CN105914125B - 真空系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种真空系统，该真空系统包括第一真空室和第二真空室，通过第一真空泵、特别是涡轮分子泵将该第一真空室抽真空，该第一真空室和该第二真空室通过通路连接，其中该通路被密封安排包围，该密封安排包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，该压力通风室通过辅助真空泵抽真空，并且其中该内部密封件的至少一个密封面由该第一或该第二真空室的壁材料组成，特别是该内部密封件通过该第一真空室的壁材料与该第二真空室的壁材料之间的直接接触形成。此外，本发明涉及一种质谱系统。

Description

真空系统
技术领域
本发明涉及真空系统，该真空系统包括多个真空室和多个真空泵。进一步，本发明涉及质谱系统，该质谱系统包括具有多个真空室和多个真空泵的真空系统。
背景技术
科学仪器如质谱仪经常在至少最低压力段(其中例如检测发生)中要求高或超高真空条件。尤其在同位素比值质谱法中，具有多接收器的偏转质谱仪由于其高精度和动态范围是有利的；这些多接收器质谱仪需要具有多个压力段的大型真空系统。总体上，这些仪器的真空室由不锈钢制成，经常使用预制的标准件如法兰；不同的真空室通过焊接到相应室的壁上的法兰互连。在焊接过程中引入的热可能导致工件的变形，这样使得制造精度被限制。在第一真空室与第二真空室之间的连接密封总体上通过金属密封件进行，如金或银线垫片(它们难以使用)或铜垫片(用于CF法兰)(它们仅以一组有限的尺寸可供使用)。其结果是，制造真空系统的成本是高的，并且尺寸经常受到可供使用的标准部件的限制。
英国专利GB 245233 B披露了真空装置，该真空安排具有用于将两个或更多个体积抽真空的真空泵，该泵具有多个压力段和至少两个吸入口，其中用于第一压力段的外部吸入口连接到第一体积用于其抽真空，该第一体积在空间上围绕用于第二压力段的内部吸入口，该内部吸入口连接到第二体积用于其抽真空，这样使得该内部吸入口是超高真空入口并且仅相对于该第一体积内的压力进行密封并不是相对于外部压力，并且通过金属-金属密封与该第一体积隔开，该金属-金属密封不导致该密封的金属的塑性变形。它特别地非常适用于小的离子阱质谱仪，其中该离子阱是在超高真空内部体积中并且其他的真空段(包括另外的离子光学元件)可以围绕该超高真空体积建造以便促进密封。然而，在可商购多端口泵如分流涡轮分子泵的情况下，此概念限于小型仪器。
英国专利申请GB 2504329 A描述了用于具有第一和第二壳体构件的超高真空泵的密封装置，该第一壳体构件容纳抽吸机构，该密封装置被定位为提供在该第一与第二壳体构件之间的密封，其中该密封装置包括围绕该第一壳体构件的周边延伸的内部和外部密封件以及位于该内部密封件与该外部密封件之间的压力通风室(plenum)，并且其中提供抽吸装置用于将该压力通风室抽到亚大气压。在优选的实施例中，该抽吸装置通过该抽吸机构的零件提供；此概念旨在制造具有更便宜外壳的超高真空泵。
在这个背景下，本发明的目的是提供便宜且可靠的真空系统用于要求高或超高真空、特别是要求大于1000cm3的超高真空体积的应用。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种真空系统，该真空系统包括第一真空室和第二真空室，通过第一真空泵(特别是涡轮分子泵)将该第一真空室抽真空，该第一真空室和该第二真空室是相邻的并且通过通路连接，其中该通路被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，该压力通风室通过辅助真空泵抽真空，并且其中该内部密封件的至少一个密封面由该第一或该第二真空室的壁材料组成，特别地该内部密封件通过该第一真空室的壁材料与该第二真空室的壁材料之间的直接接触形成。
在本申请的上下文中，该第一真空室和该第二真空室可以，但不需要，对应于不同的压力段；换句话说，在该第一真空室与该第二真空室之间的通路可以具有高的传导性，最高达对应于该第一或第二真空室的内部尺寸的传导性，这样使得这两个真空室形成共用的压力段。优选地，该第一真空室与该第二真空室通过多个螺钉保持在一起。
在该第一真空室与该第二真空室的接合面中的通路可以具有任意形状；该密封装置总体上相对于该接合面中的通路圆周地定位。在此上下文中，通路被该密封装置包围的表述应理解为是指相对于该接合面的空隙圆周地，将发现该密封装置的至少一个密封件。内部密封件和外部密封件不需要是严格地同心的，只要这两个密封件之间的区域是完全地并且没有孔或中断地由这些真空室的壁材料形成。其结果是，可以构建任意尺寸的真空系统，特别是鉴于本发明的概念可以容易地适用于成对互连真空室的多室真空系统。多个压力通风室，即用于真空的分配管道，可以互连并且通过单一的辅助真空泵抽真空。
可以将由该第一真空室和/或第二真空室形成的压力段抽真空到超高真空；相对于该超高真空体积，根据本发明的真空系统是完全金属密封的。这对于气体同位素质谱仪是特别有利的，这样使得此压力段可以例如容纳优选Nier Johnson类型的双聚焦偏转质谱仪的静电分析器。来自该外部密封件(可能例如包括弹性体O形环)的任何放气通过该辅助真空泵抽走。其结果是，根据本发明的真空系统结合了金属密封的真空室的优点(例如，没有通过O形环的放气的污染和加热该真空室的可能性)与O形环密封的真空室的优点，其中更少的螺钉可以用于使第一真空室与第二真空室之间的连接变紧，并且其中在打开该密封连接之后的垫片的更换不是必需的。此外，轻微受损的密封表面(导致小的漏泄)不影响在超高真空室中达到的最终压力，这降低了该真空系统的规范试验中失败的风险并且因此简化生产工艺。仅具有弹性体O形环的外部密封件相对于大气进行密封，而至少部分地由这些真空室中的至少一个的壁材料制成的内部密封件相对于辅助真空进行密封，有利地在分子流条件下。尤其结合用作辅助真空泵的涡轮分子泵，在真空系统内达到的最终压力可以改进最高达两个或三个数量级，与常规真空系统相比。
优选地，该第一和/或该第二真空室由金属、特别是铝制成，其中该内部密封件包括由该第一真空室的壁材料组成的第一密封面和由该第二真空室的壁材料组成的第二密封面，其中该外部密封件包括弹性体O形环、优选氟聚合物弹性体O形环、特别地由氟橡胶(Viton)或全氟化橡胶(Kalrez)组成，其中该弹性体O形环优选地通过该第一真空室或该第二真空室的壁材料中的通道保持在适当位置，并且其中特别地该通道的一个侧条相对于该第一或该第二密封面是凹入的。
这些真空室可以由在CNC铣刀中机加工的块材料制成。优先地，该第一真空室由第一金属(特别是铝)块制成，并且该第二真空室由第二金属(特别是铝)块制成。使这些真空室的壁材料由铝制成降低了制造成本，因为铝容易机加工。该通路的形式可以任意地选择，因为制造具有对应尺寸的O形环是容易且便宜的。用凹入条将该O形环保持在适当位置允许经由该辅助泵抽吸任何泄露或该O形环的放气，这样使得避免死体积并且更快地达到低真空压力。该内部密封件的第一和第二密封面可以优选地制成扁平的；可以特别地机加工和/或抛光该表面以便是平面的并且没有划痕。
根据本发明的优选实施例，该第一和/或该第二真空室包括在该壁内的端口，该端口被盖覆盖，其中该端口被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，其中该内部密封件的一个密封面由该第一和/或该第二真空室的壁材料组成并且其中与该端口关联的压力通风室连接到与该通路关联的压力通风室，这样使得该通路压力通风室与该端口压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。在此实施例中，在保持金属密封的内部体积的同时，可以提供与该真空室内部的部件的接近。
根据本发明的特别优选的实施例，该端口压力通风室在覆盖该端口的盖与覆盖至该第一和/或第二真空室的内部端口的第二盖之间形成，这样使得该端口压力通风室包括该端口的很大一部分面积，其中该内部密封件的一个密封面由该第二盖的材料、特别是不锈钢或铝组成。此实施例对于覆盖真空室的很大一部分侧壁的端口是特别有利的，因为提供良好的抽吸；此外，可以容易地连接其他压力通风室。
当该第一真空室和/或该第二真空室包括机械馈通件时是优选的，其中该真空室与馈通件的接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，并且其中与该馈通件关联的压力通风室连接到与该通路关联的压力通风室，这样使得该馈通件压力通风室与该端口压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。该馈通件压力通风室可以优选地间接连接到该通路压力通风室；当例如该第二室包括馈通件和端口时，该馈通件压力通风室可以连接到该端口压力通风室，该端口压力通风室连接到该通路压力通风室。用于该真空内部的操作的机械馈通件可以是平移或旋转类型的。
当该馈通件包括可移动的轴，轴承和被固定、特别是用螺栓固定到该真空室的壁上的壳体时是特别优选的，其中该外部密封件包括至少两个弹性体O形环，位于壳体与可移动的轴之间的第一O形环、以及位于壳体与该真空室的壁之间的第二O形环，其中该内部密封件包括两个密封面积，在该壳体与该真空室的壁之间的第一密封面积、以及在该壳体与该可移动的轴之间的第二密封面积，并且其中该压力通风室包括与该第一密封面积相邻的第一体积以及与该第二密封面积相邻的第二体积，其中该第一与该第二体积通过至少一个钻进该壳体的孔互连。本发明的机械馈通件有利地允许避免由于移动轴导致的超高真空室内的压力波动，因为该辅助真空泵将迅速地抽走通过运动诱导的泄露引入的任何气体。
优先地，该第一和/或该第二真空室包括电馈通件，其中该真空室与馈通件的接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，并且其中与该馈通件关联的压力通风室连接到与该通路关联的压力通风室，这样使得该馈通件压力通风室与该端口压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。用于电馈通件的部件是可商购的并且能够处理在电子轰击离子源和/或静电分析器中需要的高电压(典型地最高达10kV)。在真空室内部，可以从裸露的刚性导线制造接线，将这些刚性导线以所希望的形式弯曲以便确保在高压导线与地面或第二导线之间的足够的绝缘距离。
特别优先地，该第一和/或该第二真空室包括线接到该电馈通件的加热安排、特别是电灯泡，并且其中该接线至少部分地通过耐热材料、特别是聚酰亚胺薄膜(kapton)绝缘。通过加热该真空室，在该真空室的壁上的污染物可以更迅速地去除，这样使得可以更迅速地达到在超高真空范围内的较低的最终压力。
优选地，将适配件固定、特别是用螺栓固定到该第一和/或该第二真空室上，该适配件包括标准真空法兰、特别是CF法兰，其中该真空室与适配件的接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，并且其中与该适配件关联的压力通风室连接到与该通路关联的压力通风室，这样使得该适配件压力通风室与该通路压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。该适配件压力通风室可以特别地间接连接到该通路压力通风室；当例如该第一室包括馈通件和适配件时，该适配件压力通风室可以连接到该馈通件压力通风室，该馈通件压力通风室直接或间接地连接到该通路压力通风室。该适配件可以有利地由与该真空室不同的材料、特别是不锈钢制成。这允许例如当连接附加的真空设备时，使用铜垫片，这样使得该真空系统的最终压力不经由该附加的真空设备恶化。
对于具有小到中等尺寸的端口，可以将由不锈钢制成的适配件固定到真空室上并且通过替代的密封装置(具有仅一个密封件)相对于大气进行密封。在该替代的密封装置中，由该真空室的壁材料制成垫环(rim)，其中该垫环的尺寸优选地对应于标准CF铜垫片的尺寸。具体地，该环形垫环的内径和外径可以对应于标准CF铜垫片的尺寸，并且该垫环的高度可以是等于或高于该铜垫片的厚度。优选地，该不锈钢适配件包括在两个轴向端部的剪刃。当将该适配件固定到该真空室时，该剪刃使该垫环变形以便提供相对于大气的超高真空相容性密封件。此种替代密封装置对于在真空系统的寿命期间不需要去除的适配件是特别有用的，从而提供可靠的且划算的密封件。
根据本发明的优选实施例，该第一真空泵是涡轮分子泵或离子吸气泵，其中该第二或第三真空室通过第二真空泵、特别是涡轮分子泵或离子吸气泵抽真空，其中该第一真空室与第一真空泵的接合面和/或该第二或第三真空室与第二真空泵的接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，并且其中与该第一和/或第二真空泵关联的压力通风室连接到与该通路关联的压力通风室，这样使得该泵压力通风室和该通路压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。
根据本发明的特别优选的实施例，该第一真空泵和该第二真空泵通过多端口涡轮分子泵的不同段形成，其中优选地该辅助真空泵通过该多端口涡轮分子泵的另外的段、特别是与前级真空泵连接的最后一个段形成。对于相对小的体积和/或有限的气体负载，多端口/分流涡轮分子泵提供划算的抽吸装置。
根据本发明的替代的特别优选的实施例，该第一真空泵和该第二真空泵是单独的涡轮分子泵，并且其中该辅助真空泵由专用的涡轮分子泵形成。使用单独的真空泵对于具有超过1000cm3的超高真空体积的真空系统是特别有用的。
优先地，该第一和/或该第二真空室由金属、特别是铝制成，其中该内部密封件包括第一密封面，该第一密封面由该第一真空室的壁材料和/或该第二真空室的壁材料组成，其中该外部密封件包括弹性体O形环、优选氟聚合物弹性体O形环，并且其中第二密封面由固定、特别是用螺栓固定到该第一和/或该第二真空室上的外部部件的壁材料组成。固定到真空室上的该部件可以是盖、馈通件的壳体、适配件或泵或压力传感器的壳体。在本发明的真空概念中，铝真空室可以与由不锈钢制成的标准部件连接，同时保持金属密封的内部体积。
优选地，至少一个压力通风室和/或该第一压力通风室与第二压力通风室之间的连接由该第一和/或该第二真空室的壁材料中的钻的孔和/或铣削的通道制成。有利地，与固定(特别是用螺栓固定)到这些真空室之一上的任何附加元件关联的所有压力通风室互连，这样使得单一的辅助真空泵提供用于整个真空系统的辅助真空。当制造这些真空室时，适合的压力通风室可以容易地通过CNC铣刀机加工这些真空室的壁进行机加工。
在本发明的优选实施例中，该真空系统进一步包括多个通过通路和/或孔口(aperture)互连的室，其中至少一个另外的真空室与该第一和/或第二真空室连接，该另外的真空室通过另外的真空泵、特别是涡轮分子泵或离子吸气泵抽真空，该真空室和该第一和/或第二真空室通过通路连接，其中该通路被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件和外部密封件，其中压力通风室位于该内部密封件与该外部密封件之间，该压力通风室通过辅助真空泵抽真空，并且其中该内部密封件的至少一个密封面由该第一或该第二真空室的壁材料组成，特别地该内部密封件通过该第一真空室的壁材料与该第二真空室的壁材料之间的直接接触形成。有利地，本发明的概念允许构造包括任意数目的相邻真空室和/或压力段的真空系统。
在本发明的特别优选的实施例中，该第一真空室包括在该第一真空室的壁材料中机加工的具有第一内径的圆柱形端口，其中具有小于该第一直径的内径的停止垫环位于该圆柱形端口的轴向内端，其中将具有匹配该第一内径的第一外径的圆柱形工件压靠在该停止垫环上，这样使得在该圆柱形工件的壁与该停止垫环之间形成第一密封件，其中该圆柱形工件的轴向外侧面包括具有第二外径的壁截面，该第二外径小于该第一内径，其中该圆柱形工件进一步包括将具有该第一和该第二外径的壁零件接合的膜，该圆柱形端口进一步包括具有第二内径的轴向外侧截面，该第二内径大于该第一内径，其中在该具有第二外径的壁截面与该另外的真空室的壁材料之间形成第二密封件，其中该轴向外侧截面与通过该辅助真空泵抽真空的这些压力通风室之一连接，并且其中在该另外的真空室的壁材料与该第一真空室的轴向外侧壁材料之间形成第三密封件，这样使得该第三密封件相对于大气进行密封并且该第一密封件和第二密封件提供相对于该辅助真空的密封。优选地，该圆柱形工件由不锈钢制成；具体地，该第三密封件可以包括弹性体O形环。具体地，来自不锈钢的车床工件提供足够的弹性和稳定性。此实施例允许到该另外的真空室的可再现的互连，这样使得该真空系统可以分拆用于更容易的运输并且使用有限的重调或无需重调而再接合。
根据本发明的另一个方面，提供一种质谱系统，该质谱系统包括根据以上任一项权利要求所述的真空系统，其中该第一真空室和/或该第二真空室容纳离子源、特别是电子轰击离子源，其中该第二真空室或第三真空室容纳离子光学元件、特别是静电分析器，并且其中至少一个另外的真空室连接到或形成该真空系统的一部分，其中优选地该另外的真空室容纳离子检测器。该质谱系统可以特别地包括双聚焦偏转质量分析器，具有静电分析器(用于选择离子能量)、扇形磁场(用于脉冲选择)以及多接收器检测阵列(适用于多质量的同时检测以便确定准确的强度比)。优选地，该离子源是适用于气体同位素比质谱计的电子轰击电离类型。
实施方式的详细说明
为了进一步理解本发明，现在将以举例方式参照附图更详细地描述实施例，这些实施例仅用于说明并且不旨在且不限制本发明的范围。
附图说明
图1示出根据本发明的优选实施例的真空系统的两个示意图。
图2示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统的线A-A的切割。
图3示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统的线B-B的切割。
图4示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统的线C-C的切割。
图5示出根据该优选实施例的真空系统的外部视图。
图6示出根据本发明的另外的优选实施例的真空系统中穿过机械馈通件的切割。
图7示出根据本发明的实施例的质谱仪的示意性俯视图。
具体实施方式
参考图1，示出根据本发明的优选实施例的真空系统1的两个视图。在该图的中心描绘了该真空系统的俯视图。在此视图中，表明沿着线A-A、B-B和C-C的三种不同的切割，它们将在以下的图中示出。此外，示出该真空系统的透视图。真空系统1由第一金属块2和第二金属块3构造，机加工这些金属块以便形成真空室和用于连接另外的真空设备的端口；优选地该金属可以是铝。原则上，适用于真空应用的其他材料，如不锈钢，可以用于构造这些真空室的壁。该真空系统包括三个压力段，两个主压力段pS、pA和一个辅助压力段pH。根据特别优选的实施例，该第一压力段pS容纳离子源并且该第二压力段pA容纳静电分析器。
该第一压力段pS包括单一的真空室，源室20，该室与该第二压力段pA通过包含小孔口的壁分开，这样使得可以在这两个压力段之间维持压差。源室20通过真空泵、特别是涡轮分子泵(未示出)抽真空，该真空泵与泵端口5连接；优选地该涡轮分子泵具有大致250l/s的抽吸速度。可以通过进气口16将样品气体引入该源室中。盖4覆盖压力通风室，以下将结合图4描述该压力通风室。通过电馈通件9，离子源(未示出)可以提供有产生离子束所需的电压；该第一压力段进一步包括端口18，该端口通向第一压力传感器(未示出)、特别是彭宁电离计。在不引入样品气体下，该第一压力段pS优选地在低于5*10-10毫巴、特别是约1*10-10毫巴的压力下。
该第二压力段pA包括第一真空室13和第二真空室12，这些真空室优选地用螺栓固定在一起；由这两个真空室容纳的部件可以通过两个端口10、11(被外部盖15覆盖)接近。以下将讨论这两个真空室12、13的真空紧密连接和用于这些端口的密封概念的细节。运行静电分析器或其他离子光学部件的电压可以通过电馈通件8供应。这两个真空室通过与泵端口6连接的另外的真空泵(未示出)抽真空，优选地该另外的真空泵是涡轮分子泵，特别具有大致250l/s的抽吸速度。优选地，该第二压力段pA在低于5*10-9毫巴、特别是约1*10-9毫巴的压力下。
该辅助压力段pH包括多个压力通风室，特别是压力通风室7、14和17(通过外部盖15之下的体积互连)，以及多个其他压力通风室，这些压力通风室优先地通过钻进这些真空室的一个或多个的壁材料中的孔或铣削进其中的通道形成和/或互连。根据本发明的特别优选的实施例，第三真空泵、优选涡轮分子泵(未示出)与压力通风室7连接；第三压力传感器(未示出)、特别是彭宁电离计与压力通风室17连接。压力通风室14通向围绕真空室与第一真空泵的接合面(即，穿过泵端口6的截面)圆周铣削的通道。该接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件、外部密封件和位于该内部与外部密封件之间的通道/压力通风室，该通道/压力通风室可以通过压力通风室14抽真空。优选地，该辅助压力段pH在低于5*10-7毫巴、特别是约1*10-7毫巴的压力下。总体上，干燥的前级真空泵可以用于供应该辅助真空；在那种情况下，约1*10-3毫巴的压力将在该辅助压力段中占优势。使用涡轮分子泵用于将这些压力通风室抽真空允许达到更低的最终压力。
图2示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统1的线A-A的切割。在此图和以下的图中，对应元件由相同的参考号进行标记。
包括源室20(具有至真空泵的端口5和至第一压力传感器的端口18)的第一压力段pS通过具有小孔口104的壁103与该第二压力段pA隔开；孔口104可以含有缝隙用于限定离子束。该第一真空泵可以直接或经由适配件固定到该源室的壁2上。源室20与真空泵(或适配件)的接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件121和外部密封件119，其中压力通风室120位于内部密封件121与外部密封件119之间，这样使得该密封装置在泵端口5的圆周。压力通风室120间接地与压力通风室7并且结果与辅助真空泵连接，这样使得从外部密封件119泄露或蒸发的任何气体被抽走。内部密封件121的第一密封面由源室20的壁材料2组成，并且内部密封件121的第二密封面由第一真空泵的法兰或适配件形成。其结果是，真空泵与源室20之间的连接是金属密封的。用于源室20中的部件的电压由电馈通件9供应；馈通件9的真空密封法兰面对源室20的壁材料2中的馈通件端口。该接合面被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件113和外部密封件112，其中压力通风室110位于内部密封件113与外部密封件112之间；压力通风室110间接地与辅助真空泵连接。
该第二压力段pA包括第一真空室13和第二真空室12；优选地由与源室20的壁的相同的金属块2机加工第二室12的壁，而由第二金属块3机加工该第一室的壁。在第一真空室13与第二真空室12之间的通路包括金属块2、3的很大一部分接合面。在该通路的圆周，提供密封装置，该密封装置包括内部密封件115和外部密封件114，其中压力通风室106位于内部密封件115与外部密封件114之间。内部密封件115的第一密封面由第一真空室13的壁材料3组成，并且内部密封件115的第二密封面由第二真空室12的壁材料2组成。优选地，在CNC铣床中将这些密封面机加工到紧密公差；任选地，附加的表面处理如抛光或珩磨可以进行。有利地，最高达连接相邻真空室的孔口的泄漏率的内部密封件115的泄漏率是可允许的，没有所达到的最终压力的显著增加。在内部密封件115的圆周，提供与该通路关联的压力通风室106；此压力通风室可以至少部分地由机加工进这些真空室中的一个或两个的壁材料内的通道形成。压力通风室106通过钻进或机加工进这些真空室中的一个或两个的壁材料的孔111与另外的压力通风室体积105(以下描述)连接。外部密封件114包括O形环(特别是由氟橡胶或全氟化橡胶制成的)，该O形环通过该第一真空室的壁材料3中机加工的通道保持在适当位置；原则上，该通道可以完全或部分地机加工进第二真空室12的壁材料2中。当用于压力通风室106的该通道和用于外部密封件114的O形环的该通道二者被机加工成一个金属块(特别是形成第一真空室13的壁材料3的金属块)时，机加工另一个金属块2被简化。为了最小化死体积(该死体积将在延长的时间段内脱气并且因此限制达到真空室的最终压力的速度)，面对该压力通风室的O形环通道的侧壁相对于该内部密封件的密封面是凹入的；这可以从在圆圈中示出的镶嵌物看出。
辅助压力段pH包括多个压力通风室；总体上环形的压力通风室与每个密封装置关联。原则上，该外部密封件的O形环的形状和与相应的密封装置关联的压力通风室的形状可以具有任意的闭合形式。用于图1中示出的端口10和11的密封装置还包括内部密封件101和102、外部密封件118和117、以及位于该内部密封件与外部密封件之间的压力通风室105。与上述密封装置相比，这两个端口10和11的密封装置包括压力通风室105，该压力通风室覆盖外部盖15的面积的很大一部分。端口11的外部密封件以及端口10的外部密封件包围相应端口的面积，如上述密封装置的情况。然而，与端口11关联的内部密封件101由第一真空室13的内部盖107与壁材料3之间的接合面形成。对应地，与端口10关联的内部密封件102由第二真空室的内部盖108与壁材料2之间的接合面形成。在这些内部密封件、内部盖与外部密封件之间的压力通风室105具有高的传导性并且由于大的面积和体积允许容易地将其他压力通风室连接到压力通风室105。通过压力通风室7，压力通风室105和所有连接的压力通风室通过辅助真空泵(未示出)抽真空。
图3示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统1的线B-B的切割。在此视图中，可以看到第二压力段pA的第一真空室13、电馈通件8的内面以及辅助压力段pH的压力通风室7、14、105、128。
该第一真空室通过泵端口6抽真空；该端口被密封装置包围，该密封装置包括内部密封件131、外部密封件133以及位于内部密封件131与外部密封件133之间的压力通风室132。该内部密封件的第一密封面由第一真空室13的壁材料3形成，并且第二密封面由另外的真空泵(未示出)的法兰或固定到第一真空室13上的适配件(未示出)形成。泵压力通风室132与压力通风室14连接，该压力通风室14与压力通风室105连接，该压力通风室105与压力通风室7连接；其结果是，泵压力通风室132可以通过附接到压力通风室7的辅助真空泵抽真空。当真空系统1形成科学仪器的一部分时，该第一真空室可以与另外的真空室连接；在当前图中，为简单起见，相邻的真空室由端盖130表示。为了允许与相邻真空室的可再现的装配和真空紧密连接，将特定适配件126(优选地在车床上制造的预加应力的部件、特别由不锈钢组成)插入该真空室的壁材料3中。该适配件包括两个金属密封面134和127，面对第一真空室13的密封面134的直径显著地不同于密封面127的直径；薄壁或膜将这两个密封面接合并且允许限定但是有限的变形。这些密封面是另外的密封装置的内部密封件的一部分，该密封装置包括内部密封件127、134，外部密封件129以及位于内部密封件127、134与外部密封件129之间的压力通风室128，该压力通风室128与位于内部盖107与外部盖15之间的压力通风室105连接。
图4示出了沿着穿过该优选实施例的真空系统1的线C-C的切割。
在此图中，可以看到第一压力段pS的源室20；通过壁103中的孔口104，源室20与第二压力段pA的第二真空室12连接。泵端口5直接地或通过适配件连接到该真空泵(未示出)上；在对应的接合面上，可以看到包括内部密封件121和外部密封件119的密封装置。总体上圆形的压力通风室120位于内部密封件121与外部密封件119之间。通过在源真空室20的壁材料2中钻的孔，压力通风室120间接地与辅助真空泵(未示出)连接；此连接通过位于盖4后面的压力通风室122提供。盖4优选地由不锈钢制成并且包括与源室连接的圆形端口136，该端口容纳可以调整的元件以便改变离子源的传导性。此外，用于准许样品进入离子源的进气口16固定到盖4上；优选地，盖4与可调整的元件(未示出)以及盖4与进气口16的接合面是金属密封的。
图5示出了根据优选实施例的真空系统1的外部视图，其中已经省略了盖15和4以便更清楚地示出压力通风室105和122，这些压力通风室沿着这些盖以及相关端口的很大一部分面积延伸，这样使得端口的外部密封可以经由覆盖该端口的整个面积的压力通风室通过辅助真空泵抽吸。
在此视图中，可以看到在不同的压力通风室之间的若干互连：压力通风室105经由压力通风室7通过辅助真空泵21抽真空；压力通风室105由两个部分组成，这两个部分经由在第一和第二真空室的壁材料中钻或机加工的孔111连接。与另外的真空泵(用于将第二压力段pA抽真空)关联的密封装置包括压力通风室14，该压力通风室间接地通过压力通风室105抽真空。进一步，可以看到压力通风室128与压力通风室105之间的连接。用于第一涡轮分子泵(与源室20关联)的密封装置的压力通风室120以及用于电馈通件9的密封装置的压力通风室110二者都连接到位于盖4后面的压力通风室122。压力通风室122经由第二真空室12的壁材料2中铣削的孔135连接到压力通风室105。其结果是，压力通风室110、120和122通过辅助真空泵21抽真空。在图5中，示出用于将该第一涡轮分子泵附接到源室20的适配件23的实例。
图6示出根据本发明的另外的优选实施例的真空系统中穿过机械馈通件的切割。
该机械馈通件包括可移动的轴601、壳体602、轴承安排、以及密封装置。为了精确地限定可移动的轴601与壳体602之间的横向运动，该轴承安排优选地包括两个轴承604，这些轴承特别地位于壳体602的轴向相对端。该轴承安排中的轴承604可以是优选地由陶瓷或不锈钢制成的滚珠轴承(特别适用于旋转的馈通件)或优选地由真空相容性聚合物如聚醚醚酮(PEEK)制成的滑动轴承(特别适用于平移的馈通件)。机械馈通件600可以部分地如本领域中已知的进行构造，这样使得例如可移动的轴601与固定的壳体602之间的接合表面可以相通过一个或若干个弹性体O形环(未示出)对于大气压进行密封。将该机械馈通件的壳体602固定，例如，用螺栓固定，到真空室的法兰或壁605上；经由该壁或法兰605中的孔，可移动轴601可以用于该真空室的高或超高真空的内部的机械操作。根据本发明的优选实施例，密封装置包括外部密封件606、内部密封件609和位于内部密封件609与外部密封件606之间的压力通风室608。外部密封件606包括两个弹性体O形环(优选地由氟聚合物弹性体如氟橡胶制成)，第一O形环密封壳体602与可移动轴601的接合面并且第二O形环密封馈通件壳体602与真空室壁605之间的接合面的圆周。优选地，将每个弹性体O形环分别定位在该机械馈通件的壳体602中机加工的通道中，并且通过侧壁607保持在适当位置，该侧壁相对于壳体602与可移动轴601或真空室壁605的接合面是凹入的。压力通风室608包括包围可移动轴601的压力通风室和在壳体602与真空室壁的接合面处的压力通风通道；在示出的切割中，压力通风室和压力通风通道通过在壳体602中钻的两个孔连接。内部密封件609包括在壳体602与可移动轴601之间的滑动密封件以及在壳体602与真空室壁605之间的扁平密封件。由于可移动轴601的横向位置由轴承604很好地限定，该滑动密封件可以制造至紧密公差，这样使得压力通风室608与高真空室之间的泄露被有效地限制。
如上所述的机械馈通件保护该高真空室免于由移动可移动轴601造成的压力波动，因为将穿过密封件603和604的任何气体将被辅助真空泵抽走。
图7示出质谱仪的示意俯视图，该质谱仪被容纳在包括以上所述的真空系统1的真空系统中。
该质谱仪包括离子源701(特别是电子轰击离子源，具有用于样品和参比气体的多个入口)、静电分析器702、静电加速透镜704、可调整的孔口709、用于分离离子(根据其动量)的弯转磁铁705、可调整的静电透镜703、以及检测器阵列706。电子隔室707供应用于离子源701和静电分析器702的电压；用于放大检测器信号的电路优选地装在检测器隔室708内。示例离子m1、m2、m3的轨迹由实线指示；具有不同质荷比的离子可以由检测器阵列706中的不同检测器检测。对于具有相同电荷的离子，最靠内的离子具有最小的质量，这样使得在示出的实例中，质量是m1<m2<m3。
该真空系统包括多个真空室，这些真空室安排在多个压力段中，这些压力段通过具有有限传导性的孔口隔开；此外，在这些室必须打开维修的情况下，阀可以用于隔开不同的压力段。本发明的特征是用于真空室和密封装置的不同材料可以组合，这样使得，例如，容纳离子源701的压力段pS和容纳静电分析器702的压力段pA可以由铝使用具有抽真空的压力通风室的密封装置构造，而在磁场中的容纳飞行管的压力段pM可以由不锈钢构造。在飞行管的情况下，真空室的尺寸受到磁铁的极片的限制，这样使得由不锈钢构造这些壁是有利的。容纳静电透镜704和可调整的孔口709的压力段pL的壁材料和密封概念，以及容纳检测器阵列706的压力段pD的材料和密封概念原则上可以任意地选择。
总体上，根据本发明的真空系统可以包括通过通路(被如上所述的密封装置包围)互连的多个具有任意尺寸的真空室。不像常规的金属密封件，弹性体O形环不需要每当对应的连接松开时都更换。与多室真空系统的密封装置相关的所有压力通风室可以通过单一的辅助真空泵抽真空。其结果是，本发明允许降低构造真空系统的成本，其中至少部分地从高真空室的壁材料形成金属密封件。在保持完全金属密封的真空系统的优点的同时，真空室可以由铝构造。
如在此(包括在权利要求书中)所用，除非上下文另外指示，否则在此这些术语的单数形式应理解为包括复数形式，反之亦然。
贯穿本说明书的描述和权利要求书，词“包含”、“包括”、“具有”和“含有”以及这些词的变化形式(例如“包含着(comprising)”和“包含了(comprises)”等)意指“包括但不限于”，并且并不打算(并且并不)排除其他部件。
应了解，可以对本发明的上述这些实施例作出变化，但这些变化仍落在本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所披露的每个特征可以被用于相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所披露的每个特征仅是一个通用系列的等效或类似特征的一个实例。
在此提供的任何和所有实例或示例性语言(“举例来说”、“如”、“例如”以及类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明并且不指示对本发明的范围进行限制，除非另外要求。本说明书中的语言不应被解释为表示任何未提出权利要求的元素对于本发明的实施是必不可少的。
本说明书中描述的任何步骤可以按照任何顺序来进行或同时进行，除非另有说明或上下文要求。
本说明书中披露的所有特征可以任意组合形式进行组合，除了这类特征和/或步骤中的至少一些相互推斥的组合形式。具体而言，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面并且可以任何组合方式使用。同样，非本质的组合形式中描述的特征可以单独使用(不进行组合)。

Claims (22)

1.真空系统，包括第一真空室(13)和第二真空室(12)，通过第一真空泵将该第一真空室(13)抽真空，该第一真空室(13)和该第二真空室(12)是相邻的并且通过通路连接，其中该通路被密封装置圆周地包围，该密封装置包括内部密封件(115)和外部密封件(114)，其中通路压力通风室(106)位于该内部密封件(115)与该外部密封件(114)之间，所述通路压力通风室(106)通过辅助真空泵(21)抽真空，并且其中该内部密封件(115)的至少一个密封面由该第一真空室(13)或该第二真空室(12)的壁材料(2、3)组成，
其中该第一真空室(13)包括在所述第一真空室的壁内的端口(11)，和/或该第二真空室(12)包括在该第二真空室的壁内的端口(10)，该端口(11、10)被盖(15)覆盖，其中该端口(11、10)被密封装置包围，该包围端口的密封装置包括内部密封件(101、102)和外部密封件(118、117)，其中端口压力通风室(105)位于所述包围端口的密封装置的所述内部密封件(101、102)与所述包围端口的密封装置的所述外部密封件(118、117)之间，
并且其中端口压力通风室(105)连接到与所述通路压力通风室(106)，这样使得所述通路压力通风室(106)与该端口压力通风室(105)二者都通过该辅助真空泵(21)抽真空，其中该端口压力通风室(105)在覆盖该端口(11、10)的盖(15)与覆盖至该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的内部端口的第二盖(107、108)之间形成，其中围绕端口(11、10)的密封装置的内部密封件(101、102)的一个密封面由第一真空室(13)的壁材料(3)和/或第二真空室(12)的壁材料(2)构成，而围绕端口(11、10)的密封装置的内部密封件(101、102)的另一个密封面由第二盖(107、108)的材料组成。
2.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)由金属制成，其中围绕连接所述第一真空室(13)和第二真空室(12)的通路的密封装置的内部密封件(115)包括由该第一真空室(13)的壁材料(3)组成的第一密封面和由该第二真空室(12)的壁材料(2)组成的第二密封面，其中围绕所述第一真空室(13)和所述第二真空室(12)的通路的密封装置的外部密封件(114)包括弹性体O形环，其中该弹性体O形环通过该第一真空室(13)的壁材料(3)或该第二真空室(12)的壁材料(2)中的通道保持在适当位置。
3.如权利要求2所述的真空系统，其特征在于，所述材料为铝。
4.如权利要求2所述的真空系统，其特征在于，该通道的一个侧条(116)相对于该第一或该第二密封面是凹入的。
5.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述端口压力通风室(105)包括所述第一真空室(13)和/或所述第二真空室(12)的所述端口(11、10)的很大一部分面积。
6.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)包括机械馈通件，其中该包括所述机械馈通件的第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)与机械馈通件的接合面被包括内部密封件和外部密封件的密封装置包围，其中机械馈通件压力通风室位于围绕包括所述机械馈通件的真空室与机械馈通件的接合面的密封装置的内部密封件与外部密封件之间，并且其中所述机械馈通件压力通风室连接到所述通路压力通风室，这样使得所述机械馈通件压力通风室与该端口压力通风室二者都通过该辅助真空泵抽真空。
7.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述第一真空室(13)和/或第二真空室(12)包括机械馈通件，其中包括所述机械馈通件的真空室与机械馈通件的接合面被包括内部密封件和外部密封件的密封装置包围，其中机械馈通件压力通风室位于围绕包括所述机械馈通件的真空室与机械馈通件的接合面的密封装置的内部密封件和外部密封件之间，并且其中所述机械馈通件压力通风室连接到所述端口压力通风室。
8.如权利要求6所述的真空系统，其特征在于，该机械馈通件包括可移动的轴(601)、轴承(604)和被固定到所述包括机械馈通件的真空室的壁(605)上的壳体(602)，其中所述围绕包括所述机械馈通件的真空室与机械馈通件的接合面的密封装置的外部密封件(606)包括至少两个弹性体O形环，位于壳体(602)与可移动的轴(601)之间的第一O形环和位于壳体(602)与所述包括机械馈通件的真空室的壁(605)之间的第二O形环，其中所述围绕包括所述机械馈通件的真空室与机械馈通件的接合面的密封装置的内部密封件包括两个密封面积，在该壳体(602)与所述包括机构馈通件的真空室的壁(605)之间的第一密封面积和在该壳体(602)与该可移动的轴(601)之间的第二密封面积，并且其中该机械馈通件压力通风室(608)包括与该第一密封面积相邻的第一体积以及与该第二密封面积相邻的第二体积，其中该第一与该第二体积通过至少一个钻进该壳体(602)的孔互连。
9.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)包括电馈通件(8、9)，其中所述包括电馈通件的真空室(12)与电馈通件(9)的接合面被包括内部密封件(113)和外部密封件(112)的密封装置包围，其中电馈通件压力通风室(110)位于围绕包括电馈通件(8、9)的真空室与电馈通件(8、9)的接合面的密封装置的内部密封件(113)与外部密封件(112)之间，并且其中所述电馈通件压力通风室(110)连接到所述通路压力通风室(106)，这样使得所述电馈通件压力通风室(110)与所述通路压力通风室(106)二者都通过该辅助真空泵(21)抽真空。
10.如权利要求9所述的真空系统，其特征在于，该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)包括通过线路线接到所述电馈通件(8、9)的加热装置，并且其中该线路至少部分地通过耐热材料绝缘。
11.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，将适配件(23)固定到该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)上，该适配件(23)包括标准真空法兰，其中固定适配件(23)的真空室(12)与适配件(23)的接合面被包括内部密封件(121)和外部密封件(119)的密封装置包围，其中适配件压力通风室(120)位于围绕所述固定适配件(23)的真空室(12)与适配件(23)的接合面的密封装置内部密封件(121)与外部密封件(119)之间，并且其中与所述适配件压力通风室(120)连接到通路压力通风室(106)，这样使得该适配件压力通风室(120)与该通路压力通风室(106)二者都通过该辅助真空泵(21)抽真空。
12.如权利要求1所述的真空系统，其特征在于，该第一真空泵是涡轮分子泵或离子吸气泵，其中该第二真空室(12)或第三真空室通过第二真空泵抽真空、其中该第一真空室(13)与第一真空泵的接合面和/或该第二真空室(12)或第三真空室与第二真空泵的接合面被包括内部密封件(131、121)和外部密封件(133、119)的密封装置包围，其中泵压力通风室(132、120)位于围绕该第一真空室(13)与第一真空泵的接合面和/或该第二真空室(12)或第三真空室与第二真空泵的接合面的密封装置的内部密封件(131、121)与外部密封件(133、119)之间，并且其中泵压力通风室(132、120)连接到所述通路压力通风室(106)，这样使得该泵压力通风室(132、120)和该通路压力通风室(106)二者都通过该辅助真空泵(21)抽真空。
13.如权利要求12所述的真空系统，其特征在于，其中该第一真空泵和该第二真空泵通过多端口涡轮分子泵的不同段形成。
14.如权利要求13所述的真空系统，其特征在于，该辅助真空泵通过该多端口涡轮分子泵的另外的段形成。
15.如权利要求13所述的真空系统，其特征在于，所述辅助真空泵由与前级真空泵连接的最后一个段形成。
16.如权利要求12所述的真空系统，其中该第一真空泵和该第二真空泵是单独的涡轮分子泵，并且其中该辅助真空泵(21)由专用的涡轮分子泵形成。
17.如权利要求1至16中任一项所述的真空系统，其特征在于，所述通路压力通风室(106)、所述端口压力通风室(105)、机械馈通件压力通风室、电馈通件压力通风室(110)、适配件压力通风室(120)和泵压力通风室(132)中的至少一个压力通风室和/或所述通路压力通风室(106)、所述端口压力通风室(105)、机械馈通件压力通风室、电馈通件压力通风室(110)、适配件压力通风室(120)和泵压力通风室(132)中的第一压力通风室与所述通路压力通风室(106)、所述端口压力通风室(105)、机械馈通件压力通风室、电馈通件压力通风室(110)、适配件压力通风室(120)和泵压力通风室(132)中的第二压力通风室之间的连接(111、14)由该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的壁材料(3、2)中钻的孔和/或铣削的通道制成。
18.如权利要求1-16中任一项所述的真空系统，其特征在于，进一步包括多个通过通路和/或孔口互连的室，其中至少一个另外的真空室与该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)连接，该另外的真空室通过另外的真空泵抽真空，该另外的真空室和该第一真空室(13)和/或第二真空室(12)通过通路连接，其中该通路被包括内部密封件和外部密封件的密封装置包围，其中第二通路压力通风室位于围绕连接至少一个另外的真空室与该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的通路的密封装置的内部密封件与外部密封件之间，围绕连接至少一个另外的真空室与该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的通路的密封装置的所述第二通路压力通风室通过该辅助真空泵(21)抽真空，并且其中围绕连接至少一个另外的真空室与该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的通路的密封装置的内部密封件的第一密封面由该第一真空室(13)或该第二真空室(12)的壁材料(3、2)组成。
19.如权利要求18所述的真空系统，其特征在于，该第一真空室(13)包括在该壁材料(3)中机加工的具有第一内径的圆柱形端口，其中具有小于该第一内径的内径的停止垫环位于该圆柱形端口的轴向内端，其中将具有匹配该第一内径的第一外径的圆柱形工件(126)压靠在该停止垫环上，这样使得在该圆柱形工件的壁与该停止垫环之间形成第一密封件(134)，其中该圆柱形工件的轴向外侧面包括具有第二外径的壁截面，该第二外径小于该第一内径，其中该圆柱形工件进一步包括将具有该第一和该第二外径的壁零件接合的膜，该圆柱形端口进一步包括具有第二内径的轴向外侧截面，该第二内径大于该第一内径，其中在该具有第二外径的壁截面与该另外的真空室的壁材料之间形成第二密封件(127)，其中该轴向外侧截面与通过该辅助真空泵抽真空的所述通路压力通风室(106)、所述端口压力通风室(105)、机械馈通件压力通风室、电馈通件压力通风室(110)、适配件压力通风室(120)和泵压力通风室(132，120)和围绕连接另外的真空室与该第一真空室(13)和/或该第二真空室(12)的通路的密封装置的所述第二通路压力通风室中的一个连接，从而达到辅助真空，并且其中在该另外的真空室的壁材料与该第一真空室的轴向外侧壁材料之间形成第三密封件(129)，这样使得该第三密封件相对于大气进行密封并且该第一密封件和第二密封件提供相对于该辅助真空的密封。
20.一种质谱系统，包括根据权利要求1所述的真空系统(1)，其中一个真空室容纳离子源(701)，其中至少一个真空室容纳离子光学元件(702)，并且至少一个另外的真空室连接到该真空系统，或者至少一个另外的真空室是该真空系统的一部分，其中这些另外的真空室之一容纳离子检测器(706)。
21.一种质谱系统，包括根据权利要求18所述的真空系统(1)，其中一个真空室容纳离子源(701)，其中至少一个真空室容纳离子光学元件(702)，并且至少一个另外的真空室连接到该真空系统，或者至少一个另外的真空室是该真空系统的一部分，其中这些另外的真空室之一容纳离子检测器(706)。
22.一种质谱系统，包括根据权利要求1所述的真空系统(1)，其中一个真空室容纳离子源(701)，其中至少一个真空室容纳静电分析器，并且至少一个另外的真空室连接到该真空系统，或者是该真空系统的一部分，其中这些另外的真空室之一容纳离子检测器(706)。
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