质谱仪在空间行波管生产中的超灵敏度检漏应用

刘晋允，赵世柯，梁晓峰，于文杰，魏晶慧，于海兵，汪 洋

（1.中国电子科技集团公司第十二研究所，北京 100015；2.普发真空技术（上海）有限公司，上海 200127）

0 引言

空间行波管是卫星通讯系统中重要的功率放大器件，广泛应用于卫星通讯、导航定位、微波遥感等领域[1-2]。由于产品在空间的不可维护性，保证空间行波管具有极低的漏率成为实现其高可靠、长寿命的必要条件。四极质谱仪是利用四极杆电场对不同质荷比离子的筛选作用，实现质量分离，具有高灵敏度、高分辨率、体积小、质量轻的优点。通过监控示漏气体离子流，四极质谱仪可用于漏率小于10-12Pa·m3/s的超灵敏度检漏[3-4]。目前一般商用检漏仪检漏下限为5×10-13Pa·m3/s，清华大学在2003年研制出我国第一台灵敏度为10-15Pa·m3/s的检漏仪[5]，2017年卢耀文等[6-7]研制出下限为10-16Pa·m3/s的检漏仪。然而，在空间行波管实际生产过程中，尽管所有零部件均通过了检漏，但因空气中的水气、尘埃等常导致微小漏孔发生堵塞现象[8]，使得用再高灵敏度的仪器也无法检出漏孔。另外，在电真空器件高温排气过程中，有缺陷的材料、焊缝等经长时间烘烤后，也会发生漏气。所以在电真空器件封离前，进行超灵敏度检漏是非常重要的[9-12]。

本文结合空间行波管的实际生产过程，在排气台上测试四极质谱仪的检漏性能。期望为实现空间行波管的高可靠、长寿命提供保障。

1 排气系统

整管排气是空间行波管封离前的最后一道工序，器件经高温烘烤使得在封离时内部压力达到超高真空10-8～10-7Pa。图1为空间行波管烘烤排气系统。

图1 空间行波管烘烤排气系统Fig.1 Baking exhaust system of space traveling wave tube

2 质谱仪检漏性能测试与可靠性验证

2.1 质谱仪检漏灵敏度测试

将漏率为1.8×10-8Pa·m3/s的标准漏孔接入排气台1个阀7对应的工位，其余3个工位均密封。测试前，对排气台系统进行高温烘烤除气。压力达到10-7Pa后，开质谱仪，待压力稳定，且离子流稳定后，关闭阀门1、2、3，可测得本底He离子流变化率X0。开漏孔后，可测得标准漏孔的He离子流变化率Xs。利用式（1）对质谱仪灵敏度Qmin进行计算[5]：

式中：Qs为标准漏孔漏率，Pa·m3/s；采用累积法检漏时，X0为He离子流的本底增长率，A/s；Xs为打开标准漏孔后的He离子流增长率，A/s。

图2为不开漏孔时He离子流随时间的增长曲线。由于抽气通路关闭，系统内本底He的累积导致X0=2.4×10-16A/s。图3为开漏孔后，He离子流随时间的增长曲线。可以看出，标准漏孔He离子流变化率Xs=1.7×10-10A/s。

图2 累积法测试的系统本底的He离子流变化Fig.2 Time dependent ion current of He background under accumulation mode

图3 累积法测试的标准漏孔的He离子流变化Fig.3 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a reference leak of 1.8×10-8Pa·m3/s

结合测试结果以及标准漏孔漏率Qs=1.8×10-8Pa·m3/s可知，在空间行波管实际生产过程中，利用质谱仪检漏的灵敏度可达1.9×10-14Pa·m3/s，优于一般商业检漏仪约一个量级。

2.2 质谱仪检漏的可靠性验证

为验证质谱仪检漏的可靠性，实际测试了一支已确定漏气的空间行波管。测试前，该管用商业检漏仪未检出漏。对该管进行正常的真空烘烤排气处理，然后用累积法进行检漏。漏率Ql由式（2）获得[5]：

式中：Xl为漏气行波管的He离子流增长率，A/s。

测试过程为：A时刻打开标准漏孔，选用系统平衡后的BC段进行离子流增长率拟合，得Xl=2.6×10-12A/s，结合标准漏孔漏率可得该空间行波管的漏率为2.8×10-10Pa·m3/s，测试结果如图4所示。

图4 累积法测试的空间行波管的He离子流变化Fig.4 Time dependent ion current of He under accumulation mode with a Leaky Space TWTs

该漏气空间行波管在前期未能检出漏，分析认为是因空气中的水气或尘埃将漏孔堵塞，造成了不漏的假象，但不漏是暂时的。经高温烘烤和抽气，漏点暴露。维持该支空间行波管内部真空，将外侧暴露大气24 h后，同样采用累积法进行检漏，发现漏孔再次被堵上。接着又对其进行第二次烘烤，漏点暴露。

由此可知，漏率为10-10Pa·m3/s量级的漏孔在大气中非常容易堵塞。而烘烤可使水气的张力下降，并加速蒸发。因此，可在空间行波管烘烤排气后，在排气台上利用质谱仪尽快对怀疑漏气的行波管进行检漏。若无法确定是否漏气，可对其进行高温烘烤，并重新检漏核查。

2.3 排气台不同工作状态下质谱仪的检漏灵敏度测试

因累积法为静态测试方法，He离子流处于积累过程，漏孔的定位相对困难。另外，累积法测试过程须将抽气通道关闭，而一般质谱仪正常工作时，要求压力低于5×10-2Pa。这导致在一些实际生产工作状态下，质谱仪的工作环境无法保证。所以，结合排气台的工作状态，对不同动态条件下质谱仪的检漏灵敏度进行了测试。当采用动态法检漏时，式（1）中X0为质谱仪本底He离子流，A；Xs为被测漏孔的He离子流，A。

利用上节中漏率为2.8×10-10Pa·m3/s的空间行波管进行动态检漏测试。图5为排气台在七种不同工作状态下的He离子流变化曲线。表1给出了七种工作状态下的动态检漏灵敏度。

图5 漏率为2.8×10-10Pa·m3/s的空间行波管在排气台不同工作状态下的He离子流变化Fig.5 Time dependent ion current of He under seven different dynamic modes with a leaky Space TWTs of 2.8×10-10Pa·m3/s

表1 排气台在不同工作状态下的动态检漏灵敏度Tab.1 The leak detection sensitivity under seven different dynamic modes

比较状态1～4与状态5～7，后三组工作状态下的检漏灵敏度相较前四组高了近一个量级。即分子泵阀1打开相较关闭状态，漏孔引起的He离子流变化量非常小。这是因为示漏气体He会被分子泵抽走，没能被质谱仪采集到。比较状态5、6和状态7的测试结果可看出，离子泵阀3关闭较打开状态的灵敏度高出约半个量级。同样是因为分流现象，导致He大部分被离子泵组抽走。由于离子泵组较分子泵组对惰性气体的抽气能力要弱，所以分流作用对状态1～4的影响要小。若放气点为A，工作状态为7时，不考虑器壁的吸附作用，He均经过质谱仪被泵抽走，此时检漏灵敏度非常高，达到8.3×10-12Pa·m3/s。若同时打开阀1（状态3），结合管道流导预估（阀1管道DN100，阀2管道DN35）仅有约1/30的气体流经质谱仪。此时检漏灵敏度降为3.1×10-10Pa·m3/s。综上，动态检漏时，应尽可能在工作状态7下进行。

3 结论

本文针对空间行波管微小漏孔常发生堵塞的问题，结合空间行波管的实际生产过程，建立了器件封离前的超灵敏度检漏方法，对其检漏性能及可靠性进行了测试与验证。主要结果表明：（1）在排气台上利用质谱仪检漏可靠，灵敏度达到1.9×10-14Pa·m3/s，可对器件经烘烤后出现的漏孔进行定位。为完成高可靠空间行波管的封离提供有效保障；（2）采用动态检漏时，检漏下限可达8.3×10-12Pa·m3/s。若以检漏为目的安装质谱仪时，应考虑气体的分流问题，有必要单独设置一路经过质谱仪的抽气通道；（3）漏率在10-10Pa·m3/s量级的漏孔在大气中易被堵塞，烘烤可使漏点暴露。在实际生产中，可对无法确定是否漏气的器件进行烘烤，重新检漏核实。