Wat is het werkingsprincipe van lektesters met een massaspectrometer

De hiervoor ontwikkelde MS-lekdetectoren (massaspectrometers) maken kwantitatieve metingen van lekpercentages mogelijk in een bereik van vele vermogens van tien. De ondergrens ligt rond 1·10 ^-12 mbar·l/s. Dit maakt zelfs de kwantitatieve meting van de inherente gasstroom door vaste stoffen (permeatie) mogelijk.

In principe is het mogelijk om alle gassen te detecteren met massaspectrometrie. Van alle beschikbare opties is het gebruik van helium als testgas bijzonder praktisch gebleken. Helium is:

• ondubbelzinnig detecteerbaar met een massaspectrometer,
• chemisch inert,
• Niet-explosief
• niet giftig,
• aanwezig in normale lucht in een concentratie van slechts 5 ppm ( = 5 · 10 ^-4 volume % ) en vrij zuinig.

Er worden twee soorten massaspectrometers gebruikt in in de handel verkrijgbare MSLD's:
a) de vierpolige massaspectrometer
b) 180° sectoraal veldmassaspectrometer (vanwege het eenvoudige ontwerp).

Elke massaspectrometer bestaat uit drie fundamentele componenten:

• ionenbron,
• scheidingssysteem en
• ionenvanger.

De ionen moeten het pad van de ionenbron en door het scheidingssysteem naar de ionenvanger kunnen afleggen, zoveel mogelijk zonder botsingen met gasmoleculen. Dit pad bedraagt ongeveer 15 cm voor alle soorten spectrometers en vereist dus een gemiddelde vrije padlengte van

minstens 60 cm, wat overeenkomt met een druk van ongeveer 1·10 ^-4 mbar; met andere woorden, een massaspectrometer werkt alleen in hoogvacuüm. In moderne lekdetectoren worden turbomoleculaire pompen gebruikt om het hoge vacuüm te creëren.

Aan de afzonderlijke componentengroepen zijn de benodigde elektrische en elektronische voedingssystemen en software gekoppeld, die via een microprocessor een zo groot mogelijke automatisering van de bedieningsvolgorde mogelijk maken, inclusief alle instel- en kalibratieroutines en de weergave van meetwaarden.

Bovenstaande afbeelding verduidelijkt het werkingsprincipe van een lekdetector met massaspectrometer: deze schets toont de meest voorkomende configuratie voor het opsporen van lekken met behulp van de testgasspraymethode op een vacuümcomponent (= testobject).

Als er gas via een lek in het onderdeel binnendringt, wordt het door de binnenkant van de lekdetector naar de uitlaat gepompt, waar het de detector weer verlaat. Ervan uitgaande dat de lekdetector goed is afgedicht, is de gasstroom q altijd gelijk op elk punt tussen de inlaat en de uitlaat van de lekdetector. Het volgende geldt direct bij de pomppoort van de vacuümpomp:

met: 

• p = inlaatdruk direct bij de pomppoort van de vacuümpomp in mbar
• S = pompsnelheid van de vacuümpomp direct bij de pomppoort van de vacuümpomp in l/s

Op elke andere positie x geldt, rekening houdend met de lijnverliezen:

met: 

• p_x = druk op positie x in mbar
• S_x = pompsnelheid van de vacuümpomp op positie x in l/s (S_x < S !)

Bovenstaande vergelijking geldt voor alle gassen die door de vacuümpomp worden verpompt en dus ook voor het testgas TG (bijv. TG = helium).

Bij de massaspectrometer (x = MS) geldt het volgende:

In dit geval is de testgasstroom q_TG gelijk aan de gezochte leksnelheid qL. In het geval van bovenstaande vergelijking moet worden opgemerkt dat de partiële testgasdruk p _{MS, TG} aanwezig is bij de massaspectrometer.

De meetwaarde voor p _{MS, TG} wordt geleverd door de massaspectrometer die moet worden ingesteld op de massa M van het testgas (bv. M = 4 voor TG = helium). De waarde van SMS, TG is een experimenteel bepaalde constante voor elke lekdetector.

De waarde voor p _{MS, TG} van de massaspectrometer wordt vermenigvuldigd met de waarde S _{MS, TG} die in de microprocessor van de lekdetector is opgeslagen. Het resultaat van deze vermenigvuldiging wordt vervolgens weergegeven als leksnelheid q_L.