Revision 82dd582045b2ec890b46e78d5419389be4916146 (click the page title to view the current version)
Changes from beginning to 82dd582045b2ec890b46e78d5419389be4916146
---
format:markdown
...
#**Hmotnostní spektrometr na tokamku GOLEM**
## Úvod
U zařízeních, jako jsou tokamaky, které vyžadují ke svému provozu velkou kvalitu vakua, je velmi žádoucí přesná znalost reziduální atmosféry v komoře. Následkem ohřevu těchto zbytkových plynů společně s výbojovým plynem totiž dochází k radiačním ztrátám a zásadnímu ovlivnění kvality výboje. K analýze reziduálních plynů může sloužit hmotnostní spektrometr, který lze zároveň i využít např. pro hledání netěsností, zefektivnění wall conditioning metod a kalibraci tlakové měrky.
Cílem mého projektu je demonstrovat základní funkce a možnosti tohoto přístroje a sepsat stručný uživatelský manuál, který budoucím generacím umožní ještě více rozvinout potenciál hmotnostní spektrometrie na tokamaku GOLEM, např. integrací do systému, díky které bude možný automatický sběr dat.
Tento projekt navazuje na práci Bořka Laitla, který se hmotnostním spektrometrem částečně zabýval v roce 2017 během svého praktika.
## Teorie
Hmotnostní spektrometr se skládá ze tří hlavních částí: iontového zdroje, hmotnostního analyzátoru a detektoru. Všechny hmotnostní spektrometry potřebují ke své správné činnosti vysoké vakuum, které umožní iontům dosáhnout detektoru, aniž by prodělaly během průchodu analyzátorem kolize s ostatními komponentami analyzovaného plynu. Tyto srážky způsobují odchýlení z dráhy a iont tak může ztratit svůj náboj na stěně přístroje. Navíc může docházet k nežádoucím reakcím, které zapříčiní zvýšení komplexity výsledného spektra.
Střední volná dráha pro iont v hmotnostním spektrometru za teploty $T\sim300$ K může být aproximována vztahem
\begin{equation}
L=\dfrac{0.66}{p},
\end{equation}
kde $p$ značí tlak v pascalech.
### Iontový zdroj
Existuje velké množství jednotlivých typů iontových zdrojů například termální ionizace, doutnavý výboj, chemická ionizace, fotoionizace atd. Hmotnostní spektrometr, který je k dispozici na tokamaku GOLEM využívá \textbf{eletrkonové ionizace}.
Tento konkrétní zdroj je vybaven filamentem z iridia, jehož zahřátím dojde k uvolnění elektronů. Ty jsou dále urychlovány směrem k anodě a srážejí se během průchodu ionizační komorou s atomy a molekulami analyzovaného plynu. Na druhé straně jsou následně zachytávány do pasti. Pro zvýšení pravděpodobnosti srážky elektron-molekula/atom jsou na opačných koncích komory umístěny magenty, které způsobí spirální pohyb elektronů, a tím prodloužení jejich dráhy. Vzhledem k nízké hmotnosti elektronů oproti iontům, není vyžadováno magnetické pole o velké síle, a pohyb iontů tak není tímto polem ovlivňován.
### Hmotnostní analyzátor
Ionty vzniklé v iontovém zdroji pokračují dále do hmotnostního analyzátoru, kde dojde pomocí elektrického a magnetického pole k jejich separaci na základě poměru hmotnosti ku náboji ($m/z$). Stejně jako v případě iontového zdroje, i tato část spektrometru existuje v několika různých provedení. Základní rozdíly mezi jednotlivými typy leží v různých způsobech použití statických nebo dynamických elektrických a magnetických polí. V použitém hmotnostním spektrometru byl uplatněn \textbf{kvadrupólový analyzátor}.
V tomto typu analyzátoru je pro rozdělení iontů podle $m/z$ využívána stabilita trajektorií v oscilujících elektrických polí. Kvadrupól je sestaven ze čtyř paralelních tyčí, přičemž protilehlé tyče jsou elektricky spojeny. Na jeden propojený pár je přiváděno stejnosměrné kladné napětí $+U$ a na druhý záporné $-U$ stejné velikosti. Dále je na všechny čtyři tyče super superponováno vysokofrekvenční střídavé napětí $V_{\text{RF}}\cos(\omega t)$. Ionty jsou urychlovány z iontového zdroje podél osy $z$ mezi tyčemi. Ve směru $x$
a $y$ na ně působí síly
$$F_{x}=-ze\dfrac{\text{d}\phi}{\text{d}x}, $$
$$F_{y}=-ze\dfrac{\text{d}\phi}{\text{d}y}.$$
$\phi$ je funkcí $\phi_{0}$:
$$\phi_{(x,y)}=\phi_{0}(x^{2}-y^{2})/r_{0}^{2}=(U-V\cos(\omega t))(x^{2}-y^{2})/r_{0}^{2},$$
přičemž $r_{0}$ značí poloměr imaginárního válce, který je možný vložit do středu mezi tyče.
Dosazením za $\phi$ získáme rovnice pohybu iontů (Paulovy rovnice):
$$\dfrac{\text{d}^{2}x}{\text{d}t^{2}}+\dfrac{2ze}{mr_{0}^{2}}(U-V\cos(\omega t))x=0,$$
$$\dfrac{\text{d}^{2}y}{\text{d}t^{2}}-\dfrac{2ze}{mr_{0}^{2}}(U-V\cos(\omega t))y=0$$
Iont během průletu díky měnící se polaritě napětí na tyčích osciluje. V daný časový okamžik a pro určitý poměr $U/V$ jsou tyto oscilace stabilní pouze pro iont s určitou hodnotou $m/z$, který je schopný projít kvadrupólem a dostat se až na detektor. Všechny ostatní ionty jsou zachyceny na tyčích kvadrupólu. Plynou změnou hodnot $U$ a $V$, přičemž hodnota jejich poměru zůstává konstantní, jsou postupně na detektor propuštěny (filtrovány) všechny ionty.
### Detektor
Ionty prošlé analyzátorem jsou zaznamenány a transformovány na použitelný signál pomocí detektoru. Jelikož počet elektronů opouštějící hmotnostní analyzátor v konkrétní čas je obecně poměrně malý, je k získání uspokojivého signálu velmi často ještě nutná amplifikace. Deseti zachyceným iontům za vteřinu na detektoru odpovídá přibližně hodnota elektrického proudu $1,6 \times10^{-18}$ A.
V tomto konkrétním hmotnostním spektrometru je použit \textbf{Faradayův detektor} (pohár -- z angl. \textit{cup}), který je tvořen tenkým kovovým válcem. Ionty, které dosáhly vnitřku válce, jsou neutralizovány při dopadech na stěny, které vedou k vytvoření proudu v rezistoru, který je dále zesilován a následně zaznamenán. Design Faradayova detektoru je velmi jednoduchý a cenově nenáročný a zároveň je tento typ detektoru poměrně spolehlivý a přesný. Nicméně není příliš vhodný pro měření, kde je potřeba zaznamenávat velmi rychlou změnu iontového proudu. Nejmenší hodnota, kterou je možné zaznamenat se pohybuje v řádu $10^{-15}$ A. Přesnost tohoto detektoru je negativně ovlivňována sekundárními elektrony, které mohou být emitovány při nárazu iontu na stěnu. Aby se tento nežádoucí jev co nejvíce omezil, bývá vnitřek detektoru například potažen uhlíkem, který produkuje méně sekundárních elektronů.
## Základní experimentální aparatura
Pro účely tohoto PRPL projektu byl hmotnostní spektrometr PrismaPlus QMG 220 nainstalován na vakuovou kostku, která je umístěna v PlasmaLabu. Čerpání aparatury bylo prováděno pomocí turbomolekulární vývěvy HiCube Eco (Pfeiffer Vacuum).
## Logbook
### 5.12.19 První měření
[1. měření - logbook](/TrainingCourses/FTTF/2019-2020/AnnaKrivk/Sessions/1_mereni_5_12_2019)
* Nainstalování programu QUADERA na notebook.
* Ověření spojení mezi PC a hmotnostním spektrometrem.
* První čtyři zkušební měření na vakuové kostce.
### 4.5.20 Druhé měření
[2. měření - logbook](/TrainingCourses/FTTF/2019-2020/AnnaKrivk/Sessions/2_mereni_4_5_2020)
* Basic - Scan Analog - Měření zbytkové atmosféry v kostce.
* Pomocí přepínání režimu vakuové vývěvy Stand by off/on sledování časového vývoje zbytkové atmosféry (funkce Multi Ion Detection).
* Přidání hrubého jehlového ventilu na vakuovou kostku $\rightarrow$ sledování časového vývoje plynu uvnitř kostky při pootevření ventilu.
* První pokus použití hmotnostního spektrometru jako hledač netěsnostní pomocí ofukování jehlového ventilu heliem.
Celkem bylo při této session naměřeno 13 Basic - Scan Analog spekter a 9 MID časových průběhů.
### 12.5.20 Třetí měření
[3. měření - logbook](/TrainingCourses/FTTF/2019-2020/AnnaKrivk/Sessions/3_mereni_12_5_2020)
* Přidání jehlového ventilu s mikrometrickým šroubem.
* Připojení ventilu k vývěvě, který umožnil její rychlé odpojení od vakuové kostky.
* Změření rychlosti natékání vzduchu pro různé stupně otevření jemného jehlového ventilu (potřeba pro určení velikostí netěsností odpovídající danému pootevření ventilu).
* Postupné připojení balónků se vzduchem z plic a z pumpičky, s argonem, neonem a heliem na jehlový ventil. Následné sledování vývoje atmosféry (MID měření) ve vakuové kostce po otevření jehlového ventilu a Scan Analog po ustálení tlaku při daném otevření.
Pro určení netěsností odpovídající různému otevření jehlového ventilu s mikrometrickým šroubem bylo provedeno 9 měření. Při měření s balonky se celkem provedlo 16 MID měření a 17 Scan Analog měření.
## Návod k programu QUADERA
V rámci tohoto projektu byla sepsána stručná verze manuálu k programu QUADERA, který je určen k obsluze hmotnostního spektrometru. V tomto návodu jsou přiblíženy základní funkce, které je možné na tokamaku GOLEM využít.
[QUADERA - stručný manuál](/TrainingCourses/FTTF/2019-2020/AnnaKrivk/QUADERA_manual.pdf)
Původní manuál v plném znění je k nahlédnutí zde: [QUADERA](/TrainingCourses/FTTF/2019-2020/AnnaKrivk/quadera.pdf).
## Shrnutí výsledků a nápady pro další generace
Hlavním cílem tohoto projektu bylo osvojení si práci s hmotnostním spektrometrem a představení jeho základních funkcí. Daný model PrismaPlus QMG 220 umožňuje analyzovat zbytkovou atmosféru ve vakuové aparatuře v rozsahu 1 až 100 u ($m/z$), nicméně měření ukázala, že v případě obyčejného vzduchu stačí měřit v rozsahu 1 - 50 u. V druhé polovině rozsahu se atmosferické prvky, s výjimkou Kr, de facto nevyskytují. Z měření je také patrná nutnost nízkých tlaků ($<10^{-2}$ Pa) pro správnou funkčnost spektrometru. Při tlacích pohybující se na hranici operačního limitu bylo velmi patrné kontinuální pozadí a spektrum tak ztrácelo na jasnosti a slabší píky dokonce v daném kontinuum zcela zanikly.
Při identifikaci jednotlivých linií je také potřeba mít na paměti, že daná hodnota poměru $m/z$ není ve většině případů vlastní pouze jednomu prvku/molekule a dochází tedy ke koincidenci. Z tohoto důvodu by bylo zajímavé výsledky hmotnostní spektrometrie porovnat např. s optickou spektroskopií a zjistit rozdíly v naměřených složení analyzovaného plynu.
Před tímto projektem nebyl hmotnostní spektrometr poměrně dlouho dobu používán. Došlo tedy k adsorpci plynů na jeho částech, který se však po zahřátí filamentu desorboval do čerpaného objemu. Po jeho zapnutí tak došlo vždy k mírnému nárůstu tlaku uvnitř vakuové kostky. Zároveň také mohly tyto plyny ovlivnit výsledné hmotnostní spektrum. Na konci třetího celodenního měření však tento jev již nebyl příliš znatelný. V budoucnu by tedy bylo možná vhodné zvážit před samotným měřením, například na tokamaku GOLEM, vypečení filamentu.
Dále byla také demonstrována schopnost hmotnostního spektrometru měřit časový vývoj plynů ve sledovaném objemu a to poměrně s velkou citlivostí. Tato funkce může být v budoucnu využita například při hledání netěsností.
Výstupem tohoto projektu je také stručný návod k programu QUADERA sloužící k obsluze hmotnostního spektrometru, který je zaměřen na představené základní dvě funkce hmotnostního spektrometru. Nicméně potenciál a aplikovatelnost tohoto zařízení je ještě větší a může být tedy náplní budoucích projektů. Zde je několik nápadů, na které by bylo možné se například zaměřit:
* Kalibrace přístroje, vypečení filamentu
* Kvantifikační analýza
* Srovnání s optickou spektroskopií
* Zařazení do běžného chodu tokamaku GOLEM pomocí automatizace sběru dat
## Reference
[1] DE HOFFMANN, Edmond a Vincent STROOBANT. *Mass spectrometry: principles and applications*. Third edition. Chichester: John Wiley, 2007. ISBN 978-0-470-03310-4.
[2] GROSS, Jürgen H. *Mass spectrometry: a textbook*. 2nd ed. Berlin: Springer, 2011. ISBN 978-3-642-10709-2.
[3] EKMAN, Rolf, Jerzy SILBERRING, Ann WESTMAN-BRINKMALM a Agnieszka KRAJ, ed. *MASS SPECTROMETRY: Instrumentation, Interpretation, and Applications*. Chichester: John Wiley, 2009. ISBN 978-0-471-71395-1.
[4] DOWNRAD, K. *Mass Spectrometry: A Foundation Course.* Cambridge: The Royal Society of Chemistry, 2004. ISBN 0-85404-609-7.
