氦质谱检漏仪的历史

  氦质谱检漏仪的发展史必须追溯到40年代的初期。检漏仪的历史始于1943年, 当时正处于第二次世界大战期中。当时, 科学家获知德国正在研制一种新型炸弹。这种炸弹的原理就是基于刚刚发现的铀的同位素的裂变现象。罗斯福总统认为必须抢先达到此目的, 于是诞生了“曼哈顿”计划。这个计划的两个目标之一就是研制铀235炸弹（即原子弹）。为此, 必须研制超高灵敏的检漏仪。其原因还得从铀235的浓缩谈起。

      天然铀中含有铀238和铀235两种同位素。能够发生裂变反应的同位素是铀235, 是原子弹的主要原料。可是天然铀中铀235的含量仅0.7%。为此,科学家只能采用气体扩散法,从铀238中把含量甚微的铀235分离出来。气体扩散法分离时铀238的原理是这样的：若有一个极其微小的孔隙, 部么气体分子通过这个微孔的速率取决于它们的分子量。分子量小的气体分子能够较快的通过这些微孔。如果让混合气体通过由多孔膜形成的长管, 就可以成功地把两种气体分离。

铀235是固态, 而扩散分离需要的是气体。为此, 得把金属铀变成氮化物UF6，UF6在室温下就会蒸发。一个不利的因素是。在潮湿气氛中很容易生成腐蚀性很强的氢氟酸和铀的氧化物。铀的氧化物又是危险的易燃易爆材料。这两种情况在气体扩散分离法中应当防止。

在曼哈顿计划中, 铀235的分离是把UF6通过几公里长的多孔管道的扩散后才获得的。

      对整个扩散系统的密封性要求之高是前所未有的。潮湿空气绝对不能进入工艺容器之中。雅可比博士在当时被誉为曼哈顿计划中的橡树岭扩散工厂的总设计师。为了成功的分离出铀235，他对真空检漏技术提出的严格的要求有（1）新的仪器对空气和残余气体的读数是零, 仅对示踪气体有响应。（2）新的仪器本身也是一个抽速较高的真空系统（3）仪表的指示能够反映出漏孔的大小, 漏量的大小。这三点要求实际上构成了研制新型检漏仪器的准则。在研制过程中, 对传统的检漏方法、光谱仪和皮喇尼规进行了考察。发现在实际运用中都存在着不少的缺点。当时,明尼苏达州州立大学的尼尔博士正在研制一种可以记录分子量和原子量大小的质谱仪。经过分析, 雅可比认为如果尼尔博士能够使仪器简化, 那么质谱仪将是一种最好的选择性检漏装置。

      当时还论证了新型检漏装置的示踪气体必须满足三个要求（1）系统的残余气体的质潜中没有它的谱线。即便仪器处于大气环境, 这种气体在仪器中也几乎不存在（2）能够在试验状态下很容易地把它从系统中抽出, 所用的示踪气体不会污染系统（3）分子量低、粘度低、购置方便。显然，氦气是满足这三个要求的最理想的气体。

橡树岭的扩散工厂主要是由大型圆柱形容器构成。容器与油罐车上的油罐的大小相当。厂内的大型容器数以百计，一个又一个的联结在一起。其内部有可以有效分离出铀235的含有微孔的长管。为了防止泄漏，必须对所有容器的器壁进行严格而认真的检漏。

       最初用于橡树岭扩散工厂的氦质谱检漏仪封装在玻壳中。其零部件和管道也是玻璃制成的。抽气装置又用的是玻璃式水银扩散泵。当这些由玻璃封装的检漏仪进入现场后损坏很大。玻璃系统经常破碎，不得不请许多玻璃工进行维修。在当时, 熟练的玻璃工实在太少了。现场的工人经常为此而无端受到严厉的指责，甚至威胁要开除他们（当时处于战争时期, 回想起来真很内疚）。后来参加调试的人员不得不发出最后通谍：如果检漏仪不能作成实用型，他们将拒绝使用。尼尔博士在十分困难的情况下，终于研制成功了金属的质谱计和金属式的真空系统。这也是现代氦质谱检漏仪的雏形。金属式氦质谱检漏仪的研制成功终于适应了扩散工厂对检漏的严格的要求。检漏仪的研制成功为后来原子弹的研制成功作出了历史性的贡献。

        尼尔博士将设计图纸全部交给了通用电气公司并签订了合同，不久后，橡树岭扩散工厂所用的氦质谱检漏仪便全是由美国通用电气公司生产的，在生产过程中, 又作了不少的改进。扩散泵前增加的冷阱便是为改进氦质谱检漏仪所作的新贡献。

       1946年初，真空电子工程公司与电动力学公司合并后也开始生产销售的氦质谱检漏仪。当时, 通用电气公司的氦质谱检漏仪已有若干个型号的产品。真空电子工程公司是由战时的Kellex公司的检漏小组的几位研究生创办的，他们是锐伯,尼尔肯。60年代后, 通用电气公司不再生产检漏仪。几经合并后, 险漏仪由Ametek公司生产。真空电子工程公司生产的检漏仪基本上笼断了这个领域达40年之久。现在用户已可以自由选择国内外生产的不同型号、规格的氦质谱检漏仪。

       1945年以来，氦质谱检漏仪的制造工艺已经有了很大的改进。1947年,检漏仪的灵敏度

均为10-4Pa.L/S；到1970年, 提高到可检测10-7Pa.L/S的漏率；而今天已能能够检测到10-9Pa.L/s的漏率。与此同时, 检漏仪的体积和质量也大大降低。90年代初，最小的氦质谱检漏仪的体积只有0.05m3重约38.5Kg。

       新型的氦质谱检漏仪中已经没有手动阀。现已采用自控阀自动调节运转时的误差。同时用涡轮分子泵取代了油扩散泵, 以捎除可能造成的油返流。计算机技术也在氦质谱检漏仪中获得应用。运转、控制和输出数据均由计算机自动操作完成。典型的示波器已由阴极射线管显像屏所代替。整个操作只须按各种按钮自动进行。新型的检漏仪现在已经可能在个小时内测试2000个半导体元件。氦质谱检漏仪在未来的岁月中还将在许多的工业领域中得到新的应用。