Принцип действия гелиевого течеискателя
Принцип действия гелиевого течеискателя
Течеискатель (далее по тексту подразумевается только гелиевый течеискатель ПТИ-10) представляет собой высокочувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию гелия.
Он обеспечивает возможность проведения любых видов испытаний на герметичность: поиск мест течей в откачанных, а также в заполненных гелием объемах и проверку их общей герметичности.
При проведении испытаний на герметичность вакуумным методом предварительно откачанный испытуемый объем соединяется с масс -спектрометрической камерой течеискателя и обдувается гелием или помещается в чехол, заполненный гелием. Течь индицируется по увеличению сигнала масс-спектрометра, вызываемому повышением парциального давления гелия в масс-спектрометрической камере.
Объекты, не допускающие откачки внутренней полости, испытываются в специальных вакуумных камерах (барокамерах), методами чехла или щупа. При испытаниях барокамерным методом в объекты должен быть введен гелий. Течеискатель присоединяется непосредственно к барокамере либо к линии предварительного разрежения ее откачной установки.
Для обнаружения мест течей методами чехла или щупа гелий также вводится внутрь испытуемого объекта. Негерметичность изделий, помещенных в чехол, устанавливается по повышению парциального давления гелия в чехле, газ из чехла отбирается в течеискатель с помощью щупа. При испытаниях по методу щупа подозреваемые в негерметичности участки поверхности обследуются снаружи специальным устройством -щупом, всасывающим газ, соединенным с течеискателем гибким вакуумным трубопроводом. Приближение всасывающего сопла щупа к наружному отверстию течи, из которого вытекает гелий, сопровождается увеличением сигнала течеискателя, обусловленным повышением содержания гелия в потоке газа, поступающего в течеискатель.
Основным элементом течеискателя является масс-спектрометрическая камера, содержащая ионный источник и приемник ионов. Камера, помещается между полюсами постоянного магнита (рисунок 2).
Накаленный вольфрамовый катод (7 на рисунке 2) ионного источника эмитирует электроны, которые ускоряются электрическим полем, приложенным между катодом и коробкой ионизатора. Магнитное поле, действующее вдоль направления движения электронов, фокусирует поток электронов в узкий пучок, поступающий в коробку ионизатора через отверстие, расположенное под катодом. В камере ионизации электроны сталкиваются с молекулами газа, поступающего в течеискатель из проверяемого объема или щупа, и вызывают их ионизацию. Образовавшиеся ионы вытягиваются из камеры ионизации ускоряющим электрическим полем, действующим в направлении, перпендикулярном электронному пучку. Поток ионов через выходную диафрагму источника поступает в анализатор.
В анализаторе (анализатором называется область масс-спектрометрической камеры, в которой ионы движутся от источника к приемнику ионов) происходит пространственное разделение ионов по массам под действием постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению движения ионов и заставляющего их двигаться по круговым траекториям.
В соответствии с законом сохранения энергии, скорость, приобретаемая заряженной частицей (в нашем случае ионом гелия) определяется: следовательно
Сила, действующая на ион в магнитном поле — сила Лоренца, где нормальное ускорение. Тогда можно определить радиус траектории движения частицы: подставляя значение для скорости частицы из (2).
В магнитном поле происходит разделение ионного пучка, выходящего из источника, на отдельные пучки, содержащие ионы с одинаковым отношением массы к заряду. Изменяя ускоряющее напряжение при неизменной напряженности магнитного поля, можно менять радиус траектории движения ионов данной массы.
Анализатор масс-спектрометрической камеры течеискателя — 180-ти градусного типа. Траектория движения ионов в нем от ионного источника к приемнику ионов имеет вид полуокружности. Анализатор данного типа обладает фокусирующим действием: ионы определенной массы, выходящие из источника расходящимся пучком, вновь собираются в узкий сходящийся пучок в плоскости входной диафрагмы (6 на рисунке 2) приемника. Радиус траектории ионов, попадающих в отверстие входной диафрагмы приемника, составляет 3,5 см.
Изменением ускоряющего ионы напряжения осуществляется настройка камеры на "пик гелия", при которой в приемник ионов направляются ионы гелия (пример — траектория R2 для ионов с эффективной массой М2 на рисунке 2).
Приемник ионов (2 на рисунке 2) состоит из входной диафрагмы, принимающего ионы электрода-коллектора и супрессорной системы.
Супрессорная система, состоящая из двух сеток, служит для задержания рассеяных ионов, случайно попавших во входную диафрагму приемника. Между сетками супрессорной системы создается тормозящее ионы электрическое поле, пропускающее к коллектору ионы гелия, обладающие полным запасом энергии, задерживающее рассеянные ионы, потерявшие часть своей энергии в результате соударения со стенками камеры или нейтральными молекулами газа, случайно попавшие на рабочую траекторию.
Коллектор ионов соединен с входом электрометрического каскада усилителя постоянного тока. Изменения ионного тока регистрируются выходным прибором блока измерения ионного тока, звуковым и световым индикаторами.
Для обеспечения высокой чувствительности регистрации предусмотрена компенсация фоновых сигналов, дающая возможность регистрировать сигналы, вызываемые течами, на чувствительных шкалах выходного прибора блока измерения ионного тока. Выбор рабочей шкалы осуществляется в соответствии с уровнем флюктуаций фонового сигнала течеискателя и необходимой чувствительностью испытаний.
Для контроля чувствительности течеискателя служит калиброванная гелиевая течь.
Рабочее давление в масс-спектрометрической камере обеспечивается откачной системой, состоящей из вакуумного и паромасляного насосов и азотной ловушки, защищающей камеру от замасливания. Высокий вакуум в масс-спектрометрической камере необходим для того, чтобы длина свободного пробега ионов была существенно больше геометрических размеров камеры, а также для уменьшения фонового сигнала.