检测真空紫外线的装置和方法

摘要

真空紫外辐射检测装置(10)包括在腔室(12)中的辐射检测器(30)。检测器(30)从辐射源(36)接收紫外辐射。用干式真空泵(18)将腔室抽空到不低于5Pa的相对较差真空。UV透明气体以一种使得腔室(12)中的总体压强在100到1,000Pa之间的相对低流速(大约0.1升/分钟)从供气(26)容器被供应到腔室(12)中。使用相对廉价的泵，同时使用较低的气体流速，可以显著地节省成本。

权利要求

1.一种真空紫外线检测装置，包括：

辐射检测器，被安排为从辐射源接收紫外线，

腔室，其中放置了所述检测器，

干式真空泵，被安排为将所述腔室持续抽空成基本等于或大于5Pa的压强，以及供气装置，被安排为通过腔室进口将基本上UV透明的气体的持续流输入所述腔室。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述UV透明气体被安排为以基本持续的速率输入到所述腔室。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进口包括安排为控制UV透明气体流动的阀。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在操作期间，所述干式真空泵被安排为以一种速率将所述腔室中的UV透明气体放入大气中，和/或所述供气装置以一种速率输入所述UV透明气体，以便使所述腔室内的总压强基本等于或大于100Pa。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述干式真空泵被安排为以一种速率将所述腔室中的UV透明气体放入大气中，和/或所述供气装置以一种速率输入气体，以便使所述腔室内的总压强不超过10,000Pa。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述供气装置被安排为使所述UV透明气体以约0.1升/分钟的速率流入所述腔室中。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干式真空泵是干式隔膜真空泵。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述UV透明气体是氩、氮或氩和氮的组合。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射检测器包括光学分光计。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述分光计被安排为检测真空紫外线和其中所述UV透明气体也应当基本透明的另一波带中的辐射。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室包括一窗口，所述窗口被安排为使辐射途经其中以便于辐射检测器进行检测。

12.一种真空紫外线检测装置，包括：

辐射检测器，被安排为从辐射源接收紫外线；

腔室，其中放置了所述检测器；

泵，被安排为持续抽空所述腔室，以及

供气装置，被安排为通过腔室进口将基本UV透明的气体的持续流输入到所述腔室中，所述UV透明气体的流速使所述腔室中的总压强维持在100到10,000Pa之间。

13.一种使用置于腔室内的辐射检测器来检测真空紫外线的方法，所述方法包括：通过干式真空泵将所述腔室持续抽空到基本等于或大于5Pa的压强，将基本UV透明气体持续输入到所述腔室内，以及

检测撞击到所述辐射检测器上的紫外线。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述UV透明气体以一种速率输入到所述腔室，和/或所述腔室以一种速率被抽空，从而在所述干式真空泵的操作期间，所述腔室中的总压强基本上等于或大于100Pa。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述UV透明气体以一种速率输入到所述腔室，和/或所述腔室以一种速率被抽空，从而所述腔室中的总压强不超过10,000Pa。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述气体以约0.1升/分钟的速率输入到所述腔室。

17.一种使用置于腔室内的辐射检测器来检测真空紫外线的方法，所述方法包括：通过干式真空泵持续抽空所述腔室；

将基本UV透明的气体持续输入所述腔室，所述UV透明气体的流速使所述腔室中的压强维持在100Pa到10,000Pa之间；以及检测撞击到所述辐射检测器上的紫外线。

18.根据权利要求13或17所述的方法，其特征在于，通过所述干式真空泵将所述UV透明气体从所述腔室中放出。

说明书

检测真空紫外线的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及紫外光谱，具体地，但并非限于，本发明涉及到检测真空紫外(VUV)辐射以及在电磁光谱的VUV区域中的原子发射光谱。

背景技术

[0002] 紫外(UV)辐射是处在光谱的可见和X射线区域之间的电磁辐射，即在380nm到5nm的范围内。真空紫外(UV)辐射是光谱(其中辐射由空气吸收)的UV区域中的一部分。结果，任何设计为检测该VUV辐射的实验通常是在真空中进行的。VUV辐射的波长小于
200nm。

[0003] 原子发射光谱是一种众所周知的技术，用作检测样品的组成分子或原子。当激发到高能态的原子衰减到低能态时，或者衰减到基态时，就会发射出光子。所发射的光子的波长与原子从其上衰减的激发态和它们所衰减到的衰减态之间的能隙相关。不同的原子种类具有不同的原子发射光谱，并且因此对光谱的检测可以确定样品的成分。

[0004] 所谓的发射谱线通常在电磁光谱的红外、可见和紫外波带内。检测真空紫外区域内的原子发射谱线特别地让人感兴趣。

[0005] 现今，使用原子发射辐射源的光谱分析系统将要分析的样品材料导入到一激发区域中。在此它被激发到足以发射出作为该样品中元素特性的可检测辐射的光谱发射水平。通常使用光栅或折射元件将所得的发射出的辐射分开，并对其进行光谱分析，以定量地确定样品的元素组成。为了避免在200nm之下的辐射被空气吸收，同时为避免与气体折射率变化相关联的波长偏移，在一充气室内将样品材料激发。各种分光计可装配在腔室内或腔室上，以检测电磁光谱不同波带中的辐射。例如，可视波带分光计可以附着在样品发射腔室中，从而分光计通过合适的窗口可看见辐射源(受激样品)。

[0006] 为检测VUV波带，必须将分光计设置成可克服上述的吸收和折射率波动的问题。这些问题导致仪器的灵敏度降低，而限制分光计的检测能力。并且，光谱谱线的偏移可导致对样品中元素浓度的错误测量。例如，与折射率相关联的问题可能导致光谱谱线偏移过诸如CCD阵列或光电倍增管阵列的输出检测系统，这样需要对分光计进行重新校准，以将检测到的光谱谱线正确地对应到其相关联的元素。

[0007] 已经做出各种尝试，以减轻与200nm波长之下的光谱检测相关联的这些问题。在第一示例中，光学分光计外壳或腔室被抽成高度的真空，从而实质上去除分光计腔室内的所有气体。该仪器的一个例子就是热电子(Thermo Electron)公司发售的ARL4460分光计。通过使用两级泵系统对腔室抽气，通常可实现高真空。泵系统包括与诸如涡轮分子泵的高真空泵配套设置的诸如旋转泵或隔膜泵的主真空泵，涡轮分子泵设置在抽空腔室和主真空泵之间。

[0008] 要将腔室内的压强减少到小于0.1Pa(10-3mbar)，两级泵系统是有必要的。要在光路径的抽空腔室中产生足够的透明度，这样水平的真空是必需的。单个旋转或隔膜泵不足以在分光计外壳内产生为在VUV波带中提供足够水平的透明度所必需的压强水平。

[0009] 该系统有一些缺点，特别是因为涡轮分子泵相对昂贵，并且需要定期保养。该泵不能自行操作，而需要与加重成本和保养负担的主真空泵配套使用。当对泵进行维修和保养时，分光计不能工作。

[0010] US-A-4,322,165和US-A-5,506,149描述了对该问题的第二解决方案，其中用UV透明气体连续净化分光计，从而UV吸收气体从仪器中排出。该气体必需是特别高的纯度，并且流经该仪器的流速要相对较高(通常在每分钟0.5-5升的范围内)。由于所需的高纯度，该气体相对昂贵，并且该气体的消耗速率使得净化气体的成本是使用这种分光计的实验室中最高消耗性成本之一。但是，这种类型的系统无需高真空泵系统。

[0011] US-A-5,225,681试图通过用UV透明气体装填密封的分光计外壳来克服上述的问题。要用气体泵系统使气体循环经过气体清洁器，从而从分光计外壳内的成分中去除漏气材料。该气体清洁系统相对昂贵，并需要定期替换。如果没有使用气体清洁系统，UV透明气体逐渐被UV吸收气体所污染，并且分光计的性能受到损害。在其工作寿命期间，气体清洁系统需要定期保养，而在这段时间内，分光计是不能工作的。

[0012] 此外，系统依赖于不透气的分光计外壳。任何微小的泄漏将导致外壳中压强改变，进而导致系统内气体的折射率改变，结果就是检测到的光谱谱线波长中的偏移。

[0013] 此外，高真空泵的缺失导致进一步的问题，由于当外壳内的元件需要保养时，该外壳必须被打开，在空气填充外壳的同时，高纯度的气体也逸散了。因此在外壳被填充以高纯度透明气体之前，它必须首先被抽成高真空，而这需要高真空泵。因此，该系统必须长期装配有高真空泵，或者是合适的泵必需被设置并安装到该系统中，以在该系统的任何保养之后，随后光谱分析员能够在操作之前将室抽空。这样的重装填过程是极其费时间的，当然在这段时间内分光计是不能工作的。

[0014] 还有(英格兰)Hilger Analytical Limited所发售的商品名为Polyvac 的系-3统，使用中真空两级旋转叶轮泵将分光计抽成大约1Pa(10 mbar)，旋转叶轮泵使用泵中的油液以在分光计外壳中实现中真空。这样的泵系统通常称为“湿泵”。在中真空压强中，残留气体成分在浓度上相对低，并且可以产生基本在140nm以上的波长的UV辐射通道，而辐射无显著的衰减。

[0015] 但是，来自旋转叶轮泵的油液可进入到系统中，并且污染分光计内的光学元件或者影响气体的折射率。为了减少所谓的旋转叶轮泵油液“回流”到外壳内，分光计外壳中装有高纯度的氩气。当引入氩气时，外壳中的总体压强通常为12.5到25Pa(0.125到0.25mbar)。此外，由旋转叶轮泵所产生的最终真空不是特别稳定。室内残留气体的量仍然在可以影响到200nm之下波长的光传播的水平，由于泵性能波动所致的腔室压的波动将会引起吸收度改变，损害了分光计在UV波长的的稳定性。高纯度氩气的充入有助于稳定分光计腔室内的气压，并且可在某种程度上稳定UV透明度。

[0016] 两级旋转叶轮泵相对昂贵。另外，用使用氩净化系统仅减少由旋转叶轮泵中回流的油液所致的光学污染的风险，但在该系统中无法消除这种油液污染。

发明内容

[0017] 本发明旨在改善与现有技术相关联的各种问题，并提供一种能够改进现有技术系统的一种分光计和光谱方法。

[0018] 相应的，本发明第一方面提供一种真空紫外线检测装置，包括：设置成从辐射源接收紫外线的辐射检测器、放置有所述检测器的腔室、设置成将腔室抽成不低于约5Pa(0.05mbar)压强的干式真空泵、以及设置成将基本UV透明气体通过腔室内进口供应到腔室中的供气装置。

[0019] 干式泵较之Polyvac 系统实际上有两个优点。首先，它无需油液，从而回流问题得到解决。其次，它较之旋转叶轮泵或涡轮分子泵，相对划算。

[0020] 但是，当前可用的干式泵只能产生相对较差真空。5个帕斯卡或以上，是干式泵通常能够实现的最小压强，发射的辐射显著地被吸收了。结果，干式泵(至少没有进一步辅助)在以前被认为是不可用在VUV光谱分析中。

[0021] 该发明者惊喜地发现，通过将基本UV透明气体加入到腔室内，就可以显著减少残留的大气气体(干式泵所不能抽取的)对大约200nm之下的UV辐射的吸收，从而该系统即使是用干式泵，也可进行成功地操作。

[0022] 通过“干式泵”意味着操作无需使用油液或任何其它液体的泵。

[0023] 根据本发明的第二方面，提供有一种真空紫外线检测装置，包括：设置成从辐射源接收紫外线的辐射检测器、放置有所述检测器的腔室、设置成将腔室抽空的泵、以及设置成将基本UV透明气体通过腔室内进口以在腔室内提供100到10,000Pa(1到100mbar)总体气压的流速供应到腔室中的供气装置。

[0024] UV透明气体相对昂贵。因此，本发明解决了诸如在上述介绍中指明的、意图使用大量净化气体的US专利的现有技术装置的问题。

[0025] 在本发明中，连同将腔室抽成真空的泵(上述现有技术意图在大气压下操作)，使用了低得多(至少要低5-6倍)的UV透明气体流速。在较佳实施例中，该泵可以是通过减少耗材来进一步减少其成本和年度运行成本的干式泵等。同时在本发明中UV透明气体的流速要大于上述Polyvac 系统中的流速，要注意，Polyvac 系统中的气体流动并非旨在结合真空操作来防止吸收，而是要防止泵油液蒸汽的回流。

[0026] 供气装置最好是设置以大约每分钟0.1升的速度对腔室提供气体流。

[0027] 真空泵最好是设置成从外壳中将UV透明气体去除，并且UV透明气体不会循环。

[0028] 较佳地，该装置还可包括可在其它波带，诸如近紫外和可见波带操作的辐射检测器，在该情形中，所述UV透明气体也应该对这些其它操作波带是基本透明的。

[0029] 较佳地，辐射检测器包括诸如全息衍射光栅的衍射光栅和设置成从光栅接收衍射的辐射的CCD阵列或其它检测系统。设置有光栅，使来自源的辐射以某一角度撞击在光栅上，以将辐射衍射到其组成波长中。

[0030] 虽然本发明两方面都提供具有比现有技术便宜的元件耗材的真空紫外线检测装置，但可以理解，两个方案并非相互排斥，并且具有干式泵和相对较低流速UV透明气体的装置是特别有优势的。

[0031] 本发明还提供一种置于腔室内的辐射检测器来检测真空紫外线的方法，所述方法包括：将腔室内压强抽到基本等于或大于5Pa(0.05mbar)，将基本UV透明气体供应给腔室，并且检测撞击到辐射检测器上的UV辐射。

[0032] 本发明的又一方面提供一种用置于腔室内的辐射检测器检测真空紫外线的方法，所示方法包括抽空该腔室，以某一速率将基本UV透明气体供入腔室内以使得腔室压强保持100Pa到10,000Pa(1到100mbar)，并检测撞击到辐射检测器的UV辐射。

附图说明

[0033] 以示例的方式，并且参照附图，对本发明的实施例进行描述，其中：图1是本发明实施例化的装置的示意图。

具体实施方式

[0034] 参照图1，以高度示意性的方式示出了实施本发明的装置10。该装置包括分光计外壳或腔室12，以及在外壳壁上的窗口14。外壳包括出气口16以及设置成将外壳抽成低真空压强的真空泵18。低真空压强意味着在大气压到100Pa(1mbar)之间真空气压。真空泵通过泵开口20直接通向大气。

[0035] 外壳12也包括进气口22。进气口通过阀门24连接到供气26。供气包括诸如氩气或氮气的UV透明气体。阀门24可以是螺线管型或针型，或者是质量流控制器。还可以使用其它实现合适的流量调节的仪器。

[0036] 光栅28，或者合适的衍射/折射装置置于外壳12内部，从而途经窗口14的辐射撞击在光栅上并且被衍射和分散到其组成波长中。检测系统30设置在外壳中，从而由光栅衍射的光撞击到检测器上。可能在外壳内还有其它光学仪器，诸如狭缝32、透镜系统等。

[0037] 外壳12可附着在包纳电磁辐射的源36的容器34上。源可包括等离子体弧，可将样品引入其中，从而将样品激发到一种样品中发射出原子发射谱线的程度。将样品激发到这样一种状态的方式和手段并非是本发明的组成部分，并且在此无需对其进一步的描述。

[0038] 从样品发射的光沿着线40指示的路径传播。从源发射的光通过窗口14进入外壳12中，途经狭缝32并撞击在衍射光栅28上。光在这里弯曲一角度，该角度取决于其波长和光栅28的衍射能力。光从光栅传播到检测光的检测系统30。检测器包括，例如排列的CCD阵列，从而第一频率(波长)的光撞击在阵列的一端，并且具有逐渐较高频率的光沿着阵列的长度方向撞击到阵列的第二端。例如，根据外壳内的特定条件，可对系统进行校准，从而光的离散频率或波长仅落在CCD阵列的某些元件上。

[0039] 真空泵操作以将外壳抽到10到5000Pa(0.1到50mbar)的压强，该压强是外壳中没有UV透明气体的情况下测量出的。在该状态中，在外壳内的残留气体包括从外壳内表面、外壳内的光学组件和窗口14所释放的空气成分。此外，在外壳中的一些残留气体是由于大气中的空气从泵18回流到外壳12中所致。通常，这些回流气体包括水蒸气、氧气和二氧化碳，它们都或多或少地吸收紫外线。

[0040] 由于外壳中这些多余的气体，对于200nm之下波长的光，分光计性能降低，对原子发射光谱谱线在200nm或之下的元素的检测极限因此降低。在一些情形中，降低是如此巨大，以致不能确定该分析中样品所含元素的浓度。

[0041] 但是，通过经进气口22将低流速的UV透明气体输入到外壳中，波长200nm之下的光的分光计性能却惊奇地大幅改善。已经发现，以一种在外壳中提供100到10,000Pa(1到100mbar)压强的速率将气体供应到外壳中是足以克服大气吸收问题。进入外壳中的UV透明气体的气流速率通常是每分钟0.1升，以在外壳内提供约10mbar的总体压强。该流速至少比现有技术的净化气体系统的流速要低五倍。以当前的汇率，高纯度气体的流量减少通常可使每台分光计每年节省2,000欧元(大约2,250美元)。

[0042] 不论该通常流速的示例，可以理解，腔室中的压强并非与气体流速或泵速率呈直接比例，并且在调节流速的同时势必会改变压强，稍后将确定是否克服了大气吸收问题。

[0043] 低真空泵18最好是免油液，或者是所谓的“干式泵”。这种泵的一个示例就是隔膜真空泵。该隔膜真空泵可在显露到被抽取的气体或部分真空的泵部分中无需有油液的情形下操作。因此任何通过泵回流的气体是无油液蒸汽(它进入外壳12，淀积在所有的内部表面上，包括光学元件14、28和30)。逐渐淀积在这些表面上油液蒸汽减少它们发射、反射、衍射、折射或检测光的能力，并因此而降低分光计的性能。结果，使用免油液的泵具有一种效果，即实施本发明的分光计需要较少的在外壳内清洁光学组件的保养，有效地增加了实施本发明的仪器的操作寿命。

[0044] 以相对低速率持续流入到外壳内的紫外透明气体用作清除从外壳的内表面和光学组件中释放的气体，并且还用作在真空泵18的真空侧呈现相对高的压强。因此，泵在其极限操作真空压强之上的压强中进行操作。该泵将连同任何释放或漏气出的物质的UV透明气体持续地通过泵抽取到大气中。这种通过泵的气体流用作防止大气气体从泵的大气侧回流到分光计外壳中。

[0045] 使用低真空泵，特别是隔膜泵，较之现有技术系统，为实施本发明的分光计仪器节省了制造成本，而不会对分光计的性能有任何损害。这中情形，连同实施本发明的仪器中的净化气体成本降低和低保养/高使用能力，可以在分光计的寿命期间节省大量成本。

[0046] 阀门24可设置成与孔板节流器相结合操作，从而从容器26到外壳12中的气体流速控制在稳定的速率上。这些孔板节流器可以按照特定气体的特定流速的预定校准规格制造出，并且有助于分光计腔室内的最终气压的稳定。

[0047] 合适的UV透明气体包括氩或氮，它们都可从专门的气体零售商处获得。

[0048] 上述是较佳实施例的特定描述，它以示例的形式给出，不会在性质上对所附权利要求中定义的保护范围构成限制。一般技术人员可以设想出各种修改。例如，窗口14可由透镜或一些其它形式的光学或机械仪器组成，或者是包括它们。分光计可设置在其它波带(其中大气吸收是有问题的)中操作。此外，本发明的实施例除了分光计领域之外，还可用于其它的光学实验。