закрываются и изменение давления реакционного газа за счет реакции с пробой измеряется датчиком DMP331. Для предотвращения выброса мелких частиц из ампулы при форвакуумной откачке вход в ампулу закрывается пробкой из сетки из нержавеющей стали с размером отверстий 38 мкм.

Блок управления л.м.с. включает в себя 4 микроконтроллера, связь с которыми управляющий персональный компьютер осуществляет по протоколу RS232.

Для сбора и первичной обработки данных л.м.с. разработана программа на VB6, использующая команды масс-анализатора СIS300 и обеспечивающая управление квадрупольным масс-анализатором, а также контроль, вывод на экран и регистрацию в файлы следующих параметров л.м.с.:

– данных масс-спектров и рабочих параметров CIS-300;

– давления на азотной ловушке высоковакуумного насоса, измеряемого магнитно-ионизационным датчиком МИД₁;

– давления в камере масс-спектрометра, измеряемого магнитно-ионизационным датчиком МИД₂;

– давления, измеряемого датчиком DMP331;

– фактической температуры дна ампулы ячейки т.п.д./т.п.р.

На рис. 3 приведены примеры масс-спектров, полученных на л.м.с. и термодесорбционная кривая выделения водорода при нагреве наночастиц карбида титана с покрытием из гидрида титана [1].

Рис. 3.

а – масс-спектр фона прибора при прогреве; б – изменения показаний магнитно-ионизационных датчиков давления МИД₁ (1), МИД₂ (2) и интенсивности масс-спектральной линии M/e = 2 (3) при линейном нагреве cо скоростью 5°С/мин 10 мг нанопорошка, полученного в реакции метана с нативными наночастицами титана [1]. При 414°С происходит выделение водорода из гидридной оболочки частиц.