7.2 추적 기체로 누출 감지

파이퍼 베큠은 추적 기체의 존재를 감지하기 위하여 질량 분 석기 와 석영 창 센서를 기초로 한 누출 감지기를 사용합니 다. 질량 분석기는 기체 혼합물을 이온화하고 그들의 질량 대 전하 비를 기초로 하여 원하는 추적 기체를 분리합니다. 석영 창 센서는 석영 멤브레인을 통한 가벼운 기체의 선택적 침투 를 기초로 합니다.

7.2.1 질량 분석기로 누출 감지기 설계

4중극자 질량 분석기의 작동 원리는 6.3장에 나와 있습니 다. 이 유닛은 누출 감지 뿐만 아니라 잔류 기체 분석기나 공 정 기체 분석기로 사용됩니다. 누출 감지를 포함하여 고압의 기체 혼합물을 분석하기 위한 유입 시스템은 6.3.5장에서 설명되었습니다. 4중극자 질량 분석기를 기초로 한 기체 분 석 시스템은 다중 기체 누출 감지기로 사용될 수 있습니다.

섹터 질량 분석기의 작동 원리는 6.2장에 나와 있습니다.

그림 7.2에 나와 있는 누출 감지기의 분석기 셀은 10^-4 hPa 미만의 압력에서만 작동합니다. 누출 감지기에서 이 압력은 누출 감지기의 펌핑 시스템에 의해서만 생성되고 유지됩니 다. 이것은 운전자의 개입을 전혀 요구하지 않습니다.

질량 분광 분석기가 있는 누출 감지기는 그림 7.3의 다이어 그램에 나와 있는 것처럼 설계되어 있습니다.

질량 2, 3 및 4(테스트 기체 H₂, ³He 및 ⁴He에 해당)에 대한 질량 분석기(분석기 셀(8))는터보 펌프(고진공 펌프(7))의 유 입구 플랜지에 부착되어 있습니다. 배압 펌프는 배기 밸브(6) 를 통하여 터보 펌프를 환기합니다. 테스트 표본(DIN EN 1330-8에서는 “테스트 물체”라고도 언급됨)은 밸브(3)가 열 린 상태에서 유입구를 통하여 환기됩니다. 밸브 (6)과 (3)은 터보 펌프의 요구되는 배압 진공 압력이 테스트 표본의 환기 보다 우선시되는 방식으로 연결되어 있습니다. 테스트 표본 은 환기된 후에 관련 압력 범위에 따라 배압 진공에 또는 밸 브(4)를 경유하여 터보 펌프의 단간 펌프에 연결될 수 있습니 다. 테스트 기체는 이제 외부에서부터 테스트 표본 위로 분무 되어 누출을 통하여 주변 공기와 함께 테스트 표면으로 침투 합니다. 잔류 기체 속에 존재하는 테스트 기체는 밸브 (3)과 (6)을 경유하여 터보 펌프를 통하여 펌프 방향과 반대로 분석 기 셀로 흘러들어서 감지됩니다. 공기와 가벼운 테스트 기체 헬륨에 대한 터보 펌프의 다른 압축비는 몇 10승이나 다르기 때문에 이런 목적으로 이용됩니다.

터보 펌프의 높은 압축비로 인해 공기가 질량 분석기에서 멀 리 떨어져 있는 동안 상대적으로 높은 분압일 때 가벼운 기체 들이 그곳에 도달합니다. 따라서 터보 펌프는 헬륨과 수소를 위한 선택적 필터로 작용합니다. 이것이 질량 분석기를 사용 하면 헬륨과 수소가 < 10 hPa(일부 장치의 경우 더 높음)의 압력에서 테스트 표본에서 감지될 수 있는 이유입니다. 몇 10승의 헬륨 분압과 1~10^-9 Pa m³ s^-1 의 대응부의 누출률 범 위는 압축비에 기하급수적으로 영향을 주는 다른 속도로 작 동함으로써 뿐만 아니라 고진공 펌프(4)의 다양한 단간 펌프 들에 의하여 포괄될 수 있습니다. 몇 십승의 10^-2 hPa 범위의 압력은 누출 감지기의 가장 높은 감도 단계를 위한 주요 흐름 (밸브 (4)를 경유하여 유입)에서 테스트 표본과 누출 감지기 에서 도달되어야 합니다.

업스트림 터보 펌프로 인하여 질량 분석기는 항상 매우 낮은 전체 압력에서 작동되며, 따라서 오염 및 고장으로부터 잘 보 호됩니다.

7.2.2 석영 창 감지기로 누출 감지기 설계

질량 분광 분석 감지기가 자석 또는 전기장에서의 분리 후 이 온화에 의하여 기체 혼합물을 분리하는 동안, 석영 창 감지기 는 기체의 다른 침투 속성을 사용합니다.

추적 기체 혼합물은 가열된 격막의 석영 표면으로 운반됩니 다. 석영 격막의 운반기 층은 들어오는 모든 기체 원자 및 분 자가 이를 통하여 석영 격막에 도달할 수 있는 수천 개의 구 멍을 가진 실리콘 웨이퍼로 구성되어 있습니다. 분리 자체는 헬륨은 허용하지만 다른 기체는 그것을 통과하도록 허용하 지 않는 석영 격막에서 일어납니다. 격막의 두께와 온도는 헬 륨 테스트 기체의 침투에 영향을 주는 인자들입니다. 기체가 격막을 통과한 후에 들어온 추적 기체는 이온화되고 이온 전 류는 누출률의 척도가 됩니다.

유닛은 진공 연결 플랜지(1)를 사용하여 테스트할 시스템(6) 에 연결됩니다. 연결(3)은 추가 진공 펌프에 선택적으로 연 결될 수 있습니다. 누출 테스트를 준비하기 위하여 이 펌프는 차단 밸브(9)가 여전히 닫혀 있는 동안 유닛의 진공 시스템을 환기할 수 있습니다.

테스트를 위하여 차단 밸브(9)가 열립니다. 선택적인 펌프는 더 높은 시스템 압력에서 센서의 반응 시간을 감소시키는 기 체 흐름을 생성할 수 있습니다.

센서(2)는 진공 상태에서 헬륨의 분압을 측정합니다. 세스템 의 테스트 누츨(7)은 반응 시간을 결정하고 유닛을 보정하기 위하여 사용됩니다.

센서를 보호하고 강한 신호 후에 유닛을 제거하기 위하여 자 동 퍼징이 수행될 수 있습니다. 밸브(4)가 스로틀(5)과 함께 유입구를 열면 센서가 대기 공기와 함께 간단히 제거됩니다.

7.2.3 테스트 방법

누출을 감지하기 위하여 사용되는 테스트 절차는 테스트 표 본의 유형과 요구되는 테스트 결과에 따라 달라집니다. 다음 기준은 표준 DIN EN 1779에서 구성됩니다[34].

누출 감지기는 다음 두 가지 작동 방식을 위하여 장착됩니다.

7.2.4 누출 감지기 보정

누출 감지기는 누출률을 결정하기 위하여 보정되어야 합니 다. 이것은 상업적 테스트 누출을 사용하여 행해지며, 상업적 테스트 누출은 제한된 조건 하에서 알려져 있고 재생 가능한 테스트 기체를 생성합니다. 상업적 테스트 누출은 테스트 기 체 보유고가 있건 없건 침투 누출 또는 모세관 누출의 형태로 사용 가능합니다. 누출 감지기엔 대체로 헬륨 보유고가 있는 침투 누출이 장착되어 있습니다. 보정을 위하여 보정을 자동 으로 수행하는 적절한 작업 사이클이 종종 내장되어 있습니 다.

정밀한 측정을 위하여 유닛은 사용 전에 보정되어야 합니다. 추가 진공 펌프가 사용되는 커다란 테스트 표본을 테스트하 기 위해서는 외부의 테스트 누출을 사용하는 것이 바람직합 니다. 측정 정확도는 테스트 누출이 어디에 부착되어 있느냐 에 따라 달라질 수 있습니다. 결과적으로 진공 영역 내의 흐 름 조건을 고려하는 것이 필요합니다. 외부 테스트 누출의 사 용은 또한 최대 반응 시간을 결정하는 데에 유용합니다.

7.2.5 국부 누출 감지

국부 누출 감지는 테스트 표본의 누출을 확인하기 위하여 사 용됩니다.

진공 방식에서 테스트 표본(용기)은 누출 감지기에 연결되고, 헬륨은 스프레이 건을 사용하여 의심 영역 위에 간단히 분무 됩니다. 테스트 표본의 압력이 분자 흐름 범위에 있을 경우( 예: < 10^-3 hPa), 테스트 속도는 테스트 표본의 속도와 헬륨에 대한 테스트 설정의 효과적인 펌프 속도에 따라 달라집니다. 테스트 표본이 작을수록 또는 사용된 누출 감지기나 보조 펌 프의 속도가 빠를수록 결과는 더 빨리 얻어집니다. 더 높은 압력에서 특히 1 hPa 이상의 층류 흐름 범위에서, 디스플레 이 속도는 훨씬 더 느려지고 누출 감지기의 배압 펌프의 펌프 속도에 의해 좌우됩니다.

그림 7.6의 스니핑 방식에서 테스트 표본(3)은 테스트 기체 초과 압력으로 충진됩니다. 스니핑 프로브(2)는 누출 감지기 의 테스트 기체 연결에 연결됩니다. 테스트 표본에서 누출을 통하여 빠져나가는 테스트 기체는 프로브를 사용하여 스니 핑함으로써 감지될 수 있습니다.

개별 누출은 국부 누출 감지를 사용하여 확인될 수 있습니다. 그러나 모든 누출의 합계는 결정될 수 없습니다. 그것이 이 공정이 품질 보증 목적을 위하여 GO / NO GO 표시장치를 제공하는 데 대하여 제한된 적합성만을 제안하는 이유입니 다.

7.2.6 전체 누출 감지

전체 누출 감지는 전체 누출률 즉 테스트 표본의 모든 누출의 전체 누출률을 결정하기 위하여 사용됩니다. 여기서도 진공 방식과 스니핑 방식이 사용될 수 있습니다.

전체 진공 방식(DIN EN 1779를 따르는 방식 A1, Figure 7.7 오른쪽)에서는 테스트 표본(예: 진공 시스템)이 환기되고 주 변 공간이 제한된 양의 테스트 기체로 충진됩니다. 주변을 에 워싸는 것은 플라스틱 필름 또는 견고한 용기가 될 수 있습니 다. 누출 시 테스트 기체의 농도에 대한 결론이 나오도록 하 기 위하여 또 신뢰할 수 있는 정량적 결론에 도달할 수 있도 록 하기 위하여 테스트 표본이 제한된 양의 테스트 기체에 노 출되는 것이 중요합니다.

에워싸인 테스트 물체를 테스트(DIN EN 1779를 따르는 방 식 B6, 그림 7.7 왼쪽)할 때 테스트 표본은 헬륨으로 충진 되어 인케이싱 진공 용기 속에 놓여집니다. 빠져나가는 테스 트 기체는 누출 감지기에 의하여 확인되고 정량화됩니다.

스니핑 방식에서 테스트 표본은 테스트 기체(DIN EN 1779 를 따르는 방식 B3, 그림 7.8)로 충진되어 에워싸는 용기 속에 놓여집니다. 이전에 설명된 방식과는 반대로 이 용기는 환기를 필요로 하지 않고 대기압 상태에서 유지할 수 있습니 다. 이것은 이전에 설명된 방식에서처럼 덜 엄격한 요구조건 이 장치에 적용됨을 의미합니다. 빠져나가는 기체는 에워싸 는 쉘에 수집되어 테스트 기체의 균일한 농도가 분석 챔버에 존재한다는 것을 보장하기 위하여 테스트(예: 팬 사용) 동안 잘 혼합될 필요가 있습니다. 누출 감지기의 스니핑 프로브는 에워싸는 쉘에 수집된 테스트 표본으로부터 빠져나가는 테 스트 기체의 농도가 증가한다는 것을 결정하기 위하여 사용 됩니다. 이런 방식의 감지 한계는 에워싸는 쉘에서 불감 부 피의 테스트 기체 농도와 테스트 기체 농도의 추가 증가에 의하여 결정됩니다. 이것은 이 방식이 진공 상태 하의 전체 누출 감지 방식보다 상당히 느리고 이 방식의 사용이 일반 적으로 부품 처리량이 제한된 작은 기체 표본에 제한됨을 의미합니다.

테스트 기체를 사용한 누출 테스트 방식과 절차에 대한 상세 한 설명은 당사의 누출 감지 개요서에 포함되어 있습니다.