本文介紹了一種基于C8051F 微控制器并應用于電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）的真空測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由真空計組、預處理電路、C8051F 微控制器、串行接口和上位機組成，能同時測量接口、透鏡和四級桿三個部分的真空狀態(tài)，且具有較高的集成度，緊湊的體積和較低的功耗，經(jīng)最后實驗證實，系統(tǒng)能準確且穩(wěn)定的測量各個部分的真空度，可為ICP-MS 的正常工作提供相應的條件保障。

　　電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）是通過高頻電磁場將含待測樣品的氣體電離后送入質(zhì)譜儀，在質(zhì)譜儀中按離子的質(zhì)荷比(m/z)分離不同離子，從而實現(xiàn)對樣品中所含元素進行定性、定量分析的一種儀器。

　　本文涉及到的ICP-MS 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由ICP 源、接口、透鏡和四級桿質(zhì)譜儀四部分組成，其中接口、透鏡和質(zhì)譜儀都必須在特定的真空環(huán)境下才能工作，因為在質(zhì)譜中離子的平均自由程越大，在有限長的真空腔體內(nèi)發(fā)生分子間或者是離子間的碰撞就越少，越有利于提高分辨率，如果真空度低，平均自由程就短，那么分子之間的碰撞就頻繁，質(zhì)譜儀的分辨率就會下降；目前所使用電子倍增器等信號放大系統(tǒng)都需要在高真空下才能夠達到應有的效果^[1]。

圖1 典型的ICP-MS 結(jié)構(gòu)

　　如圖2 所示，ICP-MS 各個腔體對真空度的要求如下：其中接口處的真空度一般應保持在10² Pa 左右，透鏡處的真空度則應保持在10^-2 Pa左右，四級桿處則應保持在10^-4~10^-5 Pa 左右的高真空。真空一般由機械泵即可實現(xiàn)，高真空的實現(xiàn)則由機械泵和渦輪分子泵串聯(lián)完成，機械泵作為前級將體系抽到10^-1~10^-2 Pa，然后再由分子泵繼續(xù)抽到所需的高真空。

圖2 ICP-MS 真空腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)ICP-MS 對真空腔體的要求，需要對接口、透鏡和四級桿三個部分進行真空度的測量。如圖3 所示，測量系統(tǒng)由真空計組、預處理電路、C8051F 微控制器、串行接口以及計算機等組成。系統(tǒng)的工作流程如下：真空計輸出的模擬信號經(jīng)預處理電路變換至A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后數(shù)據(jù)通過RS232 串口傳送給計算機，計算機再對數(shù)據(jù)進行進一步的處理并實時顯示測量結(jié)果。

圖3 真空測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、真空計的選擇

　　本系統(tǒng)設計所需的真空計組包括2 個用于測量接口和透鏡真空的低真空計以及1 個用于測量四級桿真空的高真空計。通過市場調(diào)研，我們選用了瑞士英福康公司的PSG500 型皮拉尼真空計和PEG100 型反磁控真空計，其中PSG500 型真空計的測量范圍為大氣壓至10^-2Pa，PEG100型真空計的測量范圍為100 Pa 至10^-7Pa，其所需的外部供電電壓均為+24 V，便于系統(tǒng)電源的集成設計；真空計的輸出信號是模擬信號，這也簡化了后續(xù)采集電路的設計；同時二者具有靈活的接口方式和較好的長期穩(wěn)定性，能滿足系統(tǒng)的設計要求。

5、總結(jié)

　　本文介紹了一種應用于ICP-MS 的真空測量系統(tǒng)，文中詳細的闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程、真空計的選擇、硬件電路設計和上位機軟件顯示等等，該測量系統(tǒng)能同時測量兩處低真空和一處高真空，并能實現(xiàn)高真空計的自動開啟，最后在已有的ICP-MS 平臺上完成了對系統(tǒng)的驗證，其測量結(jié)果符合預期，給ICP-MS 的正常工作提供了條件保障。

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