真空检漏的原理和方法ppt课件.ppt

,电子、电器配套玻璃专业国际化公司,Total Glass Solutions For Electron And Electric Appliance,真 空 检 漏,作成：樊斌杰日期:2010年/10月,一、概述1概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。气密性是表征真空系统器壁防止气体渗透的性能，它包括通过漏孔(或间隙)的漏气和材质的渗气。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。最佳灵敏度是指检漏仪器或检漏方法在最佳条件下所能检测出的最小漏率。对于检漏仪器来讲，最佳灵敏度又称作仪器灵敏度。检漏灵敏度是指在具体条件下，某种检漏方法所能检测出的最小漏率。检漏灵敏度又称作有效灵敏度。反应时间，即从检漏方法开始实施(如开始喷吹示漏气体)到指示方法(如仪表)做出反应的时间。消除时间，即从检漏方法停止(如停止喷吹且开始抽出示漏气体)到指示方法的指示消失的时间。漏率，即单位时间内流过漏孔(包括间隙)的气体量。,2漏孔、漏率及其单位真空技术中所指的漏孔，由于尺寸微小、形状复杂、形式多样(如图1所示)，无法用几何尺寸表示其大小。所以一般用等效流导或漏气速率(简称为漏率)表示漏孔的大小。用漏率表示漏孔大小时，如果不加特殊说明，则是指在漏孔入口压力为1.01105Pa，出口压力低于1.33103Pa，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Pam3s。为了方便，有时用帕斯卡升秒，记为PaLs。,3最大容许漏率真空系统漏气是绝对的，不漏气是相对的在真空检漏技术中所指的“漏”是和最大容许漏率的概念联系在一起的。对于动态真空系统，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。动态真空系统的最大容许漏率qLmax应满足qLmax1/10PwS(1)式中Pw-系统工作压力S-系统的有效抽速对于静态真空系统，要求在一定时间内，其压力维持在容许的压力以下，这时即使存在着漏孔，同样叮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。如果要求在时间t内,容积为V的系统的压力由p升至pt，则其最大容许漏率qLmax应满足qLmax(pt-p)V/t(2)各种真空设备的最大容许漏率可参考表1确定。,4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。主导流动状态与漏孔的几何尺寸、气体的种类、漏孔两端的压力及环境温度有关。设环境温度T=296K，入口压力p2=1.01105Pa，出口压力p1p2，漏孔长L，直径d的均匀圆截面导管型漏孔，其对空气的漏率及可视流动状态见表2。,5检漏方法的分类检漏方法很多，根据被检件所处的状态可分为充压检漏法、真空检漏法及其它检漏法。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。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、位置利漏率的大小，这就是真空检漏法。其它检漏法：被检件既不充压也不抽真空，或其外部受压等方法归入其它检漏法。背压法就是其中主要方法之一。所谓“背压检漏法”是利用背压室先将示漏气体由漏孔充入被检件，然后在真空状态下使示漏气体再从被检件中漏出以某种方法(或检漏仪)检测漏出的示漏气体，判定被检件的总漏率的方法。,二、检漏仪器用于检漏的仪器有氦质谱检漏仪、卤素检漏仪、高频火花检漏器、气敏半导体检漏仪及用于质谱分析的各种质谱计。这里主要介绍氦质谱检漏仪、卤素检漏仪、高频火花检漏器的工作原理、结构及国产检漏仪器的技术性能。1氦质谱检漏仪氮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-910-12Pam3s，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10-1410-15Pam3s，适用于超高真空系统、零部件及元器件的检漏。逆流氦质谱检漏仪改变了常规型仪器的结构布局，被检件置于检漏仪主抽泵的前级部位，因此具有可在高压力下检漏、不用液氮及质谱室污染小等特点适用于大漏率、真空卫生较差的真空系统的检漏，其灵敏度可达10-12Pam3s。,(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。单级磁偏转型氦质谱检漏仪现以HZJl型仪器为例介绍单级磁偏转型氦质谱检漏仪，其结构如图2所示。 在质谱室内有：由灯丝、离化室、离子加速极组成离子源；由外加均匀磁场、挡板及出口缝隙组成分析器；由抑制栅、收集极及高阻组成收集器；第一级放大静电计管和冷阴极电离规。质谱室的工作原理如图3所示。,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图4示出了双级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。逆流氦质谱检漏仪逆流氦质谱检漏仪的结构特点如图5所示。该类仪器是根据油扩散泵或分子泵的压缩比与气体种类有关的原理制成的。例如，多级油扩散泵对氦气的压缩比为102；对空气中其它成分的压缩比为lO4106。检漏时，通过被检件上漏孔进入主抽泵前级部位的氦气，仍有部分返流到质谱室中去，并由仪器的输出指示示出漏气讯号。这就是逆流氦顷质谱检漏仪的工作原理。,(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。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。漏率灵敏度标准系统如图6所示。图中虚线框内部分为配气系统即为标准漏孔5进气端提供压力为pHe的纯氦气。辅助泵6的任务是预抽。用干燥瓶4和针阀2调节仪器工作压力。如果仪器本底为I0，本底噪声为In，标准漏孔对空气的标称漏率为qL.o，当其进气压力为pHe时的仪器讯号为I，则仪器灵敏度为式（6）。,如果检漏时用辅助系统抽气(即对示漏氦气有分流)。或用累积法检漏时，给出仪器最小可检氦浓度(即浓度灵敏度)。记为min，能较方便地估计检漏效果。浓度灵敏度校准系统中应用一流量计测出图6的通过针阀2进入仪器的空气流率qL.o，则仪器浓度灵敏度成为式（7）。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R。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C。反应时间和清除时间的测定装置如图7所示。,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。,2卤素检漏仪用含有卤素(氟、氯、溴、碘)的气体为示漏气体的检漏仪器称为卤素检漏仪。该类仪器分两类：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。示漏气体有氟里昂、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3.2lO-9Pam3s。(1)工作原理与结构金属铂在800900oC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8所示。传感器是个二极管，加热丝、阴极(外筒)、阳极(内筒)均用铂材制成。阳极被加热丝加热后发射正离子，被阴极接收的离子流由检流计(或放大器)指示出来，且有音响指示。电气部分由加热电源、直流电源、离子流放大器、输出显示及便携式的吸气装置电源等组成。,(2)性能测试方法灵敏度、反应时间及恢复时间是卤素检漏仪的主要性能参数。其测试方法与氦质谱检漏仪的相同，这里不再赘述。但是，卤素检漏仪的指示与卤素气体的浓度有关：一般，低浓度的指示是线性的，中等浓度的是非线性的，而当浓度很高时仪器出现饱和或中毒现象。所以在进行性能测试或检漏时，进入传感器的卤素气体的浓度不宜高于百万分之一。固定式卤素检漏仪传感器应和lO-110oPa压力范围内工作，压力过高或过低都会导致仪器灵敏度的下降。便携式卤素检漏仪的传感器基本上是在大气压下工作的，靠吸气装置吸入气体，使卤素气体流经传感器。,3高频火花检漏器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510-1102Pa，检漏灵敏度为10-3Pam3s。,三、检漏技术1.各种检漏方法的概况真空检漏就是用适当的方法，迅速判断漏气、确定漏率是否在容许的范围之内，找出漏孔的位置、测定漏率大小，以便进行修补。充压检漏法、真空检漏法和其它检漏法的条件、现象、所用设备及其灵敏度分别示于表4、表5、和表6。表4充压检漏法,表7V-试件容积dp -压力增量dt -时间n -气泡形成速率 个mind -气泡直径、a -示漏气体和空气的粘滞系数M，Ma-示漏气体和空气的摩尔质量p、pa-示漏气体和大气压力G -常数S、Sa-系统对示漏气体和空气的抽速qL、 qL，a-漏孔对示漏气体和空气的漏率C v -气体的热容,T -环境温度T1-T2 -规管温差K、K a -规管对示漏气体和空气的灵 敏度常数Ie -发射电流N -热传导真空计的读数变化I -电离真空计的读数变化pa -真空计最小可读空气压力的变化量qL,min -灵敏度pAr -背压 Ar 气压力Ma -氢气摩尔质量KAr -电子管对氢气的电离规灵敏度常数I10、I20 -时间t间隔所对应的离子流t -背压时间,2氦质谱检漏仪法 (接上期)利用氦质谱检漏仪进行检漏的方法有：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。各种方法的设备、步骤及漏率见表11。在检漏过程中应注意调节仪器工作压力和氦峰，注意经常校准仪器灵敏度，注意降低仪器本底和本底噪声，以便保证氦质谱检漏仪检漏法的灵敏度。,3检漏方法的选择及对检漏人员的要求(1)检漏方法的选择比较理想的检漏方法应满足下列要求：合适的检漏灵敏度在具体的检漏条件下，所选择方法的检漏灵敏度，通常高于最大容许漏率12个数量级。反应时间和清除时间短不仅能找出漏孔的位置，而且还能测定漏率找出漏孔位置的方法有喷吹法和吸枪法。喷吹法适用于可抽空的被检件。高频火花检漏器法、真空计法、固定式卤素仪法和氦质谱仪法归于喷吹法。吸枪法适用于不允许抽空、放气量大、复杂管道等被检件。气泡法、荧光法，氨检漏法及吸枪式检漏仪法可归于吸枪法。测定漏率的方法是测量示漏物质的漏率变化或浓度变化量。根据条件可采用适当的方法。品质优良的示漏物质示漏物质具有在空气中含量少，灵敏度高，不腐蚀、不污染被检件、抽气系统及检漏仪表，无毒、阻燃和防爆。稳定性好、检漏范围宽,结构简单、操作维修方便，成本低由于上述要求有些是相互矛盾的，若想采用一种方法都能满足是不合实际的。所以只要根据具体情况能够满足其主要要求的检漏方法就是较为适宜的。实践证明，检漏人员的素质、工作经验也是选择检漏方法的重要依据之一。(2)对检漏人员的要求对检漏人员的要求如下：具有高度的责任心和认真的工作态度；具有丰富的检漏实践经验；具有一定的机械结构、物理、化学、材料及焊接等方面的知识；了解被检件结构及其运行工艺，熟悉所用检漏方法或仪器的原理及性能；掌握所用示漏物质的检漏特性。例如，氦气轻，采用喷吹法检漏时，应遵守从上至下和从近至远的原则(即先从被检件上部顺序至下部和从靠近检漏仪顺序至远离的部位)；采用吸枪法检漏时，应遵守从下至上和从近至远的原则。但是，卤素气体重，除遵守从近至远的原则外，在喷吹法和吸枪法中，应分别遵守从下至上和从上至下的原则。检漏人员满足上述要求，就能解释和解决检漏工作中出现的形形色色的现象，较好地完成判别漏气、找出漏孔及测定漏率的检漏任务。,四、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2963K、入口压力为1.01105Pa、出口压力低于1.33103Pa的干燥空气（其露点温度低于248K）的漏率。1.常用的标准漏孔几种常用标准漏孔的结构如图10所示。,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10-810-7Pam3/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10-810-6Pam3/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。当铂丝直径为0.10.5mm；封接长度为510mm时，漏率约为10-7Pam3/s。当温度改变时，其漏率变化。若296K的漏率为qL、296，则温度T时的漏率为式（8）。式中f（T）的曲线如图11所示。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10-510-9Pam3/s。由于温度对漏率的影响很大，使用时应当注意修正。如果温度T1时漏孔漏率为qL、T1，使用温度T2时的漏率应为式（9）。式中，E-氦在石英中的渗透激活能；R-摩尔气体常数。,2.标准漏孔的校准标准漏孔的常用校准方法有定容升压法和氦质谱检漏仪比较法。（1）定容升压法定容升压法校准系统示意图如图12所示。经预抽并烘烤容积V后，标准漏孔进气端压力p11.33103Pa，而V达到极限真空。当压力为1.01105Pa的校准气体（例如N2气）经标准漏孔流进容积V，并在V中压力p2稳定后，关闭阀门S2记录时间和环境温度T，测出对应t时间的升压p2则标准漏孔的漏率为式（10）。,（2）氦质谱检漏仪的比较法氦质谱检漏仪比较法校准系统如图13所示。在检漏仪工作条件不变的前提下，先后测出已知漏孔L1和待校漏孔L2的进气氦压和讯号，则待校标准漏孔的漏率为式（11）。式中，qL，01-已知标准漏孔L1的漏率；p1，p2-分别为L1、L2漏孔进气端氦压；I1，I2-分别为L1，L2漏孔的输出讯号；I0-检漏仪本底。国产检漏仪器的主要参数见表12和表13。,THANK 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