CN101454656A - 高通量的粒子计数器 - Google Patents
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Abstract
粒子计数器(1)装备有涡旋泵(2),该涡旋泵适用于产生以至少50升/分钟的最大流速通过测量室(6)的气流。气流中夹带的粒子所散射的光由光学系统(11)采集。最小孔的最小直径和光学系统的倍率的乘积总计至少2mm。特别优选的是具有至少2.5mm的最小直径和至少1.5的倍率的最小孔。所述光学系统(11)把由气流和光束(8)交叉产生的测量体积的投影成像到传感器模块(13)的活动区域(12)上。传感器模块(13)包含光电倍增管(PMT)。粒子计数器的灵敏度和精度都通过使用更大的孔和更大的倍率来改进其可通过光电倍增管的使用成为可能。
Description
本发明涉及粒子计数器,尤其涉及一种粒子计数器,其包括用于形成通过粒子计数器的气流的泵,该气流携带将被量化的粒子负载;具有进口和出口的测量室,气流通过该进口进入测量室而通过该出口流出测量室;光源;用于将光源发射的光束导入测量室的装置,以便光束横穿气流;传感器装置,用于检测由粒子负载散射的光;以及光学系统,用于将散射光成像到传感器装置的活动区域上。
这种类型的粒子计数器是众所周知的,例如美国第4,571,079号专利所述。它们被频繁地用于确定洁净室环境的周围空气中粒子含量。
在任何情况下,极低浓度的大气粒子是必不可少的,用以避免可能使昂贵加工的产品变得无用的粒子污染物—例如半导体制造、药物生产、微加工和纳米加工、科学无尘实验室等,这需要不断地或至少有规律地监控实际粒子含量。
为了获得代表将要评估的粒子含量的环境空气的测量结果,有必要抽样一定的极小空气量。例如,欧洲产品生产质量规范管理委员会需要A类和B类洁净室中1立方米空气的极小采样量,并为C类洁净室推荐相同的采样量。
粒子计数器所允许通过其测量体积(measurement volume)的采样空气的最大流速决定了完成测量所需的时间,这一点是很明了的。测量体积是通过交叉采样空气流与导入测量室的光束而形成的体积。如果不断监控粒子含量,较高的流速使得能更快发现粒子含量中的变化。
因此,高流速是空气采样所需要的。然而,流速越高,极细粒子的检测就越困难,特别是直径在几百纳米到1微米范围内的粒子(亚微米粒子)。给定尺寸的粒子位于测量体积中时所散射的光的量与粒子速度(也就是流速)成反比,并且与粒子尺寸成正比。通过两种因素之一(通过加倍流速)加速粒子会导致粒子穿过测量体积的时间间隔减半,从而减少可用于检测由粒子散射的光的时间间隔。
如今,通常将光电二极管用作粒子计数器中的传感器,该光电二极管表现为随着活动区域变大而增加的电容,例如美国第4571079号专利所公开的。大的活动区域能增加灵敏度。另一方面,增加电容会导致降低响应速度。由于粒子横穿测量体积时粒子之间相互作用的时间变短,更快的粒子速度需要增加光电检测器的响应速度。此外,无论传感器的实际大小如何,都必须将整个测量体积成像到传感器的活动区域上。为了保持低电容和高响应速度,将检测器光电二极管的活动区域保持为小,因而需要倍率小于1的探测光学器件。也就是说,检测器的活动区域上的成像小于测量体积的投影面积,这就导致减少实际探测到的散射光的量。其结果是,限制了允许相当可靠地探测亚微米粒子的最大流速。典型地,商业上可用的粒子计数器以28.3升(1立方英尺)每分钟的流速运行。
为了克服上述限制,美国专利第5084629号提供一种粒子计数器,它能把采样气流分摊成多个部分粒子气流,每个部分粒子气流带有用于每个部分气流的测量体积,并包括各自的光源、光学器件和传感器。由于这种平行化方法,每个部分粒子气流的流速都降低了,从而允许亚微米粒子的可靠检测,但作为代价的是显著地增加了复杂性以及随之增加的整个设备的成本。
由于光学元件的局限性,粒子计数器内的气流流径不能自由地确定尺寸来满足高流速。因此,当通过流径抽取采样气流时,会遇到随着流速越高而愈加突出的附加问题。经常用于传统粒子计数器的正位移真空泵不是足够地有效用以允许高流速粒子计数器的便携式设计或电池供电运行。
美国专利第5515164号提出在粒子计数器中使用更高效的离心鼓风机,而该鼓风机也适用于很多应用。然而,由于随着给定测量室中流速的增加而出现增压降低,则期望在更高流速下实现采用离心鼓风机的高效设计会愈加困难。
美国专利第6031610号提出在粒子计数器中使用凸轮泵,该凸轮泵也适用于很多应用。然而,由于泵进口处的压力波动,测量室内部存在气流不稳定的危险,这是因为泵通常位于测量室出口的下游。
能检测亚微米粒子的商业可行的计数器所获得的最高流速很难高于50升每分钟。
鉴于上述情况,本发明的一个目的是提供一种粒子计数器,其能用于更高流速而不危及粒子计数的可靠性、灵敏度和精度。此外,理想的是实现高流速粒子计数器的紧凑便携式设计。
根据本发明的一方面,该目的通过提供一种最初提及类型的粒子计数器来实现,其中泵适于形成以至少50升每分钟通过粒子计数器的最大气流,最小孔的最小直径和所述光学系统的倍率的乘积总计至少2mm,并且传感器装置包括光电倍增管。优选地,该检测光学器件具有最小直径为至少2mm的最小孔和等于或大于1的倍率。特别优选的是最小直径为至少2mm的最小孔和至少1.5的倍率。甚至于直径为8mm的孔可能(以及有利于)应用光电倍增管。在此说明书中,术语“倍率”意味着倍率的绝对值,也就是说,倒置测量体积(光束和气体喷流交叉)图像的光学系统也被认为具有正倍率。因而大于1的倍率是指不考虑图像方向的实际倍率(与光学降低相反)。
更优选地,该泵适于形成超过56.6升(2立方英尺)每分钟的最大气流,或者甚至100升每分钟的气流,其被认为现有技术中亚微米粒子计数器的限制。
尽管在光学系统(检测面)中可能存在偏差,相当大的孔和/或倍率能够充分采集散射光。同时,由于使用了光电倍增管而非光电二极管,传感器装置保持较快响应速度。有益的是,光电倍增管的实施能加速检测电子,从而传递大于50兆伏每瓦的总增益小于3微秒的上升时间,并且将信噪比保持在可接受限制内。
可根据权利要求2至14任一项构造本发明的有利实施例。
根据本发明的另一方面,其根本目的为通过使用涡旋泵形成至少50升每分钟经过粒子计数器、优选为带有光电倍增管的粒子计数器的气流来实现,所述气流运载粒子负载以由所述粒子计数器确定数量。
使用涡旋泵来形成通过粒子计数器的气流,这会带来很多益处且在以前既没有得以实施也不曾提出。涡旋泵的工作原理基于两个交错涡轮,其中一个相对于另一个以环绕的方式移动,这使得极低摩擦设计大大改善了泵的效率。此外,涡旋泵的进口流动非常流畅,从而有助于防止测量室中的不稳定流动。
注意,这些优点通常也应用于具有较低流速和不同传感器类型的粒子计数器中涡旋泵的使用,但对于采用光电倍增管(或者可能为一种所谓的雪崩光电二极管)测量所允许的高流速运行而言,高效泵的设计特别重要。
一般来说,根据应用的实际条件,本文中所描述的任意实施例或所提及的任意选项都是特别有利的。此外,可将一个实施例的特征与另一个实施例的特征以及已知特征结合,除非另外指出,这些已知特征来自于技术上尽可能实现的现有技术。
特别地,可采用来自现有技术的已知特征安装根据本发明的粒子计数器,例如多通道检测、数字测量评估、结合网络和外围设备的电子链接等。
附图是示意性图解说明而没有按尺度绘制,用来更好地理解本发明的特征。
图1示出了根据本发明极其有利实施例的粒子计数器的大致装置。
粒子计数器1安装有涡旋泵2,该泵适于形成以100升每分钟的最大流速通过粒子计数器1的气流。涡旋泵2由于转子涡轮3相对定子涡轮4旋转运动而作用,并可在原理上将该涡旋泵设计为与其它应用相结合的现有技术中已知的涡旋泵相似。涡旋泵2高效地移动装置进口5处所采集到粒子负载气体通过粒子计数器1。为了改善可靠性和方便维修,涡旋泵2通过无刷电动机22驱动。
尽管其它类型泵,比如凸轮泵和转动叶片泵,适用于传送可接受能量消耗的高流速。但更优选的是使用涡旋泵,因为该泵进口处压力波动极低。
粒子负载气体通过进口喷嘴7进入测量室6,并横穿由激光二极管9产生的光束8。除了激光二极管9,可以使用其它类型的激光器,比如气体激光器或固体激光器、甚至或者不相干的发光装置,例如电容器放电灯可被使用。然而,由于可用的激光二极管的低成本、低能量消耗以及小尺寸,因此优选地使用激光二极管9。
通过具有2.5mm×5mm的(矩形)最小孔和1.7倍率的光学系统11采集气流中夹带的粒子所散射的光10。因此,最小孔的最小直径和倍率的乘积总计4.25mm。诸如2mm×2mm的更小的孔,和诸如1的更小的倍率也在本发明的范围内。然而,通过使用更大的孔和更高的倍率来改善该粒子计数器的灵敏度和精度,其通过光电倍增管的使用成为可能。
注意,虽然示意性视图1在平面绘图中图示了光束8和光学(检测)系统11,但光束8的光轴和光学系统11的光轴实际上彼此形成了一个角度。典型地,光学系统11的光轴被定向在与光束8的光轴成大约30度到120度的角度内,并垂直于横穿光束8的气流的流向。
光学系统11把由气流和光束8交叉形成的测量体积的投影成像到传感器模块13的活动区域12上。传感器模块13包含与高压电源密封在一起的光电倍增管(PMT),也就是说,用于将粒子计数器1的电源的电压转换成驱动光电倍增管的更高电压的电路。可以方便地用电池对粒子计数器1供电,从而允许其可移动地运行。
包括PMT的检测电子适于传递带有大于50兆伏每瓦的总增益少于3微秒的上升时间。
除了使用包括高压电源的传感器模块13,也可使用单独的元件。然而,自带PMT模块13的使用简化了粒子计数器1的设计。进一步地,传感器模块13在损坏时可容易地被替换。由于光电倍增管的实施,传感器模块13的灵敏度和响应速度高于硅或锗光电二极管所能达到的灵敏度和响应速度。
将传感器13与评估传感器模块13的输出信号的电子计数电路14相连,用以计算测量室6内造成光散射的粒子。可使用适用的输出装置例如显示器和/或打印机将运行超过预定时间的粒子计数的结果输出。
通过出口15离开测量室6的气流穿过泵2并且通过排气装置16排出。位于涡旋泵2的上游和/或下游的粒子过滤器在图1中未示出。
为了控制通过粒子计数器1的气流的流速,测量室6上游的第一位置17和下游的第二位置18之间的压差被测量。这既可以使用一压差传感器19或者两个单独的压力传感器来实现。除了测量测量室6上游和下游的的压差,可测量粒子计数器1的气体管道中任何限定的孔的两侧之间的压差以确定流速。使用控制单元21中的校准功能或校准值表、实际流速由测量的压差计算出的。
虽然不是优选的,测量气体流速的其它方法也是适用的。
控制单元21控制泵电动机22以传递所期望的恒定流速。该控制单元可包括允许用户选择一种流速的操作面板或其它装置。
更优选地,控制单元21和计数器电路14彼此连接,并且可利用常用的用户界面设定它们的参数设置。在高粒子含量的环境中,控制单元21可以自动降低流速,从而还可解决单粒子计数。
Claims (15)
1.一种粒子计数器,包括;
泵(2),用于产生通过所述粒子计数器的气流,所述气流携带将被量化的粒子负载,
具有进口(7)和出口(15)的测量室(6),通过所述进口(7)所述气流进入所述测量室(6),通过所述出口(15)所述气流流出所述测量室(6),
光源(9),
装置,用于将所述光源(9)发射的光束(8)导入所述测量室(6),从而所述光束(8)横穿所述气流,
传感器装置(13),用于检测由所述粒子负载散射的光(10),以及
光学系统(11),用于将所述散射光(10)成像到所述传感器装置(13)的活动区域(12)上,
其特性在于:
所述泵(2)适用于产生以至少50升/分钟通过所述粒子计数器的最大气流,最小孔的最小直径和所述光学系统(11)的倍率的乘积总计至少2mm,并且所述传感器装置(13)包括一光电倍增管。
2.根据权利要求1所述的粒子计数器,其特征在于,最小孔的最小直径和所述光学系统(11)的倍率的乘积总计至少4mm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述传感器装置(13)适用于使得少于3微秒的上升时间和至少50兆伏/瓦的总增益成为可能。
4.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述泵(2)为涡旋泵(2)。
5.根据权利要求4所述的粒子计数器,其特征在于,所述涡旋泵(2)由无刷电动机(2)驱动。
6.根据权利要求4或5所述的粒子计数器,其特征在于,所述涡旋泵(2)由电池供电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,还包括用于确定所述气流的流速的装置,其中,用于确定流速的所述装置包括用于确定所述粒子计数器内的所述流动的流径的第一位置(17)和第二位置(18)之间的压力差的装置(19)。
8.根据权利要求7所述的粒子计数器,其特征在于,所述第一位置(17)在所述进口(17)的上游,而所述第二位置(18)在所述出口(15)的下游。
9.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述光电倍增管集成在包括高压电源的模块中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述泵(2)适用于产生以至少100升/分钟通过所述粒子计数器的最大气流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述测量室(6)为透镜管(1ense tube)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述光源(9)为激光光源(9)。
13.根据权利要求12所述的粒子计数器,其特征在于,所述光源(9)包括激光二极管。
14.根据前述权利要求中任一项所述的粒子计数器,其特征在于,所述粒子计数器是便携式的。
15用于产生以至少50升/分钟通过粒子计数器的涡旋泵(2)的用途,所述气流携带被所述粒子计数器量化的粒子负载。
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