真空氦检检测方法
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当前，大型真空系统被广泛应用于航空航天、核电及高能物理等领域，为了确保这些系统能顺利达到规定的真空度（及洁净度），在合理设计真空获得系统的基础上，必须使装置的泄漏低于允许限值[1]。大型复杂系统的氦质谱检漏历来是劳动强度大、专业素质要求高、耗时长而繁琐的任务，某些应用领域对检漏结果的准确性要求也很高。由于大型真空系统的响应时间长，所需持续施氦并监测的时间往往很长[2~4]。为了实现漏孔的快速准确检测，需采用一种既不影响检漏灵敏度，又能缩短检漏时间、提高检漏效率的方法。本文分析了检漏信号的形成过程、检漏数据变化规律，建立动态氦质谱检漏信号的数学模型，基于该模型进行数据拟合分析推算，提出一种漏率快速准确检测的方法。
1氦质谱检漏信号分析
以单一漏孔（可看作一条粗细均匀的圆管）的氦泄漏信号为例，分析检漏信号的形成规律。检漏仪质谱室中氦分压建立是一个动态过程：氦气通过单一漏孔直接进入到检漏仪，一部分在检漏仪质谱室中建立氦分压，另一部分被真空系统抽走。氦分压与单位时间进入质谱室的氦气量、检漏仪质谱室处的氦抽速有关。当初始氦分压为零或可以补偿至零时，其函数关系见式（1）公式（1）反映了检漏仪质谱室内氦分压与时间的关系，而检漏仪测量信号同质谱室内的氦分压线性对应，也具有同样的变化规律。当本底为零时,检漏信号与喷氦或充氦后的检漏时间有如下关系：（1）施氦最初t＝0，检漏信号为0；（2）检漏信号随喷氦检漏时间延续而增大，检漏时间足够长，即t∞时测量信号达最终稳定值，也是最大值QHeSHe；（3）系统反应时间τ决定检漏信号变化的快慢。检漏时间持续到系统反应时间τ的3倍时，测量信号将达到最终稳定值的1-e-3=95%；检漏时间持续到系统响应时间的5倍时，测量信号将达最终稳定值的1-e-5=99%，此后继续延长检漏时间，测量信号的增量也不会超过最终稳定值的1％。通常对检漏结果不确定度没有特殊要求的情况下，为了提高检漏效率，持续施氦时间超过检漏真空系统响应时间3τ后，即确定测量信号已达到最终稳定值的95%以上，则可以读取检漏信号。实际检漏过程中，受检漏系统最小可检漏率δQ所限，当充氦时间足够长以致仪器无法分辨氦泄漏信号的微小增量时，检漏仪就会以一个稳定的示值输出。通常情况下该稳定示值与漏孔真实漏率的偏差小于δQ/Q0×100％。也就是说，检漏结果同漏孔真实漏率的偏差不仅与施加示漏气体后读取信号的时机有关，也与系统的最小可检漏率相关。根据密封安全要求，合理确定检漏方法、搭建检漏系统并标定后，检漏结果的精准度主要取决于持续供氦后的监测时间[5~6]。
2漏率快速准确检测方法探讨
基于上述检漏仪实测信号的分析，对于大空腔抽真空检漏，检漏真空系统的响应时间较长，由公式（1）和图1可知，检漏信号若要达到绝对稳定所需持续供氦与监测的时间很长。为了保证检漏结果的准确性，即便监测时间设定为3倍的系统响应时间，完成检漏仍将需要很长的时间。实际上对于单一漏孔，其检漏信号有典型规律可循（上节已作详细分析），如果能根据前期较短时间的检漏数据及其信号规律来预测出测量信号的最终稳定值，对被检漏孔的漏率做出准确预估，理论上是完全可行的，从而不必保持很长的供氦及候检时间来等待仪器示值最终稳定。这种漏率快速检测方法将显著提高大空腔抽真空检漏的效率。如前节所述，氦质谱检漏仪的测量信号与质谱室中氦分压的变化线性相关，单一漏孔泄漏引起的检漏信号及质谱室中氦分压的变化，都是检漏时间的一阶指数衰减函数。据此，建立单一漏孔的真空检漏信号数学模型如式(2):利用加氦检漏前期的实测数据，绘制检漏信号曲线L(s)；通过数据处理分析软件，基于模型（2），进行曲线拟合，绘制拟合曲线L(n)；根据拟合曲线的解析式，可分别获取模型中的各参数yz、A1及t1。由式（1）、（2）及图1可知，将ΔU=-A1代入式（3），即可求出被检部位的漏率。子流信号变化，VQ0———标准漏孔的标称漏率，Pa•m3/s本文利用数据分析和图形描绘软件Origin，实现上述漏率快速准确预测方法。图2中曲线L1为某漏孔实测检漏信号曲线，L2是曲线L1以式（2）为数学模型的拟合曲线，即一阶指数衰减拟合曲线。由图2曲线相似程度及Origin提供的拟合结果报告中的数据可判断拟合曲线是否真实地反映检漏数据的实际变化规律，从而确定能否根据拟合函数准确预判被检部位的漏率。拟合结果报告（ResultsLog）详尽给出了拟合曲线与实测数据曲线的相关性，包括拟合曲线的函数关系式、残差平方和、测定系数（R-square，为相关系数的平方）、函数关系式中有关参数及各参数的误差等。根据检漏数据拟合曲线的函数表达式，读取拟合函数的参数A1，将ΔU=-A1代入式（3），即可求出被检部位的漏率。假如不等到信号最终稳定就停止供氦，测试系统只能获取到停止施氦前的检漏信号，图3中L3是以施氦伊始计时0s~650s之间的检漏信号曲线，对这些数据以一阶指数衰减函数拟合得曲线L4。两组数据一阶指数衰减拟合函数的各参数及其误差见表1、表2。利用Origin提供的拟合比较工具加以分析：经F检验得F=0.03641，P=0.9907。由P值可知，两组数据在95%的置信级别上无显著统计差异；按全部和前半部分检漏数据进行拟合，求得检漏信号（即A1值分别是0.04370V和0.04406V）同实测检漏信号（0.04215V）之间的相对偏差均小于5%。可见，按此方法分析测试数据，仅用前半段检漏数据就能准确判断被检漏孔的漏率，可以将检漏时间至少缩短至原先的一半。综上可知，在明确检漏信号的数学模型后，按以下数据处理方法预测最终稳定漏率是可行的：利用早期的部分检漏数据，按已知函数类型拟合，求函数极值即可准确预测被检部位的最终稳定检漏信号，进而求出漏孔漏率，这将显著减少施氦并持续泄漏监测的时间，大大提高检漏效率。对于复杂系统，如多级串联漏孔，其氦泄漏信号形成机理相对较复杂，目前检漏界尚无定论。检漏实践中经常遇到这种复杂漏孔，要准确预测这种被检漏孔的漏率，还需深入分析并建立该类漏孔检漏信号的数学模型，再按该数学模型对实测数据拟合以确定相关参数[7~10]。
3应用实例
在某大容器整体负压检漏中，因系统响应时间较大，该容器上某被检部位的检漏信号呈缓慢上升趋势。按上述漏率预测方法，分别取前15min和35min的检漏数据，采用一阶指数衰减函数模型对该检漏信号拟合，绘制曲线见图4。其中，L5为实测数据连线，L6、L7分别是用前15min和35min的检漏数据进行一阶指数衰减拟合获得的曲线。由拟合结果分析可知，按前15min和35min的检漏数据进行拟合，求得检漏信号（即A1值分别是652mV和658mV）同实际测得检漏信号（662mV）之间的相对偏差均小于2%。根据拟合与实测所得的检漏信号同标准漏孔校准信号比对，求得被检部位的最终稳定漏率均为1.4×10-8Pa•m3/s。这就是说，对于这种简单漏孔，在准确掌握其检漏信号形成规律的前提下，根据前15min的检漏数据可以准确预知其实际漏率；持续延长泄漏监测的时间，检漏最终结果的准确性改善程度有限。
4结束语
根据上述理论分析、实验研究及实际应用情况，本文提出以下漏率快速准确检测方法：在能够准确掌握漏孔的氦泄漏信号形成规律前提下，通过建立其数学模型，代入早期足量检漏数据以拟合分析出检漏信号的时间函数，实现漏孔漏率的准确速判。这将显著提高大型真空系统的负压检漏效率。