Wie funktionieren Hauptstrom- und Gegenstrom-Lecksucher?

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Abb. 5.12 Hauptstrom- und Gegenstrom-Lecksucher

Abbildung 5.12 zeigt das Vakuumschema der beiden Lecksuchertypen. In beiden Fällen wird das Massenspektrometer durch das Hochvakuumpumpsystem bestehend das aus einer Turbomolekularpumpe und einer Drehschieberpumpe evakuiert. Das Diagramm auf der linken Seite zeigt einen Hauptstrom-Lecksucher. Die Zuführung des Gases zum Spektrometer erfolgt über eine Kühlfalle. Diese entspricht eigentlich einer Kryopumpe, in der alle Dämpfe und andere Verunreinigungen kondensieren. (Die Kühlfalle bot früher auch einen wirksamen Schutz gegen die Öldämpfe der damals verwendeten Diffusionspumpen). Das zusätzliche System der Vorvakuumpumpe dient der Vorevakuierung der zu prüfenden Komponenten oder der Verbindungsleitung zwischen dem Lecksucher und dem zu prüfenden System. Sobald der relativ niedrige Einlassdruck (Pumpzeit!) erreicht ist, wird das Ventil zwischen dem Vorpumpensystem und der Kühlfalle für die Messung geöffnet. Der in Gleichung 5.4b verwendete S_{_eff} ist das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe am Ort der Ionenquelle:

(5.5a)

Bei Hauptstrom-Lecksuchern kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit durch Reduzierung des Saugvermögens erreicht werden, z. B. durch Einbau einer Drossel zwischen der Turbomolekularpumpe und der Kühlfalle. Damit wird auch die maximale Empfindlichkeit erreicht.

Beispiel:

Der kleinste nachweisbare Partialdruck für Helium ist:
p_min,He = 1 · 10^-12 mbar. Das Saugvermögen für Helium wäre
S_He = 10 l/s. Dann ist die kleinste nachweisbare Leckrate
Q_min = 1 · 10^-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10^-11 mbar · l/s. Wird das Saugvermögen nun auf 1/s reduziert, ist die Einheit l/s, also 1 l/s, so wird die kleinste nachweisbare Leckrate von 1 · 10¹² mbar · l/s erreicht. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mit der Erhöhung der Empfindlichkeit die Zeitkonstante zum Erreichen eines stabilen Prüfgasdrucks im Prüfling entsprechend größer wird (siehe unten).

In Abbildung 5.12 zeigt das rechte Diagramm den Aufbau eines Gegenstrom-Lecksuchers. Das Massenspektrometer, das Hochvakuumsystem und auch das Vorpumpensystem entsprechen genau der Konfiguration für die Hauptstromanordnung. Die Zufuhr des zu untersuchenden Gases erfolgt jedoch zwischen der Vorvakuumpumpe und der Turbomolekularpumpe. Helium, das nach dem Öffnen des Ventils an diese Verzweigung gelangt, verursacht einen Anstieg des Heliumdrucks in der Turbomolekularpumpe und im Massenspektrometer. Das in Gleichung 5.4b eingesetzte Saugvermögen S_{_eff} ist das Saugvermögen der Drehschieberpumpe an der Verzweigungsstelle. Der dort herrschende Heliumpartialdruck, reduziert um den Heliumkompressionsfaktor für die Turbomolekularpumpe, wird am Massenspektrometer gemessen. Die Turbomolekularpumpe in Gegenstrom-Lecksuchern ist drehzahlgeregelt, sodass die Pumpenkompression ebenfalls konstant bleibt. Gleichung 5.5b wird aus Gleichung 5.5a abgeleitet:

(5.5b)

S_eff = effektives Saugvermögen der Drehschieberpumpe am Verzweigungspunkt
K = Heliumkompressionsfaktor an der Turbomolekularpumpe

Der Gegenstrom-Lecksucher ist besonders gut geeignet für automatische Vakuumeinheiten, da es einen klar messbaren Druck gibt, bei dem das Ventil geöffnet werden kann, nämlich den Vorvakuumdruck an der Turbomolekularpumpe. Da die Turbomolekularpumpe eine sehr große Kompressionskapazität für hohe Massen hat, können schwere Moleküle im Vergleich zu dem leichten Testgas Helium (M = 4) praktisch nicht in das Massenspektrometer gelangen. Die Turbomolekularpumpe bietet also einen idealen Schutz für das Massenspektrometer und macht damit eine LN_₂-Kühlfalle überflüssig, was sicherlich der größte Vorteil für den Benutzer ist. Historisch gesehen wurden die Gegenstrom-Lecksucher erst später entwickelt. Das lag zum Teil an der unzureichenden Stabilität des Saugvermögens, das bei den hier verwendeten Drehschieberpumpen lange Zeit nicht ausreichend war. Bei beiden Arten von Lecksuchern verwenden Standgeräte eine eingebaute Hilfspumpe, die bei der Evakuierung der Prüföffnung hilft. Bei tragbaren Lecksuchern kann es aus Gewichtsgründen notwendig sein, eine separate externe Pumpe vorzusehen.

Partialstrombetrieb

Abb. 5.3 Partialstromprinzip

Wenn es aufgrund der Größe des Vakuumbehälters oder des Lecks nicht möglich ist, den Prüfling auf den erforderlichen Einlassdruck zu evakuieren, oder wenn dies einfach zu lange dauern würde, müssen zusätzliche Pumpen eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Helium-Lecksucher nach dem sogenannten Partialstromverfahren betrieben. Das bedeutet, dass in der Regel der größere Teil des aus dem Prüfling entnommenen Gases durch ein zusätzliches, entsprechend dimensioniertes Pumpensystem abgeführt wird, sodass nur ein Teil des Gasstroms den Helium-Lecksucher erreicht (siehe Abb. 5.13). Die Aufteilung des Gasstroms erfolgt entsprechend dem an der Verzweigungsstelle herrschenden Saugvermögen. Es gilt dann:

(5.6)

wobei g γ (statt g!) als Partialstromverhältnis bezeichnet wird, d. h. als der Teil des gesamten Leckstroms, der am Sucher angezeigt wird. Wenn das Partialstromverhältnis unbekannt ist, kann g γ (statt g!) mit einem am Vakuumbehälter angebrachten Prüfleck bestimmt werden:

(5.7)

Anschluss an Vakuumsysteme

Das Partialstromverfahren wird in der Regel für den Anschluss eines Helium-Lecksuchers an Vakuumsysteme mit mehrstufigen Vakuumpumpsätzen verwendet. Bei der Überlegung, wo man den Anschluss am besten vornimmt, muss man bedenken, dass es sich in der Regel um kleine mobile Einheiten handelt, die am Anschlussflansch nur ein geringes Saugvermögen haben (oft weniger als 1 l/s). Umso wichtiger ist es, anhand des zu erwartenden Partialstromverhältnisses gegenüber einer Diffusionspumpe mit einem Saugvermögen von z. B. 12.000 l/s abzuschätzen, welche Leckraten überhaupt erkannt werden können. In Systemen mit Hochvakuum und Rootspumpen ist es am sichersten, den Lecksucher zwischen der Drehschieberpumpe und der Rootspumpe oder zwischen der Rootspumpe und der Hochvakuumpumpe anzuschließen. Wenn der Druck dort höher ist als der zulässige Einlassdruck für den Lecksucher, muss dieser über ein Dosierventil (variables Leck) angeschlossen werden. Natürlich muss ein geeigneter Anschlussflansch vorhanden sein. Es ist auch ratsam, an dieser Stelle von vornherein ein Ventil zu installieren, damit der Lecksucher bei Bedarf schnell (bei laufendem System) angekoppelt werden und die Dichtheitsprüfung unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils beginnen kann. Um zu verhindern, dass dieses Ventil versehentlich geöffnet wird, sollte es während des normalen Betriebs des Vakuumsystems mit einem Blindflansch verschlossen werden.

Eine zweite Methode zur Kopplung mit größeren Systemen, die beispielsweise bei der Turbinenentlüftung von Kraftwerken verwendet werden, ist die Kopplung am Auslass. Ein Schnüffelgerät wird in das System eingeführt, wo es in die Atmosphäre abgelassen wird. Man erschnüffelt dann den Anstieg der Heliumkonzentration in den Abgasen. Ohne eine enge Kopplung mit dem Abgas ist die Nachweisgrenze dieser Anwendung jedoch auf 5 ppm, den natürlichen Heliumgehalt in der Luft, begrenzt. Viele Lecksuchgeräte verfügen über eine Nullfunktion, bei der der natürliche Hintergrund abgezogen werden kann und somit niedrigere Leckraten ermittelt werden können. In Kraftwerken genügt es, die Spitze der Sonde in einem Winkel von etwa 45° von oben in die Druckleitung (in der Regel nach oben) der (Wasserring-)Pumpe einzuführen.

Zeitkonstanten

Die Zeitkonstante für ein Vakuumsystem wird eingestellt durch

(5.8)

τ = Zeitkonstante
V = Volumen des Behälters
S_eff = effektives Saugvermögen am Prüfling

Abb. 5.14 Signalreaktionen und Saugvermögen

Abbildung 5.14 zeigt den Signalverlauf nach dem Besprühen eines Lecks in einem an einem Lecksucher angeschlossenen Prüfling für drei unterschiedliche Konfigurationen:

Mitte: Der Prüfling mit dem Volumen V ist direkt mit dem Lecksucher LD (effektives Saugvermögen S) verbunden.
Links: Zusätzlich zu 1 wird eine Partialstrompumpe mit dem gleichen effektiven Saugvermögen S^l = S am Prüfling angeschlossen.
Rechts: Wie 1, aber S ist gedrosselt auf 0,5◊S.

Die Signale können wie folgt interpretiert werden:

1: Nach einer „Totzeit“ (oder „Verzögerungszeit“) bis zu einem erkennbaren Signalpegel steigt das Signal, das proportional zum Heliumpartialdruck ist, gemäß Gleichung 5.9 auf den vollen Wert p_He = Q/_Seff an:

(5.9)

Die Zeit, die erforderlich ist, um 95 % des Endwerts zu erreichen, wird in der Regel als Ansprechzeit bezeichnet.

2: Mit der Installation der Partialstrompumpe werden die Zeitkonstante und die Signalamplitude um den Faktor 2 reduziert. Das bedeutet einen schnelleren Anstieg, aber ein Signal, das nur halb so groß ist. Eine kleine Zeitkonstante bedeutet schnelle Änderungen und somit eine schnelle Anzeige und wiederum kurze Lecksuchzeiten.

3: Die Drosselung des Saugvermögens auf 0,5 S erhöht sowohl die Zeitkonstante als auch die Signalamplitude um den Faktor 2. Ein hoher Wert für t steigert daher die benötigte Zeit entsprechend. Eine hohe Empfindlichkeit, die mit einer Verringerung des Saugvermögens erreicht wird, ist immer mit einem höheren Zeitbedarf verbunden und daher auf keinen Fall von Vorteil.

Eine Abschätzung der Gesamtzeitkonstanten für mehrere hintereinander und mit den zugehörigen Pumpen verbundene Volumina kann in einer ersten Näherung durch Addition der individuellen Zeitkonstanten vorgenommen werden.

Blog und Wiki Lecksucher und deren Funktionsweise Basiswissen über Vakuum