Испытание вакуумной аппаратуры на герметичность

Разрежение, получаемое в собранной вакуумной системе, зависит прежде всего от эффективной быстроты действия вакуумного насоса, от степени герметичности и количества газов, выделяемых стенками системы. Если в системе даже после ее продолжительной откачки и тренировки не удается получить высокий вакуум, то это может быть вызвано тремя основными причинами: неисправностью насоса, натеканием в систему атмосферного воздуха или же значительным газовыделением стенок системы.

Для того чтобы узнать, какая из указанных причин является основной, перекрывают трубопровод, соединяющий вакуумную систему с насосом, и следят за изменением давления в изолированной системе. Если давление в системе после ее отсоединения от насоса практически остается неизменным в течение нескольких минут, но в то же время его величина значительно выше предельного вакуума насоса, то это значит, что система не может быть откачана из-за неисправности насоса. Если после перекрытия вентиля или затвора, соединяющего откачиваемый объем с насосом, давление в системе сначала быстро возрастает, а затем изменяется мало, то это указывает на наличие в системе источников газовыделения. Наконец, если давление в изолированной от насоса системе в течение продолжительного отрезка времени непрерывно растет, то в системе имеется натекание атмосферного воздуха

О величине натекания нельзя судить только по изменению давления, т. к. одинаковые по величине течи в разных объемах создадут неодинаковые натекания. Величина натекания чаще всего выражается в л-мк/сек. Эта величина соответствует течи, в результате которой в изолированном сосуде объемом в 1 л за 1 сек. давление повышается на 1 мк.

При малой величине течи иногда очень трудно разделить натекание и газовыделение системы. В этом случае к вакуумной системе через ловушку с жидким азотом присоединяют термопарный или ионизационный манометры в зависимости от того, какой вакуум в системе. Поскольку большинство паров и газов, выделяемых стенками вакуумной системы, конденсируются при температуре жидкого азота, то заливка его в ловушку вызывает резкое изменение показаний манометра в том случае, если в системе имеются внутренние источники газовыделения. Если же в системе имеются неплотности, через которые в нее натекает атмосферный воздух, то¹ показания манометра практически не изменяются, поскольку находящиеся в атмосфере газы при этих условиях не конденсируются.

После того как удалось установить, что в вакуумной системе действительно имеется натекание атмосферного воздуха через неплотности, с помощью соответствующих затворов и вентилей изолируют ее отдельные участки и вновь производят измерение быстроты возрастания давления уже в каждом из изолированных участков системы. Таким путем можно быстро обнаружить тот участок системы, в котором имеются главные течи. При этом нет необходимости в каждом изолированном участке обязательно иметь свой манометр: о наличии течи в нем можно судить по возрастанию давления в системе после соединения с ней ранее изолированного участка.

Когда обнаружен участок системы, в котором имеются главные течи, то определить их местонахождение можно путем закрашивания или нанесения другим способом уплотняющих веществ на «подозрительные» места до тех пор, пока изменение давления внутри системы не укажет, что течь закрыта уплотнителем. В качестве временного уплотнителя могут применяться, например, глипталевый лак, спиртовой раствор шеллака, смесь пчелинового воска со смолой и т. п.

Для отыскания течей в вакуумных установках, частично или полностью изготовленных из стекла, чаще всего применяется метод высокочастотного разряда. Если поднести к поверхности стеклянной откачанной установки незаземленный электрод высокочастотного трансформатора Тесла, то в установке возникает разряд, свечение которого зависит от состава газов в установке (свечение происходит при давлении в установке от нескольких миллиметров ртутного столба до 5-10~² мм рт. ст.). Если течи в установке нет, то свечение будет серым, если имеется течь, через которую в установку проникает воздух, то свечение будет красным или лиловым.

Место течи в стеклянной установке можно обнаружить, перемещая острие электрода трансформатора Тесла по поверхности установки. С конца электрода в стекло будет бить беспорядочный пучок искр до тех пор, пока острие не приблизится к течи на расстояние Порядка 1 см. В этом случае разряд формируется в тонкий ярко-белый искровой пучок, направленный своим концом точно в место течи.

При применении метода высокочастотного разряда для обнаружения течей в металлических вакуумных установках можно либо использовать имеющиеся в ней стеклянные детали, либо установить специальный разрядник перед вращательным насосом. Возбуждая в разряднике или в стеклянной части установки электрический разряд и последовательно смачивая «подозрительные» металлические части установки пробным веществом (чаще всего ацетоном) следят за изменением цвета свечения разряда, который является индикатором наличия течи. Проникновение паров ацетона в вакуумную установку окрашивает свечение в голубой цвет вместо розового, характерного для разреженного воздуха.

Хотя метод высокочастотного разряда достаточно прост, однако он ограничен довольно узким диапазоном давлений и мало чувствителен при отыскании течей в металлических установках. В последних часто применяется метод опрессовки (испытание давлением). При применении этого метода внутри испытуемого объекта создают избыточное давление (в зависимости от прочности системы оно может быть от 1,1 до 5 ати), после чего с помощью того или иного приема наблюдают за газом, выходящим через течи, имеющиеся в системе.

Наиболее крупные течи нетрудно обнаружить по отклонению пламени газовой горелки под действием вырывающихся через течь струек газа Более мелкие течи удается обнаружить, если смачивать поверхность установки мыльным раствором и наблюдать за образованием пузырей Если необходимо испытать отдельные узлы или детали, то их ‘можно погрузить в ванну с водой и, создав внутри детали избыточное давление, наблюдать за выделением пузырьков газа. Метод опрессовки наиболее целесообразно применять при испытании достаточно прочных металлических деталей Наличие в вакуумной системе тонкостенных деталей (сильфонов, мембран, спаев металла со стеклом) значительно ограничивает применение описанного метода. Чувствительность метода может быть повышена при применении легких газов, быстрее протекающих через малые отверстия (так, например, водород почти в 4 раза быстрее протекает через течь, чем воздух, а гелий — в 2 раза быстрее). Поскольку водород в смеси с воздухом может образовывать взрывоопасную смесь, то для целей течеискания предпочитают использовать гелий.

Разновидностью метода опрессовки является наполнение испытываемого объема галоидсодержащим газом (фреоном, хлороформом, четыреххлористым углеродом и т. д) с последующим обнаружением течи снаружи с помощью галоидного течеиска-теля.

В основе устройства галоидного течеискателя лежит явление термоионной эмиссии. Рядом исследователей было замечено, что накаленная до красного каления платина излучает положительные ионы даже в воздухе, причем ток ионов возрастает с повышением температуры по закону, аналогичному закону термоэлектронной эмиссии из накаленных катодов

Принцип действия галоидного течеискателя основан на том, что эмиссия положительных ионов с накаленной платиновой проволоки сильно увеличивается в присутствии галоидов

Чувствительным элементом (датчиком) прибора является устройство (рис 35), состоящее из двух концентрических платиновых цилиндров, заключенных в оболочку из нержавеющей стали.

Внутренний электрод-эмитер 1 находится под напряжением 4-250 в по отношению к внешнему электроду-коллектору 2. Эмитер нагревается от внутреннего платинового нагревателя до температуры 800—900°. При более низких температурах эмиссия положительных ионов слишком мала, при более высоких температурах она делается нестабильной

Через цилиндрический канал между электродами с помощью небольшого вентилятора 3 просасывается воздух При чистом воздухе от эмитера к коллектору идет очень слабый ток положительных ионов. Попадание же воздуха, содержащего¹ частицы галоидов, немедленно вызывает в датчике возрастание величины ионного тока, который усиливается и измеряется выходным прибором 4, а также отмечается звуковым сигналом Датчик помещается в щупе прибора (рис. 36).

В зависимости от размеров вакуумной установки и требуемой чувствительности ее наполняют фреоном или другим галоидосо-

держащим газом после предварительной откачки, либо без нее. После этого обследуют «подозрительные» места щупом прибора. Изменение частоты звукового сигнала и отклонение стрелки выходного прибора сигнализируют о наличии утечки пробного газа из испытуемого объекта.

Наиболее совершенным прибором, позволяющим обнаруживать очень малые течи (до 10^-4 л-мп/сек) является передвижной масс-спектрометрический гелиевый течеискатель (рис. 37).

Течеискатель состоит из трех основных частей: масс-спектрометрической камеры, помещенной в зазор постоянного магнита, вакуумной системы и электрической части.

Камера представляет собой латунную цилиндрическую коробку со съемной крышкой, уплотняемой кольцевой резиновой прокладкой. Схема работы течеискателя показана на рис. 38. В камере имеется накаленный катод 1, излучающий электроны, которые ускоряются электрическим полем и попадают в коробку ионизатора 2. Здесь молекулы остаточных газов и пробного газа (гелия) подвергаются ионизации. Поскольку на коробку ионизатора 2 подан положительный потенциал относительно заземленной входной диафрагмы 3, между ними образуется электрическое поле, вытягивающее положительные ионы, которые выходят через диафрагму в виде слабо расходящегося пучка. Под действием электрического и магнитного полей ионы описывают круговые траектории, радиусы которых пропорциональны корню из массы иона, и через выходную диафрагму 5 попадают на коллектор ионов 6.

Напряжение между коробкой ионизатора 2 и выходной диафрагмой 5, ускоряющее ионы, а также напряженность магнитного поля и расположение диафрагм выбраны таким образом, что на коллектор могут попадать только ионы гелия, вызывающие протекание тока по высокоомному сопротивлению 7 в цепи коллектора. Падение напряжения на этом сопротивлении усиливается с помощью специального усилителя У. питание катода масс-спектрометра и снимающей ускоряющее напряжение при повышении давления в камере выше допустимого предела.

Вакуумная система течеискателя соединяется с испытуемой аппаратурой через дросселирующий вентиль. Между вентилем и камерой помещается охлаждаемая ловушка. Она предназначена для конденсации паров при проверке на герметичность загрязненной аппаратуры (испытание чистой аппаратуры может быть

произведено без заливки жидкого азота в ловушку). К нижнему фланцу ловушки присоединяется паромасляный насос с воздушным охлаждением. Предварительное разрежение, необходимое для его нормальной работы, создается небольшим механическим насосом.

Гелиевый течеискатель может быть применен для обнаружения течей и измерения натекания в самых разнообразных производственных и лабораторных установках

Присоединение течеискателя к испытуемой вакуумной аппаратуре следует производить через короткий и широкий трубопровод и работать при таком положении вентиля, когда в рабочей камере течеискателя давление не превышает 5-1 (У ⁴ мм рт. ст.

При испытании вакуумных установок с собственной насосной группой патрубок течеискателя рекомендуется присоединять к трубопроводу низкого вакуума (между пароструйным и вращательным насосами). При этом получается значительный поток газа, поступающего в течеискатель, и обеспечивается возможность испытания любой части вакуумной системы (кроме вращательного насоса). Обнаружение течей производится путем последовательного обдувания тонкой струйкой гелия тех мест аппаратуры, герметичность которых вызывает сомнение.

Поскольку в качестве пробного газа используется гелий, который легче воздуха, то обдувание испытуемой аппаратуры следует

начинать с ее верхних частей, проверяя в первую очередь герметичность сварных швов, разборных уплотнителей, мест пайки и т. п.                                   •

Если же начать обдувание испытуемой аппаратуры снизу, то гелий, поднимаясь вверх, будет одновременно проникать через неплотности, имеющиеся в верхней части вакуумной системы, вследствие чего трудно будет установить действительное место течи.

В том случае, когда необходимо проверить герметичность большого количества деталей, можно воспользоваться методом гелиевой камеры, при котором все испытуемые детали напаиваются на вилку с индивидуальными вентилями, после чего помещаются в атмосферу гелия (рис. 39). Вилка оканчивается общим трубопроводом, присоединяемым с одной стороны к течеискателю, а с другой — к механическому насосу. Последовательно открывая вентили, соединяющие внутреннюю полость каждой детали с трубопроводом, производят проверку герметичности каждой из них.

Испытание на натекание электровакуумных приборов и их деталей может быть произведено с помощью люминисцентного метода (рис. 40, а, б, в). С этой целью испытываемый объект сначала помещается в раствор люминофора. Если в объекте имеется течь, то под действием капиллярных сил раствор постепенно втягивается внутрь течи и на ее противоположной стороне по мере испарения растворителя постепенно накапливается подсохший люминофор. Если после этого испытываемый объект облучить ультрофиолетовыми лучами, то светящийся люминофор укажет местонахождение течи. Для экранирования видимых лучей, уменьшающих контрастность сигнала, целесообразно применять «черный» фильтр, пропускающий только ультрофиолетовую часть спектра.