真空氦質(zhì)譜檢漏原理與方法綜述
介紹了真空氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)的工作原理,綜述了檢漏技術(shù)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(yīng)用,較全面地總結(jié)了真空氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)的原理與方法。
氦質(zhì)譜檢漏方法在真空檢漏技術(shù)領(lǐng)域里已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,這種方法的優(yōu)點是:檢漏靈敏度高,可以檢漏到10 -11 Pam3 / s 數(shù)量級,儀器響應(yīng)快,氦分子在儀器高真空的環(huán)境中擴(kuò)散的速度很高;所以氦質(zhì)譜檢漏儀在許多領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用,例如,在航空航天領(lǐng)域里宇宙飛船、航天飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)等這些都要用到真空檢漏技術(shù)。在一般工業(yè)領(lǐng)域里原子能、發(fā)電廠、配電站、合成氨的氮肥生產(chǎn)廠、汽車制造業(yè)、造船工業(yè)、制冷工業(yè)、冶金工業(yè)、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(dǎo)彈武器裝備中也離不開檢漏,導(dǎo)彈彈體、燃料儲備罐、燃料運(yùn)輸管道、彈頭、特殊部件的密封性都要用到氦質(zhì)譜檢漏,本文主要真對氦質(zhì)譜檢漏原理及方法進(jìn)行綜述。
1、氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理
圖1 是一個典型質(zhì)譜室的剖面圖,燈絲電離出來的電子經(jīng)加速進(jìn)入電離室,在電離室內(nèi)與殘余氣體分子和經(jīng)被檢件漏孔進(jìn)入電離室的氦氣相互碰撞,使氦分子發(fā)生電離,He →He + + e 。
圖1 質(zhì)譜室工作原理
這些離子在加速電場的作用下進(jìn)入磁場,由洛倫茲力使得氦離子發(fā)生偏轉(zhuǎn),形成圓弧形軌道,半徑公式為 :
式中, R 為離子偏轉(zhuǎn)軌道半徑; B 為磁場強(qiáng)度; M/ Z為離子的質(zhì)量與電荷之比; U 為離子的加速電壓。由此可見,當(dāng)R , B 為固定值時,改變加速電壓,可使不同質(zhì)量的離子通過磁場和接收縫到達(dá)接收極而被檢測到。如果電離室內(nèi)的成分是干燥大氣,在圖1的出口縫處測得的離子流強(qiáng)度的理論峰值如圖2根據(jù)干燥大氣成分繪制) 所示,圖中峰值的高度代表離子流強(qiáng)度,它與氣體在電離室的分壓成正比;氦質(zhì)譜檢漏儀就是利用這一原理,實際上把加速電壓設(shè)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(jīng)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(zhì)譜檢漏方法比較多,根據(jù)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(jù)檢驗的目的選用最合理的方法,要以被檢器件的具體情況而定,靈活運(yùn)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(wèi)星、導(dǎo)彈彈體、彈頭、輸氣管道、氣罐、油罐、鍋爐等。
2.1.1、噴氦法
這是最常用的一種方法,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(dāng)氦噴到漏孔上時,氦氣立即會被吸入到真空系統(tǒng),從而擴(kuò)散到質(zhì)譜室中,氦質(zhì)譜檢漏儀的輸出就會立即有響應(yīng),使用這種方法應(yīng)注意:氦氣是較輕的惰性氣體,在噴出后會自動上升,為了準(zhǔn)確的在漏孔位置噴氦,噴氦時應(yīng)自上而下,由近至遠(yuǎn)(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(zhì)譜室的距離檢漏儀反應(yīng)時間也不同,所以噴氦應(yīng)先從靠近檢漏儀的一側(cè)開始由近至遠(yuǎn)來進(jìn)行。
在檢測較大部件時要借助機(jī)械泵進(jìn)行真空預(yù)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(jié)構(gòu)比較復(fù)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(kuò)散開來,往往不容易準(zhǔn)確地確定漏隙所在的部位,要采取從不同角度噴氦,仔細(xì)觀察反應(yīng)時間上的差別和將已發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(jié)省用氦量,可以用低濃度氦氣) ,在氦質(zhì)譜檢漏儀的進(jìn)氣法蘭處接上橡皮管,橡皮管的前端有直徑很小的毛細(xì)管,使毛細(xì)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(jīng)漏隙滲出的氦會被毛細(xì)管吸入,檢漏儀就會響應(yīng)。
圖4 噴氦法檢漏示意圖 圖5 輔助機(jī)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(yán)格的部件進(jìn)行檢測,如宇宙飛船、火箭液體燃料儲料箱、衛(wèi)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(shù)。
2.2.1、充氦法
充氦法也稱負(fù)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(guān)閉氦氣罐閥門,機(jī)械泵把氣室先抽成真空,然后關(guān)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(nèi)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(jìn)氣法蘭處的容器中,把此容器抽空后打開節(jié)流閥,這時原先進(jìn)入被檢器件的氦又會經(jīng)過漏孔放出來,檢漏儀就會給出漏率響應(yīng)。如果采用ZHP230 氦質(zhì)譜檢漏儀,儀器可以直接給出漏率的數(shù)字顯示。
衛(wèi)星的整體檢漏就是可以用這種方法,如圖9所示,將衛(wèi)星放入大型環(huán)模室中,利用環(huán)模設(shè)備的真空系統(tǒng)將環(huán)模抽成真空,先用輔助泵進(jìn)行粗抽和預(yù)抽,在檢漏時先通過機(jī)械泵將衛(wèi)星及充氣管道抽成真空后,將氦氣充入衛(wèi)星中,壓力保持和衛(wèi)星工作的壓力一致,最后開啟氦質(zhì)譜檢漏儀用標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)儀器,就可以直接測量衛(wèi)星的漏率了。
圖9 衛(wèi)星整體檢漏示意圖
2.2.2、鐘罩法
將氦質(zhì)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(dǎo)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(jìn)行粗抽和預(yù)抽,在用標(biāo)準(zhǔn)漏孔校對檢漏儀,對氦罩進(jìn)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(dǎo)彈液體燃料罐進(jìn)行檢漏
3、結(jié)束語
氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)是真空檢漏領(lǐng)域里不可缺少的一種技術(shù),用這種技術(shù)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(shù)領(lǐng)域里經(jīng)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(yīng)用中有很好的參考價值。
