DE4202125A1

DE4202125A1 - Einlassventil fuer ein hochvakuum-analysengeraet mit bypass-bepumpung

Info

Publication number: DE4202125A1
Application number: DE4202125A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Weiss; Alfred Kraffert
Original assignee: Bruken Franzen Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1993-07-29
Also published as: GB2263534A; GB2263534B; GB9301587D0; US5404765A

Description

Die Erfindung betrifft ein UHV-Ventil für den Einlaß von Substanzgemischen in ein analytisches Meßgerät, dessen analytisch wirksamer Sensor sich im Hochvakuum befindet. Insbesondere handelt es sich dabei um Massenspektrometer. Bei dem Einlassen der Substanzproben in das Vakuumsystem dürfen sich keine Verfälschungen der Proben zusammensetzung durch Adsorption von Spurensubstanzen oder durch Beimengung von Untergrundsubstanzen ergeben. Der Erfindungsgedanke beschränkt den Weg der Substanzen auf eine möglichst kleine Durchflußkammer mit beherrschbaren Adsorptionseigenschaften der Kammerwände, trennt die für die Bewegung des Ventilstempels notwendigen elastischen Wandteile einer Mechanikkammer vakuumtechnisch ab und bepumpt die Mechanikkammer durch einen eigenen, vom Weg der analytischen Substanzen getrennten Leitungskanal zur Vakuumkammer des Massenspektrometers.

Hochempfindliche analytische Geräte mit Meßsensoren im Hochvakuum (wie zum Beispiel Massenspektrometer) können heute bei einem gesamten Gaseinstrom von nur 10 Nanoliter pro Sekunde (entsprechend etwa 10 Nanogramm pro Sekunde) Konzentrationen von Spurensubstanzen bis hinunter zu 1 ppb (einem Milliardstel des Gewichts) messen. Das sind Spurensubstanzflüsse von nur 10^-17 Gramm pro Sekunde, entsprechend 10⁵ Molekülen pro Sekunde für eine Substanz mit einem Molekulargewicht von 60 Dalton (ein Dalton entspricht einer atomaren Masseneinheit). Ist eine Oberfläche, die mit dem einströmenden Gas in Berührung kommt, adsorptionsaktiv für eine der zu analysierenden Spurensubstanzen, so kann sie sehr leicht den Durchfluß dieser Spurensubstanz vollständig und für lange Zeit verhindern. Zum Vergleich: Ein einziger Quadratmillimeter einer aktiven Oberfläche kann bereits 1 Nanogramm (10^-9 Gramm) einer Substanz vom Molekulargewicht um 300 Dalton aufnehmen, bevor sie mit einer monomolekularen Schicht gesättigt ist.

Für den Substanzzufluß zum Massenspektrometer verwendet man heute fast ausschließlich chromatographische Kapillarsäulen, die hervorragend geringe Adsorption zeigen. Die Säulen werden geheizt, um die Substanzen dampfförmig zu halten und Kondensation zu vermeiden. Es sind bereits hochtemperaturfeste chromatographische Phasen bekannt, die bis 400°C geheizt werden können.

Es ist günstig, analytische Hochvakuumgeräte, wie beispielsweise Massenspektrometer, dauernd unter Vakuum zu halten, damit saubere Meßverhältnisse nach erneuter Inbetriebnahme nicht immer wieder durch langwierige Ausheizvorgänge erzeugt werden müssen. Hochvakuum-Analysengeräte, die nicht mit fest angeschlossenen Kapillarsäulen arbeiten und rund um die Uhr durch aktives Pumpen unter Vakuum gehalten werden, bedürfen dazu eines Ultrahochvakuum-Ventils (UHV-Ventil). Das betrifft insbesondere Massenspektrometer für den mobilen Einsatz, die mit Ionengetterpumpen bepumpt werden, und im abgeschlossenen Zustand unter Vakuum transportiert werden.

Das Ventil muß ultrahochvakuumdicht sein und Ausheizperioden bis 400°C ohne Beeinträchtigung der Funktion überstehen. Die normale Benutzungstemperatur während der Öffnungszeiten liegt bei 250°C, um Kondensation der eingelassen Substanzen zu vermeiden.

Einlaßventile für die Substanzgemische, die analytisch auf Spurenstoffe zu untersuchen sind, müssen dabei den oben angegebenen Anforderungen an Adsorptionsfreiheit genügen. Andererseits brauchen Einlaßventile elastische Wandstücke wie Metallmembranen oder Metallbälge, um den im Einlaßweg befindlichen Ventilstempel durch eine äußerlich anliegende Kraft bewegen zu können.

Diese elastischen Wandstücke bilden aber ein Problem für die Oberflächenbehandlung. Die Materialwahl für die Oberfläche ist durch die Elastizitätsanforderungen eingeschränkt. Da sie einen Bewegungshub aufnehmen müssen, haben sie regelmäßig eine ungünstig große Oberfläche. Metallmembranen oder Metallbälge enthalten in ihrer Oberfläche oft eingewalzte organische Materialien, die bei jeder elastischen Bewegung einen Diffusionsschub erhalten, in winzigen Spuren austreten, und so einen chemischen Untergrund erzeugen. Dieses Verhalten läßt sich weder durch Ausheizen noch durch reinigende Oberflächenbehandlungen beseitigen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Ventil zu schaffen, bei dem störende Adsorptionen und störende Ausgasungen in den Substanzstrom zum analytischen Gerät hinein auf ein Minimum beschränkt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Ventil die Durchflußkammer (5) für den Durchfluß des zu analysierenden Gasgemisches von der Mechanikkammer (3), die das elastische Wandelement enthält, vakuumtechnisch abgetrennt wird. Die Mechanikkammer mit dem elastischen Wandelement wird vom Vakuum des UHV- Analysengerätes bepumpt, aber so, daß die von dem elastischen Wandstück abgegebenen Verunreinigungen unter Umgehung der für die Analyse kritischen Sensorkammer direkt die Vakuumpumpe des UHV-Gerätes erreichen können. Die Durchflußkammer kann dann aus Materialien bestehen, deren Oberfläche mit bekannten Methoden wie Elektropolieren oder Silyllieren desaktivierbar ist.

Eine besondere Bedeutung kommt dabei dem Kopf (6) des Ventilstempels (1) in der Durchflußkammer (5) zu, der durch Druck gegen den Ventilsitz (7) die Schließung des Ventils bewirkt. Ein aus Metall gefertigter Stempelkopf verformt sich bei jedem Schließen ein wenig durch inelastische Gleitvorgänge in der kristallinen Struktur des Metalls. Dadurch werden nach dem Öffnen frische Stellen der Metalloberfläche frei, die meist extrem adsorptiv sind. Eine besondere Ausformung der Erfindung sieht daher am Stempelkopf eine Kugel (6) aus extrem harten, aber wenig spröden und inerten Materialien vor, die keine inelastische Verformung zeigen. Besonders geeignet sind Diamant, Borkarbid, Saphir oder Siliziumnitrid. Diese Materialien sind sowohl chemisch wie oberflächentechnisch sehr inert. Der Ventilsitz (7) formt sich durch die ersten Schließungen zu einem Kugelbett aus, das bei weiteren Schließvorgängen keine inelastische Verformung mehr zeigt.

Eine weitere Möglichkeit des Abschlusses der Mechanikkammer von der Durchflußkammer kann darin bestehen, den Ventilstempel (1) unterhalb der Dichtkugel mit einer Verdickung zu versehen, die beim Öffnen des Ventils einen rückwärtigen Sitz schließt. Diese Dichtfläche braucht dabei nicht den strengen UHV-Anforderungen an die Dichtigkeit zu genügen. In der Praxis hat sich jedoch diese Art der Dichtung nur als zweitbeste Lösung des Problems bewährt, da an diesem Dichtsitz immer wieder unerwünschte Adsorptions- und Desorptionsvorgänge beobachtet wurden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein besonders geeignetes Ventil mit Metallbalg (2), Siliziumnitridkugel (6), Quarzglaseinlaßröhrchen (8) und Quarzglasauslaßröhrchen (10).

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform hat, wie in Fig. 1 gezeigt, einen zylindrischen Ventilstempel (1) aus gehärtetem Material, der mit Hilfe eines elastischen Metallbalgs (2) in seiner Längsachse bewegt werden kann. Die Mechanikkammer (3), die die Bewegung des Ventilstempels (1) ermöglicht, ist von der Durchflußkammer (5) durch einen Diffusionsspalt (4) sehr geringen Leitwerts (ca. 0,05 mm Weite) getrennt, der unter den herrschenden Vakuumbedingungen von etwa 10^-4 Pa in der Balgkammer (3) und 10^-3 Pa in der Durchflußkammer (5) einen nur äußerst geringen Substanzstrom zuläßt. Der Ventilkopf besteht aus einer Siliziumnitridkugel (6), die sich in den Ventilsitz (7) einpressen läßt. Das Einlaßröhrchen (8) für den Substanzeinstrom (9) und das Auslaßröhrchen (10), das zur Ionenquelle (Wegrichtung 11) führt, bestehen aus desaktiviertem Quarzglas. Die Balgkammer (3) wird über die Bypassleitung (12) in Wegrichtung Vakuumpumpe (13) abgepumpt, um die günstige Druckdifferenz über den Diffusionsspalt (4) aufrecht zu erhalten.

Der Diffusionsspalt (4) wurde als Dichtmittel gewählt, obwohl er nicht vollständig dicht ist. Gleitdichtungen aus hochtemperaturfesten organischen Materialien (z. B. Polyimid) können ebenfalls benutzt werden, ohne ein Festfressen des Stempels bei häufigen Bewegungen befürchten zu müssen. Andererseits sind Reibungsvorgänge im Vakuum immer mit einem Freiwerden adsorbierter Substanzen verbunden. Organische Materialien nehmen außerdem besonders leicht Spuren von Substanzen durch Lösungsvorgänge auf. Beide Vorgänge werden durch einen Diffusionsspalt vermieden.

Bezugzeichenliste:

1 Ventilstempel
2 Metallbalg
3 Mechanikkammere mit Balg als elastischem Wandteil
4 Diffusionsspalt zwischen Stempel und Ventilkörper
5 Durchflußkammer
6 Siliziumnitridkugel als Stempeldichtkopf
7 Ventilsitz
8 Einlaßleitung aus desaktiviertem Quarzglas
9 Substanzeinlaß
10 Substanzauslaßröhrchen aus desaktiviertem Quarzglas
11 Weg zur Ionenquelle
12 Bypassbepumpung
13 Weg zur Vakuumpumpe unter Umgehung der Sensorkammer (Ionenquelle)

Claims

1. Ventil für den Einlaß eines zu analysierenden Gasgemisches in ein Hochvakuum- Analysengerät, mit einer Einlaßleitung, einem Ventilsitz, einem Ventilstempel, einer Auslaßleitung zur Sensorkammer des Analysengerätes, und einem elastisch biegbaren Teil in der Vakuumwand des Ventils, das die Bewegung des Ventilstempels zum Öffnen und Schließen durch eine von außerhalb des Vakuumsystems wirkende Kraft erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Wandelement sich in einer vakuummäßig von einer Durchflußkammer abgeschlossenen Mechanikkammer des Ventils befindet, die nicht von den eingelassenen Substanzen durchströmt wird, und die durch eine eigene (zweite) Verbindung mit der Vakuumkammer des Analysengerätes bepumpt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hochvakuum-Analysengerät um ein analytisches Massenspektrometer und bei der analytisch aktiven Sensorkammer um die Ionenquelle des Massenspektrometers handelt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß der Durchflußkammer von der Mechanikkammer mit dem elastischen Wandteil durch einen feinen Diffusionsspalt um den Ventilstempel herum bewirkt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß der Durchflußkammer von der Mechanikkammer mit dem elastischen Wandteil durch eine Gleitdichtung bewirkt wird, durch die sich der Ventilstempel bewegen kann.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß der Durchflußkammer von der Mechanikkammer mit dem elastischen Wandteil dadurch bewirkt wird, daß sich beim Öffnen des Ventils ein rückwärtiger (zweiter) Ventilsitz um den Ventilstempel herum zur Mechanikkammer mit dem elastischen Wandteil schließt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Kopf des Ventilstempels eine Kugel aus einem harten, gut polierbaren, wenig spröden und wenig adsorptiven Material befindet, das bei Bewegung des Stempels den Verschluß des Ventilsitzes bewirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel aus Diamant, Borkarbid, Saphir (Korund), oder Siliziumnitrid besteht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung, die Auslaßleitung zur Ionenquelle, oder beide aus desaktiviertem Glas oder Quarzglas bestehen.