四极质谱计用作等离子体诊断时的几个问题

　　四极质谱计用于等离子体诊断时常常面临质谱计工作上限问题和四极质谱计离子源所产生的本底组分分压强导致测量结果有较大误差的问题; 为使四极质谱分析能作为等离子体诊断的常规手段, 必须拓展四极质谱计测量上限和分析离子源产生的附加本底的特点并加以扣除, 确保作为等离子体诊断时的测量精度。

　　四极质谱计(QMS) 是由小型离子源和小型四极分析器构成的气态物质组分检测设备, 也是托卡马克装置运行时的气态杂质检测的常用设备。其优点在于其轻便、高分辨和高灵敏度, 且使用时不需用磁场。然而离子源和四极分析器中非线性因素的存在, 其测量上限受到总压强的限制, 离子源的工作上限约为0.1Pa, 分析器测量上限一般为10^-2 Pa。在用于托卡马克装置中的诊断时, 四极质谱计测量要面临如下问题: 托卡马克放电时的送气压强为10^-1～10^-2 Pa, 辉光放电清洗时的工作压强为1～10^-2 Pa,托卡马克放电工作压强为10^-1～10^-5 Pa, 它们的上限都超过四极质谱计测量上限(10^-2Pa)。同时工作气体氢气与离子源灼热灯丝(1800～2000 K) 碰撞会产生分解反应, 继而与电极系统或分析室壁表面所吸附的碳氧发生化学反应, 形成附加的本底组分, 叠加在待测组分上, 造成采集数据的较大误差。虽然目前采用差分抽气法能解决测量上限的非线性问题,但仍不能消除电极系统产生附加本底组分的影响。若不用差分抽气而直接用于等离子体诊断, 还需对四极质谱计的测量上限进行拓展。本文就对四极质谱计直接用于10^-1～10^-2 Pa 测量范围时的分析器测量上限的拓展和电极系统中产生附加本底组分的消除进行了实验研究。

1、实验安排

　　实验在HL-1M 装置上进行(装置真空室内有壁5% 的石墨)。实验安排如图1 所示。关断质谱计分析室与装置真空室间的隔离阀, 将分析室抽至5×10^-5 Pa, 通过PV-10 压电晶体阀向分析室送入由超纯氢发生器产生的高纯氢气, 由真空计测量压强,待每个实验压强点稳定后, 由四极质谱计测出分析室内杂质组分H2O , CO , CH4 相应的分压强, 取三次的平均值。然后打开隔离阀, 用四极质谱计测量装置真空室本底真空的分压强(H2O , CO , CH4 ) , 再启动氦直流辉光放电(在四极质谱计分析室的等效氮压强为10^-3 Pa) , 在600 V、1. 2 A 下测出装置真空室内的H2、CO、H2O、CH4 分压强。在整个实验中保持四极质谱计的工作参数不变。

1.抽气机组　2.四极探头　3.小孔　4.进样咀　5.环形室　6. 真空计　7.四极质谱计　8.终端

图1　HL-1M 装置的质谱诊断系统

2、四极质谱计测量上限的拓展

4、结论

　　直接使用四极质谱计测量总气压在10^-1～10^-2 Pa的气体时, 此为质谱计的非线性工作区, 由于离子流在四极场中与气体分子碰撞导致离子流通过率小于1, 应使用P _i= I _ci ⁺ /(k _i G) 计算各组分分压强; 当总气压低于10^-2 Pa 时, 此为质谱计的线性工作区, 离子流通过率可近似为1, 由质谱计直接测量出各组分气体的分压强。由于氢气与离子源的热灯丝作用及其它相关化学反应而产生本底组分, 尤其是水的本底组分压强较高(它正比于氢分压和灯丝发射电流) , 在较高精度的测量中需考虑扣除本底组分分压强的影响。

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