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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Heliumleckdetektor sowie ein Verfahren zum Betreiben des Detektors.
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Es sind Heliumleckdetektoren bekannt, die die
Überprüfung der Dichtheit eines Bauteils oder eines Behälters
ermöglichen. Es sei daran erinnert, daß das Verfahren zur
Benutzung eines Heliumleckdetektors zwecks Überprüfung der
Dichtheit eines Bauteils wie folgt abläuft:
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- man schließt alle Öffnungen des Bauteils, bis auf
eine,
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- man schließt die freigelassene Öffnung an einen
Heliumdetektor an,
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- man evakuiert die Luft aus dem Bauteil,
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- man besprüht das Bauteil mit Helium, das als Spürgas
verwendet wird,
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- man lokalisiert einen möglicherweise vorhandenen Riß
durch das Auftreten von Helium, das durch den Detektor erfaßt
wird, und man leitet die Größe des Risses aus der Größe des
Heliumflusses ab.
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Um mit einem einzigen Gerät die Dichtheit von
Bauteilen unterschiedlicher Größe, die beispielsweise von einem
Halbleiterchip bis zu einem Behälter von mehreren hundert
Litern reichen, muß der Detektor eine bestimmte Anzahl von
Forderungen erfüllen, die die Empfindlichkeit, die
Heliumpumpgeschwindigkeit, die Erscheinung des sogenannten
"Heliumgedächtnisses" und der Verunreinigung, insbesondere durch
Öldämpfe, betreffen.
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Diese Anforderungen werden nunmehr nacheinander näher
betrachtet.
a. Empfindlichkeit
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Der Detektor muß in der Lage sein, geringe Flüsse in
der Größenordnung von 10&supmin;¹¹ mbar.l/s zu messen sowie sie auch
in Gegenwart eines erheblichen Stickstoffflusses oder eines
Flusses von Wasser- und Öldämpfen von 10&supmin;¹ mbar.l/s zu messen.
Dies setzt insbesondere voraus, daß der Detektor in der Lage
ist, den Heliumpartialdruck aufgrund des in der Luft
enthaltenen Heliums in dem zu überprüfenden Bauteil rasch auf einen
niedrigeren Druck als den durch den gewünschten Mindestfluß
oben angegebenen Wert abzusenken. Der Detektor muß auch in der
Lage sein, einen Heliumfluß zu messen, der auf einer
erheblichen Undichtigkeit beruht, beispielsweise etwa 100 m/bar.l/s
beträgt.
b. Pumgeschwindigkeit des Heliums
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Um rasch (d.h. in einigen Sekunden) bei der
Dichtheitskontrolle eines Bauteils von beispielsweise 200 l
Rauminhalt ein elektrisches Signal zu liefern, muß der Detektor
eine große Pumpgeschwindigkeit für Luft und eine große
Pumpgeschwindigkeit für Helium an seinem Einlaßflansch aufweisen,
beispielsweise etwa 20 l/s.
c. Heliumgedächtnis
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Ein Detektor, der ein großes Leck mißt und somit einen
erheblichen Heliumfluß gemessen hat, kann in seinen
Komponenten (Pumpen, Rohrleitungen usw.) Heliummoleküle speichern, die
eine spätere Messung entsprechend einem schwächeren Heliumfluß
verfälschen können. Dies ist eine Eigenschaft, die man als die
Erscheinung des "Heliumgedächtnisses" bezeichnet. Ein Detektor
hoher Sensibilität muß gegen solche Erscheinungen gut
geschützt werden.
d. Verunreinigung durch Öldämpfe
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Um eine solche Verunreinigung zu vermeiden, hat man
lange Zeit eine Falle mit flüssigem Stickstoff verwendet.
Diese Technik ist aufgegeben worden, da sie für industrielle
Anwendungen einen zu großen Aufwand erfordert. Dennoch ist es
nach wie vor erforderlich, den Detektor und die zu
kontrollierenden Bauteile gegen Öldämpfe inneren Ursprungs
(Drehschieberpumpen) oder äußeren Ursprungs zu schützen.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung eines Detektors, der die vorgenannten technischen
Probleme löst, was bisher kein einziger bekannter Detektor
kann.
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Ein erster bekannter Detektor ist schematisch in Figur
1 dargestellt.
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Der Buchstabe E bezeichnet den Einlaß des Detektors,
an den das zu überprüfende Bauteil angeschlossen wird. Der
Detektor weist eine erste Drehschieberpumpe P1, die über ein
erstes Ventil V1 an den Einlaß E angeschlossen ist, und eine
Diffusionspumpe D1 auf, die über eine Falle mit flüssigem
Stickstoff PA und ein zweites Ventil V2 an den Einlaß E
angeschlossen ist. Eine zweite Drehschieberpumpe P2 dient der
Pumpe D1 als Primärpumpe. Ein Spektrometer C ist mit der Falle
für flüssigen Stickstoff PA verbunden. Ein solcher Detektor
ermöglicht eine große Empfindlichkeit, wenn das Ventil V1
geschlossen und das Ventil V2 geöffnet ist. Dies führt
allerdings zu einer geringen Heliumpumpgeschwindigkeit in Höhe der
Zelle C und somit eine geringe Heliumpumpgeschwindigkeit am
Einlaßflansch E. Unter diesen Bedingungen ist der in Höhe des
Spektrometers absorbierbare maximale Luftfluß auf ungefähr 10&supmin;³
mbar.l/s begrenzt.
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Figur 2 stellt eine Ausführungsvariante der Schaltung
der Figur 1 dar, bei der die Falle für flüssigen Stickstoff PA
fortgelassen und das Spektrometer an die Diffusionspumpe D1
angeschlossen worden ist. Dieser Detektor weist die gleichen
Nachteile wie der der Figur 1 auf, die aber noch durch die
Tatsache verstärkt werden, daß die Öffnung des Ventils V2,
also die Pumpgeschwindigkeit bei E, durch die Entgasung des
Wasserdampfes begrenzt wird, der von dem zu überprüfenden
Bauteil herrührt, womit eine Begrenzung gegeben ist, die beim
Detektor der Figur 1 wegen des Vorhandenseins der Falle mit
flüssigem Stickstoff nicht besteht.
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Figur 3 zeigt einen Detektor, der eine unter der
Bezeichnung "Gegenstrom" bekannte Technik anwendet. Der Detektor
weist eine Drehschieberpumpe P1, die über ein Ventil V1 an den
Einlaßflansch E angeschlossen ist, und eine Molekularpumpe T1
auf, die durch ein Ventil V2 an die die Pumpe P1 und das
Ventil
V1 verbindende Rohrleitung angeschlossen ist. Das
Spektrometer ist mit dem Niederdruckteil der Molekularpumpe
verbunden. Das Helium steigt gegen die Richtung des die
Molekularpumpe T1 durchquerenden Flusses bis zur Zelle auf, was
dieser Technik den Namen gegeben hat. Die Empfindlichkeit
eines solchen Geräts kann beispielsweise etwa 10&supmin;¹¹ mbar.l/s
betragen, vorausgesetzt, daß die Heliumpumpgeschwindigkeit am
Ansaugende der Pumpe P1, also auch am Einlaß, verringert wird.
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Figur 4 zeigt eine weitere Variante des bekannten
Detektors, der vor allem in der Broschüre ALCATEL ASM 151 T2
beschrieben ist. Er weist zwei Molekularpumpen T1 und T2 auf,
die je durch ein Ventil V2 bzw. V1 an den Eingangsflansch E
des Detektors angeschlossen sind, und die je mit den primären
Drehschieberpumpen P1 und P2 verbunden sind. Das Spektrometer
C ist zwischen dem Ventil V2 und der Molekularpumpe P1
angeschlossen. Die Schaltung ermöglicht eine große
Empfindlichkeit, wenn V1 geschlossen und V2 offen ist und aufgrund der
Pumpe T2 in der Phase der Vorevakuierung eine große
Pumpgeschwindigkeit für Luft, läßt es aber in den anderen Fällen
nicht zu, durch die Pumpe T1 zugleich eine große
Pumpgeschwindigkeit bei E und eine große Empfindlichkeit zu erreichen.
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Wie man sieht, können diese bekannten Anlagen nicht
zugleich die Forderungen nach einer großen Empfindlichkeit und
einer großen Pumpgeschwindigkeit miteinander in Einklang
bringen, die widersprüchlich erscheinen. Dies rührt daher, daß die
gleiche Pumpe (D1, T1 für die Anordnungen der Figuren 1, 2 und
4 und P1 für die Schaltung der Figur 3) eine große
Pumpgeschwindigkeit haben soll, damit die Pumpgeschwindigkeit bei E
groß wird, aber auch eine geringe Pumpgeschwindigkeit, damit
die Empfindlichkeit groß ist. Diese Forderungen widersprechen
sich offenbar.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines universell einsetzbaren Heliumdetektors, d.h. eines
Detektors, der zur Überwachung aller industriellen Teile
benutzt werden kann, bis zu einigen hundert Litern Volumen, und
der in der Lage ist, sehr geringe Heliumlecks in Gegenwart
starker Dampfflüsse zu messen. Der Detektor soll darüber
hinaus eine große Pumpgeschwindigkeit für Luft ebenso wie für
Helium aufweisen, ein geringes "Heliumgedächtnis" besitzen und
gut gegen Verunreinigungen geschützt sein, obwohl eine
Stickstoffalle fehlt.
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Diese Ziele werden durch den Heliumleckdetektor gemäß
der Erfindung erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er
eine erste Molekularpumpe mit hoher Pumpgeschwindigkeit
aufweist, deren Niederdruckeingang mit einem Eingang des
Detektors verbunden ist und deren Hochdruckausgang entweder an eine
Vorpumpeneinheit, bestehend aus einem ersten Ventil und einer
ersten Primärpumpe, oder an eine Einheit zum Messen des
Heliumdrucks angeschlossen ist, die aufweist:
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- ein erstes selektives Filter, bestehend aus einer
Molekularpumpe mit niedriger Pumpgeschwindigkeit und niedrigem
Verdichtungsverhältnis,
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- ein zweites selektives Filter, bestehend aus einer
Molekularpumpe mit niedriger Pumpgeschwindigkeit und hohem
Verdichtungsverhältnis,
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wobei das erste und das zweite Filter mit einem Anschluß eines
zweiten Ventils verbunden sind, dessen anderer Anschluß
zwischen der Molekularpumpe und dem ersten Ventil angeschlossen
ist und wobei der Detektor weiter parallel zum zweiten Ventil
ein drittes selektives Filter aufweist, das Helium durchläßt,
aber den Durchtritt von Luft und Dämpfen sperrt.
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Vorzugsweise ist die erste Molekularpumpe hoher
Pumpgeschwindigkeit eine Turbomolekularpumpe oder eine Holweck-
Pumpe. Das erste selektive Filter ist eine Turbomolekularpumpe
oder eine Holweck-Pumpe, während das zweite Molekularfilter
eine Turbomolekularpumpe oder eine Holweck-Pumpe ist.
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Vorteilhafterweise ist das dritte Filter eine Membran
beispielsweise aus Polyamid.
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Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figuren 1 bis 4 sind Heliumdetektorschaltungen gemäß
dem Stand der Technik, und
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Figur 5 ist eine Detektorschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren 1 bis 4 sind bereits kommentiert worden
und werden daher nicht erneut betrachtet.
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In Figur 5 sind für die Elemente mit gleicher Funktion
die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in den Figuren 1 bis
4. Der Buchstabe E bezeichnet den Einlaßflansch des
Lecksuchers. Der Detektor gemäß der Erfindung ist in einem aus voll
ausgezogenen Linien bestehenden Rechteck umgrenzt dargestellt.
Er enthält eine Vor-Evakuierungseinheit, die von dem aus
gestrichelten Linien bestehenden Rechteck 10 umgrenzt ist, und
aus einer Meßeinheit, die von dem gestrichelt eingezeichneten
Rechtecks 20 umgrenzt ist. Der Einlaß des Detektors ist über
ein Ventil V3 an eine erste Molekularpumpe T angeschlossen.
Die Pumpe hat eine doppelte Aufgabe.
1. Aufgabe im Rahmen der Vor-Evakuierungsfunktion
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Die erste Phase einer Heliumdichtheitskontrolle
besteht im Abpumpen der Luft des zu überprüfenden Bauteils, was
gewöhnlich durch eine Drehschieberpumpe geschieht. Gemäß der
Erfindung wird die Luft durch die Molekularpumpe T entfernt,
bei der es sich um eine Turbomolekularpumpe oder um eine
Holweck-Pumpe handeln kann. Die durch die Pumpe T entfernte Luft
wird nach dem Durchtritt durch das Ventil V3 durch die
Vor-Evakuierungseinheit 10 geleitet, die ein Ventil V1, eine
Primärpumpe P1, die eine Drehschieberpumpe sein kann, und ein
Manometer m aufweist.
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Die Pumpe T muß eine hohe Pumpgeschwindigkeit
entwikkeln, um eine rasche Evakuierung der Luft des zu überprüfenden
Bauteils zu ermöglichen (Forderung gemäß dem obigen Punkt b).
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Die Pumpe T muß einen geringen Grenzdruck (10&supmin;&sup5; mbar)
für Luft und somit für das in der Luft enthaltene Helium haben
(Forderung des obigen Punkts a).
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Die Pumpe T muß schließlich ein hohes
Verdichtungsverhältnis aufweisen, um die Öldämpfe der Pumpe P1 daran zu
hindern, das zu überprüfende Bauteil zu verschmutzen
(Forderung des obigen Punkts d).
2. Aufgabe im Rahmen der Meßfunktion
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Am Ende der Vor-Evakuierungsphase ist der Druck in dem
zu überprüfenden Bauteil durch die Pumpe T stark abgesenkt
worden (kleiner als ein Tausendstel Millibar). Man schließt
das Ventil V1. Die zweite Phase, die Meßphase, kann beginnen.
Die Pumpe T wird mit der Meßeinheit 20 durch Öffnen eines
Ventils V2 in Verbindung gebracht, dessen eines Ende an einen
Punkt A zwischen der Pumpe T und dem Ventil V1 angeschlossen
ist und dessen anderes Ende R an den Einlaß zweier selektiver
Filter F1 und F2 angeschlossen ist.
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Das Filter F2 ist eine Molekularpumpe, die durch eine
Primärpumpe P2 unterstützt wird.
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Das Filter F1 ist eine Molekularpumpe, die im
Gegenstrom arbeitet und an eine Spektrometerzelle C angeschlossen
ist.
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Ein drittes selektives Filter F3, dessen Natur weiter
unten erläutert wird, ist parallel zum Ventil V2 geschaltet.
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Beim Öffnen des Ventils V2 durchquert das von der
Pumpe T mit großer Pumpgeschwindigkeit ausgestoßene Helium das
Filter F2, also die Molekularpumpe, die die Aufgabe des
Filters übernimmt, und anschließend wird das Helium durch die
Primärpumpe P2 angesaugt, die eine Drehschieberpumpe sein
kann.
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Die Pumpleistung der Pumpe F2 hat wenig Bedeutung:
ihre Pumpgeschwindigkeit kann derjenigen der Pumpe P2
entsprechen (größenordnungsmäßig einige Liter/s), wogegen das
Verdichtungsverhältnis K2 der Pumpe F2 für Helium und damit auch
für die anderen Gase oder Dämpfe groß sein muß (beispielsweise
1000). Auf diese Weise wird im Falle, daß ein starker
Heliumfluß (beispielsweise 0,1 mbar.l/s) von der Pumpe T angesaugt
wird, um in die Pumpe P2 zu gelangen, die Rückdiffusion des
Heliums der Pumpe P2 (das sich in dieser Pumpe angesammelt
hat) zur Zelle C wegen des hohen Verdichtungsverhältnisses der
Pumpe F2 verringert (Forderung des obigen Punktes c). Wieder
aufgrund des hohen Wertes des Verhältnisses K2 nimmt die Pumpe
P2 auch die Aufgabe des Filters in Bezug auf die Öldämpfe der
Pumpe P2 wahr, wobei sie das Aufsteigen der Dämpfe zum Punkt R
und von dort zur Zelle C verhindert (Forderung des obigen
Punkts c).
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Das Filter F2 kann durch jedes Pumpsystem ersetzt
werden, das ein hohes Heliumverdichtungsverhältnis besitzt und
keine Verunreinigungsquelle bildet. Jede mechanische
Molekularpumpe kann in Frage kommen, insbesondere eine
Holweck-Pumpe. Man vermeide die Verwendung einer Öldampf-Diffusionspumpe,
die zwar ein ausreichendes Verdichtungsverhältnis für Helium
besitzt, aber Verunreinigungserscheinungen mit sich bringt.
Die Messung der vom Einlaß E zur Pumpe P2 fließenden
Heliummenge erfolgt am Ventilende R durch eine
Heliumpartialdruckmessung mit dem Manometer, das von der Meßeinheit bestehend
aus dem Filter F1, also der im Gegenstrom arbeitenden
Molekularpumpe, und dem Spektrometer C gebildet wird.
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Wie im Fall der Pumpe F2 hat die Pumpleistung der
Pumpe F1 nur eine geringe Bedeutung (es genügen einige
Liter/s), doch muß im Gegensatz zur Pumpe F2 ihr
Heliumverdichtungsverhältnis K1 klein sein (beispielsweise etwa 50), derart, daß
der Heliumdruck bei R durch das Verdichtungsverhältnis K1
(Forderung des obigen Punkts a) bei C nicht zu stark
abgeschwächt ist.
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Es besteht nämlich die Beziehung:
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(Druck bei C) = (Druck bei R)/K1
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Die Pumpe F1 kann von der gleichen Art sein wie die
Pumpe F2, vorausgesetzt, daß ihr Heliumverdichtungsverhältnis
klein ist. Eine mechanische Pumpe vom Holweck-Typ oder eine
Turbomolekularpumpe ist gut geeignet. Man vermeide eine
Öldampf-Diffusionspumpe, die zwar geeignet wäre, aber die Gefahr
einer Verunreinigung erhöhen würde.
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Der Aufbau des Detektors gemäß der Erfindung
ermöglicht die Lösung der in den oben angeführten Punkten a bis d
angesprochenen Probleme. Der klassische Widerspruch zwischen
hoher Pumpgeschwindigkeit am Einlaß und hoher Empfindlichkeit
wird beseitigt, da die Pumpeigenschaften unabhängig
voneinander behandelt werden.
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- Die hohe Pumpgeschwindigkeit am Einlaß wird durch
eine hohe Pumpgeschwindigkeit der Pumpe T erreicht.
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- Die große Empfindlichkeit wird durch eine geringe
Pumpgeschwindigkeit der Pumpe F2 zusammen mit einem geringen
Verdichtungsverhältnis der Pumpe F1 erzielt.
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Die große Empfindlichkeit wird auch durch die
Möglichkeit der raschen Absenkung des Luftdrucks und des Heliumdrucks
am Einlaß E aufgrund der hohen Pumpgeschwindigkeit der Pumpe T
erreicht, die nicht mehr durch Empfindlichkeitsüberlegungen
begrenzt ist.
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Mit der so getroffenen Gestaltung kann der Detektor
gemäß der Erfindung Heliumflüsse über 10 Meßdekaden von 10&supmin;¹¹
mbar.l/s bis 0,1 mbar.l/s nachweisen.
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Um die "Dynamik" der Anlage noch weiter zu steigern
und 15 Meßdekaden zu erreichen, blockiert ein bei A am Auslaß
der Pumpe T angeordnetes Manometer m das Öffnen des Ventils
V2, falls sich der Druck bei A nicht unter 0,1 mbar
verringert. Das Ventil V1 bleibt also offen, und man mißt über ein
parallel zum Ventil V2 angeordnetes drittes Filter F3 den
Heliumdruck bei A. Das Filter muß in der Lage sein, eine
Messung des Heliumpartialdrucks von 10&supmin;³ mbar zu ermöglichen,
während gleichzeitig der Gesamtdruck der Luft 1000 mbar
beträgt. Das heißt, es muß dem Helium den Durchtritt
ermöglichen, aber zugleich der Luft oder den Dämpfen den Durchtritt
unmöglich machen.
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Das Filter F3 kann einfach aus einer Polyamid-Membran
hergestellt sein.