顺流式和逆流式检漏仪是如何工作的
我们可以根据从被测件向质谱仪供气的方式区分两种类型的氦检漏仪:
- 顺流式检漏仪
- 逆流式检漏仪
图 14:主流量检漏仪与逆流式检漏仪之间的比较
上图显示了两种检漏仪的真空系统图。在这两种情况下,质谱仪均由高真空泵系统抽真空。
顺流式检漏仪
如果是顺流式检漏仪,则通过冷阱向质谱仪提供待检测的气体。冷阱用液氮 (LN2) 冷却,其本质上就是一个低温泵,所有蒸汽和其他污染物都会在其中发生冷凝。因此,在过去通常使用扩散泵的情况下,经过 LN2 冷却的冷阱可有效保护质谱仪,使之免受扩散泵排放的油蒸汽的影响。
辅助泵用于对被测件和所需连接管路进行预抽真空。为了能将运行中的高真空泵的高真空侧与被测件连接起来,辅助泵必须将被测件抽真空至低于 5·10–2 mbar 的压力。只有这样,才能打开辅助泵和冷阱之间的阀。高真空泵不得将被测件、所需的连接管路和质谱仪抽真空至低于 2·10–4 mbar 的压力。随后,质谱仪可能会开始运行以检漏。
根据被测件漏点的大小和所用真空泵的抽吸性能,抽吸时间可能很长。如果泄漏量非常大,甚至可能根本无法达到上述压力值。
逆流式检漏仪
图 14 的右侧显示了逆流式检漏仪的示意图。我们一眼就能看出其与顺流式检漏仪的示意图有很大不同:在这里,高真空泵仅将质谱仪抽真空(体积较小,漏率非常小),而不会将被测件抽真空(体积较大,通常漏率较大)。
应该注意的是,如果是逆流式检漏仪,待检测气体的供应是在低真空泵和高真空泵之间进行的。这意味着低真空泵和辅助泵必须使被测件达到一定的压力,在该压力下,运行中的高真空泵的低真空侧可以连接到被测件。对于当今的逆流式检漏仪,这种所谓的启动压力可达几毫巴。如果达到检漏仪进口的启动压力,它就会立即切换到测量模式。
流入检漏仪的检测气体 TG(TG = 氦或氢)会增大低真空泵和高真空泵之间的检测气体分压 pFV, TG。
当高真空泵运行时,泵高真空侧的检测气体分压 (pHV, TG) 明显低于泵的前级真空侧 (pFV, TG)。因此,一定量的检测气体会(逆着高真空泵的输送方向)从高真空泵的前级真空侧流向高真空侧。这种现象就是将这种检漏仪称为逆流式检漏仪的原因。
在平衡状态下,高真空侧(即高真空泵和质谱仪之间)将存在以下检测气体分压:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
在这种情况下,C0, TG 是指在检测气体流量为零时(通过高真空泵的检测气体净流量为零)高真空泵对检测气体 TG 的压缩量。
如今,逆流式检漏仪中的高真空泵通常都是具有复合级的涡轮分子泵。这种类型的高真空泵的特点是前级真空一致性高(几毫巴),因此可以在毫巴范围内实现上述高启动压力。因此,与使用油扩散泵的检漏仪(油扩散泵的前级真空一致性 ⋍ 5 ·10–1 mbar)相比,可以明显更快地执行检漏流程。
涡轮分子泵对重质气体(碳氢化合物、油蒸汽)具有非常高的压缩率。因此,以下情况适用:与氦气和氢气等轻质检测气体相比,重质气体颗粒基本上无法到达质谱仪。涡轮分子泵由此成为质谱仪的出色保护装置,这便淘汰了液氮冷却的冷阱。
采用分流操作的逆流式检漏仪
如果由于被测件的尺寸或泄漏而无法将被测件抽真空至所需的启动压力或耗时过长,则除了检漏仪外,还必须使用辅助泵(辅助泵系统)。
然后,检漏仪将以所谓的分流配置运行。由于辅助泵的性能通常高于检漏仪中内置的低真空泵,大量检测气体将流经辅助泵,只有少量检测气体会流经低真空泵。
但是,低真空泵进口和辅助泵进口的检测气体分压 pFV, TG 是相同的。因此,来自被测件的检测气体总流量等于
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
其中:
- SRP, TG = 检漏仪内置低真空泵的检测气体抽速 (l/s)
- SAP, TG = 辅助泵的检测气体抽速 (l/s)
这是检漏仪应该显示的真实漏率。但是,检漏仪的电子系统会生成以下显示
qL, display = pFV, TG · SRP, TG
以下结果得自:
检漏仪显示的漏率 qL, display 等于真实漏率 qL 与分流比 γ 的乘积:
qL, display = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (分流比)
分流比是通过上述关系式计算得出的。
在实践中,通过实验确定分流比通常是有意义的。为此,可直接在检漏仪上安装漏率为 qL 的校准漏孔(在无辅助泵的情况下运行)。然后,检漏仪将在显示屏上显示检漏仪的真实漏率 qL。必须记录 qL 值。现在,在被测件处安装相同的校准漏孔,使辅助泵处于运行状态,并记录检漏仪显示屏上的指示值。检漏仪现在指示 qL 显示。求得的分流比 γ 则将得自 qL, display 和 qL 的商数:
γ = qL, display / qL (分流比)
图 15:利用分流原理的检漏仪使用示例
连接到真空系统
检漏仪与带多级真空泵组的真空系统的连接通常采用分流法进行。在考虑理想连接位置时,必须记住检漏仪通常是小型便携式装置,在连接法兰处的抽速较低(通常为 SRP, TG ⋍ 2 m3/h)。所以,务必要根据预期的分流比(比如按照抽速为 SAP, TG = 10000 l/s = 36000 m3/h 的扩散泵所确定的分流比)来估算可以检测的漏率。
在具有高真空度和罗茨泵的系统中,可靠的方案就是将检漏仪连接在旋片泵和罗茨泵之间,或罗茨泵和高真空泵之间。如果压力大于检漏仪的许可进气压力,则必须通过计量阀(漏率可变)连接检漏仪。当然,还必须具有合适的连接法兰。
此外,还建议在开始时就在此处安装一个阀,以便在需要时能够快速连接检漏仪(在系统运行时),打开阀门就能立即开始检漏。为了避免该阀被意外打开,在真空系统正常运行期间,应使用盲法兰将其封闭。
将检漏仪连接到较大真空系统的另一种方法是将吸枪插入系统的大气侧出口。这样吸枪就可以嗅探排气中检测气体浓度的增加。
- SLD = SR,氦气
检漏仪内置低真空泵在分支点处的氦气抽速 (l/s) - SAP = SAP,氦气
辅助泵在分支点处的氦气抽速 (l/s)
时间常数
真空系统的时间常数通过以下公式得出:
t = Vch / Seff
- Vch = 容器的容积 (l)
- Seff = 容器内检测气体的有效抽速 (l/s)
图 16:信号响应和抽速
上面的图 16 显示了对于 2 种不同的配置,在连接到检漏仪的被测件的漏点处喷上检漏气体后的信号传输过程:
- 将被测件(容积为 Vch)直接连接至检漏仪 LD(检测气体的有效抽速 = SLD)。
- 除 1 外,还将具有相同有效抽速 SAP = SLD 的辅助泵(= 分流泵)连接至被测件。
图 16 所示为两条相应的信号曲线:
曲线 1:在"“死区时间”t0 后,与检测气体分压 pTG 成正比的信号随着时间 t 的推移而增大,其关系式为
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ ] }
经过一段时间后,信号达到其终值的一部分
- t − t0 = 1 τ 终值的 63.3%
- t − t0 = 3 τ 终值的 95.0%
- t − t0 = 6 τ 终值的 99.8%
信号的终值与 pTG = qL/Seff 成正比,因为 t - t0 >> τ 的指数项会消失。
达到终值的 95% 所需的时间跨度 t - t0 被称为响应时间。其值为 3 τ。
曲线 1 的结果如下:信号的终值与 pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1 成正比
响应时间 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
以下内容适用于曲线 2(= 分流操作):信号的终值与 pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0.5 · p1 成正比
响应时间 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0.5 · τ1
由于安装了辅助泵(= 分流泵),响应时间总是会缩短,信号的终值总是会降低。在上例中,响应时间减少了一半,而信号的终值也减少了一半。
响应时间短意味着信号的快速变化和显示。这提供了一个优势,即可以显著减少检漏所需的时间。信号的终值较小的不利后果是,由于当今检漏仪的灵敏度非常高,在大多数情况下,信号的终值较小并不会造成任何严重问题。
结论:分流操作可减少检漏所需的时间!
通过将各个时间常数累加在一起,可以初始地近似估算前后连接在一起并与相关泵相连接的数个容积所需的总时间常数。
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