氦质谱检漏技术深度解析：从原理到实践

在精密制造、航空航天、半导体以及高真空技术等领域，部件或系统的密封性是决定其性能、可靠性与安全性的核心指标。任何微小的泄漏都可能导致灾难性后果。氦质谱检漏技术，凭借其极高的灵敏度和可靠性，已成为当前泄漏检测领域不可或缺的黄金标准。本文将系统梳理几种主流的氦质谱检漏方法，深入剖析其工作原理、应用场景及操作要点。

抽真空喷吹法：精准定位泄漏点的首选

抽真空喷吹法，或称“真空模式”，是目前应用最广、操作最为直观的检漏方法。其工作原理如图1所示，过程清晰明了：

1. 建立真空环境：首先，利用辅助真空泵将被检测的工件内部抽成真空状态。
2. 连接检漏仪：将被抽真空的工件与已调试好的氦质谱检漏仪相连。
3. 氦气示踪：使用氦气喷枪，在工件外部疑似有漏的区域（如焊缝、接头处）缓慢喷吹氦气。

如果存在漏孔，氦气分子会因内外压差被迅速吸入工件内部，随即进入质谱分析室。检漏仪的仪表盘会立刻显示出信号变化，信号的强度直接关联于漏率的大小，而喷枪喷吹的位置则精确地指明了漏孔的所在。这种“指哪打哪”的特性使其成为定位漏孔的利器。

图1 抽真空喷吹法检漏示意图 (1—检漏仪 2—辅助泵 3—辅助阀 4—被检件 5—喷枪 6—氦气袋)

在处理存在大漏的工件时，为了维持检漏仪正常工作所需的真空度，可以微开辅助阀，让辅助泵参与抽气。但需注意，辅助泵的分流会降低检漏灵敏度，因此辅助阀的开度应以能维持工作真空为限，越小越好。

充压抽真空法：评估整体密封性的宏观视角

与喷吹法专注于“找漏”不同，充压抽真空法旨在评估一个工件的“总漏率”。此方法常见于对密封性有严苛要求的场合，例如大型航天器的泄漏测试。

其操作流程如图2所示：将被检件置于一个真空室内，该真空室与氦质谱检漏仪连接。首先对真空室抽真空，然后向被检件内部充入氦气（为提升检测灵敏度，可先对工件抽真空再充入高纯度氦气）。若工件存在泄漏，其内部的氦气便会逸出到真空室中，被检漏仪捕捉。仪器输出信号的增量，反映了该工件在特定压差下的总泄漏率。

图2 充压抽真空检漏示意图 (1—检漏仪 2—辅助泵 3—辅助阀 4—真空容器 5—被检件 6—氦气瓶)

充压吸枪法：正压环境下的灵活“嗅探”

充压吸枪法，也称“嗅探模式”，其工作逻辑与抽真空喷吹法正好相反。操作时，先向被检件内部充入高于大气压的氦气，使其内部形成正压。然后，手持与检漏仪相连的吸枪探头（Sniffer），在工件外表面缓慢移动进行“嗅探”，如图3所示。

图3 充压吸枪法检漏示意图

若存在漏孔，氦气会从漏孔处向外泄漏。当吸枪探头经过漏孔附近时，逸出的氦气被吸入检漏仪，从而触发泄漏信号。此法同样能够精确定位漏孔。为保证检测效果，操作时有几个要点：连接吸枪的软管应尽可能短而粗，且优先选用内壁洁净、放气率低的金属软管；检测环境应避免空气剧烈流动；探头移动速度不宜过快，并应贴近工件表面。为了进一步提升灵敏度，可以在探头前端加装一个罩子，以富集局部空间的氦气浓度。

尽管此法也能定位漏孔，但其灵敏度相比抽真空喷吹法要低4到5个数量级。

背压检漏法：攻克全密封器件的检测难题

对于集成电路、手表机芯、金属罐头这类完全密封、无法直接进行抽真空或充压的器件，常规方法便无能为力。此时，背压检漏法就成了唯一的选择。

检漏程序

背压检漏通常遵循“加压-净化-检漏”三部曲，如图4所示。

1. 加压充氦：将被检件放入一个高压容器中，先对容器抽真空至约1kPa，再充入高纯度氦气至规定压力，并保持一段时间。此步骤的目的是利用高压差将氦气“压”入可能存在的微小漏孔中，进入器件内部。
2. 净化：取出工件后，用干燥的氮气或空气吹扫其表面，去除吸附在表面的残余氦气，避免造成假信号。
3. 检漏：将净化后的工件放入与检漏仪连接的真空容器中。对容器抽真空后，开启检漏。如果工件在第一步中“吃”进了氦气，那么在真空环境下，这些氦气会从漏孔中重新逸出，被检漏仪检测到。

图4 氦质谱背压检漏示意图 (1—检漏仪 2—辅助泵 3—辅助阀 4—真空容器 5—被检件 6—氦气瓶 7—压力容器)

漏率的计算：从测量值到真实值

一个核心问题是，检漏仪上显示的漏率值，我们称之为测量漏率R₁，并非工件真实的等效标准漏率L。R₁受到加压压力p_E、加压时间t₁、器件内部空腔体积V、以及加压结束到检漏开始的等待时间t₂等多个变量的复杂影响。简单来说：

• 加压压力越高、时间越长，进入器件的氦气越多，R₁越大。
• 器件空腔体积越大，进入的氦气被稀释得越厉害，R₁越小。
• 等待时间越长，预先漏掉的氦气越多，R₁越小。

因此，必须通过计算才能从R₁反推出真实的L。当漏孔极小，气体流动可视为分子流时，其计算公式相当复杂： R = (L·p_E/p₀)·√(M_A/M)·{1 - exp[-(Lt₁/Vp₀)·√(M_A/M)]}·exp[-(Lt₂/Vp₀)·√(M_A/M)]

其中各符号代表：

• R: 示踪气体（氦）的测量漏率 (Pa·m³/s)
• L: 等效标准漏率 (Pa·m³/s)
• p_E: 施加的绝对压力 (Pa)
• p₀: 大气压力 (Pa)
• M_A: 空气的分子量 (g)
• M: 氦气的分子量 (g)
• t₁: 施加压力的时间 (s)
• t₂: 压力去除后到检漏的停顿时间 (s)
• V: 被检件封装的空腔容积 (m³)

鉴于该公式使用不便，对于L < 10^-6 Pa·m³/s的微小漏孔，可采用以下简化公式进行近似计算： L = (p₀/2.69)·√(R₁V / (p_Et₁))

测量漏率R₁与等效标准漏率L的非线性关系

将上述函数关系绘制成曲线（如图5），可以发现两个极为重要的特点：

图5 测量漏率（R₁）与等效标准漏率（L）关系曲线

1. 双值对应：曲线上，每一个测量漏率R₁都对应着两个可能的等效标准漏率L——一个较小漏孔和一个较大漏孔。最极端的情况是R₁为零。这既可能意味着器件完全不漏（good part），也可能意味着器件存在一个非常大的漏孔（bad part），导致在加压时进入的氦气，在后续净化和抽真空阶段就已全部逃逸。
2. 检测极限：R₁存在一个峰值。当真实漏率L大到一定程度后，测量漏率R₁反而会下降，这意味着背压法存在一个可检漏率的上限。

这种复杂性与不确定性，对检测人员的专业知识和经验提出了极高要求。如何准确解读数据，并设计合理的检测流程，是确保最终品控质量的关键。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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粗检漏与细检漏的协同工作

上述两个特点决定了背压法（一种“细检漏”）无法独立完成任务。它必须与“粗检漏”方法（如氟油气泡法）配合使用，才能对器件的密封性做出最终判断。

• 互补关系：细检漏负责发现微小泄漏，而粗检漏用于排除大漏，二者缺一不可。通过粗检漏确认无大漏后，才能肯定细检漏测得的R₁对应的是那个较小的L值。
• 不可替代：灵敏度高的细检漏不能代替灵敏度低的粗检漏，因为细检漏对大漏存在“盲区”。
• 灵敏度衔接：所选的粗检漏方法的最小可检漏率，必须能够覆盖细检漏方法的最大可检漏率极限，确保检测范围的连续性。
• 检测顺序：通常是“先细后粗”。如果先用液体（如氟油）进行粗检漏，可能会堵塞微小漏孔，导致后续的细检漏无法检出。

前级泵排气口取样法：大型真空系统的不停机检漏方案

此方法巧妙地结合了真空喷吹和正压吸枪的特点，尤其适用于大型、在役真空系统的不停机检漏。其原理如图6所示：

图6 前级泵排气口取样法检漏系统示意图

系统在正常抽真空时，在外部对疑似漏点喷吹氦气。氦气通过漏孔进入真空系统，被抽气系统捕获，最终从前级泵的排气口排出。此时，在排气口用吸枪取样，即可检测到氦信号。

该方法优势显著：不受被检容器容积限制（可检测数千立方米的大容器），不要求高真空，且不干扰真空系统的正常运行。它已成功应用于电厂汽轮机、大型真空熔炼炉、镀膜生产线等工业现场。

操作中需注意，前级泵排出的气体中含有油蒸汽和水蒸气，会污染吸枪。因此，必须在排气口加装吸附阱或冷凝阱来净化气体，这不仅保护了仪器，还能起到富集氦气、提高灵敏度的作用。同时，大型旋片泵的泵油对氦气有一定吸附性，会延长反应时间，应予以考虑。