Современные гелиевые течеискатели

В 1910 году J.J.Thomson описал первый масс-спектрометр для детектирования изотопов неона. Несколько десятилетий подобное оборудование, зачастую занимавшее отдельную комнату в лаборатории, использовалось только специалистами. Идея использовать масс -спектрометры для поиска негерметичностей в вакуумных системах уходит корнями в засекреченные проекты по созданию ядерного оружия [см. например ^]. Необходимость в максимальной герметичности реакторов по обогащению урана стимулировало создание надежных и очень чувствительных течеискателей, что, в конце концов, привело к созданию масс-спектрометрических течеискателей, настроенных на пик гелия-4 [см. например §]. В течение 1950-1960х годов исходный материал стекло был заменен на нержавеющую сталь и был создан первый коммерческий гелиевый течеискатель. Этот "компактный" прибор весил всего 200 кг, включая откачную систему.

Современные гелиевые течеискатели изменились не сильно в плане самой масс-спектрометрической камеры, однако серьезные изменения претерпела откачная система и автоматизация измерений. Исходный паромасляный диффузионный насос в современных течеискателях заменен на турбомолекулярный, а механический пластинчато -роторный — на безмасляный спиральный или мембранный. Чувствительность гелиевых течеискателей существенно выросла с исходных 10^-6 мбар*л/е до 10^-9 мбар*л/е (1970-е) и до 10^-12 мбар*л/е в нынешнее время.

Использование гелия в гелиевых течеискателях обусловлено, в первую очередь, очень малой естественной концентрацией и малой массой, что позволяет получить узкий разрешенный пик гелия в сигнале с масс -спектрометрической камеры. Также, малый размер молекул гелия позволяет детектировать течи минимального размера. По сравнению с водородом, гелий не взрывоопасен и химически инертен. Химическая и физическая инертность гелия-4 позволят легко удалить его остатки из вакуумной и откачной системы.

На рисунке 2 схематично представлена масс-спектрометрическая камера гелиевого течеискателя 180-градусного типа. Остаточный газ, попадающий   в масс-спектрометрическую камеру бомбардируется

электронами. Ионизированные молекулы остаточного газа ускоряются электрическим полем и в магнитном поле постоянного магнита они движутся по круговым траекториям, радиус которых пропорционален массе иона. Система диафрагм позволяет отсеять все ионы, кроме ионов ⁴Не. Для достижения предельной чувствительности 10^-12 мбар*л/е необходимо измерить ионный ток, порядка 10^-15 А, что достигается путем использования электронных умножителей или электрометрических усилителей с высоким входным сопротивлением.

В типичных масс-спектрометрических камерах гелиевых течеискателей длина пролета ионов составляет порядка 15 см. Поскольку ионы должны двигаться без столкновений с другими молекулами — длина свободного пробега должна быть много больше этой величины, что и достигается высоковакуумной     откачкой масс-спектрометрической камеры и

обуславливает использование турбомолекулярных насосов в современных течеискателях. При давлении в камере ниже 10^-4 мбар длина свободного пробега ионов гелия-4 будет более 60 см.