سیستم‌های تحت خلاء و نشت‌یاب‌های هلیومی

سیستم‌های تحت خلاء و نشت‌یاب‌های هلیومی

نشت‌یاب هلیومی، برای پیدا کردن محل و اندازه‌گیری میزان نشت سیستم خلاء استفاده می‌شود. این نشت‌یاب، با نام نشت‌یاب طیف‌سنج جرمی (Mass Spectrometer Leak Detector (MSLD)) نیز شناخته می‌شود. نشت‌یاب طیف‌سنج جرمی هلیوم ابزاری است که معمولا برای شناسایی و یافتن نشت‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ابتدا، این نشت‌یاب در پروژه منهتن در طول جنگ جهانی دوم برای یافتن نشت در فرایند دیفیوژن گاز در طی غنی‌سازی اورانیوم توسعه یافت.

چرا از گاز هلیوم در نشت‌یابی استفاده می‌شود؟

گاز هلیوم مناسب‌ترین انتخاب، برای نشت‌یابی است. این گاز غیر سمی، واکنش‌ناپذیر (بی‌اثر) 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 می‌کند. تنها مولکول کوچکتر از هلیوم، هیدروژن است که البته یک گاز نجیب (بی‌اثر) نیست. هلیوم، همچنین نسبتا ارزان است و در سیلندرهای با اندازه‌های مختلف و به صورت خالص شده، در دسترس است. روش‌های دیگری نیز برای تشخیص نشت وجود دارد. اما هیچ یک از آنها از نظر تشخیص محل نشت و اندازه‌گیری مقدار آن، به اندازه روش نشت یابی هلیومی دقیق نیستند.

تشخیص مکان و مقدار نشت با روش‌های تست خلاء

روش اسپری هلیوم

در روش تست خلاء، ابتدا سیستم خلاء توسط یک پمپ خارجی یا پمپ نصب شده روی خود سیستم به خلاء مورد نظر می‌رسد. سپس هلیوم در مکان‌های مشکوک به نشت، اسپری می‌شود.

تشخیص مکان و مقدار نشت با روش تست فشار

در روش تست فشار، ابتدا محفظه مورد تست با گاز هلیوم یا مخلوطی از گاز هلیوم و هوا پر می‌شود. سپس محل‌های مشکوک به نشت توسط یک ردیاب مکشی (Sniffer probe) اسکن می‌شود.

جمع‌کننده یونی

جمع‌کننده یونی (Ion collector) در مکانی قرار داده شده است که فقط یون‌های هلیوم با توجه به جرمشان در آنجا فرود می‌آیند. در نتیجه تمام مولکول‌های هلیومی که وارد نشت‌یاب می‌شوند، یونیزه شده و توسط جمع‌آوری کننده یونی، جمع‌آوری می‌شوند. سپس جریان یون‌های جمع آوری شده توسط یک آشکارساز به جریان الکتریکی تبدیل می‌شود. جریان الکتریکی توسط واحد نمایشگر نشت، روی یک صفحه، مانیتور می‌شود. جریان الکتریکی اندازه گیری شده به صورت مستقیم متناسب است با غلظت هلیوم و در نتیجه برابر است با مقدار نشت.

مبنای آشکار‌سازی گاز هلیوم، بر اساس همین تفاوت نسبت جرم به بار است. برای نشت‌های بسیار کم، جریان بسیار کوچک در حدود  ^۱۵-۱۰ آمپر که معادل حساسیتی برابر ^۱۲-۱۰ میلی بار. لیتر در ثانیه (L.mbar/sec) است. باید توجه نمود که  طول مسیر حرکت یون‌ها در طیف‌سنج جرمی، از چشمه یونی تا کلکتور، تقریبا ۱۵ سانتی متر است. از آنجائیکه، یون‌ها بایستی این مسیر را بدون برخورد با مولکول‌های گاز طی کنند، متوسط طول پویش آزاد حداقل باید ۶۰ سانتی‌متر باشد (در محدوده خلاء بالا). لذا طیف‌سنج جرمی، خود در شرایط خلاء کار می‌کند.

چالش‌های استفاده از روش تشخیص نشت هلیوم

چالش‌های متعددی در روش تشخیص نشت‌های کوچک با استفاده از هلیوم وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرند. هلیوم محیط پیرامون یا به دام افتاده در داخل محفظه ممکن است بر دقت تشخیص نشت و اندازه‌گیری با نشت‌یاب های بسیار حساس هلیوم تأثیر بگذارد. همچنین، از آنجا که واحد نشت‌یاب خود ضد نشت نیست، می‌تواند عامل مشکل نشتی باشد. بنابراین یک محیط عاری از هلیوم برای تشخیص دقیق نشت ضروری است. همچنین عوامل خارجی و نفوذ هلیوم از طریق دریچه های خروجی و ورودی و اورینگ‌ها می تواند بر نتایج تشخیص نشتی های بسیار کوچک تأثیر منفی بگذارند.

Helium Leak Detection : Sniffing Method

منابع

1. Ahmadi, Afsaneh; Moenie, Mahdi; Kowsari, Mohammadreza, Leak detection of vacuum systems using helium leak detector.
2.  N. Hilleret. LEAK DETECTION. Geneva, Switzerland: CERN. At the origin of the helium leak detection method was the ”Manhattan Project” and the unprecedented leak–tightness 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 ~۱۰^−۷ Pa·m^۳·s^−۱ and it increased to ~۱۰^−۱۰ Pa·m^۳·s^−۱ by ۱۹۷۰. Nowadays the quoted sensitivity of the most sensitive detectors is ~۱۰^−۱۳ Pa·m^۳·s^−۱, a factor ۱۰^۶ gain within ۵۰ years”
3. Robert Brockmann. “UST method”. researchgate
4. https://www.iitk.ac.in/ibc/HLDr.pdf
5. https://www.fukuda-jp.com/en/leak/
6. https://odishaexpo.com/global-helium-leak-sensor-market-2020-growth-analysis/
7. https://www.leybold.com/en/knowledge/vacuum-fundamentals/leak-detection/using-helium-for-industrial-and-integral-leak-tests
8. https://www.leybold.com/en/knowledge/blog/finding-vacuum-leaks-using-helium
9. https://showcase.ulvac.co.jp/en/how-to/product-knowledge07/testmethod.html
10. Medhe, Sharad. “Mass spectrometry: detectors review.” Chem Biomol Eng 3.4 (2018): 51-58.