氦質(zhì)譜檢漏儀發(fā)展歷程
氦質(zhì)譜檢漏儀發(fā)展歷程 氦質(zhì)譜檢漏儀的發(fā)展史必須追溯到上個(gè)世紀(jì)初。早在1918年，一次世界大戰(zhàn)期間，歐洲國家因戰(zhàn)爭和軍工的需要就開始接觸檢漏，并開始對檢漏手段的提升做了大...
氦質(zhì)譜檢漏儀發(fā)展歷程
氦質(zhì)譜檢漏儀的發(fā)展史必須追溯到上個(gè)世紀(jì)初。早在1918年，一次世界大戰(zhàn)期間，歐洲國家因戰(zhàn)爭和軍工的需要就開始接觸檢漏，并開始對檢漏手段的提升做了大量的基礎(chǔ)研究工作，直到1941年，當(dāng)時(shí)正處于第二次世界大戰(zhàn)期中。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家獲知德國正在研制一種新型炸彈。這種炸彈的原理就是基于剛剛發(fā)現(xiàn)的鈾的同位素的裂變現(xiàn)象。羅斯福總統(tǒng)認(rèn)為必須搶先達(dá)到此目的，加之第二年的珍珠港事件加速誕生了“曼哈頓”計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃的兩個(gè)目標(biāo)之一就是研制鈾235炸彈（即原子彈）。為此，必須研制超高靈敏的檢漏儀。其原因還得從鈾235的濃縮談起。
天然鈾中含有鈾238和鈾235兩種同位素。能夠發(fā)生裂變反應(yīng)的同位素是鈾235，是原子彈的主要原料。可是天然鈾中鈾235的含量僅0.7%。為此，科學(xué)家只能采用氣體擴(kuò)散法，從鈾238中把含量甚微的鈾235分離出來。氣體擴(kuò)散法分離時(shí)鈾238的原理是這樣的：若有一個(gè)極其微小的孔隙，部分氣體分子通過這個(gè)微孔的速率取決于它們的分子量。分子量小的氣體分子能夠較快的通過這些微孔。如果讓混合氣體通過由多孔膜形成的長管，就可以成功地把兩種氣體分離。
鈾235是固態(tài)，而擴(kuò)散分離需要的是氣體。為此,得把金屬鈾變成氮化物UF6，UF6在室溫下就會(huì)蒸發(fā)。一個(gè)不利的因素是，在潮濕氣氛中很容易生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸和鈾的氧化物，鈾的氧化物又是危險(xiǎn)的易燃易爆材料。這兩種情況在氣體擴(kuò)散分離法中應(yīng)當(dāng)防止。
在曼哈頓計(jì)劃中,鈾235的分離是把UF6通過幾公里長的多孔管道的擴(kuò)散后才獲得的。
對整個(gè)擴(kuò)散系統(tǒng)的密封性要求之高是前所未有的。潮濕空氣絕對不能進(jìn)入工藝容器之中。雅可比博士在當(dāng)時(shí)被譽(yù)為曼哈頓計(jì)劃中的橡樹嶺擴(kuò)散工廠的總設(shè)計(jì)師。為了成功的分離出鈾235，他對真空檢漏技術(shù)提出的嚴(yán)格的要求有
（1）新的儀器對空氣和殘余氣體的讀數(shù)是零，僅對示蹤氣體有響應(yīng)。（2）新的儀器本身也是一個(gè)抽速較高的真空系統(tǒng)。（3）儀表的指示能夠反映出漏孔的大小,漏量的大小。這三點(diǎn)要求實(shí)際上構(gòu)成了研制新型檢漏儀器的準(zhǔn)則。在研制過程中,對傳統(tǒng)的檢漏方法、光譜儀和皮喇尼規(guī)進(jìn)行了考察。發(fā)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)用中都存在著不少的缺點(diǎn)。當(dāng)時(shí),明尼蘇達(dá)州州立大學(xué)的尼爾博士正在研制一種可以記錄分子量和原子量大小的質(zhì)譜儀。經(jīng)過分析，雅可比認(rèn)為如果尼爾博士能夠使儀器簡化，那么質(zhì)譜儀將是一種最好的選擇性檢漏裝置。
當(dāng)時(shí)還論證了新型檢漏裝置的示蹤氣體必須滿足三個(gè)要求（1）系統(tǒng)的殘余氣體的質(zhì)潛中沒有它的譜線。即便儀器處于大氣環(huán)境，這種氣體在儀器中也幾乎不存在。（2）能夠在試驗(yàn)狀態(tài)下很容易地把它從系統(tǒng)中抽出，所用的示蹤氣體不會(huì)污染系統(tǒng)。（3）分子量低、粘度低、購置方便。顯然，氦氣是滿足這三個(gè)要求的最理想的氣體。
橡樹嶺的擴(kuò)散工廠主要是由大型圓柱形容器構(gòu)成。容器與油罐車上的油罐的大小相當(dāng)。廠內(nèi)的大型容器數(shù)以百計(jì)，一個(gè)又一個(gè)的聯(lián)結(jié)在一起。其內(nèi)部有可以有效分離出鈾235的含有微孔的長管。為了防止泄漏，必須對所有容器的器壁進(jìn)行嚴(yán)格而認(rèn)真的檢漏。
最初用于橡樹嶺擴(kuò)散工廠的氦質(zhì)譜檢漏儀封裝在玻殼中。其零部件和管道也是玻璃制成的。抽氣裝置又用的是玻璃式水銀擴(kuò)散泵。當(dāng)這些由玻璃封裝的檢漏儀進(jìn)入現(xiàn)場后損壞很大。玻璃系統(tǒng)經(jīng)常破碎，不得不請?jiān)S多玻璃工進(jìn)行維修。在當(dāng)時(shí),熟練的玻璃工實(shí)在太少了。后來參加調(diào)試的人員不得不發(fā)出最后通諜：如果檢漏儀不能作成實(shí)用型，他們將拒絕使用。尼爾博士在十分困難的情況下，終于研制成功了金屬的質(zhì)譜計(jì)和金屬式的真空系統(tǒng)。這也是現(xiàn)代氦質(zhì)譜檢漏儀的雛形。金屬式氦質(zhì)譜檢漏儀的研制成功終于適應(yīng)了擴(kuò)散工廠對檢漏的嚴(yán)格的要求。檢漏儀的研制成功為后來原子彈的研制成功作出了歷史性的貢獻(xiàn)。
尼爾博士將設(shè)計(jì)圖紙全部交給了通用電氣公司并簽訂了合同，不久后，橡樹嶺擴(kuò)散工廠所用的氦質(zhì)譜檢漏儀便全是由美國通用電氣公司生產(chǎn)的，在生產(chǎn)過程中,又作了不少的改進(jìn)。擴(kuò)散泵前增加的冷阱便是為改進(jìn)氦質(zhì)譜檢漏儀所作的新貢獻(xiàn)。
1946年初，真空電子工程公司與電動(dòng)力學(xué)公司合并后也開始生產(chǎn)銷售的氦質(zhì)譜檢漏儀。當(dāng)時(shí),通用電氣公司的氦質(zhì)譜檢漏儀已有若干個(gè)型號的產(chǎn)品。真空電子工程公司是由戰(zhàn)時(shí)的Kellex公司的檢漏小組的幾位研究生創(chuàng)辦的，他們是銳伯,尼爾肯。60年代后,通用電氣公司不再生產(chǎn)檢漏儀。幾經(jīng)合并后,檢漏儀由Ametek公司生產(chǎn)。真空電子工程公司生產(chǎn)的檢漏儀基本上籠斷了這個(gè)領(lǐng)域達(dá)40年之久。現(xiàn)在用戶已可以自由選擇國內(nèi)外生產(chǎn)的不同型號、規(guī)格的氦質(zhì)譜檢漏儀。
1945年以來，氦質(zhì)譜檢漏儀的制造工藝已經(jīng)有了很大的改進(jìn)。1947年，檢漏儀的靈敏度均為10-4/S；到1970年,提高到可檢測10-7/S的漏率；而今天已能能夠檢測到10-9/s的漏率。與此同時(shí),檢漏儀的體積和質(zhì)量也大大降低。90年代初，最小的氦質(zhì)譜檢漏儀的體積只有0.05m3重約38.5Kg。
新型的氦質(zhì)譜檢漏儀中已經(jīng)沒有手動(dòng)閥。現(xiàn)已采用自控閥自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的誤差。同時(shí)用渦輪分子泵取代了油擴(kuò)散泵,以消除可能造成的油返流。計(jì)算機(jī)技術(shù)也在氦質(zhì)譜檢漏儀中獲得應(yīng)用。運(yùn)轉(zhuǎn)、控制和輸出數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作完成。典型的示波器已由陰極射線管顯像屏所代替。整個(gè)操作只須按各種按鈕自動(dòng)進(jìn)行。博為研發(fā)生產(chǎn)的新型檢漏儀現(xiàn)在已經(jīng)滲透到軍工、航空航天、新能源、電子器件、閥門、電力、核電、制冷、家電等行業(yè)。氦質(zhì)譜檢漏儀在未來的歲月中還將在許多的工業(yè)領(lǐng)域中得到新的應(yīng)用。
經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的努力，今天的氦質(zhì)譜檢漏儀已告別了四十年代初期的情形。
集中體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
（1）便攜式：最近各國推出的小型便攜式檢漏儀不僅靈敏度高，而且便于攜帶，給野外作業(yè)和高空作業(yè)提供了比較大的方便。
（2）高壓強(qiáng)下檢漏：檢漏口壓強(qiáng)可高達(dá)數(shù)百帕左右，對檢測大系統(tǒng)和有大漏的工件很有益。
（3）自動(dòng)化程度高：自動(dòng)校準(zhǔn)氦峰，自動(dòng)調(diào)節(jié)零點(diǎn)，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，可外接打印機(jī)。整機(jī)由微機(jī)控制，菜單選擇功能，一個(gè)按鈕即可完成一次的全檢漏過程。
（4）全無油的干式檢漏：有些國家生產(chǎn)的檢漏儀，可采用干式泵，達(dá)到無油蒸氣的效果，為無油系統(tǒng)及芯片等半導(dǎo)體器件的檢漏，提供了有利條件。
（5）檢漏范圍寬：現(xiàn)今生產(chǎn)的四極檢漏儀，質(zhì)量范圍很寬，不僅可檢測氦氣，而且能檢測其它氣體。分子泵排氣系統(tǒng)取代擴(kuò)散泵排氣系統(tǒng)，不僅解決了油蒸氣對質(zhì)譜室的污染問題，而且對快速啟動(dòng)儀器和快速停機(jī)做出了很大貢獻(xiàn)。為適應(yīng)檢漏口壓強(qiáng)的變化和對靈敏度要求的不同，分子泵一般采用多級構(gòu)造和幾種不同的轉(zhuǎn)速。例如可通過采用改變分子泵轉(zhuǎn)速來達(dá)到此目的，且提高檢漏靈敏度。另外，逆擴(kuò)散檢漏方式，實(shí)現(xiàn)了高壓強(qiáng)下檢漏，也為正壓吸槍檢漏提供了良好的條件。
02
氦質(zhì)譜檢漏儀行業(yè)應(yīng)用
氦質(zhì)譜檢漏儀的應(yīng)用已從科學(xué)院、大專院校、實(shí)驗(yàn)室及少數(shù)科研機(jī)構(gòu)走向工礦企業(yè)，甚至鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、個(gè)體企業(yè)，可以說應(yīng)用領(lǐng)域極其寬廣。
（1）航空航天高科技工業(yè)
1）例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)，過去是打壓刷肥皂水檢漏，現(xiàn)在重新改進(jìn)工藝用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，采用正壓吸槍與氦罩法結(jié)合，使檢漏靈敏度大大提高，從而保證了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。火箭箭體的檢漏采用正壓吸槍、氦罩法、累集法等幾種方法的結(jié)合。由于檢漏技術(shù)的應(yīng)用，提高了檢漏靈敏度，彌補(bǔ)了吸入法檢漏時(shí)儀器靈敏度低的不足。
2）KM6空間環(huán)模裝置設(shè)備龐大，主真空室直徑12m、高22m，另外有輔助真空室和載人艙等。容積3500m3，分系統(tǒng)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種接口焊縫相加有幾千米長，采用氦質(zhì)譜檢漏儀負(fù)壓檢漏，每條焊縫由檢漏盒密封，配以鋪助抽氣系統(tǒng)將盒內(nèi)抽低真空后，充入一定壓力氦氣，關(guān)閉預(yù)抽閥，開啟檢漏閥。由于盒內(nèi)氦濃度較高，相對檢漏儀又有一定壓力，因此有效提高了檢漏靈敏度。
3）航天工業(yè)中，衛(wèi)星、各類閥門、電子元器件，傳感器等等都在廣泛應(yīng)用氦質(zhì)譜檢漏儀及其檢漏技術(shù)。
（2）電力行業(yè)
SF6高壓開關(guān)和氧化鋅避雷器是發(fā)電廠及野外輸變電的重要組成部分，往往因泄漏造成大面積或局部停電，影響工業(yè)生產(chǎn)，又妨礙人們的正常生活。因此帶來的經(jīng)濟(jì)損失有時(shí)是難以估量的。
1）高壓開關(guān)在連箱是鋁鑄件，往往容易有砂眼，且漏孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易清洗。一般采用檢漏盒或氦罩法，即把被檢件抽真空，然后向罩內(nèi)充入氦氣，等待一定時(shí)間，確定總漏率的大小。因氦氣的用量小，檢測靈敏度就高。
2）氧化鋅避雷器，是根據(jù)電壓高低要求，采用不同截面積、不同厚度和不同數(shù)量的氧化鋅片，裝在瓷套中，充入氮?dú)夂竺芊狻Ｆ涔ぷ髟硎窃诟邏狠敵鲋腥缬隼讚簦趸\片電阻變小，大電流對地短路，輸電線路被保護(hù)。如果泄漏造成內(nèi)外沒有壓差，外部潮濕氣體有可能進(jìn)入，而破壞氧化鋅片特性，造成爆炸。
3）電力行業(yè)中，電廠的檢漏、高壓變壓器、高壓電容器、高壓開關(guān)管及其它元器件也都相應(yīng)的采用氦質(zhì)譜檢譜檢漏儀，用不同方法進(jìn)行檢漏。
（3）電子行業(yè)
微波發(fā)射管、電子管、晶體管、集成電路、密封繼電器、各類傳感器、心臟起博器。
（4）真空行業(yè)，儀器、儀表行業(yè)
管道、接頭、閥門、波紋管、各種真空泵、各類排氣機(jī)組、電鏡、質(zhì)譜儀、電子束離子速暴光機(jī)、激光軸分離器、高能加速器、醫(yī)用加速器、輻照加速器、鍍膜機(jī)、薄膜真空計(jì)。
（5）核工業(yè)
鈾分離裝置、存儲(chǔ)裝置、核發(fā)電裝置。
（6）制冷行業(yè)
冰箱、空調(diào)、溴化鋰制冷機(jī)組、汽車用空調(diào)、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、低溫儲(chǔ)槽。
（7）不銹鋼保溫器皿
真空保溫杯、瓶、鍋、飯盒等。
（8）軍工行業(yè)
核工業(yè)、航空工業(yè)、航天工業(yè)、船舶工業(yè)、兵器工業(yè)、軍事電子六大類。
