Täthetsprovning med vätgas som spårgas i vakuum

INFICON kontaktas ofta av användare av läcksökningssystem som använder sig av vakuum och önskar byta från helium till spårgas (5% vätgas i kvävgas). Genom att använda en masspektrometer och enbart byta från helium till spårgas kommer känsligheten att minska med upp till 10,000 gånger. Denna artikel kommer att gå in i detalj på dessa begräsningar.

Vid täthetsprovning i vakuumkammare bestäms den minsta detekterbara läckan av två egenskaper:

  • Läcksökarens minsta detekterbara läckstorlek
  • Bakgrundsnivån av spårgas i vakuumkammaren

Masspektrometern är den vätgasläcksökare med högst känslighet som är anpassad för test i vakuumkammare. I tester genomförda i labbmiljö är det endast en marginell skillnad i känslighet mellan respektive helium och vätgas om man använder sig långa pumptider. Begräsningen vid användningen av vätgas för täthetsprovning i vakuumkammare är bakgrundskoncentrationen av spårgas.

Tre faktorer som påverkar bakgrundsnivån av vätgas:

  • Naturligt förekommande koncentration i den omgivande luften
  • Halten av utgasning från ytor
  • Halten av termisk nedbrytning av vätemolekyler i masspektrometerns filament

Eftersom den naturliga koncentrationen av vätgas i luft är cirka 0.5 ppm, jämfört med 5 ppm för helium bör den naturliga bakgrunden inte skapa ett problem. När man arbetar inom tryckområden med endast några mbar kommer många andra substanser, vilka förekommer normalt, att utgasas. I en masspektrometer ger detta en ökad vätgassignal.

Hur utgasning påverkar känsligheten för vätgas

Vätgas är en reaktiv gas och återfinns i många föreningar som innehåller många vätgasatomer, som till exempel vatten (luftfuktighet / fukt) eller kolväten (olja, fett och lösningsmedel). De flesta objekt som hanteras i industriella miljöer kommer att "täckas" med en tunn osynlig film av bland annat olja, fett och fukt. När ett vakuumtest genomförs kommer många av dessa substanser att avdunsta och passera spektrometern där några kommer att sönderfalla och därmed producera vätgas. Detta medför alltså en ökad bakgrundsignal.

Helium, däremot, är en inert gas och reagerar därmed inte kemiskt med andra ämnen. Den förekommer inte heller i några föreningar. Därför genereras inte helium vid nedbrytning av föreningar.

Vid en jämförelse mellan vätgas och helium i en industriell miljö som håller normal produktionshastighet kommer bakgrundsnivån av vätgas vara ungefär >1,000 gånger högre än motsvarade bakgrundsnivå orsakad av helium. Detta medför att täthetsprovning med vätgas i en standardvakuumkammare blir en högst okänslig metod. Den minsta detekterbara läckstorleken motsvarande vätgasbakgrunden är i 10-5 mbarl/s-intervallet om man använder 100% vätgas.

Av säkerhetsskäl används inte vätgas i dess rena form utan blandas alltid med kvävgas (5% vätgas, 95% kvävgas). Med denna utspädningsfaktor i åtanke blir den minsta detekterbara läckstorleken ungefär >20,000 gånger högre än vad som kan upptäckas med helium.

Vid ett test i en mindre vakuumkammare i kombination med en standardmasspektrometer är den minsta läckstorleken för 5% vätgas som spårgas runt 2*10-4 mbarl/s. För större kammare kommer utgasning från ytorna att öka vilket gör att den minsta detekterbara läckstorleken blir ännu större.

Det är dock möjligt att förbättra känsligheten om hänsyn till utgasning tas redan vid utformningen av vakuumkammarsystemet, på så sätt begränsas mängden utgasning av ämnen som når masspektrometern. För att på bästa sätt implementera denna lösning krävs ett nära samarbete mellan slutanvändare, systembyggare och INFICON.

Observera! Utspädning av helium till 1% är fortfarande >100 gånger bättre än att använda utspädd vätgas som spårgas i en standardvakuumkammare.

Det finns även andra vätgasläcksökare som till exempel INFICONs Sensistor ISH2000, vilken inte producerar vätgas från föreningar. Denna läcksökare är däremot mindre känslig och passar inte vid test i stora kammare som kräver låga mbartryck.

Slutsatser

När man gör vakuumtest i kammare av bilkomponenter avsedd att innehålla gaser, såsom krockkuddar eller biltankar krävs det en känslighet som enbart masspektrometern kan leverera. Därför rekommenderas normalt inte vätgas för dessa typer av applikationer.

Mindre objekt med lägre täthetskrav (>1x10-4 mbarl/s) som till exempel delar avsedda för vatten, olja och andra vätskor kan testas i atmosfärisk ackumulationskammare med både helium och vätgas.

Kontakta ditt närmaste INFICON-kontor för mer information om hur täthetsprovning med vätgas som spårgas kan förbättra din process.