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深度揭秘氦质谱检漏技术（6）
——氦质谱检漏的各种方法
文/杨文亮
利用氦质谱检漏仪进行检漏的方法很多，而检漏中所遇到的被检件的结构、大小、要求也是各式各样的，因此应根据这些特定的条件选择合适的检漏方法。
一、喷吹法
检漏系统如图15所示。图中的辅助泵是用来对被检容器进行预抽并当被检容器存在大漏时用来维持检漏仪的工作压力的。检漏时，先用辅助泵将被检容器抽到低真空，然后再关闭辅助阀，找开检漏阀，将被检容器与事先已抽至极限真空的检漏仪的质谱室连通，并用质谱检漏仪对被检容器进行抽气。当质谱室达到工作压力时，使仪器处于检漏工作状态。用仪器所附的喷枪在被检容器可疑漏气部位喷吹氦气，如果有漏，氦气通过漏孔进入被检容器内部并迅速进入检漏仪，由输出仪表指示出来。输出仪表读数变化的大小可以确定漏孔的漏率大小，由喷枪喷吹的位置可以确定漏孔的位置。由于氦气比空气轻，喷吹检漏时，应该由上往下检。
图15 喷吹法检漏系统
1-检漏仪；2-辅助阀；3-辅助泵；
4-被检容器；5-喷枪；6-氦气瓶
当被检容器存在大漏时，单用检漏仪来抽被检容器，真空度抽不上去，质谱室不能工作。此时可打开辅助阀，用辅助泵帮助抽气，以维持质谱室的正常工作压力。由于辅助泵的分流作用，使检漏灵敏度降低，因此辅助阀的打开程度要尽量小。
根据式（9），喷吹时间t与氦分压最大值QHe/SHe的关系如下（式中τ为反应时间）：
t=τ, pHe=63%QHe/SHe
t=2τ, pHe=87%QHe/SHe
t=2.3τ, pHe=90%QHe/SHe
t=3τ, pHe=95%QHe/SHe
t=5τ, pHe=99.3%QHe/SHe
t=∞, pHe=100%QHe/SHe
由此可知，喷吹时间t由0增加至3τ对提高质谱室的氦分压的效果显著；当t增加到3τ以上时效果就不大了，充其量提高5%，而此时检漏效率就大大降低。因此，选择喷吹时间t为3倍反应时间比较合适。
喷吹法的最大优点是可以准确地找到漏孔位置。然而，由于其有效最小可检漏率与喷吹时间有关，喷光伏时间越长，有效量可检漏率越小，但检漏的效率却大大降低。此外，喷出的氦气立即向周围环境中扩散，使漏孔处的氦分压力分数降低，检漏灵敏度降底，漏率的测量误差较大。因此，喷吹法一般不做为定量检漏手段。
二、氦罩法
从上面的分析可知，提高喷吹法检漏的灵敏度有两条途径，其一是提高漏孔处氦分压力分数γHe，即使γHe趋向于1；其是增加喷吹时间t。然而，喷吹时间t和检漏效率是一对矛盾，t的大大增加，意味着检漏效率的降低。如果检漏时用氦罩将被检件待检部位全部罩起来，氦罩内充以氦气，这就是氦罩法。它相当于使用无数个喷嘴在无数个可疑部位同时喷吹氦气，这无疑地将大大加快检漏速度。同时，由于施氦时间可以任意延长，氦罩内的氦分压力分数比可以提高，其有效最小可检漏率也就减小了，提高了检漏灵敏度，漏率测量精度也就提高了。
图16 氦罩法检漏系统
1-检漏仪；2-辅助阀；3-被检容器；
4-氦罩；5-氦气瓶；6-辅助泵
氦罩法检漏系统如图16所示。检漏时，用辅助泵把被检容器抽空后，打开仪器的检漏阀，使被检容器与质谱检漏仪的质谱室连通。关小辅助阀，当仪器达到工作压力后，使仪器处于检漏工作状态。用一个氦气罩（金属罩或塑料薄膜罩）把被检容器的待检部位包起来（对体积小的的被检件就用氦罩将它全都包起来），然后用泵将罩中抽空，再充入纯氦气，使γHe趋于1。此时仪器输出指示如果增大，便表示被氦罩罩住的部位存在漏气。仪器所指示的漏率即为被氦罩罩住部位的总漏率。这种方法的优点是灵敏度高、速度快，适于总检（总漏率测量）。其缺点是只能测出所罩部位的总漏率，不能确定漏孔的位置。因此，在检大容器或结构复杂的容器时，一般用氦罩法来测定被检件的总漏率。若总漏率超出允许范围，可将容器分成几个部分，用局部氦罩法对各个部位进行检漏，进而确定漏孔的大致区域，并逐步缩小怀疑范围，最后用喷吹法找出漏孔的确切位置来。
三、真空室法
将被检容器放入一个真空室中，真空室与质谱检漏仪相连，如图17所示。
检漏时，先用辅助泵将真空室抽至低真空，关小辅助阀，打开检漏仪的检漏阀使真空室与质谱室连通，然后向被检容器中充入氦气（为提高氦分压力分数，有时用泵将被检容器抽空后再充氦气），通过标准漏孔比对法，由输出指示变化的大小可以确定被检容器总漏率的大小。增加被检容器中的氦压力或氦分压力分数可以降低有效最小可检漏率。
图17 真空室法
1-检漏仪；2-辅助阀；3-辅助泵；
3-被检容器；5-真空泵；6-氦气瓶
四、吸枪法
吸枪法检漏系统如图18所示。被检容器内部充入高于一个大气压的氦气，当容器壁上存在漏孔时，氦气通过漏孔向外逸出。特制吸枪（限流的针阀、膜孔或毛细管）通过软管与检漏仪相连。用吸枪在被检容器外面进行扫描探查，当吸枪正对漏孔位置时，氦气随同周围空气一起被吸枪吸入到检漏仪的质谱室中去，从面产生漏气指示，达到检漏目的。
图18 吸枪法检漏系统
1-检漏仪；2-软管；3-吸枪；4-被检容器；5-氦气瓶
连接吸枪的软管越短越好，软管越短，反应时间越短。软管内壁吸放气要小，最好用金属软管或质密的高级塑料软管。橡皮管吸氦很严重，会造成很大的本底及噪声，不宜采用。检漏部位的环境空气不应该有过大的流动，以免漏孔附近的氦分压力分数降低过快，它受检漏仪和软管反应时间的限制。吸检与被检容器表面的距离不应超过3mm，以避免由于氦分压力分数梯度造成的灵敏度损失。为了提高检漏灵敏度，可在吸嘴末端加上一个有弹性的罩子，这样吸枪与被检表面有较好的密封接触，使吸嘴外氦分压力分数增加。这种方法能找出漏孔的确切位置，但由于氦气的扩散，漏孔出口处氦分压力分数的降低，使检漏灵敏度降低。加之此法是靠吸枪的限流作用使检漏仪与大气隔开来维持仪器的正常工作压力的，因此吸枪的流导不能太大，对氦的抽速较小，灵敏度较低，因此其最小可检漏率一般比仪器最小可检漏率高3~5个数量级。由于氦气比空气轻，用吸枪检竖立焊缝时，应该由下往个检。
五、检漏盒法
将特制的能与被检件表面很好吻合的检漏盒通过管道与质谱检漏仪相连，将检漏盒扣在被检件表面上并密封好（一般用真空泥密封），如图19所示。检漏时打开辅助阀，用辅助泵将检漏盒抽空。然后关闭辅助阀，打开检漏仪的检漏阀，使检漏盒与检漏仪的质谱室连通，当质谱室达到工作压力后，调整仪器使仪器处于检漏工作状态。在被检漏扣住的被检件的反面用喷枪喷吹氦气（也可用局部氦罩施氦），如仪器输出指示发生变化，则喷枪喷吹部位便存在漏孔。通过标准漏孔比对法，由输出指示的变化值可以确定漏孔率的大小。此法特别适用于加工过程中对未封闭的被检件上的焊缝进行检漏。
图19 检漏盒法
1-检漏仪；2-辅助阀；3-辅助泵；4-被检件；
5-喷枪；6-密封圈；7-检漏盒；8-氦气瓶
六、真空室累积法
用动态真空法检漏时，由漏孔漏入检漏系统的氦气，一部分被泵抽走，一部分在检漏系统各个截面上建立起氦分压。达到动态平衡时，质谱室中建立的氦分压为
pHe=QHe/SHe
式中 pHe——漏孔在质谱室中建立的氦分压；
QHe——漏孔对氦的漏率；
SHe——质谱室处对氦的抽速。
当QHe很小时，pHe也就很小，仪器往往没有反应。为了提高质谱室中的氦分压，可以用一阀门（累积阀）将被检件与检漏仪隔离，漏孔漏出的氦气储存在被检件与累积阀之间的容积（累积体积）中，累积体积中的氦分压将随时间增加而直线上升。累积一段时间后，打开累积阀，累积起来的氦便迅速被抽入检漏仪中，使质谱室的氦气分压急剧上升，从而得到较大的输出指示，这就是真空室累积法。
真空室累积法的检漏系统如图20所示。被检件用次级泵抽气，达到平衡压力后打开仪器检漏阀，并调节检漏仪上有明显的指示信号，所选标准漏孔的氦漏率Q0要与Qy值接近。
图20 真空室累积法检漏系统
七、吸枪累积检漏法
将被检容器整体或局部用塑料罩或金属罩（称为集气容器）包起来并密封，集气容器中为一个大气压的空气，如图21所示。
为了能使像被检件的允许漏率Qy那么大的漏率在检漏仪上有明显的指示信号，所选正压标准漏孔的氦漏率Q0要与Qy值接近。
其检漏原理与真空室累积法基本相同，就是先不插入吸枪进行检漏，等集气容器内累积氦气达到一定时间后，再插入吸枪进行检漏。
根据吸枪累积法所用定量方法不同，吸枪累积法分为定量气体法和标准漏孔法两种。
图21 吸枪累积检漏法
1-检漏仪；2-吸枪；3-正压标准漏孔或定量气体装置；
4-集气容器；5-被检容器；6-风扇；7-氦气瓶
八、前级泵排气口取样法
将被检容器抽真空后，在被检容器外壁可疑泄漏部位用喷枪喷吹氦气，当氦气喷在漏孔上时，氦气通过漏孔进入被检容器中并被抽气系统抽走，由前级泵排气口排至大气中，提高了排气口周围大气中的氦分压。如果有前级泵排气口处用与检漏仪直接相连的吸枪取样，检漏仪就会有信号输出，从而可判定漏孔的存在、漏孔的位置及漏率的大小。其检漏系统如图22所示。
图22 前级泵排气口取样法检漏系统
前级泵排气口取样法不需要破坏被检容器及其真空系统，特别适合于在役大型真空设备及容器的检漏。由于前级泵排出的气体中含有大量来自真空系统和泵的油蒸气和水蒸气等，直接用吸枪采样会严重污染吸枪甚至堵死采样口。为此，在排气口处要安装合适材料的吸附阱将油蒸气和水蒸气等污物吸附或冷凝掉，这样不但保护了吸枪，而且对氦气又有累积作用，提高了吸枪检漏的灵敏度。
前级泵排气口取样法已在电力工业发电厂的凝结器和汽轮机的检漏中得到推广应用。
九、背压法
小型密闭容器，既无法对其内腔抽气，又不法向其内腔充气。对这种小型密闭容器的检漏，通常采用背压法。
背压法一般分为三步，如图23所示。
图23 背压法
1、加压过程。将被检件置于高压的氦室中，浸泡数小时或数天，如果被检件上存在漏孔，氦气便通过漏孔压入被检件内腔，使内腔中的氦分压上升。
2、净化过程。加压的氦室卸压后，取出被检件，用高压氮气或空气吹除被检件表面吸附的氦气，或将被检件加热到一定温度，使表面吸附的氦气放出。在此过程中，已进入被检件内腔的部分氦气经漏孔流失。
3、检漏过程。把被检件放入与检漏仪相连的真空容器内进行检漏，些时检漏仪指示出来的漏率称为测量漏率，并非漏孔的实际漏率。测量漏率的大小除了与漏孔实际漏率大小有关外，还与检漏中选取的各种检漏参数有关。但是，测量漏率与实际漏率之间的关系可通过相应的公式来描述。
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