Wie funktioniert ein Massenspektrometer-Lecksucher?

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Dichtheitsprüfungen werden heute überwiegend mit speziellen Dichtheitsprüfgeräten durchgeführt. Diese können weitaus kleinere Leckraten erfassen als Verfahren, bei denen keine speziellen Geräte zum Einsatz kommen. Diese Methoden basieren alle auf der Verwendung bestimmter Prüfgase. Die Unterschiede bei den physikalischen Eigenschaften dieser Prüfgase und der Gase, die in realen Anwendungen oder in der Umgebung der Prüfanordnung verwendet werden, werden von den Lecksuchern gemessen. Das kann z. B. die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Prüfgases und der Umgebungsluft sein. Die heute am weitesten verbreitete Methode ist jedoch der Nachweis von Helium als Prüfgas.

Die Funktion der meisten Lecksucher beruht darauf, dass die Prüfung mit einem speziellen Prüfgas durchgeführt wird, d. h. mit einem anderen Medium als dem, das im Normalbetrieb verwendet wird. Die Dichtheitsprüfung kann z. B. mit Helium durchgeführt werden, das mit einem Massenspektrometer nachgewiesen wird, obwohl es sich bei dem zu prüfenden Bauteil z. B. um einen Herzschrittmacher handelt, dessen Innenteile im Normalbetrieb gegen das Eindringen von Körperflüssigkeiten geschützt werden müssen. Allein dieses Beispiel macht deutlich, dass die unterschiedlichen Fließeigenschaften von Prüf- und Arbeitsmedium berücksichtigt werden müssen.

Halogen-Lecksucher (HLD 4000, D-Tek)

Gasförmige chemische Verbindungen, deren Moleküle Chlor und/oder Fluor enthalten, wie z. B. die Kältemittel R12, R22 und R134a, beeinflussen die Emission von Alkaliionen aus einer Oberfläche, die mit einer Mischung aus KOH und Eisen(III)hydroxid imprägniert und durch einen externen Pt-Heizer auf 800 °C bis 900 °C (1472 °F bis 1652 °F) gehalten wird. Die freigesetzten Ionen fließen zu einer Kathode, wo der Ionenstrom gemessen und dann verstärkt wird (Halogen-Dioden-Prinzip). Dieser Effekt ist so groß, dass Partialdrücke für Halogene bis hinab zu 10^-7 mbar gemessen werden können.

Während solche Geräte in der Vergangenheit für die Dichtheitsprüfung nach der Vakuummethode verwendet wurden, werden heute wegen der FCKW-Problematik mehr Schnüffelgeräte gebaut. Die erreichbare Nachweisgrenze liegt für alle Geräte bei etwa 1 10^{^-6} mbar l/s. Geräte, die nach dem Halogen-Dioden-Prinzip arbeiten, können auch SF_₆ nachweisen. Daher werden diese Schnüffelgeräte eingesetzt, um festzustellen, ob Kältemittel aus einem Kühlaggregat oder aus einem SF_₆-Schaltkasten (gefüllt mit Lichtbogenlöschgas) austritt.

Lecksucher mit Massenspektrometern (MSLD)

Der Nachweis eines Prüfgases mit Hilfe von Massenspektrometern ist die mit Abstand empfindlichste und in der Industrie am weitesten verbreitete Methode zur Dichtheitsprüfung. Die zu diesem Zweck entwickelten MS-Lecksucher ermöglichen die quantitative Messung von Leckraten in einem Bereich, der sich über viele Zehnerpotenzen erstreckt (siehe Leckarten und -raten), wobei die untere Grenze ≈ 10^{^-12} mbar l/s beträgt. Damit lässt sich die inhärente Gasdurchlässigkeit von Feststoffen nachweisen, wenn Helium als Prüfgas verwendet wird. Es ist prinzipiell möglich, alle Gase mit Hilfe der Massenspektrometrie nachzuweisen. Von allen verfügbaren Optionen hat sich die Verwendung von Helium als Prüfgas als besonders praktisch erwiesen. Der Nachweis von Helium mit dem Massenspektrometer ist absolut (!) eindeutig. Helium ist chemisch inert, nicht explosiv, ungiftig, kommt in der normalen Luft in einer Konzentration von nur 5 ppm vor und ist recht kostengünstig. In handelsüblichen MSLDs werden zwei Arten von Massenspektrometern verwendet:

a) das Quadrupol-Massenspektrometer, obwohl dieses aufgrund der aufwendigeren und komplexeren Bauweise (vor allem aufgrund der Stromversorgung des Sensors) weniger häufig verwendet wird, und
b) das 180°-Magnetsektorfeld-Massenspektrometer, hauptsächlich aufgrund der relativ einfachen Bauweise.

Unabhängig vom Funktionsprinzip besteht jedes Massenspektrometer aus drei physikalisch wichtigen Teilsystemen: Ionenquelle, Abscheidersystem und Ionenfalle. Die Ionen müssen den Weg von der Ionenquelle durch das Abscheidersystem bis zur Ionenfalle möglichst ohne Zusammenstoß mit Gasmolekülen zurücklegen können. Dieser Weg beträgt bei allen Spektrometertypen etwa 15 cm und erfordert somit eine mittlere freie Weglänge von mindestens 60 cm, was einem Druck von etwa 1 10^{^-4} mbar entspricht. Mit anderen Worten: Ein Massenspektrometer funktioniert nur im Vakuum. Aufgrund des Mindestvakuums von 1 10^{^-4} mbar wird ein Hochvakuum benötigt. In modernen Lecksuchern werden Turbomolekularpumpen und geeignete Vorvakuumpumpen eingesetzt. Zu den einzelnen Baugruppen gehören die erforderlichen elektrischen und elektronischen Versorgungssysteme und die Software, die über einen Mikroprozessor einen möglichst hohen Automatisierungsgrad im Betriebsablauf ermöglichen, einschließlich aller Justier- und Kalibrierroutinen und der Messwertanzeige.

Abb. 5.6 Grundlegende Funktionsweise eines Lecksuchers

Das Funktionsprinzip eines MSLD

Die grundlegende Funktion eines Lecksuchers und der Unterschied zwischen einem Lecksucher und einem Massenspektrometer lassen sich anhand von Abbildung 5.6 erklären. Diese Skizze zeigt die am häufigsten anzutreffende Konfiguration für die Dichtheitsprüfung mit der Heliumsprühmethode (siehe Lokale Dichtheitsprüfung) bei einer Vakuumkomponente. Wenn das versprühte Helium durch ein Leck in das Bauteil gesaugt wird, wird es durch das Innere des Lecksuchers zum Auslass gepumpt, wo es den Sucher wieder verlässt. Dichtheit des Suchers vorausgesetzt, bleibt die Gasmenge, die pro Zeiteinheit durch jeden Rohrabschnitt (an jedem beliebigen Punkt) strömt, unabhängig vom Querschnitt und dem Verlauf der Rohrleitungen konstant. Für den Eintritt in den Pumpanschluss an der Vakuumpumpe gilt Folgendes:

(5.4)

An allen anderen Punkten gilt

(5.4a)

unter Berücksichtigung der Leitungsverluste.

Die Gleichung gilt für alle Gase, die durch die Rohrleitung gepumpt werden, und damit auch für Helium.

(5.4b)

In diesem Fall ist die Gasmenge pro Zeiteinheit die gesuchte Leckrate; der Gesamtdruck darf nicht verwendet werden, sondern nur der Anteil für Helium oder der Partialdruck für Helium. Dieses Signal wird vom Massenspektrometer geliefert, wenn dieser auf die Massenzahl 4 (Helium) eingestellt ist. Der Wert für S_{_eff} ist eine Konstante für jede Serie von Lecksuchern. Dadurch ist es möglich, das vom Massenspektrometer eingehende Signal mit einer numerischen Konstante zu multiplizieren und die Leckrate direkt anzeigen zu lassen.

Blog und Wiki Lecksucher und deren Funktionsweise Dichtheitsprüfung Basiswissen über Vakuum