質量分析計のリークディテクターはどのように機能しますか?

今日のほとんどのリークテストは、特殊なリーク検知装置を使用して実施されています。これらは、特殊な機器を使用しない技術よりもはるかに小さいリーク率を検出できます。これらの方法はすべて、テスト目的で特定のガスを使用することに基づいています。これらのテストガスと、実際の用途で使用されるガスまたはテスト構成周辺のガスとの物性特性の違いは、リークディテクターで測定されます。たとえば、テストガスと周囲の空気の熱伝導率が異なる場合があります。しかし、現在最も広く使用されている方法は、テストガスとして使用されるヘリウムの検出です。

ほとんどのリークディテクターの機能は、特殊なテストガス（通常の動作で使用されるもの以外の媒体）でテストが実施されているという事実に基づいています。リークテストは、例えば、ヘリウムを使用して実施し、質量分析計で検出することができます。例えば、テストされる部品が心臓ペースメーカーのように、通常動作時に体液が侵入しないように内部部品を保護する必要がある場合などです。心臓ペースメーカーの内部部品は、通常の操作中に体液の侵入から保護されます。この例だけでも、テストと作業媒体のさまざまなフロー特性を考慮する必要があることは明らかです。

ハロゲンリークディテクター（HLD 4000、D-Tek）

冷媒R12、R22、R134aなど、分子に塩素やフッ素を含むガス化合物は、KOHと水酸化鉄（III）の混合物を含浸させ、外部白金ヒーターで800℃～900℃（1472℉～1652℉）に維持した表面からのアルカリイオン放出に影響を与えます。放出されたイオンは、陰極に流れ、そこでイオン電流が測定されてから増幅されます（ハロゲンダイオードの原理）。この効果は非常に大きいので、ハロゲンの部分圧力を10^-7 mbarまで測定できます。

このようなデバイスは、かつては真空法に従ってリークテストに使用されていましたが、現在ではCFCに関連する問題のため、より多くのスニファユニットが構築されています。達成可能な検出限界は、すべてのデバイスで約1 · 10^-6 mbar · l/sです。ハロゲンダイオードの原理に従って動作する装置は、SF₆も検出できます。その結果、これらのスニファユニットは、冷媒が冷却ユニットから流出しているか、SF₆タイプのスイッチボックス（アーク抑制ガスで満たされている）から流出しているかを判断するために使用されます。

質量分析計付きリークディテクター（MSLD）

質量分析計を使用したテストガスの検出は、非常に感度の高いリーク検知法であり、業界で最も広く使用される方法です。この目的のために開発されたMSリークディテクターは、10の何乗にも及ぶ範囲のリーク速度の定量的測定を可能にし（リークの種類とリーク率を参照）、下限は≈ 10^-12 mbar · l/sであるため、ヘリウムをテストガスとして使用した場合の固体固有のガス透過性を実証することができます。質量分析を使用してすべてのガスを検出することは、原則として実際に可能です。利用可能なすべてのオプションのうち、トレーサーガスとしてのヘリウムの使用は、特に実用的であることが実証されています。質量分析計を使用したヘリウムの検出は絶対的です（!）。ヘリウムは、化学的に不活性、非爆発性、非毒性であり、わずか5 ppmの濃度で通常の空気中に存在しませんが、非常に経済的です。市販のMSLDでは、2種類の質量分析計が使用されています。

a）ただし、四重極質量分析計は、より精巧で複雑な設計のため（特にセンサーの電気供給のため）、使用頻度は低くなります。または
b）主に比較的シンプルな設計による180°磁場セクター質量分析計。

使用されている機能原理に関係なく、すべての質量分析計は、イオン源、分離システム、イオントラップの3つの物理的に重要なサブシステムで構成されています。イオンは、イオン源から分離システムを経てイオントラップに至る経路を、可能な限りガス分子と衝突することなく移動できる必要があります。この経路は、全タイプの分光計で約15 cmに相当するため、60 cm以上の中程度の自由行程が必要で、圧力約1 · 10^-4 mbarに相当します。つまり、質量分析計は、真空でのみ動作します。最小真空レベルが1 · 10^-4 mbarであるため、高真空が必要です。最新のリークディテクターでは、ターボ分子ポンプと適切な粗引きポンプが使用されます。個々の部品グループには、必要な電気および電子供給システムおよびソフトウェアが関連付けられており、マイクロプロセッサを介して、すべての調整および較正ルーチンおよび測定値の表示を含む、作動シーケンスで最大限の自動化を可能にします。

図5.6 リークディテクターの基本的な操作原理

MSLDの動作原理

リークディテクターの基本的な機能と、リークディテクターと質量分析計の違いについては、図5.6を使用して説明できます。この図は、真空コンポーネントでヘリウムスプレー方式（「局所リーク検知」を参照）を使用したリーク検知の最も一般的な設定を示しています。噴霧されたヘリウムがリークを通してコンポーネントに引き込まれると、リークディテクターの内部を通って排気に送り込まれ、再びディテクターから排出されます。ディテクター自体にリークがないと仮定すると、時間単位あたりの各パイプセクション（任意の点）を流れるガスの量は、断面積と配管のルーティングに関係なく一定に保たれます。真空ポンプのポンプポートへの入口には、以下が適用されます。

（5.4）

他のすべての点で

（5.4a）

ライン損失を考慮しながら適用します。

この式は、配管を通過するすべてのガスに適用されるため、ヘリウムにも適用されます。

（5.4b）

この場合、時間単位あたりのガス量は、求められるリーク率です。全圧力は使用できませんが、ヘリウムの共有またはヘリウムの部分圧力のみ使用できます。この信号は、原子番号4（ヘリウム）に設定されている質量分析計によって供給されます。S_effの値は、リークディテクターシリーズごとに一定です。マイクロプロセッサを使用して、質量分析計から到着する信号を数値定数で乗算し、リーク率を直接表示することができます。

ブログとWiki リークディテクターとその仕組みリーク検知真空の基礎