Обнаружение и устранение натекания воздуха в вакуумные системы

При наладке и эксплуатации любой разборной вакуумной системы очень важно обнаружить участки, недостаточно герметичные и вызывающие натекание воздуха в рабочую камеру. Наиболее часто это происходит в зонах сопряжения разборных соединений.

Скорость натекания Aq характеризуется количеством воздуха, проникающего в вакуумную систему в единицу времени (например, секунду) и вызывающего повышение остаточного давления. Например, средняя скорость натекания в камере объемом в 1 л при повышении давления в ней за время t сек. с Pнач, в начале измерения до Pкон в конце измерения определяется из равенства

В камере объемом V л при тех же значениях начального и конечного давлений Рнач и Pкон и той же продолжительности испытания t сек. натекание Qн пропорционально объему камеры

В установках для высокотемпературной металлографии во многих случаях допустимо натекание Лq со скоростью не более 10в-5 мм рт. ст. л/сек (или Аq = 10в-2 мкл/сек). Такое натекание не вызывает видимого окисления поверхности большинства изучаемых металлических образцов.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что при достаточно мощной системе откачки в вакуумной камере может быть получено низкое остаточное давление, например, 5*10в-6 мм рт. ст., хотя натекание в систему будет значительно превышать допустимое значение. При этом исследуемые образцы будут подвергаться взаимодействию с протекающим через вакуумную камеру потоком частиц воздуха и на поверхности образцов будет возникать пленка окислов. Поэтому весьма важной является тщательная проверка вакуумных систем на натекание и устранение неплотностей, вызывающих это нежелательное явление.

Для определения скорости натекания вакуумную систему при помощи крана или вентиля отсоединяют от насоса. При этом фиксируют начальное давление P1 и его изменение по времени.

На рис. 40 приведен график, характеризующий изменение остаточного давления в зависимости от состояния системы.

Если давление P1 практически остается неизменным в течение первых 10—20 мин. (прямая 1, параллельная оси времени), то это означает, что натекание в систему ничтожно мало. Если давление в системе возрастает с Р1 до P2 и дальше не повышается (кривая 2), то это свидетельствует о наличии в ней источника, выделяющего пары, которые заполняют систему и обладают давлением P2. Наконец, когда остаточное давление монотонно повышается пропорционально времени (кривая 3), это значит, что в систему натекает атмосферный воздух. Если за время t сек. давление (в мм рт. ст.) в системе возросло с P1 до P3, то скорость натекания (при объеме вакуумной системы V л) можно определить по формуле (30).

При указанном выше допустимом значении натекания Aq = 1*10в-5 мм рт. ст. л/сек для обеспечения требуемого разрежения необходимо, чтобы скорость откачки насоса S была примерно в 10 раз больше отношения натекания к остаточному давлению P:

Например, при требуемом разрежении P=1*10в-5 мм рт. ст. в камере объемом V л и допустимой скорости натекания Аq=1*10в-5 мм рт. ст. л/сек скорость откачки S должна быть

т. е. на каждый литр объема камеры скорость откачки должна составлять не менее 10 л/сек. При объеме камеры, например, V = 10 л, требуется насосная система, обеспечивающая скорость откачки не менее S > 100 л/сек.

При испытании вакуумной системы на натекание определяют давление воздуха, проникающего в установку через неплотности соединений. При этом необходимо устранять влияние паров на показания электрических вакуумметров путем их конденсации вымораживающей ловушкой, устанавливаемой в патрубке, соединяющем систему с манометрическими лампами.

Для сокращения «пускового» периода при изготовлении установки все детали вакуумной системы следует до сборки тщательно проверить на натекание и герметичность. Отдельно проверяют трубопровод, вентили, вакуумную рабочую камеру и другие элементы системы.

Рекомендуется предварительно контролировать работу предназначенных к установке насосов (ротационного и пароструйного).

В тех случаях, когда несмотря на принятые меры, натекание в систему все же превышает допустимое, приходится определять зоны натекания и устранять их.

Для обнаружения мест натекания в металлических и стеклянных элементах вакуумных систем применяются различные способы.

Одним из самых простых способов нахождения течи является метод «мыльной пленки». В испытываемый узел или в собранную вакуумную систему подается воздух под давлением 2—3 ат. Предварительно должны быть приняты меры по технике безопасности проведения испытаний. На отдельные подозрительные по возможности натекания участки наносится кисточкой слой мыльной пены. В зонах, через которые из испытываемой системы просачивается наружу воздух, вздуваются мыльные пузыри. Эта методика позволяет обнаруживать участки, создающие натекание до 0,04 мм рт. ст. л/сек.

Более совершенным, неоднократно проверенным в нашей практике является способ определения течи при помощи термопарного вакуумметра, работающего на лампе типа ЛТ-2. На рис. 41 дана принципиальная схема, иллюстрирующая описываемый метод проверки собранной вакуумной системы.

Вакуумная камера 1 связана через патрубок 2, пароструйный насос 3 и кран 4 с ротационным насосом 5. Тройник 6 служит для подсоединения крана 7, через который внутрь вакуумной системы после окончания работы установки подается атмосферный воздух.

Термопарную лампу 8 типа ЛT-2 соединяют с измерительным устройством 9 (аналогичным приведенному на рис. 24) или подключают к вакуумметру типа УТВ-49, ВТ-2 или ВИТ-1. Патрубок лампы 8 припаивают к стеклянному выводу корпуса вымораживающей ловушки, соединяя ее трубкой 11 с рабочей камерой. Для вымораживания паров, которые могут вызвать искажения в величине измеряемого остаточного давления, корпус 10 помещают в сосуд Дьюара 12, наполненный жидким азотом 13.

Опрыскивая из пульверизатора (или смазывая ваткой) исследуемые участки системы такими летучими углеводородами, как ацетон, бензол или метиловый спирт, и одновременно наблюдая за показаниями вакуумметра, ведут поиски течи. Пары этих жидкостей, проникая внутрь системы через зону натекания, попадают также в баллон лампы типа ЛT-2. Поскольку теплопроводность паров углеводородов и воздуха различна, показания вакуумметра при этом заметно изменяются.

Очень важно правильно присоединить термопарную лампу к вакуумной системе: патрубок ЛТ-2 должен находиться в непосредственной близости к зоне, подвергаемой опрыскиванию. Тогда пары жидкости, проникающие внутрь вакуумной системы, немедленно будут попадать в баллон лампы. Поэтому при поисках течи к сложной вакуумной системе нередко присоединяют одновременно две или три лампы типа ЛТ-2, подключая их к вакуумметрам.

Остаточное давление в вакуумной системе в процессе поисков течи должно составлять 10в-1—10в-3 рт. ст., так как только в этом диапазоне разрежений могут действовать лампы типа ЛТ-2. Насос 5 должен непрерывно работать.

Термопарным методом можно определять нарушения герметичности в вакуумной системе, вызывающие натекание со скоростью от 10в-1 до 10 мм рт. ст. л/сек.

Для поисков течи в разборных металлических вакуумных системах разработаны и применяются различные более совершенные, но и более сложные методы. Некоторые из них основаны на использовании ионизационных манометров и позволяют обнаруживать крайне незначительные натекания — от 10в-3 до 10в-5 мм рт. ст. л/сек.

Особого внимания заслуживают специальные приборы — течеискатели, работающие по принципу масс-спектрометров. Они позволяют обнаруживать натекания до 5*10 мк рт. ст. л/сек по попаданию гелия в систему через имеющиеся неплотности.

Выпускаемый в бывш. СССР гелиевый масс-спектрометрический течеискатель типа ПТИ-4А работает следующим образом. Пучок положительных ионов в камере масс спектрометра, ускоренный разностью потенциалов v, перемещается в магнитном поле напряженностью Н; при этом образующие пучок ионы «сортируются» по величине

где m — масса иона, а е — его заряд.

Этот процесс «сортировки» становится возможным потому, что в магнитном поле заряженные частицы газа (его ионы) движутся по круговым траекториям, радиус которых R (см) для любого однозарядного иона определяется соотношением

где v — разность потенциалов, в;

H — напряженность поля, эрст.

Для данного радиуса кривизны ионы, достигающие коллектора масс спектрометра, могут быть «рассортированы» путем изменения величины ускоряющего потенциала. Величина ионных токов, соответствующих различным ионам, зависит от количества данных ионов в ионном пучке, которое в свою очередь определяется количеством попадающих в масс спектрометр молекул данного газа, из которых образуются его ионы На рис. 42 приведена скелетная схема масс-спектрометрического течеискателя ПТИ-4A 1, настроенного на измерение парциального давления гелия в исследуемой вакуумной камере 2, связанной патрубком 3 с системой откачки 4. Объект испытания присоединяют к вакуумной системе течеискателя через дроссельный кран 5. позволяющий регулировать количество газа, попадающего из контролируемой системы в масс спектрометр 6. Масс-спектрометр выполнен в виде металлической камеры, помещенной в магнитное поле H напряженностью около 1300—1400 эрст, создаваемое постоянными магнитами. В камере масс-спектрометра с помощью пароструйного насоса 7 и ротационного насоса 8 поддерживается высокий вакуум. Для конденсации паров служит вымораживающая ловушка 9.

Из баллона 10 через шланг 11 с обдувателем 12 на конце подается тонкая струя гелия. Благодаря малой вязкости гелий проникает через самые незначительные неплотности в испытываемый объем и частично отсасывается в вакуумную систему масс-спектрометра. При этом масс-спектрометр настроен таким образом, что из выходящего из ионизатора 18 пучка ионов на коллектор ионов 14 могут попадать только ионы гелия.

С панели управления 15 подается питающее напряжение на стабилизированный выпрямитель 16, магнитный электроразрядный маке метр 17 и усилитель переменного тока 18.

Коллектор масс-спектрометра соединен с расположенной внутри его камеры сеткой электрометрической радиолампы типа 6Ж1Ж, которая является частью первого каскада усиления переменного тока. Возникающий в результате попадания ионов гелия в камеру масс-спектрометра ток проходит через сопротивление во входной цепи первого каскада усиления. Напряжение, падающее на этом сопротивлении, усиливается при помощи усилителя 18 и подается на звуковой индикатор — сирену 19, а также на выходной прибор 20 с пределами измерения тока 300 мка и 3 ма. Сирена 19 сигнализирует о появлении гелия в масс-спектрометре, а показания прибора 20 позволяют ориентировочно судить о величине натекания в испытываемой вакуумной системе.

При нормальной работе течеискатель ПТИ-4А реагирует только на попадание в контролируемый объект пробного газа, в данном случае гелия, несмотря на то, что в масс-спектрометре и в испытываемой аппаратуре есть и другие газы. Такая избирательность объясняется указанным выше разделением в магнитном поле ионного потока на ряд потоков, каждый из которых содержит ионы с одинаковой эффективной массой. Постепенно изменяя ускоряющее напряжение, можно направлять на коллектор потоки ионов, обладающих различными массами и контролировать, таким образом, весь спектр масс газов, имеющихся в исследуемой камере. Часть спектра, вызванная ионами с одинаковой массой, называется «пиком ионного тока» данной массы, например «пиком гелия».

Высокая чувствительность течеискателя ПТИ-4А, составляющая 5*10в-6 мк рт. ст. л/сек, обеспечивается малым содержанием гелия в атмосфере (около 5*10в-4) и отсутствием его среди газов, выделяемых стенками контролируемых камер вакуумных установок.

Величина «фона» (показания прибора, не зависящие от количества гелия) незначительна и позволяет выявлять малейшее нарастание концентрации гелия в вакуумной системе.

Благодаря малому атомному весу гелия упрощается конструкция масс-спектрометра, в котором он используется в качестве пробного газа, так как при этом радиус R движения потока ионов и напряженность магнитного поля Н, определяющие размеры и вес магнита, могут быть значительно уменьшены без снижения ускоряющего напряжения.

Кроме того, ценными качествами гелия являются инертность, благодаря чему его применение в течеискателях безопасно и безвредно, а также его сравнительно невысокая стоимость.