Контроль герметичности с помощью масс-спектрометрического течеискателя
Наиболее распространенным в вакуумной технике методом контроля герметичности и поиска течей является масс-спектрометриче-ский метод, обладающий высокой чувствительностью. Сущность меТода заключается в регистрации прохождения через оболочку проб ного вещества с помощью масс спектрометра, настроенного на дан ное пробное вещество Отечественной промышленностью выпускается серия масс-спектрометрических течеискателей и измерителей концентрации, настроенных на гелий Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрический анализатор, представляющий собой масс спектрометр с магнитным отклонением пучка ионов
Схема гелиевого течеискателя представлена на рис 7-4 За пределы пунктирного контура вынесены элементы, которые не входят в течеискатель, но постановка которых полезна для удобства работы с течеискателем
Пароструйный и механический насосы служат для создания и поддержания в камере течеискателя давления 2,5 10~и—2,5-10~2 Па (2-10-5—2-10~4 мм рт ст) Напряжение на нагревателе пароструй ного насоса регулируется автотрансформатором
Заливная азотная ловушка предназначена для предотвращения попадания паров рабочей жидкости насосов в масс-спектрометрическую камеру, а также для защиты камеры от загрязнения ее конденсирующимися парами и газами, поступающими от испытуемого обьекы
Дросселирующий клапан Ду 32 (поз 6) служит для сообщения объекта испытании с вакуумной системой течеискателя Клапан Ду 25 (поз 5) служит для отделения масс-спектромегрической камеры от вакуумной системы течеискателя Необходимость в этом возникает, например, при замене катода или чистке камеры. Трехходовые клапаны Ду-8 (поз. /, 2, 3 и 4) служат для управления форвакуумной и предварительной (байпасной) откачкой вакуумной системы механическим насосом, а также для напуска атмосферы в вакуумную систему
Клапаны устроены таким образом, что два канала клапана на рисунке, расположенные в горизонтальной плоскости, постоянно сообщаются между собой, образуя по существу один сквозной канал Третий канал может закрываться и открываться, сообщая соответствующие участки вакуумной системы с линией низковакуумной откачки
Включение течеискателя осуществляется в следующей последовательности Проверяют, все ли клапаны закрыты Включают общее питание течеискателя Включают механический насос Включают термопарный вакуумметр После достижения необходимого разреже ния в форвакуумной линии открывают клапан «Пароструйный насос» Включают нагреватель диффузионного насоса, устанавливают необходимое напряжение питания нагревателя Включают усилитель постоянного тока Времени выхода на режим диффузионного насоса бывает достаточно и для прогрева электроизмерительного блока Спустя 30—35 мин с начала включения течеискателя заливают жидкий азот в ловушку. О том, что в диффузионном насосе полностью сформировались струи и началась высоковакуумная откачка, можно судить по величине давления в форвакуумной линии По прошествии 45—50 мин с момента включения диффузионного насоса, времени, достаточного для его разогрева, закрывают клапан «Пароструйный насос», открывают клапан «Камера», производят предварительную откачку масс-спектрометрической камеры Во избежание сильного замасливания масс-спектрометрической камеры не следует долго оставлять камеру под откачкой механическим насосом После дости жения в ней 5—8 Па (~5-10 2 мм рт ст) следует закрыть клапан «Камера» и открыть клапан «Пароструйный насос» После этого открывают клапан между масс-спектрометрическои камерой и диффузионным насосом При последующем выключении течеискателя масс-спектрометрическую камеру оставляют «под вакуумом» Тогда в дальнейшем отпадает необходимость в предварительной откачке камеры механическим насосом, соответственно уменьшается загрязнение ее парами масла механического насоса (Для удобства работы полезно маховик клапана 5, расположенного между камерой и диффузионным насосом, вынести выше верхней крышки течеискателя) Затем включается магниторазрядныи вакуумметр После достижения рабочего давления в камере включается накал катода ионизатора
Выключение течеискателя осуществляется в обратной последова 1ельности При этом следует помнить, что ловушку необходимо пол нощью разморозить при откачке ее диффузионным насосом При размораживании ловушки клапан 5 должен быть уже закрыт Кла пан «Пароструйный насос» закрывается при остывании нижней части насоса до температуры 60—80°С После выключения механического
насоса необходимо открыть клапан «Атмосфера», напустить атмосферный воздух в форвакуумную линию л закрыть клапан
Перед началом испытаний новой партии приборов необходимо произвести градуировку течеискателя. 1 радуировку следует цроизво дить при рабочем давлении в камере с помощью диффузионной гелиевой течи «Гелит», встроенной в течеискатель. Для этого закрывают клапан Ду-32 (поз. 6), выключают катод ионного источника, выключают магнитный электроразрядный вакуумметр, предварительно переключив его на шкалу 2500 мкА. Разобщают масс-спектрометрическую камеру с высоковакуумной откачкой закрытием клапана Ду-25 (поз. 5). Откачивают гелиевую течь до давления 2,5—5 Па (^2-10~2—3-10~2 мм рт. ст.), открыв для этого клапаны «Камера» и «Гелиевая течь». Закрывают клапан «Камера» и открывают клапан Ду-25 (поз. 5). Включают магниторазрядный вакуумметр и откачивают камеру до давления 2,5-10~3—5-10-3 Па (50—80 мкА по шкале магниторазрядного вакуумметра). Включают катод ионного источника и фиксируют установившиеся показания ат стрелочного прибора выносного пульта управления ВПУ. Закрывают клапан «Гелиевая течь». При этом отсчет течеискателя начнет уменьшаться Рассчитывают чувствительность течеискателя к потоку гелия по формуле
где Sq — чувствительность течеискателя к потоку гелия; Q — величина потока гелия калиброванной гелиевой течи.
Чем меньше численная величина Sq, тем лучше, так как это означает, что меньшему потоку гелия, поступающему в течеискатель, будет соответствовать больший отсчет течеискателя.
Градуировка течеискателей, в которых отсутствует встроенная течь, осуществляется следующим образом. Через клапан 8 (рис. 7-4) к течеискателю подсоединяется калиброванная гелиевая течь. Через клапан 7 подсоединяется вспомогательный насос. Течеискатель включается в рабочий режим. Вспомогательным насосом через клапаны 7 и 8 производится откачка гелиевой течи до давления 2,5—5 Па (~2-10~2—3-10-2 мм рт. ст.). Выключается катод масс-спектрометрической камеры. Закрывается клапан 7, открывается дросселирующий клапан 6 течеискателя. Выключается вспомогательный насос. После установления давления в камере фиксируют показания течеискателя ат Закрывают клапан 8 и после стабилизации показаний течеискателя фиксируют фон аф. Закрывают клапан 6. Производят расчет чувствительности течеискателя.
Хотя градуировка течеискателя производится по потоку гелия, в действительности его масс-спектрометрический анализатор определяет концентрацию гелия в камере. Соответствие установившейся концентрации гелия в камере и потока гелия, поступающего в течеискатель, устанавливается известной формулой.
где PF — давление гелия в камере, Qr — поток гелия в течеискатель, 5Г — быстрота откачки камеры по гелию
Изменение быстроты действия диффузионного насоса по гелию в зависимости от мощности подогрева насоса открывает возможности для регулирования чувствительности течеискателя. При снижении
мощности подогрева снижается быстрота действия по гелию При этом быстрота действия по воздуху в широком диапазоне остается практически постоянной Это позволяет повысить чувствительность течеискателя в результате увеличения давления гелия в камере при том же потоке гелия и сохранении общего давления в камере При изменении мощности, подводимой к нагревателю пароструйного насоса, должна быть произведена повторная градуировка течеискателя
С помощью гелиевого течеискателя может производиться как контроль герметичности, так и поиск течей Для повышения достоверности и обеспечения большей точности измерений градуировку течеискателя следует производить при рабочем давлении в камере, давлении, которое будет в процессе испытаний
Предельные возможности течеискателя характеризуются минимальным потоком гелия, который регистрируется течеискателем
где Доф — максимальная амплитуда флюктуаций фона; 2Д«ф — отсчет течеискателя, принимаемый за достоверный
Расширения предельных возможностей течеискателя (снижения Qmhh) можно достичь повышением его чувствительности (снижением численного значения SQ) в результате снижения мощности подогрева пароструйного насоса Однако следует иметь в виду, что одновременно с повышением чувствительности повышается флюктуация фона Так, увеличение чувствительности при снижении напряжения на нагревателе насоса ниже 180 В полностью компенсируется увеличением флюктуаций фона течеискателя.
С помощью масс-спектрометрического течеискателя контроль герметичности и поиск течей осуществляются способами обдува и гелиевых чехлов (камер), способом щупа, барокамеры, вакуумных присосок и способом накопления Способ обдува и гелиевых чехлов в основном применяется для испытаний вакуумных систем с собственными средствами откачки и элементов вакуумных систем В этом случае на наружную поверхность изделия подается пробный газ Во внутренней полости изделия создается разрежение и фиксируется проникновение в нее пробного газа
Способы щупа, барокамеры и вакуумных присосок применяются для испытаний изделий, в которых нельзя или нецелесообразно создавать разрежение В этом случае в изделии создается избыточное давление пробного газа и фиксируется проникновение его на наружную поверхность Способом вакуумных присосок, кроме того, могут быть испытаны изделия без замкнутой оболочки, например листы металла на сплошность Способ накопления может явиться разновидностью любого из перечисленных способов, за исключением, пожалуй, способа щупа
В вакуумной технике как наиболее чувствительные наибольшее распространение получили способы обдува и гелиевых чехлов, причем первый обычно применяется для поиска течей, второй для контроля герметичности В обоих случаях вакуумная система течеискателя соединяется с вакуумной системой испытуемой установки Рекомендуется подключать течеискатель в формакуумную линию испытуемой установки, как это показано на рис 7-5 Такое подключение обеспечивает максимальную чувствительность испытаний Подсоединять вакуумную систему течеискателя к испытуемой установке лучше всего гибким металлическим шлангом, при отсутствии таково-го — резиновым вакуумным шлангом,
Испытания проводятся в следующей последовательности. В испытуемой установке создают рабочее давление. При создании разрежения в вакуумной системе трубопровод, соединяющий вакуумную установку с тече-искателем, также должен быть откачан до дросселирующего клапана 6 течеискателя. Затем открывают клапан 6 и устанавливают рабочее давление в масс-спектрометрической
камере течеискателя. Если клапан 6 полностью открыт и показания магниторазрядного вакуумметра течеискателя меньше 350 мкА, закрывают клапан 3, направляя весь поток газа, откачиваемого высоковакуумным насосом установки, через вакуумную систему течеискателя. Этим обеспечивается максимальная чувствительность испытаний, в пределе равная чувствительности течеискателя. Включают катод масс-спектрометрической камеры течеискателя и производят обдув гелием испытуемой установки, начиная с той точки рабочей камеры установки, которая наиболее удалена по схеме вакуумной системы испытуемой установки от низковакуумного насоса и которая находится выше других в пространстве, постепенно приближаясь к низковакуумному насосу как по схеме вакуумной системы, так и по расположению в пространстве обследуемых участков оболочки вакуумной системы.
Обдув производят с помощью обдувателя, входящего в комплект течеискателя, присоединяемого к баллону с гелием. На практике не всегда имеется возможность разместить поблизости баллон с гелием. Тогда удобно пользоваться медицинской кислородной подушкой, заполненной гелием. При отсутствии обдувателя в качестве такового может быть использована игла от медицинского шприца или тонкая, сплющенная на конце металлическая трубка.
Проводя испытания разветвленных вакуумных систем с большой длиной соединительных трубопроводов способом обдува, необходимо учитывать временные характеристики течеискателя и высоковакуумного насоса испытуемой установки. Начиная с момента поднесения струи гелия к течи, содержание его в рабочей камере испытуемой установки увеличивается Общее количество гелия в высоковакуумной части испытуемой установки определится разностью потоков гелия, поступающего через течь и удаляемого в результате откачки.
Характер изменения концентрации пробного газа в течеискателе при обдуве испытуемой установки будет аналогичен изменению концентрации пробного газа в галогенном течеискателе при испытаниях способом щупа (см рис 7-3).
Для обеспечения эффективного поиска течей скорость перемещения обдувателя должна быть равна 1 см/с для большинства реальных условий испытаний Снижение скорости перемещения обдувателя неоправданно увеличит длительность испытаний; увеличение скорости перемещения обдувателя может привести к пропуску малых течей.
Способ щупа в масс-спектрометрическом методе, так же как и способ обдува, применяется для поиска течей. Для осуществления этого способа к течеискателю через вакуумный шланг присоединяется щуп. Устанавливается такой поток газа через щуп, чтобы в масс-спектрометрической камере течеискателя поддерживалось рабочее давление. Испытания проводятся так же, как и испытания с применением галогенного течеискателя.
Способ барокамеры отличается тем, что изделие, заполненное пробным газом, помещается в барокамеру, в которой создается разрежение и к которой подключается течеискатель. Этим способом осуществляются операции контроля герметичности, позволяющие численно охарактеризовать суммарное истечение пробного газа из изделия.
Способ вакуумных присосок нашел широкое распространение в вакуумной технике для контроля герметичности элементов вакуумных систем до постановки их в установку и в процессе изготовления. Испытания способом вакуумных присосок проводятся обязательно со вспомогательным низковакуумным насосом, который подсоединяется через клапан 7 (см. рис. 7-4). Через клапан 8 гибким шлангом присоединяется к течеискателю вакуумная присоска. Конструкция вакуумных присосок бывает самая пазличная в зависимости от формы проверяемых поверхностей. Для проверки плоскости это обычно металлический лист необходимого контура с приклеенным к нему по контуру резиновым уплотнителем достаточно большой высоты. Наибольшее распространение получили присоски в виде металлического стакана (рис. 7-6).
Испытания проводятся в следующей последовательности. Испытуемое изделие слегка прижимают к уплотнителю присоски. Вспомогательным насосом производят откачку внутренней полости присоски. При этом атмосферное давление прижимает испытуемое изделие к присоске, обеспечивая надежное уплотнение. Плавно открывают дросселирующий клапан течеискателя. Закрывают клапан, сообщающий присоску со вспомогательным насосом. Проводят испытания.
В зависимости от цели испытаний — поиск течи или контроль герметичности — обдувают испытуемое изделие гелием или создаю! вокруг него гелиевую камеру.
Часто для увеличения надежности создания уплотнения поверхности соприкосновения испытуемого изделия и уплотнителя присоски смачивают вакуумным маслом. Чрезмерное смачивание маслом вредно, так как случайно маслом может быть перекрыта течь. Смачивать лучше только торцевую поверхность уплотнителя.
Для осуществления способа накопления к клапану 7 (см. рис. 7-4) присоединяют вспомогательный насос с относительно большой быстротой действия по воздуху и малой быстротой действия по гелию, например цеолитовый насос. Дросселирующий клапан 6 те-чеискателя заменяют клапаном с малым временем открытия и закрытия, например клапаном с эксцентриковым приводом. Эксцентриковый клапан можно ставить и последовательно с клапаном в тече-иокателе. Испытуемое изделие присоединяют непосредственно к клапану 8 или через короткий трубопровод. В соединительной коммуникации между испытуемым изделием, вспомогательным насосом и течеискателем устанавливают средства измерения давления.
Способ накопления обычно совмещают со способом гелиевых камер. Испытания проводят в следующей последовательности. В крупносерийном производстве испытуемое изделие помещают в герметичную камеру. В лабораторной практике и в единичном производстве вокруг присоединенного к течеискателю испытуемого изделия создают чехол, например, из полиэтилена или другого аналогичного материала. Край чехла дальше проверяемой поверхности закрепляют липкой полихлорвиниловой лентой. Затем включают течеискатель (течеискатель может быть включен заранее). При закрытом эксцентриковом клапане откачивают испытуемое изделие до давления не выше рабочего давления в масс-спектрометрической камере течеискателя. Открывают эксцентриковый клапан. Фиксируют фоновый отсчет течеискателя. Закрывают эксцентриковый клапан. В камеру (или чехол) под незначительным избыточным давлением подают пробный газ — гелий. Фиксируют время его подачи. По истечении времени накопления открывают эксцентриковый клапан и фиксируют максимальный отсчет течеискателя. По разности показаний течеискателя оценивают величину натекания гелия в изделие.
Перед испытаниями производят градуировку метода испытаний. Для этого на изделии устанавливают калиброванную гелиевую течь. Последовательность операций при градуировке аналогична последовательности при испытаниях. Как и при испытаниях, фоновым отсчетом являются установившиеся показания течеискателя при открытом эксцентриковом клапане.
Применением способа накопления можно в десятки и сотни раз повысить чувствительность испытаний, проводимых с применением масс-спектрометрического течеискателя методами обдува и гелиевой камеры.