Масс-спектрометрический метод контроля герметичности и течеискания

Массспектрометрический метод течеискания является одним из наиболее чувствительных и универсальных при контроле герметичности конструкций [29, 31]. Он основан на регистрации ионов индикаторного газа, попавшего в вакуумную камеру течеискателя через сквозные дефекты контролируемого объекта. При массспектрометрии смеси газов или паров с помощью электрических и магнитных полей разделяют по массам.

МАСССПЕКТРОМЕТРИНЕСКИЕТЕЧЕИСКАТЕЛИ

Массспектрометрический течеискатель представляет собой упрощенный массспектрометр, настроенный на улавливание очень малых количеств индикаторного газа.

Для работы с массспектрометрическими течеискателями в качестве индикаторного газа чаще всего применяют гелий. Его мало содержится в атмосфере (5 • 10~⁴%) и практически нет среди газов, выделяемых стенками испытуемых объектов. Положительным свойством гелия является также его инертность, вследствие чего он совершенно безвреден и безопасен в работе.

В качестве индикаторных газов могут использоваться также гелиевовоздушная и гелиевоазотная смеси.

Некоторые течеискатели можно перестраивать на аргон, водород и другие газы, однако чувствительность испытаний при этом оказывается существенно заниженной изза значительно больших, чем для гелия, фоновых эффектов (фонпоказания течеискателя, связанные с наличием индикаторного газа в атмосфере). Так, например, если индикаторный газ аргон, то фоновые эффекты определяются его большим содержанием в воздухе. При работе с водородом регистрацию течей приходится осуществлять на уровне сигналов, обусловленных процессами диссоциации воды и углеводородов. Перестройка на водород предусмотрена, например, в отечественных моделях течеискателей MX 1101 и MX 1104, разработанных в СКВ АП АН СССР, причем чувствительность по водороду на 4 порядка ниже, чем по гелию.

Для течеискателя Heli test2002 фирмы Heli test (Франция), обладающего высокой чувствительностью, в качестве индикаторного газа используют такие смеси: хемиксал (20% Не, 35% N₂, 40% Ne и 5% Н₂) и хеногал (35%Не, 65% Ne).

Одним из основных параметров, определяющих возможность применения течеискателей для решения задач контроля герметичности конструкций, является его газоаналитическая чувствительность [33] £>_min, характеризуемая наименьшей регистрируемой концентрацией индикаторного газа в анализируемой смеди газов: где Р₂ — общее давление анализируемой смеси газов; P_min — наименьшее регистрируемое парциальное давление индикаторного газа в анализируемой смеси.

В условиях большого потока газа /7_S, превышающего допустимый поток газа через течеискатель /7_Т, газоаналитическая чувствительность D_min является наиболее показательным параметром. Поток газа, направляемый в массспектрометр, ограничивается при большом запасе газа собственными характеристиками течеискателя, предельно допустимым давлением в анализаторе и параметрами собственной вакуумной системы, так что чувствительность испытаний целиком обусловливается газоаналитической чувствительностью D_min

При отсутствии дискриминации напуска анализируемой газовой смеси где /7_min — наименьший регистрируемый поток индикаторного газа, проходящего через течь.

Если поток газа /7_Г < D_m[nIh, течь не может быть обнаружена.

Первые промышленные массспектрометрические течеискатели от ПТИ1 до ПТИ4 включительно регистрировали содержание гелия, равное удвоенному содержанию его в воздухе, т. е. П_г^ 1,33 10 ^ь, при общем до

пустимом потоке через течеискатель примерно 0,133 Д^м3’ ^МПа. Это соответствовало газоаналитической чувствительности Dmin = IO'⁵.

В следующей модели течеискателя ПТИ7 эти характеристики были улучшены на порядок, т. е. Z7_min 6,66 X

Повышение чувствительности в течеискателях ПТИ6 и ПТИ7 было достигнуто, в основном, за счет повышения стабильности работы откачных устройств и электронных схем, так как только при высокой стабильности этих устройств и схем возникает возможность регистрации малых изменений, большого сигнала и целесообразность применения компенсационных схем.

Течеискатель MX 1102 [34] (разработка СКВ АП АН СССР) имеет чувствительность D_min = 6,66 • 10~⁹^^^ и улучшенные эксплуатационные характеристики. В этом течеискателе применен массспектрометрический анализатор со 180градусным отклонением ионов в однородном поле постоянного магнита. В результате уменьшения неоднородности поля магнита в рабочей зоне до +1 % за счет изменения конфигурации полюсных наконечников и уменьшения зазора между ними улучшились метрически характеристики прибора. Течеискатель градуируется при помощи стандартной гелиевой течи, входящей в комплект прибора и позволяющей контролировать чувствительность непосредственно в процессе его эксплуатаций.

Течеискатель имеет малое значение величины фонового гелия (30—50 мВ) и высокую стабильность максимальной чувствительности во времени (чувствительность 6,66 х X Ю~~^{9 мм}~^?^а. сохраняется в течение 90—100 ч). Такие характеристики получены за счет следующих конструктивных решений аналитической части прибора: вакуумные уплотнения выполнены в виде клиновых уплотнителей с металлическими прокладками; вакуумная полость камеры анализатора имеет трехступенчатую защиту от паров масла диффузи

Таблица 10

Чувствительность отечественных и зарубежных течеискателей

онного насоса, что предотвращает быстрое загрязнение камеры парами масла. К эксплуатационным преимуществам течеискателя MX 1102 следует также отнести защиту диффузионного паромасляного насоса от окисления в нем масла при попадании в вакуумную систему течеискателя атмосферного воздуха.

В последних моделях отечественных течеискателей MX 1104, разработанных СКВ АП АН РФ, и ПТИ9, разработанных СКВ завода «Измеритель», обеспечивающих инг*      1 /л—1 о     » МПа

дикацию гелиевых потоков 6,66.10 ¹⁰, применена

система повышения чувствительности путем диафрагмирования откачки.

В течеискателеСТИ8 паспортная чувствительность к noтоку гелия 6,66 • 10 ¹² достигнута благодаря сис

теме дискриминационной откачки и повышению чувствительности анализатора к парциальному давлению гелия Па

вплоть до 6,661О'¹¹ g. В качестве дискриминационного откачивающего устройства в течеискателе СТИ8 применен цеолитовый насос.

Данные по чувствительности отечественных и зарубежных течеискателей сведены в табл. 10.