Главная / Полезная информация / Гелиевый течеискатель

Как работает гелиевый течеискатель: масс-спектрометрический метод, схемы обдува и щупа и единицы потока натекания — справочник 2026 года

Опубликовано: 2026-05-13 · Обновлено: 2026-10-26 · Интермера

Гелиевый течеискатель — специализированный масс-спектрометрический прибор для поиска микротечей и контроля герметичности вакуумных камер, криогенных сосудов, теплообменников и корпусов микроэлектроники. Его чувствительность достигает 10⁻¹² Па·м³/с. Прибор настроен на регистрацию ионов гелия-4: это ионы ⁴He⁺ с отношением массы к заряду m/z = 4, которые проникают сквозь микродефекты стенки или сварного шва и попадают в вакуумированный анализатор. Это справочник на октябрь 2026 года: почему пробным газом выбран именно гелий, как устроен течеискатель, чем вакуумный метод отличается от метода щупа, как переводить единицы потока течи и как отличить настоящую течь от виртуальной.

Почему для поиска течей используют именно гелий-4

Пробный газ должен легко проходить сквозь дефект, не вредить людям и изделию и уверенно выделяться на фоне остальных газов. Гелий-4 подходит по всем пунктам. Физических причин пять:

1. Инертность и нетоксичность. Гелий не горит и не вступает в химические реакции, поэтому с ним безопасно работать и он не повреждает испытуемое изделие.
2. Малый размер атома и малая масса. Атомная масса гелия-4 — 4,0026 а.е.м. Маленький и лёгкий атом быстро проходит сквозь микропоры и капилляры.
3. Ничтожный естественный фон. В сухом атмосферном воздухе у поверхности Земли гелия около 5,24 ppm, или 0,000524 % по объёму, а его парциальное давление — около 0,53 Па. Поэтому даже слабый поток гелия через течь заметен на фоне.
4. Нет соседних пиков в масс-спектре. Пик m/z = 4 лежит между пиком водорода H₂⁺ с массой 2 и пиками многозарядных ионов углерода и азота и не накладывается на них, поэтому его легко выделить.
5. Доступность. Гелий — распространённый технический и лабораторный газ. Например, гелий высокой чистоты служит газом-носителем в газовой хроматографии, о чём мы писали в статье о газовом хроматографе и газах-носителях.

У гелия есть ещё одна особенность, которую нужно помнить при работе: он в 7 раз легче воздуха и быстро поднимается вверх. От этого зависит порядок обдува, о нём ниже.

Принцип работы масс-спектрометрического гелиевого течеискателя

Газ из испытуемого объёма попадает в анализатор. Там молекулы ионизируют, ионы разделяют по отношению массы к заряду в магнитном поле, а ионы гелия собирают на коллекторе и измеряют их ток. Чем больше гелия проходит через течь, тем больше ионный ток, и прибор пересчитывает его в поток течи.

Из чего состоит прибор

• Ионный источник с горячим катодом. Электроны из раскалённого катода ионизируют остаточный газ электронным ударом. Работать источник может только в высоком вакууме: давление во входной ячейке масс-спектрометра — не выше 10⁻² Па (10⁻⁴ мбар).
• Магнитный секторный анализатор на 180° или 90°. Магнитное поле отклоняет ионы по траекториям, которые зависят от отношения массы к заряду, и на коллектор проходят только ионы ⁴He⁺.
• Электрометрический усилитель. Ионный ток гелия очень мал, его усиливает электрометр, и по этому сигналу прибор показывает поток течи.
• Вакуумная система. Форвакуумный насос создаёт предварительное разрежение, а турбомолекулярный насос (ТМН) — высокий вакуум в анализаторе.
• Встроенная калиброванная гелиевая течь. Это эталонный источник гелия с известным потоком; по нему прибор автоматически настраивает чувствительность.

Ионный источник включают только после того, как откачана форвакуумная часть. Форвакуумное давление контролируют отдельным датчиком, например вакуумметрами Пирани Stanford Research Systems.

Прямоточная и противоточная схемы

Турбомолекулярный насос и анализатор можно включить двумя способами.

• Прямоточная схема. Газ из изделия поступает на высоковакуумную сторону, туда же, где стоит анализатор, и откачивается ТМН через эту область. К ионному источнику приходят все газы из изделия, включая тяжёлые молекулы и пары, а давление на входе должно быть таким, чтобы в ячейке оно не превышало 10⁻² Па.
• Противоточная схема (Counter-Flow). Гелий подаётся на межступенчатый вход или в форвакуумную линию ТМН и диффундирует навстречу потоку откачки в анализатор. Это возможно потому, что коэффициент компрессии ТМН для лёгкого гелия на несколько порядков ниже, чем для тяжёлых молекул азота, кислорода и паров масла.

В противоточной схеме турбомолекулярный насос работает как фильтр: тяжёлые газы и пары масла он задерживает, а гелий пропускает к анализатору. Испытуемый объём при этом подключён со стороны форвакуума, а не прямо к ячейке, где давление должно оставаться не выше 10⁻² Па.

Метод обдува и метод щупа при испытаниях на герметичность

У гелиевого течеискателя два основных режима: вакуумный метод, когда гелий снаружи, а внутри изделия вакуум, и метод щупа, когда гелий внутри изделия под давлением. Для запаянных изделий есть ещё метод накопления и опрессовка.

Вакуумный метод: обдув гелием снаружи

Испытуемый объём откачивают и подключают к входу течеискателя, а сварные швы и фланцы снаружи обдувают тонкой струёй гелия из пистолета. Если в шве есть сквозной дефект, гелий проходит внутрь, попадает в анализатор, и сигнал растёт. Минимальный регистрируемый поток в этом режиме — до 10⁻¹²…10⁻¹³ Па·м³/с.

Обдувать вакуумную установку нужно строго сверху вниз. Гелий в 7 раз легче воздуха: при обдуве снизу он мгновенно всплывает к верхним фланцам и, если течь есть там, даёт ложное срабатывание. Прибор покажет течь, пока вы обдуваете нижний шов, хотя на самом деле она выше. При обдуве сверху вниз гелий уходит в уже проверенную зону.

Метод гелиевой камеры

Это вариант вакуумного метода: изделие помещают в камеру с гелием, а его внутренний объём откачивают и подключают к течеискателю. Гелий окружает сразу всё изделие, поэтому прибор показывает суммарный поток через все течи, но не их место. Чтобы найти конкретный дефект, после камеры переходят к обдуву.

Метод щупа (Sniffer)

В изделие подают избыточное давление гелия или гелиево-воздушной смеси, а снаружи вдоль швов ведут капиллярный щуп, который втягивает газ в течеискатель. Предел чувствительности здесь ограничен атмосферным фоном гелия: щуп втягивает не только газ из течи, но и окружающий воздух, в котором гелия около 5,2 ppm. Поэтому порог метода щупа — около 10⁻⁷…10⁻⁸ Па·м³/с, на несколько порядков выше, чем у вакуумного метода.

Метод накопления и опрессовка для запаянных изделий

К герметичным запаянным микросхемам и датчикам нельзя подключить фланец. Для них применяют два приёма:

• Метод накопления. Гелий, выходящий из изделия через течь, собирают в закрытом объёме вокруг него, пока его не станет достаточно для измерения, а затем анализируют течеискателем.
• Опрессовка (Bombing test), или метод «аквариума». Изделия выдерживают в гелии под давлением, чтобы гелий проник внутрь корпуса через возможные течи. Затем их помещают в вакуумную камеру, подключённую к течеискателю, и регистрируют гелий, который выходит обратно.

Единицы измерения потока течи и их перевод

Поток течи, или поток натекания, выражают как произведение давления на объём газа, прошедшего через дефект за секунду. Поэтому все его единицы имеют вид «давление × объём / время», а различаются они тем, какими единицами давления и объёма пользуются.

• Па·м³/с — системная единица СИ и ГОСТ. Паскаль, умноженный на кубический метр, — это джоуль, поэтому 1 Па·м³/с = 1 Вт.
• мбар·л/с — единица европейской вакуумной практики: 1 мбар·л/с = 0,1 Па·м³/с, то есть 1 Па·м³/с = 10 мбар·л/с.
• атм·см³/с (std cc/s) — американская практика: 1 атм·см³/с ≈ 0,1013 Па·м³/с ≈ 1,013 мбар·л/с.
• Торр·л/с — единица на основе торра: 1 Па·м³/с = 7,5006 Торр·л/с.

Миллибар и торр — внесистемные единицы давления, которыми в вакуумной технике пользуются наравне с паскалем. Как они соотносятся и какие бывают степени разрежения, мы разбирали в статье о вакууме, единицах давления и вакуумметрах.

Наглядный ориентир: поток 10⁻⁶ мбар·л/с, или 10⁻⁷ Па·м³/с, соответствует проникновению примерно одного пузырька газа объёмом 1 мм³ за 15 минут. Вакуумный метод регистрирует потоки ещё на пять–шесть порядков меньше.

Как отличить сквозную течь от виртуальной течи и газоотделения

Если давление в вакуумной камере падает медленно, причин может быть три. На вакуумметре они выглядят похоже: давление плохо падает. Различить их помогает обдув гелием.

• Реальная сквозная течь — дефект, соединяющий камеру с атмосферой: пора или трещина в шве, негерметичный фланец. При обдуве этого места гелием течеискатель показывает рост сигнала.
• Виртуальная течь — газ, запертый внутри самой камеры: в резьбе глухого отверстия, закрытого винтом, или в непроваре изнутри. Он медленно вытекает в откачиваемый объём, и давление плохо падает, хотя связи с атмосферой нет. На внешний обдув гелием такая течь не реагирует: гелию некуда проникнуть.
• Газоотделение стенок — выделение газов, поглощённых стенками и материалами внутри камеры. Давление тоже снижается медленно, а на гелий установка тоже не реагирует.

Если обдув сверху вниз по всем швам и фланцам не дал сигнала, а давление всё равно падает плохо, ищите виртуальную течь или газоотделение. Для полной диагностики состава атмосферы в камере применяют квадрупольные анализаторы остаточных газов (RGA). Они снимают весь спектр масс, и по пикам видно, что мешает откачке:

• пары воды — m/z = 18;
• азот или CO — m/z = 28;
• кислород — m/z = 32;
• аргон — m/z = 40;
• углеводороды.

Если вместе видны азот, кислород и аргон, в камеру, скорее всего, попадает атмосферный воздух. Если преобладают пары воды, чаще причина в газоотделении стенок. Для такой диагностики подходят, например, анализаторы остаточных газов RGA100, RGA200 и RGA300 Stanford Research Systems: линейка охватывает массы от 1 до 300 а.е.м. и поддерживает режим поиска течей по гелию.

Итог

• Гелиевый течеискатель — масс-спектрометрический прибор, настроенный на ионы ⁴He⁺ с m/z = 4; его чувствительность достигает 10⁻¹² Па·м³/с.
• Гелий выбран за инертность, малый размер и массу атома, ничтожный фон в воздухе (около 5,24 ppm), отсутствие соседних пиков в спектре и доступность.
• Прибор состоит из ионного источника с горячим катодом, магнитного секторного анализатора, электрометрического усилителя, форвакуумного и турбомолекулярного насосов и встроенной калиброванной течи.
• Вакуумный метод с обдувом снаружи находит течи до 10⁻¹²…10⁻¹³ Па·м³/с; обдувать нужно сверху вниз. Метод щупа ограничен фоном гелия в воздухе и работает примерно до 10⁻⁷…10⁻⁸ Па·м³/с.
• 1 Па·м³/с = 10 мбар·л/с = 9,869 атм·см³/с = 7,5006 Торр·л/с.
• Виртуальная течь и газоотделение на обдув гелием не реагируют; состав газа в камере показывает анализатор остаточных газов.