Масс-спектрометрический метод течеискания

Этот метод контроля герметичности основан на выделении ионов пробного газа (которым обдувают места возможных течей) из смеси газов в контролируемом объекте. В большинстве случаев пробным газом служит гелий. Это обусловлено следующими его свойствами: инертностью, малым содержанием в окружающей атмосфере, большой проникающей способностью из-за его легкости и малой вязкости.

Гелиевый течеискатель ПТИ-10 представляет собой высоко чувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию гелия. Сам прибор является вакуумной установкой, состоящей из следующих основных частей: анализаторной части, вакуумной системы и блоков питания и измерения.

В анализаторной части основным элементом является масс-спектрометрическая камера, которая представляет собой цилиндрическую коробку из немагнитного материала со съемной крышкой, которая помещена в зазор постоянного магнита с индукцией В.

Схема работы камеры показана на рис. 5.2.

Рис. 4.2. Схема и принцип работы масс-спектрометрической камеры

1 – катод; 2 – коробка ионизатора; 3, 4, 5 – диафрагмы; 6 – супрессор;

7 – коллектор ионов

Основными рабочими элементами являются: ионный источник и приемник ионов. Ионный источник содержит катод 1, коробку ионизатора 2 и входную диафрагму 3. Приемник ионов содержит входную диафрагму 5, супрессор 6, состоящий из двух сеток, коллектор ионов 7. Вольфрамовый катод эмитирует электроны, которые ускоряются электрическим полем, приложенным между катодом и коробкой ионизатора. В камере ионизации электроны сталкиваются с молекулами газа, поступающего в течеискатель из проверяемого объекта, и вызывают их ионизацию.

Образовавшиеся ионы выносятся в магнитный анализатор напряжением, приложенным между коробкой ионизатора и входной диафрагмой. В нем происходит пространственное разделение ионов по массам под действием постоянного магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов. Ионы под действием лоренцевой силы летят по круговым траекториям с радиусом

,

где R - радиус траектории движения иона, м;

В - индукция магнитного поля, тл;

U - ускоряющее напряжение, В;

m - масса иона, кг;

q - заряд иона, к.

Очевидно, что ионы с различной массой m будут лететь по траекториям с различным радиусом. Ускоряющее напряжение подобрано так, что в приемник попадают только ионы гелия (настройка на "пик гелия"). Коллектор ионов соединен с блоком измерения ионного тока.

Для контроля чувствительности течеискателя служит калиброванная гелиевая течь "Гелит-1".

Рис. 4.3. Стандартная гелиевая течь   1 – стеклянный баллон с гелием; 2 – кварцевый наконечник

Она представляет собой (рис. 4.3) стеклянный баллон 1 с гелием, в который впаян тонкостенный кварцевый наконечник 2. Через этот наконечник газ диффундирует, создавая постоянный поток гелия около 10^-9 м^3*Па/с. Течь установлена в вакуумной системе за дросселирующим входным клапаном, что обеспечивает возможность оценки реальной чувствительности испытаний при рабочем положении этого устанавливается. заглушка или изолируется присоедини­тельная коммуникация.

Рабочий вакуум в масс-спектрометрической камере обеспечивается вакуумной откачной системой (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Вакуумная система гелиевого течеискателя ПТИ-10

1 – входной фланец; 2 – входной клапан; 3 – клапан “откачка камеры”;

4 – клапан “гелиевая течь”; 5 – гелиевая течь; 6 – камера; 7 – клапан “байпасная откачка камеры”; 8 – напускной клапан; 9 – форвакуумный насос; 10 – датчик ПМТ-4М; 11 – вакуумный датчик;; 12 - паромасляный насос; 13 – клапан “дросселирование откачки”; 14 – азотная ловушка;

15 – клапан «откачка паромасляного насоса”

Для создания форвакуума от 4 до 6,7 Па используется вакуумный насос ЭНВР-IД. Паромасляный насос с воздушным охлаждением Н-0,025-2 применяется для получения высокого вакуума от 10^-3 до 4*10^-3 Па. Азотная ловушка установлена для защиты масс-спектрометрической камеры и испытуемого объекта от замасливания.

Для измерения давления в системе имеются два манометрических преобразователя: тепловой термопарный ПМТ-4М, предназначенный для индикации давления в пределах от 0,13 до 13 Па в форвакуумной линии, и магнитный электроразрядный – для индикации давлений в пределах от 1,3*10^–4 до 0,13 Па в высоковакуумном объеме.

Наибольшая чувствительность достигается в условиях, когда весь газовый поток линии, к которой присоединен течеискатель, прокачивается через него. Поэтому испытание объектов, поток газоотделения и натекания которых не превышает максимальный рабочий поток течеискателя, производится при отключенных средствах вспомогательной откачки и прокачке всего газового потока проверяемого объекта через течеискатель.

Для течеискателя ПТИ-10 максимальный рабочий поток – Q_max » 2,6*10^{-4 м3} Па/c. Если объектом испытаний служит вакуумная система в целом, течеискатель предпочтительно присоединить к месту входа в вакуумный насос с тем, чтобы обеспечить обнаружение течей во всех участках системы с наибольшей чувствительностью и оперативностью.

Для испытания объектов без собственных средств откачки могут быть рекомендованы схемы, представленные на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схемы подключения объектов без собственных средств откачки к течеискателю

1 – испытуемый объект; 2 – течеискатель; 3 – вакуумные клапаны;

4 – форвакуумный насос; 5 – высоковакуумный насос

Испытаниям по схеме рис. 4.5, а, как правило, подвергаются объекты небольшого размера с малым газоотделением. При испытании объектов, суммарный газовый поток которых не превышает максимального рабочего потока течеискателя, вспомогательный вакуумный насос целесообразно изолировать сразу после получения в объекте и соединительных коммуникациях предварительного разряжения и проводить испытания при полностью открытом входном дросселирующем клапане. Схема на рис. 5.5, б позволяет обеспечивать высокую чувствительность и быстроту испытаний при изменении в широких пределах объема: газоотделения объектов, длительности поступления гелия через течь. Эта схема обеспечивает максимальный отбор газа в течеискатель.