消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的系統和方法

專利名稱：：消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的系統和方法消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的系統和方法發明領域本發明總體上涉及用于測量氣體背景中的雜質的流體分析系統和方法。它更具體地涉及消除干擾，使得用于稀有氣體中的雜質測量的在線等離子體或放電型發射基檢測器穩定并且線性化的系統和方法。發明背景在空氣分離工業中，或在電子工業的領域中，為了質量或工藝控制，必須對許多不同類型的高純度氣體進行分析。為了實現這個，存在幾種可在市場上獲得的使用不同類型檢測器的分析儀器。這些檢測器的一些對于被測量雜質是特定的，并且它們對存在于樣品中的其它雜質的敏感度水平可以被接受，因為它們不顯著影響測量的精度。本領域中已知的這種檢測器的一個實例是用于測量氣體樣品中的o2雜質的02燃料電池檢測器。處于與要測量的02幾乎相同水平的H2、N2、H20或CH4的存在不干擾02的鑒定和量化。通過標準構造火焰離子化檢測器(FID)測量烴是其另一個實例。FID不易受存在于樣品中的其它痕量雜質，例如02、N2、CO、C02或水分的影響。因而，在這種檢測器構造中，不必進行專門考慮以防止它們受到這種不適宜的干擾。典型的在線分析系統依賴使用被測量雜質的化學或物理性質產生電信號的檢測器。然而，當被測量雜質在環境條件下是惰性的時候，不能使用這種檢測器。其一個良好實例是氬或氦中的痕量的N2的測量。N2的惰性使得它難以在低的水平被測量。在工業分析設備的早期，研究人員已經選擇光譜發射法來測量它。此方法通常稱為等離子體發射檢測，并且與易于在電或電磁場發生器的幫助下電離的樣品背景氣體一起使用。用于氬中N2測量的早期光譜發射系統在"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O,P.Bochkova和E.YA.Shreyder，歹lj寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101中有描述。超過50年前引入的此概念今天仍在使用。此系統的基本概念是通過氣體獲得放電，以產生等離子體，即氣體電離區。背景氣體的分子被激發并且激發N2雜質的氣體分子，所述N2雜質的氣體分子轉而發射N2的各種光譜發射波長特征。此概念的一種普通應用是氬或氦樣品中的N2的測量。用于此系統的這種技術稱為發射光譜學。氣相中的分子物種被激發而發光，然后，對發射的光的光譜和強度進行分析，以確定樣品中雜質的濃度。將原子或分子激發到可以發射光子的水平需要大于或等于給定水平的激發能的能量。此能量可以通過電子的動能(電子溫度)的轉化、離子或原子碰撞、光量子的吸收以及第二種類的碰撞來供給。然而，后一種是指來自其它粒子的激發能的無輻射轉移。在本領域中，對于N2的測定，已經對幾乎所有可能的產生等離子體以及激發樣品背景(Ar或He)的方式進行了實驗。激發的范圍為從通過氣體的直接DC或AC電流放電，即最簡單的激發形式到微波誘導放電或經過低頻無聲放電的等離子體，和VHF-RF頻率范圍。操作壓力也是可變的，其范圍為從低壓，即操作發射單元(cell)的低真空到大氣壓。根據激發模式，一些放電是如在低壓中的輝光型放電，而其它為無聲放電型放電，也稱為介質阻擋放電(DBD)或流光式放電。此類型的放電在大氣壓下發生。用于以上光譜發射系統的功率耦合技術也不同。直接耦合方法是指其中使金屬電極與要電離的氣體接觸的構造。這種系統在下列文獻中有描述美國專利3,032,654、5,412,467、4,148,612和5,168,323，以及"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O.P.Bochkova和E.YA.Shreyder，列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101;"ExcitationdeI，azote,oxygSneethydrog^neenimpuret^sdansdesd6chargesdegazraresHe,Neetargon"，A.Ricard.J.Lefebvre,Revuedephysiqueappliqu6e,10mai1975tome10;"用于氦中的痕量氮的檢測器(DetectorforTraceAmountofNitrogeninHelium)"，R丄Walker,低溫學(Cryogenics),1986，第26巻，5月；"在用作氣相色譜法的光發射檢測器的芯片上的DC8微等尚子體(ADCMicroplasmaonachipemployedasanopticalemissiondetectorforgaschromatography)",JanC.T.Eijkel等，分析化學(AnalyticalChemistry),第72巻，第11期，2000年6月1日；"對擴展低溫串級電弧等離子體的光發射研究(AnOpticalEmissionStudyonExpandingLowTemperatureCascadeArcPlasmas)",Q.S.Yu禾BH.K.Yasuda,等離子體化學禾口等離子體工藝(Plasmachemistryandplasmaprocessing),第18巻，第4期，1998;以及"用于氬中的痕量氮的發射光譜法和分析儀(EmissionSpectrometricMethodandAnalyzerforTraceofNitrogeninArgon)"，HomerFay,PaulH.Mohr禾口SerardA.Cook,LindeCo.DivisionofUnionCarbide,分析化學(AnalyticalChemistry),第34巻，第10期，1962年9月。在全部的這些上述參考文獻中，可以看出，對于N2測量，典型地用于低水平測量的發射波長為337.1nm。然而，當樣品背景為氦時，由于391nm比其它的N2發射譜線或譜帶強的強度，有時使用391nm。這導致的事實是，在現今已知的使用發射光譜來測量Ar中的N2的所有可商購系統中，使用在337.1nm的光譜發射來鑒定和量化N2。當背景是氦時，在391nm的發射是優選的。通過干涉濾波器、光柵或單色器將所關心的波長濾出，并且通過任何合適的光電裝置將它的強度轉變成電信號。然后處理該電信號，以提供最終的N2水平。大多數的這些系統使用單個具有單個光學測量通道的發射單元。通常認為，測量被激發的氬或氦等離子體的N2發射將得到從低于ppm至幾百ppm的線性信號，并且通常不使用特殊裝置來校正任何的非線性。然而，即使上述方法通常被專注于N2測量技術的人們所接受，但是在幾乎全部的工業領域應用中所發現的某些條件下，此方法可能變得不可靠。實際上，理想的情形是具有N2在Ar或He中的干燥的二元混合物。在這樣的情況下，測量將不受任何其它雜質的影響。但是，即使在這樣的條件下，如將在以下描述和證明的，也出現非線性，從而導致相當大的測量誤差。作為另一個實例，在空氣分離工業中，應當測量氬產物中的N2水平。基于特定的Ar生產方法，許多其它的雜質也可能存在于Ar中，并且有時以比N2更高的水平存在。通常發現的典型雜質是H2、02、N2、CH4、CO和H20。此外，在卡車裝載站，當將Ar轉移到罐車中以裝運給用戶時，周圍空氣和水分的污染是經常的問題。還存在的事實是，目前，如此生產的高純度氬的用戶需要更加嚴格的質量控制。因此，用戶還請求對其它雜質例如C02和NMHC(非甲烷的烴)測量，從而導致認為，這些雜質也可能作為雜質存在于高純度氬中。在這些情形中，其它雜質的存在將對系統的性能具有影響。N2和Ar是惰性氣體，并且在環境條件下通常不與其它分子反應。然而，在等離子體發射系統內部，電離狀態下的氣體(或等離子體)是非常有反應性以及侵蝕性的介質。許多人將它稱為物質的第四狀態，如在"電離氣體(Gazeionizate(IonizedGases))"，M.M.Badareu禾口Popescu，DunodEdition中所述。長期以來已知的是，在電離氣體或等離子體中，即使與惰性氣體也可以發生許多化學反應。等離子體含有分子自由基和原子，以及由能量與處于氣態的物質的耦合所產生的離子和游離電子。此應用領域涉及等離子體化學和等離子體加工。在此領域中，已經用與現今使用的分析系統中所使用的等離子體系統相類似的等離子體系統進行了許多研究工作。它們的大多數由于其簡單性而使用DBD或介質阻擋放電(也稱為無聲介質放電)。因而，與依靠其它激發模式的系統相比，它的制造相對廉價。還可以使用RF激發的放電或脈沖和直流產生的放電或等離子體。在此應用領域中，等離子體的"反應器"性質用于引發各種化學反應。專注于此技術的人們已經證明并報道了許多種游離基以及它們的反應速率。它們使用發射光譜學來鑒定或研究等離子體反應器的操作。由于作為可商購的分析儀器中使用的發射單元，大多數所使用的等離子體反應器雖說不上相同，但非常類似，因此如果存在流入其中的不同類型的雜質，則它們應當引發不同類型的化學反應。盡管有這種基本的證據，但是看來在現今使用的分析儀器中，還沒有對克服干擾問題進行專門考慮。如上所述，即使除系統線性以外，先前所述的系統在干燥的二元混合物的情況下表現較好，從以上也可以看出，實際上(intherealword),在要分析的氣體中可能存在許多其它的雜質，因此導致對被測量雜質的不精確測量。而且，還如以上所述的，在圍繞發射系統以及可能存在于處于分析下的氣體中的另外的雜質的特定條件下，現今使用的方法可能變得不可罪。因此，適宜的是提供一種用于測量稀有氣體中的雜質例如N2的改進方法和改進系統，所述改進方法和改進系統將非常精確和可靠，而不管環境條件以及可能存在于處于分析下的氣體中的另外的雜質如何。此外，更加適宜的是提供這樣的方法，所述方法即使在低于ppb并且高達10,000ppm的水平下也提供精確的測量，同時提供長期的穩定性。發明概述本發明的一個目的是提供一種滿足上述需要的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法和系統。因此，本發明的方法主要依靠為了消除干擾而串聯連接的特別設計的裝置的組合的使用。還有利地實現了用于校正線性問題的合適裝置。更具體地，本發明提供了一種消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法包括下列步驟a)提供氣體樣品，所述氣體樣品中具有干擾雜質以及被測量雜質；b)提供多個捕集裝置，所述多個捕集裝置串聯連接以限定具有入口和出口的雜質捕集器，所述捕集裝置的每一個適于捕集干擾雜質中的具體一種，而不影響被測量雜質；c)在用于移除干擾雜質的雜質捕集器的入口引入氣體樣品；d)在雜質捕集器的出口將水分加入氣體樣品中；e)將氣體樣品引入等離子體發射系統的等離子體單元中；f)收集在不受光譜干擾的特定發射波長由等離子體單元產生的發射光，以提供表示氣體樣品的被測量雜質的濃度的發射信號；以及g)根據步驟f)中提供的發射信號測量被測量雜質的濃度。在一個優選實施方案中，氣體樣品含有氬并且被測量雜質含有氮。在一個進一步優選的實施方案中，在步驟f)中，特定發射波長為35T69nm。在另一個優選實施方案中，該方法在步驟e)以前進一步包括在雜質捕集器的出口將氧加入氣體樣品中的步驟。在另一個優選實施方案中，捕集裝置的每一個適于捕集H20、02、CH4、CO、C02、H2、有機化合物和非甲垸的烴雜質中的至少一種。在另一個優選實施方案中，該方法進一步包括將等離子體單元與環境隔離的步驟。在另一個優選實施方案中，該方法在步驟g)以前進一步包括下列步驟-收集在鄰近所述特定發射波長的發射波長由等離子體單元產生的背景發射光，以提供背景發射信號；以及-從發射信號中扣除背景發射信號，以提供表示被測量雜質的凈發射的凈發射信號，從而消除背景變化。優選地，該方法進一步包括下列步驟-測量等離子體單元的等離子體壓力；和-根據等離子體壓力補償表示被測量雜質的濃度的發射信號。有利的是，本發明進一步包括補償發射信號的非線性的步驟。此步驟可以通過下列方法實現根據被測量雜質的濃度調節等離子體單元的驅動功率，或根據被測量雜質的濃度使用校正算法。在另一個優選實施方案中，該方法進一步包括下列步驟-提供與發射單元并聯連接的參比等離子體單元，以產生表示被測量雜質的濃度的參比發射光；-處理參比發射光，以提供被測量雜質的濃度水平；并且-根據被測量雜質的濃度水平調節等離子體單元的驅動功率。當實現具有上述優選特征中的大多數時，本發明的方法是特別有利的，因為即使在低于ppb以及高達10,000ppm的水平下，它也提供長期穩定性，同時提供非常精確和可靠的結果，而不管環境條件以及可能存在于處于分析下的氣體中的另外的雜質如何。本發明的另一個目的是提供一種消除對氣體樣品中的雜質測量的干擾的系統，所述氣體樣品在其中具有干擾雜質和被測量雜質。所述系統包括:多個捕集裝置，所述多個捕集裝置串聯連接以限定具有入口和出口的雜質捕集器，所述捕集裝置的每一個適于捕集干擾雜質中的具體一種，而不影響被測量雜質；用于向氣體樣品中加入水分的裝置，所述裝置串聯連接到雜質捕集器的出口；等離子體發射系統的等離子體單元，所述等離子體單元串聯連接到用于加入水分的裝置上以產生表示氣體樣品的被測量雜質的濃度的發射光；和處理裝置，所述處理裝置在操作上與發射單元連接以處理發射光，并且提供被測量雜質的濃度。在一個優選實施方案中，所述多個捕集裝置包括用于捕集H20雜質的分子篩、用于捕集氧雜質的還原銅基催化劑、用于捕集氫雜質的鈀基催化劑、用于捕集CO、C02和非甲垸的烴雜質的鎳基催化劑，以及用于捕集有機化合物的活性炭基催化劑。在另一個優選實施方案中，該系統進一步配置有用于向氣體樣品中加入氧的裝置，所述裝置串聯連接到雜質捕集器的出口。在另一個進一步優選的實施方案中，該系統進一步配置有隔離封閉件(insulatingenclosure),所述隔離封閉件被安裝在等離子體單元周圍以將等離子體單元與環境隔離。在另一個進一步優選的實施方案中，處理裝置配置有收集裝置，所述收集裝置用于收集在不受光譜干擾的特定發射波長的發射光，以提供表示被測量雜質的濃度的發射信號。處理裝置進一步配置有微處理器，所述微處理器用于處理發射信號并且提供被測量雜質的濃度。優選地，處理裝置進一步配置有背景收集裝置，所述背景收集裝置用于收集在鄰近特定發射波長的發射波長由等離子體單元產生的背景發射光，以提供背景發射信號。微處理器適于從發射信號中扣除背景發射信號，以提供表示被測量雜質的凈發射的凈發射信號，從而消除背景變化。又優選地，處理裝置進一步設有校正算法，所述校正算法用于根據被測量雜質的濃度補償發射信號的非線性。在一個進一步優選的實施方案中，該系統有利地配置有參比等離子體單元，所述參比等離子體單元與發射單元并聯連接，產生表示被測量雜質的濃度的參比發射光。該處理裝置適于處理參比發射光以提供被測量雜質的濃度水平。該系統進一步具有調節裝置，所述調節裝置用于根據被測量雜質的濃度水平調節等離子體單元的驅動功率。附圖簡述通過閱讀詳細描述并且通過參考附圖，本發明的這些以及其它的目的和優點將變得顯而易見，在附圖中圖1顯示純氬的典型發射光譜。圖2顯示其中加有5ppm的N2的純氬的典型發射光譜。圖3顯示N2在氬中的二元混合物的線性曲線。圖4顯示在其中加有水分的氬中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖5A至5C顯示在其中加有不同水平的水分的氬樣品中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖6顯示在其中加有不同水平的水分的氬樣品中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖7顯示在其中加有不同水平的水分的氬樣品中的5ppm的N2的線性曲線。圖8顯示在其中加有02的氬中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖9顯示在其中加有H2的氬中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖10顯示在其中加有CH4的氬中的5ppm的N2的典型發射光譜。圖11顯示根據本發明的等離子體發射基系統的功能框圖。圖12顯示根據本發明的干擾試驗裝置的功能框圖。圖13(現有技術)是說明現有技術中已知的典型系統的典型系統性能的圖。圖14是說明本發明的系統的系統性能的圖。圖15是說明本發明的系統的長期穩定性的圖。圖16是作為氬(二元混合物)中的N2濃度的函數的N2發射的信號強度的圖。圖17是作為氦背景(二元混合物)中的N2濃度的函數的N2發射的信號強度的圖。圖18顯示根據本發明的等離子體發射基系統的功能框圖，其中已經增加用于非線性補償的參比單元。盡管本發明將結合實例性實施方案進行描述，但是應理解的是，不意欲將本發明的范圍限制到這樣的實施方案。相反，意在覆蓋全部可以被本發明包括、限定的替換、更改和等價物。優選實施方案的描述如先前所述，注意由使用不同激發模式的等離子體源產生的不同發射光譜，顯示的是，N2雜質的發射譜線波長相同。以下，報道我們的研究的結果，所述研究是為了啟發當在一些其它雜質的存在下嘗試用發射光譜測量N2時所遭遇的問題而進行的。然后，將描述克服這些問題的新的方法和新的系統。這些研究是使用用于測量氬中的N2的現有技術等離子體發射系統進行的。但是值得提及的是，下列討論也可適用于在He、Ne或氪中的N2。這里試驗的發射系統在大氣壓，以及在60Hz至4MHz的范圍內的發射頻率下工作。激發場也可以被調制。除強度和噪聲以外，發射光譜的所有激發頻率看來幾乎相同。由于流光空間運動，更低激發頻率介質阻擋放電具有低的發射強度并且噪聲更高。更高的頻率看來比流光式發射更像輝光放電類型，強度更高并且噪聲更低。然而，幾乎在全部的情形中，具體雜質的發射波長相同。參考圖1，顯示了純氬樣品的典型發射光譜，所述純氬樣品是其中全部雜質少于1ppb的氬樣品。圖2顯示其中己經加有5ppm的N2的相同氬樣品的典型發射光譜。可以容易地看到典型的N2發射波長。明顯地，337.1nm的發射最強烈。關于圖3，它顯示來自理想情況，即僅有N2和氬，而沒有任何其它雜質的二元混合物的典型線性曲線。上述圖不受任何干擾，并且表示理想條件。然而，以下描述在發射單元系統中不是僅存在N2雜質的實際應用中可能發生的情況。千擾問題a)水分干擾如先前所述，在空氣分離設備中，普通雜質中的一種是水分。根據環境條件，例如樣品來自處的環境條件，水分可能以各種水平存在。典型地，在卡車裝載站，由于樣品處理過程中的大氣污染，水分水平可能更高。在發現水分對氮測定的影響的嘗試中，將一些水分加入到5ppm的N2在氬中的二元混合物的先前樣品中。圖4顯示如此得到的發射光譜。如可以看到，水分的存在顯著地降低在337.1nm的N2發射的強度。再次向樣品中加入相同量的水分將再次促成N2強度的降低，但是不同樣多。因此，水分影響是非線性的。該后一事實可以在其中比較了對于N2發射的3種不同水平的水分污染的圖5A至5C中看出。通過重復這些實驗，可以得出的結論是，在將水分的水平提高到超過某個值以后，這種對在337.1nm的N2發射的水分污染的影響不顯著得多。現在參考顯示不同水平的水分對背景發射光譜的影響的圖6，可以看出，連續譜或背景發射光譜隨水分水平增加。此外，通過注意不同的發射光譜，可以在302至309nm之間看到OH的發射。現在參考顯示具有和不具有水分的典型響應信號線性的圖7，后一種情況己經在圖3中說明。明顯地，人們可以容易地看到，樣品中水分的存在導致對N2值的低估。應當注意，在不存在接近N2發射譜線的由水分引起的發射譜線的意義上，由水分引起的干擾更多地是物理/化學型干擾而非光譜型干擾。然而，由于在等離子體體系中，在存在的各種物種之間具有對大部分由處于亞穩態的氬所提供的可用能量的競爭，它導致具有最低電離電位的雜質由于它們與亞穩態的氬更快反應而是有利的，從而降低對于N2的激發效率。水分具有更低的電離電位。這由發射光譜所顯示。實際上，水分的增加導致更高的OH發射強度，同時N2發射下降。如先前所述的，在"使用低壓毛細管輝光放電分子發射分光光度測定法的用于氬中的超痕量氮的檢測器的發展(DevelopmentofaDetectorforUltratraceNitrogeninArgonusingLow-PressureCapillaryGlowDischargeMolecularEmissionSpectrophotometry)"，HiroshiOgino等，分木斤4七學(Anal-Chem.)，第69巻，第17期，1997年9月，Ogino等也己經注意到由水分引起的相同類型的干擾，即在水分存在下的降低的靈敏度以及更高的背景發射。他們還報道，水分沒有引起任何光譜干擾。因此，可以沒有任何疑問地得出結論不管所使用的激發模式，在氬中的N2的樣品中的水分將導致引起測量誤差的物理/化學干擾。一種雜質的存在影響另一種雜質，反之亦然。b)0^干擾也研究了02雜質對氬樣品中的N2測量的影響。當將一些02加入到5ppmN2在氬中的混合物中時，如圖8中所說明的，出現在200和300nm之間的NO的發射。這證明氮和氧在一起反應。再次，此干擾是物理/化學型干擾。由于N2雜質的一部分被"消耗"，因此與02反應的N2不再可用于產生在337.1nm的發射波長。因而，N2的發射波長強度降低。再次，當樣品中存在02時，這導致對N2水平的低估。然而，應當注意的是，不存在光譜干擾。c)I^干擾現在參考圖9，向氬樣品中的5ppm的N2中加入H2導致基于等離子體激發模式的不同類型的干擾。在低的激發頻率，沒有H2發射產生。然而，在336nm存在由NH發射引起的光譜干擾。由于通常在337nm測量N2，因此在336nm的發射將通過帶寬為約3nm的光濾波器。甚至最壞的是，像N2—樣，NH也具有在337nm的發射。這引起不能用干涉濾光器消除的直接光譜干擾。因此，通過光電測量裝置產生的信號將考慮這些干擾發射。因此，在此情況下，由于讀數將高于認定的讀數，因此干擾導致對N2水平的高估。以下將解釋可能的H2污染源。d)CRt干擾現在參考圖10，用其中加有CH4的5ppmN2在氬中的二元混合物，還研究了CH4干擾。得到的干擾與H2的干擾基本上相同，即在336nm和337nm存在由NH引起的發射譜線，從而導致直接光譜干擾。事實上，存在CKU的離解，并且所釋放的氫的一些部分與來自樣品的氮反應。發射光譜也顯示在386至388nm之間的由CN引起的發射，并且在431nm也出現CH發射譜線。CH4通常存在于低溫制備的氬中。它通常來自進入設備的空氣，并且它不被工藝所阻止。一些氬的設備使用溫熱氬循環來從氬移除氧。在此工藝中，通常存在在高溫操作的鈀催化劑，其中將H2加入到粗制的氬工藝流中。由于工藝流中的其它雜質的存在，因此在此催化劑床中可能產生CH4。溫熱氬循環工藝產生高溫蒸汽。在導致鈀催化劑床的不穩定操作的工藝干擾的情況下，雜質例如水分、氧、氫和甲烷可能終止(endup)于純氬塔中并且然后終止于在最終產物中。在兩種情況下，通過在線發射光譜測量N2的水平。在電子領域工業例如所謂的"晶片制造(waferfab)"中，強制使用消氣合金基凈化器，以得到低于個位數的ppb的雜質水平。要突破的第一雜質是N2。因此，對N2水平的監測是這種凈化器壽命的終點的良好指示。然而，當這種凈化器接近它的壽命終點時，經常從消氣合金釋放H2。對N2水平的監測范圍通常低于10ppb。釋放的H2將使得N2分析儀讀數更高，從而導致在其時間之前替換昂貴的合金。e)多組分情況的千擾在"Analysequalitatived'impuret6sdansI'h61iumparspectroscopied'6mission"，A.Ricard禾卩J.Lefebvre,分析(Analysis),1978，第6巻，第7期，第299至305頁中，作者鑒別了在大氣壓下的氦等離子體中的H2、02、N2、CH4的發射譜線。他們還分析了各種雜質對其它雜質的影響。他們得到的結論是，當在樣品中存在其它雜質時，不可能進行N2的精確測量。這是由這些雜質不具有將亞穩態的氦去激發的相同效率的事實所導致的。他們提出使用色譜柱來分離雜質中的每一種，或使用二元混合物。如先前所解釋的，后一情況在工業領域中不可能。在題為"用于分析氣體混合物的方法和設備以及用于其的可見發射光譜發生器(Processandapparatusforanalyzingagaseousmixtureandavisibleemissionspectrumgeneratortherefor)"并且授權纟合Wkldow的美國專禾ll4,801,209中，也充分地解釋了該同一問題的復雜性。在此專利中，Waldow清楚地指出，從氣體混合物中的放電發射的發射光譜是所發射的全部光子的總和，其結果是，組合光譜不是各個光譜的線性總和。由于所謂的基體效應，沒有保持與各種氣體相關的光譜譜線的相對強度。因而，各個光譜從組合光譜的去巻積或分離更多的是技術而非科學。在多氣體混合物中，復雜性迅速增加。在"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O.P.Bochkova禾口E.YA.Shreyder，列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101,在第149和199頁中，也討論了多組分復雜性問題。他們18將它們的分析限制在三元混合物，并且發現非常有限的應用范圍。還應當提及的是，他們的分析是在高水平的雜質的情況下進行的。f)氦中的氬的特定干擾在"Analysequalitatived'impure"sdansrh61iumparspectroscopied'6mission"，A.Ricard禾卩J.Lefebvre,分析(Analysis)，1978，第6巻，第7期，第299至305頁中，作者使用在391nm的N2發射譜線。然而，進一步地，對于我們的先進實驗，證明的是，當在氦背景中使用此波長時，存在另一個強干擾源。實際上，僅僅氬在氦樣品中的微小擴散就幾乎完全猝滅在391nm的N2發射。氬來自環境空氣擴散。因此，在工業應用中使用用于氦中的N2測量的此發射譜線將非常危險，即使它是最敏感的一種也是如此。g)影響N:量化的其它千擾源對樣品中的各種雜質的組合影響沒有進行過徹底的研究，即，當全部的上述雜質以各種水平存在于樣品中時，對N2發射沒有進行過徹底的研究。然而，試驗了大氣壓對氬混合物中的100ppbN2的N2發射的影響。所進行的試驗顯示，30英寸的水的變化使讀數移動到20至30ppb之間的任何地方。30英寸的水的變化對于大氣壓近似是晴天與有雷雨天之間的變化。由于一些應用需要低于ppm和ppb的測量，因此這些參數對于長期穩定性變得重要。而且，等離子體壓力直接影響電子溫度。我們的研究還顯示現有技術中沒有報道的另一個干擾源。實際上，在用于分析應用的各種#^子體發射單元和發生器組合中，等離子體或放電功率相對低，通常小于10瓦特。一些發生器與負載(即，放電單元)進行感應耦合，即H型放電，而另一種是進行電容耦合，即E型放電。參見，例如，"實用的高頻放電光譜學(PracticalSpectroscopyofHighFrequencyDischarges)",SergieA.Kazantsev,VyacheslavI.Khutarshchikov,GunterH.Guthohrlein,LaurentiusWindholz,PlenumPress.1998,ISBN0-306-45676-1，第7頁。在這樣的配置中，激發信號為AC。當功率耦合技術是電容性的時候，該系統通常稱為介質阻擋放電，因為在耦合電極之間存在至少一個電介質阻擋層。在H型或E型系統中，場電位相對高。我們的實驗已經顯示，在一些情況下，放電不僅在等離子體單元中發生，而且在由環境空氣包圍的電極也可能共存一些電暈放電。電極通常結合在單元壁上。電暈放電在電極邊緣發生，發射的光也到達光電測量裝置。這在測量信號中產生虛假變化。當環境空氣的相對濕度高時，變得更壞。在被設計以測量低水平的雜質并且需要長期穩定性的系統中，此現象是不可接受的，因為產生的干擾可能導致錯誤的警報。在電容耦合即E型放電的情況下，該現象更明顯，因為場電位更高。在DC或AC直接放電的情況下，因為不存在電介質，因此電位低得多。在電極之間存在流動的DC或AC電流。根據室或電極設計，有時電位可以僅為約300VDC。在此情況下，不存在足夠的電位梯度以得到電暈效果以及周圍大氣的電離。我們的研究也已經顯示，關于本領域中使用的一些發射基N2分析儀，單元的內壁覆蓋有棕色沉積物。這樣的沉積物主要產生在安裝在空氣分離設備卡車裝載站中的裝置中。將這種沉積物從發射單元移除，并且分析顯示，此沉積物主要由碳組成，所述碳來自由現存的取樣系統材料或污染的罐車釋放的一些有機化合物或除CH4以外的烴的裂解。這里，關于取樣系統，我們是指管閥、配件、過濾器等。現今仍存在許多使用用于樣品流選擇的旋轉閥的場所(site)。這些閥許多具有不同的聚合物材料和各種密封材料以及潤滑劑。在一些場所，塑料或聚合物撓性襯里的使用是普通的。例如，尼龍是烴污染的來源。在閥桿周圍具有一些減少密封件(seal)的摩擦的潤滑脂或碳粉的閥也是烴的另一個來源。一些有機化合物僅僅來自在其組裝過程中留在取樣系統的一些部分上的指紋。這種干擾導致了靈敏度的喪失，因為所述單元慢慢變得對光透射不透明。碳污染的另一個來源是用于構造分析儀的材料。根據操作條件，不銹鋼管也可能釋放一些污染物。我們發現，我們的實驗室中使用的等離子體室在使用5年以后具有這種沉積物。沉積物源來自材料本身或所謂的系統的"濕部"。我們還發現，用于制造發射室的材料在其中可以具有一些量的雜質。通常，使用非常高質量的石英材料。然而，在使用以及在等離子體下多年以后，即使使用以很高純度的氣體保持的等離子體，室壁的某些部分也具有一些沉積物。基于材料組(lot)，這種污染源是可變的，并且在較長的時間內發生。通常，我們可以看到在2至3年后開始出現的這種副作用。然而，過程分析儀理想地應當在遠遠更長的時間內是可靠的。因此，真正的優點是能夠保持發射室的內壁"清潔"或沒有沉積物，以保持其長期靈敏度。h)非線性現象如先前所述的，市場上的所有可商購的N2分析儀不具有任何線性校正裝置。這是有原因的。實際上，在小的測量范圍內，信號是相當線性的，如圖3和7中所示。然而，在這些圖中，僅測量凈信號，即扣斷substractedfrom)基線的N2發射強度。當混合物不是二元的時候，僅測量在337.1nm的凈N2發射而不扣除基線將降低線性。例如，參見圖5和6，容易看到的是，在加入水分時，發射連續譜升高，同時N2發射降低。其它雜質的存在也將影響線性。此現象也被報道在"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O,RBochkova禾卩E.YA.Shreyder，列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101中，其中推薦比例式測量(ratiometricmeasurement)來解決(fix)此問題。在"Analysequalitatived'impuret6sdansI'hSliumparspectroscopiedemission",A,Ricard禾卩J.Lefebvre,分析(Analysis),1978，第6巻，第7期，第299至305頁中，清楚地說明了由一種或多種雜質的存在所導致的非線性。由于如將稍后解釋的，本發明使用捕集除N2以外的雜質的方法，并且還使用差分信號，即從N2發射中扣除的背景信號，因此人們可以認為，這些特征將解決非線性的問題。但是，這僅對于樣品中的N2的有限操作范圍是成立的。此外，基于稀有氣體類型，非線性行為變化很大。如在"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O.P.Bochkova和E.YA.Shreyder，列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress)，1965SF-4101中，以及還在與等離子體物理相關的幾本物理書中所述，被激發的原子或分子的濃度量取決于電流或等離子體功率。還教導的是，存在于等離子體中的物種處于對可得到的能量的競爭中。因此，在二元混合物中，在少量雜質的情況下，與更高量相比，電離效率不相同。圖16和17分別顯示在氬和氦發射系統中的N2的這種行為。N2水平的增加導致系統靈敏度的降低，然后導致線性的降低。這是由可從氬等離子體得到的能量的損失而引起的，所述能量損失歸因于N2總數以及第二種類的電離現象。這里，通過表述"靈敏度"，它是指相對于溶質濃度的單位增量的信號強度的增量。這顯示，即使在二元混合物的情況下，非線性仍是個問題。在氦作為背景的情況下，情形更壞。在氦中的N2的ppb水平，存在高的靈敏度。當N2水平升高時，靈敏度由于猝滅而下降。因此，非常適宜的是提供一些校正線性問題的手段，以得到在N2水平的寬范圍內，即高達10,000ppm的線性讀數。現有技術解決方案今天，許多使用者已經認識到來自氬樣品中的其它雜質對N2測量的不利影響。他們還認識到需要采取一些措施來校正這種問題。然而，如將在以下解釋的，本領域中所提出的消除干擾的各種嘗試中的每一種總是部分的解決方案。a)現在對下列現有技術文件進行參考美國專利3,032,654、5，168,323禾口5,009,099;"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O.P.Bochkova和E.YA.Shreyder，列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101;"用于氬中的痕量氮的發射光譜法和分析儀(EmissionSpectrometryMethodandAnalyzerforTraceofNitrogeninArgon)"，HomerFay,PaulH.Mohr禾卩SerardA.Cook，LindeCo.DivisionofUnionCarbide,分析化學(AnalyticalChemistry),第34巻，第10期，1962年9月；"自動化形態分析儀的發展DevelopmentofanAutomatedSpeciationAnalyzer",BerndRosenkranz等，美國實驗室(AmericanLaboratory),第31巻，第20期，1999年10月；"用于在光譜儀中自動扣除連續背景的組件(AModularfortheAutomaticSubtractionofContinuousBackgroundinOpticalSpectrometers)",光學禾口光譜學(OpticsandSpectroscopy),1964年2月，第16巻，第2期，第184-186頁，G.M.Svishchev;"使用補償出射狹縫的直讀光學發射光譜分析用的背景校正方t去(AMethodofBackgroundCorrectionforDirectReadingOpticalEmissionSpectroscopicAnalysisUsingOffsetExitSlits)"，分析化學(AnalyticalChemistry),第41巻，第2期，1969年2月，第396-398頁，JohnA.Levs;以及"用于直讀光譜測定法的動態背景校正系統(ADynamicBackgroundCorrectionSystemforDirectReadingSpectrometry)",R.K.Skogerboe等，應用光譜學(AppliedSpectroscopy),第30巻，第5期，第495-500頁，1976年9月-10月。在這些文件中，描述了通過從雜質發射譜線扣除背景信號來消除背景信號變化影響的嘗試。這樣的校正導致更加穩定的信號，即較少的漂移。在所有的這些情況下，即使使用的設計彼此稍微不同，所進行的試驗通過進行背景校正也顯示了更加穩定和精確的結果。然而，背景校正不能單獨消除干擾的所有不利影響。例如，在光譜干擾的情況下，背景補償或校正是無用的。此外，對所關注的特定發射譜線，例如N2的337nm的一些物理/化學影響不是通過背景校正來消除。其實例是如先前所述水分對N2發射譜線的影響。b)其它使用者已經感到需要減少對N2測量的水分干擾。例如，在"使用低壓毛細管輝光放電分子發射分光光度法的用于氬中的超痕量氮的檢觀!j器的發展(DevelopmentofaDetectorforUltratraceNitrogeninArgonusingLow-PressureCapillaryGlowDischargeMolecularEmissionSpectrophotometry)",HiroshiOgino等，分析化學(Anal-Chem.)，第69巻,第17期，1997年9月中，Ogino等使用干燥劑來從氬樣品捕集水分。他們使用分子篩5A(60/80目)。然而，在此實施方案的情況下，由于5A分子篩基捕集器像色譜柱一樣起作用，因此N2分子將由于穿過此捕集器而被延遲。捕集器的任何溫度變化將引起讀數變化。提高捕集器的溫度將釋放一些N2，反之亦然。因而，這將引起信號漂移。而且，干燥劑捕集器的使用將不有效解決由其它雜質例如CH4、02和H2所引起的千擾。事實上，捕集器可能加重此問題。5A分子篩也將部分捕集并延遲H2、02和CH4的通過。流量或捕集器的溫度變化也將影響其吸附行為。這導致在存在流量或溫度變化時，02、H2和CH4可能被釋放或吸附到捕集器中。它對N2讀數造成更多漂移或突然變化。c)如在先前引用的美國專利5,168,323中，其它使用者提出使用計算方法來補償干擾。在所述方法中，他們還考慮了信號背景。測量了所關注的各種光譜譜線的強度。由一種特定雜質產生的有效譜線強度是從各種測量強度的線性組合計算確定的。然而，此方法具有嚴重的缺點。首先，當其顯示有水分時，干擾效應不是線性的。而且，看起來，基于等離子體激發模式以及存在的雜質的水平，各種物理/化學反應和它們的速率不恒定。此外，所提出的方法沒有考慮一些也影響等離子體的參數，例如操作壓力以及猝滅。當已經被激發到更高水平的分子在它的特征波長自發發射光子之前，通過與其它分子碰撞而被去激發到更低的水平時，發生猝滅。此外，還應當注意，背景信號在發射光譜中并不相等地變化。僅在一個用于背景校正的點測量背景發射將不對所有的雜質起作用，因為它們的一些不經受相同的信號背景變化。就我們所知，在上述現有技術參考文獻中提出的系統并不是真正商業化的。此提出的系統的另一個問題在于下列事實沒有考慮氬樣品還可以在其中具有CO和C02雜質的可能性。看起來，在理論上，通過考慮可能影響N2發射成為等離子體的所有參數，人們可以補償這些參數對N2讀數的影響。然而，實際上，不僅僅是需要簡單的線性組合，并且建造這樣的系統變得非常復雜并且昂貴。d)在先前所述的美國專利4,801,209中，Waldow描述了一種補償由Ar/02比率的變化所引起的對N2測量的干擾的方法。該作者承認干擾是非線性的的事實，并且提出了一組具有必須通過生成N2/Ar/02比率的各種混合物來在實驗上確定的幾個系數的非線性方程(二階形式)。它是所建造的每一個系統必須重復的長期并且辛苦的工作。此補償或校正方法的另一個缺點在于，僅考慮三種氣體，即N2、Ar和02。此外，對于在氬中的N2的相當高的量，即20至2000ppm，該提出的方法正確地進行。然而，對于作為本發明的方法旨在測量的雜質水平的低于ppm的測量，現有技術的方法將不能提供滿意的結果。而且，此專利中所提出的方法用于有限并且特定的樣品背景范圍，即，在背景中的Ar和02的特定范圍。沒有考慮其它雜質。該作者還報道了大氣壓變化對系統響應的影響。然而，沒有提出補償手段。e)在美國專利5，570，179中，Weckstrom描述了一種其中可以存在校正C02和02以及一些其它氣體對N2測量的影響的計算基系統的方法。將獨立的傳感器，例如用于C02測量的紅外線傳感器、用于02測量的順磁性傳感器，以及其它氣體傳感器連接到微處理器系統。在此方法中，沒有報道方程或關系。制造這種系統復雜并且昂貴，而性能有限。f)在美國專利4,898,465中，Crawford等使用被DC電流激發的冷陰極氣體放電作為發射單元。他們報道了由02和C02引起的對N2的干擾。他們還報道了由系統壓力引起的信號變化。他們提出使用控制回路以基于要分析的物種調節放電功率或電流。然而，在樣品中的多種雜質的情況下，此方法將變得不實用。沒有辦法知道那個物種是造成信號變化的原因。在不同的工作者在解決對N2測量的干擾問題的嘗試中所做的全部努力以后，仍存在未解決的干擾問題。如先前所述，用于水分的捕集器的使用沒有解決由H2、02和CH4引起的問題。而且，計算模式的使用變得極為復雜和辛苦，因此僅描述了部分溶液。似非而是地，應當提及，在美國專利5,412,467、5,831,728和6,043,881中，根本沒有報道干擾。然而，使用了以上列出的由許多其它工作者使用的相同類型的放電。在美國專利5,412,467和5,831,728中，作者陳述，N2、H20和CH4的測量可以在相同的光譜單元中進行，并且雜質不彼此干擾。然而，我們進行的試驗和我們在上文中所述的所有現有技術參考文獻提供了不同的結果。就我們所知，這種平行測量這些雜質的多雜質系統沒有真正商業化。而且，在這些參考文獻中，沒有真正可用的數據。這使得認為，在他們的實驗中幾乎沒有參數被忽略。在美國專利6,043,881中，提出了串聯連接的發射單元的使用。此構造被提出用于包括N2的多雜質測量。也提出了甚至在低于ppm水平的H20、CH4和N2的測量。然而，由于等離子體放電的性質，第二單元中的雜質水平將與第一單元中的雜質水平不相同。這是由于與各種雜質發生的各種化學反應。因此，第一發射單元改變了流入到第二單元中的樣品的性質。我們的實驗已經顯示，在兩個單元中的N2的水平不相同。這通過關閉和啟用第一單元中的等離子體而易于被測試。在第一單元中的等離子體被啟用的同時，N2讀數下降。實際上，在測量在Ar和He中的N2的所有可商購儀器中，他們使用在大氣壓下的介質阻擋放電。因為發射光譜幾乎與基于微波、射頻或用真空泵運行的更加復雜的系統相同，因此使用這些系統是有意義的。然而，就我們所知，他們都沒有采用補償或消除由樣品中的其它雜質所引起或僅由環境操作條件所引起的干擾的手段。然而，在二元混合物的情況下，這些系統表現較好，但是信號不是線性的。因而，如以上己經所述的，真正的優點是提供一種使用發射光譜進行稀有氣體中的N2的測量的改進方法和改進系統，所述改進方法和改進系統具有高的靈敏度，而不具有以上列舉的干擾和線性問題。本發明因此，本發明提出了一種基于發射光譜的稀有氣體中的N2的在線測量方法，所述方法提供非常穩定、敏感以及沒有干擾的結果。總之，本發明必須消除下列對N2測量的干擾-來自其它雜質的干擾..SH20、02、CH4、CO、C02、H2以及來自取樣系統的重烴的有機化合物的存在所引起的物理/化學或光譜干擾。下表1顯示一些雜質對N2測量的影響。這些是可能在本領域中發現的最普通的雜質。<table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table>表l:在N7和H20、H2、CH4、02的存在下的等離子體放電中觀察到的分子譜帶-來自環境操作條件的干擾即，由大氣壓變化所引起的等離子體操作壓力變化，以及由在周圍大氣中發生在單元外部的電離引起的任意外部發射。-導致非線性的等離子體物理所固有的問題；和-涉及單元的透射率變化的問題，所述透射率變化主要歸因于隨時間來自各種來源的碳沉積物。基于我們的研究和可用的現有技術，看起來，消除稀有氣體中發現的典型雜質對N2測量的影響非常困難和復雜。本發明的方法的概念基于手段的組合，而非僅單獨依賴于計算方法、基線校正或捕集雜質。因此，根據本發明的方法，也稱為消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，包括下列步驟a)提供氣體樣品，所述氣體樣品中具有干擾雜質以及被測量雜質；b)提供多個捕集裝置，所述多個捕集裝置串聯連接以限定具有入口和出口的雜質捕集器，所述捕集裝置的每一個適于捕集干擾雜質中的具體一種，而不影響被測量雜質；C)在用于移除干擾雜質的雜質捕集器的入口引入氣體樣品；d)在雜質捕集器的出口將水分加入氣體樣品中；e)將氣體樣品引入等離子體發射系統的等離子體單元中；f)收集在不受光譜干擾的特定發射波長由等離子體單元產生的發射光，以提供表示氣體樣品的被測量雜質的濃度的發射信號；以及g)根據步驟f)中提供的發射信號測量被測量雜質的濃度。我們的觀察結果顯示，存在來自H2、02、CH4、CO、C02、NMHC、有機化合物和H20的干擾。在最壞的情況下，這些雜質的每一種可能與被測量的N2同時存在于樣品中。我們的研究已經顯示，大多數的這些雜質可以被特別設計的多層捕集器捕集。必須對此捕集器進行特別設計，以避免對N2雜質的任何干擾。因而，根據本發明方法的概念，將逐一考慮雜質的每一種。應當提及的是，用于各個捕集器層的材料必須不影響要測量的&雜質。通常，本發明中提出的方法部分地依賴于捕集不需要的雜質。根據此概念，將在以下描述特殊捕集材料的多級或多層(也稱為床)。在下文中所述的系統己經經過試驗并且提供了良好的結果。然而，重要的是注意，可以想到其它的捕集技術，只要它們不影響N2雜質即可。因此，要理解的是，下列描述不是限制性的，并且僅作為示例性實施方案給出。要移除的第一雜質是H20。為此目的，有利地選擇孔徑小于4A埃的分子篩。事實上，我們的研究已經顯示，最佳結果是用3A分子篩得到的。3A篩不保留N2分子，它正好通過。然而，如先前所述，當存在從干燥樣品至幾ppm(約2)的水分的輕微變化時，H20對N2強度以及背景發射的影響更明顯。即使我們的3A基捕集器有效移除H20而沒有影響樣品中的N2，它的操作條件上的輕微變化也導致在H20吸附上的變化。這導致由于操作條件上的變化，在出口可能存在H20的小變化，從而導致對N2的一28些干擾。似非而是地，即使H20水平上的此變化小，它也發生在其中&0的影響對N2和背景信號具有更加明顯的影響的范圍內。因而，為了解決此問題，向脫水的氬樣品中有利地加入一些水。這樣，等離子體操作點根據水的水平而偏移。加入的H20的量高得足以設置這樣的操作點，其中在H20捕集器的出口的H20水平的小變化根本不影響N2讀數。水的加入水平稱為飽和點。這里，當達到此飽和點時，在&0的水平存在輕微變化時對N2發射沒有更大的影響。因而，完全消除了由樣品中的H20引起的干擾，而沒有影響N2雜質。要考慮的第二雜質是氧。氧易于并且有利地被還原銅基催化劑所捕集。這里，再次，捕集材料必須不影響N2雜質。大多數的銅基催化劑基于細微地分散在載體上的銅。該載體被設計以增加表面積，而使與下列氣體的接觸最大化。想法是選擇具有對N2幾乎沒有影響，同時捕集02雜質的孔徑的銅基催化劑。此外，應當提及的是，在某些點加熱銅催化劑可以是有利的，因為這增加它捕集02的能力，并且使N2加速通過那里。當樣品為氦時，這個點是較重要的，因為氦具有比N2低得多的分子量。因而，在N2具有更少的被催化劑的載體延緩的趨勢的意義上，提高捕集器的溫度對N2雜質具有真正的益處。這有效地解決了由02雜質對N2測量所引起的問題。可以有利使用的合適的催化劑是來自BASFCompany的R3-ll、R3-12或R3-15。然而，值得提及的是，也可以想到其它合適的催化劑。關于氫雜質，選擇對H2具有高親和勢的催化劑。在此情況下，有利地選擇鈀基催化劑。這里，再次，催化劑載體材料應當使N2雜質不受影響。如對02雜質所進行的，這通過選擇適當的孔尺寸和操作溫度來進行。鈀對H2具有非常高的吸附能力。它可以吸附高達它本身的900倍的氫體積。通過該特殊的催化劑，從樣品有效地移除了H2雜質，同時使N2不受影響。現在，關于CO、C02和NMHC雜質，通過鎳基催化劑，例如美國專利4,713，224中所報道的鎳基催化劑，將這些雜質從樣品有利地有效移除。這里，必須特別小心以避免影響N2通過此催化劑。我們的實驗已經表明，通過調節催化劑的粒度，在保持N2雜質不受影響的同時，還有效地移除了雜質。再次，操作溫度優選應當恒定。應當注意的是，鎳催化劑也能夠吸附H2。然而，用于捕集H2的鈀基催化劑是優選的。事實上，鎳催化劑將從樣品有效移除1120、02、CO、C02、H2和NMHC雜質。它還將降低CH4的含量。然而，如先前所述，在本發明中，將更多特殊催化劑用于各種雜質移除是優選的。因而，這樣，更容易基于催化劑生產商數據估計系統性能。關于有機化合物，本發明方法有利地依賴于基于活性炭的捕集器。許多年糴，活性炭已經用于從不同類型的液體或氣體流體移除雜質。基于活化方法和所使用的原料，活性炭可以變得對一些雜質是更特定的。使用適當的活性炭的層將有利地有效移除NMHC、有機化合物，并且還將有助于降低CH4的水平。該選擇由此層對N2雜質的影響所控制。我們的實驗已經顯示，即使可以考慮其它配置，深度脫水的椰子炭型活性炭也給出優異的結果。然而，應當注意的是，必須優選保持炭床溫度恒定。現在參考圖11，顯示了本發明系統的一個優選實施方案的功能框圖，所述系統也稱為消除對氣體樣品中的雜質測量的干擾的系統，所述氣體樣品具有干擾雜質和被測量雜質。系統10配置有多個串聯連接以限定具有入口24和出口26的雜質捕集器22的捕集裝置12、14、16、18和20。捕集裝置12、14、16、18和20的每一個適于捕集干擾雜質中的具體一種，而不影響被測量雜質。優選地，如先前所提及的，多個捕集裝置有利地包括用于捕集H20雜質的分子篩12、用于捕集氧雜質的還原銅基催化劑14、用于捕集氫雜質的鈀基催化劑16、用于捕集CO、C02和非甲垸的烴雜質的鎳基催化劑18，以及用于捕集有機化合物的活性炭基催化劑20。系統10還具有用于向氣體樣品中加入水分的裝置28。這些裝置28串聯連接到雜質捕集器22的出口26。系統10還配置有等離子體發射系統32的等離子體單元30，所述等離子體單元30串聯連接到用于加入水分的裝置28以產生表示氣體樣品的被測量雜質的濃度的發射光。系統10還具有處理裝置34，所述處理裝置34在操作上連接到發射單元30以處理發射光并且提供被測量雜質的濃度。優選地，處理裝置34配置有收集裝置36，所述收集裝置36用于收集在不受光譜干擾的特定發射波長，優選用于N2測量的357.69nm的發射光，以提供表示被測量雜質的濃度的發射信號。處理裝置34進一步具有微處理器38，所述微處理器38用于處理發射信號，并且提供被測量雜質的濃度。如所說明的，一旦被組裝，適當地活化并調節，就將上述這些捕集器的每一個串聯連接。將這些捕集器的每一個有利地保持在恒定溫度，并且還由于流量控制裝置(未示出)而優選將樣品流量保持恒定。這是相對重要的，因為如果樣品流量變化，則也將改變H20的加入。優選用滲透管裝置加入H20。由于滲透速率在控制的環境條件下是恒定的，因此流量變化將改變通過管的稀釋因子。當樣品氣體從最后的捕集裝置20出來時，若有的話，僅存在N2和非常少的CH4。然后，如先前所述，將水或水分加入到氣體樣品中，以使它的水平的輕微變化對N2發射的影響最小化。這消除了水分對N2測量的不利影響，因為捕集了所有的雜質，即H20、02、H2、CO、C02、NMHC和一些其它的有機化合物。僅存在仍可以引起問題的CH4，因為它沒有被100%捕集。如先前所述，CH4對在337.1nm的N2發射造成光譜干擾。由于此原因，有利地選擇357.69nm的N2發射譜線。如在圖10中所說明的，此發射譜線不受來自在336和337nm的NH發射的任何光譜干擾的影響。然而，可能存在由CH4引起的背景發射中的輕微變化。為了消除此僅由CH4引起的干擾源(其它的雜質被捕集，并且由于H20加入組件的被控制的滲透速率，因此水的水平恒定)，在357.69nm的N2發射的附近有利地測量基線或背景發射。然后，通過處理裝置從N2(357.69nm)發射扣除此背景發射。這樣，有利地消除了對N2(357.69nm)的背景變化干擾。在345nm和365nm的背景測量也被測試，并且適用。因而，為了實現上述背景扣除，處理裝置34有利地進一步配置有背景收集裝置40，所述背景收集裝置40用于收集在鄰近特定發射波長的發射波長由等離子體單元30產生的背景發射光，以提供背景發射信號。微處理器38適于從發射信號扣除背景發射信號，以提供表示被測量雜質的凈發射的凈發射信號，從而消除背景變化。有利地用于H20的加入的滲透管優選是被水包圍的樣品Teflon管。管的溫度有利地保持恒定，因而它的滲透速率保持恒定。在這樣的構造中，必須保持氣相空間，以避免由壓力增大所致的機械損壞。通過使孔隙空間充滿純02，或02與樣品背景的混合物，并且調節滲透膜的長度，還向樣品氣體中加入一定量的02。進入到等離子體中的此少量的02將通過"蝕刻"任何碳沉積物而與其反應。這導致即使在單元入口自動加入烴，單元壁也保持清潔。此解決方案對于在長期使用期間保持等離子體單元清潔是有效而經濟的。還可以將單獨的用于氧加入的滲透管用于加入02。現在，仍參考圖ll，由于將等離子體在大氣壓下操作，因此大氣壓變化將引起發射強度的變化。為了解決此問題，有利地使用大氣壓傳感器P1或其它任意合適的測量裝置來測量等離子體單元放電壓力。然后，通過微處理器38使用此信號來補償壓力對N2信號和背景信號的影響。然后，為了消除來自發射室30外部的發射的干擾，該系統有利地配置有將等離子體室30與環境隔離的隔離封閉件(未示出)。優選地，此室30有利地由適當的灌封料所密封。備選地，可以僅優選在電極的外表面上的玻璃沉積物。我們的實驗已經顯示，即使在相對高的場電位的情況下，此解決方案對消除周圍大氣的電離也非常有效。如先前所述的，最后要解決的問題是線性。如在"氣體混合物的光譜分析(Spectroscopicanalysisofgasmixtures)",O.RBochkova禾口E.YA.Shreyder,列寧格勒州立大學學術出版社(LeningradStateUniversityAcademicPress),1965SF-4101中，以及在"Analysequalitatived'impuret6sdansI'hdmmparspectroscopied'6mission"，A.Ricard禾卩J.Lefebvre,女、豐斤(Analysis),1978，第6巻，第7期，第299至305頁中所示，根據操作條件，稀有氣體中的N2測量不是線性的。在He中的N2的測量看來是最壞的情況，主要處于低的水平。在氬中，在N2的高水平下出現問題。為了校正這樣的非線性，可以有利地使用嵌入微處理器30的計算方法或校正算法。線性化方法在于，以氮水平的函數形式記錄系統信號，然后可以有利地使用多項式曲線擬合方程。還可以實現在各個點之間具有線性評價的簡單查閱表(lookuptable)。將這樣的軟件程序有利地建立在微處理器中。這種軟件方法表現良好，但是當N2水平提高時，沒有解決靈敏度損失。這里，通過表述靈敏度，我們是指相對于溶質濃度的單位增量的信號強度的增量。根據這個，可以使用另一種校正手段，以在寬的操作范圍上獲得線性和恒定的靈敏度。在這樣的構造中，可以有利地將儀器重新系統化(re-range)，以仍然提供低于ppb的靈敏度。圖18中說明的系統顯示了這樣的構造。在此構造中，有利地使用了也稱為參比等離子體單元的第二等離子體單元42以及相關的發生器。此參比單元42與發射單元30并聯連接，并且樣品氣體在兩個等離子體單元30、42之間被分開。此參比等離子體單元42允許產生表示被測量雜質的濃度的參比發射光。換言之，此單元對微處理器38提供N2的水平。基于N2的水平，微處理器38重新調整測量單元30的等離子體功率，從而補償非線性。因此，來自測量單元的N2測量信號是從0.25ppb上至10，000ppm的直線。還可以改變等離子體的頻率，以提高N2的發射速率。參考圖13至15，現在將分析本發明的系統的性能。首先，在圖13中顯示了關于樣品中的其它雜質的典型系統性能。此性能試驗是通過圖12中所示的干擾試驗裝置進行的。在說明的裝置中，將使用介質阻擋放電的典型氬中N2分析儀44連接到色譜柱48的出口46。柱48經純氬載氣吹掃。氬中N2分析儀44用純氬載氣校準零點，并且用在氬中的10ppm的N2的參比校準跨度(span)。這是空氣分離工業中使用的典型N2分析儀校準值。現在，通過稀釋銳孔R1，在N2分析儀的入口加入N2。對此N2流量進行調節，以在N2分析儀顯示器上得到約5ppm的讀數。干擾試驗裝置還配置有樣品回路SL1。氣體樣品流過SL1。此氣體樣品是H2、02、N2、CH4和CO在氬中的混合物。雜質的每一種在2至3.5ppm的范圍內。想法是將SL1量注射到分子篩5A色譜柱48中。然后，每一種雜質將以下列順序從色譜柱48出來H2、02、N2、CH4以及CO。通過監測分析儀讀數，就可以評價這些雜質中的每一種對N2讀數的影響。結果顯示于表13中。圖14顯示發射N2分析儀信號，但是采用了本發明的方法。注射與如先前所述相同的樣品。如可以在圖14中看出，沒有檢測到信號變化。還重要的是提及，使用在線測量系統，長期穩定性是主要的問題。圖15顯示了根據本發明方法構建的N2分析儀的信號穩定性。如所說明的，系統漂移小于lppb，以及噪聲小于0.25ppb。這是對于在氬體系中的N2。迄今還沒有實現這些性能。我們將漂移試驗周期延續3個星期，并且我們得到了1.5ppb的最大偏移。許多因素可能產生此偏移。噪聲維持在0.25ppb的最大值。這些結果遠勝于市場上可得到的任何商業N2分析儀。上述漂移試驗是使用根據本發明方法構建并且用在氬中的80ppb的N2校準的系統進行的。應當提及的是，在本發明的一個優選實施方案中，分別對每一個捕集裝置進行特別設計以連續捕集5ppm的每一種氣體達1年的時間。除在大氣污染的情況下，我們使用大得多的量的分子篩3A和銅基催化劑以外，需要幾克的每一種不同材料。當然，對于具體應用，人們可以想到其它的構造。總之，根據所進行的實驗，使用本發明方法的基于發射光譜的稀有氣體中N2的在線測量導致沒有干擾、極為穩定、低噪聲并且線性的測量。所提出的方法依賴于被特別安排在一起以校正線性問題并且消除干擾的多個手段的組合。根據本發明的最佳方式，此手段的組合有利地包括1)捕集干擾N2測量的雜質，而不影響N2雜質。2)選擇不受來自于在336和337nm的NH發射的干擾的發射波長，即357.69nm。然而，應當注意的是，如果用捕集裝置完全消除了所有的雜質，則也可以使用其它的N2發射波長。3)在等離子體室正前方，向樣品氣體中加入水分，以使輕微的水分變化的影響穩定。實際上，干燥樣品中的輕微水分變化與"潮濕"樣品上的相同變化相比，導致更強的干擾。4)通過測量鄰近所使用的N2發射波長的背景信號并且從N2發射波長扣除此背景信號，消除背景變化。因此有利地使用了凈N2發射。5)測量等離子體壓力并且基于測量的壓力來補償N2發射。6)保證包圍單元的大氣不被電離。這可以通過下列方法進行將電極密封，或將等離子體單元封入適當的灌封化合物中，從而消除包圍系統的全部空氣。7)在等離子體發射系統的入口向樣品氣體中加入少量的02，以消除在等離子體單元內部的碳沉積物，以將它保持清潔并且避免隨時間損失靈敏度。8)通過簡單的軟件算法或通過基于N2水平而調節測量單元等離子體功率，補償信號非線性。為此，可以有利地控制等離子體功率或頻率。盡管這里詳細描述并且在附圖中說明了本發明的優選實施方案，但是應當理解的是，本發明不限于這些精確的實施方案，并且在不背離本發明的范圍或精神的情況下，可以在其中實現各種變化和更改。例如，本發明的方法被描述為用于氬中的N2。然而，值得提及的是，還可以將本發明應用到氦、氖或氪中的N2，并且甚至可以應用到其它的雜質測量。權利要求1.一種消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法包括下列步驟a)提供氣體樣品，所述氣體樣品中具有干擾雜質以及被測量雜質；b)提供多個捕集裝置，所述多個捕集裝置串聯連接以限定具有入口和出口的雜質捕集器，所述捕集裝置的每一個適于捕集所述干擾雜質中的具體一種，而不影響所述被測量雜質；c)在用于移除所述干擾雜質的所述雜質捕集器的所述入口引入所述氣體樣品；d)在所述雜質捕集器的所述出口將水分加入所述氣體樣品中；e)將所述氣體樣品引入等離子體發射系統的等離子體單元中；f)收集在不受光譜干擾的特定發射波長由所述等離子體單元產生的發射光，以提供表示所述氣體樣品的所述被測量雜質的濃度的發射信號；以及g)根據步驟f)中提供的所述發射信號測量所述被測量雜質的濃度。2.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中所述氣體樣品含有氬，并且所述被測量雜質含有氮。3.根據權利要求2所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中在所述步驟f)中，所述特定發射波長為357.69nm。4.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法進一步包括控制所述雜質捕集器的溫度以保持其恒定溫度的步驟。5.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中在所述步驟d)中，使用溫度被控制的裝置加入所述水分。6.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法在步驟e)以前進一步包括在所述雜質捕集器的所述出口將氧加入所述氣體樣品中的步驟。7.根據權利要求6所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中使用溫度被控制的裝置加入所述氧。8.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法進一步包括在所述步驟d)至e)的過程中，將所述氣體樣品的流量保持恒定的步驟。9.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中所述捕集裝置的每一個適于捕集H20、02、CH4、CO、C02、H2、有機化合物和非甲垸的烴雜質中的至少一種。10.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法迸一步包括將所述等離子體單元與環境隔離的步驟。11.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法在步驟g)以前進一步包括下列步驟--收集在鄰近所述特定發射波長的發射波長由所述等離子體單元產生的背景發射光，以提供背景發射信號；以及-從所述發射信號中扣除所述背景發射信號，以提供表示所述被測量雜質的凈發射的凈發射信號，從而消除背景變化。12.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法進一步包括下列步驟-測量所述等離子體單元的等離子體壓力；和-根據所述等離子體壓力補償表示所述被測量雜質的濃度的所述發射信號。13.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法進一步包括補償所述發射信號的非線性的步驟。14.根據權利要求13所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中所述補償步驟包括根據所述被測量雜質的濃度調節所述等離子體單元的驅動功率的步驟。15.根據權利要求13所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，其中所述補償步驟包括根據所述被測量雜質的濃度使用校正算法的步驟。16.根據權利要求1所述的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的方法，所述方法進一步包括下列步驟-提供與所述發射單元并聯連接的參比等離子體單元，以產生表示所述被測量雜質的濃度的參比發射光；-處理所述參比發射光，以提供所述被測量雜質的濃度水平；并且-根據所述被測量雜質的濃度水平調節所述等離子體單元的驅動功率。17.—種消除對氣體樣品中的雜質測量的干擾的系統，所述氣體樣品具有干擾雜質和被測量雜質，所述系統包括多個捕集裝置，所述多個捕集裝置串聯連接以限定具有入口和出口的雜質捕集器，所述捕集裝置的每一個適于捕集所述干擾雜質中的具體一種，而不影響所述被測量雜質；用于向所述氣體樣品中加入水分的裝置，所述裝置串聯連接到所述雜質捕集器的所述出口；等離子體發射系統的等離子體單元，所述等離子體單元串聯連接到所述用于加入水分的裝置上以產生表示所述氣體樣品的所述被測量雜質的濃度的發射光；和處理裝置，所述處理裝置在操作上與所述發射單元連接以處理所述發射光，并且提供所述被測量雜質的濃度。18.根據權利要求17所述的系統，其中所述多個捕集裝置包括用于捕集H20雜質的分子篩、用于捕集氧雜質的還原銅基催化劑、用于捕集氫雜質的鈀基催化劑、用于捕集CO、C02和非甲垸的烴雜質的鎳基催化劑，以及用于捕集有機化合物的活性炭基催化劑。19.根據權利要求18所述的系統，其中所述分子篩具有小于4埃的孔徑。20.根據權利要求18所述的系統，其中所述活性炭基催化劑包括深度脫水的椰子炭催化劑。21.根據權利要求17所述的系統，所述系統進一步包括用于保持所述多個捕集裝置的特定操作溫度的溫度控制裝置。22.根據權利要求17所述的系統，其中所述用于加入水分的裝置的溫度受到控制。23.根據權利要求17所述的系統，其中所述用于加入水分的裝置包括滲透管。24.根據權利要求17所述的系統，所述系統進一步包括用于向所述氣體樣品中加入氧的裝置，所述裝置串聯連接到所述雜質捕集器的所述出□。25.根據權利要求24所述的系統，其中所述用于加入氧的裝置包括滲透管。26.根據權利要求24所述的系統，其中所述用于加入水分的裝置和所述用于加入氧的裝置被嵌入單個滲透管中。27.根據權利要求26所述的系統，其中所述滲透管的溫度受到控制。28.根據權利要求17所述的系統，所述系統進一步包括流量控制裝置和所述用于加入水分的裝置，所述流量控制裝置用于將所述氣體樣品的流量貫穿所述雜質捕集器保持恒定。29.根據權利要求17所述的系統，所述系統進一步包括隔離封閉件，所述隔離封閉件被安裝在所述等離子體單元周圍以將所述等離子體單元與環境隔離。30.根據權利要求17所述的系統，其中所述氣體樣品含有氬，并且所述被測量雜質含有氮。31.根據權利要求17所述的系統，其中所述處理裝置包括收集裝置，所述收集裝置用于收集在不受光譜干擾的特定發射波長的所述發射光，以提供表示所述被測量雜質的濃度的發射信號，所述處理裝置進一步包括微處理器，所述微處理器用于處理所述發射信號并且提供所述被測量雜質的所述濃度。32.根據權利要求31所述的系統，其中所述處理裝置進一步配置有背景收集裝置，所述背景收集裝置用于收集在鄰近所述特定發射波長的發射波長由所述等離子體單元產生的背景發射光，以提供背景發射信號，所述微處理器適于從所述發射信號中扣除所述背景發射信號，以提供表示所述被測量雜質的凈發射的凈發射信號，從而消除背景變化。33.根據權利要求31所述的系統，其中所述處理裝置設有校正算法，所述校正算法用于根據所述被測量雜質的濃度補償所述發射信號的非線性。34.根據權利要求31所述的系統，所述系統進一步包括調節裝置，所述調節裝置用于根據所述被測量雜質的濃度調節所述等離子體單元的驅動功率。35.根據權利要求31所述的系統，所述系統進一步包括用于測量所述等離子體單元的等離子壓力的測量裝置，所述處理裝置還適于根據所述等離子體壓力補償所述發射信號。36.根據權利要求17所述的系統，所述系統進一步包括參比等離子體單元，所述參比等離子體單元與所述發射單元并聯連接，產生表示所述被測量雜質的濃度的參比發射光，所述處理裝置適于處理所述參比發射光以提供所述被測量雜質的濃度水平，所述系統進一步包括調節裝置，所述調節裝置用于根據所述被測量雜質的濃度水平調節所述等離子體單元的驅動功率。全文摘要本發明提供一種基于發射光譜的消除對稀有氣體中的雜質測量的干擾的系統和方法，所述系統和方法提供非常穩定、敏感并且沒有干擾的結果。所述方法主要依賴于特別設計的串聯連接以消除干擾的裝置與適當的用于校正線性問題的裝置的組合使用。所提出的方法是特別有利的，因為即使在低于ppb并且高達10,000ppm的水平，它也提供長期穩定性，同時提供非常精確和可靠的結果，而不管環境條件以及可能存在于處于分析下的氣體中的另外的雜質如何。文檔編號G01N21/69GK101410710SQ200780007141公開日2009年4月15日申請日期2007年2月28日優先權日2006年2月28日發明者伊夫·加馬徹,安德里·福蒂爾申請人:巴拿利提科有限公司