氦质谱检漏仪原理及使用方法及相关介绍VIP

氦质谱检漏仪 原理 使用方法及相关介绍 内容 真空检漏技术氦质谱检漏仪的主要构成及作用真空学简介泵的工作原理质谱管结构及其工作原理氦质谱检漏仪的使用方法及注意事项 真空检漏技术 真空检漏技术就是用适当的方法判断真系统 容器或器件是否漏气 确定漏孔位及漏率大小的一门技术 相应的仪器称为检漏仪 在真空系统 容器 器件制造过程中借助真空检漏技术确定它们的真空气密性 探查漏孔的位置 以便采取措施将漏孔封闭从而使系统 容器 器件中的真空状态得以维持 什么是漏及检漏的标准 真空系统 容器或器件的器壁因材料本身缺陷或焊缝 连接处存在孔洞 裂纹或间隙等缺陷 外部大气通过这些缺陷进入系统內部 致使系统 容器或器件达不到预期的真空度 这种现象称为漏气 造成漏气的缺陷称为漏孔 漏孔尺寸微小 形状复杂 无法用几何尺寸表示 因此在真空技术中用漏率来表示漏孔的大小 漏率是指单位时间內漏入系统的气体量 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Pa m3 s 帕斯卡 立方米 秒 压强和漏率单位换算 在国际单位制中压强的单位是Pa 帕斯卡 1Pa的压强就是1m2面积上作用1N 牛顿 的力 最常用的检漏方法 氦质谱检漏法 氦质谱检漏法是根据质谱分析的原理 以氦作探索气体 对各种需密封的容器的漏隙进行快速定位和定量检测的理想的方法 因氦是隋性气体 对大气无污染 使用安全 氦原子量小 粘度小 易渗透过任何可能存在的漏率 检测灵敏度高 速度快 适用范围广 加之氦在大气中含量少 仅万分之五 离子质量与其它气体离子质量相差很大 不易受干扰 不会错判 与当今诸多检漏方法 如气泡法 卤素检漏法等 相比 它是佼佼者 仪器结构 ZhP 30型氦质谱检漏仪由四部分组成 真空系统质谱管电子学电路机架 仪器结构图 真空系统 真空科学发展的历史回顾 人们或许是受翻译国外书刊的影响 通常在回顾真空科学发展史时 常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现 其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法 那时称风箱为 鞲鞴 战国时期 老子道德经 一书说 鞲鞴 是虏而不屈 动而愈出 这是利用真空吸气原理的有记载的描述 而欧州到十六世纪才发明这种设备 因此在我们回顾真空科学发展历程时 是不应当忘记我们的祖先 对人类在早期发展真空技术所做出的贡献 二 真空及其应用 真空的含义在真空科学中 真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态 人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况 不同真空状态下的真空工艺技术 随着气态空间中气体分子密度的减小 气体的物理性质发生了明显的变化 人们就是基于气体性质的这一变化 在不同的真空状态下 应用各种不同的真空工艺 达到为生产及科学研究服务的目的 目前 可以说 从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造 到几公里长的大型加速器的运转 从民用装饰品的生产到受控核聚变 人造卫星 航天飞机的问世 都与真空工艺技术密切相关 不同真空状态下所引发出来的各种真空工艺技术的应用概况如下表所示 检漏仪的真空系统 真空系统是指用来获得质谱管正常工作所需真空的环境 它主要由机械泵 涡轮分子泵和三位手动组合阀三部分组成 机械泵 两个主要作用 获得低真空作为其他抽更高真空泵的前级泵 分子泵 机械泵工作原理 油封型 用油来保持运动部件的密封 靠泵腔容积变化而实现抽气的机械真空泵 它们的工作原理都是使泵腔工作室容积机械地增大和缩小而抽气 当泵腔内工作室容积变得最小时 与泵的入口管道连通 于是气体进入泵吸入腔 一直到吸入腔容积最大并重新与进气口分开时为止 当容积减少时 气体被压缩 直到气体的压力大于一个大气压 排气阀被打开 将气体排出 采用油封的原因 当前大量使用的机械真空泵 即使设计得再好 相向运动的零件间配合精度即使很高 在泵达到极限真空时 也难以阻止气体由低真空端向入口端 突破 返流 另外 由于泵在设计制造及装配中不可避免地存在有害空间 这也降低泵的极限真空度 油封机械真空泵就是用油将相向运动的零部件和排气阀零件间密封起来 将有害空间充填 使得高压气体反 突破 的机会少得多 密封性能也就好得多 从而使泵能达到较高的真空度 分子泵 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子 使之获得定向速度 从而被压缩 被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵 涡轮分子泵靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的 这种泵通常在分子流状态下工作 三位手动组合阀 三位手动组合阀可对被监实现预抽真空 检漏和放大气的全部检漏操作程序 这样的工作是通过顺时针旋转操作手柄完成的 三位阀表面图 操作手柄 质谱管 质谱管是检漏仪的核心部分 包括离子源 磁铁 接收极与前置放大器 全离子检测极及管壳等部分 粒子受力分析 带电粒子的速度方向若与磁场方向平行 带电粒子不受洛伦兹力作用 将以入射速度做匀速直线运动 带电粒子若垂直进入匀强磁场且只受洛伦兹力的作用 带电粒子一定做匀速圆周运动 其轨道平面一定与磁场垂直 由洛伦兹力提供向心力 即 粒子带电量为q 质量为m 经加速电压U加速后进入匀强磁场中 在加速电场中 由动能定理得 qU 1 2mv2 在匀强磁场中轨道半径 R 若以一电子的电荷量作为1电荷单位 正离子的电荷数用Z表示 以相对原子量单位作为离子的质量单位 离子质量数用M表示 M的单位为高斯 1高斯 10 4特 V的单位为伏特 R的单位为cm 则 电子学线路 电子学线路包括控制部件和接收器两大部分 控制部件的电路方块图包括了总电源板MAIN简称M板 显示板DISPLAY简称D板 控制板CONTROL简称C板共三块电路板 逆流检漏法 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 这就是逆流氦质谱检漏仪的工作原理 利用氦质谱检漏仪进行检漏的方法有 喷吹法 氦罩法 吸枪法 背压法 辅助真空系统法等 检漏的目的是确定被检件漏孔的位置和漏率 这些目的是通过采用一些标准的检漏方法实现的 采用什么方法要视被检件的结构 检漏的经济效益及检漏系统的性质来决定 根据不同的检漏目的 基本有以下几种检漏方法 1 喷吹法 该方法是将被检件接在检漏仪的检漏口 用检漏仪的真空系统对其抽真空并达到真空衔接与质谱管沟通 然后用喷枪向可疑的部位喷吹氦气 当有漏孔存在时 氦气就通过漏孔进入质谱管被检测 如图所示 2 吸入法 具体操作方法为用专用的吸枪连接在仪器的检漏口上 要被检测的器件则充入一定量的氦气 纯氦气或按一定比例混合的氦 氮混合气体 在检漏时 让气枪沿着可疑漏孔处慢慢移动 若被检测器件有漏孔 氦气自漏孔漏出 被吸枪吸入送至仪器的质谱管而被检测 如图所示 这种方法又称为吸枪法 3 钟罩法 将被检测器件与仪器检漏口连接抽真空 并在它的外面罩一个充满氦气的容器 如果被检测器件有漏孔 氦气便会由漏孔进入被检件 并最终达到质谱管被检测到 所测到的漏率为被检测器件的总漏率 但这种方法不能确定有几个泄漏点和每个漏点的准确位置 示意图如下 4 背压法 这种方法在检漏前用专用加压容器向被检件压入氦气 然后取出被检件 吹去表面吸附的氦气后放入专用的检漏罐中 再将检漏罐连接到检漏仪的检漏口上 对检漏罐抽真空 实施检漏 则通过该漏孔压入的氦气又释