МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ С ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫМ НАСОСОМ И БУСТЕРНЫМ НАСОСОМ НА ОБЩЕМ ВАЛУ
MASS SPECTROMETRIC LEAK DETECTOR WITH TURBOMOLECULAR PUMP AND BOOSTER PUMP ON COMMON SHAFT

Изобретение относится к масс-спектрометрическому течеискателю, имеющему многоступенчатый турбомолекулярный насос и ступень бустерного насоса.
В случае с масс-спектрометрическим течеискателем в проверяемом объекте или в окружающей проверяемый объект испытательной камере с помощью обычно многоступенчатого турбомолекулярного насоса создают разрежение и подают на масс-спектрометр поток газа для анализа откачанного газа. На масс-спектрометр подают при этом только часть всего отведенного газа. Подобный масс-спектрометрический течеискатель описан, например, в DE 197 35 250 A1. В качестве поверочного газа для обнаружения течей обычно используют гелий.
Кроме того, известно, что в соединенную с проверяемым объектом или испытательной камерой газопроводную разводку такого масс-спектрометрического течеискателя включают бустерный насос, чтобы обеспечить быстрое создание разрежения в проверяемом объекте или испытательной камере, более высокую чувствительность, а также показатели более оперативного времени срабатывания в случае с большими объемами.
Подобный течеискатель с бустерным насосом описан в US 2006/0280615 A1. Через двухступенчатый турбомолекулярный насос, откачивающие ступени которого расположены на общем валу, масс - спектрометр соединен с насосом предварительного разрежения. В соединяемой с проверяемым объектом газопроводной разводке предусмотрен бустерный насос. При этом сторона всасывания бустерного насоса соединена с проверяемым объектом, в то время как сторона нагнетания бустерного насоса соединена с промежуточным газовпуском между обеими откачивающими ступенями турбомолекулярного насоса, а также с газопроводной разводкой между турбомолекулярным насосом и насосом предварительного разрежения. Каждая из этих газопроводных разводок включает в себя при этом собственный клапан.
Особое значение в случае с подобными традиционными масс-спектрометрическими течеискателями с бустерным насосом имеет то, что бустерный насос включает в себя собственный привод, который обычно расположен на стороне нагнетания бустерного насоса. Следовательно, привод бустерного насоса через промежуточный газовпуск многоступенчатого турбомолекулярного насоса соединен с масс-спектрометром и с измерительным трактом для анализа газа. В результате этого привод бустерного насоса может загрязнять измерительный тракт и отрицательно сказываться на выполнении анализа масс-спектрометром. Например, в приводе бустерного насоса может скапливаться гелий, который через измерительный тракт попадает в масс-спектрометр и искажает там результат измерений.
Из EP 0344345 A1 известны также, например, масс-спектрометрические компоновочные схемы для обнаружения течей, в случае с которыми несколько откачивающих ступеней расположены на общем валу. Привод откачивающих ступеней расположен на конце вала на стороне низкого давления и, следовательно, на стороне масс-спектрометра. То же самое относится и к подшипникам вала. Также и в данном случае гелий, скопившийся в приводе насоса или в подшипнике вала, может через измерительный тракт попадать в масс-спектрометр и, тем самым, искажать результат измерений.
В основу изобретения положена задача создать улучшенный масс-спектрометрический течеискатель с многоступенчатым турбомолекулярным насосом (ТМН) и бустерным насосом, в случае с которым привод ТМН, который может загрязняться гелием, максимально эффективно отделен от масс-спектрометра.
Течеискатель согласно изобретению задан отличительными признаками п. 1 формулы изобретения.
В соответствии с этим откачивающие ступени турбомолекулярного насоса и бустерный насос расположены на общем валу и снабжены общим приводом. Бустерный насос является при этом откачивающей ступенью многоступенчатого вакуумного насоса, который включает в себя также откачивающие ступени турбомолекулярного насоса. Ступень бустерного насоса на стороне всасывания снабжена подсоединением для проверяемого объекта. В данном случае под подсоединением для проверяемого объекта подразумевается также подсоединение для включающей в себя проверяемый объект испытательной камеры. Сторона нагнетания ступени бустерного насоса через газопроводную разводку соединена со стороной нагнетания турбомолекулярного насоса и со стороной всасывания насоса предварительного разрежения.
Для предотвращения того, чтобы привод вала для откачивающих ступеней турбомолекулярного насоса и ступени бустерного насоса загрязнял измерительный тракт в сторону масс-спектрометра, газопроводная разводка между стороной нагнетания ступени бустерного насоса и стороной всасывания соединенной с масс-спектрометром откачивающей ступени турбомолекулярного насоса разъединена разделительной перегородкой. Благодаря этому скопления газа или другие загрязнения из привода не могут попадать в масс-спектрометр.
В случае с разделительной перегородкой речь может идти об уплотнении, запирающем соответствующую газопроводную разводку. Поскольку газопроводная разводка проходит от ступени бустерного насоса через вал в сторону масс-спектрометра, уплотнение на валу должно обеспечивать передачу крутящего момента вала. Это может быть достигнуто, например, посредством уплотнения из ферромагнитной жидкости, которое обеспечивает уплотнение по газу с помощью закрытой стенки, через которую посредством магнитной силы является передаваемым крутящий момент вала. На обеих сторонах закрытой стенки при этом присутствует жидкость с ферромагнитными частичками.
Ферромагнитным частичкам на стороне стенки с ведомым валом придают вращение под действием вала. Магнитные силы вращающихся ферромагнитных частичек воздействуют сквозь закрытую стенку на ферромагнитные частички в жидкости на другой стороне закрытой стенки, перемещают их и придают им импульс к вращению, в результате чего участок вала на этой сторон е закрытой стенки приводят во вращение. Через закрытую стенку никакой газ не может попадать с одной стороны на другую сторону вдоль вала.
Другой профиль разделительной перегородки может быть обеспечен посредством ступени сепараторного насоса, сторона всасывания которого соединена с масс-спектрометром, а сторона нагнетания которого соединена со сторонами нагнетания ступени бустерного насоса и соединенной с масс-спектрометром откачивающей ступени турбомолекулярного насоса. Ступень сепараторного насоса, следовательно, расположена на том же самом валу, что и прочие откачивающие ступени между ступенью бустерного насоса и соединенной с масс-спектрометром откачивающей ступенью. Ступень сепараторного насоса может быть выполнена как ступень молекулярного насоса, например, по принципу Хольвека (Holweck) или Геде (Gaede) или как ступень турбомолекулярного насоса. Ступень молекулярного насоса обеспечивает при этом особенно высокую степень компрессии.
Турбомолекулярный насос может быть выполнен, прежде всего, двухступенчатым. Вместе со ступенью бустерного насоса на одном и том же валу, что и для обеих откачивающих ступеней турбомолекулярного насоса, тем самым задают трехступенчатый вакуумный насос. В случае со ступенью сепараторного насоса, расположенной на одном и том же валу между ступенью бустерного насоса и турбомолекулярным насосом, задают в целом четырехступенчатый вакуумный насос, причем каждую из откачивающих ступеней приводят в действие одним и тем же приводом и одним и тем же валом.
Предпочтительно, общий привод насоса расположен на конце турбомолекулярного насоса, лежащем между откачивающими ступенями турбомолекулярного насоса и насоса предварительного разрежения, то есть на стороне нагнетания турбомолекулярного насоса.
В случае с откачивающей ступенью на находящемся на стороне нагнетания конце турбомолекулярного насоса речь может идти о ступени молекулярного насоса или о ступени Хольвека. Турбомолекулярный насос имеет по меньшей мере одну ступень турбомолекулярного насоса. Ступень бустерного насоса в предпочтительном решении выполнена как ступень турбомолекулярного насоса, чтобы обеспечивать высокую всасывающую способность по гелию.
Изобретение базируется на замысле создания масс-спектрометрического течеискателя с многоступенчатым турбомолекулярным насосом и с тупенью бустерного насоса, в случае с которым все откачивающие ступени расположены только на одном валу и приводятся в действие только одним общим приводом. Конструкция течеискателя благодаря этому является более оптимальной и технически упрощенной. Для предотвращения того, чтобы привод подобной многоступенчатой насосной установки загрязнял масс-спектрометр и, тем самым, искажал результат измерений, предусмотрена разделительная перегородка газопроводной разводки между ступенью бустерного насоса и соединенной с масс-спектрометром откачивающей ступенью.
Далее на основе фигур приведено более подробное разъяснение примеров конструктивного выполнения согласно изобретению. На фигурах показаны:
Фиг. 1: известная из уровня техники традиционная компоновочная схема, Фиг. 2: пример конструктивного выполнения согласно изобретению в схематичном представлении,
Фиг. 3: другой пример конструктивного выполнения компоновочной схемы согласно фиг. 2,
Фиг. 4: пример конструктивного выполнения по фиг. 3 в схематической привязке его представления к фиг. 1,
Фиг. 5: другой пример конструктивного выполнения с клапанами для управления циклом откачивания/измерения.
На фиг. 1 в схематичном представлении показан известный из уровня техники масс-спектрометрический течеискатель с многоступенчатым турбомолекулярным насосом 12, сторона всасывания которого через газопроводную разводку 14 соединена с масс-спектрометром 17 (обозначен на фигурах как MS-прим. переводчика), а сторона нагнетания которого через газопроводную разводку 16 соединена со стороной всасывания насоса 18 предварительного разрежения (форвакуумного насоса). Турбомолекулярный насос 12 включает в себя промежуточное газовое подсоединение 20, которое через другую газопроводную разводку 22 соединено со стороной нагнетания бустерного насоса 24. На стороне всасывания бустерный насос 24, в случае с которым равным образом идет речь о турбомолекулярном насосе, через газопроводную разводку 26 соединен с подсоединением 28 для проверяемого объекта или содержащую проверяемый объект испытательную камеру.
Турбомолекулярный насос 12 выполнен двухступенчатым, со ступенью 30 турбомолекулярного насоса и ступенью 32 молекулярного насоса. Ступень 30 турбомолекулярного насоса и ступень 32 молекулярного насоса посажены на общий, на фиг. 1 не показанный вал и приводятся в действие общим приводом 34 насоса. Привод 34 насоса расположен на стороне нагнетания турбомолекулярного насоса 12, то есть между стороной нагнетания ступени 32 молекулярного насоса и стороной всасывания насоса 18 предварительного разрежения. Промежуточное газовое подсоединение 20 соединяет сторону нагнетания бустерного насоса 24 со стороной нагнетания ступени 30 турбомолекулярного насоса и стороной всасывания ступени 32 молекулярного насоса. Привод 35 бустерного насоса 24 находится непосредственно в измерительном тракте трубопроводов 22, 26, идущих от проверяемого объекта 28, в результате чего накопившийся гелий из атмосферного воздуха в процессе откачивания аккумулируется в приводе 35, при выходе на режим низкого давления медленно снова улетучивается и, таким образом, при выполнении измерения попадает в масс-спектрометр.
Пример конструктивного выполнения, наглядно отображающий основной принцип изобретения, представлен на фиг. 2. Основная идея изобретения состоит в том, чтобы выполнить бустерный насос 24 как дополнительную откачивающую ступень турбомолекулярного насоса 12. Ступень 24 бустерного насоса расположена при этом на том же самом валу, что и ступень 30 турбомолекулярного насоса и ступень 32 молекулярного насоса (в составе) турбомолекулярного насоса 12. При этом ступень 24 бустерного насоса приводят в действие тем же самым единственным приводом 34 насоса в секции предварительного разрежения, что и для обеих откачивающих ступеней 30, 32.
Для обеспечения максимально ранней готовности к измерению давление в масс-спектрометре 17 должно быть меньше, чем давление в проверяемом объекте. При этом, поскольку бустерный насос 24 нагнетает давление со стороны проверяемого объекта в направлении своей стороны выпуска, предусмотрена разделительная перегородка 36 газопроводной разводки между стороной всасывания ступени 30 турбомолекулярного насоса и стороной нагнетания ступени 24 бустерного насоса, чтобы разъединить здесь промежуточную газопроводную разводку. Разделительная перегородка 36 на фиг. 2 показана двумя волнистыми линиями и может быть обеспечена различными способами.
В случае с первым, на фигурах не представленным вариантом речь идет об охватывающем вал между ступенью 24 бустерного насоса и ступенью 30 турбомолекулярного насоса уплотнении по газу, которое допускает передачу крутящего момента вдоль вала от привода 34 на ступень 24 бустерного насоса.
Это может быть достигнуто, например, посредством уплотнения из ферромагнитной жидкости, в случае с которым посредством взвешенных в жидкости, вращающихся ферромагнитных частичек крутящий момент с помощью магнитных сил передают сквозь закрытую стенку.
Альтернативно, разделительная перегородка 36 может быть обеспечена также с помощью представленной на фиг. 3 и 4 ступени 38 сепараторного насоса. При этом сторона всасывания ступени 38 сепараторного насоса соединена с газопроводной разводкой 14, которая соединяет масс-спектрометр 7 со стороной всасывания ступени 30 турбомолекулярного насоса. Сторона нагнетания ступени 38 сепараторного насоса соединена с газопроводной разводкой 22, которая соединяет сторону нагнетания ступени 24 бустерного насоса с промежуточным газовпуском 20 турбомолекулярного насоса между обеими откачивающими ступенями 30, 32.
На фиг. 4 наглядно представлено предусмотренное изобретением отличие обеспеченной ступенью 38 сепараторного насоса разделительной перегородки 36 от известной из уровня техники компоновочной схемы согласно фиг. 1.
Фиг. 3 отражает соответствующее компоновочной схеме согласно фиг. 2 представление примера конструктивного выполнения на фиг. 4, в случае с которым разделительную перегородку 36 согласно фиг. 2 обеспечивают посредством ступени 38 сепараторного насоса по фиг. 4. Ступень 24 является сугубо турбонасосной ступенью с высокой всасывающей способностью. Ступени 38 и 30 параметрически рассчитаны на среднюю компрессию с числом от по меньшей мере 10 до максимум 100 (для водяного пара). Одна из этих двух ступеней 38, 30, предпочтительно ступень 38 , альтернативно, может быть параметрически рассчитана также как ступень молекулярного насоса с очень высокой компрессией, поскольку эта ступень реализует только разделительную перегородку 36, в то время как другую ступень 30 используют для функции противотока.
Газопроводная разводка 22 представляет собой перепускную линию, которая соединяет выпускное отверстие ступени 24 с впускным отверстием ступени 32. Ступень 32 может быть параметрически рассчитана как сугубо винтовая ступень или как винтовая ступень с одной или несколькими турбонасосными ступенями на впуске, чтобы обеспечивать высокую компрессию и, следовательно, максимально эффективное отделение масс -спектрометра 17 от привода 34. Дополнительное подсоединение 39 на проверяемый объект 28 может быть осуществлено (с врезкой) в ступень 32, как показано на фиг. 3, или также между ступенями 30 и 32. Это зависит от всасывающей способности ступени 32 и от сопротивления ступеней 38 и 30 давлению.
Пример конструктивного выполнения согласно фиг. 5 в сравнении с примером конструктивного выполнения согласно фиг. 3 дополнен клапанами V1-V6 для обеспечения функционирования течеискателя.
В подсоединенном к подсоединению 28 проверяемом объекте сначала через клапан V5 создают с помощью насоса 18 предварительного разрежения разрежение до давления примерно в 15 мбар. Затем открывают клапан V4 для подтверждения большого объема протечек, и можно приступать к обнаружению течей. Атомы поверочного газа с преодолением компрессии ступеней 32, 38 и 30 попадают в масс-спектрометр 17, где выполняют их детектирование. Начиная с давления p2 величиной менее 2 мбар, через клапан V3 происходит переключение на более чувствительный впуск, который осуществляется в ступень 32. Клапан V3 предусмотрен в промежуточном соединении откачивающей ступени 32. На откачивающих ступенях 32, 38 альтернативно или дополнительно могут быть предусмотрены другие промежуточные соединения, чтобы на соответствующих режимах давления перемыкать мостовой схемой компоненты соответствующих откачивающих ступеней и за счет этого повышать чувствительность (измерений).
При выходе за нижний предел давления р1в 0,1 мбар через клапан V1 выполняют переключение на самый чувствительный рабочий режим, при этом клапан V5 перекрывают. В этом случае большая всасывающая способность ступени 24 бустерного насоса воздействует на впуск 28 и, тем самым, положительно сказывается на времени срабатывания сигнала, в то время как компрессия в ступени 24 приводит к превышению парциального давления гелия на участке соединительной линии 22 и, следовательно, повышению уровня сигнала в масс-спектрометре 17. Определяющим фактором для порога чувствительности течеискателя в данном случае является всасывающая способность ступени 32 и компрессия ступеней 38, 30.