Ricerca di fughe con gas idrogeno tracciante in sistemi a vuoto

INFICON è la soluzione scelta più frequentemente dagli utenti di cercafughe in sistemi a vuoto che vogliono passare dall'elio a una miscela composta dal 5% di idrogeno e dal 95% di azoto, nota anche come "forming gas". L'uso di uno spettrometro di massa semplicemente passando dall'elio al forming gas causa una perdita della sensibilità di circa 10.000 volte. Tali limitazione è illustrata dettagliatamente in questo articolo.

Nella ricerca di fughe in sistemi a vuoto, il tasso minimo di fuga rilevabile è determinato da due caratteristiche:

• il tasso minimo di fuga rilevabile dal cercafughe utilizzato;
• la concentrazione di fondo del gas tracciante nella camera a vuoto come misurata dal cercafughe.

Il cercafughe a idrogeno più sensibile per applicazioni sottovuoto è lo spettrometro di massa. In un test di laboratorio in camera asettica, con tempi di pompaggio estremamente lunghi, è stata ottenuta esclusivamente una differenza marginale nella sensibilità per l'elio e l'idrogeno, rispettivamente. Il fattore limitativo per le prove di tenuta a vuoto con idrogeno è la concentrazione di fondo.

Tre fattori che influenzano le concentrazioni di fondo di idrogeno:

• Concentrazione naturale in aria ambiente.
• Tasso di degassamento dalle superfici
• Tasso di termolisi (pirolisi) di composti dell'idrogeno sul filamento dello spettrometro.

A causa della concentrazione naturale dell'idrogeno nell'aria di circa 0,5 ppm rispetto ai 5 ppm dell'elio, il fondo naturale non dovrebbe rappresentare un problema. Tuttavia, quando si lavora nella gamma di pressione in mbar, molte altre sostanze normalmente presenti inizieranno a degassarsi. In uno spettrometro di massa ciò causerà un segnale di idrogeno superiore.

In che modo il degassamento si ripercuote sulla sensibilità per l'idrogeno

L'idrogeno è un gas reattivo e molti composti come l'acqua (umidità) o gli idrocarburi (olio, grasso, solventi ecc.) contengono diversi atomi di idrogeno. La maggior parte degli oggetti maneggiati in un ambiente industriale saranno "coperti" da un film invisibile di olio, grasso e umidità, ecc. Quando si ottiene il vuoto, diverse sostanze evaporeranno e lo spettrometro mostrerà che alcune di esse si decomporranno e produrranno idrogeno. Ciò causa un segnale di fondo notevolmente superiore.

Tuttavia, l'elio è un gas inerte che non reagisce chimicamente con altre sostanze e non è contenuto in eventuali altri composti. Di conseguenza, la decomposizione dei composti non genera elio.

In un ambiente industriale a ritmi di produzione normali, assisteremo quindi a un fondo di idrogeno superiore di circa >1.000 volte al fondo di idrogeno corrispondente. Ciò rende le prove di tenuta con idrogeno in una camera a vuoto standard una tecnologia di test non sufficientemente sensibile. Il tasso minimo di fuga rilevabile che corrisponde al fondo di idrogeno è compreso nell'intervallo a partire da 10^-5 mbarl/s utilizzando il 100% di idrogeno.

Per motivi di sicurezza, l'idrogeno non è usato in forma pura, ma è sempre miscelato con azoto (5% di idrogeno e 95% di azoto). Considerando questo fattore di diluizione, il tasso minimo di fuga rilevabile è circa >20.000 volte superiore rispetto a quanto rilevato con l'elio.

Il tasso minimo di fuga effettivo per la formazione di gas in una camera a vuoto di spettrometro di massa standard impostata è quindi intorno ai 2*10^-4 mbarl/s per una camera piccola. Nelle camere di dimensioni maggiori, il degassamento delle superfici aumenta; il tasso minimo di fuga rilevabile aumenta in modo ancora più elevante.

Tuttavia, è possibile migliorare la sensibilità qualora le misurazioni siano effettuate nella progettazione del sistema della camera a vuoto per limitare la quantità di sostanze degassanti che raggiungono lo spettrometro di massa. L'implementazione richiede una stretta collaborazione tra l'utente finale, l'integratore di sistema e INFICON.

Nota importante: in questo caso, la diluizione dell'elio al 1% garantisce comunque risultati >100 volte migliori rispetto all'uso del forming gas in una camera a vuoto standard.

Esistono altri cercafughe a idrogeno come Sensistor ISH2000 di INFICON che non producono idrogeno dai composti. Tuttavia, questo cercafughe è meno sensibile e non è adatto per camere di grandi dimensioni che richiedono pressioni in mbar.

Conclusione

Le prove su camera a vuoto di componenti automobilistici intesi per sostanze gassose, come gli airbag o i serbatoi per auto, richiedono una sensibilità che può essere ottenuta esclusivamente con uno spettrometro di massa. Normalmente l'uso di idrogeno in tali applicazione non è raccomandato.

Oggetti piccoli e oggetti con specifiche di fuga inferiori (>1x10^-4 mbarl/s) come parti intese per l'acqua, l'olio e altri liquidi possono anche essere testati in camere di accumulo atmosferico con elio o idrogeno.

Per ulteriori informazioni su come le prove di tenuta con idrogeno come gas tracciante possono ottimizzare il vostro processo, contattate la vostra sede locale di INFICON.