Здравствуйте. Сегодня я хотел бы вам рассказать о замечательной профессии — вакуумщик. Так же мы познакомимся с весьма любопытным и сложным прибором предназначенным для локализации микротечей.
Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель ПТИ-10 создан для испытаний на герметичность всевозможных систем и объектов, допускающих откачку внутренней полости(вакуумирование), а также заполненных чистым гелием или газовоздушной смесью, содержащей гелий.
Под системами подразумевается например вакуумная рубашка криогенного трубопровода, вакуумной камеры для испытания космических аппаратов или установка для напыления.
Течеискатель ПТИ-10 является универсальным, рассчитанным на все виды контроля герметичности прибором, с применением гелия в качестве пробного газа.(почему гелий будет рассказано ниже)
Так как погрешность определения величины течи данным прибором зависит от прямоты рук оператора, геометрических форм исследуемого объекта, откачных средств, влажности или температуры, то она не нормируется.
Для того чтобы понять, зачем нужно городить целый шкаф на колесиках для поиска течей, рассмотрим размерность измеряемых величин.
Технические характеристики:
Минимальный регистрируемый поток гелия без дросселирования — не более 1*10-11 м3 Па/с, а с дросселированием – 6.6*10-13м3 Па/с.
Под дросселированием понимается уменьшение скорости откачки камеры масс-спектрометра для накопления пробного газа в анализаторе.
Поток 1 м3 * Па/с означает, что в объеме 1 м3 за 1 с давление изменяется на 1 Па, а у нас при 1*10-11 м3 Па/с.
Посчитаем, сколько это:
1м3=100см*100см*100см=1000000 см3
P=100000 Па(атмосферное давление в паскалях)
Значит, при давлении 1 атмосфера 1Па в 1м^3 займет по объемной доле 1000000\100000=10 см3, но у нас не целый Паскаль, а его 1*10-11 поэтому 1*10-11 * 10 см3 = 1*10-10 см3.
Стоит вспомнить что измерение производится еще и в секундах, то есть столь малый объем еще и втекает за секунду. Как же он может регистрироваться и измеряться?
Ответ прост и сложен одновременно. С одной стороны принцип состоит в уменьшении плотности иных газов (чем «тяжелее» газ, тем проще его откачать) и точном направлении ионов гелия в анализатор (мишень масс-спектрометра), а с другой стороны, реализация сложна и содержит приличное количество не очевидных подводных камней.
Начнем с разбора принципа работы.
Чтобы понять, герметичен объект ли объект, его накачивают гелием и помещают в промышленную вакуумную камеру, например такую или домашнего пользования.
Или вакуумируют образец(если это возможно) и обдувают его потоком гелия. В любом случае при наличии течей гелий попадает в откачную систему состоящую из каскада различных вакуумных насосов.
Вот, наконец, образцы пробного газа у входа в течеискатель, что происходит дальше? А ничего, потому что сначала нужно открыть входной вентиль и плавно выровнять давление в течеискателе и откачном патрубке. Если его открыть слишком быстро, а вакуум в патрубке будет ощутимо хуже, чем в течеискателе, то вскипит азотная ловушка и временно выйдет из строя камера масс-спектрометра. Но обо все по порядку.
Снимем заднюю крышку и заглянем внутрь.
В схематичном виде это выглядит так.
Остаточная атмосфера из исследуемого объекта проходит входной фланец и оказывается в азотной ловушке, где из вакуума вымораживаются остаточные пары воды (они есть почти всегда).
Азотная ловушка это место соприкосновения вакуума и криогенных температур (обычно это герметичная емкость, в которую вварена колба для наливания криогенной жидкости)
После этого гелий в основном уходит в паромасляный насос (так как там вакуум лучше, а значит давление чуть, но меньше).
Паромасляный вакуумный насос откачивает атмосферу сверхзвуковой струей раскаленного масляного пара, захватывая и не выпуская.
П после этого в роторно-пластинчатый насос и на улицу:
Роторно-пластинчатый насос за счет вращения схватывает и сжимает остаточную атмосферу выдавливая ее на улицу.
Но остальная часть гелия попадает в масс-спектрометр. Здесь и начинается самое интересное.
Масс-спектрометрия в ПТИ-10 предполагает наличие носителя заряда и отношения массы к заряду ионов, получающихся при ионизации пробного газа. Пробным газом выступает гелий, так как у него мала энергия первичной ионизации и его естественная распространенность в атмосфере стремится к нулю.
Рассмотрим камеру масс-спектрометра
Как видите, здесь всего 3 функциональных элемента, но каждый из них хитер и опасен.
Электронная пушка — это маленький ускоритель заряженных частиц (извините за качество, иных образцов фото не осталось).
Сверху, на щелью установлен вольфрамовый катод, нагревающийся в процессе эксплуатации до 700-1000 С, при нагревании до такой температуры он образует вокруг себя поток электронов частично попадающих в щель. Под щелью располагается камера электронной пушки, в которой и происходит таинство ударной ионизации электроном атома гелия(прочих тоже, но в меньшей степени).
Катоды
Ну вот, мы ионизировали гелий — что дальше?
Дальше он разгоняется через «дуло» пушки разностью потенциалов до 400В (катодом является камера, а анодом рамка перед камерой) и вылетает за границы электронной пушки.
Теперь, по идее, он должен лететь вперед и бесславно погибнуть разбившись о стену, но его спасает направляющая магнитная система масс-спектрометра. Точнее его спасает сила Лоренца , заставляющая его двигаться по дуге к сепаратору.
Сепаратор представляет собой металлическую пластину с прямоугольным отверстием, находящимся на расчетной дуге движения иона гелия. Получается, что только гелий пролетает сквозь отверстие в сепараторе (остальные из за большей массы не успевают повернуть и гибнут).
Иногда магнитная система сбивается и приходится делаю юстировку, меняя ее положение относительно камеры масс-спектрометра и направляя таким образом поток ионов.
Далее ион попадает в мишень, создает ионный ток, усиливается ламповым и транзисторными каскадами и отображается на вольтметре в головном блоке индикации (так же есть блоки, управляющие клапанами, питанием камеры, индикации давления в разных частях системы).
Не расстраивайтесь, у нас работают не только советскими образцами (они просто неубиваемые и ремонтируются на ходу), Вот, например, образец одной питерской конторы.
Все автоматизировано (защита от дурака восхищает) и добавлена удобная система индикации (извините за качество, работали без света).
Вместо паромасляного насоса там живет турбомолекулярный.
Спрашивайте и поправляйте, если нужно дополню статью фото.