專利名稱：檢測真空紫外線的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紫外光譜，具體地，但并非限于，本發(fā)明涉及到檢測真空紫外(VUV)輻射以及在電磁光譜的VUV區(qū)域中的原子發(fā)射光譜。
背景技術(shù)：
紫外(UV)輻射是處在光譜的可見和X射線區(qū)域之間的電磁輻射，即在380nm到5nm的范圍內(nèi)。真空紫外(UV)輻射是光譜(其中輻射由空氣吸收)的UV區(qū)域中的一部分。結(jié)果，任何設(shè)計為檢測該VUV輻射的實驗通常是在真空中進行的。VUV輻射的波長小于200nm。
原子發(fā)射光譜是一種眾所周知的技術(shù)，用作檢測樣品的組成分子或原子。當激發(fā)到高能態(tài)的原子衰減到低能態(tài)時，或者衰減到基態(tài)時，就會發(fā)射出光子。所發(fā)射的光子的波長與原子從其上衰減的激發(fā)態(tài)和它們所衰減到的衰減態(tài)之間的能隙相關(guān)。不同的原子種類具有不同的原子發(fā)射光譜，并且因此對光譜的檢測可以確定樣品的成分。
所謂的發(fā)射譜線通常在電磁光譜的紅外、可見和紫外波帶內(nèi)。檢測真空紫外區(qū)域內(nèi)的原子發(fā)射譜線特別地讓人感興趣。
現(xiàn)今，使用原子發(fā)射輻射源的光譜分析系統(tǒng)將要分析的樣品材料導入到一激發(fā)區(qū)域中。在此它被激發(fā)到足以發(fā)射出作為該樣品中元素特性的可檢測輻射的光譜發(fā)射水平。通常使用光柵或折射元件將所得的發(fā)射出的輻射分開，并對其進行光譜分析，以定量地確定樣品的元素組成。為了避免在200nm之下的輻射被空氣吸收，同時為避免與氣體折射率變化相關(guān)聯(lián)的波長偏移，在一充氣室內(nèi)將樣品材料激發(fā)。各種分光計可裝配在腔室內(nèi)或腔室上，以檢測電磁光譜不同波帶中的輻射。例如，可視波帶分光計可以附著在樣品發(fā)射腔室中，從而分光計通過合適的窗口可看見輻射源(受激樣品)。
為檢測VUV波帶，必須將分光計設(shè)置成可克服上述的吸收和折射率波動的問題。這些問題導致儀器的靈敏度降低，而限制分光計的檢測能力。并且，光譜譜線的偏移可導致對樣品中元素濃度的錯誤測量。例如，與折射率相關(guān)聯(lián)的問題可能導致光譜譜線偏移過諸如CCD陣列或光電倍增管陣列的輸出檢測系統(tǒng)，這樣需要對分光計進行重新校準，以將檢測到的光譜譜線正確地對應(yīng)到其相關(guān)聯(lián)的元素。
已經(jīng)做出各種嘗試，以減輕與200nm波長之下的光譜檢測相關(guān)聯(lián)的這些問題。在第一示例中，光學分光計外殼或腔室被抽成高度的真空，從而實質(zhì)上去除分光計腔室內(nèi)的所有氣體。該儀器的一個例子就是熱電子(Thermo Electron)公司發(fā)售的ARL4460分光計。通過使用兩級泵系統(tǒng)對腔室抽氣，通常可實現(xiàn)高真空。泵系統(tǒng)包括與諸如渦輪分子泵的高真空泵配套設(shè)置的諸如旋轉(zhuǎn)泵或隔膜泵的主真空泵，渦輪分子泵設(shè)置在抽空腔室和主真空泵之間。
要將腔室內(nèi)的壓強減少到小于0.1Pa(10-3mbar)，兩級泵系統(tǒng)是有必要的。要在光路徑的抽空腔室中產(chǎn)生足夠的透明度，這樣水平的真空是必需的。單個旋轉(zhuǎn)或隔膜泵不足以在分光計外殼內(nèi)產(chǎn)生為在VUV波帶中提供足夠水平的透明度所必需的壓強水平。
該系統(tǒng)有一些缺點，特別是因為渦輪分子泵相對昂貴，并且需要定期保養(yǎng)。該泵不能自行操作，而需要與加重成本和保養(yǎng)負擔的主真空泵配套使用。當對泵進行維修和保養(yǎng)時，分光計不能工作。
US-A-4,322,165和US-A-5,506,149描述了對該問題的第二解決方案，其中用UV透明氣體連續(xù)凈化分光計，從而UV吸收氣體從儀器中排出。該氣體必需是特別高的純度，并且流經(jīng)該儀器的流速要相對較高(通常在每分鐘0.5-5升的范圍內(nèi))。由于所需的高純度，該氣體相對昂貴，并且該氣體的消耗速率使得凈化氣體的成本是使用這種分光計的實驗室中最高消耗性成本之一。但是，這種類型的系統(tǒng)無需高真空泵系統(tǒng)。
US-A-5,225,681試圖通過用UV透明氣體裝填密封的分光計外殼來克服上述的問題。要用氣體泵系統(tǒng)使氣體循環(huán)經(jīng)過氣體清潔器，從而從分光計外殼內(nèi)的成分中去除漏氣材料。該氣體清潔系統(tǒng)相對昂貴，并需要定期替換。如果沒有使用氣體清潔系統(tǒng)，UV透明氣體逐漸被UV吸收氣體所污染，并且分光計的性能受到損害。在其工作壽命期間，氣體清潔系統(tǒng)需要定期保養(yǎng)，而在這段時間內(nèi)，分光計是不能工作的。
此外，系統(tǒng)依賴于不透氣的分光計外殼。任何微小的泄漏將導致外殼中壓強改變，進而導致系統(tǒng)內(nèi)氣體的折射率改變，結(jié)果就是檢測到的光譜譜線波長中的偏移。
此外，高真空泵的缺失導致進一步的問題，由于當外殼內(nèi)的元件需要保養(yǎng)時，該外殼必須被打開，在空氣填充外殼的同時，高純度的氣體也逸散了。因此在外殼被填充以高純度透明氣體之前，它必須首先被抽成高真空，而這需要高真空泵。因此，該系統(tǒng)必須長期裝配有高真空泵，或者是合適的泵必需被設(shè)置并安裝到該系統(tǒng)中，以在該系統(tǒng)的任何保養(yǎng)之后，隨后光譜分析員能夠在操作之前將室抽空。這樣的重裝填過程是極其費時間的，當然在這段時間內(nèi)分光計是不能工作的。
還有(英格蘭)Hilger Analytical Limited所發(fā)售的商品名為Polyvac的系統(tǒng)，使用中真空兩級旋轉(zhuǎn)葉輪泵將分光計抽成大約1Pa(10-3mbar)，旋轉(zhuǎn)葉輪泵使用泵中的油液以在分光計外殼中實現(xiàn)中真空。這樣的泵系統(tǒng)通常稱為“濕泵”。在中真空壓強中，殘留氣體成分在濃度上相對低，并且可以產(chǎn)生基本在140nm以上的波長的UV輻射通道，而輻射無顯著的衰減。
但是，來自旋轉(zhuǎn)葉輪泵的油液可進入到系統(tǒng)中，并且污染分光計內(nèi)的光學元件或者影響氣體的折射率。為了減少所謂的旋轉(zhuǎn)葉輪泵油液“回流”到外殼內(nèi)，分光計外殼中裝有高純度的氬氣。當引入氬氣時，外殼中的總體壓強通常為12.5到25Pa(0.125到0.25mbar)。此外，由旋轉(zhuǎn)葉輪泵所產(chǎn)生的最終真空不是特別穩(wěn)定。室內(nèi)殘留氣體的量仍然在可以影響到200nm之下波長的光傳播的水平，由于泵性能波動所致的腔室壓的波動將會引起吸收度改變，損害了分光計在UV波長的的穩(wěn)定性。高純度氬氣的充入有助于穩(wěn)定分光計腔室內(nèi)的氣壓，并且可在某種程度上穩(wěn)定UV透明度。
兩級旋轉(zhuǎn)葉輪泵相對昂貴。另外，用使用氬凈化系統(tǒng)僅減少由旋轉(zhuǎn)葉輪泵中回流的油液所致的光學污染的風險，但在該系統(tǒng)中無法消除這種油液污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在改善與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的各種問題，并提供一種能夠改進現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一種分光計和光譜方法。
相應(yīng)的，本發(fā)明第一方面提供一種真空紫外線檢測裝置，包括設(shè)置成從輻射源接收紫外線的輻射檢測器、放置有所述檢測器的腔室、設(shè)置成將腔室抽成不低于約5Pa(0.05mbar)壓強的干式真空泵、以及設(shè)置成將基本UV透明氣體通過腔室內(nèi)進口供應(yīng)到腔室中的供氣裝置。
干式泵較之Polyvac系統(tǒng)實際上有兩個優(yōu)點。首先，它無需油液，從而回流問題得到解決。其次，它較之旋轉(zhuǎn)葉輪泵或渦輪分子泵，相對劃算。
但是，當前可用的干式泵只能產(chǎn)生相對較差真空。5個帕斯卡或以上，是干式泵通常能夠?qū)崿F(xiàn)的最小壓強，發(fā)射的輻射顯著地被吸收了。結(jié)果，干式泵(至少沒有進一步輔助)在以前被認為是不可用在VUV光譜分析中。
該發(fā)明者驚喜地發(fā)現(xiàn)，通過將基本UV透明氣體加入到腔室內(nèi)，就可以顯著減少殘留的大氣氣體(干式泵所不能抽取的)對大約200nm之下的UV輻射的吸收，從而該系統(tǒng)即使是用干式泵，也可進行成功地操作。
通過“干式泵”意味著操作無需使用油液或任何其它液體的泵。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供有一種真空紫外線檢測裝置，包括設(shè)置成從輻射源接收紫外線的輻射檢測器、放置有所述檢測器的腔室、設(shè)置成將腔室抽空的泵、以及設(shè)置成將基本UV透明氣體通過腔室內(nèi)進口以在腔室內(nèi)提供100到10,000Pa(1到100mbar)總體氣壓的流速供應(yīng)到腔室中的供氣裝置。
UV透明氣體相對昂貴。因此，本發(fā)明解決了諸如在上述介紹中指明的、意圖使用大量凈化氣體的US專利的現(xiàn)有技術(shù)裝置的問題。
在本發(fā)明中，連同將腔室抽成真空的泵(上述現(xiàn)有技術(shù)意圖在大氣壓下操作)，使用了低得多(至少要低5-6倍)的UV透明氣體流速。在較佳實施例中，該泵可以是通過減少耗材來進一步減少其成本和年度運行成本的干式泵等。同時在本發(fā)明中UV透明氣體的流速要大于上述Polyvac系統(tǒng)中的流速，要注意，Polyvac系統(tǒng)中的氣體流動并非旨在結(jié)合真空操作來防止吸收，而是要防止泵油液蒸汽的回流。
供氣裝置最好是設(shè)置以大約每分鐘0.1升的速度對腔室提供氣體流。
真空泵最好是設(shè)置成從外殼中將UV透明氣體去除，并且UV透明氣體不會循環(huán)。
較佳地，該裝置還可包括可在其它波帶，諸如近紫外和可見波帶操作的輻射檢測器，在該情形中，所述UV透明氣體也應(yīng)該對這些其它操作波帶是基本透明的。
較佳地，輻射檢測器包括諸如全息衍射光柵的衍射光柵和設(shè)置成從光柵接收衍射的輻射的CCD陣列或其它檢測系統(tǒng)。設(shè)置有光柵，使來自源的輻射以某一角度撞擊在光柵上，以將輻射衍射到其組成波長中。
雖然本發(fā)明兩方面都提供具有比現(xiàn)有技術(shù)便宜的元件耗材的真空紫外線檢測裝置，但可以理解，兩個方案并非相互排斥，并且具有干式泵和相對較低流速UV透明氣體的裝置是特別有優(yōu)勢的。
本發(fā)明還提供一種置于腔室內(nèi)的輻射檢測器來檢測真空紫外線的方法，所述方法包括將腔室內(nèi)壓強抽到基本等于或大于5Pa(0.05mbar)，將基本UV透明氣體供應(yīng)給腔室，并且檢測撞擊到輻射檢測器上的UV輻射。
本發(fā)明的又一方面提供一種用置于腔室內(nèi)的輻射檢測器檢測真空紫外線的方法，所示方法包括抽空該腔室，以某一速率將基本UV透明氣體供入腔室內(nèi)以使得腔室壓強保持100Pa到10,000Pa(1到100mbar)，并檢測撞擊到輻射檢測器的UV輻射。


以示例的方式，并且參照附圖，對本發(fā)明的實施例進行描述，其中圖1是本發(fā)明實施例化的裝置的示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，以高度示意性的方式示出了實施本發(fā)明的裝置10。該裝置包括分光計外殼或腔室12，以及在外殼壁上的窗口14。外殼包括出氣口16以及設(shè)置成將外殼抽成低真空壓強的真空泵18。低真空壓強意味著在大氣壓到100Pa(1mbar)之間真空氣壓。真空泵通過泵開口20直接通向大氣。
外殼12也包括進氣口22。進氣口通過閥門24連接到供氣26。供氣包括諸如氬氣或氮氣的UV透明氣體。閥門24可以是螺線管型或針型，或者是質(zhì)量流控制器。還可以使用其它實現(xiàn)合適的流量調(diào)節(jié)的儀器。
光柵28，或者合適的衍射/折射裝置置于外殼12內(nèi)部，從而途經(jīng)窗口14的輻射撞擊在光柵上并且被衍射和分散到其組成波長中。檢測系統(tǒng)30設(shè)置在外殼中，從而由光柵衍射的光撞擊到檢測器上?？赡茉谕鈿?nèi)還有其它光學儀器，諸如狹縫32、透鏡系統(tǒng)等。
外殼12可附著在包納電磁輻射的源36的容器34上。源可包括等離子體弧，可將樣品引入其中，從而將樣品激發(fā)到一種樣品中發(fā)射出原子發(fā)射譜線的程度。將樣品激發(fā)到這樣一種狀態(tài)的方式和手段并非是本發(fā)明的組成部分，并且在此無需對其進一步的描述。
從樣品發(fā)射的光沿著線40指示的路徑傳播。從源發(fā)射的光通過窗口14進入外殼12中，途經(jīng)狹縫32并撞擊在衍射光柵28上。光在這里彎曲一角度，該角度取決于其波長和光柵28的衍射能力。光從光柵傳播到檢測光的檢測系統(tǒng)30。檢測器包括，例如排列的CCD陣列，從而第一頻率(波長)的光撞擊在陣列的一端，并且具有逐漸較高頻率的光沿著陣列的長度方向撞擊到陣列的第二端。例如，根據(jù)外殼內(nèi)的特定條件，可對系統(tǒng)進行校準，從而光的離散頻率或波長僅落在CCD陣列的某些元件上。
真空泵操作以將外殼抽到10到5000Pa(0.1到50mbar)的壓強，該壓強是外殼中沒有UV透明氣體的情況下測量出的。在該狀態(tài)中，在外殼內(nèi)的殘留氣體包括從外殼內(nèi)表面、外殼內(nèi)的光學組件和窗口14所釋放的空氣成分。此外，在外殼中的一些殘留氣體是由于大氣中的空氣從泵18回流到外殼12中所致。通常，這些回流氣體包括水蒸氣、氧氣和二氧化碳，它們都或多或少地吸收紫外線。
由于外殼中這些多余的氣體，對于200nm之下波長的光，分光計性能降低，對原子發(fā)射光譜譜線在200nm或之下的元素的檢測極限因此降低。在一些情形中，降低是如此巨大，以致不能確定該分析中樣品所含元素的濃度。
但是，通過經(jīng)進氣口22將低流速的UV透明氣體輸入到外殼中，波長200nm之下的光的分光計性能卻驚奇地大幅改善。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以一種在外殼中提供100到10,000Pa(1到100mbar)壓強的速率將氣體供應(yīng)到外殼中是足以克服大氣吸收問題。進入外殼中的UV透明氣體的氣流速率通常是每分鐘0.1升，以在外殼內(nèi)提供約10mbar的總體壓強。該流速至少比現(xiàn)有技術(shù)的凈化氣體系統(tǒng)的流速要低五倍。以當前的匯率，高純度氣體的流量減少通常可使每臺分光計每年節(jié)省2,000歐元(大約2,250美元)。
不論該通常流速的示例，可以理解，腔室中的壓強并非與氣體流速或泵速率呈直接比例，并且在調(diào)節(jié)流速的同時勢必會改變壓強，稍后將確定是否克服了大氣吸收問題。
低真空泵18最好是免油液，或者是所謂的“干式泵”。這種泵的一個示例就是隔膜真空泵。該隔膜真空泵可在顯露到被抽取的氣體或部分真空的泵部分中無需有油液的情形下操作。因此任何通過泵回流的氣體是無油液蒸汽(它進入外殼12，淀積在所有的內(nèi)部表面上，包括光學元件14、28和30)。逐漸淀積在這些表面上油液蒸汽減少它們發(fā)射、反射、衍射、折射或檢測光的能力，并因此而降低分光計的性能。結(jié)果，使用免油液的泵具有一種效果，即實施本發(fā)明的分光計需要較少的在外殼內(nèi)清潔光學組件的保養(yǎng)，有效地增加了實施本發(fā)明的儀器的操作壽命。
以相對低速率持續(xù)流入到外殼內(nèi)的紫外透明氣體用作清除從外殼的內(nèi)表面和光學組件中釋放的氣體，并且還用作在真空泵18的真空側(cè)呈現(xiàn)相對高的壓強。因此，泵在其極限操作真空壓強之上的壓強中進行操作。該泵將連同任何釋放或漏氣出的物質(zhì)的UV透明氣體持續(xù)地通過泵抽取到大氣中。這種通過泵的氣體流用作防止大氣氣體從泵的大氣側(cè)回流到分光計外殼中。
使用低真空泵，特別是隔膜泵，較之現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，為實施本發(fā)明的分光計儀器節(jié)省了制造成本，而不會對分光計的性能有任何損害。這中情形，連同實施本發(fā)明的儀器中的凈化氣體成本降低和低保養(yǎng)/高使用能力，可以在分光計的壽命期間節(jié)省大量成本。
閥門24可設(shè)置成與孔板節(jié)流器相結(jié)合操作，從而從容器26到外殼12中的氣體流速控制在穩(wěn)定的速率上。這些孔板節(jié)流器可以按照特定氣體的特定流速的預(yù)定校準規(guī)格制造出，并且有助于分光計腔室內(nèi)的最終氣壓的穩(wěn)定。
合適的UV透明氣體包括氬或氮，它們都可從專門的氣體零售商處獲得。
上述是較佳實施例的特定描述，它以示例的形式給出，不會在性質(zhì)上對所附權(quán)利要求中定義的保護范圍構(gòu)成限制。一般技術(shù)人員可以設(shè)想出各種修改。例如，窗口14可由透鏡或一些其它形式的光學或機械儀器組成，或者是包括它們。分光計可設(shè)置在其它波帶(其中大氣吸收是有問題的)中操作。此外，本發(fā)明的實施例除了分光計領(lǐng)域之外，還可用于其它的光學實驗。
權(quán)利要求
1.一種真空紫外線檢測裝置，包括輻射檢測器，被安排為從輻射源接收紫外線，腔室，其中放置了所述檢測器，干式真空泵，被安排為將所述腔室抽空成基本等于或大于5Pa(0.05mbar)的壓強，以及供氣裝置，被安排為通過腔室進口將基本上UV透明的氣體輸入所述腔室。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述UV透明氣體被安排為以基本持續(xù)的速率輸入到所述腔室。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述進口包括安排為控制UV透明氣體流動的閥。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其特征在于，在操作期間，所述真空泵被安排為以一種速率將所述腔室中的UV透明氣體放入大氣中，和/或所述供氣裝置以一種速率輸入氣體，以便使所述腔室內(nèi)的總壓強基本等于或大于100Pa(1mbar)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述真空泵被安排為以一種速率將所述腔室中的UV透明氣體放入大氣中，和/或所述供氣裝置以一種速率輸入氣體，以便使所述腔室內(nèi)的總壓強不超過10,000Pa(100mbar)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述供氣裝置被安排為使氣體以約0.1升/分鐘的速率流入所述腔室中。
7.如前述任何一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述真空泵是干式隔膜真空泵。
8.如前述任何一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述UV透明氣體是氬、氮或氬和氮的組合。
9.如前述任何一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述輻射檢測裝置包括光學分光計。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述分光計被安排為檢測真空紫外線和另一波帶中的輻射。
11.如前述任何一項權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述腔室包括一窗口，所述窗口被安排為使輻射途經(jīng)其中以便于輻射檢測器進行檢測。
12.一種真空紫外線檢測裝置，包括輻射檢測器，設(shè)置成從輻射源接收紫外線；腔室，其中放置了所述檢測器；泵，設(shè)置成抽空所述腔室，以及氣體供應(yīng)裝置，設(shè)置為通過腔室進氣口，以一種使得所述腔室中總體壓強在100到10,000Pa(1到100mbar)之間的速率將基本UV透明氣體供應(yīng)到所述腔室中。
13.一種使用置于腔室內(nèi)的輻射檢測器來檢測真空紫外線的方法，所述方法包括將所述腔室抽空到基本等于或大于5Pa(0.05mbar)的壓強，將基本UV透明氣體輸入到所述腔室內(nèi)，以及檢測撞擊到所述輻射檢測器上的UV線。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述UV透明氣體以一種速率輸入到所述腔室，和/或所述腔室以一種速率被抽空，從而在所述真空泵的操作期間，所述腔室中的總壓強基本上等于或大于100Pa(1mbar)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述UV透明氣體以一種速率輸入到所述腔室，和/或所述腔室以一種速率被抽空，從而所述腔室中的總壓強不超過10,000Pa(100mbar)。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述氣體以約0.1升/分鐘的速率輸入到所述腔室。
17.一種使用置于腔室內(nèi)的輻射檢測器來檢測真空紫外線的方法，所述方法包括抽空所述腔室；以一種使得所述腔室中的壓強維持在100Pa到10,000Pa(1到100mbar)之間的速率將基本UV透明氣體供應(yīng)到所述腔室中；以及檢測撞擊到所述輻射檢測器上的UV輻射。
18.根據(jù)權(quán)利要求13到17的任何一項所述的方法，其特征在于，通過所述真空泵將所述UV透明氣體從所述腔室中放出。
全文摘要
真空紫外輻射檢測裝置(10)包括在腔室(12)中的輻射檢測器(30)。檢測器(30)從輻射源(36)接收紫外輻射。用干式真空泵(18)將腔室抽空到不低于5Pa的相對較差真空。UV透明氣體以一種使得腔室(12)中的總體壓強在100到1,000Pa之間的相對低流速(大約0.1升/分鐘)從供氣(26)容器被供應(yīng)到腔室(12)中。使用相對廉價的泵，同時使用較低的氣體流速，可以顯著地節(jié)省成本。
文檔編號G01J3/443GK1846122SQ200480025569
公開日2006年10月11日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月9日
發(fā)明者F·文森, A·卡布拉斯 申請人:熱電股份有限公司