6.2 扇形场质谱仪

由于其简单、坚固的设计，扇形场质谱仪用于氦气检漏仪。它们的质量范围限制在 2 u（氢分子）和 4 u（氦原子）之间。这使得可以构建小型、紧凑但非常强大的质谱仪。

6.2.1工作原理

扇形体质谱仪的工作原理如图 6.3 所示。

图 6.3: 180° 扇形体质谱仪的工作原理

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中性气体粒子在离子源中通过电子碰撞（图 6.4 a）进行电离。由此产生的离子具有质量 m 与电荷 q，电子通过电势梯度U 移向扇形磁场，同时产生动能，

E_{kin}=q\cdot U=\frac{m\cdot v^2}{2}

公式 6-1: 动能

即它们以速度 v=\sqrt{\frac{2qU}{m}} 通过扇形场。在这里，电荷是相同的，

F=q\cdot v\cdot B

公式 6-2: 洛伦兹力

在半径为 r 的圆形路径上，洛伦兹力等于向心力。

q\cdot v\cdot B=m\cdot v^2/r

公式 6-3: 力的平衡

这用于计算路径的半径

r=\frac{m\cdot v}{q\cdot B}\mbox{$$ \text{및 공식 6.1} $$}r=\sqrt{\frac{2mU}{qB^2}}

公式 6-4: 路径半径

用于泄漏探测器的扇形场质谱仪配备了永磁体，该永磁体提供恒定磁场，在图 6.3 中，其位置与图像平面垂直。质谱仪以这样的方式调节：单电荷氦离子首先通过孔口，然后通过出口狭缝，最后撞击探测器。所有其它分子无法通过狭缝并重新进行中和。测量的氦离子电流与氦分压成正比。从公式 6-4 中可以看出，通过加速电压 U 可以改变路径的半径。实际上，使用不仅仅限于偏转 ⁴氦，而且还限于将 m/em/e 之比为 2:3 的离子向出口狭缝偏转，以便检测气体氢和 ³氦。

在泄漏检测中，为获得氦测试气体的高检测灵敏度，扇形场质谱仪装有灵敏探测器。直接的金属收集器（法拉第杯）不再符合现在的要求，所以现代的泄漏测试仪结合了微通道板，其结构非常紧凑，具有高增益和低噪声。这些在两侧均具有金属涂层的玻璃微通道板具有大量的细微通道，这些通道以很微小的角度一直通向端面（图 6.4 b），且其内表面也有涂层。如果离子撞击该表面，则触发二次电子雪崩，且通过施加在板上的电压向探测器加速。

图 6.4: 扇形场质谱仪：(a) 离子源，(b) 探测器

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根据公式 6-4，轨迹半径与磁场成反比。永磁体的可用材料对磁场强度有限制。这导致氦质谱仪典型的半径为 10 cm 的量级。为确保离子轨迹不受到碰撞的妨碍，平均路径长度必须大约是相同的数量级。因此，氦扇形场质谱仪的最大连续工作压力大约为 10^-5 hPa。

6.2.2 应用说明

检测氦气的扇形场质谱仪现在集成在具有自动控制真空系统的泄漏检测仪里。因此，操作者不必担心质谱仪的功能能力。我们提请您注意内表面的清洁对保持高检测灵敏度的重要性。

当有散射离子撞击时，沉积物可以导致局部空间电荷。这些电荷使氦离子路径发生偏转，并减少达到探测器的离子数量。
微通道板上的沉积物减少二次电子的产率，并因此降低了放大因子。