深度揭秘氦质谱检漏技术——选择及逆流检漏仪
一、氦质谈检漏技术的发展
从20世纪60年代开始，氦质谱检漏技术被广泛应用于航天、电子、原子能、制冷、电力、化工、汽车及食品等各个行业。特别是原子能、航天技术的发展，使氦质谱检漏技术得到了飞速的发展。从早期的喷吹法开始，到如今已有了氦罩法、吸枪法、真空室法、检漏盒法、真空室累积法、吸枪累积法、背压法及前级泵出口采样法等多种氦质谱检漏技术。1956年，B.W.Schumacher开始研究背压检漏，并将它应用到密闭电子器件的检漏中去。1973年D.A.Howl先生对背压检漏方法进行了详尽的数学分析，他推导的漏率计算公式就是现在使用的背压检漏用的经典公式。从60年代末开始，兰州物理所开展了大容器检漏方法研究，将拟质谱检漏技术应用于卫星环模设备、铁路运输液氢槽车、运载火箭氢氧液体燃料箱等大型容器的检漏中。1996年，北京卫星制造厂闫治平等人采用氦质谱的非真空收集法对卫星整体进行检漏。近10年来，曹辉玲等人将前级泵出口采样法应用于电力工业及其他大型真空设备的检漏中，采用特制的油污过滤装置对氦具有和积累作用，提高了检漏灵敏度。现在，氦质谱检漏技术已成为迄今最灵敏、最有效、最方便也是应用最广的检漏手段。
二、氦质谱检漏仪的选择
选择氦质谱检漏仪时主要考虑以下问题：
1、仪器的功能能满足检漏的要求。如有些仪器没有逆流检漏功能，就不适合吸枪法检漏；有些仪器没有报废漏率的设置功能，不宜作为批量产品筛选检漏用；流水线上要求一定的检漏速度，此时应选择有双工位的检漏仪。
2、仪器的灵敏度能满足检漏的要求。国内外生产的不同类型的氦质谱检漏仪的灵敏度是不一样的，如果检漏要求的灵敏度较高，就要认真选择。
3、被检件如果害怕油的污染，就应选择无油真空系统的检漏仪。
4、被检件容积如果较大，必须选用抽泵抽速大的检漏仪，否则就要外加预抽泵。
5、如果被检对对象不固定，体积时大时小，灵敏度要求时高时低时，就要选择功能较全、灵敏度较高、检漏范围宽的检漏仪。
6、如果检漏地点不固定，需要经常搬运仪器时，就要选择小型便携式仪器。
7、在满足上述检漏基本要求的基础上，还要综合考虑仪器的价格是否低、操作是否简易、维修是否方便等方面的问题。
三、逆流检漏仪
在一般氦质谱检漏仪中，被检件接在检漏仪的高真空侧，即被检件与检漏仪的质谱室相连。氦气通过漏孔进入被检件并被抽入质谱室中，一部分被高真空泵抽走，如图13所示。
图13 一般氦质谱检漏仪
为了保证质谱室正常的工作压力，不仅要求检漏系统有一定的抽速，而且对被检件的漏率和出气率也有一定的限制。当被检件漏气或出气比较大，质谱室中的压力超过仪器最高工作压力时就无法进行检漏。逆流检漏仪将被检件接在其高真空泵的低真空侧，质谱室仍接在高真空侧，质谱室与被检件之间被高真空泵隔离。检漏时，氦气由漏孔进入被检件后，一部分被前级泵抽走，一部分从前级管道逆着高真空泵气流方向流到高真空侧，在质谱室中被检测出来，逆流检漏仪结构示意图，如图14所示。
图14 逆流检漏仪结构示意图
在逆流检漏仪中，由于被检件接在低真空端，被检件与质谱室之间被高真空泵隔离，被检件中的压力对质谱室的压力影响小，因此可对漏气或出气较大的被检件进行检漏。另外，检漏仪的高真空泵仅用来抽质谱室，因此高真空泵的抽速可大大减小，真空系统的体积可大大缩小，便于做成便携式的仪器。
逆流检漏法是利用高真空泵的压缩比与被抽气体质量有关的原理来工作的。扩散泵的压缩比K可由下式表示
K=p(出口)/P(入口) （11）
式中 p（入口）——扩散泵入口压力；
p（出口）——扩散泵出口，即前级压力。
dfpx比越小，说明逆扩散的气体分子就越多。压缩比与气体分子的质量有关，质量越小，压缩比也就越小。因此，扩散泵对氦的压缩比较小（一般小于103），而对其他气体的压缩比就比较大（如对氦为106~108）。这就说明氦气易由前级逆扩散到质谱室中去，而其他气则不易扩散，这正是逆流检漏所需要的。由于压缩比还与油蒸汽的密度、能量有关，也就是与扩散泵的加热功率以及泵的结构、尺寸有关。合理设计泵的各级喷嘴的尺寸，降低扩散泵功率，对于降低扩散泵对氦的压缩比，提高检漏信号是非常重要的。
值得提出的是，降低扩散泵的功率虽然可使信号增强，但仪器灵敏度却不一定高。这是因为功率降低后，噪声数值有可能随之加大，如果噪场的增加比信号更显著时，其灵敏度反而降低，所以加热功率有一个最佳值。检漏时，我们应将加热功率调节在适当低的最佳数值上。对涡轮分子泵来说，其压缩比不仅与泵的转速有关，而且与泵的结构有关。因此，可以通过降低泵的转速或改变泵的结构来降低泵对氦的压缩比。
文/杨文亮
-
焦点事件
