氦质谱检漏仪原理

bomoaa · 发表于 2012-2-28 14:35:26

氦质谱检漏仪原理
一、为什么要检漏
泄漏和密封相对应
很多情况下，我们需要密封住一定的空间，防止气体或液体在压力的作用下，流进或流出这个空间。如真空设备（真空镀膜机，液晶注入机，PVD，半导体外延等等），需要在真空条件下工作，要求在工作时，空气不能漏进工作腔体，否则生产不能进行，或者产生次品，浪费人力物力。另外装液体或气体的容器（液压气瓶，氧气瓶，空调冰箱中的雪种容器等等），要求在容器内外存在压差的情况下，不能有气体或液体漏出。如果有漏，后果严重，一般会造成有效物资的浪费，如有毒物资、腐蚀性气体漏出，甚至会酿成事故。
这些对密封性有要求的产品或设备，在投入使用前，就要先进行检漏，使用中也要定期进行检漏检查。
二、泄漏程度的量化

可简单理解为：单位时间内，单位体积容器，压强的变化。下面举两个例子，可以对漏率的大小有个直观的认识。
例一、自行车胎有 4L 的容积，30 天内胎压从 3 bar 降到 2 bar，则漏率可量化为：

这种程度的泄漏是很严重的，这个漏率是很高的，用我们常用的检漏方式就能检测到漏点：将车胎放入水中，有气泡出来的地方就是漏点。
例二、冰箱 1 年内，雪种泄漏了10 克（分子量 102 g/mol），大约是 2.24 bar·l，则漏率可量化为：

这种程度的泄漏对冰箱来说，是很严重的，但这样程度的漏率用普通方法根本无法检出。这时就需要用到检漏仪或质谱仪来检查了。下面的内容是检漏仪的相关介绍。
三、氦质谱检漏仪原理
有两种方式可以检测出泄漏：
1. 示踪气体 A 放在容器里面，处于正压，然后用仪器去检测，容器外围是否有气体 A，如果容器外有气体 A，则容器有漏。用这种方式能检测出漏点，并能大概判断泄漏的程度。这种检漏方式叫 Sniffer检漏或正压检漏。
2. 示踪气体 A 喷在容器外面，用仪器去检测容器里面是否有气体 A。这种方式能检测出漏点，并能测知漏率。这种检漏方式叫真空检漏。

如何选择检漏方式，与检测对象的工作环境有很大关系，尽量做到与检测对象的工作状态一致。如检测对象工作时内部处于正压，则用正压模式，如检测对象工作时内部处于负压，则用真空模式。
四、示踪气体的选择
对示踪气体的要求：
一般检漏都用氦气（He）作为示踪气体，也有用氢气（H2）作为示踪气体的。
Table 1 空气中主要气体的属性

Mean Velocity(m/s)
Partial Pressure(mbar)
Mean Free Paths(m.Pa)

H2
1762
1.15 X10-3
11.5 X10-3

He
1246
5.23 X10-3
17.5 X10-3

H2O
587
12
－

N2
471
781.8
5.9 X10-3

Ar
394
9.34
6.4 X10-3

CO2
376
3.3 X10-1
4 X10-3

O2
－
209.7
－

Ne
－
1.82 X10-2
12.7 X10-3

Xe
－
8.7 X10-5
3.6 X10-3

Air
463
1013
－

从上表中可以看到，氢和氦都是比较理想的示踪气体：空气中的含量少，质量轻, 运动速度快，同等条件下，直线运动距离长。实际使用中，也相对比较容易获取，可以大量使用。但氢气在使用中有一定的安全问题，所以实际大部分检漏使用的是氦气。

五、氦质谱检漏仪的构造
氦质谱检漏仪实际上可以说是一个检氦仪，通过检测氦气的含量来确定是否有泄漏。而对氦的检测则使用的是质谱仪，是只检测氦的专用质谱仪，这种质谱仪将其它质量数的气体都屏蔽掉了。质谱示意图如下图：

质谱仪要想正常工作，需要真空环境。至少要在 10-3 mbar 以下，空气的流动才体现为分子流，质谱仪才能稳定正常工作。所以检漏仪中还有一套高真空系统。
氦质谱检漏仪的真空系统图

1. 无害，不能对人体或环境造成伤害
2. 质量轻，惰性气体, 能穿透微小细缝.
3. 化学性质稳定，不会起化学反应或易燃易爆
4. 最好是只有在空气中含量尽可能少的气体，才能满足检漏灵敏度方面的要求

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