如何提高華爾升氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度
隨著真空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對真空密封性要求越來越高，也對檢漏儀器提出了更高的指標(biāo)要求。檢漏儀器從傳統(tǒng)的水檢、壓降法、鹵素法等，發(fā)展到目前市場主流的氦質(zhì)譜檢漏儀檢測。從檢測的精度、穩(wěn)定性與對環(huán)境的無任何傷害性等考慮，氦質(zhì)譜檢漏儀已在航空航天、汽車制冷、軍事工業(yè)、分析儀器、核工業(yè)、壓力容器、精密機械加工、醫(yī)療儀器儀表、高真空和超高真空的工程、半導(dǎo)體等行業(yè)得到全面的應(yīng)用。這些行業(yè)中大部分已將氦質(zhì)譜檢漏儀作為檢測泄漏的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用的過程中也對氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測靈敏度指標(biāo)提出了更高的要求，下面由華爾升小編分析如何提高華爾升氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度。
一、氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理
目前市場上的氦質(zhì)譜檢漏儀所用分子泵多用單口或雙口，少數(shù)使用的分子泵為三口分子泵。 如果是單口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少中檢閥、精檢閥和微孔精檢閥；如果是雙口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少精檢閥和微孔精檢閥；如果是三口分子泵則氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)缺少微孔精檢閥。 單口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到 5.0×10-10Pa·m3/s；雙口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到 5.0×10-11Pa·m3/s；三口分子泵的氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度在理想情況下達(dá)到5.0×10-12Pa·m3/s。為了提高系統(tǒng)的靈敏度，首先，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加了微孔精檢閥；其次，控制分子泵的轉(zhuǎn)速頻率； 再次，通過軟件調(diào)零技術(shù)來實現(xiàn)。圖1為氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理圖。
圖 1 氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理圖
二、通過實驗來比較
1、實驗設(shè)備：本實驗采用一臺改進(jìn)后的三口分子泵氦質(zhì)譜檢漏儀、三只氦氣標(biāo)漏和一臺示波器等。
2、實驗步驟：第一步：用標(biāo)漏通過精檢閥測量檢測到的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號；第二步：測試檢漏儀自身本底與噪聲；第三步：同時打開精檢閥與微孔精檢閥測試標(biāo)漏所產(chǎn)生的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號，以及檢漏儀自身本底與噪聲；第四步： 將分子泵的轉(zhuǎn)速頻率從 1500Hz 降到 1000Hz 后，同時打開精檢閥與微孔精檢閥測試標(biāo)漏所產(chǎn)生的氦離子流轉(zhuǎn)換電壓信號，以及檢漏儀自身本底與噪聲。
3、實驗數(shù)據(jù)
表 1 標(biāo)漏通過精檢閥測得信號值以及本底與噪聲
標(biāo)漏值 （Pa·m3/s） | 信號值 （mV） |
本底（mV） |
噪聲（mV） | 分子泵轉(zhuǎn)速頻率（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 標(biāo)漏通過精檢閥和微孔精檢閥測得信號值以及本底與噪聲
標(biāo)漏值 （Pa·m3/s） | 信號值 （mV） |
本底（mV） |
噪聲（mV） | 分子泵轉(zhuǎn)速頻率（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 分子泵降速后標(biāo)漏通過精檢閥和微孔精檢閥測得信號值以及本底與噪聲
標(biāo)漏值 （Pa·m3/s） | 信號值 （mV） |
本底（mV） |
噪聲（mV） | 分子泵轉(zhuǎn)速頻率（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、實驗數(shù)據(jù)分析
根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，三只氦氣標(biāo)漏的平均值是 1.4×10-8Pa·m3/s，產(chǎn)生信號的平均值是 1409.0mV，本底平均值是7.7mV，噪聲平均值為 0.4mV。通過線性對比關(guān)系得出：本底7.7mV 對 應(yīng) 的 漏 率 是 1.4 ×10 -8Pa·m3/s ×7.7mV/(1409.0mV －7.7mV)≈7.7×10-11Pa·m3/s；噪聲 0.4mV 對應(yīng)的漏率是 4.0×10-12Pa·m3/s。 以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為 7.7×10-11Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于 4.0×10-12Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率只能達(dá)到 5.0×10-12Pa·m3/s。
根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析三只氦氣標(biāo)漏的平均值是 1.4×10-8 Pa·m3/s， 產(chǎn)生信號的平均值是5632.0mV， 本底平均值是 8.2mV，噪聲平均值為 0.5mV。 通過線性對比關(guān)系得出：本底8.2mV 對應(yīng)的漏率是 1.4×10-8Pa·m3/s×8.2mV/(5632mV－8.2mV)≈2.0×10-11Pa·m3/s；噪聲 0.5mV 對應(yīng)的漏率是 1.2×10-12Pa·m3/s。以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為 2.0×10-11Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于 1.2×10-12Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率能達(dá)到 1.5×10-12Pa·m3/s。靈敏度大約提高了4倍。
根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析三只氦氣標(biāo)漏的平均值是 1.4×10-8 Pa·m3/s， 產(chǎn)生信號的平均值是 16885.0mV， 本底平均值是 9.0mV，噪聲平均值為 0.5mV。通過線性對比關(guān)系得出：本底9.0mV 對應(yīng)的漏率是 1.4 ×10 -8Pa·m3/s ×9.0mV/(16885.0mV－9.0mV)≈7.5×10-12Pa·m3/s；噪聲 0.5mV 對應(yīng)的漏率是4.0×10-13Pa·m3/s。 以上說明如果檢漏儀不通過軟件技術(shù)調(diào)零，則檢漏儀顯示的最小漏率為 7.5×10-12Pa·m3/s，通過軟件技術(shù)調(diào)零后則最小可檢漏率也是大于 4.0×10-13Pa·m3/s，也就是在理想狀態(tài)下靈敏度及最小可檢漏率能達(dá)到 5.0×10-13Pa·m3/s。靈敏度大約又提高了 3 倍。
5、軟件自動調(diào)零技術(shù)
軟件自動調(diào)零技術(shù)，即對總信號的模擬電信號在各個時刻進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為若干個數(shù)字電信號，并通過單片機對若干個數(shù)字電信號進(jìn)行實時記錄和存儲，然后設(shè)定某一時刻的數(shù)字電信號為零點信號，在此后的一定時間內(nèi)，通過軟件調(diào)零功能，將各個時刻的數(shù)字電信號與零點信號進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實時對零點信號進(jìn)行浮動，在軟件調(diào)零后，通過單片機記錄某一個或若干個時刻的數(shù)字電信號與零點信號的差值作為有效信號并顯示與保存，如圖2。
圖 2 軟件調(diào)零前后對比圖
采用軟件自動調(diào)零技術(shù)，在顯示檢測漏率時可以有效剔除了氦質(zhì)譜檢漏儀系統(tǒng)自身固有本底的影響，從而提高了檢測的靈敏度。
三、總結(jié)
華爾升氦質(zhì)譜檢漏儀目前使用最先進(jìn)的三口分子泵系統(tǒng)中增加微孔精檢閥使其靈敏度提高了大約 4 倍，再利用控制分子泵的轉(zhuǎn)速頻率使其靈敏度大約又提高了 3 倍，最后結(jié)合軟件調(diào)零技術(shù)，使其目前華爾升氦質(zhì)譜檢漏的靈敏度至少提高了1個數(shù)量級，真正達(dá)到了 5.0×10-13Pa·m3/s 的最小可檢漏率，完全滿足了市場高端客戶的需求。所以精準(zhǔn)氦檢，華爾升造，是您理想的選擇！
