7.2.1 Aufbau eines Lecksuchers mit Massenspektrometer
Die Funktion von Quadrupol-Massenspektrometern ist in Kapitel 6.1.2 dargestellt. Diese Geräte werden sowohl als reine Restgas- oder Prozessgas-Analysatoren in Vakuumsystemen eingesetzt als auch zur Lecksuche genutzt. Einlasssysteme zur Analyse von Gasgemischen bei höheren Drücken – auch zur Lecksuche – sind in Kapitel 6.1.2.5 beschrieben. Gasanalysesysteme auf der Basis von Quadrupol-Massenspektrometern können als Multigas-Lecksuchgeräte eingesetzt werden.
Die Funktion von Sektorfeld-Massenspektrometern ist in Kapitel 6.1.1 dargestellt.
Auch die in Abbildung 7.2 gezeigte Spektrometerzelle eines Lecksuchgeräts funktioniert nur bei Drücken unterhalb von 10-4 hPa. In Lecksuchgeräten wird dieser Druck durch ein eigenes Pumpsystem erzeugt und aufrecht erhalten. Hierzu sind keine Bedienereingriffe erforderlich.
Abbildung 7.2: Funktion eines Sektorfeld-Massenspektrometers
Lecksucher mit massenspektrometrischen Analysatoren sind nach dem Schema in Abbildung 7.3 aufgebaut.
Abbildung 7.3: Generelles Fließschema eines Lecksuchgeräts
Ein Massenspektrometer (Spektrometerzelle) für die Massen 2, 3 und 4 (entsprechend den Prüfgasen H2, 3He und 4He) ist auf dem Saugflansch einer Turbopumpe (Hochvakuumpumpe) montiert. Eine Vorpumpe evakuiert über das Auslassventil (6) die Turbopumpe. Ein Prüfling (in der DIN EN 1330-8 auch „Prüfobjekt“ genannt) wird über den Einlass bei geöffnetem Ventil (3) evakuiert. Die Ventile (6) und (3) werden so geschaltet, dass der notwendige Vorvakuumdruck der Turbopumpe immer Vorrang vor der Evakuierung des Prüflings hat. Ist der Prüfling evakuiert, so kann er je nach Druckbereich mit dem Vorvakuum oder über das Ventil (4) an eine Zwischenabsaugung der Turbopumpe angeschlossen werden. Nun wird das Prüfgas von außen auf den Prüfling aufgebracht und es dringt zusammen mit der Umgebungsluft durch Lecks in den Prüfling ein. Das im Restgas vorhandene Prüfgas strömt über die Ventile (3) und (6) gegen die Pumprichtung durch die Turbopumpe zur Spektrometerzelle und wird dort nachgewiesen. Man nutzt hierbei die Eigenschaft der Turbopumpe aus, dass sie für Luft ein um mehrere Zehnerpotenzen größeres Kompressionsverhältnis hat als für das leichte Prüfgas Helium.
Während Luft durch das hohe Kompressionsverhältnis der Turbopumpe von der Spektrometerzelle ferngehalten wird, kommen dort leichte Prüfgase mit relativ hohem Partialdruck an. Die Turbopumpe wirkt so als selektiver Filter für Helium und Wasserstoff. Man kann deshalb schon bei Drücken < 10 hPa (bei einigen Geräten auch höher) im Prüfling Helium und Wasserstoff mit der Spektrometerzelle nachweisen. Über verschiedene Zwischenabsaugungen an der Hochvakuumpumpe (4) sowie über deren Betrieb mit verschiedenen Drehzahlen, die das Kompressionsverhältnis exponentiell beeinflussen, kann man einige Zehnerpotenzen des Heliumpartialdruckes und damit auch einen Leckratenbereich im Gegenstrom zwischen 1 und 10-9 Pa m3 s-1 abdecken. Für die höchste Empfindlichkeitsstufe des Lecksuchers (Einlass über Ventil (4)) muss ein Druck im Bereich von einigen 10-2 hPa im Prüfling erreicht und der Lecksucher im Hauptstrom betrieben werden.
Durch die vorgeschaltete Turbopumpe arbeitet das Massenspektrometer immer bei sehr niedrigem Totaldruck und ist so gut gegen Verschmutzung und Ausfälle geschützt.
