Масс-спектрометрия в тлеющем разряде (GD-MS)

При малом давлении газа в разрядной ячейке всегда имеется  некоторое количество положительно заряженных ионов и электронов. Под  действием   приложенной к электродам ячейки разности потенциалов электроны  быстро движутся к аноду, а положительные  частицы аргона ускоряются к катоду (поверхности образца) и за счет большой  собственной энергии выбивают атомы  материала катода и производят вторичные  электроны. Эти электроны ускоряются от катода и испытывают на своем  пути различные столкновения, приводящие к ионизации атомов наполняющего газа, а также распыленных атомов пробы. Возбуждение атомов возможно также за счет столкновения с атомами и ионами аргона. Столкновительное возбуждение и последующее девозбуждение атомов до низких энергетических уровней путем излучения и называют «тлеющим разрядом». Ионизационные столкновения производят новые электрон-ионные пары. Ионы снова ускоряются по направлению к катоду, производя вторичные ионы и распыленные атомы, что ведет к новым произвольным столкновениям в плазме. Так возникает самоподдерживающаяся плазма.

Температура газа в  тлеющем разряде низка, что обеспечивает, в отличие от искрового разряда, нетермический характер поступления  атомов пробы в зону возбуждения  спектра.

Если катод выполнен из исследуемого материала, можно проводить  распыление материала пробы и  анализировать полученную смесь  ионов. Катодное распыление образца  обладает важным свойством. Поверхностные  слои образца переходят в плазму в той очередности, в которой они располагаются по направлению в глубину образца. Так, если регистрировать сигнал на отдельных детекторах как функцию времени, можно получить информацию о послойном распределении определяемых элементов в зависимости от глубины ионного травления поверхности образца. Эта особенность тлеющего разряда открывает возможность его использовать для количественного послойного многоэлементного анализа. Процесс катодного распыления (ионного травленияЗ последовательно переводит в плазму тлеющего разряда тонкий поверхностный слой образца: глубина выхода распыленных атомов составляет не более 1 нм. Непрерывное, последовательное распыление в направлении от поверхности вглубь с одновременной регистрацией спектральных линий, излучаемых в плазме тлеющего разряда возбужденными атомами вещества, позволяет получить профили послойного распределения элементов по глубине анализируемого образца. При этом достигаемое послойное разрешение при этом составляет не менее 0,1 мкм, а полная глубина анализа – десятки микрометров.

 

Такие преимущества тлеющего разряда по Гримму, как:

- стабильность разряда;

- заметная площадь пятна  травления;

- высокая скорость распыления  при непрерывном режиме послойного  анализа;

- высокое послойное разрешение  при определении профиля распределения  концентрации элементов по глубине  образца;

- возможность одновременного  определения до 70 элементов;

- возможность проведения  количественных измерений с точностью  спектрального анализа;

- по сравнению с другими  методами позволяют поставить  данный метод на особое место  по сравнению с методами Оже-электронной микроскопии и масс-спектрометрии вторичных ионов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование импульсного  тлеющего газового разряда низкого  давления приобрело в последнее  время особую актуальность в научном  и прикладном аспектах в связи  с возможностью использования данного  типа разряда в качестве источника атомов и ионов пробы для атомно-эмиссионных, атомно-абсорбционных и масс-спектральных систем. Преимуществами импульсного тлеющего газового разряда по сравнению с другими типами тлеющих разрядов являются высокая стабильность сигнала, возможность прямого анализа как проводящих, так и не проводящих электрический ток веществ, высокая скорость распыления и ионизации веществ и, как следствие, низкие пределы обнаружения элементов. Также к достоинствам импульсного тлеющего разряда относятся простота и низкая стоимость системы, низкое потребление энергии, пробы и других расходных материалов.

Особую актуальность разработке ионного источника на принципе импульсного  тлеющего разряда придаёт тот  факт, что он может рассматриваться  в качестве альтернативы таким дорогостоящим, энерго- и материалоёмким источникам, как индуктивно связанная плазма.

Однако, практическое применение импульсного разряда связано с рядом трудностей. Прежде всего, это огромное количество параметров, которые необходимо учитывать при создании аналитической системы. Геометрия разряда, ток и напряжение, давление и вакуумная система, газовый состав, условия извлечения ионов из разрядной камеры в анализатор и многие другие параметры необходимо оптимизировать для получения сильного и стабильного аналитического сигнала. Для этого необходимо понимать основные процессы, происходящие в разряде и влияющие на вещество пробы. Многие такие процессы экспериментально сложно и трудоёмко исследовать. Ещё одной трудностью является интерпретация полученных эмпирических данных, так как обычно измеряемые величины определяются совокупностью нескольких явлений, зачастую неизвестных и неожиданных, выделить из которых главное не представляется возможным. Всё это делает весьма трудной разработку подобной аналитической системы без её теоретической модели.

На данный момент существует ряд методов, позволяющих моделировать тлеющий разряд постоянного тока и радиочастотный разряд. Однако, они  не применимы к моделированию  процессов в импульсном тлеющем  разряде, так как они принципиально  созданы для расчёта стационарного  режима горения плазмы и не могут  моделировать динамические характеристики процессов в импульсном тлеющем  разряде. Методов же, позволяющих  удовлетворительно моделировать импульсный тлеющий разряд, до сих пор не существовало.

 
 

 

 

 

Список литературы:

 

1. Абрамов С.В. Масс-спектроскопия. Методы ионизации // Курс лекций.
2. Москалев Б. И., Разряд с полым катодом, М., 1969;
3. Усков К.Н. и др. Определение азота в сталях с помощью время-пролетной масс-спектроскопии с импульсным тлеющим разрядом// м-лы конференции «Аналитическая химия: новые методы и приборы» для химических исследований и анализа.
4. Пупышев А.А., Данилова Д.А. Атомно-эмиссионный спектральный анализ с индуктивно связанной плазмой и тлеющим разрядом по Гримму, М., Екатеренбург, 2002.
5. Спрыгин Г.С. , Григорович К.В., Мизотин М.М., Крылов С.В. Сглаживание данных атомно-эмиссионной спектроскопии // «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», - 2008, N3, T.74, cт.3