多种气体检漏仪ECOTEC Ⅱ拆解
Arutoria 2021-8-23原创 核技术与核仪器拆机鉴赏
关键词
质谱检漏仪分子泵残余气体分析仪气体质谱仪
RGAQMS

ECOTEC Ⅱ是inficon公司在两千零几年生产销售的一款多种气体吸枪检漏仪,基于一台四级杆质谱QMS200工作。现已被inficon生产的新产品ECOTEC E3000取代,而其中的四级杆质谱仪也从QMS200换成了Transpector E3000

外观

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经典的inficon蓝白配色,操作面板十分简单

打开外壳

20201016_183804.jpg

上方右侧的卧置白色三棱柱是四级杆质谱电源,四级杆探头通过CF35法兰与左侧的质谱室相连,质谱室正下方通过DN63 ISO-k法兰连接分子泵,分子泵通过一些管路与位于四级杆质谱电源下方的隔膜泵相连,隔膜泵旁侧竖直立着的板子是分子泵的控制器

由于ECOTEC Ⅱ的真空系统稍有些复杂,用实物图不便于观察,楼主简单画了一下真空系统的示意图

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主路(深蓝色): 气体从吸枪进入,通过过滤器进入质谱室的低真空端,这个小空间可以视为一个三通流量分配器,由一根金属毛细管与质谱室的高真空端相连接。这样,进入分配器的气体只会有一小部分通过毛细管被高真空的质谱室吸走,而大部分则与隔膜泵第二级气体汇流,被下方的隔膜泵第一级抽走,这种结构一般称为真空差分腔体,可用于质谱微量进样。

逆流扩散回路(浅蓝色): 在隔膜泵直抽这一管路中,另设有一三通固定在质谱室上,与分子泵侧面的1/8逆流扩散接口相连。在常规用途的分子泵中,这一接口往往用于停泵时向泵内放气,反向的气流使叶片更快的减速完成刹车。

20220208_124814.jpg

逆流扩散接口约位于牵引级1/2处,经测量,工作时此处的压力在0.5mbar左右,而隔膜泵第一级进气口处的压力高达60-100mbar。所以在靠近分子泵一侧的三通接口内部设有毛细管,用于使隔膜泵直抽一路中的样品气体以逆流扩散的方式从分子泵回到质谱室,有助于增加检测的灵敏度。

20220208_124851.jpg

在分配器与第二级隔膜泵之间的这条管路上设有微型flowmeter,型号为AWM2100V,用于检测吸枪的流量,此时通过毛细管进入质谱室这一部分的气体流量将被忽略不计。

Screenshot_20210823-110855_Baidu.jpg Screenshot_20210823-111828_Gallery.jpg

上图为安装在PCB上的flowmeter(左一)

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图为三通流量分配器,左右两侧分别通过快拧头与吸枪、隔膜泵第二级相连,正中央的小孔即与高真空质谱室相连接的金属毛细管

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图为从高真空质谱室端观察金属毛细管

气体分子进入高真空质谱室后会被四级杆探头前端的EI离子源电离,变为正离子后通过四级杆质量选择器进行质量筛选,最后进入faraday detector,形成频率-离子流曲线

拔出并取下四级杆探头

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质谱室与分子泵

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通过四级杆连接口观察质谱室内部

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这里inficon可能考虑到维修时需进行四级杆探头的快拆,而且以这个真空系统工作的真空度并不需要使用CF法兰,就将以CF35接口的四级杆探头通过viton O-ring与质谱室相连,两侧由两枚螺栓clamp住。至于为什么质谱探头使用了CF法兰与整套系统如此不匹配,这个问题放到后面去讨论

质谱室上另设有一放气阀,在维修/更换前端金属毛细管时可以旋起阀杆,通过阀座侧面的小孔向质谱室内放气破坏掉真空

20210716_233006.jpg

通过四级杆质谱的气体被抽入下方的分子泵,通过排气口排向隔膜泵的第一级,再与从流量分配器过来的气体共同汇入隔膜泵第二级,排出

从分子泵抽入隔膜泵第一级的这个气体负载可防止水蒸气积累在隔膜泵中,如果不使用这种接法会在隔膜泵的气管中发现明显的水蒸气凝结

Screenshot_20210823-005724.jpg

在分子泵排气口的另一条支路上设有一块微型差压式压力传感器,型号为SCX15AN,用于前级真空的压力测量

Screenshot_20210823-110806_Baidu.jpg

下图为安装在PCB上的压力传感器(右一)

Screenshot_20210823-111828_Gallery.jpg

拆下隔膜泵

20201018_091650.jpg

隔膜泵这里选用了pfeiffer的MVP015-2,抽速0.5m³/h 极限真空350pa 体积小巧且轻便,广泛的应用于pfeiffer的质谱产品和hicube泵组中

拆下分子泵(右一)

20201229_181200.jpg

分子泵这里选用了pfeiffer的TPD022,采用DN63ISO-k接口,从外观来看是与TXX系列同期的产品,体积与pfeiffer其他DN63口径的泵相同。TPD022是专门为质谱设备内置而设计的一款体积小、抽速低的分子泵,对氮气抽速仅18L/s,一般可以提供2E-6mbar的真空度,baking out后则可以达到2E-7mbar

20201018_013408.jpg

TPD022只有一层叶片,其余部分皆为桶状牵引级,这样的设计可以提供较高的压缩比(N2: 5E+7),即使在相对高的前级压强下,也可以让质谱室中保持着较高的真空度

较新的ecotec Ⅱ使用的TPD022只标注了pfeiffer的logo,早期生产的ecotec Ⅱ则是标注着balzers-pfeiffer,二者除排气口设计稍有不同外,其他部分完全相同。

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拆下分子泵控制器

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控制器为pfeiffer TCP035,这款控制器只有一块板子,输入28-36v电压即可驱动分子泵,一般可以内置于其他使用分子泵的仪器之中作为分子泵驱动,其对应一体化独立控制器版本为TCP015

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经过简单的改装,一套简易的分子泵组即可轻松组建

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取出四级杆质谱

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可以看到从四级杆探头到Electronics unit再到电源,都可以从ECOTEC Ⅱ中拆出,如果配合软件和一根RS232串口线,就是一整套气体质谱分析仪(QMS),在真空中可以定量和定性分析出真空腔中残余气体的分压和成分,即残余气体分析仪(RGA)

Screenshot_20201017-120826_WeChat.jpg

图为该四级杆质谱仪的32位控制软件

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这种在真空中广泛使用的分析仪器经常以分子泵挂件的形式出现在国内的废弃仪器市场中,倘若有幸遇到两根Filament都未被含卤素冷媒气体摧残断掉的Analyzer(涂氧化钇处理的铱灯丝Yttriated iridium Filament虽温度较低,在较高气压下使用有更好的耐受能力,但却可以被卤素腐蚀),就可以廉价的获取一台气体质谱分析仪。

图为涂氧化钇处理的铱灯丝:

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因此不难想象,inficon ECOTEC Ⅱ内置的四级杆质谱仪就是一台商品化的气体质谱分析仪,型号为QMS200。这也解释了为什么它使用了与质谱室基于viton O-ring密封的非标法兰并不是十分的匹配的DN35 conflat Flange进行连接。

但从另一方面考虑,这套能与conflat Flange快拆匹配的腔体(无需浪费无氧铜垫圈)可以用来方便且快捷的测试使用DN35CF接口的真空计。

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但在连接时需要注意一点是,此质谱腔体接口与conflat Flange连接时是需要对法兰盘的外围进行限制的,而某些国内法兰生产厂家向来会给予不被重视的法兰外径较大的公差,以至于出现这种CF法兰外径过大无法装卡的问题:

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言归正传,QMS200是一种基于四级杆质量选择器(Quadrupole Mass Analyzer, QMA)和Faraday Detector的气体质谱分析仪,也就是Quadrupole Mass Spectrometer, QMS。从它的型号QMS200可以得知其Mass range为1-200u,由于未采用电子倍增器(C-SEM),其单种气体分压检测极限只有2E-12 mbar,因而难以在XHV的环境下完成analytical tasks,也难以对出气率、漏率很低的UHV chamber进行leak detection

图为搭载TMH分子泵、MVP015的早期产品:QMS200气体质谱分析仪

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这一台ECOTEC Ⅱ所使用的QMS200标注着inficon-balzers,更早的产品则只在机身绘制了balzers的logo。可以看出这套产品应该是由balzers公司最早研发的,被命名为prisma系列。

mmexport1642161745192.jpg

当然,现在QMS200的技术是属于pfeiffer公司了,也成为了pfeiffer当前RGA产品prismaplus QMG的原型。prismaplus QMG相对于prisma QMS添加了可以选配C-SEM的版本:QMG M,装入倍增器后,单种气体分压检测极限可以达到2E-14 mbar,完全可以应用于XHV环境下的气体分析。

s-l400 (9).jpg

在pfeiffer公司后期推出的应用于大气压下的气体分析仪OmniStar和ThermoStar中也可以找到prisma/prismaplus的身影,图为搭载QMS200的Omnistar:

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四级杆探头可以从电源主体上拆下

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探头细节:

20210204_152659.jpg 20210204_152644.jpg

Yttriated iridium Filament:

20211214_150826.jpg

Open ion source:

20201016_125422.jpg

这里的Electronics unit部分被称为QME200,Analyzer部分则被称为QMA200。QME具有0°安装和90度安装两种版本,后者广泛应用于pfeiffer的一体化气体质谱产品中。QMA则有100u/200u/300u三种Mass range,另有两种离子源结构可供选择。

-5feca53b6b6fa2d.jpg

[修改于 3 个月前 - 2022-02-08 13:09:47]

虎哥
9个月0天前 修改于 9个月0天前
1楼

嘿嘿,无独有偶

表局也买了几个

拆成一堆,你一堆,我一堆

其实就是要里面的RGA

20210823_140836.jpg

20210823_140816.jpg

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收破烂是做科研的必备技巧😂

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Arutoria作者
9个月0天前 修改于 9个月0天前
2楼
引用虎哥发表于1楼的内容
嘿嘿,无独有偶表局也买了几个拆成一堆,你一堆,我一堆其实就是要里面的RGA收破烂是做科研的必备技巧�...

拆解ECOTEC Ⅱ确实是一种以较低成本获取RGA的方法,而且INFICON给QMS200/422配套的软件还相对易找,有了仪器端又有了软件端,这样可以轻松的组建一台残余气体分析仪

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Jerry_Li
26天16时前
3楼

文章写的很详细很有帮助🙏。想请问一下在组装分子泵组的时候需要应用逆流扩散接口吗?还是说直接堵上就可以了。

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Arutoria作者
26天14时前 修改于 26天13时前
4楼
引用Jerry_Li发表于3楼的内容
文章写的很详细很有帮助🙏。想请问一下在组装分子泵组的时候需要应用逆流扩散接口吗?还是说直接堵上就可...

在一台分子泵的泵体上,共有以下几种气体接口:

1. Backing port (前级接口/分子泵排气口)

接口位于泵体底部,常设计为DN16 ISO-KF、DN25 ISO-KF、DN40 ISO-KF等尺寸。用于与前级泵相连,为分子泵提供前级压力,也可以抽走分子泵排出的气体。

因此,此接口对于任何一款分子泵(除直排大气分子泵外)都需要被使用。

2. Vent port (放气接口)

接口位于级间,常设计为螺纹接口,与vent valve相连,放气阀可采用手动阀门与电磁阀门。用于在分子泵停机时用干燥的反向气流对分子泵进行放气,加快转子减速时间,快速经过共振频率减小对分子泵损坏。

因此,此接口对于任何一款分子泵(除某些电磁刹车与磁浮分子泵外)都需要被使用。

3. Interstage port (级间接口/逆流扩散接口)

接口同样位于级间,用于使进样气体分子通过此接口逆流扩散至分子泵上方的腔室(质谱室),以完成检测与分析,亦可用于对另一真空室的pumping,还可以back另一台分子泵运行。

此接口适用于为检测分析仪器设计的分子泵或有多室系统抽气需求的分子泵,例如Pfeiffer TPD022、Edwards EXT255Hi等,当不再有逆流扩散、多室系统抽气等特殊需求时,可直接将此接口关闭。

4. Purge port (吹扫接口)

接口位于泵体底部,用于向泵内放入气体,吹扫泵体内部及轴承以清洁掉可凝气体等污染物。

此接口设置于少数中型至大型油/脂润滑分子泵,以及几乎全部的磁浮分子泵,不使用时,可利用Purge plug关闭。

标准的TPD022泵体上仅设有DN16ISO-KF的Backing port,而ecotecⅡ内置的TPD022的泵体上则设有G1/4的Backing port与G1/4的Interstage port两个接口,可见ecotec内置的TPD属于质谱专用分子泵。

因此其级间接口在不作逆流扩散分析使用时可以将其直接关闭,而TPD022本身的venting则需要在高真空法兰侧通过venting valve TSF 012进行。

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Jerry_Li
26天12时前
5楼
引用Arutoria发表于4楼的内容
在一台分子泵的泵体上,共有以下几种气体接口:1. Backing port (前级接口/分子泵排气口...

感谢。另外想问一下拆出来这一款小的分子泵可以满足IECF的需要吗,主要是想捡漏个泵组做fusor?虽然without baking最低也能到-6mbar但是不知道现实中能不能通过持续抽气满足(假设腔体直径25,比您那个小一些)。另外想问下ecotec ii多少钱内买到比较合算🙏

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Arutoria作者
26天10时前
6楼
引用Jerry_Li发表于5楼的内容
感谢。另外想问一下拆出来这一款小的分子泵可以满足IECF的需要吗,主要是想捡漏个泵组做fusor?虽...

使用TPD022来构建IECF装置是完全适用的,且相对其他分子泵具有一定的优势。

1)按照用户手册给出的数据,TPD022可以为你提供2E-7mbar的极限真空(after baking out),即使不经过烘烤,也可以轻松的抽到2E-6mbar。这样的真空度对于IECF background pressure(E-5mbar)的要求是完全足够的。

但是需要注意的是,分子泵泵口处所能达到的压力与前级压力是直接相关的。ecotec中使用的MVP015-2隔膜泵最低只能将前级压力降低至3.5mbar,这将导致ecotec内置的这套排气系统最后只能抽到E-5~E-6mbar。

所以如果想良好的发挥TPD022的效果,你可以关闭Interstage port,将Backing port上的快拧头转接拆下,更换成G1/4—DN16 ISO-KF转接头,使用标准的KF卡箍clamp住并通过一根DN16的波纹管与Pfeiffer DUO系列的旋片泵(或你自选一款双级旋片泵)相连,这样即可抽到用户手册标注的极限真空。

2)TPD022对氢气的抽速很小,仅9L/s。这意味着你只需要用更小的氘气流量即可轻松的将腔室压力稳定在IECF工作的压力范围,而不需要采用一些限流手段来限制泵速来减少氘气消耗。对于长期开启使用的IECF,这样的设计是更加经济的。

但是对于低抽速系统,你需要特别注意腔室不要过大,否则抽气时间会变得漫长。

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Jerry_Li
26天7时前
7楼
引用Arutoria发表于6楼的内容
使用TPD022来构建IECF装置是完全适用的,且相对其他分子泵具有一定的优势。1)按照用户手册给出...

谢谢!

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