직류 및 역류 누출 감지기는 어떻게 작동합니까?

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그림 5.12 전체 유동 및 역류 누출 감지기

그림 5.12는 두 누출 감지기 유형에 대한 진공 계통을 보여줍니다. 두 경우 모두 터보 분자 펌프와 로터리 베인 펌프로 구성된 고진공 펌핑 시스템에 의해 질량 분광계가 진공 처리됩니다. 왼쪽의 다이어그램은 직류 누출 감지기를 보여줍니다. 입구 포트의 기체는 콜드 트랩을 통해 분광계로 유입됩니다. 이는 실제로 모든 증기와 기타 오염물이 응축되는 극저온 펌프와 동일합니다(과거에는 콜드 트랩이 사용되는 확산 펌프의 오일 증기에 대해 충분한 보호 기능을 제공했음). 보조 저진공 펌프 시스템은 테스트할 구성 요소 또는 누출 감지기와 테스트할 시스템 사이의 커넥터 라인을 사전 배출하는 역할을 합니다. 상대적으로 낮은 입구 압력(펌핑 시간)에 도달하면 측정을 위해 보조 펌핑 시스템과 콜드 트랩 사이의 밸브가 개방됩니다. 등식 5.4b에 사용되는 S_eff는 이온 소스 위치에서 터보 분자 펌프의 펌핑 속도입니다.

(5.5a)

직류 누출 감지기의 경우 예를 들어 터보 분자 펌프와 콜드 트랩 사이에 스로틀을 설치하여 펌핑 속도를 줄임으로써 민감도를 높일 수 있습니다. 또한 이 방법은 최대 민감도를 얻기 위해 사용됩니다.

예

헬륨에 대해 감지 가능한 최소 부분 압력:
p_min,He = 1 · 10^-12mbar. 헬륨의 펌핑 속도는
S_He = 10 l/s. 이후 가장 작은 감지 가능한 누출률은
Q_min = 1 · 10^-12mbar · 10 l/s = 1 · 10^-11mbar · l/s. 펌핑 속도가 1/s로 감소하면 단위는 l/s, 즉 1l/s이며, 감지 가능한 최소 누출률은 1 · 10^12mbar · l/s입니다. 단, 민감도가 증가하면 테스트 표본에서 안정적인 테스트 기체 압력을 달성하기 위한 시간 상수가 그에 따라 더 커진다는 것을 명심해야 합니다(아래 참조).

그림 5.12의 오른쪽 다이어그램은 역류 누출 감지기를 도식적으로 보여줍니다. 질량 분광계, 고진공 시스템 및 보조 저진공 펌프 시스템은 직류 배열에 대한 구성과 정확히 일치합니다. 검사할 기체의 공급은 저진공 펌프와 터보 분자 펌프 사이에 연결됩니다. 밸브가 개방된 후 이 분기점에 도달하는 헬륨으로 터보 분자 펌프와 질량 분광계의 헬륨 압력이 증가합니다. 등식 5.4b에 삽입된 펌핑 속도 S_eff는 분기점의 로터리 베인 펌프의 펌핑 속도입니다. 여기에서 설정된 부분 헬륨 압력은 터보 분자 펌프의 헬륨 압축 계수로 감소되어 질량 분광계에서 측정됩니다. 역류 누출 감지기 내 터보 분자 펌프의 속도가 조절되어 펌프 압축도 일정하게 유지됩니다. 등식 5.5b는 등식 5.5a에서 파생됩니다.

(5.5b)

S_eff = 분기점의 로터리 베인 펌프의 유효 펌핑 속도
K = 터보 분자 펌프의 헬륨 압축 계수

역류 누출 감지기는 밸브가 개방될 수 있는 분명한 측정 가능한 압력, 즉 터보 분자 펌프의 저진공 압력이 있기 때문에 자동 진공 장치에 특히 유용합니다. 터보 분자 펌프는 가벼운 테스트 기체에 비해 높은 질량의 무거운 분자에 대한 압축 용량이 매우 크기 때문에 실제로 헬륨(M = 4)은 질량 분광계에 도달할 수 없습니다. 따라서 터보 분자 펌프는 질량 분광계를 이상적으로 보호하고 그에 따라 LN₂ 콜드 탭이 필요하지 않으므로 이는 사용자에게 가장 큰 이점입니다. 과거에는 역류 누출 감지기가 나중에 개발되었습니다. 펌핑 속도 안정성이 부족했기 때문이며, 여기에 사용된 로터리 베인 펌프에 있어서는 오랜 시간 동안 충분하지 않았습니다. 두 가지 유형의 누출 감지기에서 고정 장치는 기본 제공 보조 펌프를 사용하여 테스트 포트의 배출을 지원합니다. 이동식 누출 감지기를 사용할 경우 중량 문제로 별도의 외부 펌프를 제공해야 할 수 있습니다.

부분 유동 작동

그림 5.13 부분 유동 원리

진공 용기의 크기 또는 누출로 인해 테스트 표본을 필요한 흡입 압력으로 배출하는 것이 불가능하거나, 이렇게 하는 데 너무 오래 걸리는 경우에는 보조 펌프를 사용해야 합니다. 이 경우 "부분 유동" 개념에 따라 헬륨 누출 감지기가 작동됩니다. 즉, 테스트 대상에서 추출한 기체의 큰 부분은 적합한 크기의 추가 펌프 시스템을 통해 제거되므로 기체 흐름의 일부만 헬륨 누출 감지기에 도달합니다(그림 5.13 참조). 기체 유동의 분할은 분기점에서 발생하는 펌핑 속도의 영향을 받습니다. 다음 사항이 적용됩니다.

(5.6)

여기서 (g 대신) g γ는 부분 유동 비율, 즉 감지기에 표시되는 전체 누출 전류의 부분으로 특성화됩니다. 부분 유동을 알 수 없는 경우 (g 대신) g γ는 진공 용기와 연결된 기준 누출로 확인할 수 있습니다.

(5.7)

진공 시스템에 연결

부분 유동 개념은 일반적으로 다단계 진공 펌프 세트가 설정된 진공 시스템에 헬륨 누출 감지기를 연결하는 데 사용됩니다. 최적의 연결 위치를 고려할 때 연결 플랜지에서 펌핑 속도가 낮은(주로 1l/s 미만)작은형 이동식 장치라는 점을 유념해야 합니다. 따라서 펌핑 속도가 12000l/s인 확산 펌프에 대해 예상할 수 있는 부분 유동 비율을 기반으로 누출률이 어느 정도 감지될 수 있음을 추정하는 것이 중요합니다. 고진공 및 루츠 펌프가 사용되는 시스템에서 가장 확실한 방법은 로터리 베인 펌프와 루츠 펌프 사이 또는 루츠 펌프와 고진공 펌프 사이에 누출 감지기를 연결하는 것입니다. 압력이 누출 감지기에 대해 허용 가능한 입구 압력보다 클 경우 누출 감지기는 미터링(가변 누출) 밸브를 통해 연결해야 합니다. 당연히 적합한 커넥터 플랜지를 사용할 수 있어야 합니다. 또한 필요한 경우 누출 감지기를 (시스템 가동 시) 빠르게 연결할 수 있고 밸브를 개방한 후 즉시 누출 감지가 시작될 수 있도록 처음부터 밸브를 설치하는 것이 좋습니다. 이 밸브를 실수로 개방되지 않도록 하기 위해 정상적인 진공 시스템 작동 중에 빈 플랜지로 밀봉해야 합니다.

예를 들어 발전 스테이션의 터빈에서 공기를 제거하는 데 사용되는 대형 시스템에 결합하는 두 번째 방법은 방출 지점에서 결합하는 것입니다. 스니퍼 장치는 대기 중으로 방출되는 시스템의 지점에 삽입됩니다. 그런 다음 배기 기체 내 헬륨 농도의 증가를 감지합니다. 하지만 배기 기체가 단단히 결합하지 않으면 감지 한계는 공기 내 천연 헬륨 함량의 5ppm으로 제한됩니다. 많은 누출 감지기에는 영점 조절 기능이 있어, 자연 배경을 감산하여 낮은 누출률을 찾을 수 있습니다. 발전소의 경우 프로브 팁을 상단에서 (워터 링) 펌프의 배출 라인(보통 위쪽으로 가리킴)에 약 45°의 각도로 삽입하는 것으로 충분합니다.