直接フローおよびカウンターフローリークディテクターはどのように機能しますか
テスト対象からのガスが質量分析計に供給される方法に応じて、2種類のヘリウムリークディテクターを区別できます：
- 直接フローリークディテクター
- カウンターフローリークディテクター
図14：メインフローリークとカウンターフローリークディテクターの比較
上の図は、2種類のリークディテクターの真空ダイアグラムを示しています。どちらの場合も、質量分析計は、高真空ポンプシステムによって排気されます。
直接フローリークディテクター
直接フローリークディテクターの場合、 点検するガスは、コールドトラップを介して質量分析計に供給されます。コールドトラップは、液体窒素（LN2）で冷却され、基本的には、すべての蒸気やその他の汚染物質が凝縮されたクライオポンプです。従来使用されていた拡散ポンプの場合、LN2冷却コールドトラップは、拡散ポンプから放出されたオイル蒸気に対して質量分析計を効果的に保護していました。
補助ポンプは、テスト対象物および必要な接続ラインを事前に排気するために使用されます。作動中の高真空ポンプの高真空側をテスト対象物に接続するには、補助ポンプがテスト対象物を5·10-2 mbar未満の圧力に排気する必要があります。その後でのみ、補助ポンプとコールドトラップの間のバルブを開くことができます。高真空ポンプは、テスト対象物、必要な接続ライン、および質量分析計を2·10-4 mbar未満の圧力に排気しないでください。その後、質量分析計が動作を開始し、リークを検知することができます。
テスト対象物のリークのサイズと使用する真空ポンプの排気性能によっては、排気時間が非常に長くなる場合があります。リークが非常に大きい場合、上記の圧力値にまったく到達しない可能性があります。
カウンターフローリークディテクター
図14の右側は、カウンターフローリークディテクターの図を示します。直接フローリークディテクターの図との大きな違いがすぐに認識できます。ここでは、高真空ポンプは、質量分析計（容量が小さい、非常に少量のリークレート）のみを排気し、テスト対象物（大容量、一般的に高いリークレート）は排気しません。
カウンターフローリークディテクターの場合、点検するガスの供給は、粗引きポンプと高真空ポンプの間で行われることに注意してください。これは、粗引きポンプと補助ポンプは、稼働中の高真空ポンプの粗引き側をテスト対象に接続できる圧力までテスト対象物の圧力を上昇させる必要があることを意味します。現在のカウンターフローリークディテクターの場合、このいわゆる開始圧力は、数ミリバールになります。リークディテクターの吸気口が開始圧力に達すると、すぐに測定モードに切り替わります。
粗引きポンプと高真空ポンプ間の部分試験ガス圧力 pFV、TGは、リークディテクターに流れる試験ガスTG（TG＝ヘリウムまたは水素）によって増加します。
高真空ポンプが作動している場合、ポンプの高真空側の部分テストガス圧力（pHV、TG）は、ポンプのフォアバキューム側（pFV、TG）よりも大幅に小さくなります。したがって、一定量のテストガスは、高真空ポンプの供給方向に対して、フォアバキューム側から高真空ポンプの高真空側に流れます。この現象が、このタイプのリークディテクターが「カウンターフローリークディテクター」と呼ばれる理由です。
平衡状態では、高真空側、すなわち高真空ポンプと質量分析計の間に、以下の部分的なテストガス圧が存在します：
pHV、TG = pFV、TG/C0、TG
この場合、C0、TGは、テストガスの流量がゼロのときのテストガスTGに対する高真空ポンプの圧縮を意味します（高真空ポンプを通過するテストガスの正味ガスの流量はゼロです）。
最近では、カウンターフローリークディテクターの高真空ポンプは、常に複合ステージを備えたターボ分子ポンプです。この高真空ポンプタイプは、高いフォアバキューム一貫性（数ミリバール）を特長としているため、ミリバール範囲で上記の高い開始圧力を実現できます。したがって、リーク検知プロセスは、油拡散ポンプ付きのリークディテクターよりもはるかに高速に実行できます（油拡散ポンプのフォアバキューム一貫性＝5·10-1 mbar）。
ターボ分子ポンプは、重ガス（炭化水素、オイル蒸気）に対しての非常に高い圧縮率を特徴としています。したがって、ヘリウムや水素などの軽テストガスとは対照的に、重ガス粒子は、基本的に質量分析計に到達できません。したがって、ターボ分子ポンプは、質量分析計に最適な保護機能であり、液体窒素冷却コールドトラップが廃止されました。
パーシャルフロー動作でのカウンターフローリークディテクター
テスト対象物を必要な開始圧力まで排気できない場合、またはテスト対象物のサイズやリークのために時間がかかりすぎる場合は、リークディテクターに加えて補助ポンプ（補助ポンプシステム）を使用する必要があります。
リークディテクターは、いわゆるパーシャルフロー構成で作動します。補助ポンプは、通常、リークディテクターに内蔵された粗引きポンプよりも高い性能を持つため、補助ポンプを通過するテストガスの量が多くなり、粗引きポンプを通過するテストガスは少量のみになります。
ただし、粗引きポンプの吸気口および補助ポンプpFV、TGの吸気口での部分的なテストガス圧力は同一です。したがって、テスト対象物からのテストガスフローの合計は、次の通りになります
qL = pFV、TG · (SRP、TG + SAP、TG)
ただし、
- SRP、TG = リークディテクターに内蔵された粗引きポンプのテストガスの排気速度（l/秒）
- SAP、TG = 補助ポンプのテストガスの排気速度（l/秒）
これはリークディテクターに表示されるはずの実際のリークレートです。ただし、リークディテクターの電子システムは、以下の表示となります
qL、表示 = pFV, TG · SRP, TG
結果は、以下から得られます：
リークディテクターに表示されるリーク率qL, displayは、真のリークレートqLとパーシャルフロー比γの積と等しくなります：
qL、表示 = qL · γ
γ = SRP、TG/(SRP、TG + SAP、TG) （パーシャルフロー比）
パーシャルフロー比は、上記の関係によって計算されます。
実際には、パーシャルフロー比を実験的に決定することが意味を持つことがよくあります。これを行うために、リークレートqLの校正リークをリークディテクターに直接取り付けます（補助ポンプなしで動作）。リークディテクターは、ディスプレイ上のリークディテクターの真のリークレートqLを示します。値qLを記録する必要があります。次に、テスト対象物に同じ校正リークを取り付け、補助ポンプを作動させ、リークディテクターの表示を記録します。これで、リークディテクターにqLと表示します。求められるパーシャルフロー比γは、qL、表示およびqLの商から得られます。
γ = qL、表示 / qL （パーシャルフロー比）
図15：パーシャルフロー原理を持つリークディテクターの使用例
真空システムへの接続
マルチステージ真空ポンプセットを備えた真空システムへのリークディテクターの接続は、通常、パーシャルフロー方式によって行われます。接続を最適にする場所を検討する場合、リークディテクターは通常、接続フランジの排気速度が低い小型のポータブルユニット（通常は、SRP, TG ⋍ 2 m3/h）であることに留意する必要があります。これにより、例えば排気速度SAP、TG = 10,000 l/秒 = 36,000 m3/hの拡散ポンプに対して予測されるパーシャルフロー比に基づいて、どの程度のリークレートを検出できるかを見積もることがさらに重要となります。
高真空およびルーツポンプのシステムでは、残りのオプションは、ロータリーベーンポンプとルーツポンプの間、またはルーツポンプと高真空ポンプの間にリークディテクターを接続することです。圧力がリークディテクターの許容吸気口圧力よりも高い場合、リークディテクターは、計量バルブ（可変リーク）を介して接続する必要があります。当然ながら、適切なコネクターフランジを使用できる必要があります。
また、必要に応じてリークディテクターを迅速に接続し（システムを作動させた状態で）、バルブを開いた直後にリーク検知を開始できるように、最初からバルブを取り付けることをお勧めします。このバルブが誤って開かないように、通常の真空システム作動中は、ブランクフランジでシールする必要があります。
リークディテクターを大型の真空システムに接続するもう1つの方法は、スニファーをシステムの大気側出口に挿入することです。次に、排気内のテストガス濃度の上昇をスニフィングします。
- SLD = SR、
分岐点でのヘリウム（l/s）用のリークディテクターに内蔵された粗引きポンプのHe排気速度 - SAP = SAP、
分岐点でのヘリウム（l/s）用補助ポンプのHe排気速度
時定数
真空システムの時定数は、以下で求められます：
t = Vch / Seff
- Vch = 容器の容量（l）
- Seff = 容器でのテストガスの実効排気速度（l/秒）
図16：信号応答と排気速度
上記の図16は、リークディテクターに取り付けられたテスト対象物にリークをスプレーした後の信号の過程を、2つの異なる構成で示しています。
- テスト対象物（容量Vch）は、リークディテクターLD（テストガスの有効排気速度 = SLD）に直接接続されています。
- 1に加えて、同じ有効排気速度SAP = SLDの補助ポンプ（＝パーシャルフローポンプ）がテスト対象物に接続されています。
対応する2つの信号曲線が図16に示されています：
曲線1：「デッドタイム」t0の後に、部分テストガス圧力pTGに比例する信号は、次の関係に応じて時間tの経過とともに増加します
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
一定の時間が経過すると、信号は最終値の一部に到達します
- t − t0 = 1 τ 最終値の63.3%
- t − t0 = 3 τ 最終値の95.0%
- t − t0 = 6 τ 最終値の99.8%
信号の最終値は、指数項がt - t0 >> τで消えてしまうため、pTG = qL/Seffに比例します。
最終値の95%に達するために必要なタイムスパンt - t0は、応答時間と呼ばれます。これは、3 τで与えられます。
これにより、曲線1に対して以下の結果が得られます：信号の最終値は、pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1に比例
応答時間 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
曲線2（= 部分フロー動作）には次のように適用されます：信号の最終値は、pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0.5 · p1に比例
応答時間 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0.5 · τ1
補助ポンプ（＝パーシャルフローポンプ）の取り付けにより、応答時間は常に短縮され、信号の最終値は常に低下します。上記の例では、応答時間は半分になりますが、信号の最終値も半分になります。
応答時間が短いということは、信号の変化と表示が速いことを意味します。これにより、リーク検知に必要な時間を大幅に短縮できるという利点があります。結果的に、信号の最終値が小さくなる欠点は、ほとんどの場合、今日のリークディテクターの感度が非常に高いため、重大な問題にはなりません。
結論：パーシャルフロー動作により、リーク検知にかかる時間を短縮できます。
背後から接続された複数の容器の合計時定数の推定値と関連するポンプは、個別の時定数を追加することによって、初期近似で作成できます。
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