RU2616927C1 - Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements - Google Patents
Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616927C1 RU2616927C1 RU2015156993A RU2015156993A RU2616927C1 RU 2616927 C1 RU2616927 C1 RU 2616927C1 RU 2015156993 A RU2015156993 A RU 2015156993A RU 2015156993 A RU2015156993 A RU 2015156993A RU 2616927 C1 RU2616927 C1 RU 2616927C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- gas flow
- mass
- mass spectrometer
- calibrated
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Заявленное изобретение относится к вакуумной технике, масс-спектрометрической технике и может быть использовано в области исследования газовой проницаемости материалов и задач, сопряженных с точным измерением газовых потоков (в диапазоне рабочих давлений масс-спектрометра (10-13-10-2 Па). При калибровке устройства масс-спектрометрического измерения газовых потоков проходное сечение (проводимость) калиброванной течи (или их набор) должны обеспечивать молекулярный режим течения газового потока, в том числе сверхмалых (порядка 108 молекул/с или 10-14 Па⋅м3/с).The claimed invention relates to vacuum technology, mass spectrometric technology and can be used in the study of gas permeability of materials and tasks associated with accurate measurement of gas flows (in the range of operating pressures of a mass spectrometer (10 -13 -10 -2 Pa). the calibration of the device for mass spectrometric measurement of gas flows, the cross-section (conductivity) of a calibrated leak (or a set of them) should provide a molecular regime of gas flow, including ultra-small (about 10 8 molecules / s or 10 -14 Pa⋅m 3 / s).
Известно устройство для калибровки масс-спектрометра - калиброванная течь (эталонный источник молекулярного потока газа), [http://www.lacotech.com/leakstandardsandcalibrations/heliumreservoirleakstandards.aspx]. Устройство содержит: баллон с газом, калиброванную течь и запорную арматуру. При подключении устройства к вакуумной системе, в которой необходимо провести калибровку масс-спектрометрического оборудования по газовому потоку, открывают соответствующие вентили, в результате чего, газ из баллона подается в систему пользователя с заданной величиной потока. Устройство в состоянии в течение длительного времени создавать регламентированный производителем поток соответствующего газа на выходе. Давление газа в баллоне, по которому осуществляется калибровка, несколько атмосфер, а величина газовой проводимости течи крайне мала. Таким образом, поток газа достаточно продолжительное время будет постоянным, по причине малости абсолютного значения потока и, следовательно, малого изменения давления в баллоне. Такие системы достаточно распространены и удобны в использовании. К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость периодической (раз в 1-2 года в зависимости от частоты использования и расхода газа) проверки, заправки, и калибровки устройства у производителя. Итоговая стоимость эксплуатации такой системы с учетом транспортировки и сервисных услуг достаточно высока. Также, в случае необходимости проведения калибровки масс-спектрометра с целью измерения газового потока, который может варьироваться в широком диапазоне необходимо использование нескольких подобных устройств. Задача дополнительно усложняется, в случае, если измеряемый газовый поток представляет собой смесь газов с различными молярными массами.A device for calibrating a mass spectrometer is known - calibrated leak (a reference source of molecular gas flow), [http://www.lacotech.com/leakstandardsandcalibrations/heliumreservoirleakstandards.aspx]. The device contains: gas cylinder, calibrated leak and shutoff valves. When the device is connected to a vacuum system, in which it is necessary to calibrate the mass spectrometric equipment according to the gas flow, the corresponding valves are opened, as a result, gas from the cylinder is supplied to the user system with a given flow value. The device is able to create a flow of the corresponding gas at the outlet regulated by the manufacturer for a long time. The gas pressure in the calibration cylinder is several atmospheres, and the gas conductivity of the leak is extremely small. Thus, the gas flow will be constant for a sufficiently long time, due to the small absolute value of the flow and, therefore, a small change in pressure in the cylinder. Such systems are quite common and easy to use. The disadvantages of this device include the need for periodic (every 1-2 years, depending on the frequency of use and gas consumption) inspection, refueling, and calibration of the device from the manufacturer. The total cost of operating such a system, taking into account transportation and services, is quite high. Also, if it is necessary to calibrate the mass spectrometer in order to measure the gas flow, which can vary over a wide range, it is necessary to use several similar devices. The task is further complicated if the measured gas stream is a mixture of gases with different molar masses.
В патенте РФ №81442, опубл. 20.10.2008, описано устройство для калибровки масс-спектрометра, которое может быть использовано в области исследования изотопного состава веществ. Устройство содержит ионизационную камеру, испаритель, источник лазерного излучения, и ионопровод с вытягивающей линзой; над ионизационной камерой расположен источник электронов, состоящий из проволочного катода и кольцевого анода, установленного соосно с отверстиями ионизационной камеры и вытягивающей линзы ионопровода. Работа устройства основана на принципе фотоионизации и не может быть применимо для наших задач в связи с тем, что не подходит для исследования газовой смеси, состоящей из легких химических элементов.In the patent of the Russian Federation No. 81442, publ. 10.20.2008, a device for calibrating a mass spectrometer is described, which can be used in the field of studying the isotopic composition of substances. The device comprises an ionization chamber, an evaporator, a laser radiation source, and an ion guide with an extractive lens; above the ionization chamber is an electron source consisting of a wire cathode and a ring anode mounted coaxially with the holes of the ionization chamber and an ion guide traction lens. The operation of the device is based on the principle of photoionization and cannot be applicable to our tasks due to the fact that it is not suitable for studying a gas mixture consisting of light chemical elements.
В патенте РФ №2367939, опубл. 20.09.2009, описан способ проведения количественного масс-спектрометрического анализа состава газовой смеси. Данный способ позволят проводить определение концентрации отдельных компонентов газовой смеси при наличии в ней неизвестных газовых компонентов. Калибровку прибора проводят по индивидуальным газам путем одновременной регистрации масс-спектра и абсолютного давления газа в системе напуска масс-спектрометра, затем определяют коэффициенты абсолютной чувствительности.In the patent of the Russian Federation No. 2367939, publ. 09/20/2009, describes a method for quantitative mass spectrometric analysis of the composition of the gas mixture. This method will allow to determine the concentration of the individual components of the gas mixture in the presence of unknown gas components in it. The instrument is calibrated for individual gases by simultaneously recording the mass spectrum and absolute gas pressure in the mass spectrometer inlet system, then absolute sensitivity coefficients are determined.
В патенте РФ №110541, опубл. 17.05.2011, описано устройство для масс-спектрометрического анализа чистоты водорода и количественного состава газовых примесей, содержащее масс-спектрометр, связанный с системой откачки, и систему непрерывного ввода анализируемой газовой смеси, содержащую устройство обогащения исходной смеси газов анализируемыми примесями, измеритель давления газовой смеси, установленный на входе масс-спектрометра, и измеритель скорости расхода газовой смеси, установленный на входе устройства обогащения исходной смеси газов анализируемыми примесями, в системе непрерывного ввода анализируемой газовой смеси устройство обогащения исходной смеси газов анализируемыми примесями выполнено в виде проницаемой только для водорода и непроницаемой для любых других газов селективной мембраны, размещенной в герметичном корпусе, соединенным с масс-спектрометром с помощью регулируемого вентиля. Это устройство содержит некоторые конструктивные элементы, совпадающие с устройством для масс-спектрометрического измерения, которое калибруется на предлагаемом нами стенде.In the patent of the Russian Federation No. 110541, publ. 05/17/2011, a device for mass spectrometric analysis of hydrogen purity and quantitative composition of gas impurities is described, comprising a mass spectrometer associated with a pumping system and a continuous input system for the analyzed gas mixture containing a device for enriching the initial gas mixture with analyzed impurities, a gas mixture pressure meter installed at the inlet of the mass spectrometer and a gas mixture flow rate meter installed at the inlet of the enrichment device of the initial gas mixture with the analyzed impurities, system continuously introducing a gaseous mixture of the analyzed device enrichment feed gas mixture being analyzed by impurities formed as a permeable only to hydrogen and impermeable to other gases, any selective membrane, placed in a sealed enclosure connected to a mass spectrometer via an adjustable valve. This device contains some structural elements that coincide with the device for mass spectrometric measurement, which is calibrated at our stand.
Анализ публикаций не выявил технических решений, которые позволяют провести калибровку устройств масс-спектрометрического измерения газовых потоков как для каждого регистрируемого газа в отдельности, так и для газовой смеси без существенных конструктивных изменений действующих устройств.An analysis of the publications did not reveal technical solutions that allow the calibration of mass spectrometric devices for measuring gas flows both for each registered gas individually and for a gas mixture without significant structural changes to existing devices.
Техническим результатом является создание стенда для калибровки, с широкими функциональными возможностями, позволяющий при минимальных конструктивных изменениях калибруемого устройства масс-спектрометрического измерения газовых потоков проводить его калибровку при работе в широком диапазоне измеряемых газовых потоков (10-14-10-3 Па⋅м3/с или 108 молекул/с - 1017 молекул/с), при этом стенд не требует регулярного обслуживания/поверки, что делает это техническое решение экономически выгодным.The technical result is the creation of a calibration bench with wide functional capabilities, allowing for minimal design changes of the calibrated mass spectrometric gas flow measuring device to calibrate it when operating in a wide range of measured gas flows (10 -14 -10 -3 Pa⋅m 3 / s or 10 8 molecules / s - 10 17 molecules / s), while the stand does not require regular maintenance / verification, which makes this technical solution cost-effective.
Для достижения указанного технического результата предложен стенд для калибровки устройства масс-спектрометрического измерения газовых потоков, содержащего камеру напуска газа, соединенную с датчиком давления, не чувствительным к роду газа, камеру регистрации газового потока, соединенную с масс-спектрометром и комбинированным полнодиапазонным датчиком давления газа, системы вакуумной откачки камер, камеры напуска газа и регистрации газового потока соединены магистралью с вентилем, при этом на конце магистрали, введенном в камеру напуска газа, установлена газопроницаемая мембрана, кроме того, камеры напуска газа и регистрации газового потока соединены, по крайней мере, одной магистралью с двумя вентилями, между которыми установлена калиброванная течь, проходное сечение d которой обеспечивает молекулярный режим течения газового потока.To achieve the specified technical result, a stand is proposed for calibrating a mass spectrometric measurement device for gas flows, comprising a gas inlet chamber connected to a pressure sensor not sensitive to the gas genus, a gas flow registration chamber connected to a mass spectrometer and a combined full-range gas pressure sensor, systems for vacuum pumping chambers, gas inlet chambers, and gas flow recordings are connected by a line to a valve, and at the end of the line introduced into the chamber for gas start-up, a gas-permeable membrane is installed, in addition, the gas inlet and gas flow detection chambers are connected by at least one line with two valves, between which a calibrated flow is established, the cross-section d of which ensures the molecular flow regime of the gas stream.
Кроме того, число магистралей с калиброванными течами может быть равно n, при этом dn/dn-1 лежит в диапазоне 10-30.In addition, the number of highways with calibrated leaks may be equal to n, while d n / d n-1 is in the range of 10-30.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На Фиг. 1 и 2 схематично изображен стенд для калибровки устройства масс-спектрометрического измерения газовых потоков.In FIG. 1 and 2 schematically depict a stand for calibrating a mass spectrometric measurement device for gas flows.
На Фиг. 3 изображены временные зависимости ионных токов (показаний масс-спектрометра) при исследовании проницаемости мембраны из стали ЕК-181 (Rusfer) газом и проведении калибровки при достижении стационарного значения измеримых газовых потоков.In FIG. Figure 3 shows the time dependences of ion currents (mass spectrometer readings) when studying gas permeability of an EK-181 steel membrane (Rusfer) and performing calibration when the stationary value of measurable gas flows is reached.
На Фиг. 4 представлены зависимости ионных токов (показаний масс-спектрометра) от давления Р1 в камере напуска газа при определении коэффициентов чувствительности масс-спектрометра kmi для газов: D2, Н2, Ar - «Калибровка 1» и D2, Ar - «Калибровка 2».In FIG. Figure 4 shows the dependences of ion currents (mass spectrometer readings) on pressure P 1 in the gas inlet chamber when determining the sensitivity coefficients of the mass spectrometer k mi for gases: D 2 , Н 2 , Ar - “
Позициями обозначены:The positions indicated:
1 - Камера напуска газа1 - Gas inlet chamber
2 - Камера регистрации газового потока2 - Gas flow recording chamber
3 - Высоковакуумные вентили, VT1 слева от течи и VT2 справа от течи3 - High vacuum valves, VT1 to the left of the leak and VT2 to the right of the leak
4, 4.1, 4.2, …, 4.n - Калиброванная течь4, 4.1, 4.2, ..., 4.n - Calibrated leak
5 - Высоковакуумный вентиль VT35 - VT3 high vacuum valve
6 - Система высоковакуумной откачки газа из камеры напуска газа и камеры регистрации газового потока6 - System of high vacuum pumping gas from the gas inlet chamber and the gas flow recording chamber
7 - Датчик давления, не чувствительный к роду газа7 - Pressure sensor, not sensitive to the type of gas
8 - Комбинированный полнодиапазонный датчик давления газа8 - Combined full-range gas pressure sensor
9 - Масс-спектрометр9 - Mass spectrometer
10 - Газопроницаемая мембрана10 - Gas permeable membrane
11 - Калиброванный поток газа J11 - Calibrated gas flow J
12 - Измеряемый поток газа Jизм 12 - Measured gas flow J ISM
13, 14 - Магистрали13, 14 - Highways
Стенд для калибровки (см. Фиг. 1) содержит камеру напуска газа 1, представляющую собой вакуумную камеру из нержавеющей стали, в которой создается давление P1 рабочего газа (емкости для хранения газов на фигурах не показаны), соединенную магистралью 13 с вентилем 5 с камерой регистрации газового потока 2, также представляющей собой вакуумную камеру из нержавеющей стали; на конце магистрали 13, введенном в камеру напуска газа 1, установлена газопроницаемая мембрана 10. Камера напуска газа 1 и камера регистрации газового потока 2 соединены с системами высоковакуумной откачки 6. Камера регистрации газового потока 2 соединена с масс-спектрометром 9 и полнодиапазонным датчиком давления 8. Камера напуска газа 1 соединена с датчиком давления, например, емкостного типа, не чувствительным к роду газа 7.The calibration stand (see Fig. 1) contains a
Для проведения высокоточной калибровки целесообразно использовать датчики давления емкостного типа 7, которые не чувствительны к роду газа, однако возможно использование и других датчиков давления (деформационных, ионизационных и т.д.), в случае если их точность (абсолютная и относительная погрешности измерений) достаточна.For high-precision calibration, it is advisable to use pressure sensors of
Камера напуска газа 1 соединена с камерой регистрации газового потока 2 магистралью 14 с высоковакуумными вентилями 3 и калиброванной течью 4.The
Число магистралей 14 и калиброванных течей 4 с уменьшающимся проходным сечением d может быть n, как показано на фиг. 2, при этом dn/dn-1 лежит в диапазоне 10-30. При таком соотношении можно обеспечить сверхширокий диапазон измеряемых газовых потоков:The number of
Jизм i + Jнат+Ji=S⋅(10-2-10-13), где:J meas i + J nat + J i = S⋅ (10 -2 -10 -13 ), where:
- измеряемый поток газа выбранной массы (Па⋅м3/с); - the measured gas flow of the selected mass (Pa⋅m 3 / s);
Jнaт - натекание газа в камеру регистрации (Па⋅м3/с);J NAT - gas leakage into the registration chamber (Pa⋅m 3 / s);
Ji - калиброванный поток газа (Па⋅м3/с);J i - calibrated gas flow (Pa⋅m 3 / s);
S - скорость откачки газа (м3/с);S is the gas pumping rate (m 3 / s);
(10-2-10-13) - диапазон чувствительности масс-спектрометра по давлению (Па).(10 -2 -10 -13 ) - pressure range of the mass spectrometer (Pa).
Проходное сечение d связано с проводимостью течи S (причем S~D2/h, где D - диаметр отверстия в диафрагме/течи, h - толщина диафрагмы/течи), и для дальнейших расчетов используется величина проводимости S.The cross section d is related to the conductivity of the leak S (moreover, S ~ D 2 / h, where D is the diameter of the hole in the diaphragm / leak, h is the thickness of the diaphragm / leak), and the conductivity S is used for further calculations.
На стенде может проводиться калибровка устройства масс-спектрометрического измерения газовых потоков, когда величины, измеряемые масс-спектрометром 9, стационарны (временные зависимости величины ионных токов не изменяются).At the stand, a calibration device for mass spectrometric measurement of gas flows can be performed when the values measured by the
Калибровка основана на определении коэффициентов, связывающих интенсивность ионного тока каждого газа с газовыми потоками по индивидуальным газам, вытекающими через калиброванную течь 4 или набор течей (путем одновременной регистрации масс-спектра и абсолютного давления газа в системе напуска масс-спектрометра), и дальнейшем пересчете относительных показаний масс-спектрометра (ионных токов), получаемых при измерении газового потока (в т.ч. потока смеси газов) и потока газа, проходящего через калиброванную течь с проходным сечением d малой проводимости Smi (л/с), в абсолютные значения измеряемых газовых потоков. Также можно определить величины потоков отдельных компонентов газовой смеси, протекающих через камеру регистрации газового потока 2.Calibration is based on determining the coefficients connecting the ion current intensity of each gas with individual gas streams flowing through
Калибровка устройства производится следующим образом.Calibration of the device is as follows.
В камеру напуска 1 подается газ, по которому осуществляется калибровка масс-спектрометра 9. Открывается вентиль 5, фиксируется временная зависимость ионных токов с масс-спектрометра 9, соответствующих изменению парциальных давлений за счет проникающего через мембрану 10 потока газа Jизм 12. При достижении стационарного значения ионного тока масс-спектрометра открываются вентили 3. Снимаются временные зависимости ионных токов с масс-спектрометра 9, рост значений которых обусловлен дополнительным калиброванным потоком газа J 11 через калиброванную течь 4.Gas is introduced into the
Калибровка устройства для исследуемой газовой смеси производится путем пересчета относительных показаний масс-спектрометра (ионных токов) в абсолютные значения (Па⋅м3/с) по формуле (в случае регистрации по основным массам):Calibration of the device for the gas mixture under study is made by converting the relative readings of the mass spectrometer (ion currents) into absolute values (Pa⋅m 3 / s) according to the formula (in the case of registration by the main masses):
- в случае известных давлений Pmi (например, в случае калибровочной смеси невзаимодействующих газов с давлениями Pm1…Pmi). Или, в общем случае,- in the case of known pressures P mi (for example, in the case of a calibration mixture of non-interacting gases with pressures P m1 ... P mi ). Or, in general,
где:Where:
Jизм mi - измеряемый поток газа выбранной массы (Па⋅м3/с);J ISM mi - measured gas flow of the selected mass (Pa⋅m 3 / s);
Iизм mi - ионный ток i-й массы (точнее m/Z), при закрытых вентилях 3 (А);I ISM mi - ion current of the i-th mass (more precisely m / Z), with closed valves 3 (A);
Iνt mi - ионный ток i-й массы (точнее m/Z), при открытых вентилях 3 (А);I νt mi - ion current of the i-th mass (more precisely m / Z), with open valves 3 (A);
Smi - проводимость калиброванной течи 4 по используемому газу (л/с);S mi is the conductivity of calibrated
S1 - проводимость по газу с молярной массой М=1 (л/с);S 1 is the gas conductivity with a molar mass of M = 1 (l / s);
Pmi - разница между давлением газа в камере напуска и камере регистрации (Р2-Р1);P mi is the difference between the gas pressure in the inlet chamber and the registration chamber (P 2 -P 1 );
Р1 - давление в камере напуска (Па);P 1 - pressure in the inlet chamber (Pa);
kmi - коэффициент чувствительности масс-спектрометра по i-й массе газа;k mi is the sensitivity coefficient of the mass spectrometer by the i-th gas mass;
Mi - молярная масса i-го газа.M i is the molar mass of the i-th gas.
Определение калибровочных коэффициентов, связывающих интенсивность ионного тока каждого газа с его давлением, проводят по индивидуальным газам (путем одновременной регистрации масс-спектра и абсолютного давления газа в системе напуска масс-спектрометра).The determination of calibration coefficients connecting the ion current intensity of each gas with its pressure is carried out for individual gases (by simultaneously recording the mass spectrum and absolute gas pressure in the mass spectrometer inlet system).
В случае масс-спектрометра (в т.ч. квадрупольного) работающего по принципу ионизации электронным ударом, регистрируются ионные токи соответствующих масс, а точнее M/Z, где: М - молярная масса газа; Z - заряд иона, который образуется в масс-спектрометре. Например, при ионизации аргона электронным ударом, часто образуются ионы Ar+ с М=40 и Z=1, а также Ar++ с М=40 и Z=2. При регистрации многоатомных газов (углеводороды, оксиды, спирты, и т.д.) молекулы газа могут частично или полностью распадаться и образовывать целый спектр масс (M/Z). Предложенный подход может быть применен в случае многоатомных сложных газов.In the case of a mass spectrometer (including a quadrupole) operating on the principle of electron impact ionization, ion currents of the corresponding masses are recorded, more precisely M / Z, where: M is the molar mass of the gas; Z is the charge of the ion that is formed in the mass spectrometer. For example, during argon ionization by electron impact, Ar + ions with M = 40 and Z = 1 are often formed, as well as Ar ++ with M = 40 and Z = 2. When registering polyatomic gases (hydrocarbons, oxides, alcohols, etc.), gas molecules can partially or completely decompose and form a whole mass spectrum (M / Z). The proposed approach can be applied in the case of polyatomic complex gases.
На Фиг. 3 представлена кривая проницаемости исследуемой газопроницаемой мембраны 10 из стали ЕК-181 (Rusfer), при напуске в камеру 1 газообразного дейтерия (смесь D2:HD:H2≈86%:12%:2%), при температуре мембраны 10-600°C и давлении Р1=3⋅10-2 гПа. В начальный момент времени, мембрана разогрета и находится в вакууме, при напуске газа в камеру 1 (момент времени отмечен штрихованной линией) отмечается рост показаний масс-спектрометра Im4, Im3 и Im2 (M/Z=4, 3 и 2 соответственно), по достижению стационарности проникающего потока во временном диапазоне ~1750÷3250 сек на Фиг. 3, при открытии вентилей VT2 3, соответствующие массы резко возрастали в результате добавления к измеряемому потоку Jизм 12 дополнительного калибровочного потока J 11.In FIG. Figure 3 shows the permeability curve of the studied gas-
В примере выполнения камеры 1 и 2 были выполнены из нержавеющей стали. Все соединения выполнены с использованием вакуумной арматуры стандарта Conflat. В связи с тем, что магистраль 13 от проницаемой мембраны 10, соединяющая объемы камер напуска газа 1 и регистрации газа 2, имеет стандарт соединений DN40CF, для стенда специально изготовлено переходное соединение DN40CF-D на два DN16CF, а также изготовлена калиброванная течь 4 из фланца DN16CF. Соединения выполнены с использованием сильфона CF16FX250R, высоковакуумные вентили 3 типа DN16CF. Для измерения давления газа использовались PBR260 - комбинированный полнодиапазонный датчик давления газа 8 (1000÷5⋅10-10 гПа) и CMR - датчик давления газа емкостного типа 7 (0,1÷10-4 гПа для CMR365 и 1-10-3 гПа для CMR364). Использовался квадрупольный масс-спектрометр 9 - QMS.In an exemplary embodiment,
Описание методики пересчета относительных показаний масс-спектрометра в абсолютные значенияDescription of the method for converting the relative readings of the mass spectrometer to absolute values
Поток газа J 11, проходящий через калиброванную течь 4 в случае молекулярного режима течения газа, представляет собой поток смеси газов (в рассматриваемом случае, смесь с молярными массами М4, М3, М2), который может быть описан выражением:The
, ,
где:Where:
Smi - проводимость течи по газу с молярной массой Мi (л/с);S mi is the gas leakage conductivity with a molar mass M i (l / s);
Рmi 1 - парциальное давления газа с молярной массой Mi в камере напуска 1 (Па);P mi 1 is the partial pressure of a gas with a molar mass M i in the inlet chamber 1 (Pa);
Рmi 2 - парциальное давление газа с молярной массой Mi в камере регистрации 2 (Па);P mi 2 is the partial pressure of a gas with a molar mass M i in the registration chamber 2 (Pa);
P1 - давление газа или газовой смеси, измеряемое с помощью датчика давления 7 в камере напуска 1 (Па) (в рассматриваемом случае смесь газов D2, HD, Н2, в которой преобладает дейтерий).P 1 - pressure of the gas or gas mixture, measured using a
В качестве калиброванной течи рекомендуется использовать течь малой проводимости, достаточной для выполнения неравенства: Рmi 1>>Pmi 2 в широком диапазоне газовых потоков 11. В качестве течи могут быть использованы: тонкий капилляр; диафрагма с малым отверстием (10-50 мкм); двусторонний нержавеющий фланец с резьбовым отверстием, в который вкручен винт из нержавеющей стали (применяется в примере конкретного выполнения заявленного изобретения); заводские решения.As a calibrated leak, it is recommended to use a low conductivity leak sufficient to satisfy the inequality: P mi 1 >> P mi 2 in a wide range of gas flows 11. The following can be used as a leak: thin capillary; aperture with a small hole (10-50 microns); double-sided stainless flange with a threaded hole into which a stainless steel screw is screwed (used in the example of a specific embodiment of the claimed invention); factory solutions.
Проводимость течи 4 или капилляра, в случае молекулярного режима течения газа, зависит от температуры и молярной массы газа как:The conductivity of a
Следовательно, проводимость калиброванной течи 4 измеренная по одному газу может быть пересчитана для любого другого газа.Consequently, the conductivity of calibrated
Как видно из Фиг. 3, в процессе калибровки, при добавлении к измеряемому газовому потоку, потока смеси газов, проходящего через калиброванную течь (при открытых вентилях 3), наблюдается скачкообразное увеличение показаний масс-спектрометра. В этом случае, поток 11 газовой смеси (D2, HD, Н2) через калиброванную течь 4 может быть представлен выражением:As can be seen from FIG. 3, during the calibration process, when adding to the measured gas flow, the flow of a mixture of gases passing through the calibrated leak (with open valves 3), an abrupt increase in the readings of the mass spectrometer is observed. In this case, the gas mixture stream 11 (D 2 , HD, H 2 ) through the calibrated
где:Where:
Kcalib - коэффициент калибровки;K calib - calibration factor;
kmi - коэффициент чувствительности масс-спектрометра по i-й массе газа;k mi is the sensitivity coefficient of the mass spectrometer by the i-th gas mass;
Imi νt2 - значение ионного тока (парциального давления), регистрируемого масс-спектрометром 9 при открытых вентилях 3 для массы mi(M/Z) (А);I mi νt2 is the value of the ion current (partial pressure) recorded by the
Imi - стационарное значение ионного тока (парциального давления), регистрируемое масс-спектрометром 9 (А). В случае если стационарный измеряемый газовый поток 12 отсутствует, в качестве Imi может быть взято фоновое (нулевое) значение.I mi is the stationary value of the ion current (partial pressure) recorded by the mass spectrometer 9 (A). If there is no stationary measured
Определение коэффициентов чувствительности по отдельным газамDetermination of sensitivity factors for individual gases
Коэффициенты чувствительности масс-спектрометра kmi должны быть определены отдельно для каждого газа с молярной массой Mi, входящего в газовую смесь. Определение коэффициентов kmi целесообразно проводить, когда в камеру регистрации 2 измеряемый газовый поток 12 не поступает. Отношение коэффициентов kmi можно определить из отношения зависимостей для каждого газа из смеси (с молярной массой Mi), варьируя давление газа Рmi 1 в камере напуска 1 и регистрируя изменение соответствующих показаний масс-спектрометра при открытых высоковакуумных вентилях 3 в камере регистрации 2.The sensitivity coefficients of the mass spectrometer k mi must be determined separately for each gas with a molar mass M i entering the gas mixture. It is advisable to determine the coefficients k mi when the measured
Из выражений, представленных выше, для каждого газа с массой Mi зависимость может быть представлена как:From the expressions presented above, for each gas with mass M i the dependence can be represented as:
где - прирост значения тока (парциального давления), регистрируемого масс-спектрометром при калибровке, относительно фонового значения.Where - an increase in the current value (partial pressure) recorded by the mass spectrometer during calibration relative to the background value.
В рассматриваемом в качестве примера случае были сняты зависимости и для водорода (М2) и для дейтерия (М4). Для этого в камеру напуска 1 чистые газы (водород и дейтерий) подавались отдельно и регистрировался прирост соответствующих показаний масс-спектрометра . Также отдельно была снята зависимость для аргона.In the case considered as an example, the dependencies were removed and for hydrogen (M 2 ) and for deuterium (M 4 ). For this, pure gases (hydrogen and deuterium) were supplied separately to the
В рассматриваемом примере зависимости , представленные на Фиг. 4, были аппроксимированы линейной зависимостью в диапазоне, в котором происходило определение коэффициентов чувствительности масс-спектрометра. На Фиг. 4 представлена калибровка для определения коэффициентов чувствительности масс-спектрометра kmi для газов: D2, Н2, Ar - «Калибровка 1» и D2, Ar - «Калибровка 2».In this example, dependencies shown in FIG. 4, were approximated by a linear dependence in the range in which the sensitivity coefficients of the mass spectrometer were determined. In FIG. Figure 4 shows the calibration for determining the sensitivity coefficients of the mass spectrometer k mi for gases: D 2 , H 2 , Ar - "
Несмотря на то, что калибровки (1 и 2) проводились при близких настройках масс-спектрометра (были одинаковыми: энергия электронов, вытягивающий потенциал и шкала измерения), зависимости, как видно из Фиг.4, могут отличаться до трех раз.Despite the fact that calibrations (1 and 2) were carried out at close settings of the mass spectrometer (they were the same: electron energy, pulling potential, and measurement scale), dependences as can be seen from Figure 4, can vary up to three times.
Как видно из Фиг. 4, поток аргона 11, проходящий через калиброванную течь 4, под воздействием ионизации электронным ударом, регистрируется масс-спектрометром 9 в виде двух ионных токов - и , что соответствует токам ионов Ar++ и Ar+. Таким образом, поток аргона 11 через калиброванную течь 4 может быть представлен и учтен в дальнейшем любым удобным для конкретного случая способом, например:As can be seen from FIG. 4, the flow of
, ,
где:Where:
- прирост значения тока (парциального давления), регистрируемого масс-спектрометром при калибровке, относительно фонового значения (А); - an increase in the current value (partial pressure) recorded by the mass spectrometer during calibration, relative to the background value (A);
- коэффициенты чувствительности масс-спектрометра 9 для каждого конкретного способа представления калиброванного потока. - sensitivity coefficients of the
В рассматриваемом в качестве примера случае, представленном на Фиг. 4, были получены следующие отношения коэффициентов чувствительности масс-спектрометра (для случая «Калибровка 1»):In the exemplary case of FIG. 4, the following ratios of the sensitivity coefficients of the mass spectrometer were obtained (for the case of “
; ;
Стоит отметить, что коэффициенты чувствительности масс-спектрометра 9 зависят от множества факторов и могут значительно отличаться для каждого конкретного масс-спектрометра.It should be noted that the sensitivity coefficients of the
Таким образом, для проведения калибровки масс-спектрометра 9 необходимо убедиться в линейности зависимостей и определить отношение коэффициентов чувствительности для используемых коэффициентов усиления (шкал измерений) масс-спектрометра.Thus, in order to calibrate the
Таким образом (в нашем конкретном случае), можно перевести относительные показания масс-спектрометра 9 ионных токов: Im4 и Im3 в измеряемый поток газа Jизм 12 по формуле:Thus (in our particular case), it is possible to translate the relative readings of the mass spectrometer of 9 ion currents: I m4 and I m3 into the measured
Оценка проводимости калиброванной течиCalibrated Leak Conductivity Assessment
Для реализации калибровки устройства для масс-спектрометрического измерения, применяемой для пересчета относительных показаний масс-спектрометра 9 в абсолютные величины измеряемых газовых потоков, необходимо применение одной (Фиг. 1) или нескольких течей (Фиг. 2) малой проводимости (обеспечивающих молекулярный режим течения газа). В общем случае, газовая проводимость течи может быть определена методом натекания газового потока через течь в не откачиваемый вакуумный объем и методом откачки этого объема через течь.To implement the calibration of the device for mass spectrometric measurement, used to convert the relative readings of the
В примере конкретного выполнения заявленного изобретения измерение проводимости калиброванной течи 4 по газу производилось следующим образом.In an example of a specific embodiment of the claimed invention, the conductivity of a calibrated
Баланс потоков газа в камере регистрации 2 может быть описан выражением:The balance of gas flows in the
, где: where:
S - скорость откачки газа (л/с);S is the gas pumping rate (l / s);
V2 и P2 - объем и давление газа в камере регистрации газа (м3 и Па);V 2 and P 2 - the volume and pressure of the gas in the gas registration chamber (m 3 and Pa);
Jизм . - измеряемый поток газа через мембрану 10 (Па⋅м3/с);J rev . - measured gas flow through the membrane 10 (Pa⋅m 3 / s);
Jнат - натекание газа в камеру регистрации газа (Па⋅м3/с);J nat - gas leakage into the gas registration chamber (Pa⋅m 3 / s);
J - калиброванный поток газа (Па⋅м3/с).J - calibrated gas flow (Pa⋅m 3 / s).
В камере напуска 1 есть газ и Р1>>Р2 в течение всего времени измерений, поток газа через мембрану 10 отсутствует (Jизм=0), а высоковакуумные вентили 3 (VT1 и VT2) находятся в открытом положении:There is gas in the
и закрытом положении:and closed position:
Поток газа в камеру регистрации 2 обусловлен только дегазацией камеры и калиброванным потоком газа через калиброванную течь 4. Закрыв откачку газа в камере регистрации 2 (S=0) и измеряя увеличение давления (натекаете) газа в камере регистрации 2 с открытыми и закрытыми высоковакуумными вентилями 3 (VT1 и VT2), получим разность Т.е. калиброванный поток газа J 11 равен разности угловых коэффициентов кривых натекания газа и .The gas flow into the
Таким образом, из выражения J=Smi⋅(Р1-Р2), где Smi (л/с) - проводимость калиброванной течи 4 по этому газу, а Р1 и Р2 - давления газа в камере напуска 1 и камере регистрации потока газа 2 соответственно, учитывая, что ( и Р2<<P1), получим выражение для определения проводимости калиброванной течи 4:Thus, from the expression J = S mi ⋅ (P 1 -P 2 ), where S mi (l / s) is the conductivity of the calibrated
Основной источник погрешности при определении проводимости калиброванной течи 4 по газу - точность при измерении давлений (P1 и Р2), а также погрешность в определении объема. В рассматриваемом случае значение проводимости калиброванной течи 4 по газу (D2), определенное по выражению выше, составило SD2=(2,123±0,012)⋅10-4 (л/с).The main source of error in determining the conductivity of a calibrated
Таким образом, заявленное устройство позволяет проводить калибровку масс-спектрометрометрического устройства по любым рабочим газам в процессе эксперимента и создавать калиброванные потоки газа в широком диапазоне (3 порядка и более) с получением количественных значений газового потока (для каждой регистрируемой массы - изотопного состава газовой смеси) практически для любых вакуумных схем с минимальным набором дополнительных вакуумных компонентов и измерительных устройств.Thus, the claimed device allows you to calibrate the mass spectrometric device for any working gases during the experiment and create calibrated gas flows in a wide range (3 orders or more) to obtain quantitative values of the gas flow (for each recorded mass is the isotopic composition of the gas mixture) for almost any vacuum circuit with a minimum set of additional vacuum components and measuring devices.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015156993A RU2616927C1 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015156993A RU2616927C1 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2616927C1 true RU2616927C1 (en) | 2017-04-18 |
Family
ID=58642704
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015156993A RU2616927C1 (en) | 2015-12-30 | 2015-12-30 | Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2616927C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000352562A (en) * | 1999-06-10 | 2000-12-19 | Kyodo Oxygen Co Ltd | Method for measuring concentration of helium in neon gas |
RU81442U1 (en) * | 2008-10-20 | 2009-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | DEVICE FOR CALIBRATING A MASS SPECTROMETER |
RU2367939C1 (en) * | 2008-01-28 | 2009-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method for performance of quantitative mass-spectrometric analysis of gas mixture composition |
RU110541U1 (en) * | 2011-05-17 | 2011-11-20 | Александр Иосифович Лившиц | DEVICE FOR MASS-SPECTROMETRIC ANALYSIS OF HYDROGEN PURITY AND QUANTITATIVE COMPOSITION OF GAS IMPURITIES |
-
2015
- 2015-12-30 RU RU2015156993A patent/RU2616927C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000352562A (en) * | 1999-06-10 | 2000-12-19 | Kyodo Oxygen Co Ltd | Method for measuring concentration of helium in neon gas |
RU2367939C1 (en) * | 2008-01-28 | 2009-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method for performance of quantitative mass-spectrometric analysis of gas mixture composition |
RU81442U1 (en) * | 2008-10-20 | 2009-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | DEVICE FOR CALIBRATING A MASS SPECTROMETER |
RU110541U1 (en) * | 2011-05-17 | 2011-11-20 | Александр Иосифович Лившиц | DEVICE FOR MASS-SPECTROMETRIC ANALYSIS OF HYDROGEN PURITY AND QUANTITATIVE COMPOSITION OF GAS IMPURITIES |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20100223979A1 (en) | Systems and Methods for Measurement of Gas Permeation Through Polymer Films | |
CN110376272B (en) | On-line measuring device and method for gas partial pressure | |
US11874199B2 (en) | Device and process for determining the size of a leak hole in a sample | |
WO2008030710A1 (en) | Fluid permeation testing method employing mass spectrometry | |
CN105136389B (en) | 10‑9The vacuum partial pressure calibrating installation and calibration factor acquisition methods of Pa magnitudes | |
Jousten et al. | A precision gas flowmeter for vacuum metrology | |
Mabry et al. | High-precision helium isotope measurements in air | |
CN107991020A (en) | A kind of new Calibration System of Mass Spectrometers for Partial Pressure and method | |
CN103759906B (en) | Device and method based on static expanding method vacuum standard calibration vacuum leak | |
CN102928172A (en) | System and method capable of extending lower limit of gas micro-flow calibration to 10<-14> Pam<3>/s | |
US9874513B2 (en) | Method of measuring isotope ratio | |
CN101470101B (en) | Relative sensitivity calibration system for quadrupole mass spectrometer | |
Yoshida et al. | Newly developed standard conductance element for in situ calibration of high vacuum gauges | |
CN104006929A (en) | Mass spectrometry single point leak detection system and method based on voltage limiting-shunting method in atmospheric environment | |
CN103592206B (en) | A kind of hydrogen in metal diffusion or permeance property method of testing and special purpose device thereof | |
Tyroller et al. | Negligible fractionation of Kr and Xe isotopes by molecular diffusion in water | |
RU2616927C1 (en) | Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements | |
CN112964834A (en) | Calibration method of dynamic calibrator for fixed pollution source | |
CN201152868Y (en) | Relative response calibration system for four polar mass spectra gauge | |
Nier et al. | Recording mass spectrometer for process analysis | |
CN108982021A (en) | A kind of lower limit is 10-10Pam3The PRESSURE LEAK CALIBRATION System and method for of/s | |
CN202853862U (en) | System for extending lower limit of gas micro-flow calibration to 10<-14>Pam<3>/s | |
CN210293526U (en) | On-line measuring device for gas partial pressure | |
WO2019144923A1 (en) | Gas path flow monitoring apparatus and method for ion mobility spectrometer | |
JP2011203164A (en) | Gas analyzer and method of analyzing gas |