-
[Technisches Gebiet]
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vierpol-Massenspektrometer zur Verwendung beim Analysieren von Gaskomponenten (Partialdruckmessung) in einem Prüfkörper, wie etwa einer Vakuumkammer und dergleichen.
-
[Technischer Hintergrund]
-
Bei einer Vakuumbearbeitung, wie etwa z. B. Schichtbildung und dergleichen durch Sputtern oder Gasphasenabscheidung, gibt es Fälle, in denen nicht nur der Druck bei der Bearbeitung, sondern auch die Zusammensetzungen von Restgasen in einer Vakuumkammer, die als Bearbeitungskammer dient, einen großen Einfluss auf die Qualität der Schicht und dergleichen aufweisen. Um die Zusammensetzungen dieser Art von Restgasen (Gaskomponenten) zu analysieren, wurde herkömmlich ein Vierpol-Massenspektrometer benutzt.
-
Das Vierpol-Massenspektrometer ist gebildet aus einem Sensorteil, der abnehmbar an einem Prüfkörper angebracht wird, und einer Steuereinheit. Als Sensorteil wurde herkömmlich ein solcher benutzt, an dem unter der Annahme, dass die Anbringungsrichtung des Sensorteils am Prüfkörper in einer Aufwärtsrichtung liegt, vorgesehen sind: ein scheibenförmiger Trägerkörper, der an einem unteren Ende des Sensorteils vorgesehen ist; ein Ionennachweisteil, der am Trägerkörper vorgesehen ist und die Ionen sammelt; ein Vierpol-Teil, der am Ionennachweisteil vorgesehen ist, und in dem vier säulenförmige Elektroden in einem am Umfang vorgesehenen Abstand voneinander angeordnet sind; und eine Ionenquelle, die am Vierpol-Teil vorgesehen ist und einen Glühfaden und ein Gitter aufweist, um das oben erwähnte Gas zu ionisieren (siehe z. B. Patentdokument
JP 2004-349102 A ).
-
Um eine Ionisationsspannung zwischen dem Glühfaden und dem Gitter anzulegen und ein elektrisches Feld im Vierpol-Teil auszubilden und ähnliche Vorgänge auszuführen, sind der Glühfaden sowie das Gitter der Ionenquelle, der Vierpol-Teil und dergleichen gewöhnlich durch Verdrahtung mit den Anschlussklemmen verbunden, die im Trägerkörper vorgesehen sind, und es ist so angeordnet, dass elektrische Energie von der Steuereinheit über diese Anschlussklemmen zugeführt wird. Als Verdrahtung zwischen dem Glühfaden, dem Gitter, dem Vierpol-Teil und den Anschlussklemmen werden metallische Drähte, wie etwa Kupfer und dergleichen, verwendet, die mit Beschichtungen aus Keramik ummantelt sind, um elektrische Isolierung sicherzustellen. Daher wird, falls der Ionennachweisteil, der Vierpol-Teil und die Ionenquelle von der Seite des Trägerkörpers aus in der erwähnten Reihenfolge angeordnet sind, wie in dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel, eine Vielzahl von langen Drähten benötigt, was deshalb zu höheren Herstellungskosten führt. Außerdem besteht ein Nachteil, dass die Montage des Sensorteils mühsam wird.
-
Nebenbei wird als der oben erwähnte Glühfaden anstelle eines Glühfadens aus Wolfram neuerdings ein solcher benutzt, der durch Beschichten der Oberfläche eines Ir-Drahtes mit einem Yttriumoxid hergestellt wird, wodurch die Lebensdauer des Glühfadens weitgehend verlängert wurde. Als Ergebnis verlängerter Lebensdauer des Glühfadens wurde offenbar, dass das Gitter durch die Adhäsion der Moleküle und Atome in der Vakuumatmosphäre verunreinigt wird, und dass sich aufgrund dieser Verunreinigung die Messempfindlichkeit verringert.
-
Als Verfahren zum Reinigen des verunreinigten Gitters sind bekannt: Elektronenkollisionssystem, bei dem eine Spannung (ungefähr 300 V) zwischen dem Glühfaden und dem Gitter angelegt wird, um die Elektronen zu veranlassen, mit der Oberfläche des Gitters zu kollidieren, um dadurch die an der Oberfläche des Gitters anhaftenden Moleküle und Atome zu entfernen; und ein so genanntes Widerstandsheizsystem, bei dem ein Strom veranlasst wird, durch das Gitter zu fließen, um dadurch mittels ohmscher Wärme die an der Oberfläche des Gitters haftenden Moleküle und Atome zu entfernen (siehe z. B. Patentdokument
JP 2000-39375 A ).
-
Wenn das Widerstandsheizsystem benutzt wird, ist es notwendig, einen geschlossenen Stromkreis zwischen dem Gitter und dem positiven und dem negativen Ausgang der Gleichstrom-Energie für die Widerstandsheizung zu bilden. In diesem Fall muss eine Verbindung durch separate weitere Verdrahtung zu den im Trägerkörper vorgesehenen Anschlussklemmen vorgenommen werden, wodurch die Verdrahtung zum Gitter bei dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel länger wird. Daher wird die Verlustleistung zu groß, um für die Widerstandsheizung geeignet zu sein. Außerdem wird die Konstruktion des Vierpol-Massenspektrometers noch komplizierter, und seine Montage wird noch schwieriger. Als Ergebnis wurde das Widerstandsheizungssystem herkömmlich selten benutzt.
-
Andererseits gibt es, wenn das Elektronenkollisionssystembenutzt wird, Probleme insofern, als während der Zeit, in der die Elektronen veranlasst werden, mit der Oberfläche des Gitters zu kollidieren, keine Massenanalyse (Messung) durch den Massenanalysator durchgeführt werden kann, und weiter, dass die Möglichkeit besteht, eine elektrische Entladung zu verursachen, wenn der Druck beim Kollidieren der Elektronen bei hoher Spannung hoch ist.
-
Eine weiteres Massenspektrometer ist in dem Patentdokument
US 2010/0213363 A1 beschrieben, mittels dessen ein Ionenstrom eines Gases auf Basis eines Masse zu Ladung Verhältnisses detektierbar und ein partieller Gasdruck messbar ist. In dem Patentdokument
US 2009/0096460 A1 ist ein Ionisationsvakuummeter offenbart, welches ein Gitter mit drei Elektroden, eine Elektronenquelle und einen Ionenkollektor in einem Vakuumkessel umfasst. Mittels Elektronen und ionisierter Gasmoleküle, die das Gitter passieren, wird eine Gasmoleküldichte in dem Vakuum ermittelt. Eine weitere Vorrichtung, die ein Messen eines gesamten und partiellen Druck mittels Einsatz eines Elektronenstrahls ermöglicht, ist in Patentdokument
US 2002/0153820 A1 beschrieben. Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung jeweils einen Bereich für partielle und gesamte Druck Ionisation, welche durch ein Gitter oder eine Blende voneinander getrennt sind.
-
[Zusammenfassung der Erfindung]
-
[Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben]
-
Angesichts der obigen Punkte hat diese Erfindung eine Aufgabe, ein kostengünstiges Vierpol-Massenspektrometer zu schaffen, das die Widerstandsheizung des Gitters verwirklichen kann und in der Lage ist, die Gaskomponenten bei hoher Genauigkeit zu analysieren und dabei zu verhindern, dass sich die Empfindlichkeit verringert.
-
[Mittel zum Lösen der Aufgaben]
-
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist ein Vierpol-Massenspektrometer geschaffen, das in der Lage ist, Gaskomponenten in einem Prüfkörper zu analysieren, wobei das Vierpol-Massenspektrometer einen Sensorteil umfasst, der eingerichtet ist, abnehmbar an dem Prüfkörper angebracht zu werden. Unter der Annahme, dass eine Anbringungsrichtung des Sensorteils am Prüfkörper in einer Aufwärtsrichtung liegt, umfasst der Sensorteil: eine vorgegebene Form des Trägerkörpers, der an einem unteren Ende des Sensorteils vorgesehen ist; eine Ionenquelle, die am Trägerkörper vorgesehen ist und einen Glühfaden und ein Gitter zum Ionisieren des Gases aufweist; einen Vierpol-Teil, der an der Ionenquelle vorgesehen ist, und in dem vier säulenförmige Elektroden in einem vorgegebenen Umfangs-Abstand voneinander angeordnet sind; und einen Ionennachweisteil, der am Vierpol-Teil vorgesehen ist, um vorgegebene Ionen zu sammeln, die durch Anlegen von Gleich- und Wechselspannungen zwischen gegenüberstehenden Elektroden durch den Vierpol-Teil strömen.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung kann, da die Ionenquelle an der Seite des Trägerkörpers positioniert ist, die Länge der kostspieligen Verdrahtung für die Ionenquelle kürzer gemacht werden. In diesem Fall wird umgekehrt die Länge der Verdrahtung zum Ionennachweisteil länger als diejenige des herkömmlichen Beispiels, aber die Verdrahtung für den Ionenstromnachweis braucht nur die Anzahl eins aufzuweisen. Daher kann im Vergleich mit dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel nicht nur die Konstruktion vereinfacht und ihre Montage erleichtert werden, sondern es können auch die Kosten gesenkt werden.
-
Wenn übrigens der Ionennachweisteil, wie in der oben erwähnten ersten Ausführungsform, in einer Position liegt, die am weitesten von dem Trägerkörper liegt, das heißt, in einer Position, die in Kontakt mit der Atmosphäre in dem Prüfkörper steht, welcher der Gasanalyse unterzogen werden wird, besteht eine Möglichkeit, dass auch die Ionen der Gaskomponenten, die in dem Prüfkörper vorhanden sind, durch den Ionennachweisteil erfasst werden können. Je nach Prüfkörper besteht somit eine Möglichkeit, dass Analysieren mit hoher Genauigkeit nicht durchgeführt werden kann. Daher soll der Ionennachweisteil vorzugsweise eine Anordnung verwenden, bei der weiter ein Abschirmmittel oberhalb dessen zum Abschirmen des Ionennachweisteils vorgesehen ist.
-
Weiter kann in der ersten Ausführungsform dieser Erfindung eine Anordnung verwendet werden, bei welcher der Trägerkörper umfasst: eine zylindrische Wand, die nach oben über die Ionenquelle hinaus in einer Weise verlängert ist, dass sie die Ionenquelle einschließt; und einen Flansch, der an einem oberen Ende der zylindrischen Wand vorgesehen ist, und der am Prüfkörper befestigt werden kann.
-
Weiter ist, um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ein Vierpol-Massenspektrometer geschaffen, das in der Lage ist, Gaskomponenten in einem Prüfkörper zu analysieren, wobei das Vierpol-Massenspektrometer einen Sensorteil umfasst, der eingerichtet ist, abnehmbar an dem Prüfkörper angebracht zu werden. Unter der Annahme, dass eine Anbringungsrichtung des Sensorteils am Prüfkörper in einer Aufwärtsrichtung liegt, umfasst der Sensorteil: eine vorgegebene Form des Trägerkörpers, der an einem unteren Ende des Sensorteils vorgesehen ist; eine Ionenquelle, die am Trägerkörper angeordnet ist und einen Glühfaden und ein Gitter zum Ionisieren des Gases aufweist; einen Vierpol-Teil, der am Trägerkörper nahe der Ionenquelle angeordnet ist und vier säulenförmige Elektroden aufweist, die parallel zu einer Richtung im rechten Winkel zur Aufwärts- und Abwärtsrichtung angeordnet sind, und die in einem vorgegebenen Umfangs-Abstand voneinander angeordnet sind; und einen Ionennachweisteil, der am Trägerkörper nahe dem Vierpol-Teil angeordnet ist, um vorgegebene Ionen zu sammeln, die durch Anlegen von Gleich- und Wechselspannungen zwischen den gegenüberstehenden Elektroden durch den Vierpol-Teil strömen.
-
Gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung kann, da die Ionenquelle, der Vierpol-Teil und der Ionennachweisteil am Trägerkörper parallel zueinander vorgesehen sind, wie in der oben erwähnten ersten Ausführungsform, die Länge der kostspieligen Verdrahtung zur Ionenquelle kürzer gemacht werden, und weiter kann die Länge der Verdrahtung zum Ionennachweisteil gleich gemacht werden wie in dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel. Daher kann im Vergleich mit dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel nicht nur die Konstruktion vereinfacht und ihre Montage erleichtert werden, sondern es kann auch eine weitere Kostensenkung erreicht werden.
-
Hier gibt es beim Anbringen des oben erwähnten Sensorteils am Prüfkörper Fälle, in denen der Sensorteil in dem rohrförmigen Körper (der zylindrischen Wand) eingeschlossen wird und diese Teile als Gesamtheit am Prüfkörper angebracht werden. In einem solchen Fall kann durch Verwenden der Anordnung gemäß der oben erwähnten zweiten Ausführungsform die Länge des rohrförmigen Körpers kürzer gemacht werden als in der ersten Ausführungsform, und folglich kann der über den Prüfkörper herausragende Teil des rohrförmigen Körpers, wenn er am Prüfkörper angebracht ist, vorteilhaft kleiner gemacht werden.
-
In den oben erwähnten ersten und zweiten Ausführungsformen sind vorzugsweise freie Enden des Glühfadens und des Gitters der Ionenquelle ohne Verdrahtung an Anschlussklemmen angeschlossen, die befestigt sind, indem sie den Trägerkörper in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung durchdringen. Gemäß dieser Anordnung kann, da die freien Enden sowohl des Glühfadens als auch die des Gitters als so genannte Direktverbindungen mit den Anschlussklemmen des Trägerkörpers ausgeführt sind, kostspielige Verdrahtung für die Ionenquelle unnötig gemacht sein. Außerdem kann durch Beseitigen des Verdrahtungsverlustes eine Anordnung verwirklicht werden, bei der die Widerstandsheizung des Gitters effizient erreicht werden kann. Als Folgerung kann die Verdrahtung für die Ionenquelle unnötig gemacht werden. Aufgrund der kombinierten Tatsachen, dass die Verdrahtung für die Ionenquelle unnötig gemacht werden kann, sodass der Ausgasungseffekt aus der Verdrahtung kleiner gemacht wird, und dass wirksam durch Widerstandsheizung verhindert werden kann, dass das Gitter verunreinigt wird, wird es folglich möglich, eine Analyse von Gaskomponenten (Partialdruckmessung) bei hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit durchzuführen.
-
Weiter ist es vorteilhaft, um das Anbringen und Handhaben des Sensorteils zu erleichtern, es so einzurichten, dass jede der Elektroden des Vierpol-Teils durch eine elektrisch isolierende Halterung gehalten ist, und dass die Halterung abnehmbar am Trägerkörper angebracht ist.
-
In diesem Fall ist es vorteilhaft, es so einzurichten, dass der Ionennachweisteil abnehmbar an der Halterung oder dem Trägerkörper angebracht ist.
-
Das Vierpol-Massenspektrometer umfasst vorzugsweise weiter einen plattenartigen Ionenkollektor, der so am Trägerkörper angeordnet ist, dass er gegenüber dem Ionennachweisteil liegt, wobei das Gitter der Ionenquelle dazwischen liegt, sodass eine Messung eines Gesamtdrucks in dem Prüfkörper ermöglicht ist.
-
Andererseits umfasst das Vierpol-Massenspektrometer vorzugsweise weiter einen zylindrischen Ionenkollektor, der so am Trägerkörper angeordnet ist, dass er die Ionenquelle mit dem Glühfaden und dem Gitter umschließt, um eine Messung eines Gesamtdrucks in dem Prüfkörper zu ermöglichen.
-
Gemäß der obigen Anordnung ist es möglich, mit einem einzigen Vierpol-Massenspektrometer zusätzlich zur Analyse der Gaskomponenten den Gesamtdruck des Prüfkörpers zu messen. Weiter wird durch Einrichten, dass der Ionenkollektor direkt mit den Anschlussklemmen verbunden ist, die in dem Trägerkörper vorgesehen sind, die kostspielige Verdrahtung zum Erfassen des Ionenstroms unnötig, wodurch eine kostengünstige Anordnung zum Messen des Gesamtdrucks verwirklicht werden kann. Durch Verwenden der Anordnung gemäß der oben erwähnten ersten Ausführungsform, um dadurch die Anordnung zu verwenden, bei welcher der Vierpol-Teil und der Ionennachweisteil abnehmbar am Trägerkörper angebracht sind, können außerdem diese Teile durch bloßes Abnehmen als Unterdruckmesser zum Messen des Gesamtdrucks des Prüfkörpers eingesetzt werden. Abhängig von den Verwendungen kann es getrennt als Unterdruckmesser oder als Vierpol-Massenspektrometer, bei dem ein Unterdruckmesser vorgesehen ist, benutzt werden.
-
Übrigens ist es, falls der Ionenkollektor zu einer Plattenform ausgebildet ist, wahrscheinlich, dass seine Oberfläche verunreinigt wird und einer Verringerung der Empfindlichkeit unterliegt. Alternativ besteht, falls der Ionenkollektor zu einer zylindrischen Form ausgebildet ist, auch eine Möglichkeit, dass der Gesamtdruck unter dem Einfluss weicher Röntgenstrahlung und dergleichen nicht mit hoher Genauigkeit bis hinunter zu einem niedrigeren Druck gemessen werden kann. Daher muss die Art des Ionenkollektors geeignet gewählt werden, abhängig von den Anwendungen.
-
Außerdem soll das Vierpol-Massenspektrometer gemäß dieser Erfindung vorzugsweise eine Anordnung verwenden, die weiter einen Unterdruckmesser umfasst, der in der Lage ist, einen Druck innerhalb eines Druckbereichs von Atmosphärendruck bis zu einem Druck zu messen, bei dem thermionische Elektronen durch den Glühfaden emittiert werden können. Gemäß dieser Anordnung ist, um den Druck in dem Prüfkörper nach dem Evakuieren des Prüfkörpers bis zum Startzeitpunkt der Gasanalyse zu messen, kein Messmittel, wie etwa ein Pirani-Vakuummeter und dergleichen, erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, das Vierpol-Massenspektrometer gemäß dieser Erfindung an einem Prüfkörper ohne Unterdruckmesser anzubringen und dadurch eine Analyse durchzuführen.
-
[Kurze Beschreibung der Zeichnung]
-
1 ist eine Zeichnung, die eine Anordnung eines Vierpol-Massenspektrometers gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
-
2 ist eine Zeichnung, die eine Anordnung eines weiteren, abgewandelten Beispiels des in 1 gezeigten Vierpol-Massenspektrometers zeigt.
-
3(a) ist eine Zeichnung, die noch ein weiteres, abgewandeltes Beispiel des in 1 gezeigten Vierpol-Massenspektrometers zeigt, und 3(b) ist eine Zeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem ein Vierpol-Massenspektrometer bezüglich eines weiteren, abgewandelten Beispiels getrennt ist.
-
4 ist eine Zeichnung, die eine Anordnung einer Steuereinheit des Vierpol-Massenspektrometers zeigt.
-
5 ist eine Zeichnung, die eine Anordnung des Vierpol-Massenspektrometers bezüglich einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
-
6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5.
-
[Ausführungsformen der Erfindung]
-
Mit Bezug auf die Zeichnung erfolgt nachstehend eine genaue Beschreibung eines Vierpol-Massenspektrometers gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Beispiel eines Falles, in dem ein Prüfkörper TP eine Vakuumkammer ist, und in dem das Vierpol-Massenspektrometer an einem Prüfanschluss TP1 dieses Prüfkörpers TP angebracht ist, um dadurch die Gaskomponenten in dem Prüfkörper TP zu analysieren.
-
Mit Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen MA1 ein Vierpol-Massenspektrometer, und dieses Vierpol-Massenspektrometer MA1 ist gebildet aus einem Sensorteil M1 und einer Steuereinheit C. Der Sensorteil M1 weist einen scheibenförmigen Trägerkörper 1 auf. Der Trägerkörper 1 ist hergestellt aus einem Metall, wie etwa Aluminium, Edelstahl und dergleichen, und an ihm ist ein O-Ring (ein Dichtungsmittel) 11 entlang seiner oberen äußeren Umfangsfläche vorgesehen. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung unter der Voraussetzung, dass die Anbringungsrichtung des Sensorteils M1 bezüglich des (am) Prüfkörper(s) TP eine obere Richtung ist.
-
Eine Ionenquelle 2 ist am Trägerkörper 1 vorgesehen. Die Ionenquelle 2 ist gebildet aus: einem gewendelten Gitter 21, das an einem oberen Teil im mittleren Bereich des Trägerkörpers 1 angeordnet ist; und einem Glühfaden 22, der um das Gitter 21 angeordnet ist, und der durch Beschichten der Oberfläche eines Ir-Drahtes mit Yttriumoxid hergestellt ist. Freie Enden sowohl des Gitters 21 als auch des Glühfadens 22 sind jeweils an Anschlussklemmen 23a, 23b für das Gitter und an Anschlussklemmen 24a, 24b für den Glühfaden angeschlossen (direkt angeschlossen), wobei alle Anschlussklemmen vertikal vorgesehen sind, indem sie den Trägerkörper 1 in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung durchdringen.
-
Oben auf der Ionenquelle 2 ist ein Vierpol-Teil 3 vorgesehen, in dem vier säulenförmige Elektroden 31 in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und in dem die gegenüberstehenden Elektroden 31 elektrisch miteinander verbunden sind. Jede der Elektroden 31 ist durch eine zylindrische Halterung 32 gehalten, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, und das Halten erfolgt so, dass ein oberer Bereich jeder der Elektroden 31 aufwärts durch die Halterung 32 ragt. An der Unterfläche der Halterung 32 sind zwei Steckverbinderbuchsen 34 vorgesehen, die jeweils über Verdrahtung 33 mit den Elektroden 31 verbunden sind. Durch Montieren über Stecken der Steckverbinderbuchsen 34 in der Halterung 32 von einer Oberseite her auf die beiden Anschlussklemmen 35a, 35b, die vertikal in dem Trägerkörper 1 vorgesehen sind, ist die Halterung 32 an den Anschlussklemmen 35a, 35b durch den Trägerkörper 1 abnehmbar gehalten, und demgemäß ist eine elektrische Verbindung hergestellt. Die Konstruktion des Sensorteils M1 kann somit vereinfacht sein. Übrigens ist das Verfahren des Haltens der Halterung 32 durch den Trägerkörper 1 nicht auf das Obige beschränkt, sondern kann so eingerichtet sein, dass am Trägerkörper 1 ein getrenntes Trägerelement (nicht dargestellt) vorgesehen ist, sodass die Halterung 32 durch das getrennte Trägerelement gehalten sein kann.
-
An einem oberen Bereich der Innenseite jeder der Elektroden 31 des Vierpol-Teils 3 ist ein Ionennachweisteil 4 vorgesehen. Der Ionennachweisteil 4 ist gebildet aus einem Faraday-Becher, der die Gasmoleküle sammelt, die durch die Ionenquelle 2 ionisiert sind und durch den Zwischenraum zwischen jeweiligen Elektroden 31 des Vierpol-Teils 3 strömen, um dadurch den oberen Bereich des Vierpol-Teils zu erreichen. Die Verdrahtung 41 von dem Ionennachweisteil 4 her ist auch mit den Steckverbinderbuchsen 42 verbunden, die an der Unterfläche der Halterung 32 vorgesehen sind. Auf dieselbe Weise wie oben ist die Verdrahtung 41 so eingerichtet, dass sie mit den Anschlussklemmen 43 verbunden ist, die vertikal in dem Trägerkörper 1 vorgesehen sind. Als Verdrahtung 33, 41 ist eine solche verwendet, die durch Beschichten eines Metalldrahts aus Kupfer und dergleichen mit einer keramischen Ummantelung hergestellt ist.
-
Andererseits ist an der Steuereinheit C ein Steuerteil 51 vorgesehen, der mit einem Computer, einem Speicher, einem Sequenzer und dergleichen ausgestattet ist. Der Steuerteil 51 führt eine Gesamtsteuerung des Betriebs jeder der Stromquellen (nachstehend zu beschreiben), des Schaltens der Schaltelemente in Stromversorgungskreisen, der Ausgabe von gemessenen Strömen zu einer Anzeigevorrichtung (nicht dargestellt) und ähnlicher Vorgänge aus. Weiter ist an der Steuereinheit C eine Stromversorgung E1 für den Glühfaden und eine Ionisations-Stromversorgung E2 zum Ionisieren des Gases innerhalb des Prüfkörpers TP vorgesehen. Einer (ein positiver) der Ausgänge der Stromversorgung E1 ist mit der Anschlussklemme 24b für den Glühfaden verbunden, und einer (ein positiver) der Ausgänge der Stromversorgung E2 ist mit einer der Anschlussklemmen 23a für das Gitter verbunden. Die anderen (negativen) Ausgänge beider Stromversorgungen E1, E2 sind miteinander verbunden, und an diesen negativen Ausgang ist die Verdrahtung von der anderen Anschlussklemme 24a für den Glühfaden angeschlossen. Außerdem sind an der Steuereinheit C eine Stromversorgung E3 und ein Schaltelement SW1 für die Widerstandsheizung des Gitters 21 vorgesehen. Ein (negativer) Ausgang der Stromversorgung E3 ist mit der Anschlussklemme 23b verbunden, und der andere (positive) Ausgang ist über das Schaltelement SW1 mit dem anderen Ausgang der Stromversorgung E2 verbunden.
-
Weiter ist an der Steuereinheit C eine Gleichspannungs- und HF-Stromversorgung vorgesehen, um Gleich- bzw. HF-Spannung an elektrisch gekoppelte Elektroden 31 anzulegen. Der Ausgang der Gleichspannungs- und HF-Stromversorgung ist jeweils an eine von zwei gegenüberstehenden Elektroden 31 angeschlossen. (In 1 ist nur eine dargestellt.) Außerdem sind an der Steuereinheit C in Reihe eine Stromversorgung E5 zur Ionenbeschleunigung und eine Stromversorgung E6 zum Ausbilden eine zentralen elektrischen Feldes vorgesehen. Einer der Ausgänge der Stromversorgung E5 ist mit einem (positiven) der Ausgänge der Stromversorgung E2 verbunden, und der andere der Ausgänge ist geerdet. Weiter ist an der Steuereinheit C zusätzlich ein Amperemeter 52 zum Messen des Wertes des Ionenstroms vorgesehen, der durch den Ionennachweisteil 4 gesammelt wird und nach Erde abfließt.
-
Das Vierpol-Massenspektrometer MA1 nach der oben erwähnten ersten Ausführungsform ist so eingerichtet, dass es in der Lage ist, auch den Gesamtdruck innerhalb des Prüfkörpers zu messen. Mit anderen Worten, am Trägerkörper 1 ist ein plattenartiger Ionenkollektor 61 in einer Weise vorgesehen, dass er gegenüber dem Ionennachweisteil 4 liegt, wobei das Gitter 21 dazwischen liegt. Der Ionenkollektor 61 ist direkt an eine Anschlussklemme 62 angeschlossen, die am Trägerkörper 1 vorgesehen ist, indem sie den Trägerkörper 1 in der vertikalen (Aufwärts- und Abwärts-)Richtung durchdringt. Weiter ist an der Steuereinheit C zusätzlich ein Amperemeter 63 zum Messen des Wertes des Ionenstroms vorgesehen, der durch den Ionennachweisteil 61 gesammelt wird und dann nach Erde abfließt.
-
Nun wird ein Verwendungsbeispiel des oben erwähnten Vierpol-Massenspektrometers MA1 beschrieben. Beim tatsächlichen Einsatz des Vierpol-Massenspektrometers MA1 wird ein rohrförmiger Körper P mit einem Flansch P1, P2 an jedem seiner Enden um den Sensorteil M1 montiert. Mit anderen Worten, der rohrförmige Körper P wird auf eine Außenseite und von einer oberen Seite des Sensorteils M1 nach unten eingesetzt. Der Flansch P2 an der Unterseite des rohrförmigen Körpers P wird so in Flächenkontakt mit einem äußeren oberen Kantenbereich des Trägerkörpers 1 gebracht und wird in diesem Zustand mittels Klammern und dergleichen befestigt. Als Ergebnis wird mittels des O-Rings 11 eine Vakuumabdichtung erreicht. In diesem Zustand wird der Flansch P1 an der Oberseite des rohrförmigen Körpers P über einen O-Ring 12 in Flächenkontakt mit dem Flansch TP2 des Prüfanschlusses TP1 im Prüfkörper TP gebracht und wird in diesem Zustand mittels Klammern und dergleichen befestigt, wodurch die Montage des Sensorteils M1 abgeschlossen ist. Alternativ kann der Sensorteil M1 auch direkt am Prüfanschluss P1 ohne Verwendung des rohrförmigen Körpers P montiert werden. Dann wird der Prüfkörper TP durch eine Vakuumpumpe evakuiert, und wenn ein vorgegebener Unterdruck erreicht ist, wird die Gasanalyse gestartet.
-
Zuerst wird durch die Stromversorgung E1 ein Gleichstrom zum Glühfaden 22 zu fließen veranlasst, um den Glühfaden 22 rot glühend zu erwärmen und dadurch zu veranlassen, dass Thermionen emittiert werden. Dann werden durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gitter 21 mittels der Stromversorgung E2 die emittierten Thermionen angezogen. Dabei werden positive Ionen aus den Gasatomen und -molekülen um den Glühfaden 22 erzeugt, die mit den Thermionen zur Kollision gebracht werden. Dann werden durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung aus der Stromversorgung E5 zwischen dem Gitter 21 und der Elektrode 31 die Ionen der ionisierten Gaskomponenten von der Seite des Gitters 21 zu dem Vierpol-Teil 3 hin angezogen. In dem oben erwähnten Zustand wird das Schaltelement SW1 im AUS(getrennten)Zustand gehalten. Weiter wird der Wert des Ionenstroms, der durch den Ionenkollektor 61 fließt, durch das Amperemeter 63 gemessen, und der Gesamtdruck dabei kann auch gemessen werden.
-
Die vier Elektroden 31 des Vierpol-Teils 3 empfangen von der Gleichspannungs- und HF-Stromversorgung E4 ein Anlegen einer vorgegebenen Wechselspannung, überlagert mit einer Gleichspannung, die gegenüber dem Erdpotential um die Spannung des zentralen elektrischen Feldes aufgrund der Stromversorgung E6 angehoben ist. Wenn die Ionengruppen durch den Vierpol-Teil 3 strömen, vibrieren sie gemäß dieser Anordnung bei der Bewegung, und abhängig von der Wechselspannung und der Frequenz strömen nur bestimmte Ionen hindurch, während sie stabil vibrieren, und erreichen dadurch den Ionennachweisteil 4. Dann wird der Ionenstrom durch das Amperemeter 52 gemessen, das zusätzlich in dem Ionennachweisteil 4 vorgesehen ist, und der Wert des Ionenstroms dabei wird an den Steuerteil 51 ausgegeben. Weiter können durch lineares Variieren der Wechselspannung, wobei das Verhältnis zwischen der oben erwähnten Gleichspannung und der Wechselspannung gehalten wird, die Spektren erhalten werden, und die Gaskomponenten innerhalb des Prüfkörpers können aus dem Wert des Ionenstroms analysiert werden. In diesem Fall ist es auch möglich, einen angezeigten Wert darzustellen, wie er aus dem Wert des Ionenstroms bezüglich einer angegebenen Gaskomponente berechnet ist.
-
Wenn sich dann zum Beispiel die Empfindlichkeit verringert, sodass sich der angezeigte Wert bei der angegebenen Gaskomponente außerhalb eines vorgegebenen Bereichs verändert (verringert), entscheidet der Steuerteil 51, dass das Gitter 21 verunreinigt wurde. Sobald die Entscheidung gefällt wurde, dass das Gitter 21 verunreinigt wurde, wird das Schaltelement SW1 durch den Steuerteil 51 eingeschaltet (verbunden). Ein elektrischer Strom von ungefähr 2 A wird durch die Stromversorgung E3 zum Gitter 21 geliefert, um eine Widerstandsheizung nur für einen vorgegebenen Zeitraum durchzuführen. Gemäß diesen Vorgängen werden die an der Oberfläche des Gitters 21 anhaftenden Moleküle und Atome durch Verdampfen entfernt.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem Vierpol-Massenspektrometer MA1 nach der ersten Ausführungsform durch Positionieren der Ionenquelle 2 an der Seite des Trägerkörpers 1 und durch Anschließen der freien Enden sowohl des Glühfadens 22 als auch des Gitters 21 direkt an die Anschlussklemmen 23a, 23b, 24a, 24b, die vertikal am Trägerkörper 1 vorgesehen sind, kostspielige Verdrahtung unnötig gemacht werden. In diesem Fall reicht, während die Länge der Verdrahtung zum Ionennachweisteil 4 länger wird als diejenige der herkömmlichen, nur eine als Verdrahtung zum Erfassen des Ionenstroms aus. Daher kann das Vierpol-Massenspektrometer nach dieser Erfindung im Vergleich mit dem oben erwähnten herkömmlichen Beispiel nicht nur in der Konstruktion einfacher gemacht werden, mit daraus resultierender erleichterter Montage, sondern es können auch die Kosten niedriger gemacht werden. Außerdem kann als Ergebnis des Beseitigens des Verdrahtungsverlustes die Konstruktion wirksamen Durchführens von Widerstandsheizung des Gitters 21 verwirklicht werden. Als Schlussfolgerung wird es als Ergebnis kombinierter Wirkungen: der Freiheit vom Effekt des Ausgasens aus der Verdrahtung aufgrund der Beseitigung von Verdrahtung für die Ionenquelle 2; und der wirksamen Verhinderung von Verunreinigung des Gitters durch Widerstandsheizung möglich, die Rest-Gaskomponenten bei hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit zu analysieren.
-
Außerdem kann gemäß der oben erwähnten ersten Ausführungsform als Ergebnis der Verwendung der Konstruktion, bei der: jede der Elektroden 31 des Vierpol-Teils 3 durch die Halterung 32 gehalten wird; der Ionennachweisteil 4 abnehmbar an der Halterung 32 angebracht ist; und an der Halterung 32 Steckverbinderbuchsen 34, 42 vorgesehen sind, um sie in die Anschlussklemmen 35a, 35b, 43 zu stecken, die vertikal an der Trägerplatte 1 vorgesehen sind, seine Montage und Handhabung vorteilhaft weit leichter gemacht werden. Noch weiter kann zusätzlich zum Analysieren der Gaskomponenten (Partialdruckmessung) mittels eines einzigen Vierpol-Massenspektrometergeräts MA1 auch die Messung des Gesamtdrucks des ganzen Prüfkörpers durchgeführt werden. Weiter wurde, da der Ionenkollektor 61 direkt an die Anschlussklemme 62 angeschlossen ist, die in der Trägerplatte 1 vorgesehen ist, kostspielige Verdrahtung für die Erfassung des Ionenstroms unnötig gemacht, wodurch eine Anordnung zum kostengünstigen Messen des Gesamtdrucks verwirklicht werden kann.
-
Bisher wurde das Vierpol-Massenspektrometer MA1 gemäß der oben erwähnten ersten Ausführungsform beschrieben, aber diese Erfindung soll nicht auf das Obige beschränkt sein. In der oben erwähnten Ausführungsform wurden der Sensorteil 3 und die Steuereinheit C als separate Elemente ausgeführt. Sie können jedoch gebaut sein, indem sie gesamtheitlich in ein und denselben Kastenkörper montiert sind. Weiter ist in der oben erwähnten Ausführungsform der Ionennachweisteil 4 an eine Position gesetzt, die am weitesten von der Seite des Trägerkörpers 1 liegt, d. h. an eine Position, in welcher der Ionennachweisteil in Kontakt mit der Atmosphäre innerhalb des Prüfkörpers kommt, wobei die Gaskomponenten darin der Analyse unterzogen werden. In einem solchen Fall besteht eine Möglichkeit, dass die Ionen, die innerhalb des Prüfkörpers vorhanden sind, auch durch den Ionennachweisteil 4 erfasst werden. Abhängig vom Prüfkörper TP gibt es somit Fälle, in denen eine hoch genaue Analyse der Gaskomponenten nicht durchgeführt werden kann.
-
Als Lösung ist, wie in 2 gezeigt, am Sensorteil M2 des Vierpol-Massenspektrometers gemäß einem abgeänderten Beispiel der ersten Ausführungsform weiter ein plattenartiges Abschirmelement 7 vorgesehen, das den oberen Teil des Ionennachweisteils 4 in einer Weise abdeckt, dass es den Ionennachweisteil 4 gegen die Ionen abschirmt, die innerhalb des Prüfkörpers vorhanden sein können. Es ist anzumerken, dass die Form des Abschirmelements 7 nicht auf die Plattenform beschränkt ist, sondern eine in halbkugeliger Form und dergleichen ebenfalls benutzt werden kann.
-
Weiter wurde in der oben erwähnten ersten Ausführungsform eine beschrieben, an der ein plattenartiger Ionenkollektor 61 vorgesehen ist, um den Gesamtdruck des Prüfkörpers messen zu können. Falls die plattenartige Form benutzt wird, ist es wahrscheinlich, dass ihre Oberfläche verunreinigt wird, mit der Folge, dass sich wahrscheinlich die Empfindlichkeit verringert. Als Lösung ist an dem Sensorteil M2 gemäß dem oben erwähnten abgeänderten Beispiel, wie in 2 gezeigt, ein zylindrischer Ionenkollektor 610 vorgesehen. Zusätzlich dazu ist am Sensorteil M2 weiter ein Pirani-Vakuummeter 8 vorgesehen, sodass eine Druckmessung in einem Druckbereich von Atmosphärendruck bis zu dem Druck durchgeführt werden kann, bei dem die Thermionen durch den Glühfaden 22 emittiert werden können. Gemäß dieser Anordnung ist kein anderer Unterdruckmesser erforderlich, um den Druck innerhalb des Prüfkörpers zu messen, bis die Gasanalyse gestartet wird, nachdem der Prüfkörper evakuiert wurde. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn eine Analyse der Gaskomponenten durchgeführt wird, indem der oben erwähnte Sensorteil M2 auf dem Prüfkörper montiert wird, der keinen Unterdruckmesser aufweist. Es ist anzumerken, dass der Schaltkreis zum Steuern des Betriebs des Pirani-Messgeräts 8 in der Steuereinheit C untergebracht ist.
-
Weiter wurde bei der oben erwähnten Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem der Trägerkörper 1 kreisförmig ist, aber er ist nicht darauf beschränkt. Bei dem Sensorteil M3 bezüglich eines weiteren abgeänderten Beispiels der ersten Ausführungsform ist die Trägerplatte 10, wie in den 3(a) und 3(b) gebildet: aus einem zentralen Basisteil 10a, der aus einer flachen Platte hergestellt ist; einem zylindrischen Wandteil 10b, der vertikal um den Umfang des Basisteils 10a vorgesehen ist; und einem Flansch 10c, der am oberen Ende des zylindrischen Wandteils 10b ausgebildet ist.
-
Am Basisteil 10a sind vorgesehen: Anschlussklemmen 23a, 23b für das Gitter; und Anschlussklemmen 24a, 24b für den Glühfaden. Weiter liegt die obere Fläche des Flansches 10c auf einer höheren Position als das Gitter 21, das an die Anschlussklemmen 23a, 23b angeschlossen ist, und der Glühfaden 22, der an die Anschlussklemmen 24a, 24b angeschlossen ist. Gemäß dieser Anordnung kann sie, sobald der Vierpol-Teil 3 und der Ionennachweisteil 4 abgenommen sind, als Unterdruckmesser (Ionisations-Unterdruckmesser) zum Messen des Gesamtdrucks in dem Prüfkörper dienen (siehe 3(b)).
-
Weiter wurde bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform ein Beispiel mit einer Steuereinheit C beschrieben, aber diese Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Nun erfolgt eine Beschreibung mit Bezug auf 4, bei der die Steuereinheit bezüglich eines abgeänderten Beispiels aufgebaut ist, indem eine Haupteinheit C1 zum Messen des Gesamtdrucks und dergleichen innerhalb des Prüfkörpers und eine Untereinheit C2 zum Analysieren der Gaskomponenten innerhalb des Prüfkörpers miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, die Haupteinheit C1 weist ein erstes Kastenelement C11 auf. In dem ersten Kastenelement C11 sind vorgesehen: ein Stromversorgungsteil C12 zum Vorsehen von elektrischer Leistung; ein Steuerteil C13, wie etwa eine CPU und dergleichen zum Steuern des Betriebs der Steuereinheit; ein Ionen-Stromversorgungsteil C14 zum Versorgen der Ionenquelle 2 mit elektrischer Leistung; und ein Stromerfassungs-Schaltkreis C15 zum Messen des Stromwerts der durch Ionenkollektoren 61, 610 gesammelten Ionen. Andererseits weist die mit der Haupteinheit C1 in einer Weise verbundene Untereinheit C2, dass sie frei mit ihr kommuniziert, ein zweites Kastenelement C21 auf. Im zweiten Kastenelement C21 sind vorgesehen: ein Stromversorgungsteil C22, der Gleich- und HF-Spannung an die Elektroden 31 des Vierpol-Teils 3 anlegt; und ein Stromerfassungs-Schaltkreis C23, der den Stromwert der Ionen misst, die durch den Ionennachweisteil 4 gesammelt werden. Gemäß dieser Anordnung können, falls die Sensorteile M1, M2, M3 des Vierpol-Massenspektrometers MA1 als Unterdruckmesser benutzt werden, nur diejenigen Steuereinheiten benutzt werden, die für diesen Zweck benötigt werden.
-
Als Nächstes wird mit Bezug auf die 5 und 6 der Aufbau des Sensorteils M4 des Vierpol-Massenspektrometers MA2 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Ähnliche oder dieselben Bezugsnummern wurden ähnlichen Elementen zugewiesen, und es wird angenommen, dass der Aufbau der Steuereinheit C derselbe ist.
-
Der Sensorteil M4 weist einen scheibenförmigen Trägerkörper 100 auf. Der Trägerkörper 100 ist aus Metall hergestellt, wie etwa Aluminium, Edelstahl und dergleichen, und an ihm ist an seinem oberen Umfang ein O-Ring (ein Dichtungsmittel) 11 vorgesehen. Die folgende Beschreibung erfolgt unter der Voraussetzung, dass die Anbringungsrichtung des Sensorteils M4 bezüglich des Prüfkörpers TP in einer Aufwärtsrichtung liegt. Eine Ionenquelle 2 ist am Trägerkörper 100 vorgesehen. Die Ionenquelle 2 ist gebildet aus: einem gewendelten Gitter 21, das parallel zum Trägerkörper 100 an einer Durchmesserseite des Trägerkörpers 100 angeordnet ist; und einem Glühfaden 22, der so angeordnet ist, dass er den Innenraum des Gitters 21 durchdringt, und der auf der Oberfläche eines Ir-Drahtes mit Yttriumoxid beschichtet ist. Die freien Enden des Gitters 21 und des Glühfadens 22 sind an die Anschlussklemmen 23a, 23b für das Gitter bzw. die Anschlussklemmen 24a, 24b für den Glühfaden angeschlossen (direkt angeschlossen), die vertikal vorgesehen sind, indem sie den Trägerkörper 100 vertikal in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung durchdringen.
-
Nahe der Ionenquelle 2 ist eine ringförmige Fokuselektrode FP an der Durchmesser-Innenseite des Trägerkörpers 100 angeordnet. Die Fokuselektrode FP ist direkt an eine Anschlussklemme FP1 angeschlossen, die vertikal vorgesehen ist, indem sie den Trägerkörper 100 in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung durchdringt. Die Anschlussklemme FP1 ist mit einer Stromquelle verbunden, die in der Steuereinheit C vorgesehen ist. Dann wird bei der Gasanalyse durch Anlegen einer vorgegebenen Gleichspannung an die Fokuselektrode Streuen der Ionen unterdrückt, die auf den Vierpol-Teil 3 einfallen.
-
Auf der durchmessermäßigen Innenseite der Trägerplatte 100 nahe der Fokuselektrode FP ist ein Vierpol-Teil 300 angeordnet, in dem vier säulenförmige Elektroden 31 umlaufend in vorgegebenem Abstand voneinander und parallel zum Trägerkörper 100 vorgesehen sind, wobei die gegenüberstehenden Elektroden 31 elektrisch miteinander verbunden sind (siehe 6). Jede der Elektroden 31 ist durch eine kastenförmige Halterung 320 gehalten, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und an der Unterseite offen ist. Diese Halterung 320 ist abnehmbar am Trägerkörper 100 befestigt. Von den jeweiligen gegenüberstehenden Elektroden 31 sind zwei Elektroden durch Verdrahtung W elektrisch mit den Anschlussklemmen 35a, 35b verbunden, die vertikal am Trägerkörper 100 angeordnet sind.
-
An der diametral gegenüberliegenden Seite des Trägerkörpers 100 und nahe dem Vierpol-Teil 3 ist ein Ionennachweisteil 4 vorgesehen. Der Ionennachweisteil 4 ist gebildet aus einem Faraday-Becher, um die Gasmoleküle zu sammeln, die durch den Raum jeder der Elektroden 31 des Vierpol-Teils 300 strömen und dadurch den Raum darüber erreichen. Der Ionennachweisteil 4 ist auch an die Anschlussklemme 40 angeschlossen (direkt angeschlossen), die vertikal am Trägerkörper 100 vorgesehen ist. Es ist ein plattenartiger Ionenkollektor 61 in einer Weise vorgesehen, dass er gegenüber dem Ionennachweisteil 4 liegt, wobei das Gitter 21 dazwischen liegt. Der Ionenkollektor 61 ist direkt an eine Anschlussklemme 62 angeschlossen, die vorgesehen ist, indem sie den Trägerkörper 1 in einer Aufwärts- und Abwärtsrichtung durchdringt.
-
Wenn das Vierpol-Massenspektrometer MA2 eingesetzt wird, wird auf dieselbe Weise wie in dem obigen Beispiel ein rohrförmiger Körper P angebracht, an dem Flansche P1, P2 an beiden Enden im Umfang des Sensorteils M4 vorgesehen sind. Gemäß dieser Anordnung kann der rohrförmige Körper P, wenn der oben erwähnte Sensorteil M4 am Prüfkörper TP angebracht ist, in der Länge kürzer hergestellt sein als derjenige der ersten Ausführungsform, und folglich wird der Auskragungsbetrag über den Prüfkörper TP hinaus, wenn er am Prüfkörper TP montiert ist, vorteilhaft kleiner. Noch weiter kann gemäß der oben erwähnten zweiten Ausführungsform, da die Ionenquelle 2, der Vierpol-Teil 300 und der Ionennachweisteil 4 parallel zueinander am Trägerkörper 100 angeordnet sind, eine Verdrahtung unnötig gemacht werden, und nicht nur kann die Konstruktion vereinfacht sein, um dadurch die Montage zu erleichtern, sondern es kann auch eine weitere Kostensenkung möglich gemacht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- MA1, MA2
- Vierpol-Massenspektrometer
- M1–M4
- Sensorteil
- C
- Steuereinheit
- 1, 10, 100
- Trägerkörper
- 11
- Dichtungsmittel
- 2
- Ionenquelle
- 21
- Gitter
- 22
- Glühfaden
- 3
- Vierpol-Teil
- 31
- Elektrode
- 32
- Halterung
- 4
- Ionennachweisteil
- 35a, 35b, 43
- Anschlussklemme
- E1–E6
- Stromversorgung
- 61, 610
- Ionenkollektor (zum Messen des Gesamtdrucks)
- 7
- Abschirmelement
- 8
- (Pirani-)Unterdruckmessgerät
