分子泵转速对氦质谱检漏仪灵敏度的影响

1、摘要

从逆扩散型检漏仪的检漏过程出发，通过实验讨论分子泵转速对氦质谱检漏仪检测结果的影响，并分析产生这种结果的原因。

分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子,使之获得定向速度,从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。分子泵是获得高真空和超高真空的关键设备之一。它被广泛应用于电子工业、表面工程、核能工业、等离子体技术、薄膜工程等工业领域和研究部门。它操作简单、启动时间短,在分子流区域内对各种气体的有效抽速几乎不变,对分子量高的气体压缩比高,可以获得清洁无油的高真空和超高真空环境。

分子泵是氦质谱检漏仪中获得高真空重要部,是氦质谱检漏仪中不可或缺关键部件,分子泵性能直接影响检漏仪性能参数的好坏,分子泵的发展直接影响着氦质谱检漏技术。本文重点讨论分子泵转速对氦质谱检漏的影响。

2、逆扩散型检漏仪

逆扩散型的检漏仪的检漏口是连接到高真空泵与低真空泵之间,所以被检试件的可检漏压力就是高真泵的前级耐压。如果试件压力超过这个压力,将使高真空泵不能正常工作。普通涡轮分子泵的前级耐压,一般不超过50Pa,远达不到高压检漏的要求。

1980年国际上出现一种称之为“复合型”的分子泵,现今,其前级耐压ZUI高已达2000Pa。这种泵用作氨质谱检漏仪的高真空泵,可直接实现在高的试件压力下的检漏。

如图1所示,用复合分子泵构成的一种可实现高压强下的检漏仪,其工作过程如下。

当被检试件抽至1500Pa,V1开，氨气逆扩散穿越整个分子泵进入质谱室，实现仪器的逆扩散检漏。若能进一步将试件抽至200Pa以下，则V2关闭，V3打开，从泵的中间口逆扩散至质谱室，若能进一步将试件抽至40Pa以下，则V3关闭，V4打开，氨气从泵的上部逆扩散进入质谱室，或直接进入质谱室(常规检漏）。这种从高压检大漏到实现检微漏的全自动过程，一气呵成，不仅效率高，也便于漏率的定量，由于每个状态下的阀门流导和泵的压缩比等参数都是固定不变的，仪器只需1次校准即可。

3、实验与分析

氨质谱检漏仪工作在不同的分子泵转速下，在仪器的检漏口连接标漏信号，检测氨质谱检漏仪在不同分子泵转速下，所获得的信号值。

实验器材：

(1)氨质谱检漏仪SFJ-231,1台；

(2)渗氨型标准漏孔（3.0×10-10Pa.m3/s),1只；

(3)渗氨型标准漏孔（1.5×10-Pa.m/s),1只；

(4)标准漏孔TL4-6,1只。

实验步骤：

(1)开启氨质谱检漏仪；

(2)仪器进入检漏状态运行2h后；

(3)仪器按下停止键，仪器进入待机状态(4)进入仪器的参数设置，将分子泵的转速设定为1500Hz；

(5)待仪器进入待机状态(6) 将渗氦型标准漏孔(3.0×100Pa.mY s) 连接在检漏口；

(7)检漏仪按开始键，检测仪器的显示值，并记录；

(8)仪器按下停止键后按下开始键，再次检测仪器的显示值，共记录3次数据(9)仪器在待机状态，进入仪器的参数设置，将分子泵的转速设定为1000Hz；

(10)重复7、8步骤；

(11)进入仪器的参数设置，将分子泵的转速设定为1500Hz；

(12)在仪器检漏口连接渗氦型标准漏孔(1.5X 10*Pa.ms)1只；

(13)重复7、8、9、10步骤(14)进入仪器的参数设置，将分子泵的转速设定为1500Hz；

(15)在仪器检漏口连接标准漏孔TL4-6(16)重复7、8、9、10步骤。

(16)重复7、8、9、10步骤。

用于氦质谱检漏仪的分子泵的多为抽速60L/s 左右的小型泵,对氦气的压缩比在1000左右。分子泵的抽速与动叶轮的转速有关，只有动叶轮的切向速度与气体分子的热运动速度相当时才有抽气能力,且抽速随转速而增,所以抽速在50~150L/s之间的小型分子泵的转速通常达到90000~ 40000转/分。

分子泵的另一性能指标是,压缩比，所谓压缩比是指分子泵的排气口压力与进气口压力之比,压缩比于转速及分子量的关系是:

K cx exp[GXu (M) 17]式中:

G为与叶轮几何形状有关的常数;

U为叶轮转速;

M为气体的分子量。

可见分子量大的气体压缩比大。氦质谱检漏仪中,逆扩散检漏正是利用分子泵对小分子量氦气的低压缩比，而且，还通过降低叶轮转速，降低对He 的压缩比,从而提高对氦气的响应灵敏度。

改变氦质谱检漏仪的分子泵的转速,分子泵的压缩比会发生变化,分子泵的转速由1500Hz改变为1000Hz,分子泵的压缩比会变小，进入质谱室的氦分压增加，检漏仪检测到氦信号会变大，试验中,检漏仪在1000Hz下的信号是1500Hz信号的3.5倍，也就是说分子泵在1500Hz的压缩比;是1000Hz的3.5倍。

另外分子泵的叶轮是高速旋转的精密件，在分子泵运转中，不允许固体杂物落到叶轮上,以避免损坏叶轮。也要防止大气突然冲入正在运转中的分子泵。因为这也有可能损坏叶轮，此外,分子泵运转过程中,要远离强磁场。

4、结论

改变氦质谱检漏仪的分子泵转速，检测信号值发生变化，仪器在运行时，分子泵转速改变后，只要改变漏率信号的修正系数，无需再次定标，即可保证检测漏率的准确性。若仪器检测信号时，信号值偏小，可以考虑降低仪器的分子泵转速，来提高检测信号值，提高仪器的检测灵敏度。