Существуют различные методы измерения состава газов: масс-спектрометрический, оптический, хроматографический, электрохимический. Для того, чтобы понять разницу в этих методах, приведём сравнительные примеры измерения газовых смесей с помощью времяпролетного масс-спектрометра, квадрупольного масс-спектрометра и газового хроматографа. Почему выбрано перечисленное оборудование? Потому, что оно чаще всего используется на производстве и в лабораториях, относиться к аналитическому, т.е. позволяет анализировать качественный и количественный состав газовой смеси. Также следует отметить, что данное оборудование является измерительным, а не индикаторным, в отличии от множества датчиков, детекторов, сигнализаторов.
Итак, масс-спектрометр с времяпролетным масс-анализатором – time-of-flight, время пролета. Принцип работы времяпролетного масс-спектрометра основан на измерении времени пролета ионов, подающихся через определённое время порциями (пакетами) в бесполевое пространство анализатора фиксированной длины. Достоинства: высокая разрешающая способность, высокий верхний уровень детектируемой массы иона, менее чувствителен к загрязнениям внутренних поверхностей анализатора и случайным механическим воздействиям при эксплуатации, имеет простой алгоритм идентификации пиков масс-спектра. Недостатки: меньшая, по сравнению с квадруполем, чувствительность.
Масс-спектрометр с квадрупольным масс-анализатором – quadrupole,четырехполосник. Принцип работы основан на селекции ионов по значению отношения массы к заряду (m/z), при определённом соотношении переменной составляющей к постоянной (U/V). Достоинства: высокая чувствительность. Недостатки: высокая, по сравнению с времяпролетным М-С, погрешность в диапазоне легких масс, чувствителен к механическим воздействиям и загрязнению электродов, низкий предел максимальной детектируемой массы.
Газовый хроматограф - gas chromatograph. Принцип работы основан на различном времени прохождения компонентов анализируемой газовой смеси через измерительные колонки, обусловленном их индивидуальной вязкостью. Достоинства: высокая чувствительность, надежность. Недостатки: большое время анализа (до 2 минут).
Предположим, что нам необходимо проанализировать газовую смесь, состоящую из особо чистого неона (Ne марки 6.0) на наличие в нем примесей гелия (He) не более 0,4 ppm. На рисунке 1 сиреневым цветом обозначен пик хроматографа, черным – масс-спектрометра. То есть, хроматограф, в отличии от масс-спектрометров, «не видит» малый пик гелия в общем пике неона.
Рисунок 1
Другой пример. Водородно-гелиевая смесь, состоящая из H, 3He, 4He, D, HD, HT, Т – необходимо одновременно проанализировать все компоненты, входящие в состав смеси. Из-за малой разрешающей способности в области легких масс, квадруполь не сможет корректно сделать анализ компонентов, чья атомная масса отличается друг от друга сотыми или тысячными долями: не будут «видны» пики 3He, HD, Т – массы этих элементов отличаются тысячными долями. Тоже самое будет с 4He, D2, HT, H2D (см. рисунок 2).
Рисунок №2
В отличии от квадруполя, времяпролетный масс-спектрометр справляется с этой задачей – высокая разрешающая способность позволяет идентифицировать компоненты и их изотопы с очень близкими массами.
В обоих случаях время анализа составляет не более 1 секунды.
Из примеров видно, что времяпролетный масс-спектрометр позволяет корректно решать различные задачи газового анализа, в отличии от хроматографа и квадруполя.
Ещё одно несомненное преимущество времяпролётного масс-спектрометра перед хроматографом - способность анализа изотопов газов. Предыдущий пример показателен для диапазона лёгких масс, но есть и "тяжелые" газы, например ксенон (Xe). У ксенона девять стабильных изотопов: 124Хe, 126Хe, 128Хe, 129Хe, 130Хe, 131Хe, 132Хe, 134Хe и 136Хe. Вот как выглядит масс-спектр микропримеси ксенона в гелии (рисунок 3).