2. 真空密封基础物理

真空密封的所有工程判断，最终都要落到“气体在什么状态下、以多快的速率、从哪条路径进入腔体”这三个问题上。理解气体流动状态，是判断漏率量级、选择检漏方法和评估密封结构是否合格的前提。本节从流动状态出发，逐步建立漏率单位、漏孔类型与检漏原理之间的联系。

一、气体流动的三种状态

气体在管道或漏孔中的流动状态，由克努森数 Kn 决定，其定义为分子平均自由程 λ 与通道特征尺寸 d 之比：Kn = λ / d。平均自由程与压力成反比，因此压力越低、通道越细，Kn 越大，流动越接近分子流。

• 粘滞流（Kn < 0.01）：分子间碰撞占主导，气体表现为连续流体，流量与上下游压差、通道半径的四次方成正比，与气体黏度相关。此时漏率对气体种类不敏感，用空气或氦气测量结果接近。
• 分子流（Kn > 1）：分子与壁面碰撞占主导，分子之间几乎不碰撞，流量与压差的一次方成正比，与气体分子量的平方根成反比。此时氦气因分子量小（4），通过同一漏孔的流量约为空气（29）的 2.7 倍，这是氦检漏灵敏度高的物理基础。
• 过渡流（0.01 < Kn < 1）：两种机制并存，工程上常按经验公式插值处理，是真空系统从粗真空过渡到高真空时最常遇到的状态。

举例说明：一个直径 1 μm 的漏孔，在 1000 Pa 下 λ 约为 0.07 μm，Kn ≈ 0.07，处于过渡流；当压力降到 10 Pa 时 λ 约为 7 μm，Kn ≈ 7，进入分子流。这说明同一漏孔在不同压力下漏率表现完全不同，检漏时必须记录测量时的压力条件。

二、漏率单位与换算

漏率的标准单位是 Pa·m³/s，表示单位时间内通过漏孔的气体量（压力×体积）。工程中常用 mbar·L/s，两者换算关系为：

1 Pa·m³/s = 10 mbar·L/s
1 mbar·L/s = 0.1 Pa·m³/s
1 atm·cm³/s ≈ 0.101 Pa·m³/s ≈ 1.013 mbar·L/s

实际选型时，需要把允许漏率与腔体容积、目标真空度、抽气时间关联起来。例如一个 10 L 腔体，要求在 1 小时内从大气抽到 100 Pa，若泵的有效抽速为 5 L/s，则允许的总漏率应控制在 1×10⁻³ Pa·m³/s 以下，否则漏气会显著拖慢抽气曲线。对于高真空系统（<10⁻³ Pa），允许漏率通常要求低于 1×10⁻⁸ Pa·m³/s，此时必须用氦质谱检漏仪才能分辨。

三、虚漏与实漏的区分

虚漏不是真正的漏孔，而是表面吸附、材料放气、死空间滞留气体在抽真空过程中缓慢释放，表现为“抽不干净”的假象。实漏则是腔壁或密封界面存在贯穿性通道，气体从外部持续进入。两者在抽气曲线上的表现不同：实漏的漏率基本恒定，压力下降后趋于一个稳定值；虚漏的放气速率随表面气体脱附而衰减，压力会持续缓慢下降。

区分方法：关闭泵后观察压力回升速率。若回升曲线呈线性且斜率稳定，多为实漏；若初期回升快、随后明显变缓，多为虚漏。也可用氦气喷吹法：用氦气局部喷吹可疑部位，若检漏仪信号立即上升，则为实漏；若信号无响应而压力仍偏高，则应排查材料放气或死空间。

四、氦质谱检漏原理简介

氦质谱检漏仪的核心是质谱室：气体被电离后，在磁场中按质荷比分离，氦离子（m/z = 4）被专门收集并转化为电流信号。检漏时，将检漏仪连接到被检腔体，外部用氦气喷吹可疑部位。若存在漏孔，氦气通过漏孔进入腔体并被检漏仪捕获，信号上升幅度与漏率成正比。

实际操作中，先用喷吹法定位漏孔大致位置，再用吸枪法或氦罩法量化漏率。判断标准是：信号超过本底噪声 3 倍以上即认为存在漏孔；若信号随喷吹位置移动而明显变化，可进一步缩小漏孔范围。对于分子流条件下的漏孔，氦气响应比空气快约 2.7 倍，因此同一漏孔用氦检漏得到的漏率值需除以 2.7 才能换算为空气等效漏率。

总结来看，气体流动状态决定了漏率的压力依赖性和气体种类依赖性，漏率单位换算是量化比较的基础，虚漏与实漏的区分决定了排查方向，而氦质谱检漏则是把上述物理量转化为可观测信号的手段。四者构成真空密封工程中从物理原理到工程判断的完整链条。