4.2. Масс-спектрометрический метод
Наиболее распространенным в вакуумной технике методом контроля герметичности и поиска течей является масс-спектрометрический метод, обладающий высокой чувствительностью. Сущность метода заключается в регистрации прохождения через оболочку пробного вещества с помощью масс-спектрометра, настроенного на данное пробное вещество. Отечественной промышленностью выпускается серия масс-спектрометрических течеискателей и измерителей концентрации, настроенных на гелий. Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрический анализатор, представляющий собой масс-спектрометр с магнитным отклонением пучка ионов.
Принцип действия демонстрируется на рис 4.1, на котором показана масс-спектрометрическая камера течеискателя, предназначенного для работы с гелием в качестве пробного газа. Электроны, эмиттируемые катодом 9, попадают в камеру ионизации 8. Источник питания катода 11 подключен к анализатору через фланец 10. В случае негерметичности вакуумной системы, обдуваемой пробным газом, молекулы гелия через фланец 5 проникают в камеру ионизации. Положительные ионы гелия ускоряющим напряжением направляются в камеру магнитного анализатора 6. Ускоряющее напряжение Еyи магнитная индукция В подбираются таким образом, чтобы ионы гелия, прошедшие через входную щель 7, двигаясь по траектории 4, попали в выходную щель 2. Остаточные газы по траектории 3 разряжаются на стенках анализатора.
Рис. 4.1. Масс-спектрометрическая камера течеискателя
В отличие от анализаторов парциальных давлений, которые должны иметь высокую разрешающую способность и перестраиваться на различные массовые числа, датчик течеискателя настраивается только на пробный газ. При этом входная и выходная щели могут быть расширены, что увеличивает чувствительность течеискателя. Этот способ повышения чувствительности можно применять для гелия, не имеющего в составе воздуха веществ с близкими массовыми числами.
Коллектор ионов 1 соединяется с электрометрическим каскадом 13, усиливающим падение напряжения на высокоомном сопротивлении. Блок измерения ионного тока 12 после дополнительного усиления выходного сигнала электрометрического каскада выводит результаты измерений на стрелочный прибор или самописец.
Для создания и поддержания в камере течеискателя давления 2,510–3– 2,510–2Па (2,510–5– 2,510-4торр) применяются высоковакуумный (диффузионный) и механический насосы.
Повышение давления в закрытом вакуумном сосуде с течением времени указывает на наличие негерметичности (течи).
Действительная негерметичность возникает вследствие неточности соединений, образования трещин, несовершенства в изготовлении или вследствие применения материала, проницаемого для газов.
Рис. 4.2. Рост давления р со временем τ придействительной и мнимой негерметичности:
l — действительная негерметичность, давление растёт вплоть до атмосферного; 2 — мнимая негерметичность, давление устанавливается на определённом уровне p´ (при T´) или p (приT˝)
Мнимая негерметичность проявляется как десорбция газов с поверхностей, находящихся в вакуумном пространстве, а именно со стенок, электродов и т.д. : обычно она связана с применением неподходящих материалов и недостаточным обезгаживанием вакуумной системы.
Действительной негерметичности соответствует в целом линейное возрастание давления в системе со временем (рис. 4.2), ибо поток газа из окружающей среды в вакуумную систему (при низком давлении рв ней). В самом деле, поток газа через действительную негерметичность можно считать постоянной величиной. В случае мнимой негерметичности по мере возрастания давления в системе десорбция уменьшается и становится равной нулю в момент установления состояния равновесия при определённых давлениир1и температуреТ1.При более высокой температуреТ2 равновесное давлениер2будет также выше.