6.3.2 离子源
在气体可在质量过滤器中进行分析之前，它们首先必须在离 子源中通过电子撞击进行电离（图 6.6）。电子从电加热的阴 极（金属丝）中发射出来。在阳极和阴极之间施加电压，从 而使电子加速。存在于阳极和阴极之间形成空间里的中性气 体分子通过电子之间的碰撞发生电离，形成单个和多个正离 子。碰撞电子的能量对将要形成的离子数量和类型都有显著 影响。
图 6.6: 轴向离子源的截面
中性粒子的电离在 10 和 30 eV（表观电势）之间最小的电子 能量时开始。随着电子能量上升（加速电压），形成的离子 数量快速增加，最多达到 50 至 150 eV，这取决于所涉及的 气体类型，然后随着能量的继续上升而缓慢减少。由于离子 的产量，且质谱仪的灵敏度因此应尽可能地大，通常使用 70 和 100 eV 之间的电子能量。
图 6.7: 电离是电子能量的函数
气体成分 K 的离子电流 $I_{K+}$ 可以从以下关系中计算得出：
\[I_{K+}=i_{\bar{}} \cdot I_e \cdot s \cdot p_K\]
公式 6-13: 离子电流
其中:
| $i_{\bar{}}$ | = 电子电流（发射电流），单位 A |
| $I_e$ | = 电子平均路径长度，单位 cm |
| $s$ | K 截面上的微分电离影响因子，单位 1/(cm · hPa) |
| $p_K$ | = 气体成分 K 的分压，单位 hPa |
当电离复杂分子时，会形成许多类型的离子。除了单个和多 个带电子的离子, (ABC+, ABC++)碎片离子也会出现。
- ABC+ 2e-
- ABC++ + 3e-
- AB+ + C + 2e-
- BC+ + A + 2e-
- A+ + BC + 2e-
- C+ + AB + 2e-
- B+ + A + C + 2e-
除了这些类型之外，也可能形成复合离子，如 AC+。各个类 型离子的出现及其相对频率是一定类型分子的特性，并在识 别分子中作为重要的辅助手段，因此将其作为定性气体分析 中的一种辅助手段。图 6.8 显示了在电子能量为 70 eV 时记 录的简单分子 CO2 的碎片离子分布（分裂图型或碎片图型）。
离子源和最佳金属丝材料的选择是基于测量任务所规定的要 求。应用通常离子源要求会相互矛盾。为了达到最佳的效 果，离子源必须与测量任务需求相一致。这导致不同类型离 子源的开发，这些离子源几乎都可以配备由铼 (Re)、钨或镝 化铱(Y2O3/Ir) 制成的阴极。在 UHV 范围或铼 (Re) 蒸气压 在其中具有干扰影响的应用中，钨 (W) 阴极是优选。然而， 由于钨/碳/氧循环导致钨阴极的易脆性，必须加以考虑；即： 由于 W2C 的形成。如今，越来越多地使用镝化铱来代替过去 使用的纯金属阴极。这些阴极的优势是其显著降低的工作温 度和对空气侵入的相对不敏感性。因此，使用这些阴极的优 选领域是对温度敏感物质的分析（例如，有机金属化合物） 或是对含有高浓度氧气的气体混合物中污染物的分析。
下文在离子源属性和应用领域的基础上描述了各种离子源。
图 6.8: CO2的碎片离子分布
| 材料 | 温度 | 适用气体 | 备注 |
|---|---|---|---|
| Y2 O3 / lr | 1,300 °C | 惰性气体、空气 / O2, NOx, SOx | 使用卤素会缩短使用寿命，对高浓度 O2 不敏感，从 O2 或 H2O 环境中产生 CO / CO2 |
| W | 1,800 °C | 惰性气体、H2、卤素、 氟利昂 | 使用 O2 应用时缩短使用寿命，从 O2 或 H2O 环境 中产生 CO / CO2 , C 会导致金属丝脆性增强 |
| Re | 1,800 °C | 惰性气体、烃类、H2、卤素、氟利昂 | 由于材料蒸发，金属丝使用寿命大约三个月， 与烃类一起使用 |
图 6.1: 金属丝材料及其用途
所有离子源的共同特点是它们可以连接至高达 150 V 的电 势。这避免了因 EID 离子导致的信号背景，（EID = 电子碰 撞解吸，也称为：ESD = 电子诱导脱附）。稍后将详细说明 该技术。
轴向离子源
该离子源的特点是其极其坚固的机械设计和高灵敏度。由于 其开放式结构，它主要用于高真空系统中的残余气体分 析。图 6.6 显示了轴向离子源的示意图。阴极 (1) 布置在 维纳尔电极 (2) 中的孔内，并在一侧与该电极相连。被阳极 (3) 加速的电子在形成区域 (4) 中电离气体分子。正离子通过 引出孔 (5) 到达质量过滤器。由于其相对开放的结构，通过解 吸和表面反应，只有轻微的数据偏差。
网格离子源
图 6.9: 网格离子源
网格离子源用于检查 UHV 或者甚至 XHV 应用中的残余气 体。其极其开放的结构和材料的选择确保了非常低的内部气 体释放。该离子源配备了两个可同时加热脱气的钨丝。如果 在低于 10-11 hPa 的压力下执行工作，特别是为此目的，应 使用已经充分脱气的杆系统。在低于 10-10 hPa 压力范围内 的测量可能受到所谓的 EID（电子碰撞解吸）影响产生离子 的数据偏差。[32]。 这些 (H+, O+, F+, Cl+) 离子直接通过表面 的电子碰撞进行解吸，通常具有高产额。EID 离子来自 UHV 设备前期的吸附涂层或离子源，通常具有几个 eV 的初始能 量。此属性通过仔细选择场轴电压来加以利用，以抑制相对 于来自气相、具有能量大约为 100 eV 离子的 EID 离子（图 6.10）。
图 6.10: EID 离子的辨别
交叉束离子源
图 6.11: 交叉束离子源
交叉束离子源（图 6.11）允许垂直和平行于系统轴的分子束 直接通行。系统使用预先选定的能量 (0 – 120 eV) 从左侧或 右侧金属丝 (1) 将电子发射到形成区域 (3)。金属丝电势处的 维纳尔圆柱电极 (4) 能够防止电子散射到环境中去。由于电 子能量可在较宽的范围内进行设置，所以该离子源可用于确 定表观电势。交叉束离子源非常精确地保持离子以射入状态 进入质量过滤器。交叉束离子源用于诊断捆绑式分子束。在 该过程中，分子束垂直于投影平面轴射入形成区域（图6.11 ）。在通过离子源 (7) 后，非电离中性气体分子引导进入泵 中或进入冷阱中进行冷凝。具有这种类型离子源的质谱仪也 用作分子束外延的“速度计”。
气密离子源
上述离子源也可用在密闭式版本中。如果只提供少量的样气
或如果残余气体产生的信号背景需要有效地被抑制，则使用
密闭式离子源。在这种结构中，进气系统（如加热毛细管）
和离子源必须相互匹配。通过离子源的流导，流入的气体体
积将确定形成区域中的压力，该压力可以是周围真空室中压
力的倍数。现在，将通过举例的方式使用轴向离子源说明其
工作原理。。
图 6.12: 密闭式轴向离子源
将待分析的气体直接通过处于低电势的金属毛细管 (6) 和绝 缘管 (5) 引入到形成区域 (4)。由垫圈 (7) 提供绝缘。真空室 流导大约为 1 l/s。
图 6.13: SPM 离子源
溅射工艺监控器 (SPM) 离子源
在该离子源中，形成区域 (7) 与工艺室直接相连。分析仪配
备了小型分子泵(1)，该泵站也将阴极空间 (5) 抽空至大约
10-5 hPa。电子通过小孔从低压侧射入形成区域 (7)，以便电
离气体。由此形成的离子通过低压侧的小开口被引入到质量
过滤器。该离子源为溅射工艺中检查气体组成提供两个关键
优势。一方面，分析在高达三个数量级以上的离子源压力下
进行；即：真空室中可以承受较高的工艺压力。另一方面，
热金属丝不与溅射工艺直接接触。这避免了热阴极在敏感工
艺中造成的污染。
标准的 PrismaPlus 离子源
普发真空的 PrismaPlus 质谱仪配备了这一功能强大、高度灵
敏的离子源。它是一种特别适合于残余气体分析的离子源。
它的设计类似于网格离子源，具有两个阴极，从而保证了操
作的可靠性。可同时提供开放式版本和密闭式版本，密闭式
版本的进气口在轴向方向。
图 6.14: PrismaPlus 离子源
这里描述的所有离子源均通过电子碰撞方式进行电离。离子 源可分为两类：
- 如果待分析气体所处的高真空 < 1 · 10-4 hPa 时 ，则使用 开放式离子源。
- 封闭式离子源用作分析应用中，例如，在只提供少量样气 或减少质谱仪真空系统的背景影响时。
封闭式离子源与差动排气系统（图 6.13）结合使用，以便分 析压力较高的气体。
