专利名称：用离子淌度光谱测定法测定氧气中一氧化碳和碳氢化合物总浓度的方法
技术领域：
本发明涉及一种用离子淌度光谱测定法来测定氧气中一氧化碳和碳氢化合物总浓度的方法。
氧气作为反应气体广泛地用在集成电路工业中，以便形成氧化层，通常在电路不同的活性部分之间起到电气绝缘的作用。如众所周知，在制造这些器件中，采用的所有材料纯度至关重要；事实上，在反应物或反应环境中可能存在的污染物会混入固态器件内，因而改变这些器件的电气性能，而导致生产废品。在制造过程中所用气体的纯度标准随不同的制造厂商会有所改变，并根据具体工艺在当中使用气体。通常当气体中杂质含量不超过10ppb(十亿分率，即每109总气体分子中的杂质分子)，气体供制造目的被认为是可以接受的；最好杂质含量低于1ppb，这样用精确可重复的方式测出气体中杂质极低浓度的可能性变得十分重要。
为此目的，开发出的一种技术是离子淌度光谱测定法，这种方法在该领域中缩写为IMS；所述缩写词还用于完成这项技术的仪器上，这时表示为“离子淌度分光仪”。这项技术的重要意义是来自与仪器有限的尺寸和成本相关联的超高灵敏度；通过在合适条件下的操作，有可能检测出气体介质中气相或汽相中的微微克数量级(Pg，即10-12g)或百亿分率级(ppt，相当于每1012分子分析的物质试样气体中一个分子)浓度的物质。例如在转让予美国公司PCP Inc.的美国专利5,457,316和5,955,886中公开了所采用的IMS仪器和分析方法。
本技术的物理化学原由正象IMS整理分析结果那样非常复杂。有关这些原由和结果的说明可以参考1999年CRC出版社，G.A.Eiceman和Z.Karpas所著“离子淌度光谱测定法”一书。
简单地说，IMS仪器主要由反应区、分离区和带电粒子集极组成。
在反应区内，试样发生电离，通常用63Ni辐射的β-放射线分析气载体中所含气体或蒸汽。电离主要发生在气载体上，形成所谓的“离子反应物”，而后所带电荷根据其电子或质子的亲合力或其电离势分布到所存在的物质上。
反应区与分离区用栅极隔开，该栅极在被保持在合适电势情况下可防止反应区产生的离子进入分离区。在到取消栅极电势时刻，形成“计时起点”分析，这样使离子能够进入分离区。
分离区包括一系列电极，这些电极产生这样的电场，使得离子从栅极朝向集极传送。在该区，保持在大气压力下，存在的气流相对于离子的一个运动有着相反的方向。逆流气体(在电场中定义为“漂移气体”)是超纯气体，这种气体或是对应于杂质含量必须确定的气体，或是一种不同的气体。离子运动的速度取决于电场和气体介质中同样离子的截面，这样使不同的离子需不同的时间越过分离区且到达粒子集极。粒子集极上由“计时起点”至“到达时间”经过的时间叫做“飞行时间”。集极连接至信号处理系统，该系统把所检测到的与时间成函数的电流值转化成最终曲线图，图中所示与不同离子相对应的峰值是以“飞行时间”的函数来表示；从测定该时间和了解试验条件中有可能查出存在分析对象的物质，而从峰值区中有可能通过合适的计算算法算出相应物质的浓度。
在大多数常用模式中，对具有正电荷的物质进行IMS分析。就氧气来说，相反，在反应区还会形成负电物质。在这种条件下(负电模式)，用IMS分析只能检测电子亲合力高于氧的物质，然后才能接受从该气体来的电荷，这主要发生在二氧化碳CO2的情况下。所以氧气中杂质的分析受到限制。在氧气中的浓度对测量有影响的物质中，有例如一氧化碳CO和碳氢化合物，在该化合物中特别是甲烷CH4。
本发明的一个目的是提供一种用离子淌度光谱测定法来测定氧气中CO和碳氢化合物总浓度的方法。
根据本发明，达到所述目的可通过包括以下工序的方法a)把氧气流中存在的一氧化碳和碳氢化合物转化成二氧化碳；
b)按照a)项转化后，测定氧气中二氧化碳的浓度；和c)根据工序b)的测定来获得一氧化碳和碳氢化合物的总初始浓度。
根据本发明第二实施例，所述方法用于已在最初含有二氧化碳作为杂质的氧气情况下(这种情况可通过初步指示试验确定，该项试验在氧气上进行，不用预先使所述物质受到CO和碳氢化合物的转化工序)。既然是这样，在IMS分析中，获得的浓度值将与原始存在的CO2总数和来自CO与碳氢化合物转化的总数相一致。在这种情况下，所采用的本发明变换方法包括以下工序a)把氧气流中存在的一氧化碳和碳氢化合物转化成二氧化碳；b)按照a)项转化后，测定氧气流中二氧化碳的浓度；b’)对没有受到根据a)项的转化工序的氧气流中二氧化碳浓度进一步进行测定；c)根据工序b)和b’)中测定的二氧化碳浓度相比较获得一氧化碳和碳氢化合物的初始浓度。
唯一的图形简略示出实际进行本发明方法的系统，参照该图对本按照本发明的方法，在氧气中用标准的IMS分析不能检测的CO和碳氢化合物这种物质可定量地转化成二氧化碳CO2，而CO2相反在这种分析中却是可测物质。
可用
图1示意所示气体处理系统把本发明的方法付诸实践、系统10包括检验的气体进气管线11；沿着管线11布置系统12，以便把CO和碳氢化合物转化为CO2；系统10进一步包括在系统12的上游和下游，两个三通阀V1和V2，该阀可使系统12与气流隔离，使气流沿第二管线11’偏离。在系统12或管线11’下游设置IMS分析仪13；该仪器包括反应区14，该区通过栅极16同分离区15隔开；在与区14相对的区15末端布置有粒子集极17(象“漂移气体”)的进、出气口一样没有进一步示出细节)；集极电气连接至单元18，它包括电子部分和计算部分(例如微处理机)，电子部分可把从集极17来的电脉冲转化成数字数据；计算部分则用于处理这些数据；单元18可以实际地与IMS仪器结合成一体；最后，单元18作为分析结果产生光谱19，其中记录的峰值与所检测到的与仪器13中它们飞行时间成函数的不同化学物质相对应。
在本发明方法的第一实施例中，整个进入系统10的氧气流，通过适当地操作阀V1和V2送到转化系统12，对CO和碳氢化合物进行转化，并这样把处理过的气体送到IMS分析仪13，以便进行分析。
在本发明方法的第二实施例中，如同第一实施例情况那样进行工序b)，而进行工序b’)则把进入系统10的整个氧气流通过管线11’送到分析仪13，还在这种情况下，适当地操作阀V1和V2，把系统12隔离。
把CO和碳氢化合物转化成CO2的系统12包括至少一种氧化催化剂化合物；对这种化合物连续再生有利的是CO和碳氢化合物以微量存在于几乎完全由氧组成的气氛中。对于这种转化有用的催化剂化合物例如是某些贵金属氧化物，象钌、铑、钯和铂；在这些贵金属氧化物中，氧化钯PdO最可取。PdO的最佳工作温度在约200与约350℃之间。钯氧化物，乃至全套用于转化含有这种化合物的CO和碳氢化合物的系统均从市场上可以买到，例如由申请人德国公司Degussa-Hüls AG以及美国公司Engelhard Co.所销售。
权利要求
1.一种用离子淌度光谱测定法测量氧气中一氧化碳和碳氢化合物浓度的方法，包括以下工序a)把氧气流中存在的一氧化碳和碳氢化合物转化成二氧化碳；b)在a)项转化后，测量氧气中二氧化碳的浓度；和c)根据工序b)的测量获得一氧化碳和碳氢化合物的总初始浓度。
2.按照权利要求1所述的方法，进一步包括工序b’)，该工序在于对没有受到转化工序a)作用的氧气流中的二氧化碳浓度进一步进行测量；而其中工序c)是通过比较工序b)和b’)中测出的二氧化碳浓度而进行的。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，利用用于气体处理的系统(10)，通过适当地操作两个布置在所述转化系统上游和下游的三通阀(V1；V2)而把整个进入所述处理系统的气体流送到用于转化一氧化碳和碳氢化合物的所述系统来进行工序a)；所述系统(10)包括用于检验的气体的进气管线(11)，用于一氧化碳和碳氢化合物转化的系统(12)，IMS分析仪(13)和检测与数据处理单元(18)。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，利用气体处理系统(10)，通过适当地操作两个布置在所述转化系统上游和下游的三通阀(V1；V2)而把整个进入所述处理系统的气体流，经过第二管线(11’)送到分析仪且避免穿过所述用于转化一氧化碳和碳氢化合物的系统来进行工序b’)，所述系统(10)包括用于检验的气体的进气管线(11)，用于一氧化碳和碳氢化合物转化的系统(12)，IMS分析仪(13)和检测与数据处理单元(18)。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述一氧化碳和碳氢化合物的转化系统包括至少一种催化剂化合物，它在碳氢化合物氧化中激活且选自贵金属氧化物。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述化合物是氧化钯。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在工序b)过程中，氧化钯保持在200和350℃之间的温度。
全文摘要
公开一种用离子淌度光谱测定法来定量分析氧气中一氧化碳，甲烷和较高碳氢化合物含量的方法，这种方法在于把氧气流中存在的这些物质转化成二氧化碳，测定后者这一气体的浓度，并根据这种测定获得氧化物质的初始浓度。
文档编号G01N27/62GK1462369SQ02801564
公开日2003年12月17日 申请日期2002年4月23日 优先权日2001年5月7日
发明者卢卡·普斯特拉, 马克·苏斯 申请人:工程吸气公司