主题：【第十四届原创】从接口真空提升 ICP-MS 灵敏度

我这儿两台 Agilent 7700 ICP-MS 是很老的型号，因为在做激光剥蚀联用，我很看重ICP-MS的灵敏度。

（1）2014年1月发布的 7900 虽然灵敏度有提升，但距今快8年了，买新不买旧。

（2）销售也给我推荐过 7800（2015年6月发布）、7850（2020年12月发布）—— 但这两个型号 其实就是7700换了个外壳，灵敏度指标也没有提升。

（3）我对现有的两台7700 进行了一些改造，灵敏度也不亚于 7900，继续用着吧。

这次改造经历记录下来，作为原创参赛。

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7700 早期使用 Edward E2M18 机械泵



后期改用 Varian DS402 机械泵。两种机械泵的抽力 > 20立方米/小时



点火后，7700 两锥之间的真空（接口 interface）通常为 240 Pa，分析室真空 1 e -4 Pa



Mean Free Path 平均自由程 是大学物理《热力学统计》中的一个重要概念：在一定的条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒与其他微粒碰撞所通过的平均距离。标准大气压下 平均自由程仅有 0.1 um，带电离子瞬间湮灭；而在 四极杆 ICP-MS 点火稳定后的分析室内，带电离子的平均自由程可达 66米 （需知，7700 也就 73cm长）

压强 Pa	平均自由程
1 e 5	0.1 um
10	0.66 mm
1	6.65 mm
1 e -3	6.65 m
1 e -4	66.5 m
1 e -5	665  m
1 e -6	6650m

两锥之间构成了扩散区(Expansion chamber)，此处的真空也很关键！

粒子束穿越采样锥 锥孔后<1cm ，其携带的等离子热能 迅速转化为粒子动能， 粒子扩散速率(~2500m/s) 远远超过声速(~340m/s)。由于等离子体的电子温度基本不变(5000-7500 K)，但电子密度在极短时间内(<5us)骤降，穿越锥孔后 电子与带电离子束 不可能重新结合。




改善两锥之间的接口真空，有利于提高后端分析室真空度，随着离子平均自由程的提高，灵敏度也会得以提升。

说干就干，把两台 DS402机械泵并联起来。下图左泵常年待机，右泵只在 仪器点火测试时才开启（右泵单独接入市电）




因为是两台机械泵并联，就可以在同一次点火状态下，进行如下试验：

（1）默认开启左泵，关闭右泵，此时单泵，按照仪器出厂设置做个性能报告 A-1

（2）再开启右泵，此时双泵，让真空稳定5分钟，再做个性能报告 B-1

（3）关闭右泵，让真空稳定5分钟，做个性能报告 A-2

（4）再开启右泵，让真空稳定5分钟，再做个性能报告 B-2

单泵条件下，性能报告 A-1 与 A-2 非常相似；双泵条件下，性能报告 B-1 与 B-2 非常相似——在这就不展示了

因此 A-1  A-2 取平均值，B-1 B-2 取平均值 统计成表：



双泵开启后，两锥之间的真空从 263 Pa降为 188 Pa；分析室真空 基本没有变化；轻质量元素 Li 的灵敏度降低；中质量元素（Y  In  Ce）平均提升了 50%；重质量元素（Tl  Pb ）平均提升了 15%——就像跷跷板，轻质量端下降，重质量端上升

由于空间电荷效应，轻质量核素 倾向于分布在离子束外围（发散状态），当两锥之间的真空越低（即抽力越大），就会有一部分轻质量核素 更容易被抽走，所以 Li 灵敏度降低不奇怪。如果只是以上结论，那就比较肤浅。肯定有好事者要问，能否定量地描述：两锥之间的真空度 如何影响 特定元素的信号响应？接下来 就要介绍这个可调角阀，通过 彻底拧紧，拧松 1/8圈，拧松1/4圈…… 可以逐渐获得 相关数据






从下面的 四宫格图可看到，当 拧松1.0圈，锥界面真空才开始降低，此时Li信号开始断崖式下降（做了两组）

拧松1.0~1.5圈，Co Y In Ce Tl U 开始稳步增长；

拧松1.5~2.0圈，上述核素的信号响应进入平台期。因此 最终确定，拧松 2.0圈最合适。



我这儿两台 7700x ，带有两个 小机械泵（例如 爱德华 E2M18，或者 瓦里安 DS402），参考下载链接的文档，淘宝买些小零件能实现双泵并联。

另一台7700x 就直接买个 大机械泵（例如 爱德华 E2M28，大概2万元出头） https://www.edwardsvacuum.com/en/our-products/oil-sealed-pumps