氦质谱检漏仪入口压力与显示值的关系研究
北京卫星环境工程研究所 作者：王勇
文中首先从理论上推导出检漏仪的入口压力与显示值的数学关系表达式, 其次通过试验验证了该表达式的正确性。与此同时, 提出了一种测试检漏仪线性性能的新方法。研究结果表明: 检漏仪的入口压力与显示值是线性关系; 当温度和测试气体的浓度一定时, 该线性关系的斜率是检漏仪的本质属性, 只与检漏仪自身的参数有关。
航天器的密封性能是评价航天器质量高低的一个重要参数。在航天器的制造和装配过程中, 所做的密封性能测试一般包括单点的漏率测试以及总漏率测试。对于单点漏率测试, 现在所采用的方法往往都是吸枪法, 因此研究吸枪法具有极其重要的工程实际意义。吸枪法检漏的示意图如图1 所示, 具体的操作过程是: 将被测物内充入规定压力的氦气,用特制的吸枪( 如限流的针阀、膜孔或毛细管) 在被测物外进行探索, 见图1。若被测物存在漏孔, 氦气将通过漏孔向外逸出。当吸枪正对漏孔位置时, 氦气随同周围空气一起被吸枪吸入到检漏仪中而产生输出指示, 从而达到检漏目的。
在采用吸枪法进行单点漏率测试时, 通常规定检漏仪的入口压力在一定的范围内。如Leybold公司的PhoeniXL300 氦质谱检漏仪在检漏时的入口压力规定为30~ 70 Pa。那么检漏仪的入口压力对测试数据有多大影响呢? 或者说入口压力与检漏仪的输出显示值有何关系呢? 本文尝试从理论和试验两个方面来解决这一问题。这一问题的解决将对使用氦质谱检漏仪的其它检漏方法也有一定的参考意义[1] 。
图1 吸枪法检漏原理示意图
1 、氦质谱检漏仪的原理简介
氦质谱检漏仪通常由真空系统、质谱室及测量电路组成, 其中核心为质谱室。质谱室又由离子源、分析器、收集器三部分组成。其一般的原理是将进入质谱室中的混合气体进行电离, 形成具有一定能量的离子, 这些离子由于质荷比的不同, 在分析器中将按不同轨迹运动从而彼此分开, 仅使氦离子在收集极上收集并最终放大显示[2] 。因此, 氦质谱检漏仪在本质上讲可以看成是氦气原子的计数器。其无论输出显示的是电压值还是漏率值, 虽然表现形式不一样, 但这些显示值必将都与进入质谱室中的氦气原子的摩尔数是线性正比的。在有些文献上, 也将检漏仪的输出显示值看成与进入质谱室中的氦分压成线性正比的[3-4] 。这在本质上是一致的, 可以通过理想气体的状态方程进行简单的转换。常见的两种氦质谱检漏仪的基本原理见图2 和图3。在一般的氦质谱检漏仪中, 被检件接在检漏仪的高真空侧( 即检漏仪的质谱室) , 当被检件漏气或出气较大时, 质谱室中的压力将超过仪器的最高工作压力, 此时检漏仪就无法进行工作了[2] , 因此, 实际工程中往往采用逆流检漏仪。逆流检漏仪是利用高真空泵的
压缩比与被抽气体质量有关的原理来工作的。气体的质量越小, 压缩比也就越小, 因此逆扩散的示漏气体的分子数就越多, 这些逆扩散的分子进入质谱室,最终形成了检漏仪的输出读数。现在工程实际中所使用的检漏仪几乎全是逆流检漏仪, 因此, 本文着重分析逆流检漏仪。
吸枪是氦质谱检漏仪的一种取样探头。目前大多数吸枪采用针阀式结构, 可以精确调节吸枪的流导以满足检漏仪的工作压力需求。因此, 可以通过调节吸枪, 在检漏仪的工作压力范围内改变入口压力, 来考察入口压力的变化对吸枪检漏数据的影响。本文的试验部分就是基于这样的设想完成的。
图2 一般氦质谱检漏仪
图3 逆流检漏仪
5、结论
(1) 当所测气体的浓度和温度固定时, 检漏仪的入口压力与显示值是线性关系; 且该线性关系的斜率是检漏仪的本质属性, 只与检漏仪自身的参数有关。
(2) 通过调节检漏仪的入口压力来调节进入检漏仪的氦气量, 从而可以测试检漏仪的线性, 这就为测试检漏仪的线性提供了一种廉价而方便的方法。
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