6.3.3 探测器
按照质荷比在杆系统中分离的离子可以使用各种类型的探测 器以电气方式进行检测：
- 通过法拉第杯使用静电计放大器直接测量离子电流
- 使用具有单独倍增器电极、离散设计的二次电子倍增器 (SEM)
- 通过连续二次电子倍增器 (C-SEM)
探测器选择主要基于检测灵敏度、检测速度和信号噪音比有 关的要求。然而，它也将受到其它应用特定要求以及空间要 求的制约，这些特定要求涉及到稳定性、耐热性和耐化学性 等。
法拉第杯
在最简单的情况下，离子撞击法拉第收集器（法拉第杯），
它们在此失去了电荷。
图 6.15: 法拉第杯的工作原理
通过灵敏的电流电压变换器（静电计放大器），所产生的电 流被转换成与离子电流成正比的电压。带有法拉第杯的静电 计放大器的灵敏度通常是 $K$= 10-4 A/hPa 数量级。电流放大 器的输入电阻 $R$ 必须非常高。凭借典型的接线电容 $C$ ，这导 致时间常数 $\tau=R \cdot C$ 在 范围 0.1 $s$ < $\tau$ < 100 s 之内。 根据 时间常数、在 1 · 10-16 和 1 · 10-14 A 之间的测量限制，数量 级为 $p_{min}$ = 10-10 hPa 的最小分压可以被检测到。对于总压 在 10-8 hPa 以下的 UHV 系统，通常是这样。
除其简单、坚固的设计之外，法拉第探测器的特点是其长期 的稳定性和耐高温的能力。为保持较小的时间常数及避免其 它干扰影响，静电计放大器直接连接至分析仪，且其输出信 号被直接提供给数据分析系统。这就是法拉第杯存在于所有 普发真空质谱仪中的原因。然而，它只适合于检测正离子。
如果要测量极其小的离子电流或需要极其高的测量速度，则 使用物理前置放大器，即所谓的二次电子倍增器。
图 6.16: 二次电子倍增器 (SEM)
二次电子倍增器 (SEM)
图 6.16 显示了此类倍增器（SEM = 二次电子倍增器）的典 型结构。圆柱形金属片（倍增器电极）具有能够提供低级别 电子逸出功的涂层。根据其动能，离子或电子在撞击该层后 产生多个二次电子。经过多个阶段单离子处产生电子雪崩。 在倍增器电极之间施加大约 100 V 的正电压，以加速电子。 通过电阻串联向倍增电极之间供应高电压（大约 1,000 – 3,000 V），两个电极分别连接至该电压分接头，按照这种方 式安排技术实施。高电压正极接地，以保持逸出电子处于接 近地电势的状态。这些类型的安排产生 107 的电流放大因 子。
二次电子倍增器通过法拉第杯提供以下优势：
- 它极大地增加了仪器的灵敏度，提供灵敏度增加高达 $K$ = 10 A/hPa。
- 这意味着，使用下游静电计放大器可以在更短的时间间隔 内扫描较低的分压。
- 信噪比显然高于静电计放大器，这意味着，检测限制可下 降几个数量级。这仅在高度放大条件下在 SEM 中也能实 现较低暗电流（噪音水平）。灵敏度的单纯增加价值不 大。
然而，SEM 也有缺点：
- 其放大率会因污染或活性层中的化学变化而发生改变。
- 产生碰撞离子（大约 1 到 5 个电子）的电子数（转换因 子）取决于离子能量（质量甄别）。
放大率受到这些因素的影响而改变。因此，必须时常对 SEM 进行校准。通过改变高电压可以很容易地对放大率进行调 整。通过给第一个倍增器电极提供力求等于各个离子能量的 独立高电压，可以保持转换因子恒定不变。
凭借二次电子倍增器的辅助，可快速的进行测量。从表 6.2 中可以看出，其测量速度明显高于使用法拉第杯的测量速 度。
除了作为电流放大器操作外，离散倍增器电极 SEM 也适合作 为离子计数器。使用该配置，可以获得每 10 秒 1 个离子的 极低计数率。高计数率也是可能的，与作为电流放大器相比 能够产生非常广泛的动态范围。
| PrismaPlus | 使用 SEM 217 的 HiQuad | 使用 SEM 218 的 HiQuad | |
|---|---|---|---|
| 探测器 | 法拉第/C-SEM | 法拉第/SEM | 法拉第/具有转换倍增极的 SEM |
| 法拉第杯最大压力 | 10-3 hPa | 10-4 hPa | 10-4 hPa |
| SEM、C-SEM 最大压力 | 10-5 hPa | 10-5 hPa | 10-5 hPa |
| 最大测量速度/u | 2 ms | 125 µs | 125 µs |
| 烘烤温度（最大） | 300 °C | 400 °C | 400 °C |
| 计数操作 | 否 | 是（可选） | 是（可选） |
| 正离子检测 | 是 | 是 | 是 |
| 负离子检测 | 否 | 是 | 否 |
图 6.2: 探测器及其属性
在计数模式中，SEM 的速度限定了动态范围的上限。使用 20 ns 的脉冲宽度，非线性在每秒 106开始。鉴于其脉冲宽 度，SEM 一定 适合作为计算器。
所有二次电子倍增器的共同点是，它们被限制在低于 10-5 hPa 的压力下操作。在高于这些压力时，倍增器电极上 的水分子层会在操作中高温分解，从而导致过早老化。 由于涉及高电压，可能损坏 SEM 的气体放电可在压力 p > 10-5 hPa 时发生。
连续二次电子倍增器 (C-SEM)
C-SEM（图 6.17）由内部涂有导电层的玻璃管组成，该导电
层具有高电阻和低电势。给该导电层施加高压，以使整个管
长度获得均匀电压梯度。四级杆系统的离子按确定路径被发
送到转换倍增器电极，并产生触发管内电子雪崩的二次电
子。在放大电压为 2,500 V 时，获得 106 的电流放大因子。
图 6.17: 连续二次电子倍增器 (C-SEM) 的工作原理
在此处也一样，放大率和暗电流控制信号噪音比，且 106 的 最大电流/暗电流之比是电流放大因子。得益于 C-SEM 相对 于四级杆轴稍微偏移的布置，法拉第杯以及 C-SEM 可以在 分析仪中彼此相邻使用，在必要时可以从一个探测器切换到 另一个探测器。
