直流與逆流測漏儀的運作方式
根據將氣體從測試物體供應到質譜分析的方式，我們能夠區分兩種類型的氦氣測漏儀：
- 直流測漏儀
- 逆流測漏儀
圖 14：主流測漏儀與逆流測漏儀之間的比較
上圖顯示兩種測漏儀類型的真空圖。在這兩種情況下，質譜分析都會由高真空幫浦系統排空。
直流測漏儀
如果是直流測漏儀，會透過冷阱將待檢查的氣體供應給質譜分析。冷阱以液態氮 (LN2) 冷卻，基本上是一種冷凍幫浦，所有蒸氣和其他污染物都會在其中凝結。若為通常在過去使用的擴散幫浦 ，LN2 冷卻式冷阱可有效保護質譜分析不受擴散幫浦排出的油蒸氣影響。
輔助幫浦可用於預先排空測試物體和所需的連接線。為了能夠將運轉中高真空幫浦的高真空側與測試物體連接，輔助幫浦必須將測試物體排空至低於 5·10–2 mbar 的壓力。唯有如此，才能在輔助幫浦與冷阱之間開啟閥。高真空幫浦不得將測試物體、所需的連接線和質譜分析排空至低於 2·10–4 mbar 的壓力。在此之後，質譜分析可開始操作以偵測洩漏。
根據測試物體中的洩漏大小和所使用真空幫浦的抽氣效能，抽氣時間可能非常長。如果發生非常嚴重的洩漏，甚至可能根本無法達到上述的壓力值。
逆流測漏儀
圖 14 的右側顯示逆流測漏儀的圖。我們可以立即看出與直流測漏儀圖的實質差異：在此，高真空幫浦僅會排空質譜分析 (體積較小，洩漏率非常小)，而非測試物體 (體積大，一般洩漏率較大)。
請注意，如果是逆流測漏儀，要檢查的氣體供應會在粗真空幫浦與高真空幫浦之間執行。這表示粗真空幫浦和輔助幫浦必須將測試物體帶至使執行中高真空幫浦的粗真空側可以連接至測試物體的壓力。對於現今的逆流測漏儀，這種所謂的啟動壓力量僅有幾 millibar。如果達到測漏儀入口處的啟動壓力，會立即切換至測量模式。
介於粗真空幫浦與高真空幫浦之間的部分測試氣體壓力 pFV, TG 會因流入測漏儀的氣體 TG (TG = 氦氣或氫氣) 而增加。
執行高真空幫浦時，幫浦高真空側上的部分測試氣體壓力 (pHV, TG) 會明顯小於幫浦的前級真空側 (pFV, TG)。因此，特定量的測試氣體會以與高真空幫浦相反的輸送方向流動 - 從高真空幫浦的前級真空側到高真空側。這種現象就是為何這種測漏儀被稱為逆流測漏儀的原因。
在平衡中，以下部分測試氣體壓力將出現在高真空側，即高真空幫浦與質譜分析之間：
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
在此情況下，C0, TG 是指測試氣體 TG 在零測試氣體流量時的高真空幫浦壓縮 (通過高真空幫浦的測試氣體淨氣流為零)。
現今，逆流測漏儀中的高真空幫浦一律是複合階段的渦輪分子幫浦。這種高真空幫浦類型具有高前級真空一致性 (幾 millibar)，因此能達到上述 millibar 範圍內的高啟動壓力。因此，洩漏偵測程序的執行速度可以比配備油擴散幫浦的測漏儀快很多 (油擴散幫浦的前級真空一致性 ⋍ 5 ·10–1 mbar)。
渦輪分子幫浦具有非常高的重質氣體 (碳氫化合物、油蒸氣) 壓縮。因此，適用以下條件：與氦氣和氫氣等輕質測試氣體相比，重質氣體粒子基本上無法到達質譜分析。因此，渦輪分子幫浦能為質譜分析提供最佳保護，並使液態氮冷卻冷阱成為過去式。
分流操作中的逆流測漏儀
若因測試物體的大小或洩漏而無法將測試物體排空至所需的啟動壓力或耗時太久，則除了測漏儀外，還必須使用輔助幫浦 (輔助幫浦系統)。
然後，測漏儀將以所謂的分流配置來操作。由於輔助幫浦的性能通常高於與測漏儀整合的粗真空幫浦，因此會有較大量的測試氣體流過輔助幫浦，並只有少量的測試氣體會流過粗真空幫浦。
然而，粗真空幫浦入口及輔助幫浦入口的部分測試氣體壓力 pFV, TG 將完全相同。因此，總測試氣流從測試物體量到
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
其中
- SRP, TG = 整合至測漏儀中的粗真空抽氣速度，測試氣體單位為 l/s
- SAP, TG = 輔助幫浦的抽氣速度，測試氣體單位為 l/s
這是測漏儀應顯示的真實洩漏率。但是，測漏儀的電子系統會產生下列畫面
qL, display = pFV, TG · SRP, TG
下列結果來自：
由測漏儀顯示的洩漏率 qL, display 等於真實洩漏率 qL 與分流率 γ 的乘積：
qL, display = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (分流率)
分流率由上述關係式計算。
實務上，實驗性判定分流率通常是合理的作法。為此，可以在測漏儀上安裝洩漏率為 qL 的校正洩漏 (無輔助幫浦的操作)。然後，測漏儀會在顯示器上顯示測漏儀的真實洩漏率 qL。必須記錄值 qL。現在，可以在測試物體上安裝相同的校正洩漏，讓輔助幫浦開始運作，並記錄測漏儀顯示器上的指示。測漏儀現在會指示 qL, display。然後會從 qL, display 與 qL 的商中產生搜尋的分流率 γ：
γ = qL, display / qL (分流率)
圖 15：依據分流原則使用測漏儀的範例
連接至真空系統
測漏儀與配備多段式真空幫浦之真空系統的連接通常是透過分流方法執行。當考量連接的最佳位置時，請務必記住，測漏儀通常是一個小型的可攜式裝置，在連接法蘭處只有低抽氣速度 (通常是 SRP, TG ⋍ 2 m3/h)。這會使得估計更為重要 - 根據對於例如抽氣速度為 SAP, TG = 10,000 l/s = 36,000 m3/h 之擴散幫浦所預期的分流率 - 這是真正能夠偵測到的洩漏率。
在配備高真空與魯式幫浦的系統中，最可靠的選擇是在迴轉葉片幫浦與魯式幫浦之間連接測漏儀，或在魯式幫浦與高真空幫浦之間連接測漏儀。如果此處的壓力大於測漏儀的容許進口壓力，則必須透過計量閥 (可變洩漏) 連接測漏儀。當然，必須提供合適的連接器法蘭。
也建議從一開始就在此位置安裝閥，以便在需要時可以快速連接測漏儀 (在系統運轉時)，且在開啟閥後可以立即開始測漏。為了避免此閥意外開啟，在正常真空系統操作期間，應使用空白法蘭將其密封。
另一種將測漏儀連接至較大真空系統的方法是將嗅探插入系統的大氣側出口。然後便可嗅探排氣中測試氣體濃度的升高。
- SLD = SR, He
氦氣在分支點內建於測漏儀之粗真空幫浦單位為 l/s 的抽氣速度 - SAP = SAP, He
氦氣在分支點單位為 l/s 的抽氣速度
時間常數
真空系統之時間常數由以下公式提供：
t = Vch / Seff
- Vch = 腔室單位為 l 的體積
- seff = 測試氣體在腔室的單位為 l/s 的有效抽器速度
圖 16 訊號回應與幫浦速度
上方的圖 16 顯示針對 2 種不同配置，在連接至測漏儀的測試物體中噴射洩漏後的訊號路線：
- 測試物體 (體積 Vch) 直接連接到測漏儀 LD (測試氣體的有效幫浦速度 = SLD)。
- 除了 1 以外，將具有相同有效幫浦速度 SAP = SLD 的輔助幫浦 ( = 分流幫浦) 連接至測試物體。
兩個對應訊號曲線顯示在圖 16 上：
曲線 1：在"停滯時間“ t0 之後，與部分測試氣體壓力 pTG 成正比的訊號會根據以下關係式隨時間 t 而增加
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
經過一段時間後，訊號會達到其最終值的一部分
- t − t0 = 1 τ 最終值的 63.3 %
- t − t0 = 3 τ 最終值的 95.0 %
- t − t0 = 6 τ 最終值的 99.8 %
訊號的最終值與 pTG = qL/Seff 成正比，因為指數項會消失 t - t0 >> τ。
需要達到最終值 95% 的時間跨度 t - t0 就是回應時間。這由 3 τ 提供。
這提供曲線 1 的下列結果：訊號的最終值與 pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1 成正比
為應時間 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
以下適用於曲線 2 ( = 分流操作)：訊號的最終值與 pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0.5 · p1 成正比
回應時間 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0.5 · τ1
由於安裝了輔助幫浦 (= 分流幫浦)，回應時間將一律縮短，而訊號的最終值將一律降低。在以上範例中，回應時間減半，但訊號的最終值也減半。
短回應時間表示訊號的快速變更和顯示。如此一來，就能大幅減少偵測洩漏所需花費的時間。訊號最終值較小的必然缺點，在大多數情況下，由於現今測漏儀具有非常高的靈敏度，並不會導致任何嚴重的問題。
結論：分流操作可減少洩漏偵測所花費的時間！
透過新增個別事件常數，可以在初始近似值中對一個接一個連接，且連接至關聯幫浦之多個體積的總時間常數進行評估。
測漏基礎知識
下載我們的電子書「測漏基礎知識」，帶您探索測漏的基礎與技術。
- 相關產品
- 相關部落格
- 相關知識
