CN112630127A - 一种真空微粒计数器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空微粒计数器，包括外壳，其具有沿z向贯穿外壳的测量孔，外壳的内部固定有：光入射部，用于发射激光并形成截面光强均匀分布的平顶光束，位于测量孔的一侧，包括沿x向依次排列的激光器、入射光学元件组和入射光阑，入射光学元件组包括沿x向依次排列的聚焦透镜、匀光棒和透镜组；光探测部，收集平顶光束被微粒散射而形成的散射光，并根据收集到的散射光探测微粒数量；光出射部，与光入射部相对位于测量孔的另一侧，用于吸收光入射部发出的激光中未被微粒散射的部分。本发明的真空微粒计数器，采用包含匀光棒的特殊入射光路，使得入射激光形成截面光强均匀分布的平顶光束，可增大有效测量区域。
Description
技术领域
本发明涉及无尘加工制造及真空技术领域，更具体地涉及一种真空微粒计数器。
背景技术
无尘加工制造对加工的环境有严格的洁净度要求，比如洁净度10级要求环境中的尺寸大于0.1微米的颗粒数少于10000个/立方米，在某些应用领域中，如高能粒子加速器、半导体行业的芯片制造、光伏及显示行业的薄膜面板生产组装中，还会涉及到真空的环境，因此对制造加工中涉及的整个真空过程也有无尘化要求。一般采用air-borne微粒计数器来监测大气环境中不同尺寸的微粒数量，其原理是通过内部的气泵采集环境中的空气并以一定的流量如28.3或2.83升/分钟通过微粒计数器中的探测管道，通过探测微粒表面的激光散射来确定微粒的尺寸及数量。
然而，在真空环境中，特别是高真空下气体分子以分子流形式运动，其运动的方向是随机的，导致环境中的微粒的运动也没有统一的方向性，微粒监测的难度较大，而且目前没有专用于真空内的微粒计数器。目前使用的air-borne微粒计数器中的探测单元存在的问题是测量区域较小，一般小于105立方微米量级，在高真空环境中探测到随机运动的微粒的几率很小，其无法用于真空环境中的微粒监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空微粒计数器，以实现真空系统内微米量级尺度的微粒监测。
本发明提供一种真空微粒计数器，包括：外壳，其具有沿z向贯穿所述外壳的测量孔，所述外壳的内部固定有：
光入射部，用于发射激光并形成截面光强均匀分布的平顶光束，位于所述测量孔的一侧，包括沿x向依次排列的激光器、入射光学元件组和入射光阑，所述入射光学元件组包括沿x向依次排列的聚焦透镜、匀光棒和透镜组；
光探测部，收集所述平顶光束被微粒散射而形成的散射光，并根据收集到的散射光探测微粒数量；
光出射部，与所述光入射部相对位于所述测量孔的另一侧，用于吸收所述光入射部发出的激光中未被微粒散射的部分。
进一步地，所述光探测部包括沿y向分别设置在测量孔上下位置处的椭球面镜和球面镜，所述椭球面镜和所述球面镜的反射面相对，其中球面镜上设有开孔，所述开孔的正下方设有沿y向依次排列的可调光阑和探测器。
进一步地，所述椭球面镜的上焦点与所述球面镜的球心重合；所述椭球面镜与所述球面镜的外径相同。
进一步地，所述光探测部位于所述光出射部远离测量孔的一侧，包括第一环状透镜、沿y向依次设置的第一探测器和第二探测器，所述第一环状透镜的中间固定有第二环状透镜，所述第一环状透镜和所述第二环状透镜共面并同心放置。
进一步地，所述第一环状透镜和所述第二环状透镜均为菲涅尔透镜。
进一步地，所述第一环状透镜的焦距、内径和外径分别为20.3毫米、9毫米和12毫米，所述第二环状透镜的焦距、内径和外径分别为19.7毫米、4毫米和8毫米。
进一步地，所述外壳内设有支撑板和支架，所述第一环状透镜固定在所述支撑板上，所述第一探测器和所述第二探测器固定在所述支架上。
进一步地，所述光出射部包括沿x向依次排列的光阑和光吸收装置。
进一步地，所述匀光棒为六棱柱状且由熔融石英材料制成。
进一步地，还包括相互电连接的电路馈通和控制单元，所述控制单元位于所述外壳之外，所述电路馈通固定在所述外壳的侧壁上并分别与所述激光器和所述探测器电连接，所述电路馈通与所述外壳之间设有密封装置。
本发明的真空微粒计数器，采用包含匀光棒的特殊入射光路，使得入射激光形成截面光强均匀分布的平顶光束，可增大有效测量区域；采用椭球镜与球面镜相结合的反射镜面，扩大微粒散射光的收集立体角，提高微粒探测的信噪比。本发明的的真空微粒计数器还可采用多个光入射部和光探测部，形成多个测量区域，增加真空系统某一空间内的微粒探测几率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的真空微粒计数器的外部结构示意图；
图2为图1中的真空微粒计数器的xy平面剖面示意图；
图3为图2中的测量孔位置的放大图；
图4为图2的A-A剖视图；
图5为图2中的入射光学元件组的放大示意图；
图6为图1中的真空微粒计数器的控制单元中的信号处理流程图；
图7为本发明另一实施例提供的真空微粒计数器的结构示意图；
图8为图7中的真空微粒计数器的光入射部和光探测部的放大示意图；
图9为本发明的真空微粒计数器使用时与真空管道的位置关系示意图；
图10为采用两个本发明的真空微粒计数器时与真空管道的位置关系示意图；
图11为本发明的真空微粒计数器使用时与盲板法兰的位置关系示意图；
图12为本发明又一实施例提供的真空微粒计数器的结构示意图；
图13为图12中的真空微粒计数器的测量孔、光出射部和光探测部的放大示意图；
图14为图12中的真空微粒计数器的控制单元中的信号处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
应当注意的是，本发明实施例的xyz坐标系为空间直角坐标系，x方向为水平方向，y方向为竖直方向，z方向为前后方向，这些方向只是为了描述方便，而不是对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种真空微粒计数器，包括外壳1，其具有沿z向贯穿外壳1的测量孔2，外壳1可为内部中空的铝制长方体，并经过发黑处理，以减少光线在外壳1内外表面的散射，在本实施例中，其x向长度可为7至12厘米，y向宽度可为2至3.5厘米，z向厚度可为1.2至2厘米；测量孔2可设置在外壳1的中部，为长条孔，其x向长度可设置为3至5厘米，y向宽度可设置为1.5至3厘米，这样能够保证待检测的真空系统内的微粒有足够大的几率运动至测量孔2内，从而增大检测到微粒的几率。
如图2所示，外壳1的内部沿x向依次固定有光入射部、光探测部和光出射部，其中，光入射部位于测量孔2的一侧，包括沿x向依次设置的激光器3、入射光学元件组4和入射光阑5；光出射部位于测量孔2的另一侧，包括沿x正向依次排列的出射光阑9和光吸收阱10；光探测部包括第一反射镜6、可调光阑7、探测器8和第二反射镜11，第一反射镜6位于测量孔2的上方，第一反射镜6的轴向沿y方向且反射面朝下，朝向测量孔2；第二反射镜11位于测量孔2内部的下侧，其轴向沿y向且反射面朝上，可调光阑7和探测器8依次沿y负向排列在测量孔2的下方。
激光器3发射的激光波长及功率的典型值分别为445nm及10mW，激光器3发射的激光经过入射光学组件4和入射光阑5后形成截面光强均匀分布的平顶光束并聚焦在测量孔2的中心位置，所形成的均匀光强区域称为测量区域100，该测量区域100是一个椭球区域，其在x方向的范围总长度为700微米，在yz平面的截面的直径为410至520微米，当微粒运动至测量区域100内，激光在其表面被散射而形成散射光，该散射光向空间中射出，其中一部分散射光被第一反射镜6反射并通过可调光阑7进入探测器8，还有一部分散射光先被第二反射镜11反射，然后又被第一反射镜6二次反射后通过可调光阑7进入探测器8，从而使微粒被探测到；平顶光束的大部分光经过出射光阑9后进入光吸收阱10被吸收。
第一反射镜6为椭球面镜，第二反射镜11为球面镜。椭球面镜具有两个焦点，上焦点及下焦点，其中上焦点与球面镜的球心重合，且上焦点位于由激光器3发射的激光束汇聚而成的测量区域100的中心，下焦点则与探测器8重合，在上焦点位置发出的光被椭球面镜反射后，能够汇聚至下焦点，这样，激光在进入测量区域100的微粒表面的散射光能够被反射并最终进入探测器8，从而被探测到。椭球面镜的外径（椭球面镜的外径为其反射面外轮廓边缘所对应圆的直径）与球面镜的外径相同，为1.0至1.8厘米。
如图3和图4所示，其中示出了光路的走向， F为第一反射镜6的上焦点，沿x方向的箭头即为经过出射光阑9后被光吸收阱10吸收的激光，沿y方向的虚线箭头表示被微粒散射并被第一反射镜6反射后进入探测器8的激光，图4中的虚线箭头为被第一反射镜6反射的光路走向，实线箭头为先被第二反射镜11反射，然后被第一反射镜6反射的光路走向。具体的，第二反射镜11上具有开孔111，可调光阑7和探测器8依次位于该开孔111的下方，微粒表面的散射光均从该开孔111进入可调光阑7，然后达到探测器8。开孔111可设置在第二反射镜11的中部，其直径可设置为8毫米。
如图5所示，入射光学元件组4包括沿x正向依次排列的聚焦透镜41、匀光棒42和透镜组43，其中，匀光棒42为熔融石英材料制成的柱状导光管，其xz截面为正六边形，即匀光棒42为六棱柱，这样，进入其中的激光束在六棱柱内经过多次全内反射后射出，能够增加出射激光束中光强的均匀性，匀光棒42的入射孔径可设为1.2毫米。
继续参照图2，真空微粒计数器还可包括电路馈通12和控制单元（图中未示出），激光器3及探测器8均通过外壳1内部的电缆连接至电路馈通12，电路馈通位于外壳1的侧壁且与外壳1之间设置有密封装置，从而具有气密性，其能够将外壳1内部的电缆引出，控制单元位于外壳1的外部，并通过外部电缆与电路馈通连接，从而使外部的控制单元通过电路馈通12与内部的激光器3和探测器8连接，同时保证真空微粒计数器的气密性。控制单元可为激光器3和探测器8供电，并控制激光器3发出激光的频率，探测器8输出的信号通过电缆进入控制单元，控制单元能够对信号进行处理，从而得到微粒数。
如图6所示，探测器8探测到的信号通过电缆输入至控制单元，控制单元根据信号中的各个脉冲的强度及持续时间来甄别其对应的微粒尺寸，并记录各尺寸微粒对应的脉冲的实际出现次数来获得进入测量区域100的各尺寸的实测计数N0.1、N0.3、N0.5和N1，然后对实测计数进行处理后，最终输出校准后计数N* 0.1、N* 0.3、N* 0.5和N* 1。根据信号中的各个脉冲的强度及持续时间来计数的实现方法可参见《数字电子技术基础(第2版)》北京航空航天大学出版社，此处不再赘述。
甄别各个脉冲对应的尺寸需要通过预先进行的校准来实现，校准方法包括信号脉冲校准和标准计数校准，具体方法如下：
1）信号脉冲校准：需要一台经过校准的气溶胶发生器，其能够产生尺寸分别为0.1微米、0.3微米、0.5微米和1微米的标准气溶胶颗粒，这些颗粒可从气溶胶发生器的出样口喷出，该气溶胶发生器还能够设置产生的标准气溶胶颗粒的数量，范围为100至5000000个/秒，将气溶胶发生器的出样口置于测量孔2的一侧，使其产生的标准气溶胶颗粒能够沿z向通过测量孔2；将气溶胶发生器设置为仅产生尺寸为1微米的标准气溶胶颗粒，探测器8将探测到的散射光转换为信号并通过电缆输入控制单元中，控制单元能够记录所述信号中的各个脉冲的强度及持续时间，并分别得出脉冲的强度及持续时间的正态分布，将脉冲的强度的正态分布的半高全宽设为1微米尺寸的微粒所对应的脉冲的强度范围S，将脉冲的持续时间的正态分布的半高全宽设为1微米尺寸的微粒所对应的脉冲的持续时间范围T，即仅当某个脉冲同时满足强度在S范围内及持续时间在T范围内的条件下，控制单元才将该脉冲用于1微米尺寸的微粒的计数。同样的，尺寸分别为0.1微米、0.3微米、0.5微米的信号脉冲校准也按照上述方法进行。
2）标准计数校准：需要一台经过校准的气溶胶发生器及一台经过校准的air-borne微粒计数器。
气溶胶发生器能够产生尺寸分别为0.1微米、0.3微米、0.5微米和1微米的标准气溶胶颗粒，并从其出样口喷出，并能够设置产生的标准气溶胶颗粒的数量，范围为100至5000000个/秒，将气溶胶发生器的出样口置于测量孔2的z向的一侧，将air-borne微粒计数器的采样头置于测量孔2的z向的另一侧，分别记录10秒时间内本发明的计数值N1及air-borne微粒计数器的计数值N2，并得到校准系数k=N1/N2，对于0.1微米尺寸，10秒时间内本发明的计数值N10.1及air-borne微粒计数器的计数值N20.1，并得到校准系数K0.1=N10.1/N20.1；对于0.3微米尺寸，10秒时间内本发明的计数值N10.3及air-borne微粒计数器的计数值N20.3，并得到校准系数K0.3=N10.3/N20.3；对于0.5微米尺寸，10秒时间内本发明的计数值N10.5及air-borne微粒计数器的计数值N20.5，并得到校准系数K0.5=N10.5/N20.5；对于1微米尺寸，10秒时间内本发明的计数值N11及air-borne微粒计数器的计数值N21，并得到校准系数K1=N11/N21；控制单元通过记录所述信号的实际出现次数得到的进入测量区域的尺寸为0.1微米、0.3微米、0.5微米和1微米的微粒数分别为N0.1、N0.3、N0.5和N1，控制单元输出经过校准后的微粒计数分别为N* 0.1=N0.1/K0.1、N*0.3=N0.3/K0.3、N*0.5=N0.5/K0.5和N*1=N1/K1。
如图7和图8所示，在上述实施例的基础上，为了进一步增加测量区域的体积，提高真空系统中微粒的探测几率，可以在外壳1内设置多组光入射部和光探测部，光入射部和光探测部一一对应，多个光入射部沿y向依次排列，多个光探测部沿x向依次排列，从而形成多个测量区域。例如，可设置为三个，其中，第一组光入射部和光探测部包括激光器Ⅰ3-1、入射光学元件组Ⅰ4-1、入射光阑Ⅰ5-1、椭球面镜Ⅰ6-1、可调光阑Ⅰ7-1、探测器Ⅰ8-1和球面镜Ⅰ11-1；第二组光入射部和光探测部包括激光器Ⅱ3-2、入射光学元件组Ⅱ4-2、入射光阑Ⅱ5-2、椭球面镜Ⅱ6-2、可调光阑Ⅱ7-2、探测器Ⅱ8-2和球面镜Ⅱ11-2；第三组光入射部和光探测部包括激光器Ⅲ3-3、入射光学元件组Ⅲ4-3、入射光阑Ⅲ5-3、椭球面镜Ⅲ6-3、可调光阑Ⅲ7-3、探测器Ⅲ8-3和球面镜Ⅲ11-3；激光器Ⅰ3-1、激光器Ⅱ3-2、激光器Ⅲ3-3、探测器Ⅰ8-1、探测器Ⅱ8-2和探测器Ⅲ8-3均电缆连接至电路馈通12，激光器Ⅰ3-1、激光器Ⅱ3-2和激光器Ⅲ3-3发射的激光分别聚焦形成三个测量区域A、B、C，在三个测量区域A、B、C中的微粒表面的散射光分别进入探测器Ⅰ8-1、探测器Ⅱ8-2和探测器Ⅲ8-3，产生相应的电信号分别输出至控制单元，控制单元能够通过所述电信号的总出现次数来确定进入测量区域的微粒数。
如图9所示，本发明的真空微粒计数器在使用时，先将一真空管道21两端连接至待测的真空系统中，真空微粒计数器的外壳1的x向两端则固定在真空管道21的边缘，且测量孔2全部位于真空管道21内，测量孔2的z向中心线与真空管道21的轴线平行，电路馈通12位于真空管道21外。
如图10所示，还可采用两个本发明的真空微粒计数器进行测量，两个真空微粒计数器均贯穿并固定于真空管道21侧壁，其中一个计数器的测量孔2的z向中心线与真空管道21的轴线平行，另一个真空微粒计数器的测量孔2的z向中心线与真空管道21的轴线垂直，电路馈通12均位于真空管道21之外。
如图11所示，还可采用盲板法兰的方式进行测量，微粒计数器的一端贯穿并垂直固定于真空盲板法兰22，电路馈通12位于真空盲板法兰22的真空外一侧，使用时将盲板法兰22安装至待测的真空系统中，从而完成测量。
本发明实施例提供的真空微粒计数器，采用包含匀光棒42的特殊入射光路，使得入射激光形成截面光强均匀分布的平顶光束，可增大有效测量区域；采用椭球镜与球面镜相结合的反射镜面，扩大微粒散射光的收集立体角，提高微粒探测的信噪比。本发明的的真空微粒计数器还可采用多个光入射部和光探测部，形成多个测量区域，增加真空系统某一空间内的微粒探测几率。
实施例二
本实施例提供一种真空微粒计数器，其结构与实施例一中的真空微粒计数器基本相同，只是将实施例一中的光探测部的结构进行改进。如图12所示，本实施例的真空微粒计数器包括外壳1’，其具有沿z向贯穿外壳1’的测量孔2’，外壳1’的宽度可设为3.5厘米，厚度为3.5厘米。
外壳1’的内部沿x向依次固定有光入射部、光出射部和光探测部，其中，光入射部位于测量孔2’的x向一侧，包括沿x向依次排列的激光器3’、入射光学元件组4’和入射光阑5’，入射光学元件组4’的结构与实施例一中相同，此处不再赘述。
光出射部位于测量孔2’的x向另一侧，包括沿x向依次排列的前置光阑13和光吸收器14。
光探测部包括第一环状透镜16、沿y向依次设置的第一探测器18和第二探测器19，第一环状透镜16的中间固定有第二环状透镜15，且第一环状透镜16和第二环状透镜15共面并同心放置，第一环状透镜16的z向一侧的焦距为20.3毫米、内径为9毫米、外径为12毫米，第二环状透镜15的z向一侧的焦距为19.7毫米、内径为4毫米、外径为8毫米，两者均为偏心式菲涅尔透镜，其几何中心轴与光学中心轴不重合。外壳1’内可设置一支撑板17，第一环状透镜16固定在该支撑板17上。
优选的，外壳1’内可设置一支架20，第一探测器18和第二探测器19固定在支架20上。
本实施例的真空微粒计数器还包括电路馈通12’和控制单元，其连接关系与实施例一中相同。
本实施例的真空微粒计数器的工作原理如下：
激光器3’发射的激光经过入射光学元件组4’和入射光阑5’后形成截面光强均匀分布的平顶光束并聚焦在测量孔2’的中心位置，形成一均匀光强区域，即测量区域100’，测量区域100’的z向前半区域为测量区域100’前部，测量区域100’的z向后半区域为测量区域100’后部，第一环状透镜16的z向一侧焦点位于测量区域100’前部内，第二环状透镜的z向一侧焦点位于测量区域100’后部内，当微粒进入测量区域100’后，激光照射在微粒上形成散射光，例如，如图13所示，测量区域100’具有两个微粒D和E，微粒D和E分别位于测量区域100’前部和测量区域100’后部内，微粒D的散射光经过第一环状透镜16反射至第一探测器18，微粒E的散射光则经过第二环状透镜15反射至第二探测器19，第一探测器18和第二探测器19则将信号传输至控制单元，从而得到微粒数。
如图14所示，与实施例一中相同，控制单元根据第一探测器18和第二探测器19的信号中的脉冲的强度及持续时间来甄别其对应的微粒尺寸，然后获得实测计数，然后得到校准后计数，最后将第一探测器18和第二探测器19的校准后计数相加后输出，即为探测得到的微粒数。
本实施例的真空微粒计数器在使用前，需要分别对第一探测器18和第二探测器19进行信号脉冲校准和标准计数校准，方法如下：
1）关闭第二探测器19，仅对第一探测器18进行信号脉冲校准及标准计数校准；
2）关闭第一探测器18，仅对第二探测器19进行信号脉冲校准及标准计数校准；
3）在控制单元内，第一探测器18经过校准后的微粒计数与第二探测器19经过校准后的微粒计数中各尺寸微粒对应的计数相加，并最终输出。
信号脉冲校准及标准计数校准的方法与实施例一中相同，此处不再赘述。
本实施例的真空微粒计数器在使用时，也可以与真空管道或真空盲板法兰配合，具体连接方式与实施例一相同，此处不再赘述。
本实施例的真空微粒计数器，采用包含匀光棒的特殊入射光路，使得入射激光形成截面光强均匀分布的平顶光束，可增大有效测量区域；采用第一环状透镜与第二环状透镜相结合的透射镜面，扩大微粒散射光的收集立体角，提高微粒探测的信噪比。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种真空微粒计数器，其特征在于，包括：外壳，其具有沿z向贯穿所述外壳的测量孔，所述外壳的内部固定有：
光入射部，用于发射激光并形成截面光强均匀分布的平顶光束，位于所述测量孔的一侧，包括沿x向依次排列的激光器、入射光学元件组和入射光阑，所述入射光学元件组包括沿x向依次排列的聚焦透镜、匀光棒和透镜组；
光探测部，收集所述平顶光束被微粒散射而形成的散射光，并根据收集到的散射光探测微粒数量；
光出射部，与所述光入射部相对位于所述测量孔的另一侧，用于吸收所述光入射部发出的激光中未被微粒散射的部分。
2.根据权利要求1所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述光探测部包括沿y向分别设置在测量孔上下位置处的椭球面镜和球面镜，所述椭球面镜和所述球面镜的反射面相对，其中球面镜上设有开孔，所述开孔的正下方设有沿y向依次排列的可调光阑和探测器。
3.根据权利要求2所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述椭球面镜的上焦点与所述球面镜的球心重合；所述椭球面镜与所述球面镜的外径相同。
4.根据权利要求1所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述光探测部位于所述光出射部远离测量孔的一侧，包括第一环状透镜、沿y向依次设置的第一探测器和第二探测器，所述第一环状透镜的中间固定有第二环状透镜，所述第一环状透镜和所述第二环状透镜共面并同心放置。
5.根据权利要求4所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述第一环状透镜和所述第二环状透镜均为菲涅尔透镜。
6.根据权利要求5所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述第一环状透镜的焦距、内径和外径分别为20.3毫米、9毫米和12毫米，所述第二环状透镜的焦距、内径和外径分别为19.7毫米、4毫米和8毫米。
7.根据权利要求6所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述外壳内设有支撑板和支架，所述第一环状透镜固定在所述支撑板上，所述第一探测器和所述第二探测器固定在所述支架上。
8.根据权利要求1所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述光出射部包括沿x向依次排列的光阑和光吸收装置。
9.根据权利要求1所述的真空微粒计数器，其特征在于，所述匀光棒为六棱柱状且由熔融石英材料制成。
10.根据权利要求1-9任一项所述的真空微粒计数器，其特征在于，还包括相互电连接的电路馈通和控制单元，所述控制单元位于所述外壳之外，所述电路馈通固定在所述外壳的侧壁上并分别与所述激光器和所述探测器电连接，所述电路馈通与所述外壳之间设有密封装置。
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