Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speisen eines Geräts, insbesondere eines Analysators für Spuren von Verunreinigungen, wie beispielsweise ein Massenspektrometer mit Atmosphärendruckionisation, mit einem von mehreren Gasen.

Im Bereich der Analyse von hochreinen Gasen kommt es mehr und mehr vor, dass man mit ein und demselben Analysator nacheinander und mit kurzen Umschaltzeiten Gase analysieren muss, die aus unterschiedlichen Entnahmeleitungen stammen.

In diesem Fall können die in den Entnahmeleitungen enthaltenen Gase von unterschiedlicher Art oder auch der gleichen Art sein, aber an verschiedenen Orten einer Anlage entnommen werden, beispielsweise einer Anlage zur Herstellung von Halbleiterbauteilen.

Es sind bereits Gasspeisevorrichtungen bekannt, bei denen jede Entnahmeleitung mit einer gemeinsamen Gasspeiseleitung verbunden ist, die ihrerseits mit dem Analysator verbunden ist. Ein Absperrventil ist in jeder der Entnahmeleitungen angeordnet.

Um ein aus einer speziellen Entnahmeleitung kommendes, zu analysierendes Gas auszuwählen, werden die Absperrventile der anderen Leitungen geschlossen und nur das Ventil der ausgewählten Entnahmeleitung in den Durchgangszustand geschaltet.

Dieses bekannte System weist den Nachteil auf, dass die Strömung in den blockierten Entnahmeleitungen stockt, wodurch unerwünschte Wechselwirkungen mit den Wänden der Leitungsführung hervorgerufen werden, zum Beispiel Desorptions- oder Adsorptionsphänomene.

Dieses bekannte System weist zudem stromabwärts von den Absperrventilen Strömungsstockungsvolumina auf, in denen sich Gas ansammelt. Jedesmal, wenn von einer Entnahmeleitung zu einer anderen umgeschaltet wird und folglich das zu analysierende Gas gewechselt wird, verunreinigen die in den Strömungsstockungsvolumina angesammelten Gase das neue zu analysierende Gas und ihre Beseitigung erfordert viel Zeit. Man versteht daher, dass es unmöglich ist, mit einer derartigen Gasspeisevorrichtung kurze Umschaltzeiten zu realisieren.

Die Erfindung zielt darauf, diese verschiedenen Nachteile zu überwinden, indem eine Gasspeisevorrichtung vorgeschlagen wird, die kein Strömungsstockungsvolumen in der gemeinsamen Gasspeiseleitung aufweist, die eine kontinuierliche Entlüftung jeder der Entnahmeleitungen und die rasche Umschaltung von einem zu analysierenden Gas auf das andere gestattet, während gleichzeitig dafür gesorgt wird, dass die zu dem Analysator geführten Gase schnell repräsentatv sind.

Gegenstand der Erfindung ist hierzu eine Vorrichtung zum Speisen eines Geräts mit einem von mehreren Gasen, die zumindest zwei Ventile umfasst, die jeweils einerseits mit einer jeweiligen Gasentnahmeleitung und andererseits mit einer gemeinsamen Leitung zur Speisung des Geräts mit Gas verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil eine erste Leitung, die dauerhaft an einem Ende mit der entsprechenden Entnahmeleitung und an ihrem anderen Ende mit einer jeweiligen Entlüftungsleitung verbunden ist, eine zweite Leitung und ein Betätigungselement, das zwischen einer Position zur Verbindung der ersten Leitung mit der zweiten Leitung und einer Position zur Isolierung der ersten Leitung relativ zur zweiten Leitung umschaltbar ist, umfasst, wobei zumindest die zweite Leitung frei von Strömungsstockungsvolumina ist, dass die zweiten Leitungen der Ventile in Reihe in der gemeinsamen Gasspeiseleitung angeordnet sind, wobei das Ende dieser gemeisamen Leitung, das dem Gerät gegenüberliegt, in eine zusätzliche Entlüftungsleitung mündet, und dass jede Entlüftungsleitung durch ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls führt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

• – die zweite Leitung jedes Ventils umfasst eine
• Kammer, in die zumindest eine Leitung zum Anschluss der ersten Leitung an die Kammer mündet, und jedes Ventil umfasst ein Verschlussorgan, auf das das Betätigungselement des Ventils einwirkt und das in der Isolierposition das in die Kammer mündende Ende der Anschlussleitung verschließt und das in der Verbindungsposition relativ zu diesem Leitungsende zurückgezogen ist;
• – das in die Kammer mündende Ende der Anschlussleitung ist mit einer in die Kammer vorspringenden Dichtung versehen und das Verschlussorgan umfasst eine elastisch verformbare Membran, die ein Wandteil der Kammer bildet, das der Dichtung gegenüberliegt, wobei in der Isolierposition die Membran durch einen Andrücker des Betätigungselements gegen die Elastizitätskraft der Membran dicht an der Dichtung zur Anlage gebracht wird;
• – die Entlüftungsleitung umfasst ein jeweiliges Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls;
• – alle Entlüftungsleitungen sind stromabwärts von den Organen zur Erzeugung eines Druckabfalls an eine gemeinsame Ablassleitung angeschlossen;
• – die mit jedem Ventil verknüpften Entlüftungsleitungen werden in einer gemeinsamen Entlüftungsleitung zusammengeführt und das Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls, durch das jede Entlüftungsleitung verläuft, wird von einem gemeinsamen Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls gebildet, das in der gemeinsamen Entlüftungsleitung liegt;
• – die Entnahmeleitungen und die zusätzliche Entlüftungsleitung umfassen jeweils ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls, die mit jedem Ventil verknüpften Entlüftungsleitungen werden zu einer gemeinsamen Entlüftungsleitung zusammengeführt, und die gemeinsame Entlüftungsleitung umfasst eine Ablassvorrichtung zum Regeln eines konstanten Drucks in der gemeinsamen Gasspeiseleitung;
• – zumindest eines der Organe zur Erzeugung eines Druckabfalls ist ein Durchflussregelorgan;
• – zumindest eines der Durchflussregelorgane wird von einer kalibrierten Öffnung gebildet;
• – jedes Ventil umfasst Mittel zur Steuerung der

Umschaltung des Betätigungselements zwischen der Verbindungsposition und der Isolierposition und die Steuermittel jedes Ventils sind mit einer Einheit zur Steuerung der Isolierung oder der Verbindung für jedes Ventil verbunden und die Steuereinheit umfasst Logikmittel, die die gleichzeitige Umschaltung mehrerer Betätigungselement in die Verbindungsposition unterbindet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die im Sinne eines Beispiels, das keinerlei Einschränkung bedeutet, und unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen erfolgt:

1 ist eine Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speisen eines Geräts mit einem von mehreren Gasen;

2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der 3 von einem Ventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 1 in der Isolierstellung;

3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 2 des gleichen Ventils in der Verbindungsstellung;

4A ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 2 des Ventils in der Isolierstellung;

4B ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 2 des Ventils in der Verbindungsstellung; und

5 ist eine Skizze einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speisen eines Geräts mit einem von mehreren Gasen.

Wie in 1 zu sehen ist, umfasst die Gasspeisevorrichtung 1 vier Ventile 3, die schematisch und durch gestrichelte Linien umgeben dargestellt sind.

Jedes Ventil umfasst eine erste Leitung 5, die dauerhaft an einem Ende mit einer zugehörigen Entnahmeleitung 7 und an ihrem anderen Ende mit einer zugehörigen Entlüftungsleitung 9 verbunden ist.

Sie umfasst außerdem eine zweite Leitung 11, die in der gemeinsamen Leitung 13 zur Speisung eines Geräts 100 mit Gas angeordnet ist, wie zum Beispiel einem Analysator für Verunreinigungsspuren in einem Gas von der Art eines Massenspektrometers mit Atmosphärendruckionisation.

Die erste Leitung 5 und die zweite Leitung 11 jedes Ventils 3 können mittels eine Betätigungselements 15, wie es ausführlich nachstehend erläutert wird, zwischen einer Position des Verbindens der ersten Leitung 5 mit der zweiten Leitung 11 und einer Position des Isolierens der ersten Leitung 5 relativ zur zweiten Leitung 11 umschaltbar ist.

Jede mit einem Ventil 3 verknüpfte Entlüftungsleitung 9 umfasst ihr eigenes Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 17. Dieses wird vorteilhafterweise von einem Durchflussregelorgan, zum Beispiel einer kalibrierten Öffnung, zum Regeln des Strömungsdurchsatzes in jeder Entnahmeleitung 7 durch die erste Leitung 5 des Ventils 3 zu der Entlüftungsleitung 9 gebildet.

Die gemeinsame Gasspeiseleitung 13 besitzt ein Ende 19, das mit dem Gerät 100 verbunden werden soll. Das Ende 21 der gemeinsamen Leitung 13 gegenüber dem Ende 19 und dem Gerät 100 mündet in eine zusätzliche Entlüftungsleitung 23. Diese zusätzliche Entlüftungsleitung 23 umfasst ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 25. Dieses Organ wird vorteilhafterweise von einem Durchflussregelorgan in der zusätzlichen Entlüftungsleitung 23 gebildet, zum Beispiel einer kalibrierten Öffnung.

Die mit den Ventilen 3 verknüpfe Entlüftungsleitung 9 sowie die zusätzliche Entlüftungsleitung 23 sind alle stromabwärts von den Organen zur Erzeugung eines Druckabfalls 17 und 25 mit einer gemeinsamen Entlüftungsleitung 27 verbunden.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der in der Gasspeisevorrichtung 1 installierten Ventile 3 ausführlich beschrieben. Derartige elektropolierte Ventile der Art DAD sind zum Beispiel von der Firma NUPRO kommerziell erhältlich und werden von der Firma SWAGELOK hergestellt.

Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, umfasst das Ventil 3 einen Körper 31, in dem die erste Leitung 5 und die zweite Leitung 11, ein Verschlussorgan 32 und Betätigungselement 15 ausgebildet sind, das teilweise dargestellt ist und mittels einer Mutter 33 am Körper 31 verschraubt ist.

Die zweite Leitung 11 (2) wird von zwei Leitungsabschnitten 35 und 37 und einer ringförmigen, rotationssymmetrischen Kammer 39 gebildet. In einem seitlichen Teil des Bodens dieser Kammer 39 mündet das eine 35A, 37A der zwei Enden jedes Leitungsabschnitts 35, 37.

Das andere Ende 35B, 37B jedes Leitungsabschnitts 35, 37 mündet in einen entsprechenden seitlichen Anschluss 36 des Körpers 31. Diese Enden 35B und 37B liegen einander, diametral gegenüber. Die zwei Anschlüsse 36 sollen mit der gemeinsamen Gasspeiseleitung 13 verbunden werden.

Die Kammer 39 wird durch eine im Wesentlichen zylindrische Ausnehmung 41, die in der oberen Fläche des Körpers 31 ausgebildet ist, und das Verschlussorgan 32 gebildet. Dieses Verschlussorgan selbst besteht aus einer Eiheit von zwei Organen 43, die die Ausnehmung 41 bedeckt und bildet die obere Wand der Kammer 39.

Die Membranen 43 sind aus einem elastisch verformbaren Material, zum Beispiel Metall, hergestellt. Jede Membran 43 ist eine Scheibe, deren Mittelteil in eine zum Körper 31 entgegengesetzte Richtung gewölbt ist. Der Rand der Membranen 43 ist auf dichte Weise zwischen dem ringförmigen Rand der Ausnehmung 41 und einem ringförmigen Rand eines Halteteils 47 eingeklemmt, das Teil des Betätigungselements 15 ist. Das Teil 47 ist in Form einer Küvette hergestellt, um eine Hubbewegung des gewölbten Teils der Membranen 43 zu gestatten.

Das Halteteil 37 umfasst in seinem Mittelteil gegenüber der Membran 43 eine Führungsbohrung 49, in der ein Andrücker 51 gleiten kann, der von einem Schaft 52 des Betätigungselements 15 bewegt wird.

Die erste Leitung 5 des Ventils 3 ist ein einfacher, gerader Durchbruch, der sich senkrecht zu der Achse erstreckt, die durch die Enden 35B, 37B der Leitungsabschnitte 35, 37 definiert wird.

Jedes Ende 5a, 5B der ersten Leitung 5 mündet ebenso in einem jeweiligen seitlichen Anschluss 44 des Körper 31. Eines der zwei Enden der ersten Leitung 5 soll mit eine zugehörigen Entlüftungsleitung verbunden werden.

Die erste Leitung 5 kann mit der Kammer 39 durch einen Anschlussschacht 53 verbunden sein, der in der Mitte der Ausnehmung 41 mündet.

Das Ende des Schachts 53, das in die Ausnehmung 41 mündet, umfasst eine zylindrische Dichtung 55, die unter Kraftaufwendung in den Körper 31 des Ventils eingepasst, wird und in die Kammer 39 vorspringt.

Die 2 und 4A zeigen das Ventil 3 in der Position des Isolierens der ersten Leitung 5 relativ zur zweiten Leitung 11. In einem solchen Fall wird der Mittelteil der Membranen 43 durch den Andrücker 51 dicht auf die Dichtung 55 gedrückt, so dass der Schacht 53 relativ zu der Kammer 39 isoliert ist.

Ein in die zweite Leitung 11 des Ventils eingeführtes Gas fließt indessen frei, zum Beispiel aus dem Leitungsabschnitt 35 in die Kammer 39 und dann in den Leitungsabschnitt 37, wie durch die Pfeile 59 in

4A dargestellt ist. Es versteht sich, dass die zweite Leitung 11 des so ausgeformten Ventils kein Strömungsstockungsvolumen aufweist.

Im Falle der Isolierung der zweiten Leitung 11 relativ zur ersten Leitung 5 weist die erste Leitung 5 nur ein sehr geringes Stagnationsvolumen auf, das dem Volumen des Schachts 53 entspricht.

Die 3 und die 4B entsprechen einer Position des Verbindens der ersten Leitung 5 mit der zweiten Leitung 11. In einem solchen Fall ist der Andrücker 51 eingefahren. Durch die Elastizitätskraft der Membranen 43 nehmen diese ihre anfängliche, gewölbte Form an. Es bildet sich folglich zwischen der Membran 43 und der Dichtung 55 ein freier Raum, so dass die in der ersten Leitung 5 strömenden Gase über den Schacht 53 in die Kammer 39 abfließen und dann in die zwei Abschnitte 35 und 37 der zweiten Leitung 11 wie durch die Pfeile 61 in 4B dargestellt ist.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Gasspeisevorrichtung 1 bezüglich 1 beschrieben. Beim Betrieb der Vorrichtung befindet sich ein einziges Ventil 3 im Zustand der Verbindung seiner ersten Leitung 5 mit der zweiten Leitung 11. Alle anderen Ventile 3 befinden sich im Zustand des Isolierens der ersten Leitung 5 relativ zur zweiten Leitung 11.

Mittels der Form der Ausführung der ersten Leitung 5 jedes Ventils wird die Strömung der Gase in den Entlüftungsleitungen 7 durch die erste Leitung in Richtung der Entlüftungsleitung 9 dauerhaft auf einem bestimmten Durchfluss gehalten, der durch die kalibrierte Öffnung 17 festgelegt wird, die in der Entlüftungsleitung 9 angeordnet ist.

Nur die Strömung des Gases, das von der Entnahmeleitung 7 des Ventils im Zustand des Verbindens kommt, fließt durch den Schacht in die Kammer des Ventils und dann in die gemeinsame Gasspeiseleitung 13, wobei dies in den zwei Richtungen erfolgt, wie dies zuvor bezüglich 4B beschrieben wurde.

Dadurch, dass das Ende 19 der gemeinsamen Leitung 13 an das Gerät 100 angeschlossen ist und dass das andere Ende in der zusätzlichen Entlüftungsleitung 23 mündet, wird diese gemeinsame Gasspeiseleitung 13 ebenso in den zwei Richtungen kontinuierlich durchspült. Sie weist somit kein Strömungsstockungsvolumen auf.

Um nun ein Gas zu wählen, das von einer anderen Entnahmeleitung 7 kommt, wird mittels des entsprechenden Betätigungselements 15 die erste Leitung 5 von der zweiten Leitung 11 des bis dahin im Zustand des Verbindens befindlichen Ventils isoliert und ein anderes Ventil 3 in den Zustand des Verbindens gebracht. Das neue zu analysierende Gas wird in den zwei Richtungen in der Speiseleitung 13 die Gase ausspülen, die zuvor vorhanden waren. Da die zwei Leitungen 11 jedes Ventils 3 kein Stagnationsvolumen aufweisen, werden die Gase, die zuvor analysiert wurden, effizient und schnell evakuiert. Auf diese Weise wird eine kurze Umschaltzeit realisiert und das neue zu analysierende Gas ist schnell repräsentativ.

Eine Variante der Gasspeisevorrichtung 1 ist in 5 dargestellt. Diese Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass die Durchflussregelung in den Entnahmeleitungen 7 stromaufwärts von den Ventilen 3 und nicht stromabwärts wie in Bezug auf 1 beschrieben erfolgt.

Hierzu sind in den Entnahmeleitungen 7 Organe zur Erzeugung eines Druckabfalls 63, vorzugsweise Durchflussregelorgane, zum Beispiel kalibrierte Öffnungen, angeordnet. Die mit jedem Ventil 3 verknüpften Entlüftungsleitungen 9 sind mit einer gemeinsamen Entlüftungsleitung 65 verbunden.

Diese gemeinsame Entlüftungsleitung 65 umfasst stromabwärts von den Anschlüssen der Entlüftungsleitungen 9 eine Ablassvorrichtung 67, die den Druck stromaufwärts von den Entlüftungsleitungen 9 und folglich in der gemeinsamen Gasspeiseleitung 13 regelt. Durch eine solche Anordnung wird dem Gerät eine Strömung mit konstantem Druck zugeführt. Dies setzt natürlich voraus, dass die Quellen der verschiedenen Gase stromaufwärts von den Organen 63 einen ausreichenden Druck aufweisen.

Wie für den Fachmann klar ist, ist eine solche Anordnung, bei der dem Gerät eine Strömung mit konstantem Druck zugeführt wird, besonders vorteilhaft, wenn das betreffende Gerät ein Analysator von der Art eines "Teilchenzählers" ist.

In einem derartigen Fall ist es nämlich wichtig, jede plötzliche Druckänderung und/oder starke Durchflussänderung zu vermeiden, die durch Ablösung von den Oberflächen Teilchen erzeugen.

Jede Ventilbetätigung ist so anschaulich eine Quelle für Teilchen. Membranventile, wie die im Rahmen der 5 beschriebenen, gestatten es, dieses Phänomen weitgehend zu minimieren.

Man sieht somit, dass die Anordnung der 5 es auf sehr vorteilhafte Weise gestattet, einen konstanten Druck und einen konstanten Durchfluss sowohl in den Entnahmeleitungen als auch der Gasspeiseleitung für den Analysator aufrechtzuhalten.

Man beachte zudem, dass die Anordnung der 1 natürlich bei der Zählung von Teilchen eingesetzt werden kann, allerdings auf wahrscheinlich weniger vorteilhafte Weise, es sei denn, es wird ein Hochdruckzähler eingesetzt.

Wenn 1 eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, in der jede Entlüftungsleitung 9 über ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 17 verläuft, das ein jeweils jeder Leitung eigenes Organ ist, zeigt sich daher, dass diese 5 ihrerseits eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der jede Entlüftungsleitung 9 über ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls (67) verläuft, das man als gemeinsam ansehen kann, da es in der gemeinsamen Entlüftungsleitung 65/27 liegt.

Zum Umschalten zwischen den verschiedenen Entnahmeleitungen werden vorteilhafterweise Membranventile verwendet, die Betätigungsmittel für das Umschalten des Betätigungselements zwischen der Position des Verbindens und des Isolierens umfassen, wie zum Beispiel pneumatische oder elektromagnetisch betätigte Ventile. Die Betätigungsmittel für die Verschiebung des Betätigungselements jedes Ventils sind mit einer Steuereinheit verbunden, wie beispielsweise einem Mikrorechner oder einem Logikautomaten. Diese Steuereinheit umfasst logische Umschaltmittel. Diese logischen Mittel werden zum Beispiel durch ein in dem Mikrorechner abgelegtes Datenverarbeitungsprogramm realisiert, das ausschließt, dass zwei Membranventile gleichzeitig im Zustand des Verbindens zu sein.

Im Falle pneumatischer Ventile ist es vorteilhaft vorzusehen, dass zumindest eines der Betätigungselemente in einem Modus "normalerweise geöffnet" arbeitet, denn im Fall einer Stromunterbrechung tritt das Gas, das in der an dieses Ventil angeschlossenen Entnahmeleitung enthalten ist, in die gemeinsame Gasspeiseleitung und versorgt den Analysator. Auf diese Weise wird jeglicher Druck- oder Durchflussübergangsbereich vermieden, der Desorptionsoder Adsorptionsphänomene mit sich bringt, die eine lange Entlüftungsleitung erforden, um das Gleichgewicht in der gemeinsamen Gasspeiseleitung wiederherzustellen.