真空检漏的原理和方法

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2．漏孔、漏率及其单位 真空技术中所指的漏孔，由于尺寸微小、形状复杂、形式多样(如图1所示) ，无法用几何尺寸表示其大小。所以一般用等效流导或漏气速率(简称为漏率) 表示漏孔的大小。 用漏率表示漏孔大小时，如果不加特殊说明，则是指在漏孔入口压力为 1.01×105Pa，出口压力低于1.33×103Pa，温度为296士3K的标准条件下，单 位时间内流过漏孔的露点温度低于248K的空气的气体量。 漏率的单位是帕斯卡×立方米／秒，记为Pam3／s。为了方便，有时用帕斯 卡×升／秒，记为PaL／s。 PaL s
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二、检漏仪器 用于检漏的仪器有氦质谱检漏仪、卤素检漏仪、高频火花检漏器、气敏半 导体检漏仪及用于质谱分析的各种质谱计。这里主要介绍氦质谱检漏仪、卤 素检漏仪、高频火花检漏器的工作原理、结构及国产检漏仪器的技术性能。 1．氦质谱检漏仪 ． 氮质谱检漏仪是用氦气为示漏气体的专门用于检漏的仪器，它具有性能稳 定、灵敏度高的特点。是真空检漏技术中灵敏度最高，用得最普遍的检漏仪 器。 氦质谱检漏仪是磁偏转型的质谱分析计。单级磁偏转型仪器灵敏度为lO-9 ～10-12Pam3／s，广泛地用于各种真空系统及零部件的检漏。双级串联磁偏 转型仪器与单级磁偏转型仪器相比较，本底噪声显著减小．其灵敏度可达1014～10-15Pam3／s，适用于超高真空系统、零部件及元器件的检漏。逆流氦 质谱检漏仪改变了常规型仪器的结构布局，被检件置于检漏仪主抽泵的前级 部位，因此具有可在高压力下检漏、不用液氮及质谱室污染小等特点．适用 于大漏率、真空卫生较差的真空系统的检漏，其灵敏度可达10-12Pam3／s。
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(2)性能试验方法 灵敏度、反应时间、清除时间、工作真空度、极限真空度及仪器入口处抽速 是评价氦质谱检漏仪的主要性能指标。 ①灵敏度及其校准 氦质谱检漏仪灵敏度，通常指仪器的最小可检漏率。记为qL.min，即在仪器处 于最佳工作条件下，以一个大气压的纯氦气为示漏气体，进行动态检漏时所能检 测出的最小漏孔漏率。所谓“最佳工作条件”是指仪器参数调整到最佳值，被检 件出气少且没有大漏孔等条件。所谓“动态检漏”是指检漏仪器本身的抽气系统 仍在正常抽气。仪器的反应时间不大于3s。所谓“最小可检”是指检漏讯号为仪 器本底噪声的两倍时，才能认定有漏气讯号输出。所谓“漏孔漏率”是指一个大 气压的干燥空气通过漏孔漏向真空侧的漏气速率。仪器本底噪声，一般指在2min 内输出仪表的最大波动量。 漏率灵敏度标准系统如图6所示。图中虚线框内部分为配气系统．即为标准 漏孔5进气端提供压力为pHe的纯氦气。辅助泵6的任务是预抽。用干燥瓶4和针阀2 调节仪器工作压力。如果仪器本底为I0，本底噪声为In，标准漏孔对空气的标称 漏率为qL.o，当其进气压力为pHe时的仪器讯号为I，则仪器灵敏度为式（6）。
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3．最大容许漏率 真空系统漏气是绝对的，不漏气是相对的在真空检漏技术中所指的“ 漏”是和最大容许漏率的概念联系在一起的。 对于动态真空系统，只要其平衡压力能够达到所要求的真空度，这时 即使存在着漏孔，也可以认为该系统的漏率是容许的，该情况下系统的漏 率称为最大容许漏率。动态真空系统的最大容许漏率qLmax应满足 qLmax≤1/10PwS (1) 式中Pw----系统工作压力 S----系统的有效抽速 对于静态真空系统，要求在一定时间内，其压力维持在容许的压力以 下，这时即使存在着漏孔，同样叮以认为该系统的漏率是容许的，该情况 下系统的漏率称为最大容许漏率。如果要求在时间t内,容积为V的系统的压 力由p升至pt，则其最大容许漏率qLmax应满足 qLmax≤(pt-p)V/t (2) 各种真空设备的最大容许漏率可参考表1确定。
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在离化室N内，气体电离成正离子，在电场作用下离子聚焦成束。并在加速电 压作用下以一定的速度经过加速极S1的缝隙进入分析器。在均匀磁场的作用下， 具有一定速度的离子将按圆形轨迹运动，其偏转半径可按式（5）计算。
可见，当B和U为定值时，不同质荷比me-1的离子束的偏转半径R不同。仪 器的B和R是固定的，调节加速电压U使氦离子束[图中(me-1)2]恰好通过出口缝 隙S2，到达收集器D，形成离子流并由放大器放大。使其由输出表和音响指示 反映出来；而不同于氦质荷比的离子束[(me-1)1(me-1)3]因其偏转半径与仪器 的R值不同无法通过出口缝隙S2，所以被分离出来。
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5．检漏方法的分类 检漏方法很多，根据被检件所处的状态可分为充压检漏法、真空检 漏法及其它检漏法。 充压检漏法：在被检件内部充入一定压力的示漏物质，如果被检件 上有漏孔，示漏物质便从漏孔漏出，用一定的方法或仪器在被检件外 部检测出从漏孔漏出的示漏物质，从而判定漏孔的存在、位置及漏率 的大小，此即充压检漏法。 真空检漏法：被检件和检漏器的敏感元件处于真空状态，在被检件 的外部施加示漏物质，如果有漏孔，示漏物质就会通过漏孔进入被检 件和敏感元件的空间，由敏感元件检测出示漏物质，从而可以判定漏 孔的存在、位置利漏率的大小，这就是真空检漏法。 其它检漏法：被检件既不充压也不抽真空，或其外部受压等方法归 入其它检漏法。背压法就是其中主要方法之一。 所谓“背压检漏法”是利用背压室先将示漏气体由漏孔充入被检件， 然后在真空状态下使示漏气体再从被检件中漏出．以某种方法(或检 漏仪)检测漏出的示漏气体，判定被检件的总漏率的方法。
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(me-1)2=4，即He+的质荷比，除He+之外，C卅很少，可忽略。 ②双级串联磁偏转型氦质谱检漏仪 图4示出了双级900缩转串联式磁偏转型氦质谱检漏仪的质谱室。由于两次分 析，减少了非氦离子到达收集器的机率。并且，如在两个分析器的中间，即图中 的中间缝隙S2与邻近的挡板间设置加速电场，使离子在进入第二个分析器前再次 被加速。那些与氦离子动量相同的非氦离子，虽然可以通过第一个分析器，但是， 经第二次加速进入第二个分析器后，由于其动量与氦离子的不同而被分离出来。 由于二次分离，仪器本底及本底噪声显著地减小，提高了仪器灵敏度。 ③逆流氦质谱检漏仪 逆流氦质谱检漏仪的结构特点如图5所示。该类仪器是根据油扩散泵或分子泵 的压缩比与气体种类有关的原理制成的。例如，多级油扩散泵对氦气的压缩比为 102；对空气中其它成分的压缩比为lO4～106。检漏时，通过被检件上漏孔进入主 抽泵前级部位的氦气，仍有部分返流到质谱室中去，并由仪器的输出指示示出漏 气讯号。这就是逆流氦顷质谱检漏仪的工作原理。
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真空检漏
作成： 作成：樊斌杰 日期:2010 /10月 :2010年 日期:2010年/10月
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③工作真空、极限真空及入口处抽速 质谱室极限真空，尤其是工作真空及入口处抽速是表征仪器性能 的重要参数。利用检漏仪的真空规可以测定仪器的极限真空和工作真 空。利用流量计可测定仪器入口处抽速。
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2．卤素检漏仪 ． 用含有卤素(氟、氯、溴、碘)的气体为示漏气体的检漏仪器称为卤素检漏 仪。该类仪器分两类：其一为传感器(即探头)与被检件相连接的称为固定式( 也称内探头式)卤素检漏仪；其二为传感器(即吸枪)在被检件外部搜索的称为 便携式(也称外探头式)卤素检漏仪。示漏气体有氟里昂、氯仿、碘仿、四氯化 碳等，其中氯里昂12最好。卤素检漏仪灵敏度可达3.2×lOபைடு நூலகம்9Pam3／s。 (1)工作原理与结构 金属铂在800～900oC温度下会发生正离子发射，当遇到卤素气体时，这种 发射会急剧增加。这就是所谓的“卤素效应”，利用此效应制成的卤素检漏仪的 “ ” 结构示意图如图8所示。 传感器是个二极管，加热丝、阴极(外筒)、阳极(内筒)均用铂材制成。阳极 被加热丝加热后发射正离子，被阴极接收的离子流由检流计(或放大器)指示出 来，且有音响指示。 电气部分由加热电源、直流电源、离子流放大器、输出显示及便携式的吸 气装置电源等组成。
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3．高频火花检漏器 ． 高频火花检漏器是个高频高压对地放电器件，可以用于真空检漏。 (1)工作原理与结构 图9示出一种电容，电感串联谐振式高频火花检漏器的原理图。接通K，当 接触器CD闭合时，电流流经L1、CD，电流很大，L1产生足够大的电磁力吸 引CD断开，于是形成L1、C、L2的回路。由于阻抗增加，电流减小导致电磁 力下降。从而使CD重新闭合。如此反复，在L2上施加高频脉冲电压，因此高 压线圈L3便感应出高频高压脉冲电压。而L3的一端对地放电产生高频火花击 穿现象。这就是高频火花检漏器的工作原理。 (2)玻璃真空系统的检漏 将高频火花检漏器的放电簧F沿着已抽空的玻璃系统外表面慢慢移动，没 有漏孔时放电火花束呈杂乱分散状态，当遇到漏孔时火花束集中成一条细束 ，且指向系统上亮点(漏孔内空气电离率远远大于玻璃的结果)，该亮点就是漏 孔的位置。 (3)金属真空系统的检漏 各种气体和蒸汽的辉光放电颜色如表3。选用表中示漏物质施加在金属真空 系统的可疑处，用高频火花检漏器激发系统上玻璃质规管或盲管内的气体， 使之放电，观察放电颜色的变化便可实现检漏。这种方法的工作压力为 5×10-1～102Pa，检漏灵敏度为10-3Pam3／s。
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4．漏孔的气流特性 气体流经漏孔的过程是很复杂的，可能包含有粘滞流、过渡流及分子流三 种流动状态。主导流动状态与漏孔的几何尺寸、气体的种类、漏孔两端的压 力及环境温度有关。设环境温度T=296K，入口压力p2=1.01×105Pa，出口压 力p1《p2，漏孔长L，直径d的均匀圆截面导管型漏孔，其对空气的漏率及可 视流动状态见表2。
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(1)工作原理与结构 氦质谱检漏仪由离子源、分析器、收集器、冷阴极电离规组成的质谱室和 抽气系统及电气部分等组成。 ①单级磁偏转型氦质谱检漏仪 现以HZJ—l型仪器为例．介绍单级磁偏转型氦质谱检漏仪，其结构如图2 所示。 在质谱室内有：由灯丝、离化室、离子加速极组成离子源；由外加均匀磁场 、挡板及出口缝隙组成分析器；由抑制栅、收集极及高阻组成收集器；第一 级放大静电计管和冷阴极电离规。质谱室的工作原理如图3所示。
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一、概述 1．概漏的基本概念 真空检漏就是检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。 漏气也叫实漏，是气体通过系统上的漏孔或间隙从高压侧流到低压侧的现象。 虚漏，是相对实漏而言的一种物理现象。这种现象是由于材料放气、解吸、凝 结气体的再蒸发、气体通过器壁的渗透及系统内死空间中气体的流出等原因引起 真空系统中气体压力升高的现象。 气密性是表征真空系统器壁防止气体渗透的性能，它包括通过漏孔(或间隙)的 漏气和材质的渗气。 最小可检漏率是指某种检漏方法能够检测出的漏率的最小值。 最佳灵敏度是指检漏仪器或检漏方法在最佳条件下所能检测出的最小漏率。对 于检漏仪器来讲，最佳灵敏度又称作仪器灵敏度。 检漏灵敏度是指在具体条件下，某种检漏方法所能检测出的最小漏率。检漏灵 敏度又称作有效灵敏度。 反应时间，即从检漏方法开始实施(如开始喷吹示漏气体)到指示方法(如仪表)做 出反应的时间。 消除时间，即从检漏方法停止(如停止喷吹且开始抽出示漏气体)到指示方法的 指示消失的时间。 漏率，即单位时间内流过漏孔(包括间隙)的气体量。
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如果检漏时用辅助系统抽气(即对示漏氦气有分流)。或用累积法检漏时，给出 仪器最小可检氦浓度(即浓度灵敏度)。记为γmin，能较方便地估计检漏效果。 浓度灵敏度校准系统中应用一流量计测出图6的通过针阀2进入仪器的空气 流率qL.o，则仪器浓度灵敏度成为式（7）。
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(2)性能测试方法 灵敏度、反应时间及恢复时间是卤素检漏仪的主要性能参数。其测试方法 与氦质谱检漏仪的相同，这里不再赘述。但是，卤素检漏仪的指示与卤素气 体的浓度有关：一般，低浓度的指示是线性的，中等浓度的是非线性的，而 当浓度很高时仪器出现饱和或中毒现象。所以在进行性能测试或检漏时，进 入传感器的卤素气体的浓度不宜高于百万分之一。 固定式卤素检漏仪传感器应和lO-1～10oPa压力范围内工作，压力过高或过 低都会导致仪器灵敏度的下降。 便携式卤素检漏仪的传感器基本上是在大气压下工作的，靠吸气装置吸入 气体，使卤素气体流经传感器。
②反应时间、清除时间及其测定 反应时间是指仪器节流阀完全开启，本底讯号为零(或补偿到零)时，由恒 定的氦流量使输仪表讯号上升到最大值的(1-e-1)倍(即O.63)所需要的时间，记 为τR。 清除时间是指输出仪表讯号稳定到最大值后，停止送氦，其讯号下降到最 大值的e-1倍(即O.37)所需要的时间，记为τC。 反应时间和清除时间的测定装置如图7所示。