真空氦質譜檢漏原理與方法綜述
介紹了真空氦質譜檢漏技術的工作原理,綜述了檢漏技術的新方法,分別列舉了測定漏點型和測定漏率型兩種類型的真空檢漏方法和實際應用,較全面地總結了真空氦質譜檢漏技術的原理與方法。
氦質譜檢漏方法在真空檢漏技術領域里已經得到廣泛的應用,這種方法的優點是:檢漏靈敏度高,可以檢漏到10-11Pam3/s數量級,儀器響應快,氦分子在儀器高真空的環境中擴散的速度很高;所以氦質譜檢漏儀在許多領域里得到廣泛的應用,例如,在航空航天領域里宇宙飛船、航天飛機、火箭、衛星、飛機等這些都要用到真空檢漏技術。在一般工業領域里原子能、發電廠、配電站、合成氨的氮肥生產廠、汽車制造業、造船工業、制冷工業、冶金工業、輸氣管道、氣罐、油罐、鍋爐快餐食品包裝等都離不開檢漏問題,同樣在導彈武器裝備中也離不開檢漏,導彈彈體、燃料儲備罐、燃料運輸管道、彈頭、特殊部件的密封性都要用到氦質譜檢漏,本文主要真對氦質譜檢漏原理及方法進行綜述。1、氦質譜檢漏儀工作原理
圖1是一個典型質譜室的剖面圖,燈絲電離出來的電子經加速進入電離室,在電離室內與殘余氣體分子和經被檢件漏孔進入電離室的氦氣相互碰撞,使氦分子發生電離,He→He++e。
圖1 質譜室工作原理
這些離子在加速電場的作用下進入磁場,由洛倫茲力使得氦離子發生偏轉,形成圓弧形軌道,半徑公式為:
式中,R為離子偏轉軌道半徑;B為磁場強度;M/Z為離子的質量與電荷之比;U為離子的加速電壓。由此可見,當R,B為固定值時,改變加速電壓,可使不同質量的離子通過磁場和接收縫到達接收極而被檢測到。如果電離室內的成分是干燥大氣,在圖1的出口縫處測得的離子流強度的理論峰值如圖2根據干燥大氣成分繪制）所示,圖中峰值的高度代表離子流強度,它與氣體在電離室的分壓成正比;氦質譜檢漏儀就是利用這一原理,實際上把加速電壓設在氦峰值上,如圖3所示,接收極在擋板的作用下只能接收到氦離子,氦離子電流經過放大后用作指示漏率。
圖2 氦峰示意圖 圖3 實際所選用的氦峰示意圖2、檢漏方法
氦質譜檢漏方法比較多,根據被檢件的測量目的可以分為兩種類型,一種是漏點型,另一種是漏率型;在實際檢驗過程中要根據檢驗的目的選用zui合理的方法,要以被檢器件的具體情況而定,靈活運用各種檢漏方法。
2.1、測定漏點型
確定漏點型既是確定要檢部件的具體漏點或漏孔的位置,在大部件或大型部件中較為常見,如衛星、導彈彈體、彈頭、輸氣管道、氣罐、油罐、鍋爐等。
2.1.1、噴氦法
這是zui常用的一種方法,一般用于檢測體積相對較小的部件,將被檢器件和儀器連通,在抽好真空后,在被檢器件可能存在漏孔的地方（如密封接頭,焊縫等）用噴槍噴氦,如圖4所示,如果被檢器件某處有漏孔,當氦噴到漏孔上時,氦氣立即會被吸入到真空系統,從而擴散到質譜室中,氦質譜檢漏儀的輸出就會立即有響應,使用這種方法應注意:氦氣是較輕的惰性氣體,在噴出后會自動上升,為了準確的在漏孔位置噴氦,噴氦時應自上而下,由近至遠（相對檢漏儀位置）,這是因為在噴下方時氦氣有可能被上方漏孔吸入,就很難確定漏孔的位置;再者漏孔離質譜室的距離檢漏儀反應時間也不同,所以噴氦應先從靠近檢漏儀的一側開始由近至遠來進行。
在檢測較大部件時要借助機械泵進行真空預抽,就可以提高檢漏效率和時間,如圖5所示,噴氦法在檢查那些結構比較復雜的,密封口和焊縫又比較多而且擠在一起的小容器時,由于氦噴出后會很快擴散開來,往往不容易準確地確定漏隙所在的部位,要采取從不同角度噴氦,仔細觀察反應時間上的差別和將已發現的漏孔用真空封泥暫時封起來等辦法,就可以把漏孔逐個檢出。
2.1.2、吸氦法
吸氦法主要用于檢查某些大型密封容器。如導彈彈體、彈頭、氣罐、油罐等,先將容器抽真空,再給容器充入氦氣（為了節省用氦量,可以用低濃度氦氣）,在氦質譜檢漏儀的進氣法蘭處接上橡皮管,橡皮管的前端有直徑很小的毛細管,使毛細管在充了氦的被檢容器外壁的焊縫和密封接頭等處移動,如果該容器有漏隙,經漏隙滲出的氦會被毛細管吸入,檢漏儀就會響應。
圖4 噴氦法檢漏示意圖 圖5 輔助機械泵檢漏示意圖
2.2、測定漏率型
圖6 吸氦法檢漏示意圖
測定漏率型主要是針對密封性要求嚴格的部件進行檢測,如宇宙飛船、火箭液體燃料儲料箱、衛星、電子元器件等。這種方法只能測試試件的漏率,無法確定漏孔的位置和漏孔的個數。
2.2.1、充氦法
充氦法也稱負壓法,如圖7所示,一個密閉的氣室連接真空泵和氦氣罐,將被檢零件裝入一個氣室,開始關閉氦氣罐閥門,機械泵把氣室先抽成真空,然后關閉真空泵閥門,打開氦氣罐閥門給氣室充氦,并靜置一段時間。被氦氣包圍的小器件上如果有漏隙,氦氣就慢慢充入小器件內部。然后將氣室打開,取出被檢器件,用壓縮空氣吹掉其外表面可能吸附的氦。
圖7 給檢驗試件充氦氣 圖8 用檢漏儀檢驗試件漏率
再把這些器件逐個（或成組）地裝入接在檢漏儀進氣法蘭處的容器中,把此容器抽空后打開節流閥,這時原*入被檢器件的氦又會經過漏孔放出來,檢漏儀就會給出漏率響應。如果采用ZHP230氦質譜檢漏儀,儀器可以直接給出漏率的數字顯示。
衛星的整體檢漏就是可以用這種方法,如圖9所示,將衛星放入大型環模室中,利用環模設備的真空系統將環模抽成真空,先用輔助泵進行粗抽和預抽,在檢漏時先通過機械泵將衛星及充氣管道抽成真空后,將氦氣充入衛星中,壓力保持和衛星工作的壓力一致,zui后開啟氦質譜檢漏儀用標準漏孔校準儀器,就可以直接測量衛星的漏率了。
圖9 衛星整體檢漏示意圖
2.2.2、鐘罩法
將氦質譜檢漏儀與試件用真空橡皮管連接,在試件上用密閉的容器罩住,在容器里充入氦氣,如圖10所示,檢漏儀開始檢漏,如果試件有漏點,儀器就可以顯示其漏率;這種方法可以測量導彈液體儲料罐的漏率,如圖11所示,在罐體外罩氦罩采用塑料薄膜,對罐體進行粗抽和預抽,在用標準漏孔校對檢漏儀,對氦罩進行充氦,就可以測出罐體的漏率。
圖10 鐘罩法檢漏示意圖 圖11 對導彈液體燃料罐進行檢漏3、結束語
氦質譜檢漏技術是真空檢漏領域里*的一種技術,用這種技術檢漏效率高,簡便易操作,儀器反映靈敏,精度高,不易受其它氣體的干擾,文中列舉的方法是檢漏技術領域里經常用道的方法,包括了從小件檢漏到大件檢漏,從確定漏孔檢漏到確定漏率檢漏,比較全面的列舉了各種檢漏方法,在工程實際應用中有很好的參考價值。
