6.2.1 工作原理
扇形体质谱仪的工作原理如图 6.3 所示。
图 6.3: 180° 扇形体质谱仪的工作原理
中性气体粒子在离子源中通过电子碰撞（图 6.4 a）进行电 离。由此产生的离子具有质量 m 与电荷 q，电子通过电势梯 度U 移向扇形磁场，同时产生动能，
\[E_{kin} = q \cdot U =\frac{m \cdot v^2}{2}\]
公式 6-1: 动能
即它们以
速度 $v=\sqrt{\frac{2qU}{m}}$通过扇形场。在这里，电荷是相同的，
通过扇形场。在这里，电荷是相同的， 电子的速度以及通过一定距离所需的时间取决于其质量的大 小。这是飞行时间质谱仪分离质量的原理。在扇形场质谱仪 中，离子在均匀磁场中飞行路径为圆形，洛伦兹力与速度和 磁场垂直，作用在移动离子 上。
\[F=q \cdot v \cdot B \]
公式 6-2: 洛伦兹力
在半径为 $r$ 的圆形路径上，洛伦兹力等于向心力。
\[q \cdot v \cdot B = m \cdot v^2 / r\]
公式 6-3: 力的平衡
这用于计算路径的半径
\[r=\frac{m \cdot v}{q \cdot B} \mbox{并使用公式 6.1} r=\sqrt{\frac{2mU}{qB^2}}\]
公式 6-4: 路径半径
用于泄漏探测器的扇形场质谱仪配备了永磁体，该永磁体提 供恒定磁场，在图 6.3 中，其位置与图像平面垂直。质谱仪 以这样的方式调节：单电荷氦离子首先通过孔口，然后通过 出口狭缝，最后撞击探测器。 所有其它分子无法通过狭缝并 重新进行中和。测量的氦离子电流与氦分压成正比。从公式 6-4 中可以看出，通过加速电压 U 可以改变路径的半径。实 际上，使用不仅仅限于偏转 4氦，而且还限于将 $m/e$ 之比为 2:3 的离子向出口狭缝偏转，以便检测气体氢和 3氦。
在泄漏检测中，为获得氦测试气体的高检测灵敏度，扇形场 质谱仪装有灵敏探测器。直接的金属收集器（法拉第杯）不 再符合现在的要求，所以现代的泄漏测试仪结合了微通道 板，其结构非常紧凑，具有高增益和低噪声。这些在两侧均 具有金属涂层的玻璃微通道板具有大量的细微通道，这些通 道以很微小的角度一直通向端面（图 6.4 b），且其内表面也 有涂层。如果离子撞击该表面，则触发二次电子雪崩，且通 过施加在板上的电压向探测器加速。
图 6.4: 扇形场质谱仪：(a) 离子源，(b) 探测器
根据公式 6-4，轨迹半径与磁场成反比。永磁体的可用材料对 磁场强度有限制。这导致氦质谱仪典型的半径为 10 cm 的量 级。为确保离子轨迹不受到碰撞的妨碍，平均路径长度必须 大约是相同的数量级。因此，氦扇形场质谱仪的最大连续工 作压力大约为 10-5 hPa。
