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Die Erfindung betrifft eine Untersuchungseinrichtung wie ein Massenspektrometer.
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Derartige Untersuchungseinrichtungen weisen mehrere, mindestens zwei hintereinander angeordnete Kammern auf. In den Kammern herrschen unterschiedliche Vakuumdrücke, wobei in einer ersten Kammer ein vergleichsweise geringes Vakuum herrscht und das Vakuum in darauffolgenden Kammern stets zunimmt. Beispielsweise herrscht in der ersten Kammer ein Druck von 1–3 mbar, in der zweiten von 10–3–10–2 und in der dritten von ca. 10–5 mbar. Bei einem System mit zwei Kammern herrscht in der ersten Kammer ein Vakuum von 1–3 mbar und in der zweiten Kammer ein Vakuum von ca. 10–5 mbar. In die erste Kammer wird ein zu untersuchendes Fluid eingeleitet, das sodann durch eine Blendenöffnung in die zweite Kammer und ggf. durch eine weitere Blendenöffnung in die dritte Kammer strömt. In der letzten Kammer ist eine Messeinrichtung angeordnet. Zur Erzeugung von unterschiedlichem Vakuum in den Untersuchungskammern sind diese mit Vakuumpumpen verbunden. Um die erforderlichen niedrigen Drücke, insbesondere in der zweiten oder auch in der dritten Kammer, zu erzeugen, ist eine Turbomolekularpumpe vorgesehen, deren Einlass mit der zweiten Kammer verbunden ist. Ebenfalls kann eine weitere Turbomolekularpumpe vorgesehen sein, die mit der dritten Kammer verbunden ist. Mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe ist eine Vorvakuumpumpe verbunden. Diese ist erforderlich, da zur Erzeugung der niedrigen Drücke die Turbomolekularpumpe nicht gegen Atmosphäre pumpen kann. Über eine weitere Leitung ist die Vorvakuumpumpe mit der ersten Untersuchungskammer verbunden. Somit herrscht am Auslass der Turbomolekularpumpe annähernd derselbe Druck wie in der ersten Untersuchungskammer. Da die Messempfindlichkeit der in der letzten Kammer angeordneten Messeinrichtung bei Massenspektrometern in den letzten Jahren verbessert wurde, können der ersten Kammer größere Gasmengen zugeführt werden. Hierdurch steigt der Druck im Vorvakuumbereich, d.h. in der ersten Kammer, und somit auch der am Auslass der Turbomolekularpumpe herrschende Druck. Durch den vergleichsweise höheren Druck am Auslass der Turbomolekularpumpe ist die Belastung der Turbomolekularpumpe erhöht, so dass es aufgrund des höheren Drucks zur Überlastung und somit zum Abschalten der Turbomolekularpumpe kommen kann.
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Zur Vermeidung der Überlastung der Turbomolekularpumpe müsste eine Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen eingesetzt werden. Dies würde allerdings zu einem ungewollten Absinken des Drucks in der ersten Untersuchungskammer führen. Bei einem Druck von vorzugsweise 1–3 mbar in der ersten Kammer ist die Ionisierungswahrscheinlichkeit hoch. Diese sinkt bei einer Reduzierung des Drucks. Insofern besteht lediglich die Möglichkeit zur Vermeidung der Überlastung der Turbomolekularpumpe, eine weitere Vorvakuumpumpe vorzusehen, so dass eine Vorvakuumpumpe mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe und eine weitere unabhängige Vorvakuumpumpe mit der ersten Untersuchungskammer verbunden sind. Dies erhöht allerdings die Kosten eines Massenspektrometers erheblich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Untersuchungseinrichtung wie ein Massenspektrometer zu schaffen, wodurch bei der Verwendung empfindlicherer Messeinrichtungen bzw. beim Einleiten größerer Gasmengen in die erste Untersuchungskammer eine Überlastung der Turbomolekularpumpe vermieden ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Untersuchungseinrichtung, bei der es sich insbesondere um ein Massenspektrometer handelt, weist mindestens zwei Untersuchungskammern auf. Eine Vorvakuumpumpe ist mit der ersten Untersuchungskammer verbunden. Ferner ist diese Vorvakuumpumpe mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe verbunden. Der Einlass der Turbomolekularpumpe ist mit der zweiten Untersuchungskammer verbunden. Falls weitere Untersuchungskammern vorhanden sind, werden diese entweder über weitere Turbomolekularpumpen oder durch Vorsehen von Multi-Inlet-Turbomolekularpumpen evakuiert.
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Um zu vermeiden, dass auch beim Zuführen größerer Gasmengen in die erste Untersuchungskammer und des damit steigenden Drucks im Vorvakuumbereich eine Überlastung der Turbomolekularpumpe erfolgt, ist erfindungsgemäß zwischen der Vorvakuumpumpe und der ersten Untersuchungskammer eine Drossel angeordnet. Durch Vorsehen der Drossel kann sichergestellt werden, dass trotz des Verwendens einer Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen in der ersten Untersuchungskammer der gewünschte Druck herrscht. Gleichzeitig ist durch Verwenden einer Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen sichergestellt, dass an dem Auslass der Turbomolekularpumpe ein entsprechend geringer Druck herrscht, so dass eine Überlastung der Turbomolekularpumpe vermieden ist.
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Je nach Art des Einsatzgebietes eines Massenspektrometers und dessen Aufbaus mit beispielsweise zwei oder drei Kammern wird eine Vorvakuumpumpe mit entsprechendem Saugvermögen eingesetzt. Bei einem gleichen Typ des Massenspektrometers kann durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Drossel eine Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen eingesetzt werden. In Verbindung mit einer Drossel in der Verbindungsleitung zur ersten Untersuchungskammer wird aus der ersten Untersuchungskammer dasselbe Volumen wie bei bestehenden Massenspektrometern abgesaugt. Durch das erhöhte Saugvermögen ist sichergestellt, dass am Auslass der Turbomolekularpumpe trotz der sich in der Untersuchungskammer befindlichen größeren Gasmenge der erforderliche niedrige Druck von beispielsweise 0,1–1 mbar anliegt.
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Vorzugsweise ist die Drossel derart angeordnet oder ausgebildet, dass durch die Vorvakuumpumpe am Auslass der Turbomolekularpumpe ein geringerer Druck als in der ersten Untersuchungskammer herrscht bzw. erzeugt wird. Da erfindungsgemäß eine gemeinsame Vorvakuumpumpe zum Evakuieren der ersten Untersuchungskammer sowie auch zum Verbinden mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe verwendet wird, ist es bevorzugt, dass die Drossel nahe dem Auslass der ersten Untersuchungskammer, mit dem die zur Vorvakuumpumpe verbundene Leitung verbunden ist, angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein Einlass der Vorvakuumpumpe mit einer Verbindungsleitung verbunden. Die Verbindungsleitung weist eine Verzweigung in zwei Verbindungsleitungen auf, wobei die erste Verbindungsleitung mit der ersten Untersuchungskammer und die zweite Verbindungsleitung mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe verbunden ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist die Drossel in der ersten Verbindungsleitung, d.h. zwischen der Verzweigung und dem Auslass der ersten Untersuchungskammer angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Drossel als ein einzelnes Bauteil ausgeführt. Insbesondere weist dann die erste Verbindungsleitung, in der die Drossel angeordnet ist, zwischen der Verzweigung und der ersten Untersuchungskammer keine weitere Verzweigung auf, wodurch sich der Aufbau der Untersuchungseinrichtung weiter vereinfacht.
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Vorzugsweise weist die Drossel eine insbesondere mechanische Blende auf. Besonders bevorzugt ist es, dass die Drossel ein Druckverhältnis von mehr als 2 aufweist. Alternativ kann auch eine regelbare Drossel vorgesehen sein. Hierdurch ist es in Verbindung mit einer Steuereinrichtung und Drucksensoren möglich, die Druckverhältnisse an der Drossel einzustellen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Untersuchungseinrichtung zumindest eine weitere, d.h. eine dritte, Untersuchungskammer auf. Die weitere Untersuchungskammer kann mit einer Zusatz-Turbomolekularpumpe verbunden sein, wobei der Auslass der Zusatz-Turbomolekularpumpe mit einem Einlass der die zweite Untersuchungskammer evakuierenden Turbomolekularpumpe verbunden ist. Der Einlass dieser Turbomolekularpumpe ist somit einerseits mit der zweiten Untersuchungskammer und andererseits mit dem Auslass der Zusatz-Turbomolekularpumpe verbunden. Ferner kann der Auslass der Zusatz-Turbomolekularpumpe mit einem Zwischeneinlass einer als Multi-Inlet-Pumpe ausgebildeten Turbomolekularpumpe verbunden sein, wobei der Haupteinlass dieser Turbomolekularpumpe wiederum mit der zweiten Untersuchungskammer verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Auslass der Zusatz-Turbomolekularpumpe mit dem Auslass der mit der zweiten Kammer verbundenen Turbomolekularpumpe verbunden ist, wobei der Einlass dieser Turbomolekularpumpe wiederum mit der zweiten Untersuchungskammer verbunden ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der ebenfalls eine weitere bzw. dritte Untersuchungskammer vorgesehen ist, ist die Turbomolekularpumpe als Multi-Inlet-Pumpe ausgebildet. Hierbei ist der Haupteinlass der Multi-Inlet-Pumpe mit der dritten Untersuchungskammer und der Zwischeneinlass der Multi-Inlet-Pumpe mit der zweiten Untersuchungskammer verbunden. Ebenso ist es möglich, dass die Untersuchungseinrichtung eine größere Anzahl an Untersuchungskammern aufweist, wobei jeweils die Untersuchungskammer mit dem geringsten Druck mit dem Haupteinlass der Multi-Inlet-Turbomolekularpumpe und die übrigen Kammern mit den entsprechenden Zwischeneinlässen der Multi-Inlet-Turbomolekularpumpe verbunden sind.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Untersuchungseinrichtung, bei der es sich insbesondere um ein Massenspektrometer handelt. Die Untersuchungseinrichtung weist mindestens zwei Untersuchungskammern auf. Eine Vorvakuumpumpe ist mit der ersten Untersuchungskammer verbunden. Ferner ist diese Vorvakuumpumpe mit dem Auslass der Turbomolekularpumpe verbunden. Der Einlass der Turbomolekularpumpe ist mit der zweiten Untersuchungskammer verbunden.
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Um zu vermeiden, dass auch beim Zuführen größerer Gasmengen in die erste Untersuchungskammer und des damit steigenden Drucks im Vorvakuumbereich eine Überlastung der Turbomolekularpumpe erfolgt, ist erfindungsgemäß zwischen der Vorvakuumpumpe und der ersten Untersuchungskammer eine Drossel angeordnet. Durch Vorsehen der Drossel kann sichergestellt werden, dass beim Zuführen einer größeren Gasmenge der Druck am Auslass der Turbomolekularpumpe sich nicht zu stak ändert und im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Dadurch ist es durch ein entsprechendes Druckverhältnis an der Drossel möglich bei gleicher Saugleistung der Vorvakuumpumpe unterschiedliche Mengen eines Gases zuzuführen. Insbesondere wird das Druckverhältnis der Drossel gewählt in Abhängigkeit zu dem in der ersten Untersuchungskammer herrschenden Druck.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt das Verfahren in Verbindung mit einer Drossel in der Verbindungsleitung zur ersten Untersuchungskammer sicher, dass trotz der sich in der ersten Untersuchungskammer befindlichen größeren Gasmenge der erforderliche niedrige Druck von beispielsweise 0,1–1 mbar am Auslass der Turbomolekularpumpe gehalten wird, um so eine Überlastung der Turbomolekularpumpe zu verhindern. Um diesen geringeren Druck am Auslass der Turbomolekularpumpe zu gewährleisten, wird dabei die Drosselung verstärkt, umso höher der Druck in der ersten Untersuchungskammer ist. Umgekehrt kann bei reduziertem Druck in der ersten Untersuchungskammer die Drosselung ebenfalls reduziert werde. Die Drosselung entspricht dabei gerade dem Verhältnis des Gasstroms im un-gedrosselten bzw. drosselfreien Fall zum gedrosselten Gasstrom.
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Vorzugsweise ermöglicht das Verfahren dass trotz des Verwendens einer Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen in der ersten Untersuchungskammer der gewünschte Druck herrscht und dieser im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, auch beim Zuführen einer größeren Gasmenge. Gleichzeitig ist durch Verwenden einer Vorvakuumpumpe mit höherem Saugvermögen sichergestellt, dass an dem Auslass der Turbomolekularpumpe ein entsprechend geringer Druck herrscht, so dass eine Überlastung der Turbomolekularpumpe vermieden ist.
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Vorzugsweise ist die im Verfahren benutzte Drossel regulierbar. Damit ist es möglich die Drosselung an verschiedene Drücke innerhalb der ersten Untersuchungskammer bzw. an unterschiedliche Saugleistungen der Vorvakuumpumpe anzupassen, ohne, dass hierzu die Drossel ausgetauscht oder baulich verändert werden muss. Somit kann auf einfache Weise die Gasmenge variiert, je nach Messanforderung der Druck in der ersten Untersuchungskammer verändert und gleichzeitig der Druck am Auslass der Turbomolekularpumpe konstant gehalten werden. Dies ist auch innerhalb eines Messvorgang möglich.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird beim Zuführen einer größeren Gasmenge dieses Gas zumindest teilweise über die Drossel durch die erste Verbindungsleitung von der Vorvakuumpumpe abgepumpt. Dadurch wird der Druck in der ersten Untersuchungskammer reduziert, wobei durch das Vorsehen der Drossel der Druck am Einlass der Vorvakuumpumpe konstant gehalten wird. Die Drossel weist kurz nach oder während der Einleitung des Gases eine sehr starke Drosselung auf. Vorzugsweise wird die Drosselung an die zugeführte Gasmenge angepasst. Wird das Gas aus der ersten Untersuchungskammer abgepumpt und reduziert sich der Druck in der ersten Untersuchungskammer wieder, wird die Drosselung der Drossel ebenfalls reduziert. Insbesondere wird die Drossel während des Abpumpvorganges an den Druck der ersten Untersuchungskammer angepasst, wobei dieser Druck vorzugsweise über Sensoren erfasst wird.
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Das oben beschriebene Verfahren lässt sich auch anwenden auf Untersuchungseinrichtungen, die mehr als zwei Untersuchungskammern aufweisen mit zusätzlichen Turbomolekularpumpen bzw. auch auf Untersuchungseinrichtungen, bei denen die zusätzlichen Turbomolekularpumpen ersetzt werden durch Multi-Inlet-Turbomolekularpumpen, so dass die Einlässe der Multi-Inlet-Turbomolekularpumpen mit den weiteren Untersuchungskammern verbunden sind.
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Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Untersuchungseinrichtung und
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2 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Untersuchungseinrichtung.
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Eine Untersuchungseinrichtung wie ein Massenspektrometer weist in dem ersten Ausführungsbeispiel (1) eine erste Untersuchungskammer 10 sowie eine zweite Untersuchungskammer 12 auf. Der ersten Untersuchungskammer wird beispielsweise in einer Ionisierungseinrichtung 14 ionisiertes Gas durch eine Eintrittsöffnung 16 zugeführt. Das Gas gelangt über eine zwischen der ersten und der zweiten Untersuchungskammer angeordnete Blendenöffnung 18 in die zweite Untersuchungskammer 12 und trifft dort auf einen Detektor 20.
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Zur Erzeugung eines Vakuums in der ersten Untersuchungskammer 10 ist diese über eine Verbindungsleitung 22 mit einer Vorvakuumpumpe 24 verbunden. Die Verbindungsleitung 22 weist eine Verzweigung 26 auf, so dass eine erste Verbindungsleitung 28 mit der ersten Untersuchungskammer 10 und eine zweite Verbindungsleitung 30 mit einem Auslass 32 einer Turbomolekularpumpe 34 verbunden ist. Ein Einlass 36 der Turbomolekularpumpe 34 ist mit der zweiten Untersuchungskammer 12 verbunden.
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Bei der Verwendung moderner, eine sehr hohe Messempfindlichkeit aufweisender Detektoren 20 ist es möglich, größere Gasmengen der ersten Untersuchungskammer 10 zuzuführen. Hierdurch erhöht sich der Druck in der Untersuchungskammer 10. Bei Untersuchungseinrichtungen nach dem Stand der Technik würde sich sodann auch der Druck an dem Auslass 32 der Turbomolekularpumpe erhöhen, was zu Überbelastungen der Turbomolekularpumpe 34 führen kann. Um dies zu vermeiden, ist in der ersten Verbindungsleitung 28 eine insbesondere mechanische Drossel 38 angeordnet. Hierdurch ist es möglich, eine Vorvakuumpumpe 24 mit verhältnismäßig großem Saugvermögen einzusetzen, so dass gewährleistet ist, dass an dem Auslass 32 der Turbomolekularpumpe 34 ein entsprechend niedriger Druck anliegt und andererseits aufgrund der Drossel 38 ein gewünschter vergleichsweise höherer Druck in der Untersuchungskammer 10 herrschen kann.
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In der zweiten Ausführungsform (2) sind ähnliche und identische Bauteile mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform (1) dadurch, dass eine dritte Untersuchungskammer 40 vorgesehen ist. Entsprechend ist der Detektor 20 in der dritten Untersuchungskammer 40 angeordnet. Ferner ist die zweite Untersuchungskammer 12 über eine weitere Blendenöffnung 42 mit der dritten Untersuchungskammer verbunden. Zur Evakuierung der dritten Untersuchungskammer 40 ist ein Einlass 44 einer Zusatz-Turbomolekularpumpe 46 mit der dritten Untersuchungskammer 40 verbunden. Ein Auslass 48 der Zusatz-Turbomolekularpumpe 46 ist mit einem Zwischeneinlass 50 der die zweite Untersuchungskammer 12 evakuierenden Turbomolekularpumpe 34 verbunden. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Turbomolekularpumpe 34 weist die in 2 dargestellte Turbomolekularpumpe 34 zusätzlich einen Zwischeneinlass 50 auf.
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Anstelle des Vorsehens zweier Turbomolekularpumpen 46, 34 könnte auch eine entsprechend ausgelegte Multi-Inlet-Turbomolekularpumpe vorgesehen sein, wobei der Haupteinlass dieser Multi-Inlet-Turbomolekularpumpe mit der dritten Untersuchungskammer 40, der Zwischeneinlass mit der zweiten Untersuchungskammer 12 und der Auslass wiederum über eine Verbindungsleitung 30 mit der Vorvakuumpumpe 24 verbunden wäre.
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Ferner ist es möglich, weitere Untersuchungskammern vorzusehen, die sodann entsprechend dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit weiteren Zusatz-Turbomolekularpumpen verbunden sind. Anstelle von Zusatz-Turbomolekularpumpen oder in Kombination mit Zusatz-Turbomolekularpumpen können auch Multi-Inlet-Turbomolekularpumpen vorgesehen sein, die ebenfalls mehrere Zwischeneinlässe aufweisen, die mit unterschiedlichen Untersuchungskammern verbunden sind.
