Hoe werkt een massaspectrometerlekdetector?

Deze kunnen veel lagere lekpercentages detecteren dan technieken waarbij geen speciale apparatuur wordt gebruikt. Deze methoden zijn allemaal gebaseerd op het gebruik van specifieke gassen voor testdoeleinden. De verschillen in de fysieke eigenschappen van deze testgassen en de gassen die worden gebruikt in echte toepassingen of die rond de testconfiguratie worden gemeten door de lekdetectoren. Dit kan bijvoorbeeld de verschillende thermische geleidbaarheid van het testgas en de omgevingslucht zijn.

De meest gebruikte methode vandaag de dagis echter de detectie met helium als testgas.

De werking van de meeste lektesters is gebaseerd op het feit dat de test wordt uitgevoerd met een speciaal testgas, d.w.z. met een ander medium dan datgene dat tijdens normaal bedrijf wordt gebruikt. De lekkagetest kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd met behulp van helium, dat met behulp van een massaspectrometer wordt gedetecteerd, hoewel het te testen onderdeel bijvoorbeeld een pacemaker kan zijn waarvan de interne onderdelen tijdens normaal bedrijf tegen het binnendringen van lichaamsvloeistoffen moeten worden beschermd. Alleen al dit voorbeeld maakt duidelijk dat rekening moet worden gehouden met de verschillende stromingseigenschappen van de test en de werkmedia. 

De detectie van een testgas met massaspectrometers is veruit de meest gevoelige lekdetectiemethode en de meest gebruikte in de industrie.

De hiervoor ontwikkelde massaspectrometer-lekdetectoren (ook wel MSLD genoemd) maken kwantitatieve metingen van lekpercentages mogelijk in een bereik dat zich uitstrekt over vele vermogens van tien ( zie Lektypes en -percentages ), waarbij de ondergrens ≈ 10 ^-12 mbar · l/s is, waardoor het mogelijk is om de inherente gaspermeabiliteit van vaste stoffen aan te tonen wanneer helium als testgas wordt gebruikt. In principe is het mogelijk om alle gassen te detecteren met behulp van massaspectrometrie.

Van alle beschikbare opties is het gebruik van helium als traceergas bijzonder praktisch gebleken. De detectie van helium met de massaspectrometer is absoluut ondubbelzinnig. Helium is chemisch inert, niet-explosief, niet-giftig, is aanwezig in normale lucht in een concentratie van slechts 5 ppm en is vrij economisch.

Er worden twee soorten massaspectrometers gebruikt in in de handel verkrijgbare MSLD's:

a) De vierpolige massaspectrometer, hoewel deze minder vaak wordt gebruikt vanwege het meer ingewikkelde en complexe ontwerp (vooral vanwege de elektrische voeding voor de sensor) 
b) de massaspectrometer met magnetische veldsector van 180°, voornamelijk vanwege het relatief eenvoudige ontwerp

Ongeacht het gebruikte werkingsprincipe bestaat elke massaspectrometer uit drie fysiek belangrijke subsystemen:

• de 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 ten minste 60 cm, wat overeenkomt met een druk van ongeveer 1 · 10 ^-4 mbar; met andere woorden, een massaspectrometer werkt alleen in een vacuüm.

Vanwege het minimale vacuümniveau van 1 · 10 ^-4 mbar is een hoog vacuüm vereist. Turbomoleculaire pompen en geschikte opvoerpompen worden gebruikt in moderne lekdetectoren. 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. 

De basisfunctie van een lekdetector en het verschil tussen een lekdetector en een massaspectrometer kunnen worden uitgelegd aan de hand van afbeelding 5,6. Deze schets toont de meest voorkomende configuratie voor het opsporen van lekken met behulp van de heliumspraymethode ( zie Lokale lekdetectie ) bij een vacuümcomponent. Wanneer het gespoten helium door een lek in het onderdeel wordt gezogen, wordt het door de binnenkant van de lekdetector naar de uitlaat gepompt, waar het de detector weer verlaat. In de veronderstelling dat de detector zelf lekvrij is, blijft de hoeveelheid gas die door elk leidinggedeelte (op een willekeurig punt) per tijdseenheid stroomt constant, ongeacht de doorsnede en de ligging van de leidingen. Het volgende geldt voor de inlaat in de pomppoort van de vacuümpomp: 

In dit geval is de gashoeveelheid per tijdseenheid de gezochte leksnelheid; de totale druk mag niet worden gebruikt, maar alleen het aandeel voor helium of de deeldruk voor helium. Dit signaal wordt geleverd door de massaspectrometer wanneer deze is ingesteld op atoomnummer 4 (helium). De waarde voor S _eff is een constante voor elke reeks lekdetectoren, waardoor het mogelijk is om met behulp van een microprocessor het signaal van de massaspectrometer te vermenigvuldigen met een numerieke constante en de leksnelheid direct weerte geven.