Введение

Гелиевый масс-спектрометр – это прибор, обычно используемый для обнаружения и локализации небольших утечек. Он был первоначально разработан в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны для поиска крайне малых утечек в процессе газовой диффузии на предприятиях по обогащению урана. Как правило, используется вакуумная камера, в которую помещают герметичный сосуд, заполненный гелием. Гелий просачивается из сосуда, а скорость утечки регистрируется масс-спектрометром.

Методика обнаружения

Гелий используется в качестве трассировщика, поскольку он быстро проникает через небольшие утечки. Гелий также нетоксичен, химически инертен и содержится в атмосфере лишь в незначительных количествах (5 ppm). Как правило, для измерения утечек в диапазоне от 10 до 10 Па·м³/с используется гелиевый детекторы утечек. Расход 10 Па·м³/с составляет примерно 0,006 мл в минуту при стандартных условиях температуры и давления (STP). Расход 10 Па·м³/с составляет примерно 0,003 мл в столетие при STP.

Виды утечек

Как правило, при обнаружении гелия в качестве трассирующего газа для поиска утечек выделяют два типа утечек: остаточная и виртуальная. Остаточная утечка – это реальная утечка, вызванная дефектом уплотнения, проколом или другим отверстием в системе. Виртуальная утечка – это кажущаяся утечка в вакуумной системе, возникающая из-за выделения газов из веществ, захваченных или прилипших к внутренней поверхности герметичной системы. Выделяясь в камеру, эти газы могут создавать ложное срабатывание, имитирующее остаточную утечку.

Применение

Детекторы утечек на основе гелиевых масс-спектрометров применяются в отраслях, где организовано массовое производство, таких как холодильная и кондиционерная техника, автомобильные детали, тара для газированных напитков, упаковка для продуктов питания и аэрозольная упаковка, а также при производстве паровых котлов, газовых баллонов, огнетушителей, вентилей для шин и множества других изделий, включая все вакуумные системы.

Глобальный гелийный спрей

Для этого метода необходимо подключить испытываемую деталь к прибору для обнаружения утечек гелия. Внешняя поверхность испытываемой детали будет помещена в герметичную камеру, в которой концентрация гелия будет доведена до 100%. Если деталь небольшая, вакуумная система, встроенная в прибор для проверки герметичности, сможет создать достаточно низкое давление для работы масс-спектрометра. Если деталь слишком велика, для достижения необходимого давления за разумное время может потребоваться дополнительная вакуумная насосная система. После достижения рабочего давления масс-спектрометр может начать измерения. В случае утечки, небольшие и подвижные молекулы гелия будут проникать через трещины внутрь детали. Вакуумная система будет направлять любые молекулы трассирующего газа в анализатор магнитного сектора масс-спектрометра. Сигнал сообщит оператору о величине обнаруженной утечки.

Местный гелиевый распыление

Этот метод является незначительной модификацией предыдущего. Он по-прежнему требует подключения испытываемой детали к гелиевому детекторам утечек. На внешнюю поверхность испытываемой детали направляется локализованная струя гелиевого трассировочного газа. Если деталь небольшая, вакуумная система прибора сможет создать достаточно низкое давление для работы масс-спектрометра. Если деталь слишком велика, для достижения необходимого давления за разумное время может потребоваться дополнительная откачивающая система. После достижения рабочего давления масс-спектрометр может начать измерения. При наличии утечки мелкие и подвижные молекулы гелия будут проникать через трещины внутрь детали. Вакуумная система будет транспортировать любые молекулы трассировочного газа в анализирующую ячейку масс-спектрометра с магнитным сектором. Сигнал сообщит оператору о величине обнаруженной утечки. Таким образом, сопоставление максимального сигнала утечки с положением распылительной головки гелия позволит оператору точно определить место утечки.

Испытание в вакууме с нагрузкой на гелий

В этом случае деталь находится под давлением (иногда это испытание комбинируется с испытанием на прочность, то есть при 40 бар) гелием, находясь в вакуумной камере. Вакуумная камера подключена к вакуумной насосной системе и детекторам утечек. Как только вакуум достигнет рабочего давления масс-спектрометра, будет измерена любая утечка гелия. Этот метод испытаний применяется ко многим компонентам, предназначенным для работы под давлением: баллоны для подушек безопасности, испарители, конденсаторы, высоковольтное коммутационное оборудование, заполненное SF6.

Метод частичного вакуума (ультра-снифферное испытание)

В отличие от метода поиска утечек с использованием гелия (гелиевого снайфера) и метода частичного вакуума, ультраснайферный метод с газовым следом (метод UST) использует эффект частичного вакуума, что позволяет определять герметичность испытываемого образца при нормальном давлении с той же чувствительностью, что и при вакуумном методе с гелием. Чувствительность метода составляет 10 Па·м³/с. Подобно классическому гелиевому снайферу, испытываемый образец помещается в пакет, но, в отличие от классического метода, пакет подвергается воздействию газа, не содержащего гелия, что позволяет снизить концентрацию гелия внутри пакета до 5·10⁻¹⁰ – 10 Па·м³/с. Эта чувствительность соответствует теоретической потере газа в 1 см за 3000 лет. Метод UST может быть экономически выгоден для экспресс-проверки образцов. Тестовая система может быть легко собрана из стандартных пневматических компонентов, таких как клапаны и пластиковые шланги. Для размещения образца достаточно простого пластикового пакета. Метод UST также использовался для проверки герметичности компонентов термоядерного эксперимента Wendelstein 7 X в Германии.

Испытание на бомбе

Этот метод применяется к объектам, которые предположительно герметичны. Сначала испытываемое устройство подвергается длительному воздействию высокого давления гелия в "бомбардировочной" камере. Если деталь имеет утечку, гелий сможет проникнуть внутрь устройства. Затем устройство помещают в вакуумную камеру, подключают к вакуумному насосу и масс-спектрометру. Небольшое количество газа, проникшего в устройство под давлением, будет высвобождено в вакуумной камере и направлено в масс-спектрометр, где будет измерена скорость утечки. Этот метод испытаний применяется к имплантируемым медицинским устройствам, кварцевым генераторам и фильтрам SAW. Этот метод не позволяет обнаружить значительную утечку, так как трассирующий газ будет быстро удален из камеры при откачке.

Испытание на запах гелия

В последнем случае деталь находится под давлением гелия. Масс-спектрометр оснащен специальным устройством – зондом-нюхателем, который позволяет ему отбирать пробы воздуха (и трассировочного газа при обнаружении утечки) при атмосферном давлении и подавать их в масс-спектрометр. Этот режим работы часто используется для локализации утечки, выявленной другими методами, чтобы обеспечить возможность ремонта детали. Современные приборы способны цифровым образом снижать концентрацию гелия на два порядка величины ниже фонового уровня, что позволяет обнаруживать утечки размером до 5·10 Па·м³/с в режиме нюхания.