CN102565178B - 痕量气体传感装置和用于泄漏检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及痕量气体传感装置和用于泄漏检测的方法。痕量气体传感装置包括阴极、阳极、真空罩和膜。阳极共轴地围绕阴极，其中，阴极和阳极限定环状电离室。真空罩围绕阴极和阳极、并且包括与电离室流体连通的气体入口。膜以密封方式耦合到气体入口，并且选择性透过痕量气体。装置还可以包括用于将负电位施加到阴极、并且用于对由阴极产生的离子电流信号进行测量的电路，和用于在电离室中产生磁场的磁体组件。阴极可以包括沿着纵轴放置的细长构件、与纵轴正交的第一和第二端板。

Description

痕量气体传感装置和用于泄漏检测的方法

技术领域

本发明一般地涉及对痕量气体(tracegas)的检测。更加具体地，本发明涉及痕量气体传感装置和相关的元件、和用于对痕量气体进行检测的方法。

背景技术

痕量气体检测器用于对各种密封元件中的泄漏进行检测。已知的泄漏检测系统通常使用质谱仪来将氦与其他气体种类分开并测量信号。质谱仪是复杂的并且需要昂贵的元件(例如，昂贵的真空泵浦系统)来维持运行。最近，针对工业中对更低成本产品的需求，已经采用潘宁泵(Penningcell)传感器来检测泄漏。如美国专利No.5325708、No.5661229和No.7266991中描述的系统使用潘宁泵传感器来测量痕量气体离子电流并且按比例将离子电流转变成泄漏率。美国专利No.7497110描述了使用潘宁泵检测器的泄漏检测系统，所述潘宁泵检测器与美国专利No.6854602中描述的类型的复合透过膜组合。尽管有不同的命名习惯(例如，离子泵、气体消耗真空计、冷阴极真空计、电离真空计)，但是这些参考文献描述了实质上基于简单的潘宁泵的技术。

图1是简单潘宁泵100的截面图。潘宁泵100由管状阳极102组成，所述管状阳极102在两端具有平坦阴极板104。将磁场轴向施加于阳极102并且将阳极102加电到一定的正电压(通常在+3000和+7000V之间)，导致在阳极102的内部产生具有电子陷阱的等离子体。痕量气体分子从测试部件流动到潘宁泵100中，并且在由施加于阳极102和阴极板104之间的电场所产生的等离子中电离。结果产生的气体离子朝向阴极板104加速。来自气体分子和阴极板104的电子形成负空间电荷云106，所述负空间电荷云106被限制成沿着中心单元轴。一些电子通过交叉场迁移进行迁移并且冲击阳极102，该电流是所测量的电流而不是实际的离子电流。假定该电流随着离子电流而变化，则离子电流与气体压力成比例。所有的潘宁泵提供少量的气体泵浦同时提供电流测量。当气体离子冲击阴极表面时，气体离子溅射金属。溅射的金属碎片主要沉积在阳极表面上，从而捕获(泵浦)气体离子。

所有的潘宁泵设计都遇到了限制泄漏检测器中测量的灵敏性和稳定性的一些固有问题，所述固有问题包括如下所述。简单潘宁泵中的等离子体被阳极内部的电场和磁场限制成以阴极单元轴为中心的小椭球形体积。电子(其维持等离子体)的数量和单元中的离子电流(可用于测量的离子的数量)受到空间电荷影响的限制，所以在潘宁泵中泄漏率灵敏性受到限制。此外，泵浦速度直接与存储在等离子体中的电子的量成比例。因此，等离子中存储的电子的量越大，则泵浦速度约高。对于在潘宁泵的中心被限制成小体积的等离子体，泵浦速度受到限制。这是泄漏检测器中的重要因素。泄漏检测器由暴露恢复到痕量气体的速度高度依赖于传感器单元的泵浦速度。

此外，如上所述，在潘宁泵中由磁场和阴极板形成的陷阱中的一些电子经过交叉场迁移而进行迁移以冲击阳极，该电流是实际测量的电流而不是实际的离子电流。在测量低至10^-15安培的装置中，这会对泄漏读数增加显著的测量误差。假设阳极电流的测量随着离子电流而变化，所述离子电流与气体压力(即，电离的痕量气体分子的数量)成比例。实际上，当离子冲击潘宁泵的阴极时，产生并散射二次电子，很多所述二次电子反过来冲击阳极，引起产生寄生信号(因为这是实际测量的阳极电流)。因为散射的二次电子是多个变量的函数，所述多个变量包括离子能量、离子质量和入射角，这会在潘宁泵中进行测量时将变化的测量误差增加到信号。

此外，众所周知，潘宁泵装置在非常低和非常高的压力下很难启动。在低压下，即使施加高电压，也不会激发等离子体，所以传感器不能运行。在潘宁泵中将要被电离的气体分子太少，并且在电离过程中产生用以维持等离子体的电子太少。在高压下，离子的平均自由程非常短，所以离子很快捕获自由电子并变成中性的。同样的，可用于维持等离子体放电的自由离子和电子太少，并且传感器失效。在现有技术的泄漏检测器中，这些压力条件都导致产生操作限制。例如，商用泄漏检测器模型的操作手册通常指明，单元必须周期性启动并且被允许泵浦，使得在存储过程中压力不会升的太高而造成传感器不能再启动。

此外，通过溅射沉积的金属薄膜中的拉伸应力水平可以极其高。如果膜不能良好的粘附到衬底(即，本说明书中的阳极表面)，则膜将最终断裂并将金属颗粒喷射到等离子体中。这些颗粒会在等离子体中被电离，导致产生高电流尖峰，并且之后等离子体将在一段时间内不稳定。这对泄漏检测器的使用者表现出在泄漏测量中的不稳定和不可接受的变化。同样众所周知的，金属在吸收大量氢之后会遇到脆化问题。因为氢是渗透基泄漏检测器中的一种主要气体，所以这是造成膜断裂的主要因素。因此，必须谨慎选择用于阳极和阴极的金属。钛在以往曾被用于商用装置，但是这不是对于几乎只暴露于氦和氢的传感器的最佳选择。此外，促进一致性甚至金属膜生长的围绕单元的物理几何形状是主要的设计考虑。

电弧是潘宁泵固有的问题，导致大的离子电流尖峰和泄漏率信号不稳定。通常的潘宁泵阳极是一段薄壁管，所述薄壁管在两端具有锐利边缘。目前在市场上使用潘宁泵传感器的所有商用泄漏检测器都是如此。在几千伏的电位下运行的单元阳极的锐利边缘会遇到在边缘处非常高的电场梯度问题，这反过来会导致在阳极和其他内表面之间的电场击穿和电弧。一旦电弧产生，则在金属表面上留下具有尖锐突起的凹坑，在断续的凹坑位置上将会产生较小电弧。这些电弧中的每一个都会导致泄漏检测器的极其不稳定运行。

由于在阴极材料被离子溅射并且在阳极表面上沉积薄金属膜时形成柱状结构而产生另外的电弧问题。围绕阳极直径的边缘，柱状结构在具有窄横截面的阴极表面上生长，但是不会达到几个毫米的厚度。在工业上该生长通常称作“须触线”。因此，潘宁装置通常“高度密封”(受到非常高的电压)，以主动的消耗掉须触线。这些须触线中的每一个产生直接指向高电压阳极管的锐利边缘的显著电场集中。高电场集中导致产生电弧和须触线的实质性增加。结果产生的离子电流尖峰引起在一定时间段内泄漏检测器的显著不稳定，直到电场和等离子体重新稳定下来。

在通常的潘宁泵中，对阴极板的腐蚀限制了使用寿命。假设等离子体的形状在阳极管的中心，则阴极的溅射和结果产生的腐蚀集中在单元中心处的小直径中。由于溅射而引起的持续腐蚀会腐蚀掉阴极材料，最终将阴极材料下的真空室壁暴露出来。这必然会极大的减小泵浦速度，如果使这种情况持续发展将最终腐蚀掉真空室壁，产生真空泄露。对于泄露检测中使用的类型的密封潘宁泵传感器，这意味着随着腐蚀坑接近阴极板的厚度，传感器必须废弃，显著增大了维护泄露检测器的成本。

因为稀有气体不会化学键合并且不能被吸气泵浦，所以潘宁泵对于稀有气体(例如，氦)具有低泵浦速度。通过如上所述金属从阴极溅射到阳极上，主要的泵浦机制是掩埋。具有低质量的氦(质量为4)具有特别低的溅射效率。一旦氦进入这种类型的传感器中，氦被非常慢地泵浦出来。缓慢泵浦导致高的背景氦水平，这在背景降低(泵浦出)之前防止进一步的泄露测试。在大多数泄露测试操作中，操作时间是主要的成本因素，因此等待传感器泵浦出的时间损失是昂贵的。

潘宁泵的泵浦机制当中的一个是在阴极板中掩埋电离气体分子。电离气体分子朝向阴极加速，并将其自身掩埋在阴极材料的结构中。但是，因为阴极不断被溅射出，所以这些气体分子随着时间将被重新释放，导致产生气体突出(gasburst)和离子电流不稳定。必须反复地电离和泵浦相同的气体分子。当泵浦稀有气体时尤其如此，广泛的研究已经证明在潘宁泵中稀有气体的不稳定性。有效的传感器必须提供对稀有气体的高效泵浦。

所有已知的潘宁泵基泄露检测传感器利用了由某些类型的石英制成的透过膜，为了透过，所述石英必须被加热到几百摄氏度。这需要昂贵的电源以及温度反馈控制回路中的控制电子器件，以确保温度不会失控。高温不利地影响相邻部件的性能和寿命。在工业中众所周知的，电子部件最好在较冷的温度下运行，而在高温下失效更快。

有鉴于以上所述，不断需要提供用于泄漏检测的改进装置、设备和方法，包括提高灵敏性、提高稳定性和降低复杂性和降低成本。

发明内容

为了整体上或部分地解决上述问题和/或本领域技术人员观察到的其他问题，本发明提供了方法、工艺、系统、装置、仪器和/或设备，如通过下面在实施方式中给出的示例所描述的。

根据一个实施方式，痕量气体传感装置包括阴极、阳极、真空罩和膜。阳极共轴地围绕阴极，其中，阴极和阳极限定环状电离室。真空罩围绕阴极和阳极、并且包括与电离室流体连通的气体入口。膜以密封方式耦合到气体入口。膜选择性透过痕量气体，使得痕量气体从膜的外侧透入到气体入口中，但是防止大气气体(例如，氧、氮等)透过。装置还包括构造成用于将负电位施加到阴极的第一电路、和构造成用于对由阴极产生的离子电流信号进行测量的第二电路。

根据另一实施方式，痕量气体传感装置包括阴极、阳极、真空罩和膜。阴极包括细长构件、第一端板和第二端板，所述细长构件沿着纵轴布置，所述第一端板与纵轴正交，所述第二端板与纵轴正交并且设置成与第一端板相距一轴向距离。阳极共轴地围绕阴极，其中，阴极和阳极限定环状电离室。真空罩围绕阴极和阳极、并且包括与电离室流体连通的气体入口。膜以密封方式耦合到气体入口。膜选择性透过痕量气体。

根据另一实施方式，提供了用于对痕量气体进行传感的方法。使痕量气体分子流动与选择性透过痕量气体分子的膜接触。痕量气体分子穿过膜并进入圆柱形电离室中，由阴极和阳极限定所述电离室，所述阳极相对于纵轴共轴地围绕阴极。通过将负电位施加到阴极，在对痕量气体分子进行电离的电离室中产生等离子体，使得等离子体包括气体离子和电子。气体离子朝向阴极加速并冲击阴极。在电离室中产生磁场，以限制电子的轨道的向外径向分量，其中，等离子体分布成围绕纵轴的圆柱形体积。读取离子电流信号。响应于气体离子的冲击而由阴极产生的离子电流信号，离子电流信号与电离室中的气体离子的分压成比例。

在查看下列附图和详细描述之后，对于本领域技术人员来说，本发明的其他设备、装置、系统、方法、特征和优点将显而易见。期望所有的这些附加系统、方法、特征和优点都包括在本说明中、处于本发明的范围内并且受到权利要求书的保护。

附图说明

通过参考下列附图可以更好的理解本发明。图中的元件不一定是按比例的，重点在于说明本发明的原理。在附图中，在各个不同的视图，相同的附图标记表示相应的部件。

图1是本领域中已知的简单潘宁泵的截面图。

图2是根据本说明书中公开的一个实施方式的痕量气体传感装置的示例的示意性正视图。

图3是根据本说明书中公开的一个实施方式的痕量气体传感器单元的示例的截面视图。

图4是通过计算机模拟得到的、根据本发明的另一实施方式的传感器单元的示例的截面视图。

具体实施方式

如本说明书所使用的，术语“示踪气体”和“痕量气体”一般地表示氦或氢，应当理解痕量的其他轻气体(例如，氖)可以与氦或氢一起存在。

图2是根据本说明书中所公开的一个实施方式的痕量气体传感装置200的示例的示意性正视图。一般地，痕量气体传感装置200可以作为或形成在工业中使用的多种类型的泄漏检测器中的任意一个的一部分，所述泄漏检测器例如根据累积泄漏检测、嗅吸(sniffing)泄漏检测或真空泄漏检测的泄漏检测器。装置200可以包括气体进入管线204、真空泵212、和一个或多个阀216、218、和使痕量气体从检测部件208流动到装置200所需的其他气体流动控制器(未示出)，所述气体进入管线204与检测部件208(或与嗅吸探头)连通。本领域技术人员理解，测试部件208可以直接连接到气体进入管线204并且喷射痕量气体，或可替换地可以用痕量气体对测试部件208进行加压，在此之后连接到气体进入管线204的嗅吸探头围绕测试部件208的外侧移动。装置200包括真空等离子体基痕量气体传感器单元220，所述传感器单元220通过适合的真空密封连接件(例如，互连凸缘228)与选择性透过膜224流体连通。如箭头所示，凸缘228通过适当的装置与气体进入管线204接合，以在真空下使痕量气体从测试部件208流动、并且与选择性透过膜224接触并围绕选择性透过膜224的外侧。穿过选择性透过膜224的痕量气体流入到传感器单元220中。传感器单元220与电路或电子线路230信号通信，在图2中所述电路或电子线路230由电子线路板表示。电路230可以包括第一部分(第一电路)和第二部分(第二电路)，所述第一部分构造成用于向传感器单元220提供功率，所述第二部分构造成用于接收(读取、测量、检测等)和调节由传感器单元220所获得输出信号，所述输出信号在本实施方式中是离子电流信号。传感器单元220和电路230被封闭在外壳体232中。外壳体232可以提供电连接器234，所述电连接器234用于同可以装备有装置200的任何附加电子器件236接合，所述附加电子器件236例如硬件(例如，可以执行编入软件中的适当指令的电子处理器基控制器或计算机)、显示或读出或其他输出接口、用户输入接口、存储器、和其他计算机相关部件，所述硬件用于从由电路230所处理的离子电流信号得到气体泄漏率。

图3是根据一个实施方式的痕量气体传感器单元(或传感器单元组件)320的示例的截面视图。传感器单元320可以设置在痕量气体传感装置中，例如以上所述的和图2中所示的痕量气体传感器装置，并且因此传感器单元320可以对应于图2中所示的传感器单元220。传感器单元320一般的包括阴极304、阳极306、封闭阴极304和阳极306的真空罩或壳体308、磁体组件310和选择性透过膜324。真空罩308通常是能够被排空并且维持在所需真空水平的任何结构。根据封闭阴极304与阳极306、并且支撑传感器单元320的其他部件的需要，真空罩308包括一个或多个结构件(壁、密封件等)。真空罩308可以由真空相容的任何金属、玻璃或陶瓷组成。在本实施方式中，阴极304和阳极306沿着纵轴312设置。阴极304定位在中心，以使得阴极304的至少一部分沿着纵轴312设置。阳极306相对于纵轴312共轴地围绕阴极304。阴极304和阳极306合作限定了可以被称为电离室或等离子体室314的空间。选择性透过膜324以真空密封的方式连接到真空罩308，以使得传感器单元320建立痕量气体分子从选择性透过膜324、穿过真空罩308的一部分、并且进入电离室314中的流动路径。磁体组件310构造成用于在电离室314中建立磁场，以限制电子的径向运动。在图3中磁场由矢量316示意性地表示。

当构造成使用氦作为示踪气体时，传感器装置320可以包括吸气泵332，所述吸气泵332设置在气体流动路径中、在选择性透过膜324和电离室314之间。在某些实施方式中，吸气泵332是非蒸散型吸气(NEG)泵。吸气泵332可以构造成用于以本领域技术人员理解的方式去除氢，并且吸气泵332可以是可商购的吸气泵。因此，吸气泵332可以构造成对于氢具有非常大的泵浦速度，以基本上从真空空间去除全部的氢。通过该构造，氦分压直接与系统泄漏率成比例。在传感器装置320构造成用于测量氢示踪气体的其他实施方式中，可以从传感器单元320去除吸气泵332。

在本示例中，选择性透过膜324设置在真空壳体308的轴向端部，并且选择性透过膜324通过互连凸缘328耦合到真空壳体308，通过所述互连凸缘328形成与选择性透过膜324连通的气体入口334。在本示例中，选择性透过膜324是圆柱形的，并且沿着纵轴312与气体入口334对准。选择性透过膜324的一个轴向端部在气体入口324处耦合到互连凸缘328，选择性透过膜324的对向轴向端部密封(覆盖)有金属盖336。通过任何适当的方式(例如，施加环氧树脂)，以真空密闭的方式将选择性透过膜324连接到互连凸缘328，并且将金属盖336连接到选择性透过膜324。作为圆柱体的替代方式，选择性透过膜324可以是平面的，例如覆盖(跨过)互连凸缘328的气体入口334的板或窗口。但是，图3中示出的选择性透过膜324的圆柱形几何形状提供了可以暴露于示踪气体的入流的大表面面积。

在某些实施方式中，选择性透过膜324构造成对于氦和氢具有高透过选择性(选择透过性)，并且在周围环境附近的温度范围中对于对于氦和氢具有高透过性。选择性透过膜324基本上阻挡了其他气体种类，即，只有氦和氢以有意义的(不可忽略的)量透过了选择性透过膜324。选择性透过膜324还可以构造成表现出净透过性(netpermeance)，所述净透过性基本恒定并且独立于在例如0℃到100℃的设计温度范围内的温度。通过该构造，选择性透过膜324不需要加热到高温以启动透过，这是实际稳定的泄露检测传感单元的设计中的重要因素。在某些实施方式中，通过将选择性透过膜324提供作为包括两个或多个膜层的复合膜，可以实现这些特性。作为一个非限制性的示例，选择性透过膜324包括基底(第一)层或衬底338和第二层340，所述第一层338构造成多孔膜，所述第二层340构造成半透过性膜。复合体的多孔性可以从第一层338中相对大的多孔性逐渐变成第二层340中相对小的多孔性，第二层340确定整个复合结构的透过性。根据第一层338和第二层340的复合，通过适当的真空沉积技术(例如，化学气相沉积(CVD))，可以将第二层340设置成第一层338上的薄膜，尽管其他技术(例如，热蒸发、溶胶凝胶沉积、喷涂等)也可以是适合的。复合体的层可以是例如陶瓷(例如，氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)或二氧化钛(TiO₂))、石英、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、或透过性聚合物(例如，四氟乙烯或其含氟聚合物(聚四氟乙烯或PTFE(例如，))、含氟聚合物(例如，四氟乙烯或ETFE)、六氟丙烯与四氟乙烯的共聚物(例如，氟化乙烯丙或FEP)、聚酰亚胺(例如，poly(4’4-oxydiphenylenepyromellitimide)(例如，))、聚对苯二甲酸乙二醇酯(例如，双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯(例如，PET，例如))、醋酸盐、聚酰胺等)。在一个具体示例中，第一层338上氧化铝，第二层340是氧化硅。选择性透过膜324可以属于美国专利No.6854602和No.7497110中所描述的类型，上述两个专利的内容通过引用整体结合于本说明书中。

在通常的操作中，示踪气体分子穿过选择性透过膜324、进入真空罩308、并且流入电离室314中，如果氦是待测量的，则包括并且操作吸气泵332以去除任何氢分子。通过在阴极304和阳极306之间施加电位，在电离室314中产生固定电场，通过磁体组件310，在电离室314中产生固定磁场。电场对气体分子进行电离，从而产生包括正电荷气体离子和电子的等离子体。电子的运动被磁场限制(抑制)在径向上，并且被端板346和348限制在轴向上。气体离子强烈的被吸引到阴极304，因此朝向阴极304加速并冲击阴极304。气体离子与阴极304的碰撞在阴极304中产生电流。该离子电流作为信号输入到用于处理和调节的电路230(图2)，以计算示踪气体泄漏率。气体离子与阴极304的碰撞还溅射阴极304。阴极材料的溅射碎片传输通过等离子体，并在阳极306的内侧表面上沉积为薄膜。该物理气相沉积工艺具有将气体离子(和快中性核素)掩埋在所沉积的膜之下的效果，从而从电离室314去除(即，“泵浦”)气体离子。

在某些有利的实施方式中，例如，通过使阴极304包括轴向中心部分和相对的轴向端部，所述相对的轴向端部沿着纵轴312分开一轴向距离，阴极304定位在电离室314的中心。通过以轴向细长构件、杆、棒等(或中心构件、或中心阴极部分)342与纵轴314共线、第一端板346位于细长构件342的轴向端部上或附近、在与第一端板346相距一轴向距离处第二端板348位于细长构件342的对向轴向端部上或附近的方式，来设置阴极304，在所述示例中实现了线轴形状的构造。第一端板346和第二端板348可以定位成在与纵轴312正交的横向(径向)平面上。第一端板346和第二端板348可以与细长构件342形成整体，或通过任何合适的方法连接到细长构件342。在典型实施方式中，细长构件342是圆柱形的，端板346、348是圆形的。

本示例中的阳极306通常是圆柱形的。在本说明书中，术语“通常是圆柱形的”表示阳极306包括在与纵轴312相距一径向距离处与纵轴312共轴的、并且与纵轴312平行地延伸一轴向长度的壁的构造。术语“通常是圆柱形的”还包含例如图3所示的阳极306具有基本圆柱体形状的实施方式、以及阳极306大体上形成为圆柱体但是不包括附加几何形状或结构特征的其他实施方式，所述附加几何形状或结构特征对基本圆柱体形状进行修改以提供有利条件(例如提高电离室314中的电场的一致性)。阳极306可以共轴地围绕阴极304，包括围绕端板346、348。因此，电离室314可以被阳极306的内侧表面和细长构件342的外侧表面限制在径向上，并且被端板346、348限制在轴向上。因此，电离室314可以以围绕纵轴312的圆形或圆柱形为特征。端板346、348的外侧直径小于阳极306的内侧直径，使得沿着横向平面在端板346、348和阳极306之间存在分别的环形间隙。穿过选择性透过膜324的气体分子可以经过在第一端板346和阳极306之间形成的环形间隙，流入电离室314中。可替换地，第一端板346还可以具有孔或缝隙(未示出)，所述孔或缝隙提供用于使气体分子进入电离室314中的入口。

电压源(或用于提供电位的装置)可以放置成通过任何适当的方法与阴极304信号通信，以向阴极304提供负电位。上述电压源由图2中所示的电路230示意性示出。例如，电位可以在从-2000到-9000V的范围内。在一个具体示例中，电位是-3000V或接近-3000V。在所述的示例中，电压源通过金属电极(例如，引脚)352与阴极304电连通，所述金属电极352具有以密封方式延伸穿过真空罩308的穿通设计(即，加电穿通电极)。细长构件342的一部分或整体可以是空心的，一个或两个端板346、348可以具有中心孔，使得加电穿通电极352延伸穿过阴极304的轴向长度的一部分或全部，因此使得传感器单元320能够对离子电流进行直接测量。加电穿通电极352还可以用于将离子电流信号输出到电路230的离子电流测量部分。可替换地，可以提供单独的穿通电极(未示出)，以用于将离子电流信号输出到电路230的离子电流测量部分。加电穿通电极352还可以起到支撑阴极304和其他部件的第二功能。在某些实施方式中，阳极306保持在电接地状态。阳极306可以通过任何适当的方法接地。在所示出的示例中，阳极306与一个或多个接地穿通电极(例如，引脚)354、356电连接，所述接地穿通电极354、356还可以起到支撑阳极306和/或其他部件的第二功能。

在本示例中，磁体组件310包括圆柱形磁体330，所述圆柱形磁体330共轴地围绕阳极306。通常，磁体330是永磁体，但是在其他实施方式中可以是电磁体。圆柱形磁体330可以布置在真空罩308中，或如图3所示可以布置在真空罩308外侧。由于圆柱形磁体330的几何形状和方向，圆柱形磁体330建立了与中心阴极轴(纵轴312)平行的磁场。例如，传感器单元320的中心处的磁场强度可以在从几百G(高斯)到数千G的范围内。在另一示例中，磁场强度时1030G或接近1030G。磁体组件310还可以包括定位在传感器单元320的相对的轴向端部处的第一端盖362和第二端盖364。端盖362、364用作磁极片，所述磁极片被定形并放置以为了最大的离子形成和灵敏度而优化磁场。在所示出的示例中，端盖362、364是放置成与阴极304的分别的端板346、348平行的板形结构。第一端盖362放置在轴向上从第一端板346离开电离室314一轴向距离处，第二端盖364放置在相对轴向上从第二端板348离开电离室314一轴向距离处。加电穿通电极352可以穿过一个或两个端盖362、364。分别的端盖362、364可以通过绝缘体366、368与端板346、348电绝缘，所述绝缘体366、368由适当的绝缘或电介质材料(例如，玻璃)组成。在所示出的示例中，分别的环形绝缘体366、368设置在端盖362、364与端板346、348之间。绝缘体366、368可以由加电穿通电极352支撑。细长构件342和阴极304的端板346、348和磁体组件310的端盖362、364可以通过任何适当的方法堆叠或以其他方式组装在一起。在所示出的示例中，加电穿通电极352穿过端盖362、364和阴极304，这些部件被柔性垫圈372压在一起并且抵靠着真空罩308的上部固定到位，所述柔性垫圈372连接到加电穿通电极352的端部、并且放置成与第一端盖362偏压接触。

如上所述，当气体离子冲击阴极304时，金属颗粒喷射(溅射)出并且在阳极表面上形成金属膜，从而将在膜中捕获示踪气体分子。传感器单元320内部的物理几何形状和电场几何形状可以设计成产生大的离子形成区域和高水平的溅射，以产生有效地掩埋(泵浦)氦原子的连续金属膜、以及有效地捕获该气体的足够的表面积。除了阴极304和阳极306的几何形状之外，应当对阴极304和阳极306的分别的金属进行选择，以确保在阳极表面上有效地溅射沉积稳定连续膜，以用于掩埋低质量的示踪气体种类，而之后不会产生膜的分层和已掩埋种类的释放。因此，阳极306可以由与溅射的阴极材料结合良好、使溅射金属膜断裂的风险减到最小、并且非磁性的任何金属组成。在某些实施方式中，阳极306可以由具有非磁性合金成分的不锈钢组成。用于阳极306的适合成分的其他示例包括但不限于铝、铜或钛。阴极304(细长构件342和端板346、348)一般应当由相当高质量或致密的金属组成，所述高质量或致密的金属对捕获低质量气体种类有效，并且所述高质量或致密的金属在操作传感器单元320的过程中所期望的操作参数(分压、温度、电场参数和磁场参数等)下、可靠而可重复的在给定成分(例如，非磁性不锈钢)的阳极表面上形成膜。在某些实施方式中，阴极304可以由钼(Mo)、钽(Ta)或钛(Ti)组成。已经发现，钼阴极304和不锈钢阳极306的组合在本说明书中公开的多个实施方式中运行良好。钼具有良好的溅射产额和真空特性、并且对不锈钢的粘附良好，从而使本说明书中之前描述的膜的失效、以及随之的传感器不稳定性减到最小。此外，钼是非常致密的金属并具有高分子质量，因此溅射的钼颗粒有效地覆盖并捕获气体分子。高质量对于泵浦氦示踪气体是特别重要的。钛(Ti)通常用于潘宁泵阴极，因为钛易于吸除气体分子。但是，因为氦是不会化学键合并且不能被吸气泵浦的惰性气体，所以对于痕量气体泄露检测传感器有效的泵浦氦，溅射材料的质量是更重要的因素。“泵浦”氦的唯一方法是通过在阳极表面上的溅射金属膜中将氦物理捕获。钼易于在溅射膜中大量的覆盖和捕获氦，当产生破坏阳极表面的离子冲击时钼不易于释放所捕获的氦。不从阳极表面再释放出氦、防止周期性的气体突出、并且不需要多次泵浦同样的气体分子是胜过通常的传感器单元的显著优势，并且能够快速地从痕量气体泄露中复原。

如图3所示，阳极306的上边缘和下边缘(即，圆柱体的轴向相对的第一和第二阳极端部)可以轴向放置成远高于和低于阴极304的端板346、348。换句话说，阳极306的轴向长度大于阴极304的轴向长度，并且阴极304放置在阴极306的范围内，使得阳极306的一个轴向端部在远离电离室314的方向上与阴极304的第一端板346轴向分隔开，阳极306的另一轴向端部在相对的远离电离室314的方向上与第二端板348轴向分隔开。该构造在端板346、348之间、电离室314的区域中确保了高均匀电场，因为由阳极306的边缘所引起的边缘场效应和微扰远离了电离室314，这减小了在阳极306和阴极304之间产生电弧的倾向。

对溅射在阳极表面上的金属膜进行“喷丸(peen)”是有益的，因为喷丸将有助于形成致密的膜，所述致密的膜对阳极306粘附良好、并且防止断裂和随之发生的颗粒喷射到等离子体中。在某些实施方式中，阳极306可以相对于阴极304和接地电位偏向负极，使得离子可以轰击阳极表面，产生更致密更稳定的沉积膜。为此，电压源(或用于提供电位的装置)可以放置成通过任何适当的方法与阳极306信号通信，以向阳极306提供正电位。上述电压源由图2中所示的电路230示意性示出。例如，电位可以在从-50到-100V的范围内。负偏压将吸引正氦离子，并增强通过正离子种类对阳极表面的轰击，从而对膜进行喷丸。

如上所述的线轴形状的阴极304的几何形状有助于产生在围绕阴极304的细长构件342的圆柱形体积中捕获大量离子和电子的电场。围绕细长构件342的电子轨道是摆线轨道，并且还受到阴极304的负电荷端板346、348的限制。因此，电子在传感器单元320中获得极其场的路径长度。这导致在传感器单元320中电子冲击并电离气体分子的可能性高，这反过来获得大量的离子和电子、和相应的大等离子体体积。结果产生的大而致密的离子云与潘宁泵相比产生更多的易于测量的离子，从而导致产生更加高的灵敏度。在某些实施方式中，本说明书中公开的传感器单元320的灵敏度高达潘宁泵的灵敏度的十倍。此外，因为泵浦速度直接与离子云体积相关，所以大的圆柱形离子云体积获得比潘宁泵更大的泵浦速度。如本说明书中之前所述，这两个因素对于在大示踪气体泄露之后对泄露信号做出响应和快速复原是重要的。离子云具有体积(或空间分布)，所述体积是围绕纵轴312的环形(即，圆柱形)并且占据电离室314的大多数(例如，60％到80％)体积。

在某些实施方式中，阴极304的所有拐角和边缘都是良好倒圆角的，以优化传感器单元320内部的电场、并防止局部高强度电场集中，如本说明书中之前所述，局部高强度电场集中将引起场致发射和通常在潘宁泵中产生的电弧。此外，阴极304的几何形状和板346、348的存在防止了形成须触线和相关的电弧和在潘宁泵中观察到的不稳定。

中心阴极设计连同施加的负电位提供了用于读取示踪气体离子电流的优势。几乎通过选择性透过膜324进入传感单元320的所有示踪气体分子都被电离、并限制在电离室312中建立的电场和磁场中，从而产生等离子体。带正电荷的示踪气体离子朝向阴极324加速，并冲击阴极324。与通过测量潘宁泵中实现的电流的非直接测量相反，离子电路读取直接与示踪气体的分压成比例，从而提供了对泄漏率的直接测量。与潘宁泵相比，在阴极304处对离子的直接测量获得了对离子电流更精确和稳定的测量，这反过来产生了从当前公开的传感器单元320进行更精确和可重复的泄漏率测量。

在通常的潘宁泵中，正电荷阳极将离子驱动朝向接地阴极，但是因为电子云和电场集中在单元轴(参见图1)上，所以溅射集中到阴极在单元轴附近的几平方毫米。位于单元轴处的结果产生的阴极腐蚀图案是工业中众所周知的。相反，本发明的阴极304位于传感器单元320的中心，使得电子云围绕阴极304均匀地分布。本发明的负电荷阴极304易于将离子吸引到阴极表面的大部分。因此，几个平方厘米的整个阴极表面的大部分适合于溅射，这可以为泄露检测传感器的良好性能提供两个重要益处。首先，与潘宁泵相比，传感器的腐蚀寿命增加了很多倍。溅射不再像潘宁泵的情况一样集中在小区域上，集中在小区域上可以快速蚀穿阴极304而到达下面的真空罩308。相反，本发明的阴极304提供了用于溅射的大表面，所述用于溅射的大表面比潘宁泵的用于溅射的表面大一个数量级(或多于一个数量级)。此外，适合于溅射的阴极材料的绝对体积也大了一个(或多个)数量级，所以阴极腐蚀寿命比潘宁型传感器长很多。这是泄露检测领域中的重要的拥有成本因素。其次，本发明的阴极几何形状在方形的三侧上围绕阳极306。从图3的二维透视图可以看出，阴极304向阳极306提供了三个表面——中心细长构件342和两个端板346、348，中心细长构件342和两个端板346、348形成三侧U型，“U”的开口端面朝阳极306。因为溅射膜由阴极表面的大面积变化而成，并且阴极金属溅射成从每个离子冲击点余弦分布，所以结果在阳极表面上沉积的膜是均匀的并且甚至覆盖整个阳极表面，这结果产生对良好粘结的优异膜特性。此外，中心细长构件342可以设置作为圆柱形结构，所述圆柱形结构为离子提供了更多的机会来在小入射角度下冲击阴极304的这个部分，从而改进了溅射。

此外，金属薄膜倾向于在低密度圆柱结构中从随机的初始位置生长。如果本发明的阳极306是负偏压的，则离子可以冲击阳极表面，这具有随着金属膜生长而在薄膜沉积中对金属膜进行“喷丸”的效果。该喷丸机理有助于实现致密、更均匀并且具有优异的粘附性的膜。这种良好的膜质量直接引起传感器的稳定和高灵敏性操作。此外，因为阴极304在相当低的速率下腐蚀，嵌入在阴极次表面中的任何气体分子奖保持被捕获(泵浦)，而不会如在潘宁泵中产生的一样快速地释放作为气体背景。此外，本发明的传感器单元320的几何构造因为在低真空压力下启动而优于潘宁泵。更大数量级的等离子体体积和离子云确保有充分的离子和电子，以将等离子体维持到超高真空压力水平。

如上所述，阳极36可以是图3中所示的简单圆柱体，或者阳极36可以被“定形”以进一步优化电场和离子形成区域。图4中示出了通过计算机模拟提供的修改的圆柱形状的一个示例，图4是根据本发明的另一实施方式的传感器单元420的示例的截面视图。传感器单元420包括阴极404、大体圆柱形的阳极406、和磁体组件的端盖462、464，所述阴极404具有中心细长构件442和轴向端板448，将所述端盖与阴极404通过玻璃绝缘体468隔绝开。模拟离子和电子运动，结果产生大的圆柱形等离子体体积480。阳极406可以包括多个显著不同的区域或部分。在所示出的示例中，阳极406包括两个圆柱形阳极部分482、484，所述阳极部分482、484沿着传感器单元420的轴线连续放置。阳极部分482、484可以集成为阳极406的单件构造的部件，或者可替换地，阳极部分482、484可以是物理分离的部分。每个阳极部分482、484包括第一部分(大直径部分)486和第二部分(小直径或减小直径部分)488，所述第二部分488的内侧直径小于第一部分486。分别的第二部分488彼此相邻，并且沿着阳极406的轴向长度放置在中心位置上。通常，与分别的第二部分488到阳极406的任一轴端相比，分别的第二部分488彼此更接近。第二部分488沿着径向向内朝向传感器单元420的轴线延伸，并第二部分488可以表示成与分别的第一部分486成为整体的环或肋。本示例中的阳极406可以表示成包括至少一个减小直径部分(图4中的第二部分488)，所述至少一个减小直径部分轴向布置在两个较大直径部分(第一部分486)之间，即，在减小直径部分的一侧上的第一较大直径部分与减小直径部分的另一侧上的第二较大直径部分之间。

根据前面的描述，可以看出可以实现本说明书中所教导的阴极和阳极的几何形状，以产生优化的电场线，这会导致产生最大的电子捕获、电离效率和适于溅射腐蚀的面积。优化的电场线提高了电子的含量并且有助于使电子云的体积分散开，使得电子具有更高的电离气体分子可能性。电子更大的空间分布还使离子分散开，使得离子冲击阴极的更大面积。线轴形阴极与大体圆柱形阳极一同辅助实现最大化的电子捕获、电离效率和适于溅射腐蚀的面积。可以实现对圆柱形阳极(如图4中所示的圆柱形阳极)的修改，以进一步使场线成形并提高电子捕获、电离效率和适于溅射腐蚀的面积。

通常，术语例如“连通”和“与……连通”(例如，第一部件与第二部件“连通”)在本说明书中用于表示两个或多个部件或元件之间的结构的、功能的、机械的、电子的、光学的、磁学的、电磁的、离子的或流体的关系。如此，一个部件被称作与第二部件连通的情况并不意味着排除了在第一和第二部件之间存在附加部件的可能性、和/或存在与第一和第二部件操作关联或配合的附加部件的可能性。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面和细节。此外，前面的描述仅是用于说明，而不是要进行限制，本发明由权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种痕量气体传感装置，其包括：

阴极；

阳极，其共轴地围绕所述阴极，其中，所述阴极和所述阳极限定环状电离室；

第一电路，其构造成用于将负电位施加到所述阴极；

第二电路，其构造成用于对由所述阴极产生的离子电流信号进行测量；

磁体组件，其构造成用于在所述电离室中产生磁场；

真空罩，其围绕所述阴极和所述阳极、并且包括与所述电离室流体连通的气体入口；和

选择性透过所述痕量气体的膜，所述膜密封所述气体入口、并且构造成用于使所述痕量气体从所述膜的外侧透入到所述气体入口中。

2.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述阴极包括细长构件、第一端板和第二端板，所述细长构件沿着所述阴极的纵轴布置，所述第一端板与所述纵轴正交，所述第二端板与所述纵轴正交并且设置成与所述第一端板相距一轴向距离。

3.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其包括吸气泵，所述吸气泵布置在所述气体入口和所述电离室之间。

4.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述第一电路构造成用于施加从-2000伏特到-9000伏特范围内的负电位。

5.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其包括与所述阳极连通的接地电极。

6.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述阴极具有从由钼、钽和钛组成的组中选出的成分。

7.根据权利要求6所述的痕量气体传感装置，其中，所述阳极具有从由非磁性不锈钢、铝、铜和钛组成的组中选出的非磁性成分。

8.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述膜构造成在从0℃到100℃的温度范围内对所述痕量气体表现出基本恒定的选择透过性。

9.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述膜呈圆柱形。

10.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其中，所述膜包括多个层，所述多个层至少包括多孔层和设置在所述多孔层上的半透过性层。

11.根据权利要求1所述的痕量气体传感装置，其包括电压源，所述电压源构造成用于向所述阳极施加负电偏压。

12.一种痕量气体传感装置，其包括：

阴极，其包括细长构件、第一端板和第二端板，所述细长构件沿着所述阴极的纵轴布置，所述第一端板与所述纵轴正交，所述第二端板与所述纵轴正交并且设置成与所述第一端板相距一轴向距离；

阳极，其共轴地围绕所述阴极，其中，所述阴极和所述阳极限定环状电离室；

真空罩，其围绕所述阴极和所述阳极、并且包括与所述电离室流体连通的气体入口；和

选择性透过所述痕量气体的膜，所述膜密封所述气体入口、并且构造成用于使所述痕量气体从所述膜的外侧透入到所述气体入口中。

13.根据权利要求12所述的痕量气体传感装置，其包括磁体组件，所述磁体组件构造成用于在所述电离室中产生磁场，所述磁体组件包括圆柱形磁体、第一端盖和第二端盖，所述圆柱形磁体围绕所述电离室，所述第一端盖与所述纵轴正交、并且与所述第一端板轴向分隔开，所述第二端盖与所述纵轴正交、并且与所述第二端板轴向分隔开。

14.根据权利要求13所述的痕量气体传感装置，其包括第一绝缘体和第二绝缘体，所述第一绝缘体轴向设置在所述第一端盖和所述第一端板之间，所述第二绝缘体轴向设置在所述第二端盖和所述第二端板之间。

15.根据权利要求12所述的痕量气体传感装置，其中，所述细长构件包括空心部分，所述痕量气体传感装置还包括电极，所述电极延伸穿过所述真空罩并进入所述空心部分中与所述细长构件信号通信。

16.根据权利要求12所述的痕量气体传感装置，其中，所述阳极包括第一阳极端和第二阳极端，所述第一阳极端在远离所述电离室的方向上与所述第一端板轴向分隔开，所述第二阳极端在相对的远离所述电离室的方向上与所述第二端板轴向分隔开。

17.根据权利要求12所述的痕量气体传感装置，其中，所述阳极包括第一大直径部分、第二大直径部分和减小直径部分，所述减小直径部分轴向布置在所述第一大直径部分和所述第二大直径部分之间。

18.一种用于对痕量气体进行传感的方法，所述方法包括如下步骤：

使痕量气体分子流动与选择性透过所述痕量气体分子的膜接触，其中，所述痕量气体分子穿过所述膜并进入圆柱形电离室中，由阴极和阳极限定所述电离室，所述阳极相对于所述阴极的纵轴共轴地围绕所述阴极；

通过将负电位施加到所述阴极，在对所述痕量气体分子进行电离的所述电离室中产生等离子体，其中，所述等离子体包括气体离子和电子，所述气体离子朝向所述阴极加速并冲击所述阴极；

在所述电离室中产生磁场，以限制所述电子的轨道的向外径向分量，其中，所述等离子体分布成围绕所述纵轴的圆柱形体积；并且

读取离子电流信号，响应于所述气体离子的冲击由所述阴极产生所述离子电流信号，所述离子电流与所述电离室中的所述气体离子的分压成比例。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，读取步骤包括通过电极输出所述离子电流信号，所述电极延伸穿过真空壳、并且与沿着所述纵轴布置的所述阴极的一部分信号通信，所述真空壳围绕所述阳极和所述阴极。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，冲击所述阴极的离子从所述阴极溅射出阴极材料的碎片，并且所述方法包括促进将溅射碎片的薄膜沉积在所述阳极的表面上，使得气体种类变成嵌入在所述薄膜中，并且通过将所述阳极维持在负电位，通过附加的气体离子种类来促进对所沉积的薄膜的喷丸。