在真空条件下使用氢气检漏气体执行泄漏测试

希望从氦气切换到合成气体(5% 的氢气,95% 的氮气)的真空检漏系统用户通常会考虑使用 INFICON。但同样使用质谱仪,只是把氦气换成合成气体,灵敏度就会降低大约 10,000 倍。本文将详细介绍这种局限性。

执行真空检漏时,最低可检测泄漏率由两种特性决定:

  • 所用检漏仪的最低可检测泄漏率
  • 检漏仪测得的真空室中的检漏气体本底浓度

真空应用中最灵敏的氢气检漏仪是质谱仪。在洁净的实验室测试中,通过很长时间的泵抽,氦气和氢气之间的灵敏度差异微不足道。在真空条件下利用氢气进行泄漏测试的限制因素是本底浓度。

影响氢气本底浓度的三个因素:

  • 大气中的自然浓度。
  • 表面的排气速率。
  • 氢气化合物在质谱仪丝极上的热分解(裂解)速率。

由于空气中的氢气自然浓度大约为 0.5 ppm,而氦气自然浓度为 5 ppm,因此自然本底不存在问题。但是,在 mbar 级环境下工作时,常压下存在的许多其他物质将开始除气/排气。在质谱仪中,这将会升高氢气信号。

排气作用如何影响对氢气的灵敏度

氢气是一种活跃的气体,很多化合物,例如水(湿气/潮气)或烃类(油脂和溶剂等)都包含大量氢原子。工业环境中处理的大部分物件上都会"覆盖"有一层看不见的油脂或水分等形成的薄膜。在抽成真空时,这类物质很多都会发生蒸发并通过质谱仪,其中一些将在此分解并产生氢气。这会显著地升高本底信号。

氦气是一种惰性气体,不会与其他物质产生化学反应,也不存在于任何化合物中。因此,化合物的分解过程不会产生任何氦气。

在正常生产速度的工业环境中,我们会发现氢气本底浓度比相应的氦气本底浓度高出大约 1,000 倍以上。这使得在标准真空室中利用氢气进行的泄漏测试成为极不灵敏的测试技术。如果使用 100% 的氢气,氢气本底所对应的最低可检测泄漏率将处在 10-5 mbarl/s 范围内。

出于安全考虑,不会使用纯氢,而是始终将它与氮气混合(5% 的氢气,95% 的氮气)。使用这种稀释系数时,最低可检测泄漏率比使用氦气高大约 20,000 倍以上。
也就是说,在标准质谱仪真空室测试设置中,使用合成气体时,小腔室的最低实际泄漏率大约为 2*10-4 mbarl/s。对于较大的腔室,表面排气能力将会增强,最低可检测泄漏率将会更大。

但是,如果在真空室系统的设计中采取适当措施限制到达质谱仪的排气物质数量,则可提高灵敏度。为实现此目的,需要最终用户、系统集成商和 INFICON 密切合作。

重要说明:即使将氦气稀释到 1%,效果仍然比在标准真空室中使用合成气体好 100 倍以上。

有些氢气检漏仪不会使化合物分解产生氢气,例如 INFICON 的 Sensistor ISH2000。但是,这种检漏仪不太灵敏,不适合用于要求 mbar 级压力的大型腔室。

结论

对安全气囊或汽车油箱等用于气态物质的汽车部件,真空室测试要求的灵敏度只有质谱仪才能够达到。建议不要在这类应用中使用氢气。

小物件以及泄漏规格不那么严格 (>1x10-4 mbarl/s) 的物件,例如用于水、油和其他液体的部件,也可在大气集聚室中使用氦气或氢气进行测试。

有关使用氢气检漏气体进行泄漏测试如何改进检漏过程的更多信息,请联系您 当地的 INFICON 办事处