氦質(zhì)譜檢漏儀基本原理簡(jiǎn)介

1、氦質(zhì)譜檢漏儀基本原理簡(jiǎn)介氦質(zhì)譜檢漏儀是用氦氣為示漏氣體的專(zhuān)門(mén)用于檢漏的儀器，它具有性能穩(wěn)定、靈敏度高的特點(diǎn)。是真空檢漏技術(shù)中靈敏度最高，用得最普遍的檢漏儀器。    氦質(zhì)譜檢漏儀是磁偏轉(zhuǎn)型的質(zhì)譜分析計(jì)。單級(jí)磁偏轉(zhuǎn)型儀器靈敏度為lO-910-12Pam3s，廣泛地用于各種真空系統(tǒng)及零部件的檢漏。雙級(jí)串聯(lián)磁偏轉(zhuǎn)型儀器與單級(jí)磁偏轉(zhuǎn)型儀器相比較，本底噪聲顯著減小其靈敏度可達(dá)10-1410-15Pam3s，適用于超高真空系統(tǒng)、零部件及元器件的檢漏。逆流氦質(zhì)譜檢漏儀改變了常規(guī)型儀器的結(jié)構(gòu)布局，被檢件置于檢漏儀主抽泵的前級(jí)部位，因此具有可在高壓力下檢漏、不用液氮及質(zhì)譜

2、室污染小等特點(diǎn)適用于大漏率、真空衛(wèi)生較差的真空系統(tǒng)的檢漏，其靈敏度可達(dá)10-12Pam3s。    (1)工作原理與結(jié)構(gòu)    氦質(zhì)譜檢漏儀由離子源、分析器、收集器、冷陰極電離規(guī)組成的質(zhì)譜室和抽氣系統(tǒng)及電氣部分等組成。    單級(jí)磁偏轉(zhuǎn)型氦質(zhì)譜檢漏儀    現(xiàn)以HZJl型儀器為例介紹單級(jí)磁偏轉(zhuǎn)型氦質(zhì)譜檢漏儀。    在質(zhì)譜室內(nèi)有：由燈絲、離化室、離子加速極組成離子源；由外加均勻磁場(chǎng)、擋板及出口縫隙

3、組成分析器；由抑制柵、收集極及高阻組成收集器；第一級(jí)放大靜電計(jì)管和冷陰極電離規(guī)。    在離化室N內(nèi)，氣體電離成正離子，在電場(chǎng)作用下離子聚焦成束。并在加速電壓作用下以一定的速度經(jīng)過(guò)加速極S1的縫隙進(jìn)入分析器。在均勻磁場(chǎng)的作用下，具有一定速度的離子將按圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，其偏轉(zhuǎn)半徑可計(jì)算。    可見(jiàn)，當(dāng)B和U為定值時(shí)，不同質(zhì)荷比me-1的離子束的偏轉(zhuǎn)半徑R不同。儀器的B和R是固定的，調(diào)節(jié)加速電壓U使氦離子束恰好通過(guò)出口縫隙S2，到達(dá)收集器D，形成離子流并由放大器放大。使其由輸出表和音響指示反映出來(lái)；而不同于氦質(zhì)荷比的離子

4、束(me-1)1(me-1)3因其偏轉(zhuǎn)半徑與儀器的R值不同無(wú)法通過(guò)出口縫隙S2，所以被分離出來(lái)。(me-1)2=4，即He+的質(zhì)荷比，除He+之外，C卅很少，可忽略。    雙級(jí)串聯(lián)磁偏轉(zhuǎn)型氦質(zhì)譜檢漏儀   由于兩次分析，減少了非氦離子到達(dá)收集器的機(jī)率。并且，如在兩個(gè)分析器的中間，即圖中的中間縫隙S2與鄰近的擋板間設(shè)置加速電場(chǎng)，使離子在進(jìn)入第二個(gè)分析器前再次被加速。那些與氦離子動(dòng)量相同的非氦離子，雖然可以通過(guò)第一個(gè)分析器，但是，經(jīng)第二次加速進(jìn)入第二個(gè)分析器后，由于其動(dòng)量與氦離子的不同而被分離出來(lái)。由于二次分離，儀器本底及本底

5、噪聲顯著地減小，提高了儀器靈敏度。    逆流氦質(zhì)譜檢漏儀    逆流氦質(zhì)譜檢漏儀是根據(jù)油擴(kuò)散泵或分子泵的壓縮比與氣體種類(lèi)有關(guān)的原理制成的。例如，多級(jí)油擴(kuò)散泵對(duì)氦氣的壓縮比為102；對(duì)空氣中其它成分的壓縮比為lO4106。檢漏時(shí)，通過(guò)被檢件上漏孔進(jìn)入主抽泵前級(jí)部位的氦氣，仍有部分返流到質(zhì)譜室中去，并由儀器的輸出指示示出漏氣訊號(hào)。這就是逆流氦頃質(zhì)譜檢漏儀的工作原理。    (2)性能試驗(yàn)方法    靈敏度、反應(yīng)時(shí)間、清除時(shí)間、工作真空度、

6、極限真空度及儀器入口處抽速是評(píng)價(jià)氦質(zhì)譜檢漏儀的主要性能指標(biāo)。    靈敏度及其校準(zhǔn)    氦質(zhì)譜檢漏儀靈敏度，通常指儀器的最小可檢漏率。記為qL.min，即在儀器處于最佳工作條件下，以一個(gè)大氣壓的純氦氣為示漏氣體，進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢漏時(shí)所能檢測(cè)出的最小漏孔漏率。所謂“最佳工作條件”是指儀器參數(shù)調(diào)整到最佳值，被檢件出氣少且沒(méi)有大漏孔等條件。所謂“動(dòng)態(tài)檢漏”是指檢漏儀器本身的抽氣系統(tǒng)仍在正常抽氣。儀器的反應(yīng)時(shí)間不大于3s。所謂“最小可檢”是指檢漏訊號(hào)為儀器本底噪聲的兩倍時(shí)，才能認(rèn)定有漏氣訊號(hào)輸出。所謂“漏孔漏率”是指一個(gè)大氣壓

7、的干燥空氣通過(guò)漏孔漏向真空側(cè)的漏氣速率。儀器本底噪聲，一般指在2min內(nèi)輸出儀表的最大波動(dòng)量。    漏率靈敏度標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)即為標(biāo)準(zhǔn)漏孔5進(jìn)氣端提供壓力為pHe的純氦氣。輔助泵6的任務(wù)是預(yù)抽。用干燥瓶4和針閥2調(diào)節(jié)儀器工作壓力。如果儀器本底為I0，本底噪聲為In，標(biāo)準(zhǔn)漏孔對(duì)空氣的標(biāo)稱漏率為qL.o，當(dāng)其進(jìn)氣壓力為pHe時(shí)的儀器訊號(hào)為I，則儀器靈敏度。    如果檢漏時(shí)用輔助系統(tǒng)抽氣(即對(duì)示漏氦氣有分流)。或用累積法檢漏時(shí)，給出儀器最小可檢氦濃度(即濃度靈敏度)。記為min，能較方便地估計(jì)檢漏效果。  

8、;  濃度靈敏度校準(zhǔn)系統(tǒng)中應(yīng)用一流量計(jì)測(cè)出通過(guò)針閥2進(jìn)入儀器的空氣流率qL.o，則儀器濃度靈敏度成。    反應(yīng)時(shí)間、清除時(shí)間及其測(cè)定    反應(yīng)時(shí)間是指儀器節(jié)流閥完全開(kāi)啟，本底訊號(hào)為零(或補(bǔ)償?shù)搅?時(shí)，由恒定的氦流量使輸儀表訊號(hào)上升到最大值的(1-e-1)倍(即O.63)所需要的時(shí)間，記為R。    清除時(shí)間是指輸出儀表訊號(hào)穩(wěn)定到最大值后，停止送氦，其訊號(hào)下降到最大值的e-1倍(即O.37)所需要的時(shí)間，記為C。   

9、60;反應(yīng)時(shí)間和清除時(shí)間的測(cè)定裝置    工作真空、極限真空及入口處抽速    質(zhì)譜室極限真空，尤其是工作真空及入口處抽速是表征儀器性能的重要參數(shù)。利用檢漏儀的真空規(guī)可以測(cè)定儀器的極限真空和工作真空。利用流量計(jì)可測(cè)定儀器入口處抽速。氦質(zhì)譜檢漏儀原理氦質(zhì)譜檢漏儀原理 一、為什么要檢漏泄漏和密封相對(duì)應(yīng)很多情況下，我們需要密封住一定的空間，防止氣體或液體在壓力的作用下，流進(jìn)或流出這個(gè)空間。如真空設(shè)備（真空鍍膜機(jī)，液晶注入機(jī)，PVD，半導(dǎo)體外延等等），需要在真空條件下工作，要求在工作時(shí)，空氣不能漏進(jìn)工作腔體，否則

10、生產(chǎn)不能進(jìn)行，或者產(chǎn)生次品，浪費(fèi)人力物力。另外裝液體或氣體的容器（液壓氣瓶，氧氣瓶，空調(diào)冰箱中的雪種容器等等），要求在容器內(nèi)外存在壓差的情況下，不能有氣體或液體漏出。如果有漏，后果嚴(yán)重，一般會(huì)造成有效物資的浪費(fèi)，如有毒物資、腐蝕性氣體漏出，甚至?xí)劤墒鹿?。這些對(duì)密封性有要求的產(chǎn)品或設(shè)備，在投入使用前，就要先進(jìn)行檢漏，使用中也要定期進(jìn)行檢漏檢查。二、泄漏程度的量化可簡(jiǎn)單理解為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位體積容器，壓強(qiáng)的變化。下面舉兩個(gè)例子，可以對(duì)漏率的大小有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。例一、自行車(chē)胎有 4L 的容積，30 天內(nèi)胎壓從 3 bar 降到 2 ba

11、r，則漏率可量化為：這種程度的泄漏是很?chē)?yán)重的，這個(gè)漏率是很高的，用我們常用的檢漏方式就能檢測(cè)到漏點(diǎn)：將車(chē)胎放入水中，有氣泡出來(lái)的地方就是漏點(diǎn)。例二、冰箱 1 年內(nèi)，雪種泄漏了10 克（分子量 102 g/mol），大約是 2.24 bar·l，則漏率可量化為：這種程度的泄漏對(duì)冰箱來(lái)說(shuō)，是很?chē)?yán)重的，但這樣程度的漏率用普通方法根本無(wú)法檢出。這時(shí)就需要用到檢漏儀或質(zhì)譜儀來(lái)檢查了。下面的內(nèi)容是檢漏儀的相關(guān)介紹。三、氦質(zhì)譜檢漏儀原理有兩種方式可以檢測(cè)出泄漏：1. 示蹤氣體 A 放在容器里面，處于正壓，然后用儀器去檢

12、測(cè)，容器外圍是否有氣體 A，如果容器外有氣體 A，則容器有漏。用這種方式能檢測(cè)出漏點(diǎn)，并能大概判斷泄漏的程度。這種檢漏方式叫Sniffer檢漏或正壓檢漏。2. 示蹤氣體 A 噴在容器外面，用儀器去檢測(cè)容器里面是否有氣體 A。這種方式能檢測(cè)出漏點(diǎn)，并能測(cè)知漏率。這種檢漏方式叫真空檢漏。如何選擇檢漏方式，與檢測(cè)對(duì)象的工作環(huán)境有很大關(guān)系，盡量做到與檢測(cè)對(duì)象的工作狀態(tài)一致。如檢測(cè)對(duì)象工作時(shí)內(nèi)部處于正壓，則用正壓模式，如檢測(cè)對(duì)象工作時(shí)內(nèi)部處于負(fù)壓，則用真空模式。四、示蹤氣體的選擇對(duì)示蹤氣體的要求：一般檢漏都用氦氣（He）作為示蹤氣體，也有用氫氣

13、（H2）作為示蹤氣體的。Table 1 空氣中主要?dú)怏w的屬性    Mean Velocity(m/s)Partial Pressure(mbar)Mean Free Paths(m.Pa)H217621.15 X10-311.5 X10-3He12465.23 X10-317.5 X10-3H2O58712N2471781.85.9 X10-3Ar3949.346.4 X10-3CO23763.3 X10-14 X10-3O2209.7Ne1.82 X10-212.7 X10-3Xe8.7 X10-53.6 X10-3Air4631013從上

14、表中可以看到，氫和氦都是比較理想的示蹤氣體：空氣中的含量少，質(zhì)量輕, 運(yùn)動(dòng)速度快，同等條件下，直線運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)。實(shí)際使用中，也相對(duì)比較容易獲取，可以大量使用。但氫氣在使用中有一定的安全問(wèn)題，所以實(shí)際大部分檢漏使用的是氦氣。五、氦質(zhì)譜檢漏儀的構(gòu)造氦質(zhì)譜檢漏儀實(shí)際上可以說(shuō)是一個(gè)檢氦儀，通過(guò)檢測(cè)氦氣的含量來(lái)確定是否有泄漏。而對(duì)氦的檢測(cè)則使用的是質(zhì)譜儀，是只檢測(cè)氦的專(zhuān)用質(zhì)譜儀，這種質(zhì)譜儀將其它質(zhì)量數(shù)的氣體都屏蔽掉了。質(zhì)譜示意圖如下圖：質(zhì)譜儀要想正常工作，需要真空環(huán)境。至少要在 10-3 mbar 以下，空氣的流動(dòng)才體現(xiàn)為分子流，質(zhì)譜儀才能穩(wěn)定正常工作。所以檢漏儀中還有一套高真空系統(tǒng)。氦質(zhì)譜檢漏儀的真