Методическое пособие 225

среднего значения. Течь можно обнаружить, если вызываемый ею сигнал удовлетворяет условию

Далее на изделие надевают чехол (полиэтиленовый или резиновый) и заполняют его гелием; выполняя те же операции, что и при определении ф, фиксируют максимальный сигнал течеискателя ; определяют цену деления течеискателя sQ с помощью гелиевой течи 4. Последнюю операцию выполняют в определенной последовательности: накапливают гелий в течи (все клапаны установки закрыты); открывают клапаны б и 8 и кратковременным открытием клапана 3 перепускают накопленный гелий в цеолитовый насос (клапаны 6 открыты с целью сохранения одинаковых условий испытаний и градуировки); открывают клапан 2 и, перепустив накопленный гелий в течеискатель, регистрируют фоновый сигнал течеискателя от течи г; определяют цену деления выходного прибора течеискателя в соответствии с уравнением (12), а поток гелия, вытекающий в изделие, — по формуле (13).

2. Особенности эксплуатации течеискателей

Галогенный течеискатель. При включении и подготовке течеискателя к работе необходимо дать прогреться спирали в течение 10-15 мин. За это время спираль нагревается до красного каления. Прибор готов к работе в том случае, когда начальный ток датчика 3-5 мкА, т. е. стрелка выходного прибора отклоняется влево за шкалу или вправо не более чем на 45 мкА. При большем отклонении стрелки необходимо проветривать помещение до тех пор, пока отклонения не станут равны 45 мкА.

Для проверки работоспособности галогенного течеискателя можно воспользоваться табачным дымом, для чего необходимо поднести дымящуюся сигарету к насадке щупа на 1-3 с. При этом стрелка выходного прибора должна отклониться на 5-10 мкА.

При работе с течеискателем нельзя подносить щуп на длительное время (более 3 с) к источникам, дающим большие концентрации галогенов, так как это может привести к потере чувствительности течеискателя. Поэтому при появлении сигнала (увеличение частоты звука и отклонение стрелки выходного прибора), т. е.

39

после каждого попадания фреона в датчик, необходимо немедленно удалить щуп от источника фреона до исчезновения сигнала.

При определении места течи рекомендуется одному из студентов, медленно проводя наконечником щупа в непосредственной близости от стенок объема, обследовать предполагаемые места течей. Второй студент в это время должен следить за показаниями выходного прибора течеискателя и за давлением смеси фреона с воздухом в объеме.

Гелиевые течеискатели. При вскрытии камеры масс-спек- трометра студент медленно открывает дроссельный кран, а второй придерживает рукой крышку камеры, иначе при увеличении давления в камере она может упасть. Затем осматривают и очищают камеру и электроды магнитного манометра, а также, если это необходимо, меняют катод ионизатора. После полной сборки камеры один студент надвигает на камеру магнит.

При дальнейшей работе с течеискателем рекомендуется одному студенту осторожно проводить обдув вакуумного объема гелием, а второму следить за изменением давления в течеискателе. Для более точного определения величины воздушного пика гелия необходимо провести его измерения дважды.

Высокая чувствительность приборов реализуется лишь при правильной наладке сложного комплекса их вакуумного и электронного оборудования и при правильной методике течеискания.

Нормальная работа возможна лишь при правильной сборке масс-спектрометрической камеры. Основные детали этой камеры следующие: катодная часть ионизатора, модулирующие диафрагмы и супрессорные сетки коллекторной части. Кроме того, в камере находится манометрический датчик магниторазрядного манометра, от работы которого в значительной степени зависит режим важнейших узлов течеискателя. В масс-спектрометрической камере смонтирован также входной каскад усилителя ионного тока.

Детали ионизатора и коллектора (катод, диафрагмы, сетки) тщательно юстированы для обеспечения попадания ионного тока на коллектор. Поэтому при смене катода, чистке и разборке камеры их положение должно быть зафиксировано (соответствующими рисками и т. п.) и восстановлено в процессе сборки. В частности, при установке нового катода вместо сгоревшего нужно точно отцентрировать катод посредине щели ионизатора на расстоянии 0,6 мм от ее

40

плоскости. Нить катода должна находиться в натянутом состоянии, так как при первом включении нового катода происходит изменение структуры вольфрама и деформация нити. Поэтому при нагреве слишком слабое натяжение нити приводит к ее провисанию или к боковому изгибу, в результате резко уменьшается чувствительность. Однако сильное натяжение нити может привести к разрыву катода.

Электроды магниторазрядного манометра, установленного в камере, обычно сильно загрязняются продуктами разложения вакуумного масла. Очистка их производится с помощью мелкой наждачной бумаги до металлического блеска. При разборке камеры необходимо соблюдать строгую вакуумную гигиену. Не следует без необходимости дотрагиваться до деталей и корпуса камеры, так как имеющиеся на руках следы грязи и жира затруднят потом получение высокого разрежения. Все детали перед установкой на место должны быть тщательно промыты в чистых растворителях (четыреххлористый углерод, спирт, эфир) и высушены; не допускается промывка в бензине и ацетоне, особенно резиновой уплотняющей прокладки, которая от этих растворителей теряет форму. Не допускается применение хлопчатобумажной ткани, от которой на поверхности деталей остаются ворсинки.

Специфическая особенность вакуумной системы течеискателей — применение в них пароструйных насосов с воздушным охлаждением и вымораживающих металлических азотных ловушек. Поэтому перед включением пароструйных насосов всегда следует проверить работу воздушного вентилятора охлаждения. Работа без обдува насоса запрещается. При использовании азотной ловушки следует помнить, что заливка ее азотом должна производиться в два приема. Сначала заливают азот до ¼-⅓ высоты ловушки, и лишь после того, как прекратится бурное кипение азота, ловушку можно залить доверху. Такой порядок охлаждения предотвращает изменение давления в процессе работы при естественном снижении уровня азота в ловушке.

Перед выключением течеискателя сначала должен быть удален азот из ловушки и лишь после ее прогрева выключают пароструйный насос. Такой прием предотвращает попадание паров масла и прочих скопившихся загрязнений в массспектрометрическую камеру. Высокая чувствительность течеиска-

41

телей может быть достигнута лишь в условиях полной герметичности вакуумной системы самого прибора. Поэтому необходимо периодически проверять систему на предельный вакуум: без азотного

охлаждения pпред (3-5) 10–5 Торр.

Нормальная работа течеискателей при сохранении предельно высокой чувствительности предполагает хорошую наладку электронных блоков приборов. Уменьшение эмиссии катода ионизатора с 5 до 3 мА снижает чувствительность течеискателя более чем на порядок. На показания выходного прибора-индикатора влияет напряжение на электродах ионизатора и анодах ламп каскадов усилителя ионного тока. Без необходимости перестройки режима не следует вращать регулирующие элементы электронных блоков, находящиеся на пульте прибора.

Наконец, высокую чувствительность течеискателей можно получить лишь при использовании правильной методики течеискания и оптимальных вариантов присоединения объектов. Наиболее распространенная схема течеискания предусматривает присоединение течеискателя к трубопроводу насоса предварительного разрежения вакуумной системы откачиваемого объема. При этом реальная чувствительность метода сильно повышается, однако постоянная времени оказывается сравнительно большой. В некоторых случаях, особенно в системах с применением сорбционных насосов, течеискатель подсоединяют непосредственно к высоковакуумной части установки. При этом работа без вымораживающей азотной ловушки крайне нежелательна, так как возможно загрязнение сорбционных насосов парами диффузионного масла. Во всех случаях нужно длину трубопровода к течеискателю делать возможно короткой и не прибегать к резиновым шлангам, газоотделение которых весьма велико. Методика течеискания довольно проста. Поиск течи ведут со сравнительно сильной струей обдувающего газа, начиная с предполагаемых мест течей вакуумной системы, расположенных в верхних частях, затем переходят к нижележащим участкам. Такое правило предотвращает ложное срабатывание прибора при попадании поднимающейся струи газа с нижних частей к верхним, поскольку гелий легче воздуха. Длительное применение гелия в закрытых помещениях увеличивает его концентрацию в воздухе и снижает чувствительность метода. Поэтому необходима хорошая вентиляция в рабочем помещении. После приблизительного обна-

42

ружения места течи обычно уменьшают подачу гелия до минимума и уже более точно устанавливают положение и размер микроотверстия. При попадании больших количеств гелия в откачиваемый объем происходит срыв звукового сигнала (тон понижается, и сирена «захлебывается»). При этом из-за низкой быстроты откачки гелия масляными пароструйными насосами течеискателя камера его надолго засоряется гелием. Для продолжения работы необходимо снизить чувствительность течеискателя или выждать время, пока вакуумная система освободится от излишков гелия. В этих случаях рекомендуется, если это возможно, увеличить до предела мощность накала подогревателя диффузионного насоса. Для этого течеискатель снабжен специальным автотрансформатором в цепи подогрева насоса.

Одна из причин неустойчивой работы течеискателя — потеря чувствительности из-за ухода напряжения стабилизаторов. Поэтому при длительных поисках течи в вакуумных системах рекомендуется периодически проверять наличие «воздушного пика» гелия в приборе или, если возможно, включать калиброванную течь и, обдувая ее гелием, проверять реальную чувствительность прибора.

3. Расчетная часть

Суммарный поток натекания в вакуумную камеру складывается из величин газового потока через неплотности в местах соединения узлов рабочей камеры Qнат и потоки газов диффундирующих из атмосферного воздуха в вакуумный объем через стенку, прежде всего через уплотнители и через стенку в местах ее нагрева до высокой температуры Qнат . Тогда

Qнат Qнат Qнат .

Газовый поток

Qнат gнат n,

где gнат — чувствительность течеискателя, n – число мест натекания.

Газовый поток Qнат , проникающий через уплотнитель по разным газам

Qнат Qнат,i ,

43

где Qнат,i характеризует натекание по каждому газу, например N2,

O2, H2, CO.

A Qнат,i Pi gi d ,

где Рi — парциальное давление i-ого газа в воздухе (приложение 15); gi — проницаемость материала уплотнителя для данного газа при разности давления 1 Па и толщине пластины 1 м, [м3 Па/(м2 с)]; А — площадь уплотнителя, м2; d — толщина уплотнителя, м.

Расчет значений проницаемости для иных температур производится по формуле:

g g0e H /(iRT) ,

где Н — энергия активации проницаемости; g0 — константа проницаемости (приложение 15), j=1, j=½ соответственно для неметаллов и металлов.

Задание

Рассчитать суммарный поток газов, натекающих в вакуумную камеру через резиновый уплотнитель марки 7889 площадью А=75 см2 толщиной 1 см, и неплотности в местах соединения узлов.

Методика расчета

1.Рассчитать поток воздуха, проникающий через неплотности

вместах соединения узлов, если число возможных мест натекания 15, проверка осуществляется масс-спектрометрическим течеискателем ПТИ-7 с чувствительностью 0,5 10–11 м3 Па/с (приложение 11).

Тогда

Qнат gтеп n.

2. Рассчитать поток газов, проникающий через уплотнитель по разным газам, т. е.

A QN2 gN2 PN2 d ,

A QO2 gO2 PO2 d ,

A QH2 gH2 PH2 d ,

тогда

44

Qнат QN2 QO2 QH2 .

Суммарный поток газов, натекающих в вакуумную камеру

равен

Qнат Qнат Qнат .

3. Рассчитать поток газов, проникающий через при Т=50 °С.

Содержание работы

1.Включить измерительный блок галогенного течеискателя в сеть, отрегулировать и подготовить его к работе согласно инструкции.

2.Наполнить испытуемый объем смесью фреона с воздухом до давления, несколько превышающего атмосферное — (1,1-1,2 ат).

3.Обследовать объем на течь с помощью щупа, начиная с режима минимальной чувствительности прибора.

4.При обнаружении крупной течи немедленно отвести щуп.

5.Для обнаруженной течи подобрать оптимальную чувствительность галогенного течеискателя, регулируя накал датчика.

6.Увеличить редуктором давление фреона в испытуемом объеме, обнаружить более мелкие течи и подобрать для них соответствующую чувствительность прибора.

7.Записать расположение течей, давление опрессовки, режимы чувствительности и отклонения стрелки индикаторного прибора.

8.Сделать оценки обнаруженных течей в единицах м3 Па/с.

9.Открыть заднюю панель гелиевого течеискателя, вывернуть стопорный винт и извлечь из каркаса постоянный магнит массспектрометра.

10.Напустить атмосферный воздух в камеру через дроссельный кран и вскрыть камеру масс-спектрометра.

11.Ознакомиться с устройством камеры, проверить состояние катода ионизатора и положение анода магнитного манометра.

12.Закрыть камеру, вставить на место магнит и закрыть дроссельный кран.

13.Произвести откачку течеискателя (~1 ч) и включить его манометр согласно инструкции к течеискателю.

14.Произвести регулировку ускоряющего напряжения и пуск индикаторов согласно инструкции (настройка на пик воздушного гелия).

45

15. Проводя обдувателем по вакуумному объему, отметить место расположения течи.

Предупреждения. 1. Фреон в баллоне находится под давлением около 6 ат, поэтому при работе с редуктором необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. 2. Датчик течеискателя следует беречь от отравлений при большой концентрации галогенов в воздухе (фреон, пары четыреххлористого углерода) изза крупных течей, утечки из баллона и т. д. 3. Датчик галогенного течеискателя чувствителен к табачному дыму, поэтому работать следует только в проветренном помещении. 4. При извлечении магнита масс-спектрометра беречь ручные часы от магнитного поля. 5. Дроссельный кран гелиевого течеискателя открывать осторожно, не допуская повышения давления в камере выше 2 10–4 Торр (20 делений по манометру) и возможного перегорания катода. 6. По окончании настройки течеискателя дроссельный кран закрыть.

Контрольные вопросы

1.Какие способы поисков течей Вам известны?

2.Как отличить повышение давления в вакуумной системе, связанное с натеканием, от повышения давления, связанного с газовыделением?

3.Основные параметры натекания; их пересчет на стандартные условия.

4.Как рассчитывается допустимая величина суммарного натекания?

5.Как экспериментально определяется величина натекания?

6.Каков принцип работы галогенного течеискателя?

7.Почему в качестве пробного газа для работы с гелиевым течеискателем выбран гелий, а не какой-либо другой инертный газ?

8.Для чего служит стандартная гелиевая течь? Её устройство.

9.Как определить чувствительность гелиевого течеискателя?

10.Для чего необходимы сетки перед коллектором ионов в камере гелиевого течеискателя?

11.Как провести настройку течеискателя на воздушный пик

гелия?

12.Каким образом производится поиск течи с помощью гелиевого течеискателя?

46

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Розанов, Л. Н. Вакуумная техника [Текст]: учебник для вузов по специальности "Электронное машиностроение" направления "Электроника и микроэлектроника" / Л. Н. Розанов. – 3-е изд., пере-

раб. и доп. – М. : Высш. шк., 2007. – 391 с.

2.Вакуумная техника [Текст]: справочник / К. Е. Демихов,

идр.; общ. ред. Ю. В. Панфилов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2009. – 590 с.

3.Шешин, Е. П. Вакуумные технологии [Текст]: учеб. пособие / Е. П. Шешин. – Долгопрудный : Интеллект, 2009. – 504 с.

47