[發明專利]用于低壓氫環境下的膜分離型痕量氣體探測裝置

在審

• 申請號: 202010180654.2
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111289604A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 白冰;王軍偉;張磊;韓瀟;劉然;邵靜怡;劉洋洋
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01N27/62
• 分類號: G01N27/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種用于低壓氫環境下的膜分離型痕量氣體探測裝置，由四極質譜儀、測試腔、膜片腔、真空泵系統組成，測試腔的入口設置在待測環境中，膜片腔內設置有氫氣分離膜，通過真空泵系統的抽氣使得待測氣體不斷進入測試腔內，氫氣分子通過復合膜離開測試腔，而雜質氣體在測試腔中濃度不斷增加，通過質譜儀對測試腔腔內的雜質氣體的成分進行探測。在一些特殊的設備中，氫氣的純度要求很高，需要對氫環境中的痕量烴類氣體進行探測，由于要求探測的烴類氣體分壓很低，一般的氣體探測儀器如質譜儀無法進行探測。本發明可以提高質譜儀對氫氣環境中雜質氣體的分辨率，進而得到更高靈敏度的探測裝置。

技術領域

本發明屬于痕量氣體的探測技術領域，具體涉及一種用于10Pa量級的低氣壓氫氣環境下分析分壓在10^-10Pa量級的痕量氣體雜質的探測裝置。

背景技術

痕量氣體探測在對氣體純度要求高的設備中至關重要，比如光刻機等設備中。在光刻機設備的使用中，需要純凈的氫氣環境，光刻過程中產生的H₂O、碳氫化合物等氣體都會對光刻設備造成損害。進而要求探測設備可以在10Pa的氫氣環境下探測到分壓為10^-10Pa量級的雜質氣體。常用設備有質譜儀、色譜儀等，但由于待測的雜質氣體濃度過低，目前最好的通常質譜儀在10Pa環境下最多可以檢測到10^-8Pa量級的氣體，不能探測到分壓為10^-10Pa量級的氣體。氣體濃度過低，使得現有裝置無法對痕量的雜質氣體實現有效地探測與分析。為降低探測裝置的探測下限，增加探測裝置的探測范圍，本發明設計了一種針對氫氣中微量雜質的探測裝置，本裝置利用一套真空抽氣系統驅動待測氣體進入測量設備，同時利用氫氣分離膜增加待測氣體中雜質氣體的濃度，并配合四級質譜儀進行探測。

技術方案

基于此，本發明的發明目的在于提供一種用于低壓氫環境下的膜分離型痕量氣體探測裝置，針對低氣壓的氫氣環境，利用真空泵將待測氣體吸入測試腔，通過氫氣分離膜增加雜質氣體濃度，利用質譜儀、真空規對氣體進行探測和分析。本發明優化的系統與結構設計可以保證雜質氣體濃度的增加，實現了低氣壓氫環境下痕量雜質的精確測量。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

用于低壓氫環境下的膜分離型痕量氣體探測裝置，由四極質譜儀、測試腔、膜片腔、真空泵系統組成，測試腔的入口用于設置在待測環境中，測試腔通過膜片腔與真空泵系統連通，且測試腔還另外與四極質譜儀連通，其中，膜片腔內設置有氫氣分離膜，通過真空泵系統的抽氣使得待測氣體經過入口不斷進入測試腔內，氫氣分子通過復合膜離開測試腔，而雜質氣體在測試腔中濃度不斷增加，最后通過四極質譜儀對測試腔腔內的雜質氣體的成分進行探測。氫氣分離膜是成熟產品，有多種氣體分離膜可以實現，如聚酰亞胺、醋酸纖維等。

測試腔為Ф100mm×180mm的圓筒結構，選用不銹鋼材料制造，表面進行拋光處理，減小真空條件下的氣體析出。

進一步地，測試腔的容器壁上設置有連通膜片腔的接口以及連通質譜儀的接口，接口采用金屬墊圈密封。

進一步地，測試腔的入口做真空穿艙設計，通過待測設備的真空容器放入低氣壓氫環境中。

其中，氫氣分離膜的面積要足夠大，使得從測試腔抽出的氫氣完全通過復合膜。

其中，四極質譜儀的探頭放置在測試腔內，實現對測試腔內氣體的測量。

其中，真空泵系統采用分子泵作為主泵，螺桿干泵進行預抽真空的組合抽氣方式，輔以超高真空閥門組成無油真空系統，實現優于1.0×10^-8Pa的超高真空，并具有足夠的抽速。

其中，膜片腔與真空泵系統之間的連通管路上設置真空規，以測量真空泵組進口的壓力。

與現有技術相比，本發明的低氣壓氫環境下痕量氣體探測具有以下效果：