Détection des fuites sous vide avec traçage à l’hydrogène

INFICON est souvent contacté par des utilisateurs de systèmes de détection de fuites sous vide souhaitant passer de l'hélium au gaz de mélange gazeux à l' azote hydrogéné (5 % d'hydrogène, 95 % d'azote). L'utilisation d'un spectromètre de masse et le simple passage de l'hélium au gaz de mélange gazeux à l' azote hydrogéné provoque une perte de sensibilité de l'ordre de 10 000 fois. Cet article explique en détail cette limitation.

Pour la recherche des fuites sous vide, deux caractéristiques déterminent le plus petit taux de fuite détectable :

• Le plus petit taux de fuite détectable par le détecteur de fuites utilisé ;
• La concentration de fond du gaz traceur dans la chambre à vide telle que mesurée par le détecteur.

Le spectromètre de masse constitue le détecteur d'hydrogène le plus sensible pour des applications sous vide. En conditions expérimentales isolées et avec des temps de pompage très longs, la sensibilité ne varie que très marginalement respectivement pour l'hélium et l'hydrogène. La concentration de fond constitue le facteur limitant pour la détection de fuites sous vide basée sur l'hydrogène.

Trois facteurs ont une incidence sur les concentrations de fond d'hydrogène :

• La concentration naturelle dans l'air ambiant,
• Le taux de dégazage des surfaces,
• Le taux de décomposition thermique (craquage) des composés hydrogénés sur le filament du spectromètre.

étant donné que la concentration naturelle d'hydrogène dans l'air est d'environ 0,5 ppm contre 5 ppm pour l'hélium, l'environnement naturel ne devrait pas poser de problème. Toutefois, lors de l'utilisation d'une gamme de pressions mbar, de nombreuses autres substances dont la présence est normale commencent à se libérer. Cela suscite un signal d'hydrogène accru lors du passage dans un spectromètre de masse.

Comment le dégazage affecte la sensibilité à l'hydrogène

L'hydrogène est un gaz réactif dont les atomes sont contenus dans de nombreux composés tels que l'eau (humidité/moisissure) ou les hydrocarbures (huile, graisse, solvants, etc.). La plupart des objets manipulés au sein d'un environnement industriel sont « recouverts » d'une mince pellicule invisible d'huile, de graisse, de moisissure, etc. Une fois le vide retiré, nombre de ces substances s'évaporent et passent le spectromètre, tandis que d'autres se décomposent et produisent de l'hydrogène. Cela entraîne une forte augmentation du signal de fond.

L'hélium, en revanche, est un gaz inerte qui ne réagit pas chimiquement avec les autres substances et qui n'est contenu dans aucun composé. La décomposition des composés ne génère donc pas d'hélium.

Dans un environnement industriel avec des rythmes de production normaux, on observe ainsi une concentration de fond d'hydrogène environ 1 000 fois plus élevée que la concentration correspondante d'hélium. Cela rend la technologie de détection des fuites avec de l'hydrogène dans une chambre à vide standard très peu sensible. Le plus petit taux de fuite détectable correspondant à la concentration de fond de l'hydrogène se situe aux alentours des 10^-5 mbar·l/s en cas d'utilisation d'hydrogène à 100 %.

Pour des raisons de sécurité, l'hydrogène n'est pas utilisé pur, mais il est toujours mélangé avec de l'azote (5 % d'hydrogène pour 95 % d'azote). Si l'on tient compte de ce facteur de dilution, la plus petite fuite détectable est environ 20 000 fois plus importante que ce qui peut être détecté avec de l'hélium.

Le plus petit taux de fuite pratique pour de l'azote hydrogéné dans une configuration d'essai avec une chambre à vide standard à spectromètre de masse passe alors à environ 2×10^-4 mbar·l/s pour une chambre de petite taille. Pour les chambres plus grandes, les dégazages de surfaces augmentent et le plus petit taux de fuite détectable est encore plus important.

Il est néanmoins possible d'améliorer la sensibilité si des mesures visant à limiter la quantité de substances de dégazage atteignant le spectromètre de masse sont prises lors de la conception du système de chambre à vide. Une collaboration étroite entre l'utilisateur final, l'intégrateur du système et INFICON est requise aux fins de l'implémentation.

Important : le fait de diluer l'hélium à 1 % donne toujours des résultats 100 fois meilleurs que l'utilisation d'azote hydrogéné dans une chambre à vide standard.

Il existe par ailleurs d'autres détecteurs d'hydrogène ne produisant pas d'hydrogène à partir de composés, tels que le Sensistor ISH2000 d'INFICON. Ce détecteur est cependant moins sensible et inadapté aux grandes chambres nécessitant des pressions de l'ordre du millibar.

Conclusion

La détection en chambre à vide de substances gazeuses sur des composants automobiles, tels que des airbags ou des réservoirs de carburant, nécessite une sensibilité ne pouvant être fournie que par un spectromètre de masse. L'utilisation d'hydrogène pour ces applications n'est normalement pas recommandée.

Des objets de petite taille et dont les caractéristiques de fuite sont plus faibles (>1x10^-4 mbar·l/s), tels que des pièces conçues pour l'eau, l'huile et d'autres liquides, peuvent également être testés au sein de chambres d'accumulation atmosphérique avec de l'hélium ou de l'hydrogène.

Pour savoir comment améliorer votre processus de détection de fuites en utilisant l'hydrogène comme gaz traceur, contactez votre agence INFICON locale.