Гелиевые течеискатели

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. Промышленностью выпускается серия масс-спектрометрических течеискателей и измерителей концентрации, настроенных на гелий, так называемых гелиевых течеискателей.

На странице «Методы контроля герметичности» приведены основные, наиболее часто используемые методы обнаружения течей с помощью гелиевого течеискателя. Более подробное описание можно найти в литературе.

Современные гелиевые течеискатели в своем большинстве представляют собой автоматизированную систему, регулирование и поддержание режимов работы которой обеспечивается компьютерной системой управления. Действие автоматики основано на постоянном контроле режимов работы течеискателя при помощи датчиков давлений, установленных в вакуумной системе. Для обеспечения надежности работы и исключения аварийных ситуаций при работе с течеискателем предусмотрена блокировка вакуумной системы и спектрометра по давлению на входе, в форвакуумной магистрали и камере анализатора.

Предусматриваются как автоматические режимы работы, обеспечивающие поиск течей по методу щупа, методом обдува и методом вакуумной камеры, так и режимы работы с ручными настройками. Указанные методы работы с течеискателем, как правило, автоматизированы и заложены в программу управления прибором. Конкретные конструкции и параметры гелиевых течеискателей можно легко найти на сайтах фирм, приведенных в приложениях.

Гелий выбран по нескольким причинам:

1. Нетоксичен.
2. Инертен и не конденсируется.
3. Присутствует в атмосфере в незначительных количествах.
4. Относительно недорогой.
5. Вследствие малого атомного размера легко проходит сквозь мельчайшие течи.
6. Безопасен для человека и окружающей среды.

Принцип действия гелиевого течеискателя

Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрический анализатор, представляющий собой масс-спектрометр с магнитным отклонением пучка ионов.

Принцип действия демонстрируется на рис. 4.43.

Рис. 4.43. Масс-спектрометрическая камера гелиевого течеискателя: 1 - коллектор ионов; 2 - выходная щель; 3 - траектория ионов остаточных газов; 4 - траектория ионов гелия; 5 - фланец для подсоединения к анализаторному объекту; 6 - камера анализатора; 7 - входная щель; 8 - камера ионизации; 9 - катод; 10 - фланец; 11 - блок питания источника электронов; 12 - блок измерения ионного тока; 13 - электрометрический каскад усилителя; 14 - направление индукции магнитного поля В.

На рисунке показана масс-спектрометрическая камера течеискателя, предназначенного для работы с гелием в качестве пробного газа. Электроны, эмитируемые 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 Ey и 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 разрежаются на стенках анализатора.

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.

Хотя градуировка течеискателя производится по потоку гелия, в действительности его масс-спектрометрический анализатор определяет концентрацию гелия в камере. Соответствие установившейся концентрации гелия в камере и потока гелия, поступающего в течеискатель, подтверждается известной формулой:

$$P_g=\frac{Q_g}{S_g},$$

где Pg - давление гелия в камере; Qg - поток гелия в течеискатель; Sg - быстрота откачки камеры по гелию.

Изменение быстроты действия диффузионного насоса по гелию в зависимости от мощности подогрева насоса открывает возможности для регулирования чувствительности течеискателя. При снижении мощности подогрева снижается быстрота действия по гелию. При этом быстрота действия по воздуху в широком диапазоне остается практически постоянной. Это позволяет повысить чувствительность течеискателя в результате увеличения давления гелия в камере при том же потоке гелия и сохранении общего давления в камере. При изменении мощности, подводимой к нагревателю пароструйного насоса, должна быть произведена повторная градуировка течеискателя.

С помощью гелиевого течеискателя может производиться как контроль герметичности, так и поиск течей. Для повышения достоверности и обеспечения большей точности измерений градуировку течеискателя следует производить при рабочем давлении в камере, давлении, которое будет в процессе испытаний.

Предельные возможности течеискателя характеризуются минимальным потоком гелия, который регистрируется течеискателем:

$$Q=2\triangle \alpha_FS_Q,$$

где 2Δα_F - отсчет течеискателя, принимаемый за достоверный; Δα_F - максимальная амплитуда флуктуации фона.

Расширения предельных возможностей течеискателя (снижения Qmin) можно достичь повышением его чувствительности (снижением численного значения S_Q) в результате снижения мощности подогрева пароструйного насоса. Однако следует иметь в виду, что одновременно с повышением чувствительности повышается флуктуация фона. Так, увеличение чувствительности при снижении напряжения на нагревателе насоса ниже 180 В полностью компенсируется увеличением флуктуации фона течеискателя.

Каталог гелиевых течеискателей

Гелиевые течеискатели НПФ Прогресс

Гелиевые течеискатели Oerlikon Leybold Vacuum

Гелиевые течеискатели Pfeiffer Vacuum

Гелиевые течеискатели ОАО «Завод «Измеритель» (Россия)

Гелиевые течеискатели Agilent Technologies (США)

Гелиевые течеискатели Canon Anelva

Гелиевые течеискатели Ulvac

Гелиевые течеискатели Shimadzu

Гелиевые течеискатели Vacuum Instrument

Гелиевые течеискатели Inficon