1. Необходимость обнаружения протечек
Обнаружение утечек и герметизация — это две концепции, которые дополняют друг друга. Во многих промышленных приложениях необходимо эффективно герметизировать определённые пространства, чтобы предотвратить утечку газа или жидкости под воздействием перепадов давления. Например, вакуумное оборудование (такое как вакуумные покрытия, жидкокристаллические имплантаторы, PVD-оборудование, полупроводниковое эпитаксиальное оборудование и др.) должно работать в условиях высокого вакуума, и любые утечки воздуха приведут к перерыву производства или дефекту продукции, что приведёт к огромной потере рабочей силы и материальных ресурсов. Аналогично, контейнеры для хранения жидкостей или газов (например, гидравлические газовые баллоны, кислородные баллоны и хладагентные контейнеры в кондиционируемых холодильниках и т.д.) также необходимы для обеспечения отсутствия утечек газа или жидкости при внутреннем и внешнем давлении, чтобы избежать потери эффективных материалов и даже предотвратить серьёзные аварии, вызванные утечкой токсичных или коррозийных газов. Поэтому изделия или оборудование с строгими требованиями к герметичности должны регулярно обнаруживать до и во время использования.
2. Количественная оценка степени утечки
Степень утечки можно количественно определить по изменению давления внутри контейнера на объём за единицу времени. Ниже приведены два примера для визуализации размера скорости утечки:
Пример 1: Если объём шины велосипеда составляет 4 л, если давление падает с 3 бар до 2 бар в течение 30 дней, это указывает на серьёзную утечку и высокий уровень утечки. В этом случае можно использовать простые методы обнаружения утечек, например, погружение шин в воду и наблюдение за появлением пузырьков.
Пример 2: В холодильнике за год протекло 10 граммов (молекулярная масса 102 г/моль) хладагента, что эквивалентно утечке примерно 2,24 бар•л. Такой уровень протечек серьёзно влияет на работу холодильника, но обнаружить его обычными методами обнаружения сложно. В этом случае для точного обнаружения используется детектор утечек или масс-спектрометр.
3. Рабочий принцип детектора утечки масс-спектрометрии гелия
Детектор утечки гелия масс-спектрометрии основан на принципе масс-спектрометрии и использует гелий в качестве трассерного газа для обнаружения герметичности воздуха. Вот как это работает:
Электроны, испускаемые филаментом, колеблются в ионизационной камере и сталкиваются с молекулами газа и гелием, поступающим через отверстие для утечки исследуемой части, ионизуя их в положительные ионы. Эти ионы входят в магнитное поле под действием ускоренного электрического поля и отклоняются силой Лоренца, образуя дуговую орбиталь. Радиус орбиты связан с силой магнитного поля, отношением ион/заряд и напряжением ускорения. Регулировав ускоряющееся напряжение, ионы разной массы могут достигать приёмного полюса через магнитное поле и приёмную щель, что позволяет их обнаружить.
4. Метод обнаружения детектора утечки гелиевой масс-спектрометрии
Методы обнаружения детекторов утечек гелиевой масс-спектрометрии в основном включают традиционное обнаружение утечек и обратное диффузионное обнаружение:
Обнаружение утечек обратной диффузии: Испытательный элемент соединяется с выходом молекулярного насоса, и протекающий гелий поступает в масс-спектрометрическую трубку против направления выхлопа насоса для обнаружения. Этот метод подходит для случая высокого внутреннего давления в исследуемой детали, а обратная диффузионная утечка обладает преимуществами в виде меньшего загрязнения масс-спектрометрической камеры и длительного срока службы филамента.
1. Метод присоса: Наполните проверенный кусок гелием с давлением выше атмосферного давления и используйте присосочный пистолет для сбора протекающего гелия для обнаружения. Всасывающий механизм движется по поверхности образца, и положение точки утечки определяется по наблюдению за изменением скорости утечки в детекторе утечки.
2. Метод вакуумной коробки: осмотренная деталь подключается к вакуумной камере и пылесосить, а внутри заполняется гелий. Если происходит утечка, гелий попадёт в вакуумную камеру и будет обнаружен масс-спектрометрической трубкой, которая измеряет общую скорость утечки тестируемого изделия.
3. Метод обратного давления: широко используется для проверки герметичности электронных компонентов. После вжатия количественного гелия в осмотренную деталь его помещают в бак для обнаружения утечек для вакуумного обнаружения. Если в устройстве есть отверстие для утечки, прессованный гелий выпускается в бак для обнаружения утечки и обнаруживается, а общий уровень утечки измеряется.
4. Вакуумный метод распыления гелия: Проверяемая деталь напрямую подключается к детектору утечки и вакуумируется для обнаружения возможных точек утечки путем распыления гелия. Этот метод может потребовать дополнительного оборудования для эвакуации из-за увеличения объёма осмотренной заготовки.
5. Выбор трасирующего газа
Трассирующий газ должен соответствовать следующим условиям:
1. Безвредно, без вреда для организма человека или окружающей среды.
2. Качество света, инертный газ, может проникать через небольшие трещины.
3. Стабильные химические свойства, нелегко вызвать химические реакции, а также воспламеняющиеся и взрывоопасные.
4. Уменьшить количество воздуха как можно меньше, чтобы повысить чувствительность к обнаружению утечек.
Гелий (He) стал самым часто используемым трассерующим газом благодаря своей безвредности, лёгкости, стабильным химическим свойствам и низкому содержанию воздуха. Хотя водород (H2) обладает схожими свойствами, гелий чаще встречается на практике из-за соображений по соображениям безопасности.
6. Структура и характеристики детектора утечек
Детектор утечки масс-спектрометрии гелия по сути является специализированным детектором гелия, который обнаруживает наличие утечки путём обнаружения содержания гелия.
Его основной компонент — масс-спектрометр, который обнаруживает только гелий и защищает газы других масс. Нормальная работа масс-спектрометра должна осуществляться в условиях высокого вакуума (не менее 10^-3 мбар или меньше), поэтому детектор утечек оснащён системой высокого вакуума.