Методическое пособие 225

единен к высоковакуумной системе; при большом и нестабильном фоновом сигнале, создаваемом механическим насосом (если этот сигнал нельзя устранить).

Схема в позволяет получить наиболее высокую чувствительность в широких пределах изменения объема, различных потоках газовыделения проверяемых элементов и системы в целом, а также при различной длительности подачи гелия. Эта схема обеспечивает возможность максимального отбора газа в течеискатель, малое время установления сигнала и тем самым наибольшую чувствительность (если поступление газов из форвакуумной линии приводит к увеличению фонового сигнала). Давление гелия в форвакуумной части определяется уравнениями:

Здесь индекс гелия «г» опущен, а индексы 1 и 2 относятся к высоковакуумной и форвакуумной частям системы. Обычно объем V2 форвакуумной части невелик, и дополнительная задержка из-за 2 незначительна; однако чувствительность течеискания по схеме в определяется быстротой откачки механического насоса, так как равновесное давление гелия равно Q1/S2. Схема в дает выигрыш в чувствительности до S1/S2 103 сравнительно со случаем подключения течеискателя к высоковакуумной части.

До тех пор, пока через течеискатель пропускается предельно допустимый поток, наименьшая обнаруживаемая течь не зависит от числа параллельных линий откачки и лимитируется суммарным газовым потоком испытуемой вакуумной системы. Наибольшая чувствительность достигается в условиях, когда весь газовый поток линии, к которой подсоединен течеискатель, меньше или равен максимально допустимому потоку через течеискатель, а механический насос этой линии отключен. При испытании больших объемов следует сводить к минимуму объем форвакуумной линии, к которой присоединен течеискатель, а также применять пароструйные насосы с большой быстротой откачки.

В случае очень малых (узких и длинных) каналов течей на временные характеристики течеискания может оказать влияние

30

время проникновения газового потока через течь. Время установления стационарного потока пробного газа через течь может быть относительно велико, например для канала течи с радиусом 0,15 мкм при потоке воздуха Qв=4,25 10–11 м3 Па/с время достижения стационарности 13,1 с.

Испытания на герметичность вакуумных систем можно проводить с помощью масс-спектрометрических измерителей парциальных давлений, устанавливаемых наряду с манометрическими преобразователями на высоковакуумных системах. С их помощью можно оценить общую герметичность по содержанию кислорода в остаточных газах системы. Места течей устанавливают по изменению пиков масс-спектра, соответствующих выбранному пробному газу. Наименьшая обнаруживаемая течь при таких испытаниях оказывается сравнительно большой из-за значительной быстроты откачки пароструйных насосов. В качестве пробных веществ целесообразно применять аргон и гелий.

Разнообразие объектов исследования по объему и рабочим характеристикам обусловливает разнообразие способов осуществления масс-спектрометрического метода. Это способ обдува и гелиевых чехлов (камер), способы щупа, барокамеры и вакуумных присосок, способ накопления.

Способы обдува и гелиевых чехлов (камер) применяют при испытаниях непрерывно откачиваемых вакуумных систем, причем первый для обнаружения мест течей, второй — для определения степени герметичности оболочки проверяемой системы или ее элемента, оперативного выявления негерметичных участков и течей сложной конфигурации, повышения чувствительности испытаний систем с большой постоянной времени откачки.

Гелиевую камеру обычно используют для испытаний малогабаритных систем; при контроле крупногабаритных систем камеру можно заменить полиэтиленовым чехлом. Способ гелиевых чехлов или камер даст более объективные и точные результаты (значения потока натекания через течи), чем способ обдува. При обдуве больше сказываются разбавление гелия воздухом, временные характеристики течей и испытаний, возможность невыявления течей вследствие быстрого перемещения обдувателя над отдельными участками испытуемой поверхности или случайного пропуска этих участ-

31

ков. Для проведения испытаний течеискатель соединяют с испытуемой системой по одной из схем, показанных на рис. 6.

Испытания по схеме а проводят в следующем порядке: откачивают систему 1 и все соединительные коммуникации вспомогательным насосом 4; при достижении в системе давления менее 10 Па плавно открывают дроссельный клапан 2, устанавливая в течеискателе рабочее давление pраб pдоп; включают течеискатель 3 и приступают к поиску течей; по мере обнаружения и устранения течей плавно открывают дроссельный клапан. После полного его открытия перекрывают клапан 5, отделяющий механический насос, если давление в течеискателе не начнет превышать предельно допустимое, при котором обеспечивается минимальная наименьшая обнаруживаемая течь. Иногда полному открытию дроссельного клапана мешает высокое предельное остаточное давление механического насоса, тогда перекрывают механический насос. Если давление при этом не уменьшается, насос не является причиной повышения давления и его следует подключить вновь.

Испытания по схемам б и в проводят в следующем порядке: откачивают механическим насосом 4 систему 1, включая патрубок, соединяющий ее с течеискателем; если в системе удается получить давление меньше предельного выпускного давления пароструйного насоса 6, включают пароструйный насос; если включить пароструйный насос невозможно, откачку системы проводят только механическим насосом; плавно открывая дроссельный клапан течеискателя 2, устанавливают в системе течеискателя рабочее давление; включают катод и приступают к поиску течи.

Если после устранения ряда течей давление в системе понизится настолько, что окажется возможным включить пароструйный насос, следует его включить и продолжать испытания после достижения в системе высокого вакуума.

По мере обнаружения и устранения течей плавно открывают дроссельный клапан течеискателя 2. Если при полностью открытом дроссельном клапане давление в течеискателе 3 ниже рабочего, то для увеличения чувствительности течеискателя по схеме в перекрывают механический насос системы (давление при этом не должно превышать рабочего), закрыв клапан 5, и стремятся работать на более чувствительных шкалах течеискателя путем компенсации фоновых сигналов.

32

вых заготовок для вакуумных систем и их незамкнутых, а также газонаполненных элементов.

При испытаниях вакуумные присоски устанавливают на проверяемые участки поверхности, с противоположной стороны которых подается гелий. При проверке незамкнутых элементов (например, сварных швов обечаек) подачу гелия можно осуществлять с помощью полиэтиленового чехла, наклеенного на поверхность липкой лентой. Присоску предварительно откачивают механическим насосом и соединяют с течеискателем с помощью специального штуцера. Схема испытаний с помощью присосок показана на рис. 7.

При применении присосок испытания рекомендуется проводить в такой последовательности: по течи «Гелит», установленной на входе течеискателя, определить цену деления sQ; установить присоску на заведомо герметичном участке проверяемой поверхности; открыть клапан 6 (при этом дроссельный клапан 2 течеискателя открыт, клапан 4 закрыт), зафиксировать время начала откачки и откачать присоску до давления, не превышающего 7 Па; перекрыть клапан 6 и открыть клапан 4. Через заданное время после начала от-

33

качки присоски определить фоновый сигнал ф; значение ф определить несколько раз, переуплотняя присоску, и подсчитать разброс фоновых сигналов ф и значение Qмин по формуле (11).

Установить присоску на проверяемый участок и, проведя те же операции, что и при определении значения ф, зафиксировать сигнал течеискателя ; если ( – ф)<(2-3) ф, проверяемый участок следует считать герметичным в пределах чувствительности, определяемой величиной Qмин.

При малом разбросе фонового сигнала ф можно повысить чувствительность испытаний путем компенсации фонового сигналаф и перевода измерений на более чувствительную шкалу. Разбросф не должен превышать 10-20 % по выбранной шкале.

Измерения проводят следующим образом: включают компенсационную схему течеискателя и при одновременном переключении шкалы плавной регулировкой компенсирующего напряжения уменьшают показания выходного прибора так, чтобы стрелка установилась на расстоянии одной трети от начала отсчета выбранной для измерения шкалы. Измеряют скомпенсированные показания выходного прибора течеискателя к. Затем переключатель шкал переводят в исходное положение и тумблером выключают компенсацию (положение потенциометра схемы компенсации при этом не должно меняться).

После уплотнения присоски на контролируемом участке через заданное после начала откачки время измеряют сигнал выходного прибора течеискателя. Если ф, следует тумблером включить компенсацию и перевести измерение на более чувствительную шкалу. Если отклонение полученного сигнала от к не превышает (2-3) ф, течь отсутствует.

Способ барокамеры применяют для проверки герметичности элементов вакуумных систем, работающих в вакууме под избыточным давлением.

Для проведения испытаний элемент помещают в откачиваемую барокамеру. Внутреннюю полость элемента заполняют гелием или смесью, содержащей гелий. Течеискатель подсоединяют к барокамере, как и в схемах на рис. 6, б и в, и, проградуировав систему, определяют значения sQ, Qмин по формулам (8) и (9). Порядок про-

34

ведения испытаний такой же, как и при применении способа обдува гелиевых чехлов по схемам б и в (см. рис. 6).

Испытания с применением накопления проводят в следующем порядке: с помощью течи «Гелит», установленной на барокамере, определяют цену деления выходного прибора течеискателя по объему гелия в системе испытания. Для этого при подсоединенных течи и сорбционном насосе отключают пароструйный насос и определяют цену деления шкалы выходного прибора течеискателя, м3 Па/мВ:

sQ=Q t/( – ф). (12)

Затем перекрывают течь «Гелит»; откачивают барокамеру пароструйным насосом до установившегося давления; отключают пароструйный насос; определяют фоновый сигнал течеискателя ф через определенное время t после отключения пароструйного насоса; подсоединяют пароструйный насос; заполняют внутреннюю полость изделия гелием или смесью с концентрацией гелия nг; отключают пароструйный насос; определяют сигнал течеискателя через то же время t.

Суммарный поток гелия оценивают по формуле

35

Щуп 1 представляет собой засасывающее устройство, проводимость которого обеспечивает прохождение через него потока 2 10–3-10–2 м3 Па/с; оптимальным является поток (2-5) 10–3 м3 Па/с.

Расстояние между всасывающим соплом щупа и входом в вакуумный объем должно быть минимальным. Соединительный шланг 2 должен быть герметичным и обладать предельно малым газовыделением и «памятью» по гелию. Длина шланга также должна быть минимальной, но достаточной для исследования наиболее удаленных участков системы. Рекомендуется применять шланги, состоящие из металлических трубок с короткими резиновыми вставками.

Щуп с присоединительным шлангом можно заменить капиллярным зондом, представляющим собой длинный гибкий капилляр из коррозионностойкой стали с распределенным вакуумным сопротивлением. Капилляр длиной 4-5 м при диаметре 0,1-0,2 мм создает рабочий поток газа (4-6) 10–3 м3 Па/с. Капиллярный зонд не требует регулирования и обеспечивает высокую стабильность газового потока.

Испытания способом щупа проводят в следующем порядке: заполняют испытуемое изделие гелием до максимально допустимого давления для данного изделия; присоединяют щуп 1 со шлангом 2 (или капиллярный зонд) к входу течеискателя 5; механическим насосом 6 через клапан 7 откачивают систему трубопроводов и шланга, клапан 7 оставляют открытым; регулируют проводимость щупа так, чтобы поток всасываемого им газа составлял (2-5) 10–3 м3 Па/с. Регулировать поток можно по сигналу манометрического преобразователя на входе течеискателя. Потоку (2-5) 10–3 м3 Па/с соответствует давление 7-30 Па; открывают входной клапан течеискателя так, чтобы давление в анализаторе составляло 0,01 Па; проверяют чувствительность течеискателя, поднося всасывающее сопло щупа или свободный конец капиллярного зонда к диффузионной течи типа «Гелит», закрытой пробкой со сквозным отверстием диаметром 0,1-0,2 мм (можно использовать пробку, которой комплектуется течь «Гелит»); компенсируют фоновый сигнал на удобную для работы шкалу; перемещая щуп вдоль поверхности испытуемого изделия, заполненного гелиевой смесью, определяют место течи. При приближении к месту течи поток газа, всасываемого щупом, обогащается гелием, что индицируется течеискателем.

36

Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяют по формулам (8) и (9). При градуировке щуп подносят к отверстию в пробке течи «Гелит» на расстояние около 0,2 мм. Чувствительность в значительной мере зависит от скорости перемещения и расположения щупа относительно течи. В связи с тем, что при градуировке и испытаниях трудно добиться идентичности условий, зарегистрированный поток через течи можно оценить лишь ориентировочно. Поток газа через течь в зависимости от давления в испытуемом элементе можно оцепить по формуле для вязкостного режима.

Для повышения точности испытания целесообразно проводить с помощью насадки, повторяющей профиль обследуемой поверхности, с тем, чтобы большая часть гелиевого облака захватывалась щупом. Точнее расположение места течи рекомендуется определять зондом, оканчивающимся иглой.

Герметичность всего элемента системы или отдельной его части можно проверить, собрав вытекающий через течи гелий в полиэтиленовый чехол, содержащий атмосферный воздух. Степень герметичности определяют по повышению концентрации гелия в чехле, измеряемой с помощью щупа в начале и в конце накопления.

Способ накопления основан на накоплении пробного газа, проникающего через течи в объем, изолированный от откачной системы, и последующем перепуске накопленного гелия в течеискатель после откачки всех остальных газов цеолитовым насосом (цеолит плохо откачивает гелий; быстрота откачки менее 10–4 л/с). После окончания периода накопления tн в объеме накапливается давление гелия pг=Qтtн/V, а при подсоединении объема к течеискателю поток гелия через течеискатель равен pгSг=SгQтtн/V. Если чувствительность течеискателя равна QМИН, то время накопления должно быть не менее tн=QМИНV/SгQт. Полагая

37

QМИН=10–14 м3 Па/с, V=10 л, Sг=10 л/с, получаем, что за время выдержки 20 ч можно накопить в испытуемом объеме количество ге-

лия, достаточное для обнаружения течи Qт=1,4 10–18 м3 Па/с. Реальная чувствительность будет меньше из-за газоотделения.

Осуществить испытания по способу накопления с применением цеолитового насоса можно, например, с помощью простейшей установки, вакуумная схема которой показана на рис. 9. Установка позволяет производить накопление в нескольких испытуемых элементах одновременно или осуществлять замену и откачку одних элементов, в то время как в других происходит накопление.

Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяется значением и стабильностью фоновых гелиевых потоков в испытуемой системе. Для уменьшения этих потоков в соединениях системы применяют металлические уплотнения. В части системы, которая лишь на короткое время отделяется от средств откачки, можно устанавливать резиновые уплотнения. Для присоединения к течеискателю проверяемых деталей и сборочных единиц следует использовать специальные быстроразъемные приспособления, обеспечивающие высокую степень герметичности при малом газовыделении.

Испытания по способу накопления проводят в следующем порядке (см. рис. 9): открывают клапаны 3, 6, 8, 12 и откачивают систему форвакуумным насосом 11 (клапан 2 закрыт); закрыв клапан 12 и открыв клапан 2, откачивают систему высоковакуумным насосом течеискателя или вспомогательным высоковакуумным насосом, если объем проверяемого объекта велик; охлаждают цеолитовый насос 9 жидким азотом; закрывают клапан 3, а затем 6 и осуществляют накопление фонового гелия в элементах 5 в течение времени t; закрывают клапан 2; кратковременным открытием клапанов 6 перепускают накопленный газ в объем цеолитового насоса; открывают клапан 4, перепускают накопленный фоновый гелий в течеискатель 1, зафиксировав максимальный сигнал ф на ленте самопишущего потенциометра, и закрывают клапан 2.

Ввиду возможной нестабильности фона такой опыт рекомендуется повторить несколько раз и определить среднее значение ф

и ф — максимальный разброс фоновых сигналов относительно

38