一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置及其分析方法与流程

1.本发明涉及气体分析装置及其分析方法，尤其涉及一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置及其分析方法。


背景技术：

2.超纯氧作为半导体产业重要的原料之一，广泛应用于太阳能电池片的扩散工序，集成电路及其相关电路器件的氧化和刻蚀。气体纯度对半导体电子产品的生产至关重要，跟随着对分析方法和仪器也提出了更高的要求。
3.在分析超高纯氧气中杂质分析的技术中，因为背景气是氧气，难度远高于其他超高纯气体中微量的氧氩分离，目前现有技术中，大部分采用离线色谱的检测方法，少数在线检测也沿用实验室仪器的方法原理，采用脱氧柱脱氧后检测氩和氮含量的方法，该方法的缺陷是每分析一定次数样品后，脱氧柱达到饱和就不能分析，需要还原脱氧柱。在脱氧柱升温、还原、降温的过程中无法分析样品，不能达到实时在线检测样品杂质，不能准确反映当前氧气纯度，给生产过程带来了隐患。
4.因此，研发一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置及其分析方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述不足，提供了一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置及其分析方法。
6.本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置，包括第一载气管、第二载气管、第三载气管、第四载气管、第五载气管、第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀、第四切换阀、样品进口管、样品出口管、第一定量环、第二定量环、第一色谱柱、第二色谱柱、第三色谱柱、第四色谱柱、第一针阀、第二针阀、第三针阀、氦离子化检测器；
7.所述第一切换阀的一号端口为第一载气管的连接端，与第一载气管连接，第一切换阀的二号、九号端口分别连接于第一定量环两端，第一切换阀的三号端口连接样品进口管，第一切换阀的四号端口连接样品出口管，第一切换阀的五号、八号端口分别连接于第二定量环两端，第一切换阀的六号端口为第二载气管的连接端，第一切换阀的七号端口连接第四色谱柱进口，第一切换阀的十号端口连接第一色谱柱进口；
8.所述第二切换阀的一号端口连接第一色谱柱出口，第二切换阀的二号端口连接第三切换阀的三号端口，第二切换阀的三号端口为第三载气管的连接端，第二切换阀的四号端口连接第一针阀；第二切换阀的五号端口为第四载气管的连接端，第二切换阀的六号端口连接第二色谱柱进口；
9.所述第三切换阀的一号端口为第五载气管的连接端，第三切换阀的二号端口连接第三色谱柱进口，第三切换阀的四号端口连接第二针阀，第三切换阀的五号端口连接第三
色谱柱出口，第三切换阀的六号端口和第二色谱柱出口由三通接头21并入第四切换阀的五号端口；
10.所述第四切换阀的一号端口和六号端口相连接，第四切换阀的二号端口连接第三针阀，第四切换阀的三号端口连接第四色谱柱出口，第四切换阀的四号端口连接氦离子化检测器。
11.进一步地，所述第一切换阀为十通阀，所述第二切换阀、第三切换阀、第四切换阀为六通阀。
12.进一步地，所述第一载气管、第二载气管、第三载气管、第四载气管、第五载气管均采用限流管道。
13.进一步地，所述第一色谱柱、第二色谱柱为5a分子筛柱，所述第三色谱柱为氧氩分离柱，所述第四色谱柱为hayesep q高分子聚合物填充柱。
14.本发明还提供一种在线检测超纯氧中杂质的分析方法，采用前述在线检测超纯氧中杂质的分析装置进行分析，所述第二切换阀作为中心切换阀，通过两次来回切换，将第一色谱柱中大量的主组分o2放空，先后将n2、ch4组分放入第二色谱柱分离，进入氦离子化检测器响应；并通过控制第三切换阀选择第三色谱柱内的载气管来源，来提高氧氩分离度及加快第三色谱柱内残余氧气的吹扫速度。具体的包括如下步骤：
15.s1：复位状态下，超纯氧样品气依次从样品进口管流入第一切换阀的三号端口、第一定量环、第二定量环、第一切换阀的四号端口，最后从样品出口管流出；
16.s2：切换第一切换阀至分析状态，第一载气管吹带第一定量环中样品进入第一色谱柱依次以h2、ar、o2、n2、ch4、co预分离；第一色谱柱中的h2先流出，经第二色谱柱进入氦离子化检测器后，切换第二切换阀至放空状态，将第一色谱柱内的ar及大量主组分o2放入第三色谱柱，同时切换第三切换阀至分析状态，使第三色谱柱内ar、o2在第五载气管吹动下慢慢分离；待第一色谱柱中的n2组分将要流出第一色谱柱时切换第二切换阀至复位状态，将剩余少量的主组分o2和n2组分放入第二色谱柱继续分离并流入氦离子化检测器，再次切换第二切换阀至放空状态，待第一色谱柱中的ch4组分将要流出第一色谱柱时切换第二切换阀至复位状态，使ch4及后面的co经过第二色谱柱继续分离并流入氦离子化检测；当第三色谱柱中的ar组分在氦离子化检测器响应后，切换第三切换阀至复位状态，第三载气管将第三色谱柱内o2从第二针阀吹出；切换第一切换阀至复位状态；
17.第二载气管吹带第二定量环的样品进入第四色谱柱依次以h2、ar、o2、n2、co、ch4、co2顺序分离；待h2、ar、o2、n2、co、ch4经过第四色谱柱从第三针阀流出后，切换第四切换阀至分析状态，将co2组分放入氦离子化检测器后，切换第四切换阀至复位状态。
18.本发明与现有技术相比的优点是：
19.本发明采用氦离子化检测器，使各组分检测限达到ppb级别。采用两个定量环，四阀四柱组成一个分析系统，载气管道使用限流管道配合针阀控制流量，使各载气输出的流量更可控、更恒定，得出的数据更稳定。
20.本发明在分析方法上采用双进样流程，可将同一样品同时送入不同分离特性的色谱柱中分离所需杂质，特别是用氧氩分离柱将超纯氧中的微量ar完全分离，保证了分析数据真实性的同时，避免了现有技术中为了活化脱氧柱而暂停分析的问题，实现了在线连续检测功能。
21.本发明在分析方法上还采用中心切割技术，通过设置切换阀的切换时间，将超纯氧气中微量h2、ar、n2、ch4、co、co2杂质完全分离，消除了背景气o2主峰对ar峰和n2峰的干扰，分析周期小于十五分钟，有效提高了分析效率。
22.本发明采用小体积的隔膜阀，搭配四阀四柱的分析流程，将仪器完全整合到一台5u高度的19英寸标准机箱里面，方便在线机柜的现场安装。
附图说明
23.图1为本发明复位状态示意图。
24.图2为本发明第一、三、四切换阀分析状态示意图。
25.图3为本发明第二切换阀放空状态示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明进一步详述。
27.如图1所示，本发明的一种在线检测超纯氧中杂质的分析装置，包括第一载气管1、第二载气管2、第三载气管3、第四载气管4、第五载气管5、第一切换阀10、第二切换阀11、第三切换阀12、第四切换阀13、样品进口管6、样品出口管7、第一定量环8、第二定量环9、第一色谱柱14、第二色谱柱15、第三色谱柱16、第四色谱柱17、第一针阀18、第二针阀19、第三针阀20、氦离子化检测器22；
28.所述第一切换阀10的一号端口为第一载气管1的连接端，与第一载气管1连接，第一切换阀10的二号、九号端口分别连接于第一定量环8两端，第一切换阀10的三号端口连接样品进口管6，第一切换阀10的四号端口连接样品出口管7，第一切换阀10的五号、八号端口分别连接于第二定量环9两端，第一切换阀10的六号端口为第二载气管2的连接端，第一切换阀10的七号端口连接第四色谱柱17进口，第一切换阀10的十号端口连接第一色谱柱14进口；
29.所述第二切换阀11的一号端口连接第一色谱柱14出口，第二切换阀11的二号端口连接第三切换阀12的三号端口，第二切换阀11的三号端口为第三载气管3的连接端，第二切换阀11的四号端口连接第一针阀18；第二切换阀11的五号端口为第四载气管4的连接端，第二切换阀11的六号端口连接第二色谱柱15进口；
30.所述第三切换阀12的一号端口为第五载气管5的连接端，第三切换阀12的二号端口连接第三色谱柱16进口，第三切换阀12的四号端口连接第二针阀19，第三切换阀12的五号端口连接第三色谱柱16出口，第三切换阀12的六号端口和第二色谱柱15出口由三通接头21并入第四切换阀13的五号端口；
31.所述第四切换阀13的一号端口和六号端口相连接，第四切换阀13的二号端口连接第三针阀20，第四切换阀13的三号端口连接第四色谱柱17出口，第四切换阀13的四号端口连接氦离子化检测器22。
32.进一步地，所述第一切换阀10为十通阀，所述第二切换阀11、第三切换阀12、第四切换阀13为六通阀。
33.进一步地，所述第一载气管1、第二载气管2、第三载气管3、第四载气管4、第五载气管5均采用限流管道。
34.进一步地，所述第一色谱柱14、第二色谱柱15为5a分子筛柱，所述第三色谱柱16为氧氩分离柱，所述第四色谱柱17为hayesep q高分子聚合物填充柱。
35.本发明还提供一种在线检测超纯氧中杂质的分析方法，采用前述在线检测超纯氧中杂质的分析装置进行分析，所述第二切换阀11作为中心切换阀，通过两次来回切换，将第一色谱柱14中大量的主组分o2放空，先后将n2、ch4组分放入第二色谱柱15分离，进入氦离子化检测器22响应；并通过控制第三切换阀12选择第三色谱柱16内的载气管来源，来提高氧氩分离度及加快第三色谱柱16内残余氧气的吹扫速度。具体的包括如下步骤：
36.s1：复位状态(图1)下，超纯氧样品气依次从样品进口管6流入第一切换阀10的三号端口、第一定量环8、第二定量环9、第一切换阀10的四号端口，最后从样品出口管7流出；
37.s2：切换第一切换阀10至分析状态(图2)，第一载气管1吹带第一定量环8中样品进入第一色谱柱14依次以h2、ar、o2、n2、ch4、co预分离；第一色谱柱14中的h2先流出，经第二色谱柱15进入氦离子化检测器22后，切换第二切换阀11至放空状态(图3)，将第一色谱柱14内的ar及大量主组分o2放入第三色谱柱16，同时切换第三切换阀12至分析状态(图2)，使第三色谱柱16内ar、o2在第五载气管5吹动下慢慢分离；待第一色谱柱14中的n2组分将要流出第一色谱柱14时切换第二切换阀11至复位状态(图1)，将剩余少量的主组分o2和n2组分放入第二色谱柱15继续分离并流入氦离子化检测器22，再次切换第二切换阀11至放空状态(图3)，待第一色谱柱14中的ch4组分将要流出第一色谱柱14时切换第二切换阀11至复位状态，使ch4及后面的co经过第二色谱柱15继续分离并流入氦离子化检测22；当第三色谱柱16中的ar组分在氦离子化检测器22响应后，切换第三切换阀12至复位状态(图1)，第三载气管3将第三色谱柱16内o2从第二针阀19吹出；切换第一切换阀10至复位状态(图1)；
38.第二载气管2吹带第二定量环9的样品进入第四色谱柱17依次以h2、ar、o2、n2、co、ch4、co2顺序分离；待h2、ar、o2、n2、co、ch4经过第四色谱柱17从第三针阀20流出后，切换第四切换阀13至分析状态(图2)，将co2组分放入氦离子化检测器22后，切换第四切换阀13至复位状态(图1)。
39.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。