Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы вакуумной техники. Учебное пособие
.pdf
5. ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНИКИ ТЕЧЕИСКАНИЯ
В настоящее время одной из целей, ради которых проводится измерение парциального состава газа, является контроль герметичности и
нахождение мест течи вакуумных систем.
Любой из масс-спектрометров может быть использован при течеискании в том случае, если натекающий через течи газ (или смесь газов) заменить на пробный. В этом случае
спектрометр на регистрацию только пробного газа, массовое число
которого известно. Однако возможности такого способа течеискания
ограничены. В первую очередь ограничения связаны с необходимостью получения в системе вакуума, достаточного для нормальной работы масс-спектрометра (<10
–2
Па), что не всегда возможно при
начальной сборке системы. Кроме того, этот способ не позволяет осуществлять проверку форвакуумной части системы. Требования высокой разрешающей способности и высокой чувствительности для всех
масс-спектрометров противоречат друг другу. Для измерения малых
потоков натекания необходимо иметь высокую чувствительность массспектрометра и, следовательно, пониженную разрешающую
ность. Масс-спектрометрический метод поиска течей успешно применяется в случае подключения к вакуумным системам специальных
приборов – течеискателей, в систему регистрации пробного газа которых включены специальные магнитные масс-спектрометры с собственной автономной системой откачки.
можно настроить масс-
способ-
5.1. Масс-спектрометрический течеискатель
В настоящее время масс-спектрометрический метод определения
негерметичности ЭВП и вакуумных систем обладает самой высокой
чувствительностью –
до 10
непосредственно к исследуемому объему или входит в состав специального прибора (течеискателя), снабженного также собственными
системами откачки, питания и измерения.
Принцип обнаружения течи заключается в регистрации пробного
газа в исследуемом объеме. При внешнем локальном обдуве пробный
–13м3
Па/с. Газоанализатор подсоединяется
61
газ проникает внутрь объема в месте негерметичности (трещины корпуса, места сварки, фланцевые соединения и т. п.), распределяется по
всей вакуумной системе и, следовательно, может быть зафиксирован
газоанализатором.
Основным пробным газом, применяемым в течеискателе, является
гелий, так как он химически инертен, имеет низкую адсорбционную
способность; благодаря малой массе обеспечивает максимальную (
сле водорода) проникающую способность; содержание гелия в воздухе
мало (~ 5 · 10
–4
%), так что фоновый сигнал атмосферы небольшой.
по-
Массовое число иона гелия равно 4 а.е.м. Оно значительно отличается от ближайших к нему соседних массовых чисел (пиков) в спектре
(водород, углерод). Это позволяет снизить разрешающую способность
масс-спектрометра до ρ = 1. Магнитный масс-спектрометр для регистрации ионов гелия с ρ = 1 прост
с очень большой чувствительностью (до 7,5 · 10
, малогабаритен и может быть сделан
–6
А/Па).
На чувствительность течеискателя влияют динамические процессы
установления парциального давления гелия в системе. Рост давления
гелия в первом приближении описывается уравнением
Q
He
, (5.1)
S
He
где Q
ма (Q
Pt e
() 1
He
– поток гелия через течь; SHe – скорость откачки гелия из объе-
He
, SHe – const(t)); V – объем системы. Так как газоанализатор фик-
He
сирует предельное равновесное давление гелия в объеме
S
He /
tV
Q
P
He
, то
пр
S
He
для повышения чувствительности требуется уменьшать быстроту от-
S
качки по гелию. Однако с уменьшением
(τ = V/ S
) системы и соответственно растет задержка индикаторного
He
растет постоянная времени
He
сигнала течеискателя (т. е. время измерения).
При малых потоках натекания для повышения чувствительности
используется метод дросселирования. Он заключается в уменьшении
скорости откачки гелия из исследуемого объема и камеры спектрометра путем изменения проходного сечения коммутирующих вентилей.
В случае, когда исследуемый объем имеет собственную вакуумную
систему, снабженную механическим и диффузионным насосами, для
повышения чувствительности целесообразно подсоединять течеискатель на участке вакуумпровода между этими насосами, где давление
гелия максимально. Выигрыш в чувствительности по сравнению с
непосредственным подключением спектрометра к высоковакуумной
части составит (из условия постоянства потока Q = P
62
= P2S2):
1S1
PS
12
(5.2)
PS
21
10
3
(индексы 1 и 2 относятся к форвакуумной и высоковакуумной частям
системы).
Получение максимально высокой чувствительности основано на
применении сорбционных методов откачки. Применение дополнительных ловушек (азотных, сорбционных) приводит к накоплению гелия в объеме, так как он не откачивается этими ловушками.
Пороговая чувствительность течеискателя для контроля исследуемого объекта определяется следующим
можно пренебречь). По кривой P(t)
ния воздуха за время
∆t, соответствующее изменению давления ∆Р
Q
в
образом (если газовыделением
оцениваем средний поток натека-
VP
в
. (5.3)
t
:
в
Отношение потоков гелия и воздуха имеет вид
QPU
He He He
где U
QPU
ввв
и Uв – проводимость течи по гелию и воздуху.
He
, (5.4)
При молекулярном режиме течения получаем
QP TM
He He He в
, (5.5)
QP TM
вв вHe
где M
и MHe – молекулярные массы воздуха – 29 и гелия 4. Таким об-
в
разом, при одинаковом перепаде давлений и температуре пороговая
чувствительность течеискателя по гелию должна быть выше:
M
M
в
He
2, 7
QQ Q
He вв
. (5.6)
5.2. Течеискатель гелиевый ПТИ-10
Масс-спектрометрический течеискатель типа ПТИ представляет
собой передвижную вакуумную установку, состоящую из следующих
основных частей: анализаторная часть (масс-спектрометрическая ка-
63
мера с магнитом), вакуумная система и электронные блоки измерения
и питания.
В описании приняты следующие обозначения составных частей
ПТИ-10.
Блок измерения ионного тока – БИИТ (включая усилитель по-
1.
стоянного тока).
Блок питания камеры – БПК (блок питания).
2.
Блок измерения давления – БИД (система измерения давления).
3.
Блок питания вакуумных клапанов – БПВК (блок питания).
4.
5.
Панель управления – ПУ (система управления ручн/авт.).
Назначение. Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель
ПТИ-10 предназначен для испытаний на герметичность различных систем и объектов, допускающих откачку внутренней полости, а также
заполненных гелием или смесью, содержащей гелий. Течеискатель
ПТИ-10 является универсальным прибором, рассчитанным на все виды
контроля герметичности с применением гелия в качестве пробного газа.
Погрешность определения величины течи данным прибором не
нормируется.
Технические данные. Минимальный регистрируемый поток гелия
без дросселирования – не более 1 · 10
6,6 · 10
–13
м3 Па/с (дросселирование – снижение быстроты откачки ка-
–11м3
Па/с, с дросселированием
меры анализатора).
В течеискателе имеется стрелочный индикатор с регулировкой
громкости и порога срабатывания, а также световой индикатор течи.
Полное время прогрева – 2 часа.
После одного часа откачки механическим и паромасляным насосами устанавливается давление 10
лочного прибора БИД).
При повышении давления до величины 10
–3
Па (5 делений средней шкалы стре-
–2
Па (85–100 делений –
БИД) и при внезапном прорыве атмосферного воздуха в высоковакуумный объем течеискателя срабатывает вакуумная блокировка: отключается накал катода ионного источника масс-спектрометрической камеры.
При отключении сетевого напряжения автоматически перекрывается линия предварительного разрежения паромасляного насоса и
напускается атмосферный воздух в механический насос.
64
5.3. Принцип действия течеискателя
R
Течеискатель представляет собой высокочувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию гелия, с автономной системой откачки.
Для проведения испытаний на герметичность вакуумным методом
предварительно откаченный испытуемый объем соединяется с массспектрометрической камерой течеискателя и обдувается гелием (или
помещается в чехол, заполненный гелием).
Течь идентифицируется по увеличению сигнала масс-спектромет-
, вызываемому повышением парциального давления гелия в масс-
ра
спектрометрической камере.
Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрическая камера, содержащая ионный источник и приемник ионов. Камера помещается между полюсами постоянного магнита.
Накаленный вольфрамовый катод ионного источника эмитирует
электроны, которые ускоряются в электрическом поле между катодом
и коробкой ионизатора. Магнитное поле, действующее
ления движения электронов, фокусирует электроны в узкий пучок, поступающий в коробку ионизатора через отверстие, расположенное под
катодом.
В камере ионизатора электроны сталкиваются с молекулами газа,
поступающего в течеискатель из проверяемого объема, и вызывают их
ионизацию. Образовавшиеся ионы вытягиваются из камеры ионизации
ускоряющим электрическим полем, действующим в направлении, пер
пендикулярном электронному пучку. Поток ионов через выходную
диафрагму источника поступает в анализатор.
В анализаторе (анализатором здесь называется область массспектрометрической камеры, в которой ионы движутся от источника к
коллектору ионов) происходит пространственное разделение ионов по
массам под действием постоянного магнитного поля, направленного
перпендикулярно направлению движения ионов и заставляющего их
двигаться
по круговым траекториям, радиусы которых зависят от мас-
сы ионов в соответствии с формулой
2
210
MU
(5.7)
,
H
где H – напряженность магнитного поля, А/м; R – радиус траектории
движения иона, м; U – ускоряющее напряжение, приложенное между
вдоль направ-
-
65
камерой ионизатора 2 (рис. 5.1) и диафрагмой 3, В; М – массовое число
иона, равное отношению его массы к числу зарядов (m /q) а.е.м. При
постоянных значениях H и U радиус траектории зависит от массового
числа иона. Таким образом, в магнитном поле происходит разделение
ионного пучка на ряд отдельных лучей.
1
2
3
B
76
E
Рис. 5.1. Схема статического магнитного масс-спектрометра:
1 – термокатод; 2 – камера ионизатора; 3 – выходная (вытягиваю-
щая) диафрагма ионного источника; 4 – траектории ионов разных
масс; 5 – входная диафрагма коллектора ионов; 6 – супрессорная
сетка коллектора ионов; 7 – коллектор ионов
5
4E
M
3
M
2
M
1
M> M > M
Анализатор масс-спектрометрической камеры течеискателя –
180-градусного типа. Траектории ионов в нем от ионного источника к
приемнику ионов имеют вид полуокружностей. Анализатор такого типа обладает фокусирующим действием; ионы определенной массы,
выходящие из источника расходящимся пучком, вновь собираются в
узкий сходящийся пучок в плоскости входной диафрагмы коллектора.
Радиус траектории ионов, попадающих
мы приемника, 3,5 · 10
–2
м при величине Н = 0,17 А/м.
Изменением ускоряющего ионы поля Е
в отверстие входной диафраг-
осуществляется настрой-
уск
ка камеры на пик гелия. Чтобы на коллектор попадали только ионы
гелия, обладающие полным запасом энергии, и отсеивались и задерживались рассеянные ионы, потерявшие часть своей энергии в результате соударения со стенками камеры или с нейтральными молекулами
газа и случайно попавшие на рабочую траекторию, перед коллектором
66
помещают так называемую супрессорную систему. Между двумя сетками супрессорной системы создается тормозящее ионы электрическое
поле Е
. Величина напряжения, подаваемого на супрессор, может
супр
меняться в пределах от 40 до 100 В. Коллектор ионов соединен с входом электрометрического каскада усилителя постоянного тока. Для
обеспечения высокой чувствительности регистрации предусмотрена
электронная компенсация тоновых сигналов, дающая возможность регистрировать сигналы, вызываемые течами, на чувствительных шкалах
выходного прибора блока измерения ионного тока.
контроля чувствительности течеискателя служит калиброван-
Для
ная гелиевая течь «ГЕЛИТ-1».
Рабочее давление в масс-спектрометрической камере обеспечивается откачной системой. Контроль давления в линии предварительного
разрежения и в высоковакуумном объеме течеискателя осуществляется
с помощью манометрического преобразователя ПМТ-4М и магнитного
электроразрядного преобразователя.
Управление вакуумной системой течеискателя при его включении
и работе производится
с помощью клапанов.
Вакуумная система течеискателей содержит семь сильфонных клапанов – из них пять ручных и два с электромагнитным приводом. Схема вакуумной системы гелиевого течеискателя приведена на рис. 5.2.
Клапан VE2 – «НАПУСКНОЙ» – электромагнитный, предназначен
для напуска воздуха в механический насос при выключении течеискателя, открывается автоматически с задержкой во времени относительно времени закрытия клапана VE1 «ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО
НАСОСА». Это необходимо для предотвращения попадания атмосферного воздуха в горячий паромасляный насос.
Клапан
VП1 – «БАЙПАСНАЯ ОТКАЧКА КАМЕРЫ» – ручной, со-
единяющий масс-спектрометрическую камеру при байпасной откачке
механическим насосом.
Клапан V2 – «ОТКАЧКА КАМЕРЫ» – ручной, соединяющий массспектрометрическую камеру с откачной системой течеискателя. Наличие этого клапана обеспечивает возможность изоляции камеры во время размораживания ловушки и вскрытия паромасляного насоса.
Клапан VF1 «ВХОДНОЙ» – ручной, дросселирующий, предназначен для
регулирования потока газа, поступающего из испытываемого
объема (или щупа) в масс-спектрометрическую камеру.
Клапан VПЗ «ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ» – ручной, открывается при проведении калибровки течеискателя по гелиевой течи «ГЕЛИТ».
67
Рис. 5.2. Схема вакуумной системы гелиевого течеискателя
Клапан VF2 «ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ» – ручной, дросселирующий, предназначен для регулировки быстроты откачки массспектрометрической камеры паромасляным насосом и, следовательно,
для изменения чувствительности течеискателя.
Клапан VЕ1 – «ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА», автоматически закрывается в аварийном режиме, изолируя высоковакуумный
насос от фортракта. Открывается клапан кнопкой «ПАРОМАСЛЯНЫЙ
НАСОС» – ОТКАЧКА», расположенной на панели управления.
Гелиевая течь «ГЕЛИТ
-1» представляет собой устройство, дающее
непрерывный неизменный по величине поток гелия. Действие течи
основано на диффузии гелия сквозь мембрану, изготовленную из плавленого кварца.
Гелиевая течь обеспечивает возможность оценки чувствительности
испытаний. В режиме калибровки течеискателя на входном фланце
устанавливается заглушка. Входной клапан при этом полностью открывается.
68
Для индикации давления в высоковакуумном объеме и форвакуумной линии вакуумная система течеискателя содержит два манометрических преобразователя.
Преобразователь манометрический тепловой термопарный ПМТ-4М
предназначен для индикации давления в форвакуумной линии в диапазоне от 1 · 10
–1
до 10 Па (1 · 10
–3
до 1 · 10–1 мм рт. ст.).
Магнитный электроразрядный манометрический преобразователь
предназначен для индикации давления в высоковакуумном объеме в
диапазоне от 1 · 10
–4
до 1 · 10–1Па (1 · 10–6 до 1 · 10–3 мм рт. ст.) и явля-
ется датчиком системы вакуумной блокировки (рис. 5.3). При срабатывании системы блокировки зажигается сигнал «ПЛОХОЙ ВАКУУМ» и
отключается накал катода ионного источника масс-спектрометрической камеры. Для повторного включения накала катода необходимо
нажать кнопку «ДЕБЛОКИРОВКА», расположенную на панели управления.
5.4. Порядок работы с течеискателем
Исходное положение органов управления:
все клапаны закрыты (ручки повернуты вправо до отказа), кла-
–
пан под откидной крышкой также закрыт);
Рис. 5.3. Градуировочная характеристика магниторазрядного
манометра течеискателя
69
–
выключатель сети – в положении «ВЫКЛ»;
тумблер «НАГРЕВАТЕЛЬ» – в нижнем положении;
–
переключатель «ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ» – положение 30 В;
–
переключатель «КОМПЕНСАЦИЯ» – в положении «ВЫКЛ»;
–
переключатель «ТОК ЭМИССИИ» – в положении «КАТОД
–
ВЫКЛЮЧЕН»;
переключатель» ИЗМЕРЕНИЕ» – в положении «ТОК ЭМИССИ»;
–
тумблер «ФОРВАКУУМ - ВЫСОКИЙ ВАКУУМ» – в положе-
–
нии «ФОРВАКУУМ»;
переключатель «ПМТ – 4М» – в положении «ВНУТР».
–
Задание к работе
Цель работы: ознакомление с понятием герметичности вакуумных
систем, изучение методов течеискания, техники поиска течей в вакуумных системах и освоение методики работы с гелиевым течеискателем на базе статического масс-спектрометра.
Порядок выполнения работы
1. Изучить способы подключения течеискателя к вакуумной систе-
ме и способы поиска течи.
Произвести оценку чувствительности масс-спектрометра с по-
2.
мощью калиброванной гелиевой течи.
Исследовать вакуумную систему на герметичность.
3.
Определить величину потока натекания.
4.
Содержание отчета
1. Зависимости Iи (Iэ, U
Схема установки.
2.
Принцип действия.
3.
уск
, U
суп
, P).
Контрольные вопросы
1. Принцип действия гелиевого течеискателя.
Как производится калибровка масс-спектрометра?
2.
3.
Как провести настройку течеискателя на пик гелия?
От каких факторов зависит чувствительность течеискателя?
4.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]