浅述高纯气体中微量水的分析

叶相平

（佛山市华特气体有限公司，广东佛山 528244）

·分析与测试·

浅述高纯气体中微量水的分析

叶相平

（佛山市华特气体有限公司，广东佛山 528244）

叙述了化工生产中电容法分析六氟化硫、四氟化碳，压电晶体法分析超纯气体，光腔衰荡光谱法测定超纯氨中的微量水含量的方法，通过在实验及工作中发现用这三种方法分析高纯气体的水含量可行，能满足产品生产监测的需要。

微量水分析；电容法；压电法；光腔衰荡光谱法

1 概 述

随着高新技术产业的发展，高纯气体的需求量逐渐增加。高纯气体在大规模集成电路的研究和生产、高纯金属的冶炼和处理、太阳能光伏产业等各领域都有着广泛的应用。高纯气体中的水分含量是影响气体质量的重要指标，是影响用气产品质量的重要因素之一。因此，需要严格控制高纯气的水分含量。本文结合我司工艺生产的具体实际情况，简略论述电容法、压电法及光腔衰荡光谱法检测高纯气中水含量原理及其在实际工作中的应用。

2 采样及气路连接的要求

2.1 采样前注意事项

高纯气体中微量水的分析对操作要求非常高，环境湿度、管线接头、采样阀及测量流量对测量结果都有影响，所以一般在室温15～28℃，湿度40%～70%的洁净环境下测定；选用死体积小的针阀或减压器，管线选用内径1/16 in或1/8 in的内壁内抛光的、尽可能短、管壁无吸附的不锈钢管；测量时气体流量一般控制在400～1500 mL/min，具体应结合仪器的相关参数。

2.2 气路连接

用高纯气吹扫置换方式使微量水分仪器、减压器、采样管线长时间受气体保护，保证取样系统的干燥，气路连接方式见图1。

图1 气路连接方式Fig.1 Gas line connection

还有一种方法是用采样阀直接连接样品气瓶，通过至少连续3次高低压置换后连接仪器。

3 对微量水分仪的选择

在开展微量水测试工作前，首先应选用适当的分析仪器，以达到有效的结果。

1.需了解仪器的工作原理，样品气是否会与仪器起化学反应，判断能否用来测定样品气体。

2.确定仪器的检测限是否满足测试样品气的要求。

3.考虑分析所需的样品量，以防止样品量不足而影响测试结果。

4 气体中水含量的几种检测方法

4.1 电容法

电容法是传感器的介电常数随着湿敏层对水的吸收或解吸的变化来测量气体的相对湿度［1］。氧化铝电容法是利用沉积在导电基体上的孔状氧化铝薄膜与涂在其表面的一层薄金形成电容器的电极。气体中的水分透过金薄层被氧化铝吸收，电容器的阻抗与水汽分压成一定的比例。薄膜电容法是通过沉积在两个导电电极上的薄膜吸水或失水后，改变两个电极间的介电常数来测量水含量。电容法对水有高度的选择性，并具有响应快、量程广、灵敏度高的特点。同时电容法属于间接测量方法，消耗样品气量大，受腐蚀性气体的影响，须定期校准。

4.2 压电法

压电法是利用涂有一种吸湿性物质的石英晶体吸收不同质量水分时振动频率有差异的特点［1］，让样气和标准干燥气流经该晶体，因而产生不同的振动频率差Δf1和Δf2，计算两频率之差即可得到样气的湿度。此方法属绝对测量法，稳定，不漂移，适合在线气体的连续测定。但在测试低湿度时响应慢，受气体流量影响，不能用于腐蚀气体的测试。

4.3 光腔衰荡光谱法

光腔衰荡光谱法是通过一束单波长激光通入光腔后，光束在腔镜之间来回反射。当切断光源后，其能量就会随时间而衰减，衰减的速度与光腔自身的损耗（包括透射、散射）和腔内被测组分（介质）的吸收有关。对于给定的光腔，其自身的损耗为常量。光能量衰减的速度与被测组分的含量有关。

4.4 其它的几种测量水分的方法

4.4.1 露点法[3]

样品气体在恒压下均匀降温时，气体及气体中水分的分压保持不变，当气体中的水分到达饱和状态下的温度就是气体的露点。露点仪的测量精度高，但需精确度高的温控系统及光洁度好的镜面。

4.4.2 电解法[4]

样品气连续进样流过一个结构特殊的电解池，电解池中的吸湿剂五氧化二磷层吸收水分，将其电解为氧气和氢气放出后，五氧化二磷得以再生。

4.4.3 重量法[5]

让所测样品气流经干燥剂，其所含水分被该干燥剂吸收，称取干燥剂吸收的水分重量，与样品气体积之比就是样品气的湿度。表1为检测水含量的几种仪器的性能指标。

表1 仪器性能指标一览表Table 1 List of instrument performance indicators

5 实验部分

5.1 氧化铝电容法

5.1.1 实验仪器和材料

英国肖氏SHAW露点仪；六氟化硫气体。

5.1.2 实验方法

用六氟化硫对采样管路进行充分吹扫置换。将气路系统参数设定为流速1 L/min，温度25℃，湿度60%。分别对三瓶六氟化硫进样，平行测量三次数据分析得到结果，如表2。

表2 99.99%SF6气体的含水量 单位：10－6Table 2 Moisture content of 99.99%SF6gas

5.1.3 实验结论

从表2中实验数据可知，采用SHAW露点仪相对标准偏差小于3%，仪器重复性良好，精密度高。

5.2 薄膜电容法

5.2.1 实验仪器

DPT-600露点仪。

5.2.2 实验材料

四氟化碳，三氟甲烷。

5.2.3 实验方法

表3 99.999%CF4气体的含水量 单位：10－6Table 3 Moisture content of 99.999%CF4

表4 99.999%CHF3气体的含水量 单位：10－6Table 4 Moisture content of 99.999%CHF3

用样品对采样管路进行充分吹扫置换。将气路系统参数设定为流速1 L/min，温度25℃，湿度60%。分别测量四氟化碳及三氟甲烷中的含水量，三次平行实验得到的数据计算其平均值及其标准偏差分析结果如表3、4。

5.2.4 实验结论

从表中数据可知，采用DPT-600露点仪相对标准偏差＜3%，测试结果精密度高，适合成品的监测。

5.3 压电法

5.3.1 实验仪器

美国AMETEK公司的5830微量水分仪。其原理是石英晶体振动频率法，属于压电法中的一种。

5.3.2 实验材料

在线99.9999%氦气，瓶装99.9999%氮气，瓶装99.999%六氟乙烷。

5.3.3 实验方法

用样品对采样管路进行充分吹扫置换。温度25℃，湿度60%，取样压力：25 psig。仪器需定期进行调零及校正，测量前，由于不同的气体校正因子不同，应在仪器样品设置栏目中选择要测试的样品种类。仪器稳定时，读取气体中水分含量的体积分数。每隔30 min读数一次，连续读三次，在线测试99.9999%氦气，测试瓶装高纯气体的含水量，得到的实验数据分析结果见表5～7。

表5 在线测超纯He气体的水含量 单位：10－6Table 5 Moisture content onlinemeasurement of ultra pure He

表6 瓶装超纯N2气体的含水量 单位：10－6Table 6 Moisture content of bottled ultra pure N2

表7 瓶装C2F6气体的含水量 单位：10－6Table 7 Moisture content of bottled ultra pure C2F6

5.3.4 实验结论

从表中的实验数据可以看出，采用该仪器测量超纯气中的微量水，相对标准偏差小于＜3%，精密度高，适合高纯气及超纯气的生产在线及成品的监测。

5.4 光腔衰荡光谱法

5.4.1 实验仪器

Tigeroptics HALO-H2O-LP。

5.4.2 实验材料

在线 氨气 （99.99999%），瓶 装 氨 气（99.99999%）。

5.4.3 实验方法

表8 超纯NH3中水含量在线测定 单位：10－9Table 8 Moisture content onlinemeasurement of ultra pure NH3

表9 T罐中超纯NH3含水量的测定 单位：10－9Table 9 Moisture content of ultra pure NH3in T tank

用样品对采样管路进行充分吹扫置换。将气路系统参数设定为流速1 L/min，温度25℃，湿度60%。我们使用该仪器在线测试超纯氨气（99.99999%）及瓶装气体的含水量，仪器稳定时，读取气体中水分含量的体积分数。每隔30 min读数一次，连续读三次，其结果见表8、9。

5.4.4 实验结论

从表中可看出，采用该仪器分析超纯氨中的水分含量，相对标准偏差小于2%，准确度高，适合痕量水的测试，能满足超纯氨生产在线及成品的监测。

6 结 语

通过多次实验用电解法、电容法、压电晶体法及光腔衰荡光谱法测量高纯气体中微量水分，它们具有高灵敏度，高准确度和快速响应的特点，用于测量规模化生产的高纯四氟化碳（CF4）、六氟乙烷（C2F6）、三氟甲烷（CHF3）、高纯甲烷（CH4）及超纯氢（H2）、氮气（N2）、氦气（He）、超纯氨（NH3）等电子气体中的微量水含量，效果良好，能满足产品生产监测。

［1］张巨东.在线露点分析仪在管输天然气中的应用［J］.新疆石油天然气，2008，4（3）：83-87.

［2］GB/T 5832.1—2003气体湿度的测定第1部分电解法［S］.

［3］GB/T 5832.2—2008气体中微量水分的测定第2部分露点法［S］.

［4］张凤利.气体中微量水分析方法概述［J］.低温与特气，2010，28（6）：8-10.

Brief Introduction of High-Purity Gas Analysis of Trace W ater

YE Xiangping
（Foshan Huate Gas Co.，Ltd.，Foshan 528244，China）

Described the analysis of sulfurhexafluoride and carbontetrafluoride with capacitancemethod，analysis of ultrapure gases with piezoelectric crystal，cavity ring-down spectroscopy method for the determination of trace water content in the ultra-pure ammonia in the production of chemical.It is found these threemethods feasible to analyze the water content of the high purity gas in the experiment and work，tomeet the needs of the production monitoring.

trace water；capacitancemethod；piezoelectricmethod；optical cavity ring-down spectroscopy

TQ117

A

1007-7804（2014）03-0033-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.010

叶相平（1981），男，佛山市华特气体有限公司气体质量分析研究方向。

2013-06-09