3.2. Методы течеискания

При изготовлении вакуумных систем из-за пор или трещин в материалах возможно появление течей. Из-за малых размеров дефектов, вызывающих течи, визуально обнаружить их практиче­ски невозможно. Для определения места течей разработаны сле­дующие методы течеискания: а) пробного газа; б) высокочастот­ного разряда; в) люминесцентный; г) радиоизотопный; д) пузырь­ковый.

Метод пробного газа получил наиболее широкое распростра­нение. После получения вакуума в испытуемом объекте место, проверяемое на наличие течи, обдувается пробным газом, кото­рый вместо воздуха начинает поступать в этот объект. Изменение состава остаточных газов в вакуумной системе можно зарегист­рировать с помощью вакуумметра, показания которого зависят от рода газа, или масс-спектрометра, настроенного на пробный газ.

Для предотвращения повышения давления проверяемый объ­ект должен находиться под непрерывной откачкой (схема испы­тания показана на рис. 3.7). Источник пробного газа 1 осуществляет локальный обдув внешней поверхности испытуемого объек­та 4.

Рис. 3.7. Схема вакуумных испытаний методом пробно­го газа: 1 – щуп; 2 – манометр; 3 – га­зоанализатор; 4 – испытуемый объект; 5 – затвор; 6 – насос

В вакуумируемом объекте с негерметичной оболочкой разность показаний вакуумметра при изменении давления воздуха и проб­ного газа:

_(3.11)

где (Q_В и Q_П – потоки воздуха и пробного газа; S_В и S_П – эффек­тивные быстроты откачки насоса в вакуумируемом объекте по воз­духу и пробному газу; K_В и K_П – чув­ствительность изимерителя давления по воздуху и пробному газу; R – относи­тельная чувствительность измерителя давления к пробному газу.

Для получения максимального сигна­ла необходимо выбирать пробный газ, чтобы произведение R(Q_В /Q_П) ∙ (S_В/S_П) максимально возможно отличалось от единицы.

Отношение потока пробного газа Q_П к потоку воздуха Q_В можно записать в следующем виде:

(3.12)

где U_В и U_П – проводимость течи по воздуху и пробному газу; ∆p_В и ∆p_В – перепад давления при испытаниях по воздуху и пробному газу.

При молекулярном режиме течения газа отношение (3.12) можно преобразовать к виду

_(3.13)

где T_В и Т_П – температуры воздуха и пробного газа; М_В и М_П – молекулярные массы воздуха и пробного газа.

При использовании ионизационного манометра для определе­ния герметичности вакуумной системы, откачиваемой пароструй­ным насосом, замещение воздуха на аргон или гелий вызывает 50 % увеличения, а в случае диоксида углерода – 50 % уменьше­ния показаний манометра. Основным пробным газом, применяе­мым при течеискании, является гелий. Благодаря химической инертности он безопасен в работе, малая молекулярная масса обеспечивает его хорошее проникновение через течи, а низкая адсорбируемость позволяет уменьшить постоянную времени испы­таний.

Электрической компенсацией показаний вакуумметра при из­мерении давления воздуха до его замещения пробным газом мож­но повысить чувствительность измерения газового потока. В этом случае фоновый сигнал определяется лишь стабильностью источ­ников питания.

Существенное снижение фонового сигнала можно обеспечить в манометре, отделенном от вакуумной системы селективной мем­браной, пропускающей только пробный газ. Например, палладиевая мембрана, нагретая до 700...800 °С, хорошо пропускает водо­род, оставаясь непроницаемой для всех остальных газов. Чувст­вительность по потоку в этом случае определяется остаточным давлением газов в объеме манометрического преобразователя.

Для того чтобы соотношение S_В/S_П в формуле (3.11) сильнее отличалось от единицы, нужно использовать насосы, быстрота от­качки которых зависит от рода газа. Например, адсорбционный насос, охлаждаемый жидким азотом, значительно хуже откачи­вает гелий, неон и водород, чем воздух.

При использовании газоанализатора для регистрации пробно­го газа фоновый сигнал определяется парциальным давлением пробного газа в воздухе и разность показаний:

где Q_Ф – фоновый поток пробного газа. При выборе пробного га­за, содержание которого в атмосферном воздухе мало, можно счи­тать Q_Ф << 0. Значение Δа при этом много больше, чем в случае применения вакуумметра.

Для индикации появления пробного газа в вакуумной системе используют специальные датчики, чувствительные к выбранно­му пробному газу. Например, в диоде, анод которого выполнен из платины, нагретой до температуры 800...900 °С, при появлении галогенов возникает электрический ток, эмиттируемый анодом по­ложительных ионов.

Высокочастотный разряд в среднем вакууме изменяет цвет в зависимости от рода газа. Если в вакуумную систему вмонтиро­вана стеклянная разрядная трубка, то замена воздуха на пары бензина или ацетона меняет цвет разряда в трубке с розового на серый.

Пробные вещества, способные путем захвата электронов из газового разряда образовывать отрицательные ионы, использу­ются в вакуумных электронно-захватных датчиках. К таким ве­ществам относятся хладон и элегаз. Электроны и отрицательные ионы разделяются по различному отклонению в постоянном маг­нитном поле.

При использовании метода пробного газа необходимо учиты­вать инерционность испытаний. Время, в течение которого дости­гается установившийся сигнал, в 5...6 раз больше постоянной времени откачки τ = V/S_В, где V – объем вакуумной системы. Воз­можности применения этого метода ограничены малыми натеканиями, так как для нормальной работы вакуумметров и газоана­лизаторов требуется наличие в проверяемом объекте высокого вакуума.

Точность нахождения места течи при обдуве пробным газом невысока. Для уточнения места расположения течи проверяемую поверхность покрывают легкоудаляемой вакуумной замазкой (вакуумпласт, тушь и т. д.), которая в момент прекращения проник­новения пробного газа фиксирует место течи. Таким путем течь может быть локализована с точностью до нескольких миллиметров.

Определение негерметичности вакуумных объектов методом пробного газа можно проводить также при повышенном давлении внутри объекта. В этом случае щуп с устройством для всасыва­ния смеси и пробного газа снабжается электронно-захватным, газоаналитическим или галогенным датчиком пробного газа. В электронно-захватных атмосферных датчиках ток газоразряд­ного диода, работающего в газе-носителе, например аргоне, сни­жается при появлении пробного газа за счет рекомбинации по­ложительных ионов газа-носителя и отрицательных ионов проб­ного газа. Газоаналитические датчики используют разность коэф­фициентов теплопроводности воздуха и пробного газа. Чувстви­тельность испытаний при высоких давлениях обычно ниже, чем при вакуумных испытаниях.

Вместо пробных газов иногда пользуются пробными жидкостя­ми: спиртом, эфиром, бензином, ацетоном и т. д. Большая инерционность испытаний, связанная с временем проникновения жид­кости через тонкие капилляры, является существенным недостат­ком применения пробных жидкостей. При радиусе капилляра 10^–4 см время проникновения пробной жидкости достигает не­скольких часов, возрастая пропорционально уменьшению радиуса капилляра. Применение пробных жидкостей и испытаний при вы­соких давлениях целесообразно при индикации грубых течей.

Метод высокочастотного разряда заключается в том, что при приближении электрода высокочастотного трансформатора к мес­ту течи образуется направленный разряд. Появление разряда свя­зано с понижением давления воздуха в месте течи и улучшением условий электрического пробоя газового промежутка. Этот метод удобен для определения течей в стеклянных вакуумных системах.

Люминесцентный метод использует проникновение раствора люминофора в капиллярные течи. Проверяемый объект длитель­ное время выдерживается в растворе люминофора. После удале­ния люминофора с поверхности объекта заполненные капилляры легко обнаруживаются в виде точек или полос при облучении ртутно-кварцевыми лампами. Люминофор – люмоген – дает жел­тое или красное свечение, которое легко отличить от ложных сиг­налов зеленоватого свечения, возникающего от воздушных пу­зырьков в стекле, или голубого свечения жировых поверхностных загрязнений.

Радиоизотопный метод обнаружения течей состоит в том, что испытуемые объекты в течение некоторого времени выдерживают­ся в атмосфере радиоактивного газа. После удаления радиоак­тивного газа и тщательной очистки поверхности от радиоактивных загрязнений излучающими остаются только негерметичные при­боры. Метод применяется для автоматической проверки на гер­метичность малогабаритных полупроводниковых приборов.

Пузырьковый метод относится к числу наиболее простых. В испытуемом объекте создается избыточное давление газа, а объект погружается в жидкость. Место течи совпадает с местом образования пузырьков. Диаметр пузырька в месте его образова­ния равен диаметру капилляра. Погружение испытуемых объек­тов в нагретую жидкость сопровождается повышением давления в соответствии с уравнением газового состояния

(р₂ – р₁)/р₁ = (Т₂ – Т₁)/Т₁ ,

где р₁, Т₁ и р₂, Т₂ – давления и температуры газа до и после нагревания.

Вода может быть нагрета без образования пузырей до 80 °С, что соответствует избыточному давлению 2∙10⁴ Па. При исполь­зовании масла температура может быть повышена до 200 °С, что позволяет получить избыточное давление 6,8·10⁴ Па.