[发明专利]痕量气体传感装置和用于泄漏检测的方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及对痕量气体(trace gas)的检测。更加具体地，本发明涉及痕量气体传感装置和相关的元件、和用于对痕量气体进行检测的方法。

背景技术

痕量气体检测器用于对各种密封元件中的泄漏进行检测。已知的泄漏检测系统通常使用质谱仪来将氦与其他气体种类分开并测量信号。质谱仪是复杂的并且需要昂贵的元件(例如，昂贵的真空泵浦系统)来维持运行。最近，针对工业中对更低成本产品的需求，已经采用潘宁泵(Penning cell)传感器来检测泄漏。如美国专利No.5325708、No.5661229和No.7266991中描述的系统使用潘宁泵传感器来测量痕量气体离子电流并且按比例将离子电流转变成泄漏率。美国专利No.7497110描述了使用潘宁泵检测器的泄漏检测系统，所述潘宁泵检测器与美国专利No.6854602中描述的类型的复合透过膜组合。尽管有不同的命名习惯(例如，离子泵、气体消耗真空计、冷阴极真空计、电离真空计)，但是这些参考文献描述了实质上基于简单的潘宁泵的技术。

图1是简单潘宁泵100的截面图。潘宁泵100由管状阳极102组成，所述管状阳极102在两端具有平坦阴极板104。将磁场轴向施加于阳极102并且将阳极102加电到一定的正电压(通常在+3000和+7000V之间)，导致在阳极102的内部产生具有电子陷阱的等离子体。痕量气体分子从测试部件流动到潘宁泵100中，并且在由施加于阳极102和阴极板104之间的电场所产生的等离子中电离。结果产生的气体离子朝向阴极板104加速。来自气体分子和阴极板104的电子形成负空间电荷云106，所述负空间电荷云106被限制成沿着中心单元轴。一些电子通过交叉场迁移进行迁移并且冲击阳极102，该电流是所测量的电流而不是实际的离子电流。假定该电流随着离子电流而变化，则离子电流与气体压力成比例。所有的潘宁泵提供少量的气体泵浦同时提供电流测量。当气体离子冲击阴极表面时，气体离子溅射金属。溅射的金属碎片主要沉积在阳极表面上，从而捕获(泵浦)气体离子。

所有的潘宁泵设计都遇到了限制泄漏检测器中测量的灵敏性和稳定性的一些固有问题，所述固有问题包括如下所述。简单潘宁泵中的等离子体被阳极内部的电场和磁场限制成以阴极单元轴为中心的小椭球形体积。电子(其维持等离子体)的数量和单元中的离子电流(可用于测量的离子的数量)受到空间电荷影响的限制，所以在潘宁泵中泄漏率灵敏性受到限制。此外，泵浦速度直接与存储在等离子体中的电子的量成比例。因此，等离子中存储的电子的量越大，则泵浦速度约高。对于在潘宁泵的中心被限制成小体积的等离子体，泵浦速度受到限制。这是泄漏检测器中的重要因素。泄漏检测器由暴露恢复到痕量气体的速度高度依赖于传感器单元的泵浦速度。

此外，如上所述，在潘宁泵中由磁场和阴极板形成的陷阱中的一些电子经过交叉场迁移而进行迁移以冲击阳极，该电流是实际测量的电流而不是实际的离子电流。在测量低至10^-15安培的装置中，这会对泄漏读数增加显著的测量误差。假设阳极电流的测量随着离子电流而变化，所述离子电流与气体压力(即，电离的痕量气体分子的数量)成比例。实际上，当离子冲击潘宁泵的阴极时，产生并散射二次电子，很多所述二次电子反过来冲击阳极，引起产生寄生信号(因为这是实际测量的阳极电流)。因为散射的二次电子是多个变量的函数，所述多个变量包括离子能量、离子质量和入射角，这会在潘宁泵中进行测量时将变化的测量误差增加到信号。

此外，众所周知，潘宁泵装置在非常低和非常高的压力下很难启动。在低压下，即使施加高电压，也不会激发等离子体，所以传感器不能运行。在潘宁泵中将要被电离的气体分子太少，并且在电离过程中产生用以维持等离子体的电子太少。在高压下，离子的平均自由程非常短，所以离子很快捕获自由电子并变成中性的。同样的，可用于维持等离子体放电的自由离子和电子太少，并且传感器失效。在现有技术的泄漏检测器中，这些压力条件都导致产生操作限制。例如，商用泄漏检测器模型的操作手册通常指明，单元必须周期性启动并且被允许泵浦，使得在存储过程中压力不会升的太高而造成传感器不能再启动。