如何提高华尔升氦质谱检漏仪的灵敏度
随着真空科学技术的发展，对真空密封性要求越来越高，也对检漏仪器提出了更高的指标要求。检漏仪器从传统的水检、压降法、卤素法等，发展到目前市场主流的氦质谱检漏仪检测。从检测的精度、稳定性与对环境的无任何伤害性等考虑，氦质谱检漏仪已在航空航天、汽车制冷、军事工业、分析仪器、核工业、压力容器、精密机械加工、医疗仪器仪表、高真空和超高真空的工程、半导体等行业得到全面的应用。这些行业中大部分已将氦质谱检漏仪作为检测泄漏的行业标准，在应用的过程中也对氦质谱检漏仪的检测灵敏度指标提出了更高的要求，下面由华尔升小编分析如何提高华尔升氦质谱检漏仪的灵敏度。
一、氦质谱检漏仪工作原理
目前市场上的氦质谱检漏仪所用分子泵多用单口或双口，少数使用的分子泵为三口分子泵。 如果是单口分子泵则氦质谱检漏仪系统缺少中检阀、精检阀和微孔精检阀；如果是双口分子泵则氦质谱检漏仪系统缺少精检阀和微孔精检阀；如果是三口分子泵则氦质谱检漏仪系统缺少微孔精检阀。 单口分子泵的氦质谱检漏仪的灵敏度在理想情况下达到 5.0×10-10Pa·m3/s；双口分子泵的氦质谱检漏仪的灵敏度在理想情况下达到 5.0×10-11Pa·m3/s；三口分子泵的氦质谱检漏仪的灵敏度在理想情况下达到5.0×10-12Pa·m3/s。为了提高系统的灵敏度，首先，在系统结构上增加了微孔精检阀；其次，控制分子泵的转速频率； 再次，通过软件调零技术来实现。图1为氦质谱检漏仪工作原理图。
图 1 氦质谱检漏仪工作原理图
二、通过实验来比较
1、实验设备：本实验采用一台改进后的三口分子泵氦质谱检漏仪、三只氦气标漏和一台示波器等。
2、实验步骤：第一步：用标漏通过精检阀测量检测到的氦离子流转换电压信号；第二步：测试检漏仪自身本底与噪声；第三步：同时打开精检阀与微孔精检阀测试标漏所产生的氦离子流转换电压信号，以及检漏仪自身本底与噪声；第四步： 将分子泵的转速频率从 1500Hz 降到 1000Hz 后，同时打开精检阀与微孔精检阀测试标漏所产生的氦离子流转换电压信号，以及检漏仪自身本底与噪声。
3、实验数据
表 1 标漏通过精检阀测得信号值以及本底与噪声
标漏值 （Pa·m3/s） | 信号值 （mV） |
本底（mV） |
噪声（mV） | 分子泵转速频率（Hz） |
1.3×10-8 | 1325.0 | 8.0 | 0.4 | 1500 |
1.4×10-8 | 1392.0 | 7.0 | 0.5 | 1500 |
1.5×10-8 | 1510.0 | 8.0 | 0.3 | 1500 |
表 2 标漏通过精检阀和微孔精检阀测得信号值以及本底与噪声
标漏值 （Pa·m3/s） | 信号值 （mV） |
本底（mV） |
噪声（mV） | 分子泵转速频率（Hz） |
1.3×10-8 | 5310.0 | 9.0 | 0.5 | 1500 |
1.4×10-8 | 5530.0 | 7.5 | 0.4 | 1500 |
1.5×10-8 | 6055.0 | 8.0 | 0.5 | 1500 |
表 3 分子泵降速后标漏通过精检阀和微孔精检阀测得信号值以及本底与噪声
标漏值 （Pa·m3/s） | 信号值 （mV） |
本底（mV） |
噪声（mV） | 分子泵转速频率（Hz） |
1.3×10-8 | 15900.0 | 10.0 | 0.5 | 1000 |
1.4×10-8 | 16650.0 | 8.0 | 0.5 | 1000 |
1.5×10-8 | 18105.0 | 9.5 | 0.5 | 1000 |
4、实验数据分析
根据表1数据分析，三只氦气标漏的平均值是 1.4×10-8Pa·m3/s，产生信号的平均值是 1409.0mV，本底平均值是7.7mV，噪声平均值为 0.4mV。通过线性对比关系得出：本底7.7mV 对 应 的 漏 率 是 1.4 ×10 -8Pa·m3/s ×7.7mV/(1409.0mV －7.7mV)≈7.7×10-11Pa·m3/s；噪声 0.4mV 对应的漏率是 4.0×10-12Pa·m3/s。 以上说明如果检漏仪不通过软件技术调零，则检漏仪显示的最小漏率为 7.7×10-11Pa·m3/s，通过软件技术调零后则最小可检漏率也是大于 4.0×10-12Pa·m3/s，也就是在理想状态下灵敏度及最小可检漏率只能达到 5.0×10-12Pa·m3/s。
根据表2数据分析三只氦气标漏的平均值是 1.4×10-8 Pa·m3/s， 产生信号的平均值是5632.0mV， 本底平均值是 8.2mV，噪声平均值为 0.5mV。 通过线性对比关系得出：本底8.2mV 对应的漏率是 1.4×10-8Pa·m3/s×8.2mV/(5632mV－8.2mV)≈2.0×10-11Pa·m3/s；噪声 0.5mV 对应的漏率是 1.2×10-12Pa·m3/s。以上说明如果检漏仪不通过软件技术调零，则检漏仪显示的最小漏率为 2.0×10-11Pa·m3/s，通过软件技术调零后则最小可检漏率也是大于 1.2×10-12Pa·m3/s，也就是在理想状态下灵敏度及最小可检漏率能达到 1.5×10-12Pa·m3/s。灵敏度大约提高了4倍。
根据表3数据分析三只氦气标漏的平均值是 1.4×10-8 Pa·m3/s， 产生信号的平均值是 16885.0mV， 本底平均值是 9.0mV，噪声平均值为 0.5mV。通过线性对比关系得出：本底9.0mV 对应的漏率是 1.4 ×10 -8Pa·m3/s ×9.0mV/(16885.0mV－9.0mV)≈7.5×10-12Pa·m3/s；噪声 0.5mV 对应的漏率是4.0×10-13Pa·m3/s。 以上说明如果检漏仪不通过软件技术调零，则检漏仪显示的最小漏率为 7.5×10-12Pa·m3/s，通过软件技术调零后则最小可检漏率也是大于 4.0×10-13Pa·m3/s，也就是在理想状态下灵敏度及最小可检漏率能达到 5.0×10-13Pa·m3/s。灵敏度大约又提高了 3 倍。
5、软件自动调零技术
软件自动调零技术，即对总信号的模拟电信号在各个时刻进行采集并转换为若干个数字电信号，并通过单片机对若干个数字电信号进行实时记录和存储，然后设定某一时刻的数字电信号为零点信号，在此后的一定时间内，通过软件调零功能，将各个时刻的数字电信号与零点信号进行比较，并根据比较结果实时对零点信号进行浮动，在软件调零后，通过单片机记录某一个或若干个时刻的数字电信号与零点信号的差值作为有效信号并显示与保存，如图2。
图 2 软件调零前后对比图
采用软件自动调零技术，在显示检测漏率时可以有效剔除了氦质谱检漏仪系统自身固有本底的影响，从而提高了检测的灵敏度。
三、总结
华尔升氦质谱检漏仪目前使用最先进的三口分子泵系统中增加微孔精检阀使其灵敏度提高了大约 4 倍，再利用控制分子泵的转速频率使其灵敏度大约又提高了 3 倍，最后结合软件调零技术，使其目前华尔升氦质谱检漏的灵敏度至少提高了1个数量级，真正达到了 5.0×10-13Pa·m3/s 的最小可检漏率，完全满足了市场高端客户的需求。所以精准氦检，华尔升造，是您理想的选择！
