真空技术：如何使用RGA搭建气体分析系统

0、前言

本文只是记录一下自己之前做的一个业余项目，在零部件购买时踩了不少坑，在制作时并未考虑作为教程故某些步骤也不符合规范，全文仅供参考，笔者反对任何不恰当的盲目实践行为。

1、四极杆质量分析器的原理

质谱作为目前最重要的分析仪器之一而被广泛用于分析化学、材料科学、真空工程、航天航空等领域。质谱分析过程可以简要概括为样品原子被电离源电离为离子，离子经过质量分析器筛选分离特定质量，这些特定质量的离子被探测器接收最终由计算机绘制出质量-离子流曲线，而电离、选择、接收过程均要在真空环境中进行，只有平均自由程足够大时离子的运动才不会受无关气体分子影响。从质量分析器的原理可以将质谱仪分为磁偏转质谱、飞行时间质谱、离子阱质谱、离子回旋共振质谱以及四极杆质谱。不同类型质谱计原理差别较大，为切合主题在此只对四极杆质谱的原理进行简要介绍。

四极杆质量分析器利用正交射频电场来约束离子，将四根金属杆两两相接并通带有直流偏压的射频电场，两组金属杆上的射频电场相位差为180°且直流偏压极性相反。对于四极场电位可以由以下方程进行描述：

V_x/y=±(U+V₀cosωt)

（其中U为四极杆上的直流偏压，V₀为所加射频电场的电压幅值）

将四极杆放置于坐标系内，两组杆中心点分别位于X、Y轴上时我们假设X轴上的杆直流偏置电压为正；在某一时刻射频电流幅值为负，且绝对值大于直流偏压时这一对杆带负电，对离子有散焦作用。相比于重离子，轻质离子的运动轨迹更易受电场影响，因此在这一电场作用下重离子轨迹较稳定更易通过四极杆。对于带有负直流偏压的Y轴情况则恰好相反，在X、Y方向上库仑力的综合影响之下只有特定质荷比的离子能够通过四极杆。对于离子在四极场中的运动轨迹我们可以如下进行表述：

（其中u为x或y坐标）

这就是Mathieu方程，对此方程求解我们可以得到Mathieu方程解的稳定范围（如下图所示）

通常情况下选取方程的第一稳定区对四极场进行设计，射频场频率越高则离子脱离四极杆的可能性就越大，对特定质量的选择效果也就越好。调节直流偏压电位或射频电压幅值来构建不同的谐振质量就可实现质量扫描。

下图展示了使用Simion8.0对一个四极杆质量分析器中的离子运动模拟，图一为100amu离子被选择通过四极杆的轨迹，图二为90-110amu随机分布的离子被选择通过四极杆的轨迹。

根据模拟结果，只有特定质量范围的离子能够稳定通过四极场进入末端检测器，其余离子的轨迹在四极场中无法谐振从而愈发偏离中心，这部分离子最终大部分被四极杆吸附。这也证明四极杆在长期使用中可能被离子污染，因此需要对杆体定期拆卸抛光，笔者实际拆解四极杆质量分析器时发现四极杆轴侧存在氧化变色也证实了这一现象。

2、质谱分析系统的搭建

首先搭建质谱需要一套合格的真空系统，真空度的好坏直接决定了系统的本底。对于质谱分析，普通的旋片泵是无法达到要求的，故在此项目中选用了一台labconco 117（实际是贴牌的Edwards RV5，众所周知垃圾佬除了垃圾什么都能收到）和一台涡轮分子泵（KYKY F110）构成高真空机组。如需低有机成分的清洁真空环境那么如采用涡旋泵和分子泵搭配将更好（有一台日本生产的涡旋泵但尺寸过大，仪器架子放不下）

有了合适的泵，接下来还要有配套的真空腔体和真空测量设备，最初出于成本考虑自行购买了法兰和不锈钢五通。收到货后发现五通非常不标准，两端管口是不平行的，但仍使用这些材料自行焊接制作了一套真空腔体(下图）

CF35法兰尺寸过小导致氩弧焊采用内焊的方法根本无法施展，最终使部分刀口边缘氧化变形，事实证明千万不要试图自行内焊小尺寸CF法兰。

腔体经过酸洗去除氧化层后，刀口看起来密封性更不可靠；整套装置组装起来如上图所示，接下来搬出古董氦质谱检漏仪进行氦气检漏。

这台ASM-100H型检漏仪是内置drag pump、采用逆扩散法的氦质谱检漏仪，原机设计只有一个接口造成使用不便，经过一点微小的改装，在侧面加装了一个排气接口用于连接前级旋片泵，面板接口则用于连接被检件，这样整体可以和旋片泵一起放在手推车上使用。

检漏仪的具体结构与工作原理在此不作详细介绍，查阅了论坛过往记录发现徐版主曾经拆过同款检漏仪，有兴趣了解可以参考这篇文章：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/85144

回到本文主题上，使用ASM100H对腔体进行真空检漏，由于氦质谱检漏仪连接的真空泵抽速只有0.6L,以至漏到检漏仪因压力保护而无法启动，最终并联一台9L/s的旋片泵才勉强开起来。提起氦气喷枪对着各个法兰焊缝喷吹检查并准备补漏，最终这个自制的焊接腔体随着检漏仪不断的惨叫迎来了它进入垃圾桶的命运，拿起手机打开某宝找真空厂商定制专用腔体零件。

下单后卖家告知要一周后才能发货，在等待配件到货期间安装机器外壳与电源系统：

左侧为离子泵控制器，右侧为分子泵电源；接下来要解决的是质谱计的进样，要想让样品进入真空系统的同时又不对系统真空度造成较大影响则必须在进样口安装限流阀。这里我采用了一只swagelok SS-4BMG微调针阀，这种针阀采用了全金属波纹管密封且能够微调流量，适用于高真空系统。

另外又使用了一台真空计用于监测分子泵前级压强，同时输出开关量在前级过压时控制分子泵停机以保护分子泵不至损坏（inficon的VGC系列、Leybold的Center系列和Agilent的AGD/AGC所配套的真空传感器都可以任意替换）

一个星期后购置的配件到货开始组装，安装QMS200探头后在五通腔体顶部安装一支PKR251，这只真空计可以与质谱探头联动实现灯丝保护以此防止在高气压下开启离子源导致灯丝烧毁，同时也能监测质谱室内的真空度。组装全程要戴手套，准备无尘布以及无水乙醇对部件进行擦拭，法兰刀口处更是要进行清洗以防止灰尘纤维影响密封。