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真空检漏vacuum leak detection


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5.1 概述 一.真空检漏的意义 二. 真空系统漏气的判断 三. 漏孔大小的表示 四.容许漏率 5.2 检漏的基本原理 一. 压强差的作用 二. 示漏气体与探测器 三、检漏方法的响应过程 四、各种效应的利用 五、检漏器的性能指标 5.3 压力检漏法 一. 打气检漏法

二. 卤素检漏法 三、氨检漏法 5.4 真空检漏法 一. 高频火花检漏法 二. 真空计检漏法 三、质谱仪检漏法 1.工作原理 2.示漏气体 3.检漏方法 4.性能指标

主要内容

5.1 概述
? 一.真空检漏的意义

? 二. 真空系统漏气的 判断 ? 三. 漏孔大小的表示
? 四.容许漏率

真空检漏的基本概念
? 真空检漏就是检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。 ? 漏气也叫实漏,是气体通过系统上的漏孔或间隙从高压侧流到低压侧 的现象。 ? 虚漏,是相对实漏而言的一种物理现象。这种现象是由于材料放气、 解吸、凝结气体的再蒸发、气体通过器壁的渗透及系统内死空间中气 体的流出等原因引起真空系统中气体压力升高的现象。 ? 漏率,即单位时间内流过漏孔(包括间隙)的气体量。 ? 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。 漏率的单位是帕斯卡×立方米/秒,记为Pam3/s。为了方便, 有时用帕斯卡×升/秒,记为PaL/s。 ? 最大容许漏率:于动态真空系统,只要其平衡压力能够达到所要求的 真空度,这时即使存在着漏孔,也可以认为该系统的漏率是容许的, 该情况下系统的漏率称为最大容许漏率。 ? 最小可检漏率是指某种检漏方法能够检测出的漏率的最小值。

5.2 检漏的基本原理
检漏目的:
? 一. 压强差的作用 P1>P2; P1<P2 e.g. Testing for the leak of tire of a bicycle. 缺点:不能检测微小漏孔

? 二. 示漏气体与探测器 ? 示漏气体:卤素 ;放射元素;氨气等 ? 探测器: 电离计等;
? 三、检漏方法的响应过程 ? 立刻响应;响应较快稳定;响应很慢稳定; ? 探查法

? 四、各种效应的利用
? 五、检漏器的性能指标

? 漏孔的气流特性
气体流经漏孔的过程是很复杂的,可能包含有粘滞流、过 渡流及分子流三种流动状态。

? 检漏方法的分类
充压检漏法、真空检漏法及其它检漏法

Chapter 5 Leak Detection
? Section 1. General introduction
* 1. The importance of leak detection (a) An ideal vacuum chamber should maintain forever the vacuum (pressure) reached at the moment of its separation from the pumps. (b) Any real chamber presents a rise in pressure after being isolated from the pumping system.

Continuation of general introduction
(c ) The pressure rise is produced by the gas which penetrates through leak ,which evolves from the walls( outgassing and vapor) and which enteres by permeation (see page 111).

P· e· – Q· = –V· S dt dt dP
Where P:Pressure; Se:Effective pumping speed V: Volume; Q: leak, outgassing & permeation

Continuation of general introduction
? 2. Determination of the leak ? (a) Plotting of pressure vs time curve will assist in determining the the actual leak.

Determination of the real leaks
* Straight line 1 : the rise of pressure is produced only by real leaks. * Curve 2 : the rise of pressure by outgassing * Curve 3 : the rise of pressure by a combined effect (leak, outgassing and penetration).

Continuation of general introduction

? 3. The leak rate
(a) Definition : The leak rate is the quantity of gas (in PV units) per unit time into the flowing vacuum system at a certain conditions.

Table of leak rate specifications

Leak detection
? Section 2. Basic principle of the leak detection methods ? (a) The aim of leak detection: To find exact situation of the leak. ? (b) The principle of the leak : ? Pressure difference : e.g. Testing for the leak of tire of a bicycle.

Continuation of the principle of leak detection

? The trace probe :

In this technique a stream of test gas is spread on the suspected area, and the gas penetrating into the system is pumped via the detector.
In this technique the test gas is filled into the system under test and a detector probe connected to the leak detector is passed over the suspected area to receive the test gas escaping through the leak.

? The detector probe :

5.3 压力检漏法
? 压力检漏法( 充压检漏法):在被检件内部充入 一定压力的示漏物质,如果被检件上有漏孔,示 漏物质便从漏孔漏出,用一定的方法或仪器在被 检件外部检测出从漏孔漏出的示漏物质,从而判 定漏孔的存在、位置及漏率的大小,此即充压检 漏法。 ? 一. 打气检漏法 ? 二. 卤素检漏法 ? 三、氨检漏法

二. 卤素检漏法
? 用含有卤素(氟、氯、溴、碘)的气体为示漏气体 的检漏仪器称为卤素检漏仪 。

? 分两类: ? 其一为传感器(即探头)与被检件相连接的称为固 定式(也称内探头式)卤素检漏仪; ? 其二为传感器(即吸枪)在被检件外部搜索的称为 便携式(也称外探头式)卤素检漏仪。
? 示漏气体: 氟里昂、氯仿、碘仿、四氯化碳等,其中氯里昂 12最好 ;

? 卤素检漏仪灵敏度可达3.2×lO-9Pam3/s。

二. 卤素检漏法
? 工作原理与结构
? 金属铂在800~900 oC温度下会发生正离子 发射,当遇到卤素气体时,这种发射会急剧增 加。这就是所谓的“卤素效应”,利用此效应 制成的卤素检漏仪的结构示意图如图所示。

三、氨检漏法
?示漏气体:氨(碱性) ?外涂试剂或贴试纸(溴酚蓝最好) ?原理:漏孔处变色 ?灵敏度: ? 大于5*10-6 torr l/s的漏孔,0.5h; ? 5*10-7 ------1*10-6 torr l/s的漏孔,2---4h; ? 10-8 torr l/s的漏孔,10h以上。 ?优点:简单方便,灵敏度高,一次充氨可以检完 所有部位。 ?缺点:有毒!不能用于铜银等金属容器。

5.4 真空检漏法
? 真空检漏法:被检件和检漏器的敏感元件处于真空状态, 在被检件的外部施加示漏物质,如果有漏孔,示漏物质就 会通过漏孔进入被检件和敏感元件的空间,由敏感元件检 测出示漏物质,从而可以判定漏孔的存在位置及漏率的大 小,这就是真空检漏法。 ? 一. 高频火花检漏法 ? 二. 真空计检漏法 ? 三、质谱仪检漏法 ? 1.工作原理 ? 2.示漏气体 ? 3.检漏方法 ? 4.性能指标

一. 高频火花检漏法
? 高频火花检漏器是个高频高压对地 放电器件,可以用于真空检漏。 ? (1)工作原理与结构 图9示出一种电容,电感串联谐振 式高频火花检漏器的原理图。接通K, 当接触器CD闭合时,电流流经L1、 CD,电流很大,L1产生足够大的电 磁力吸引CD断开,于是形成L1、C、 L2的回路。由于阻抗增加,电流减 小导致电磁力下降。从而使CD重新 闭合。如此反复,在L2上施加高频 脉冲电压,因此高压线圈L3便感应 出高频高压脉冲电压。而L3的一端 对地放电产生高频火花击穿现象。 这就是高频火花检漏器的工作原理。

? (2)玻璃真空系统的检漏 将高频火花检漏器的放电簧F沿着已抽空的玻 璃系统外表面慢慢移动,没有漏孔时放电火花束 呈杂乱分散状态,当遇到漏孔时火花束集中成一 条细束,且指向系统上亮点(漏孔内空气电离率远 远大于玻璃的结果),该亮点就是漏孔的位置。 (3)金属真空系统的检漏 各种气体和蒸汽的辉光放电颜色如表3。选用 表中示漏物质施加在金属真空系统的可疑处,用 高频火花检漏器激发系统上玻璃质规管或盲管内 的气体,使之放电,观察放电颜色的变化便可实 现检漏。这种方法的工作压力为5×10-1~102Pa, 检漏灵敏度为10-3Pam3/s。

表3 各种气体和蒸汽的辉光放电颜色

气体 空气

放电颜色 玫瑰红

蒸气 水银

放电颜色 蓝绿

氮气
氧气

金红
淡黄


真空油脂

天蓝
淡蓝(有荧 光)

氢气 二氧化碳 氦气 氖气 氩气

浅红 白蓝 紫红 鲜红 深红

酒精 乙醚 丙酮 苯 甲醇

淡蓝 淡蓝灰 蓝 蓝 蓝

二. 真空计检漏法
? 热传导真空计 ? 电离计 ? 示漏气体:H2,CO2,丁烷,丙酮,乙醚,酒精

三、质谱仪检漏法
? 氦质谱检漏仪是用氦气为示漏气体的专门用于检 漏的仪器,它具有性能稳定、灵敏度高的特点。 是真空检漏技术中灵敏度最高,用得最普遍的检 漏仪器。 ? 氦质谱检漏仪是磁偏转型的质谱分析计。 ? 单级磁偏转型仪器灵敏度为lO-9~10-12Pam3/s, 广泛地用于各种真空系统及零部件的检漏。 ? 双级串联磁偏转型仪器与单级磁偏转型仪器相比 较,本底噪声显著减小.其灵敏度可达10-14~1015Pam3/s,适用于超高真空系统、零部件及元 器件的检漏。

1.工作原理与结构
? 氦质谱检漏仪由离子源、分析器、收集器、冷阴极电 离规组成的质谱室和抽气系统及电气部分等组成。

? 在离化室N内,气体电离成正离子,在电场作用下离子聚焦 成束。并在加速电压作用下以一定的速度经过加速极S1的 缝隙进入分析器。在均匀磁场的作用下,具有一定速度的 离子将按圆形轨迹运动,其偏转半径可按式(5)计算。 可见,当B和U为定值时,不同质荷比me-1的离子束的 偏转半径R不同。仪器的B和R是固定的,调节加速电压U 使氦离子束[图中(me-1)2]恰好通过出口缝隙S2,到达收集 器D,形成离子流并由放大器放大。使其由输出表和音响指 示反映出来;而不同于氦质荷比的离子束[(me-1)1(me-1)3] 因其偏转半径与仪器的R值不同无法通过出口缝隙S2,所 以被分离出来。(me-1)2=4,即He+的质荷比,除He+之外, C卅很少,可忽略。

双级串联磁偏转型氦质谱检漏仪
? 双级900缩转串联式磁偏转型氦 质谱检漏仪的质谱室。由于两 次分析,减少了非氦离子到达 收集器的机率。并且,如在两 个分析器的中间,即图中的中 间缝隙S2与邻近的挡板间设置 加速电场,使离子在进入第二 个分析器前再次被加速。那些 与氦离子动量相同的非氦离子, 虽然可以通过第一个分析器, 但是,经第二次加速进入第二 个分析器后,由于其动量与氦 离子的不同而被分离出来。由 于二次分离,仪器本底及本底 噪声显著地减小,提高了仪器 灵敏度。

2 性能试验方法
? 灵敏度、反应时间、清除时间、工作真空度、极限真空度 及仪器入口处抽速是评价氦质谱检漏仪的主要性能指标。 ? ①灵敏度及其校准 氦质谱检漏仪灵敏度,通常指仪器的最小可检漏率。记 为qL.min,即在仪器处于最佳工作条件下,以一个大气压 的纯氦气为示漏气体,进行动态检漏时所能检测出的最小 漏孔漏率。所谓“最佳工作条件”是指仪器参数调整到最 佳值,被检件出气少且没有大漏孔等条件。所谓“动态检 漏”是指检漏仪器本身的抽气系统仍在正常抽气。仪器的 反应时间不大于3s。所谓“最小可检”是指检漏讯号为仪 器本底噪声的两倍时,才能认定有漏气讯号输出。所谓 “漏孔漏率”是指一个大气压的干燥空气通过漏孔漏向真 空侧的漏气速率。仪器本底噪声,一般指在2min内输出仪 表的最大波动量。

? ②反应时间、清除时间及其测定 反应时间是指仪器节流阀完全开启,本底讯号为零(或 补偿到零)时,由恒定的氦流量使输仪表讯号上升到最大 值的(1-e-1)倍(即O.63)所需要的时间,记为τR。 清除时间是指输出仪表讯号稳定到最大值后,停止送氦, 其讯号下降到最大值的e-1倍(即O.37)所需要的时间,记 为τC。 ③工作真空、极限真空及入口处抽速 质谱室极限真空,尤其是工作真空及入口处抽速是表征 仪器性能的重要参数。利用检漏仪的真空规可以测定仪器 的极限真空和工作真空。利用流量计可测定仪器入口处抽 速。

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2.示漏气体 氦,why?P128 3.检漏方法 喷吹法、氦罩法、检漏盒法、吸枪法、充 压法、背压法、累积法、选择性抽气法、 检漏台法、逆流检漏法和标准漏孔比较法。

标准漏孔
? 标准漏孔是在一定条件下向真空系统内部 提供已知气体流量的元件。 ? 一般要明确这个气流量(即漏率)的气体 种类、温度、压力等条件。如果不特别指 明,则指温度为296±3K、入口压力为 1.01×105Pa、出口压力低于1.33×103Pa 的干燥空气(其露点温度低于248K)的漏 率。

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玻璃毛细管型标准漏孔(图中a)是用局部拉细的玻璃毛 细管制成的,漏率为10-8~10-7Pam3/s。 金属压扁型标准漏孔(图中b)通常是用无氧铜或可伐 管压制而成,漏率为10-8~10-6Pam3/s。 玻璃铂丝型标准漏孔(图中c)是利用玻璃与铂丝的不 匹配封接制成的。 ? 薄膜渗氦型标准漏孔(图中d)是利用石英薄膜球泡的渗 氦速率制成的,其漏率一般为10-5~10-9Pam3/s。

Leak detection
? Section 3 The different methods of leak detection ? 1. Pressure different method ? It is very simple and very useful. Normally people use the nitrogen gas as test gas with a little over atmospheric.

Leak detection
? 2. Halogen leak detector
? (a) This detector was first described by White and Hickey (1948). ? (b) It makes use of a red-hot (~9000C) platinum which emits positive ions. ? (c ) The presence of small traces of halogen (Cl, F, Br and I) increases the emission of positive ions markedly.

? (d) It is this increase in emission that is measured to indicate the presence of a leak. ? (e) The detector consists of a platinum cylinder mounted on a ceramic-clad heating element placed centrally within an outer cylinder. The heated inner cylinder is made positive (100--500V)relative to the outer cylinder, and the ion current is read on a microammeter.

Continuation of halogen leak detector

Schematic diagram of the halogen leak detector

Continuation of the methods of leak detection
? 3. The chemical detector ? 4. The spark detector. ? Perhaps it could say that the spark detector is mostly used in manufacturing light sources. ? How does it work? And What is the structure of the spark detector ?

Continuation of the methods of leak detection

Continuation of the method of leak detection
? 5. Detector using vacuum gauges. ? 6.Mass spectrometer leak detection. ? (a) In principle any of the types of mass spectrometer together with any probe gas may be used for leak detection. ? (b) But helium is widely used as He’s molecular weight low; He occurs in the atmosphere at extent of only 5x10-4%per volume and except deuterium no gas will be mistaken.

Mass spectrometer leak detector

Leak detection
? Section 4 The standard leak and the measurement of leak rate.
? 1. The standard leak ? It has very special structure to be made. ? 2. The measurement of leak rate
? (a) The constant volume method. ? (b) The compared method using standard leak


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