Как найти течь вакуума

В вакуумной технике есть область, при упоми­нании о которой те, кто работает с вакуумными приборами и установками, грустнеют. Но именно эту область и надо знать хорошо. Речь идет о поиске негерметичностей, или «течей», в вакуумных приборах и системах, или, как говорят, о течеискании. Причиной их могут быть ошибки в конструкции, нару­шения технологии при изготовлении и дефекты материалов.

Определить сам факт натекания в вакуумную камеру не­сложно: при работающем насосе достигается не предельный вакуум насоса, а существенно худший. Другой способ — прекратить откачку и вести наблюдение за изменением давле­ния в системе. Если давление нарастает, то возможно натекание. Но задача не только в том, чтобы определить сам факт натекания, а в том, чтобы найти место течи и ликвидировать ее. В вакуумной установке может быть два-три десятка флан­цев, два-три десятка вводов, десятки метров сварных и паяных швов. А бывает и на порядок больше. И в каждом вводе может быть течь, в каждом фланце может быть течь, в каждом миллиметре каждого шва тоже может быть течь. Казалось бы, если все сделано доброкачественно, то течей быть не должно. Ведь все элементы вакуумной системы могут быть проверены до монтажа. К сожалению, это не совсем так: маленькие фланцы и вводы могут быть проверены предварительно, а большие элементы, в частности, сама камера, не могут быть проверены никак иначе, чем «в сборе». Но мало собрать камеру без течей — вакуумные камеры, как правило, прогре­ваются для обезгаживания, а при прогреве из-за разницы в коэффициентах теплового расширения в элементах вакуумной установки возникают механические напряжения и как их след­ствие — течи. Что с ними делать? Элементы, которые можно заменить, заменяют. Швы иногда пытаются «подваривать», т. е. производить сварку поверх уже имеющегося шва, но далеко не всегда это кончается успешно. Наконец, существуют термостойкие лаки и смолы, которыми замазывают место течи *). Но для проведения всех этих мероприятий надо знать, где она, течь. Как же это установить?

Предположим, что имеется вакуумметр с большой селектив­ностью, особо чувствительный к какому-то газу. Обдувая вакуум­ную камеру снаружи тонкой струйкой этого газа и наблюдая за показаниями вакуумметра, мы отметим момент, когда пока­зания вакуумметра резко возрастут. А посмотрев, какое место установки мы при этом обдували «пробным газом», увидим, где течь. Практически удается локализовать место течи с точ­ностью до миллиметра. В качестве пробного газа чаще всего применяется гелий, а в качестве высокоизбирательного вакуум­метра — спектроанализатор, настроенный на пик ионов гелия.

Применить этот метод можно, так сказать, наоборот: за­полнить камеру газом, содержащим галоген, проще всего тем же фреоном под давлением больше атмосферного, и через место течи он будет сочиться наружу. Снаружи надо поставить нагре­тую платиновую проволочку, а рядом с ней — любой электрод под отрицательным относительно нее потенциалом. При нагре­ве из платины начинают диффундировать наружу имеющиеся в ней атомы примесей, в первую очередь — калия и натрия. С поверхности они могут испаряться в виде либо атомов, либо положительных ионов. Ток, протекающий в цепи отрицатель­ного электрода, пропорционален доле ионов. Оказывается, что эта доля увеличивается в присутствии галоидосодержащих газов.

*) В вакуумной технике применяются кремнийорганические смолы и не­которые другие вещества, выдерживающие температуры до 400 °С и позволяю­щие после замазывания течей в приборе этими веществами получить вакуум до Ю^-7 Па. Заметим, что в электронных приборах скорость откачки геттер обычно невелика. В установках же с большей скоростью откачки допустим соответственно и большее газовыделение, и большие течи.

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 (посекционно) 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.

Чувствительность ионизационных вакуумметров различна для разных газов; так, для вакуумметра Байярда — Альперта (ВБА) 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 на, место течи, 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.

Выбираете оборудование?

Поможем с выбором и разъясним нюансы

Обнаружение утечек в вакууме — это процесс определения места утечки в вакуумной системе.

Утечка — это явление, при котором газ перетекает со стороны высокого давления на сторону низкого давления через течи или зазоры в системе.

Герметичность — это способность стенок вакуумной системы препятствовать проникновению газа.

Минимальная обнаруживаемая скорость течи относится к минимальному значению скорости течи, которое может обнаружить определенный метод обнаружения утечек.

Под оптимальной чувствительностью подразумевается наименьшая скорость утечки, которую может обнаружить прибор для обнаружения утечек или метод обнаружения утечек при оптимальных условиях. В приборах для обнаружения течей оптимальная чувствительность также называется чувствительностью прибора.

Чувствительность обнаружения течей относится к минимальной скорости утечки, которая может быть обнаружена с помощью определенного метода обнаружения течей при определенных условиях. Чувствительность обнаружения утечек также называется эффективной чувствительностью.

Время отклика — это время от реализации способа обнаружения течи (например, начала продувки утечек газа) до времени срабатывания способа индикации.

Время устранения — это время от остановки метода обнаружения утечки (например, прекращения продувки и начала откачки вытекающего газа) до исчезновения показаний метода индикации.

Скорость утечки — это количество газа, проходящего через течь (включая зазор) в единицу времени.

Классификация методов утечки

Существует множество методов обнаружения утечек, которые можно разделить на метод обнаружения утечек под давлением, метод обнаружения утечек в вакууме и другие методы обнаружения утечек в зависимости от состояния испытываемых деталей.

Способ обнаружения утечек под давлением

Внутри проверяемой детали заполняется вещество, указывающее на герметичность, под определенным давлением. Если на проверяемой детали имеется течь, то вещество вытечет из нее, тем самым определяя место течи и скорости утечки. Это метод обнаружения утечек при нагрузке.

Способ обнаружения утечек под вакуумом

Чувствительный элемент испытуемой детали и течеискателя находится в вакуумном состоянии, на внешнюю сторону испытуемой детали наносится вещество, указывающее на утечку. Если есть течь, то вещество попадет в испытуемую деталь и чувствительный элемент через отверстие для утечки.

Другие методы обнаружения утечек

Тестируемые детали не находятся под давлением и не откачиваются, или их внешнее давление относится к другим методам обнаружения утечек. Метод обратного давления является одним из основных методов.Так называемый “метод обнаружения утечек под обратным давлением” заключается в использовании камеры обратного давления для того, чтобы сначала заполнить образец газом, указывающим на течь, а затем обеспечить утечку газа из образца в вакуумном состоянии. Способ обнаружения утечки вытекающего газа с помощью определенного метода (или течеискателя) для определения общей скорости утечки испытуемой детали.

Гелиевые течеискатель 

Гелиевый течеискатель использует гелий или водород в качестве газа-индикатора течи. Гелий обладает низким фоновым шумом, малой молекулярной массой и коэффициентом вязкости, поэтому он легко проходит через течь и легко распространяется; кроме того, гелий является инертным газом, который не вызывает коррозии оборудования, поэтому его обычно используют в качестве газа для поиска течей.Газ поступает внутрь камеры, соединенный с газоанализатором (настроенный на рабочее состояние реакции только с гелием). Если в камере есть течь, анализатор отреагирует, и определит место и размер течи.

Гелиевый течеискатель не только обладает высокой чувствительностью, но и прост в эксплуатации. Он может автоматически переключать двойную нить накала, автоматически регулировать ноль, автоматически калибровать и автоматически переключать диапазон измерения.

Преимущества гелиевых течеискателей

1. Портативная конструкция

2. Компактный внешний вид

3. ЖК-дисплей с сенсорным экраном

4. Коммуникационный интерфейс

5. Данные об обнаружении утечки могут быть легко выведены на экран

Что входит в состав гелиевого течеискателя?

1. Турбомолекулярный насос 

2. Форвакуумный насос (пластинчато-роторный вакуумный насос, вакуумный насос Рутса, винтовой вакуумный насос, спиральный вакуумный насос)

3. Электромагнитный клапан

4. Калиброванная гелиевая течь

5. Специальный модуль для масс-спектрометрии

Метод обнаружения течи при помощи гелиевого течеискателя

Технология обнаружения течи при помощи гелиевого течеискателя является незаменимой технологией в области обнаружения утечек в вакууме. Он широко используется для обнаружения утечек в печи сопротивления из-за его высокой эффективности обнаружения течи, простоты в эксплуатации, чувствительного отклика, высокой точности и отсутствия помех со стороны других газов.Течеискатель основан на принципе масс-спектрометрии, использующем гелий в качестве газа утечки для создания детектора герметичности.

Он состоит из источника ионов, анализатора, коллектора, датчика ионизации с холодным катодом, камеры масс-спектрометрии, системы отбора воздуха и электрической части.Электроны, испускаемые нитями в масс-спектрометрической камере, колеблются назад и вперед в камере и сталкиваются с внутренним газом и гелием, поступающими в камеру через отверстие утечки, чтобы ионизировать их в положительные ионы.Эти ионы гелия попадают в магнитное поле под действием ускоряющего электрического поля, которое отклоняется под действием силы Лоренца, образуя дугообразную орбиту. Изменение ускоряющего напряжения может заставить ионы различного рода проходить через магнитное поле, и течь обнаруживается, когда он достигает приемного полюса. Метод впрыска гелия и метод поглощения гелия являются двумя наиболее часто используемыми методами обнаружения течи гелиевым течеискателем в печи сопротивления.

Основные причины использования гелия в качестве детектирующего газа

1) он не токсичен для человеческого организма и окружающей среды;

2) отсутствие горения, безопасная эксплуатация;

3) инертный газ не вступает в реакцию с испытуемым объектом;

4) маленькая молекулярная масса, легко проходит через небольшую течь, легко обнаруживается утечка;

5) в целом, газовое состояние поддерживается в окружающей среде, и микропротекание не блокируется;

6) в газе, выделяющемся из самой вакуумной камеры, почти нет гелия;

7) количество гелия в воздухе составляет всего 5 частей на миллион, поэтому легко определить место утечки.

Поскольку гелий намного легче воздуха, необходимо работать сверху вниз, когда гелий вводится в вакуумную камеру для обнаружения утечки, в противном случае это не способствует определению точки утечки. Когда структура полости сложная или скорость утечки очень мала, для покрытия ключевых деталей можно использовать пластиковый пакет, а затем в пластиковый пакет заливается газообразный гелий, чтобы обеспечить обнаружение утечек конкретных ключевых деталей.

В целом, обнаружение утечек в вакууме должно быть сосредоточено на следующих частях:

• фланцевое соединение;

• место сварки;

• часть сильфона;

• другие уплотнительные детали.