В настоящее время промышленно выпускаются некоторые типы магниторазряных течеискателей. Но они имеют не очень высокую чувствительность и достаточно большие габариты.

В данной работе разрабатывается модель магниторазрядного течеискателя с селективной кварцевой мембраной с высокой чувствительностью и малыми габаритами. Разработана конструкция и исследованы характеристики магниторазрядного насоса. Исследованы мембранные кварцевые течи, отработана технология изготовления таких течей, с прогревом до 250 . Выбраны конструкции магниторазрядного насоса и откачного поста для тренировки модели. Определена теоретическая и экспериментальная чувствительность модели по парциальному давлению гелия в атмосфере или величине потока гелия в месте установки щупа, прокачивающего смесь воздуха и гелия к кварцевой мембране.

Разработан и изготовлен откачной пост безмасляной откачки на сорбционных насосах, предназначенный для пpедварительной откачки и тренировки модели.

На базе проведенных исследований предложены конструкции двух вариантов макетов течеискателя.

Измерительное уравнение течеискателя

(1)

Порог чувствительности течеискателя по парциальному давлению гелия с внешней стороны мембраны

Поток гелия через мембрану:

(2)

Проводимость мембраны по гелию в м³/с:

(3)

Производительность насоса при откачке гелия:

(4)

Дифференциальное уравнение баланса массы гелия в насосе с мембраной:

(5)

Ограничимся рассмотрением частного случая, когда S_H >> U. Тогда из уравнения (5) в стационарном режиме можно записать в виде:

(6)

Чувствительность течеискателя, используя (1) и (6), можно представить в виде:

(7)

Магниторазрядный насос диодный многоячеистый с быстротой откачки по гелию 0,03 л/c при анодном напряжении 3 кВ и магнитном поле 0,1 Тл имеет а = 10^-2 А/Па. Активная кварцевая мембрана имеет площадь поверхности 0,1 см². Пропускная способность по гелию такой мембраны при комнатной температуре 5*10^-14 м³/с. При нагреве мембраны до 350 °C ее проводимость по гелию увеличивается в 100 раз. Используя значение , что соответствует отношению сигнал / шум, равному 1, с учетом (7), получим для мембраны, работающий при 25 °C:

Для температуры 350 °C:

Парциальное давление гелия в атмосферном воздухе 5,2*10^-1 Па, что соответствует порогу чувствительности по давлению при 25 °C.

Порог чувствительности по потоку:

(9)

В этом случае при быстроте откачки газовой смеси в щупе 2,5 см³/c получим при 25 °C порог чувствительности по потоку 10^-6 м³Па/с, а при 350 °С - 10^-8 м³ Па/c.

Порог чувствительности - это минимальное давление или поток пробного газа, который может быть зафиксирован течеискателем. Порог чувствительности Q_min определяется как двойное значение шума,
дeленное на отношение полезного сигнала к потоку через градуированную течь:

(10)

В качестве исходного материала для мембраны был выбран кварц, так как он удовлетворял большинству требований.

Задачи, решаемые для создания магниторазрядного течеискателя, заключаются в исследовании зависимостей: 1) разрядного тока от давления; 2) времени зажигания от давления; 3) разрядного тока от анодного напряжения и магнитного поля; 4) составляющих шума и дрейфа; 5) срока службы; 6) быстроты откачки от давления, напряжения; 7) проводимости мембраны от температуры.

Для решения поставленных задач была собрана лабораторная установка, в которой непосредственно модель прибора (вакуумный модуль) была помещена в печь. На рис. 1 представлена принципиальная вакуумная схема модели.

Рис. 1

Магниторазрядный насос 7 для откачки гелия и остаточных газов, выделяющихся из материала модели; ионизационный датчик давления 9, для предварительной градуировки и поверки магниторазрядного насоса; селективная мембрана или гелиевая течь 10 для подачи газа в модель; вакуумная система (позиции 1, 2, 3, 4, 12, 11, 5) для откачки и тренировки модели. Клапан 8 используется для предварительной откачки и обезгаживания модели прогревом до 300 °С с откачкой на вспомогательную вакуумную систему. Клапан должен быть цельнометаллическим и допускать прогрев до 300 °С в открытом состоянии.

Клапан 8 используется для предварительной откачки и обезгаживания модели прогревом до 300 °С с откачкой на вспомогательную вакуумную систему. Клапан должен быть цельнометаллическим и допускать прогрев до 300 °C в открытом состоянии.

Устройство зажигания разряда 9 содержит термокатод, разогрев которого сопровождается повышением давления и зажиганием разрядa в насосе. Селективная мембрана 10 выполнена из кварца, имеющего избирательную пропускную способность по гелию.

К вакуумному модулю (рис. 2) подключается электрометрический усилитель постоянного тока, имеющий выход на микропроцессор и ЭВМ. Микропроцессор позволяет вывести значение тока в цифровом виде и передать эту величину на ЭВМ для построения графиков временных зависимостей и расчета шума и дрейфа.

Рис. 2 Вакуумный модуль

где 1 - изолятор, 2 - высоковольтный изолятор, 3 - контакт, 4 - ПМИ-10, 5 - течь, 6 - анод, 10 - корпус насоса, 11 - прокладка, 12 - экран, 13 - кольцо, 14 - фланец клапан, 15 - заглушка,
20 - электрометрическая головка, 21 - магнит, 22 - шпилька, 23 - гайка, 24 - шайба, 25 - крестовина,
26 - нагреватель, 27 - патрубок, 28 - мембранный насос.

В результате экспериментального исследования были получены следующие характеристики модели: чувствительность 2,8*10^-12 А/Па, а время реакции 2 c. Эти характерuстики несколько лучше, чем для ИНГЕМ-2. В описании ИНГЕМ-2 для чувствительности дается значение лучше, чем 1*10^-12 А/Па, а время измерения менее 2 минут.

В результате эксперимента было установлено, что минимальная определяемая концентрация гелия 0,1 Па, а порог чувствительности равен 4,47*10^-7 м³Па/c, что чуть лучше, чем у течеискателя Helitest Gen фирмы Varian.

Для определения срока службы были проведены ускоренные испытания, при которых количество гелия, поступающего в модель значительно больше, чем в процессе обычной эксплуатации.

Для ускоренных испытаний напуск гелия в насос осуществляется выдержкой мембраны в атмосфере гелия при давлении 10⁵ Па. Через каждые 0,5 часа проверяется разрядный ток насоса. При повышении разрядного тока в два раза по сравнению с его значением после первого напуска считается, что модель исчерпала свой срок службы.

В процессе эксперимента определяется время t_c [c], при котором происходит выход разрядного тока из установленных ограничений.

В итоге было определено, что допустимый срок хранения модели около 200 лет, срок эксплуатации около 60 лет.

В результате исследований и испытаний была разработана методика расчета основных характеристик прибора и определены следующие параметры модели:
- время реакции (время локализации течи);
- теоретическая и экспериментальная чувствительность модели по парциальному давлению гелия в атмосфере или величине потока гелия в месте установки щупа, прокачивающего смесь воздуха и гелия к кварцевой мембране;
- срок службы модели.

Также на модели определены характеристики магниторазрядного насоса: предельное давление, быстрота откачки, время зажигания разряда в зависимости от анодного напряжения, величины магнитного поля, рабочего давления для гелия и азота.

Выбраны конструкции поджигающего устройства, откачного поста для тренировки модели. Разработан и изготовлен откачной пост безмасляной откачки на сорбционных насосах, прeдназначенный для предварительной откачки и тренировки модели.

На базе проведенных исследований предложены конструкции двух вариантов отпаянных макетов вакуумных модулей и малогабаритных блоков измерения портативного течеискателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. J. Spies Ein neuartiges Helium-Lecksuchgerut hoher Empfinlichkeit, Vakuum Technik, 1966, 15, №8, 185-191

2. Востров Г.А., Большаков О.И. Проницаемость стекол для гелия, ПТЭ, №2, 1966

3. В. В. Голоскоков, В. Е. Кузьмина, Л. Е. Левина, В. В. Панюшкин, В. В. Пименов Магниторазрядный индикатор гелия. ПТЭ №1, стр. 175–178, 1973 г.

4. В. В. Пименов Рабочий ресурс магниторазрядного индикатора гелия ИНГЕМ-1, ПТЭ, №1, стр. 250-251, 1975 г.

5. E.I. Ivanov, L.B. Lopatina, V.L Sukhanov, V.V.Tuchkevich.

Sov.Tech. Phis. Left.6 (7). 1980 p.p.377-378.

Silicon p-n junction with the current - voltage characteristic of an “ideal” Shockley diode.