CN110895179A - 一种宽动态真空检漏装置 - Google Patents

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李芳�
路晓川
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凌大鹏
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Abstract

本发明涉及一种宽动态真空检漏装置，属于真空检漏技术领域。本发明所述检漏装置采用QMS与阳极点火技术联动的方式，在高精度控制回路的配合下，能够实现102Pa到10‑9Pa动态范围的真空检漏，填补了目前市场宽动态范围真空检漏的技术空白；而且该检漏装置的示踪气体不限于氦气，具有广泛的应用前景。

Description

一种宽动态真空检漏装置
技术领域
本发明涉及一种宽动态真空检漏装置，属于真空检漏技术领域。
背景技术
现有的真空检漏技术广泛采用氦质谱检漏或残气分析技术进行检漏。以上两种技术均利用了检测器对示踪气体的变化做出反应的原理，来反映真空漏率的变化。但是，它们应用的真空检漏环境动态范围小，示踪气体单一，不能同时覆盖中真空、高真空、超高真空的检漏环境。其中，参考标准GB/T3163-93，真空区域大致划分如下：低真空105Pa～102Pa，中真空102Pa～10-1P，高真空10-1Pa～10-5Pa，超高真空<10-5Pa。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种宽动态真空检漏装置，该装置采用QMS与阳极点火技术联动的方式，利用“QMS高灵敏度离子选择特性”和“阳极点火电流-真空变化曲线”，在高精度控制回路的配合下，实现102Pa到10-9Pa动态范围的真空检漏，填补了目前市场宽动态范围真空检漏的技术空白，存在广泛的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种宽动态真空检漏装置，所述检漏装置包括真空规、示踪气体源、离子源进样单元、QMS单元、真空腔室以及高精度控制回路；
离子源进样单元包括电离室、阳极、灯丝、磁铁和离子束透镜电极；电离室上加工有进样口和离子出口，阳极穿过电离室并固定安装在电离室的上端，灯丝位于电离室内部，磁铁置于电离室的外部，四个离子束透镜电极按照上下顺序安装在电离室下端的离子出口；
高精度控制回路包括电源单元和数据处理单元；
真空规、示踪气体源以及电离室的进样口分别与被检真空件连接，电离室的离子出口与QMS单元的信息采集端连接，阳极分别与电源单元和数据处理单元连接，QMS单元的信息输出端与数据处理单元连接，离子源进样单元和QMS单元放置在真空腔室内。
所述检漏装置的工作原理如下：根据真空规反馈的被检真空件的真空度，切换阳极点火模式检漏或QMS模式检漏；
QMS模式检漏：根据真空规的检测结果判定被检真空件为中真空或高真空时，电源单元向阳极输出低电压，进入电离室的示踪气体分子被灯丝发射的能量电子所电离而产生离子，离子在磁铁磁场的准直作用下以及阳极的电场推斥作用下向离子束透镜电极方向运动，并通过电离室的离子出口进入QMS单元进行分析，数据处理单元采集QMS单元输出的电流，由于示踪气体浓度与QMS质谱峰强度成正比关系，所以根据电流大小可以计算出被检真空件的漏率；
阳极点火模式检漏：根据真空规的检测结果判定被检真空件为超高真空时，电源单元向阳极输出高电压，示踪气体进入电离室后，阳极上施加的高电压能够少量诱导粒子激发少量电子，该电子受磁铁磁场的洛伦磁力而作螺旋运动，并引发更多示踪气体被电离，放出更多电子，最终被阳极捕捉而产生电流，数据处理单元采集阳极产生的电流，由于电流与示踪气体浓度成正比，可以根据电流大小计算出被测真空件的漏率。
进一步地，在电离室的内表面制备一层氧化钛涂层，避免腐蚀性示踪气体对检漏装置的腐蚀破坏作用；灯丝和离子束透镜电极的材料选用具有强度高、耐蚀性、耐热性的α+β钛合金，能够延长检漏装置的使用寿命，并提升稳定性和可靠性。
针对示踪气体的特定质荷比，利用示踪气体在高真空、中真空环境下产生的电流，作为真空漏率的定量指标。示踪气体不局限于常见的氦气，还可以选择氢气、氟利昂以及四氯化碳。
进一步地，高电压为2.7kV～3.3kV，低电压为140V～160V。
进一步地，电源单元由低压电源、高压电源和单刀双掷开关组成，阳极通过单刀双掷开关与低压电源或高压电源连接，低压电源输出的电压为140V～160V，高压电源输出的电压为2.7kV～3.3kV。
进一步地，高精度控制回路还包括人机界面，人机界面与数据处理单元连接，数据处理单元采集的电流信息显示在人机界面上。
有益效果：
(1)本发明所述检漏装置根据真空度所在区间，在不增加硬件的情况下，仅依靠电路切换，实现了宽动态范围真空的检漏；
(2)两种检漏模式需要使用的示踪气体，均不限于氦气，市场上常见的氢气、氟利昂、四氯化碳等气体均能作为示踪气体使用；
(3)阳极点火模式的功耗低、灵敏度高，在超高真空检漏市场中无疑更有前景；
(4)离子源进样单元中使用氧化钛涂层和钛合金材料，可以对腐蚀性环境有抵御能力，能提高整体使用寿命。
附图说明
图1为实施例中所述检漏装置的结构示意图。
图2为离子源进样单元的结构示意图。
其中，1-磁铁，2-电离室，3-阳极，4-进样口，5-离子束透镜电极，6-绝缘螺钉，7-灯丝，8-离子出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1
宽动态真空检漏装置包括真空规、示踪气体源、离子源进样单元、QMS单元、真空腔室以及高精度控制回路；
被检真空件选用标准漏孔(金属压扁型漏孔5×10-5Pa·L/s)；
示踪气体源中的示踪气体选用四氯化碳；
离子源进样单元包括电离室2、阳极3、灯丝7、磁铁1和离子束透镜电极5；电离室2上加工有进样口4和离子出口8，电离室2的内壁上有一层氧化钛熔覆层，阳极3穿过电离室2并固定安装在电离室2的上端，灯丝7位于电离室2内部，磁铁1置于电离室2的外部，四个离子束透镜电极5按照上下顺序安装在电离室2下端的离子出口8；
其中，氧化钛熔覆层的制备如下：将粉末状氧化钛材料预先涂覆在电离室2内壁上，再用高功率密度的激光进行加热，使其熔化后迅速凝固，在电离室2的内壁上形成均匀致密的熔覆层，可以避免示踪气体的腐蚀破坏；
高精度控制回路包括电源单元、数据处理单元以及人机界面；其中，电源单元由高压电源、低压电源和单刀双掷开关组成，低压电源的电压为150V，高压电源的电压为3kV；
真空规、示踪气体源以及电离室2的进样口4分别与被检真空件连接，电离室2的离子出口8与QMS单元的信息采集端连接，阳极3通过单刀双掷开关与低压电源或高压电源连接，数据处理单元分别与阳极3、QMS单元的信息输出端以及人机界面连接，离子源进样单元与QMS单元放置在真空腔室内。
所述检漏装置的工作原理如下：
QMS模式检漏：真空规检测到被检真空件的真空为3×10-2Pa，单刀双掷开关将低压电源连接至阳极3，并点亮灯丝7；由被检真空件漏出的示踪气体进入电离室2后，示踪气体分子被灯丝7发射的70eV能量电子所电离而产生离子，离子在磁铁1磁场的准直作用下以及阳极3的150V电场推斥作用下向离子束透镜电极5方向运动，并通过电离室2的离子出口8进入QMS单元进行分析，数据处理单元采集QMS单元输出的电流并显示在人机界面上，由于示踪气体浓度与QMS质谱峰强度成正比关系，所以根据测试获得的电流值(1μA)以及标准漏孔的漏率(5×10-5Pa·L/s)，得到检漏灵敏度5×10-5Pa·L/(s·μA)；若将标准漏孔换为实际被检真空件，重复上述步骤，采集到的电流值假设为0.01μA，则可以计算出被检真空件的漏率为5×10-7Pa·L/s；
阳极点火模式检漏：真空规检测到被检真空件的真空为5×10-6Pa，单刀双掷开关将高压电源连接至阳极3，此时灯丝7不亮；由被检真空件漏出的示踪气体进入电离室2后，阳极3上施加的3kV电压能够少量诱导粒子激发少量电子，该电子受磁铁1磁场的洛伦磁力而作螺旋运动，并引发更多示踪气体被电离，放出更多电子，最终被阳极3捕捉而产生电流，数据处理单元采集阳极3产生的电流并显示在人机界面上，由于电流与示踪气体浓度成正比，所以根据测试获得的电流值(1μA)以及标准漏孔的漏率(5×10-5Pa·L/s)，得到检漏灵敏度5×10-5Pa·L/(s·μA)；若将标准漏孔换为实际被检真空件，重复上述步骤，采集到电流值假设为0.01μA，则可以计算出被检真空件的漏率为5×10-7Pa·L/s。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽动态真空检漏装置，其特征在于：所述检漏装置包括真空规、示踪气体源、离子源进样单元、QMS单元、真空腔室以及高精度控制回路；
离子源进样单元包括电离室(2)、阳极(3)、灯丝(7)、磁铁(1)和离子束透镜电极(5)；电离室(2)上加工有进样口(4)和离子出口(8)，阳极(3)穿过电离室(2)并固定安装在电离室(2)的上端，灯丝(7)位于电离室(2)内部，磁铁(1)置于电离室(2)的外部，四个离子束透镜电极(5)按照上下顺序安装在电离室(2)下端的离子出口(8)；
高精度控制回路包括电源单元和数据处理单元；
真空规、示踪气体源以及电离室(2)的进样口(4)分别与被检真空件连接，电离室(2)的离子出口(8)与QMS单元的信息采集端连接，阳极(3)分别与电源单元和数据处理单元连接，QMS单元的信息输出端与数据处理单元连接，离子源进样单元和QMS单元放置在真空腔室内；
其中，被检真空件为中真空或高真空时，电源单元向阳极(3)输出低电压；被检真空件为超高真空时，电源单元向阳极(3)输出高电压。
2.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：在电离室(2)的内表面制备一层氧化钛涂层。
3.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：灯丝(7)和离子束透镜电极(5)的材料选用α+β钛合金。
4.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：示踪气体源中的示踪气体选用氦气、氢气、氟利昂或四氯化碳。
5.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：电源单元向阳极(3)输出的高电压为2.7kV～3.3kV，电源单元向阳极(3)输出的低电压为140V～160V。
6.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：电源单元由低压电源、高压电源和单刀双掷开关组成，低压电源输出的电压为140V～160V，高压电源输出的电压为2.7kV～3.3kV；阳极(3)通过单刀双掷开关与低压电源或高压电源连接。
7.根据权利要求1所述的宽动态真空检漏装置，其特征在于：高精度控制回路还包括人机界面，人机界面与数据处理单元连接。
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