直接フローおよび逆フローリークディテクターはどのように機能しますか?

図5.12 フルフローおよび逆フローリークディテクター

図5.12に、2種類のリークディテクターの真空系統図を示します。どちらの場合も、質量分析計は、ターボ分子ポンプとロータリーベーンポンプで構成される高真空ポンプシステムによって真空排気されます。左の図は、直接フローリークディテクターを示しています。入口ポートからのガスは、コールドトラップを介して分光計に注入されます。実際には、すべての蒸気やその他の汚染物質が凝縮されたクライオポンプに相当します。（これまでのコールドトラップは、その時点で使用されていた拡散ポンプのオイル蒸気に対しても効果的に保護されていました）。補助粗引きポンプシステムは、テストする部品、またはリークディテクターとテストするシステム間のコネクターラインを予備排気する役割を果たします。比較的低い入口圧力（ポンプ時間!）に達すると、補助ポンプシステムとコールドトラップの間のバルブが測定のために開きます。方程式5.4bで使用されるS_effは、イオン源の位置におけるターボ分子ポンプのポンプ速度です。

（5.5a）

直接フローリークディテクターの場合、たとえばターボ分子ポンプとコールドトラップの間にスロットルを取り付けるなどして、ポンプ速度を下げることで感度を向上させることができます。これは、最大感度を達成するためにも使用されます。

例

ヘリウムで検出可能な最小の部分圧力は、
p_min,He = 1 · 10^-12 mbar。ヘリウムのポンプ速度は次の様になります
S_He = 10 l/s。検出可能な最小リーク率は、
Q_min = 1 · 10^-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10^-11 mbar · l/s。ポンプ速度が1/sに低下した場合、単位はl/sです。したがって、1 l/sになり、検出可能な最小リーク率1 · 10^12 mbar · l/sを達成します。ただし、感度の増加に伴い、試験片内の安定したテストガス圧力を達成するための時定数は、それに対応して大きくなることを念頭に置く必要があります（以下を参照）。

図5.12の右側の図は、逆フローリークディテクターの回路図を示しています。質量分析計、高真空システム、および補助粗引きポンプシステムは、直接フロー配置の構成に正確に対応しています。ただし、検査するガスの供給は、粗引きポンプとターボ分子ポンプの間で接続されています。バルブを開いた後にこの分岐点に達するヘリウムは、ターボ分子ポンプと質量分析計のヘリウム圧力を上昇させます。方程式5.4bに挿入されたポンプ速度S_effは、分岐点でのロータリーベーンポンプのポンプ速度です。そこで確立されたヘリウム部分圧力は、ターボ分子ポンプのヘリウム圧縮係数によって減少し、質量分析計で測定されます。逆フローリークディテクターのターボ分子ポンプの速度は、ポンプの圧縮も一定に保たれるように調整されます。式5.5bは、式5.5Aから算出されます。

（5.5b）

S_eff = 分岐点でのロータリーベーンポンプの有効なポンプ速度
K = ターボ分子ポンプでのヘリウム圧縮係数

逆フローリークディテクターは、バルブを開くことができる明確に測定可能な圧力、つまりターボ分子ポンプの粗引き真空圧力があるため、自動真空ユニットには、特に利点があります。ターボ分子ポンプは、高質量に対して非常に大きな圧縮能力を持つため、軽いテストガスであるヘリウム（M=4）に比べて重い分子は、実際には質量分析計に到達しない可能性があります。このように、ターボ分子ポンプは、質量分析計に理想的な保護を提供し、LN₂コールドタップの必要性を排除します。これは確かにユーザーにとって最大の利点です。これまでは、歴史的に見ると、逆フローリークディテクターが後で開発されました。これは、ポンプ速度の安定性が不十分であったことが原因であり、ここで使用したロータリーベーンポンプでは長い間十分ではありませんでした。どちらのタイプのリークディテクターにも、固定ユニットには補助ポンプが内蔵されており、テストポートの排出を補助します。携帯型のリークディテクターでは、重量上の理由から、別個の外部ポンプを用意する必要がある場合があります。

部分フロー操作

図5.13 部分フローの原理

真空容器のサイズやリークが原因で、試験片を必要な入口圧力まで排気できない場合、または単に時間がかかりすぎる場合は、補助ポンプを使用する必要があります。この場合、ヘリウムリークディテクターはいわゆる「部分フロー」の概念に従って動作します。これは、通常、テストオブジェクトから抽出されたガスの大部分が、適切なサイズの追加のポンプシステムによって除去されることを意味し、ガス流の一部のみがヘリウムリークディテクターに到達するようにします（図5.13を参照）。分岐点でのポンプ速度に応じてガスフローの分割が行われます。次に、次のことが適用されます。

（5.6）

ここで、g γ（代わりにg!）部分フロー比、すなわちディテクターに表示される全体的なリーク電流の割合として特徴付けられます。部分フロー比が不明な場合、g γ（代わりにg!）は、真空容器に接続された参照リークで判定できます。

（5.7）

真空システムへの接続

部分フローの概念は、通常、ヘリウムリークディテクターを、多段真空ポンプセットを備えた真空システムに接続するために使用されます。接続を最適にする場所を検討する場合は、通常、接続フランジのポンプ速度が低い（多くの場合は1 l/s未満）、小型のポータブルユニットであることに注意してください。これにより、たとえば、ポンプ速度が12000 l/sの拡散ポンプに対して期待される部分フロー比に基づいて、どの程度のリークが検出できるかを推定することがより重要になります。高真空ポンプおよびルーツポンプを備えたシステムでは、残りのオプションは、ロータリーベーンポンプとルートポンプの間、またはルーツポンプと高真空ポンプの間にリークディテクターを接続することです。圧力がリークディテクターの許容入口圧力よりも大きい場合、リークディテクターは、計量（可変リーク）バルブを介して接続する必要があります。当然ながら、適切なコネクターフランジを用意する必要があります。また、必要に応じてリークディテクターをすばやく接続し、（システムが稼働している状態で）バルブを開いた直後にリーク検知を開始できるように、最初からバルブを取り付けることをお勧めします。このバルブが誤って開かないように、通常の真空システム作動中は、ブランクフランジでシールする必要があります。

例えば、発電所のタービンから空気を除去するために使用されるシステムなど、大規模システムに接続する2つ目の方法は、排出口で接続することです。スニファユニットは、大気に放出されるシステムに挿入されます。次に、排気中のヘリウム濃度の上昇を嗅ぎ取ります。ただし、排気への厳密な密な結合がない場合、この用途の検出限界は、空気中の天然ヘリウム含有量5 ppmが限界となります。多くのリークディテクターにはゼロ機能があり、自然なバックグラウンドを差し引くことができるため、より低いリーク率を見つけることができます。発電所では、プローブの先端を上部から約45°の角度で（通常は上向き）（水輪）ポンプの排出ラインに挿入するだけで十分です。