نشت یاب هلیوم لیبولد PHOENIX 4 series
نشت یاب هلیومی لیبولد مدل PHOENIX L500i

سیستم های تحت خلاء و نشت یاب های هلیومی

نشت یاب هلیومی، برای پیدا کردن محل و اندازه گیری میزان نشت سیستم خلاء استفاده می شود. این نشت یاب، با نام نشت یاب طیف سنج جرمی(Mass Spectrometer Leak Detector (MSLD)) نیز شناخته می شود. نشت یاب طیف سنج جرمی هلیوم ابزاری است که معمولاً برای شناسایی و یافتن نشت های کوچک مورد استفاده قرار می گیرد. در ابتدا، این نشت یاب در پروژه منهتن در طول جنگ جهانی دوم برای یافتن نشت در فرایند دیفیوژن گاز در طی غنی سازی اورانیوم توسعه یافت.

گاز هلیوم

گاز هلیوم مناسب ترین انتخاب برای نشت یابی است. این گاز غیر سمی، واکنش ناپذیر(بی اثر) و غیر قابل اشتعال است. همچنین در هوای اطراف ما(جو) کمیاب است و غلظت آن حدود ۵ ppm است. گاز هلیوم به خاطر ابعاد اتمی کوچکی که دارد به راحتی از منافذ نشتی بسیار کوچک عبور می کند. تنها مولکول کوچکتر از هلیوم، هیدروژن است که البته یک گاز نجیب(بی اثر) نیست. هلیوم همچنین نسبتاً ارزان است و در سیلندرهای با اندازه های مختلف و به صورت خالص شده، در دسترس است. روش های تشخیص نشت دیگری نیز وجود دارد. اما هیچ یک از آنها از نظر تشخیص محل نشت و اندازه گیری مقدار آن به اندازه روش نشت یابی هلیومی دقیق نیستند.

به طور ایده آل می بایستی محفظه سیستم تحت خلاء، بعد از اتمام عمل تخلیه با خاموش شدن پمپ ها، خلاء را حفظ کند. اما در سیستم خلاء واقعی با گذشت زمان فشار سیستم بالا می رود. این افزایش فشار می تواند ناشی از نفوذ مولکول های جداره ها و دیوارها(Outgassing) و یا ناشی از نشت و نفوذ مولکول ها از خارج به داخل سیستم باشد. به طور معمول دو نوع نشت وجود دارد:  نشت حقیقی و نشت مجازی.

نشت حقیقی و نشت مجازی

نشت حقیقی، نشت واقعی است که به دلیل داشتن آب بندی ناقص سیستم خلاء، وجود سوراخ یا میکرو ترک ها در آن، ایجاد می شود. نشت مجازی، در اثر پدیده Outgassing مواد شیمیایی به دام افتاده یا چسبیده به فضای داخلی محفظه سیستم خلاء، ایجاد می شود. با کاهش فشار در محفظه سیستم خلاء و آزاد شدن گازها و ذرات به دام افتاده در دیواره های محفظه، افزایش فشاری توسط فشارسنج نشان داده می شود. در واقع نشت مجازی و غیر واقعی است زیرا محفظه در این حالت به خوبی آب بندی شده و منافذ ورود هوا کاملا مسدود شده اند.

در واقع هیچ سیستم خلائی نمی تواند به طور مطلق نشت نداشته باشد. آنچه مهم است بایستی میزان نشت به قدری کوچک باشد که فشار نهایی و تعادل گاز در محفظه، خلاء را به هم نزند. بنابراین تعیین حد مجاز و قابل قبول نشت، برای هر سیستم تحت خلاء، ضروری است. لذا نشت یابی یک مرحله مهم در ایجاد خلاء و ضمانت حصول فشار نهایی مطلوب، می باشد.

روش های مختلفی برای نشت یابی سیستم خلاء با استفاده از گاز هلیوم وجود دارد. معمولا با توجه به شرایط کاری سیستم مورد نشت یابی، یک روش انتخاب می شود. حفظ شرایط فشار مشابه با شرایط واقعی کار دستگاه، یکی از مسائل بسیار مهم است. به طور کلی تعیین مکان نشت و مقدار نشت در یک سیستم تحت خلاء، دو مسئله مهمی هستند که در تمام روش ها دنبال می شوند. دو روش اصلی تشخیص نشت با استفاده از گاز هلیوم عبارتند از: روش تست خلاء(خارج به داخل) و روش تست فشار(داخل به خارج).

تست خلاء

در روش تست خلاء، ابتدا سیستم خلاء توسط یک پمپ خارجی یا پمپ نصب شده روی خود سیستم به خلاء مورد نظر می رسد. سپس هلیوم در مکان های مشکوک به نشت اسپری می شود. در صورتی که نشت وجود داشته باشد مولکول های هلیوم به داخل محفظه نفوذ می کنند. سپس، سنسور نشت یاب هلیوم، که داخل محفظه سیستم خلاء قرار داده شده است، حضور آن را تشخیص می دهد. بدین صورت مکان نشت مشخص می شود(شکل ۱).

تشخیص مکان نشت با روش تست خلاء در سیستم خلاء

شکل ۱: تشخیص مکان نشت با روش تست خلاء

برای تشخیص مقدار نشت کلی سیستم، سیستم تحت تست، درون یک محفظه گاز هلیوم با فشار خاص قرار داده می شود. در این حالت از تمام مکان های نشت، گاز هلیوم وارد سیستم مورد تست می شود و توسط نشت یاب هلیومی اندازه گیری می شود(شکل ۲).

تشخیص مقدار نشت کلی با روش تست خلاء در سیستم خلاء

شکل ۲: تشخیص مقدار نشت کلی با روش تست خلاء

تست فشار

در روش تست فشار، ابتدا محفظه مورد تست با گاز هلیوم یا مخلوطی از گاز هلیوم و هوا پر می شود. سپس محل های مشکوک به نشت توسط نشت یاب اسکن می شود. در صورت وجود گاز هلیوم نشت یاب شروع به آلارم دادن می کند و بدین ترتیب محل نشت مشخص می شود.(شکل ۳).

تشخیص مکان نشت با روش تست فشار در سیستم خلاء

شکل ۳: تشخیص مکان نشت با روش تست فشار

به منظور تشخیص مقدار نشت کلی سیستم، محفظه مورد تست پس از پر شدن با گاز هلیوم، درون یک محفظه متصل به پمپ خلاء و نشت یاب قرار داده می شود. میزان گاز هلیوم عبوری به سمت پمپ خلاء توسط نشت یاب اندازه گیری شده و بدین ترتیب مقدار کل نشت سیستم تعیین می گردد(شکل ۴).

تشخیص مقدار نشت کلی با روش تست فشار در سیستم خلاء

شکل ۴: تشخیص مقدار نشت کلی با روش تست فشار

اساس عملکرد تشخیص دهنده های هلیوم در نشت یابی سیستم خلاء

اساس روش این سنسورها به این صورت است که ابتدا گاز هلیوم نشت پیدا کرده توسط یک پرتوی الکترونی یونیزه می شود. پرتوی الکترونی توسط فیلامنت موجود در محفظه یونی در تیوب آنالیز، تولید می شود. سپس یون های هلیوم در یک میدان الکتریکی(در حد ۴۰۰ تا ۱۲۰۰ ولت) به سمت روزنه کوچک موجود روی محفظه یونی شتاب می گیرند. یون ها از میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آنالایزر عبور می کنند و بسته به وزنشان مسیر منحنی متفاوتی را طی می کنند. یون ها در این میدان مغنایسی بر اساس نسبت جرم به بارشان تفکیک می شوند. زیرا شعاع انحراف یون ها بسته به نسبت جرم به بارشان در یک میدان مغناطیسی متفاوت است. یون ها با جرم بزرگتر شعاع انحراف بیشتری دارند.

جمع کننده یونی

جمع کننده یونی(Ion collector) در مکانی قرار داده شده است که فقط یون های هلیوم با توجه به جرمشان در آنجا فرود می آیند. در نتیجه تمام مولکول های هلیومی که وارد نشت یاب می شوند، یونیزه شده و توسط جمع آوری کننده یونی، جمع آوری می شوند. سپس جریان یون های جمع آوری شده توسط یک آشکارساز به جریان الکتریکی تبدیل می شود. جریان الکتریکی توسط واحد نمایشگر نشت، روی یک صفحه، مانیتور می شود. جریان الکتریکی اندازه گیری شده به صورت مستقیم متناسب است با غلظت هلیوم و در نتیجه برابر است با مقدار نشت. مبنای آشکار سازی گاز هلیوم، بر اساس همین تفاوت نسبت جرم به بار است. برای نشت های بسیار کم، جریان بسیار کوچک در حدود  ۱۵-۱۰ آمپر که معادل حساسیتی برابر ۱۲-۱۰ میلی بار. لیتر در ثانیه (mbar.L/sec) است.

باید توجه نمود که  طول مسیر حرکت یون ها در طیف سنج جرمی، از چشمه یونی تا کلکتور، تقریبا ۱۵سانتی متر است. از آنجائیکه یون ها بایستی این مسیر را بدون برخورد با مولکولهای گاز طی کنند، متوسط طول پویش آزاد حداقل باید ۶۰ سامتی متر باشد(در محدوده خلاء بالا). لذا طیف سنج جرمی، خود در شرایط خلاء کار می کند.

 

اساس عملکرد نشت یاب های طیف سنج جرمی هلیوم

شکل ۵: اساس عملکرد نشت یاب های طیف سنج جرمی هلیوم

نشت یاب های هلیومی معمولا شامل قسمت های زیر می باشند:

  • طیف سنج جرمی هلیوم 
  • سیستم و شیرهای کنترل که مراحل مختلف تست شامل چرخه اندازه گیری، خلاء کردن، تست و هوادهی را کنترل می کنند
  • پمپ های روتاری و توربومولکولار به منظور کاهش فشار به میزان کافی
  • فشار سنج برای اندازه گیری میزان خلاء
  • لوازمی که واحد تست را به نشت یاب متصل می کنند

نشت یابی سیستم های لایه نشانی تحت خلاء

با توجه به اینکه تمام سیستم های لایه نشانی ساخته شده توسط شرکت پوشش های نانوساختار، سیستم های لایه نشانی تحت خلاء هستند، پیدا کردن محل نشت و برطرف کردن آن ها در این سیستم ها نیز مانند تمام سیستم های تحت خلاء از اهمیت بالایی برخوردار است. در گام اول هنگام نشت یابی این سیستم های لایه نشانی باید توجه شود که ممکن است در اثر بی احتیاطی هنگام جابجایی و گذاشتن درِ محفظه خلاء شیشه ای دستگاه های لایه نشانی، محفظه خلاء سیستم های لایه نشانی دچار تَرَک و لب پریدگی شود. در نتیجه نشت های حقیقی به وجود آمده، در اکثر موارد با یک بازرسی چشمی قابل پیدا کردن و برطرف کردن هستند.

در سایر مواردی که مکان و علت نشت در سیستم های لایه نشانی تحت خلاء مشخص نیست، نیاز است تا از مکانیزم های نشت یابی سیستم های لایه نشانی تحت خلاء و نشت یاب های هلیومی استفاده شود.

منابع

  1. Ahmadi, Afsaneh; Moenie, Mahdi; Kowsari, Mohammadreza, Leak detection of vacuum systems using helium leak detector.
  2.  N. HilleretLEAK DETECTIONGeneva, SwitzerlandCERNAt the origin of the helium leak detection method was theManhattan Projectand the unprecedented leaktightness requirements needed by the uranium enrichment plants. The required sensitivity needed for the leak checking led to the choice of a mass spectrometer designed by Dr. A.O.C. Nier tuned on the helium mass. Because of its industrial use, the material choice (originally glass) turned out to be unbearably fragile and after many complaints by the users, a new metallic version was developed and constructed. The sensitivity of the apparatus was in ۱۹۴۶ ~۱۰۷ Pa·m۳·s۱ and it increased to ~۱۰۱۰ Pa·m۳·s۱ by ۱۹۷۰. Nowadays the quoted sensitivity of the most sensitive detectors is ~۱۰۱۳ Pa·m۳·s۱, a factor ۱۰۶ gain within ۵۰ years
  3. Robert Brockmann“UST method”. researchgate