Способ контроля герметичности изделий и устройство для его реализации

 

Использование: способ и устройство для его осуществления предназначены для определения степени негерметичности крупногабаритных изделий. Сущность: испытательную камеру с находящимся внутри опрессованным контрольным газом изделием откачивают высоковакуумным насосом. Анализируют пробу газа с помощью масс-спектрометра. Откачку и ввод пробы в анализатор осуществляют двухступенчатым турбомолекулярным насосом. При этом используют контрольный газ с малым потенциалом ионизации. Перед подачей пробы газа в анализатор ее ионизируют в дополнительной камере и компрессируют во второй дополнительной камере, осуществляя мягкую ионизацию пробы газа при давлении, близком к атмосферному. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к контролю герметичности, предназначается для испытания на герметичность крупногабаритных изделий, подлежащих вакуумированию, и может быть использовано в машиностроительных отраслях промышленности.

Известны способы контроля герметичности, использующие масс-спектрометрический метод, по которому контролируемое изделие помещают в камеру. Камеру вакуумируют и подключают к камере масс-спектрометра. Опрессовывают изделие гелием, а о величине течи судят по изменению выходного сигнала, получаемого с масс-спектрометра [1].

Существует способ контроля, при котором испытуемый объем подключается к выходу высоковакуумного насоса, а камеру масс-спектрометра соединяют со входом высоковакуумного насоса. Такой способ контроля получил название способа с противотоковой схемой.

Недостатками таких способов являются низкая производительность и чувствительность контроля. Это вызвано тем, что повышение эффективной быстроты откачки течеискателя, ведущее к уменьшению постоянной времени и поэтому увеличивающее производительность контроля, в то же время уменьшает парциальное давление пробного газа в камере течеискателя, уменьшая тем самым чувствительность испытаний.

Наиболее близким техническим решением является способ контроля крупногабаритных изделий с дополнительной вакуумной системой. Этот способ предполагает включение в испытательную схему дополнительных высоковакуумного и форвакуумного насосов, подключение камеры масс-спектрометрического течеискателя через дроссель к форвакуумной магистрали. В качестве пробного газа в изделие подают гелий. Если в изделии имеется дефект, то гелий попадает в испытательную камеру, откачивается высоковакуумным насосом, имеющим высокую производительность, обеспечивающую в линии форвакуумной магистрали быстрое увеличение парциального давления гелия. После отбора пробы из форвакуумной магистрали произвзодят ионизацию ее электронным ударом и разделение ионов по массовым числам.

Недостатком этого способа является сложность аппаратурного оформления испытательной системы, так как необходимо иметь дополнительные вакуумные насосы. В качестве пробного газа используется гелий, который имеется в атмосфере, это повышает уровень фона и снижает чувствительность контроля. Дополнительный высокопроизводительный высоковакуумный насос снижает величину постоянной времени, но только до постоянной времени течеискателя. Следовательно, производительность данной схемы контроля ограничивается постоянной времени течеискателя.

Цель изобретения состоит в упрощении аппаратурного оформления способа и в повышении производительности и чувствительности.

Это достигается тем, что в способе контроля герметичности изделий, заключающемся в опрессовке контролируемого изделия пробным газом, в подключении изделия к входу высоковакуумного насоса, отборе на его выходе анализируемой пробы и подаче ее в камеру масс-спектрометра, последнюю подключают к входу высоковакуумного насоса, после отбора анализируемой пробы с выхода высоковакуумного насоса из нее формируют молекулярный пучок, ионизируют его и подают в камеру масс-спектрометра пучок ионов, опрессовку изделия производят газом с малым ( ≅10 эВ) потенциалом ионизации (например, аммиаком), осуществляют мягкую ионизацию молекул анализируемой пробы, выражающуюся в малой внутренней энергии образующихся ионов и очень мало выраженной при атмосферном давлении их фрагментации.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для контроля герметичности, содержащем камеру масс-спектрометра, испытательную камеру, высоковакуумный и форвакуумный насосы, в качестве высоковакуумного насоса установлен двухступенчатый турбомолекулярный насос, вход первой ступени которого соединен с камерой масс-спектрометра и с испытательной камерой, а выход второй - молекулярной - ступени соединен с входом форвакуумного насоса, а также с камерой масс-спектрометра через две дополнительные последовательно соединенные камеры, из которых камера, обращенная к камере масс-спектрометра, подключена к выходу первой ступени турбомолекулярного насоса, а другая ионизационная камера подключена к входу форвакуумного насоса; полости дополнительных камер и камеры масс-спектрометра разделены двумя диафрагмами с соосным расположением отверстий.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что камеру масс-спектрометра подключают к входу высоковакуумного насоса, после отбора анализируемой пробы с выхода высоковакуумного насоса из нее формируют молекулярный пучок, ионизируют его и подают в камеру масс-спектрометра пучок ионов; опрессовку изделий производят газом с малым потенциалом ионизации, осуществляют мягкую ионизацию молекул анализируемой пробы.

В устройстве для контроля герметичности в качестве высоковакуумного насоса установлен двухступенчатый турбомолекулярный насос, вход первой ступени которого соединен с камерой масс-спектрометра и с испытательной камерой, а выход второй молекулярной ступени соединен с входом форвакуумного насоса, а также с камерой масс-спектрометра через две дополнительные последовательно соединенные камеры, из которых камера, обращенная к камере масс-спектрометра, подключена к выходу первой ступени турбомолекулярного насоса, а другая - ионизационная - подключена к входу форвакуумного насоса; полости дополнительных камер и камеры масс-спектрометра разделены двумя диафрагмами с соосным расположением отверстий.

В предлагаемом техническом решении ионный ток формируется за пределами камеры масс-спектрометра, поэтому он не зависит от давления в ней.

Это позволяет повысить степень разрежения в камере за счет увеличения эффективной быстроты откачки, следовательно снизить флюктуацию фонового сигнала и уменьшить постоянную времени откачки камеры, повысив при этом порог чувствительности и производительность контроля. Повышение чувствительности достигается за счет увеличения плотности ионного тока.

На чертеже приведено устройство для реализации способа.

Оно состоит из камеры 1, куда устанавливается контролируемое изделие 2, вентиля 3 для напуска атмосферы и предварительной откачки камеры, турбомолекулярного насоса 4, камеры масс-спектрометра 5, вентиля 6 для подачи в изделие 2 пробного вещества из источника 7. Выход 8 второй молекулярной ступени 9 турбомолекулярного насоса соединен магистралью 10 с дополнительной ионизационной камерой 11. Прокачка обеспечивается форвакуумным насосом 12.

В дополнительной ионизационной камере 11 установлена игла 13, на которую от источника 14 подается напряжение. Соосно с иглой 13 расположены диафрагмы 15 и 16. Между диафрагмами имеется дополнительная камера 17, полость которой подключена к выходу 18 первой ступени 19 турбомолекулярного насоса.

Устройство работает следующим образом. После установки в камеру 1 изделия 2 производится откачка полостей камеры и камеры масс-спектрометра 5 с помощью турбомолекулярного насоса 4. Первая ступень 19 турбомолекулярного насоса обеспечивает высокую быстроту откачки полостей камер 1 и 5, а вторая молекулярная 9 создает высокую степень сжатия. В результате в испытательной 1 и масс-спектрометрической 5 камерах создается давление 7˙10^-3 Па, а на выходе 8 второй - молекулярной ступени 9˙10⁴ Па, после чего в изделие 2 путем открытия вентиля 6 подают из источника 7 пробное вещество.

По имеющимся в изделии 2 дефектам пробное вещество вытекает в вакуумную полость, компрессируется и поступает по магистрали 10 в дополнительную ионизационную камеру 11. Прокачку по магистрали 10 обеспечивает форвакуумный насос 12.

В дополнительной ионизационной камере 11 прокачиваемая анализируемая проба ионизируется в коронном разряде, создаваемом на конце иглы 13 в результате получаемого от источника 14 высоковольтного напряжения. Образованные ионы проходят через отверстие диафрагмы 15 и попадают в дополнительную камеру 17 (обращенную к камере масс-спектрометра), в которой создается давление 7 Па с помощью подключения ее к выходу 18 первой ступени 19 турбомолекулярного насоса 4. Часть ионов, проходя через отверстие 16, попадает в камеру масс-спектрометра в виде ионного пучка. Затем происходит разделение ионного пучка по массовым числам и регистрация ионного тока с помощью усилителя.

П р и м е р 1. В испытательную камеру объемом 10^-2 м³ помещалось изделие объемом 5˙10^-3 м³. В стенку изделия была установлена калиброванная течь 10^-3 м³Па/с. Производилась откачка испытательной камеры дополнительным вакуумным насосом 2НВР-5Д до давления 3 Па, а затем с помощью высоковакуумного насоса до давления 2˙10^-4 Па. После достижения высокого вакуума испытательная камера подключалась к камере масс-спектрометра.

При частоте вращения ротора трубомолекулярного насоса 500с^-1 флюктуация фонового сигнала составила 2 мВ. После вакуумирования полости изделия и опрессовки его аммиаком под избыточным давлением 100 кПа полезный сигнал составил 4,6 В. Постоянная времени не превышала 2 с.

Для сравнения полезного сигнала и постоянной времени, характеризующих чувствительность и производительность способа, приведен пример детектирования течи по традиционной схеме.

П р и м е р 2. В испытательную камеру объемом 10^-2 м³ помещалось изделие объемом 5˙10^-3 м³. В стенку изделия была установлена калиброванная течь 10^-9 м³Па/с. Производилась откачка испытательной камеры дополнительным вакуумным насосом 2НВР-5Д до давления 3 Па, а затем с помощью высоковакуумного насоса до давления 2˙10^-4 Па. После достижения высокого вакуума испытательная камера подключалась к масс-спектрометрической камере течеискателя ТИ1-14.

Флюктуация фонового сигнала составила 8 мВ. После вакуумирования полости изделия и опрессовки его гелием под избыточным давлением 100 кПа полезный сигнал составил 0,7 В. Постоянная времени не превышала 3-4 с.

Имеет место различие в показателях, характеризующих чувствительность и производительность, в пользу предлагаемого способа, хотя речь идет и о разных пробных веществах. При этом в предлагаемом способе предполагается использование широкого круга таких веществ.

Использование предлагаемого способа позволяет аппаратурно упростить устройство контроля герметичности, исключив при этом форвакуумный и высоковакуумный насосы, что ведет к энергосбережению. Увеличение производительности процесса контроля ведет к уменьшению числа установок, а это также ведет к энергосбережению и уменьшению рабочих площадей.

Формула изобретения

1. Способ контроля герметичности изделий, заключающийся в том, что контролируемое изделие помещают в испытательную камеру, соединяют испытательную камеру с камерой масс-спектрометра и откачивают их высоковакуумным насосом, опрессовывают изделие пробным газом, отбирают пробу газа из испытательной камеры на выходе из высоковакуумного насоса и подают ее в камеру масс-спектрометра, отличающийся тем, что перед подачей пробы газа в камеру масс-спектрометра ее ионизируют в первой дополнительной камере и компрессируют во второй дополнительной камере и используют пробный газ с потенциалом ионизации ≅ эВ.

2. Устройство для контроля герметичности изделий, содержащее испытательную камеру, камеру масс-спектрометра, форвакуумный насос, двухступенчатый турбомолекулярный насос, вход первой ступени которого соединен с камерой масс-спектрометра, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными камерами, последовательно соединенными с камерой масс-спектрометра и разделенными соосно расположенными диафрагмами, первая дополнительная камера, соединенная с камерой масс-спектрометра, соединена с выходом первой ступени турбомолекулярного насоса, вторая дополнительная камера выполнена ионизационной и соединена с выходом второй ступени турбомолекулярного насоса и входом форвакуумного насоса, а испытательная камера соединена с входом первой ступени турбомолекулярного насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1