Методы определения течи в вакуумной системе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему:

«Методы определения течи в вакуумной системе»

1. Основные методы

Наличие в вакуумных системах течей представляет собой, как правило, весьма сложную задачу, решение которой, заключающееся в обнаружении, локализации и ликвидации течи, часто требует значительных усилий и времени. Что касается сверхвысоковакуумных систем, то в этом случае даже предельно малые течи крайне нежелательны. К счастью, ввиду высокой степени разрежения, а также использования в этих системах высокочувствительных вакуумметров, обнаружение и локализация малых течей по сравнению с системами более грубого вакуума во многих случаях значительно упрощается.

Наличие течи в системе проявляется в невозможности достижения предельного разрежения, на которое рассчитана данная вакуумная система. Для выяснения причины плохого вакуума следует изолировать систему от насоса и следить за нарастанием давления в ней. Если сначала давление газа растет быстро, а затем достигает предела, то причиной плохого вакуума является, вероятнее всего, выделение газа со стенок системы или присутствие загрязняющих веществ с высоким давлением паров. Если же давление продолжает непрерывно расти, то в этом случае следует искать в системе течь. Наличие в системе клапанов позволяет последовательно проверять на течь различные ее участки, тем самым сужая зону поиска. Время, необходимое для выявления малых течей, может быть весьма значительным, так что при невозможности достичь требуемого разрежения следует в первую очередь воспользоваться указанным методом определения течи, а не искать какие-либо иные причины натекания газа в систему.

Для определения малых течей через стенки вакуумных элементов наиболее часто применяют пластиковый чехол с пробным газом, которым охватывают отдельные участки оболочки. Прошедший сквозь течь пробный газ регистрируется помещенным внутри системы датчиком. Чувствительность датчика зависит от рода газа, а его показания по мере проникновения пробного газа сквозь течь изменяются. Как было показано в гл. 4, чувствительность ионизационных вакуумметров различна для разных газов; так, для вакуумметра Байярда-Альперта чувствительность по гелию в 5 раз хуже, чем по азоту. ВБА наиболее широко используется в системах сверхвысокого вакуума и представляет собой достаточно подходящий датчик для обнаружения течей при использовании гелия в качестве пробного газа.

Для поиска течи можно также воспользоваться ионным насосом в тех системах, где он применяется. Для этого измеряют падение тока в насосе, обусловленное изменением состава откачиваемого газа. Однако следует отметить, что ни один из указанных методов не обладает достаточной чувствительностью для определения экстремально малых течей, которые требуют применения специальных устройств.

Таким устройством является специально сконструированный для обнаружения течей масс-спектрометр, анализатор которого настроен на пробный газ для обеспечения максимальной чувствительности. Главным преимуществом высокочувствительного масс-спектрометрического течеискателя является его универсальность. Течеискатели этого типа, наряду с анализатором, обычно снабжены собственной системой откачки, а также электронной системой регистрации и контроля. Течеискатели выпускаются либо в стационарном варианте для проверки на герметичность - отдельных вакуумных элементов систем, либо в переносном - для подсоединения в нужном месте вакуумной системы с целью проверки ее герметичности.

После обнаружения течи для ее локализации стенки вакуумной системы обдувают пробным газом с помощью наконечника с соплом. Однако при перемещении наконечника по поверхности течь можно пропустить вследствие слишком кратковременного обдува места течи. Поэтому на поиск места течи иногда затрачивается слишком много времени. Предварительная проверка на герметичность элементов конструкции вакуумной установки, а также прогнозирование возможных мест течи, основанное на практическом опыте, могут значительно ускорить поиск. Для повышения чувствительности можно воспользоваться методом аккумулирования пробного газа в той части установки, где ведется поиск течи.

При значительной течи, когда давление остаточного газа довольно высокое, влияние пробного газа, проходящего через течь, на общий ток в датчике может быть незначительным, особенно если пробный газ разбавлен воздухом. В этом случае лучше использовать ацетон. Быстрое испарение ацетона или даже возможная закупорка им относительно небольших течей приводит к существенному изменению давления.

Способ устранения течи в каждом конкретном случае зависит от причин, ее вызвавших. Так, если течь возникла в разборном уплотнении, то подтягивание крепежных болтов или замена прокладки может быть вполне достаточным для ликвидации течи. Если же течь возникла в результате дефектов в материале, некачественной сварки или повреждения неразъемного соединения различных материалов, то необходима замена бракованной детали на новую. Известен ряд материалов, которые могут быть использованы для устранения небольших течей; эти материалы, нанесенные в жидком виде, в результате диффузии проникают в канал течи и закупоривают его.

Хотя получающееся уплотнение способно выдерживать нагрев до не слишком высоких температур, оно может быть использовано лишь временно, когда по каким-либо причинам невозможно сразу заменить некачественную деталь на новую. Если течь возникла в неразъемном соединении, то для устранения течи может быть достаточным проведение повторной технологической операции сварки или пайки соединяемых деталей.

Следовательно, течеискатели должны обладать достаточно высокой чувствительностью для того, чтобы фиксировать очень малые потоки газа. Для определения минимального потока газа, который может быть зафиксирован прибором, необходимо знать зависимость его показаний от состава газа, который меняется по мере попадания в систему пробного газа, а также связь между этими показаниями и размерами течи. Рассмотрим два случая: вязкостный и молекулярный режимы течения при достаточно большом потоке газа.

течь вакуумный герметичность спектрометр

2. Требования к степени герметичности вакуумных систем

Если в качестве пробного газа используется гелий, то, поскольку вязкости гелия и воздуха близки, выражение в скобках зависит только от быстроты откачки газа. Быстрота откачки различных газов диффузионным насосом в первом приближении обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы газа.

Поскольку предельное давление для ВБА составляет около 10^-8 Па, для полной рабочей шкалы прибора 10^-7 Па с учетом того, что, как будет показано позже, возможно индицировать изменения показаний 0,1% от всей шкалы, минимальная обнаруживаемая скорость натекания для такой системы будет равна 3-10-¹¹ Па-м³.

Приведенные выше закономерности получены в предположении, что атмосферный воздух вокруг вакуумной системы полностью замещен пробным газом. Это можно обеспечить, например, с помощью чехла, охватывающего установку и заполненного пробным газом. Если же поиск течи осуществляется путем обдува системы тонкой струей пробного газа, то с внешней стороны канала течи будет находиться смесь воздуха с пробным газом. В этом случае все полученные выше уравнения должны быть изменены.

Полученное выражение можно сравнить с выражением. Если величина ц_х близка к вязкости воздуха, то, как легко видеть, изменение давления в этом случае отличается от аналогичной величины в случае полного замещения воздуха пробным газом в х раз. Однако в случае обдува системы струей пробного газа необходимо учитывать эффекты нестационарности. Помимо задержки проникновения пробного газа из канала течи, возникает задержка в достижении равновесного состава газовой смеси, поскольку по мере откачивания воздуха происходит увеличение парциального давления пробного газа в системе.

После прохождения зондом течи парциальное давление пробного газа в системе начинает падать, а парциальное давление воздуха - возрастать, и приведенные выше зависимости приобретают обратный характер. Более детально эти вопросы рассмотрены Робинсоном в работе. Интересную закономерность можно увидеть в уравнении. Так, если быстрота откачки пробного газа намного ниже, чем воздуха, то реакция прибора оказывается быстрой. Этот эффект объясняется тем, что парциальное давление пробного газа вследствие его более низкой скорости откачки резко возрастает. С другой стороны, при удалении сопла от места течи парциальное давление пробного газа медленно падает и при более высокой быстроте откачки воздуха будет наблюдаться более медленная реакция прибора.

Как видно из уравнений и, в течеискании важную роль играет величина быстроты откачки. Уменьшение быстроты откачки системы позволяет повысить чувствительность метода течеискания. Однако существуют и другие методы, один из которых заключается в предварительном, до регистрации с помощью датчика, повышении давления. Вначале вакуумная система откачивается до предельного разрежения, а затем изолируется от насоса. После этого через какой-то промежуток времени, например через 1 мин, регистрируется давление в системе. Затем включается откачка и система окружается пробным газом. После истечения времени, необходимого для замещения воздуха пробным газом, система опять изолируется от насоса, и через 1 мин вновь регистрируется давление в системе.

Следует отметить, что рассмотренная модель является упрощенной, поскольку в ней не учитывается газовыделение из элементов системы. Из уравнения легко определить, что в рассматриваемой модельной системе объемом 0,28 м³ с помощью вакуумметра Байярда - Альперта может быть зафиксирован поток воздуха через течь, равный 10^-12 Па. Если в качестве течеискателя применяется масс-спектрометр, то очевидно, что в этом случае газовыделение не представляет проблем; кроме того, такая система обнаружения течей характеризуется очень высокой чувствительностью.

Другой метод повышения чувствительности течеискания основан па использовании мембран избирательной проницаемости, помещаемых между вакуумной системой и датчиком. В качестве примера рассмотрим так называемый палладиевый ионизационный вакуумметр. Анод этого вакуумметра, изготовленный из палладия, является одновременно мембраной, которая отделяет рабочую полость прибора от исследуемого объема. Как известно, нагретый до 1100 К палладий пропускает только водород. Попадая через канал течи в вакуумную систему, водород проникает через нагретую палладиевую мембрану в вакуумметр. Однако этот метод течеискания требует специального датчика, вследствие чего используется довольно ограниченно.

Этот метод наиболее часто применяется в сверхвысоковакуумных системах, поскольку в этих системах обычно имеется по крайней мере один чувствительный ионизационный вакуумметр. Вакуумометрический метод представляет со. бой простой и быстрый способ отыскания течей; его чувствительность ограничена только чувствительностью контрольно-измерительной аппаратуры. Другими словами, если требуемое предельное давление в непрерывно откачиваемой вакуумной системе соответствует рабочему диапазону вакуумметра, то с помощью этого прибора, в принципе, может быть обнаружена любая течь, способная вызывать увеличение предельного давления. Таким образом, в большинстве случаев использование этого метода вполне достаточно для проверки системы на герметичность.

Для обеспечения повышенной чувствительности в качестве пробного необходимо использовать такой газ, который при замещении воздуха обеспечивает максимальное изменение сигнала, регистрируемого вакуумметром. Как уже отмечалось в предыдущем разделе, этот эффект зависит не только от относительных чувствительностей вакуумметра по отношению к воздуху и пробному газу, но также и от быстроты их удаления из системы. Это, в свою очередь, зависит от типа используемого в системе насоса. В типичном случае малых течей, когда выполняются условия молекулярного течения, давление в системе, откачиваемой диффузионным насосом, при замещении воздуха пробным газом изменяться не будет. Этот эффект объясняется тем, что и скорость натекания газа, и быстрота его откачки в первом приближении связаны между собой как корни квадратные из молекулярной массы газа.

Поскольку при замещении воздуха пробным газом изменения давления не происходит, в системах, откачиваемых диффузионным насосом, для обеспечения максимального кажущегося изменения давления в качестве пробного используется такой газ, чувствительность вакуумметра по которому максимально отличается от чувствительности по воздуху. Для вакуумметра Байярда - Альперта использование гелия в качестве пробного газа вполне удовлетворяет указанному требованию. Для этих целей могут быть использованы и другие газы, например бутан, чувствительность вакуумметра по которому относительно азота составляет 4,46. Использование бутана в качестве пробного газа приводило к наилучшим результатам по сравнению со всеми другими газами. Для больших течей относительная быстрота откачки различных газов становится существенной, поскольку вязкость газа зависит не только от корня квадратного из его молекулярной массы, но и от квадрата диаметра молекулы б. Чем больше в соответствии с обратной квадратичной зависимостью эта величина, тем меньше вязкость.

Для вакуумных систем, в которых откачка осуществляется иным способом, эти выводы несколько изменяются. Так, при откачке с помощью ионного насоса существенным фактором является более низкая скорость откачки инертных газов по сравнению с активными газами. Например, при использовании гелия в качестве пробного газа в процессе откачки будет происходить увеличение его парциального давления, что занижает чувствительность вакуумметра по отношению к этому газу. Поэтому гелий не рекомендуется применять в качестве пробного газа для таких систем. С другой стороны, для такого более тяжелого газа, как аргон, чувствительность по которому в 1,5 раза выше, чем по азоту, увеличение давления за счет дискриминации в процессе его откачки будет приводить к еще большему увеличению показаний вакуумметра. Поскольку быстрота откачки аргона примерно в 4 раза меньше, чем для азота.

Как известно, быстрота откачки вакуумных систем турбомолекулярными насосами не зависит от рода газа. Однако от этого параметра существенно зависит степень сжатия откачиваемого газа, которая экспоненциально зависит от Ут. Например, согласно данным одной из фирм, выпускающей такие насосы, степень сжатия для азота составляет 8-10⁸, тогда как для гелия - только 2,5- 10⁴. Это означает, что если в системе находится азот, предварительно откачанный до 1 Па, то таким насосом его давление может быть уменьшено до 10⁹ Па, а в случае гелия - лишь до 5-10^-5 Па. Если же давление в системе значительно ниже 5 - 10^-5, то гелий, просачивающийся через канал течи, будет приводить к существенному повышению давления, и в результате, несмотря на более низкую чувствительность вакуумметра по гелию, будет наблюдаться существенное изменение показаний прибора. Однако это увеличение не будет достаточным, если откачка турбомолекулярным насосом происходит при более высоком предварительном разрежении, поскольку в этом случае увеличение давления менее значительно и компенсируется более низкой чувствительностью вакуумметра по гелию.

В системах с криооткачкой использование гелия в качестве пробного газа также дает удовлетворительные результаты, поскольку он плохо откачивается криопанелью. В этом случае может возникнуть сложность при удалении гелия из системы после обнаружения течи.

Изменение в показаниях вакуумметра при использовании серийного контрольно-измерительного блока может быть довольно малым по сравнению с фоновым сигналом, особенно при обдуве системы струей пробного газа. Поэтому для повышения чувствительности необходимо скомпенсировать фоновый сигнал, например, путем смещения нулевого положения стрелки прибора балансировкой электрической схемы. Однако такое редко удастся при работе с серийным вакуумметром. Для этого можно использовать специальные блоки - приставки, позволяющие подавать компенсирующее напряжение навстречу измеряемому и усиливать малое изменение сигнала при попадании в вакуумметр пробного газа. На выходе подобного устройства используются, как правило, измерительные приборы с нулем в середине шкалы. В отсутствие пробного газа фоновый сигнал компенсируется до нуля; при попадании в систему пробного газа измерительный прибор дает сигнал, знак которого зависит от молекулярной массы газа. Такие вспомогательные блоки выпускаются серийно для применения в качестве течеискателей вместе с ионизационными вакуумметрами. В этих устройствах используются довольно сложные схемы, которые позволяют измерять изменение сигнала без необходимости «ручной» компенсации фонового сигнала. Они позволяют достигать чувствительности, которой соответствует полное отклонение стрелки измерительного устройства при изменении сигнала обычного вакуумметра в 0,1% от всей шкалы, однако для этого необходимо довольно медленное изменение сигнала.

Для обнаружения течей в сверхвысоковакуумной системе течеискатель обычно подсоединяется к линии предварительного разрежения при отключенном высоковакуумном насосе. Вначале система откачивается собственным форвакуумным насосом, а затем откачивающей системой течеискателя, которая, как правило, состоит из ротационного и диффузионного насосов. Некоторые течеискатели снабжены дополнительным ротационным насосом для создания в системе предварительного разрежения. При достижении разрежения 10^-3 Па включают прогрев катода и заполняют ловушку жидким азотом. Большинство вакуумных течеискателей может работать в диапазоне давлений от 10^-2 до 10^-8 Па. Этот диапазон также соответствует динамическому диапазону скоростей натекання, измеряемых масс спектрометрически. Для измерения давления в вакуумной системе течеискателя в зависимости от его величины обычно используются вакуумметр Пирани и ионизационный вакуумметр. Известен альтернативный метод обнаружения течей, в котором используется характерная для турбомолекулярных и диффузионных насосов зависимость степени сжатия откачиваемого газа от рода газа. Для этого проверяемая на течь вакуумная система подсоединяется к форвакуумной линии откачной системы течеискателя, а масс-спектрометрический анализатор - к входу турбомолекулярного насоса. В процессе откачки производится дискриминация удаляемых газов, определяемая степенью сжатия легкого пробного газа и более тяжелых газов, которые присутствуют главным образом в системе с течью. Следовательно, через насос гелий будет диффундировать интенсивнее, чем остальные газы. Поэтому относительное содержание гелия на стороне высокого вакуума будет значительно превышать его содержание на выхлопе насоса; другими словами, турбомолекулярный насос можно рассматривать как фильтр легких газов. Хотя эксплуатационные характеристики такого устройства могут быть и не лучше характеристик обычного масс-спектрометрического течеискателя, простота конструкции, отсутствие ловушек с жидким азотом, а также меньшая зависимость от скорости откачки явились причинами их серийного выпуска.

Следует отметить, что в высоковакуумных системах, вне зависимости от используемого метода обнаружения течей, присутствие масел даже в небольших количествах недопустимо. Поэтому оператор должен быть уверен в том, что масло из ротационного насоса вакуумной системы течеискателя не проникает в проверяемую систему. Если в течеискателе не предусмотрена охлаждаемая жидким азотом цеолитовая ловушка для форвакуумного насоса, то целесообразно поместить такую ловушку между течеискателем и системой.

Чувствительность масс-спектрометрических течеискателей до некоторой степени зависит от быстроты откачки, а также от конструкции анализатора и электронных схем измерения. В следующем разделе будут обсуждаться общепринятые методы определения характеристик масс-спектрометрических течеискателей с помощью образцовых течей¹'. Фирмы, выпускающие вакуумное оборудование, обычно приводят рабочие характеристики течеискателей, измеренных этим методом. Пороговая чувствительность определяется как поток натекающего газа, вызывающий отклонение стрелки регистрирующего прибора, соответствующее 2% наиболее чувствительного диапазона измерений.

Литература

1. ROBINSON, N.W., The Physical Principles of Ultrahigh Vacuum Systems and Equipment. Chapman and Hall, Chapter 5

2. POWELL, J.R. and McMULLAN, D» Vacuum, 28, 287

3. BLEARS, J. and LECK, J. H» Supplement to J. Sci. lnstrum., No. 1, 20

4. KAMINSKY, M., Atomic and Ionic Impact Phenomena on Metal Surfaces, Springer-Verlag, Chapter 8

5. WARMOLTZ, N., Advances in Vac. Sci. Technol., Pergamon Press, 1, 257

6. BECKER, W., Vak. Technik., 17, 203

7. SOLOMON, G. M» J. Vac. Sci. Technol., A2, 1157

Размещено на Allbest.ru