氦质谱检漏仪灵敏度高达10-15Pa·m3/s？它究竟是如何工作的？

ig281

在真空技术领域，检漏技术扮演着至关重要的角色，这一技术直接影响到真空设备的性能参数。能否迅速准确地定位泄漏点，对企业生产效率和运营成本有着直接的影响。氦质谱检漏仪，作为一种在二战期间迅速崛起的高精度检漏设备，其检测灵敏度可以达到10-15Pa·m3/s。目前市面上普遍使用的氦质谱检漏仪，其灵敏度范围通常在10-9至10-13Pa·m3/s之间。

一、氦质谱检漏仪是如何工作的？

氦质谱检漏仪由离子源、分析器、接收器、真空系统、电子线路以及众多电气部件构成。为了便于阐述氦质谱检漏仪的工作原理，我们选取磁偏转型氦质谱检漏仪作为说明对象。

图1展示了氦质谱检漏仪的工作原理图。在质谱室的离子源N中，气体被电离成带电粒子。这些带电粒子在电场的作用下，会聚集形成一束，并以特定的速度穿过缝隙S1进入磁分析器。在均匀磁场的作用下，这些带电粒子会沿着圆形轨迹运动。通过调整加速电压U，可以使氦离子束M2刚好通过缝隙S2，进而到达收集极K，形成稳定的离子流。借助低电压电流检测仪器，该设备能够将读数在显示仪表和音频设备上显现出来。与此同时，那些与M2型号不同的离子束（例如图中的M1、M3型号）则根据各自不同的偏转距离被有效区分开来。

图1 检漏仪原理图

二、喷吹法检漏

1. 喷吹法检漏的原理

利用辅助真空泵或检漏仪对被检产品内部的密封空间进行抽真空处理，随后在产品外部表面喷洒氦气，一旦产品表面存在漏孔，氦气便会经此进入产品内部，进而流入氦质谱检漏仪，此时检漏仪将发出警报并展示当前的漏率数值。

2.喷吹法检漏的优缺点

优点：①检测灵敏度高

②定位准确

③对大容器或复杂结构产品的检漏可靠性高

缺点：①漏率检测只能在一个大气压差内

②不能准确反映带压被检产品的真实泄漏状态

三、真空检漏的具体方法

为了便于阐述真空检漏的操作步骤，我们选取真空炉作为实例来演示真空检漏。真空炉由机械泵、罗茨泵、扩散泵、前级管路以及炉体等几个主要部分构成，具体结构可参照图2。在真空炉的生产过程中，最常遇到的问题要么是极限压力达标但升压率不达标，要么两者均不达标，而升压率达标但极限压力不达标的情况则较为罕见。

图2真空炉示意图

1. 极限压力合格，升压率不合格

设备经检验未发现明显泄漏，同时真空系统的抽气功能表现良好。然而，升压率未能达标，主要原因是粗抽阀至炉体之间存在一些微小的泄漏点，这些泄漏点的压力通常介于1×10^-9至9.9×10^-4帕·米³/秒。检测泄漏的具体步骤包括：

从粗抽阀处开始，用力量对气袋进行按压，向炉体方向喷射氦气。在第一遍操作中，针头的移动速度可以适当加快，对设备的所有焊口、法兰的连接部分、活动的密封装置以及热电偶的连接部位进行全面检查。对于焊口形状不规则或法兰连接处缝隙不均匀的情况，应减慢喷吹速度，并细致地进行检查。

不施加压力于气袋，以细针轻轻探查疑似泄漏区域，此时泄漏孔将吸入针头内所含的微量氦气，通过观察检漏仪显示屏上漏率数值在吹气过程中的波动，进而识别出漏率最高且增速最快的那个点，即为泄漏点。

对加热电极、炉体水套等含有通水腔体的部位实施氦气喷吹，以检测是否存在泄漏。经过多次检漏，若升压率仍旧不达标，则需用塑料布和胶带对疑似泄漏的焊缝、法兰接口、热电偶、电极等部位进行密封包裹，随后向密封空间注入氦气，并留意检漏仪显示的漏率变化。若漏率呈现缓慢上升的趋势，则表明被密封覆盖的区域存在泄漏点。

2. 极限压力不合格，升压率合格

此类问题通常源于粗抽阀至机械泵之间各段连接管道的焊接接口、法兰连接处，以及真空泵自身的性能问题。检测漏气的具体步骤包括：

在检查机械泵与罗茨泵相连的波纹管法兰时，需注意，若波纹管法兰胶圈未正确安装或波纹管焊口存在损坏，则极易发生漏气现象。此外，由于机械泵运行时振动剧烈，法兰螺栓可能会出现松动，而波纹管焊口在长期振动作用下也可能产生裂纹，进而引发漏气。

需查验压差阀、放气阀的进气口，以及机械泵、罗茨泵、扩散泵的外壳，确认是否存在漏气现象。若放气阀的电源线未正确连接，或者阀的磁感应线圈损坏，均可能导致阀门无法正常闭合，进而引发漏气问题。

若步骤一和步骤二均未发现任何遗漏，那么需关注各真空泵的性能状况，首先应检查机械泵和罗茨泵的油量是否充足，因为油量不足会显著削弱泵的抽气效果；接着，对机械泵的阀片进行检查，可以通过向排气口注入氦气来检验阀片的密封性能。此外，扩散泵的油液或加热器若出现异常，同样可能导致极限压力不符合标准。还应检查真空计是否准确以及真空系统设计是否满足技术要求。

3. 极限压力、升压率都不合格

此类情况一般伴随有大于或等于9.9×10^-4 Pa·m^3/s的显著泄漏，其检测流程包括：

采用直径约0.5毫米的针头，从机械泵至炉体进行快速喷射，可迅速识别出漏洞。这些漏洞通常较大，此时应迅速进行焊接修补或用封堵材料加以封闭。成功封堵后，真空度及检漏仪的灵敏度将显著提升。

第二次进行漏检时，需放慢检查速度，主要针对外观不平整的焊接接口、法兰连接部位、动态密封区域、热电偶密封部分、电极、线圈、水套以及各类胶圈等关键区域进行细致检查。其具体操作步骤与检测压力未达标但升压率达标时的漏检方法一致。

考虑到这三种问题，一般通过外部检漏就能得到解决；然而，如果经过多次检漏问题依旧未消，那么我们便需思考是否是内部存在漏点。据笔者观察，内部漏点多数是由各种充气阀引起的。为了进行检验，需先将阀门关闭，接着在保护气体接口处略微开启法兰，注入氦气以检测是否有泄漏发生。若无泄漏现象，随后将阀门重新连接，并迅速向管道内充入保护气体。若此时检测仪显示的漏率值有所增加，那么可以断定，充气阀的泄漏问题是由于真空标准不达标所引起的。

原文发表于《真空》杂志2019年第1期，本文有所删减。