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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion leichter Gaskomponenten in der äußeren Umgebung eines massenspektrometrischen Gegenstrom-Lecksuchers.
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Massenspektrometrische Gegenstrom-Lecksuchvorrichtungen weisen typischerweise auf: einen Anschluss an einen zu testenden Prüfling oder an eine Prüfkammer, in die der zu testende Prüfling eingelegt wird, einen mit dem Anschluss verbundenen Gasdetektor in Form eines Massenspektrometers, einer Hochvakuumpumpe, meist in Form einer Turbomolekularpumpe, deren Einlass mit dem Massenspektrometer, deren Auslass mit dem Einlass einer Vorvakuumpumpe verbunden ist, deren Auslass das evakuierte Gas in die umgebende Atmosphäre fördert. Die Hochvakuumpumpe weist typischerweise zudem einen Zwischengaseinlass auf, der mit dem Prüflingsanschluss bzw. dem Prüfkammeranschluss verbunden ist. Ergänzend kann die Vorvakuumpumpe über eine die Hochvakuumpumpe überbrückende Bypassleitung zur Massivlecksuche auch direkt mit dem Massenspektrometer verbunden sein. Der Prüflingsanschluss bzw. Prüfkammeranschluss kann über eine zusätzliche Boosterpumpe mit dem Einlass der Vorvakuumpumpe verbunden sein, wobei die Boosterpumpe mit dem Zwischengaseinlass der Hochvakuumpumpe verbunden sein kann.
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Zur Leckdetektion wird zunächst der Prüfkammeranschluss und die daran angeschlossene Prüfkammer mit der Vorvakuumpumpe und der gegebenenfalls vorhandenen Boosterpumpe evakuiert. Die Vorvakuumpumpe generiert zudem das erforderliche Vorvakuum am Auslass der Hochvakuumpumpe, damit die Hochvakuumpumpe das Massenspektrometer evakuiert. Sobald das zum Betrieb des Massenspektrometers erforderliche Vakuum am Einlass der Hochvakuumpumpe erreicht ist, wird ein Verbindungsventil in der Verbindung zwischen dem Prüfkammeranschluss und der Hochvakuumpumpe geöffnet, wodurch Gas aus der Prüfkammer in die Hochvakuumpumpe strömt und in Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe in das Massenspektrometer gelangt und dort analysiert wird. Im Falle eines undichten Prüflings gelangt Gas aus dem Inneren des Prüflings in die Prüfkammer und von dort im Gegenstrom in das Massenspektrometer und kann dort detektiert werden.
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Für die massenspektrometrische Gegenstrom-Lecksuche ist oftmals vom Interesse, die Konzentration bestimmter leichter Gaskomponenten der Umgebungsluft zu ermitteln. Als leichte Gaskomponente werden Gasbestandteile des Luftgemischs aus der Umgebungsluft bezeichnet, die leichter sind als Luft. Bei einem solchen leichten Gasbestandteil kann es sich beispielsweise um Helium handeln.
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Herkömmlicherweise wird die Helium-Umgebungskonzentration mit separaten Gasanalysegeräten ermittelt. Alternativ ist es bei einem massenspektrometrischen Gegenstrom-Lecksucher möglich, die Vorvakuumpumpe abzuschalten und ein Gasballastventil der Vorvakuumpumpe zu öffnen, um diese zu belüften und dadurch abzubremsen. Sobald die Vorvakuumpumpe stillsteht, kann Gas über das Gasballastventil und eine die Hochvakuumpumpe überbrückende Bypassleitung zur Massivlecksuche in das Massenspektrometer eingeleitet und dort gemessen werden. Die Bypassleitung ist dabei eine direkte Verbindungsleitung zwischen dem Eingang der Vorvakuumpumpe und dem Massenspektrometer. Typischerweise sind derartige Bypassleitungen zur Massivlecksuche mit einer zusätzlichen Drossel versehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines leichten Gasbestandteils in der Umgebung eines massenspektrometrischen Gegenstrom-Lecksuchers zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.
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Anspruch 1 geht aus von einer massenspektrometrischen Gegenstrom-Lecksuchvorrichtung mit einer Vorvakuumpumpe, einer Hochvakuumpumpe und einem massenspektrometrischen Gasdetektor. Der Ausgang der Vorvakuumpumpe kann zur Atmosphäre hin offen oder beispielsweise an eine Abluftleitung angeschlossen sein, die die gepumpten Gase an die Atmosphäre abführt. Der Eingang der Vorvakuumpumpe ist mit einem Ausgang der Hochvakuumpumpe verbunden. Der Eingang der Hochvakuumpumpe ist mit dem Massenspektrometer verbunden. Ein Zwischengaseinlass der Hochvakuumpumpe ist über eine separate Verbindungsleitung mit einem Anschluss für eine Vakuumprüfkammer und/oder einen Prüfling verbunden. Zusätzlich könnte der Anschluss für die Prüfkammer bzw. den Prüfling über eine zusätzliche Boosterpumpe mit dem Eingang der Vorvakuumpumpe verbunden sein - was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Dabei wäre denkbar, dass ein Zwischengasauslass der Boosterpumpe mit dem Zwischengaseinlass der Hochvakuumpumpe verbunden ist.
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Bei der Hochvakuumpumpe handelt es sich typischerweise um eine Turbomolekularpumpe. Die Vorvakuumpumpe ist mit einem Gasballast versehen, der zur äußeren Atmosphäre hin offen ist oder in eine Frischluftleitung mündet. Der Gasballast kann ein selektiv schaltbares Ventil aufweisen und dadurch wahlweise geöffnet oder geschlossen werden.
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Zur massenspektrometischen Gegenstrom-Lecksuche wird herkömmlicherweise mit der Vorvakuumpumpe der Vorvakuumdruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe erzeugt, damit die Hochvakuumpumpe das erforderliche Hochvakuum im Inneren des Massenspektrometers erzeugen kann. Über den Zwischengaseinlass der Hochvakuumpumpe wird Gas aus der Prüfkammer bzw. aus dem Prüfling im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe in das Massenspektrometer eingelassen und dort analysiert. Dabei wird ermittelt, ob das analysierte Gas eine Gaskomponente aufweist, die auf ein Leck im Prüfling hindeutet.
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Um währenddessen leichte Gasbestandteile, die leichter sind als Luft, aus der äußeren Umgebung der Vorvakuumpumpe zu detektieren oder zu analysieren, kann das Gasballastventil geöffnet oder durch den offenen Gasballast Luft aus der äußeren Umgebung der Vorvakuumpumpe in die Vorvakuumpumpe derart eingelassen werden, dass mindesteins ein leichter Gasbestandteil, wie zum Beispiel Helium, im Gegenstrom durch die Vorvakuumpumpe durch deren Eingang ausströmt und von dort in das Massenspektrometer gelangt, während die übrigen Gasbestandteile durch den Ausgang der Vorvakuumpumpe der Umgebung zugeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Lufteinlass direkt in den Vorvakuumbereich der Vorvakuumpumpe münden, das heißt beispielsweise in die Verbindungsleitung zwischen der Vorvakuumpumpe und der Hochvakuumpumpe und/oder in die weiter unten beschriebene Bypassleitung zur Überbrückung der Hochvakuumpumpe.
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Die Erfindung bietet damit den Vorteil, dass die Analyse der Umgebungsluft und insbesondere die Messung von Konzentrationen leichter Gasbestandteile der Umgebungsluft während der eigentlichen Leckdetektion mit dem Massenspektrometer erfolgen können, ohne dabei die Leckerkennung unterbrechen zu müssen und/oder die Vorvakuumpumpe abschalten zu müssen. Dabei kann der zu messende leichte Gasbestandteil im Gegenstrom von dem Einlass der Vorvakuumpumpe zu dem Auslass der Hochvakuumpumpe, durch die Hochvakuumpumpe hindurch zu deren Eingang und von dort in das Massenspektrometer eingeleitet werden. Alternativ oder ergänzend kann der zu messende leichte Gasbestandteil durch eine den Eingang der Vorvakuumpumpe mit dem Massenspektrometer verbindende Bypassleitung zur Massivlecksuche, die die Hochvakuumpumpe überbrückt, in das Massenspektrometer gelangen. Die Bypassleitung kann dabei mit einer zusätzlichen Drossel versehen sein. Eine solche Bypassleitung ermöglicht das Ermitteln besonders großer Lecks, bevor die Hochvakuumpumpe in dem Massenspektrometer den erforderlichen Hochvakuumdruck erzeugt hat.
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Die leichte Gaskomponente strömt dann entgegen der Pumprichtung von dem Gasballast durch die Vorvakuumpumpe in Richtung des massenspektrometrischen Gasdetektors. Der Druck am Auslass der Hochvakuumpumpe ist dabei nur abhängig von der Drehzahl der Vorvakuumpumpe und nicht von dem Anteil der zu messenden leichten Gaskomponente (z.B. Helium) der Umgebungsluft. Der gemessene Hub im Leckratensignal bzw. Ionenrohstromsignal des Massenspektrometers ist abhängig von der Helium-Umgebungskonzentration, bzw. von der Konzentration des leichten Gasbestandteils in der Umgebungsluft.
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Leichte Gase, wie z.B. Helium, strömen dabei entgegen der eigentlichen Pumprichtung in Richtung des Massenspektrometers. Je geringer die Drehzahl der Vorvakuumpumpe ist, desto mehr Helium strömt durch die Vorvakuumpumpe im Gegenstrom durch deren Eingang zurück in das Massenspektrometer. Der Anstieg der leichten Gaskomponente ist größer als der Totaldruckanstieg im Massenspektrometer auf Grund der unterschiedlichen Kompressionen. Durch Ändern oder Modulieren der Drehzahl der Vorvakuumpumpe kann somit auch ohne Betätigen eines Ventils die Umgebungskonzentration leichter Gase, wie z.B. Helium, ermittelt werden.
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Die Bestimmung der Umgebungskonzentration des leichten Gasbestandteils kann während der eigentlichen Leckdetektion oder auch im Anschluss an eine Leckdetektion eines Prüflings erfolgen, ohne dabei die Pumpen abschalten zu müssen. Die Vorvakuumpumpe und die Hochvakuumpumpe laufen dabei weiter, sodass die Zeit für ein Herunterfahren und anschließendes neues Hochfahren der Vakuumpumpen entfällt.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.
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Dargestellt ist eine massenspektrometrische Gegenstrom-Lecksuchvorrichtung 10 mit einem Gasdetektor 12 in Form eines Massenspektrometers. Der Gasdetektor 12 ist mit dem Eingang 14 einer Hochvakuumpumpe 16 in Form einer Turbomolekularpumpe gasleitend verbunden. Der Ausgang 18 der Hochvakuumpumpe 16 ist über eine mit einem selektiv steuerbaren Ventil 20 versehene Verbindungsleitung gasleitend mit dem Eingang 22 einer Vorvakuumpumpe 24 Verbunden. Der Ausgang 26 der Vorvakuumpumpe 24 ist zur Atmosphäre hin offen oder mündet in eine Abgasleitung.
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Der Eingang 22 der Vorvakuumpumpe 24 ist zudem über eine separate Bypassleitung 28 mit dem Massenspektrometer 12 verbunden. Die Bypassleitung 28 überbrückt die Hochvakuumpumpe 16 und das steuerbare Ventil 20 und ist mit einer Drossel 30 versehen, um so eine Massivlecksuche zu ermöglichen.
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Die Lecksuchvorrichtung 10 ist ferner mit einem Anschluss 32 für eine Prüfkammer oder einen Prüfling versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an den Anschluss 32 eine Prüfkammer 35 vakuumtechnisch angeschlossen. Die Prüfkammer 35 nimmt einen auf Dichtheit zu prüfenden Prüfling auf und wird anschließend evakuiert. Hierzu ist der Anschluss 32 gasleitend mit einer Boosterpumpe 34 verbunden. Der Eingang 36 der Boosterpumpe ist dabei gasleitend mit dem Anschluss 32 verbunden, während der Ausgang 38 der Boosterpumpe über eine mit einem weiteren Ventil 40 versehene weitere Gasleitung 42 mit dem Eingang 22 der Vorvakuumpumpe verbunden ist.
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Die Boosterpumpe 34 ist für die Erfindung nicht wesentlich. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel ohne Boosterpumpe. Das Ausführungsbeispiel von 2 entspricht bis auf die fehlende Boosterpumpe 34 und den Lufteinlass 53 demjenigen vom 1.
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Eine ein weiteres selektiv betätigbares Ventil 44 aufweisende Zwischengasleitung 46 verbindet einen Zwischengasauslass 48 der Boosterpumpe 34 mit einem Zwischengaseinlass 50 der Hochvakuumpumpe 16.
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Die Vorvakuumpumpe 24 ist ferner mit einem von dem Eingang 22 und dem Ausgang 26 separat ausgebildeten Gasballastventil 52 versehen, welches das Innere der Vorvakuumpumpe 24 mit der äußeren Umgebung 54 der Vorvakuumpumpe 24 und der Lecksuchvorrichtung 10 verbindet. Das Gasballastventil 52 ist selektiv betätigbar und kann geöffnet und verschlossen werden.
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Zwischen dem Gasballastventil 52 und der Vorvakuumpumpe 24 ist eine Drosselstelle 51 vorgesehen, die den durch den Gasballast in die Vorvakuumpumpe 24 eingelassenen Gasfluss bestimmt. Erfindungsgemäß kann das Gasballastventil 52 entfallen. In dem Fall ist an dem den Gasballast der Vorvakuumpumpe 24 bildenden Einlass lediglich die Drosselstelle 51 vorgesehen. Die Drosselstelle 51 kann beispielsweise durch Wahl eines geeigneten Querschnitts des Gasballast-Einlasses ermöglicht werden.
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Alternativ oder ergänzend zu dem Einlass von Luft aus der Umgebung 54 über den Gasballast der Vorvakuumpumpe 24 kann die Umgebungsluft auch über einen Lufteinlass 53 wie in 2 eingezeichnet in den Vorvakuumbereich der Vorvakuumpumpe 24 eingelassen werden. In 2 ist als Ausführungsbeispiel ein Lufteinlass 53 vorgesehen, der zur Atmosphäre hin offen oder an eine Frischluftleitung angeschlossen sein kann, und der in die Verbindungsleitung zwischen dem Eingang 22 und dem Ventil 20 mündet, das heißt in die die Vorvakuumpumpe 24 mit der Hochvakuumpumpe 16 verbindende Verbindungsleitung. Der Lufteinlass 35 ist in 2 ergänzend zu dem Lufteinlass über den Gasballast der Vorvakuumpupe 24 eingezeichnet, kann jedoch auch als Alternative ohne den Gasballast vorgesehen sein. In dem Fall entfällt der Gasballast an der Vorvakuumpumpe 24. Auch der Lufteinlass 53 ist mit einer Drossel versehen ähnlich der Drosselstelle 51 des Gasballasts. Entsprechendes ist auch bei dem Ausführungsbeispiel in 1 möglich.
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Im Betrieb wird mithilfe der Vorvakuumpumpe 24 und der Boosterpumpe 34 die Prüfkammer 35 evakuiert. Die Vorvakuumpumpe 24 generiert das am Auslass der Hochvakuumpumpe 16 erforderliche Vorvakuum, in das die Hochvakuumpumpe 16 den Inhalt des Massenspektrometers 12 evakuiert. Währenddessen evakuiert die Vorvakuumpumpe 24 über die Bypassleitung 28 das Massenspektrometer 12 zudem auch direkt.
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Sobald der für den Betrieb des Massenspektrometers 12 erforderliche Vakuumdruck erreicht ist, wird das Ventil 44 geöffnet und das Ventil 40 geschlossen, sodass Prüfgas und/oder Leckagegas aus dem Inneren der Prüfkammer 35 durch die Boosterpumpe 34, die Zwischengasleitung 36 und im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe 16 in das Massenspektrometer 12 gelangt und dort analysiert werden kann.
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Um die Gaskonzentration des Heliumanteils in der Luft der Umgebung 54 auf schnelle und einfache Weise ermitteln zu können, wird das Gasballastventil 52 geöffnet, während die Vorvakuumpumpe 24 noch läuft. Bei dem Ausführungsbeispiel ohne Gasballastventil ist der Gasballast 52 permanent offen und gegebenenfalls an eine Frischluftleitung angeschlossen. Im einfachsten Fall kann der Gasballast 52 zur Atmosphäre hin offen sein.
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Um die Gaskonzentration des Heliumanteils der Umgebungsluft zu ermitteln, wird die Drehzahl der Vakuumpumpe moduliert oder zumindest zwischen zwei verschiedenen Betriebszuständen verändert, beispielsweise zwischen der Enddrehzahl der Vorvakuumpumpe 24 und einer reduzierten Drehzahl gewechselt. Aus der veränderten Pumpendrehzahl resultiert eine Änderung des Heliumpartialdrucks sowie des Totaldrucks am Eingang 22 der Vorvakuumpumpe 24. Im Messsignal des Massenspektrometers 12 ist dann für den Heliumanteil eine Änderung beziehungsweise ein Signalhub messbar, weil das Helium aus der Vorvakuumpumpe 24 entweder über den Bypass 28 oder im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe 16 in das Massenspektrometer 12 gelangt. Die Zufuhr der aus der Umgebung 54 in die Vorvakuumpumpe 24 einströmenden Luft kann im Falle eines Gasballastventils 52 durch Öffnen und Schließen des Gasballastventils 52 beeinflusst werden.
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Gasbestandteile der Umgebungsluft, die leichter sind als der Mittelwert der Gasbestandteile der Umgebungsluft, werden im Gegenstrom durch den Eingang 22 aus der Vorvakuumpumpe ausströmen und von dort im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe 16 und/oder durch die Bypassleitung 28 in das Hochvakuum des Massenspektrometers 12 einströmen und können dort gemessen werden. Hingegen werden Gasbestandteile der Umgebungsluft, die schwerer sind als die Umgebungsluft, über den Ausgang 26 der Vorvakuumpumpe 24 wieder der Umgebung 54 zugeführt. Auf diese Weise gelangt Helium aus der Umgebungsluft 54 in das Massenspektrometer 12 und kann dort analysiert werden, ohne dabei die Vorvakuumpumpe 24, die Hochvakuumpumpe 16 und/oder die Boosterpumpe 34 abschalten zu müssen.
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Alternativ oder ergänzend zu dem Gasballast der Vorvakuumpumpe 24 kann ein Lufteinlass zum Zuführen von Umgebungsluft direkt in den Vorvakuumbereich der Vorvakuumpumpe 24 vorgesehen sein, zum Beispiel als Lufteinlass 53 in die Verbindungsleitung zwischen Vorvakuumpumpe 24 und Hochvakuumpumpe 16, zwischen dem Eingang 22 und dem Ventil 20 und/oder in die Bypassleitung 28.
