真空技术第五章

p
QL Se
（5-3）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Q 真空泵
(2) 封离型真空器件的容许漏率 设器件的容积为V，工作（或存储）寿命为t，器件刚封离时的压强为p0, 最高容许压强为pmax，容许漏率为
1 1 p p0 QL max ～ max V t 5 10
（5-4）
漏孔对真空系统的影响是相对的。某一漏孔对某个系统可能是不容许的， 但对另一个系统却可能是容许的。
2. 漏孔的漏率
漏孔的大小是用其漏率[Pa L/S或Torr L/S]来衡 量的。若有两个漏孔，不论它们的形状如何，只要漏率 相等，就认为这两个漏孔是同样的漏孔。 国际真空学会对于漏孔漏率的定义： 在漏孔一端的压强为101325Pa(±5%），另 一端为压强低于1013.25Pa, 露点低于-25℃的空气， 在温度为23 ±3℃时流过漏孔的流量。
这种方法的可检漏率为10-3-10 PaL/S。
•显色法（氨检法）
示漏气体用氨气，将溴酚蓝试 纸贴在容器可能有漏孔处。先将 容器抽到10Pa真空度，再充入 1.5-2kg/cm2的氨气，放置一 段时间，观察试纸是否出现斑点。 当放置时间为12小时时，可检最 小漏率为10-5PaL/S。
图5-4 显色法（氨检法）检漏
DP DA p
设系统抽速为S, R为电离计相对灵敏度，得
图5-5
S QL p R 1
设折合系数
得
DA D0 DP DA R 1 DA D0 DA D0 DA D0 S QL p （5-5）
D p D0

2 检漏响应时间 当示漏物质进入漏孔后，电离计的读数不会阶跃式的变化，而是逐渐变化的；原因是 示漏气体的扩散和流动需要一定时间，故示漏气体的分压强建立需要一定的时间。
图5-11 氦质谱分析室的结构
2 主要参数 （1） 检漏灵敏度 氦质谱检漏仪的最小可检漏率可达10-9PaL/S，是所有检漏方法中最灵敏的。 重要的是，这一灵敏度是在总压强为10-2Pa的情况下实现的。 （2） 响应时间与清除时间 设质谱室体积为V，氦的分压强为phe，真空系统对质谱室中氦气的有效抽 速为She,。当喷吹氦气以漏率QHe进入分析室后，氦的分压强变化如下：
第五章
真空检漏
5.1 漏孔对真空系统的影响
设真空系统对容器的有效抽速为Se，器壁放气率为 QD，漏气率为QL[Pa L/S]，则真空泵抽走的总气体量 为Q=QD+QL，容器中能达到的极限真空度为
QD
p
QL Se
Q QD QL pu Se Se
Q
（5-1）
真空泵
假设系统经过有效的除气，QD可减小到可忽 略的程度，这时有
图5-1 真空系统压强与漏孔的关系
QL pu Se
（5-2）
可见，这时系统的极限真空度主要取决于漏孔漏气率的大小。
真空系统由多种元件、多种材料组成，在其连接处、焊接处等容易产生肉眼看 不到的极小的漏孔。要堵塞漏孔，首先要能检查出这些漏孔的位置，并在必要时判 断出其漏气率的大小，这一技术称为“真空检漏”。
0
0.5 1
p
图5-8 电离计的指示表
如果系统真空度只能达到10-4Pa量级（一般高真空系统所能达到的真空度）， 则能够测量的最小压强变化量为5%×10-4Pa=5×10-6Pa,当S=1L/S,Φ=1时，相应 的最小可检漏率为5×10-6PaL/S. 所以，电离计检漏在实际应用中，能够达到的最小可检漏率为10-4-10-6PaL/S。
dpHe V S He pHe QHe dt
pHe
pHe
t QHe 1 e S He
（5-6） (5-7)
解得
停止喷吹氦气后
QHe t V e , 其中 为响应时间 S He S He
（5-8）
一般希望τ≤3秒
减小τ与增大氦分压强变化幅度是相互 矛盾的。
1. 真空系统漏气的判断 先将真空系统抽气，到达一定压强后， 将阀门关住，让系统与泵隔断。然后测量系 统压强的变化率： a. 压强保持原值：系统既不漏气， 也不放气； b. 压强的增加是放气所致； c. 压强的增加是漏气所致； d. 系统同时存在放气和漏气。 图5-2 真空系统漏气的判断
例：对某真空系统，关闭泵与系统间的阀门以后，在10分钟内测量压强的增 加量ΔP/Δt,如果ΔP/Δt< 2×10-5 Pa/min，则系统是不漏气的。
（图5-6）
（图5-7）
Pt呈对数函数变化，变化到最大值的1/e所需的时间称为“响应时间”τp。τp 和Δpt最大值与漏孔大小、抽速、容器体积等有关。
•容器越大、抽速越小，则τp越大，响应越慢； •漏孔越小，抽速越大，则Δpt最大值越小。 响应时间一般为几秒-几分钟；电离计读数变化可能很小。因此检漏需要仔细和耐心。
图5-10
（2）采用氦气作为示漏气体的原因 •氦在大气中的含量极少，只有二十万分之一。在一般材料的放气成分中， 氦气成分几乎为零。可以最大限度的避免对示漏信号的干扰，有利于提高 检漏灵敏度。 •在质谱图上，与氦质谱峰（A=4）相邻近的质量数的峰很少，距离也远， 因此氦质谱检漏仪的分辨率可设计得低些，以提高灵敏度。 •氦分子直径小，质量轻，扩散系数大，易于穿过漏孔。 •氦是惰性气体，不会与真空系统材料和其他气体发生化学反应，污染系统。 操作安全。 •氦离子的质荷比小，在磁分析器中偏转半径小，有利与减小磁分析器尺寸 和减小磁场。
换句话说，电离计检测示漏气体的的浓度灵敏度为5%。
4 高频火花检漏法
图5-9 高频火花检漏仪的原理电路
高频火花检漏仪适用于玻璃真空系统的检漏。
高频火花检漏仪可以用于玻璃真空系统的低真空粗略测量
表5-3
5.3 氦质谱检漏仪
1 工作原理 质谱计对示漏气体的浓度灵敏度达10-5(数十ppm），可以大大提高 对示漏气体的探测能力，氦质谱检漏仪就是专门用于检漏的磁质谱计。 与一般磁质谱计的不同之处，就是它的设计只用于探测He气，不扫描。 （1）结构
4. 检漏的目的
•确定系统或器件是否有漏孔； •找出漏孔位置； •必要时估计漏孔的大小。
5.2 检漏方法
1.高压强法 这类方法是在被检容器内充入压强高于一个大气压的示漏气体，观察 从容器漏孔漏出气体所导致的各种现象，判断漏孔的位置和大小。 •皂泡法 向被检容器内充入高压空气或氮气，把肥皂液涂刷到可能有漏孔的地方， 用人眼仔细观察。若有漏孔，将在不同的时间间隔内出现大小不同的皂泡。
2. 充分利用真空系统中的元件（如阀门，真空计），逐段、逐件分步检测。
3. 对新的真空系统检漏前应尽量减小系统的放气。 4. 注意是否存在虚漏。 5. 系统中的橡胶密封件对氦气的渗透率比较大，不要误判。 6. 对系统内的冷却水管检漏前，应将水排干，并用热风吹至干燥后再检漏。 7. 可运用四极质谱计，磁质谱计检漏。
表5-2
高压强法一般适用于金属大容器的检漏，不适用于玻璃容器。
5.2 真空计法和火花检漏法
1. 真空计法 真空计法是利用相对真空计对不同的气体有不同的灵敏度这一特性，进行检漏的 方法。一般真空系统都有电离真空计，这种方法不用另添设备，有很大的实用性。 在被检容器外侧喷吹示漏气体或涂抹示漏液体 （一般用乙醇），若有漏孔，示漏气体进入容器改变 了气体成分，由于电离计对不同气体的灵敏度不同， 导致电离计读数改变。设读数改变量为
P1
p 1> p 2
P2 QL
图5-3 漏孔的漏率
真空系统的漏孔一般是很小的，漏率<10-1Pa L/S；漏孔的孔径d一般为微 米量级，属于分子流漏孔。
在分子流下
2 r 3 RT QL v ( p1 p2 ), 而v 1.6 3 l M
故漏率与气体种类有关。如当He通过漏孔时，其漏率是空气的2.7倍。
表5-1
还可以使用其它的示 漏气体及相应的指示剂。
•保压法
被检容器充高压空气（或氮气）至4-7kg/cm2，用一阀门关闭充气管道， 用压力表测量容器内压强变化。
保压24小时后，如果压强没有有意义的变化，可认为容器不漏。
可检最小漏率为10-4PaL/S。
•水泡法
将充有高压气体的被检容器浸泡在水中，观察水泡出现的位置和冒泡的 速度，在不同压力下的漏率如表5-2所示。
3. 容许漏率
任何真空系统，要做到绝对没有漏孔是不可能的，也没有必要。只要漏孔 小到不足以影响系统的正常工作，则这种漏孔就是容许的。 (1) 动态真空系统的容许漏率 设被抽容器中的最高容许压强为pmax， 则容许的漏率为
1 1 QLmax ～ pmax Se 5 10
QD
3 真空计法的可检漏率
真空计法的最小可检漏率与系统的压强有关。 设用B-A计检漏，其最低量程是1×10-8Pa，能够 测量的最小压强变化量是5×10-9Pa（半小格）。假设 S=1L/S,Φ=1，则最小可检漏率为5×10-9PaL/S.但这 要求系统检漏时能抽到<1×10-7Pa的真空度。这是因 为电离计表读数的变化量要大于满刻度（10×108=1×10-7Pa）的5%（既5×10-9Pa），才能确定是有意 义的变化，否则可能是仪器本身噪声引起的变化。
图5-12 响应时间和清除时间
3 检漏方法 （1）真空法
•对小体积的被检容器，直接 接入氦质谱检漏仪。
•对大体积容器，用辅助真空 泵进行低真空预抽，提高工 作效率。
图5-13
（2） 压力法
适用于形状复杂，有细长 管道的系统。
图5-14
（3） 背压法 适用于小型密封电子器件的检漏。
图5-15 背压法原理
这种方法不适用于检大漏孔。
（4）氦罩积累法
图5-16 氦罩法原理
这种方法横很快确定器件是否有漏，灵敏度高，但不能确定漏孔 位置。适合于批量生产的产品检漏，且不需要找出漏孔位置的场合。 效率高。