多端口真空泵系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于抽空至少5個(gè)體積的真空泵系統(tǒng)，包括一個(gè)前級(jí)真空泵和一個(gè)渦輪分子泵安排，該系統(tǒng)被安排為使得該前級(jí)真空泵將該渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓。該渦輪分子泵安排包括對(duì)應(yīng)于不同的泵抽級(jí)的多個(gè)泵抽端口并且被配置為使得存在至少5個(gè)泵抽級(jí)，每個(gè)泵抽級(jí)連接到一個(gè)體積；每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和優(yōu)選地至少一組定子葉片而分離的；不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過最高泵抽速度的1/3的泵抽速度和/或超過最高泵抽端口截面的1/3的泵抽端口截面；至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于最高泵抽速度的1/4的泵抽速度和/或小于最大泵抽端口截面的1/4的泵抽端口截面。在真空下具有最高壓力的泵抽級(jí)與具有最低壓力的泵抽級(jí)之間的壓力的比率是至少100000:1。本發(fā)明還涉及一種質(zhì)譜儀系統(tǒng)和一種用于抽空至少5個(gè)體積的方法。
【專利說明】多端口真空泵系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及渦輪分子式真空泵抽系統(tǒng)，尤其涉及用于科學(xué)儀器的渦輪分子式真空泵抽系統(tǒng)，其中的最低壓力范圍是低于10_9mbar，并且尤其用于質(zhì)譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002]用于為科學(xué)儀器提供高和超高真空的渦輪分子泵是公知的。在此，當(dāng)壓力在
IX 10_3與I X 10_9mbar之間時(shí)，真空被認(rèn)為是在高真空范圍內(nèi)，并且當(dāng)壓力在I X 10_9與lX10_12mbar之間時(shí)，真空被認(rèn)為是在超高真空(UHV)范圍內(nèi)。
[0003]渦輪分子泵是動(dòng)量轉(zhuǎn)移泵，其中進(jìn)入泵的氣體分子通過與泵的移動(dòng)的轉(zhuǎn)子葉片碰撞而被賦予動(dòng)量。該泵包含串聯(lián)安裝的、多級(jí)的成角度的轉(zhuǎn)子和定子對(duì)。被轉(zhuǎn)子葉片擊中的氣體分子獲得動(dòng)量并由于葉片的角度而被賦予一個(gè)與泵的軸線平行的運(yùn)動(dòng)分量。定子葉片是固定的并且設(shè)置有相對(duì)于泵的軸線而言的不同角度。定子葉片之間的空隙接收了前進(jìn)的分子并讓它們繼續(xù)達(dá)到接下來的轉(zhuǎn)子葉片，在該轉(zhuǎn)子葉片處提供了動(dòng)量上的進(jìn)一步增益。多個(gè)級(jí)增加了從泵入口到排出口的氣體壓力。渦輪分子泵僅在分子流動(dòng)態(tài)的壓力范圍內(nèi)才是完全有效運(yùn)行的，并且并不排氣到大氣壓，而是通過前級(jí)真空泵返回。渦輪分子泵的工作壓力范圍通常是通過在同一個(gè)泵抽殼體中將一個(gè)分子拖拽泵(如霍爾維克泵)聯(lián)接到該渦輪分子泵的排氣側(cè)來擴(kuò)展、并且是通過同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸來驅(qū)動(dòng)，從而使得能夠采用更低性能的前級(jí)真空泵并允許使用無油的前級(jí)真空泵。在此情況下，渦輪分子泵泵抽級(jí)與分子泵抽級(jí)的組合排空至Imbar左右的壓力，而前級(jí)真空泵排空至大氣壓。
[0004]已經(jīng)開發(fā)了多端口泵或分流泵以使得能夠?qū)Σ煌瑝毫ο碌娜舾汕皇疫M(jìn)行泵抽，這些泵包含沿泵的長度間隔開的兩個(gè)到四個(gè)(典型地三個(gè))泵抽端口，該長度是平行于泵軸線的。該泵通常由泵抽級(jí)的一種堆疊組成，包括一個(gè)多級(jí)渦輪分子泵泵抽單元和一個(gè)或多個(gè)分子泵抽級(jí)，其中不同的泵抽端口在沿該堆疊的不同位置處形成到泵的入口。典型地，最高的泵抽速度是在首要泵抽端口(主要入口)處可獲得的，這允許進(jìn)入該泵的最低壓力區(qū)域，而其他的泵抽端口(在泵抽級(jí)的堆疊的更向下處)處于更高的壓力并且可以提供更低的泵抽速度。在一個(gè)典型的三端口泵中的泵抽速度經(jīng)常是兩個(gè)端口具有類似的泵抽速度且最高壓力的端口具有其他這些端口的泵抽速度約1/10的泵抽速度。這導(dǎo)致了對(duì)于分析儀器的泵抽要求難以通過一個(gè)單一的分流泵來滿足的缺點(diǎn)。
[0005]已知了兩種略微不同的結(jié)構(gòu):如在EP 603694中披露的一種分流泵，其中一個(gè)具有多個(gè)泵抽端口的多級(jí)渦輪分子泵被定位在一個(gè)專用的泵殼體之內(nèi)；以及一種所謂的芯式分流泵，如在US 6457954 BI中披露的，其中包括所有的功能元件(包括一個(gè)內(nèi)部殼體在內(nèi))的泵可以組合到一個(gè)適配于特定應(yīng)用的外部殼體中。
[0006]雖然此類的分流泵典型地包括多級(jí)渦輪分子泵和粘度泵抽級(jí)(尤其分子拖拽泵)的組合，它們有時(shí)只是被稱為渦輪分子泵。在此，它們被稱為渦輪分子泵安排。
[0007]US 2010/0098558 Al披露了一種多入口泵安排，其中至少一個(gè)第一入口圍繞一個(gè)第二入口，使得該第二入口僅相對(duì)于在第一入口內(nèi)的壓力而不相對(duì)于大氣壓力進(jìn)行密封。這使得能夠在所有被另一個(gè)入口圍繞的入口之間使用金屬對(duì)金屬的密封件，并且那些密封件可以是并不致使金屬密封材料發(fā)生塑性變形的類別，從而消除了當(dāng)嘗試并行地使用多個(gè)密封件的塑性變形來進(jìn)行防漏密封時(shí)存在的困難。
[0008]質(zhì)譜法向常規(guī)應(yīng)用中的更廣泛的滲透在某種程度上受到真空系統(tǒng)的成本和尺寸的阻礙，尤其是對(duì)于采用了在超高真空態(tài)工作的質(zhì)量分析器的質(zhì)譜儀來說，如軌道阱(Orbitrap?)、多反射和多偏轉(zhuǎn)飛行時(shí)間質(zhì)量分析器、靜電阱等，以及對(duì)于結(jié)合了大氣壓離子源的質(zhì)量分析器來說，如電噴射(ESI)、大氣壓化學(xué)電離(APCI)、基質(zhì)輔助的激光解吸/電離(AP-MALDI)等。現(xiàn)有技術(shù)的分流泵安排受到如下缺點(diǎn)的影響:僅有限數(shù)量的差壓級(jí)可被這些多入口泵容納，并且上述質(zhì)譜儀需要兩個(gè)或更多個(gè)此類的泵、加上一個(gè)或多個(gè)前級(jí)真空。
[0009]所希望的是能夠通過一個(gè)單一的分流泵對(duì)一個(gè)科學(xué)儀器、尤其完整的質(zhì)譜儀進(jìn)行泵抽。
[0010]針對(duì)此背景，做出了本發(fā)明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種用于抽空至少5個(gè)體積的真空泵系統(tǒng)，該真空泵系統(tǒng)包括一個(gè)前級(jí)真空泵和一個(gè)渦輪分子泵安排，該系統(tǒng)被安排為使得該前級(jí)真空泵將該渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓；并且其中該渦輪分子泵安排包括多個(gè)對(duì)應(yīng)于不同泵抽級(jí)的泵抽端口并且被配置為使得:存在至少5個(gè)泵抽級(jí)，每個(gè)泵抽級(jí)連接到一個(gè)體積；每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和優(yōu)選地至少一組定子葉片而分離的；不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過一個(gè)泵抽級(jí)的最高泵抽速度的1/3的泵抽速度和/或超過最高泵抽端口截面的1/3的泵抽端口截面；至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于一個(gè)泵抽級(jí)的最高泵抽速度的1/4的泵抽速度和/或小于最大泵抽端口截面的1/4的泵抽端口截面；其中在真空下具有最高壓力的泵抽級(jí)與具有最低壓力的泵抽級(jí)之間的壓力的比率是至少100000:1。一個(gè)前級(jí)真空泵也可以包括串聯(lián)或并聯(lián)連接到該渦輪分子泵抽級(jí)的輸出端上的若干單獨(dú)的泵。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，用于抽空至少5個(gè)體積的真空泵系統(tǒng)包括一個(gè)前級(jí)真空泵和一個(gè)渦輪分子泵安排，該系統(tǒng)被安排為使得該前級(jí)真空泵將該渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓；并且其中該渦輪分子泵安排包括多個(gè)泵抽端口并且被配置為使得，存在至少5個(gè)泵抽級(jí)，每個(gè)泵抽級(jí)連接到一個(gè)體積；每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子和/或定子葉片而分離的；不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過501.S-1的泵抽速度；至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于301.s—1的泵抽速度；在使用中在工作氣體負(fù)載下，在任何兩個(gè)相鄰的渦輪分子泵安排泵抽級(jí)之間的壓力比率是在10與1000之間；并且該前級(jí)真空泵在使用中將該渦輪分子泵安排的輸出端保持在Imbar或更大的壓力下。
[0013]本發(fā)明提供了一種重新安排分流渦輪分子泵的泵抽端口的方式，使得在并不實(shí)質(zhì)性改變泵轉(zhuǎn)子的長度的情況下可以對(duì)多得多的端口進(jìn)行有差別地泵抽。本發(fā)明提供了至少5個(gè)泵抽級(jí)，每個(gè)泵抽級(jí)連接到一個(gè)體積，該體積通過連接到它的泵抽級(jí)被抽空。該分流式渦輪分子泵提供了通過至少一組轉(zhuǎn)子和/或定子葉片、優(yōu)選通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和至少一組定子葉片彼此分離的多個(gè)泵抽級(jí)。通過選擇泵抽速度和/或泵抽端口截面，有利地根據(jù)預(yù)期應(yīng)用的確切需要來適配在相鄰的泵抽級(jí)的轉(zhuǎn)子和/或定子葉片之間的空隙，該渦輪分子泵安排的轉(zhuǎn)子長度可以被保持得較短。較短的轉(zhuǎn)子長度允許泵的高可靠性，尤其當(dāng)該泵以水平取向安裝時(shí)。因此，當(dāng)通過一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的渦輪分子泵安排來泵抽多個(gè)體積時(shí)，可以在不降低可靠性的情況下相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本的降低。
[0014]優(yōu)選地，該渦輪分子泵安排的至少一個(gè)泵抽級(jí)包含一個(gè)分子拖拽泵，尤其一個(gè)帶有螺旋泵通道的霍爾維克泵。尤其當(dāng)與該渦輪分子泵安排的輸出端相鄰的泵抽級(jí)包含至少一個(gè)分子拖拽泵時(shí)，有可能將泵出的氣體在超過Imbar的壓力下輸出到一個(gè)前級(jí)真空泵。結(jié)果是，具有相對(duì)較低泵抽速度的前級(jí)真空泵(如隔膜泵)可以用于將渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓。
[0015]該真空泵系統(tǒng)優(yōu)選用于抽空一個(gè)科學(xué)儀器。該科學(xué)儀器包括一系列通過氣流限制器而分離的腔室或壓力區(qū)域(本文簡(jiǎn)稱為體積)，這些氣流限制器可以是腔室壁，這些限制器包含用于在這些壓力區(qū)域之間進(jìn)行連通的孔口。為了便于說明的目的并且不限制范圍，在此將關(guān)于質(zhì)譜儀來描述本發(fā)明，以便描述其在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中的應(yīng)用。
[0016]該包括質(zhì)譜儀的科學(xué)儀器進(jìn)一步包括一個(gè)大氣壓離子源，一個(gè)質(zhì)量分析器和一個(gè)用于將離子從該大氣壓離子源傳輸?shù)皆撡|(zhì)量分析器的離子光學(xué)安排。該離子源位于該真空系統(tǒng)之外，并且該離子光學(xué)安排包括多個(gè)區(qū)段，不同的區(qū)段被保持在不同的腔室或壓力區(qū)域中(即，分開的體積中)。一個(gè)包圍體還容納該質(zhì)量分析器，并且這個(gè)包圍體中的壓力區(qū)域至少有利地被保持在UHV。含有離子光學(xué)部件的這些腔室或區(qū)域優(yōu)選地保持在從與該離子源相鄰的區(qū)域到含有該質(zhì)量分析器的包圍體連續(xù)降低的壓力下。與離子源相鄰的壓力區(qū)域可以是在約Imbar左右的壓力下并且可以使用前級(jí)泵進(jìn)行抽空。其余的體積壓力是使用一個(gè)單一的渦輪分子泵安排來獲得，并且壓力的總范圍必須跨過8-10個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0017]對(duì)于質(zhì)譜儀的優(yōu)選實(shí)施例，諸位發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，在與連接性壓力區(qū)域相鄰的這些離子光學(xué)部件中的孔口必須具有典型地2-12mm2的截面積，以提供高效率的離子傳輸，并且這提供了在氣體流速與腔室或區(qū)域中的壓力的一種關(guān)系，這種關(guān)系可以用于確定對(duì)泵而言的關(guān)鍵參數(shù)。更高截面積的孔口典型地對(duì)應(yīng)于更慢移動(dòng)的離子(更低能量的離子)，而更小截面積的孔口被用于更高能量的離子。對(duì)于等效氣流傳導(dǎo)率，這些孔口也可以用具有更大截面積但長度更長的狹長形流動(dòng)限制器來替代，例如像通過徑一個(gè)多極桿放置在一個(gè)護(hù)罩中可以實(shí)現(xiàn)的。由于幾乎所有腔室和區(qū)域(除了最靠近離子源的那個(gè))中的壓力都是在分子流動(dòng)態(tài)之內(nèi)，因此相鄰的腔室或壓力區(qū)域之間的壓力的比率可以是在10與13之間、且典型地是102。為了在壓力上跨過8-10個(gè)數(shù)量級(jí)，要求至少5個(gè)壓力區(qū)域，并因此本發(fā)明的泵抽安排提供了至少5個(gè)泵抽端口。泵內(nèi)氣體的壓縮作用必須根據(jù)在這些壓力區(qū)域之間所要求的壓力并根據(jù)穿過在指定給該質(zhì)譜儀的這些壓力區(qū)域之間的流動(dòng)限制器的氣體流速，而在這些泵抽端口之間進(jìn)行分配。
[0018]還希望的是提供一種用于質(zhì)譜儀的擁有長工作壽命的真空泵抽系統(tǒng)。諸位發(fā)明人了解，增大轉(zhuǎn)子軸的長度(即，泵的最低壓力區(qū)域處的轉(zhuǎn)子與泵的排氣側(cè)的軸承之間的距離)降低了泵的工作壽命，尤其當(dāng)泵被定向成使其軸線為水平時(shí)(通常這是優(yōu)選的)。因此本發(fā)明的泵抽系統(tǒng)優(yōu)選地將任何兩個(gè)泵抽級(jí)之間的最大距離限制為小于400mm。在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，任何兩個(gè)泵抽級(jí)之間最大的距離是小于300mm。如在此使用的,術(shù)語兩個(gè)泵抽級(jí)之間的距離是指從一個(gè)泵抽級(jí)的中心到另一個(gè)泵抽級(jí)的中心的距離。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例，這些不同的要求是通過限定泵抽速度來滿足的，使得在真空下不多于3個(gè)泵抽級(jí)具有超過501.s—1的泵抽速度，在真空下至少2個(gè)泵抽級(jí)具有小于301.S-1的泵抽速度，并且在使用中在工作氣體負(fù)載下任何兩個(gè)相鄰的渦輪分子泵安排泵抽級(jí)之間的壓力的比率是在10與1000之間、更優(yōu)選20與400之間。該前級(jí)真空泵在使用中尤其將該渦輪分子泵安排的輸出端保持在Imbar或更大的壓力下。
[0020]優(yōu)選在這些泵抽級(jí)的任何一級(jí)中氦或氫的含量不超過10%。
[0021]優(yōu)選地，處于最低壓力下的體積被保持在低于lX10_9mbar，低于5X 10_1(lmbar，尤其低于lXl0.mbar。為了實(shí)現(xiàn)這些UHV壓力，優(yōu)選地處于最低壓力下的體積具有一個(gè)用于加熱該體積的加熱安排以便將其中的部件脫氣、并且不包含彈性體密封件。
[0022]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，至少一個(gè)泵抽端口圍繞著一個(gè)第二泵抽端口，使得該第二泵抽端口相對(duì)于該第一泵抽端口之內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而不是相對(duì)于大氣壓進(jìn)行密封，如在US 2010/0098558A1中描述的。替代性地，優(yōu)選的是，至少一個(gè)第一泵抽級(jí)的體積圍繞著一個(gè)第二泵抽級(jí)的體積，使得該第二泵抽級(jí)的體積相對(duì)于該第一泵抽級(jí)之內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而不是相對(duì)于大氣壓進(jìn)行密封。因此可以在第二泵抽級(jí)中獲得更低的最終壓力。
[0023]本發(fā)明還提供一種質(zhì)譜儀系統(tǒng)，該質(zhì)譜儀系統(tǒng)包括本發(fā)明的真空泵系統(tǒng)，其中該質(zhì)譜儀系統(tǒng)包括至少6個(gè)體積并且還包括一個(gè)大氣壓離子源、一個(gè)質(zhì)量分析器和一個(gè)用于將離子從該大氣壓離子源傳輸?shù)皆撡|(zhì)量分析器的離子光學(xué)安排；并且其中該前級(jí)真空泵對(duì)一個(gè)與該大氣壓離子源相鄰的第一體積進(jìn)行泵抽，該第一體積包含該離子光學(xué)安排的一個(gè)第一級(jí)；并且該渦輪分子泵安排對(duì)多個(gè)其他的體積進(jìn)行泵抽，每個(gè)其他的體積包含該離子光學(xué)安排的其他的級(jí)以及該質(zhì)量分析器。
[0024]優(yōu)選地，該質(zhì)量分析器被定位在當(dāng)處于真空下具有最低壓力的體積中。
[0025]該質(zhì)量分析器優(yōu)選可以作為軌道阱來實(shí)現(xiàn)，該軌道阱包括一個(gè)外部的桶狀電極和一個(gè)共軸的內(nèi)部的紡錘狀電極。在所得的靜電場(chǎng)中作軌道運(yùn)動(dòng)的離子基于其鏡像電流而被檢測(cè)。替代性地，該質(zhì)量分析器可以包括一個(gè)離子檢測(cè)器，如一個(gè)次級(jí)電子倍增器，該電子倍增器連接到一個(gè)濾質(zhì)器，如線性四極桿濾質(zhì)器。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該離子光學(xué)安排包含至少一個(gè)濾質(zhì)器、優(yōu)選一個(gè)四極桿濾質(zhì)器，和/或至少一個(gè)離子阱、尤其一個(gè)線性離子阱，和/或至少一個(gè)碰撞室。這允許大分子的連續(xù)質(zhì)譜。
[0027]雖然上文是關(guān)于質(zhì)譜儀來描述的，但本發(fā)明的泵抽安排可以應(yīng)用于其他的科學(xué)儀器，這些光學(xué)儀器可以包含或不包含離子光學(xué)元件。
[0028]本發(fā)明提供了超過現(xiàn)有技術(shù)泵抽安排的優(yōu)點(diǎn)。僅需要一個(gè)渦輪分子泵來抽空包括5個(gè)或更多體積并要求跨過8-10數(shù)量級(jí)的壓力范圍的5個(gè)或更多個(gè)泵抽級(jí)的科學(xué)儀器，從而節(jié)省成本并降低復(fù)雜性。本發(fā)明提供了一種例如適合于完整質(zhì)譜儀的泵抽要求的單一的泵。包括5個(gè)或更多個(gè)有差異地被泵抽的腔室的整個(gè)科學(xué)儀器可以使用該渦輪分子泵和一個(gè)單一的前級(jí)泵被抽空到UHV。雖然實(shí)現(xiàn)了這些優(yōu)點(diǎn)，但任何兩個(gè)泵抽級(jí)之間的最大距離優(yōu)選是小于400mm，或者在某些情況下300mm，從而提供泵的長工作壽命。
[0029]本發(fā)明還提供一種用于抽空至少5個(gè)體積的方法，該方法包括用一個(gè)前級(jí)真空泵將一個(gè)渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓，并且經(jīng)由該渦輪分子泵安排的至少5個(gè)泵抽級(jí)中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的泵抽級(jí)來對(duì)每個(gè)體積進(jìn)行泵抽；其中每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和優(yōu)選地至少一組定子葉片而分離的；不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過最高泵抽速度的1/3的泵抽速度；至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有低于最高泵抽速度的1/4的泵抽速度；其中當(dāng)在工作氣體負(fù)載下進(jìn)行泵抽時(shí)，具有最高壓力的泵抽級(jí)與具有最低壓力的泵抽級(jí)之間的壓力的比率被保持在至少100000:1。
[0030]優(yōu)選地，本發(fā)明還提供一種抽空至少5個(gè)體積的方法，該方法包括用一個(gè)前級(jí)真空泵將一個(gè)渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓；并且經(jīng)由該渦輪分子泵安排的至少5個(gè)泵抽級(jí)中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的泵抽級(jí)來泵抽每個(gè)體積；其中每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子和/或定子葉片而分離的；不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過501.s—1的泵抽速度的；至少
2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于301.S-1的泵抽速度；并且其中在工作氣體負(fù)載下，該渦輪分子泵安排的任何兩個(gè)相鄰的泵抽級(jí)之間的壓力的比率是在10與1000之間；并且該前級(jí)真空泵在使用中將該渦輪分子泵安排的輸出端保持在Imbar或更大的壓力下。
[0031]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，這5個(gè)體積包括容納了一個(gè)質(zhì)譜儀的離子光學(xué)部件的腔室。
[0032]其他有利的和優(yōu)選的安排將從以下的說明和附圖中變得明顯。本發(fā)明可以通過多種方式來進(jìn)行實(shí)踐，現(xiàn)在將僅通過舉例并參考附圖對(duì)這些方式中的一些予以說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是一個(gè)示意性截面圖，描繪了本發(fā)明的一個(gè)泵抽系統(tǒng)的實(shí)施例，其中采用了一個(gè)芯式分流泵和一個(gè)同心的泵抽安排。

【具體實(shí)施方式】
[0034]圖1是一個(gè)示意性截面圖，描繪了本發(fā)明的一個(gè)泵抽系統(tǒng)，其中采用了一個(gè)芯式的分流式的渦輪分子泵。一個(gè)真空系統(tǒng)10包括一個(gè)用于離子光學(xué)部件(未展示)的殼體12和一個(gè)用于容納芯式分流泵15的殼體14。芯式分流泵15被插入到殼體14中并與凸緣16配合。
[0035]一個(gè)大氣壓離子源(未展示)定位在該真空系統(tǒng)之外。該離子源有利地是基于ESI (電噴射電離)或DART (實(shí)時(shí)直接分析)技術(shù)來產(chǎn)生離子。
[0036]殼體13封閉了第一級(jí)離子光學(xué)器件，該第一級(jí)是在與該離子源相鄰的一個(gè)體積I中。殼體12封閉了該質(zhì)譜儀的所有其他部件。在工作氣體負(fù)載下，殼體13被保持在1.5到2.5mbar的壓力下并且通過使用一個(gè)前級(jí)泵(未展示)被抽空，該前級(jí)泵與端口 60處于氣體連通、在151.s—1泵抽速度下工作并且傳導(dǎo)23-37mbar.1.s—1的氣體流速。在一個(gè)典型的質(zhì)譜儀中，殼體13之內(nèi)的體積I包含一個(gè)RF裝置，如一個(gè)離子漏斗、階梯波(Step-wave?)碰撞引導(dǎo)件、S透鏡、RF毯(carpet)、或其他用于在低真空下傳輸離子束的離子光學(xué)裝置。該前級(jí)泵是與分流泵的排出口處于泵抽式連通的而且連接到封閉了第一級(jí)離子光學(xué)器件的殼體13。因此，前級(jí)泵支持(back)該渦輪分子泵安排(分流泵)和定位在一個(gè)第一體積I中的第一級(jí)離子光學(xué)器件兩者，并且有利地只需要兩個(gè)泵(該前級(jí)泵和渦輪分子泵)來抽空整個(gè)科學(xué)儀器。
[0037]芯式分流泵15和殼體14包括6個(gè)泵抽級(jí)，泵抽端口 20、22、24、26、28和30傳導(dǎo)來自從其余的離子光學(xué)器件和質(zhì)量分析器的氣體。每個(gè)級(jí)通過泵抽端口被連接到殼體12之內(nèi)的體積。
[0038]該分流泵的一個(gè)分子拖拽級(jí)與泵抽端口 20對(duì)齊，從而在2mbar.1.s—1的氣體流速下以201.s—1的泵抽速度將端口 20抽空到0.1mbar的壓力。在一臺(tái)典型的質(zhì)譜儀中，連接到這個(gè)端口的體積2包含一個(gè)僅RF的傳輸裝置，如一個(gè)多極桿或離子通道。取決于離子源，還可以出現(xiàn)3-4mbar.1.s—1的氣體流速；原則上，可以使用具有更高泵抽速度的分子拖拽級(jí)。離子源尤其可以是在US 2012/0043460A1或US 2012/0153141 Al中描述的類型，并且可以出現(xiàn)最高達(dá)8mbar.1.s_1的氣體流速。
[0039]泵抽端口 22與沿分流泵再遠(yuǎn)處的泵抽元件對(duì)齊，并且泵抽端口 22在0.15mbar.1.s—1的進(jìn)入氣體流速下以1501.s—1的泵抽速度被抽空到10_3mbar。在一臺(tái)典型的質(zhì)譜儀中，連接到這個(gè)端口的體積3包含一個(gè)離子冷卻多極桿或離子隧道，但一種質(zhì)量選擇工具、尤其一種線性四極桿濾質(zhì)器也可以定位在那里。取決于離子源，還可以出現(xiàn)0.3-0.6mbar.1.s—1的氣體流速。
[0040]泵抽端口 24在4X l(T3mbar.1.s_1的進(jìn)入氣體流速下以1501.s_1的泵抽速度被抽空到3 X 1-5Hibar。在一臺(tái)典型的質(zhì)譜儀中，連接到這個(gè)端口的體積4包含一個(gè)質(zhì)量選擇器，如四極桿濾質(zhì)器、線性離子阱、或飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，并且還可以包括碰撞室，該碰撞室包含一個(gè)局部相對(duì)高的氣體壓力，該氣體的一部分逸出該室并且通過泵抽端口 24進(jìn)行泵抽。體積4還可以包含一個(gè)僅RF的、氣體填充的儲(chǔ)存裝置，如C阱，用于容納離子并將它們噴射到質(zhì)量分析器(如軌道阱(Orbitrap?))或多反射飛行時(shí)間分析器。
[0041]泵抽端口 26在5X l(T6mbar.1.s_1的進(jìn)入氣體流速下以201.s_1的泵抽速度被抽空到5X10_7mbar。一個(gè)高電壓透鏡系統(tǒng)的第一部分可以定位在連接到泵抽端口 26的體積5之內(nèi)。在此不需要更高的泵抽速度，因?yàn)樵隗w積5之內(nèi)的離子光學(xué)器件的功能是對(duì)從C阱裝置發(fā)射的流動(dòng)性氣體射流的離子進(jìn)行分離并將它們引導(dǎo)到下一個(gè)經(jīng)泵抽的體積中。端口26是基本上槽縫形狀的。
[0042]泵抽端口 28在IX 10_7mbar.1.s—1的進(jìn)入氣體流速下以101.s—1的泵抽速度被抽空到2X 10_8mbar。在高分辨率分析器之前的透鏡被定位在連接到泵抽端口 28的體積6之內(nèi)。在此也不需要更高的泵抽速度，因?yàn)轶w積6之內(nèi)的離子光學(xué)路徑的長度需要被最小化并且因此更高的泵抽速度對(duì)沿著離子軸線的實(shí)際壓力影響很小。端口 28是基本上槽縫形狀的。通道85也通過泵抽端口 28被泵抽，如將在下面進(jìn)一步說明的。
[0043]基本上槽縫形狀的端口 26、28比其余的端口 22、24和30更小。這些槽縫形狀的端口具有小于301.s—1的相關(guān)泵抽速度。這些更大的端口 22、24和30具有大于501.s—1的相關(guān)泵抽速度。該泵抽系統(tǒng)總體上可以具有一個(gè)或多個(gè)、優(yōu)選兩個(gè)或更多個(gè)基本上槽縫形狀的端口，這些端口可以與具有小于301.S—1的泵抽速度的對(duì)應(yīng)泵抽級(jí)相關(guān)聯(lián)。
[0044]泵抽端口 30與該渦輪分子泵安排的首要真空區(qū)域相鄰，并且在工作氣體負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了 <2X 10_1(lmbar的壓力。泵抽端口 30抽空含有質(zhì)量分析器的體積7、并且在2001.s—1的泵抽速度下傳導(dǎo)IX 10_9mbar.1.s—1的氣體流速。最終泵抽級(jí)中的壓力通過真空壓力計(jì)50來測(cè)量。該質(zhì)量分析器優(yōu)選是軌道阱(Orbitrap?)或多反射/多偏轉(zhuǎn)飛行時(shí)間或靜電阱類型的。軌道阱類型的質(zhì)量分析器例如在US 5，886，346中有所披露。超高真空對(duì)于正確地操作此類分析器而言是關(guān)鍵的，因?yàn)樗_保了易分解的多電荷蛋白質(zhì)存活到質(zhì)譜分析過程結(jié)束，即使它們具有高動(dòng)能(對(duì)應(yīng)于I到30kV的加速度)。
[0045]分流式渦輪分子泵15包括一個(gè)電動(dòng)機(jī)70、一個(gè)拖拽泵抽級(jí)72、以及五個(gè)級(jí)的轉(zhuǎn)子和定子葉片74、75、76、77、78。
[0046]殼體14在與這些泵抽端口相鄰的區(qū)域中被密封到殼體12。彈性體密封件80在泵抽端口 20、22和24周圍提供氣密式密封。在泵抽端口 26、28和30周圍使用了金屬對(duì)金屬的密封件81。圖1描繪了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中泵抽端口 28圍繞著泵抽端口 30，使得泵抽端口 30相對(duì)于泵抽端口 28之內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而不是相對(duì)于大氣壓而密封。這得到了通道85的輔助，該通道通過泵抽端口 28被泵抽并且圍繞著泵抽端口 30。借助于此，殼體12和14的與泵抽端口 30相鄰的區(qū)域不需要包含彈性體密封件而是可以使用不導(dǎo)致金屬密封材料的塑性變形的一類金屬對(duì)金屬的密封件，同時(shí)在該泵抽端口處提供UHV。使用類似的密封件來密封泵抽端口 26和28，并且這種同心的泵抽安排消除了當(dāng)試圖并行地使用多個(gè)密封件的塑性變形來進(jìn)行防漏密封時(shí)存在的困難。
[0047]雖然圖1的渦輪分子泵具有其自身的殼體14，但也可能通過將其制成芯式而取消多個(gè)O形圈80。在這種情況下，將定子封裝在一個(gè)金屬籠中，該金屬籠滑動(dòng)到殼體12中并且主要通過緊密的匹配公差使得在泵抽級(jí)之間的泄露是忽略的(但在某些情況下可以使用Viton?或V形的軟金屬圈)。
[0048]如在此使用的，包括權(quán)利要求在內(nèi)，除非上下文另外說明，否則在此術(shù)語的單數(shù)形式應(yīng)當(dāng)理解為包括復(fù)數(shù)形式，并且反之亦然。
[0049]貫穿本說明書的描述和權(quán)利要求，詞語“包括(comprise) ”、“包含(including) ”、“具有(having) ”以及“含有(contain) ”以及這些詞語的變化形式(例如“包括(comprising)”和“包括(comprises) ”等等)表示“包括但不限于”并且不旨在(并且不會(huì))排除其他部件。
[0050]應(yīng)當(dāng)理解的是，可以做出本發(fā)明的以上實(shí)施例的變化形式，同時(shí)仍落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。除非另有說明，否則本說明書中披露的每個(gè)特征可以由服務(wù)于相同、等同或類似目的的替代特征來代替。因此，除非另有說明，否則所披露的每個(gè)特征只是一個(gè)一般系列的等同或類似特征中的一個(gè)實(shí)例。
[0051]使用在此提供的任何一個(gè)以及全部實(shí)例、或示例性語言(“例如”、“如”、“舉例而言”以及相似語言)，僅旨在更好地說明本發(fā)明并且不表示對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制，除非另外要求。本說明書中的任何語言都不應(yīng)當(dāng)被理解為是在指示:任何未提出權(quán)利要求的元件是對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要的。
[0052]本說明書中披露的所有特征可以以任意組合形式進(jìn)行組合，除了這類特征和/或步驟中的至少一些相互推斥的組合形式。具體地說，本發(fā)明的優(yōu)選特征適用于本發(fā)明的所有方面并且可以以任意組合形式來使用。同樣，非本質(zhì)的組合形式中描述的特征可以單獨(dú)使用(不進(jìn)行組合)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于抽空至少5個(gè)體積的真空泵系統(tǒng)，包括一個(gè)前級(jí)真空泵和和一個(gè)渦輪分子安排，該系統(tǒng)被安排為使得該前級(jí)真空泵將該渦輪分子泵安排的一個(gè)輸出端泵抽到大氣壓；并且其中該渦輪分子泵安排包括多個(gè)對(duì)應(yīng)于不同泵抽級(jí)的泵抽端口并且被配置為使得: 存在至少5個(gè)泵抽級(jí)，每個(gè)泵抽級(jí)連接到一個(gè)體積； 每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和優(yōu)選地至少一組定子葉片而分離的； 不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過一個(gè)泵抽級(jí)的最高泵抽速度的1/3的泵抽速度和/或超過最大泵抽端口截面的1/3的泵抽端口截面； 至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于一個(gè)泵抽級(jí)的最高泵抽速度的1/4的泵抽速度和/或小于最大泵抽端口截面的1/4的泵抽端口截面； 其中在真空下在具有最高壓力的泵抽級(jí)與具有最低壓力的泵抽級(jí)之間的壓力的比率是至少100000:1。
2.如權(quán)利要求1所述的真空泵系統(tǒng)，其中該渦流分子泵安排的至少一個(gè)泵抽級(jí)包含一個(gè)分子拖拽泵，尤其是帶有螺旋泵通道的霍爾維克泵。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的真空泵系統(tǒng)，其中不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過501.S-1的泵抽速度；至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有小于301.S-1的泵抽速度；并且其中該前級(jí)真空泵在使用中將該渦流分子泵安排的輸出端保持在Imbar或更大的壓力下。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中在使用中，在工作氣體負(fù)載下，該渦流分子泵安排的任何兩個(gè)相鄰泵抽級(jí)之間的壓力的比率是在10與1000之間、優(yōu)選在20與400之間。
5.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中該分子泵安排的任何兩個(gè)泵抽級(jí)之間的最大距離是小于400mm、尤其小于300mm。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中在這些泵抽級(jí)中的任何一者中的氦或氫含量不超過10%。
7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中處于最低壓力下的體積被保持在低于 I X 10 9mbar、尤其低于 2 X 10 10mbar。
8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中連接到該處于最低壓力下的體積的泵抽級(jí)在真空下具有最高的泵抽速度和/或最大的泵抽端口截面。
9.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中至少該處于最低壓力下的體積配備有一個(gè)用于加熱該體積的加熱安排，并且其中優(yōu)選地該處于最低壓力下的體積的密封并不包含彈性體密封件。
10.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中至少一個(gè)泵抽端口圍繞著一個(gè)第二泵抽端口，使得該第二泵抽端口相對(duì)于該第一泵抽端口之內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而非相對(duì)于大氣壓進(jìn)行密封，或者其中至少第一泵抽級(jí)的體積圍繞著一個(gè)第二泵抽級(jí)的體積，使得該第二泵抽級(jí)的體積相對(duì)于在該第一泵抽級(jí)之內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而非相對(duì)于大氣壓進(jìn)行密封。
11.一種質(zhì)譜儀系統(tǒng)，包括如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的真空泵系統(tǒng)，其中該質(zhì)譜儀系統(tǒng)包括至少6個(gè)體積并且還包括一個(gè)大氣壓離子源、一個(gè)質(zhì)量分析器、以及一個(gè)用于將來自該大氣壓離子源的離子傳輸?shù)皆撡|(zhì)量分析器的離子光學(xué)安排；并且其中該前級(jí)真空泵對(duì)一個(gè)與該大氣壓離子源相鄰的第一體積進(jìn)行泵抽，該第一體積包含該離子光學(xué)安排的一個(gè)第一級(jí)；并且該渦流分子泵安排對(duì)其他的體積進(jìn)行泵抽，這些其他的體積各自包含該離子光學(xué)安排的其他的級(jí)和/或質(zhì)量分析器。
12.如權(quán)利要求11所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中在真空下具有最低壓力的體積包含該質(zhì)量分析器，優(yōu)選地一臺(tái)多反射/多偏轉(zhuǎn)飛行時(shí)間或靜電阱類型的質(zhì)量分析器，尤其一臺(tái)軌道阱類型的質(zhì)量分析器。
13.如權(quán)利要求11或12所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中該離子光學(xué)安排包括至少一個(gè)濾質(zhì)器和/或至少一個(gè)離子阱和/或至少一個(gè)碰撞室。
14.如權(quán)利要求11到13中任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中通過該渦流分子泵安排的一個(gè)第一泵抽級(jí)被泵抽的至少一個(gè)第一體積圍繞著在真空下具有最低壓力的體積，使得該處于最低壓力下的體積相對(duì)于在該第一體積內(nèi)的壓力進(jìn)行密封而非相對(duì)于大氣壓進(jìn)行密封，并且其中優(yōu)選地該處于最低壓力下的體積配備有多個(gè)金屬密封件并配備有一個(gè)用于加熱該體積的加熱安排。
15.一種用于抽空至少5個(gè)體積的方法，包括用一個(gè)前級(jí)真空泵來將一個(gè)渦輪分子泵安排的輸出端泵抽至大氣壓；并且經(jīng)由該渦輪分子泵安排的至少5個(gè)泵抽級(jí)中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的泵抽級(jí)來對(duì)每一個(gè)體積進(jìn)行泵抽；其中每個(gè)泵抽級(jí)是通過至少一組轉(zhuǎn)子葉片和優(yōu)選地至少一組定子葉片而分離的； 不多于3個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有超過最高泵抽速度的1/3的泵抽速度； 至少2個(gè)泵抽級(jí)在真空下具有低于最高泵抽速度的1/4的泵抽速度； 其中在工作氣體負(fù)載下泵抽時(shí)，具有最高壓力的泵抽級(jí)與具有最低壓力的泵抽級(jí)之間的壓力的比率被至少維持在100000:1。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該至少5個(gè)體積包括通過孔口和/或狹長的流動(dòng)限制器相連接的腔室，這些腔室容納一個(gè)質(zhì)譜儀的離子光學(xué)部件，并且其中優(yōu)選地這些離子光學(xué)部件包括至少一個(gè)離子阱和/或至少一個(gè)碰撞室和/或至少一個(gè)濾質(zhì)器。
【文檔編號(hào)】F04D19/04GK104421191SQ201410408938
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】A·馬卡洛夫, W·布拉舒恩 申請(qǐng)人:塞莫費(fèi)雪科學(xué)（不來梅）有限公司