Vier manieren om vacuümlekken te vinden met behulp van helium 6 februari 2019

Verschillende vacuümprocessen en -toepassingen vereisen verschillende lekkingsgraadvereisten. Wat aanvaardbaar is bij een lager vacuüm, wordt inderdaad als uiterst onaanvaardbaar (en zeker zeer gevaarlijk) beschouwd bij een hoger vacuümniveau. De enige geloofwaardige methode om lekken kleiner dan 1x10-6 mbar*l/s te detecteren is met een heliumlekdetector. Een lekdiameter voor 1x10-12 mbar*l/s (wat overeenkomt met 1Å) is ook de diameter van een heliummolecuul en is de kleinste leksnelheid die kan worden gedetecteerd.

Helium wordt om verschillende redenen gebruikt als traceergas om lekken op te sporen. Deze omvatten het feit dat het slechts ~ 5 ppm in lucht vormt, waardoor de achtergrondniveaus zeer laag zijn. Helium heeft ook een relatief lage massa, zodat het 'mobiel' en volledig inert/niet-reactief is. Helium is ook niet-ontvlambaar en over het algemeen breed beschikbaar en goedkoop.

Deze associatie met helium is een van de redenen waarom helium als traceergas en een massaspectrometer voor de analyse/meting wordt gebruikt als een van de meest nauwkeurige en snelle lekdetectiemethoden. Bovendien wordt helium gekozen als traceergas omdat het licht, zeer snel en absoluut onschadelijk is.

De heliumdetectie werkt als volgt: de te controleren eenheid wordt van binnenuit of van buitenaf onder druk gezet met helium. Het gas van eventuele lekken wordt verzameld en in de massaspectrometer gepompt voor analyse. Elke waarde boven het achtergrondspoor van helium wijst op een lek. De spectrometer zelf werkt als volgt: alle heliummoleculen die in de spectrometer worden gezogen, worden geïoniseerd en deze heliumionen 'vliegen' vervolgens in de ionenval waar de ionenstroom wordt geanalyseerd en geregistreerd. Op basis van de ionisatiestroom wordt vervolgens de leksnelheid berekend.

De referentiewaarde (of achtergrondwaarde) voor helium is een belangrijk onderdeel van het proces. Deze referentiewaarde geeft het 'achtergrondgeluid' voor helium, dat kan worden beschouwd als het omgevingsniveau van helium. Het merendeel van dit achtergrondhelium zit in tussen de 100 en 150 microlagen gasmoleculen en is permanent gas (in de lucht) dat zich in de lekdetector, pompen, testdeel enz. bevindt. De verwijdering van dit oppervlaktehelium wordt 'ontgassing' genoemd en begint wanneer al het gas is weggepompt, zodra de moleculen van het binnenoppervlak van het metaal zijn 'gedesorbeerd'. Deze desorptie begint bij een druk van ongeveer 10-1 mbar. Dergelijke ontgassing door het verlagen van de druk of door het verwarmen van het kameroppervlak is niet ongebruikelijk, maar zelfs dan wordt niet al het gas op de oppervlakken volledig verwijderd. Naast oppervlakte-helium zit 'stand-by' helium ook in O-ringen die als sponsen werken en tegelijkertijd een goede indicatie geven van hoe schoon de eenheid is. Moderne heliumlekdetectoren kunnen dit interne (achtergrond)niveau voortdurend meten en berekenen en dit automatisch aftrekken van de leksnelheidsmeting.

Om een leksnelheid voor gassen te kunnen berekenen, speelt de druk een belangrijke rol bij het bepalen van de grootte van een gaslek). De leksnelheid is de hoeveelheid gas die door het materiaal/membraan stroomt bij een bepaald drukverschil per keer. De basis voor de berekening van de leksnelheid is: de diameter van het lek is cirkelvormig; en het lekkanaal is gelijk aan de dikte van het materiaal waar het lek doorheen 'doorheen' gaat. Leksnelheid = hoeveelheid gas/tijd = druk x volume/tijd en wordt gemeten in mbar*l/s of gelijkwaardige eenheden.

Er zijn een aantal methoden voor het opsporen van lekken, waarvan er één moet worden gebruikt, die ruwweg gebaseerd zijn op de onderzochte druk/het onderdruk. De eenvoudigste is de bellentest, die het best wordt geïllustreerd door een lekke fietspomp onder water te plaatsen en te markeren waar de bellen vandaan komen, of door afwasmiddel rond de verbinding van een actieve water-/gasleiding te plaatsen en te observeren of de vloeistof schuim vormt. Beide zijn betrouwbare manieren om een lagedruklek te detecteren. De luchtbeltest wordt gebruikt tot een vacuüm van 10-4 mbar.

De drukvaltest is precies dat: de kamer wordt onder druk gezet en de drukval wordt waargenomen en geregistreerd. De drukvaltest wordt gebruikt tot 10-3 mbar. De drukstijgingstest werkt omgekeerd. De druk in de kamer wordt verhoogd en het vermogen om de druk te handhaven wordt geobserveerd ten opzichte van de inlaatdrukwaarde. De drukstijgingstest wordt gebruikt tot 10-6 mbar*l/s.

Het is echter de helium 'integrale' modus (nauwkeurig tot 10-12 mbar*l/s) en de helium 'sniffer' test, (nauwkeurig tot 10-7 mbar*l/s), die de meest veeleisende lekdetectieprocedures zijn bij hoge vacuümbereiken.

Er zijn twee methoden voor heliumlekkagedetectie (HLD): integrale test of lokale test. De keuze van de te gebruiken methode hangt af van de situatie en van het doel waarvoor het eindproduct wordt gebruikt. De 'integrale' methode geeft aan of er een lek is (maar niet hoeveel verschillende lekken), de 'lokale' methode geeft aan waar er een lek is (maar het is moeilijk om de leksnelheid/-grootte exact te bepalen). Beide detectiemethoden kunnen elk worden onderverdeeld in twee andere delen: 'monster onder druk' en 'monster onder vacuüm'.

De eerste van de twee integrale testprocedures wordt de "integrale (monster onder druk)" methode genoemd, waarbij de onderzochte kamer in een afgesloten container wordt geplaatst. De kamer wordt onder druk gezet met helium en de container wordt aangesloten op de lekdetector. In geval van een lek wordt een gasmonster uit de container afgenomen en door een massaspectrometer geleid, waar elke toename (boven de achtergrondaflezing) van het heliumgehalte wordt geregistreerd.

1. Vacuümkamer
2. Testmonster onder druk 
3. Lekkagedetectie 
4. Testgas (helium)
5. Pompfase*

*alleen nodig voor grote kamervolumes 

Bij de "integrale testmethode (monster onder vacuüm)" wordt de kamer opnieuw in een container geplaatst, maar in dit geval wordt de container onder druk gezet met helium – en wordt de testkamer rechtstreeks aangesloten op de lekdetector. Er wordt een monster van het gas in de kamer afgenomen en door een massaspectrometer geleid, waar opnieuw elke toename van helium ten opzichte van de achtergrondwaarde wordt geregistreerd.

1. Drukkamer
2. Testmonster onder druk 
3. Lekkagedetectie 
4. Testgas (helium)
5. Pompfase*

*alleen nodig voor grote kamervolumes 

Het tweede paar procedures wordt soms de 'sniffer'- en 'spraying'-test genoemd. Bij de "local-sniffer (monster onder druk)" methode wordt de kamer onder druk gezet met helium en wordt een snifferapparaat langs de waarschijnlijke lekpunten van de kamer (lassen, flenzen, portalen, instrumentkanalen enz.) geleid om eventueel ontsnappend gas op te zuigen. Dit 'gesniffen' gas wordt naar een massaspectrometer geleid om verhoogde (d.w.z. boven de achtergrond) heliumniveaus te registreren.

1. Sniffer
2. Testmonster onder druk 
3. Lekkagedetectie 
4. Testgas (helium)

Bij de "local-spraying (sample under vacuum)" methode wordt de kamer vacuüm gepompt en wordt heliumgas royaal gesproeid/gericht op waarschijnlijke lekpunten, met de bedoeling dat een deel van dit zuivere helium in de kamer wordt gezogen. Het gas uit de kamer wordt naar een spectrometer geleid om verhoogde heliumniveaus te registreren.

1. Testgassproeier
2. Testdeeltje onder vacuüm 
3. Lekkagedetectie 
4. Testgas (helium)
5. Pompfase*

*alleen nodig voor grote testmonstervolumes 

Om de verschillen tussen deze twee soorten HLD-procedures samen te vatten en te vereenvoudigen: bij de integrale methode moet de kamer in een gasdichte eenheid worden geplaatst (niet altijd een mogelijkheid), terwijl bij de lokale testmethode de kamer intern onder druk wordt gezet met helium of intern wordt onderdruk gezet met helium dat royaal op het oppervlak van de kamer wordt gespoten op waarschijnlijke lekgevoelige punten. Bij beide tests komt helium via mogelijke lekken in de lekdetector terecht en gaat naar de spectrometer voor analyse.

Er bestaan verschillende normen met betrekking tot lekdetectoren en lekdetectie. Een daarvan, DIN EN 1330-8, duidt de 'helium standaard leksnelheid' aan voor gebruik wanneer een lektest wordt uitgevoerd met helium bij een drukverschil van 1 bar externe atmosferische druk tot < 1 mbar interne druk (wat in de praktijk gemeenschappelijke omstandigheden zijn).

De SI-eenheid van een gemeten leksnelheid is Pa.m3.s-1. De SI-eenheid van druk is de Pascal (Pa), waarbij 100 Pa = 1 mbar = 1 hPa. Een veelgebruikte eenheid voor de leksnelheid is mbar.l.s-1.

Een leksnelheidstest wordt gebruikt om de snelheid te bepalen van de hoeveelheid lucht die in de vacuümkamer lekt. Welke leksnelheid aanvaardbaar is, wordt bepaald door de behoeften van de toepassing zelf.

Milieu- en veiligheidsnormen vereisen dat fabrikanten de lekdichtheid van hun producten garanderen door lekkagetests uit te voeren als onderdeel van het productie-/kwaliteitsgoedkeuringsproces. Om het afwijzingspercentage voor een test met helium onder standaard heliumomstandigheden aan te geven, is het noodzakelijk om de daadwerkelijk gebruikte testomstandigheden om te zetten in heliumstandaardomstandigheden; er zijn standaardformules beschikbaar voor deze omzettingen.

Wanneer een vacuümsysteem is aangesloten op een lekdetector, moeten er standaard heliumomstandigheden aanwezig zijn tijdens het opsporen van heliumlekken. Het gebruik van helium voor het uitvoeren van lektests garandeert betrouwbare en herhaalbare resultaten die kunnen worden gekwantificeerd en voortdurend kunnen worden gecontroleerd.

Er moet rekening mee worden gehouden dat het opsporen van kleine lekken met helium bepaalde uitdagingen met zich meebrengt. HLD's zijn uitzonderlijk gevoelig en helium in de omgeving of ingesloten helium kan de nauwkeurigheid van de lekdetectie en lekmeting gemakkelijk beïnvloeden. Een lekdetector is op zich geen lekdichte eenheid. Daarom is een heliumvrije omgeving essentieel om nauwkeurige metingen te verkrijgen. Bovendien is het bij zeer kleine lekkages belangrijk om externe factoren onder controle te houden, omdat deze de resultaten gemakkelijk kunnen veranderen. Tot slot kan omgevingshelium het systeem binnenkomen via uitlaat- en ontluchtingspoorten, evenals permeaat via O-ringen.