真空氦质谱检漏原理与方法综述
第二炮兵工程学院 作者：孙开磊
介绍了真空氦质谱检漏技术的工作原理,综述了检漏技术的新方法,分别列举了测定漏点型和测定漏率型两种类型的真空检漏方法和实际应用,较全面地总结了真空氦质谱检漏技术的原理与方法。
氦质谱检漏方法在真空检漏技术领域里已经得到广泛的应用,这种方法的优点是:检漏灵敏度高,可以检漏到10 -11 Pam3 / s 数量级,仪器响应快,氦分子在仪器高真空的环境中扩散的速度很高;所以氦质谱检漏仪在许多领域里得到广泛的应用,例如,在航空航天领域里宇宙飞船、航天飞机、火箭、卫星、飞机等这些都要用到真空检漏技术。在一般工业领域里原子能、发电厂、配电站、合成氨的氮肥生产厂、汽车制造业、造船工业、制冷工业、冶金工业、输气管道、气罐、油罐、锅炉快餐食品包装等都离不开检漏问题,同样在导弹武器装备中也离不开检漏,导弹弹体、燃料储备罐、燃料运输管道、弹头、特殊部件的密封性都要用到氦质谱检漏,本文主要真对氦质谱检漏原理及方法进行综述。
1、氦质谱检漏仪工作原理
图1 是一个典型质谱室的剖面图,灯丝电离出来的电子经加速进入电离室,在电离室内与残余气体分子和经被检件漏孔进入电离室的氦气相互碰撞,使氦分子发生电离,He →He + + e 。
图1 质谱室工作原理
这些离子在加速电场的作用下进入磁场,由洛伦兹力使得氦离子发生偏转,形成圆弧形轨道,半径公式为 :
式中, R 为离子偏转轨道半径; B 为磁场强度; M/ Z为离子的质量与电荷之比; U 为离子的加速电压。由此可见,当R , B 为固定值时,改变加速电压,可使不同质量的离子通过磁场和接收缝到达接收极而被检测到。如果电离室内的成分是干燥大气,在图1的出口缝处测得的离子流强度的理论峰值如图2根据干燥大气成分绘制) 所示,图中峰值的高度代表离子流强度,它与气体在电离室的分压成正比;氦质谱检漏仪就是利用这一原理,实际上把加速电压设在氦峰值上,如图3 所示,接收极在挡板的作用下只能接收到氦离子,氦离子电流经过放大后用作指示漏率。
图2 氦峰示意图 图3 实际所选用的氦峰示意图
2、检漏方法
氦质谱检漏方法比较多,根据被检件的测量目的可以分为两种类型,一种是漏点型,另一种是漏率型;在实际检验过程中要根据检验的目的选用最合理的方法,要以被检器件的具体情况而定,灵活运用各种检漏方法。
2.1、测定漏点型
确定漏点型既是确定要检部件的具体漏点或漏孔的位置,在大部件或大型部件中较为常见,如卫星、导弹弹体、弹头、输气管道、气罐、油罐、锅炉等。
2.1.1、喷氦法
这是最常用的一种方法,一般用于检测体积相对较小的部件,将被检器件和仪器连通,在抽好真空后,在被检器件可能存在漏孔的地方(如密封接头,焊缝等) 用喷枪喷氦,如图4 所示,如果被检器件某处有漏孔,当氦喷到漏孔上时,氦气立即会被吸入到真空系统,从而扩散到质谱室中,氦质谱检漏仪的输出就会立即有响应,使用这种方法应注意:氦气是较轻的惰性气体,在喷出后会自动上升,为了准确的在漏孔位置喷氦,喷氦时应自上而下,由近至远(相对检漏仪位置) ,这是因为在喷下方时氦气有可能被上方漏孔吸入,就很难确定漏孔的位置;再者漏孔离质谱室的距离检漏仪反应时间也不同,所以喷氦应先从靠近检漏仪的一侧开始由近至远来进行。
在检测较大部件时要借助机械泵进行真空预抽,就可以提高检漏效率和时间,如图5 所示,喷氦法在检查那些结构比较复杂的,密封口和焊缝又比较多而且挤在一起的小容器时,由于氦喷出后会很快扩散开来,往往不容易准确地确定漏隙所在的部位,要采取从不同角度喷氦,仔细观察反应时间上的差别和将已发现的漏孔用真空封泥暂时封起来等办法,就可以把漏孔逐个检出。
2.1.2、吸氦法
吸氦法主要用于检查某些大型密封容器。如导弹弹体、弹头、气罐、油罐等,先将容器抽真空,再给容器充入氦气(为了节省用氦量,可以用低浓度氦气) ,在氦质谱检漏仪的进气法兰处接上橡皮管,橡皮管的前端有直径很小的毛细管,使毛细管在充了氦的被检容器外壁的焊缝和密封接头等处移动,如果该容器有漏隙,经漏隙渗出的氦会被毛细管吸入,检漏仪就会响应。
图4 喷氦法检漏示意图 图5 辅助机械泵检漏示意图
2.2、测定漏率型
图6 吸氦法检漏示意图
测定漏率型主要是针对密封性要求严格的部件进行检测,如宇宙飞船、火箭液体燃料储料箱、卫星、电子元器件等。这种方法只能测试试件的漏率,无法确定漏孔的位置和漏孔的个数。
2.2.1、充氦法
充氦法也称负压法 ,如图7 所示,一个密闭的气室连接真空泵和氦气罐,将被检零件装入一个气室,开始关闭氦气罐阀门,机械泵把气室先抽成真空,然后关闭真空泵阀门,打开氦气罐阀门给气室充氦,并静置一段时间。被氦气包围的小器件上如果有漏隙,氦气就慢慢充入小器件内部。然后将气室打开,取出被检器件,用压缩空气吹掉其外表面可能吸附的氦。
图7 给检验试件充氦气 图8 用检漏仪检验试件漏率
再把这些器件逐个(或成组) 地装入接在检漏仪进气法兰处的容器中,把此容器抽空后打开节流阀,这时原先进入被检器件的氦又会经过漏孔放出来,检漏仪就会给出漏率响应。如果采用ZHP230 氦质谱检漏仪,仪器可以直接给出漏率的数字显示。
卫星的整体检漏就是可以用这种方法,如图9所示,将卫星放入大型环模室中,利用环模设备的真空系统将环模抽成真空,先用辅助泵进行粗抽和预抽,在检漏时先通过机械泵将卫星及充气管道抽成真空后,将氦气充入卫星中,压力保持和卫星工作的压力一致,最后开启氦质谱检漏仪用标准漏孔校准仪器,就可以直接测量卫星的漏率了。
图9 卫星整体检漏示意图
2.2.2、钟罩法
将氦质谱检漏仪与试件用真空橡皮管连接,在试件上用密闭的容器罩住,在容器里充入氦气,如图10 所示,检漏仪开始检漏,如果试件有漏点,仪器就可以显示其漏率;这种方法可以测量导弹液体储料罐的漏率,如图11 所示,在罐体外罩氦罩采用塑料薄膜,对罐体进行粗抽和预抽,在用标准漏孔校对检漏仪,对氦罩进行充氦,就可以测出罐体的漏率。
图10 钟罩法检漏示意图 图11 对导弹液体燃料罐进行检漏
3、结束语
氦质谱检漏技术是真空检漏领域里不可缺少的一种技术,用这种技术检漏效率高,简便易操作,仪器反映灵敏,精度高,不易受其它气体的干扰,文中列举的方法是检漏技术领域里经常用道的方法,包括了从小件检漏到大件检漏,从确定漏孔检漏到确定漏率检漏,比较全面的列举了各种检漏方法,在工程实际应用中有很好的参考价值。
