专利名称：一种分子束质谱诊断仪的设计方法
技术领域：
本发明属于等离子体诊断设备技术领域，涉及到一种高气压等离子体的活性物种诊断仪，特别涉及到一种分子束质谱诊断仪的设计方法。
背景技术：
随着低温等离子体技术的发展，其在微电子、环境、能源与材料等领域的应用已成为具有全球性影响的重要分支学科，极大地改变着某些传统工艺过程。但由于等离子体本身的复杂性，即使应用很成熟的等离子体加工工艺，对其中的机理也并不完全清楚，理论模拟与计算也由于缺少某些重要数据而带有一定的随意性。因此，等离子体诊断就成为研究等离子体中各种微观过程的重要手段。
等离子体活性物种诊断方法主要有光谱法和质谱法两种。光谱法适用于对已知光谱物种的研究，缺点是光谱解析较困难，且只能得到一定光谱范围的信息；质谱法可同时给出体系中全组份的概貌，但常规质谱法只能对低气压等离子体中的活性物种进行诊断，气压较高时，则由于粒子间相互碰撞，难以实现对非稳定物种的检测。因此，利用常规质谱装置研制一种能在较高气压下工作的等离子体诊断仪具有非常重要的意义。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于高气压等离子体的活性物种诊断仪—分子束质谱诊断仪的设计方法。
本发明的技术方案如下四极质谱的工作压力为10-4Pa以下，在高气压下检测，差分抽气是必需的。我们采用了三极差分抽气系统，各区相应配备了较高的抽气系统。整个仪器分为反应室、I、II、III区四个部分。反应室是等离子体区，等离子体可以是由加热、放电、激光激励等各种方式引发。在反应室的壁上有一直径很小的取样孔(具体值由实验条件确定，直径约在50-300μm范围以内)，所分析的样品经取样孔、分流器及准直孔后以分子束的形式进入四极质谱仪进行分析。I、II、III区具体划分如下取样孔与分流器之间的真空部分称为I区，分流器与准直孔之间的区域称为II区，准直孔后四极质谱分析器和探测器所在的真空部分称为III区。分子束是由反应室通过取样孔向I区喷射，经分流器准直而形成。
为减少泵油的污染以及抽速的要求各区均选用了涡轮分子泵。离子偏转板的作用是用来消除离子信号对中性粒子检测的干扰。为提高本底真空度，在II、III区安装了液氮冷阱，通过无氧铜块成为II、III区的“液氮吸附泵”，可有效降低III区的本底噪声。下面以我们已研制的装置为例详细介绍各部分的具体参数。
1.反应室反应室为边长300m、厚12mm的不锈钢方腔，上下分别有进气孔和排气孔。前面和两侧面都有光学观察窗，可作为光学诊断的窗口。反应室和I区之间有一φ50mm的孔径，用来安装不同规格或材质的取样孔板。
2.取样孔板和分流器取样孔板和分流器是形成分子束源的关键部件。取样孔板一面是平面，一面是喇叭状，中间是取样孔(直径在50-300μm)，取样孔的边缘较薄(约60μm)，并且光滑，目的是使样品与采样孔壁的碰撞尽可能少。分流器是圆锥状，锥孔直径1mm，用以限制分子束在横向的速度分布。取样孔板和分流器之间的距离需适当选取，本装置中选为20mm。
3.准直孔II、III区的交界处是由一个带孔的金属板隔开，这个孔称为准直孔。作用是进一步准直进入III区的分子束，同时减轻III区的真空负载，本装置中孔径设计为10mm。
4.离子偏转板离子偏转板采用一对平行电极，电极长50mm，间距为25mm，测量中性粒子时极间加直流电压，电压值由具体实验确定。
5.差分抽气系统各区真空泵的配置既要求系统有较好的真空本底，同时又能够使真空泵长期在气体负载下稳定工作，为此，I、II、III区分别采用1500l/s、110l/s、450l/s的涡轮分子泵(FB1500、FB110、FB450，北京中科科仪)并分别配30l/s、4l/s、8l/s机械泵(2X-30、2XZ-4、2XZ-8，上海真空泵厂)作为前级泵，在II区安装了一个容积为1升的液氮冷阱，该冷阱的有效冷凝面积约为800cm2，在III区加一液氮冷头(材质为无氧铜)，四极杆和离化器均包在冷头内，该冷头被2升液氮冷阱冷却。下表为不取样时各区所能达到的极限真空。
表1.分子束质谱各区的极限真空

由表中可见，仪器的极限真空度较高，实验时对样品的干扰基本可以消除。当取样时，不同取样孔的大小对各区的真空会产生影响，应根据具体情况选用不同的取样孔。实验可得当取样孔直径为50μm时，采用氮气作样品气，即使反应区在常压下，III区气压也只是1.5×10-4Pa，仍然在四极质谱的工作真空范围内。
6.斩束器为了将质谱信号中的分子束信号从本底信号中提取出来，我们采用斩束器对分子束进行调制，结合锁相放大器，以提高信噪比。斩束盘由均布四个扇形孔的薄钢片制成，钢片厚度只有0.2mm，电机由一连续可调的直流稳压电源供电，调节电机的供电电压，即可调节斩束器的转动频率。一对红外发光和接收二极管，用于提供同步参考信号。
7.四极质谱探测器本装置有两套四极质谱仪可供选用，一套为英国Hiden公司EPIC 500N四极质谱仪(另配～50amu射频头)，质量范围为510amu(或50amu)，并具有阈值电离能力。阈值电离技术是中性物种定量测定的重要手段，即采用电子能量可调且单色性好的电子束，利用样品中有关物种电离阈值的差异，对不同物种进行选择电离的一种技术。另一套为南京分析仪器厂生产SZ-001型四极质谱仪(具阈值电离能力，质量范围200amu)。
本发明的效果和益处是与常规质谱相比，大大提高了系统的抽气能力，使得在较高样品气压下，仍能达到所需要的本底真空度，从而减少了活性物种的碰撞损失。另外，斩束器与锁相放大器的使用，进一步提高了系统的信噪比。使本发明非常适用于较高气压等离子体中活性物种的诊断研究。


附图1是本发明设计方法示意图，图中标注的含义如下1.工作气体，2.真空机组，3.采样孔板，4.分流器，5.离子偏转板6.斩束盘，7.液氮冷阱，8.离化器，9.准直孔，10.二次电子倍增器，11.四极滤质器，12.数据采集与处理系统，13.1500L/s分子泵，14.110L/s分子泵，15.450L/s分子泵。
附图2是高压脉冲电晕放电N2+O2等离子体中正离子质谱图。
附图3是氢、氩混合气体介质阻挡放电等离子体中H-、H3-检测结果。
附图4是甲烷介质阻挡放电等离子体诊断结果。
具体实施例方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式
。
实施例1.高压脉冲电晕放电N2+O2等离子体诊断利用本发明对线板式高压脉冲电晕放电N2(80％)+O2(20％)等离子体中阴极板区的正离子进行了诊断研究。脉冲电晕放电所使用的正极性高压脉冲电源的峰值电压和放电重复频率分别在0-60KV及0-200Hz范围内连续可调，脉冲电压上升沿在20-50ns之间，脉冲宽度(FWHM)在200-500ns之间。反应器采用线板式结构，正极电晕线采用直径0.5mm、长50mm紫铜线制成，负极板(接地)采用20mm×20mm大小的黄铜板，其中心开有一直径为150μm的小孔作为质谱采样微孔，电晕线与小孔正对，间距为15mm。质谱信号用带有多次累加功能的示波器(LeCroy，LT322)记录，其累加功能用四极质谱仪(南京分析仪器厂，SZ-001型)质量扫描时同步输出的0～3V线性变化电压控制。在峰值电压6.0kV，重复频率70Hz，气压15Torr条件下，测得结果如附图2所示。
实施例2.介质阻挡放电等离子体中H3-离子的诊断利用本发明，首次在介质阻挡放电条件下观察到了较大浓度的H3-负离子这一国际上争议多年的活性物种，确证了该物种的稳定存在。实验中电极结构设计为平板形，取样孔板作为地电极，取样孔直径为300μm，高压电极采用不锈钢平板制成，上面覆以厚5mm的石英玻璃，放电间距为3mm，电源电压为正弦波形，峰峰电压Up＝0-50kV，频率10k-35kHz可调。
附图3所示为氢、氩混合气体在总气压2.3Torr，Up＝40kV，频率35kHz放电条件下测量得到的H-、H3-离子流强随气体组份的变化。实验中所用探测器为Hiden EPIC500N质谱仪(选用50amu射频头)。
实施例3.甲烷介质阻挡放电等离子体的诊断利用本发明，测量了甲烷介质阻挡放电合成类金刚石薄膜过程中的正离子组份，电极结构与实施例2类似，不同处是在取样孔板上还覆以一中心带有1mm小孔的Si基底。在放电频率1.4kHz，放电峰峰电压30kV，气压0.7Torr，电极间距5mm条件下，测量得到了CH4介质阻挡放电等离子体质谱图，如附图4所示。
权利要求
1.一种分子束质谱诊断仪的设计方法，是将分子束采样技术与质谱技术相结合，采用差分抽气、液氮吸附泵以及斩束技术等方法减少活性物种损耗，降低本底气压，提高信噪比，其特征是将真空系统分为I、II、III三个区域，各区采用单独的分子泵进行抽空，同时在II、III区安装液氮冷阱，通过无氧铜块成为II、III区的“液氮吸附泵”。
全文摘要
本发明属于等离子体诊断设备技术领域，提供了一种高气压等离子体的活性物种诊断仪的设计方法。其特征是将分子束采样技术与质谱技术相结合，采用三极分子泵差分抽气，同时采用两级液氮吸附泵进一步提高本底真空度，以减少活性物种的损耗，另外采用斩束技术，结合锁相放大器，提高了系统的信噪比。本发明的效果和益处是克服了常规质谱只能在低气压下对活性物种进行检测的缺点，具有工作气压范围宽，检测灵敏度高，可一次得到全谱图等优点。
文档编号G01N23/22GK1525161SQ03134019
公开日2004年9月1日 申请日期2003年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者徐勇, 杨学锋, 朱爱民, 丁洪斌, 宋志民, 刘佳宏, 徐 勇 申请人:大连理工大学