提高氦質(zhì)譜檢漏儀靈敏度的研究

0 引言

隨著真空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對真空密封的泄漏要求越來越高，也對檢測泄漏儀器提出了更高的指標(biāo)要求。檢測泄漏儀器從傳統(tǒng)的水檢、壓降法、鹵素法等，發(fā)展到目前市場主流的氦質(zhì)譜法檢測，從檢測的精度、穩(wěn)定性與對環(huán)境的無任何傷害性等考慮，氦質(zhì)譜檢漏儀已在科學(xué)研究、航空航天、汽車制冷、軍事工業(yè)、分析儀器、核工業(yè)、壓力容器、精密機(jī)械加工、醫(yī)療儀器/儀表、高真空和超高真空的工程、半導(dǎo)體等行業(yè)得到全面的應(yīng)用，這些行業(yè)中大部分已將氦質(zhì)譜檢漏儀作為檢測泄漏的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用的過程中也對氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測靈敏度指標(biāo)提出了更高的要求，所以研究如何提高氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度意義重大。

1 氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)原理

圖1為改進(jìn)后的氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)。目前市場上的氦質(zhì)譜檢漏儀所用分子泵多用單口或雙口，少數(shù)使用的分子泵為三口分子泵。如果是單口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少中檢閥、精檢閥和微孔精檢閥；如果是雙口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少精檢閥和微孔精檢閥；如果是三口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少微孔精檢閥。單口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到5.0×10-10Pa·m3/s；雙口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到5.0×10-11Pa·m3/s；三口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到5.0×10-12Pa·m3/s。為了提高系統(tǒng)的靈敏度，首先，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加了微孔精檢閥；其次，控制分子泵的轉(zhuǎn)速頻率；再次，通過軟件調(diào)零技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖1 檢漏儀工作原理圖

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用一臺改進(jìn)后的三口分子泵氦質(zhì)譜檢漏儀、三只氦氣標(biāo)漏和一臺示波器等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：用標(biāo)漏通過精檢閥測量檢測到的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號；

第二步：測試檢漏儀自身本底與噪聲；

第三步：同時打開精檢閥與微孔精檢閥測試標(biāo)漏所產(chǎn)生的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號，以及檢漏儀自身本底與噪聲；

第四步：將分子泵的轉(zhuǎn)速頻率從1500Hz降到1000Hz后，同時打開精檢閥與微孔精檢閥測試標(biāo)漏所產(chǎn)生的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號，以及檢漏儀自身本底與噪聲。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 標(biāo)漏通過精檢閥測得信號值以及本底與噪聲

表2 標(biāo)漏通過精檢閥和微孔精檢閥測得信號值

以及本底與噪聲

表3 分子泵降速后標(biāo)漏通過精檢閥和微孔精檢閥

測得信號值以及本底與噪聲

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，三只氦氣標(biāo)漏的平均值是1.4×10-8Pa·m3/s，產(chǎn)生信號的平均值是1409.0mV，本底平均值是7.7mV，噪聲平均值為0.4mV。通過線性對比關(guān)系得出：本底7.7mV對應(yīng)的漏率是1.4×10-8Pa·m3/s×7.7mV/（1409.0mV-7.7mV）≈7.7×10-11Pa·m3/s；噪聲0.4mV對應(yīng)的漏率是4.0×10-12Pa·m3/s。以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為7.7×10-11Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于4.0×10-12Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率只能達(dá)到5.0×10-12Pa·m3/s。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析三只氦氣標(biāo)漏的平均值是1.4×10-8 Pa·m3/s，產(chǎn)生信號的平均值是5632.0mV，本底平均值是8.2mV，噪聲平均值為0.5mV。通過線性對比關(guān)系得出：本底8.2mV對應(yīng)的漏率是1.4×10-8Pa·m3/s×8.2mV/（5632mV-8.2mV）≈2.0×10-11Pa·m3/s；噪聲0.5mV對應(yīng)的漏率是1.2×10-12Pa·m3/s。以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為2.0×10-11Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于1.2×10-12Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率能達(dá)到1.5×10-12Pa·m3/s。靈敏度大約提高了4倍。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析三只氦氣標(biāo)漏的平均值是1.4×10-8 Pa·m3/s，產(chǎn)生信號的平均值是16885.0mV，本底平均值是9.0mV，噪聲平均值為0.5mV。通過線性對比關(guān)系得出：本底9.0mV對應(yīng)的漏率是1.4×10-8Pa·m3/s×9.0mV/（16885.0mV-9.0mV）≈7.5×10-12Pa·m3/s；噪聲0.5mV對應(yīng)的漏率是4.0×10-13Pa·m3/s。以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為7.5×10-12Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于4.0×10-13Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率能達(dá)到5.0×10-13Pa·m3/s。靈敏度大約又提高了3倍。

2.5 軟件自動調(diào)零技術(shù)

軟件自動調(diào)零技術(shù)，即對總信號的模擬電信號在各個時刻進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為若干個數(shù)字電信號，并通過單片機(jī)對若干個數(shù)字電信號進(jìn)行實(shí)時記錄和存儲，然后設(shè)定某一時刻的數(shù)字電信號為零點(diǎn)信號，在此后的一定時間內(nèi)，通過軟件調(diào)零功能，將各個時刻的數(shù)字電信號與零點(diǎn)信號進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實(shí)時對零點(diǎn)信號進(jìn)行浮動，在軟件調(diào)零后，通過單片機(jī)記錄某一個或若干個時刻的數(shù)字電信號與零點(diǎn)信號的差值作為有效信號并顯示與保存，如圖2。

圖2 軟件調(diào)零前后對比圖

采用軟件自動調(diào)零技術(shù)，在顯示檢測漏率時可以有效剔除了氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)自身固有本底的影響，從而提高了檢測的靈敏度。

3 結(jié)論

首先在目前市場上最先進(jìn)的三口分子泵氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)中增加微孔精檢閥使其靈敏度提高了大約4倍，再利用控制分子泵的轉(zhuǎn)速頻率使其靈敏度大約又提高了3倍，最后結(jié)合軟件調(diào)零技術(shù)，使其目前的氦質(zhì)譜檢漏的靈敏度至少提高了1個數(shù)量級，真正達(dá)到了5.0×10-13Pa·m3/s的最小可檢漏率，完全滿足了市場高端客戶的需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王欲知，陳旭，編著.真空技術(shù)[M].2007.

[2]GB/T 13979-2008 氦質(zhì)譜檢漏儀國標(biāo)[S].

[3]氦質(zhì)譜檢漏儀的進(jìn)展及應(yīng)用[OL].百度文章.

[4]氦質(zhì)譜檢漏儀的檢漏方法[OL].百度文章.

[5]氦質(zhì)譜檢漏儀的基本原理[OL].百度文章.

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