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氦质谱检漏技术的研讨与理论 摘要：在氦质谱检漏技术理论的基础上，采用了以微电脑为中心的自动控制技术，进步了氦质谱检漏仪的全自动操作智能化水平。180。非平均磁场的完成，使离子聚焦更好。经过电子量程切换技术，减少了量程转换时间，扩展了丈量范围，对高精确度密封性智能检测系统的完成中止了细致的研讨与理论。 关键词：真空测试氦质谱检漏 1 引言 氦质谱检漏技术是以电子、离子光学和化学电离理论为基础，集资料科学、精密机械加工、真空技术、电子学和计算机科学技术一体，应用逆扩散技术，将由检漏室扩散到质谱室的氦气电离并加速进入磁场中中止分别，经过检测接纳器中氦离子信号的大小来判别被检件的漏率和位置；具有自动化水平高、检测速度快、检测灵活度高等特性。本文引见了氦质谱检漏技术的理论基础，对采用氦质谱检漏技术完成高精确度、密封性智能检测系统应用中止了细致的研讨。 2 氦质谱检漏技术的理论基础 氦质谱检漏仪用氦气作为气密性检测气体，从灯丝加热发射出来的电子经过加速，在电离室内与被检件漏孔逆扩散到电离室的氦气相互碰撞，使其电离成正离子。这些离子在加速电场作用下进入磁场，在洛伦兹力作用下产生偏转成圆弧形轨道，其旋转半径
式中：R——离子偏转轨道半径，cm；B——磁场强度，T；U——离子加速电压，V；M/Z——离子的质荷比（离子的质量与电荷的比值）。 由式(1)可知，当R，B为固定值时，改动加速电压可使不同质量的离子经过磁场和接纳缝抵达接纳极而被检测。因被检测的气体是固定的氦气，即质荷比M／Z是已知的，因而只需调整好加速电压，使氦离子能经过接纳缝抵达接纳电极，而使其他离子不被接纳，接纳电极接纳到的氦离子流经过放大后用于指示漏率。其他离子被全离子检测极接纳，经校准后用于指示质谱管内总压强以便对灯丝实施维护。使试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，构成离子束进入质量剖析器，依据洛伦兹力选择接纳所需求荷质比的离子。 3 氦质谱检漏技术 氦质谱检漏的检漏方式通常有两种，一种为常规检漏，另一种为逆扩散检漏。由于常规检漏对被检件的内部压强请求很高(普通请求真空值低于5×10‘2Pa)，不适用于检测大型容器，故采用逆扩散技术。逆扩散检漏是把被检件接在分子泵出气口的一端，漏入的氦气由分子泵出气口逆着泵的排气方向进入装置在泵的进气端的质谱管内而被电离检测。此检漏方式是基于分子泵对不同质量的气体具有不同的紧缩比(即应用不同气体的逆扩散水平不同)而设计。检漏仪主要由质谱系统、真空系统和电子系统组成。 3.1 质谱系统 质谱系统是检漏仪的中心部分，包含离子源、质量剖析器和接纳器等部分。 离子源包含灯丝、反射筒、加速栅和全离子接纳极，灯丝加热产生电子经加速栅加速后，在反射筒内重复反射以进步电离效率。加速栅同时作为电子流的检测电极，以便稳定灯丝电流。另外，在离子源的离子出口处装置有一个全离子接纳极，既能够作为拉出电极，又可检测全离子，以便检测质谱室内真空。质量剖析器由磁铁、质谱管组成，质量剖析器为180。磁偏转剖析器，偏转半径为3．2cm，场强约为0．2T；磁铁组件由磁钢、轭铁和极靴等组成，其中极靴为半圆形且厚度不平均，以便产生180。非平均磁场；接纳器由接纳极、抑止极、接纳缝和前置放大器等组成，前置放大器放在真空系统中有利于对微小 的离子流中止放大。 3.2 真空系统 真空系统是用来取得质谱室正常工作所需真空、抽除检漏后残留在系统中的氦气以及对被检件抽真空。真空系统主要由机械泵、分子泵和电磁阀以及真空计等部分组成。 机械泵为2L旋片式双极单相直联机械泵，用来对被检件预抽真空和维持分子泵工作所需的前级真空。机械泵上有止流阀，以避免停机后机械泵返油污染真空系统。 采用分子泵，具有噪声低、寿命长等优点，可方便完成宽量程检漏。 为了进步牢靠性，将进口处电磁阀经过组合阀座与分子泵相连，依据工作需求自动切换气路，岂但减少了衔接纳道，而且进步了产品的牢靠性。 为了保障检漏仪正常工作，必须时辰检测真空系统的真空度。质谱系统的低真空由热偶规丈量，检漏口的真空由皮拉尼真空计丈量，并以光柱来显现。控制系统依据检漏1：1压力来肯定何时开端检漏并肯定量程范围，质谱系统的高真空由全离子接纳极来检测。 3.3 电子系统 整个电子系统以单片机为中心，控制分子泵的动作、离子源加电、电磁阀的开关以及数据剖析和处置。电子系统由通讯接15模块、控制模块、显现操作模块、离子源供电模块、数据采集处置模块组成。 离子源供电模块为离子源提供各种工作电压以及灯丝的维护。离子源灯丝在真空中被加热后发射电子，热电子在电离电压作用下被加速栅(阳极)吸收构成发射电流。为了在接纳极得到稳定的氦离子流，请求发射电流必须稳定，稳定度应优于1％。同时，离子源供电模块还要提供离子源正常工作的各种电压，如电离电压、加速电压、抑止电压等。控制模块控制分子泵的启动、离子源加电、电磁阀切换，并依据数据采集模块提供的数据，控制灯丝的开和关、双灯丝的切换以及各种维护。用户操作经过显现操作模块按键，向单片机发送命令，由单片机剖析按键内容，并产生相应的操作，将检漏仪的各种工作状态以及真空值、漏率等显现出来。其中，工作状态以LED方式显现，真空值和漏率以LED光柱方式显现，漏率以数码管或液晶屏直接显现出来，十分直观方便。 数据模块主要包含离子放大电路、真空丈量电路、温度丈量电路等。氦离子放大电路分三级：第一级为前置放大器，装置在接纳器内的真空系统中，用于将微小的离子流放大。这是一只全反响电荷放大器，可将离子流信号放大1011倍，必须将操作工具放静电并且插上短路插头。第二级放大器为电压仪表放大器并增加了校准电路。第三级放大器包含在可编程A／D内，可完成最大128倍放大，数据采集为20位A／D芯片，进步了精确度。 真空丈量分三部分：低真空丈量；质谱室高真空丈量；检漏口真空丈量。低真空的丈量采用了热偶规，只丈量不显现，主控分子泵运转。高真空丈量采用了全离子检测，主要依据质谱室内全离子的数量，经过一定换算和校准来表示质谱室内真空，以便对离子源内灯丝实施维护。检漏口的真空丈量采用皮拉尼真空计，性能稳定牢靠。由于检漏口的真空值决议了何时开端检漏及量程范围，其牢靠性显而易见。检漏口的真空值用LED光柱显现。由于规范漏孔的漏率受温度影响，因而检漏仪中还有温度丈量模块。温度采集采用了DSl280数字温度传感器，采用一线制无须外围器件，运用方便牢靠。通讯接口模块将单片机串口扩展成规范的RS232串口，以便向外传输数据并接纳外部数据命令。 4 氦质谱检漏流程 本项目由机械泵、质谱室、分子泵、放大器和电磁阀等组成。机械泵8经过管路和电磁阀与分子泵l衔接，经过抽气口19、分子泵1与质谱室衔接如图1。
分子泵1包含进气口19和出气口2，放大器设置在质谱室真空环境中。磁铁17可产生180。的非平均磁场，离子源采用双灯丝自动备份切换。电子系统由控制模块、离子源供电模块、显现操作模块和数据处置模块组成。 其工作流程如下：首先启动机械泵8，检测分子泵l的出气口2处真空度，抵达阈值后自动启动分子泵1，分子泵1启动正常后，质谱室16内离子源加电。离子源内有两根灯丝，作为自动备份切换，同时检测质谱室直到高真空契合请求而进入检漏。检漏时，关电磁阀7而开电磁阀9，经过检漏口14对工件抽真空。同时，由真空计13丈量检漏口14的真空值，按真空值大小，翻开相应的电磁阀来中止检漏。定标时，翻开电磁阀10按规范漏孔11的漏率来定标。检漏时，氦气由分子泵1逆扩散到质谱室，电离后进入电磁铁17所产生的180。非平均磁场并中止分别。此外，180。非平均磁场在“∥方向有聚焦作用，从而减少了离子损失，使灵活度得到进步。将放大器18放在质谱室16，减少外界环境的干扰，进一步进步了灵活度。检漏终了放气时，电磁阀12翻开，空气进入后能够拿走工件。整个工作过程，由以微电脑为中心的电气系统来控制；细致性能技术参数如下： (1)最小可检漏率：5x10—2Pa·m3／s 漏率：在特定条件下，一种特定气体经过漏孔的流量，最小可检漏率就是指仪器的灵活度，即最小能够检测的漏孔的流量。 (2)可检漏率范围：5X10一Pa·m3／s～5×10。12Pa．m3／s 是指检测孔的最大值和最小值。 (3)启动时间：不大于3min 是指机器电源加电后，多长时间能够工作。 (4)响应时间：不大于2s 是指将漏孔衔接在检漏仪的检漏口上，使检漏仪进入检漏状态，漏率表显现一稳定的漏率值。忽然关闭漏孔阀V，当显现的漏率值降至37％时的时间。 (5)检漏口最高压力：不大于1 000 Pa 是指当待检工件的真空抽到多少Pa时，仪器即可开端检漏。 5 终了语 本项目经过研讨与理论控制的关键技术内容如下： (1)180度非平均磁场的胜利研制，使离子聚焦更好，大大进步了仪器的灵活度，使仪器的最小漏率由5x10‘1‘Pa·m3／s进步到5×10。12Pa·m3／s，抵达了国内同类技术的先进水平。 (2)采用电子量程切换技术，减少了量程转换时间，丈量范围由5x10“1Pa·m3／s～5x10～Pa·m3／s，进步到5×10—2Pa-m3／s一5x10-4Pa·m3／s，整整扩展了10 000倍，极大地进步了仪器的顺应性。 (3)分离氦质谱检漏仪的特性，采用了以微电脑为中心的自动控制技术，完成了对检漏仪的全自动操作，进步了仪器的智能化水平，使仪器性能愈加稳定牢靠、操作愈加方便。同时，放气时灯丝、分子泵处于休眠状态，降低了能耗，进步了仪器的运用寿命。 (4)控制了高灵活度质谱系统的设计及加工工艺，控制了高真空系统的设计、加工、抛光、清洗及装置技术，使仪器残留信号的本底很低，极大进步了仪器的检测灵活度和响应时间，为研制研制四极质谱剖析仪打下了的基础。 （合肥卓扬真空技术有限公司 供稿 ） |
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