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1、氦質譜檢漏的原理

運用質譜原理制成的儀器稱為質譜計或質譜儀。質譜儀通過其核心部件質譜室，使不同質量的氣體變成離子并在某種場中運動后，不同質荷比的離子在場中彼此分開，而相同質荷比的離子在場中匯聚在一起，如果在適當位置安置接收器接收所有這些離子，就會得到按照質荷比大小依次分開排列的質譜圖，這就是質譜。

用于檢漏的質譜儀稱為質譜檢漏儀。測量氣體分壓力的所有質譜計，如四極質譜計、射頻質譜計、飛行時間質譜計、回旋質譜計等都可以用于檢漏。

專門設計的以氦氣作示蹤氣體進行檢漏的質譜儀稱為氦質譜檢漏儀。這種儀器除靈敏度高外，還具有適應范圍廣、定位定量準確、無毒、安全、反應速度快等優(yōu)點。氦質譜檢漏儀中用得最多的是90°和180°的磁偏轉型質譜儀。

眾所周知，當一個帶電質點（正離子）以速度v進入均勻磁場的分析器中，如果速度v的方向和磁場H的方向相垂直，則它的運動軌跡為圓，如圖1所示。當磁場的磁通密度一定時，不同質荷比（m/e）的離子在磁場中都有相應的運輸半徑，也就是都有相應的圓軌跡，這樣，不同質荷比的帶電粒子在磁場分析器中運動后就會彼此分開。如果在離大運動的路徑中安置一塊檔板將其他離子檔掉，而在對應的氦離子運動半徑位置的檔板上開一狹縫，狹縫后安置離子接收極，這樣的只有氦離子才能通過狹縫而被接收極接收形成氦離子流，并經(jīng)放大器放大后由測量儀表指示出來。檢漏時，如果用氦氣噴吹漏孔，氦氣便通過漏孔進入檢漏儀的質譜室中，使檢漏儀的測量儀表立即靈敏地反應出來，達到了檢漏的目的。

圖1 帶電粒子在磁場中的運動軌跡

2、氦質譜檢漏儀的結構

氦質譜檢漏儀的型號較多，但基本結構大同小異。它主要由質譜室、真空系統(tǒng)及電氣部分組成。

（1）質譜室

不同類型的氦質譜檢漏儀的質譜室結構大同小異，都是由離子源、分析器和收集器三部分組成，它們放在一個抽成高真空的質譜室外殼中，如圖2所示。

圖2 質譜室

1）離子源

離子源的作用是使氣體分子電離，形成一束具有一定能量的離子。其結構如圖3所示。它由燈絲（陰極）、離化室及離子加速極組成。

燈絲在真空中通電加熱后發(fā)射電子，在離化室與燈絲之間的電場的作用下，電子加速穿過離化室頂部狹縫進入離化室，在離化室中與氣體分子發(fā)生多次碰撞后損失能量，最后打到分子電離形成正離子，正離子在離化室與加速極之間的電原U（即離子加速電壓）作用下，相繼穿過離化室正面的矩形狹縫和加速極的矩形狹縫，由于加速電場對離子做的功轉變?yōu)殡x子的動能，便形成具有一定能量的離子束。由于離子是由中性氣體分子失去Z個帶負電荷e的電子而形成的，所以離子電荷為正的Ze。由于各種氣體的離子均受同一電場的加速，當它們的電荷量相等時，它們的能量相等，但由于質荷比不同，故運動速度也就不同。

圖3 離子源示意圖

2）分析器

分析器作用是使不同質荷比的離子按不同軌跡運動，從而將它們彼此分開，僅使氦離子通過其出口隙縫。分析器由一個外加均勻磁場及一個出口電極組成，如圖4所示。磁場方向與離子束入射方向垂直。

由離子源出來的離子束射入它垂直的磁通密度為B的均勻磁場分析器中后，由于分析場中電場為零，所以離子僅受磁場的洛倫茲力作用而作半徑為R的圓周運動。偏轉半徑R與質荷比M/Ze有關，當B及U一定時，相同質荷比的離子具有相同的運動半徑，不同質荷比的離子將以不同的半徑偏轉而彼此分開。質荷比小的偏轉半徑小，質荷比大的偏轉半徑大。在偏轉180°處，用一分析器出口電極將其他離子擋住，而使氦離子軌道對準出口電極上的狹縫，氦離子穿過狹縫到達離子收集極形成氦離子流。

圖4 分析器

3）收集極

收集極是對準出口電極狹縫安裝的，其作用是收集穿過出口電極狹縫的氦離子并通過一個電阻輸入到小電流放大器進行離子流的放大和測量。由于氦離子一般只有10-13~10-12A，要使小電流放大器第一極輸入信號電壓足夠大，則輸入電阻必需很大（一般高于1010歐），第一級放大用的靜電計管必須要高度絕緣，所以把高阻及靜電計管放在高真空的質譜室中。

（2）真空系統(tǒng)

儀器的真空系統(tǒng)提供質譜正常工作所需要的真空條件，不同型號的檢漏儀其真空系統(tǒng)有較大的差別。圖5為常見的普通型氦質譜檢漏儀真空系統(tǒng)。

圖5 普通型氦質譜檢漏儀

真空系統(tǒng)一般包括：

1）主泵。一般用擴散泵或渦輪分子泵。極限壓力小于5×10-1Pa，其抽速應與氣載匹配。

2）前級真空泵。一般采用旋片式機械真空泵，在以分子示為主泵的系統(tǒng)中，也有采用薄膜泵或干泵的。極限壓力小于1×10-1Pa，抽速與主泵匹配。

3）預抽真空泵。一般與前級真空泵共同一個泵，也有專用預抽真空泵的。預抽真空泵一般采用旋片式機械真空泵，其抽速視被檢件大小而定，因此預抽真空泵大都由用戶自配。

4）冷阱。分子泵型真空系統(tǒng)一般不加冷阱。擴散泵型真空系統(tǒng)的冷阱加在質譜室、檢漏口與擴散泵之間，使三者被冷阱隔離，如圖5所示。冷阱加入液氮后便可阻止擴散泵的油蒸氣和被檢件來的水蒸氣進入質譜室，保持質譜室的清潔，并幫助擴散泵迅速獲得較高真空。

5）檢漏閥。按在質譜室和被檢件之間的管道上。有些儀器采用節(jié)流閥，控制流入質譜室的氣體流量。

6）真空規(guī)。一般采用冷陰極磁控放電真室規(guī)來測量質譜室中的壓力。也有用電阻規(guī)或熱偶規(guī)測量被檢件的預抽壓力和系統(tǒng)的前級壓力的。

7）標準漏孔。一般儀器內都附有標準漏孔（大多為薄膜滲氦型），用它來校準儀器的最小可檢漏率和對儀器輸出指示進行定標。

（3）電氣部分

除了主機供電部件和主機控制部件，還有幾組主要電路：

1）離子源電源。為離子源提供加速、聚焦、拒斥電壓。

2）發(fā)射電流穩(wěn)定電路。穩(wěn)定和調節(jié)發(fā)射電流。

3）離子流放大器和音響報警器。將離子流進行放大并將輸出信號送入輸出儀表或顯示器和音響報警器。

4）真空測量電路。一般用熱偶計測量低真空，用冷陰極磁控入電真空計測量高真室。

5）燈絲保護電路。當質譜室正常工作壓力被破壞后，立即切斷燈絲供電回路，以保護燈絲。

6）其他電路。不同型號的檢漏儀所具有的功能不盡相同，所以電路也有不少差加，這在各自的說明書中都有說明，這里不同贅述。

3、示漏氣體的選擇

選擇示漏氣體的原則是：它在空氣中及真空系統(tǒng)中的含量低；檢漏儀對它的靈敏度高；它不會對人員、環(huán)境、被檢件及檢漏儀造成污染、傷害和安全隱患；價格低。

質譜檢漏儀通常選擇氦氣作示蹤氣體，主要原因如下：

（1）氦在空氣中及真空系統(tǒng)殘余氣體中的含量極少（在空氣中約含5×10-6），在材料出氣中也很少，因此本底壓力小，輸出的本底電流也小。正因為本底小，由某些原因引起本底的波動，亦即本底噪聲也就小，因此微小漏率也就能反應出來，靈敏度高。

（2）氦的質量小（相對分子質量為4），易于穿過漏孔。這樣，氦較除氫以外的其他氣體通過同一漏孔的漏率就大，容易發(fā)現(xiàn)，靈敏度高。

（3）氦是惰性氣體，不與被檢件器壁起化學反應，不會污染被檢件，使用安全。

（4）在氦兩側的離子是氫（質荷比為2）和雙電荷原子碳（質荷比為6），質荷比都與氦相差較大。這樣，它們在分析器中的偏轉半徑相差也大，容易分開，調氦峰時，不易受其他離子的干擾，因此就降低了對分析器制造精度的要求，易于加工。同時，分析器出口電極及離子源加速極的隙縫也可以加大，使更多的氦離子通過，提高了儀器靈敏度。

（5）氦在被檢件及真空系統(tǒng)中不易被吸附，容易被抽走。這樣檢出一個漏孔可以使氦信號迅速消失以便繼續(xù)進行檢漏，提高了儀器的檢漏效率。

氫氣有些性能（如質量小、易通過漏孔）比氦還好，然而由于氫一方面有易爆危險，另一方面在油擴散泵中，由于油受熱裂解會產生大量的碳和氫，使氫本底極高且波動大，以致靈敏度大大降低，所以很少采用。

4、儀器的最小可檢漏率

當儀器處于最佳工作條件下，以一個大氣壓的純氦氣作示漏氣體進行動態(tài)檢漏時所能檢出的最小的漏孔漏率，稱為儀器最小可檢漏率，用Qmin表示。

（1）所謂最佳工作條件，是指被檢件出氣和漏氣都小，它與檢漏儀連接后不會影響檢漏儀質譜室的正常工作，因此不需加輔助泵。同時，檢漏儀的參量也調整在最佳工作狀態(tài)，這時檢漏儀能發(fā)揮其最佳性能。

（2）所謂動態(tài)檢漏，是指檢漏時，檢漏儀的真空系統(tǒng)仍在對質譜室進行抽氣，且儀器的反應時間不大于3s的情況。

（3）所謂最小可檢，是指檢漏儀輸出儀表上可以觀察出來的最微小的指示變化，即最小可檢信號。這個最小可檢信號主要受無規(guī)律起伏變化的儀器的本底噪聲和漂移所限制。本底噪聲是由于儀器各參數(shù)的不穩(wěn)定引起的，例臺電源電壓變化、真空度變化、發(fā)射電流變化、加速電壓變化、放大倍數(shù)變化、外界電磁場干擾等都會引起輸出儀表的不穩(wěn)定擺動。漂移被認為是由于電子學上的原因引起的。如果漏入的氦氣產生的輸出指示的變化小于噪聲和漂移之和，就很難判斷究竟是漏氣信號還是噪聲和漂移指示，因而噪聲和漂移值也就成為能否判斷出漏氣信號的關鍵值。

5、氦質譜檢漏儀的選擇

選擇氦質譜檢漏儀時主要考慮以下問題：

（1）儀器的功能能滿足檢漏的要求。如有些儀器沒有逆流檢漏功能，就不適合吸槍法檢漏；有些儀器沒有報廢漏率的設置功能，不宜作為批量產品篩選檢漏用；流水線上要求一定的檢漏速度，此時應選擇有多工位的檢漏儀。

（2）儀器的靈敏度能滿足檢漏的要求。國內外生產的不同類型的氦質譜檢漏儀的靈敏度是不一樣的，如果檢漏要求的靈敏度較高，就要認真選擇。

（3）被檢件如果害怕油的污染，就應選擇無油真空系統(tǒng)的檢漏儀。

（4）被檢件容積如果較大，必須選用預抽泵抽速大的檢漏儀，否則就要外加預抽泵。

（5）如果被檢對象不固定，體積時大時小，靈敏度要求時高時低，就要選擇功能較全、靈敏度較高、檢漏范圍寬的檢漏儀。

（6）如果檢漏地點不固定，需要經(jīng)常搬運儀器時，就要選擇小型便攜式儀器。

（7）在滿足上述檢漏基本要求的基礎上，還要綜合考慮儀器的價格是否低、操作是否簡易、維修是否方便等方面的問題。